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Passiv und aktiv kühlen mit Wärmepumpen

Die Wohnraumkühlung wird immer wichtiger

Hydraulik und Kältekreislauf von Wärmepumpen im AC-...

...bzw. NC-Betrieb. Bild: Viessmann

Betonkerntemperierung. Bild: Uponor

Schematische Darstellung einer Wärmepumpenanlage mit Erdwärmesonden, die zum Heizen und zur energiesparenden passiven Kühlung genutzt wird. Bild: BWP

 

Dem stetig steigenden Kühlbedarf in Gebäuden, die immer besser isoliert werden, begegnet man mittlerweile häufig mit kühlenden Wärmepumpen. Zu unterscheiden ist dabei zwischen aktiver und passiver Kühlung. Die Kälteabgabe erfolgt über herkömmliche Heizsysteme, zunehmend aber auch  über thermoaktive Bauteilsysteme.
Wärmepumpen sind eine Schlüsseltechnologie für die sich im Rahmen der Energiewende abzeichnende Elektrifizierung des Wärmemarktes. Sie können elektrischen Strom in thermische Energie umwandeln und haben damit eine starke Position in der Reihe der unterschiedlichen Heizungssysteme – eben weil sie als Koppelelement zwischen Strom- und Wärmemarkt dienen können.
Darüber hinaus lassen sich Wärmepumpen  auch zum Kühlen einsetzen. Diese Art der Nutzung ist mit Blick auf den Eigenverbrauch von Solarstrom besonders günstig, da die höchsten Kühllasten in die Zeiten der höchsten PV-Erträge fallen.

Aufgeheizte Räume
Auch in unseren Breitengraden wird die Wohnraumkühlung in Zukunft immer wichtiger werden. Ein Grund ist, dass die energetische Qualität unserer Gebäude zunimmt. Das gilt auch für Altbauten, die durch nachträgliche Dämmmaßnahmen, die der Staat zurzeit stark fördert, eine immer höhere Energieeffizienz bekommen. Solche Energiesparmaßnahmen haben allerdings im Sommer zur Folge, dass Räume durch solare Einstrahlung oft stark aufgeheizt und deshalb abgekühlt werden müssen. Das einfache Fensterlüften hift häufig nicht weiter.
Bei der konventionellen Planung der Gebäudetechnik herrscht oft noch der Gedanke an eine zusätzlich klassische Klimaanlage vor. Wenn aber schon der Einbau einer Wärmepumpenanlage angedacht ist, sollte der Planer sich dafür entscheiden, sie auch zur Kühlung heranzuziehen. Die Technik ist vorhanden, die meisten marktgängigen Wärmepumpen besitzen sowohl eine Heiz- als auch eine Kühlfunktion, wobei es gilt, zwischen passiver und aktiver Kühlung zu unterscheiden.

Aktive und passive Kühlung
Viele marktgängige Wärmepumpen, vor allem die Luft/Wasser-Versionen, können nicht nur heizen, sondern auch kühlen. Die Kühlfunktion arbeitet bei diesen Geräten meistens nach der sogenannten „Active Cooling“-Methode. Das bedeutet, dass der Kältekreislauf des Kompressors im Heizbetrieb zunächst nach dem gewohnten Prinzip funktioniert. Um die Anlage nun im Kühlbetrieb betreiben zu können, muss der Verdampfer zum Verflüssiger werden und umgekehrt. Das besorgt in der Regel ein 4-Wege-Ventil im Kältekreislauf. Es kehrt die Flussrichtung des Kältemittels um und macht so die Fußbodenheizung zur Flächenkühlung. Als Kühler lassen sich aber auch separate Gebläsekonvektoren, Kühlregister von Lüftungsanlagen oder Betonkerne des Gebäudes nutzen. Man spricht bei den
„Active Cooling“-Versionen von reversiblen Wärmepumpen.

Natural Cooling
Eine größere Bedeutung für Kühlzwecke kommt Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen zu, denn sie beherrschen neben der aktiven auch die passive Kühlung. Der Vorteil dieser Methode,
Natural Cooling (NC) im Branchen-Terminus, besteht darin, dass der Kältemittelkreislauf nicht gebraucht wird und deshalb der Kompressor, der größte Energieverbraucher in diesem System, ausgeschaltet bleibt. Es sei denn, er muss Wärme für eine im System installierte Warmwasseraufbereitung liefern. Für das eigentliche Natural Cooling werden lediglich zwei Stromverbraucher benötigt, nämlich zwei Umwälzpumpen: eine für den Primär- und eine für den Sekundärkreislauf.
Die Umschaltung von Heiz- auf Kühlbetrieb und umgekehrt erfolgt in der Regel in der hydraulischen Peripherie. Als Folge fließt nun Wärme aus dem Gebäude in die Erdsonden- oder Brunnenanlage, das Gebäude wird gekühlt. Der Kühlvorgang geht beim Natural Cooling nur langsam vonstatten; es dauert also, bis sich sinkende Raumtemperaturen bemerkbar machen.
Ein weiterer bedeutender Punkt: Sowohl bei der aktiven als auch bei der passiven Kühlung ist unbedingt darauf zu achten, dass sich kein Schwitzwasser auf der Kühlfläche bildet. Verhindern lässt sich das mit einer elektronischen Taupunktüberwachung, die in der Wärmepumpenregelung enthalten sein sollte. Mit der Natural-Cooling-Funktion kann die Wärmepumpe die weitgehend konstante Erdreichtemperatur im Sommer zur Kühlung nutzen, ohne dass dazu der Betrieb des Wärmepumpenaggregats nötig wäre. Das bedeutet eine wesentliche Energieeinsparung. Die Hydraulik ist überschaubar: Das Wärmeträgermedium – in diesem Fall eine Sole – zirkuliert nicht mehr vom Erdreich zum Verdampfer der Wärmepumpe, sondern zu einem zusätzlich eingebauten Wärmetauscher. Es gibt an den dort angeschlossenen hydraulischen Kreislauf der Fußbodenheizung Erdreichwärme niedrigerer Temperatur ab. Die Folge ist, dass die betroffenen Räume abkühlen. Die überschüssige Wärme fließt über den Solekreislauf ins Erdreich.
Um mit einer erdgekoppelten Wärmepumpe sowohl ausschließlich passiv als auch aktiv und passiv kühlen zu können, sind zusätzliche Systeme erforderlich. Für solche Anwendungsfälle braucht die Wärmepumpe sowohl für die „Active Cooling“- und „Natural Cooling“-Funktion zusätzliche Komponenten. So hat beispielsweise ein Hersteller eine NC- und eine AC-Box im Programm. Beide lassen sich als zusätzliches Modul hydraulisch bzw. kältetechnisch an eine Wärmepumpe anbinden. Die NC-Box mit einer maximalen Kühlleistung von 5 kW ist ab Werk vormontiert, enthält alle notwendigen Komponenten und ist vom Heizungsfachmann schnell installiert.
Die AC-Box beinhaltet eine etwas komplexere Technik. Mithilfe der „Active Cooling“- und „Natural Cooling“-Funktion im Zusammenspiel mit der Wärmepumpe wird eine komfortable Raumtemperierung ermöglicht. Ihre maximale Kühlleistung ist durch die Wärmepumpe begrenzt. Die den Räumen entzogene Wärme lässt sich z.B. für die Trinkwassererwärmung oder die Beheizung eines Schwimmbades nutzen.

Kälteübergabe über vorhandene Heizsysteme
Sowohl im Fall der aktiven als auch der passiven Kühlung kann die Kälteübergabe an die Räume über das vorhandene Heizungssystem erfolgen. Die in beiden Fällen abgegebene thermische Energie unterscheidet sich nur in der Höhe der Temperatur, die zum Heizen angehoben und zum Kühlen abgesenkt wird. Die Differenz zwischen Wasser- und Raumtemperatur muss im Kühlbetrieb tendenziell kleiner gehalten werden als im Heizbetrieb.
Bei einer Fußbodenkühlung sollte die Oberflächentemperatur aus Gründen der Behaglichkeit nicht unter 19 bis 21 °C liegen. Außerdem ist es bei allen Flächenkühlsystemen wichtig, die Bildung von Kondensat zu vermeiden. Man muss deshalb die Wassertemperatur so einstellen, dass sie die Taupunkttemperatur der Luft im Raum nicht unterschreitet. Das ist aber lediglich bei Umluftkühlgeräten, Kühlkonvektoren und anderen kältetechnischen Geräten mit Kondensatwanne und Kondensatabfuhr zulässig.
Der Taupunkt der Luft steigt sowohl mit der Lufttemperatur (bei konstanter relativer Luftfeuchte) als auch mit der relativen Luftfeuchte (bei konstanter Lufttemperatur) an. Bei 25 °C und 50 % relativer Luftfeuchte beträgt die Taupunkttemperatur 13,9 °C, bei 26 °C und 60 % sind es bereits 17,6 °C. Um eine kondensatfreie Kühlung bei diesen – im Sommer häufigen  Raumkonditionen – sicherzustellen, werden Kühldecken meist mit Vorlauftemperaturen von 16 bis 18 °C betrieben, bei Fußboden- sowie Betonkerntemperierungen sind es meistens 18 bis 20 °C.
Kühl-Betriebstemperaturen in dieser Höhe korrespondieren gut mit dem Temperaturniveau, das bei einer erdgekoppelten Wärmepumpe an der Eintrittsstelle am Verdampfer in der Regel vorherrscht. In Deutschland sind an Stellen, die nicht oder nur wenig von Bebauung beeinflusst sind, in Tiefen ab 5 bis 10 m auch im Sommer ungestörte Temperaturen von zunächst nicht mehr als 12 °C anzutreffen. Damit ist eine geothermische Kühlung von Räumen über die vorhandenen Heizsysteme ohne Einschränkungen möglich.
Allerdings ist bei Erdwärmesonden mit einer thermischen Rückwirkung im Zuge des Wärmeeintrags durch den Kühlbetrieb zu rechnen. Ob und wann im Jahresverlauf die bereitgestellte Vorlauftemperatur nicht mehr ausreichend ist, hängt von der anfallenden Kühlleistung und Kühlenergie sowie von einer eventuellen Vorkühlung des Erdreichs durch einen Heizbetrieb im Winter ab. Falls erforderlich, ist ab dem Zeitpunkt, an dem die Untergrundtemperatur zu hoch angestiegen ist, ein Umschalten auf eine maschinelle Kühlung vorzusehen. Wird die dabei anfallende Abwärme ebenfalls in den Untergrund eingebracht, z. B. bei Einsatz einer umschaltbaren Wärmepumpe/Kältemaschine, kann die freie geothermische Kühlung normalerweise erst in der nächsten Kühlsaison wieder eingesetzt werden.

TABS im Kommen
In großen Gebäuden sind zunehmend sogenannte thermoaktive Bauteilsysteme (TABS) anzutreffen. In Wohngebäuden setzt man von den zahlreichen Varianten dieser Systeme in erster Linie die Fußboden-, mitunter auch die Wandflächentemperierung ein. Eine weitere Variante, die Betonkerntemperierung, findet sich in Wohngebäuden bislang nur vereinzelt. Deren Hauptanwendung sind Büro- und Verwaltungsgebäude, wo sie inzwischen eine sehr große und erfolgreiche Verbreitung gefunden hat. Dies fördert auch ihren Einsatz in anderen Arten von Nichtwohngebäuden. Zusammengefasst weisen TABS folgende Besonderheiten auf:

  • TABS benötigen von allen Raumheiz- und -kühleinrichtungen die niedrigsten Betriebstemperaturen im Heizbetrieb (optimal für Wärmepumpen) und die höchsten Betriebstemperaturen im Kühlbetrieb (optimal für direkte geothermische Kühlung).
  • Die Wärmeübertragung zwischen Oberfläche und Raum erfolgt zu einem großen Teil durch Strahlung. Der konvektive Anteil und damit Luftbewegungen, die potenziell Zugerscheinungen hervorrufen, sind gering. Ihr Betrieb ist nicht mit Strömungs- oder Ventilatorgeräuschen verbunden, weshalb man im Gegensatz zur Klimatisierung mit hohen Luftmengen von „stiller Kühlung“ spricht. Dies und die großen wärmeübertragenden Flächen begünstigen eine hohe thermische Behaglichkeit im Raum.
  • Thermoaktive Deckensysteme (und auch abgehängte Heizdecken), die die Heizwärme überwiegend von oben in den Raum einbringen, können kalte Außenfassaden weniger gut thermisch zum Raum hin abschirmen als bodennahe Heizsysteme. Damit bei Beheizung über die Decke die thermische Behaglichkeit nicht beeinträchtigt wird, ist es erforderlich, dass die Wärmeverluste im Winter klein und somit die inneren Oberflächentemperaturen von Fenstern und Glasfassaden hoch genug gehalten werden. Bei Fensterbändern mit Brüstung lässt sich dies mit heutigen hochwertigen Zweifach-Wärmeschutzverglasungen und Fenster-/Fassadenprofilen erreichen. Übersteigt die Verglasungshöhe 2 m, ist der Einsatz von Dreifach-Wärmeschutzverglasungen zu empfehlen.
  • Im Estrich verlegte Fußbodensysteme und vor allem die Betonkernsanierung weisen eine deutlich höhere thermische Speicherfähigkeit auf als andere Heiz- und Kühlflächensysteme. Diesem Vorteil steht der Nachteil gegenüber, dass sie träger reagieren. Das führt dazu, dass eine exakte Raumtemperaturregelung mit ihnen alleine kaum möglich ist. Zu erwähnen sind in diesem Zusammenhang Sonderelemente, beispielsweise fassadennah in die Decke integrierte Randstreifenelemente. Sie bieten sich als schnelle Zusatzsysteme beim Einsatz von Betonkernaktivierungen an.


Zusammengefasst lässt sich festhalten, dass thermoaktive Bauteilsysteme, insbesondere die Fußboden- und Betonkerntemperierung, sehr gut für die Nutzung der oberflächennahen Geothermie und von Wärmepumpen geeignet sind und deshalb hierfür bevorzugt eingesetzt werden.

Literatur:
[1] Marek Miara u. a.: Wärmepumpen. Heizen – Kühlen – Umweltenergie nutzen. Fraunhofer IRB-Verlag.
[2] Roland Koenigsdorff: Oberflächennahte Geothermie für Gebäude. Fraunhofer IRB-Verlag, 2011. 

 


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