Geb?udeklimatisierung

Viele kleine Klimaanlagen, die au?en an einem Geb?ude angebracht sind.zum Vergr??ern anklicken
Raumklimager?te enthalten klimasch?dliche HFKW und haben einen hohen Energiebedarf.
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Bis vor wenigen Jahren war die Klimatisierung von R?umen oder Geb?uden in Deutschland noch selten. Durch den erh?hten Lebensstandard sind die Erwartungen an den Komfort in Wohn- und vor allem Arbeitsr?umen gestiegen. Der Energiebedarf steigt. Die verwendeten K?ltemittel sind in über 95 Prozent der Klimaanlagen ?u?erst klimasch?dlich.

Geb?udeklimatisierung in Deutschland

Deutschland liegt in der gem??igten Klimazone. Ein Kühlbedarf ist wegen der Jahresmitteltemperaturen um zehn Grad Celsius überschaubar und somit für Wohnh?user auf wenige hei?e Tage im Sommer beschr?nkt. Für ein angenehmes Raumklima sind Au?enrolll?den oft die effizientere und kostengünstigere L?sung gegenüber Klimaanlagen. Anders sieht es in Nichtwohngeb?uden, wie zum Beispiel Büros, aus: Wegen der baulichen Beschaffenheit (hoher Glasanteil, keine oder unzureichende Verschattung) und der h?heren inneren Lasten ist der Klimatisierungsbedarf wesentlich gr??er. Auch der Energieaufwand hierfür ist derzeit circa 100-mal so hoch wie im Wohngeb?udebestand. Nur ungef?hr ein bis zwei Prozent der Wohnfl?che wird heute gekühlt. Demgegenüber sind etwa die H?lfte der Büro- und Verwaltungsgeb?ude mit Klimatisierungsvorrichtungen ausgestattet (Bettgenh?user et al. 2011). Laut ?kodesign-Studie? verdoppeln sich die energiebedingten CO2-Emissionen bis 2030 in diesem Bereich. Bei Nichtwohngeb?uden ist mit einem Anstieg um 25 Prozent zu rechnen (Riviere und Adnot et al. 2008).

Umweltbelastungen

Neben den indirekten CO2-Emissionen belasten Klimaanlagen, welche nach dem Kompressionsprinzip funktionieren, auch mit treibhauswirksamen K?ltemittelemissionen das ⁠Klima⁠. Die K?ltemittel bestehen aus teilfluorierten Kohlenwasserstoffen (HFKW), die entweder als Reinstoff oder als Stoffgemische (Blends) zum Einsatz kommen. Durch Verdampfung der K?ltemittel in einem geschlossenen Kreislauf wird dem Raum W?rme entzogen und mittels mechanischer Kompression und anschlie?ender Verflüssigung (Kondensation) an die Umgebung abgegeben. Das flüssige K?ltemittel wird danach durch ein Drosselventil entspannt und wieder verdampft, wodurch sich der Kreis schlie?t. Die HFKW-Emissionen beliefen sich in der station?ren Klimatisierung in Deutschland im Jahr 2010 auf 405 Tonnen, was 717.400 Tonnen CO2-?quivalenten entspricht.

Verwendet werden in Split-Klimager?ten (Mono- und Multisplit- bzw. VRF-Ger?te; VRF: variabler K?ltemittelmassenstrom, engl. variable refrigerant flow) überwiegend die HFKW-Mischungen R407C und R410A. Die Ger?te bestehen aus einem Au?enger?t, welches Kompressor und Kondensator enth?lt, und einem oder mehreren Innenger?ten (Verdampfer), welche durch K?ltemittelleitungen miteinander verbunden sind. Da bei der Montage in den K?ltekreislauf eingegriffen wird, dürfen Split-Klimager?te nur durch sachkundiges Personal installiert werden. Das gilt auch für Ger?te, die beispielsweise in Baum?rkten direkt an den Endverbraucher verkauft werden. Insbesondere VRF-Anlagen haben weitverzweigte K?ltemittelleitungen und viele Anschlüsse (bis zu 60 Innenger?te). Daher neigen sie zu Leckagen. Die K?ltemittelfüllmenge dieses Anlagentyps kann durch lange K?ltemittelleitungen bis 300 Meter und mehr recht gro? (bis circa 50 kg) ausfallen. So entweichen bei durchschnittlichen Leckageraten von sieben Prozent signifikante Mengen HFKW in die ⁠Atmosph?re⁠.

K?ltemittelleckagen sind durch Dichtheitsprüfungen gem?? der Verordnung (EG) über fluorierte Treibhausgase (F-Gas-Verordnung) zu beheben. Dies ist h?ufig nicht angemessen durchführbar, da K?ltemittelleitungen in der Regel schwer zug?nglich bis unzug?nglich im Geb?ude verlegt sind.

Mobile Raumklimager?te, welche nicht ortsfest aufgestellt werden, haben aufgrund ihrer kompakten Bauweise kleinere K?ltemittelfüllmengen und eine geringere Leckageneigung. Dieser Ger?tetyp kühlt R?ume jedoch weit weniger effektiv als Split-Klimager?te, da die dem Raum entzogene W?rme mittels Luftstrom über einen Schlauch ins Freie bef?rdert wird. Dies führt zu einem Unterdruck, wodurch warme Luft von drau?en in den Raum nachstr?mt. Wird der Abluftschlauch nicht durch ein Loch in der Wand, sondern durch ein offenes Fenster geführt, ist der Kühleffekt sehr gering. Die Raumtemperatur liegt dann nur wenige Grad unter der Au?entemperatur.

Bei gr??erem K?lteleistungsbedarf (ab circa 50 kW) kommen zentrale Anlagen mit Kaltwassererzeugern zum Einsatz, welche R407C und R410A als K?ltemittel verwenden. Ab 250 Kilowatt K?lteleistungen werden auch Turbok?ltemaschinen eingesetzt. Diese beinhalten R134a als K?ltemittel. Das erzeugte Kaltwasser entzieht den R?umen W?rme entweder direkt durch beispielsweise Gebl?sekonvektoren oder Bauteilaktivierung oder indirekt über eine raumlufttechnische Anlage, in der gekühlte Luft über ein Kanalsystem in die R?ume eingebracht wird.

Klimatisieren ohne HFKW

Für s?mtliche hier genannten Anwendungen und Ger?te stehen HFKW-freie Systeme zur Verfügung oder befinden sich unmittelbar vor der Markteinführung. In Indien ist seit 2012 ein Monosplit-Ger?t mit dem K?ltemittel Propan (R290) auf dem Markt, welches mit Unterstützung der deutschen Gesellschaft für internationale Zusammenarbeit (GIZ) entwickelt wurde. Ebenfalls mit Hilfe der GIZ hat ein chinesischer Hersteller ein R290-Ger?t zur Serienreife gebracht. Die Markteinführung steht allerdings noch aus.

Aus Sicherheitsgründen wird von einem Einsatz von Kohlenwasserstoffen in Multisplit- beziehungsweise VRF-Systemen, bei denen eine Verbindung zwischen k?ltemittelführenden Komponenten und R?umen mit Personenaufenthalt (Wohnungen, Büros) besteht, aufgrund der gr??eren Füllmengen abgesehen. Seit kurzem ist ein VRF-System mit dem K?ltemittel Kohlendioxid (R744) verfügbar, welches jedoch mit einer Leistungszahl von 2,5 energetisch schlechter abschneidet als die HFKW-Standardvariante. Als Alternative zu den Multisplit- beziehungsweise VRF-Systemen k?nnen gleichwohl zentrale Anlagen installiert werden, die wegen der indirekten K?ltebereitstellung mittels Kaltwasser mit einer Reihe natürlicher K?ltemittel wie zum Beispiel R290 oder R717 (Ammoniak) ausgeführt werden k?nnen. Dank der günstigen thermodynamischen Eigenschaften wird Ammoniak vor allem in gro?en Anlagen verwendet, wie diese unter anderem am Stuttgarter Flughafen oder am Berliner Ostbahnhof realisiert wurden. Aber auch bei kleineren Leistungen (ab circa 25 kW) sind Kleinserien und Einzelanfertigungen verfügbar. Eine gr??ere Auswahl an Maschinen ist ab einer Leistung von 100 Kilowatt erh?ltlich.

Mit W?rmeenergie betriebene K?ltemaschinen

Neben den Kompressionsk?ltemaschinen mit natürlichen K?ltemitteln bieten sich auch auf dem Sorptionsprinzip basierende Aggregate (Ab- und Adsorptionsk?ltemaschinen) an. Diese werden anstatt mit elektrischer Energie mit W?rmeenergie mittels thermischer Verdichtung angetrieben. Als K?ltemittel kommt für Klimatisierungsanwendungen Wasser zum Einsatz. Für den Betrieb einer Adsorptionsk?lteanlage ist eine (Ab)W?rmequelle von 65 Grad Celsius bereits ausreichend, wodurch sich diese Anlagen auch für den Antrieb durch Solarw?rme eignen. Mehrere Hersteller bieten Systeme ab einer K?lteleistung von rund acht Kilowatt an. Eine besonders günstige Variante ist der Betrieb einer Sorptionsk?ltemaschine mit der Abw?rme eines Blockheizkraftwerks. Hierbei wird eine günstige W?rmequelle mit einer auch im Sommer verfügbaren W?rmesenke kombiniert. Fernw?rme ist ebenfalls als W?rmequelle geeignet.

Zur Erzeugung von ⁠Klimak?lte⁠ im Dienstgeb?ude des Umweltbundesamtes in Dessau dient eine 30-Kilowatt-Absorptionsk?ltemaschine, die mit der W?rme einer Solarthermieanlage und alternativ mit Fernw?rme betrieben wird.
Neben der Komfortklimatisierung von Wohn- und Nichtwohngeb?uden besteht auch in anderen R?umen oder Geb?uden, beispielsweise Reinr?ume, Labore oder Rechenzentren, ein Klimatisierungsbedarf, der mit den beschriebenen Techniken gedeckt wird. Der Einsatz von Anlagen mit natürlichen K?ltemitteln, wie Ammoniak oder Kohlenwasserstoffe, ist bei diesen Anwendungen problemlos m?glich.

Studie: Nachhaltige K?lteversorgung in Deutschland an den Beispielen Geb?udeklimatisierung und Industrie

Die Studie des ILK Dresden (Institut für Luft- und K?ltetechnik gGmbH) vergleicht nach dem TEWI-Ansatz die ⁠Klimawirkung⁠ von K?ltesystemen in der Nichtwohngeb?udeklimatisierung und der ⁠Prozessk?lte⁠. Anhand von Simulationsrechnungen konnten die Autoren zeigen, dass K?ltemaschinen mit halogenfreien, natürlichen K?ltemitteln deutlich klimafreundlicher abschneiden als HFKW-Anlagen, da erstere zum einen energieeffizienter sind und zum anderen keine oder vernachl?ssigbare klimarelevante direkte Emissionen (K?ltemittelemissionen) aufweisen.

Neben dem Anlagenvergleich, in dem auch sorptive K?ltesysteme (zum Beispiel Absorptionsk?ltesysteme) einbezogen sind, wird auch der Anteil des K?ltebedarfs in den Bereichen Geb?udeklimatisierung und Industriek?lte ermittelt, der sich anstelle von Kompressionsk?ltesystemen mittels w?rmegetriebener K?ltesysteme decken l?sst. Wird Solar- oder Abw?rme genutzt, sind Absorptionsk?lteanlagen herausragend energieeffizient und weisen die geringsten Treibhausgasemissionen aller in der Studie untersuchten Anlagen auf. Der Potentialanalyse geht eine umfangreiche K?ltebedarfsanalyse in den betrachteten Anwendungsbereichen voraus.