Wärme und Kälte im Objektbau

Die Kältebereitstellung in Gebäuden wird eine zentrale Versorgungsfrage der Zukunft sein. Durch die Klimaerwärmung werden die Bedarfe steigen. Experten gehen davon aus, dass 2050 der weltweite Kühl- den Heizbedarf übersteigen wird. Deswegen sind gerade bei gro­ßen Gebäuden effiziente Lösungen gefragt, die synergetisch aus Abwärme Kälte produzieren und den generellen Kühlbedarf von vornherein geringhalten.

Will man Wärme und Kälte beim Objektbau miteinander kombinieren, gibt es aktive und passive Lösungen. Eine aktive Lösung wäre eine Wärmepumpe, die im Sommer bei reversibler Laufrichtung kühlt, Wärme aus dem Gebäude abführt und, im Falle einer Geothermielösung, den Wärmespeicher im Boden wieder regeneriert. Im Winter sorgt sie für Wärme. 

Aktiv sind auch Ab­sorp­tions­kälte­anlagen. Sie arbeiten auf Basis eines physikalischen Prin-
zips, bei dem durch die Anlage­rung von Molekülen in einer Flüssigkeit Wärme gespeichert werden kann. Ist genügend Abwärme bei ausreichendem Temperaturniveau in einem Objekt vorhanden, kann diese in Kälte umgewandelt werden. Die selte­ner verbreiteten Adsorptionskälteanlagen nutzen ein ähnliches Prinzip, allerdings lagern sich hier die Moleküle an einer festen Oberfläche an.

Neben diesen aktiven Lösungen gibt es auch passive. Am bekanntesten sind sicherlich funktionale Dämmsysteme, die im Sommer die Hitze fernhalten und im Winter den Verlust der Wärme im Gebäude verhindern. Soll eine Immobile hinsichtlich ihrer Wärme- und Kälteversorgung optimiert werden, ist also immer eine Nutzung beider Varianten ratsam, der aktiven und der passiven. Denn Letztere garantiert durch geringeren Verbrauch sowohl bei Wärme als auch Kälte eine höhere Energieeffizienz. Im Folgenden werden mögliche Komponenten solcher Lösungen vorgestellt.

Passive Systeme

a) Schaltbare Wärmedämmung

Schaltbare Dämmsysteme bestehen aus mehreren Komponenten, die in die Gebäudehülle integriert sind. Sie dienen dem Schutz vor Wärmeverlusten, Schall oder Witterung. Werden solche Komponenten funktional miteinander verknüpft, spricht man von der schaltbaren Wärmedämmung (SWD). Sie leitet im Winter die Wärme der Sonnenstrahlen ins Innere und bietet bei geringen Solarerträgen einen hohen Wärmeschutz. Dasselbe System hält im Sommer die Strahlung draußen.

b) Fassadentemperierung

Die Fassadentemperierung kann auch dem Wärme- oder Kälteschutz dienen. Allerdings ist die Methode sehr aufwendig. Sie kann zum einen durch wasserdurchflossene Rohrregister in den Wänden erfolgen. In diesen Bereich fällt auch eine andere Lösung: die Fassadenbegrünung, die auch immer ein Wärme- und Kälteschutz ist. Die Fassade kann auch als thermischer Kurzzeitspeicher dienen. Genutzt werden dafür Beton, der im Objektbau das Baumaterial Nummer 1 ist, oder Phasenwechselmaterialien (PCM), insbesondere im Leichtbau. „Eine Umsetzung im Neubau stellt sich einfach dar, während der Aufwand der thermischen Aktivierung bei Gebäuden im Bestand hoch ist“, schätzt das Bayerische Zentrum für Angewandte Energieforschung diese Variante ein.

c) Schaltbare Verglasung

Schaltbare Verglasungen gibt es in mehreren Varianten. Sinn und Zweck ist es, im Winter die solaren Erträge optimal ins Gebäude zu leiten, während sie im Sommer außen vorgehalten werden sollen. Dazu dienen Innen- und Außenverschattungen wie Lamellen oder Rollläden, aber eben auch Fenstergläser mit elektrochromen, gaschromen oder thermotropen Schichten.

d) Integrierte Sonnenenergie (BIPV und BIST)

Die Fassade kann auch Photovoltaik (BIPV) und Solarthermie (BIST) aufnehmen; das allein ändert schon das thermische, aber auch schalltechnische Durchlassverhalten. In Kauf nehmen muss man dabei aber mitunter suboptimale Einfallwinkel für die Solarstrahlung, denn nicht an jeder Fassade sind Abständerungen möglich. Beide Varianten können in Wärmdämmverbundsysteme (WDVS) eingebettet, aber auch als Vorhangfassade ausgeführt werden.

Aktive Systeme

Neben den klassischen Kompressoren gibt es noch weitere Möglichkeiten, mit denen im Objektbau Kälte bereitgestellt werden kann – idealerweise kombiniert mit Wärmerzeugung.

a) Wärme und Kälte durch Sonnenenergie

Systeme, die Sonnenenergie nutzen, bestehen meist aus solarthermischen Anlagen und Pufferspeichern. Die Kälteproduktion kann hier nur erfolgen, wenn PV-Module mit integriert werden und der von ihnen produzierte Strom zur Kälteproduktion eingesetzt werden kann, etwa Photovoltaik-Solarthermie-Kollektoren (PVT).

b) Kühlung mit Wärmerückgewinnung und indirekter Verdunstungskühlung

Bei dieser Lösung wird ein Heizungs-Lüftungs-Klima-System integriert (HLK). Damit wird eine mechanische Belüftung sichergestellt, die die Energieeffizienz hinsichtlich der Wärme und der Kühlung erhöht. Das System ist zu diesem Zweck mit einer Wärmerückgewinnung (WRG) ausgestattet, die mit einer Verdunstungskühlung ausgerüstet wird. Durch das Verdunsten von Wasser kühlt die Luft ab, diese Kühlwirkung wird in der Wärme-(Kälte-)Rückgewinnung auf die Zuluft übertragen. In unseren Breitengraden können damit ca. 50 % der Kühlenergie regenerativ erzeugt werden.

Üblich sind solche Lösungen im Passivhausstandard. In Hessen etwa, wo alle öffentlichen Bauten in diesem Standard errichtet werden müssen, sind sie auch in kommunalen Bauten wie Turnhallen oder Lagergebäuden weit verbreitet.

c) Wärme und Kälte aus Biomasse

Wird Biomasse eingesetzt, sind die Prozesstemperaturen so hoch, dass auch die Kälte mittels einer Ad- oder Absorptionskälte­anlage (siehe weiter unten) erzeugt werden kann. Müssen Wärme und Kälte gleichermaßen erzeugt werden, ist diese Lösung gerade im Neubau ein Mittel der Wahl, um sowohl Energieeffizienz (Holz zählt zu den preiswertesten Brennstoffen) als auch gesetzliche Erfordernisse (EnEV, EEWärmeG) zu erfüllen. Allerdings kann es aus generellen ökologischen Überlegungen heraus, etwa wegen des Feinstaubs und der mitunter unsicheren sowie wenig nachhaltigen Herkunftsquellen, nicht sehr sinnvoll sein, Holz für die Kälteerzeugung zu verbrennen.

d) KWK

Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) kommt für eine gemeinsame Erzeugung von Wärme und Kälte nur dann in Frage, wenn die Wärmemengen und die Temperaturhöhe der Abwärme ausreichend sind, um eine Ad- oder Absorptionskälteanlage zu koppeln (siehe weiter unten). Bei kleineren KWK-Anlagen ist dies nicht der Fall.

e) Wärme und Kälte aus Geothermie 

Eine ideale Lösung für Wärme und Kälte bietet die Wärmepumpe, wenn sie geothermisch fundiert ist. Bei reversiblem Betrieb kann sie die Kühlung des Gebäudes mit übernehmen. Das ist zudem sehr energieeffizient, weil dazu teilweise nur die Umwälzpumpe laufen muss, die etwa das 10 °C kühle Erdreich oder das ebenso kühle Wasser aus einem Brunnen zur Kühlung nutzen kann. Für das Erdreich kommen auch Energiepfähle in Frage, die letztlich gleichzeitig der Fundamentgründung und der Wärmegewinnung dienen können. Bei Brunnenlösungen muss aber die Fließgeschwindigkeit mit eingerechnet werden, da die Wärme, die im Sommer wieder zugeführt wird, sonst fortgeführt wird. Dafür gibt es je nach Bundesland teils strenge Vorschriften, die dies verhindern sollen.

f) Eisspeicher

Mit der Technologie der Wärme­pumpe arbeitet auch der Eisspeicher – eine der wenigen Technologien, die Lastspitzen in Objektbauten sowohl bei der Kälte als auch der Wärme ausreichend jahreszeitlich verschieben können. Sie nutzen zum einen die Wärme aus dem Wärmepumpenprozess, zum anderen die Kristallisationswärme, die beim Übergang des Aggregatszustands des Wassers von flüssig zu fest frei wird. Im Sommer hingegen können Eisspeicher, ebenso wie reversible Wärmepumpen, ein Gebäude kühlen. Sie regenerieren dabei den Eisspeicher, tauen ihn also wieder auf und bereiten ihn so effizient für die nächste Heizperiode auf. Unterstützt wird dieser Prozess von Solar­absor­bern, die im Prinzip nur aus großen, schwarzen und mit einem Glykolgemisch gegen das Einfrieren gefüllten PE-Schläuchen bestehen und die Umgebungswärme sowie etwa Sonnenenergie nutzen. Diese Absorber können in milden Wintern sogar einen kleinen Teil der Heizlast abdecken. Da sie nur für größere Objekte geeignet sind, sind sie ideal für den Objektbau. Einziger Anbieter in Deutschland ist derzeit Viessmann, der bereits über 2.000 dieser Eisspeicher verbaut hat. Während die hohen Investitionskosten den wesentlichen Nachteil darstellen, gibt es sehr geringe Betriebskosten. Denn die liegen praktisch nur im Betrieb der Wärmepumpe und deren Verbrauch an elektrischem Strom. Da die Umgebungstemperatur durch den Eisspeicher relativ konstant ist, wird ein äußerst effizienter Betrieb ermöglicht – analog anderen Wärmepumpenlösungen wie Geothermie oder Brunnen. Rechnet man Heizung und Kühlung zusammen, kommen solche Lösungen auf eine Jahresarbeitszahl (JAZ) von 7.

Zwei Eisspeicherprojekte aus der Praxis

Das Gebäude der Schnepf Planungsgruppe in Nagold wird mittels einem 300 m³ Wasser fassenden Eisspeicher versorgt, der ein System von 5,7 km Rohrleitungen mit Wärme oder Kälte versorgt. 42 Solarabsorber sorgen auf einer Fläche von 382 m² für Regeneration. Die Wärmepumpe wird mittels PV-Strom versorgt. Sie stellt rund 51.000 kWh im Jahr bereit. Das deckt die komplette Heizlast des Gebäudes von 121 kWh/m²a ab.

Der Umbau einer 1879 errichteten Pumpstation in Haan bei Düsseldorf wurde beim Umbau zu einem Geschäftsgebäude von Anfang an mit einem Eisspeicher konzipiert. Dieser muss mit Wärmepumpe und Solarabsorbern eine Kühllast von 85 kW abdecken. Aufgrund des Eisspeichers lässt sich die Leistung der Wärmepumpe von 42,8 W verdoppeln. Versorgt werden damit gut 1.000 m² Bürofläche, wobei die intelligente Schaltung für die Heizung immer auf die Komponente zurückgreift, die gerade am wärmsten ist.

Das kann also der Solarabsorber oder der Eisspeicher sein. Die Energiekosten liegen bei 7.100 €/a.

g) Adsorption

Steht in einem Gebäude durch Produktionsprozesse oder eine KWK-Lösung genug Abwärme zur Verfügung, kann auch eine Ad- oder Absorptionskältemaschine für die Kühlung eingesetzt werden. Sie nutzt einen physikalischen Effekt, der sich an der Oberfläche oder in der Flüssigkeit eines Stoffes, Sorbens genannt, abspielt. Haftet hier ein Stoff an, wird Energie freigesetzt, die genutzt wird, um das Fluid analog einer Wärmepumpe in einen anderen Aggregatzustand zu versetzen. Das Prinzip könnte auch dort genutzt werden, wo auf Bürodächern große Solarthermieanlagen installiert wurden und deren Wärmeproduktion im Sommer nicht gebraucht wird. Der große Vorteil: Bezogen auf die Stromeffizienz sind solche Anlagen gut zehnmal effektiver als Kom­pres­sions­kälte­maschinen. Das gilt aber nur, wenn ausschließlich Abwärme oder Solarwärme eingesetzt wird. Wird zugeheizt, gilt: 1 kWh Heizwärme entspricht etwa 0,7 kWh Kälte.

Am Stammsitz des Erdgaskonzerns VNG in Leipzig ist eine solche Anlage installiert und gekoppelt an ein BHKW. Damit entspricht die Anlage einer Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK). Die Lösung war deshalb nötig, weil das komplett aus Glasfassaden bestehende Gebäude einen hohen Kühlbedarf hat. Jeweils zwei von vier 1.600 PS starken Gasmotoren sind zu einem BHKW zu­sam­men­gekop­pelt. Die Leistung liegt bei 499 und 528 kW_th, die von den 1,1 MW oder 1.600 PS starken Motoren abgerufen werden. Die Abwärme der BHKW wird direkt in eine Ad­sorp­tions­kälte­anlage geschickt, die die Kühlung des mit hohen Glasanteilen versehenen Verwaltungsgebäudes bereitstellt. Dieses verfügt aber auch über die gesamte Glasfassade über automatisierte Verschattungen.

KWKK in der Praxis

Der Lentpark in Köln ist ein in Deutschland einzigartiges Objekt: Er vereint Schwimmbad, Sauna, eine Eislaufbahn und eine Eisfläche unter einem Dach (siehe auch tab 6/2012: Kühl- und Kälte­anlagen im Sportstättenbau). Es sind also alle drei Aggregatzustände des Wassers – fest, flüs­sig, gasförmig – gleichzeitig zu händeln. Energieeffizient kann eine solche Kombination nur sein, wenn Abwärme und Abkälte der einen Prozesskette jeweils für die andere genutzt werden. Zum Einsatz kommen hier sowohl passive als auch aktive Elemente der Wärme- und Kälteerzeugung. Das fängt schon bei der Form des Baukörpers an, der sich durch ein gutes Oberfläche-/Volumenverhältnis auszeichnet, das die Transmissions-
und Lüftungsverluste von vornherein minimiert. Gleichzeitig wird die Abwärme der Kältetech­nik des Eisbereichs zum Heizen des Schwimmbads genutzt.