Mit Photovoltaik kühlen

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Mit PV, Klimaanlage und Wärmepumpe im Sommer die Innenräume kühlen

So schön der Sommer auch ist: Läuft die Sonne zur Höchstform auf, leiden viele Menschen unter der kreislaufbelastenden Wärme. Wer eine PV-Anlage sein Eigen nennt, hat dagegen Grund zur Freude: Die Anlage produziert gerade jetzt besonders viel Energie – und der Überschuss eignet sich perfekt für den Betrieb einer Klimaanlage. Ist bereits eine Wärmepumpe installiert, kann unter Umständen sogar ganz auf ein Klimagerät verzichtet werden. Wir zeigen, welche Wärmepumpen wie einzusetzen sind und was unter aktiver und passiver Kühlung verstanden wird. Das Thema Klimaanlage kommt dabei keineswegs zu kurz.

Eine Klimaanlage verschafft an „Heißen Tagen“ die ersehnte Kühlung © New Africa, stock.adobe.com
Eine Klimaanlage verschafft an „Heißen Tagen“ die ersehnte Kühlung © New Africa, stock.adobe.com

Zwei grundlegend verschiedene Systeme

Zum Thema Wärme gehört neben dem Heizen natürlich auch das Kühlen. Dass die Sonne vor allem dann scheint, wenn wir nach Abkühlung lechzen, passt gut mit den Vorlieben von Photovoltaikanlagen zusammen: Sie können auf Hochtouren laufen und ordentlich Strom produzieren. Welche Art der Kühlung in Betracht kommt, richtet sich nach Anspruch und Budget.

Grundsätzlich können zweierlei Systeme zur Kühlung eingesetzt werden: die mit manchen Elektroheizungen oder einer Luftwärmepumpe vergleichbare Klimaanlage – und die zum Heizen konzipierte Wärmepumpe. Die Systeme zu gruppieren, ist nicht ganz einfach. Wir versuchen es mal so:

  • Klimageräte, die ausschließlich der Raumkühlung dienen und
  • Wärmepumpen, die vorrangig die Heizung unterstützen, doch zur Raumkühlung umfunktioniert werden können.

Unterschiedlich effektiv: Luftkühler und Klimageräte

Beim allsommerlichen Run auf die Baumärkte zieht es viele Menschen zu den Regalen, in denen sie Geräte zur Raumklimatisierung finden. Das Angebot reicht dabei von einfachen Ventilatoren bis zu komfortablen Klimaanlagen. Für welches Modell man sich entscheidet, ist nicht nur eine Frage des Budgets. Während für den Betrieb eines Ventilators nicht mehr als eine Steckdose benötigt wird, erfordern mehrteilige Klimaanlagen eine professionelle Installation. Für die Kühlung der Wohnräume gibt es mehrere Lösungen:

Luftkühler oder Air Cooler

Luftkühler sind im Grunde Ventilatoren mit eingebautem Wassertrank. Werden sie eingeschaltet, sorgen sie also nicht alleine durch die vorbeiströmende Luft für Kühlung, sondern zusätzlich durch verdunstendes Wasser. Daher laufen die Geräte auch unter der Bezeichnung Verdunstungskühler. Können bei einem Air Cooler zudem Kühlakkus oder Eis in den Wassertrank gefüllt werden, erhöht dies die Kühlwirkung. Nach Ventilatoren sind Luftkühler die einfachsten Geräte zur Raumkühlung. Ihre Wirksamkeit ist nicht sehr hoch, ihre Anschaffung erschwinglich. Die Preise liegen je nach Komfort (Stufenschaltung, Bedienung per Fernsteuerung) bei ca. 100-180 Euro für Standgeräte, für Tischgeräte teils deutlich darunter. Die auf Rollen laufenden Standgeräte haben eine Leistung zwischen 60-65 und 100-120 W.

Mobile Klimageräte oder Monoblock-Klimaanlagen

Leisten Ventilatoren und Luftkühler zu wenig, um die gewünschte Abkühlung herbeizuführen, kann die Anschaffung eines mobilen Klimageräts sinnvoll sein. Es wird als Monoblock-Klimaanlage an der Steckdose angeschlossen und in Fenster- oder Balkontürnähe im Raum platziert. Um die warme Luft abzutransportieren, muss ein Abluftschlauch in das gekippte Fenster nach draußen gehängt werden. Wichtig ist auch, das Zurückströmen der warmen Luft zu verhindern. Dies gelingt mit einfach zu befestigenden, zum Schlauch passenden Fensterabdichtungen.

MonoblockKlimageräte geben warme Luft über Fenster nach außen ab
MonoblockKlimageräte geben warme Luft über Fenster nach außen ab

Im Unterschied zum Luftkühler arbeitet die Klimaanlage mit einem Kühlmittel und Kompressor. Die Anschaffungskosten für mobile Monoblock-Geräte mit 5.000 bis 7.000 BTU/h beginnen bei ca. 200 Euro. Für eine Kühlleistung von 12.000 BTU/h muss man mit 450 bis 700 Euro rechnen.

Die Kühlleistung bzw. Kälteleistung von Klimageräten wird meistens in BTU/h (British Thermal Unit pro Stunde) angegeben. 1 BTU bezeichnet die Wärmeenergie, die gebraucht wird, um ein Pound Wasser um 1 Grad Fahrenheit zu erhitzen. Das ergibt natürlich einen „krummen“ Wert: 1.000 BTU/h entsprechen 293,71 Watt. Wie viel Watt für einen Raum nötig sind, hängt von der Raumgröße ab. Als Faustregel gilt der 100-fache Wert, also: m² x 100 = Leistung in Watt. Für einen 20 m² großen Raum ist also ein Klimagerät mit rund 2.000 W bzw. 7.000 BTU/h erforderlich, für 35 m² ca. 3.500 W bzw. 12.000 BTU/h.

Vorteile eines mobilen Klimageräts in Monoblock-Bauweise:

  • schnell betriebsbereit durch einfaches Anschließen
  • keine Inbetriebnahme durch Klimatechniker erforderlich
  • mobil durch Laufrollen, dadurch flexible Aufstellung
  • preisgünstig in der Anschaffung
Mobile Klimageräte: Vorteile und Nachteile
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Einbau-Klimageräte oder Split-Klimaanlagen

Split-Klimaanlagen sind duale Systeme, die aus mehreren Teilen bestehen: einem Außengerät und einem oder mehreren Innengeräten. Die normalerweise an der Wand montierten Innengeräte beherbergen nur das Gebläse mit dem Wärmetauscher. Der Kompressor und die Kältemittelpumpe befinden sich im außen befestigten Geräteteil. Eine Kältemittelleitung verbindet beide Anlagenteile fest miteinander. Da der Geräusche verursachende Kompressor draußen bleibt, arbeiten Split-Klimaanlagen wesentlich leiser als Monoblockgeräte.

Split-Klimaanlage mit Innen- und Außengerät © Graf, stock.adobe.com
Split-Klimaanlage mit Innen- und Außengerät © Graf, stock.adobe.com

Die Installation von Split- und Multisplit-Anlagen erfordert ein oder mehrere Mauerdurchbrüche. Das Anschließen der Kältemittelleitung am Innen- und Außengerät sowie die Inbetriebnahme nehmen Klimatechniker vor. Gemäß EU-Verordnung 517/2014 dürfen Klima-Splitgeräte nur von zertifizierten Fachbetrieben installiert und in Betrieb genommen werden.

Die meisten Split-Klimaanlagen ermöglichen zudem einen reinen Lüftungsbetrieb. Sie saugen die verbrauchte Luft aus den Räumen ab und führen frische Luft von außen zu; Staub und Pollen werden ausgefiltert. Neben der Luftreinigung erledigen diese Klimageräte damit zugleich die Entfeuchtung der Luft. Die Bedienung erfolgt in der Regel per Fernsteuerung.

Schematischer Aufbau einer Klimaanlage
Schematischer Aufbau einer Klimaanlage
Tipp: Die Klimaanlage zum Heizen nutzen! Es funktioniert einfach nur umgekehrt: Das Außengerät nimmt Umgebungswärme auf, verdichtet sie und gibt sie innen ab. Mit dieser Wärmepumpentechnik gleicht eine Split-Klimaanlage einer Luft-Wärmepumpe. Auf diese Art ein ganzes Haus zu beheizen, wäre alles andere als wirtschaftlich. In einer Ferienwohnung kann es sich aber eventuell lohnen, nur eine statt zwei Anlagen zu installieren. Vor allem, wenn der Strom aus einer Photovoltaikanlage kommt.

Sogenannte Inverter-Klimageräte können sogar noch mehr: Sie drosseln ihre Leistung, wenn die Wunschtemperatur im Raum erreicht wird. Das heißt Klimaanlagen mit Inverter-Technologie passen die Leistung des Klimakompressors dem Kühlbedarf an. Diese Aufgabe übernimmt ein Frequenzumrichter (Inverter). Klimaanlagen ohne Inverter passen die Kühlleistung durch den Wechsel unterschiedlich langer Perioden von Betrieb und Stillstand des Kompressors an.

Das hat natürlich seinen Preis – der auch von der Energieeffizienz bestimmt wird: A++ Geräte mit Inverter werden zwischen ca. 700 Euro (9.000 BTU/h) und ca. 1.200 Euro (18.000 BTU/h) angeboten. Besonders effiziente Klimasplitgeräte der EEK A+++ kosten um 2.000 Euro bei 12.000 BTU/h. Jedes weitere Innengerät schlägt mit etwa 500 Euro zu Buche. Hinzugerechnet werden müssen natürlich immer die Kosten für die Montage und Inbetriebnahme.

Vorteile einer Split-Klimaanlage im Vergleich zur mobilen Version:

  • effizienter, weil keine Luft von außen eindringt
  • platzsparend durch Außenaufstellung eines Geräteteils
  • geräuschärmer durch Verbannung des Kompressors nach draußen
  • alternative Nutzung als Heizung
  • mit Inverter zusätzlich schneller, konstanter und energieeffizienter
Je mehr Klimaanlage leistet, desto teurer ist Sie
Je mehr Klimaanlage leistet, desto teurer ist Sie

Wärmepumpe kann im Umkehrbetrieb kühlen

Wenn das Kühlprinzip einer Split-Klimaanlage auch dem einer Wärmepumpe gleicht, gibt es dennoch einen entscheidenden Unterschied: Mit einer Wärmepumpe wird der Raum nicht über die Luft, sondern über die Wasserleitungen des Heizungssystems gekühlt. Und auch hier gibt es zwei Varianten: die aktive und die passive Kühlung.

Schematische Darstellung der Wärme- bzw. Kälteverteilung einer Wärmepumpe im Heizbetrieb (links) und im Kühlbetrieb (rechts) © bwp
Schematische Darstellung der Wärme- bzw. Kälteverteilung einer Wärmepumpe im Heizbetrieb (links) und im Kühlbetrieb (rechts) © bwp

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Mit der Luft-Wasser-Wärmepumpe die Raumluft aktiv kühlen

Von einer aktiven Kühlung spricht man, wenn der Verdichter für kühle Raumluft sorgt. So arbeiten sowohl Split-Klimageräte als auch die meisten Wärmepumpen. Damit eine Wärmepumpe auch kühlen kann, muss sie reversibel, das heißt, der Kältekreislauf muss umkehrbar sein. Beim Kauf sollte man daher darauf achten, ob die Wunschanlage unter der Bezeichnung reversible Wärmepumpe geführt wird.

Doch wie läuft dieser Prozess genau ab? Das Heizen mit einer Wärmepumpe haben wir im Beitrag Solarstrom und Wärmepumpe kombinieren beschrieben. Beim Heizen wird die Wärme der Außenluft entzogen und in einem Kreislauf erst verdampft, dann verdichtet, verflüssigt und entspannt/ausgedehnt. Beim Kühlen findet der Prozess umgekehrt statt: Die Wärme wird der Innenluft entzogen, der Verflüssiger wird zum Verdampfer, das Kältemittel über den Verdichter zum zweiten Wärmetauscher, jetzt Verflüssiger, geführt. Dafür ist ein zweites Expansionsventil notwendig. Für die automatische Umschaltung der Fließrichtung sorgt ein 4-Wege-Ventil.

Die aktive Kühlung mit einer Wärmepumpe ist effizient und zugleich sehr effektiv. Der Stromaufwand hält sich in Grenzen, um die Raumtemperatur recht schnell auf bis zu 20 °C abzukühlen.

 

Bestimmte Wärmepumpen können im Sommer auch kühlen
Bestimmte Wärmepumpen können im Sommer auch kühlen

 

Mit erdgekoppelten Wärmepumpen die Raumluft passiv kühlen

Erdgekoppelte Wärmepumpen ist ein gemeinsamer Begriff für Erdwärme-/Sole- und Grundwasserwärmepumpen. Bei diesen kann der Wärmepumpenkreislauf ebenfalls umgekehrt – und damit im Sommer zur aktiven Kühlung genutzt werden.

Das ist aber noch nicht alles: Mit dem Erdreich oder dem Grundwasser kann die Innentemperatur auch auf natürliche Art gesenkt werden. Nämlich dann, wenn der Wärmetauscher die Wärme einfach an das kühlere Medium abgibt. Das natürliche Kühlen, im Fachjargon „natural cooling“ funktioniert mit Hilfe der Umwälzpumpe des Heizkreises: Die Wärmequellenanlage entzieht der Umgebung die benötigte Kälte, ein Kältemittel nimmt sie auf und bringt sie zum Wärmetauscher mit dem Heizungswasser. Die Umwälzpumpe lässt das Wasser im Heizkreislauf zirkulieren und klimatisiert so die Innenräume. Das auf dem Weg wärmer gewordene Wasser gelangt in einem Kreislauf wieder in den Boden und kühlt dort erneut ab. Im besten Fall wird sogar die Innenraumwärme bis zur nächsten Heizperiode dort gespeichert.

Da der Verdichter ausgeschaltet bleibt, benötigt diese Art des Kühlens nur sehr wenig Antriebsenergie. Das macht die passive Kühlung energieeffizienter als die aktive Kühlung. Auf der anderen Seite ist die passive Kühlung weniger effektiv: Je weiter der Sommer fortgeschritten ist, desto wärmer wird auch die Umgebung und desto weniger Wärme kann sie aufnehmen. Dennoch kann die Methode die Raumtemperatur um bis zu 5 °C absenken. Dies geschieht jedoch deutlich langsamer als bei der aktiven Kühlung.

Wichtig zu wissen, dass dieses System nur mit einer Flächenheizung gut funktioniert. Hausbesitzer mit einer Fußbodenheizung, Decken- oder Wandheizung können von der passiven Kühlung im Sommer eine angenehme Klimatisierung erhoffen. Ist ohnehin bereits eine Sole- oder Grundwasser-Wärmepumpe installiert, gibt es die Erfrischung fast zum Nulltarif.  

Wärmepumpe: Aktive und passive Kühlung
Wärmepumpe: Aktive und passive Kühlung
Hinweis: Mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe kann das Prinzip der passiven Kühlung nicht funktionieren. Anders als das Erdreich oder Grundwasser ist die Umgebungsluft im Sommer schlichtweg zu warm.

Fazit

Ob Tropennächte (mind. 20 °C) oder Tropentage (mind. 30 °C): Mit einer Möglichkeit zur Raumkühlung lässt sich’s aufatmen. Durch die spürbare Veränderung unseres Klimas wird die Nachfrage auf dem Kühlsektor in Zukunft sicher noch weiter wachsen – wodurch einerseits wohl die Preise etwas fallen, andererseits aber auch der Strombedarf weiter ansteigen werden. Günstiger als mit einer Photovoltaik-Anlage können die aktiv kühlenden, sehr effektiv arbeitenden Aggregate kaum gespeist werden. Insbesondere die in ihrer Funktion umkehrbaren Wärmepumpen spielen hier ihre Vorteile aus. Energieeffizienter und damit auch klimaschonender ist das passive Kühlen mit einer bestehenden Flächenheizung. Das Umrüsten einer Sole-Wasser-Wärmepumpe für die passive Fußbodenkühlung, so das Ergebnis einer Studie des Umweltbundesamts, ist sogar wirtschaftlicher als das Nachrüsten einer automatischen Sonnenschutzanlage

Tipp: Aktive und passive Kühlung clever kombinieren! Bei (noch) geringem Kühlbedarf kann dann zunächst die energiesparende passive Kühlung genutzt und bei größerer Hitze auf die aktive Kühlung umgeschaltet werden. Und natürlich umgekehrt.
Erdkollektor Wärmepumpe © arahan, fotolia.com
Solarstrom und Wärmepumpe kombinieren

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