Technologie

Kühlen mit der Heizung

03.08.2021 - Wärmepumpen in Kombination mit Fußbodenheizungen sparen Energie.

Der weltweite Energieverbrauch von Klimaanlagen steigt kontinuierlich. Für die Kühlung von Wohn- und Geschäftsgebäuden wurden im Jahr 2016 rund 2000 Terrawatt­stunden verbraucht, so die Angaben der Internationalen Energie Agentur IEA. Das sind geschätzt etwa zehn Prozent des gesamten Strom­verbrauchs der Welt. Bis 2050 könnte sich diese Menge verdreifachen: Bis dahin würden in jeder Sekunde zehn Klimaanlagen verkauft. In Deutschland rechnen Experten in den nächsten zwanzig Jahren mit einer Verdoppelung des Kühlenergie­verbrauchs im Wohngebäude­bereich. Bei Nichtwohn­gebäuden ist laut Umweltbundesamt ein Anstieg von 25 Prozent zu erwarten. Wie lässt sich diese Zunahme an neuen Kühlsystemen vermeiden? Dieser Problematik stellten sich Forschende am Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP in Valley.

„Wenn man in Bestands­gebäuden eine vorhandene Wärmepumpe, also den Wärmeerzeuger, im reversiblen Betrieb zum Kühlen einsetzen könnte, ließe sich für die Kühlung das gleiche System verwenden, das bereits zum Heizen installiert ist“, sagt Sabine Giglmeier. So könne man die Neuan­schaffung von Klimageräten umgehen und Energie einsparen. Für eine Einschätzung, inwiefern sich mit dieser Technologie sommerliche Überhitzung vermeiden lässt, haben die Ingenieurin und ihr Team eine Potenzialanalyse mit zwei Heizsystemen durchgeführt: Untersucht wurde, ob Radiatoren und Fußboden­heizungen, also die Wärmeverteiler, Klimageräte ersetzen können, die oftmals in Bestandsg­ebäuden verwendet werden. Bei diesen Geräten wird die Abwärme über einen Schlauch durchs Fenster oder über einen Durchbruch in der Wand abgeführt. „Solche Klimaanlagen verbrauchen nicht nur viel Strom, sie sind laut und erzeugen Zugluft. Wenn sie nicht richtig gewartet werden, können hygienische Probleme entstehen“, so die Forscherin.

Erste Tests, ob sich Wärmepumpen in Kombination mit Radiatoren oder Fußboden­heizungen als System zur Kühlung eignen, führten die Forscherin und ihr Team zunächst unter Labor­bedingungen in der Klimakammer mit Radiatoren und Fußboden­heizungen durch. Anschließend wurde mit digitalen Zwillingen der Heizsysteme mit einer Gebäude­simulations­software geprüft, ob die Labormessungen mit den Software­berechnungen übereinstimmen. „Mit den digitalen Zwillingen können wir die Realität valide abbilden und den Effekt des Gesamtsystems für unterschiedlichste Anwendungs­szenarien berechnen. Auf diese Weise lässt sich ermitteln, für welche konkreten Einsatz­bereiche sich Wärmepumpe plus Radiator bzw. Fußboden­heizung eignen.“ Mit der Simulationssoftware lassen sich Wärme und Feuchte gekoppelt berechnen. Eine Skalierung auf beliebige Gebäudetypen ist möglich, dabei werden unter­schiedlichste Parameter wie Raum- und Fenstergröße, Größe der Heizkörper, Außentemperatur, Bauweise und Anzahl der Fenster berücksichtigt. Die Forschenden können weitere Parameter untersuchen wie etwa den Energie­bedarf oder Komfort. Dies erlaubt eine umfassende Bewertung von Heiz- und Kühlsystemen.

Das Ergebnis der Unter­suchungen: Sowohl Radiatoren als auch Fußboden­heizungen haben das Potenzial, in Büroräumen mit einer Standardgröße von 16 Quadratmetern, Fenstergrößen bis zu drei Quadratmetern und zwei Mitarbeitenden, die Raumlufttemperatur im Sommer signifikant zu reduzieren und einen angenehmen Kühleffekt zu erzeugen, ohne dass dabei unerwünschtes Tauwasser an kalten Oberflächen entsteht. Notwendig ist die Steuerung der Vorlauf­temperatur des Systems entsprechend dem Taupunkt der Raumluft, um Bauschäden durch Tauwasser­ausfall zu vermeiden. „Die Taupunkt­temperatur ist ein kritisches Maß, das wir bei unseren Berechnungen beachten müssen. Denn Feuchtigkeit schlägt sich an der Oberfläche nieder, wenn die Oberfläche kälter ist als die Taupunkt­temperatur der Luft. Wichtig ist es daher, taupunktgeführt zu kühlen. Sprich, wenn die Taupunkt­temperatur bei 13 Grad Celsius liegt, leiten wir kein Wasser durch die Heizung, das kälter ist, da das Wasser aus der Luft am Heizkörper und an den Zuleitungen kondensiert und sich Feuchte bilden kann.“

Ein weiteres wichtiges Kriterium für die Berechnungen sind die Übertemperatur­gradstunden. Dieses Maß gibt die Anzahl der Stunden und Kelvin über der Grenztemperatur des Raumes, die bei 26 Grad Celsius liegt, im Jahr an. In Wohngebäuden sind maximal 1200 Übertemperatur­gradstunden, in Büros nur 500 im Jahr zulässig. Die Berechnungen der Forscher ergaben eine Reduktion der Übertemperatur­gradstunden um über vierzig Prozent bei einer Radiator­größe von siebzig Zentimeter mal ein Meter. Bei doppelt so großen Radiatoren lässt sich eine Reduktion von 65 Prozent erzielen im Vergleich zu einem ungekühlten Raum. „Alles in allem konnten wir nachweisen, dass die über Radiatoren abgegebene Kühl­leistung bei einem moderaten Fenster­flächenanteil ausreichend ist. Bei hohem Fenster­flächenanteil hingegen ist eine größere Kühlfläche nötig, um komfortable Raumklima­bedingungen einzuhalten. Diese Fläche kann über Fußboden­heizungen bereit­gestellt werden, die nochmal deutlich höhere Kühleffekte erzielen, wie unsere Tests ergaben“, sagt Giglmeier.

Wärmepumpen mit Kühl­funktion könnten in Bestands­gebäuden eine Alternative zu teuren Klima­geräten sein. Noch zu prüfen ist nun, inwieweit das Gesamtsystem die Behaglichkeit des Nutzers beeinflusst, etwa durch zu kalte Fußböden, oder ob sich Temperatur­wechsel auf Fußboden­beläge und andere Materialien im Raum auswirken.

FhG / JOL

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