Flächenkühlung und Kältebereitstellung

Die Kühlfunktion wirkt durch eine Untertemperatur. ¹⁾ Der Wärmestrom erfolgt in das Bauteil aus dem Raum durch Reduzierung der Oberflächentemperatur. Beide Funktionen werden mit demselben Wärmeübergabesystem realisiert. Es ändert sich lediglich die Richtung des Wärmestroms durch die thermische Be- oder Entladung des Wärmeträgermediums. Während der Kühlfunktion wirkt der Raum als Wärmequelle, welche durch die Untertemperatur des Systems thermisch entladen wird. Dafür ist eine dementsprechende Wärmesenke notwendig. Beispielsweise ein Kältepufferspeicher, der durch diverse Kälteerzeuger thermisch entladen wird. Aufgrund der geringen Temperaturdifferenzen zwischen Kühlwasser, Raumluft und Körpern ist eine Flächenheizung/-kühlung bestens dafür geeignet, im Sinne der thermischen Behaglichkeit und Energieeffizienz einen Beitrag zur Raumkühlung zu leisten. Dabei wirkt sich besonders die flächenbezogene Kühlleistung auf das Wohlbefinden der Nutzer aus.

Umkehrung des Wärmestroms

Bei einer Umkehrung des Wärmestroms zur Flächenkühlung wird nicht von einer maximalen Vorlauftemperatur gesprochen, sondern von einer Mindestvorlauftemperatur. Auch dies markiert den direkten Zusammenhang mit den Temperaturbereichen des menschlichen Körpers, berücksichtigt aber auch den baulichen Feuchteschutz. Durch die Absenkung der Oberflächentemperatur (Untertemperatur im Bauteil) kann die Gefahr einer Taupunktunterschreitung bestehen, welche z. B. wirksam mit einem sogenannten Taupunktwächter verhindert wird. Dieser überwacht die relative Feuchte (Wasserdampfaktivität) an der Bauteiloberfläche oder an kritischen Oberflächen der Anlage und schaltet bei drohender Unterschreitung der Taupunkttemperatur (dynamischer Grenzwert) die Kühlfunktion aus, um keine Feuchteschäden am oder im Bauteil zu provozieren. Beispielsweise liegt die Taupunkttemperatur bei einer relativen Luftfeuchte von 60 % und einer Lufttemperatur von 26 °C bei 18 °C.

Umschaltung von Flächenheizung auf Flächenkühlung

Die hydraulische Umschaltung für die Flächenkühlung wird zwischen Heizkreisstation und Pufferspeicher integriert, da der Pufferspeicher in der Regel für den Heizbetrieb (im Sommer für die WW-Bereitung) während der Heizperiode notwendig sein wird. Interne Wärmegewinne werden innerhalb der Heizperiode in der Regel auf der Wärmeseite bilanziert. Im Sommer aber sind es – insbesondere im Hochsommer – interne Wärmelasten, welche eine Kühlung verlangen. Die erreichbare Kühlleistung je Quadratmeter ist je nach Flächenorientierung (Boden, Wand oder Decke) unterschiedlich und weicht von der Heizleistung je Quadratmeter ab.

Die hydraulische Umschaltung ist Bestandteil des Systems und entsprechend den Komponenten und der Auslegung konfiguriert. Sowohl der Heiz- als auch der Kühlbetrieb werden von einer zentralen Steuereinheit sichergestellt, welche sowohl die Pumpen als auch die Umschaltung entsprechend den Temperaturen, welche über Sensoren erfasst werden, betreibt. Der Taupunktwächter ist als sicherheitstechnische Einrichtung in die Steuereinheit integriert.

Passive und aktive Kühlung

Die Kälte kann auf zwei verschiedene Weisen bereitgestellt werden; entweder passiv aus Erdsonden, Erdkollektoren, Energiekörben oder aktiv aus Kältemaschinen, Kaltwassersätzen oder umschaltbaren Wärmepumpen. Dementsprechend wird von einer passiven oder von einer aktiven Kühlung gesprochen. Die passive Kühlung verlangt lediglich eine natürliche Wärmesenke, welche keinen Endenergieaufwand verlangt, um Kälte zu erzeugen. Dies ist in der Regel ein Erdwärmeübertrager im Untergrund, der eine zuverlässige hohe Temperaturdifferenz zur Wärmequelle (Innenraum) aufweist. Je größer und konstanter diese Temperaturdifferenz ist, desto qualitativ hochwertiger ist die Wärmesenke, von der die Kühlwirkung bzw. Kühlqualität abhängt. Für den Betrieb ist lediglich ein Bypass in Form eines Wärmeübertragers zur Systemtrennung mit einer Pumpengruppe für den sekundären Wärmeübertrager (Wärmesenke) notwendig, die Bestandteil des Gesamtsystems ist.

Die aktive Kühlung benötigt anstelle der natürlichen Wärmequelle einen Kälteerzeuger, der eine definierte Kälte erzeugt. Dies kann z. B. eine reversible Wärmepumpe sein, die im Winter heizt und im Sommer kühlt. Die aus dem Kühlprozess generierte Wärme kann anderen Prozessen zugeführt werden. Mit einer aktiven Kühlung können definierte Kühlleistungen mit hoher Regelgüte realisiert werden. Im Gegensatz zur passiven Kühlung ist bei der aktiven Kühlung neben der Hilfsenergie für die Umwälzpumpe zusätzliche Endenergie für das Kälteaggregat notwendig.

Die Vorteile der passiven Kühlung liegen in den minimalen Investitions- und Betriebskosten mit gleichzeitigem Synergiepotenzial (z. B. Unterstützung der natürlichen Regeneration bei erdgekoppelten Wärmequellenanlagen im Sommer). Nachteilig sind die begrenzten Kühlleistungen, da diese stets von der Qualität der Wärmesenke abhängen. Für einen thermischen Ausgleich kann aber in vielen Fällen eine passive Kühlung im Wohnbereich ausreichend sein, wenn keine besonderen Wärmelasten im umbauten Raum vorherrschen. Die begrenzten Kühlleistungen erklären sich aus der passiven Betriebsweise, wo keine Kälte aktiv erzeugt wird, sondern lediglich eine Ankühlung in Verbindung mit einer (natürlichen) Wärmesenke. Lediglich die beiden Umwälzpumpen der beiden Wärmeübertragungskreise sind bei der passiven Kühlung in Betrieb. Eine aktive Kühlung verlangt hingegen zusätzlich einen Kälteerzeuger, der eine definierte Kälteleistung bereitzustellen vermag.

Für die aktive Kühlung kann festgehalten werden, dass deren Vorteile dann zum Tragen kommen, wenn z. B. in Bürogebäuden oder Serverräumen definierte Kühlleistungen erforderlich sind. Darüber hinaus ist die aktive Kühlung imstande, einen ungleich höheren Beitrag zur Wärmebereitstellung für Trink-Warmwasser zu leisten. Nachteilig wirken sich dahingehend die höheren Investitions- und Betriebskosten aus.

Anforderungen an eine Wärmesenke

Die Anforderungen an eine Wärmesenke unterscheiden sich nach den beiden unterschiedlichen Kühlarten (passiv/aktiv). Grundsätzlich gilt für eine Wärmesenke, dass sie ein entsprechendes Wärmegefälle ermöglicht und als Wärmesenke wirkt. Natürliche Wärmesenken sind insbesondere davon abhängig, wie schnell sie aufgenommene Wärme wieder abgeben können (Regeneration), um weiter als Wärmesenken zu funktionieren.

Die klassischen Wärmesenkenanlagen stehen in der Regel in Verbindung mit einer erdgekoppelten Wärmepumpe (Heizungswärmepumpe). Verfügt diese Wärmepumpe über die Funktion einer reversiblen Betriebsweise, ist auch eine aktive Kühlung möglich, da sich der Arbeitsprozess der Wärmepumpe gleichermaßen umkehrt wie der Wärmestrom, im Gegensatz zum Heizbetrieb. Bei herkömmlichen Wärmepumpen, die allein zu Heizzwecken konstruiert sind, ist dennoch eine Kühlfunktion mit Flächentemperierungssystemen möglich. Die sommerliche Umschaltung des Heizkreises auf die erdgekoppelte Wärmequellenanlage ermöglicht dann eine passive Flächenkühlung. Bei der Verwendung geeigneter Baustoffe und -materialien sowie einer klimagerechten Gebäudekonstruktion und -ausrichtung kann der Kühlbedarf schon deutlich baukonstruktiv reduziert werden. Eine passive Kühlung mittels Flächentemperierung ist in diesem Fall vollkommen ausreichend und erhöht den thermischen Komfort im Sommer.

Doppelnutzung beachten

Aufgrund der großen Bedeutung der Kühlung von Gebäuden sollte die Option der Doppelnutzung eines Systems mehr beachtet werden. Der ganzheitliche Systemgedanke beinhaltet nicht nur den Winterfall, sondern auch den Sommerfall. Mit einer erdgekoppelten Wärmepumpe kann Umweltwärme sowohl passiv als auch aktiv genutzt werden. Das Geben und Nehmen aus der Natur wechselt im Jahreslauf durch die Umkehrung der Wärmeströme. Damit die passive Kühlung auch bei anderen Wärmeerzeugern möglich ist, gilt es, Wärmesenkenanlagen zu entwickeln, die auch in Kombination mit einer Pellet-, Hackschnitzel-, Scheitholz- oder Gas-Brennwert-Kesselanlage eine passive Kühlung im Sommer ermöglichen.

Frank Hartmann ist Gründer des Forums Wohnenergie für energieeffizientes Bauen und Modernisieren und Referent im Fachbereich Flächenheizung/-kühlung des Bundesverbandes der Deutschen Heizungsindustrie (BDH) frank.hartmann@bdh-koeln.de Telefon (0 93 81) 71 68 31