Für das Kühlen mit (Bestands-)Heizungsanlagen gibt es gute Argumente:

  • Bestehende Heizungsanlagen lassen sich einfach und kostengünstig um eine Kühlfunktion erweitern.
  • Die Lösung ist für den Gebäudebestand, aber selbstverständlich auch für den Neubau geeignet.
  • Die Erweiterung einer Heizungsanlage um eine Kühlfunktion verbessert, insbesondere während lang anhaltender Hitzeperioden, die thermische Behaglichkeit deutlich.
  • Die Erweiterung einer Heizungsanlage um eine Kühlfunktion führt zu einer Wertsteigerung der Immobilie.
  • Das hohe Niveau der Kühlmitteltemperatur ermöglicht eine sehr kostengünstige Kälteauskopplung aus der Umwelt. Hierfür kann beispielsweise Grundwasser oder der Solekreislauf einer Sole-Wasser-Wärmepumpe genutzt werden.
  • Das hohe Niveau der Kühlmitteltemperatur ermöglicht die Kälteauskopplung aus dem Rücklauf bestehender Kälteerzeugungsanlagen.
  • Die Möglichkeit zur Erweiterung einer Heizungsanlage um eine Kühlfunktion motiviert zusätzlich zum Einsatz effizienter Wärmepumpentechnologien zur Wärme- und Kältebereitstellung.
  • Die Auslastung von BHKW kann im Sommer dadurch gesteigert werden, dass die erzeugte Wärme für den Antrieb von Adsorptionskältemaschinen genutzt werden kann.
  • Insbesondere in urbanen Gebieten haben die sommerlichen Umgebungstemperaturen in den letzten Jahren deutlich zugenommen. Dieser Trend wird auch in den kommenden Jahren bestehen. Dabei nimmt besonders in den älteren Altersgruppen die Anzahl hitzebedingter Todesfälle zu.

Gegenüber dem ungekühlten Vergleichsfall kann eine deutliche Verbesserung der thermischen Behaglichkeit auch dann erreicht werden, wenn die Kühlung über Freie Heizflächen erfolgt. Im Rahmen von Feldmessungen wurde mit verschiedenen Methoden ein Temperatur-Absenkpotential von mehr als 4 K ermittelt. Damit wurden die Ergebnisse früherer CFD-Rechnungen [1], [2] bestätigt. Die in [3] vorgestellten Ergebnisse einer aktuellen, unabhängigen Untersuchung liegen ebenfalls in dieser Größenordnung.

Bei den Felduntersuchungen kann das Einschwingverhalten des Gebäudes im Rahmen der Versuchsplanung und -durchführung nur eingeschränkt berücksichtigt werden1). Dabei kann davon ausgegangen werden, dass sich in der Realität ein größeres Temperaturabsenkpotential einstellt. Dies bestätigen Simulationsrechnungen, mit denen sich verschiedene Szenarien unter exakt gleichen Randbedingungen betrachten lassen. Die Ergebnisse (Abb. 1) zeigen, dass bei langanhaltenden Hitzeperioden eine deutlich größere Temperaturabsenkung erreicht werden kann.

Abb 1: Raumtemperaturverläufe während einer anhaltenden Hitzeperiode (Simulationsergebnis)

Neben der Absenkung der Raumtemperatur geht von dem sich ausbildenden Kaltluftsee eine weitere Kühlwirkung aus, welche insbesondere bei höheren Raumtemperaturen als sehr angenehm empfunden wird. Durch den Kaltluftsee erfolgt eine punktuelle Kühlung von Wärmequellen, welche sich innerhalb des Kaltluftsees befinden. Zusätzlich wird durch den Kaltluftsee auch indirekt die darunter befindliche Decke gekühlt. Dies verbessert die thermische Behaglichkeit in den betreffenden Räumen. Hier wirken an der Decke ein sehr guter konvektiver Wärmeübergang und sehr gute Einstrahlverhältnisse auf die im Raum befindlichen Personen.

1) Das Versuchsprogramm erfordert einen Wechsel zwischen einem ungekühlten und gekühlten Betrieb bei ähnlichen Witterungsbedingungen, oder die Betrachtung von gekühlten und ungekühlten Gebäudeabschnitten im gleichen Zeitraum. In beiden Fällen kann das Einschwingverhalten des Gebäudes nur eingeschränkt berücksichtigt werden. 

[1] Richter, W.: Handbuch der thermischen Behaglichkeit – Sommerlicher Kühlbetrieb. Schriftenreihe der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin, 2007 – ISBN: 978-3-88261-068-0

[2] Seidel, P.; Gritzki, R.; Haupt, J.; Rösler, M.: Sommerliche Raumkühlung im Wohnungsbau mittels kombinierter Heiz- Kühlsysteme und gleitend nicht normierter Raumtemperaturen (Temperierungseffekt) / TU Dresden, Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung. 2013. Forschungsbericht. BMWI 0327483A

[3] Pazold, M.; Giglmeier, S.; Winkler, M.; Zhenming, P.: Potenzialanalyse zum Einsatz bestehender Heizsysteme zur Raumkühlung. In: HLH (09/2020)

Im Rahmen der Felderprobung wird ein Monitoring in verschiedenen Gebäuden durchgeführt.
Dabei wird die Kühlwirkung nachstehender Systeme vergleichend betrachtet:

  • Freie Heizflächen
  • Deckenkühlsegel
  • Deckenstrahlprofile (System KLIX)
  • Wandkühlung
  • Fußbodenkühlung
  • Umluftkühlgeräte

Hierbei steht die Betrachtung der Kühlwirkung Freier Heizflächen im Vordergrund.
Hinsichtlich der Kältebereitstellung werden nachstehende Möglichkeiten betrachtet:

  • Sole-Wasser-Wärmepumpe
  • Gas-Motor-Wärmepumpe
  • Brunnenwassernutzung
  • Kompressionskältemaschine
  • Kälteauskopplung aus dem Rücklauf einer Kälteversorgungseinrichtung

Die Kältebereitstellung über eine Luft-Wasser-Wärmepumpe wird im Rahmen von Simulationsrechnungen untersucht.

Die messtechnische Ausstattung reicht von der Temperaturmessung, über die Nutzung der Möglichkeiten der Gebäudeleittechnik bis hin zu einer laborähnlichen Ausstattung.
Letztere ermöglicht die Erfassung

  • von Luft- und Empfindungstemperaturen,
  • von horizontalen und vertikalen Verteilungen der Lufttemperatur,
  • der Vor- und Rücklauftemperaturen an den Kühlflächen sowie
  • der Kühlmittel-Masseströme.

Ergänzt werden die Feldmessungen durch Simulationsrechnungen. Hierbei kommt die bidirektional gekoppelte Anlagen- und Gebäudesimulation TRNSYS-TUD zur Anwendung. Die Software erlaubt eine Bilanzierung der Wasserdampftransportvorgänge, so dass auch die zeitliche Veränderung der Taupunkttemperaturen hinreichend genau abgebildet ist. Spezielle Problemstellungen (beispielsweise zur Leistungssteigerung von Heizflächen) werden in einem Klimaraum untersucht, welcher die Temperierung der Umgebungswände und die Vorgabe von Raumluftzuständen ermöglicht.

Da weder an den Kühlflächen, noch innerhalb der Verteilung des Kühlmediums eine Tauwasserbildung einsetzen darf, können für die Kältebereitstellung auch Möglichkeiten genutzt werden, bei denen das Kühlmittel auf einem vergleichsweise hohem Temperaturniveau bereitgestellt wird. Dies ermöglicht beispielsweise eine besonders kostengünstige Kältebereitstellung beim Einsatz von Sole-Wasser-Wärmepumpen, indem der Solekreislauf als Wärmesenke genutzt wird. Damit ist bei entsprechenden geologischen Bedingungen eine Regeneration des Erdreiches für den kommenden Winterbetrieb möglich. Eine weitere kostengünstige Möglichkeit zur Kältebereitstellung ist die Verwendung von Grundwasser als Wärmesenke.

Im Rahmen der Feldlösungen werden nachstehende Möglichkeiten betrachtet:

  • Sole-Wasser-Wärmepumpe
  • Adsorptionskältemaschine
  • Gas-Motor-Wärmepumpe
  • Brunnenwassernutzung
  • Kompressionskältemaschine
  • Kälteauskopplung aus dem Rücklauf einer Kälteversorgungseinrichtung

Die in der Felderprobung eingesetzte Adsorptionskältemaschine wird über die Abwärme eines BHKW angetrieben. Dies ermöglicht während der Sommermonate eine deutliche Laufzeitverlängerung des BHKW und eine deutliche Steigerung der Eigenverbrauchsrate des produzierten Stromes. Die Kühlung über die bestehende Heizungsanlage ermöglicht dabei eine Grundlastabdeckung. Ausgewählte Räume des Feldtestobjektes sind zusätzlich mit Deckenkühlsegeln ausgestattet und ermöglichen einen intermittierenden Komfortkühlbetrieb. Für die Deckung der Kühllastspitzen wird eine Gas-Motor-Wärmepumpe genutzt. Zur Kühlung der Räume mit nahezu ganzjährigem Kühlbedarf kann die Adsorptionskältemaschine bei entsprechend niedrigen Außentemperaturen im Modus „Freie Kühlung“ betrieben werden.

Die Kühlung über Brunnenwasser wird in einem historischen Dreiseitenhof genutzt. Dem aus einem Quellbrunnen entnommenem Grundasser wird über einen Wärmeübertrager die aus dem Gebäude abgeführte Wärme zugeführt. Anschließend wird das erwärmte Wasser einem Senkbrunnen zugeführt. Eine Füllstandsüberwachung gewährleistet, dass der Quellbrunnen nicht trockenfällt und der Senkbrunnen nicht überläuft.

Da bei der Kühlung über Freie Heizflächen nur kleine Kühlleistungen übertragen werden können, kann die Kältebereitstellungsanlage für eine vergleichsweise kleine Leistung ausgelegt werden. Wesentlich ist die zeitliche Verfügbarkeit der Wärmesenke, da der mit Freien Heizflächen erzielbare Temperierungseffekt auch durch einen weitestgehend durchgängigen Kühlbetrieb erreicht wird. Dies ist insbesondere bei der Brunnenwassernutzung und der Kälteauskopplung aus dem Rücklauf von Kälteversorgungseinrichtungen zu beachten.

Im Heizfall fördern Freie Heizflächen einen warmen, über der Heizfläche aufsteigenden Luftvolumenstrom. Dessen Ausbreitung im Raum wird meist durch die thermische Wirkung des sich darüber befindlichen Fensters beeinflusst. Vom Fenster ausgehende thermische Wirkungen resultieren aus dessen geringer Oberflächentemperatur und des über die Fensterfugen einströmenden Außenluftvolumenstromes. Die Ausbreitung der über Freien Heizflächen aufsteigenden Warmluftströmung ist daher nur bedingt kalkulierbar.
Die von Freien Heizflächen im Kühlfall geförderte Kaltluft wird dagegen immer solange im Fußbodenbereich verharren, bis sie durch die darin befindlichen Wärmelasten erwärmt wird. Die Wirkung eines sich so einstellenden Kaltluftsees ist daher unmittelbar auf die darin befindlichen Wärmequellen gerichtet.

Im Video wird die von einer kalten Heizfläche erzeugte Luftströmung mittels Rauch visualisiert. Deutlich zu erkennen ist die Speisung des Kaltluftsees und die an der warmen Bekleidung aufsteigende Kaltluftströmung.

Das Video (16-fache Geschwindigkeit) zeigt die mit Rauch visualisierte Luftströmung vor der Eingangstür eines Büroraumes. Die Tür befindet sich gegenüber dem vor der Außenwand befindlichen Heizkörper. Deutlich zu erkennen ist die thermische Grenzschicht ca. 50cm über dem Fußboden.

Die Ergebnisse eines Pilotversuches zeigen, dass durch die Wirkung gekühlter Heizflächen die Temperatur unterhalb einer Höhe von ca. 1 m stark abnimmt und dieser Temperaturverlauf auch noch in einer deutlichen Entfernung zur Heizfläche nachweisbar ist.
Bei nicht-repräsentativen Befragungen während der sommerlichen Kühlperiode wurde der Temperaturgradient als sehr angenehm beschrieben. Ein versuchsweise durchgeführter Kühlbetrieb in der Übergangszeit führte hingegen vereinzelt zu Rückmeldungen über zu niedrige Temperaturen im Fußbereich.

Bei einer Kostenbetrachtung ist zu berücksichtigen, dass die Kosten für das Verteil- und Übergabesystem entfallen, da hierfür die bestehende Heizungsanlage genutzt wird.

Die Höhe der Investitions- und Betriebskosten richten sich vor allem nach den örtlichen und individuellen Möglichkeiten zur Kältebereitstellung. Besonders niedrige Kosten entstehen, wenn eine direkte Nutzung der Umwelt als Wärmesenke möglich ist.

Weitere Kosten entstehen für die Installation einer Vorlauftemperatur-Regeleinrichtung. Der erreichbare Temperierungseffekt lässt sich maximieren, wenn die Vorlauftemperatur in Abhängigkeit der Taupunkttemperatur geregelt wird. Dazu fallen moderate Kosten für die Installation der entsprechenden Sensorik an.

Eine Kostenbetrachtung sollte den ganzjährigen Anlagenbetrieb berücksichtigen, da die Erschließung des Zusatznutzen „Kühlung“ meist auch zu einer Effizienzverbesserung im Heizbetrieb, oder bei der Nutzung regenerativer Energiequellen führt.

Die detaillierte Betrachtung der Kosten ist ein Bearbeitungsschwerpunkt in der aktuellen Projektarbeit.

Das Projektlogo repräsentiert die wesentlichen Merkmale der Projektidee:

  • Die Farbe Rot steht für Heizen und die Farbe Blau für Kühlen.
  • Der Name KUEHA leitet sich von „KUEhlen mit der vorhandenen Heizungs-Anlage ab“.
  • Neben der Absenkung der Raumtemperatur erwarten wir die Ausbildung eines Kaltluftsees. Dies soll die blau eingefärbte Spiegelung des Projektnamens transportieren.
  • Die typische vertikale Durchströmung Freier Heizflächen erfordert differenzierte Betrachtungen (Entdecke Oberflächentemperatur Freier Heizflächen im Kühlfall) unter Berücksichtigung der Richtung des Temperaturgefälles.
  • Das obligatorische Regelventil hat nur im Winterfall eine Regelfunktion. Im Kühlfall sollte das Ventil einen maximalen Durchfluss gewährleitsen.

Bei Freien Heizflächen wird der Vorlauf des Heizmittels in den oberen Bereich der Heizfläche eingeleitet. Dadurch, dass das einströmende wärmere Vorlaufwasser das Bestreben hat, entgegen dem anstehendem Druckgefälle zwischen Vor- und Rücklauf aufzusteigen, wird eine gleichmäßige Temperierung der Heizfläche erreicht. Im Kühlfall würde das oben eintretende Kühlmittel mit dem Druckgefälle in Richtung Rücklauf „fallen“. Es entsteht eine Kurzschlussströmung. Diese lässt sich durch hinreichend hohe Masseströme vermeiden. Eine weitere Möglichkeit zur Vermeidung einer Kurzschlussströmung ist die Umkehr der Durchströmungsrichtung einer Heizfläche. Erste Messungen zeigen, dass Heizkörper, bei denen die einzelnen Platten nacheinander durchströmt werden (serielle Durchströmung), auch bei kleinen Volumenströmen ohne Strömungsumkehr gleichmäßig gekühlt werden.

Thermografieaufnahme eines parallel durchströmten Radiators mit oberem Kaltwassereintritt. Der Radiator wird nur mit der Hälfte des Auslegungsvolumenstromes versorgt. Der zu geringe Volumenstrom führt zu einer Kurzschlussströmung. Dadurch wird nur ein kleiner Teil der Oberfläche des Radiators thermisch wirksam. Erforderlich ist eine deutliche Anhebung des Volumenstroms oder die Umkehr der Durchströmungsrichtung des Radiators.

Die Thermografie zeigt eine Kurzschlussströmung welche sich in einem parallel durchströmten Radiator einstellt. Rechts ist die Einbausituation des Radiators abgebildet. Der Kaltwassereintritt erfolgt oben. Der Massestrom ist zu gering. Da nur ein kleiner Teil der Oberfläche des Radiators thermisch wirksam ist, stellt sich keine Kaltluftförderung ein. Auf den Fußboden wirkt eine starke solare Wärmebelastung, welche nicht kompensiert werden kann.

Das Video zeigt die Entwicklung der Temperaturverteilung in einem parallel durchströmten Radiator bei einem oberen Kaltwassereintritt. Durch die sich ausbildende Kurzschlussströmung ist die Kühlwirkung minimal.
Für eine vollflächige Durchströmung der Heizfläche ist eine Strömungsumkehr (Kaltwassereintritt unten) oder eine deutliche Erhöhung des Volumenstromes erforderlich.

Das Video zeigt die Entwicklung der Temperaturverteilung in einem sequentiell durchströmten Radiator mit unterem Kaltwassereintritt. Ähnlich wie bei einem parallel durchströmten Heizkörper mit einem unteren Kaltwassereintritt wird dieser vollflächig gekühlt.

Bei einem seriell durchströmten Radiator wurde auch bei oberem Kaltwassereintritt eine durchgängige Aktivierung beobachtet. Die dabei auftretende zeitliche Verzögerung ist nicht relevant, da das Konzept der Kühlung über Freie Heizflächen von einem durchgängigen Kühlbetrieb ausgeht. Wenn die Übertragbarkeit des Ergebnisses gegeben ist, kann bei seriell durchströmten Radiatoren im Kühlfall auf eine Umkehr der Strömungsrichtung verzichtet werden.

Werden Freie Heizflächen zur sommerlichen Raumkühlung eingesetzt, ist deren Kühlleistung aufgrund der geringen Untertemperatur des Kühlmittels vergleichsweise gering. Eine Raumtemperaturregelung ist daher nicht erforderlich1).

Zur Vermeidung einer Taupunktunterschreitung ist eine Regelung der Vorlauftemperatur erforderlich. Diese kann über eine Beimisch-Schaltung realisiert werden. Die Vorgabe der Soll-Vorlauftemperatur kann als fester Wert, oder in Abhängigkeit der Taupunkttemperatur erfolgen. Im Rahmen der Felduntersuchungen wurden beide Möglichkeiten betrachtet. Eine taupunkttemperaturgeführte Vorlauftemperaturregelung erhöht das Temperaturabsenkpotential Freier Heizflächen deutlich. Die Vorlauftemperaturregelung lässt sich durch eine Sicherheitsfunktion ergänzen, bei dem der Kühlbetrieb unterbrochen wird, sobald ein Tauwasserniederschlag durch einen entsprechenden Sensor registriert wird.

Weniger trivial ist die Ermittlung eines geeigneten Zeitpunktes für den Beginn und das Ende einer Kühlphase. Im Gegensatz zum Winterbetrieb ist hierfür die Außentemperatur als alleinige Beobachtungsgröße ungeeignet.

1)Mit dem Absinken der Raumtemperatur verringert sich die Temperaturdifferenz zwischen Heizfläche und Umgebung und damit auch zunehmend die Kühlleistung (Selbstregelungseffekt).

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Werden Heizungsanlagen um eine Kühlfunktion erweitert, muss eine Tauwasserbildung verhindert werden. Dazu kann die Vorlauftemperatur des Kühlmediums, zum Beispiel über eine Beimisch-Schaltung, soweit angehoben werden, dass sie über der Taupunkttemperatur liegt. Der Vorlauftemperatur-Sollwert kann fest vorgegeben, oder der Taupunkttemperatur nachgeführt werden (Entdecke-Regelung). Letztere Möglichkeit gewährleistet einen deutlich besseren Kühleffekt.

Im Rahmen der Feldversuche (Entdecke-Felderprobung) wurden beide Möglichkeiten betrachtet. Abbildung 1 zeigt Häufigkeitsverteilungen von Taupunkttemperaturen bei einer taupunkttemperaturgeführten Vorlauftemperaturregelung. Für die Bestimmung des Vorlauftemperatur-Sollwertes wird zur relevanten Taupunkttemperatur ein Sicherheitszuschlag addiert. In den Felduntersuchungen konnte auch bei einem kleinen Offset von weniger als 1 K eine Tauwasserbildung zuverlässig vermieden werden.

Da die Felduntersuchungen durch Simulationsrechnungen (Entdecke-Felderprobung) ergänzt werden, müssen auch in der Simulation die Wasserdampftransportvorgänge bilanziert werden. Hierbei wurde eine gute Übereinstimmung zwischen Messung und Simulation erreicht (siehe Abb. 1).

Abb 1: Häufigkeitsverteilungen regelungsrelevanter Taupunkttemperaturen (Messung und Simulation)

Inhalt folgt in Kürze

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Mit Hilfe der numerischen Untersuchungen werden für die Feldtestobjekte (Entdecke-Felderprobung) als Referenz- und Auslegungsgrößen die Heiz- und Kühllasten bestimmt. Weiterhin soll mit Hilfe der numerischen Simulation die aus den messtechnischen Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse auf andere Randbedingungen übertragen werden. Gerade hierbei bieten Simulationsrechnungen den Vorteil von Parametervariationen unter sonst gleichbleibenden Randbedingungen.

Für die Untersuchungen kommen nachstehende Simulationswerkzeuge mit unterschiedlicher Detaillierungstiefe der Modelle zur Anwendung:

  • TRNSYS-TUD
  • POLYSUN
  • GEBSIMU
  • Solar-Computer
  • mh-Software

Im Rahmen der numerischen Untersuchungen kommt TRNSYS-TUD eine besondere Bedeutung zu. TRNSYS-TUD bietet die Möglichkeit einer bidirektional gekoppelte Anlagen- und Gebäudesimulation. Das Anlagenmodell kann hinsichtlich der Wärme-/Kälte-Verteilung und -übergabe sehr detailliert abgebildet werden, so dass das thermische und hydraulische Verhalten sehr realitätsnah simuliert werden kann. Ebenso kann das Gebäude hinsichtlich der Geometrie sowie der geometrischen, thermischen und hygrischen Eigenschaften des Baukörpers sehr realitätsnah erstellt werden. Besondere Bedeutung kommt hierbei der Berücksichtigung der hygrischen Eigenschaften, als Grundlage zur Bilanzierung der Wasserdampfmasseströme zu (Entdecke-Regelung, Entdecke-Tauwasser).

Modelle

Anlagen- und Gebäudemodell der Pilot- und Demonstrationsanlage „Merkel-Bau“ (TRNSYS-TUD)

Anlagen- und Gebäudemodell der Feldtestanlage „Fröttstädt“ (TRNSYS-TUD)

Gebäudemodell der Feldtestanlage „Fröttstädt“ (mh-Software)

POLYSUN