Kann eine Wärmepumpe auch kühlen?

Schritt 3 von 11 · Erklären

Ein Ventil dreht den Kreislauf um

Im Winter arbeitet die Luft-Wasser-Wärmepumpe im Modell so: Der Lamellenblock hinter den Ventilatoren, der Verdampfer, nimmt bei 7 °C etwa 6 kW Wärme aus der Außenluft auf. Der Plattenwärmeübertrager neben dem Verdichter, der Verflüssiger, gibt etwa 7,4 kW an das Wasser der Fußbodenheizung ab. Den Rest steuert der Verdichter aus etwa 1,4 kW Strom bei.

Oft heißt es, beim Kühlen laufe der Verdichter einfach rückwärts. Das stimmt nicht: Ein Verdichter fördert nur in eine Richtung. Stattdessen sitzt hinter ihm ein Vierwegeventil (4-Wege-Umschaltventil), das entscheidet, wohin das heiße Gas strömt. Beim Heizen schickt es das Gas zum Plattenwärmeübertrager, ins Haus. Beim Kühlen schickt es das Gas zum Lamellenblock draußen. Die Rohre bleiben dieselben, das Kältemittel fließt nur andersherum durch den Kreis. Dasselbe Ventil nutzt die Wärmepumpe im Winter schon zum Abtauen.

Auf Kühlen geschaltet holt das Modell an einem 32 °C heißen Tag mit 18 °C kaltem Wasser für den Fußboden etwa 8,3 kW Wärme aus dem Haus und braucht dafür etwa 1,6 kW Strom.

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Verdampfer und Verflüssiger tauschen die Rollen

Weil das Kältemittel andersherum fließt, übernimmt jeder Wärmeübertrager die Aufgabe des anderen. Der Plattenwärmeübertrager, der im Winter das Heizungswasser erwärmt hat, ist jetzt der Verdampfer. Das Kältemittel siedet darin bei etwa 14 °C. Das ist kälter als das Wasser, das mit etwa 24 °C aus dem Fußboden zurückkommt. Also fließt Wärme aus dem Wasser ins Kältemittel, und das Wasser verlässt den Übertrager mit 18 °C, kalt genug, um den Boden zu kühlen.

Der Lamellenblock hinter den Ventilatoren, der im Winter Wärme aus der Luft geholt hat, ist jetzt der Verflüssiger. Der Verdichter presst den Dampf so stark zusammen, dass er bei etwa 42 °C kondensiert, zehn Grad über den 32 °C der Gartenluft. Nur weil das Kältemittel heißer ist als die Luft, kann die Wärme in sie abfließen. Im 3D-Modell wechseln die Beschriftungen mit dem Ventil: „Plattenwärmeübertrager (jetzt Verdampfer)“ und „Außenwärmeübertrager (jetzt Verflüssiger)“.

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Die Wärme geht mit der Luft nach draußen

Ein verbreiteter Irrtum: Die Außeneinheit einer kühlenden Wärmepumpe blase kalte Luft in den Garten, wie die Vorderseite eines Klimageräts. Das stimmt nicht, denn die Kälte entsteht nicht draußen, sie geht ins Wasser für den Fußboden. Aus den Ventilatoren kommt die Wärme des Hauses. Im Modell kommt die 32 °C warme Gartenluft mit etwa 37 °C wieder heraus, fünf Grad wärmer. Im Winter ist es umgekehrt, da kommt die Luft kälter heraus, als sie hineinging.

Die Energiebilanz zeigt, wohin alles geht. Etwa 8,3 kW Wärme kommen aus dem Haus, und auch die 1,3 kW Strom des Verdichters werden zu Wärme. Zusammen gehen etwa 9,6 kW über den Lamellenblock in die Außenluft, und die 0,3 kW der Ventilatoren erwärmen die Luft noch dazu. Eine Wärmepumpe kann Wärme nicht vernichten, nur verschieben. Ein Kühlschrank macht es genauso, deshalb wird es hinter ihm warm.

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Hitze und kaltes Wasser kosten Effizienz

Beim Kühlen zählt die Effizienzzahl, wie viel Wärme pro Einheit Strom aus dem Haus geholt wird. Beim Kühlen heißt sie oft EER (Energy Efficiency Ratio); der Chip im Modell sagt weiter Leistungszahl. Bei 32 °C draußen und 18 °C Wasser erreicht das Modell etwa 5,1: fünf Teile Kühlung aus einem Teil Strom. An einem milden Tag mit 24 °C sind es etwa 7.

Zwei Dinge drücken den Wert. Erstens ein heißerer Garten: Das Kältemittel muss noch heißer werden, um seine Wärme loszuwerden, der Verdichter muss die Wärme weiter anheben. Bei 35 °C sinkt die Leistungszahl im Modell auf etwa 4,5 und die Kühlleistung von 8,3 auf etwa 8,0 kW. Das reale Gerät, dem das Modell folgt, kühlt laut Datenblatt bis 45 °C Außenluft. Zweitens kälteres Wasser: Mit 10 °C statt 18 °C muss das Kältemittel bei etwa 6 °C statt 14 °C sieden, die Leistungszahl fällt auf etwa 3,7 und die Kühlleistung auf etwa 6,4 kW. Das Datenblatt des realen Geräts zeigt denselben Verlauf: EER 5,3 mit 18 °C Wasser und 3,3 mit 7 °C Wasser, beide bei 35 °C Außenluft (Viessmann Vitocal 250-A). Das Modell liegt bei 18 °C etwa 15 % unter dem Datenblatt.

Deshalb kühlt ein Fußboden mit etwa 18 °C warmem Wasser, während Gebläsekonvektoren, die Raumluft über einen kalten Wärmeübertrager blasen, mit etwa 7 °C arbeiten.

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Warum die Fußbodenkühlung über 18 °C bleibt: der Taupunkt

Warme Sommerluft enthält Wasserdampf. Jede Fläche, die kälter ist als der Taupunkt der Luft, wird nass, so wie ein kaltes Glas Limo an einem heißen Tag. Im Sommer liegt der Taupunkt in Innenräumen oft bei 17 bis 19 °C. Das Modell rechnet für das ganze Haus mit einem Taupunkt von etwa 17 °C.

Heizkörper mit 12 °C kaltem Wasser zeigen, was dann passiert: Im Modell schwitzen sie, Tropfen laufen an den Platten herunter. In einem echten Fußboden würde dieses Wasser in Estrich und Bodenbelag ziehen und könnte Schimmel verursachen. Deshalb kühlt man den Boden mit mindestens 18 °C warmem Wasser, und ein Taupunktwächter (ein Feuchtefühler im Raum oder am Rohr) hebt die Wassertemperatur an oder stoppt die Kühlung, wenn die Luft feucht wird. Heizungshersteller empfehlen für den Fußboden etwa 19 bis 21 °C.

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Passive Kühlung: Das Erdreich kühlt mit

Eine Erdwärmepumpe kann fast ohne Verdichter kühlen. Hundert Meter tief bleibt der Boden das ganze Jahr bei etwa 10 °C, kälter als das 18 °C kalte Wasser für den Fußboden. Die Wärme kann also von selbst aus dem Wasser ins Erdreich fließen. Echte Anlagen schalten den Verdichter dann ab und lassen nur die Pumpen für Sole und Wasser laufen. Das heißt passive Kühlung oder Natural Cooling.

Im Modell läuft der Verdichter weiter, fast ohne etwas zu heben, und die ganze Anlage braucht etwa 0,3 kW statt 1,6 kW bei aktiver Kühlung mit Luft. Laut Herstellern kühlt die passive Kühlung sanfter als die aktive und kostet im Betrieb sehr wenig. Dazu kommt: Die Wärme, die im Sommer ins Erdreich geht, ist im Herbst zum Teil noch da. Passive Kühlung geht nur mit Erdreich oder Grundwasser, nie mit einer Luft-Wärmepumpe, denn Sommerluft ist wärmer als das Wasser, das du haben willst.