Kühlen mit Wärmepumpen - Reversible Wärmepumpen nutzen die niedrigeren Temperaturen von Grundwasser oder Erdreich

In modernen gut gedämmten Wohngebäuden ist auf den sommerlichen Wärmeschutz ein besonderes Augenmerk zu richten. Es kann leicht passieren, dass Wohnungen wegen mangelnder Verschattung überhitzen. Dazu kommt das gestiegene Komfortbedürfnis der Menschen, die heutzutage in vielen Bereichen eine Kühlung gewohnt sind und auf diese gerade in den eigenen vier Wänden nicht verzichten wollen. Eine clevere Lösung kann eine Wärmepumpe sein. Diese ist das einzige Heizgerät, mit dem auch gekühlt werden kann.

Behaglichkeit
Ob sich Menschen in ihrer Umgebung wohl fühlen, hängt von etlichen Einflussfaktoren ab. Über Heizung und Klimatisierung kann natürlich lediglich die thermische Behaglichkeit beeinflusst werden. Hier machen sich vor allem folgende Größen bemerkbar: Raumlufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftgeschwindigkeit und Turbulenzgrad, die Oberflächentemperaturen der umgebenden Wände sowie Aktivitätsgrad und Bekleidung der Personen.
Für behagliche Temperaturen im Sommer, wird die Raumluft gekühlt und ggf. auch entfeuchtet. Hierbei sollten Temperaturunterschiede zwischen Außen- und Raumlufttemperatur von mehr als 5 K möglichst vermieden werden. Im Falle der Kühlung mittels Wärmepumpen erfolgt die Kühlung meist über Flächenkühlsysteme: Fußboden- oder Wandheizung, Kühldecken und Betonkerntemperierung. Eine Entfeuchtung ist nur bei der Verwendung von Ventilatorkonvektoren möglich.
Bei den Flächenkühlsystemen muss über eine Taupunktregelung verhindert werden, dass die Taupunkttemperatur auf den Oberflächen unterschritten wird.

Kühllast
Mit Kühllast wird der Wärmestrom bezeichnet, der aus einem Raum oder einem Gebäude abgeführt werden muss, um den gewünschten Zustand der Raumlufttemperatur zu erhalten. Die Haupteinflussfaktoren auf die Kühllast sind:

• Sonneneinstrahlung und Transmission (äußere Faktoren),
• Wärmeabgabe von Personen, Geräten und Beleuchtung (innere Faktoren),
• gegebenenfalls auch Stoffströme, z.B. Außenluftanteile bei Fugenlüftung oder Lüftungsanlagen.

Die Berechnung der Kühllast sollte möglichst genau ausgeführt werden. Hierzu bietet sich das Verfahren nach VDI 2078 an. Überschlägige Verfahren sollten allenfalls für erste grobe Abschätzungen verwendet werden.

Aktiv und passiv
Hatten Heizungsanlagen in Gebäuden ursprünglich ausschließlich den Zweck, die Räume mit Heizwärme zu versorgen, gibt es nun mit der Wärmepumpe auch die Möglichkeit, die Räume zu kühlen. Behagliche Temperaturen können auf diese Weise also nicht nur an kalten, sondern auch an heißen Tagen erreicht werden. Die Wärmepumpe kann abhängig vom Bedarf Umweltwärme aus Erde, Grundwasser oder Luft ins Gebäude bringen oder die überschüssige Raumwärme abführen.
Grundsätzlich müssen zwei unterschiedliche Methoden der Kühlung mit Wärmepumpen unterschieden werden: die aktive Kühlung, bei welcher der Verdichter der Wärmepumpe in Betrieb ist und die passive Kühlung, bei der direkt die Wärmequelle genutzt wird. Bei der passiven Kühlung können daher nur Wärmequellen mit einer relativ niedrigen Temperatur – also Erde und Grundwasser – genutzt werden. Im Fall der aktiven Kühlung ist es erforderlich, dass der Kältekreis der Wärmepumpe umkehrbar ist, möglich ist dies bei sämtlichen Wärmequellen.

Passive Kühlung
Das Erdreich, das den Sole/Wasser-Wärmepumpen 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 eine ausgezeichnete „Kältequelle“. Ähnlich verhält es sich mit dem Grundwasser, dessen Temperatur im Sommer ebenfalls deutlich unter den gewünschten Raumtemperaturen liegt. Mit diesen Wärmequellenanlagen kann im Sommer auf einfache Art direkt für die Kühlung der Gebäude gesorgt werden.
Notwendig ist dafür ein zusätzlicher Plattenwärmeübertrager. Mittels diesem wird die Wärme, die den Räumen über die Heiz- bzw. Kühlflächen entzogen wurde, auf den Quellenkreislauf übertragen. Die Wärme wird anschließend über die Erdwärmesonde oder den Schluckbrunnen an das Erdreich bzw. Grundwasser abgegeben. Mit Soletemperaturen von 15°C können Kaltwassertemperaturen von etwa 17°C erreicht werden. Aufgrund der geringen Temperaturdifferenzen bei der Kühlung sind größere Massenströme notwendig als bei der Heizung. Da der Verdichter der Wärmepumpe nicht in Betrieb ist, wird von passiver Kühlung oder „natural cooling“ gesprochen. Notwendig ist neben dem zusätzlichen Plattenwärmeübertrager noch ein soleseitiges Umschaltventil.
Bei Sole/Wasser-Wärmepumpen mit Erdsonden ist die passive Kühlung meist ausreichend. Andernfalls besteht die Möglichkeit der energieintensiveren aktiven Kühlung, möglicherweise genügt aber auch eine „Ankühlung“, also eine Kühlung, die in einigen Fällen etwas weniger als die erforderliche Kühlleistung zur Verfügung stellt.

Aktive Kühlung
Luft/Wasser-Wärmepumpen nutzen die Außenluft als Wärmequelle. Da die Außenlufttemperatur im Sommer über der erforderlichen Kühltemperatur liegt, ist nur die aktive Kühlung über den umkehrbaren Kältekreislauf möglich. Heutzutage gibt es auch Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen, mit denen aktiv gekühlt werden kann.
Im Kühlfall wird der Kältekreislauf der Wärmepumpe so umgekehrt, dass Wärmequelle und Wärmesenke getauscht werden. Die Umschaltung zwischen Heiz- und Kühlbetrieb kann außerhalb der Wärmepumpe erfolgen oder über ein 4-Wege-Umschaltventil im Kältekreislauf. Letzteres ist bei Luft/Wasser-Wärmepumpen üblich. Der Verdichter arbeitet unverändert, das Ventil dreht die Flussrichtung des Kältemittels um: der Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager wird dann zum Verflüssiger, der Kältemittel-Wasser-Wärmeübertrager zum Verdampfer. So erfolgt eine Abkühlung des zirkulierenden Heizkreiswassers. Die aus den Räumen abgeführte Wärme kann entweder abgeführt werden (in die Sonden oder an die Außenluft) oder auch z.B. zur Trinkwassererwärmung genutzt werden.

Kühlflächen
Neben Flächenheizungssystemen bieten sich als Kühlflächen für wassergeführte Kälteanlagen auch Gebläsekonvektoren an. Mit diesen ist eine Entfeuchtung der Raumluft möglich, allerdings ist darauf zu achten, dass eine Kondenswasserableitung mitgeplant wird. Da die Unterschreitung der Taupunkttemperatur damit kein Problem darstellt, können die Gebläsekonvektoren mit niedrigeren Kaltwassertemperaturen betrieben werden als Flächenkühlsysteme. Bei der Auslegung sind die jeweiligen Erfordernisse für Heizung und Kühlung zu beachten.
Bei der Kühlung über die Wand- oder die Fußbodenfläche muss unbedingt die Unterschreitung des Taupunkts der Raumluft vermieden werden, da sonst Wasserdampf auf der Kühlfläche kondensieren kann. Zur Vermeidung der Kondensatbildung werden üblicherweise ein Raumtemperatur- und ein Feuchtefühler eingesetzt, die an den Wärmepumpenregler angeschlossen sind. Der Regler kann damit die minimal zulässige Kaltwassertemperatur berechnen. Eine Entfeuchtung der Raumluft findet hier nicht statt. Da die relative Luftfeuchte bei sinkender Temperatur steigt, kann sich dies negativ auf die Behaglichkeit auswirken. Unter bestimmten Bedingungen kann die Kühlleistung durch die Gefahr der Taupunktunterschreitung begrenzt sein.
Bei Verwendung der Fußbodenheizung als Kühlsystem kann eine Kühlleistung von etwa 25 W/m² übertragen werden. Dies entspricht unter Umständen nur der Hälfte oder einem Viertel der Kühllast. Aufgrund der relativ hohen Oberflächentemperaturen, ist nicht mit kalten Füßen zu rechnen. Bei der Kühlung über Wandflächen kann eine etwas höhere Kälteleistung übertragen werden, da sowohl die Wärmeübertagung durch Strahlung, als auch die durch Konvektion höher ist.

Kosten
Verglichen mit der traditionellen Kühlung über Split-Klimageräte, Kaltwassersätze oder VRF-Systeme ist die Kühlung über Wärmepumpen relativ preiswert. Bei passiver Kühlung eines Bürogebäudes können bis zu 80% der Kühlkosten gespart werden, bei aktiver Kühlung immerhin ca. 20%. Ob die Effizienz des Heizbetriebes durch die bessere Regenerierung der Wärmequelle durch den Kühlbetrieb tatsächlich deutlich gesteigert werden kann, ist strittig.

Planung und Auslegung
Normativ gibt es derzeit wenige Grundlagen für wassergeführte Kälteanlagen. Das Thema steht aber beim zuständigen Normenausschuss (NA 041-01-58) auf der Agenda. Beachtet werden sollten folgende Punkte:

• bei der Kühlung ist eine möglichst genaue Kühllastberechnung, z.B. nach VDI 2078 durchzuführen,
• die Auslegung der Kälteerzeuger kann für unterschiedliche Zwecke erfolgen: Kühlung oder nur Ankühlung,
• gegebenenfalls entscheiden, ob aktive Kühlung, passive Kühlung oder beides,
• bei gemeinsamer Nutzung zur Heizung und Kühlung ist besonderes Augenmerk auf die bei der Kühlung größeren erforderlichen Volumenströme gegenüber Heizungsanlagen zu richten,
• Verwendung kühlgeeigneter Komponenten (Pumpen, Ventile),
• Auslegung der Heizflächen für Kühlung oder Ankühlung,
• Berücksichtigung der gemeinsamen Verwendung für Heizung und Kühlung,
• Kondensatvermeidung bzw. Kondensatabfuhr,
• gegebenenfalls Taupunktregelung,
• umgekehrte Regelung im Kühlfall gegenüber dem Heizfall,
• Wärmedämmung: besondere Anforderungen an Kälteleitungen (Diffusionsdichtigkeit).

Autor: Alexander Sperr, BWP, Berlin
 
Bild: BWP