Nachhaltige Energienutzung

Der Energiebedarf zur Klimatisierung von Gebäuden erzeugt ca. 25 % der CO₂-Emissionen in Deutschland (Bild 1). Die Energie hierfür wird zum großen Teil durch fossile Brennstoffe bereitgestellt. Erst in den letzten Jahren treiben Niedrig-Energie- und Passiv-Haus-Standards den wirtschaftlichen Einsatz von alternativen Heizenergiequellen voran. Gesetzliche Vorgaben sowie Normen und Richtlinien fördern und fordern zudem energieeffiziente RLT-Systeme (EnEV 2009 [1], VDI 2071 [2]).

Dem gegenüber steht ein deutlich gestiegener Anteil der Gebäudekühlung, der durch einen hohen Glasanteil in der Fassade sowie durch höhere IT-Wärmelasten (Bürorechner, Serverräume) verursacht wird. So führen zum Beispiel vollverglaste Gebäude mit Nord-Süd-Ausrichtung zu dem energetischen Paradoxon, dass auf der einen Seite gekühlt werden muss, während zeitgleich auf der anderen geheizt wird.

Das Dilemma der Gleichzeitigkeit

Die Erzeugung von Kälte mit Wärmepumpen, so genannten Kaltwassersätzen, bedingt, dass die im Kondensator anfallende Wärmeenergie an die Umwelt abgegeben werden muss. Diese Energie lässt sich prinzipiell auch zur Wärmebereitstellung nutzen. Allerdings wird in den herkömmlichen Kühlanwendungen die Wärmebereitstellung nicht berücksichtigt. Vielmehr wird die Wärme separat, z. B. von einem Heizkessel, bereitgestellt. Wie oben erwähnt, besteht in zahlreichen Objekten aber über viele Stunden im Jahr ein gleichzeitiger Heiz- und Kühlbedarf.

Die Kältebereitstellung mit einer (Luft-Wasser-)Wärmepumpe ist umso effizienter, je geringer die Temperaturdifferenz ist, um die das Medium abgekühlt oder aufgeheizt werden muss. Beschrieben wird die Effizienz durch die Leistungszahl EER (EER = Energy Efficiency Ratio):

EER = < =(1)

Die Leistungszahl EER beschreibt das Verhältnis von erzeugter Kälte­leistung zur aufgewandten (elektrischen) Leistung und muss stets kleiner sein als der Kehrwert des Carnotwirkungsgrads η_Carnot. Hieraus ergibt sich, dass Kälte effizienter in den kalten Nachtstunden und Wärme zur warmen Mittagszeit erzeugt werden können. Der jeweilige Bedarf an Kälte bzw. Wärme ist zu diesen Zeitpunkten jedoch gering.

Energieverschiebung (Energiespeicher)

Da aus thermodynamischer Sicht kein Prozess denkbar ist, der gerade bei großen Temperaturdifferenzen einen hohen exergetischen Wirkungsgrad besitzt, helfen zur Verbesserung der Gesamteffizienz nur Speichersysteme, allen voran der Latentwärmespeicher (z. B. Eisspeicher). Damit kann Kälte/Wärme unter thermodynamisch günstigen Umgebungsbedingungen (geringe Temperaturdifferenz) erzeugt werden und nahezu verlustfrei solange gespeichert werden, bis die Energie abgerufen wird. Allerdings ist bei Einsatz eines Energiespeichers unbedingt auf die erforderliche Temperaturdifferenz zum Be- und Entladen des Speichers zu achten. Bei falscher Auslegung oder ungünstigen Nutzungsprofilen kann der Energiespeicher statt zu einer Anhebung zu einer Absenkung der Gesamteffizienz führen.

Energiequellen und -senken

Neben der Erzeugung von Wärme bzw. Kälte aus Umweltenergie können in vielen industriellen Anwendungen auch Prozessenergien genutzt werden. Hier sind Planer gefragt, die im Sinne einer nachhaltigen Energienutzung nicht mehr die Gewerke einzeln betrachten, sondern vielmehr eine Analyse der zur Verfügung stehenden Prozessenergien durchführen und sie in die Bilanz einbeziehen. Als mögliche Energiequellen seien hier Prozessgase (Abgase), Warm- und Heißwasser sowie Dampf genannt. Darüber hinaus gibt es weitere (Umwelt-)Energiequellen wie Solarkollektoren, Brunnenwasser, Flusswasser oder Erdwärme, die in die Bilanzierung einbezogen werden können.

Systematische Analyse

Die aufgezählten Quellen stehen jedoch nicht alle uneingeschränkt zur Verfügung, etwa wie bei der solaren Wärmeerzeugung. Auch ist nicht jede mögliche Energiequelle oder -senke wirtschaftlich zu nutzen. Die zu erwartenden Betriebskosten pro Jahr – basierend auf den aktuellen Energiekosten (€/kWh) – zeigen einen groben Rahmen auf, der für mögliche Optimierungsmaßnahmen zur Verfügung steht.

Hieraus ergibt sich auch der finanzielle Rahmen für planerische Maßnahmen im Vorfeld. Allerdings sei hier angemerkt, dass die Kosten für Planung im frühen Projektstadium noch gering sind im Vergleich zu den Kosten, die entstehen, wenn Planänderungen in der Bauphase oder während einer Revitalisierung zu realisieren sind. Hier zahlt sich eine überlegte Planung mit entsprechender Bewertung der Alternativen mehrfach aus.

So gehört zu einer soliden Planung die Erfassung des Ist-Zustands der Anlage bzw. der geplanten (konventionellen) Technologien. Zusätzlich muss der Lastgang für alle relevanten Erzeugergrößen (Wärme, Kälte, Prozessdampf usw.) ermittelt werden. Hilfreich, jedoch meist von untergeordneter Bedeutung, ist das Benutzerverhalten, da sich dieses nur schwer kalkulieren lässt. Hier sind vielmehr die Auswirkungen, z. B. Bürozeiten für die Raumklimatisierung, zu berücksichtigen.

Den derart bestimmten Last- und Nutzerprofilen stehen die Erzeugergrößen und deren zeitliche Bereitstellung gegenüber. Beide zusammen zeigen, wann welcher Bedarf mit welcher Energiequelle bzw. -senke in Beziehung steht (Bild 2). In der überwiegenden Zahl der Fälle werden diese nicht deckungsgleich sein und erfordern weitere Maßnahmen. Allerdings kann anhand der obigen Darstellung schon eine Unterteilung in Grund- und Spitzenlasten vorgenommen werden, so dass die Auswahl der entsprechenden Technologien eingeschränkt werden kann. Weiteres Ausschlusskriterium stellt die Qualität der benötigten Wärme/Kälte dar, d.h. auf welchem Temperaturniveau wird Warm- und Kaltwasser benötigt. Die zeitliche Verknüpfung der Erzeugergrößen mit der bereitgestellten Energie stellt den Schlüssel zur energieeffizienten und ressourcenschonenden Anlagennutzung dar. Hieraus ergeben sich mögliche Kombinationen aus Erzeugertechnolgogien (z. B. Wärmepumpe, Brennwertkessel, Wärmerückgewinnung) und Speichersystemen (Wasserspeicher, Latentwärmespeicher).

Bewertung der Technologiekombinationen

Natürlich müssen auch Konzepte mit einem hohen ökologischen Anspruch bezahlbar sein. Hieraus ergibt sich ein Spannungsdreieck aus Investitionskosten, Betriebskostenersparnis und Payback (Amortisation).

Alternative Technologien können über die Betrachtung der Lebenszykluskosten (LCC = Life Cycle Costs) sinnvoll bewertet werden. Diese berücksichtigen neben Investitions- und Betriebskosten auch den Einfluss von Inflation und Kapitalverzinsung sowie mögliche Preissteigerungen für Energie- und Wartungskosten. Eine allgemeingültige Richtlinie in der Raumlufttechnik gibt hierzu die VDI 2067 [3]. Basierend auf der Annuitätenmethode werden alle Kosten auf das erste Jahr bezogen und entsprechend der gewählten Parameter über die Anlagennutzungsdauer analysiert. Am Beispiel der Klimatisierung eines mittleren Bürogebäudes in Mannheim mit moderaten Kühllasten sollen (konventionelle) Anlagentechniken miteinander verglichen und hinsichtlich ihrer Lebenszykluskosten bewertet werden. Hierbei wird angenommen, dass die benötigte Heizleistung bei 115 kW liegt und die Kühlleistung 85 kW beträgt. Bild 4 zeigt den realen Verlauf der Lebenszykluskosten für die Bereitstellung von Wärme und Kälte mit unterschiedlichen Systemen. Verglichen werden a) ein Brennwertkessel/Kaltwassersatz mit b) Wärmepumpe/Kaltwassersatz und c) einem geregelten Verbund aus zwei Wärmepumpenkreisläufen (im Beispiel mit „GEA HeaMo“). Begünstigend wird im Beispiel angenommen, dass der Wärme- und Kältebedarf zu 35 % simultan anfällt. Auf die instationäre Betrachtung unter Einbindung von Speichersystemen wurde verzichtet.

Genaue Analyse rechnet sich

Die Analyse für den Bedarf an 115 kW Heizleistung und 85 kW Kühlleistung zeigt, dass sich das Kombi-Gerät „GEA HeaMo“ hier trotz deutlich höherer Investitionskosten von 75 000 € (Schnittpunkte mit der Ordinate in Bild 4) nach 2,5 Jahren bereits günstiger darstellt als die unabhängigen Gerätekombinationen. Dieser Analyseablauf ist in Bild 5 noch einmal zusammengefasst als Ablaufdiagramm dargestellt. Dieser ist allgemein gehalten, so dass er für alle gängigen Anwendungen der Klimatisierung in Industrie und Gewerbe eingesetzt werden kann. Ausnahmen bilden hier lediglich Anlagen mit Einschränkungen bezüglich Hygiene oder Sicherheit (z. B. explosionsgeschützte Systeme).

[1] Energieeinsparverordnung 2009 (EnEV 2009)

[2] VDI 2071: Wärmerückgewinnung in Raumlufttechnischen
Anlagen. Ausgabe 1997

[3] VDI 2067: Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Grundlagen und Kostenberechnung. Ausgabe: 2000