Reversible Wärmepumpe: Funktion, Technik & Kosten

• Funktion einer reversiblen Wärmepumpe: Reversible Wärmepumpen können sowohl heizen als auch kühlen, indem sie die Fließrichtung des Kältemittels umkehren (siehe Schema). Dabei werden Wärmequelle und -senke vertauscht: Im Kühlbetrieb wird dem Haus Wärme entzogen und nach außen abgeführt – vergleichbar mit einem Kühlschrank. Technisch erfolgt dies über ein Vierwegeventil und gegebenenfalls ein zweites Expansionsventil.
• Heizen und Kühlen in einem System: Reversible Wärmepumpen bieten den Vorteil, dass nur ein einziges System für beide Funktionen installiert werden muss. Dies spart Investitionskosten und erhöht den Wohnkomfort, da keine separate Klimaanlage erforderlich ist. Die Nutzung der abgeführten Wärme zur Warmwasserbereitung steigert zusätzlich die Effizienz.
• Unterschied zu passivem Kühlen (Natural Cooling): Im passiven Kühlbetrieb wird keine mechanische Energie (z. B. vom Verdichter) benötigt. Stattdessen nutzt man die natürliche Kühle des Erdreichs oder Grundwassers, um die Raumwärme über Wärmetauscher abzuführen. Dies ist besonders energiesparend, bringt aber nur eine moderate Temperatursenkung von etwa drei Grad Celsius.
• Anforderungen an die Kühltechnik im Gebäude: Zum Kühlen eignen sich primär Flächenheizsysteme (z. B. Fußboden- oder Wandheizungen) oder Gebläsekonvektoren. Normale Heizkörper sind ungeeignet, da sie zur Schwitzwasserbildung neigen. Die Vorlauftemperatur sollte nicht unter 18–20 °C liegen, um Kondensation zu vermeiden. Sensorik zur Taupunktüberwachung ist essenziell für sicheren Kühlbetrieb.
• Preise und Mehrkosten reversibler Systeme: Reversible Wärmepumpen benötigen zusätzliche Komponenten wie Vierwegeventile, doppelte Wärmetauscher und erweiterte Steuerungstechnik mit Sensoren. Diese führen zu einem Preisaufschlag von etwa 1.000 € bis 3.000 € je nach Leistung und Komfortmerkmalen. Der Installationsaufwand ist ebenfalls höher.
• Nachrüstung bestehender Wärmepumpen: Nicht-reversible Wärmepumpen lassen sich nachrüsten – etwa durch eine „active cooling“-Box wie von Viessmann. Diese übernimmt die Funktion der Umschaltung und erlaubt sowohl natürliche als auch aktive Kühlung. Im Betrieb wird zuerst energiesparend passiv gekühlt; bei unzureichender Leistung erfolgt die Umschaltung auf aktive Kühlung mit Verdichterbetrieb.

Besonders in modernen Gebäuden rückt die Kühlung zunehmend in den Fokus der Haustechnik. Daher werden neben Wärmepumpen zum Heizen immer öfter auch Klimaanlagen installiert, um im Sommer zu kühlen.

Eine sogenannte „reversible“ Wärmepumpe kann hingegen beides - heizen und kühlen. Zur Kälteerzeugung wird sie dann einfach umgeschaltet oder extern die Primär- und Sekundäranschlüsse umgeschaltet.

Mit dem Umschalten der Fließrichtung des Kältemittels wird dem Haus Wärme entnommen anstatt Wärme in das Heizungssystem des Hauses abzugeben.

Wärmesenke und Wärmequelle werden vertauscht und die Wärmepumpe wird zur Klimaanlage. Das Haus funktioniert dann quasi wie das Innere des Kühlschranks, bei dem die Wärme dann nach außen - auf der Rückseite des Kühlschranks - abgegeben wird.

Diese Erkenntnisse gehen bereits auf Nicolas Léonard Sadi Carnot zurück, der bei der thermodynamischen Betrachtung von Dampfmaschinen feststellte, dass alle Abläufe bei der Umwandlung von Wärme zu Kraft im Prinzip umkehrbar („reversibel“) sind.

Grundsätzlich gilt: Mit dem richtigen Arbeitsmittel und unter Einsatz von Kraft lässt sich einem Medium nicht nur Wärmeenergie hinzufügen, sondern auch entziehen, und zwar unabhängig von der Umgebungstemperatur.

Hausbesitzer müssen mit einer reversiblen Wärmepumpe nur ein System zum Heizen und Kühlen installieren und profitieren von der Wärmepumpe mit Klimaanlage von geringeren Anschaffungskosten und einem deutlich höheren Wohnkomfort.

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Die Technik im Inneren der Wärmepumpe läuft immer gleich ab: Ein Kältemittel nimmt Wärme auf. Es verdampft und wird anschließend von einem Kompressor komprimiert.

Mit dem Druck steigt die Temperatur, wodurch sich die mitgeführte Wärme auf das Heizsystem übertragen lässt. Das Kältemittel kühlt sich dabei ab. Es strömt über ein Entspannungsventil und nimmt seinen Ausgangszustand wieder ein, sodass der Vorgang von vorn beginnen kann.

Prinzipiell würde es deshalb genügen, die Förderrichtung des Verdichters einer reversiblen Wärmepumpen sowie das Expansionsventil umzudrehen, um mit ein und demselben Gerät sowohl Heizen als auch Kühlen zu können.

Bei einer reversiblen Wärmepumpe lässt sich die Fließrichtung des Kältemittels mit einem Vierwegeventil und einem zusätzlichen Entspannungsventil umkehren. Die Änderung der Fließrichtung erfolgt dann über das Vier-Wege-Ventil.

Das Kältemittel nimmt dann Wärme vom Heizsystem auf, um diese an ein anderes System abzugeben. Der Verdichter behält dann unabhängig von der jeweiligen Funktion (Heizen oder Kühlen) immer seine ursprüngliche Förderrichtung bei.

Nachfolgende Grafik verdeutlicht das Schema einer reversiblen Wärmepumpe:

Die sogenannte aktive Kühlung lässt sich sowohl mit einer

• Sole/Wasser-,
• Wasser/Wasser- als auch mit einer
• Luft/Wasser-Wärmepumpe und einer
• Luft/Luft-Wärmepumpe (siehe: Split-Klimaanlage) realisieren.

Anstelle die den Räumen entzogene Wärme - wie typischerweise bei einer reversiblen Luftwärmepumpe - ungenutzt an die Umwelt abzugeben, kann diese entweder zurück zur Wärmequelle geführt oder zur Trinkwassererwärmung genutzt werden. Auf diese Weise werden Heiz- und Kühlfunktion einer Wärmepumpe äußerst effektiv miteinander verbunden.

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Bei der passiven Kühlung ist die Wärmepumpe ausgeschaltet (passiv) und nur die Umwälzpumpen sorgen für eine Übertragung der Wärme des Hauses. Da die Außenluft im Sommer nie ausreichend kalt ist, kommen zur passiven Kühlung nur Erdwärmetauscher und Brunnen in Betracht:

• Bei der Sole-Wasser-Wärmepumpe entzieht die Soleflüssigkeit die Wärme über einen Wärmetauscher aus dem Heizkreis und führt sie nach außen ab. Die natürliche Umgebungstemperatur des Erdreichs (~ 10°C) wird dann zum Abkühlen der Sole genutzt.
• Bei der Wasser-Wasser-Wärmepumpe übernimmt das Grundwasser mit ~ 12°C diese Aufgabe, das an den Wärmetauscher der Wärmepumpe herangeführt wird und das so erwärmte Wasser des sekundären Kreislaufs dann in den Schluckbrunnen abgeleitet wird.

Da die Wärmepumpe bis auf Regelung und Umwälzpumpe ausgeschaltet ist, bezieht der Verdichter folglich keinen Strom. Damit ist das „natural cooling“ bzw. das passive Kühlen eine besonders energiesparende und kostengünstige Methode der Gebäudekühlung.

Ein weiterer Vorteil bei Erdwärmeheizungen: Das natürliche Kühlen kann unter bestimmten hydrogeothermischen Voraussetzungen die Bodentemperatur im Sommer anheben und ein Wärmereservoir für den Winter erzeugen, was zu einer höheren JAZ der Wärmepumpe führen kann. Das Heizen und Kühlen mit der Erdwärmeheizung kann daher besonders effizient sein.

In technischer Hinsicht benötigen Wärmepumpenbesitzer lediglich eine hydraulische Weiche. Viessmann bietet dies als nachrüstbare Komplettlösung als sogenannte NC-Box („natural cooling“-Box) an. Es handelt sich dabei um eine komplett vormontierte Einheit, die alle erforderlichen Komponenten vereint.

Mithilfe der passiven Kühlung lässt sich die Raumtemperatur um etwa drei Grad Celsius absenken. Da die Wärmetauscherfläche und das "Delta T" begrenzt ist, kann eine reversibel arbeitende Wärmepumpe im Vergleich zur passiven Kühlung eine größere Kühlleistung aufbringen und „stärker“ kühlen.

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Als Kühlflächen eignen sich Flächenheizungen wie Fußboden- oder Wandheizungen oder Gebläsekonvektoren.

Unabhängig von der Technik sollte immer auch das Risiko der Schwitzwasserbildung berücksichtigt werden.

Damit es nicht zur Kondensation kommt, darf die Oberflächentemperatur nie unter einen Mindestwert absinken. Experten empfehlen daher grundsätzlich, eine Vorlauftemperatur von mindestens 18 bis 20 Grad Celsius einzustellen.

Bei einer Kühlung oberhalb dieses Taupunkts muss der Taupunkt überwacht werden. Eine Feuchtesensor bzw. Taupunktsensor überwacht die Lufttemperatur und die relative Luftfeuchte, sodass es die Vorlauftemperatur der reversiblen Wärmepumpe automatisch begrenzen kann. Die maximale Kühlleistung der Systeme liegt dadurch bei etwa 20 bis 30 Watt pro Quadratmeter.

Heizkörper eignen sich daher nicht zum Kühlen. Grund: Wegen des vergleichsweise geringen Temperaturunterschieds zwischen Heizungswasser und Raumtemperatur im Sommer sowie aufgrund der relativ kleinen Fläche der Heizkörper findet nur eine beschränkte Kälteübertragung durch Konvektion und Strahlung statt.

Wird die Vorlauftemperatur weiter abgesenkt, kann die Luftfeuchtigkeit am kalten Heizkörper kondensieren. Um dies wiederum zu verhindern, kann der Kühleffekt bei gleicher Vorlauftemperatur durch auch nachrüstbare Heizkörper-Gebläse verstärkt werden.

Zudem kann mit den meisten Standard-Pufferspeichern nur oberhalb des Taupunkts gekühlt werden, da die Isolierung des Pufferspeichers in der Regel nicht für Vorlauftemperaturen unter 20°C geeignet ist. Ein Kühlbetrieb unterhalb des Taupunkts ist nur mit einem speziellen Pufferspeicher möglich.

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Reversible Luft/Wasser-Wärmepumpen sind häufig etwas teurer in der Anschaffung und insbesondere Installation. Die Preisunterschiede nehmen jedoch ab, da immer mehr Hersteller standardmäßig reversible Technik einbauen.

Der Preisaufschlag für reversible Wärmepumpen für Einfamilienhäuser mit Heizleistungen zwischen 5 und 10 kW liegt typischerweise bei +1.000 € bis +3.000 €, abhängig von Marke, Leistung, Kühlleistung und Komfortmerkmalen.

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Wärmepumpen, die nicht reversibel sind – also über kein Vier-Wege-Ventil und zweites Expansionsventil verfügen, können jedoch nachgerüstet werden. Dies ist für versierte Heizungsbauer in wenigen Stunden umsetzbar.

Einige Hersteller bieten hierzu vorkonfektionierte Pakete an: Eine Lösung von Viessmann war die „active cooling“-Box (AC-Box) (heute nicht mehr im Angebot), die als zusätzliche Baugruppe neben der Wärmepumpe aufgestellt werden konnte und alle erforderlichen Komponenten beinhaltete.

Im Kühlbetrieb drehte die interne Umschaltung der AC-Box die Funktionalität der Aus- und Eingänge um - die Kombination aus Wärmepumpe und AC-Box arbeitete dann wie ein Kühlschrank.

Besonders energieeffiziente AC-Boxen vereinen sowohl das energiesparende „natural cooling“ als auch eine aktive Kühlung mittels Wärmepumpen-Verdichter in einem System. Dazu wird zunächst nur mit der „natural cooling“-Funktion gekühlt und die Raumwärme über den Heizkreis ins kältere Erdreich oder Grundwasser abgeleitet.

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 und ein entsprechender Stromverbrauch für den Kompressor resultiert.

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