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Wärmepumpen zum Heizen und Kühlen

Foto: M.Lauterjung/Natelberg/Th. Vorpahl/Nibe Systemtechnik

Umweltverantwortung und Offenheit für neue Technologien zeigt der Reeder Manfred Lauterjung mit dem Neubau seines Verwaltungsgebäudes in Emden. Eine Wärmepumpen-Anlage zum Heizen und Kühlen nutzt dabei die Gründungspfähle des Gebäudes als Erdsonden und die Betondecken zur Wärmeverteilung. Der Einsatz von Wärmepumpen erfordert stets ein allumfassendes Planungskonzept. Nur so ist gewährleistet, dass die Anlage auf Dauer effektiv und wirtschaftlich arbeitet. In enger Zusammenarbeit mit dem Ingenieurbüro Thomas Vorpahl, Westoverledingen, und dem Fachbetrieb Gebäudetechnik Natelberg, Rhauderfehn, wurde ein ganzheitliches Klimakonzept mit einer Wärmepumpen-Kühlheizung von Nibe geplant und umgesetzt. Für das Gebäude lag die stationäre Heizlast bei 118 kW. Aufgrund der verwendeten Systemkonstellation (Betonkernaktivierung und Kühl-/Heizdeckensystem) war eine Heizleistung von 80 kW ausreichend, da die Amplitudendämpfung des dynamischen Verhaltens bei der Berechnung mit betrachtet wurde. Das Fachteam entschied sich für ein erdgekoppeltes Wärmepumpensystem mit zwei Sole/Wasser-Wärmepumpen vom Typ Nibe Fighter 1320. Diese Geräte haben eine Heiz- und Kühlleistung von 40 kW und zeichnen sich aufgrund der effektiven Schalldämmung durch eine hervorragende Laufruhe aus. Die Wärmepumpen sind in Kaskade geschaltet und ihre Leistung kann bedarfsabhängig in insgesamt vier Stufen à 20 kW abgerufen werden. Die Leistungsanpassung bewirkt, dass die Anlage dauerhaft wirtschaftlich arbeitet. Die Kaskadenlösung hat den Vorteil, dass die vollhermetisch geschlossenen Verdichtermodule eine Kältemittelmenge unter 3 kg aufweisen und somit in der Zukunft auch keiner Pflichtrevision für Kälteanlagen durch Kältemittelfachleute unterliegen. Der Mikroprozessor im Fighter 1320 gewährleistet eine bedarfsabhängige Leistungsabgabe. Für die erzeugte Wärmeenergie steht ein 500-l-Pufferspeicher zur Verfügung, der das Heizungswasser dann gradgenau an die Betonkernaktivierung oder Fußbodenheizung weiterleitet. Die Wärmepumpen sind um zwei Nibe-HPAC-42-Module ergänzt. Je nach Bedarf schaltet die Systemautomatik auf den Heiz- oder Kühlbetrieb um.

Das Gebäude wurde auf morastigem Boden und daher auf 96 Betonpfählen gegründet. Für die erforderliche Tragfähigkeit des Reedereigebäudes reichen die Gründungspfähle je 18 m ins Erdreich und wurden durch die Ausrüstung mit Wärmetauschern zur Energiequelle (Energiepfähle) erweitert. Hierzu dienten sorgsam eingebrachte PE-Rohre DIN 32 mit sehr guten Materialeigenschaften. In einem geschlossenen Kreislauf führen die in Beton verpackten Kunststoffrohre als Erdsonden zur Wärmepumpe. In ihnen zirkuliert ein Wasser-Frostschutzgemisch als Wärmequellenflüssigkeit. In einer Tiefe von rund 18 m beträgt die Temperatur im Erdreich ganzjährig etwa +8 bis +10 °C. An den meisten Sommertagen im Jahr ist das Wasser-Frostschutzgemisch mit etwa 18 °C ausreichend, um mittels passiver Kühlung eine angenehme Raumtemperatur zu erreichen. Da hierbei nur die Antriebsenergie der Umwälzpumpe aufgewendet werden muss, funktioniert das System energiesparend und kostengünstig. Erst bei Überschreitung einer Raumtemperatur von 23 °C wird der Betriebsmodus »aktive Kühlung« benötigt und die Wärmepumpen-Module schalten sich bedarfsabhängig automatisch zu. Die in diesem Betriebsmodus entstehende Abwärme wird jetzt in die Erdsonden eingespeist. Dadurch erholt sich das – nach einer Winterperiode abgekühlte – Erdreich schneller, die Anlage führt einen Teil der Wärme zurück und gleicht das Temperaturniveau im Erdreich automatisch wieder aus.

Je geringer der zu überwindende Temperaturunterschied zwischen Vorlauftemperatur und Raumtemperatur ist, desto effizienter arbeiten Wärmepumpen. Aus diesem Grund wurden im gesamten Gebäude thermoaktive Fußböden und Decken vorgesehen. Sie bilden im Erdgeschoss und in den beiden Obergeschossen das einzige Verteilungssystem für Heizung und Kühlung. Lediglich im Dachgeschoss wurde eine Fußbodenheizung in Verbindung mit einer abgehängten Kühl-/Heiz-Decke eingebaut. Zur schnellen Regelbarkeit der einzelnen Büroräume wurde in jedem Büro vor der Fassade ein Deckenversatz in die Betondecke geschalt. In diesem Versatz wurde ein Kühl-/Heiz-Deckenelement als Ventilatorkonvektor deckenbündig eingebaut. Die Vorlauftemperatur im Kühlfall wird taupunktüberwacht. Dabei bewirkt die gute Wärmeleit- und Wärmespeicherung des Betons ein langsa-mes und konstantes Aufheizen bzw. Abkühlen der Räume. Die Betonkernaktivierung ist für den Heiz- und Kühlfall auf 23 °C ausgelegt. Die notwendige Vorlauftemperatur für die Heizung beträgt maximal 35 °C. Dies ist eine ideale Temperatur für die großflächige Wärmeverteilung. Über die zentrale Haustechniksteuerung mit Außentemperatur- und Feuchtigkeitsfühler wird ganzjährig eine optimale Temperierung der Räume möglich.

Dieser Artikel ist aus dem Heft:
DETAIL 10/2009

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