Eine Wärmepumpe funktioniert wie ein Kühlschrank. Das Prinzip lässt sich in Kurzversion folgendermaßen beschreiben: Die aus der Umwelt entzogene Wärme wird in der Wärmepumpe mithilfe eines Kältemittels durch Verdichtung auf ein höheres Temperaturniveau gehoben. Über ein Wärmeverteilsystem, wie beispielsweise eine Fußbodenheizung oder einen Radiator, wird die hierbei entstandene Wärme an die Umgebung abgegeben. Wärmepumpen beziehen rund drei Viertel der Energie zum Heizen aus der Umwelt, wozu sie einen Anteil Strom für Antrieb, Pumpen, Stellventile und Steuerung benötigen. Technik und Kosten variieren, abhängig davon, ob die Energie aus der Luft, der Erde oder dem Wasser gewonnen wird.
In kalten Monaten zirkuliert in einer Fußbodenheizung das durch die Wärmepumpe erwärmte Heizungswasser, sodass sich die Zimmertemperatur erhöht. Zum Kühlen kann dagegen der Kältekreis der Luft/Wasser-Wärmepumpe in seiner Funktion umgekehrt werden und arbeitet dann über das im Kältekreis eingebaute Vier-Wege-Ventil reversibel. Durch diese Umschaltung wird kühles Wasser durch die Fußbodenheizung befördert, wodurch die Raumtemperatur abgesenkt werden kann. Bei der Luft/Wasser-Wärmepumpe wird die dem Gebäude entzogene Wärme über den Lüfter an die Umgebung abgegeben. Zu beachten ist hierbei jedoch, dass die verschiedenen Arten von Wärmepumpen beim Kühlen unterschiedlich arbeiten. Es gibt zwei Möglichkeiten der Nutzung zur Kühlung, nämlich zum einen die passive und zum anderen die aktive Kühlung. Beide Lösungen liefern einen unterschiedlichen Nutzen:
Passive Kühlung mit der Sole/Wasser- und der Wasser/Wasser-Wärmepumpe
Natural Cooling, also passives Kühlen, nutzt die ganzjährig niedrigeren Temperaturen des Erdreichs oder des Grundwassers für die Kühlung und ist ausschließlich mit Wärmepumpen möglich, die das Erdreich als Wärmequelle nutzen. Bei der Sole/Wasser-Wärmepumpe entzieht die Soleflüssigkeit die Wärme über einen Wärmetauscher aus dem Heizkreis und führt sie an die Erdsonde ab. Bei Wasser/Wasser-Wärmepumpen übernimmt das Grundwasser diese Aufgabe. Dabei reicht es, wenn lediglich die Umwälzpumpen sowohl im Heizkreislauf als auch in der Wärmequelle arbeiten. Hierbei bleibt der Verdichter passiv und muss nicht laufen. Der technische und finanzielle Aufwand bei der Montage sowie die Betriebskosten für das passive Kühlen mit der Wärmepumpe sind relativ gering. Es lässt sich in der Regel eine gute Temperierung der Innenräume erreichen, jedoch hängt die tatsächliche Kühlleistung sehr stark von der Dimensionierung der Wärmequelle ab. Ein positiver Nebeneffekt ist übrigens, dass sich die Erdsonden durch die von den Wohnräumen zugeführte Wärme regenerieren können, wodurch sich die Effizienz der Wärmepumpe für den Heizbetrieb steigern lässt.
Bild: Glen Dimplex
Eine Luft/Wasser-Wärmepumpe kann nur aktiv kühlen
Das Prinzip des aktiven Kühlens ist grundsätzlich mit jeder Wärmepumpe möglich, jedoch können Luft/Wasser-Wärmepumpen ausschließlich aktiv und nicht passiv kühlen, da die Wärmequelle – also die Außenluft im Sommer – für die passive Kühlung zu warm ist. Bei der aktiven Kühlung wird die Funktionsweise der Wärmepumpe durch ein integriertes Vier-Wege-Ventil einfach umgekehrt. Bei dieser Methode ist der Verdichter in Betrieb und die Wärmepumpe kann, im Vergleich zur passiven Kühlung, dauerhaft niedrige Kühlwassertemperaturen sicherstellen. Im Rahmen der aktiven Kühlung unterscheidet man zwischen der stillen und der dynamischen Kühlung:
Die aktive Kühlung ermöglicht eine stille Kühlungsmöglichkeit …
Werden Fußboden-, Wand- und Deckenheizsysteme zusätzlich zum Kühlen genutzt, spricht man von stiller Kühlung. Durch die hier vorhandenen großen Übertragungsflächen ist keine aktive Ventilatorunterstützung erforderlich und somit kann auch keine Geräuschentwicklung entstehen. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, dass die Kühlwassertemperatur über dem Taupunkt gehalten werden muss, um die Bildung von Kondensat zu vermeiden.
In den zu kühlenden Räumen kann ein intelligenter Raumtemperaturregler, wie Smart RTC von Dimplex, die Überwachung der Raumtemperatur und Feuchte übernehmen. Der erforderliche Heizungsmischer hält dann die Kühlwassertemperatur automatisch oberhalb des vom Dimplex-Wärmepumpenmanagers berechneten Taupunktes. Die stille Kühlung ist also dafür geeignet, einer allmählichen Erwärmung des Gebäudes entgegenzuwirken.
… und lässt auch eine dynamische Kühlungsoption zu
Dagegen lassen sich mit der dynamischen Kühlung höhere Kühlleistungen mithilfe von Gebläsekonvektoren erzielen. Durch diese aktive Unterstützung der Wärmeübertragung kann auch bei hoher Luftfeuchtigkeit mehr Kühlleistung übertragen werden. Die Kühlwassertemperaturen liegen unterhalb des Taupunktes und kühlen und entfeuchten so die Raumluft. Das anfallende Kondensat wird über einen Kondensatablauf abgeführt. Die dynamische Kühlung erfordert, dass alle Rohrleitungen und Verteiler mit einer dampfdiffusionsdichten Dämmung ausgerüstet werden, sodass die Rohrleitungen nicht schwitzen. Bei der Projektierung ist die Vermeidung von Kondensat und das Abführen von entstandenem Kondensat zu berücksichtigen. Ein zusätzlich an den Verteilern angebrachter Taupunktwächter unterbricht den Kühlbetrieb, falls dort einmal durch hohe Luftfeuchtigkeit Kondensat anfallen sollte.
Bild: Glen Dimplex
Wärmepumpenheizkörper als Nachrüstlösung
Die Nachrüstung einer stillen Kühlung ist möglich, wenn das restliche Heizsystem hierauf abgestimmt wurde, denn herkömmliche Heizkörper eignen sich nicht zur Kühlung. Diese verfügen durch ihre meist geringe Fläche nur über eine eingeschränkte Möglichkeit, die Raumluft zu kühlen; hinzu kommt die erhöhte Gefahr der Kondenswasserbildung. Der Hersteller Dimplex bietet in seinem Systemzubehör Wärmepumpenheizkörper an: Mit dem Wärmepumpensystem E hat der Hersteller eine für Bestandsgebäude entwickelte Wärmepumpe im Programm. Das Wärmepumpensystem wurde für den Betrieb mit Heizkörpern konzipiert und erreicht selbst bei Vorlauftemperaturen von 55 °C höchste Effizienzbewertungen (A+++). Für den Fall, dass die Vorlauftemperaturen gesenkt werden sollen oder eine stille Kühlung gewünscht wird, können die Wärmepumpenheizkörper effizient eingesetzt werden.
Wärmepumpe mit Kühlung planen und installieren
Ganz gleich welche Art von Wärmepumpe zum Heizen oder zum Kühlen zum Einsatz kommt: Wärmepumpen eignen sich für nahezu jedes Gebäude. Die Wahl der passenden Wärmepumpe richtet sich nach dem vorhandenen Platz im Gebäude oder auf dem Grundstück, dem Gebäudeenergiebedarf und der Bebauungssituation. Es ist hierbei zu berücksichtigen, dass die Betriebskosten beim aktiven Kühlen höher ausfallen als bei der passiven Kühlung, da der Verdichter betrieben werden muss. Sinnvoll kann in diesem Fall die Kombination mit einer Photovoltaikanlage sein, da der Strom genau dann benötigt wird, wenn auch die Sonne scheint. Auf diese Weise kann in den Sommermonaten der Eigenanteil an selbst erzeugtem Strom effektiv eingesetzt werden.
Der Dimplex-Wärmepumpenmanager kann über die automatische Umschaltung des Betriebsmodus den Kühlbetrieb aktivieren, wenn die Außentemperatur über einen längeren Zeitraum den einstellbaren Außentemperaturwert übersteigt. Auch ein manueller Eingriff ist über den Regler am Gerät oder über die mobile Home App möglich. Wichtig ist in jedem Fall eine fachgerechte Planung und Installation durch einen Fachhandwerker, der hierfür auf das breite Portfolio an geeigneten Produkten für die Anwendung im Bereich Heizen und Kühlen von Dimplex zurückgreifen kann.
Bild: Glen Dimplex
Funktion einer Wärmepumpe: Umgekehrtes Prinzip eines Kühlschranks
Wärme bewegt sich immer entlang eines Temperaturgefälles, und zwar vom Wärmeren zum Kälteren. Diesem scheinbar unumgänglichen Naturgesetz schlägt die Wärmepumpe ein Schnippchen, denn sie ermöglicht, Wärme entgegen dem Temperaturgefälle zu verschieben, also vom Kalten ins Wärmere.
Gewinnung von Wärme
Luft/Wasser-Wärmepumpen saugen über einen Ventilator die Außenluft an und übergeben diese über einen Wärmeübertrager an ein Kältemittel. Bei der Nutzung von Erdwärme wird die oberflächennahe Wärme an eine Flüssigkeit abgegeben. Hierbei handelt es sich häufig um eine Sole, also Wasser, das mit Frostschutzmittel versetzt ist, oder eine andere wässrige Lösung, deren Gefrierpunkt unter dem von Wasser liegt. Diese Flüssigkeit nimmt die Umweltwärme auf, beispielsweise aus dem Erdreich oder dem Grundwasser, und transportiert sie zur Wärmepumpe.
Nutzbarmachung von Wärme
In der Wärmepumpe befindet sich ein weiterer Kreislauf, in dem ein Kältemittel zirkuliert. In einem Wärmetauscher, dem Verdampfer, wird die Umweltenergie von dem ersten Kreislauf auf das Kältemittel übertragen, das dadurch verdampft. Bei Luftwärmepumpen erhitzt die Außenluft das Kältemittel. Der Kältemitteldampf wird nun zu einem Verdichter/Kompressor weitergeleitet. Dadurch hebt sich das Temperaturniveau des gasförmigen Kältemittels. In einem weiteren Wärmetauscher, dem sogenannten Verflüssiger, wird das unter hohem Druck stehende, heiße Kältemittel-Gas nun kondensiert, wobei es seine Wärme wieder abgibt. Anschließend wird das verflüssigte Kältemittel zu einer Drossel geleitet, in der der Druck des Kältemittels wieder verringert wird. Das nun flüssige Kältemittel wird schließlich zum Verdampfer zurückgeführt.
