Wärmepumpen

1. Kühlen mit Wärmepumpe

Das Kühlen ist der Wärmepumpe quasi in die Wiege gelegt. Letztlich funktioniert sie nach dem Prinzip eines umgekehrten Kühlschrankes, wenn sie zu Heizzwecken genutzt wird. Diesen Betriebsgang kann man umkehren. In diesem Fall spricht man von reversiblen Wärmepumpen. Statt die Umgebungstemperatur aus Erdreich, Wasser oder Luft mittels Kompression zu erhöhen, wird diese genutzt, um ein Gebäude zu kühlen. Es handelt sich dabei um eine passive Kühlung, also ohne zusätzlichen Stromverbrauch, wie er etwa für Klimageräte benötigt würde.

Effizienter sind dabei logischerweise Wärmepumpen, die auf eine konstantere Umgebungstemperatur zurückgreifen können, wie die das Erdreich nutzende Sole/Wasser-Wärmepumpen oder die das Grundwasser nutzende Wasser/Wasser-Wärmepumpen. Hier reichen die 10 bis 12 °C vollkommen aus, um ein Gebäude zu kühlen. Herrscht hingegen Hochsommer mit Außentemperaturen von über 30 °C, ergibt der Einsatz einer Luft/Wasser-Wärmepumpe zu Kühlzwecken wenig Sinn.

Denn die Effizienz beim Kühlen ergibt sich aus der direkten Nutzung der Umgebungstemperatur, nicht aus deren „Herunterpumpen“. Wärmepumpen kommen so auf eine Jahresarbeitszahl von deutlich über 4 (d. h. 1 kWh eingesetzter Strom erzeugt 4 kWh Wärme oder Kälte). Sogar 8 kWh sind möglich.

Doch wie kommt die Kälte ins Gebäude? Generell sind zwei Varianten möglich. Entweder wird dazu das gleiche Verteilsystem wie zum Heizen genutzt.
In einem Einfamilienhaus oder in kleinen Mehrfamilienhäusern mag das praktikabel sein. Effizienter ist es jedoch, zwei getrennte Kreisläufe einzuarbeiten: Einer befindet sich unter der Decke, einer im Boden. Pro Zwischengeschoss werden also zwei Leitungen verlegt. Der investive Aufwand ist dabei allerdings deutlich höher.

Es kann jedoch auch die Heizung in der Decke installiert werden, so dass sowohl Wärme als auch Kälte von oben abgegeben werden. Dabei wird die Wärme nicht konvektiv übertragen, wie es bei einem Heizkörper der Fall ist. Stattdessen werden elektromagnetische Wellen oder – einfacher – Wärmestrahlung genutzt. Die Wärme breitet sich also gleichmäßig im Raum aus und erwärmt alle Gegenstände, auf die die Strahlung auftrifft. Gefahren werden sie analog Fußbodenheizungen mit einer Vorlauftemperatur von maximal 35 °C. Die Raumhöhe sollte aber nicht mehr als 3,50 m betragen. Dann reicht eine Wärmeleistung von 25 bis 30 W je m² aus. Zum Vergleich: Eine herkömmliche Heizung mit Heizkörpern benötigt das Drei- bis Vierfache dieser Leistung je m².

Warum jedoch können getrennte Kreisläufe nötig sein? Insbesondere bei größeren Gebäuden wie Schulen oder Bürohäusern mit hohem Glasanteil an der Fassade können sich Heiz- und Kühllast im Laufe des Tages mit dem Gang der Sonne ändern. Hier sind zudem die Technischen Regeln für Arbeitsstätten zu beachten, nach denen die Temperatur am Arbeitsplatz maximal 26 °C betragen darf.

Gleiches gilt auch für Süd- oder Nordteile von Gebäuden. Während erstere in der Übergangszeit bei Sonneneinfall gekühlt werden müssen, müssen letztere beheizt werden. Dies geht logischerweise nur mit zwei getrennten Kreisläufen. Ein System mit nur einem Kreislauf wäre außerdem zu träge, von Kühlen auf Heizen und umgekehrt umzustellen.

2. Wärmepumpen im Hybridsystem

In den zuvor genannten Fällen wird die Wärmepumpe monovalent betrieben. Sie allein erzeugt also Wärme und Kälte. Das muss insbesondere in strengen Wintern nicht unbedingt effizient sein. In Gebäuden mit hohem Warmwasserbedarf, also Hotels, Gewerbebetrieben oder Sportstätten, kann es ratsam sein, auf eine weitere Komponente zu setzen, mit der sich schnell Trinkwasser erwärmen lässt. Häufig ist dies eine Gas-Brennwerttherme, wie die folgenden Beispiele zeigen.