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Aktives und passives Kühlen mit Wärmepumpe

Wie kann man mit einer Wärmepumpe kühlen? Welche technische Voraussetzungen muss die Wärmepumpe mitbringen? Über welche Systeme kann das Haus mit der Wärmepumpe gekühlt werden?

Kühlschrank und Wärmepumpe funktionieren im Wesentlichen nach dem gleichen Prinzip, nur mit unterschiedlicher Richtung des Wärmeflusses. Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und Expansionsventil sind deshalb auch in beiden Geräten zu finden. Einzig die Optimierung hinsichtlich ihrer jeweiligen Aufgabe, die im einen Fall die Erhöhung und im anderen Fall die Senkung der Raumtemperaturen bezweckt, ist unterschiedlich. Um mit einer Wärmepumpe kühlen zu können, reicht es bereits aus, die Förderrichtung des Verdichters und des Expansionsventil umzudrehen oder die Erdwärme ganz ohne Kompression zu nutzen. Je nach Intensität der benötigten Kühlleistung und dem vorhanden Abgabesystem setzt man dabei ein aktives oder passives Wärmepumpenkühlen ein.

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Unterscheidung von Klimaanlagen- und Wärmepumpenkühlung

Gerade im Hochsommer erreichen die Außentemperaturen Höchstwerte, sodass man sich in den eigenen vier Wänden nicht mehr wohlfühlt. Nachts fällt das Schlafen dann besonders schwer und man startet häufig unausgeruht in den Tag. Auch weit geöffnete Fenster oder eine ständige Belüftung der Räume mit einem Standventilator schaffen nur eine leichte Milderung der Sommerhitze. Viele denken dann über die Anschaffung einer kleinen Klimaanlage aus dem Baumarkt nach oder sogar über eine Profi-Kühlung wie sie in südlichen Ländern vielfach zu finden ist. Der Nachteil ist allerdings, dass man diese Klimageräte in unseren Breiten nur an wenigen Wochen im Jahr wirklich nutzt. Zudem werden sie mit Strom betrieben und so kann die erfrischende Kühle per Klimaanlage schnell ins Geld gehen.

Eine Alternative, die viele nicht kennen, ist das Kühlen mit Wärmepumpe. Der große Unterschied besteht dabei darin, dass bei herkömmlichen Klimaanlagen gekühlte Luft über einen oder mehrere Kanäle bzw. Wand- und Deckeneinheiten an den zu kühlenden Raum abgegeben wird. Beim Kühlen mit einer Wärmepumpe wird der Raum hingegen über die Wasserleitungen des Heizungssystems gekühlt. Dabei unterscheidet man zwischen einer aktiven Kühlung mit einer sogenannten reversiblen Wärmepumpe und dem passiven Kühlen mit einer Erdwärme- bzw. Sole-Wasser-Wärmepumpe.

Schematische Darstellung der Wärme- bzw- Kälteverteilung einer Wärmepumpe im Heizbetrieb im Winter (links) und im Kühlbetrieb im Sommer (rechts). (Grafik: Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e. V.)
Schematische Darstellung der Wärme- bzw- Kälteverteilung einer Wärmepumpe im Heizbetrieb im Winter (links) und im Kühlbetrieb im Sommer (rechts). (Grafik: Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e. V.)

So kann man aktiv mit einer Wärmepumpe kühlen

Ein aktives Kühlen mit einer Wärmepumpe ist sowohl mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe (siehe auch: Klima-Splitgerät) als auch mit einer Sole-Wasser-Wärmepumpe ("Erdwärmepumpe") möglich. Bei beiden Systemen wird durch eine aktive Umkehr des Wärmepumpenkreislaufes im Sommer die Wärmepumpe als Kühlaggregat genutzt. Während vorher z. B. bei einer Luftwärmepumpe die Wärme der Außenluft entzogen wurde, so wird nun die Wärme der Innenluft entzogen und nach draußen abgeführt. Dabei wird die über das Heizungssystem entzogene Wärme mit Hilfe des Kompressors aktiv auf die Wärmequelle übertragen.

In technischer Hinsicht bedarf es dabei des Einbaus eines 4-Wege-Ventils und eines zweiten Expansionsventils im Kältemittelkreislauf. Das 4-Wege-Ventil sorgt dabei sowohl für die automatische Umschaltung der Fließrichtung als auch für das unabhängig voneinander funktionierende Heizen und Kühlen wie z. B. die Brauchwasserbereitstellung im Sommer.

Grundsätzlich wird im Kühlbetrieb der ursprüngliche Verflüssiger nun zum Verdampfer, der die Raumwärme über das eigentliche Heizwärmeabgabesystem auf das Kältemittel überträgt. Das gasförmige Kältemittel wird dann über das 4-Wege-Ventil zum Verdichter geführt und von dort zum Wärmetauscher, der die den Räumen entzogene Wärme an das Erdreich abgibt. Beim aktiven Kühlen lassen sich so problemlos und aufgrund des effizienten Wärmepumpenprozesses mit wenig Stromaufwand angenehm kühle Innentemperaturen von 20°C erzeugen.

So funktioniert das passive Kühlen mit Wärmepumpe

Wenn im Sommer die Raumtemperaturen über denen des Erdreichs liegen, können Wärmepumpen auch zum "natural cooling" genutzt werden. Das Prinzip des passiven Kühlens ist ganz einfach: Der Wärmetauscher wird einfach dazu genutzt, die Wärme des Hauses in die Erdsonden abzuführen. Hierzu bedarf es lediglich eines weiteren Ventils, das die Wärmepumpe sozusagen umgeht. Einzig durch den Temperaturunterschied zwischen Innen und Außen und das gleichzeitige Betreiben des Sole- und des Heizwasserkreislaufes wird dann die Wärme des Raumes entzogen.

Das "natürliche" Kühlen kann technisch relativ einfach realisiert werden. Dazu sind lediglich

  • Wärmetauscher,
  • 3-Wege-Ventile und
  • Umwälzpumpe

erforderlich. Allerdings ist die passive Kühlung nicht mit der Leistungsfähigkeit von Klimaanlagen oder Kaltwassersätzen zu vergleichen. Dies ist der Wärmequellentemperatur und der Größe der Wärmequelle geschuldet, da zum Ende des Sommers das Erdreich erfahrungsgemäß mehr Wärme gespeichert hat und die Kühlleistung dann abnimmt.

Während des Kühlbetriebes ist die Brauchwasserbereitung weiterhin möglich, da die Ansteuerung aller notwendigen Umwälzpumpen und Umschaltventile sowie die Erfassung der notwendigen Temperaturen und die Taupunktüberwachung durch die Wärmepumpenregelung erfolgen.

Letztlich beruht das passive Kühlen nur auf einer Regelung, die die Primärpumpe einschaltet, ohne dass der Verdichter angetrieben wird. Das Wärmeträgermedium (Sole oder Wasser mit ca. 5 bis 10°C) wird dann zum Wärmetauscher transportiert. Gleichzeitig führen die Heizkreispumpen raumtemperiertes Heizungswasser zum Wärmetauscher. Der Wärmetauscher sorgt dann für einen Temperaturausgleich der Medien, sodass gekühltes Heizungswasser im Heizungsabgabesystem zirkuliert. Da lediglich ein geringer Stromverbrauch für die Umwälzpumpen zum Kältetausch mit dem Erdreich oder Grundwasser aufgewendet werden muss, ist das passive Kühlen eine besonders energiesparende Methode der Gebäudeklimatisierung.

Die passive Kühlfunktion der Wärmepumpe ist aufgrund der im Sommer vorherrschenden Außenlufttemperaturen nur Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen vorbehalten, obwohl das passive Kühlen theoretisch auch mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe nach dem gleich Prinzip möglich wäre. Aus technischer Sicht müsste dazu dann nicht der Solekeislauf umgewälzt, sondern der Ventilator der Luftwärmepumpe angetrieben werden.

Hier sehen Sie eine schematische Darstellung des Kühlbetriebes einer Erdwärmepumpe im Sommer (links) und des Heizbetriebs im Winter (rechts).
Mit einer Wärmepumpe lassen sich Wohnräume effizient, kostengünstig und umweltfreundlich passiv klimatisieren oder aktiv kühlen. Voraussetzung ist ein Fußboden- oder Wandflächenverteilsystem oder Gebläsekonvektoren. Ungeeignet wegen ihrer vergleichsweise geringen Fläche sind hingegen die klassischen Heizkörper. (Grafik: Initiative WÄRME+)

Experten-Tipp: Beim aktiven als auch beim passiven Kühlen mit einer Wärmepumpe wird bei Erdwärmeheizungen dem Boden Wärme zugeführt. Dies führt primär zu einer schnelleren Regeneration des die Erdsonden oder den Flächenkollektor umgebenden Erdreichs. Je nach Bodenbeschaffenheit und insbesondere Grundwasserströmungen können sich Wärmeblasen bilden, die bis in den Herbst und Winter hinein für ein höheres Temperaturniveau sorgen, sodass man zu Beginn der Heizperiode "mehr Erdwärme" zum Heizen zur Verfügung hat und die Erdwärmepumpe somit noch effizienter Heizwärme erzeugen kann.

Geeignete Kühlflächen und Taupunktüberwachung

Herkömmliche Klimaanlagen geben gekühlte Luft über einen oder mehrere Kanäle bzw. Innengeräte wie Wand-, Kassetten-, Kanalgeräte oder Mini-Standtruhen an den zu kühlenden Raum ab. Reversible Wärmepumpen und passiv kühlende Wärmepumpen sind dagegen an ein Warmwasser-Heizsystem gebunden, welches an kalten Tagen die Wärme über Heizflächen an die Räume abgibt. Zur Raumkühlung können

  • Fußbodenheizungen,
  • Kühldecken,
  • Gebläsekonvektoren und
  • aktivierte Bauteile (Betonkerntemperierung)

genutzt werden.

Die klassischen Heizkörper sind für die Raumkühlung nicht geeignet, da der vergleichsweise geringe Temperaturunterschied zwischen dem Heizungswasser und der Raumtemperatur sowie die relativ kleine Fläche der Heizkörper nur eine beschränkte Wärmeübertragung zulassen und daher eine Kondenswasserbildung möglich wird. Aus diesem Grund ist das aktive oder passive Kühlen mit Wärmepumpe auch eher im Neubau zu anzutreffen, da viele Altbauten gar nicht oder nur teilweise über eine zur Kühlung fähige Fußbodenheizung verfügen.

Unabhängig von der Art der Erzeugung und Abgabe der Kühlung ist in jedem Falle eine Taupunktüberwachung durch die Wärmepumpenregelung notwendig. Wird z. B. eine Fußbodenheizung zur Kühlung genutzt, so darf die Oberflächentemperatur im Kühlbetrieb nicht unter 20°C fallen. Eine Taupunktüberwachung gewährleistet, dass die Vorlauftemperatur des Heizsystems im Kühlbetrieb so hoch ist, dass der zulässige Taupunkt nicht unterschritten wird. Ansonsten bestünde die Gefahr, dass die Feuchtigkeit der Raumluft auf dem Fußboden kondensiert.

Das passive Kühlen dauert allerdings etwas länger als das aktive Kühlen, da die Fußbodenheizung sehr träge reagiert. Daher ist im Sommer auch nur eine sehr langsame Klimatisierung zu spüren, sodass sich empfiehlt, die Kühlregelung der Wärmepumpe entsprechend vorausschauend einzuplanen.

Die Fußbodenheizung in Trockenbauweise PYD-ALU FLOOR Trocken kann im Sommer in Kombination mit einer Wärmepumpe zur "stillen" Kühlung mit einer Kühlleistung von bis zu 55 W/m² eingesetzt werden, ohne den Taupunkt an der Fußbodenoberfläche zu unterschreiten. (Grafik: PYD-Thermosysteme)
Die Fußbodenheizung in Trockenbauweise PYD-ALU FLOOR Trocken kann im Sommer in Kombination mit einer Wärmepumpe zur "stillen" Kühlung mit einer Kühlleistung von bis zu 55 W/m² eingesetzt werden, ohne den Taupunkt an der Fußbodenoberfläche zu unterschreiten. (Grafik: PYD-Thermosysteme)

Wie gehe ich ein solches Wärmepumpen-Kühlprojekt an?

Nutzen Sie bereits eine Wärmepumpe, so sollten Sie prüfen, ob diese reversibel ist. Ist dies nicht der Fall, so können Sie die Möglichkeit eines passiven Kühlens prüfen. In beiden Fällen kann Sie hierzu ein versierter Wärmepumpen-Fachbetrieb beraten. Haben Sie keine Wärmepumpe und planen deren Anschaffung, so sollten Sie bei der Angebotserstellung darauf achten, dass im Falle einer passiven Kühlung ein Drei-Wege-Ventil mit angeboten wird oder bei Interesse an einer aktiven Kühlung die Luft- bzw. Erdwärmepumpe "reversibel" ist.

Wenn Sie eine Wärmepumpe installieren möchten und sich für ein Kühlen mit der Wärmepumpe interessieren, dann können Sie ganz einfach und deutschlandweit mehrere Vergleichsangebote für Wärmepumpen von unseren Energie-Experten anfordern.

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"Aktives und passives Kühlen mit Wärmepumpe" wurde am 28.06.2018 das letzte Mal aktualisiert.