Umweltfreundliches Heizen und Kühlen

Moderne Wärmepumpen können im Winter effizient heizen und im Sommer kühlen.

Sie bieten so die Möglichkeit für ein ganzjährig behagliches Raumklima in Wohn- oder Gewerbebauten. Je nach Aufgabenstellung und gewünschtem Komfortanspruch stehen Kompaktsysteme mit integrierter Kühlfunktion oder verschiedene Modulbausteine zur Verfügung. Der Beitrag gibt sowohl einen Überblick zu standardisierten Systemlösungen als auch zu entsprechenden Produkten von Nibe.

Grundsätzlich gibt es bei Wärmepumpen den passiven und aktiven Kühlbetrieb. Eine Erdwärmepumpe nutzt zur passiven Kühlung in den meisten Fällen das niedrige Temperaturniveau des Erdreichs. Für eine Immobilie mit hoher Kühllast kann ein System mit aktivem Kühlbetrieb gewählt werden. Die Wärmequelle wird in beiden Fällen als Wärmesenke genutzt. Luft/Wasser-Wärmepumpen mit Kühlfunktion arbeiten hingegen mit einem reversiblen Kältekreis. Hier dient die Umgebungs-/Außenluft als Kältereservoir, wobei während der Kälteerzeugung immer ein aktiver Anlagenbetrieb vorliegt. Das Verteilen der vorhandenen oder erzeugten Kühlleistung erfolgt bei den hier vorgestellten Beispielen über ein wasserbasiertes Verteilsystem.

Zwei- und Vier-Rohr-Kühlung

Für ein behagliches Raumklima in Gebäuden mit geringer Kühllast reicht die sogenannte „Zwei-Rohr-Kühlung“ über die Fußbodenheizung in vielen Fällen aus. Voraussetzung dafür ist eine geeignete Fußbodenheizung. Das System fährt dann sowohl im Heiz- als auch im Kühlbetrieb auf dasselbe Verteilnetz, mit einer Mindest-Kühlvorlauftemperatur zum Vermeiden einer Kondensatbildung von 18 °C.

Beim Nibe-Zwei-Rohr-System ist die Kühlfunktion standardmäßig in die Wärmepumpen integriert. Mit der Raumeinheit „RMU S40“ können die Wärmepumpe (WP) sowie die Raumtemperatur von einem Pilotraum aus gesteuert und überwacht werden: Sonstige Räume werden über kühlbetriebsfähige Raumthermostate gesteuert.

Bei erhöhter Gebäudekühllast – beispielsweise wegen großer Glasflächen, fehlender Verschattungen oder einer allgemein hohen Kühllast – empfiehlt es sich, mit einer niedrigeren Temperatur zu kühlen, um damit eine höhere Leistung zu übertragen. Beispiel dafür ist das „Vier-Rohr-System“ von Nibe, das in Verbindung mit einer für den Kühlbetrieb geeigneten, diffusionsdichten Isolierung Kühltemperaturen bis minimal +7 °C realisieren kann. Hierbei erfolgt das Übertragen der Heiz-/Kühlenergie über ein jeweils separates Verteilsystem, wie Kühlkonvektoren, geregelte Kühldecken, Deckenkassetten, Lüftungs- oder Klimaanlagen.

Kühlung mit Erdwärmepumpen

Passivkühlung

Bei der sogenannten passiven oder auch freien Kühlung nutzt die WP das niedrige Temperaturniveau des Wärmequellenmediums und überträgt es über einen Wärmetauscher auf das Heizsystem. Die eigentlichen Heizflächen werden dadurch zu Kühlflächen und senken die Raumtemperatur um etwa 2 bis 3 K („Ankühlen“).

Vorteile der Passivkühlung sind, dass lediglich eine energiesparende Umwälzpumpe zum Fördern des Wärmequellenmediums für den Kühlbetrieb arbeitet. Das Erdreich um die Erdsonde regeneriert sich und erhöht so die Heizleistung und Effizienz der WP im späteren Heiz-/Warmwasserbetrieb. Die Kosten für das Kühlen sind gering.

Im Verlauf eines Sommers mit langen Wärme-/Kühlperioden kann ein hoher Wärmeeintrag in die Wärmequelle erfolgen. Dies tritt am häufigsten bei Erdwärmekörben oder herkömmlichen Flächenkollektoren auf – beim Einsatz einer Erdsonde deutlich langsamer. Passable Ergebnisse lassen sich ebenfalls mit einem auch auf die Kühlfunktion dimensionierten Ringgrabenkollektor erzielen.

Die Kompaktwärmepumpen der „PC-Serie“ von Nibe beinhalten eine integrierte Passivkühlfunktion. Über ein gemeinsames Verteilsystem lässt sich heizen und kühlen. Bei den Passivkühlmodulen „PCM S40/42“ (Zwei-Rohr-Kühlung) arbeitet der „Wärmequellenkreis“ (Kombination mit Erd-WP „S1156“ oder „S1256“) wiederum getrennt vom Kühl-/Heizkreis; die Umwälzpumpe nur bei Kühlfunktion.

Mit dem „PCS 44“-Zubehörsatz für Passivkühlung (Vier-Rohr-Kühlung) lässt sich die Wärmequellenflüssigkeit in Kombination mit einer Sole/Wasser-WP nutzen. Die Wärmequellenflüssigkeit wird direkt aus dem Wärmequellenkreis abgezweigt und zirkuliert durch das Kühlsystem, was sich zum Beispiel für den Einsatz mit Ventilatorkonvektoren, die ausschließlich zum Kühlen dienen, eignet.

Passiv- und Aktivkühlung

Gebäude mit hoher Kühllast finden mit dem „HPAC-Kühlmodul“ von Nibe, in Kombination mit einer Sole/Wasser-WP, eine Komplettlösung. Das Kühlen erfolgt bei geringer Kühllast zunächst passiv. Dabei zirkuliert kühles Wärmequellenmedium durch die zum Beispiel angeschlossenen Ventilatorkonvektoren oder Kühldecken. Erhöht sich der Kühlbedarf auf ein entsprechendes Niveau, startet automatisch die aktive Kühlung: Der Verdichter der WP arbeitet bedarfsabhängig. Den Hauptanteil der Energie stellt das Erdreich kostenlos zur Verfügung.

Kommerziell genutzte Gebäude haben oft einen synchronen Heiz- und Kühlbedarf, wie bei einer Nord-Süd-Ausrichtung, zur ganzjährigen Kühlung von EDV-Räumen oder einseitig hohen Kühllasten. Eine Nibe-Erd-WP mit dem Zubehörmodul „ASC 45“ sowie einem Heizungs- und Kältepufferspeicher ist in der Lage, Heiz- und Kühlbedarf gleichzeitig abzudecken. Dafür muss nur einmal Antriebsenergie aufgebracht werden. Die Koordination aller regelungstechnischen Aufgaben erfolgt durch die WP.

Eingesetzte Kältemittel

Im Gegensatz zu Klima-Split-Geräten arbeiten die hier vorgestellten Monoblock-Wärmepumpen mit hermetisch geschlossenen Kältekreisen. Die werkseitige Kältemittelbefüllung ist sicherer und erfordert weniger Kältemittel als ein Befüllen vor Ort. Das Übertragen der Kälteleistung in das Gebäude erfolgt mittels Wasser.

In der Luft/Wasser-Wärmepumpe „S2125“ wird das Kältemittel R290 (Propan) verwendet. Es hat ein geringes Treibhausgaspotential und bietet sowohl sehr gute Effizienzwerte im Heizbetrieb als auch entsprechende Kühleigenschaften.

Fazit

Beim Planen von Immobilien sollte neben der technischen Kühlfunktion auch der bauliche Wärmeschutz berücksichtigt werden – zum Beispiel durch Verschattungsmaßnahmen, Jalousien oder die Anordnung der Räume. Ist dies der Fall, kann die Dimensionierung des Kühlsystems in vielen Fällen minimiert werden. Dadurch lassen sich sowohl Investitions- als auch Betriebskosten sparen.

Eine Photovoltaik-(PV)-Anlage ergänzt eine WP mit Kühlfunktion sinnvoll. Denn so kann der Strom für die WP im Aktiv-Betrieb von der eigenen PV-Anlage geliefert werden: Stromertrag und Kühlbedarf sind gleichzeitig am höchsten – im Sommer.

[Günther Kasper, Produktmanager und Sachkundiger für Wärmepumpensysteme VDI 4645 P/E, NIBE Systemtechnik GmbH, 29223 Celle, info@nibe.de]