Wenn die Heizungsanlage auch die Kühlung übernimmt

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Fachartikel von Uta Krone vom Bundesverband Wärmepumpe, Berlin

Der nachfolgende Fachartikel „Wenn die Heizungsanlage auch die Kühlung übernimmt“ wurde uns von Uta Krone vom Bundesverband Wärmepumpe (BWP) aus Berlin zur Verfügung gestellt.

„Eine Heizungsanlage in Gebäuden muss zuverlässig dafür sorgen, dass die Temperatur in den Räumen stets den Bedürfnissen der Nutzer entspricht. Bis vor einigen Jahren beschränkte sich die Aufgabe der Heizungsanlage dabei auf das Heizen, also die Versorgung des Gebäudes mit ausreichend Heizwärme. Mit der zunehmenden Etablierung der Wärmepumpe als Heizsystem rückt allerdings eine weitere Funktion zunehmend in den Fokus der Nutzer: Dieses System kann an wärmen und heißen Tagen auch die Kühlung der Räume übernehmen! Eine Wärmepumpe kann je nach Bedarf entweder Umweltwärme in das Gebäude hinein oder überschüssige Raumwärme aus dem Gebäude heraus transportieren. Dabei sind verschiedene Einsatzarten möglich.
 
Zum einen gibt es die Sole/Wasser-Wärmepumpen, deren Wärmequelle Erdreich im Sommer zur „Kältequelle“ wird. Und zum anderen gibt es reversible Luft/Wasser-Wärmepumpen, die durch die Möglichkeit, dass der Kältekreislauf umkehrbar ist, im Sommer das Gebäude ähnlich einer Klimaanlage kühlen können. Bei der Gebäudekühlung mit Wärmepumpen wird zwischen passiver und aktiver Kühlung unterschieden. Den Hauptunterschied beider Systeme stellt dabei der Betrieb mit (aktiv) beziehungsweise ohne (passiv) Verdichter der Wärmepumpe dar.
 
Passive Kühlung mit der Sole/Wasser-Wärmepumpe
Das Erdreich, das Sole/Wasser-Wärmepumpe als Wärmequelle dient, hat in Tiefen von mehr als acht Metern ganzjährig eine Temperatur von etwa 9 bis 10°C.  Damit ist es nicht nur während der Heizsaison eine hervorragende Wärmequelle, sondern auch im Sommer ein ausgezeichnetes „Kältereservoir“, sodass die Wärmequellenanlage im Sommer zur Kühlung des im Winter zu beheizenden Gebäudes genutzt werden kann. Dabei wird einfach die den Räumen über die Heiz- beziehungsweise Kühlflächen entzogene Wärme mittels eines zusätzlichen Plattenwärmeübertragers auf den Solekreislauf übertragen. Die Sole gibt die Wärme anschließend über die Erdwärmesonde an das Erdreich ab. Die Temperatur der Sole, die das Erdreich verlässt und in die Wärmepumpe eintritt, liegt bei etwa 15°C. Damit lassen sich Kaltwassertemperaturen von 17°C oder mehr erreichen, mit denen das Wasser des Heiz- bzw. Kühlkreises dann den Raumkühlflächen zugeführt wird. Der Verdichter der Wärmepumpe ist nicht in Betrieb. Die Kühlung erfolgt passiv. Die Wärmepumpe muss, um kühlen zu können, lediglich mit einem zusätzlichen Plattenwärmeaustauscher sowie einem soleseitigen Umschaltventil ausgestattet werden (siehe Abb.4).
 
Mit einer Sole/Wasser-Wärmepumpe ist die passive Kühlung, also Kühlung, ohne dass der Verdichter in Betrieb ist, aufgrund der geringen Erdreichtemperatur oft ausreichend.
 
Bohrung inklusive
Natürlich müssen die Voraussetzungen für ein fachgerechtes Bohren in Verbindung mit einer Sole/Wasser-Wärmepumpe geschaffen sein. Mittlerweile bieten einige Unternehmen die komplette Wärmequellenerstellung aus einer Hand zum Festpreis an. Das Komplett-Leistungsangebot reicht von dem Stellen des Wasserrechtsantrages über Bohrungen in allen Bodenformationen, das Verpressen der Bohrungen mit optimiertem Verfüllmaterial, das Erstellen der Dokumentationsunterlagen der Bohrung bis hin zur Anbindung der Wärmepumpe an die Wärmequellenanlage. Diese Anbindung beinhaltet dabei die Verlegung der horizontalen Anschlussleitungen, eine Kernbohrung zur Durchführung der Leitungen in das Haus, den Anschluss der Rohrleitungen an die Wärmepumpe und die diffusionsdichte Wärmedämmung aller Zuleitungen von der Wärmequelle im Aufstellungsraum der Wärmepumpe. Schließlich werden Wärmequellenanlage und Wärmepumpe mit dem Wärmeträgermedium befühlt.
 
Aktive Kühlung mit der Luft/Wasser-Wärmepumpe
Luft/Wasser-Wärmepumpen nutzten als natürliche Wärmequelle die Außenluft. Da im Sommer die Wärmequellentemperatur über der erforderlichen Kühltemperatur liegt, ist nur die aktive Kühlung möglich.  Um die aktive Kühlung realisieren zu können, muss die Wärmepumpe über einen reversierbaren/umkehrbaren Kältekreislauf verfügen.
 
Im Kühlfall wird der Kältekreislauf der Wärmepumpe so umgekehrt, dass Wärmequelle und Wärmesenke getauscht werden. Dem Gebäude wird nach dem gleichen Prinzip einer Klimaanlage mittels arbeitendem Kältekreis Wärme entzogen. Die Raumluft wird über einen Wärmeübertrage geführt, in dem das Arbeitsmittel zirkuliert. Die Siedetemperatur des Arbeitsmittels ist geringer als die Temperatur des Raumes. Es beginnt zu sieden und geht von dem flüssigen in den dampfförmigen Aggregatzustand über. Die notwendige Verdampfungswärme wird dem Raum entzogen. Die Raumluft kühlt sich ab. Der Verdichter der Wärmepumpe ist bei der aktiven Kühlung in Betrieb. Er saugt das dampfförmige Arbeitsmittel an und verdichtet es. Druck und Temperatur des Arbeitsmittels steigen. Das unter hohem Druck und hoher Temperatur stehende Arbeitsmittel gelangt zu dem zweiten Wärmeübertrager der Wärmepumpe. Hier gibt das Arbeitsmittel die dem Raum entzogene Wärme und die elektrische Aufnahmeleistung des Verdichters an die Umgebung ab. Der Aggregatzustand ändert sich von dem dampfförmigen in den flüssigen Zustand. Anschließend wird mit Hilfe des Expansionsventils der hohe Druck des nun flüssigen Arbeitsmittels abgebaut und der Kreisprozess beginnt erneut.
 
Die richtigen Kühlflächen
Als Raumkühlflächen sowohl für Sole/Wasser-Wärmepumpen als auch für reversible Luft/Wasser-Wärmepumpen kommen beispielsweise Gebläsekonvektoren, eine Fußbodenheizung/-kühlung oder eine Wandflächenheizung/-kühlung in Frage. Setzt man Gebläsekonvektoren ein, so ist zu beachten, dass diese auf höhere Kaltwassertemperaturen und niedrigere Heizungswassertemperaturen ausgelegt werden müssen als üblich. Ansonsten ist die Installation einer Kühlung mit Gebläsekonvektoren unproblematisch. Durch die vorhandene Kondenswasserabfuhr ist die Unterschreitung der Taupunkttemperatur der Luft kein Problem, sodass die Kaltwassertemperatur nicht nach unten begrenzt werden muss.
 
Der Kühlung über die Wand- oder die Fußbodenfläche ist gemeinsam, dass eine Unterschreitung des Taupunkts der Raumluft vermieden werden muss, da es sonst zur Kondensation von Wasser auf der Kühlfläche kommen könnte. Zur Vermeidung von Kondensatbildung auf der Kühlfläche wird zweckmäßigerweise ein Raumtemperatur- und ‑feuchtefühler eingesetzt, der an den Wärmepumpenregler angeschlossen ist. So kann vom Regler die minimal zulässige Kaltwassertemperatur berechnet werden. Eine Entfeuchtung der Raumluft ist bei der Verwendung von Kühlflächen natürlich nicht möglich. Ebenso muss man sich darüber im Klaren sein, dass unter bestimmten, selten auftretenden Bedingungen, die Kühlleistung durch die Gefahr der Taupunktunterschreitung begrenzt werden kann.
 
Verwendet man eine Fußbodenheizung/-kühlung zur Wärmeabfuhr aus dem Raum, so kann eine Kühlleistung von etwa 7 W/m²K Temperaturabstand zwischen der Fußboden- und der Raumtemperatur übertragen werden. So ergibt sich beispielsweise bei einer Fußbodentemperatur von 22°C und einer Raumtemperatur von 27°C eine Kühlleistung von 35 W/m². Aufgrund der verhältnismäßig hohen Fußbodentemperatur im Kühlbetrieb ist die thermische Behaglichkeit gut; das gefürchtete Problem „kalter Füße“ entsteht bei korrekter Auslegung nicht. Gegenüber einer Kühlung mit Gebläsekonvektoren ist die Kühlung über die Fußbodenfläche völlig zugfrei und geräuscharm. Darüber hinaus ergibt sich der architektonische Vorteil einer freien Raumgestaltung.
 
Die Wandflächenheizung/-kühlung ist insbesondere zur Raumkühlung noch etwas besser geeignet als eine Fußbodenheizung. Dies liegt an dem größeren Strahlungsanteil bei der Wärmeübertragung, der eine Folge davon ist, dass der Anteil der Körperfläche, der mit der Kühlfläche im Strahlungsaustausch steht, bei der Wand größer ist als beim Fußboden.
 
Auch bei einer Kostenbetrachtung spricht viel für eine Wärmepumpe: Bisher wurden Gebäude fast ausschließlich mit Split-Klimageräten, Kaltwassersätzen oder VRF-Systemen (Variable Refrigerant Flow, siehe Beitrag Arten der Klimatisierung) gekühlt. Der Wärmepumpen-Zusatznutzen Kühlen beziehungsweise Temperieren ist durch die geringen Mehrkosten für das Kühlsystem bei gleichzeitig sehr niedrigen Kälteerzeugungskosten attraktiv. Bei der passiven Kühlung eines Bürogebäudes können bis zu 80% an Jahreskühlkosten im Vergleich zu einer Kühlung mittels Raumklimageräten eingespart werden. Bei einer aktiven Kühlung sind es immerhin noch 20% Einsparung.  Die gleichzeitige Nutzung zum Kühlen und Heizen steigert zudem die Effizienz der Wärmepumpe mit Erdwärmesonden im Heizbetrieb, da die Erdwärmesonde im Sommer deutlich besser regeneriert.“

Quelle: Uta Krone / Bundesverband Wärmepumpe, Berlin

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