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Heizen und Kühlen

Natürliche Wärme und Kälte aus dem Erdreich

Wärmepumpe

Die Wärmepumpe „pumpt“ Wärme. Wasser fließt ohne Pumpe stets von oben nach unten, Wärme fließt stets von der höheren Temperatur zur niedrigeren Temperatur. Mit einer Wasserpumpe kann Wasser von einem niedrigen Energieniveau auf ein hohes Energieniveau gepumpt werden. Die Wärmepumpe entnimmt Wärme aus einem Medium niedriger Temperatur und gibt Wärme an ein Medium mit höherer Temperatur ab.

Hauptaggregate der Wärmepumpe:
2 Wärmeübertrager (Kondensator und Verdampfer), Kompressor und Entspannungsventil

Der aus diesen Komponenten bestehende Kältekreis ist mit einem Medium, dem Kältemittel gefüllt. Der Kältekreis erzeugt Kälte, damit Wärme aus der Umwelt am Verdampfer aufgenommen werden kann.

Auf der anderen Seite des Kreislaufs (Kondensator) gibt das Kältemittel diese Wärme an die Heizung ab, nachdem der Kompressor (auch Verdichter genannt) es auf Heiztemperaturniveau "gepumpt" hat (Luftpumpen-Effekt: Luft und Luftpumpe werden beim Zusammendrücken heiß).

Das Entspannungsventil mindert den Druck des Kältemittels, das sich dadurch abkühlt (Fahrradreifen-Effekt: Luft, die aus prall aufgepumptem Reifen pfeift, ist kalt). Der Kreislauf beginnt von vorn.

Verschiedene Hersteller bieten Elektro-Wärmepumpen mit Nennleistungen von 3 bis 500 kW an, bezogen auf eine Solevorlauftemperatur von 0°C und eine Heizkreisvorlauftemperatur von 35°C.

Wärmeübertrager

Im Science College wird für die Kühlung ein sogenannter Plattenwärmeübertrager eingesetzt. Die ist eine spezielle Bauform eines Wärmeübertragers. Es besteht aus geriffelten Platten, welche aufeinander gelegt und verlötet werden oder geklemmt bzw. verschraubt. Die Hohlräume werden abwechselnd vom Primär- und vom Sekundärkreislauf durchströmt. Wärmeübertrager in plattenbauweise sind sehr einfach zu erweitern und kompakt.

Betonkerntemperierung

Normale Heizkörper (Radiatoren) besitzen eine große innere Oberfläche, an der möglichst viel Luft erwärmt wird, die von unten einströmt und oben in den Raum abgegeben wird. Ein geringerer Teil gelangt auch als Wärmestrahlung in den Raum.

Reine Konvektoren erhitzen nur die Luft, ohne Wärmestrahlung bereitzustellen. Optimale Behaglichkeit wird mit großflächigen Heizplatten oder einer Fußbodenheizung erzielt.

Alle Heizkörper sollten so ausgelegt sein, dass die benötigte Heizleistung mit möglichst niedrigen Vorlauftemperaturen (< 40°C) bereitgestellt werden kann. Dies ist besonders wichtig, wenn eine Wärmepumpe als Wärmequelle eingesetzt wird.

Besonders niedrige Vorlauftemperaturen sind nötig, wenn eine Fußbodenheizung eingesetzt wird. Eine Weiterentwicklung der Fußbodenheizung ist die Betonkerntemperierung (BKT), die im Science College eingesetzt wurde. Bei der BKT werden die tragenden Deckenbauteile von Rohrschlangen durchzogen und so auf die notwendige Temperatur gebracht, um das Gebäude sowohl vom Fußboden als auch von der Decke her zu beheizen.

Im Heizungsfall bei einer Vorlauftemperatur von 28 °C sind demnach Heizleistungen von 18 W/m² auf der Fußbodenseite und 22 W/m² auf der Deckenseite möglich. Wegen der im Fußbodenaufbau notwendigen Trittschalldämmung ist am Fußboden der Wärmeübergang abgeschwächt. Als Konsequenz ist die Heizleistung etwas geringer als an der Deckenoberfläche.

Ein möglicher Nachteil der BKT besteht darin, dass das System sehr träge ist, d. h. man braucht einige Stunden, um den Wunsch nach einer erhöhten Raumtemperatur durch die Anhebung der Vorlauftemperatur zu erfüllen. Im Science College besteht unabhängig von der BKT die Möglichkeit, zusätzliche Heizleistung über das Vorwärmen der Zuluft in das Gebäude zu bringen.

Die BKT lässt sich auch effizient zur Kühlung des Gebäudes im Sommer einsetzen. Wenn Erdsonden oder Erdkollektoren zur Versorgung der Wärmepumpe eingesetzt werden, können diese ohne den Einsatz der Wärmepumpe als Kältequelle genutzt werden.

Erdsonden

Wärmepumpen können die unterschiedlichsten Wärmequellen nutzen. Im Science College wurden insgesamt 9 Erdsonden 80 m tief in das Erdreich verlegt. In dieser Tiefe sind Erdreich und Grundwasser das ganze Jahr über ca. 12 °C warm, eine ideale Temperatur zur Versorgung von Wärmepumpen, die zur Gebäudeheizung eingesetzt werden. Typischerweise können Erdsonden eine Wäremleistung von ca. 50 W pro Meter Erdsondenlänge bereitstellen.

Ohne Grundwasserströmung könnte durch den Wärmepumpenbetrieb das Erdreich auf Dauer abgekühlt werden. Das Science College wird aber über die Sonden im Sommer direkt (ohne Wärmepumpenbetrieb) gekühlt, wobei Wärme in das Erdreich gebracht wird.