Cool down

Bei der Endkundenberatung und der Wärmepumpenauswahl ist zu berücksichtigen, dass sich nicht mit jedem Modell die Immobilie kühlen lässt: Geeignet sind reversible Luft/Wasser-Wärmepumpen sowie Sole/Wasser-Wärmepumpen mit einer passiven Kühlstation. Zudem sollten Fachhandwerker den Kühlbetrieb bereits bei der Auslegung berücksichtigen, damit dieser später effizient und zur Zufriedenheit der Bewohner abläuft. Die Berechnung der Kühllast ist hierfür wesentlich (Infokasten). Dabei handelt es sich um die aus einem Raum abzuführende Wärmelast, mit dem Ziel, eine vorgegebene Raumlufttemperatur zu erreichen.

Bild: Buderus

Verschiedene Kühlbetriebsarten

Grundsätzlich gibt es mehrere Kühlbetriebsarten. Um diese zu beschreiben, werden die Wärmepumpenseite, die Abnehmerseite und der Taupunkt betrachtet. Die Begriffe „aktive“ und „passive“ Kühlung geben an, ob der Wärmepumpenkompressor zur Kühlung ein- oder ausgeschaltet ist. Die Begriffe „dynamische“ und „stille“ Kühlung legen fest, ob mit Gebläseunterstützung und Taupunktunterschreitung (beispielsweise Gebläsekonvektoren) oder über ein Flächensystem oberhalb des Taupunkts (zum Beispiel Fußbodenheizung) gekühlt wird.

Aktive Kühlung

Reversible Wärmepumpen eignen sich für die aktive Kühlung, wozu in der Regel Luft/Wasser-Wärmepumpen zum Einsatz kommen. Beim aktiven Kühlen wird über ein internes 4-Wege-Ventil und ein zusätzliches Expansionsventil der Kältekreis umgekehrt. Der Verflüssiger wird also zum Verdampfer, das heißt, das Kältemittel verdampft im Verflüssiger. Der Kompressor ist dabei in Betrieb. Auf diese Weise wird dem Raum Wärme entzogen, diese auf das Kältemittel übertragen und schließlich in die Außenluft abgegeben.

Bei hohen Temperaturen ist die aktive Kühlung gegenüber der passiven Kühlung im Vorteil, weil sie schneller und spürbarer kühlt. Dazu wird jedoch Strom benötigt, was die Betriebskosten erhöhen kann. Von Vorteil ist dann eine Photovoltaikanlage: Sie liefert gerade im Sommer, wenn auch die Kühlung gewünscht ist, viel Strom.

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Passive Kühlung

Die passive Kühlung kommt in der Regel bei Sole/Wasser-Wärmepumpen zum Einsatz. Über einen Wärmetauscher wird die Raumwärme über den Solekreis und Erdsonden ins Erdreich transportiert, das im Sommer deutlich kühler ist als die Außenluft. In den Solekreis der Wärmepumpe wird eine passive Kühlstation installiert. Sie besteht aus einem Wärmetauscher, einer Pumpe und einem Mischer.

Weil der Verdichter der Wärmepumpe bei der passiven Kühlung nicht arbeiten muss, sinken die Stromkosten. Lediglich die Umwälzpumpen im Quellen- und Heizkreis sind in Betrieb. Der Kompressor lässt sich deshalb auch während des Kühlbetriebs bei Bedarf zur Warmwasserbereitung nutzen.

Übrigens: Erdreich-Flächenkollektoren sind für diese Kühlbetriebsart nicht geeignet. Denn sie liegen so nah an der Oberfläche, dass die Erdreichtemperaturen im Sommer für eine Kühlung zu hoch sind. Zudem würde der zusätzliche Wärmeeintrag das Erdreich in der Umgebung des Kollektors austrocknen und zu Rissen führen.

Mit der passiven Kühlung über die Fußbodenheizung oder andere Heizflächen (z. B. Wand, Decke) lassen sich die Raumtemperaturen um etwa 3 bis 5 °C senken. Klassische Radiatoren eignen sich dafür allerdings nicht, weil ihre Oberfläche zu gering ist, um die Raumluft darüber merklich abzukühlen.

Achtung: Die passive Kühlung über Sole ist nicht so leistungsfähig wie die Kühlung über eine Klimaanlage oder über Kaltwassersätze. Es findet auch keine bzw. nur eine geringe Luftentfeuchtung statt.

Dynamische Kühlung

Bei der dynamischen Kühlung wird bewusst der Taupunkt unterschritten, um hohe Kälteleistungen zu erreichen. Dabei wird die Raumluft über einen Wärmetauscher geführt, etwa über einen Gebläsekonvektor. Gleichzeitig kann die Raumluft entfeuchtet werden. Zu beachten sind dabei u. a.:

Achtung: Sole/Wasser-Wärmepumpen sind nur bedingt für die dynamische Kühlung geeignet, weil sich die Quellentemperatur während des Kühlbetriebs verändert. Für diese Kühlart empfiehlt sich deshalb eine reversible Luft/Wasser-­Wärmepumpe.

Bild: Buderus

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Stille Kühlung

Bei der stillen Kühlung liegt die Kühlmitteltemperatur oberhalb des Taupunkts. Boden-, Decken- oder Wandflächen nehmen die Raumwärme auf und übertragen sie auf das Heizwasser. Um den Taupunkt nicht zu unterschreiten, wird die Vorlauftemperatur höher angesetzt als bei der dynamischen Kühlung.

Der Taupunkt muss dabei von der Regelung der Wärmepumpe überwacht werden: Wird er unterschritten, kondensiert die Feuchtigkeit der Raumluft auf dem Fußboden, falls eine Fußbodenheizung zur Kühlung genutzt wird. Überwachen lässt er sich z. B. über eine im Referenzraum installierte Fernbedienung oder Raumklimastation.

Die Raumklimastation hält die Vorlauftemperatur auf einer Stufe, bei der sich keine Kondensation bildet. Feuchte- und Temperaturfühler melden problematische Werte an die Wärmepumpenregelung, sodass das System die Kühlung rechtzeitig reduziert oder deaktiviert, bevor der Taupunkt unterschritten wird. Die übertragbare Kühlleistung ist bei der stillen Kühlung geringer als bei der aktiven Kühlung über Gebläsekonvektoren.

Kühlung über die Fußbodenheizung

Beim Kühlbetrieb mit einer Fußbodenheizung sollte die Oberflächentemperatur 20 °C nicht unterschreiten. Um die Tauwasserbildung zu vermeiden, müssen die Grenzwerte der Oberflächentemperatur beachtet werden. Zur Erfassung des Taupunkts können Fachhandwerker z. B. in den Vorlauf der Fußbodenheizung einen Taupunktfühler einbauen. Dadurch lässt sich die Kondensatbildung, auch bei kurzfristig auftretenden Wetterschwankungen, verhindern.

Die Mindestvorlauftemperatur für die Kühlung mit der Fußbodenheizung sowie die Mindestoberflächentemperatur sind abhängig von den jeweiligen klimatischen Verhältnissen im Raum (Lufttemperatur und relative Luftfeuchte).

Fazit

Kühlen mit der Wärmepumpe erhöht den Wohnkomfort an heißen Tagen. Technische Voraussetzungen dafür sind, außer einem geeigneten Wärmepumpenmodell sowie einer Fußbodenheizung oder Gebläsekonvektoren, zusätzliche Systemkomponenten zur Kühlung. Investieren Heizungsfachleute bei der Wärmepumpenauslegung etwas Zeit in eine sorgfältige Kühllastberechnung und wird der Taupunkt durch die Wärmepumpenregelung überwacht, steht einer effizienten und sicheren Kühlfunktion nichts mehr im Wege.

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Info

Kühllast ermitteln – Schritt für Schritt

Gemäß VDI 2078 lässt sich die Kühllast genau berechnen. Alternativ bieten manche Hersteller Formblätter zur überschlägigen Berechnung an, angelehnt an die VDI 2078. Buderus liefert in den Planungsunterlagen für seine Luft/Wasser- und Sole/Wasser-Wärmepumpen einen Vordruck mit, der sich einfach ausfüllen lässt. → www.buderus.de/technische-dokumentation

Schritt 1: Sonneneinstrahlung berechnen

Zunächst wird die Ausrichtung der einzelnen Fenster und Türen bestimmt. Aus der Tabelle lässt sich, abhängig von der Verglasung, die durch Sonneneinstrahlung eingebrachte zugehörige Leistung in W/m² ablesen. Bei Bedarf wird mit einem Minderungsfaktor Sonnenschutz multipliziert, es ergibt sich die spezifische Kühllast. Diese wird im letzten Schritt mit der jeweiligen Fensterfläche in Quadratmetern multipliziert. Die einzelnen Beträge werden zur Summe addiert.

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Schritt 2: Wände, Boden und Decke berücksichtigen

Die Kühllast der Außenwände wird vergleichbar zu Schritt 1 bestimmt, für Innenwände und Fußboden zu nicht klimatisierten Räumen ist ebenfalls ein Faktor angegeben. Für die Decke stehen auch Auswahlmöglichkeiten bereit, berücksichtigt wird darin unter anderem eine mögliche Dämmung und die Form des Daches. Die bereits erfassten Fenster- und Türöffnungen bleiben in diesem Schritt außen vor.

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Schritt 3: Elektrische Geräte einbeziehen

Mit einem pauschalen Minderungsfaktor von 0,75 lassen sich in Betrieb befindliche elektrische Geräte in der Berechnung berücksichtigen.

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Schritt 4: Wärmeabgabe durch Personen erfassen

Halten sich regelmäßig Personen im zu kühlenden Raum auf, beeinflusst das ebenfalls die Raumtemperatur. Nach VDI-Richtlinie 2078 gibt eine Person bei einer Umgebungstemperatur von 20 bis 23 °C etwa 120 W Wärme ab. Angenommen wird hier eine nicht körperliche bis leichte Arbeit. In großen Büros kann der Einfluss durch viele Personen entsprechend höher sein.

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Schritt 5: Summe Kühllast in der Auslegung berücksichtigen

Zu guter Letzt werden die ermittelten einzelnen Kühllasten summiert, das Ergebnis ist die gesamte Kühllast in Watt. Dieser Wert ist einer von mehreren, die für die Auslegung einer Wärmepumpe relevant sind, die außer der Wärmeerzeugung auch kühlen soll.

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Optimale Wärmepumpen-Leistungsgröße

Um die optimale Leistungsgröße der Wärmepumpe zu ermitteln, wird der Energiebedarf berechnet für

Ebenfalls zu berücksichtigen sind eventuell Sperrzeiten des Energieversorgers und die Betriebsweise (monoenergetisch oder bivalent).

Autor

Hans-Jörg Risse 

ist Produktmanager Sales Technical Support Wärme- und Kälteerzeuger bei Buderus Deutschland, 35576 Wetzlar,

www.buderus.de

Bild: Nikolaos Radis