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Regenerative Energien in Klima-/Lüftungstechnik: Unterschied zwischen den Versionen
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Regenerative Energien in Klima-/Lüftungstechnik (Quelltext anzeigen)
Version vom 11. März 2010, 19:19 Uhr
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Vielfach werden auch größere [[Lüftungsanlagen - Hygiene|Lüftungsanlagen]] an Erdreich-Luft-Wärmeübertrager angeschlossen. Die dort verwendeten Rohrmaterialien (oftmals Abwasserrohre aus Beton) sind aber kritisch bezüglich einer ausreichenden Lufthygiene anzusehen.<div style="clear: both; visibility: hidden;">dient Zeilenumbruch</div> | Vielfach werden auch größere [[Lüftungsanlagen - Hygiene|Lüftungsanlagen]] an Erdreich-Luft-Wärmeübertrager angeschlossen. Die dort verwendeten Rohrmaterialien (oftmals Abwasserrohre aus Beton) sind aber kritisch bezüglich einer ausreichenden Lufthygiene anzusehen.<div style="clear: both; visibility: hidden;">dient Zeilenumbruch</div> | ||
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| [[Bild:Luft energie pe-einsparung erdreich-waermeuebertragung.gif|thumb|upright=2|Energieeinsparpotenziale durch Erdreich-Wärmeübertrager]] | |||
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;Mögliche Primärenergieeinsparung durch Erdreich-Wärmeübertrager bei Lüftungsanlagen im Wohnungsbau | ;Mögliche Primärenergieeinsparung durch Erdreich-Wärmeübertrager bei Lüftungsanlagen im Wohnungsbau | ||
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| [[Bild:Luft energie co2-einsparung erdreich-waermeuebertragung.gif|thumb|upright=2|CO<sub>2</sub>-Minderung durch Erdreich-Wärmeübertrager im Wohnungsbau]] | |||
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Das Diagramm zeigt die mögliche [[Primärenergie]]einsparung, wenn Lüftungsanlagen im Wohnungsbau mit Erdreich-Wärmeübertrager ausgerüstet werden. Nimmt man beispielsweise an, dass zu einem zukünftigen Zeitpunkt 10 % des gesamten Gebäudebestandes mit Lüftungsanlagen ausgerüstet sind, dann ergeben sich beim Einbau von Erdreich- | Das Diagramm zeigt die mögliche [[Primärenergie]]einsparung, wenn Lüftungsanlagen im Wohnungsbau mit Erdreich-Wärmeübertrager ausgerüstet werden. Nimmt man beispielsweise an, dass zu einem zukünftigen Zeitpunkt 10 % des gesamten Gebäudebestandes mit Lüftungsanlagen ausgerüstet sind, dann ergeben sich beim Einbau von Erdreich- | ||
Wärmeübertragern zusätzliche Energieeinsparungen von 729 GWh pro Jahr [6], [7]. | Wärmeübertragern zusätzliche Energieeinsparungen von 729 GWh pro Jahr [6], [7]. | ||
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====Nutzung der Erdkälte über Kältemaschinen==== | |||
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| [[Bild:Luft energie erdreich-kaeltemaschine.gif|thumb|upright=2|Einbindung einer Kältemaschine/Wärmepumpe in ein Gesamtkonzept für geothermische Gebäudetemperierung]] | |||
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Reicht das Temperaturniveau des aus dem Erdreich strömenden Trägermediums nicht aus, um die erforderliche Kühlaufgabe zu übernehmen, dann kann das Erdreich als Wärmesenke für eine Kältemaschine verwendet werden. Dies ist zum Beispiel dann notwendig, wenn die Zuluft des Gebäudes für die Klimatisierungsaufgabe entfeuchtet werden | |||
muss. Die notwendige Kaltwassertemperatur für die Entfeuchtung beträgt dann ca. 6 bis 8 °C und dies steht im Erdreich nicht zur Verfügung. | |||
Der elektrische Energiebedarf für den Betrieb der Kältemaschine sinkt mit steigender Temperatur im Kondensatorkreis. Bei wassergekühlten Kältemaschinen ist eine Rückkühlung über die Außenluft üblich (nasse oder trockene Kühltürme). Die Systemtemperaturen im Rückkühlkreis liegen damit in der Praxis zwischen 25 °C und 40 °C. Nutzt man die Wärmesenke Erdreich, dann kann man mit geeigneten Kältemaschinen die Systemtemperaturen | |||
im Rückkühlkreis absenken. Damit steigt die Leistung der Kältemaschine, und der elektrische Energiebedarf sinkt. Oft kann auf einen zusätzlichen Kühlturm ganz verzichtet werden.<div style="clear: both; visibility: hidden;">dient Zeilenumbruch</div> | |||
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| [[Bild:Luft energie pe-einsparung erdreich-kaeltemaschine.gif|thumb|upright=2|Mögl. zusätzl. Primärenergieminderung durch Nutzung des Erdreichs als Wärmesenke p.a. (EER<sub>Standard</sub> = 3,5 und EER<sub>geothermisch</sub> = 5,2)]] | |||
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;Mögliche Primärenergieeinsparung durch die Nutzung des Erdreiches als Wärmesenke bei der Klimakaltwassererzeugung. | |||
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| [[Bild:Luft energie co2-einsparung erdreich-kaeltemaschine.gif|thumb|upright=2|Mögl. zusätzl. CO<sub>2</sub>-Minderung durch Nutzung des Erdreichs als Wärmesenke p.a. (EER<sub>Standard</sub> = 3,5 und EER<sub>geothermisch</sub> = 5,2)]] | |||
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Analog der Schätzung der pro Jahr in Deutschland verkauften Kaltwassererzeuger [2] und den Abschätzungen nach Abschnitt 2.1 beträgt der Gesamtstrombedarf der jährlich neu verkauften Kaltwassererzeuger für die Gebäudeklimatisierung ca. 263 GWh Primärenergie (Neubau und Sanierung). | |||
Das Diagramm zeigt die Auswirkungen auf den Energiebedarf unter der Annahme, dass 10 bis 30 % der neu ausgelieferten Kaltwassersysteme (Neubau und Sanierung) mit einer geothermischen Rückkühlung ausgestattet werden. | |||
Wenn 30 % der neu installierten Systeme mit geothermischer Rückkühlung ausgestattet werden, beträgt die Energieeinsparung ca. 34 GWh<sub>Primär</sub> Strom oder 13 %.<div style="clear: both; visibility: hidden;">dient Zeilenumbruch</div> | |||
===Freie Kühlung=== | |||
====Freie Kühlung über Kühlturm und Lüftungszentralgerät==== | |||
Eine seit Jahrtausenden verwendete Methode zur Kühlung ist die Verdunstung von Wasser. Neben der direkten Nutzung der Verdunstungskühlung im Klimazentralgerät (siehe Abschnitt 2.2) kann die Verdunstungskühlung auch indirekt über Kühltürme oder WRG-Fortluftwärmeübertrager mit Kreislaufverbundsystem genutzt werden. Hier ist jedoch zu beachten, dass bei diesen Systemen insbesondere im Sommer in Abhängigkeit der Feuchtkugeltemperatur | |||
für die Nutzung zur Kühlung nur vergleichsweise hohe Kühlwassertemperaturen erreicht werden. Wichtig ist in diesem Zusammenhang die Trennung der Funktionen Luft- oder Raumkühlung und Luftentfeuchtung. Für die Anwendung in der Klimatechnik ist die freie Kühlung nicht nutzbar für die Entfeuchtung. Für den Entfeuchtungsbetrieb passt ideal ein Sorptionsklimasystem (siehe Abschnitt 2.2). Wie bei der Nutzung der Erdkälte ist bei den Raumkühlsystemen darauf zu achten, dass diese Systeme mit hohen Wassertemperaturen arbeiten können (siehe Abschnitt 3.1.1). Für die Nutzung mit freier Kühlung ist eine Systemtemperatur oberhalb 18 °C anzustreben. | |||
Man unterscheidet folgende Bauarten: | |||
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| [[Bild:Luft energie kuehlturm bauarten.gif|thumb|upright=2|Bauarten von Kühltürmen]] | |||
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* '''Offene Kühltürme''': Das zu kühlende Wasser wird mittels Sprühdüsen über Kunststoff-Rieseleinbauten verteilt. Das Kühlwasser ist offen in direktem Kontakt mit der Luft. Es erfolgt eine sensible und latente Wärmeübertragung an die Außenluft. | |||
* '''Geschlossene Kühltürme''': Die zu kühlende Flüssigkeit (Wasser oder Glykol-Wasser-Mischung) zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf in einem Wärmeübertrager. Dieser wird von außen mit einem separaten Kreislauf mit Wasser besprüht. Es erfolgt eine sensible und latente Wärmeübertragung an die Außenluft. | |||
* '''Trockene Rückkühlung''': Wasser zirkuliert nur in einem geschlossen Kreislauf, und der Wärmetauscher wird nicht besprüht. Es erfolgt nur eine sensible Wärmeübertragung an die Außenluft. | |||
* '''Hybride Kühltürme''': Ein hybrider Kühlturm ist eine Kombination von geschlossenem und trockenem Rückkühler. Je nach Außenkonditionen erfolgt die Wärmeübertragung sensibel, latent oder in Kombination. | |||
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| [[Bild:Luft energie kuehlturm kaeltemaschine.gif|thumb|upright=2| ]] | |||
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Systeme der freien Kühlung über Kühlturm können in vielfältiger Ausführung in Gebäuden auch in Kombination mit Kältemaschinen installiert werden (vorzugsweise bei der Raumkühlung). Bedingung ist lediglich, dass die notwendigen Systemtemperaturen bei den entsprechenden Außentemperaturen und -feuchten zusammenpassen. Zu beachten ist außerdem, dass der Wasserbedarf und die Wasseraufbereitung ein wesentlicher wirtschaftlicher Aspekt sein können. Mit einem hybriden Kühlturm erreicht man in der Praxis Kühlwassertemperaturen etwa 4 K über der Feuchtkugeltemperatur. In München rechnet man zum Beispiel mit einer maximalen Feuchtkugeltemperatur von | |||
21 °C, was eine Kühlwassertemperatur von 25 °C zur Folge hätte. Dies bedeutet, dass diese Systeme in heißen und feuchten Sommern vorwiegend in der Nacht betrieben werden sollten, damit eine ausreichend tiefe Kühlwassertemperatur erreicht wird. Deshalb eignen sich vorwiegend speichernde Systeme wie die Bauteilaktivierung für die Nutzung der freien Kühlung.<div style="clear: both; visibility: hidden;">dient Zeilenumbruch</div> | |||
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| [[Bild:Luft energie pe-einsparung kuehlturm.gif|thumb|upright=2|PE-einsparpotenziale durch Nutzung freier Kühlung für die Gebäudeklimatisierung (Kältemaschine EER = 3,5)]] | |||
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| [[Bild:Luft energie co2-einsparung kuehlturm.gif|thumb|upright=2|CO<sub>2</sub>-Einsparpotenziale durch Nutzung freier Kühlung für die Gebäudeklimatisierung (Kältemaschine EER = 3,5)]] | |||
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Die Abbildung zeigt die Auswirkungen auf den Energiebedarf bei der Kälteerzeugung unter der Annahme, dass 10 bis 30 % der neu installierten Kältesysteme (Neubau und Sanierung) mit einer freien Kühlung ausgestattet werden. Wenn 30 % so ausgeführt werden, dann beträgt die Primärenergieeinsparung ca. 79 GWh oder 30 %. | |||
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====Ventilatorgestützte Nachtkühlung==== | |||
In Gebäuden mit hohem thermischem Speichervermögen und moderaten inneren Lasten kann die Nachtlüftung den Raumkomfort signifikant verbessern. Kriterien für die Nutzung der Nachtlüftung im Sommer zur Kühlung sind: | |||
* Ein moderates Klima: Das heißt, dass die Nachttemperaturen außen über einen ausreichenden Zeitraum deutlich unter den Temperaturen im Gebäude liegen müssen. | |||
* Die Außenluftqualität (Gerüche, [[Schadstoff]]e, Feinstaub) muss ausreichend sein. | |||
* Einbruchsschutz und Sicherheitsauflagen. | |||
* [[Brandschutz]] und -auflagen. | |||
* Witterungswechsel wie z. B. Schlagregen und Wind. | |||
* Lärmschutz und Akustik. | |||
Dies bedeutet, dass eine Nachtlüftung ausschließlich über die Fenster in vielen Fällen nicht dauerhaft wirksam sein kann. Je nach den Randbedingungen können unterschiedliche Mechanismen der ventilatorgestützten freien Kühlung zum Einsatz kommen: | |||
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| [[Bild:Luft energie nachtlueftung temperatur.gif|thumb|upright=2|Beispiele für Temperatur-verhalten bei freier Nachtlüftung]] | |||
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* Zu- und Abluftsysteme mit variablem Luftvolumenstrom. | |||
* Abluftsysteme mit variablem Luftvolumenstrom und Nachströmung über geeignete Außenluftelemente. | |||
* Hybride Lüftung als Kombination von freien und ventilatorgestützten Systemen. | |||
Systeme mit ventilatorgestützter Nachtlüftung zur Kühlung setzen eine integrierte Betrachtungsweise von Gebäuden und Anlagentechnik voraus und müssen auch so geplant werden. Dies bedeutet, dass diese Technologie nicht isoliert betrachtet werden kann. Eine energetische Bewertung ist deshalb schwer darstellbar und es wurde deshalb in diesem Bericht darauf verzichtet.<div style="clear: both; visibility: hidden;">dient Zeilenumbruch</div> | |||
====Kühlung über indirekte Verdunstungskühlung==== | |||
In Zusammenhang mit einer effizienten [[Wärmerückgewinnung]] kann in Klimazentralgeräten die Kühlwirkung von verdunstendem Wasser für die Kühlung der Zuluft eingesetzt werden. Man nutzt die Kühlwirkung in den mitteleuropäischen Klimazonen meist indirekt, das heißt, man feuchtet die in den Raum geführte Luft nicht auf. Bei sogenannten direkten Systemen (Verdunstungskühler, Dessert-Cooler, usw.) wird die Zuluft gekühlt aber auch gleichzeitig befeuchtet. Diese Systeme eignen sich nur für heiße und trockene Klimazonen. Es werden im Allgemeinen folgende Systeme unterschieden: | |||
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| [[Bild:Luft energie verdunstungskuehlung adiabat .gif|thumb|upright=2|Bsp Klimasystem mit adiabater Verdunstungskühlung]] | |||
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=====Indirekte Verdunstungskühlung mit Abluft===== | |||
Die Abluft wird durch Versprühen von Wasser so weit wie möglich abgekühlt. Durch eine effiziente Wärmeübertragung wird die „Kälte“ dann auf den Zuluftstrom übertragen. Diese Systeme eignen sich besonders dann, wenn im Kühlfall die Ablufttemperatur nach der Verdunstung kleiner als die Außenlufttemperatur ist. Zum Beispiel, wenn in einem Gebäude die Räume durch die Speicherung oder durch zusätzliche Raumkühlsysteme relativ | |||
kühl bleiben und die Auffeuchtung nicht groß ist.<div style="clear: both; visibility: hidden;">dient Zeilenumbruch</div> | |||
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| [[Bild:Luft energie verdunstungskuehlung indirekt.gif|thumb|upright=2|Bsp Klimasystem mit adiabater Umluftkühlung]] | |||
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=====Indirekte Verdunstungskühlung mit Außenluft===== | |||
Bei diesen Systemen wird die Außenluft durch Versprühen von Wasser so weit wie möglich abgekühlt, die „Kälte“ wird dann auf den Zuluftstrom oder auf einen Umluftstrom übertragen. Diese Systeme eignen sich besonders dann, wenn im Kühlfall die Außenlufttemperatur nach der Verdunstung kleiner als die Raumtemperatur ist. Zum Beispiel wenn in einem Gebäude die Raumlasten relativ hoch sind (z. B. in der Industrie).<div style="clear: both; visibility: hidden;">dient Zeilenumbruch</div> | |||
=====Einsparpotenziale durch die indirekte Verdunstungskühlung===== | |||
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| [[Bild:Luft energie pe-einsparung verdunstungskuehlung indirekt.gif|thumb|upright=2|Mögl. PE-Einsparung durch Nutzung indirekter Verdunstungskühlung p.a.]] | |||
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| [[Bild:Luft energie co2-einsparung verdunstungskuehlung indirekt.gif|thumb|upright=2|Mögl. CO<sub>2</sub>-Einsparung durch Nutzung indirekter Verdunstungskühlung p.a.]] | |||
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Die Diagramme zeigen die möglichen zusätzlichen jährlichen Einsparungen an Kälteenergie, wenn ein entsprechender Anteil dieser Geräte mit einer indirekten Verdunstungskühlung ausgestattet wird. Voraussetzung für diese Technologie ist auch der Einsatz eines effizienten Wärmerückgewinnungssystems (siehe hierzu auch Abschnitt 5.1.1). Die Randbedingungen sind analog der Sorptionsklimasysteme in Abschnitt 2.2 gewählt.<div style="clear: both; visibility: hidden;">dient Zeilenumbruch</div> | |||
===Wärmerückgewinnung und Abwärmenutzung=== | |||
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| [[Bild:Luft energie lueftungswaermebedarf.gif|thumb|upright=2|Lüftungswärmebedarf von Wohngebäuden]] | |||
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Der Lüftungswärmebedarf wird in Zukunft aufgrund des hohen Wärmedämmstandards in Deutschland einen dominierenden Anteil am [[Energiebedarf]] von Wohn- und Nichtwohngebäuden erreichen. Im Bereich der [[Niedrigenergiehaus|Niedrigenergie-]] und [[Passivhaus|Passivhäuser]] werden mindestens 50 % der Heizwärme durch die [[Lüftung]] verursacht. Das Beispiel [[Passivhaus]] zeigt, dass nur durch den Einsatz einer [[Wärmerückgewinnung]] der Heizwärmebedarf deutlich reduziert werden kann.<div style="clear: both; visibility: hidden;">dient Zeilenumbruch</div> | |||
;Wärmerückgewinnung ist eine Regenerative Energiequelle! | |||
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| [[Bild:Luft energie waermerueckgewinnung regenerativ.gif|thumb|upright=2|Regenerativer Anteil der Wärmerückgewinnung]] | |||
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Oft stellt sich in diesem Zusammenhang die Frage, ob die [[Wärmerückgewinnung]] aus der [[Lüftung]] eine Regenerative Energiequelle darstellt. Diese Frage ist zunächst nicht so einfach zu beantworten und ist stets eine Frage der gewählten Bilanzgrenze. Man kann jedoch Folgendes feststellen: | |||
# Die Wärmequelle Außenluft wird üblicherweise als Regenerative Energiequelle angesehen (Bsp Außenluft-Wärmepumpe zur Beheizung). Damit ist die Außenluft eine Umweltenergie und die Abluft einer Lüftungsanlage wird zur Außenluft, wenn sie das Gebäude verlässt. Die Nutzung der Abluft als Wärmequelle ist aufgrund des höheren Temperaturniveaus in jedem Fall effizienter als die Nutzung der Außenluft. | |||
# Ein großer Teil der inneren Wärmequellen in Gebäuden stammt aus regenerativen Quellen: | |||
## Passive solare Gewinne über die Verglasung (100 % regenerativ) | |||
## Personen (100 % regenerativ) | |||
## Der regenerative Anteil des Strombedarfes (derzeit ca. 10 % mit steigenderTendenz) | |||
## Der regenerative Anteil der Raumheizung, z. B. Biomasse, Geothermische Energie, Umweltenergie (derzeit ca. 10 % mit stark steigender Tendenz) | |||
Damit stammen die Lüftungswärmeverluste zu ca. 40 % aus regenerativen Quellen. Mit einer [[Wärmerückgewinnung]] kann diese [[Wärme]] zu einem großen Teil wiederverwertet werden. Ergänzend kommt hinzu, dass die [[Wärmerückgewinnung]] auch die Energie, die das WRG-System bereits wiedergewonnen und in das Gebäude zurückgeführt hat, erneut verfügbar machen kann. Zurück gewonnene Energie wird also mehrfach zurückgewonnen.<div style="clear: both; visibility: hidden;">dient Zeilenumbruch</div> | |||
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