Aktive und passive Kühlung mit Wärmepumpen

Eine umweltverträglichere Alternative zu herkömmlichen Klimaanlagen stellen reversible Wärmepumpen mit Kühlfunktion dar. Um in den Sommermonaten zu kühlen, wird der eigentliche Prozess der Wärmeerzeugung gewissermaßen umgekehrt: Es zirkuliert kaltes Heizungswasser in den Leitungen der Heiz- bzw. Kühlflächen, entzieht der Raumluft Wärme und führt sie nach außen ab. Unterschieden werden zwei Verfahren: die aktive und die passive Kühlung.

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Aktive Kühlung

Wird eine hohe und individuell regelbare Kühlleistung benötigt, empfiehlt sich die aktive Kühlung, oftmals auch Active Cooling genannt. Dabei wird das Funktionsprinzip der Wärmepumpe beim Heizen, also die Aufnahme von Wärme aus der Umwelt und die Abgabe an das zu beheizende Gebäude, intern umgedreht, extern werden die Primär- und Sekundäranschlüsse umgeschaltet. Die Wärmepumpe muss dazu mit einem reversierbaren bzw. umkehrbaren Kältekreislauf ausgerüstet sein. Bei der Betriebsart Kühlung läuft also der Kältekreislauf in umgekehrter Richtung. Die Wärmepumpe nimmt dann die überschüssige Raumwärme auf und kühlt sie über den Verdichter ab. Dabei wird „aktiv“, also durch die Pump- und Verdichtungsleistung der Wärmepumpe unter Einsatz von Energie (in der Regel Strom, der idealerweise durch eine eigene Photovoltaikanlage erzeugt wird), Wärme abtransportiert und Kälte produziert. Ist ein Zusatzwärmeübertrager installiert, lässt sich die entstehende Abwärme effizient nutzen, beispielsweise zur Trinkwassererwärmung.

Die aktive Kühlung kann sowohl mit reversiblen Sole/Wasser-, Wasser/Wasser- als auch mit einer Luft/Wasser-Wärmepumpen realisiert werden, da bei diesem System die Kälte durch die Wärmepumpe selbst erzeugt wird. Auch der Einsatz von Eisspeichern ist eine gute Alternative. Im Gegensatz zu einer klassischen Klimaanlage benötigt die aktive Kühlung mit einer Luft/Wasser-Wärmepumpe nur rund ein Drittel der eingesetzten Energie (siehe Grafik). Zudem ist kein umweltschädliches Kältemittel nötig.

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Passive Kühlung

Bei der passiven Kühlung nutzt die Wärmepumpe die niedrige Temperatur des Erdreichs oder des Grundwassers zur Klimatisierung, weshalb dieser Prozess auch Natural Cooling genannt wird. Der Verdichter im Inneren der Wärmepumpe ist dabei nicht in Betrieb, nur die Umwälzpumpen im Quellen- und Heizkreis arbeiten. Dadurch kann gegenüber der aktiven Kühlung ein großer Teil der Stromkosten eingespart werden.

Die Raumwärme gelangt hierbei über die Kühlflächen (Fußbodenheizung und andere Flächenheizungen oder Gebläsekonvektoren) zum Wärmepumpenkreislauf und wird innerhalb der Wärmepumpe an den Solekreislauf übergeben, wo sie weiter ins Erdreich geleitet und dort abkühlt und gespeichert wird. Das gekühlte Transportmedium wird anschließend wieder dem Heiz- bzw. Kühlkreis im Gebäude zugeführt – und die Zirkulation beginnt von neuem. Damit können Räume in der Regel um rund fünf Grad Celsius abgekühlt werden. Die Abwärme aus den Räumen kann parallel außerdem zur Warmwasserbereitung genutzt werden.

Die passive Kühlung profitiert davon, dass die Temperatur in der Erde ab einer Tiefe von 15 Metern ganzjährig bei rund zehn Grad Celsius liegt. Im Sommer ist das Erdreich somit ein Kältespeicher und im Winter eine Wärmequelle. Auch das Grundwasser hat üblicherweise dieselbe Temperatur. Durch die Wärmezufuhr im Sommer kann die Temperatur des Erdreichs bzw. des Grundwassers in sogenannten Wärmeblasen ansteigen. Dies vermindert zwar etwas die Kühlwirkung, macht aber wiederum das anschließende Heizen im Winter mit der Wärmepumpe effektiver.

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Die passive Kühlung ist nur sinnvoll bei Sole/Wasser- oder Wasser/Wasser-Wärmepumpen. Auch der Einsatz von Eisspeichern in Kombination mit einer Wärmpumpe stellt eine gute Option dar. Die Kälteleistung aus der Luft beim Einsatz von Luft/Wasser-Wärmepumpen ist im Sommer in der Regel zu gering für eine ausreichende Raumkühlung.

Übergabe an den Raum und Taupunkt

Flächenheizungen können ohne Probleme auch zur Kühlung eingesetzt werden. Auch die Verwendung von Heizkörpern ist prinzipiell möglich, jedoch sind sie wegen ihrer geringen Fläche nur bedingt geeignet. Die von Wärmepumpen produzierte Kälte kann auch mit einer entsprechenden Lüftungsanlage kombiniert werden.

In allen Fällen ist es wichtig, auf den individuellen Taupunkt zu achten. Denn das in der Luft enthaltene Wasser wird sich tendenziell immer dort niederschlagen (kondensieren), wo die Oberfläche kälter ist. Herkömmliche Klimaanlagen besitzen deshalb immer einen Abfluss für das im Gerät anfallende Kondenswasser. Fällt jedoch an Bauteilen Kondenswasser an, kann es zu Schäden von Schimmel bis zur schleichenden Zerstörung des Bauteils kommen. Um den Taupunkt, an dem Kondenswasser anfällt, nicht zu unterschreiten, sind eine vorausschauende Planung durch den Fachbetrieb und eine genaue Kühllastrechnung (z. B. nach VDI 2078: Berechnung der thermischen Lasten und Raumtemperaturen (Auslegung Kühllast und Jahressimulation)) unbedingt notwendig.

Investitions- und Betriebskosten

Die passive Kühlung ist nicht so wirkungsvoll wie die aktive Kühlung, dafür punktet sie mit geringeren Investitionskosten und einem energieeffizienteren Betrieb, der nahezu frei von klimaschädlichen CO₂-Emissionen ist. Für Einfamilienhäuser ist die passive Kühlung über Flächenheizsysteme in der Regel sinnvoller als die aktive Kühlung, da die Zusatzinvestitionskosten überschaubar sind. Nach einer Studie des Umweltbundesamts ist bei Eigenheimen die Umrüstung einer bestehenden Sole/Wasser-Wärmepumpe für die passive Fußbodenkühlung sogar wirtschaftlicher als die Nachrüstung einer automatischen Sonnenschutzanlage.

Werden Bürogebäude passiv gekühlt, lassen sich nach Berechnungen des Bundesverbands Wärmepumpe (BWP) bis zu achtzig Prozent der Jahreskühlkosten im Vergleich zur Kühlung mit konventionellen Raumklimageräten einsparen. Bei aktiver Kühlung sind es zwanzig Prozent. Auch eine Kombination von aktiver und passiver Kühlung ist möglich: So empfiehlt es sich, bei geringerem Kühlbedarf zunächst die energiesparende passive Kühlung zu nutzen und bei größerer Hitze auf die aktive Kühlung umzuschalten.

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