Wärmepumpen gelten längst als Herzstück der Wärmewende, doch ihr Potenzial reicht deutlich weiter als nur bis zum Heizen im Winter. Im Sommer kann die Wärmepumpe aktiv zur Kühlung von Wohn- und Gewerberäumen beitragen. Angesichts immer heißerer und länger andauernder Hitzeperioden gewinnt diese Zusatzfunktion spürbar an Bedeutung. Statt ein separates Klimagerät anzuschaffen, das zusätzlichen Platz, zusätzliche Kosten und einen eigenen Stromanschluss benötigt, lässt sich mit einer Wärmepumpe im Idealfall ein einziges System für alle Jahreszeiten nutzen.
Grundprinzip der Wärmepumpe
Um zu verstehen, wie eine Wärmepumpe kühlen kann, lohnt sich zunächst ein Blick auf ihre grundlegende Funktionsweise. Eine Wärmepumpe nutzt einen geschlossenen Kreislauf, in dem ein Kältemittel zirkuliert und dabei wiederholt seinen Aggregatzustand wechselt. Im Verdampfer nimmt das Kältemittel bei niedrigem Druck Wärme aus einer Quelle auf, etwa aus der Außenluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser, und verdampft dabei. Der anschließende Verdichter komprimiert das gasförmige Kältemittel, wodurch sich Druck und Temperatur deutlich erhöhen. Im Kondensator gibt das nun heiße Kältemittel diese Energie an das Heizsystem des Gebäudes ab und kondensiert dabei wieder zu einer Flüssigkeit. Über ein Expansionsventil wird der Druck schließlich wieder gesenkt, bevor der Kreislauf von vorne beginnt. Auf diese Weise wird Umgebungswärme, die eigentlich zu kalt zum direkten Heizen wäre, auf ein nutzbares Temperaturniveau angehoben. Genau dieser physikalische Grundmechanismus lässt sich auch in die umgekehrte Richtung anwenden.
Wie wird aus der Heizung eine Kühlung?
Durch die Umkehrung des Kreislaufprozesses wird aus einer reinen Heizungswärmepumpe ein Kühlsystem. Bei sogenannten reversiblen Wärmepumpen lässt sich die Fließrichtung des Kältemittels über ein Umschaltventil, das Vierwegeventil, gezielt drehen. Dadurch tauschen Verdampfer und Kondensator im Prinzip ihre Rollen und statt Wärme aus der Umgebung aufzunehmen und ins Gebäude zu leiten, wird nun Wärme aus dem Gebäudeinneren aufgenommen und nach außen abgegeben. Die Räume kühlen ab, während die überschüssige Wärme etwa an die Außenluft, das Erdreich oder das Grundwasser übertragen wird.
Grundsätzlich unterscheidet man zwischen zwei Betriebsarten. Bei der aktiven Kühlung läuft der Verdichter weiterhin, der Kreislauf wird also umgekehrt und aktiv angetrieben, was Strom verbraucht, aber auch eine spürbare und regelbare Kühlleistung ermöglicht. Deutlich sparsamer arbeitet die passive Kühlung, auch Natural Cooling oder Free Cooling genannt. Hier bleibt der Verdichter komplett ausgeschaltet, lediglich Umwälzpumpen sind in Betrieb. Genutzt wird dabei das ganzjährig kühle Temperaturniveau des Erdreichs oder des Grundwassers, das über einen Wärmetauscher direkt an das Heizungs- beziehungsweise Kühlsystem im Gebäude abgegeben wird. Da hierbei kein energieintensiver Verdichtungsprozess nötig ist, liegt der Stromverbrauch der passiven Kühlung um ein Vielfaches unter dem der aktiven Variante.
Welche Wärmepumpentypen können kühlen?
Nicht jede Wärmepumpe ist gleichermaßen für den Kühlbetrieb geeignet, denn die Möglichkeit zur Umkehrung des Kreislaufs hängt stark von der genutzten Wärmequelle ab. Luft-Wasser-Wärmepumpen, die derzeit am häufigsten verbaut werden, können in der Regel nur aktiv kühlen, da die Außenluft im Sommer selbst zu warm ist, um als passive Kühlquelle zu dienen. Ihre Kühlleistung ist entsprechend an den Verdichterbetrieb und damit an einen gewissen Stromverbrauch gekoppelt. Sole-Wasser-Wärmepumpen, die über Erdkollektoren oder Erdsonden an das Erdreich angebunden sind, bieten hier deutlich mehr Flexibilität. Da die Temperatur im Erdreich in einigen Metern Tiefe ganzjährig relativ konstant und im Sommer angenehm kühl ist, eignen sich diese Systeme sowohl für die aktive als auch für die besonders effiziente passive Kühlung. Ähnliches gilt für Wasser-Wasser-Wärmepumpen, die Grundwasser als Quelle nutzen. Auch hier steht mit dem Grundwasser eine ganzjährig kühle Quelle zur Verfügung, sodass sich passive Kühlung mit sehr geringem Energieaufwand realisieren lässt. Wärmepumpen mit erdgebundener oder wassergebundener Wärmequelle bieten in puncto Kühlung die größere Bandbreite und Effizienz, während luftbasierte Systeme zwar ebenfalls kühlen können, dabei aber auf den energieintensiveren aktiven Betrieb angewiesen sind.
Technische Voraussetzungen im Gebäude
Damit eine Wärmepumpe ihre Kühlfunktion tatsächlich sinnvoll ausspielen kann, braucht es auf der Gebäudeseite passende Rahmenbedingungen. Klassische Heizkörper sind für den Kühlbetrieb denkbar ungeeignet, da ihre geringe Oberfläche kaum Kühlleistung übertragen kann und zudem ein hohes Risiko für Kondensation besteht. Wesentlich besser geeignet sind Flächenheiz- beziehungsweise Flächenkühlsysteme wie Fußbodenheizungen, Wandheizungen oder Deckensysteme. Ihre große Fläche ermöglicht eine gleichmäßige und sanfte Kühlung der Räume, ohne störende Zugluft oder unangenehme Temperaturunterschiede zu erzeugen. Ein zentraler technischer Aspekt ist zudem die Taupunktregelung. Da kühle Oberflächen bei zu niedriger Temperatur Feuchtigkeit aus der Raumluft binden können, muss verhindert werden, dass die Vorlauftemperatur den Taupunkt unterschreitet, weil sonst Kondenswasser entsteht, das langfristig zu Feuchtigkeitsschäden oder Schimmelbildung führen kann. Moderne Systeme überwachen Temperatur und Luftfeuchtigkeit daher kontinuierlich und passen die Kühlleistung entsprechend an. Ergänzend spielen auch Pufferspeicher eine wichtige Rolle, da sie sowohl im Heiz- als auch im Kühlbetrieb für eine stabile hydraulische Einbindung sorgen und Lastspitzen abfedern können. Nicht zuletzt ist eine durchdachte Steuerungs- und Regeltechnik notwendig, die den Wechsel zwischen Heiz- und Kühlbetrieb zuverlässig steuert und die verschiedenen Komponenten des Systems intelligent aufeinander abstimmt.
Wärmepumpe vs. klassische Klimaanlage
Wer vor der Entscheidung steht, ob eine wärmepumpenbasierte Kühlung oder eine klassische Klimaanlage die bessere Wahl ist, sollte mehrere Aspekte gegeneinander abwägen. In Sachen Energieeffizienz punkten beide Systeme unterschiedlich, je nach Betriebsart lässt sich die Effizienz anhand von Kennzahlen wie dem COP für den Heizbetrieb oder dem EER für den Kühlbetrieb vergleichen. Während aktive Kühlung über die Wärmepumpe ähnliche Effizienzwerte wie moderne Split-Klimageräte erreichen kann, übertrifft die passive Kühlung mit ihrem sehr geringen Strombedarf praktisch jede klassische Klimaanlage. Bei den Kosten zeigt sich ein differenziertes Bild. Wer ohnehin eine Wärmepumpe zum Heizen plant oder bereits besitzt, kann die Kühlfunktion oft mit vergleichsweise geringem Mehraufwand nachrüsten oder von Anfang an mit einplanen, wodurch sich die Investition in ein separates Klimasystem erübrigt. Reine Klimaanlagen sind in der Anschaffung häufig günstiger, verursachen dafür aber eigene laufende Betriebskosten und benötigen einen zusätzlichen Installationsaufwand.
Auch beim Raumklima unterscheiden sich die beiden Ansätze spürbar. Flächenkühlung über Fußboden, Wand oder Decke sorgt für eine gleichmäßige, kaum wahrnehmbare Temperaturregulierung ohne Zugluft und ohne die für Klimageräte typischen Betriebsgeräusche. Klassische Luft-Klimaanlagen hingegen kühlen deutlich schneller und punktueller, was einerseits als angenehm empfunden werden kann, andererseits aber auch zu Zugluft, ungleichmäßiger Temperaturverteilung im Raum und störender Geräuschkulisse führen kann. Ein weiterer praktischer Vorteil der Wärmepumpenlösung liegt im Platzbedarf und der Optik. Anders als bei Split-Klimageräten sind in der Regel keine zusätzlichen Außeneinheiten oder sichtbaren Innengeräte an der Wand nötig, da die Kühlung über das ohnehin vorhandene Verteilsystem im Gebäude erfolgt.
Vorteile der Wärmepumpen-Kühlung
Die Vorteile der Kühlung mit Wärmepumpen liegen vor allem in der intelligenten Doppelnutzung vorhandener Technik. Wer bereits in eine Wärmepumpe investiert hat oder investieren möchte, kann mit vergleichsweise geringem Zusatzaufwand ein System schaffen, das sowohl im Winter heizt als auch im Sommer kühlt, ohne dass eine komplett separate Klimaanlage samt eigener Installation notwendig wird. Besonders bei der passiven Kühlung zahlt sich dieser Ansatz aus, da hier der Stromverbrauch im Vergleich zu klassischen Klimageräten drastisch reduziert ist, was sich auf der Stromrechnung bemerkbar macht. Hinzu kommt der Komfortgewinn durch die gleichmäßige, geräuscharme Kühlung über große Flächen, die im Gegensatz zu punktuellen Luftströmen aus klassischen Klimageräten von vielen Nutzern als deutlich angenehmer empfunden wird. Nicht zuletzt ergeben sich attraktive Synergien mit einer Photovoltaikanlage. Da der höchste Kühlbedarf typischerweise mit den sonnenreichsten und damit ertragsstärksten Monaten zusammenfällt, lässt sich der für den aktiven Kühlbetrieb benötigte Strom in vielen Fällen zu einem großen Teil direkt aus der eigenen Solarstromerzeugung decken.
Nachteile und Grenzen
So überzeugend das Konzept auch klingt, es bringt gleichzeitig Einschränkungen mit sich, die bei der Planung berücksichtigt werden sollten. Im direkten Vergleich zu leistungsstarken, dedizierten Klimaanlagen fällt die Kühlleistung einer Wärmepumpe, insbesondere im passiven Betrieb, spürbar geringer aus, wodurch sie an sehr heißen Tagen oder in stark aufgeheizten Räumen an ihre Grenzen stoßen kann. Auch die Trägheit der Flächenkühlung macht sich bemerkbar. Da große Massen wie Estrich oder Wandaufbauten erst langsam auf Temperaturänderungen reagieren, lässt sich mit diesem System keine schnelle, punktuelle Abkühlung erzielen, wie sie ein klassisches Klimagerät binnen weniger Minuten liefern kann. Ein weiterer wichtiger Punkt betrifft die Nachrüstbarkeit bestehender Anlagen. Nicht jede bereits installierte Wärmepumpe oder jedes vorhandene Verteilsystem lässt sich ohne Weiteres kühltauglich machen, insbesondere wenn im Gebäude noch klassische Heizkörper statt Flächenheizungen verbaut sind oder das bestehende Wärmepumpenmodell technisch nicht reversibel ausgelegt ist. Schließlich verursacht auch die Kühlfunktion selbst zusätzliche Kosten, etwa durch benötigte Umschaltventile, Taupunktwächter, entsprechende Sensorik und eine angepasste Regelungstechnik, die bei der Kalkulation eines Wärmepumpenprojekts von vornherein mit eingeplant werden sollten.
Wirtschaftlichkeit
Die wirtschaftliche Bewertung einer Wärmepumpen-Kühlung hängt stark vom individuellen Anwendungsfall ab. Wer sich für die Kühlfunktion entscheidet, muss zunächst mit gewissen Investitionsmehrkosten gegenüber einer reinen Heizwärmepumpe rechnen, da zusätzliche Komponenten wie Umschaltventile und die passende Regelungstechnik erforderlich sind. Diesen Mehrkosten stehen im Sommerbetrieb jedoch vergleichsweise moderate laufende Stromkosten gegenüber, insbesondere dann, wenn ein Großteil der Kühlung passiv über Erdreich oder Grundwasser erfolgt. Über die gesamte Nutzungsdauer betrachtet kann sich die integrierte Lösung damit gegenüber der Anschaffung und dem Betrieb eines separaten Klimasystems durchaus rechnen. Je nach Region und aktueller Förderkulisse lassen sich zudem staatliche Zuschüsse oder vergünstigte Finanzierungsmöglichkeiten für Wärmepumpen nutzen, wobei sich diese Förderungen meist in erster Linie auf die Heizfunktion beziehen und die Kühlfunktion nicht immer gesondert gefördert wird. Ein Blick in die jeweils aktuellen nationalen und regionalen Förderprogramme lohnt sich daher in jedem Fall vor der endgültigen Investitionsentscheidung.
Praxistipps zur Planung
Bei der konkreten Planung eines Wärmepumpensystems mit Kühlfunktion empfiehlt es sich, frühzeitig zwischen Neubau und Nachrüstung im Bestand zu unterscheiden. Im Neubau lässt sich die gesamte Haustechnik von Anfang an konsequent auf den kombinierten Heiz- und Kühlbetrieb auslegen, etwa durch die direkte Planung einer Flächenheizung mit Kühlfunktion und einer reversiblen Wärmepumpe. Im Bestand hingegen muss zunächst geprüft werden, ob die vorhandene Anlage und das bestehende Verteilsystem überhaupt für einen Kühlbetrieb geeignet sind oder ob umfangreichere Umbauarbeiten notwendig wären. In jedem Fall ist eine sorgfältige Dimensionierung durch einen erfahrenen Fachbetrieb unverzichtbar, da sowohl die Heizlast im Winter als auch der Kühlbedarf im Sommer realistisch ermittelt werden müssen, um die Anlage weder zu über- noch zu unterdimensionieren. Sinnvoll ist zudem die Kombination mit einer Photovoltaikanlage und einem passend ausgelegten Pufferspeicher, wodurch sich der Eigenverbrauch von selbst erzeugtem Solarstrom optimieren und die Betriebskosten weiter senken lassen. Wer diese Aspekte von Beginn an mitdenkt, schafft die Grundlage für ein System, das über viele Jahre hinweg zuverlässig und effizient sowohl für angenehme Wärme im Winter als auch für Kühle im Sommer sorgt.