Die passive Kühlung mit einer Wärmepumpe nutzt das niedrige Temperaturniveau von Erdreich oder Grundwasser, ohne den Verdichter im Kühlbetrieb einzusetzen. Elektrische Energie benötigen im Wesentlichen Umwälzpumpen, Regelung und gegebenenfalls Ventilantriebe. Unter geeigneten Bedingungen sind Raumtemperaturen von etwa 24 bis 26 °C erreichbar. Entscheidend sind ausreichend große Flächen, niedrige Quellentemperaturen und ein sicherer Abstand zum Taupunkt. Eine Entfeuchtung der Raumluft findet bei Flächenkühlung nicht statt.
- Passive Kühlung setzt Erdreich oder Grundwasser als Wärmesenke voraus.
- Die Flächenleistung muss raumweise mit der sensiblen Kühllast abgeglichen werden.
- Taupunktüberwachung und diffusionsdichte Dämmung verhindern Kondensationsschäden.
- Fußbodenkühlungen erreichen typischerweise 20 bis 35 W/m².
- Hohe solare oder latente Lasten können eine ergänzende aktive Kühlung erfordern.
Funktionsprinzip und geeignete Wärmepumpensysteme
Bei der passiven Kühlung wird Wärme aus dem Gebäude über Fußboden-, Wand- oder Deckenflächen an Erdsonden, Erdkollektoren oder Grundwasser abgegeben. Ein Wärmeübertrager trennt in der Regel den Solekreis vom Gebäudekreis. Der Verdichter bleibt ausgeschaltet, während die Umwälzpumpen das Kühlmedium fördern. Dadurch ist die elektrische Leistungsaufnahme wesentlich geringer als bei einer aktiven Kältemaschine. Die erreichbare Kühlleistung wird jedoch unmittelbar durch die Quellentemperatur, die Wärmeübertragerfläche und die zulässige Oberflächentemperatur begrenzt.
Geeignet sind vor allem Sole-Wasser- und Wasser-Wasser-Wärmepumpen. Luft-Wasser-Wärmepumpen können üblicherweise nicht passiv kühlen, weil die Außenluft im Sommer kein ausreichend niedriges Temperaturniveau bereitstellt. Sie benötigen dafür einen reversiblen Kältekreis und arbeiten aktiv mit Verdichter. VDI 4645 beschreibt die Planung von Wärmepumpenanlagen in Ein- und Mehrfamilienhäusern einschließlich der hydraulischen und regelungstechnischen Einbindung. Bei Erdsonden sind ergänzend die thermischen Randbedingungen nach VDI 4640 zu berücksichtigen.
Temperaturpotenzial von Erdreich und Grundwasser
Erdsonden liefern im Kühlbetrieb häufig Soletemperaturen von etwa 8 bis 15 °C, abhängig von Standort, Bohrtiefe, Betriebsdauer und vorausgegangenem Heizbetrieb. Nach Wärmeübertrager und hydraulischen Verlusten liegen die Vorlauftemperaturen der Flächenkühlung meist zwischen 16 und 20 °C. Grundwasser kann ein besonders konstantes Temperaturniveau bieten, erfordert jedoch eine hydrogeologische Bewertung, wasserrechtliche Zulassung und Kontrolle der Wasserbeschaffenheit. Eisen, Mangan oder hohe Mineralisierung können Wärmeübertrager und Brunnenbetrieb beeinträchtigen.
Mit fortschreitender Kühlperiode erwärmt sich die Wärmequelle. Dadurch sinkt die Temperaturdifferenz zwischen Kühlfläche und Erdreich, während Pumpenlaufzeiten und erforderliche Volumenströme steigen können. Die Kühlleistung darf deshalb nicht allein mit der ungestörten Erdreichtemperatur bewertet werden. Bei größeren jährlichen Wärmeeinträgen ist eine dynamische Simulation des Erdsondenfeldes sinnvoll. Die sommerliche Wärmeeinleitung kann die Quelle teilweise regenerieren, ersetzt aber keine Bilanzierung der langfristigen Entzugs- und Eintragsenergien.
Kühlleistung der Flächen richtig bestimmen
Die übertragbare Leistung ergibt sich aus aktiver Kühlfläche und spezifischer Kühlleistung. Für Fußbodenkühlungen sind unter üblichen Randbedingungen etwa 20 bis 35 W/m² realistisch. Deckenflächen können wegen des günstigeren Wärmeübergangs häufig etwa 40 bis 60 W/m² übertragen. Die genaue Auslegung erfolgt anhand der Kennlinien und Berechnungsverfahren der DIN EN 1264, insbesondere der Teile 3 und 5. Maßgebend sind Raumtemperatur, mittlere Wassertemperatur, Verlegeabstand, Rohrüberdeckung, Bodenaufbau und Wärmeleitwiderstand des Belags.
Ein Raum mit 40 m² Grundfläche und 32 m² aktiv nutzbarer Fußbodenkühlfläche erreicht bei 28 W/m² rund 0,90 kW sensible Kühlleistung. Beträgt die berechnete Raumkühllast 1,50 kW, deckt die Fläche lediglich 60 Prozent. Zusätzliche Maßnahmen wie außen liegender Sonnenschutz, reduzierte interne Lasten oder eine ergänzende aktive Kühlung werden dann erforderlich. Die passive Kühlung ist deshalb raumweise mit der Kühllast abzugleichen. Eine pauschale Auslegung über die Gebäudegrundfläche führt häufig zu überhöhten Leistungserwartungen.
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Projektanfrage stellenTaupunkt und Kondensationsschutz
Die Vorlauftemperatur muss oberhalb des höchsten zu erwartenden Taupunkts aller versorgten Räume liegen. Bei 26 °C Raumtemperatur und 50 Prozent relativer Feuchte beträgt der Taupunkt rund 14,8 °C. Bei 60 Prozent relativer Feuchte steigt er bereits auf etwa 17,6 °C. In der Praxis wird ein Sicherheitsabstand von ungefähr 1 bis 2 K angesetzt. Eine Vorlauftemperatur von 18 °C kann daher bei erhöhter Luftfeuchte bereits kritisch sein, obwohl sie bei trockener Raumluft problemlos erscheint.
Für gekühlte Fußböden ist nach DIN EN 1264 zusätzlich die zulässige Oberflächentemperatur zu beachten; als untere Auslegungsgrenze werden im Aufenthaltsbereich 19 °C angesetzt. Diese Komfortgrenze ersetzt nicht den Taupunktschutz. Flächenkühlung führt keine latente Wärme ab und senkt somit nicht gezielt die Luftfeuchte. Räume mit hohen Feuchtelasten, häufig geöffneten Fenstern oder intensiver Außenluftzufuhr benötigen eine besonders robuste Regelung oder eine separate Luftentfeuchtung.
- Raumweise Erfassung von Temperatur und relativer Luftfeuchte
- Berechnung des Taupunkts mit 1 bis 2 K Sicherheitsabstand
- Kondensationswächter an Vorlauf, Verteiler oder kritischen Rohrabschnitten
- Anhebung der Vorlauftemperatur oder Sperrung betroffener Kühlkreise
Hydraulik und Volumenstrom auslegen
Der passive Kühlkreis besteht typischerweise aus Wärmequelle, quellenseitiger Umwälzpumpe, Plattenwärmeübertrager, gebäudeseitiger Pumpe, Umschaltarmaturen und Flächenverteilern. Der Wärmeübertrager ist auf die maximale Kühlleistung bei kleinen Temperaturdifferenzen auszulegen. Eine zu knapp gewählte Übertragungsfläche erhöht die notwendige Quellentemperaturdifferenz und reduziert das nutzbare Kühlpotenzial. Sämtliche kalten Rohrleitungen und Armaturen müssen diffusionsdicht gedämmt werden, wenn ihre Oberflächentemperatur den Taupunkt der Umgebung unterschreiten kann.
Bei 0,90 kW Kühlleistung und einer wasserseitigen Spreizung von 3 K ergibt sich ein Volumenstrom von rund 0,26 m³/h. Typische Spreizungen in Flächenkühlkreisen liegen bei etwa 2 bis 4 K. Größere Spreizungen reduzieren zwar den Volumenstrom, führen aber zu ungleichmäßigen Oberflächentemperaturen und geringerer mittlerer Kühlleistung. Der hydraulische Abgleich muss für den Kühlfall geprüft werden, weil Auslegungsvolumenströme und Druckverluste vom Heizbetrieb abweichen können. Drehzahlgeregelte Pumpen begrenzen den elektrischen Hilfsenergiebedarf.
Planung, Regelung und Betriebsgrenzen
Die Auslegung beginnt mit der raumweisen sensiblen Kühllast und der Ermittlung tatsächlich nutzbarer Kühlflächen. Anschließend werden die Leistungskennlinien nach DIN EN 1264, das saisonale Temperaturniveau der Wärmequelle und die hydraulischen Druckverluste abgeglichen. VDI 4645 unterstützt die systematische Planung von Wärmepumpenanlage, Hydraulik und Regelung. Für jeden Raum ist nachzuweisen, welcher Anteil der Last passiv gedeckt werden kann. Hohe solare Lasten dürfen nicht durch unrealistisch niedrige Vorlauftemperaturen kompensiert werden.
Bei der Inbetriebnahme sind Volumenströme, Vorlaufbegrenzung, Taupunktfühler, Ventilfunktionen und Pumpenkennlinien zu prüfen. Sinnvoll ist eine gleitende Vorlauftemperatur, die sich am kritischsten Raum orientiert. Passive Systeme können die operative Raumtemperatur gegenüber einem ungekühlten Gebäude häufig um etwa 2 bis 4 K senken; dieser Bereich ist jedoch projektabhängig. Für Serverräume, stark verglaste Zonen oder Nutzungen mit hoher Feuchtelast reicht die Leistung meist nicht aus. Dort ist ein ergänzendes aktives Kühlsystem zu untersuchen.
| Kennwert | Richtgröße | Einordnung |
|---|---|---|
| Typische Soletemperatur | 8 bis 15 °C | Quellenseitig bei Erdsonden, abhängig von Standort und Betriebszustand |
| Vorlauftemperatur Flächenkühlung | 16 bis 20 °C | Taupunkt und Wärmeübertragerverluste sind zu berücksichtigen |
| Kühlleistung Fußboden | 20 bis 35 W/m² | Typische Bandbreite bei geeigneten Bodenaufbauten |
| Kühlleistung Decke | 40 bis 60 W/m² | Abhängig von System, Belegung und mittlerer Wassertemperatur |
| Wasserseitige Spreizung | 2 bis 4 K | Üblicher Auslegungsbereich für Flächenkühlkreise |
| Taupunkt bei 26 °C Raumtemperatur | 14,8 °C bei 50 % r. F.; 17,6 °C bei 60 % r. F. | Schon geringe Feuchteänderungen beeinflussen die minimale Vorlauftemperatur |
Häufige Fragen
Kann jede Wärmepumpe passiv kühlen?
Nein. Passive Kühlung eignet sich vor allem für Sole-Wasser- und Wasser-Wasser-Wärmepumpen, weil Erdreich oder Grundwasser als Wärmesenke dienen. Luft-Wasser-Wärmepumpen benötigen für die Kühlung normalerweise einen reversiblen Kältekreis mit laufendem Verdichter. Außerdem müssen Hydraulik, Regelung und Heizflächen ausdrücklich für den Kühlbetrieb ausgelegt sein.
Wie stark kann passive Kühlung die Raumtemperatur senken?
Bei geeigneter Gebäudehülle, wirksamem Sonnenschutz und ausreichend großen Kühlflächen sind häufig etwa 2 bis 4 K gegenüber einem ungekühlten Gebäude erreichbar. Der Wert ist projektabhängig und keine feste Systemleistung. Große Fensterflächen, hohe interne Lasten, hohe Luftfeuchte oder erwärmte Erdsonden reduzieren das nutzbare Kühlpotenzial.
Kann bei einer Fußbodenkühlung Kondenswasser entstehen?
Ja. Unterschreitet die Oberflächentemperatur den Taupunkt der Raumluft, kann Feuchtigkeit ausfallen. Deshalb werden Raumtemperatur und relative Feuchte erfasst und die Vorlauftemperatur mit etwa 1 bis 2 K Abstand zum Taupunkt geregelt. Zusätzlich sind Kondensationswächter und eine Begrenzung der minimalen Vorlauftemperatur zweckmäßig.
Regeneriert passive Kühlung die Erdsonde im Sommer?
Die aus dem Gebäude abgeführte Wärme wird teilweise in das Erdreich eingetragen und kann die saisonale Wärmebilanz der Sonde verbessern. Der Effekt hängt von Kühlenergie, Untergrund, Sondenabstand und winterlichem Wärmeentzug ab. Eine vollständige Regeneration ist nicht automatisch gegeben und muss bei größeren Anlagen über eine langfristige thermische Simulation bewertet werden.
Passende Planungsleistungen
Wir übernehmen die Fachplanung Sanitär, Heizung und Lüftung für Wohn- und Gewerbeimmobilien: Entwurfsplanung, Ausführungsplanung, Ausschreibung und Objektüberwachung.
Regelwerke zum Thema: VDI 4645, DIN EN 1264. Angaben sind fachliche Orientierungswerte und ersetzen keine objektbezogene Planung.