Effizient Kühlen: Raumklimageräte und Photovoltaik kombinieren

Gebäude müssen so geplant und ausgeführt werden, dass sich die Menschen darin wohlfühlen und gesund bleiben. Wesentliche Parameter hierbei sind eine gute Luftqualität und die thermische Behaglichkeit, also behagliche Temperaturen und Feuchtegehalte sowohl im Winter als auch im Sommer. Bisher werden die meisten Gebäude und deren Anlagentechnik in Deutschland nur für den Winterfall geplant, wobei grundsätzlich die Raumtemperatur berücksichtigt wird. Häufig wird auch ein Lüftungskonzept erstellt und damit der Nachweis einer ausreichenden Lüftung erbracht. Das ist aber immer noch nicht Standard und auch nicht gesetzlich gefordert. Sommerliche Raumluftfeuchten und -temperaturen werden nur auf ausdrücklichen Wunsch der Bauherren analysiert und berechnet.

Ein verbreiteter Irrtum besteht darin, dass die sommerlichen Raumkonditionen mit dem Nachweis des sommerlichen Wärmeschutzes abgehandelt seien. Bei diesem Nachweis wird jedoch nur geprüft, ob der Sonnenschutz und die Wärmedämmung auch sommerlichen Anforderungen genügen. Mit welchen Temperaturen und Raumluftfeuchtigkeiten im Sommer tatsächlich zu rechnen ist und ob sie im behaglichen Bereich bleiben, wird nicht ermittelt, obwohl sommerliche Hitze durchaus ein Problem ist.

Sie verringert nicht nur die Arbeitsleistung und die Behaglichkeit, sie kann auch ernst zu nehmende gesundheitliche Folgen haben. Das Robert Koch-Institut gibt für 2022 eine hitzebedingte Übersterblichkeit von rund 4500 Fällen an [1]. Es ist also dringend notwendig, sommerliche Witterungsbedingungen bei der Planung von Gebäuden und Anlagentechnik stärker zu beachten. Wichtige Größen für die Auslegung sind Temperatur und Luftfeuchte (Abb. 1).

Ein guter sommerlicher Wärmeschutz ist in jedem Fall notwendig, um den Energieverbrauch für Klimaanlagen möglichst gering zu halten und Zugluft weitestgehend zu vermeiden. Da passive Maßnahmen wie Nachtlüftung und Sonnenschutz vor allem in Dachgeschossen und städtischen Hitzeinseln schnell an ihre Grenzen geraten, sind zusätzliche technische Maßnahmen sinnvoll. Mit den passenden Systemen und bei richtiger Auslegung ist dies auch energetisch vertretbar.

Wärmepumpen erzeugen Wärme und Kälte

Grundsätzlich handelt es sich bei jeder Wärmepumpe auch um eine Kältemaschine und umgekehrt. Es ist nur die Frage, ob die Wärmesenke und/oder -quelle genutzt wird und ob die Heiz- beziehungsweise die Kühlfunktion konstruktiv und regeltechnisch umgesetzt ist. Wärmepumpen werden meist in Kombination mit Fußbodenheizungen installiert. Damit ist auch ein Kühlbetrieb möglich.

Zu beachten ist, dass die jeweilige Raumluftfeuchtigkeit die Leistungsfähigkeit begrenzt, weil Kondensation im Boden und im Baukörper auf jeden Fall zu vermeiden ist. Wärmepumpen können im Kühlbetrieb in schwülheißen Gegenden, zum Beispiel in süddeutschen Flussniederungen, nicht allen Komfortansprüchen genügen, da sie die Luft nicht entfeuchten. Vorteilhaft ist, dass sie nahezu zugfrei arbeiten. Allerdings reagiert die Kühlung aufgrund der Speicherwirkung sehr träge. Deshalb muss die Kühlung in warmen Perioden rund um die Uhr betrieben werden.

Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen arbeiten besonders energieeffizient – das gilt auch für den Kühlbetrieb. Über einen langen Zeitraum – bis die große Hitze einsetzt und wenn es im Spätsommer wieder weniger heiß ist – kann mit Hilfe einer Sole- oder Wasserpumpe die regenerative „Erdkälte“ ohne Betrieb des Verdichters genutzt werden. Er wird erst an sehr heißen Sommertagen benötigt.

In der Energiekennzeichnung und im Energielabel ist die Effizienz von Wärmepumpen im Kühlfall nicht dokumentiert, daher lässt sie sich nicht so einfach vergleichen. Energieberater und Installateure können die Systeme aber im Zusammenhang mit Effizienzberatungen oder beim Ausstellen von Energieausweisen zum Beispiel mit Hilfe der DIN V 18599 bewerten und Systemempfehlungen geben.

Multifunktionale Lüftungsgeräte entfeuchten zusätzlich

Immer häufiger werden multifunktionale Lüftungsgeräte angeboten, die mit Wärmepumpen und teilweise mit Kältemaschinen ausgerüstet sind. Sie stellen ideale Energiezentralen für hochwertige Wohnhäuser dar. Bei Geräten mit Kühlfunktion wird der für die Lüftung notwendige Luftvolumenstrom über die Wärmepumpe gekühlt, die erzeugte Wärme kann gleichzeitig das Trinkwasser erwärmen. Es ist also ein doppelter Nutzen möglich.

Die Effizienz dieser multifunktionalen Systeme ist wie bei den Wärmepumpen mit den oben vorgestellten Methoden zu bewerten. Vorteilhaft ist die mögliche Entfeuchtung der Zuluft und der damit verbundene zusätzliche Komfortgewinn in schwülwarmen Perioden. Sinnvoll ist es, die Anlagen entsprechend dem Lüftungsbedarf auszulegen. Allerdings können damit aufgrund der begrenzten Luftvolumenströme nicht zu jeder Zeit alle Komfortansprüche befriedigt werden. Eine individuelle raumweise Regelung der Kühlung ist zudem sehr aufwendig und nur in größeren Systemen sinnvoll umzusetzen.

Raumklimageräte kühlen und heizen effizient

Bei Raumklimageräten in Split- und Multi-Split-Ausführung ist die Leistungsregelung mit einem Inverter inzwischen Standard. Durch diese verbesserten Regelkonzepte und nicht zuletzt durch die Anforderungen des EU-Energielabels handelt es sich bei den heute angebotenen Geräten um hocheffiziente Kälteerzeuger. Gleichzeitig heizen sie mit ihrer Wärmepumpenfunktion effizient, sodass die fossile Heizung zumindest in der Übergangszeit abgeschaltet werden kann.

Die verwendeten Kältemittel – meist R32 – unterliegen den Anforderungen der EU-F-Gase-Verordnung. Ihr Treibhauspotenzial (GWP, Global Warming Potential) beträgt nur noch ein Drittel der Werte in der Vergangenheit. Außerdem muss immer wieder klargestellt werden, dass Klimageräte bei professioneller Installation und Wartung so gut wie kein Kältemittel verlieren (Leckagen unter zwei Prozent pro Jahr). Das Kältemittel bleibt als Arbeitsmittel in der Maschine und kann am Ende sogar für die erneute Verwendung aufbereitet werden.

Energieeffiziente Geräte zu finden ist einfach, da die technischen Daten aller Raumklimageräte bis zwölf Kilowatt Kühlleistung in der EPREL-Datenbank [2] der EU-Kommission gelistet sind (Abb. 2). Effiziente Geräte arbeiten mit Jahresarbeitszahlen (SEER, Seasonal Energy Efficiency Ratio) von über acht. Sie liegen also deutlich über den typischen Jahresarbeitszahlen (SCOP, Seasonal Coefficient of Power) für die Heizung. Auch die Stiftung-Warentest [3] bescheinigt den getesteten Split-Klimageräten renommierter Hersteller, zum Beispiel den Geräten mit dem Qualitätssiegel Raumklimageräte [4], eine gute Energieeffizienz.

PV und Kühlung als Traumteam: Mit der Sonne kühlen

Nicht jedem ist klar, dass die Erzeugung von Nutzkälte für die Raumkühlung meist effizienter funktioniert als die Erzeugung von Nutzwärme für die Raumheizung. Es ist grundsätzlich zu überlegen, ob dieses Potenzial nicht auch für die Gebäudeauslegung genutzt werden sollte, vor allem wenn man bedenkt, dass im Sommer mehr Solarstrom erzeugt wird als im Winter. Leider gibt es auch viele Missverständnisse bezüglich des Energiebedarfs für die Raumkühlung, weil die installierten elektrischen Leistungen der Geräte meist sehr hoch sind und oft der gesamte Energieverbrauch komplexer Klimaanlagen betrachtet wird.

ei diesen Anlagen wird aber der Verbrauch für Heizung, Kühlung, Lüftung und gegebenenfalls Befeuchtung ausgewiesen. Auf den eigentlichen Kältebedarf entfallen bei typischen Bürogebäuden beispielsweise nur etwa 15 Prozent. Die heute erhältlichen Geräte sind leistungsgeregelt, sodass sich die elektrische Leistung immer an den aktuellen Bedarf anpasst. Große elektrische Leistungen für die Raumkühlung werden vor allem dann gebraucht, wenn die solare Einstrahlung und damit die Stromerzeugung durch Photovoltaikanlagen ebenfalls hoch ist.

Abb. 3 stellt die Stromerzeugung in Deutschland vom 8. bis 14. August 2022 dar. Die gelbe Fläche zeigt die mit Photovoltaik erzeugten Strommengen unter den Randbedingungen der 2022 gültigen Einspeisebedingungen, also unter Berücksichtigung der netzbedingten Leistungsbegrenzungen bei größeren Anlagen. Wie in anderen sommerlichen Hitzephasen bestand auch in dieser heißen Augustwoche genau dann ein Überangebot an Strom, wenn der Kühlbedarf in Gebäuden groß war. Die Nutzung regenerativer Energie, insbesondere von solar erzeugtem Strom, ist also besonders sinnvoll im Zusammenhang mit der Gebäudekühlung.

Abb. 4 zeigt Daten eines Wohngebäudes mit einem Multi-Split-Klimasystem und einer Photovoltaikanlage für den gleichen Zeitraum. Neben der Außentemperatur dokumentiert die Grafik die Leistungsaufnahme des Klimasystems mit 6,2 Kilowatt Nenn-Kälteleistung. Es kühlt ein Arbeits- und ein Schlafzimmer im Dachgeschoss des Wohnhauses sowie ein weiteres Schlafzimmer. Die Innengeräte werden je nach Nutzung und gewünschter Raumtemperatur betrieben. In der Abbildung ist zu erkennen, dass die Außentemperatur während des Zeitraums an fast jedem Tag über 33 Grad Celsius angestiegen ist. Die Innengeräte, die in diesem Haushalt meist ab der Mittagszeit in Betrieb gehen, liefen während der Hitzeperiode in den Schlafzimmern auch nachts.

Die Photovoltaikanlage hat eine elektrische Leistung von 2,5 Kilowatt und arbeitet netzgebunden. Abb. 5 stellt den gemessenen Strombedarf des Klimageräts und die Stromerzeugung der Photovoltaikanlage für den oben genannten Zeitraum zusammen mit der Nettobilanz als 3-Minuten-Mittelwerte dar. In der heißen Periode wird der Strombedarf des Klimageräts am Nachmittag vollständig durch die Photovoltaikanlage gedeckt. Weil die Anlage ohne Stromspeicher arbeitet, wird Strom aus dem Netz für den Betrieb am Abend und in der Nacht genutzt.

In den sechs Tagen benötigte das Klimagerät 60 Kilowattstunden Strom, die Photovoltaikanlage erzeugte 90 Kilowattstunden (Abb. 6). Der Deckungsanteil der Photovoltaikanlage für die Klimatisierung betrug 51 Prozent. Das bedeutet, dass etwa 30 Kilowattstunden des notwendigen Stroms regenerativ auf dem eigenen Dach erzeugt und 30 Kilowattstunden aus dem Stromnetz bezogen wurden. Neue Photovoltaikanlagen werden häufig mit Stromspeichern betrieben, sodass sie deutlich höhere Nutzungsgrade erreichen.

Das Beispiel unter extremen, aber realen Wetterbedingungen zeigt:

• Nachtlüftung zur Temperaturabsenkung ist in den Morgenstunden durchaus wirksam. Die Klimatisierung wird erst um die Mittagszeit erforderlich.
• Solare Stromerzeugung ist im Zusammenhang mit der Klimatisierung besonders sinnvoll. Statt die Leistung der Erzeugungssysteme zu begrenzen, kann der erzeugte Strom in behagliche Raumtemperaturen investiert werden.
• Mit dem weiteren Ausbau der regenerativen Stromerzeugung wird die Bedeutung dieser Zusammenhänge in Zukunft weiter zunehmen.
• Man sollte sich mit Gebäudeenergiekonzepten beschäftigen, die sowohl den Wärmebedarf im Winter als auch den möglichen Kühlbedarf im Sommer unter den Randbedingungen des Stromangebots bewerten, statt einseitig auf die Reduzierung des Wärmebedarfs zu setzen.

Luft mit Wasserdampf kühlen

Für gewerbliche Gebäude eignen sich weitere Systeme mit anderen Kälteerzeugungsverfahren, die wirtschaftlich besonders vorteilhaft sein können. Eines der Systeme nutzt die indirekte Verdunstungskühlung. In Lüftungssystemen mit effizienter Wärmerückgewinnung wird dazu Wasser im Abluftteil des RLT-Geräts verdunstet und kühlt somit die Abluft. In der Wärmerückgewinnung wird diese Abluftkühlung auf die Zuluft übertragen, die Feuchte jedoch nicht.

Mit einer indirekten Verdunstungskühlung lässt sich im typischen deutschen Klima etwa die Hälfte der notwendigen Kälte erzeugen, die übrigen 50 Prozent können thermische Kältemaschinen übernehmen. Dass im Gegensatz zur direkten Verdunstungskühlung – Befeuchtung im Raum oder in der Zuluft – die Raumluftfeuchtigkeit nicht erhöht wird, steigert den Komfort erheblich, da in Deutschland heiße Perioden meist gleichzeitig mit hoher Luftfeuchtigkeit auftreten.

Weil mit direkter Verdunstungskühlung die Luftfeuchtigkeit weiter ansteigt, kann das „Schwüleempfinden“ sogar noch zunehmen. Dennoch hat auch die direkte Verdunstungskühlung ihren Einsatzbereich. Sie kann beispielsweise in den industriellen, hitzebelasteten Bereichen mit Raumtemperaturen über 30 Grad Celsius sinnvoll sein.

Kälte aus Wärme erzeugen

Überall dort, wo preiswerte Wärme oder Abwärme mit Temperaturen über etwa 60 Grad Celsius zur Verfügung steht, können thermische Kältemaschinen zum Einsatz kommen – seien es Ab- oder Adsorptionsanlagen. Mit geringem Stromaufwand ermöglichen sie es, Kälte aus Wärme zu erzeugen. In der Praxis ist dies nur sinnvoll, wenn Abwärme zur Verfügung steht.

Aufgrund der geringen Effizienz des eigentlichen Kälteprozesses (Wärmeverhältnis etwa 0,6, aus einem Teil Wärmeenergie werden also 0,6 Teile Kälteenergie) ist es nicht sinnvoll, beispielsweise Biomasse speziell für die Kälteerzeugung zu verfeuern. Weil thermische Kältemaschinen größere Rückkühleinheiten erfordern, sind sie eher dem gewerblichen Bereich vorbehalten.

Dieser Artikel von Claus Händel erschien zuerst in Gebäude Energieberater-Ausgabe 06/2023. Claus Händel ist Technischer Geschäftsführer beim Fachverband Gebäude-Klima.