Kühlen mit Wärmepumpe
Möglichkeiten zusätzlicher Kühlfunktionen
Die Wärmepumpentechnik wird zunehmend zur Beheizung und Warmwasserbereitung eingesetzt. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, im Sommer Wärme aus den Räumen abzuführen und so zu kühlen. Dabei kann in Verbindung mit erdgekoppelten Wärmepumpen die Wärme passiv oder aktiv entzogen werden. Insbesondere bei einer passiven Kühlung liegen die Bereitstellungskosten für eine Temperierung unter denen für eine Klimatisierung. Technisch gibt es jedoch Einsatzgrenzen. Der Beitrag beleuchtet unterschiedliche Konzepte und gibt Hinweise zu deren Umsetzung.
Die Wärmepumpentechnik bietet bei richtiger Einbindung in das Gesamtsystem eine Alternative zu konventionellen Heizsystemen. Das Gebäude kann monoenergetisch ganzjährig beheizt werden, je nach Wärmepumpe und Wärmequelle ist eine Zusatzheizung nicht erforderlich. Kompaktgeräte bieten zusätzliche Nutzungsmöglichkeiten wie kontrollierte Lüftung oder Wärmerückgewinnung und erfüllen damit die Erfordernisse an die Niedrigenergie-Bauweise. Eine weitere Option für den Einsatz der Wärmepumpe rückt durch den Kühlbedarf im Sommer in den Blickpunkt: Die Raumtemperierung und Abfuhr von Kühllasten.
Bei der Kühlung von Gebäuden mit Wärmepumpen wird zwischen aktiven und passiven Lösungen unterschieden. Ausschlaggebend dafür ist der Betrieb mit oder ohne Verdichter. Im Fall der aktiven Kühlung senkt der – durch den Verdichter angetriebene – Kältekreis die Temperatur des Kühlmediums ab. Gegenüber der passiven Variante lässt sich so eine höhere Kälteleistung erzielen. Während bei einer Klimatisierung sowohl Raumtemperatur und Luftfeuchte geregelt werden können, wird bei der aktiven Kühlung nur das Temperaturniveau beeinflusst, so dass in Verbindung mit Flächenkühlsystemen keine Entfeuchtung der Raumluft stattfindet.
Passive Kühlung
Bei der passiven Kühlung wird dem Wasser aus dem Verteilsystem – einer Flächenheizung oder Kühldecke – über einen Plattentauscher Wärme entzogen. Hierbei wird die Innenraumluft um ca. 2 bis 3 K abgesenkt. Da der Verdichter dabei nicht in Betrieb ist, spricht man von „passiver“ Kühlung. Das ist nur möglich, wenn die Temperatur der im Kältefall als Wärmesenke genutzten Wärmequellenanlagen (Erdkollektoren oder -sonde) unter der für das Kühlmedium erforderlichen Temperatur liegt. Für die passive Kühlung ist ein zusätzlicher Wärmetauscher im Solekreis erforderlich. In einigen der aktuell angebotenen Geräte ist dieser bereits enthalten. Ein Regler zur Erfassung von Raumlufttemperatur und -feuchte verhindert die Taupunktunterschreitung und so die Bildung von Kondenswasser.
Aktive Kühlung
Soll aktiv gekühlt werden, wird der Kältekreis hydraulisch so verändert, dass Verdampfer (Wärmequelle) und Kondensator (Wärmesenke) miteinander vertauscht werden. Dies erfolgt entweder kältemittelseitig über Umschaltventile, so dass der Kältemittelkreis umgekehrt (reversiert) wird, oder durch eine externe hydraulische Umschaltung von Verdampfer und Kondensator. Dafür eignen sich allerdings nur Sole-/Wasser-Wärmepumpen. Damit in größeren Anlagen bei der aktiven Kühlung nicht das komplette System mit einem Wasser-Glykol-Gemisch gefüllt werden muss, können zusätzliche Plattenwärmetauscher als Systemtrennung eingesetzt werden. In Büro-/Gewerbebauten und Industrieanlagen, die definierte und meist höhere spezifische Kühlleistungen erfordern, wird meistens eine aktive Kühlung benötigt.
Die Vorteile einer aktiven Kühlung liegen in einer höheren Kühlleistung, der möglichen Entfeuchtung der Raumluft (Gebläsekonvektoren) und der Regenerierung der Erdsonde. Die Vorteile einer passiven Kühlung heißen kostengünstige Erstellung, geringer Energieverbrauch und Regenerierung der Erdsonde.
Reversible Funktionsweise
Soll mit einer Luft/Wasser-Wärmepumpe gekühlt werden, ist dies nur mit der Umkehrung des Kältekreislaufs möglich. Ausschlaggebend ist die Strömungsrichtung des Kältemittels. Die Stellung eines 4-2-Wegeventils entscheidet über die Reihenfolge der zu durchströmenden Komponenten. Nun werden der Verdampfer zum Verflüssiger und der Verflüssiger zum Verdampfer. Die dem Gebäude entzogene Wärme wird an die Umgebungsluft abgegeben. Deshalb kann mit Luft/Wasser-Wärmepumpen nur aktiv gekühlt werden.
Verschiedene Wärmequelle
Erdkollektor/-sonde: Bei der Wahl der Wärmequelle ist zu beachten, dass der Erdkollektor nur bedingt zur Kühlung geeignet ist. Da die Erdsonden auf den Heizfall ausgelegt werden, ist deren Kühlleistung geringer. Näherungsweise kann für die Kühlleistung von ca. 70 % der Heizleistung einer Wärmepumpe ausgegangen werden. Zur aktiven Kühlung eignet sich insbesondere die Erdsonde, da die Leistungszahl höher als bei Systemen mit Luft als Wärmesenke ist. Als Kühlleistung kann die Kälteleistung der Wärmepumpe in Ansatz gebracht werden. In beiden Fällen wird die Wärmequelle „Erdreich“ regeneriert.
Grundwasser: Mit Grundwasser kann aktiv und passiv gekühlt werden. Das ins Erdreich zurückgeleitete Grundwasser darf jedoch nicht wärmer als 20 °C sein. Eine Wasseranalyse ist Voraussetzung, um die Materialbeständigkeit des Wärmeübertragers im Betrieb gewährleisten zu können.
Außenluft: Die Außenluft kann als Wärmesenke durch eine reversible Luft/Wasser-Wärmepumpe genutzt werden. Die Außenluft wird mithilfe des Verteilsystems heruntergekühlt und an die Umgebung rückgeführt.
Verteilsysteme
Sowohl Flächenheizungssysteme als auch Kühldecken eignen sich für die passive Kühlung. Vorlauftemperaturen von 15 bis 18 °C bei Kühldecke und Flächenheizung begrenzen jedoch die mögliche Kühlleistung. Die Regelung der Flächenkühlung mit Einzelraumregelung bewirken entweder Raumthermostat oder Verteilerleiste und Stellantriebe. Bei der aktiven Kühlung sollten Deckenkassetten oder Gebläsekonvektoren installiert werden, deren minimale Vorlauftemperaturen bei etwa 7 bis 13 °C liegen und eine Entfeuchtung der Räume ermöglichen.
Kühlung mit Sole-Wärmepumpen
Erdwärmesonden werden nach der Heizleistung der Wärmepumpe ausgelegt. Die Tabelle zeigt exemplarisch für verschiedene Wärmepumpentypen von Tecalor (www.tecalor.de) die möglichen Heiz- und Kühlleistungen bei entsprechender Sondenauslegung. Sind höhere Kühlleistungen erforderlich, so muss die Zahl der Sonden erhöht werden.
Betriebsarten einer Sole/Wasser-Wärmepumpe im Kühlbetrieb
Die Regelung erfolgt über den sogenannten Wärmepumpenmanager. Aktiv gekühlt wird mithilfe von Gebläsekonvektoren oder Deckenkassetten. In der Betriebsart „aktive Kühlung“ werden die Ventile so geschaltet, dass der aus dem Gebläsekonvektor kommende Kühlwasser-Volumenstrom durch den Verdampfer geführt wird, um dem Kühlmedium die aufgenommene Wärme wieder zu entziehen. Der Verdichter ist dabei in Betrieb. Möglich sind zwei Stufen der Kühlung: Befindet sich das Gerät im Kühlmodus Stufe 1 (Quellenpumpe an, Verdichter aus), wird der Ausgang Kühlen bei Warmwasseranforderung weggeschaltet und die Warmwasserbereitung aktiviert. Sind Quellenpumpe und Verdichter parallel in Betrieb, so kann gekühlt und Warmwasser bereitet werden. Dabei dient der Kühlkreis (Fußbodenheizung) direkt als Wärmequelle für die Warmwasserbereitung. Zusätzlich kann von der Erdsonde Wärme bezogen werden, wenn die Raumkühlung die gewünschte Vorlauf- und Raumsolltemperatur erreicht hat.
