18. August 2015 Autor: Rolf Grupp (Bearbeiter)

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cci Forum: Kühlen mit Heizkörpern

Im Winter mit der Wärmepumpe die Räume beheizen und Trinkwarmwasser erzeugen, und im Sommer die oft überhitzten Wohn- und Schlafräume kühlen? Vor der technischen Seite gesehen ist das überhaupt kein Problem, aber wie sieht das in der Praxis aus? Wie kommt „die Kälte in die Räume“?
Wenn das Haus mit einer Fußbodenheizung ausgestattet ist, dürfte die Kühlung keine größere Herausforderung darstellen. Dann wird der Heizkreislauf zum Kühlkreislauf, der mit kühlem Wasser von der Wärmepumpe versorgt wird. So wird der Fußboden mit Temperaturen von etwa 21 bis 23 °C zur Flächenkühlung und liefert Kühlleistungen bis etwa 30 W/m². Doch wie sieht die Situation aus, wenn das Haus mit Radiatoren beheizt wird? Kann man dann genauso, wie bei einer Umstellung der Fußbodenheizung auf Fußbodenkühlung, auch die Radiatoren mit Kaltwasser betreiben und so eine Radiatorenkühlung herstellen? Und bringt eine solche Aktion auch etwas im Hinblick auf die dadurch erzielbaren Kühlleistungen?

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1.
Ohne auf technische Lösungen einzugehen die zu einer Wirksamkeit führen könnten, würde zunächst der übliche Heizkörperthermostat, seiner eigentlichen Aufgabe entsprechend, eine geregelte Kühlfunktion nicht ermöglichen. Darüber hinaus dürften die Oberflächen der Radiatoren für eine Kühlleistung eher zu klein sein. Da Rohrleitungen in Heizungsanlagen gewöhnlich nicht diffusionsdicht isoliert werden, sollte zur Vermeidung von Kondenswasser die Oberflächentemperatur von 16 °C nicht unterschritten werden. Bei einer Vorlauftemperatur von 16 °C, dürfte die Oberflächentemperatur am Radiator im Mittel jedoch nur bei ca. 19 °C liegen, was eine wirksame Kühlung nicht gerade begünstigt. Angenommen es wird eine Vorlauftemperatur von 16 °C erzeugt. Die Raumtemperatur liegt unterhalb von 28 °C, wo der Thermostat noch geringfügig öffnet. Dann würde sich über die Raumhöhe und Zeit durch Temperaturschichtung auch irgendwann eine spürbare Kühlung einstellen. Durch Nutzerverhalten, Öffnen von Türen und Fenster, würde dies jedoch erst sehr spät spürbar.
Grundsätzlich könnte man jedoch sagen, dass ein zur Kühlung umgebautes Heizsystem mit z.B. gebläseunterstützten Radiatoren unter Beachtung aller Parameter sich auch zur Raumkühlung eignen würde, soweit man nicht den Komfortgewinn einer echten Klimaanlage erwartet.

Reinhard Gaede, Technisches Facility Management – Abteilung Betreiben, Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft, Berlin, 25.06.2015


2.
Bevor man sich mit dem Thema „Wie kommt die Kälte in die Räume“ beschäftigt, sollte man die grundlegende Funktionsweise einer Wärmepumpe verstehen. Als Antriebsquelle nutzt jeder Wärmepumpenprozess z. B. die Energie der Sonne (Solarstrahlung), der Erde (Erdsonden) oder der Luft. Diese Energie wird vom Kältemittel im Verdampfer aufgenommen, um bereits bei niedrigen Temperaturen zu verdampfen. In einer Kompressionswärmepumpe wird mittels Verdichter das Kältemittel auf ein höheres Temperaturniveau gebracht. Alternativ übernimmt diese Aufgabe in einer Adsorptionswärmepumpe der Adsorber, wodurch Stromkosten gespart werden. In einem weiteren Schritt wird nun das Kältemittel mit erhöhter Temperatur im Verflüssiger wieder kondensiert und gibt dabei seine Kondensationswärme ab. Diese gewonnene Energie wird anschließend für die Erwärmung von Räumen mittels Heizflächen genutzt. Ein Entspannungsventil bringt das Kältemittel nach der Kondensation noch in seine energetische Ausgangslage zurück, bevor der Prozess erneut startet.
Da Wärmepumpenanlagen mit einem niedrigeren Temperaturniveau arbeiten als z. B. Heizkessel (bedingt durch die relativ niedrige Quellentemperatur), laufen sie am effizientesten, wenn sie ihre erzeugte Wärme über großflächige Verteiler abgeben. Daher sollten bei Nutzung von Wärmepumpenanlagen auch stets Fußboden- oder Wandheizungen mit integriert werden, da sie mit den geringen Vorlauftemperaturen von z. B. 35 °C auskommen. So wird die Arbeit der Wärmepumpe durch die geringe Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizfläche besonders wirtschaftlich. Will man nun die Wärmepumpe im Sommer als Kühlung nutzen, gibt es zwei Möglichkeiten der Realisierung:
- Passive Kühlung
Dabei wird die dem Raum über die Heiz- beziehungsweise Kühlflächen entzogene Wärme mittels eines zusätzlichen Plattenwärmeübertragers auf den Solekreislauf (Antriebsquelle) übertragen. Hierbei wird die Innenraumluft um 2 bis 3 °C abgesenkt. Da der Verdichter in diesem Falle nicht in Betrieb ist, spricht man von „passiver“ Kühlung. Das ist nur dann möglich, wenn die Temperatur der im Kühlfall als Wärmesenke genutzten Wärmequellenanlagen (Erdsonde oder Erdkollektoren) unter der erforderlichen Kühlmediumtemperatur liegt.
- Aktive Kühlung
Bei der Aktiven Kühlung wird der Kältekreis in der Wärmepumpe vollautomatisch umgekehrt. Das Gebäude wird somit zur Energiequelle und das Erdreich, Wasser, Außenluft oder Solaranlage treten nun als Heizung auf. Die Wärmepumpe entzieht also dem Gebäude die Energie und gibt diese an die Umwelt ab.
Egal welche Art der Kühlung genutzt wird, große Verteilerflächen sollten für einen effizienten Betrieb stets gewährleistet werden. Heizkörper als Konvektoren arbeiten nur bei hohen Temperaturdifferenzen zwischen Heizkreis und Umgebungsluft. Da die Wärmepumpe eben bei niedrigeren Temperaturdifferenzen arbeitet und die Übertragungsfläche der Heizkörper nicht ausreicht, ist von solch einem System aus wirtschaftlichen Gründen abzuraten. Prinzipiell funktioniert das System jedoch.

André Große, Young Expert SorTech AG, 25.06.2015


3.
Aus meiner Sicht wurde der Punkt "Kondensation an den Heizkörpern und an den Verteilleitungen" zu wenig betont. Die Vorlauf-Kaltwassertemperatur muss überwacht oder generell hoch eingestellt sein, damit kein Kondenswasser entsteht. An einem schwülen Sommertag kann es ohne weiteres Taupunkttemperaturen bis ca. 20 °C geben. An allen Oberflächen, die kälter sind als die Taupunkttemperatur, bildet sich umgehend Kondenswasser. Dieses Kondenswasser kann Korrosion und Tropfwasserschäden verursachen. Ohne Überwachung müsste die Vorlauftemperatur genügend hoch eingestellt werden. Ob dann die gewünschte Kühlwirkung noch vorhanden ist, ist fraglich.
Entsprechend verhält es sich bei Kühldecken. Standardmäßig wird dort die Taupunkttemperatur mit einem Taupunktwächter überwacht. Auch kann vorgängig eine Anpassung der Vorlauftemperatur erfolgen, damit die Kühlung durch den Taupunktwächter nicht abgestellt wird. Die Verteilleitungen bei den Kühldecken sind üblicherweise aus rostfreiem Material und die Dämmung ist dampfdiffusionsdicht ausgeführt (z. B. mit Armaflex).

Markus Dolder, Ingenieurbüro Dolder, Luzern, 18.08.2015


4.
Dass das Kühlerfordernis in Gebäuden auf Grund unterschiedlicher sich verändernder Randbedingungen wächst, sollte sich allmählich herumgesprochen haben. Bei Neubauten im Nichtwohngebäudebereich sind die Wärmeübergabeeinrichtungen genau genommen nach der erforderlichne Kühlleistung zu bemessen, während die Heizlast praktisch nur noch „nebenbei“ zu erbringen ist.
Abgesehen davon, dass Heizkörper (mit freier Konvektion) und Wärmepumpen nur mit Kompromissen zu einem System zu vereinen sind, ist die Kühlung mit Heizkörpern, wie auch schon in den anderen Beiträgen dargelegt, zwar möglich jedoch kaum wirksam. Die erste relevante Hürde ist der Heizkörperthermostat. Um Heizen und Kühlen mit einer Wärmeübergabeeinrichtung realisieren zu können, sind Thermostate mit Wirksinnumkehr notwendig. Das bedeutet, im Heizfall muss der Thermostat bei steigender Raumtemperatur schließen, währen im Kühlfall das Öffnen des Thermostats notwendig sein wird.
Wenn ein Heizkörper im Heizfall bei Dimensionierungstemperaturen von 55/45/20 °C 1.000 W Wärmeleistung zur Beheizung eines 25m²-Raums zu erbringen hat (40 W/m²), kann dieser im Kühlfall bei Dimensionierungstemperaturen von 21/18/26 °C nur ca. 13 % Kühlleistung (5,2 W/m²) erbringen. Bei erforderlichen spezifischen Kühlleistungen von 20 bis 70 W/m² ist das nur ein „Tropfen auf den heißen Stein“. Des Weiteren sind die durchflusstechnischen und dämmtechnischen Besonderheiten dimensionierungsrelevant.
Noch ein Wort zum Thema „Fußbodenheizung zum Kühlen“. Flächentemperierungssysteme sind prinzipiell erstmal besser zum Kühlen geeignet als Heizkörper. Durch die Wirkung der Strahlungswärme infolge geringer Oberflächentemperatur ist ein hoher thermischer Komfort zu erwarten. Fußbodenheizungen eignen sich jedoch nur eingeschränkt, da nur maximale spezifische Kühlleistungen um 30 W/m² (ohne Taupunktunterschreitung) zu erreichen sind.
Ein Wermutstropfen bei bodennaher Kühlung stellt die Gefahr der Bildung eines Kaltluftsees dar, wodurch das thermische Behaglichkeitsempfinden u. U. wieder eingeschränkt wird.
Die Entscheidung, welches Wärmeübergabesystem das Beste ist, stellt also immer eine objektspezifische Einzelfalllösung dar, die zudem im Regelfall auch noch Kompromisse erfordert.

Prof. Dr.-Ing. Mario Reichel, Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Dresden, Fakultät Maschinenbau, LG Technische Gebäudeausrüstung, 18.08.2015


5.
Sinnvoller, als diesen enormen technischen Aufwand mit einem entsprechenden Investitionsbedarf und minimaler Effektivität zu treiben, wäre der Einsatz einer kontrollierten Lüftung. Diese lässt sich auch, mit übersichtlichen Investitions- und äußerst geringen Betriebskosten, nachträglich in Form dezentraler Geräte installieren. Somit kann man die Möglichkeit einer "Nachtabsenkung" maximal nutzen. Selbst bei "tropischen" Nachttemperaturen von 22/23°C, wie in den vergangenen Wochen erreicht, kann so ein Raum mit 29 °C und mehr Innentemperatur wirkungsvoll heruntergekühlt werden. Ventilatoren kompensieren dabei, mit Energieverbräuchen unterhalb 20 W/h, die fehlende Luftzirkulation.

Ralph Langholz, Mann+Hummel Vokes Air GmbH, Büro Maintal, 20.08.2015


6.
Das ist doch nichts Neues! Das habe ich schon 1993 im Rechenzentrum in Hof installieren lassen und das funktioniert auch so bis heute.

 

Hans Sieber, svfs, 21.08.2015
 

 

 

 

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