Vor allem im Sommer sind die Temperaturen im Inneren der Gebäude häufig höher als im Erdreich oder im Grundwasser. In diesem Fall können diese Wärmequellen dann als Wärmesenker genutzt werden und die Wärme aus dem Gebäude aufnehmen.
Wie funktioniert natural cooling?
Erforderlich sind dazu sind eine Wärmepumpe mit der „natural cooling“-Funktion in der Regelung sowie einige zusätzliche Hydraulik-Komponenten (Bild 2): Wärmetauscher (D), Drei-Wege-Ventile (C, G) und Umwälzpumpe (E).Und so funktioniert es: In der „natural cooling“-Funktion schaltet die Wärmepumpenregelung lediglich die Primärpumpe (B) und die Umwälzpumpe (E) ein; der Verdichter wird nicht in Betrieb genommen. Die kühle Sole – bzw. bei Wasser/Wasser-Wärmepumpen das kühle Grundwasser – und das raumtemperierte Heizungswasser werden zum Wärmetauscher (D) gefördert. Im Wärmetauscher erfolgt die Wärmeübertragung vom Heizungswasser auf die Soleflüssigkeit; kühleres Heizungswasser fließt zurück zu den Räumen, um dort erneut Wärme aufzunehmen.
Zur Vereinfachung der Installation der hydraulischen Komponenten werden so genannte „natural cooling“-Boxen angeboten, die alle erforderlichen Bauteile in einem kompakten Gehäuse vereinen (Bild 3). Diese komplett vormontierten NC-Boxen können platzsparend an einer Wand über oder neben der Wärmepumpe installiert werden. Ein integrierter Mischer ermöglicht kontinuierlichen Betrieb ohne Taupunktunterschreitung.
Wie hoch ist die Kühlleistung?
Grundsätzlich ist die „natural cooling“-Funktion in ihrer Leistungsfähigkeit nicht mit Klimaanlagen oder Kaltwassersätzen zu vergleichen. Die Kühlleistung ist abhängig
- von der Temperatur im Erdreich bzw. im Grundwasser
- von der Größe der Wärmesenke
- und von der zeitlichen Belastung, die jahreszeitlichen Schwankungen unterworfen sein kann. So hat das Erdreich erfahrungsgemäß gegen Ende eines Sommers mehr Wärme gespeichert, die Kühlleistung wird dann geringer sein.
Als groben Anhaltswert der nutzbaren Leistung für „natural cooling“ kann bei Erdwärmesonden 30 bis 35 % der Heizleistung der Wärmepumpe veranschlagt werden. Diese Kühlleistung kann wiederum ca. 600 bis 800 Stunden pro Jahr genutzt werden.
„Natural cooling“ ist dafür aber eine besonders energiesparende Methode der Gebäudekühlung, da lediglich ein geringer Stromverbrauch für die Umwälzpumpen angesetzt werden muss. Der Verdichter der Wärmepumpe wird während des Kühlbetriebes nur zur Trinkwassererwärmung eingeschaltet. Die Ansteuerung aller notwendigen Umwälzpumpen und Umschaltventile sowie die Erfassung der notwendigen Temperaturen und die Taupunktüberwachung erfolgen durch die Wärmepumpenregelung.
Wie funktioniert active cooling?
Die andere Methode des Kühlens mit einer Wärmepumpe ist die Umkehrung ihrer Betriebsweise, häufig als reversible Betriebsweise oder „active cooling“ bezeichnet. Herkömmliche, elektrisch betriebene Wärmepumpen funktionieren im Prinzip wie ein Kühlschrank – nur eben mit umgekehrter Richtung des Wärmeflusses. Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und Expansionsventil stimmen deshalb bei beiden Gerätearten im Wesentlichen überein. Sie unterscheiden sich hauptsächlich in der Optimierung auf die jeweilige Aufgabe, die im einen Fall die Steigerung und im anderen die Absenkung von Temperaturen bezweckt.
Prinzipiell würde es deshalb genügen, die Förderrichtung des Wärmepumpen-Verdichters sowie das Expansionsventil umzudrehen, um mit ein und demselben Gerät sowohl Heizen als auch Kühlen zu können. In der Praxis wird die Umkehrung der Betriebsweise häufig durch ein Vier-Wege-Ventil und ein zweites Expansionsventil im Kältekreislauf der Wärmepumpe realisiert. Die Änderung der Fließrichtung erfolgt dann über das Vier-Wege-Ventil. Der Verdichter behält dann unabhängig von der jeweiligen Funktion (Heizen oder Kühlen) immer seine ursprüngliche Förderrichtung bei (Bilder 4 und 5).
Kühlleistung und Strombedarf
In der Regel verfügen die üblichen Wärmepumpen in Deutschland nicht über die für den reversiblen Betrieb erforderlichen zusätzlichen Bauteile (Vier-Wege-Ventil und zweites Expansionsventil). Trotzdem kann grundsätzlich auch mit ihnen aktiv gekühlt werden. So genannte „active cooling“-Boxen, die als zusätzliche Baugruppe neben der Wärmepumpe aufgestellt werden, beinhalten dazu alle erforderlichen Komponenten. Im Kühlbetrieb dreht die interne Umschaltung der AC-Box die Funktionalität der Aus- und Eingänge um; die Kombination aus Wärmepumpe und AC-Box arbeitet jetzt wie ein Kühlschrank. Am bisherigen Heizkreislauf steht Kaltwasser mit einer Temperatur bis zu 7 °C zur Verfügung, die Kühlleistung beträgt maximal 13 kW (Bild 6).
Da beim „active cooling“ der Verdichter der Wärmepumpe in Betrieb ist, ist der Strombedarf bei dieser Kühlmethode größer als beim „natural cooling“. Besonders energieeffiziente AC-Boxen vereinen deshalb die energiesparende „natural cooling“-Funktion und die aktive Kühlung mittels Wärmepumpen-Verdichter in einem System. Zunächst wird nur mit der „natural cooling“-Funktion gekühlt. Sobald die Leistung des „natural cooling“ (ohne Verdichterbetrieb) nicht mehr ausreicht, schaltet das System automatisch auf aktive Kühlung um. Erst dann geht der Verdichterkreislauf der Wärmepumpe in Betrieb. Außerdem kann die abgeführte Wärme zur energiesparenden Warmwasserbereitung oder z.B. zur Erwärmung eines Schwimmbades genutzt werden. So lassen sich Kühl- und Heizanforderung sehr effizient verbinden.
Kühlung über Raumheizflächen
Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen sind zur Gebäudebeheizung an das Warmwasserheizsystem angeschlossen. Dieses überträgt an kalten Tagen die Wärme vom Heizungswasser an den zu beheizenden Raum über Heizflächen. Für die Wärmeübertragung in umgekehrter Richtung – also zur Raumkühlung – sind die üblicherweise verwendeten Raumheizflächen unterschiedlich gut geeignet. Insbesondere Heizkörper eignen sich dafür nur bedingt. Wegen des vergleichsweise geringen Temperaturunterschieds zwischen Heizungswasser und Raumtemperatur im Sommer sowie aufgrund der relativ kleinen Fläche der Heizkörper findet nur eine beschränkte Wärmeübertragung durch Konvektion und Strahlung statt.
Zur Kühlung der Räume mit „natural cooling“ bzw. „active cooling“ sind vor allem die folgenden Systeme geeignet: Fußbodenheizungen, Kühldecken, Betonkerntemperierung und Ventilatorkonvektoren.
Fußbodenheizungen
Fußbodenheizungen eignen sich wegen der großen Fläche auch gut zur Kühlung. Die gekühlte Luft sammelt sich jedoch im Bodenbereich und steigt nicht auf. Dafür steht aber auch der gesamte Fußboden als Kühlfläche zur Verfügung, so dass sich die Raumtemperatur gut beeinflussen lässt. Eine bessere Durchflutung der Räume mit gekühlter Luft kann durch die zusätzliche Installation einer Wohnungslüftung erreicht werden.
Kühldecken
Noch besser kann die Wärme über Kühldecken abgeführt werden. Unter der Raumdecke sammelt sich die Warmluft und kühlt sich an der Fläche ab. Dadurch sinkt sie zu Boden und aufsteigende Warmluft strömt nach. So werden größere Luftmengen an der Kühlfläche vorbeigeführt. Kühldecken ersetzen normalerweise aber kein Heizsystem, weswegen sie in der Regel zusätzlich eingebaut und über einen zusätzlichen Wärmetauscher zur Systemtrennung hydraulisch eingebunden werden.
Betonkerntemperierung
Im Gegensatz zu den abgehängten Kühldecken werden bei der Betonkerntemperierung die vom Wasser durchströmten Rohre direkt in den Beton der Decken bzw. Fußböden integriert. Mit der Betonkerntemperierung können die Räume sowohl beheizt als auch gekühlt werden. Die großen, Wärme übertragenden Flächen ermöglichen es, bereits bei geringen Über- bzw. Untertemperaturen nennenswerte Leistungen an den Raum abzugeben.
Ventilatorkonvektoren
Besonders wirksam sind auch Ventilatorkonvektoren, da sie mit einem Ventilator arbeiten, der zudem einen regelbaren Volumenstrom ermöglicht. Somit können auch größere Luftmengen an den Wärmetauscherflächen vorbeigeführt werden, was eine effektive Kühlung des Raumes in kurzer Zeit ermöglicht. Die zusätzliche Möglichkeit, auch den Volumenstrom über den Ventilator zu variieren, gestattet eine feinfühlige Raumkühlung.
Taupunktüberwachung erforderlich
Unabhängig von der Methode der Kühlung – „natural cooling“ oder „active cooling“ – ist in jedem Fall eine Taupunktüberwachung durch die Wärmepumpenregelung erforderlich. So darf die Oberflächentemperatur der Fußbodenheizung im Kühlbetrieb 20 °C nicht unterschreiten. Die Taupunktüberwachung hält die Vorlauftemperatur im Heizsystem zum Kühlen so hoch, dass der zulässige Taupunkt nicht unterschritten wird. Somit besteht keine Gefahr, dass sich die Feuchtigkeit aus der Luft niederschlägt.
Mit der „natural cooling“- bzw. „active cooling“-Funktion bieten Sole/Wasser- oder Wasser/Wasser-Wärmepumpen einen interessanten Zusatznutzen, den andere Wärmeerzeuger prinzipbedingt nicht leisten können. Zudem lassen sich angenehm gekühlte Räume an heißen Tagen mit den vormontierten Boxen komfortabel, schnell und einfach realisieren.
Autor
Unser Autor Dipl.-Ing. Wolfgang Rogatty hat nach Studium und Ingenieur-Tätigkeit eine Weiterbildung zum Fachzeitschriftenredakteur absolviert. Bei Viessmann ist er als technischer Redakteur im Bereich Presse- und Öffentlichkeitsarbeit tätig
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