Zur Zukunft der Klimatechnik

Gegenwärtig finden Zertifizierungssysteme Eingang in Überlegungen, die für Gebäudeeigentümer und Gebäudenutzer die Bestätigung erbringen, dass nachhaltig gebaut wurde.Länder mit hohem Energieverbrauch haben hier eine Vorreiterrolle übernommen, da Gebäude einen großen Beitrag am Gesamtenergieverbrauch eines Landes leisten [1].

Das LEED-Bewertungsverfahren (USA) gilt als Entwurfsleitfaden für das Planungsteam und soll zeigen, dass ökologische Kriterien in den Entwurf eingeflossen sind. Die Deutsche Gesellschaft für nachhaltiges Bauen (DGNB) vergibt ein Gütesiegel für eine positive Bewertung der Nachhaltigkeit, sofern der gängige Stand der Technik verbessert wurde. Eine bedeutende Größe in diesen Bewertungen, auch im Hinblick auf den Klimawandel, stellen die CO₂-Emissionen in t/a dar. Das CO₂-Minderungsziel zu erreichen, kann auf verschiedene Weise geschehen.

Bild 1 zeigt die CO₂-Minderungskosten für ausgewählte technische Maßnahmen, rein fiskalisch betrachtet [2]. Als Alternative auf der Wärmeseite wird ein Wärmemix betrachtet.Besonders effektive CO₂-Minderungen versprechen Brennwertkessel, Gebäudewärmedämmungen oder die Solarthermie.

Die Realisierung einzelner Maßnahmen stellt sich oft sehr aufwendig dar und setzt die finanzielle Bindung über längere Zeiträume voraus.

In Tabelle 1 ist auszugsweise die rechnerische Nutzungsdauer wesentlicher gebäudetechnischer Anlagen gelistet.

Energiebereitstellung

Die Wärmebereitstellung über Heizkessel aufzubringen bedeutet finanzielle Bindungen über die rechnerische Nutzungsdauer von 18 bis 20 Jahren.

Aus der Unsicherheit der Preisentwicklung fossiler Energieträger nur der letzten zwei Jahre und der Konfliktanfälligkeit der globalen fossilen Energieversorgung sollte bei der langen Nutzungsdauer zukünftig auch ein Nutzungsverbot fossiler Brennstoffe berücksichtigt werden [4].

Den nachwachsenden Rohstoffen wird hier keine große Zukunftsfähigkeit bescheinigt, da für deren Aufbereitung ebenfalls Energie (teilweise fossile) benötigt wird und die Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion (bei Biodiesel u.a.) besteht.

Der Heizgerätemarkt in Deutschland hat bereits mit nie da gewesenen Absatzrückgängen reagiert.

Die Frage stellt sich somit, wie sieht eine nachhaltige Energieversorgung aus?

Aus den Überlegungen der zukünftigen Klimatechnik ist das Energie-szenario schon erkennbar. Es zeichnet sich die Einschienenversorgung mit Elektroenergie ab, was unter den Voraussetzungen

1. Minderung des Energieeinsatzes unter den gegenwärtigen Stand der EnEV (Energiesparverordnung),

2. Verbesserung des sommerlichen Wärmeschutzes über die Sonneneintragskennwerte der DIN 4108-2: 2003-07 hinaus,

3. Einsatz von Wärmerückgewinnern geringen Druckverlustes und Wärmerückgewinnungszahlen > 90 %,

4. Bei Kälteanlagenbetrieb Nutzung der Freikühlung bis ca. 15 °C Außentemperatur,

5. Nutzung von Umweltenergie (Erdwärme u.a.)

Realität werden dürfte.

Wie die Elektroenergie-Bereitstellung unter Berücksichtigung der CO₂-Minderungen aussehen könnte, zeigt Bild 2.

 

Stromversorgung der Zukunft

Die enorme Entwicklung der Photovoltaik ist durch ständige Pressepräsenz hinreichend bekannt. Allerdings macht Bild 2 auch deutlich, dass der Weg zur fiskalisch effektiven Photovoltaik noch sehr weit ist. Wesentlich wirtschaftlicher jedoch sind die solarthermischen Kraftwerke, die gegenwärtig eine Renaissance erleben. 15 bis 20 Eurocent/kWh betragen dafür die Stromerzeugungskosten. [5]

Die CO₂-Minderungskosten dürften etwa in der Nähe der Solarthermie bzw. Windenergie liegen. Zwischen 2020 und 2025 sollten die Stromkosten bei 5 bis 7 Eurocent/kWh liegen [6]. Die Nutzungsdauer heutiger Neuanlagen der technischen Gebäudeausrüstung reicht somit über diesen Zeitraum hinaus.

Natürlich müssen Nutzungskosten und Preissteigerungsraten hinzugerechnet werden. Allerdings ist das Solarstrahlungsangebot kostenlos im Gegensatz zu den fossilen Energieträgern.

Die verschiedenen Luftbehandlungsfunktionen

Lufterwärmung,

Luftkühlung,

Be- und Entfeuchtung,

Filterung sowie

Transport

einschließlich Betrieb der Nebenaggregate wie Pumpen, Stellmotoren oder die Regelung lassen sich mit Elektroenergie bewerkstelligen. Natürlich sind die klimatechnischen Prozesse nicht losgelöst vom Gebäude zu sehen.

 

Wärme- und Kälteschutz

Größere Anstrengungen sind notwendig, den winterlichen Wärmeverlust über die Fassade bzw. Dächer oder Decken zu reduzieren. Da zur Kompensation überwiegend fossile Energien zum Einsatz kommen, und deren begrenzte Verfügbarkeit bekannt ist, muss natürlich zukünftig mit Kostensteigerungen gerechnet werden.

Es ist nur eine Frage der Zeit, bis sich jede Wärmedämmung rechnet.

Heute zur Sanierung anstehende Fassaden sollten daher weit unter die gesetzgeberische Vorgaben im U-Wert (Wärmedurchgangskoeffizient) gemindert werden.

In Bild 3 ist die U-Wertentwicklung verschiedener Verglasungen skizziert.

Die innere Scheibenoberflächen-Temperatur der Vakuumverglasung würde bei einer Außentemperatur von -10 °C nur ca. 2 K unter der Raumtemperatur liegen.

Heizflächen gegenwärtig in Fensternähe positioniert, verlieren zukünftig an Bedeutung.

Für den sommerlichen Wärmeschutz dürften die außenliegende Jalousie (Öffnungswinkel 45 °, b = 0,15) noch lange den Standard setzen.

Moderne Glasbauten mit raumhohen Verglasungen sind ohne Kühlung nicht zu betreiben. Noch extremer sind Hochhäuser, deren Sonnenschutzeinrichtungen nicht benützt werden, um die „Skyline“ immer im Blick zu haben.

Da die Ursprungsauslegung dieses Nutzerkriterium nicht enthielt, erfolgt oft eine Kühlungs­nachrüstung.

Ein erhebliches Energiesparpotential würden neue Gläser in der Gebäudehülle mit besonders strahlungsmindernden Beschichtungen bringen, deren Wirkung vergleichbar mit äußeren Sonnenschutzeinrichtungen ist, jedoch die Transparenz erhält.

Mehr bestimmend dürfte zukünftig die innere Wärmelast werden.

Inzwischen sind die PC-Hersteller sensibilisiert, den Energieverbrauch zu senken (Stichwort: Green IT). Mit dem Einzug von LED-Beleuchtungen (LED = Light Emitting Diode) sollte ein echter Quantensprung im Energieverbrauch einsetzen, was die innere Raumlast erheblich mindern dürfte.

Die Gesamtkühllast sollte so unter 45 W/m² sinken.

 

Anlagentechnik

Die Trennung der Kühllastabfuhr mit einem Medium hoher Wärmekapazität (Wasser) von der notwendigen Lufterneuerung führt zu kleiner werdenden Außenluftströmen. Die winterlich notwendige Befeuchtung der Luft verliert damit etwas an Bedeutung. Die dezentrale Be- und Entlüftung wird in der Regel heute ohne Befeuchtung ausgeführt. In größeren Be- und Entlüftungsanlagen verlagert sich die Befeuchtung oft in den zu behandelnden Raum. Hygienische Probleme, wie sie in Wäschekammern programmiert sind, entstehen dann nicht mehr.

Bei aller Effizienzsteigerung ist natürlich zu beachten, dass die Behaglichkeitskriterien bestehen bleiben.

Alle bisherigen Überlegungen zur zukünftigen Klimatechnik beinhalten das Streben nach Minimierung des Energieeinsatzes. Die Steigerung der Anlageneffizienz ist damit nur konsequent. Die Trennung der Kühllastabfuhr von der Außenluftversorgung für die Personen sollte inzwischen Anlagenstandard sein.

Die zu transportierende Luftmenge trägt erheblich zum Energieverbrauch der lufttechnischen Anlage bei. Mit der spezifischen Ventilatorleistung bezogen auf den Volumenstrom wurde ein Vergleichkriterium zur Anlageneffizienz geschaffen. Der SPF-Wert (Specific Fan Power) stellt somit ein Gütekriterium dar und soll beim Zuluftventilator als Standard SFP 4 betragen [9]. Die Ventilatorleistung darf damit zwischen 1250 und 2000 W/m³ s liegen.

Mit der Wahl des Außenluftvolumenstroms fallen somit schon energetische Entscheidungen, da die Lüftungskanäle nicht beliebig groß gehalten werden können, um den Strömungsdruckverlust zu minimieren.

Neben dem hygienischen Außenluftstrom erhöht die Ausdünstung aus Einbaumaterialien evtl. den notwendigen Luftstrom.

Mit dezentralen Lüftungsgeräten vermindert sich der SFP-Wert infolge weniger Lüftungskanäle auf ca. 1000 W/m³ s [10].

Allerdings vergrößert sich der Wärmebedarf der Einzelgeräte als Folge der schlechten Wärmerückgewinnung.

Im oberen Teil von Bild 4 ist der SFP 4-Wert aus der DIN EN 13 779 (für Zentralgeräte) im Vergleich mit

Dezentralen Geräten,

Umluftgeräten und

Splitgeräten

dargestellt.

Die dezentrale Technik verzeichnet durchweg kleinere SFP-Werte gegenüber von Zentralgeräten. Das fehlende Kanalnetz mit zahllosen Umlenkungen und Abzweigen wirkt sich natürlich aus. Mit Umluftgeräten kleinster Bauart an Fassaden oder Decken montiert, sind SFP-Werte von ca. 180 W/(m³s) [11] erzielbar.

Mikroventilatoren kleinster Bauart, magnetisch gelagert, erzielen höchste Energieeffizienz.

Hier spielen auch die wenig notwendigen Bauteile und geringen Durchströmdruckverluste eine Rolle.

Die Kombination zentrale Luftaufbereitung für den minimalen Außen­luftanteil mit Rückwärmezahlen > 90 % und dezentrale Umluftheiz-Kühlgeräten versprechen höchste Energieeffizienz.

 

Ressourcenschonung

Komponenten der technischen Gebäudeausrüstung gelten als sehr materialintensiv. Umso erstaunlicher ist es, dass dem Ressourcenverbrauch bisher so wenig Bedeutung eingeräumt wird.

Neben der Energieeffizienz ist der Ressourcenverbrauch leicht auf den Volumenstrom zu beziehen. Für zentrale Luftaufbereitungsgeräte liegt der Materialeinsatz bei ca. 0,1 bis 0,7 kg/(m³/h).

Im unteren Teilbild 4 ist der Materialeinsatz für die verschiedensten Komponenten näherungsweise dargestellt. Dezentrale Umluft-Heiz- und -kühlgeräte mit Mikroventilatoren, benötigen ca. 0,05 kg / (m³/h) an Materialeinsatz.

Da im Materialeinsatz Investitionen in Metallen stecken ist schnell erkennbar, dass wenig zentral aufbereitete Luft und dezentrale Temperierung durch dynamische Umluftgeräte Investitionsvorteile bieten.

Mit der Verkleinerung der zentralen Luftaufbereitungstechnik geht natürlich auch der bauliche Aufwand zurück bzw. wurden Flächen gewonnen, die möglicherweise die Objektrendite erhöhen.

 

Erdwärme als regenerative Energienutzung

Mit all den bisher genannten Techniken sollte der Betrieb der Komponenten zur Heizung, Kühlung, Be- und Entlüftung auf niedrigstem energetischem Niveau möglich sein.Gleichzeitig kann nach außen dokumentiert werden, dass die EnEV erheblich unterschritten wurde und ein neues Label, z. B. DGNB oder LEED geführt wird.

Der verbleibende Heiz- und Kühlbedarf soll natürlich besonders ressourcenschonend aufgebracht werden.Unabhängig von der Diskussion einer möglichen, zukünftigen Erderwärmung wird davon ausgegangen, dass in Bürogebäuden Kühlung zum Standard gehören wird.Die natürliche Erdtemperatur für einen Standort Nähe Freiburg zeigt Bild 5 [12].

Eine mittlere Temperatur von +10 °C liefert natürlich beste Voraussetzungen, Kühlung unmittelbar ohne Kältemaschine zu liefern. Systeme, die mit t_Vorlauf /t_Rücklauf = 16/18 °C betrieben werden können, sollten dafür ausgewählt werden.

Im Bild sind Bereiche schraffiert gezeichnet, die andeuten, dass die Erdreichtemperatur infolge sommerlichen Energieeintrags zu höheren Temperaturen driftet. Abhängig von der Dauer der Kühlperiode und Wärmeleitfähigkeit des Erdreichs, ist die Erdtemperatur nur begrenzt nutzbar.

Während der Heizperiode dient das Erdreich als Wärmequelle für einen Kälteprozess (Wärmepumpe). Infolge des Energieentzugs verschiebt sich die Erdreichtemperatur abhängig von weiteren Parametern wie Wärmeleitfähigkeit des Erdreichs und Entzugszeitraum zu tieferen Temperaturen im schraffierten Bereich.

Bei größeren Anlagen sind Simulationen zu erstellen, wie sich die Leistungsfähigkeit der Erdwärmesonden in Verbindung mit der Wärmepumpe verändert.

Bei normalem Festgesteins-Untergrund und der möglichen Entzugsleistung von ca. 60 W/m Bohrtiefe [13] (1800 h/a) steht ein erhebliches Energieangebot zur Verfügung.

Etwa 25 % Elektroenergie-Einsatz genügen 100 % Erdwärme auf 125 % Nutzungsenergie zu pumpen. Mit Niedertemperatur-Heizflächen t_v/t_r = 40/30 °C bzw. dynamischen Heiz-Kühlsystemen entsteht damit ein sehr effektives Heizsystem.

Aus dem beschriebenen Driften der Erdtemperatur kann ein energetischer Nutzen gezogen werden. Im Winter kann die im Sommer durch Kühlung etwas erhöhte Erdtemperatur zum effektiveren Wärmepumpenbetrieb genutzt werden. Analog verlängert die durch winterlichen Entzug etwas abgesenkte Erdtemperatur den Zeitraum der Nutzung der natürlichen Kühlung.

Für die Grobauslegung der Erdsonden werden Karten für das geothermische Potential herangezogen. Wo die Entzugsleistung in Abhängigkeit der Erdbeschaffenheit liegt, zeigt Bild 6 [12].

Zur Gewinnung der Vorstellung, was damit machbar ist, wurde die grüne Kurve gezeichnet, die die beheizbare Nutzfläche pro Sondenlänge ausgibt.

Erwähnt werden muss das Gefahrenpotential, sollten wassergefährdende Flüssigkeiten aus den Wärmesonden ins Grundwasser gelangen. Die Haftungsfrage sollte bereits mit der Gestattung der Baumaßnahme geklärt werden [14].

 

Fazit

Heutige Investitionsentscheidungen der technischen Gebäudeausrüstung im Neubau oder der Anlagensanierung, wirken infolge der Nutzungsdauer von 15 bis 20 Jahren in ein neues Energiezeitalter. Der gegenwärtige Preisanstieg der fossilen Energieträger infolge erhöhter Nachfrage sollte auch Hinweise auf die Endlichkeit der Ressourcen geben. Die Senkung des notwenigen Energiesatzes gewinnt damit oberste Priorität.

Moderne Gebäudeentwürfe mit ihrer Glasarchitektur verlangen verstärkt Kühlung, was dem Energiespareffekt entgegenläuft. Allerdings reduziert sich der Wärmebedarf infolge steigender innerer Wärmelasten der modernen Kommunikationstechnik und Wärmegewinne durch die Gläser. Die zukünftige Be- und Entlüftung oder Klimatisierung von Räumen setzt die Gesamtbetrachtung des Gebäudes voraus. Größtes Augenmerk ist auf die Gebäudefassade zu richten.

Heute bereits vorhandene Technologien erlauben eine derartige Senkung des Energieeinsatzes, dass die Abkehr von fossilen Energieträgern möglich ist. Natürlich muss die Anlageneffizienz mit neuen Komponenten erhöht werden. Die Betrachtung der Nachhaltigkeit muss auch neue Kriterien wie Materialeinsatz in kg zur transportierten Luftmenge in m³/h einschließen.

Die besondere Effektivität liegt in der Nutzung des Erdreichs zur Beheizung und Kühlung und in Kombination der Prozesse Heizung und Kühlung.

[1] Braune, A., Sedlbauer, K.,Kittelberger, S., Kreissig, J., Kurzstudie, Potentiale des Nachhaltigen Bauens in Deutschland: Analyse der internationalen Strukturen, Universität Stuttgart, PE International 2007

[2] Metz, N. und 37 Mitautoren, Auswirkungen auf Luftqualität und Treibhauseffekt, Haus der Technik Fachbuch Band 72, Expert Verlag 2007

[3] VDI 2067, Blatt 1, Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen, September 2000

[4] Schulte, H.-H., Die Zukunft der Heiztechnik

Sanitär und Heizungstechnik 1, 2008, Seite 65/69

[5] Projektinfo 07/07, Solarthermische Kraftwerke werden Praxis, Bine Informationsdienst FIZ Karlsruhe, bine@fiz-karlsruhe.de

[6] Speicher, Ch., Ein zweiter Frühling für solarthermische Kraftwerke

Neue Zürcher Zeitung, 9. Jan. 2008, Nr. 6, Seite 29

[7] Projektinfo 01/08, Vakuumverglasung: Wenn Vakuum Edelgas ersetzt, Bine Informationsdienst FIZ Karlsruhe, bine@fiz-karlsruhe.de

[8] Reichel, W., Die Flächenheizung und der Fenstereinfluss auf die Behaglichkeit im Warmbad, Gesundheits-Ingenieur, 2007, Heft 2, S. 80

[9] DIN EN 13779 – Lüftung von Nichtwohngebäude, Deutsche Fassung EN 13779: 2007

[10] Roth, Dezentrale Lüftungsgeräte und Anlagentechnik, Symposium Dezentrale Lüftungsgeräte, 12.02.2008, VDMA Frankfurt/Main

[11] Luvas-Hochleistungs-Heiz-Kühlsystem, Krantz Komponenten, Caverion GmbH, www.krantz.de

[12] Tholen, M., Walker-Hertkorn, S., Arbeithilfen Geothermie, wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft, Gas und Wasser GmbH, Bonn 2008

[13] VDI 4640, Blatt 2 – Thermische Nutzung des Untergrunds, Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen Sept. 2001, Tab. 2

[14] Rogg, J-M. , Wärmepumpen dürfen keine Altlasten von morgen werden, CCI, 13/2008, Editorial