„Kältewende mit der Wärmepumpe“

Jeder kennt es, wenn sich der Sommer von seiner besten Seite zeigt, steigen auch die Temperaturen in den Wohnräumen ins Unangenehme. Vor allem, wenn es nachts zu heiß für einen erholsamen Schlaf wird, kann die sommerliche Hitze zur Belastung werden. Doch bekanntermaßen sind Klimaanlagen hierzulande rar gesät. In gerade einmal ein bis zwei Prozent der Wohngebäude findet man solche Geräte.
In einem typischen Einfamilienhaus mit vier Klimageräten lägen die Anschaffungskosten mit 6.000 bis 10.000 Euro zu hoch. Hinzu kommt der Stromverbrauch. Wer keine Photovoltaikanlage hat, muss dafür rund 500 Euro im Jahr berappen und sich den Vorwurf gefallen lassen, für den Komfort den Kohlendioxidausstoß zu erhöhen.

Das lässt das Interesse an einer anderen Lösung wachsen, die als Nebeneffekt der Wärmewende zu haben ist. Denn anstatt nur zu heizen, können Wärmepumpen den Heizkreislauf auch umkehren. Dann wird den Räumen über Heizkörper und Gebläsekonvektoren oder Flächenheizungen Wärme entzogen und diese dem Erdreich oder der Außenluft zugeführt. Der Energiebedarf, der dafür notwendig wäre, liegt deutlich unter dem einer Klimaanlage und Hausbesitzende sparen sich die recht hohen Anschaffungskosten. „Außerdem decken sich der Kühlenergiebedarf und das Angebot an dezentral erzeugtem Strom weitgehend“, sagt Henning Schulz, Leiter Unternehmenskommunikation beim Gebäudetechnikhersteller Stiebel Eltron. Wenn das nicht mal ein Plus der Energiewende ist: Ohne Aufpreis und schlechtes Gefühl weniger schwitzen.

Zwei Betriebsmodi

Bei Wärmepumpen lässt sich grundsätzlich zwischen einem „aktiven“ und einem „passiven“ Kühlmodus unterscheiden. Um Wärmeenergie aufzunehmen oder abzugeben, ist ein Temperaturunterschied zwischen dem Kühlmittel und der Wärme­quelle erforderlich. Bei einer Außenluft-Wärmepumpe ist die Umgebungsluft die Wärmequelle. Da die Umgebungsluft im Sommer wärmer ist als die für die Kühlung erforderliche Temperatur des Kühlvorlaufs, ist es erforderlich, mit dem Verdichter der Wärmepumpe das Kühlmittel zu komprimieren, wobei es sich erwärmt, um so den nötigen Temperaturunterschied zwischen Kühlmittel und Umgebungsluft herzustellen. So wie im Kühlschrank. Hierbei spricht man vom aktiven Kühlmodus.

Bei einer Erdreich-Wärmepumpe, bei der die Erdsonde eine Temperatur von acht bis zwölf Grad Celsius hat, ist der Temperaturunterschied groß genug, um das Wasser aus dem Rücklauf zu kühlen. Da hierfür lediglich die Umwälzpumpen laufen, spricht man von einem passiven Kühlmodus.
Der Bundesverband Wärmepumpe gibt an, dass die Energie­einsparung bei der Temperierung eines Bürogebäudes mit aktivem Kühlmodus einer Wärmepumpe verglichen mit einer Raumklimaanlage bei etwa 20 Prozent liege. Im passiven Kühlmodus betrage die Energieeinsparung sogar 80 Prozent, so der Verband.

Auch passiv ausreichend

Um an die günstige Kühlung zu kommen, muss auch nicht viel geschehen, denn die meisten Wärmepumpen können auch kühlen. Jedoch: Aus geologischen Gründen sollten im Falle der Erdreich-Wärmepumpe diejenigen, die die Erdbohrung durchführen, über die Kältepläne und den Wärmeabführbedarf Bescheid wissen. Die Energie, die bei der passiven Kühlung im Sommer ins Erdreich abgegeben werden kann, beträgt bis zu 70 Prozent der Wärmeentzugsleistung der Erdsonde im Winter.

Ein Beispiel: Eine Erdsonden-Wärmequelle mit einer Wärme­leistung von 55 Watt pro Meter wird erschlossen. Für eine Anlage mit 7,7-Kilowatt-Wärmebedarf müssen somit 140 Meter Sonde verlegt werden. Die Kälteleistung beträgt dann 35 Watt pro Meter und somit 4,2 Kilowatt. Man würde sich als Kälteleistung vielleicht mehr wünschen. Doch eine Skalierung der Erdsonde gemäß dem Kältebedarf schließt Stiebel Eltron aus, denn so würde die Anlage zu unwirtschaftlich.

Das ist aber auch nicht weiter schlimm. Denn es gibt eine weitere Beschränkung der Wärmepumpenkühlung, die man akzeptieren muss. Werden die Flächen der Fußbodenheizung oder der Wandheizung zu stark heruntergekühlt, bildet sich Tauwasser auf den Flächen, was dann die Baustruktur beschädigen kann. Daher sollten in einem Führungsraum Taupunktsensoren installiert werden, sagt Schulz. Die meisten Raum­sensoren würden diese Funktion aber erfüllen können. So kann die Vorlauftemperatur des Kühlkreislaufes gerade so niedrig unter der zu kühlenden Raumluft gehalten werden, dass kein Tauwasser ausfällt. Die 4,2 Kilowatt Kühlleistung aus dem Beispiel sollten dann ausreichen.

Da die Vorlauftemperaturen durch die Taupunktregelung nach unten limitiert sind, eignen sich Flächenheizungen am besten zum Kühlen. Denn je kleiner der Temperatur­unterschied zwischen Kühlkörper und Raumluft, desto größer sollte die Kühlfläche sein, um eine hinreichend hohe Kühl­leistung zu erreichen. Die Kühlleistung einer Deckenheizung kann bis zu 150 Watt pro Quadratmeter betragen, bei einer Wandheizung sind es bis zu 60 Watt pro Quadratmeter und bei einer Fußbodenheizung liegt sie bei 35 Watt auf der gleichen Fläche.

Auch mit Radiatoren möglich

Doch viele Menschen, die in ihren Bestandshäusern Brennwertheizungen gegen eine Wärmepumpe austauschen, behalten dabei ihre Heizkörper, schätzt Schulz. Ob die Kühlung über die Heizkörper auch für ein behaglicheres Raumklima genügen könnte, überprüften Forschende am Fraunhofer-Institut für Bauphysik in Stuttgart.

Wenn die Temperatur in einem Wohnraum den oberen Behaglichkeitsbereich von 26 Grad Celsius verlässt, wird von einer Übertemperaturgradstunde gesprochen. Innerhalb von Wohngebäuden sollten 1200 solcher Stunden pro Jahr nicht überschritten werden, bei Bürogebäuden dürfen es nicht mehr als 500 Stunden pro Jahr sein.

Um zu überprüfen, ob gekühlte Radiatoren einem Raum genügend Wärmeenergie entziehen können, um die Übertemperaturgradstunden zu minimieren, statteten die Forschenden einen Raum mit über 170 Thermoelementen und Sensoren aus. Der Raum selbst befindet sich in einer Klimakammer, mit der sich alle möglichen klimatischen Bedingungen von –15 Grad Celsius bis +55 Grad Celsius abbilden lassen. Die Forschenden haben den Raum bei verschiedenen „Außentemperaturen“, Fensterflächen und Radiatorflächen sowie Personen­anzahlen und verschiedenen Regelstrategien gekühlt. So wurden die Radiatoren mal kontinuierlich, mal intermittierend über 24 Stunden oder über den Zeitraum zwischen 8 und 18 Uhr angesteuert. Die Messdaten aus dem Labor wurden dann mit einer Raumklimasimulationssoftware modelliert, um zu erfahren, wie effektiv Übertemperaturgradstunden vermieden werden konnten.

Und tatsächlich: Im Laborversuch zeigt sich, dass dem Taupunkt entsprechend gekühlte Radiatoren dem Raum Wärme so gut entziehen können, dass Übertemperaturgradstunden je nach Regelstrategie zwischen 40 und 60 Prozent verringert werden können. Die Regelstrategie, die die meisten Übertemperaturgradstunden vermeiden konnte, war die, bei der rund um die Uhr und kontinuierlich temperiert wurde.

Aber auch, wenn man mehr kühlen und trotzdem die Radiatoren nicht austauschen möchte, gibt es Möglichkeiten. Sowohl Stiebel Eltrons Henning Schulz als auch der Bundesverband Wärmepumpe empfehlen dann die Nutzung von zusätzlichen Gebläsekonvektoren. Die sind sparsam im Verbrauch und steigern den Wärmeabtransport der Radiatoren.

Es könnte einen ganz banalen Grund geben, dass solche Lösungen in Zukunft stärker nachgefragt werden. Während der 1950er Jahre gab es im Schnitt 2,3 Hitzetage mit Temperaturen über 30 Grad pro Jahr. In der letzten Dekade waren es dreimal so viele.