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Kühlen mit Wärmepumpen
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Prinzip einer Wärmepumpenkühlung
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 eine Wärmepumpe auch zum Kühlen nutzen 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 eine aktive oder passive Kühlung ein.
Aktive Kühlung
Durch eine aktive Umkehr des Wärmepumpenkreislaufes kann im Sommer die Wärmepumpe als Kühlaggregat genutzt werden. Dabei wird die dem Heizsystem entzogene Wärme mit Hilfe des Kompressors aktiv auf die Wärmequelle übertragen. Da der Kreisprozess der Wärmepumpe je nach Bedarf gewechselt werden kann, spricht man hierbei auch von reversiblen Wärmepumpen. 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.
Passive Kühlung
Wenn im Sommer die Raumtemperaturen über denen des Erdreichs liegen, können Wärmepumpen auch zum „natural cooling“ genutzt werden. Diese Funktion ist aufgrund der im Sommer vorherrschenden Außenlufttemperaturen nur Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen vorbehalten. Die „natural cooling“-Funktion 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.
Letztlich beruht das „natural cooling“ 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 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. 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. Damit ist eine passive Kühlung eine besonders energiesparende Methode der Gebäudekühlung. Lediglich ein geringer Stromverbrauch für die Umwälzpumpen muss zur Nutzung des Erdreichs oder Grundwassers aufgewendet werden.
Kühlung der Räume
Herkömmliche Klimaanlagen geben gekühlte Luft über einen oder mehrere Kanäle 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. 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 die aktive oder passive Kühlung per 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.
Hier finden Sie weitere Informationen zu Wärmepumpen im Neubau
>> Fußbodenheizung und Wärmepumpen
>> Kontrollierte Lüftung und Wärmepumpen
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