Gebäudeklimatisierung

Viele kleine Klimaanlagen, die außen an einem Gebäude angebracht sind.zum Vergrößern anklicken
Raumklimageräte enthalten klimaschädliche HFKW und haben einen hohen Energiebedarf.
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Bis vor wenigen Jahren war die Klimatisierung von Räumen oder Gebäuden in Deutschland noch selten. Durch den erhöhten Lebensstandard sind die Erwartungen an den Komfort in Wohn- und vor allem Arbeitsräumen gestiegen. Der Energiebedarf steigt. Die verwendeten Kältemittel sind in über 95 Prozent der Klimaanlagen äußerst klimaschädlich.

Gebäudeklimatisierung in Deutschland

Deutschland liegt in der gemäßigten Klimazone. Ein Kühlbedarf ist wegen der Jahresmitteltemperaturen um zehn Grad Celsius überschaubar und somit für Wohnhäuser auf wenige heiße Tage im Sommer beschränkt. Für ein angenehmes Raumklima sind Außenrollläden oft die effizientere und kostengünstigere Lösung gegenüber Klimaanlagen. Anders sieht es in Nichtwohngebäuden, wie zum Beispiel Büros, aus: Wegen der baulichen Beschaffenheit (hoher Glasanteil, keine oder unzureichende Verschattung) und der höheren inneren Lasten ist der Klimatisierungsbedarf wesentlich größer. Auch der Energieaufwand hierfür ist derzeit circa 100-mal so hoch wie im Wohngebäudebestand. Nur ungefähr ein bis zwei Prozent der Wohnfläche wird heute gekühlt. Demgegenüber sind etwa die Hälfte der Büro- und Verwaltungsgebäude mit Klimatisierungsvorrichtungen ausgestattet (Bettgenhäuser et al. 2011). Laut Ökodesign-Studie  verdoppeln sich die energiebedingten CO2-Emissionen bis 2030 in diesem Bereich. Bei Nichtwohngebäuden ist mit einem Anstieg um 25 Prozent zu rechnen (Riviere und Adnot et al. 2008).

Umweltbelastungen

Neben den indirekten CO2-Emissionen belasten Klimaanlagen, welche nach dem Kompressionsprinzip funktionieren, auch mit treibhauswirksamen Kältemittelemissionen das Klima. Die Kältemittel bestehen aus teilfluorierten Kohlenwasserstoffen (HFKW), die entweder als Reinstoff oder als Stoffgemische (Blends) zum Einsatz kommen. Durch Verdampfung der Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf wird dem Raum Wärme entzogen und mittels mechanischer Kompression und anschließender Verflüssigung (Kondensation) an die Umgebung abgegeben. Das flüssige Kältemittel wird danach durch ein Drosselventil entspannt und wieder verdampft, wodurch sich der Kreis schließt. Die HFKW-Emissionen beliefen sich in der stationären Klimatisierung in Deutschland im Jahr 2010 auf 405 Tonnen, was 717.400 Tonnen CO2-Äquivalenten entspricht.

Verwendet werden in Split-Klimageräten (Mono- und Multisplit- bzw. VRF-Geräte; VRF: variabler Kältemittelmassenstrom, engl. variable refrigerant flow) überwiegend die HFKW-Mischungen R407C und R410A. Die Geräte bestehen aus einem Außengerät, welches Kompressor und Kondensator enthält, und einem oder mehreren Innengeräten (Verdampfer), welche durch Kältemittelleitungen miteinander verbunden sind. Da bei der Montage in den Kältekreislauf eingegriffen wird, dürfen Split-Klimageräte nur durch sachkundiges Personal installiert werden. Das gilt auch für Geräte, die beispielsweise in Baumärkten direkt an den Endverbraucher verkauft werden. Insbesondere VRF-Anlagen haben weitverzweigte Kältemittelleitungen und viele Anschlüsse (bis zu 60 Innengeräte). Daher neigen sie zu Leckagen. Die Kältemittelfüllmenge dieses Anlagentyps kann durch lange Kältemittelleitungen bis 300 Meter und mehr recht groß (bis circa 50 kg) ausfallen. So entweichen bei durchschnittlichen Leckageraten von sieben Prozent signifikante Mengen HFKW in die Atmosphäre.

Kältemittelleckagen sind durch Dichtheitsprüfungen gemäß der Verordnung (EG) über fluorierte Treibhausgase (F-Gas-Verordnung) zu beheben. Dies ist häufig nicht angemessen durchführbar, da Kältemittelleitungen in der Regel schwer zugänglich bis unzugänglich im Gebäude verlegt sind.

Mobile Raumklimageräte, welche nicht ortsfest aufgestellt werden, haben aufgrund ihrer kompakten Bauweise kleinere Kältemittelfüllmengen und eine geringere Leckageneigung. Dieser Gerätetyp kühlt Räume jedoch weit weniger effektiv als Split-Klimageräte, da die dem Raum entzogene Wärme mittels Luftstrom über einen Schlauch ins Freie befördert wird. Dies führt zu einem Unterdruck, wodurch warme Luft von draußen in den Raum nachströmt. Wird der Abluftschlauch nicht durch ein Loch in der Wand, sondern durch ein offenes Fenster geführt, ist der Kühleffekt sehr gering. Die Raumtemperatur liegt dann nur wenige Grad unter der Außentemperatur.

Bei größerem Kälteleistungsbedarf (ab circa 50 kW) kommen zentrale Anlagen mit Kaltwassererzeugern zum Einsatz, welche R407C und R410A als Kältemittel verwenden. Ab 250 Kilowatt Kälteleistungen werden auch Turbokältemaschinen eingesetzt. Diese beinhalten R134a als Kältemittel. Das erzeugte Kaltwasser entzieht den Räumen Wärme entweder direkt durch beispielsweise Gebläsekonvektoren oder Bauteilaktivierung oder indirekt über eine raumlufttechnische Anlage, in der gekühlte Luft über ein Kanalsystem in die Räume eingebracht wird.

Klimatisieren ohne HFKW

Für sämtliche hier genannten Anwendungen und Geräte stehen HFKW-freie Systeme zur Verfügung oder befinden sich unmittelbar vor der Markteinführung. In Indien ist seit 2012 ein Monosplit-Gerät mit dem Kältemittel Propan (R290) auf dem Markt, welches mit Unterstützung der deutschen Gesellschaft für internationale Zusammenarbeit (GIZ) entwickelt wurde. Ebenfalls mit Hilfe der GIZ hat ein chinesischer Hersteller ein R290-Gerät zur Serienreife gebracht. Die Markteinführung steht allerdings noch aus.

Aus Sicherheitsgründen wird von einem Einsatz von Kohlenwasserstoffen in Multisplit- beziehungsweise VRF-Systemen, bei denen eine Verbindung zwischen kältemittelführenden Komponenten und Räumen mit Personenaufenthalt (Wohnungen, Büros) besteht, aufgrund der größeren Füllmengen abgesehen. Seit kurzem ist ein VRF-System mit dem Kältemittel Kohlendioxid (R744) verfügbar, welches jedoch mit einer Leistungszahl von 2,5 energetisch schlechter abschneidet als die HFKW-Standardvariante. Als Alternative zu den Multisplit- beziehungsweise VRF-Systemen können gleichwohl zentrale Anlagen installiert werden, die wegen der indirekten Kältebereitstellung mittels Kaltwasser mit einer Reihe natürlicher Kältemittel wie zum Beispiel R290 oder R717 (Ammoniak) ausgeführt werden können. Dank der günstigen thermodynamischen Eigenschaften wird Ammoniak vor allem in großen Anlagen verwendet, wie diese unter anderem am Stuttgarter Flughafen oder am Berliner Ostbahnhof realisiert wurden. Aber auch bei kleineren Leistungen (ab circa 25 kW) sind Kleinserien und Einzelanfertigungen verfügbar. Eine größere Auswahl an Maschinen ist ab einer Leistung von 100 Kilowatt erhältlich.

Mit Wärmeenergie betriebene Kältemaschinen

Neben den Kompressionskältemaschinen mit natürlichen Kältemitteln bieten sich auch auf dem Sorptionsprinzip basierende Aggregate (Ab- und Adsorptionskältemaschinen) an. Diese werden anstatt mit elektrischer Energie mit Wärmeenergie mittels thermischer Verdichtung angetrieben. Als Kältemittel kommt für Klimatisierungsanwendungen Wasser zum Einsatz. Für den Betrieb einer Adsorptionskälteanlage ist eine (Ab)Wärmequelle von 65 Grad Celsius bereits ausreichend, wodurch sich diese Anlagen auch für den Antrieb durch Solarwärme eignen. Mehrere Hersteller bieten Systeme ab einer Kälteleistung von rund acht Kilowatt an. Eine besonders günstige Variante ist der Betrieb einer Sorptionskältemaschine mit der Abwärme eines Blockheizkraftwerks. Hierbei wird eine günstige Wärmequelle mit einer auch im Sommer verfügbaren Wärmesenke kombiniert. Fernwärme ist ebenfalls als Wärmequelle geeignet.

Zur Erzeugung von Klimakälte im Dienstgebäude des Umweltbundesamtes in Dessau dient eine 30-Kilowatt-Absorptionskältemaschine, die mit der Wärme einer Solarthermieanlage und alternativ mit Fernwärme betrieben wird.
Neben der Komfortklimatisierung von Wohn- und Nichtwohngebäuden besteht auch in anderen Räumen oder Gebäuden, beispielsweise Reinräume, Labore oder Rechenzentren, ein Klimatisierungsbedarf, der mit den beschriebenen Techniken gedeckt wird. Der Einsatz von Anlagen mit natürlichen Kältemitteln, wie Ammoniak oder Kohlenwasserstoffe, ist bei diesen Anwendungen problemlos möglich.

Studie: Nachhaltige Kälteversorgung in Deutschland an den Beispielen Gebäudeklimatisierung und Industrie

Die Studie des ILK Dresden (Institut für Luft- und Kältetechnik gGmbH) vergleicht nach dem TEWI-Ansatz die Klimawirkung von Kältesystemen in der Nichtwohngebäudeklimatisierung und der Prozesskälte. Anhand von Simulationsrechnungen konnten die Autoren zeigen, dass Kältemaschinen mit halogenfreien, natürlichen Kältemitteln deutlich klimafreundlicher abschneiden als HFKW-Anlagen, da erstere zum einen energieeffizienter sind und zum anderen keine oder vernachlässigbare klimarelevante direkte Emissionen (Kältemittelemissionen) aufweisen.

Neben dem Anlagenvergleich, in dem auch sorptive Kältesysteme (zum Beispiel Absorptionskältesysteme) einbezogen sind, wird auch der Anteil des Kältebedarfs in den Bereichen Gebäudeklimatisierung und Industriekälte ermittelt, der sich anstelle von Kompressionskältesystemen mittels wärmegetriebener Kältesysteme decken lässt. Wird Solar- oder Abwärme genutzt, sind Absorptionskälteanlagen herausragend energieeffizient und weisen die geringsten Treibhausgasemissionen aller in der Studie untersuchten Anlagen auf. Der Potentialanalyse geht eine umfangreiche Kältebedarfsanalyse in den betrachteten Anwendungsbereichen voraus.