Kühlen mit der Wärmepumpe

Heizungstechnik
Heizung, Kühlung
und Warmwasser
mit nur einem
Gerät – mit der
Sole-/WasserWärmepumpe.
Kühlen mit
der Wärmepumpe
Dipl.-Ing. Uta Krone*
Wenn Minusgrade auf den Straßen zu Glatteis führen, soll
das Haus trotz klirrender Kälte ein behagliches Wohlfühlklima bieten. Im Sommer kann jedoch eine ganz andere
Situation mit langen Hitzeperioden ohne Regen vorliegen. Gut, wenn das Temperaturniveau der Wohnung es
ermöglicht, einen solchen Sommer auch zu genießen. Für
beide Fälle, Sommer wie Winter, kann ein und dasselbe
technische Hilfsmittel herangezogen werden – die Wärmepumpe. Neben Heizen und Kühlen kann sie außerdem den
Warmwasserbedarf ganzjährig sicherstellen.
I
m Heizbetrieb entzieht
eine Wärmepumpe dem
Erdreich oder der Luft Energie und übergibt sie an das
nachgeschaltete Heizsystem.
Zapft die Wärmepumpe das
Erdreich an, so spricht man
von einer Sole-/Wasser-Wärmepumpe. Eine Luft-/WasserWärmepumpe hingegen entzieht der Außenluft Energie.
Bei der Gebäudekühlung
mit Wärmepumpen wird zwischen passiver und aktiver
Kühlung unterschieden. Den
∂ Kühlen mit der Luft-/WasserWärmepumpe – hier eine im Garten
aufgestellte Außen-Version. Die
Wärmepumpe sorgt mit Umweltenergie
für die Beheizung an kalten Tagen und
übernimmt die Kühlung der Räume bei
Sommerhitze.
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Hauptunterschied beider Systeme stellt dabei der Betrieb
mit Verdichter (aktiv) bzw.
ohne Verdichter (passiv) dar.
Passive Kühlung mit der Sole-/
Wasser-Wärmepumpe
Das Erdreich, das der Sole-/
Wasser-Wärmepumpe als
Wärmequelle dient, hat in
Tiefen von mehr als 8 m 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 Gebäudes genutzt werden kann.
Dabei wird die den Räumen
über die Heiz- bzw. 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 aus dem Erdreich in die
Wärmepumpe eintritt, liegt
bei etwa 15 °C. Damit lassen
sich Kaltwassertemperaturen
von etwa 17 °C oder mehr erreichen, mit denen das Wasser des Heiz- bzw. Kühlkreises
dann den Raumkühlflächen
zugeführt wird. Der Verdichter ist dabei nicht in Betrieb
und die Kühlung erfolgt passiv.
Um kühlen zu können, wird
lediglich ein zusätzlicher Plattenwärmeübertrager sowie
ein soleseitiges Umschaltventil benötigt. Mit einer Sole-/
Wasser-Wärmepumpe ist die
passive Kühlung aufgrund
der geringen Erdreichtemperatur oft ausreichend.
Bohrung inklusive
Zur Nutzung einer Sole-/
Wasser-Wärmepumpe müssen die Voraussetzungen für
ein fachgerechtes Bohren erfüllt sein. Mittlerweile bieten einige Unternehmen die
komplette Wärmequellenerstellung aus einer Hand zum
Festpreis an. Das Leistungsangebot reicht dabei vom Stellen des Wasserrechtsantrages
über die Bohrung in allen Bodenformationen selbst bis
hin zum Verpressen der Bohrungen mit optimiertem Verfüllmaterial, dem Erstellen
der Dokumentationsunterlagen sowie der Anbindung der
Wärmepumpe an die Wärmequellenanlage. Die Anbindung beinhaltet die Verlegung
der horizontalen Anschlussleitungen, eine Kernbohrung zur Durchführung der
Leitungen ins Gebäude, den
Anschluss der Rohrleitungen
an die Wärmepumpe und
die diffusionsdichte Wärmedämmung sämtlicher Zuleitungen der Wärmequelle im
Aufstellungsraum. Schließlich wird die Wärmequellenanlage und die Wärmepumpe mit dem Wärmeträgermedium (Sole) befüllt.
Aktive Kühlung mit der Luft-/
Wasser-Wärmepumpe
Luft-/Wasser-Wärmepumpen nutzen als natürliche
Wärmequelle die Außenluft.
Da im Sommer jedoch die
Wärmequellentemperatur
über der erforderlichen Kühltemperatur liegt, ist nur die
aktive Kühlung möglich. Zur
Realisierung der aktiven Kühlung muss die Wärmepumpe
über einen reversierbaren Kältekreislauf verfügen, Wärmequelle und Wärmesenke werden hierbei getauscht.
Im Sommer zirkuliert
Kühlwasser durch das Kühlverteilsystem
(Fußbodenheizung/-kühlung, Wandflächenheizung/-kühlung,
Gebläsekonvektoren) und
entzieht dem Raum Wärme.
Durch die Wärmeaufnahme verdampft das Kältemittel im Verdampfer. Das nun
gasförmige Kältemittel wird
vom Verdichter angesaugt
und von dort über den Verflüssiger der Wärmepumpe
geführt. Hier erfolgt die Wärmeabgabe an die Umgebung.
Nach Druckabbau im nach-
*) Dipl.-Ing. Uta Krone,
Stiebel Eltron GmbH & Co. KG,
Holzminden
Heizungstechnik
Nachgefragt
IKZ-HAUSTECHNIK: Kühlen mit der Wärmepumpe
– ist das derzeit schon ein
Thema beim Endkunden
oder handelt es sich um einen Markt, der noch ein
hohes Wachstumspotenzial hat?
Krone: Wie beim Wärmepumpenmarkt insgesamt
gibt es auch hier ein hohes ∂ Uta Krone.
Wachstumspotenzial. Den
Mehrwert der Gebäudekühlung bieten nicht alle Hersteller
an. Somit weiß der Endkunde oft gar nicht, was eine Wärmepumpe alles leisten könnte.
IKZ-HAUSTECHNIK: Aktive oder passive Kühlung – welche
von beiden Arten schafft die höhere Kühlleistung?
Krone: Eine höhere Kühlleistung wird mit der aktiven Kühlung erzielt. Doch je nach Wärmequellentemperatur ist die
passive Kühlung kostengünstiger und für Teile des Gebäudes oft ausreichend. Eine schnelle Senkung der Raumtemperatur und die komplette Deckung der Kühllast sind allerdings nur mit der aktiven Kühlung in Verbindung mit Gebläsekonvektoren möglich.
IKZ-HAUSTECHNIK: Im Artikel nennen Sie eine Kühlleistung von 25 W/m². Ein Kunde wird sich darunter nichts vorstellen können. Wie lässt sich diese Zahl „begreifbarer“ machen?
Krone: Eine Kühlleistung von 25 W/m² bedeutet, dass je nach
Raumluftfeuchte eine Senkung der Raumtemperatur um ca.
3 °C möglich ist.
IKZ-HAUSTECHNIK: Muss der Endkunde im Laufe des Jahres die Wärmepumpe von Hand zwischen Kühl- und Heizbetrieb immer wieder umschalten oder übernimmt das die
Regelung?
Krone: Der Endkunde muss nichts umschalten. Abhängig
von der Außentemperatur und der Raumtemperatur erkennt die Regelung der Wärmepumpe, ob das Gebäude geheizt oder gekühlt werden sollte und verändert automatisch
den Betriebsmodus.
∂
geschalteten Expansionsventil kann der Kreislauf von
Neuem beginnen.
Die richtigen Kühlflächen
Als Raumkühlflächen für
Sole-/Wasser-Wärmepumpen wie auch für Luft-/Wasser-Wärmepumpen kommen
beispielsweise Gebläsekonvektoren, Fußbodenheizung/
-kühlungssysteme oder eine
Wandflächenheizung/-kühlung infrage. Beim Einsatz
von
Gebläsekonvektoren
sind eine Auslegung auf höhere Kaltwassertemperaturen
sowie niedrigere Heizungswassertemperaturen zu beachten. Ansonsten ist die Installation einer Kühlung mit
Gebläsekonvektoren unproblematisch. Durch die vorhandene Kondenswasserabfuhr
stellt die Unterschreitung der
Taupunkttemperatur der Luft
kein Problem dar. Die Kaltwassertemperatur muss so
nicht nach unten begrenzt
werden. Aufgrund von möglichen Kondensschäden ist auf
eine absolut diffusionsdichte
Wärmedämmung der Rohrleitungen, Ventile und sonstigen Armaturen zu achten.
Heft 1 /2 /2009 · IKZ-Haustechnik
∂ Aufbau des Kältekreises einer Sole-/Wasser-Wärmepumpe zum Heizen und
Kühlen.
∂ Vergleich zwischen aktiver und passiver Kühlung.
∂ Modernes Bohrgerät im Einsatz.
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Heizungstechnik
∂ Betriebsart „Heizen“ mit einer Sole-/Wasser-Wärmepumpe:
∂ Betriebsart „aktiv Kühlen“ mit einer Sole-/Wasser-Wärmepumpe:
Über den wärmequellenseitigen Wärmeübertrager (Verdampfer) wird der Sole
Umweltwärme zugeführt. Da das Temperaturniveau der Wärmequelle am Verdampfer der Wärmepumpe höher ist als die Siedetemperatur des Kältemittels,
verdampft das Kältemittel. Der Verdichter komprimiert es, sodass die Temperatur auf ein Niveau steigt, das für Heizzwecke und Warmwasserbereitung
nutzbar ist. Vom Verdichter gelangt das dampfförmige Arbeitsmedium dann
in einen weiteren Wärmeübertrager (Kondensator), der vom Heizwasser umspült wird. Da die Temperatur des Heizwassers niedriger ist als die Kondensa­
tortemperatur, kühlt der Dampf ab, und das Kältemittel geht wieder in den
flüssigen Aggregatzustand über.
Der Verdichter ist in Funktion. Mithilfe von Umschaltventilen wird das Arbeitsmittel so geführt, dass Wärmequelle und Wärmesenke getauscht werden. Dem
Gebäude wird nach dem gleichen Prinzip wie bei einer Klimaanlage Wärme entzogen.
∂ Betriebsart „passiv Kühlen“ mit einer Sole-/Wasser-Wärmepumpe:
Im Kühlbetrieb ist der Verdichter der Wärmepumpe nicht in Betrieb. Es laufen
lediglich die Sole- und Heizungsumwälzpumpe. Damit bietet die Sole-/WasserWärmepumpe die einzigartige Möglichkeit der Wohnraumkühlung ohne Kälteerzeugung. Das im Erdreich vorliegende niedrige Temperaturniveau wird genutzt,
um die Wärme aus den Wohnräumen abzuführen. Diese Form der natürlichen
oder freien Kühlung hat ökologisch erhebliche Vorteile: Der minimale Energieverbrauch schont die Ressourcen und vermeidet CO2-Emissionen.
Bei der Kühlung über die
Wand- oder Fußbodenfläche muss ebenfalls eine Unterschreitung des Taupunkts
vermieden werden. Dies gilt
trotz der im Vergleich zu
30
den Gebläsekonvektoren höheren Vorlauftemperaturen.
Zur Vermeidung von Kondensatbildung auf Kühlflächen
wird zweckmäßigerweise ein
Raumtemperatur- und Raumfeuchtefühler eingesetzt. Der
Wärmepumpenregler kann
auf dieser Basis die minimal
zulässige Kaltwassertempe-
ratur berechnen. Bei der Verwendung einer Fußbodenheizung/-kühlung zur Wärmeabfuhr (Randbedingung: 22 °C
Fußbodentemperatur und
27 °C Raumtemperatur) kann
beispielsweise eine Kühlleistung von 25 W/m² übertragen werden. Thermische Behaglichkeit ist aufgrund der
verhältnismäßig hohen Fußbodentemperatur im Kühlbetrieb gegeben. 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.
Gegenüber einer Fußbodenheizung ist die Wandflächenheizung/-kühlung insbesondere zur Raumkühlung
geringfügig besser geeignet.
Verantwortlich dafür ist der
bei der Wärmeübertragung
größere
Strahlungsanteil.
D. h., der mit der Kühlfläche
im Strahlungsaustausch stehende Anteil der Körperfläche ist bei der Wand größer
als beim Fußboden.
Klimageräten, Kaltwassersätzen oder VRF-Systemen (Variable Refrigerant Flow) gekühlt. Aufgrund der geringen
Mehrkosten für das Kühlsystem bei gleichzeitig sehr niedrigen Kälteerzeugungskosten
entsteht beim Kühlen bzw.
Temperieren mit Wärmepumpe ein „Wärmepumpen-Zusatznutzen“. Bei der passiven
Kühlung eines Bürogebäudes können dabei im Vergleich zu einer Kühlung mittels Raumklimageräten bis
zu 80 % der Jahreskühlkosten
eingespart werden. Bei einer
aktiven Kühlung sind es immerhin noch 20 %. Die gleichzeitige Nutzung von Kühlen
und Heizen steigert zudem die
Effizienz der Wärmepumpe
mit Erdwärmesonden, da die
Erdwärmesonde im Sommer
deutlich besser regeneriert.
Damit bleibt festzuhalten:
Auch bei einer Kostenbetrachtung spricht viel für eine Wärmepumpe.
∂
B i l d e r : Stiebel Eltron GmbH &
Co. KG, Holzminden
@ I nternetinformationen:
www.stiebel-eltron.de
Kosten
Bisher wurden Gebäude
fast ausschließlich mit Split-
IKZ-Haustechnik · Heft 1 /2 /2009