Warum eine Wärmepumpe auch kühlen kann

Wir danken Dipl.-Ing. Volker Zappe, Leiter Unternehmenskommunikation der BOB AG, für den Einblick in das Thema Wärmepumpen in Bürogebäuden im Rahmen dieses Gastbeitrags.
Bild: ©BOB AG

Wärmepumpen sind spätestens seit der Diskussion ums Heizungsgesetz (Gebäudeenergiegesetz) im vergangenen Sommer einer breiten Bevölkerungsschicht ins Bewusstsein getreten. Viele Einfamilienhäuser werden mittlerweile mit dieser Technik ausgestattet und diese Luftwärmepumpen aktuell als Baustein für den Ersatz fossiler Brennstoffe im Wohnbereich gesehen. Wie stellt sich das Thema Heizen mit Wärmepumpen aber bei Gewerbegebäuden wie Büros dar? Am Beispiel des Serienbürogebäudes Balanced Office Building BOB wollen wir einen Blick darauf werfen.

Inhalt

1. Funktion einer Wärmepumpe
2. Heizen im Bürogebäude
3. Serienlösung mit hoher Effizienz
4. Mit der Sonne heizen
5. Einfachheit besticht
6. Wirklich umweltfreundliche Wärmepumpen

Funktion einer Wärmepumpe

Zunächst einmal, wie funktioniert eigentlich eine Wärmepumpe? Physikalisch nutzen Wärmepumpen das Prinzip der Wärmeübertragung, um Wärme von einem niedrigeren Temperaturniveau auf ein höheres zu transportieren. Das Gerät besteht im Grundprinzip aus einem Verdampfer, einem Kompressor, einem Kondensator und einem Expansionsventil.

Zunächst verdampft ein Kältemittel im Verdampfer und nimmt dabei Wärme aus der Umgebung auf. Der Kompressor erhöht den Druck des Gases, wodurch seine Temperatur steigt. Das heiße Gas gibt dann im Kondensator Wärme an das Heizsystem ab, während es kondensiert und wieder in den flüssigen Zustand übergeht. Das flüssige Kältemittel durchläuft dann das Expansionsventil, wo der Druck wieder abnimmt, und der Kreislauf beginnt von Neuem.

Für den Einsatz der Wärmepumpe benötigt man einerseits Energie aus der Umwelt (Umgebungsluft, Bodenwärme, Geothermie, Abwasserkanäle etc.) andererseits Strom für Pumpen, Kompressoren etc. Bei der Effizienzberechnung wird der benötigte Strom für die Anlage ins Verhältnis zum Wärmeertrag gesetzt. So gewinnt man z.B. bei Einfamilienhäusern bei Einsatz von 1 kWh Strom 3-4 kWh Wärmeleistung. Man spricht dann von einer Jahresarbeitszahl (JAZ) von 3 oder 4.

Bildquelle: ©Verbraucherzentrale

Heizen im Bürogebäude

In Bürogebäuden nutzt man oft statt der Energie aus der Umgebungsluft Geothermie. Bei BOB bringen wir Bohrungen bis 100 m Tiefe in den Untergrund und fördern über eine geschlossene Sonde (mit Wasser gefülltes Rohrsystem) etwa 11-12 °C Wärme aus dem Untergrund. Anschließend verdichten wir diese über eine speziell für das BOB-System entwickelte Wärmepumpe und schicken auf Raumtemperatur erwärmtes Wasser in ein Rohrsystem, das in die Gebäudedecken eingegossen ist.

Im Heizfall powern bei BOB also keine Heizkörper mit 60-70 Grad los, sondern durch das Rohrsystem erwärmt sich langsam der gesamte Baukörper und strahlt die Menschen an. Mit diesem System kommen wir mit sehr geringen Vorlauftemperaturen aus, sparen sehr viel Energie und führen gleichzeitig zu einer sehr hohen Behaglichkeit in den Räumen.

Serienlösung mit hoher Effizienz

Die spezielle Wärmepumpe bei BOB ist optimal an das Gebäudesystem angepasst und in enger Zusammenarbeit vieler Fachleute aus dem BOB-Netzwerk entstanden. Das zahlt sich aus: Die kürzlich in unserem Gebäude in Krefeld installierte Anlage erreicht eine JAZ von mindestens 8-9. Unsere Effizienzwerte stehen unter Weltrekordverdacht und werden sich im weiteren Betrieb des Gebäudes noch bestätigen. Eine solche Effizienz lässt sich mit herkömmlichen Wärmepumpen nicht erzielen.

Wirkliche Energieeffizienz gibt es nur, wenn Aspekte wie Dichtigkeit der Gebäudehülle, Fensterflächenanteil und Bauphysik, aber auch die integrierte Abstimmung und Effizienz der gesamten Gebäudetechnik zusammenpassen. Leider ist das bei vielen Bürogebäudeneubauten heute noch nicht der Fall.

Mit der Sonne heizen

Das BOB-System lagert die Sonnenwärme des Sommers für das Heizen im Winter im Untergrund an. Denn wenn im Sommer Wärme aus den Räumen über die Betondecken weggekühlt wird, transportiert das System die Energie wieder in die Tiefe. Über den Sommer erwärmt sich der riesige Erdkörper unter dem BOB messbar um einige Grad. Diese gespeicherte Energie holen wir im nächsten Winter wieder zum Heizen nach oben. Bei herkömmlichen Kühlsystemen geht diese Wärme hingegen verloren.

Das Gesamtsystem nutzt die Sonne aber auch über eine Photovoltaikanlage, indem wir damit die Wärmepumpe und das dazugehörende Pumpensystem betreiben. Bilanziell schaffen wir es so, das gesamte Bürogebäude, am Beispiel Krefeld rund 8.000 qm Mietfläche, mit Hilfe des auf dem Dach erzeugten Solarstroms zu heizen und auch zu kühlen. Gerade im Sommer, wenn viel Solarstrom da ist, können wir die Kühlung (die ja eigentlich aus dem Untergrund stammt) vollständig solar betreiben und gleichzeitig für den Winter vorsorgen. Fossile Energien verbrauchen wir bei BOB nicht.

Einfachheit besticht

Das Heizen und Kühlen von Gebäuden wird dann besonders effizient, wenn es wie bei BOB in einem einfachen technischen System erledigt werden kann. Ein einziges System spart Investitionskosten in Technik und was nicht gebaut wird, muss später auch nicht gewartet oder ersetzt werden. Dies schont Ressourcen und senkt die Kosten. Bürogebäude werden heute oft noch mit verschiedenen teils redundanten Systemen geheizt und gekühlt – und leider sehr oft nur unter Einsatz fossiler Energien oder hohem Stromeinsatz.

Wirklich umweltfreundliche Wärmpumpen

In vielen, gerade kostengünstigen Wärmepumpen sind synthetische Gase der Per- und Polyfluorierten Alkylsubstanzen (PFAS) sog. F-Gase als Kältemittel eingesetzt. Diese Stoffe lagern sich bei Entweichen zunächst in der Atmosphäre an und ihre Abbauprodukte gelangen dann dauerhaft in den Boden: Wirkung auf Menschen und Umwelt wie bei vielen chemischen Stoffen unbekannt. Zudem wird die Trägerflüssigkeit in Erdsonden in der Regel mit einem Kälteschutzmittel wie Ethylenglycol versetzt.

Da die Sonden im Grundwasser stecken und der Stoff zur Wassergefährdungsstufe 1 gehört, besteht eine potenzielle Gefahr. In der BOB-Wärmepumpe nutzen wir das natürliche Kältemittel Ammoniak. Dieses ist nicht leicht entzündlich wie das oft als Alternative genannte Propangas und wird in der Atmosphäre vollständig abgebaut. Anders als PFAS wirkt es auch nicht wie ein CO2-Äquivalent. Das global warming potential GWP ist bei Ammoniak = 0. Das heißt, der von BOB eingesetzte Stoff wirkt sich nicht negativ auf das Klima aus.

Auch bei Wärmepupen ist also der Blick auf das Ganze wichtig. Leider gibt es hier eben auch Mogelpackungen oder eben Ineffizienzen. Für BOB ist die Wärmepumpe aus Bürogebäuden nicht mehr wegzudenken und der zentrale Baustein für ein klimaneutrales Heiz- und Kühlkonzept. Im Prototyp in Aachen haben wir schon vor 20 Jahren eine Standardpumpe eingesetzt. Erst kürzlich haben wir sie durch die viel effizientere und noch umweltfreundlichere neue BOB-Wärmepumpe ersetzt. Diese ist nun Standard für alle unsere neuen Bürogebäude.