1. Ökologische und technische Notwendigkeit
Der Wechsel von synthetischen hin zu natürlichen Kältemitteln ist weit mehr als eine ökologische Pflichtaufgabe. Zwar ist der Unterschied im Treibhauspotenzial gewaltig – R134a weist ein Global Warming Potential von 1.430 auf, während R290 mit einem Wert von 3 praktisch klimaneutral agiert – doch die wahre Revolution findet in den Leistungsdaten statt.
Wie im aktuellen Bewilligungskontext moderner Heizsysteme deutlich wird, entscheidet die Effizienz des Kältekreises direkt über die langfristige Wirtschaftlichkeit einer Immobilie.
2. Überlegenheit durch optimierte Druckverhältnisse
Die technische Überlegenheit von R290 lässt sich physikalisch präzise begründen. Im direkten Vergleich der Kreisprozesse bei einer Standard-Verdampfung von 0 °C zeigen sich signifikante Vorteile.
R290 arbeitet mit einem Saugdruck von ca. 4,74 bar und erreicht damit eine höhere volumetrische Kälteleistung als R134a mit 2,93 bar. Das resultierende Druckverhältnis von Π ≈ 3,60 (gegenüber Π ≈ 4,50) entlastet den Verdichter mechanisch. Zugleich ermöglicht die thermodynamische Charakteristik von Propan Vorlauftemperaturen bis 70 °C auch bei niedrigen Außentemperaturen.
3. Analyse des log(p)-h-Diagramms
Das log(p)-h-Diagramm bildet den thermodynamischen Kreisprozess als geschlossene Kurve ab. Die wesentlichen Zustandsänderungen lassen sich in vier Phasen gliedern, die im Diagramm klar getrennte Segmente mit spezifischen Energie- und Druckverläufen darstellen.
In der Phase 1→2 (Verdichtung) steigen Druck und Temperatur; die Enthalpie nimmt zu und bildet den Arbeitsinput des Verdichters ab. In der Phase 2→3 (Verflüssigung) wird bei hohem Druck Wärme abgegeben, das Kältemittel kondensiert und die Enthalpie sinkt.
Die Expansion 3→4 im Drosselorgan führt zu einem Druckabfall bei nahezu konstanter Enthalpie und bildet eine Zweiphasen-Mischung. In der abschließenden Verdampfung 4→1 wird bei niedrigem Druck Wärme aufgenommen, bis das Kältemittel vollständig verdampft.
4. Stoffdaten im Direktvergleich: R134a vs. R290
Zur Analyse der Effizienzunterschiede werden die physikalischen Kennwerte beider Kältemittel unter identischen Betriebsbedingungen (Verdampfung 0 °C / Verflüssigung 50 °C) verglichen.
| Parameter | Einheit | R134a (klassisch) | R290 (Propan) | Differenz / Vorteil |
|---|---|---|---|---|
| Sattdampfdruck (0 °C) | bar | 2,93 | 4,74 | +61 % höherer Saugdruck |
| Verflüssigungsdruck (50 °C) | bar | 13,18 | 17,08 | Höheres Druckniveau |
| Druckverhältnis (Π) | - | 4,50 | 3,60 | -20 % geringere Last |
| Verdampfungsenthalpie (h_fg) | kJ/kg | 198 | 373 | +88 % Energieaufnahme |
| Global Warming Potential | GWP | 1.430 | 3 | Nahezu klimaneutral |
| Sicherheitsklasse | ASHRAE | A1 (unbrennbar) | A3 (brennbar) | Höhere Sicherheitsanforderung |
5. Thermodynamische Erkenntnisse bei niedrigen Außentemperaturen
Die physikalische Analyse belegt, dass die Nutzung von R290 insbesondere unter anspruchsvollen klimatischen Bedingungen erhebliche Vorteile bietet. Da Propan auch bei sehr niedrigen Quelltemperaturen einen stabilen Saugdruck behält, bleibt die Effizienz der Gesamtanlage im Winterbetrieb ohne übermäßigen Leistungsabfall erhalten.
Die grafische Auswertung im log(p)-h-Diagramm verdeutlicht: Propan benötigt für denselben Temperaturhub eine geringere spezifische Verdichterarbeit bei gleichzeitig signifikant höherer Energieaufnahme pro Umlauf. Dies bildet die physikalische Grundlage für die überragenden Jahresarbeitszahlen moderner R290-Systeme.
6. Druckverhältnis Π: Der Schlüssel zur mechanischen Effizienz
Das Druckverhältnis Π beschreibt die Differenz zwischen Saugdruck (Verdampfungsniveau) und Hochdruck (Verflüssigungsniveau), die der Verdichter überbrücken muss. Es ist ein direktes Maß für die mechanische Arbeit, die dem System zugeführt werden muss.
Anhand der ermittelten Stoffdaten zeigt sich ein deutlicher Vorteil für Propan (R290) gegenüber R134a bei identischen Temperaturniveaus (0 °C / 50 °C). R134a erreicht Π = 13,18 bar / 2,93 bar ≈ 4,50, während R290 mit Π = 17,08 bar / 4,74 bar ≈ 3,60 deutlich niedriger liegt.
Obwohl das absolute Druckniveau bei Propan höher liegt, ist der relative Hub, den der Kompressor leisten muss, um etwa 20 % geringer.
Ein niedrigeres Druckverhältnis verbessert den volumetrischen Wirkungsgrad, reduziert die Heißgastemperatur am Verdichteraustritt und mindert den mechanischen Verschleiß. Dadurch steigt die theoretische Lebensdauer des Verdichters und die Gesamtanlage bleibt langfristig effizient.
7. Praxis-Relevanz: Vorlauftemperaturen und COP
In der praktischen Anwendung ist die Effizienz einer Wärmepumpe untrennbar mit der benötigten Vorlauftemperatur verknüpft. Je höher diese Temperatur sein muss, desto schwerer hat es der Kältekreis, einen wirtschaftlichen COP (Coefficient of Performance) zu erreichen.
Während Systeme mit R134a bei Vorlauftemperaturen über 55 °C oft an physikalische Grenzen stoßen, bleibt der Prozess mit Propan (R290) stabil. Damit werden Vorlauftemperaturen von 60 °C bis 70 °C auch bei zweistelligen Minustemperaturen realisierbar, ohne dass ein ineffizienter elektrischer Heizstab zugeschaltet werden muss.
| Betriebspunkt (Außen / Vorlauf) | COP R134a | COP R290 | Effizienzgewinn |
|---|---|---|---|
| A2 / W35 (Fußbodenheizung) | 3,9 | 4,2 | +8 % |
| A-7 / W55 (Radiatoren/Winter) | 2,1 | 2,5 | +19 % |
8. Schlussfolgerung
Die thermodynamische Charakteristik von R290 entlastet den Verdichter energetisch massiv und ermöglicht höhere Vorlauftemperaturen ohne Effizienzeinbruch. Damit liefert Propan die physikalische Erklärung für überlegene Jahresarbeitszahlen und stellt die technologische Grundlage moderner Wärmepumpensysteme im Gebäudebestand dar.