Wärmepumpe mit Prozessumkehr

Kühlung von Wohngebäuden

Wärmepumpe schafft Komfort

Das Klima ist spürbar im Wandel. Dies zeigte sich in den letzten Jahren mit einem deutlichen Temperaturanstieg. Diese klimatischen Veränderungen werden den Einsatz einer Kühlung zur Einhaltung von behaglichen Raumbedingungen auch im Wohn- und Bürobereich unerlässlich machen. Um effizient und komfortabel für angenehme Temperaturen zu sorgen, bietet sich z.B. eine Fußbodenheizung an. Das Beispiel eines Zweifamilienhauses im Großraum Mailand zeigt, wie eine solche Anlage geplant und umgesetzt wird.

Steigende Temperaturen und ein hoher Komfort-Anspruch erfordern effiziente Systeme zur Wohn- und Büro-Klimatisierung. Eine effiziente Möglichkeit sind hier Rohrfußbodenheizungen mit PE-Xa-Rohren. Denn sie eignen sich in Kombination mit einer Wärmepumpe mit Prozessumkehr nicht nur für den reinen Heizbetrieb im Winter, sondern ebenso für die Kühlung im Sommer, im Neubau wie in der Gebäudesanierung. Um ganzjährig ein angenehmes Raumklima mit hoher Energieeffizienz zu erhalten, sind so nur wenige zusätzliche hydraulische und regelungstechnische Komponenten erforderlich. Mit dem Energiekomfort-System, welches die Komponenten Geothermie, Wärmepumpe, Trinkwarmwasserbereitung, Flächenheizung/-kühlung und Solarthermie umfasst, bietet Rehau (www.rehau.de) ein System für diese Anwendung. Nachdem es für jedes Objekt individuell ge­plant wird, wird die Wirkungsweise nachfolgend an einem Zweifamilienhaus im Großraum Mailand dargestellt.


Das Objekt

Bei dem vorgestellten Objekt (Bild 1) handelt es sich um ein mediterranes Zweifamilienhaus im Großraum Mailands, der zweitgrößten Stadt Italiens. Das Gebäude besteht aus drei Vollgeschossen (Untergeschoss, Erdgeschoss, Obergeschoss) mit einer Gebäudenutzfläche nach Energieeinsparverordnung (EnEV) von 414 m². Die drei Geschosse werden über eine Fußbodenheizung beheizt und gekühlt.
Das Klima in Mailand gehört zur subozeanischen Klimaprovinz Mitteleuropas. Die Sommer sind warm mit etwa 100 Sommertagen, die Winter mäßig kalt und nebelreich mit etwa 60 Frosttagen. Die Jahresmitteltemperatur beträgt 11,7 °C. Durch den ausgeprägten Kühlbedarf in den Sommermonaten bietet der Standort ideale Bedingungen, um die Leistungsfähigkeit der Fußbodenkühlung unter Beweis zu stellen. Im Rahmen eines Feldtests wurde das Energiekomfort-System, bestehend aus Erdsonden, reversibler Sole/Wasser-Wärmepumpe, Pufferspeicher mit Frischwasserstation sowie solarer Unterstützung und Flächenheizung/-kühlung, vollständig vermessen. Neben den Umgebungsbedingungen, wie Außentemperatur, Luftfeuchtigkeit, solare Strahlungsintensität, Windgeschwindigkeit und Luftdruck, wurden die Raumluftkonditionen im Inneren aufgezeichnet. Weiterhin wurden alle relevanten elektrischen sowie thermischen Energieströme und Leistungen erfasst.

Die Planung

Für eine effiziente Wärmepumpenanlage ist eine gute Planung der gesamten Anlage, inklusive der Geothermie, Flächenheizung/-kühlung und Wärmepumpe, unerlässlich. Für einen störungsfreien und reibungslosen Betrieb der Anlage sind besonders zu berücksichtigen:

n Berechnung der Heiz- und Kühllast
n Genaue Dimensionierung aller Komponenten
n Durchführung des hydraulischen Abgleichs
n Berücksichtigung des Taupunkts zur Verhinderung von Kondensation
n Überwachung der Oberflächentemperatur aus Behaglichkeitsgründen

 
Die exakte Dimensionierung der eingesetzten Wärmepumpe und -quelle sind erforderlich für den effizienten und kostensparenden Betrieb der Anlage. Denn eine Unterdimensionierung der Wärmepumpe führt, neben zu geringen Raumtemperaturen, zu einem erhöhten Energieverbrauch aufgrund der Überlastung der Erdwärmesonden. Eine Überdimensionierung hingegen spiegelt sich in kurzen Laufzeiten und daraus resultierenden Speicherverlusten sowie überhöhten Investitionskosten wider. Als Grundlage der Dimensionierung dient die Heizlastberechnung nach EN 12 831 und die Kühllastberechnung. Sofern Sonderanwendungen, wie beispielsweise ein Schwimmbad, vorgesehen sind, wird der dafür benötigte Energiebedarf zu der auszuwählenden Wärmepumpenleistung addiert. Sind seitens des Energieversorgers Sperrzeiten vorgesehen, muss auch das in der Dimensionierung berücksichtigt werden. Soll die Fußbodenheizung zusätzlich für die Kühlung des Gebäudes verwendet werden, ist ein Kondensatanfall auf den gekühlten Flächen in jedem Fall zu vermeiden. Deshalb wird in einem Referenzraum ein kombinierter Raumtemperatur- und Feuchtigkeitsfühler installiert. Auf Basis der ermittelten Werte wird der momentane Taupunkt berechnet und die Vorlauftemperatur der Fußbodenkühlung entsprechend geregelt. Aufgrund der hohen Außentemperaturen in Mailand sind Taupunkttemperaturen von mehr als 20 °C keine Seltenheit. Bei darüberliegenden Vorlauftemperaturen der Fußbodenkühlung ist jedoch kaum eine Kühlleistung über die Fußbodenfläche zu erzielen, weshalb unter diesen Bedingungen eine Luftentfeuchtung zwingende Voraussetzung ist. Ein wichtiges Kriterium für die Behaglichkeit ist die Oberflächentemperatur des Fußbodens. Denn gerade bei keramischen Bodenbelägen fühlt sich ein zu kalter Fußboden schnell unangenehm an. Deshalb wird zusätzlich durch einen Temperaturfühler die Temperatur des Estrichs oberflächennah gemessen und auf einen minimalen Wert von 19 °C begrenzt.
Um eine gute Kühlleistung zu erreichen, wurde für die Fußbodenheizung/-kühlung durchgängig ein Verlegeabstand von 10 cm in der Verlegeart „Schnecke“ gewählt, die eine gleichmäßige Oberflächentemperatur ermöglicht. Anpassungen an die unterschiedlichen Heiz-, beziehungsweise Kühlbedarfe der Räume werden über die Regulierung der Massenströme, den sogenannten hydraulischen Abgleich, erreicht. Durch eine Reduktion des Massenstroms ergibt sich eine größere Spreizung im Heizkreis und durch die entsprechend geringere mittlere Oberflächentemperatur wird die Wärmeabgabe des Fußbodens an den Raum angepasst. Bild 3 zeigt beispielhaft den Verlegeplan der Fußbodenheizung für das Erdgeschoss.


Der Einbau

Um auch bei der Verlegung komplexer Raumgeometrien eine sichere Rohrfixierung des verwendeten sauerstoffdichten Rohres „Rautherm S“ 17 x 2,0 mm zu ermöglichen, wurde als Verlegesystem die Noppenplatte „Varionova“ eingesetzt. Bild 2 zeigt am Beispiel des Wohnzimmers die Flexibilität des Systems.

 
Der Betrieb

Die Messwerterfassung des Energiekom­fort-Systems begann im April 2009. Zu diesem Zeitpunkt war die Wärmepumpe noch nicht in Betrieb. Das System ging erst Anfang Juni 2009 in den Kühlbetrieb über. Dieser Verlauf ermöglichte einen direkten Vergleich der Entwicklung der Raumtemperaturen im Gebäude mit und ohne Kühlung über den Fußboden.
Bild 4 zeigt exemplarisch die Verläufe der Außentemperatur und Raumtemperatur vom 20. Mai 2009 bis 27. Mai 2009 ohne Kühlung und Bild 5 zeigt sie vom 13. August 2009 bis 20.August 2010 mit Kühlung über den Fußboden. Während die Raumtemperaturen ohne aktivierte Kühlung tagsüber steigen, nachts nur wenig sinken und sich deshalb stetig auf über 28 °C aufschaukeln, übersteigen die Raumtemperaturen bei Kühlung über den Fußboden nur selten den in der Regelung vorgegebenen Sollwert von 26 °C. In Zeiträumen, in denen die Außentemperatur 32 °C übersteigt, wird gleitend der Sollwert der Raumtemperaturen angehoben. Dies schlägt sich in steigenden Raumtemperaturen besonders in Räumen mit hohem Glasanteil in Westrichtung in den Abendstunden nieder. Der Einfluss der Fußbodenkühlung auf die Raumtemperaturen ist deutlich zu erkennen. Hier zahlt sich die objektspezifische Planung aus, denn die in der Planung geforderten maximalen Raumtemperaturen werden nicht überschritten. Die Masse des Estrichs wirkt wie ein großer Speicher, der Energie aus dem Raum aufnimmt. Diese wird über die Fußbodenkühlung aus den Räumen abtransportiert und mittels der Wärmepumpe in das Erdreich abgeführt, was den positiven Nebeneffekt der Regeneration des Erdreichs hat. Im Zeitraum vom 1. Juli 2009 bis 15. September 2009 wurden von der Wärmepumpe 7245 kWh Kälte erzeugt, wofür 1421 kWh elektrische Energie für den Betrieb des Kompressors sowie für Nebenaggregate der Wärmepumpe aufgewendet wurden. Somit ergibt sich für den Kühlbetrieb eine Arbeitszahl der Wärmepumpe von 5,1. Der Vorteil einer erdgekoppelten Wärmepumpe liegt in der nahezu konstanten Erdtemperatur, selbst während der Sommermonate. Im Falle einer Kälteproduktion mit Hilfe eines Kaltwassersatzes ist nämlich gerade an den Tagen, an denen der größte Kältebedarf besteht, auch die Luft, an die die überschüssige Wärme abgegeben wird, am wärmsten. Daher arbeitet ein herkömmlicher Kaltwassersatz unter diesen Bedingungen ineffizienter. Werden dagegen erdgekoppelte Wärmepumpen für die Kühlung benutzt, ist im Kühlfall die Sen­kentemperatur weitgehend unabhängig von der Außentemperatur, was auch bei heißen Tagen eine effiziente und kos­tengünstige Kühlung ermöglicht.

Fazit

Die Basis für einen effizienten und sicheren Betrieb einer Anlage ist die exakte Berechnung und Auslegung des Systems. Dabei sollte auf die langjährige Erfahrung eines Systemanbieters zurückgegriffen werden, der alles aus einer Hand bietet und die Schnittstellen zwischen der Geothermie, Wärmepumpe, Solarthermie und Flächenheizung/-kühlung beherrscht. Denn es reichen nicht nur gute Einzelkomponenten, erst die optimale Planung und Abstimmung macht daraus ein effizientes System.

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