Regenerative Energien

Die Verringerung der CO2-Emissionen und daraus resultierend auch die Verringerung des Energieverbrauchs sind bestimmende Faktoren insbesondere für die zukünftige Arbeit aller am Bau beteiligten Gewerke. Etwa 33 % des Energiebedarfs der Bundesrepublik wird im Umfeld der Gebäude (Wohn- und Nicht-Wohngebäude) benötigt. Die Bundesregierung hat dieses Thema zur Chefsache gemacht und wird mit mächtigen Schritten gesetzliche und verordnungsrechtliche Rahmenbedingungen schaffen um den Energiebedarf im Gebäudebereich nachhaltig zu senken. Obwohl die Energie-Einsparverordnung EnEV 2007 gerade erst verabschiedet wurde, ist schon abzusehen, dass in kürzesten Perioden neue Vorgaben mit dem Ziel weiterer Verringerungen gemacht werden (Eckpunktepapier für ein integriertes Energie- und Klimaprogramm – Merseburger Programm).

Insbesondere für die technische Gebäude­ausrüstung (Heizung, Lüftung, Klimatechnik) ergeben sich hierbei große Chancen für die zukünftige Arbeit, wenn das Thema Energieeffizienz konsequent im Neubau und bei der Sanierung beachtet wird, und es gelingt, den Umwelt- und vor allen Dingen den Kundennutzen darzustellen.

Die Nutzung von regenerativen Energien ist bei allen diesen Betrachtungen ein wichtiges und vor allem auch öffentlichkeitswirksames Thema. Leider wird die Nutzung der regenerativen Energien immer nur in Zusammenhang mit der Heizung, der Stromerzeugung und der Trinkwarmwasserbereitung gesehen. Die ­Öffentlichkeit und die Politik stellt sich blind zu den Themen Lüftung und Kühlung. Dabei ist besonders auch in diesen Bereichen eine Nutzung regenerativer Energien möglich.

Wärmerückgewinnung ist eigentlich eine „regenerative Energie“

Der Lüftungswärmebedarf wird in Zukunft aufgrund des hohen Wärmedämmstandards in Deutschland einen dominierenden Anteil am Energiebedarf von Wohn- und Nichtwohngebäuden erreichen. Im Bereich der Niedrigenergie- und Passivhäuser werden mindestens 50 % der Heizwärme durch die Lüftung verursacht. Das Beispiel Passivhaus zeigt, dass nur durch den Einsatz einer Wärmerückgewinnung der Heizwärmebedarf deutlich reduziert werden kann (Bild 1). Dabei wird in der Politik und in der Öffentlichkeit immer wieder vergessen, dass der Lüftungswärmebedarf eine annähernd konstante Größe ist und durch die Wärmedämmung nicht beeinflusst wird. Er ist im wesentlichen von der Nutzung des Gebäudes abhängig und nicht von der baulichen Ausführung. In der Öffentlichkeit wird Lüftungswärmeverlust und Transmissionswärmeverlust (beides ist Heizenergie) immer vermischt und es wird so getan, als ob man durch verbesserte Wärmedämmung beide Anteile verringern kann. Es wird nicht hervorgehoben, dass man zur Verringerung des Lüftungs-Energiebedarfs eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung benötigt.

Es wird sogar in Frage gestellt, ob die Wärmerückgewinnung eine regenerative Energie ist. Dabei ist die Beantwortung dieser Frage stets eine Frage der gewählten Bilanzgrenze. Man kann jedoch folgendes fest­stellen:

1. Die Wärmequelle Außenluft wird üblicherweise als regenerative Energiequelle angesehen (Beispiel Außenluft-Wärmepumpe zur Beheizung). Damit ist die Außenluft eine Umweltenergie und die Abluft einer Lüftungsanlage wird zur Außenluft, wenn sie das Gebäude verlässt. Die Nutzung der Abluft als Wärmequelle ist aufgrund des höheren Temperaturniveaus in jedem Fall effizienter als die Nutzung der Außenluft. Ein großer Teil der inneren Wärmequellen in Gebäuden stammt aus regenerativen Quellen:

• Passive solare Gewinne über die Verglasung (100 % regenerativ)
• Wärmeabgabe durch Personen (100 % regenerativ)
• Der regenerative Anteil des Strombedarfs (derzeit ca. 10 % mit steigender Tendenz)
• Der regenerative Anteil der Raumheizung, z.B. Biomasse, geothermische Energie, Umwelt-Energie (derzeit ca. 10 % mit stark steigender Tendenz).

Damit stammen die Lüftungswärmeverluste zu ca. 40 % aus regenerativen Quellen (Bild 2). Mit einer Wärme-Rückgewinnung kann diese Wärme zu einem großen Teil wiederverwertet werden. Ergänzend kommt hinzu, dass die Wärmerückgewinnung auch die Energie, die das WRG-System bereits wiedergewonnen und in das Gebäude zurückgeführt hat, erneut verfügbar machen kann. Zurück gewonnene Energie wird also mehrfach zurückgewonnen. Die Energieeinsparpotenziale der Wärmerückgewinnung sind bei Lüftungsanlagen noch längst nicht in angemessenem Umfang umgesetzt worden.

Wärmerückgewinnung im Nichtwohngebäude

Der Fachmann ist häufig der Meinung, Wärmerückgewinnung in raumlufttechnischen Anlagen ist ein weit verbreiteter Standard. Bei den derzeit verkauften RLT-Geräten wird ­jedoch nur ca. jede zweite Anlage mit Wärmerückgewinnung ausgerüstet. Hinzu kommt, dass die installierten WRG-Systeme im Schnitt nur eine geringe Effizienz aufweisen und deshalb derzeit nur etwa 7000 GWh (von insgesamt ca. 33000 GWh) pro Jahr an Wärmeenergie bei den pro Jahr neu verkauften RLT-Geräten eingespart wird. Es wird nur ca. 25 % des Potenzials genutzt und ein großes Einsparpotenzial wird vergeudet. Wärmerückgewinnung ist auch wirtschaftlich; je nach Betrieb der Anlagen erreicht man Amortisationszeiten zwischen ein und fünf Jahren. Wichtig ist aber die richtige Dimensionierung. Der Druckverlust muss gering gehalten werden, damit der Stromverbrauch nicht zu hoch wird. Würde man ab sofort alle in jedem Jahr neu installierten RLT-Zentralgeräte mit einer effizienteren Wärmerückgewinnung ausführen, dann könnten in jedem Jahr bei hoher Wirtschaftlichkeit bis zu 400000 Tonnen CO2 zusätzlich eingespart werden (Bild 3).

Wärmerückgewinnung im Wohngebäude

Das Niedrigenergiehaus ist derzeit der energetische Standard bei Neubau und Ziel bei der Sanierung. Wesentliche Energieeinsparpotenziale bietet die Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung und ist somit eine Ergänzung zum baulichen Wärmeschutz. Investi­tionen in die kontrollierte Wohnungslüftung mit Wärme-Rückgewinnung und damit in ­eine gesunde und hygienische Umgebung sind auch eine kostenmäßig attraktive Lösung, um den Energiebedarf für Wohngebäude zu senken. Derzeit schätzt man, dass unter 5 % des Wohngebäudebestandes mit Wärmerückgewinnungsanlagen ausgerüstet sind. In Bild 4 ist das Primärenergieeinsparpotenzial unter der Voraussetzung dargestellt, dass in Zukunft 10 bis 30 % des Wohngebäudebestandes mit entsprechenden Anlagen ausgerüstet sind.

Regenerative Energien in der Klimatechnik werden wichtiger

In der Vergangenheit hat man den Kühlenergiebedarf eines Gebäudes oder besser gesagt den Kühlenergiebedarf, der durch die Nutzung eines Gebäudes entsteht bei der öffentlich rechtlichen energetischen Bewertung nach EnEV ignoriert. Man war der Meinung, dass in Deutschland keine Kühlung notwendig ist und deshalb ist der Kühlenergiebedarf ohnehin ­eine Größe, die man vermeiden sollte. Vergessen hat man dabei allerdings wesentliche Komfort- und Behaglichkeits­aspekte. Genauso wie zu niedrige Raumtemperaturen unterhalb 20 bis 22 °C werden zu hohe Raumtemperaturen oberhalb 25 bis 27 °C als unangenehm empfunden. Natürlich hat die Bauweise und der sommerliche Wärmeschutz Auswirkungen auf die sommerlichen Raumtemperaturen. Aber auch in Gebäuden, in denen diese Parameter gut gewählt sind, entsteht durch die Nutzung ein Kühlenergie­bedarf. Es obliegt dem Bewohner oder Nutzer wie er damit umgeht. Nach Artikel 1 der EU-Richtlinie zur Ener­gieeffizienz von Gebäuden (EPBD) müssen in den Methoden zum Nachweis der Gesamtenergieeffizienz die jeweiligen außenklimatischen Anforderungen sowie die Anforderungen an das Innenraum­klima Berücksichtigung finden. Dies bedeutet, dass die beiden für die Behaglichkeit wichtigen Größen Raumlufttemperatur und Raumluftfeuchte bei der energetischen Bewertung angemessen berücksichtigt werden müssen. Weiterhin ist insbesondere im Wohnungsbau ein Trend in Richtung „Passivhaus mit ein wenig Kühlung und ein wenig zusätzlicher Heizung“ erkennbar. Möglicherweise entspricht diese Ausstattung dem Komfortbewusstsein einer größeren Gruppe von Nutzern. Energetisch muss ein derartiges Konzept nicht schlechter sein. Erst mit der EnEV 2007 und der DIN V 18599 hat man den Kühlenergiebedarf (im Kern für Nichtwohngebäude) in das Bewertungsverfahren integriert. Für Wohngebäude wird derzeit noch ein einfaches Benchmarkverfahren auf Basis der DIN V 4701 Teil 10 durchgeführt (Block EnEV und Kühlung im Wohnungsbau).

Solare Klimatisierung mit thermischen Kaltwassersätzen

Thermische Kaltwassererzeuger erzeugen Kälte, indem sich das in der Anlage befindliche Stoffpaar durch Wärmezufuhr trennt und unter Wärmeabgabe vereinigt. Die thermischen Randbedingungen werden durch das eingesetzte Stoffpaar und durch das Verfahren bestimmt. Die heute für die klimatechnische Anwendung zur Verfügung stehenden Systeme:

• Absorptionskälteanlagen mit dem Arbeitspaar H2O/LiBr (Wasser/Lithiumbromid)
• Absorptionskälteanlagen mit dem Arbeitspaar NH3/H2O (Ammoniak/Wasser)
• Adsorptionskälteanlagen mit Silicagel und Wasser

Solarthermische Kaltwassersysteme haben den Vorteil, dass im gesamten System bekannte und kommerziell verfügbare Komponenten eingesetzt werden können:

• Solarkollektoren
• Thermische Kaltwassererzeuger
• Alle verfügbaren Nur-Luft- und Luft-Wasser-Klimasysteme.

Grundsätzlich wird in Abhängigkeit der verwendeten Technologie ab einem solaren Deckungsanteil von 25 bis 40 % die Schwelle erreicht, die eine Primärenergie-Einsparung durch solare Kühlung ermöglicht. Ein solarer Deckungsanteil von 70 % bedeutet demnach, dass 70 % der zum Antrieb des Kühlverfahrens notwendigen thermischen Energie von der Solaranlage geliefert werden. Bei ­realistischen solaren Deckungsanteilen im Bereich von 70 bis 85 % sind – bezogen auf ­eine gleichwertige konventionelle Referenzanlage – Primärenergieeinsparungen zwischen 30 und 60 % möglich (Bild 5).

Solare Klimatisierung mit ­Sorptionsklimasystemen

Konventionelle Klimasysteme mit Kaltwassererzeugung benötigen eine externe Kälteerzeugung zur Kühlung und Entfeuchtung der Luft. In Sorptionsklimasystemen kann die Luft über sorptive Materialien entfeuchtet werden und über die Verdunstung von Wasser (Verdunstungskühlung) gekühlt werden. Eine intelligente Kopplung von Entfeuchtungskomponenten, Wärme-(Kälte-)Rückgewinnungssystemen und Wasserbefeuchtern in einem Klimazentralgerät kann eine vollständig klimatisierte Luft ohne externe Kältemaschine erzeugen. Der Kälteprozess findet quasi direkt in der Luft in einem offenen Prozess mit Wasser als Kältemittel statt. Man unterscheidet in der Praxis zwei Systeme:

• Sorptionsklimasysteme mit festen Absorber
• Sorptionsklimasysteme mit flüssigen Absorbern

Beide Verfahren arbeiten eigentlich nach dem selben Prinzip. Sie unterscheiden sich im Wesentlichen dadurch, dass bei festen Absorbern der Absorber wechselweise von Zuluft und von Regenerationsluft durchströmt werden muss, während bei flüssigen Systemen die Absorp­tionsflüssigkeit zwischen Absorption und Regeneration gepumpt werden kann. Damit der Prozess kontinuierlich ablaufen kann, muss das Wasser aus den Absorptionsmedien wieder entfernt werden. Diese Austreibung geschieht durch Wärmezufuhr. Vorteilhaft bei beiden Systemen ist, dass keine sehr hohen Temperaturen für das Austreiben des Wassers not­wendig sind und deshalb sehr einfach solare Wärme oder Niedertemperaturabwärme aus industriellen Prozessen und Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen verwendet werden kann. Beide Verfahren können somit überall dort eingesetzt werden, wo die Luft gekühlt und ggf. entfeuchtet werden soll. Prinzipbedingt ist bei diesen Systemen meist gleichzeitig eine sehr effiziente Wärme- und ggf. auch Feuchterückgewinnung vorhanden. Dies ermöglicht auch einen energieeffizienten Betrieb im Winter.

Geothermische Energie nutzen

Oberflächennahe geothermische Energie ist besonders für die Nutzung in Klima- und Lüftungssystemen geeignet. Die Temperatur des ungestörten Untergrunds beträgt in Tiefen bis ca. 100 m bis 12 °C. Die Nutzung dieses Energiereservoirs kann durch verschiedene Systeme erfolgen:

Grundwassernutzung: Diese Art der Nutzung ist dort möglich, wo durch Saug- und Förderbrunnen ein geschlossener und entsprechend ergiebiger Wasserkreislauf möglich ist. Die Instandhaltung und der Betrieb können abhängig von den lokalen Vorschriften und Gegebenheiten aufwendig sein.

Erdwärmetauscher: Horizontal (Erdkollektoren) oder vertikal (Erdsonden) verlegte Kunststoffrohre bilden einen Wärmeübertrager mit dem Untergrund. Die Leistungsfähigkeit dieses Wärmetauschersystems ist abhängig von den thermischen Eigenschaften des Untergrunds und der Grundwasserverhältnisse. Je tiefer die Rohre verlegt sind, desto unabhängiger ist das System von der klimatischen Umgebung.

Energiefundamente: Diese Systeme sind besonders wirtschaftlich, da hierbei die manchmal ohnehin notwendigen Gründungspfähle, Fundamentplatten, Pfahlwände usw. zusätzlich nur mit einem Kunstoffrohrsystem ausgestattet werden müssen. Ansonsten ist die Funktion analog den Erdwärmetauschern. Abhängig vom notwendigen Temperatur­niveau und der Leistungsfähigkeit des Systems kann die geothermische Energie auf vielfältige Weise im Gebäude genutzt werden. Im Sommer dient der Untergrund als Wärme-Senke. Die notwendige Kühlenergie wird dem Gebäude entzogen und dem Untergrund zugeführt. Dies kann direkt oder über die Nutzung einer Kältemaschine oder Wärmepumpe geschehen.

Erdreich-Luft-Wärmeübertrager können die Außenluft bei einem Lüftungssystem im Winter vorheizen und im Sommer vorkühlen. Die Luft wird hierzu über im Erdreich verlegte Rohrsysteme angesaugt. Bei sorgfältiger Planung, Installation und Wartung können diese Systeme den Energiebedarf für die Lüftung und Vorkühlung merklich senken. Eine weitere Verbreitung haben derartige Systeme im Bereich der Wohnungslüftung gefunden. Dort steht üblicherweise der notwendige Platz zur Verfügung und die Dimensionen erlauben einen kostengünstigen Einsatz von geeigneten Rohrmaterialien und Systemausführungen. Vielfach werden auch größere Lüftungsanlagen an Erdreich-Luft-Wärme­übertrager angeschlossen. Die dort verwendeten Rohrmaterialien (oftmals Abwasserrohre aus Beton) sind aber kritisch bezüglich einer ausreichenden Lufthygiene anzusehen.

Freie Kühlung

Eine seit Jahrtausenden verwendete Methode zur Kühlung ist die Verdunstung von Wasser. Neben der direkten Nutzung der Verdunstungskühlung im Klimazentralgerät kann die Verdunstungskühlung auch indirekt über Kühltürme oder WRG-Fortluftwärmeübertrager mit Kreislaufverbundsystem genutzt werden. Hier ist jedoch zu beachten, dass bei diesen Systemen insbesondere im Sommer in Abhängigkeit der Feuchtkugeltemperatur für die Nutzung zur Kühlung nur vergleichsweise hohe Kühlwassertemperaturen erreicht werden. Wichtig ist in diesem Zusammenhang die Trennung der Funktionen Luft- oder Raumkühlung und Luftentfeuchtung. Für die Nutzung in der Klimatechnik ist die freie Kühlung nicht nutzbar für die Entfeuchtung. Für den Entfeuchtungsbetrieb passt ideal ein Sorp­tionsklimasystem. Wie bei der Nutzung der Erdkälte ist bei den Raumkühlsystemen darauf zu achten, dass diese Systeme mit hohen Wassertemperaturen arbeiten können. Für die Nutzung mit freier Kühlung ist eine Systemtemperatur oberhalb 18 °C anzustreben.

Indirekte Verdunstungskühlung

In Zusammenhang mit einer effizienten Wärmerückgewinnung kann in Klimazentralgeräten die Kühlwirkung von verdunstendem Wasser für die Kühlung der Zuluft eingesetzt werden. Man nutzt die Kühlwirkung in den mitteleuropäischen Klimazonen meist indirekt, das heißt man feuchtet die in den Raum geführte Luft nicht auf. Bei sogenannten direkten Systemen (Verdunstungskühler, Dessert-Cooler, usw.) wird die Zuluft gekühlt aber auch gleichzeitig befeuchtet. Diese Systeme eignen sich nur für heiße und trockene Klimazonen. Er werden im allgemeinen folgende Systeme unterschieden:

Indirekte Verdunstungskühlung mit Abluft: Die Abluft wird durch Versprühen von Wasser so weit wie möglich abgekühlt. Durch ­eine effiziente Wärmeübertragung wird die „Kälte“ dann auf den Zuluftstrom übertragen. Diese Systeme eignen sich besonders dann, wenn im Kühlfall die Ablufttemperatur nach der Verdunstung kleiner als die Außenlufttemperatur ist. Zum Beispiel, wenn in einem Gebäude die Räume durch die Speicherung oder durch zusätzliche Raumkühlsysteme relativ kühl bleiben und die Auffeuchtung nicht groß ist.

Indirekte Verdunstungskühlung mit Außenluft: Bei diesen Systemen wird die Außenluft durch Versprühen von Wasser so weit wie möglich abgekühlt, die „Kälte“ wird dann auf den Zuluftstrom oder auf einen Umluftstrom übertragen. Diese Systeme eignen sich besonders dann, wenn im Kühlfall die Außenlufttemperatur nach der Verdunstung kleiner als die Raumtemperatur ist. Zum Beispiel wenn in einem Gebäude die Raumlasten ­relativ hoch sind (z.B. in der Industrie).

Energieeinsparpotenziale durch regenerative Energien

Man kann die oben beschriebenen CO2-Einsparpotenziale in ein mögliches Szenario bis zum Jahr 2020 zusammenfassen, bei dem durch verbesserte wirtschaftliche, öffentlichkeitswirksame und verordnungsrechtliche Rahmenbedingungen der Einsatz von regenerativen Energien in der Klima- und Lüftungstechnik so gefördert wird, dass etwa 30 % des Marktes jedes Jahr durch diese Maßnahmen entwickelt werden. Im einzelnen sind dies:

• 30 % der jährlich neu verkauften Kaltwassersysteme werden mit solarer Wärme oder Abwärme betrieben.
• 30 % der jährlich neu verkauften zentralen Klimageräte mit Kühlungs- und Lüftungsfunktion werden mit sorptionsgestützten Kühlsystemen ausgestattet, die solare Wärme oder Abwärme für die Kälteerzeugung nutzen oder auch Abluftbefeuchtung für die Kühlung einsetzen.
• 30 % der jährlich neu verkauften Klimakaltwassersysteme nutzen die geothermische „Kühlenergie“ oder nutzen das Erdreich als Wärmesenke und sind mit Einrichtungen zur freien Kühlung ausgestattet.
• Bis zum Jahr 2020 sind 30 % der Wohn­gebäude mit Lüftungsanlagen mit Wärme­rückgewinnung ausgestattet, die auch das Erdreich im Winter nutzen.
• Der mittlere thermische Nutzungsgrad der Wärmerückgewinnung der jährlich neu verkauften Lüftungszentralgeräte im Nichtwohnbereich steigt von derzeit ca. 25 % auf ca. 75 %.

Summiert man die oben beschriebenen Szenarien bis 2020 auf, dann erscheint es mit den derzeit zur Verfügung stehenden, wirtschaftlich sinnvollen Technologien möglich, etwa 5–9 % der CO2-Ziele der Bundesregierung durch regenerative Maßnahmen der Klima- und Lüftungstechnik im Gebäude zu erreichen (Bild 9). Dieser Wert berücksichtigt nicht die möglichen Effizienzsteigerungen der klassischen Kälteerzeugung für die Klimatisierung und dürfte mit der sich ständig effektiver werdenden Technik weiter steigen. Für die Fachleute wird künftig kein Weg daran vorbeigehen, bei Lüftungs- und Klimatisierungsvorhaben auch den Einsatz von regenerativen Energien zu berücksich­tigen.

Unser Autor Dipl-Ing. Claus Händel ist technischer Referent beim FGK und Mitglied in zahlreichen Normenausschüssen. Fachinstitut Gebäude-Klima e.V., 74321 Bietigheim-Bissingen, Telefon (0 71 42) 5 44 98, Telefax (0 71 42) 6 12 98, E-Mail: haendel@fgk.de, Internet:https://www.fgk.de/

Vertreter aus Industrie und Wissenschaft gründeten Anfang Juli im Fachinstitut Gebäude-Klima den „Expertenkreis Klimaschutz”. Ziel dieses Gremiums ist es, die Möglichkeiten des Einsatzes Erneuerbarer Energien in der Klima- und Lüftungstechnik zu fördern und Wege zur Steigerung der Energieeffizienz aufzuzeigen. Hintergrund sind die europäischen und nationalen Klimaschutzziele, die einerseits einen Anstieg des Einsatzes Erneuerbarer Energien für die Heiz- und Kühlfunktionen auf 20 Prozent sowie eine signifikante Steigerung der Energieeffizienz bei RLT-Anlagen fordern. Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der Förderung der Wärmerückgewinnung in RLT-Anlagen.

In einem ersten Schritt wurde der FGK Status-Report Nr. 10 erarbeitet, der die Möglichkeiten des Einsatzes Erneuerbarer Energien dokumentiert und die enormen C02-Einsparpotenziale aufzeigt. Der Status-Report kann bei der FGK Geschäftsstelle oder im Internet unter https://www.fgk.de/ bestellt werden.

Ergebnisse aus dem Status-Report sind in der BDI Initiative „Wirtschaft für Klimaschutz” geflossen. Detaillierte Informa­tionen findet man unter http://www.wirtschaft fuerklimaschutz.de.