Regenerative Energien in Klima-/Lüftungstechnik
Auf einen Blick
Die Klima- und Lüftungstechnik kann einen wesentlichen Beitrag zur Erreichung der CO2-Minderungsziele in Deutschland leisten. Schon jetzt stehen Systeme und Technologien zur Verfügung, die aus welchen Gründen auch immer, nicht oder nur unzureichend bei Neubauten und in der Sanierung zum Einsatz kommen.
Klimaschutzziele der Bundesregierung bis zum Jahr 2020:
30 % - 40 %ige Reduktion der Treibhausgase um 147 bis 270 Mio. Tonnen pro Jahr
Potenziale für regenerative Energien in der Klima- und Lüftungstechnik bis 2020:
| CO2-Reduktion pro Jahr Basis 147 Mio to | ||
| Wärmerückgewinnung: | ||
| in Nichtwohngebäuden | 5,85 Mio. to | 4,0 % |
| in Wohngebäuden | 6,43 Mio. to | 4,3 % |
| Klimatisierung: | ||
| Solare Klimasysteme | 0,4 – 0,6 Mio. to | 0,3 % |
| Geothermische Klimasysteme | 0,74 Mio. to | 0,5 % |
| Indirekte Verdunstungskühlung | 0,3 Mio. to | 0,2 % |
| Freie Kühlung über Wassersysteme | 0,25 Mio. to | 0,2 % |
| Summe: | ca. 14 Mio. to | 9,5 % |
Alleine die heute verfügbaren Technologien zur Nutzung der regenerativen Energien in der Klima- und Lüftungstechnik können rund 9% zur Erreichung der Klimaschutzziele der Bundesregierung bis 2020 beitragen.
Damit leistet die Klima- und Lüftungstechnik einen wesentlichen Betrag zur Energieeinsparung | CO2 – Reduktion | Ressourcenschonung und zum Klimaschutz
Vorwort
In der Entschließung des Europäischen Parlamentes mit Empfehlungen an die Kommission zu Heizen und Kühlen aus erneuerbaren Energiequelle (2005/2122(INI)) vom 14. Februar 2006 wird gefordert, dass die Evaluierung und die Nutzung des wirtschaftlichen Potenzials zur Steigerung des Anteils erneuerbarer Energien beim Heizen und Kühlen in der EU von derzeit etwa 10 % auf einen realistischen und ehrgeizigen und wenigstens doppelt so hohen Anteil im Jahr 2020 steigen soll. Die Bundesregierung wird noch im Jahr 2007 mit einem neuen Klimaschutzprogramm das Maßnahmenpaket auf den Weg bringen, mit dem die Beschlüsse der Europäischen Union umgesetzt werden sollen.
- Um eine 30 %ige Reduktion der Treibhausgase bis 2020 zu erreichen, müssen 147 Mio. t im Vergleich zum Jahr 2005 gemindert werden.
- Das reicht aber nicht. Eine Reduktion um 40 % bedeutet dagegen eine Senkung von 270 Mio. t gegenüber dem Niveau von 2005.
Mit einem Anstieg des Anteils von erneuerbaren Energien im Wärme- und Kältebereich soll ein erheblicher Beitrag zur europäischen Energieversorgungssicherheit, zur Schaffung neuer Arbeitsplätze und zur Verbesserung der Umwelt geleistet werden. Weiterhin soll eine signifikante Reduzierung der Nachfrage in Europa nach konventionellen Energien, des allgemeinen Energieverbrauchs der EU im Heiz- und Kühlbereich, der Abhängigkeit insbesondere von Öl und Gas und zur Senkung der Energiekosten für die privaten und gewerblichen Verbraucher erreicht werden.
Mit dem vorliegenden Status-Report Nr. 10 „Regenerative Energien in der Klima- und Lüftungstechnik“ zeigt das Fachinstitut Gebäude-Klima e.V. als wesentlicher Verband der deutschen Klima- und Lüftungstechnik in Industrie und Wissenschaft die verschiedenen Systeme und Verfahren zur Nutzung von Regenerativen Energien in der Klima- und Lüftungstechnik auf. Das Fachinstitut Gebäude Klima e.V. setzt sich für den Grundsatz der Energieeffizienz und die verstärkte Verwendung von Regenerativen Energien unter Berücksichtigung der Behaglichkeit, des Raumkomforts, der Hygiene und der Gesundheit der Nutzer ein.
Das Fachinstitut Gebäude-Klima e.V. wünscht sich Rahmenbedingungen für eine technologie- und energieträgerneutrale Förderung und eine Beschleunigung bei der Implementierung der hohen Energieeinsparpotenziale in den Neubau und in den Gebäudebestand.
Im Folgenden werden verschiedene Technologien zur Nutzung regenerativer Energien erläutert und die möglichen Potenziale beschreiben.
Solare Klimatisierung
 Vergleich Primärenergieaufwand für thermische / elektrische Kälteerzeugung in Abhängigkeit des solaren Deckungsanteiles |
Im Folgenden werden die Systeme beschrieben, die die solare Wärme zum Beispiel aus Sonnenkollektoren direkt oder indirekt für die Klimatisierung von Gebäuden verwenden können.
Elektrische Systeme für die Lüftung und Klimatisierung, die über netzgekoppelte Photovoltaiksysteme versorgt werden, sind nicht Gegenstand der Betrachtung, weil sich diese Systeme prinzipiell nicht von den konventionellen Systemen unterscheiden. In Deutschland und Europa hat sich die Betrachtungsweise durchgesetzt, dass die photovoltaische Stromerzeugung als Teil des Stromnetzes angesehen wird und nicht als Teil des Gebäudes.
Grundsätzlich wird in Abhängigkeit der verwendeten Technologie ab einem solaren Deckungsanteil von 25 bis 40 % die Schwelle erreicht, die eine Primärenergieeinsparung durch solare Kühlung ermöglicht. Ein solarer Deckungsanteil von 70 % bedeutet demnach, dass 70 % der zum Antrieb des Kühlverfahrens notwendigen thermischen Energie von der Solaranlage geliefert werden. Bei realistischen solaren Deckungsanteilen im Bereich von 70 bis 85 % sind – bezogen auf eine gleichwertige konventionelle Referenzanlage – Primärenergieeinsparungen zwischen 30 und 60 % möglich.
Thermische Kälteerzeugung – Klimakaltwassererzeugung aus Solarenergie
Thermische Kaltwassererzeuger erzeugen Kälte, indem sich das in der Anlage befindliche Stoffpaar durch Wärmezufuhr trennt und unter Wärmeabgabe vereinigt. Die thermischen Randbedingungen werden durch das eingesetzte Stoffpaar und durch das Verfahren bestimmt. Die heute für die klimatechnische Anwendung zur Verfügung stehenden Systeme sind:
- Absorptionskälteanlagen mit dem Arbeitspaar H2O / LiBr (Wasser / Lithiumbromid)
- Absorptionskälteanlagen mit dem Arbeitspaar NH3 / H2O (Ammoniak / Wasser)
- Adsorptionskälteanlagen mit Silicagel und Wasser
Solarthermische Kaltwassersysteme haben den Vorteil, dass im gesamten System bekannte und kommerziell verfügbare Komponenten eingesetzt werden können:
- Solarkollektoren
- Thermische Kaltwassererzeuger
- Alle verfügbaren Nur-Luft- und Luft-Wasser-Klimasysteme
- Mögliche Primärenergieeinsparung durch thermische Kälteerzeugung
Nach einer Schätzung werden in Deutschland pro Jahr Kaltwassererzeuger mit einer Gesamtkälteleistung von etwa 1.100 MW verkauft. Dies beinhaltet die Maschinen für Neubau und Sanierung. Unterstellt man, dass ca. 40 % davon für die Komfortklimatisierung eingesetzt und diese mit 700 Vollbenutzungsstunden betrieben werden, so ergibt sich für die jährlich neu verkauften Kaltwassererzeuger ein Gesamtstrombedarf von ca. 263,4 GWh (EER = 3,5).
Siehe: Absorptionskälteanlagen | Adsorptionskälteanlagen
Thermische Klimaprozesse – Sorptionsklimasysteme
Konventionelle Klimasysteme benötigen eine externe Kälteerzeugung zur Kühlung und Entfeuchtung der Luft. In Sorptionsklimasystemen kann die Luft über sorptive Materialien entfeuchtet und über die Verdunstung von Wasser (Verdunstungskühlung) gekühlt werden. Eine intelligente Kopplung von Entfeuchtungskomponenten, Wärme-(Kälte-) Rückgewinnungssystemen und Wasserbefeuchtern in einem Klimazentralgerät kann eine vollständig klimatisierte Luft ohne externe Kältemaschine erzeugen. Der Kälteprozess findet quasi direkt in der Luft in einem offenen Prozess mit Wasser als Kältemittel statt.
Man unterscheidet in der Praxis zwei Systeme:
- Sorptionsklimasysteme mit festen Absorbern
- Sorptionsklimasysteme mit flüssigen Absorbern
Beide Verfahren arbeiten nach dem selben Prinzip. Sie unterscheiden sich im Wesentlichen dadurch, dass bei festen Absorbern der Absorber wechselweise von Zuluft und von Regenerationsluft durchströmt werden muss, während bei flüssigen Systemen die Absorptionsflüssigkeit zwischen Absorption und Regeneration gepumpt werden kann.
Damit der Prozess kontinuierlich ablaufen kann, muss das Wasser aus den Absorptionsmedien wieder entfernt werden. Diese Austreibung geschieht durch Wärmezufuhr. Vorteilhaft bei beiden Systemen ist, dass keine sehr hohen Temperaturen für das Austreiben des Wassers notwendig sind und deshalb sehr einfach solare Wärme oder Niedertemperaturabwärme aus industriellen Prozessen und Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen verwendet werden kann.
Beide Verfahren können somit überall dort eingesetzt werden, wo die Luft gekühlt und ggf. entfeuchtet werden soll. Prinzipbedingt ist bei diesen Systemen gleichzeitig eine sehr effiziente Wärme- und ggf. auch Feuchterückgewinnung vorhanden (vergl. Abschnitt xxx). Dies ermöglicht auch einen energieeffizienten Betrieb im Winter.
- Mögliche Primärenergieeinsparung durch Sorptionsklimasysteme
Nach einer Erhebung von Beck im Jahr 2000 werden in Deutschland pro Jahr ca. 38.000 RLT-Zentralgeräte mit einer Luftleistung von insgesamt 658 Mio m3/h verkauft. Unterstellt man, dass 60 % des Luftvolumenstromes Zuluft und davon 49 % mit Kühlung ausgestattet sind, dann ergibt sich ein jährlicher Primärenergiebedarf für Kühlung von rund 331 GWh. In sehr vielen Fällen ist ein alternativer Einsatz von Sorptionsklimasystemen mit Solar- oder Abwärmenutzung möglich.
Siehe: Sorptionsklimasysteme mit festen Absorbern | Sorptionsklimasysteme mit flüssigen Absorbern
Geothermische Energie — Nutzung der Erdwärme und Erdkälte
Oberflächennahe geothermische Energie ist besonders für die Nutzung in Klima- und Lüftungssystemen geeignet. Die Temperatur des ungestörten Untergrundes beträgt im Tiefen bis ca. 100 m 8 °C bis 12 °C. Die Nutzung dieses Energiereservoirs kann durch verschiedene Systeme erfolgen:
- Grundwassernutzung: Diese Art der Nutzung ist dort möglich, wo durch Saug- und Förderbrunnen ein geschlossener und entsprechend ergiebiger Wasserkreislauf möglich ist. Die Instandhaltung und der Betrieb können abhängig von den lokalen Vorschriften und Gegebenheiten aufwändig sein.
- Erdwärmetauscher: Horizontal (Erdkollektoren) oder vertikal (Erdsonden) verlegte Kunststoffrohre bilden einen Wärmeübertrager mit dem Untergrund. Die Leistungsfähigkeit dieses Wärmetauschersystems ist abhängig von den thermischen Eigenschaften des Untergrundes und der Grundwasserverhältnisse. Je tiefer die Rohre verlegt sind, desto unabhängiger ist das System von der klimatischen Umgebung.
- Energiefundamente: Diese Systeme sind besonders wirtschaftlich, da hierbei die manchmal ohnehin notwendigen Gründungspfähle, Fundamentplatten, Pfahlwände usw. zusätzlich nur mit einem Kunstoffrohrsystem ausgestattet werden müssen. Ansonsten ist die Funktion analog den Erdwärmetauschern.
Abhängig vom notwendigen Temperaturniveau und der Leistungsfähigkeit des Systems kann die geothermische Energie auf vielfältige Weise im Gebäude genutzt werden. Im Sommer dient der Untergrund als Wärmesenke. Die notwendige Kühlenergie wird dem Gebäude entzogen und dem Untergrund zugeführt. Dies kann direkt (Abschnitt 3.1) oder
über die Nutzung einer Kältemaschine oder Wärmepumpe (Abschnitt 3.2) geschehen.
Direkte Nutzung der Erdkälte
Flächenkühlung
In Abhängigkeit des Temperaturniveaus des aus dem Erdreich strömenden Trägermediums und der erreichbaren Leistung (Wärmesenke) können ohne eine zusätzliche Kältemaschine verschiedenartige Raumkühlsysteme im Gebäude zum Einsatz kommen:
- Decken-, Wand- und Brüstungskonvektoren bis ca. 14 - 16 °C Austrittstemperatur aus dem Erdreich
- Kühlsegel, Kühl- und Putzdecken mit Kapillarrohrmatten bis ca. 16 -18 °C.
- Bauteilaktivierung bis ca. 18 - 20 °C
Alle diese Systeme zur Raumkühlung können sowohl im Neubau wie auch bei der Sanierung eingesetzt werden (Bauteilaktivierung durch spezielle Systeme). Grundsätzlich können diese Systeme aufgrund der hohen Systemtemperaturen die Luft nicht entfeuchten. Es muss sogar besonders darauf geachtet werden, dass an keiner Stelle des Systems Kondensat auftreten kann. Insbesondere in feuchtwarmer Witterung (z.B. auch in Flusstälern) muss die Leistung des Systems gegebenenfalls durch eine Anhebung der Systemtemperatur gedrosselt werden, damit die Vorlauftemperatur sicher oberhalb der Taupunkttemperatur des Raumes liegt.
In vielen Fällen sollte ein derartiges System mit einem Klima- und Lüftungssystem kombiniert werden, bei dem die Luft auch entfeuchtet werden kann. Es empfehlen sich hierbei insbesondere sorptive Systeme (siehe Abschnitt 2.2).
Erdreich-Luft-Wärmeübertrager
Erdreich-Luft-Wärmeübertrager können die Außenluft bei einem Lüftungssystem im Winter vorheizen und im Sommer vorkühlen. Die Luft wird hierzu über im Erdreich verlegte Rohrsysteme angesaugt. Bei sorgfältiger Planung, Installation und Wartung können diese Systeme den Energiebedarf für die Lüftung und Vorkühlung merklich senken.
Eine weitere Verbreitung haben derartige Systeme im Bereich der Wohnungslüftung gefunden. Dort steht üblicherweise der notwendige Platz zur Verfügung, und die Dimensionen erlauben einen kostengünstigen Einsatz von geeigneten Rohrmaterialien und Systemausführungen.
Vielfach werden auch größere Lüftungsanlagen an Erdreich-Luft-Wärmeübertrager angeschlossen. Die dort verwendeten Rohrmaterialien (oftmals Abwasserrohre aus Beton) sind aber kritisch bezüglich einer ausreichenden Lufthygiene anzusehen.
- Mögliche Primärenergieeinsparung durch Erdreich-Wärmeübertrager bei Lüftungsanlagen im Wohnungsbau
Das Diagramm zeigt die mögliche Primärenergieeinsparung, 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].
Weitere Inhalte folgen in Kürze
Quelle
FIA-Projekt
Gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
Fachinstitut Gebäude-Klima e. V.
Autor: Dipl.-Ing. Claus Händel