So funktioniert das Kühlen mit der Wärmepumpe

Wenn die Monate in Deutschland wärmer werden bekommt die Heizung normalerweise ihre Sommerpause. Nicht so bei Wärmepumpen, die nicht nur heizen, sondern auch kühlen können. Sie müssen dann weiterarbeiten, um trotz Hitze für angenehme Temperaturen in den Räumen zu sorgen. Um zu verstehen, wie das funktioniert, hilft eine Erklärung, was eine Wärmepumpe eigentlich macht.

Heizen und kühlen: Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Die Wärmepumpe dient zunächst mal als Heizung. Die energieeffizienten Stromheizmaschinen verdampfen dabei ein Kältemittel, wofür sie Energie benötigen. Diesen Energie holen sie sich entweder aus dem Boden, aus dem Grundwasser oder aus der Luft.

Anschließend verdichtet die Wärmepumpe das gasförmige Kältemittel, wodurch es sich erwärmt. Ein Kondensator entzieht dem Kältemittel die Wärme, die sich zum Heizen verwenden lässt. Das nun wieder flüssige, aber immer noch unter Druck stehende Kältemittel kann sich über ein Expansionsventil wieder entspannen, um anschließend im Verdampfer wieder erwärmt zu werden. Und so weiter.

Der Witz dabei: Als Kältemittel durchläuft ein Arbeitsmedium den thermodynamischen Prozess, das schon bei niedrigen Temperaturen verdampft, die Energie bei der Kondensation aber mit höherer Temperatur wieder abgibt. Nur deshalb können Wärmepumpen die zum Heizen notwendigen Temperaturen liefern.

Und wenn man mit der Wärmepumpe kühlen will? Dann läuft der Prozess andersherum: Das Kältemittel verdampft im Kondensator, nimmt also Wärme aus dem Heizungssystem auf und entzieht sie auf diese Weise dem Gebäude. Das funktioniert ganz gut beispielsweise über die Fußbodenheizung, ganz schlecht beziehungsweise gar nicht dagegen wegen deren geringer Flächen über Heizkörper wie Radiotoren. Aber: Ausnahmen gibt es auch bei Heizkörpern.

Wärmepumpe einfach und schnell umschalten

Der Kreis der Wärmepumpe lässt sich über ein Mehrwegeventil und ein zusätzliches Expansionsventil umkehren. Während der Kompressor die Förderrichtung beibehält, tauschen Verdampfer und Kondensator ihre Rollen. Die Wärmepumpe kann dadurch schnell zwischen ihrer Funktion als Heizung oder als Klimaanlage umschalten.

Bei manchen Herstellern, Ochsner zum Beispiel, sind die Luftwärmepumpen von vornherein mit einer Umkehrausrüstung für den Abtaubetrieb ausgestattet, um den Verdampfer enteisen zu können. Bei Viessmann kann die Umschaltung je nach Ausführung der Wärmepumpe entweder über ein im Kältekreis integriertes Umschaltventil oder außerhalb des Geräts erfolgen.

Aktive Kühlung vs. passive Kühlung

Weil der Kompressor der Wärmepumpe in Betrieb bleibt, spricht man von aktiver Kühlung. Dabei ist es egal, ob es sich um eine Erd- oder eine Luftwärmepumpe handelt.

Eine passive Kühlung dagegen funktioniert nur mit Wärmepumpen, die das Erdreich oder das Grundwasser als Wärmequelle nutzen – oder im Sommer eben als Kältequelle, denn Erdreich und Grundwasser erwärmen sich in der Regel nicht weit über 15 bis 17 Grad Celsius, bleiben also wesentlich kühler als die Luft an einem heißen Sommertag.

Die Umwälzpumpe der Wärmepumpenheizung kann das kühle Medium zum Verteilsystem der Heizung fördern, das heißt die Flächenheizung wie die Fußbodenheizung wird von dem kühlen Wasser durchströmt – und das, ohne dass der Verdichtungsprozess in der Wärmepumpe starten muss (deshalb passiv).

Lesen Sie dazu auch: Wärmepumpe: So funktionieren aktive und passive Kühlung

Es braucht einen Wärmetauscher zwischen Wärmequelle und Heizungswasser, der die Wärme aus dem Gebäude über die Erdkollektoren oder -sonden ins Erdreich oder ins Grundwasser abgibt. Für die Kühlfunktion bieten die Hersteller häufig spezielle Stationen an, die den Wärmetauscher, einen Mischer und eine Umwälzpumpe enthalten. Bestehende Anlagen lassen sich damit nachrüsten.

Wird warmes Wasser benötigt, schaltet beim Hersteller von Energie- und Sanitärsystemen Roth Werke zum Beispiel die Regelung die passive Kühlung aus und startet die Wärmepumpe. Danach schaltet sie die Kühlfunktion wieder ein. Ansonsten entscheidet der Regler beispielsweise bei den Systemen des Heiztechnik- und Sanitärherstellers Kermi anhand der Außentemperatur, ob die Wärmepumpe heizen oder kühlen soll.

Der Umschaltvorgang bei einer aktiven Kühlung kann etwas dauern. „Zwischen Heiz- und Kühlvorgängen muss die Wärmepumpe circa fünf Minuten ruhen, damit der Verdichter keinen Schaden nimmt und das flüssige Kältemittel keine Probleme verursacht“, erklärt Ratiotherm-Vertriebsleiter Michael Westermaier.

Aktiv kühlen oder passiv bleiben?

„Sind über den Sommer konstante Kühlleistungen gewünscht, empfiehlt sich die aktive Kühlung. Sie liefert zudem deutlich höhere Kühlleistungen als die passive Kühlung“, nennt Viessmann-Unternehmenssprecher Wolfgang Rogatty einen Vorteil der Kühlung mit Kompressor. Die passive Kühlung dagegen arbeitet energiesparender, da im Kühlbetrieb der Verdichter der Wärmepumpe ausgeschaltet bleibt und lediglich die Umwälzpumpen für den Transport der Wärme aus den Räumen zur Primärquelle angetrieben werden müssen.

Bei der passiven Kühlung hängt die Leistung von der Größe der Primärquelle und der Primärquellen-Temperatur ab, die jahreszeitlichen Schwankungen unterworfen ist. „So haben das Erdreich oder ein Eis-Energiespeicher erfahrungsgemäß gegen Ende eines Sommers mehr Wärme gespeichert, die Kühlleistung wird dann geringer sein“, sagt Rogatty.

Auch Dimplex-Schulungsleiter Sven Staudt weist darauf hin, dass die passive Art des Kühlens zwar für verschiedenste Anwendungsfälle verwendet werden kann, sie jedoch über die Kühlkapazität der Wärmequelle begrenzt ist: „Das bedeutet: Ist die Wärmequelle zu warm, so kann damit nicht gekühlt werden.“

Nachteil: Erdreich wärmt schnell auf

Ochsner rät deshalb von einem Flächenkollektor zur passiven Kühlung ab. „Das benötigte Temperaturniveau im Kühlkreis steht nur kurzfristig direkt vom Erdreich zur Verfügung“, schreibt das Unternehmen in seinem technischen Handbuch. Bereits bei einigen aufeinanderfolgenden heißen Tagen gehe der Kühleffekt weitgehend verloren.

Ebenso hält Buderus-Produktmanager Hans-Jörg Risse Erdreich-Flächenkollektoren für diese Kühlbetriebsart für nicht geeignet. „Denn sie liegen so nah an der Oberfläche, dass die Erdreichtemperaturen im Sommer für eine Kühlung zu hoch sind“, begründete er in seinem Beitrag in der Ausgabe 16/21 unseres Schwestermagazins SBZ. Zudem würde der zusätzliche Wärmeeintrag das Erdreich in der Umgebung des Kollektors austrocknen und zu Rissen führen.

Bei aktiver Kühlung ist die Wärmequellentemperatur dagegen zweitrangig. „Es kann praktisch den ganzen Sommer gekühlt werden und bei ausreichender Leistung können auch Wunschtemperaturen in Innenräumen erreicht werden“, sagt Staudt von Dimplex. Allerdings fallen die Betriebskosten wegen des Stromverbrauchs für den Verdichter verglichen mit passiver Kühlung wesentlich höher aus.

Taupunkt beachten und Leitungen dämmen

Wo es kühl wird, kann Luftfeuchtigkeit kondensieren. Und zwar dann, wenn der Taupunkt unterschritten wird. Das gilt es in einem Gebäude unbedingt zu verhindern, ansonsten kann die Feuchtigkeit die Bausubstanz schädigen oder das System der Heizung korrodieren lassen. „Unabhängig von der Kühlmethode – aktiv oder passiv – sollte eine Taupunktüberwachung erfolgen“, sagt Rogatty von Viessmann.

In den Wärmepumpen des Heizungskonzerns ist sie in der Regelung integriert. Die Taupunktüberwachung hält die Vorlauftemperatur im Heiz- beziehungsweise Kühlsystem so hoch, dass der zulässige Taupunkt nicht unterschritten wird und damit keine Gefahr besteht, dass sich Feuchtigkeit aus der Luft niederschlägt. Kermi empfiehlt einen Taupunktwächter direkt am Speicher, nach der Heiz-/Kühlkreispumpe. Zusätzlich sollte in jedem Heizkreisverteiler einer Flächenheizung ein Taupunktwächter installiert und angeschlossen sein.

Überwachung mit Raumsensor

Bei Ratiotherm wird die Taupunktüberwachung über einen Raumsensor realisiert, der gleichzeitig die Raumfeuchte erfasst. „Er beeinflusst dann im Kühlfall die zulässige Temperatur im Heizkreis“, erklärt Westermaier. Außerdem hebt er hervor, dass bei den eingesetzten Pufferspeichern entsprechende Umschaltungen installiert sein sollten, da sie ansonsten mit ausgekühlt würden und die Warmwasserbereitung gestört würde.

Laut Staudt von Dimplex ist besonders darauf zu achten, alle Leitungen, die mit kaltem Wasser durchströmt werden, absolut dampfdiffussionsdicht zu dämmen, da bei ihnen im Kühlbetrieb die meiste Zeit über Oberflächentemperaturen unterhalb des Taupunktes herrschen würden. „Wichtig ist auch, dass je nach Wärmeübertragungssystem im Gebäude – Gebläsekonvektoren oder Fußbodenheizung – die entsprechenden Regelungskomponenten verbaut sind, um einen störungsfreien Betrieb zu realisieren.“

Bis zu welchen Temperaturen können Wärmepumpen kühlen

Je nach eingesetzter Wärme-/Kälteverteilung lassen sich Gebäude mit Wärmepumpen besser oder schlechter kühlen. Darauf verweist Daikin-Produktmanager Matthias Elsasser. So könne bei einer Fußbodenheizung wegen der Gefahr der Taupunktunterschreitung ohne zusätzliche Sensoren im Estrich lediglich eine Vorlauftemperatur im Rohr von 18 Grad Celsius bewerkstelligt werden.

Konvektoren dagegen können mit Vorlauftemperauren bis sieben Grad Celsius betrieben werden. Von einer Kühlung mit klassischen Radiatoren rät er ab, „da hier eine Taupunktunterschreitung im Mauerwerk garantiert ist.“

„Der Kühleffekt einer Wärmepumpe ist nicht mit der Kühlleistung einer klassischen Klimaanlage vergleichbar“, merkt Marketingmitarbeiterin Karin Prechtner vom Heiztechniksystemanbieter Wolf zur Kühlleistung von Wärmepumpen an.

„Bei 16 bis 18 Grad Celsius Vorlauftemperatur sollten bei dichter Rohrverlegung Temperaturen von etwa 19 bis 21 Grad Celsius erreicht werden und somit bei Außentemperaturen von über 30 Grad Celsius Raumtemperaturen von 19 bis 21 Grad Celsius ermöglichen“, heißt es im technischen Handbuch von Ochsner. Laut Roth Werke-Pressesprecherin Jacqueline Lachwa lässt sich die Raumtemperatur mit einer passiven Kühlung um drei bis vier Kelvin abkühlen.

Die Wirkung der Fußbodenkühlung im Raum hängt Kermi zufolge stark vom Abstand der verlegten Heizungsrohre der Fußbodenheizung zueinander ab, genauso von der Beschaffenheit des Fußbodens, ob es sich zum Beispiel um einen Fliesen- oder um einen Holzboden handelt, sowie von der Bauart des Gebäudes. „Abhängig von diesen Faktoren kann die Fußbodenkühlung nur bedingt Einfluss auf die Raumtemperatur nehmen“, schreibt der Hersteller auf seiner Internetseite.

Mehr Kühlleistung bieten Deckenkühlelemente oder ein Gebläsekonvektor, der in der Regel die Raumluft auch entfeuchtet. Das dabei entstehende Kondensat ist abzuleiten. Die Kühlleistung eines Gebläsekonvektors oder eines Kassettengerätes hängt von der Baugröße, dem Luftvolumenstrom und der Kühlwassertemperatur ab.

Mit Wärmepumpe kühlen: Darauf sollten Sie achten

Welche Temperaturen sich mit einer Wärmepumpe im Kühlmodus in den einzelnen Räumen erreichen lassen, lässt sich pauschal aber nicht sagen. Dazu beeinflussen zu viele Faktoren die Kühllast. Umso wichtiger ist deshalb eine individuelle Kühllastberechnung, um die Anlage exakt dimensionieren zu können. Die Kühllast lässt sich beispielsweise mit entsprechender Berechnungssoftware ermitteln.

Einige Wärmepumpenhersteller bieten zudem Formblätter für überschlägige Berechnungen an. Buderus beispielsweise stellt einen Vordruck bereit, den Planer:innen und Fachhandwerker:innen einfach ausfüllen können. Die an der VDI 2078 orientierte Berechnung berücksichtigt die Sonneneinstrahlung durch Fenster und Außentüren sowie die Wärmeabgabe durch elektrische Geräte und Personen. Sie summiert die einzelnen Kühllasten.

Laut den Planungshinweisen von Stiebel Eltron orientiert sich die Kühlleistung der Wärmequelle an der Kälteleistung der Wärmepumpe. Beispiel: Zwei Erdwärmesonden mit einer Tiefe von 94 Metern liefern eine Wärmeabgabe von etwa 7,2 Kilowatt an das Erdreich. Die Wärmeaufnahmefähigkeit der Wärmequelle muss höher sein als die Kühllast des Gebäudes. Steigt die Kühllast darüber, wird die gewünschte Raumtemperatur nicht erreicht. Um sie dennoch einstellen zu können, müssen eventuell einige Räume von der Kühlung ausgenommen werden. Denn unendlich viel Kälte können auch Wärmepumpen nicht pumpen.