Ein Niedertemperaturheizsystem ist dann notwendig, wenn die Wärmepumpe den Wärmebedarf ohne zusätzliche Wärmeerzeuger decken soll.

Dieses Heizsystem lässt sich gut z. B. als Fußboden- oder Wandheizung konzipieren und wird besonders in Neubauten eingesetzt.

Die maximale und sinnvolle Vorlauftemperatur bei Fußbodenheizungen beträgt 35°C bei einer Wärmepumpenheizung.

Fußbodenheizungen sind neben der überwiegenden Wärmeabgabe durch Strahlung auch vorteilhaft, weil der Fußboden bei entsprechenden Aufbau Wärme speichert und sich somit evtl. günstige Stromtarife ohne zusätzlichen Puffer nutzen lassen.

Selbstregeleffekt

Die geringen Temperaturunterschiede zwischen Fußboden und Raumluft bewirken einen Selbstregeleffekt:

Eine leichte Erhöhung der Raumtemperatur hat eine niedrigere Wärmeabgabe des Fußbodens zur Folge.

Erdgekoppelte WP

Da Grundwasser und Erdreich* in größeren Tiefen im Sommer kälter ist als die Umgebungstemperatur, kann mit einer Sole oder Wasser/Wasser-WP über Wand-, Decken- oder Fußbodenheizung eine Raumkühlung erzielt werden.

*) Erdreich bei > 8 m Tiefe ca. 9 bis 10°C

Die Raumtemperatur kann je nach Raumluftfeuchte um 2 bis 3°C abgesenkt werden.

(Randbedingungen: bei FBH mit 22°C FB-Temperatur und 27°C Raumtemperatur kann eine Kühlleistung von ca. 25 W/m² übertragen werden)

Der Verdichter ist dabei nicht in Betrieb (-> passive Kühlung)

Einsatz

Wohnungsbau, in Verbindung mit der FBH als Kühlfläche.

Die Kälteleistung ist dabei aufgrund der Auslegung auf den Heizfall nicht definiert.

Funktion > Schema

In dem Grundwasser- oder Solekreislauf wird ein zusätzlicher Platten-WT eingebaut.

Die Mindestkühltemperatur (Taupunkttemperatur) wird über einen 3-W-Mischer geregelt und die Umwälzpumpe über einen Raumtemperaturfühler ein- und ausgeschaltet.

Den Räumen wird über die Heiz-/Kühlflächen die Wärme entzogen  und über den zusätzlichen Platten-WT auf den Solekreislauf übertragen.

Die Sole gibt die Wärme danach über die Erdsonde an das Erdreich ab.

Die Temperatur der Sole, die aus dem Erdreich wieder in die WP eintritt, liegt dann bei ca. 15°C.

Damit lassen sich KW-Temperaturen von ca. ab 17°C erreichen, mit denen das Wasser des Heiz-/Kühlkreises dann den Raumkühlflächen zugeführt wird.

Taupunkt-Temperaturüberwachung

Um Schwitzwasserbildung (Taupunktunterschreitung) an den Wänden zu vermeiden, ist die Pumpe über einen Taupunktschalter zu führen (Raumregler zur Erfassung der Raumlufttemperatur und -feuchte).

Vorteile:

- einfacher Aufbau

- zusätzliche Regeneration des Erdreiches

- geringste Betriebskosten

Nachteile:

- keine definierte Kälteleistung

- eingeschränkte Kühlleistung (bei Tiefensonden)

   Kühlleistung hängt von Wärmequellengröße und -Temperatur sowie

   Saisonschwankungen ab.

- keine Entfeuchtung der Raumluft

- relative Raumluftfeuchte als Freigabe zur Kühlung (Taupunkt)

  -> geringeres Kühlpotenzial an schwülwarmen Tagen

- alle Rohre etc. aus korrosionsbeständigen Material

- dampfdiffusionsdichtes Isoliermaterial

Raumkühlflächen

- Fußbodenheizungs-/kühlungssysteme

- Wandflächenheizungs-/kühlungssysteme

Richtwerte für Kühlleistungen

- aus Tiefensonde ca. 30 W/m

  (ca. 30 bis 35% der Heizleistung der WP; 600 bis 800 h/a nutzbar)

- bei Wandheizungen, Kühldecken 

  ca. 25 bis 50 W/m²   (minimale VL-Temperatur ca. 15 bis 20 °C)

- bei Fußbodenheizung

  ca. 25 W/m² (minimale VL-Temperatur ca. 18 °C)

Mit Luft-WP ist eine passive Kühlung nicht möglich, nur aktive.

Bei reversiblen Sole/Wasser-, Wasser/Wasser- und Luft-WP ist eine aktive Raumkühlung durch Prozessumkehr (reversible Funktionsweise/Vertausch von Wärmequelle und Wärmesenke) möglich.

Die reversible WP hat zusätzlich ein 4-Wege-Ventil und ein zweites Expansionsventil im Kältemittelkreislauf.

Die Fließrichtung des Kältemittels ist automatisch über das 4-Wege-Ventil steuerbar, so dass der Verdichter die Förderrichtung beibehalten kann.

Beim Kühlprozess wird also der ursprüngliche Verflüssiger zum Verdampfer, der die Raumwärme auf das Kältemittel überträgt.

Von hier an erfolgt der umgekehrt übliche Weg, die Wärme wird über das Ventil zum Verdichter, von dort aus zum Wärmetauscher in die Außenwelt befördert.

Damit in größeren Anlagen bei der aktiven Kühlung nicht das komplette System mit einem Wasser-Glykol-Gemisch gefüllt werden muss, können zusätzliche Platten-WT als Systemtrennung eingesetzt werden.

Einsatz

Büro- und Gewerbebauten, Industrieanlagen.

Hier können auch Gebläsekonvektoren eingesetzt werden, deren minimale VL-Temperatur bei ca. 7 bis 13°C liegt und eine Entfeuchtung der Raumluft zulassen.

Funktion

Durch ein 4-W-Umschaltventil und ein zweites Expansionsventil im Kältekreislauf kann die Wärmepumpe im Sommer als Kühlmaschine betrieben werden.

Dazu wird ein Kältespeicher benötigt.

Die Mindestkühltemperatur (Taupunkttemperatur) wird über einen 3-W-Mischer geregelt und die Umwälzpumpe über einen Raumtemperaturfühler ein- und ausgeschaltet.

Bei reversiblen Kompressions-Wärmepumpen ist die Leistung der Heizung immer etwas größer als die Kühlleistung.

(da die Energie, die als Verdichterantrieb dient, gleichzeitig auch in Wärme verwandelt und zum Heizen genutzt wird)

Beim Kühlen fällt diese Wärmeenergie natürlich auch an, so dass sich die Kühlbilanz gegenüber der eigentlich möglichen Kühlleistung verschlechtert.

Taupunkt-Temperaturüberwachung

Um Schwitzwasserbildung (Taupunktunterschreitung) an den Wänden zu vermeiden, ist die Pumpe über eine Taupunktschalter zu führen.

Vorteile:

- geringer Aufwand, da Wärmepumpe vorhanden

- größere Kühlleistung

- Entfeuchtung der Raumluft über Gebläsekonvektoren möglich

- zusätzliche Regeneration des Erdreiches

Nachteile:

- höhere Installations- und Kostenaufwand

- Stromkosten für den Betrieb des Kompressors

- Eine spezielle Wärmepumpenausführung ist erforderlich

- System komplett mit Sole gefüllt

Raumkühlflächen

- Fußbodenheizungs-/kühlungssysteme

- Wandflächenheizungs-/kühlungssysteme

- Gebläsekonvektoren

Kombination von indirekter und direkter Kühlung

Eine höhere Effizienz wird erreicht, in dem zunächst mit der energiesparenden indirekten/passiven Kühlung (ohne Verdichter) gekühlt wird. Sobald die Kühlleistung nicht mehr ausreicht, schaltet das System automatisch auf aktive/direkte Kühlung um (mit Verdichter).

Idealfall: Gleichzeitig Kühlen und Heizen

Die beim Kühlprozess abgeführte Wärme kann z. B. zur Schwimmbaderwärmung genutzt werden.

Die gleichzeitige Nutzung von Kälte und Wärme ist grundsätzlich die optimale Anwendung beim Einsatz von erdgekoppelten WP.

1. Fußbodenheizung/-kühlung (FBH)

Die FBH eignet sich wegen der großen Fläche gut auch zur Kühlung.

Die gekühlte Luft sammelt sich aber nur im FB-Bereich und steigt nicht auf. Durch die große Fläche lässt sich aber die Raumtemperatur ausreichend gut beeinflussen.

Verbesserung der Raumdurchflutung kann zusätzlich z. B. eine Anlage zur Wohnungslüftung erreichen.

Kühlleistung

Es kann pro Grad K eine  Kühlleistung von ca. 7 W/m² K übertragen werden.

z. B.: bei FB-Temperatur von 22°C und Raumtemperatur von 27°C

-> spezifische Kühlleistung q_K = 7 x (27 -22) = 35 W/m².

Auf Grund der relativ hohen FB-Temperatur ist die thermische Behaglichkeit gut (keine kalten Füße).

2. Wandflächenheizung/-kühlung

Diese eignet sich zur Kühlung etwas besser als die FBH, da der Strahlungsanteil bei der Wärmeübertragung höher ist.

(Anteil der Körperfläche, der mit der Kühlfläche im Strahlungsaustausch steht, ist größer).

3. Kühldecken

Optimal kann die Wärme über abgehängte Kühldecken etc. abgeführt werden.

Unter der Raumdecke sammelt sich die Warmluft und kühlt sich an der Fläche ab. Dadurch sinkt sie zu Boden und aufströmend Warmluft strömt nach (größere Luftmengen werden an der Kühlfläche vorbeigeführt).

Kühldecken ersetzen in d. R. aber nicht das Heizsystem. Sie werden zusätzlich eingebaut und über einen zusätzlichen Wärmetauscher (Systemtrennung) hydraulisch eingebunden.

4. Betonkerntemperierung

Wasserdurchflossene Rohre werden direkt in den Beton der Decken/Fußböden integriert.

Die Räume können damit energetisch sehr effektiv sowohl beheizt als auch gekühlt werden.

Die großen wärmeübertragenden Flächen mit gutem Wärmespeichervermögen ermöglichen es, bereits bei geringen Über- bzw. Untertemperaturen ausreichende Wärme- oder Kühlleistungen an den Raum abzugeben.

Besonderheiten bei Raumheiz-/kühlflächen

Bei den vorgenannten Kühlverfahren (Punkt 1-4) ist zu beachten, dass die Unterschreitung der Taupunkttemperatur der Raumluft vermieden werden muss, weil es sonst zur Kondensation von Wasser auf der Kühlfläche kommen könnte.

Zur Vermeidung von Kondensatbildung auf der Kühlfläche wird in d. R. ein Raumtemperatur- und -feuchtefühler eingesetzt, der der an den WP-Regler angeschlossen ist.

So kann vom Regler die minimal zulässige KW-Temperatur berechnet werden.

Eine Entfeuchtung der Raumluft ist bei der Verwendung von Kühlflächen nicht möglich.

Unter bestimmten Bedingungen kann die Kühlleistung durch die Gefahr der Taupunktunterschreitung auch automatisch durch die Regelung begrenzt werden.

Quellen: SBZ 4/2008: FEE HEIZUNGSJOURNAL SPEZIAL 3/2008, Dr. Schiefelbein, Stiebel Eltron

Gebläsekonvektoren

Durch einen z. B. mit Kaltwasser durchströmten Konvektor mit Ventilator (mit Volumenstromregelung) können sehr wirksam auch größere Luftmengen an Wärmetauscherflächen vorbeigeführt werden.

Somit wird eine effektive (variabel und feinfühlig) Raumkühlung in kurzer Zeit ermöglicht.

Zu beachten ist, dass die Konvektoren auf höhere Kaltwassertemperaturen und niedrigere Heizungswassertemperaturen ausgelegt werden als üblich.

Ansonsten ist die freie Sohle-Kühlung mit Gebläsekonvektoren unproblematisch.

Durch die vorhandene Kondensatabfuhr ist die Unterschreitung der Taupunkttemperatur der Luft kein Problem, so dass die KW-Temperatur nicht nach unten begrenzt werden muss.

Kühllast

Sind Anforderung an die Raumtemperatur Grundlage der Auslegung, ist die Kühllast nach VDI 2078 zu ermitteln.

Zur überschläglichen Ermittlung der Kühllast können Erfahrungswerte herangezogen werden:

- Privatwohnungen ca. 30 W/m²

- Büros                ca. 40 W/m²

- Verkaufsräume    ca. 50 W/m²

- Glasanbauten    ca. 200 W/m²

Für die richtige Auslegung der Erdsonden sollte sowohl der Heiz- als auch der Kühlbedarf für das Gebäude berechnet werden.

Wärmequellen-Anlage (WQA)

1. Erdkollektor und Erdsonde

Der Erdkollektor ist nur bedingt zur Kühlung geeignet.

Da Erdsonden für den Heizfall ausgelegt werden, ist hier die Kühlleistung geringer (ca. 70 % der Heizleistung der WP).

Zur aktiven Kühlung eignet sich besonders gut die Erdsonde (Leistungszahl der WP höher als bei Luft als Wärmesenke).

Als Kühlleistung kann die Kälteleistung der WP in Ansatz gebracht werden.

Bei der aktiven und passiven Kühlung wird die WQ Erdreich generiert.

2. Grundwasser

Mit der WQ Grundwasser kann sowohl aktiv als auch passiv gekühlt werden.

Das in das Erdreich zurück geleitete Grundwasser darf aber nicht wärmer als 20°C sein.

3. Außenluft

Die WQ Außenluft kann als Wärmesenke nur durch eine reversible (Prozessumkehr) Luft/Wasser- oder Luft/Luft-WP zur aktiven Kühlung genutzt werden.

Quellen: IKZ FACHPLANER 12/2008: M. Burkhard, Tecalor

1. Flächenheizungssysteme, Kühldecken

eignen sich auch für die passive Kühlung.

Die VL-Temperatur von 15 bis 18°C begrenzt jedoch die mögliche Kühlleistung.

2. Gebläsekonvektoren, Decken- Kassettengeräte

Bei der aktiven Kühlung sollten Gebläsekonvektoren oder Decken- Kassettengeräte (größere Kühlleistung möglich) installiert werden.

Nach DIN 1946 muss die Kühlleistung zwischen 30 und 60 W/m² betragen.

Die Kühltauglichkeit der verwendeten Geräte ist sicherzustellen, da Sole mit geringerer spezifischer Wärme zirkuliert.

Taupunkttemperatur

Wird aktiv oder passiv gekühlt, lässt sich in Abhängigkeit der Lufttemperatur und -feuchtigkeit der Taupunkt bestimmen.

Beispiel:

Lufttemperatur 22°C, relative Luftfeuchte 80%

-> Taupunkttemperatur 18,4°C.

Wird unterhalb dieser Sättigungstemperatur gekühlt, fällt Kondensat an den Wärmeübertragungsflächen aus.

Quellen: IKZ FACHPLANER 12/2008: M. Burkhard, Tecalor

Passive und aktive Kühlung mit Erdwärmesonden

Die Erdwärmesonden werden nach der Heizleistung der WP ausgelegt. Sind höhere Kühlleistungen erforderlich, muss die Anzahl der Sonden bzw. die Sondenlänge erhöht werden.

Das Kühlmodul schaltet bedarfsabhängig zwischen Heizen, passiver oder aktiver Kühlung um.

Der Wechsel von passiver auf aktive Kühlung erfolgt in zwei Stufen. Zuerst wird die Quellenpumpe eingeschaltet.

Reicht die zur Verfügung gestellte Kühlleistung nicht mehr aus, wird in der zweiten Stufe der Verdichter des Kältekreises zugeschaltet*.

*) wenn nach 30 min. Kühlung in Stufe 1 die VL-Temperatur > Solltemperatur ist

Beispiel

Annahmen:

erforderliche Heizlast 12 kW, erforderliche Kühllast ca. 9 kW

-> gewählte Sole/Wasser-WP:

    13,4 kW Heizleistung (0/35°C) und 10,3 kW Kälteleistung

-> erforderliche Erdsonde (32 x 2,9 mm, Entzugsleistung 55 W/m):

    3 Stück mit je 75 m Tiefe:

    Heizleistung 3 x 75 m x 55 W/m = 12,38 kW, Kühlleistung 9,6 kW

    (bei 2 Sonden würde die Kühlleistung nur 7,2 kW betragen)

Quellen: IKZ FACHPLANER 12/2008: M. Burkhard, Tecalor

Betriebsarten mit passiver und aktiver Kühlung

Mit einer Hydraulikumschaltung sind 4 Betriebsarten möglich:

1. Heizen

2. passive Kühlung

3. aktive Kühlung

4. aktive Kühlung und Heizung (Trinkwassererwärmung)

Die Regelung erfolgt über einen WP-Manager. Aktiv gekühlt wird optimal mit Gebläsekonvektoren oder Deckenkassetten.

Dabei werden die Ventile so geschaltet, dass der aus dem Gebläsekonvektor kommende Kühlwasser-Volumenstrom durch den Verdampfer geführt wird, um dem Kühlmedium die aufgenommene Wärme wieder zu entziehen.

Möglich sind zwei Stufen der Kühlung:

Befindet sich das Gerät im Kühlmodus Stufe 1 (Quellenpumpe an, Verdichter aus) wird der Ausgang Kühlen bei der WW-Anforderung weggeschaltet und die WW-Bereitung aktiviert.

Sind Quellenpumpe und Verdichter parallel in Betrieb, kann gleichzeitig gekühlt und WW (Trinkwarmwasser) bereitet werden.

Dabei dient der Kühlkreis (FBH) direkt als Wärmequelle für die WW-Bereitung.

Zusätzlich kann aus der Erdsonde Wärme bezogen werden, wenn die Raumkühlung die gewünschte VL- und Raumsolltemperatur erreicht hat.

Quellen: IKZ FACHPLANER 12/2008: M. Burkhard, Tecalor

Hydraulikumschaltung

Vorteile

- passive und aktive Kühlung möglich

- gleichzeitig Kühlen und Trinkwassererwärmung möglich

- minimal bessere Effizienz im Kältekreis

- Standard-WP kann genutzt werden, auch nachträglicher Einbau

  (Dämmung bestehender Rohre beachten)

Nachteile

- 4 Umschaltventile erforderlich

- höhere Druckverluste im Heizkreis

- deutlich mehr Investaufwand und Platzbedarf

Reversible WP

Vorteile

- geringere Druckverluste im Heizkreis

- geringere Investkosten

- Entfeuchtung bei Einsatz von Gebläsekonvektoren möglich

Nachteile

- nur aktive Kühlung möglich

- gleichzeitig Kühlen und Trinkwassererwärmung nicht möglich

Quellen: IKZ FACHPLANER 12/2008: M. Burkhard, Tecalor

Annahmen für die Berechnung

- marktübliche Kosten für Geräte und Installation

- Heizungs-WP und Erdsonde schon vorhanden

- Strompreis für aktive Kühlung 11 ct/kWh

- Strompreis für für passive Kühlung (Raumklimageräte/VRF-System)

  15 ct/kWh

- Annuität 12,95% bei 10 Jahren Nutzungsdauer und Kalkulationszins

  von 5%

Schlussfolgerung (s. Tabelle)

Bzgl. der Energie- und Jahreskühlkosten und den unterschiedlichen Kühllasten empfiehlt sich in EFH die passive Kühlung.

Für kleinere Gewerbetriebe ist die aktive Kühlung mit WP zu favorisieren.

In Bürogebäuden ist in d. R. passive und aktive Kühlung möglich.

Eine Kühlung von Lebensmitteln ist mit dieser Technologie bzgl. Sperrzeiten der EVU, Temperatur-Einsatzgrenzen und Regelung nicht möglich.

1) jährliche Betriebsstunden = Vollbenutzungsstunden (h/a)

2) JAZ = Jahresarbeitszahl (Arbeitszahlen im Kühlbetrieb)

3) VRF = Variable Refrigant Flow

Quellen: IKZ FACHPLANER 12/2008: M. Burkhard, Tecalor

Für wesentlich mehr Informationen stehen wir Ihnen mit einer persönlichen Fachberatung jederzeit gerne zur Verfügung.

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