Wärmepumpe zur Kühlung

Angesichts von vermehrten Hitzetagen kann es auch in unseren Breitengraden sinnvoll sein, Innenräume im Sommer zu kühlen. Statt mithilfe einer separaten Klimaanlage, kann diese Kühlung auch umweltschonend über eine schon vorhandene Wärmepumpe und den Heizkreislauf erfolgen. Wärmepumpen, die heizen und kühlen können, nennt man reversible Wärmepumpen. Sie kehren die Energierichtung beim Kühlen um, entziehen dem Innenraum also Wärmeenergie und geben diese an die Umwelt ab. Man unterscheidet dabei zwischen der passiven Kühlung (natural cooling oder free cooling) und der aktiven Kühlung (active cooling). Welche der beiden Arten eingesetzt werden kann, hängt von den Gegebenheiten vor Ort und der Wahl der Wärmepumpenanlage ab. Das Zubehör zur Kühlung kann oftmals auch bei bereits installierten Wärmepumpen ergänzt werden.

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Aktive Kühlung

Wird zur Kühlung der komplette Kreislauf der Wärmepumpe inklusive des Verdichters bzw. Kompressors genutzt, spricht man von aktiver Kühlung. Die Wärmepumpe wird dabei umgekehrt, also „reversibel“ betrieben, wodurch nicht der Umwelt die Wärmeenergie entzogen wird (Heizbetrieb), sondern den Innenräumen (Kühlbetrieb). Im Grunde funktioniert die Wärmepumpe im reversiblen Betrieb wie eine klassische Klimaanlage oder wie ein Kühlschrank. Die aktive Kühlung ist technisch mit jeder Wärmepumpenart möglich, also explizit auch mit der derzeit am häufigsten eingebauten Luft/Wasser-Wärmepumpe.

Die Umkehrung wird meist durch ein spezielles 4-Wege-Ventil ermöglicht, durch das die Fließrichtung im Verdichter gleich bleibt. Außerdem wird ein zweites Entspannungsventil benötigt. Eine Sonderform der aktiven Kühlung ist die solare Kühlung, bei der Solarthermie als thermischer Verdichter den recht energiehungrigen, elektrischen Kompressor ersetzt.

Passive Kühlung

In vielen Fällen kann es ausreichen, allein die Umweltwärme zur Kühlung des Innenraums zu nutzen, ohne wie bei der aktiven Kühlung durch den Verdichter zusätzliche Kälte zu erzeugen. Bei der passiven Kühlung wird nur die Primärpumpe eingeschaltet. Der Verdichter wird umgangen und die Wärmeenergie aus dem Erdreich (bei Sole/Wasser-Wärmepumpen) oder dem Grundwasser (Wasser/Wasser-Wärmepumpen) über einen Wärmetauscher an den Kühlkreislauf und somit an den Raum übergeben. Diese Art der Kühlung ist allerdings mit Luft/Wasser-Wärmepumpen nicht möglich, da die Außenluft im Sommer üblicherweise für Kühlzwecke zu warm ist, das Erdreich hingegen hat auch im Sommer eine Temperatur von nur ca. zehn Grad Celsius. Da bei der passiven Kühlung lediglich Strom für die Umwälzpumpen benötigt wird, stellt sie eine sehr energiesparende und umweltschonende Methode zur Gebäudeklimatisierung dar. Die passive Kühlung hat allerdings eine geringere Intensität als die aktive Kühlung und tritt langsamer ein.

Sind Wärmepumpen nicht für den reversiblen Betrieb ausgelegt, können mit sogenannten Natural-Cooling-Boxen, in denen alle erforderlichen Bauteile vereint sind, die entsprechenden Kreisläufe zur Nutzung der Erdwärme oder des Grundwassers zu Kühlzwecken hergestellt werden. Darüber hinaus ist es oftmals möglich, zunächst die passive Kühlung zu nutzen und erst, wenn diese nicht mehr ausreicht zur aktiven Kühlung zu wechseln.

Übergabe an den Raum

Zur Übergabe der mittels einer reversiblen Wärmepumpe erzeugten Kälte an den Raum sind Flächenheizungen ideal. Klassische Heizkörper, sogenannte Radiatoren, eignen sich nur wenig zur Kühlung, da sie speziell für die Verteilung von warmer Luft im Raum entwickelt wurden. Außerdem besteht die Gefahr von Kondenswasserbildung. Einzige Ausnahme bilden spezielle Gebläsekonvektoren, die jedoch auch Geräusche und einen möglicherweise unangenehmen Luftzug verursachen.

Flächenheizsysteme hingegen verteilen die Kälte gleichmäßig und über eine große Fläche im Raum, weswegen sie üblicherweise nur wenig kälter als die Luft sein müssen. Das ist auch der Grund, warum man bei der Kühlung über eine Fußbodenheizung keine kalten Füße bekommt. Noch effizienter bei der Kühlung sind Wandflächen- oder Deckenheizungen, da hier die Wärmestrahlung stärker spürbar ist und zudem die kalte Luft auf natürlichem Wege nach unten am Körper vorbeiströmt. Auch ganze Bauteile können zur Kühlung herangezogen werden (Bauteilaktivierung).

Effizienz und Wirkungsgrad

Wärmepumpen nutzen keine fossilen Brennstoffe (Ausnahme: Gas-Wärmepumpen). Einzig die Kompressionspumpe benötigt zusätzliche Energie in Form von Strom. Wurde dieser regenerativ erzeugt, arbeitet die Wärmepumpe vollständig klimaneutral. Besonders effizient und umweltschonend arbeitet sie bei der passiven Kühlung, bei der das Wärmepumpengerät lediglich als Umwälzpumpe und Wärmetauscher fungiert, wodurch wenig Strom benötigt wird.

Die Effizienz der passiven Kühlung hängt von der zur Verfügung stehenden Temperatur im Erdreich oder Grundwasser sowie der Größe der Wärmesenke ab. Jahreszeitliche Schwankungen, etwa weil gegen Ende des Sommers mehr Wärme im Erdreich vorhanden ist, müssen ebenfalls bei der Planung und Dimensionierung berücksichtigt werden.

Vor- und Nachteile

Die Anschaffung einer reversiblen Wärmepumpe zum Heizen und Kühlen ist meist günstiger als die Anschaffung zweier separater Geräte zur Heizung und zur Klimatisierung. Auch der Betrieb ist durch die größere Flexibilität in den meisten Fällen günstiger, vor allem bei der passiven Kühlung. Und schließlich profitieren Bauherrschaften nach wie vor von staatlichen Förderungen beim Einbau von Wärmepumpen.

Ein weiterer Vorteil der Kühlung mit einer Wärmepumpe ist die potenzielle Nutzung der abgeführten Wärmeenergie zur Warmwasserbereitung. Der dafür nötige Pufferspeicher ist meist bereits in das System eingebunden. Allerdings muss die Möglichkeit zur Kühlung mit der Wärmpumpe bei der Planung berücksichtigt werden. Entweder ist das Wärmepumpengerät entsprechend ausgestattet, um beides zu bewerkstelligen, oder man installiert eine separate Wärmepumpe, die für die Warmwassererzeugung zuständig ist.

Beim Einstellen der Kühlung ist zu beachten, dass die Temperatur der Fläche oder des Bauteils nicht unter den Taupunkt sinkt, da sich sonst Kondenswasser bilden kann, mit dem das Material geschädigt wird. Die Taupunkttemperatur sollte daher immer über Sensoren überwacht und die Kühlleistung im Zweifelsfall automatisch angepasst werden.

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