Kaltwassersatz mit Wärmepumpe: Überblick

Wärmepumpen in Heiz- und Kühlsystemen: Funktionsprinzipien und Auswahl

Wärmepumpen (HP) und reversible Kältemaschinen sind heute ein wichtiger Bestandteil von Klimatisierungssystemen, die sowohl Heizen als auch Kühlen von Gebäuden mit hoher Energieeffizienz ermöglichen. Diese Geräte nutzen erneuerbare Energiequellen – Luft, Wasser oder Erdreich – zur Wärmeübertragung, was die Betriebskosten und den CO2-Fußabdruck reduziert.

Die Wahl des richtigen Wärmepumpentyps und des richtigen Schaltplans wirkt sich direkt auf die Systemeffizienz, die Lebensdauer der Geräte und den Raumkomfort aus. Dieser Artikel befasst sich mit den wichtigsten Wärmequellen und -senken, der Klassifizierung von Wärmepumpensystemen, ihren Funktionsprinzipien, Vorteilen und Einschränkungen. Die gewonnenen Informationen helfen, bei der Planung oder Modernisierung gebäudetechnischer Anlagen eine fundierte Wahl zu treffen.

Abb. 1. – Wärmepumpe aus unserem Katalog: Civet WSAN-YMi 71 (Kühlleistung 12,9 kW; Heizleistung 14,1 kW)

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1. Wärmequellen und Wärmesenken

Der Einsatz von Wärmepumpen zum Heizen und/oder Kühlen eines Gebäudes erfordert Wärmequellen und Wärmesenken. Eine Wärmequelle ist das Medium, dem der Verdampfer der Wärmepumpe die Wärme entzieht. Eine Wärmesenke ist das Medium, an das der Kondensator der Wärmepumpe Wärme abgibt.

Die Wahl der Wärmequelle und der Wärmesenke hängt von der Verfügbarkeit der Quellen, den klimatischen Bedingungen, den Kosten und der Art der Verteilung der Wärme/Kälte ab.

Die ASHRAE hat eine Klassifizierung der gängigen Wärmequellen und -senken vorgeschlagen. Diese Klassifizierung ist im Folgenden aufgeführt.

Luft als Wärmequelle/Senke

Derzeit werden zwei Optionen für die Verwendung von Luft als Wärmequelle oder -absorber in Betracht gezogen:

• außenluft;
• lüftungsabluft.

Wasser als Quelle/Absorber von Wärme

Wasser als Wärmequelle oder -absorber kann aus einer Vielzahl von Quellen stammen:

• grundwasser;
• seen, Flüsse oder Ozeane;
• geschlossene Wasserkreisläufe;
• abwasser;
• kondenswasser.

Erde als Wärmequelle/-senke

Das Erdreich kann mit drei Grundtypen von Erdwärmetauschern als Wärmequelle oder -absorber genutzt werden:

• Vertikale Erdwärmetauscher
  • sehr stabile Wärmequellen-/Senkentemperatur ( )
  • geringe benötigte Fläche im Boden ( )
  • hohe Kosten und mögliche Bohrschwierigkeiten (-)
• Horizontale Erdwärmetauscher
  • geringere Kosten ( )
  • erheblicher Einfluss der Außentemperatur in geringer Tiefe (-)
  • größere Bodenfläche erforderlich (-)
• Erdverlegte Wärmetauscher mit Direktverdampfung (DX)

• Vertikale Erdwärmetauscher – bestehen aus U-förmigen Rohren, die in vertikalen Bohrlöchern in einer Tiefe von bis zu 100-120 Metern verlegt werden.
• Horizontale Erdwärmetauscher – bestehend aus langen ein- oder mehrspiraligen Wärmetauscherrohren, die 1-2 Meter tief vergraben sind.

2. Klassifizierung der Systeme

Die Klassifizierung der Systeme ist in 2 Gruppen unterteilt, erstens – wenn das Kältemittel im Volumen der Wärmepumpe (KWK) / Kältemaschine geschlossen ist, zweitens – wenn das Kältemittel im Wärmeaustausch mit einer Wärmequelle und/oder einem Absorber verwendet wird

Aggregiertes System:

• Luft-Wasser TH (luftgekühlter Kaltwassersatz)
• Wasser/Wasser TH (wassergekühlte Kältemaschine)
• Wasser/Luft/Wasser TH (Kältemaschine mit Doppelkondensator)
• Wasser-Luft TH
• Luft/Luft TH
• Sole-Wasser TH
• TH „Sole-Luft“
• Dachgerät (Roof-Top-Gerät)

Offenes System mit Direktverdampfung (DX):

• Split-Systeme
• VRF-Systeme
• Erdgekoppelte DX-Wärmepumpe (Erdgekoppelte DX-Wärmepumpe)

Ein Gerät wird als reversibel bezeichnet, wenn es mit einer Kältemittelumschalteinrichtung ausgestattet ist, die die Richtung des Kreislaufs umkehren kann (siehe Abb. 2 als Beispiel).

Abb. 2 – Vier-Wege-Ventil, das für die Umkehrung der Richtung des Kältemittelstroms verantwortlich ist.

Der Begriff „Kältemaschine“ kann anstelle des entsprechenden Begriffs „Wärmepumpe“ verwendet werden, um zu betonen, dass der Hauptzweck des Geräts die Kühlung ist, z. B. wenn es auf der Grundlage der maximalen Kühllast berechnet wird.

Überblick über Wärmepumpensysteme

Systeme bestehen aus einem oder mehreren Geräten (Blöcken) und anderen Komponenten. Sie können in drei Hauptkategorien unterteilt werden:

• Reversible Systeme ohne Wärmerückgewinnung: alternierende Wärme- und Kälteerzeugung;
• Nicht reversible Systeme mit Wärmerückgewinnung: hauptsächlich für die Kühlung ausgelegt, können aber auf der Verflüssigerseite Wärme entziehen und auf der Verdampferseite Kälte erzeugen;
• Reversible Systeme mit Wärmerückgewinnung: abwechselnde oder gleichzeitige Wärme- und Kälteerzeugung.

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2.1 Reversible Systeme ohne Wärmerückgewinnung

Reversible Luft/Wasser-Wärmepumpe

Luftgekühlte Kaltwassersätze sind die am weitesten verbreitete Technologie auf dem europäischen Klimatisierungsmarkt und machen 85 % des Absatzes von Kaltwassersätzen im gewerblichen Bereich aus [EECCAC, 2003].

Das System kann mit Hilfe eines Kältemittelschalters (siehe Abbildung 3), der die Strömungsrichtung durch zwei Wärmetauscher umkehrt, umgekehrt werden:

• Im Kühlbetrieb fungiert der Luftwärmetauscher als Verflüssiger, der die Wärme an die Außenluft abgibt, und der Wasserwärmetauscher fungiert als Verdampfer, der die Kälte an das Verteilungssystem abgibt.
• Im Heizbetrieb arbeitet der Luftwärmetauscher als Verdampfer, der der Außenluft Wärme entzieht, und der Wasserwärmetauscher arbeitet als Kondensator, der Wärme an das Verteilungssystem abgibt.

Abb. 3 – Kaltwassersatz Luftkühlung mit Kältemittelschalter

Reversible Einheiten können angeschlossen werden an:

• An ein Zweirohr-Wasserverteilungssystem, parallel zu einem Reservekessel, wenn keine gleichzeitige Heiz- und Kühllast zu erwarten ist (siehe Abb. 4a);

Abbildung 4a: Reversible Luft/Wasser-Wärmepumpe, angeschlossen an ein Zwei-Rohr-Verteilungssystem in Reihe mit einem Heizkessel

Abbildung 4b: Reversible Luft/Wasser-Wärmepumpe, angeschlossen an ein Vier-Rohr-Verteilungssystem über eine Warmwasserverteilung

• Vier-Rohr-Wasserverteilungssystem für Gebäude mit gleichzeitiger Heiz- und Kühllast. Die Kältemaschine ist sowohl an die Kaltwasser- als auch an die Warmwasserleitungen angeschlossen (siehe Abb. 4b). In diesem Fall müssen die Endgeräte für die Wärmeversorgung mit den niedrigen Wassertemperaturen kompatibel sein, die für eine reversible Einheit charakteristisch sind, die im Heizbetrieb ohne Kesseleingriff arbeitet.

Reversible geothermische (Grundwasser, Grundwasser) / hydrothermische (Oberflächenwasser) Wärmepumpe (ohne Wärmerückgewinnung)

Eine reversible geothermische Wärmepumpe (GHP) besteht aus einer reversiblen Wasser/Wasser-Einheit, die auf der einen Seite an das Verteilungssystem des Gebäudes und auf der anderen Seite an einen Sole- oder Wasserkreislauf angeschlossen ist, der mit einer geothermischen Wärmequelle/Senke verbunden ist.

Das System ist durch einen Kältemittelschalter in der Wärmepumpeneinheit umkehrbar, der die Flussrichtung durch die beiden Wärmetauscher umkehrt (siehe Abb. 5):

• Im Kühlbetrieb fungiert der geothermieseitige Wärmetauscher als Kondensator, der überschüssige Wärme über einen Wasser- (oder Glykol-Wasser-) Kreislauf an das Grund- oder Oberflächenwasser abgibt, während der wasserseitige Wärmetauscher als Verdampfer fungiert, der die Kälte an das Verteilungssystem abgibt.
• Im Heizbetrieb arbeitet der geothermieseitige Wärmetauscher als Verdampfer, der die Wärme aus der geothermischen Quelle über den Wasserkreislauf aufnimmt, während der wasserseitige Wärmetauscher als Kondensator arbeitet, der die Wärme an das Verteilungssystem abgibt.

Liegt die Temperatur der geothermischen Quelle innerhalb des Temperaturbereichs des Verteilungssystems des Gebäudes, kann das System außerdem so ausgelegt werden, dass es im Free-Chilling-Modus (manchmal auch Free-Cooling genannt) arbeitet: Der Wasserkreislauf umgeht die Wärmepumpeneinheit und wird über einen zusätzlichen Wärmetauscher an das Verteilungssystem des Gebäudes angeschlossen. Die Größe des Wärmetauschers und die Regelungsstrategie für den Übergang von der Kühlung zur freien Kühlung und zurück müssen in Abhängigkeit von der Temperatur der geothermischen Quelle und dem Kühllastprofil des Gebäudes sorgfältig ausgelegt werden.

Der tiefe geothermische Kreislauf funktioniert als saisonales Wärmespeichersystem:

• ImSommer arbeitet die Wärmepumpe im Kühlbetrieb und gibt die Wärme über den Kreislauf an das Erdreich oder das Grundwasser ab;
• Im Winter wird diese Wärme über den Kreislauf dem Erdreich oder dem Grundwasser entzogen.

Um das Potenzial der Erdwärme abzuschätzen, empfiehlt sich ein Blick auf das Bodentemperaturdiagramm in Abb. 6

Abb. 5 – Reversible geothermische Wärmepumpe ohne und mit Free-Chilling-Modus

Abb. 6 Durchschnittliche Bodentemperatur nach Monat in verschiedenen Tiefen (Daten für Irland 2006-2015)

2.2 Nicht-reversible Systeme mit Wärmerückgewinnung

Kaltwassersatz mit Wärmerückgewinnung

Wasser/Wasser-Wärmepumpen werden in der Regel zur Kühlung eingesetzt; sie sind mit Kühltürmen oder Trockenkühlern verbunden, um Wärme abzuführen. Da diese Geräte in der Regel nicht für die Nutzung als Wärmequelle ausgelegt sind, werden Wasser/Wasser-Wärmepumpen normalerweise nicht im Heizbetrieb eingesetzt und werden meist als Kaltwassersätze bezeichnet.

Die Wärmerückgewinnung ist eine attraktive Option für Kaltwassersätze. Die Wärmerückgewinnung kann über einen im Warmwasserkreislauf oder direkt im Kältemittelkreislauf installierten Wärmetauscher erfolgen. So kann diese Art von System gleichzeitig heizen und kühlen (siehe Abbildung 7).

Abbildung 7 – Kaltwassersatz mit zusätzlichem Wärmerückgewinnungs-Wärmetauscher im Wasserkreislauf

Da die Wärmepumpe nur Warmwasser erzeugen kann, ist bei Kühlbedarf auch ein Heizkessel erforderlich:

• deckung des Heizbedarfs, wenn keine Kühllast vorhanden ist;
• zur Deckung des Spitzenheizbedarfs;
• anhebung der Warmwassertemperatur, wenn die Endverbraucher eine höhere Temperatur benötigen, als der Rückgewinnungswärmetauscher liefern kann (normalerweise 35-40 °C).

Die Kältemaschine wird entsprechend dem Kühlbedarf des Gebäudes gesteuert. Ein Teil der Wärmeleistung des Verflüssigers wird entsprechend dem Heizbedarf an den Rückgewinnungswärmetauscher übertragen, der Rest wird über den Kühlturm abgeführt.

Kaltwassersätze weisen im Vergleich zu Luftkühlern einen höheren Wirkungsgrad auf. Die durchschnittlichen EER-Werte bei Nennbedingungen für EUROVENT-zertifizierte Kaltwassersätze (ohne CHF) liegen je nach Kühlleistungsbereich zwischen 3,6 und 4,6.

Für Kaltwassersätze bietet EUROVENT auch eine saisonale Kühlenergieeffizienz – ESEER (European Seasonal Energy Efficiency Ratio). Die Berechnungsmethode ist die gleiche wie für Luftkühler, mit Ausnahme der Definition der Prüftemperaturen.

Wenn Sie sich nicht sicher sind, welcher Typ von Kaltwassersatz oder Wärmepumpensystem am besten zu Ihren Anforderungen passt, können unsere Experten Ihnen bei der Auswahl helfen!

Schlussfolgerungen

Es gibt viele Lösungen auf dem Markt.

Geothermische Systeme scheinen die effizientesten zu sein, aber sie können nicht überall eingesetzt werden. Darüber hinaus sind ihre Investitionskosten hoch.

Die Wahl der Endversorgungsgeräte ist wichtig. Die Verwendung niedriger Verteilungstemperaturen zum Kühlen und hoher Temperaturen zum Heizen verringert die Effizienz der Wärmepumpe erheblich.

Strahlungsheizungen sind eine gute Lösung, aber ihre Kapazität ist begrenzt.

Die Effizienz von Hilfsgeräten (Ventilatoren und Pumpen) muss berücksichtigt werden; ihr Gesamtverbrauch kann sogar höher sein als der der Wärmepumpeneinheit selbst.

Abbildung 8 zeigt die Investitionskosten pro Einheit in Abhängigkeit von der durchschnittlichen Temperaturdifferenz. Für die Technologien der Anbieter, die Kosten angegeben haben, liegen die Investitionskosten pro Einheit (ohne Installation und Integration) zwischen 200 €/kW und 1200 €/kW, und die durchschnittliche Temperaturdifferenz für die verschiedenen Technologien reicht von 20 °C bis 190 °C.

Die Abbildung zeigt einen allgemeinen Trend: höhere Temperaturunterschiede entsprechen höheren Kosten. Innerhalb dieser Kostenbereiche, die durch die schwarzen vertikalen Linien in der Abbildung hervorgehoben sind, hängen die Kosten stark von der Größe und dem Anwendungsbereich der Wärmepumpe für eine bestimmte Technologie ab.

Abbildung 8 – Investitionskosten je Einheit in Abhängigkeit von der durchschnittlichen Temperaturdifferenz [Dänisches Technologisches Institut August 2023, Bericht Nr. HPT-AN58-2]

Wenn Sie noch Fragen zur Geräteauswahl haben, wenden Sie sich bitte an die Spezialisten von Europrom. Wir helfen Ihnen bei der Auswahl einer geeigneten Lösung und bieten Ihnen die in unserem Katalog vorgestellten zuverlässigen Kältemaschinen an.

Was Sie mit EVROPROM erhalten

Optimale Auswahl eines Wärmepumpensystems – wir berücksichtigen die verfügbaren Wärmequellen und Wärmesenken, die klimatischen Bedingungen, das Lastprofil sowie den Heiz- und Kühlbedarf.

Technisches Fachwissen und Beratung – wir erläutern die Vorteile und Grenzen der verschiedenen Anschlussmöglichkeiten und helfen Ihnen bei der Wahl zwischen reversiblen und nicht reversiblen Systemen, mit oder ohne Wärmerückgewinnung.

Ein breites Angebot an bewährten Geräten – eine große Auswahl an Kaltwassersätzen und Wärmepumpen bewährter Weltmarken, die für industrielle, gewerbliche und administrative Einrichtungen geeignet sind.

Geringere Betriebskosten – durch die richtige Auslegung und Geräteauswahl verbessern wir die Energieeffizienz und minimieren die Heiz- und Kühlkosten.

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Autor des Artikels:
Andrey Kohan, Ingenieur für Kältetechnik

30.08.2025