Getrennte Kreisläufe für Heizung und Kühlung mit vier vollisolierten Rohrleitungen – das ist die klassische Lösung für Gebäude, in denen an die Raumklimatisierung hohe Anforderungen gestellt werden. Oder Systeme mit großen Kältemittelfüllungen, die schwierig zu warten, ökologisch bedenklich und per Gesetz sehr oft und gründlich zu inspizieren sind. Beides ist technisch aufwendig, kostet Energie, und immer geht viel Wärme ungenutzt verloren. Colt International hat jetzt eine Alternative entwickelt: Caloris. Die innovative Klimaanlage kommt mit nur einem zentralen Wasserkreislauf aus. Ob in Neubauten oder bei Sanierungsprojekten – dezentrale Wärmepumpengeräte sorgen in jedem Raum für die gewünschte Temperatur.
Die wesentlichen Vorteile des Water Loop Heat Pump System der Colt Caloris-Anlage liegen in seiner Energieeffizienz und in der Nutzungskombination Heizen plus Kühlen, je nach Wunsch und Wetterlage. An einen zentralen Wasserkreislauf (Water Loop) sind zum individuellen Heizen oder Kühlen eines Raums oder einer Gebäudezone dezentrale Wärmepumpengeräte (Heat Pumps) angeschlossen. Diese Wärmepumpen nutzen zur Erwärmung oder Kühlung der Raumluft den Wasserkreislauf gleichzeitig als Wärmequelle und als Wärmesenke. Dadurch wird im Gesamtsystem eine sogenannte interne Wärmeverschiebung möglich: Über den Wasserkreislauf wird Wärme, die aus einem zu kühlenden Raum entnommen wird, in eine andere Gebäudezone verschoben, in der sie zur Raumerwärmung benötigt wird, zum Beispiel aus einem Serverraum in ein Großraumbüro.
Warm rein, kalt raus
Die kompakten Wärmepumpengeräte arbeiten mit den Kältemitteln R134a, R407C oder R410A und beinhalten die komplette Technik einer Wasser-Luft-Wärmepumpe einschließlich des Vier-Wege-Ventils. Dadurch kann die Wärmepumpe problemlos und schnell vom Heizbetrieb auf Kühlbetrieb umgeschaltet werden. Die Temperierung des Raums erfolgt dabei nach dem Sekundärluftprinzip: Über einen Ventilator wird warme Raumluft in die Wärmepumpe gesogen, durchströmt dort den Verdampfer, wird dabei abgekühlt und strömt als kühle Zuluft zurück in den Raum. Mit Außenluft wird der Raum über Fensterlüftung oder mit einem Lüftungsgerät versorgt. Dann werden Geräte mit doppeltem Kreuzstromwärmeübertrager zur Wärmerückgewinnung verwendet, und eine weitere Nachheizung oder -kühlung findet in den dezentralen Wärmepumpengeräten statt.
Das Gebäude klimatisiert sich selbst
Ein zentraler Pumpen-Wasserkreislauf mit zwei Rohrleitungen – je eine für Vor- und Rücklauf – verbindet alle in einem Gebäude installierten Wärmepumpen. Da Wärme und Kälte dezentral in den jeweiligen Räumen erzeugt werden, ist eine thermische Isolierung der Rohrleitungen überflüssig. Die Wassertemperatur des Kreislaufs beträgt zwischen 16 im Winter und 25 Grad Celsius im Sommer.
Und so funktioniert die Kombination aus Wärmequelle und Wärmesenke bei einer Wasserkreislauftemperatur von 20 Grad Celsius praktisch: Diejenigen Raum-Wärmepumpen, die im Heizmodus arbeiten, entziehen dem 20 Grad Celsius warmen Wasser thermische Energie und erzeugen eine Wärmeleistung, die zur Erwärmung der Sekundärluft auf eine Temperatur von zum Beispiel 35 Grad Celsius ausreicht. Das bei diesem Prozess abgekühlte Wasser fließt mit einer Temperatur von etwa 15 Grad Celsius in den Wasserkreislauf zurück. Dem Wasserkreislauf wurde also Wärme entzogen, und dessen Temperatur ist jetzt zum Beispiel auf 19 Grad Celsius gesunken.
Umgekehrt nehmen diejenigen Raum-Wärmepumpen, die im Kühlmodus arbeiten, Wärme aus der Raumluft auf und speisen diese in den Wasserkreislauf ein. Dessen Temperatur steigt ein wenig an. Auf diese Weise ergibt sich infolge der unterschiedlichen Betriebszustände der dezentralen Wärmepumpen ein ständiges Geben und Nehmen von thermischer Leistung in und aus dem zentralen Wasserkreislauf. Das Ergebnis liegt auf der Hand: Wärmeüberschüsse, die in einigen Gebäudezonen anfallen, können mit Wärmedefiziten in anderen Zonen ausgeglichen werden, und es ergibt sich eine hervorragende Gesamt-Energieeffizienz des Systems.
Ist und Soll
Der Idealzustand wäre nun, dass gerade die Hälfte der Wärmepumpen im Heizbetrieb und die andere Hälfte im Kühlbetrieb arbeiten. Dann bliebe durch den gleichzeitigen In- und Output die Temperatur im Wasserkreislauf fast konstant. Die Wärme-Kälte-Energiebilanz im Gebäude wäre ausgeglichen. Als Betriebskosten fielen dann lediglich die Stromaufnahmen der Wärmepumpen für den Verdichter- und den Ventilatorbetrieb sowie die Pumpenenergie zum Wassertransport im zentralen Wasserkreislauf an. In der Realität freilich stellt sich über den Zeitraum eines Jahres gesehen meistens ein Mischbetrieb ein: Ein Teil der Geräte heizt, ein anderer Teil kühlt. Erst wenn die überwiegende Mehrzahl der Geräte zum Beispiel im Winter heizt oder im Sommer kühlt, wird die Temperatur des Wasserkreislaufs den zulässigen Bereich von 16 bis 25 Grad Celsius über- oder unterschreiten. Und erst dann wird eine externe Außeneinheit – ebenfalls eine Wärmepumpe – zugeschaltet.
Erfahrungen mit Standardgebäuden haben gezeigt, dass diese externe Wärmepumpe nur etwa 1000 Stunden pro Jahr in Betrieb ist. Davon entfallen mehr als 70 Prozent auf den Kühlbetrieb. Ergänzt man nun den beschriebenen Kreislauf um einen geeignet großen Pufferspeicher etwa mit einem Volumen von 1000 Litern, kann dadurch die Laufzeit der externen Wärmepumpe nochmals wesentlich verringert werden.
Die Klima- und die Energie-Balance stimmen, wenn ein Gebäude sich quasi aus sich selbst heraus zu heizen und zu kühlen imstande ist. Dazu werden die benötigten Wärmemengen zum morgendlichen Aufheizen durch die Wärmeüberschüsse des vorherigen Tages abgedeckt. Zudem können Kühllasten aus Serverräumen nicht nur direkt zum Heizen verwendet, sondern sie können darüber hinaus bis zu einem bestimmten Grad auch gespeichert werden. Das Wasser im Water Loop wird mit Korrosionsschutzmittel versehen, ein Frostschutz ist nicht notwendig. Falls gewünscht, können in die Wärmepumpenanlage übrigens auch Umweltenergien oder Prozessabwärme eingebracht werden wie Erdwärme, Wärme aus Abwasser, Kühlwasser aus BHKW oder Produktionsmaschinen.
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red
Bild: An einen zentralen Wasserkreislauf sind zum individuellen Heizen oder Kühlen eines Raums oder einer Gebäudezone dezentrale Wärmepumpengeräte (Heat Pumps) angeschlossen. Diese Wärmepumpen nutzen zur Erwärmung oder Kühlung der Raumluft den Wasserkreislauf gleichzeitig als Wärmequelle und als Wärmesenke.
