Wie effizient kühlen?

Der Klimawandel wird den Bedarf an Gebäudekühlung drastisch ansteigen lassen. Da Kälte zur Kühlung energetisch aufwendig produziert wird, braucht es deutlich effizientere Technologien als die heute übliche Kompressionstechnik. Synergien zwischen Wärme- und Kälteerzeugung müssen ausgenutzt und hocheffiziente Kältespeicher entwickelt werden. 16 % der elektrischen Energie werden in Deutschland bereits heute von Kälteerzeugern benötigt, so der Deutsche Kälte- und Klimatechnische Verein (DKV). Das sind 83 Terawattstunden oder 6 % des Primärenergiebedarfs.

In Zeiten der Klimaerwärmung wird dieser Bedarf weiter wachsen − oder man stattet im Immobilienbereich Gebäude von vornherein so aus, dass sie einen geringeren Kältebedarf haben. Diese Maßnahmen werden unter dem Begriff „sommerlicher Wärmeschutz“ zusammengefasst und stellen einen passiven Schutz vor zu großem Wärmeeintrag in ein Gebäude dar.

Nach Möglichkeit passiv kühlen

Passiv sind diese Methoden auch deshalb, weil sie nur während ihrer Produktion und Installation Energie verbrauchen (und nur sehr wenig im Betrieb). Dazu zählen selbstverschattende Jalousien, automatisierte Fensteröffnungssysteme, die etwa nachts warme Luft nach außen abführen, oder die Gebäudedämmung, die eben nicht nur dem Wärmeverlust nach außen dient. Fenstern und verglasten Dächern kommt dabei eine besondere Bedeutung zu, da hier der Dämmwert weit unter dem einer Betonfassade liegt.

Die meist mit Argon zwischen den Glasschichten gefüllten Spezialfenster halten Wärme in der kalten Jahreszeit zwar gut im Inneren, sie lassen sie jedoch bei intensiver Sonneneinstrahlung auch zu jeder Jahreszeit in das Gebäude hinein. Geforscht wird derzeit an Fenstern, die statt einem Edelgas Wasser zwischen den Scheiben haben. Die mögliche Energieeinsparung könnte bei 72 % gegenüber klassischen Fenstern liegen. Doch das ist zum aktuellen Zeitpunkt noch nicht umsetzbar.

Derzeit helfen nur Verschattungen und Lüftungssysteme. Oder aber man nutzt gebäudeintegrierte Photovoltaik (GIPV). Die PV-Module sind Bestandteil der Gebäudehülle, sie übernehmen Dämmaufgaben und halten den Wärmeeintrag durch die Sonnenstrahlen fern. Auch hier gilt: Die beste (Kühl-)Energie ist die, die man nicht braucht.

Zu den passiven Methoden gehören auch Wärmepumpen, die die Umgebungstemperatur der Erde oder von Grundwasser nutzen. Bei einem reversiblen Betrieb können sie im Sommer quasi umgekehrt laufen: Sie führen dann die Wärme aus dem Gebäude heraus und kühlen es. Dabei wird gleichzeitig die Wärmequelle, die im Winter „angezapft“ wurde, regeneriert. Die Betriebskosten für solch ein System sind eher gering anzusetzen, da lediglich der Kreislauf in Gang gehalten werden muss, also eine Verdichtung wie beim Heizprozess erfolgt.

Die Wirtschaftlichkeit dieser Kühlmethode zeigen auch die absoluten Zahlen. Einen entsprechenden Pufferspeicher vorausgesetzt, lassen sich mit einer Erdreichwärmepumpe 4,5 kWh Wärme aus 1 kWh Strom generieren. Zusätzliche 3,5 kWh ergeben sich aus der Kühlung, was einer Jahresarbeitszahl von 8 entspräche. Diese hervorragend Energiebilanz bedarf aber einer Investition in Bohrung oder Brunnen sowie einer guten Dämmung des Gebäudes mindestens im KfW-55-Standard.
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Mit Wärmepumpen betrieben werden auch Eisspeicher und Erdeisspeicher.
Beide nutzen die Kristallisationsenergie des Wassers, das sich bei Eisspeichern in einem großen Betonbehälter befindet, in den Sonden zur Wärmeentnahme eingelassen sind. Bei Erdeisspeichern liegen diese Sonden im Erdreich in mehreren Lagen übereinander. Während die Eisspeicher schon über 2.000-mal in Deutschland verbaut wurden, sind die Erdeisspeicher derzeit noch ein Pilotprojekt, das durch die Stadtwerke SH in einem neuen Quartier in Schleswig erprobt wird. Im Winter heizen diese Systeme mittels Wärmepumpe, im Sommer kühlen sie wie oben beschrieben.

Kühlung in der Fläche

Die Kühlung wird bei Kompressionskältemaschinen fast immer mittels Lüftern im Gebäude verteilt. Eine deutlich effizientere Möglichkeit wären auch kälteführende Flächensysteme. Seit Jahren bewährt ist die Betonkernaktivierung. Hier werden kälte- und wärmeführende Leitungen entweder getrennt oder in einer Leitung in den Stahlbetonzwischendecken der Gebäude installiert. Je nach Bedarf wird geheizt oder gekühlt. Die Methode eignet sich nur für den Neubau und verlangt einen hohen planerischen Aufwand.

Für Bestandsgebäude eignen sich nachträglich an der Decke verlegte Kühlsysteme, die ähnlich wie Infrarotheizungen aufgebaut sind. Dazu zählen auch die Kapillarohrmatten, die entweder heizen oder kühlen können und eine niedriginvestive Variante darstellen.

Ein Start-up aus Thüringen installiert zusätzlich zu diesen Kreisläufen noch Lichtelemente für die Deckengestaltung. Damit umgeht es die Nutzungskonkurrenz, die sich für Decken normalerweise ergibt, da sie meist für die Beleuchtung vorgesehen sind. Interpanel aus Crossen nahe Gera nutzt dazu LED-Flächenleuchten, die gleich mit gekühlt werden, was deren Lebensdauer erhöht. Die Kühlleistung wird bei 21 Grad Celsius Raumtemperatur mit 87 W/m² und bei 26 Grad Celsius mit bis zu 119 W/m² angegeben. Die Effizienz erhöht sich dadurch verglichen mit konventionellen Systemen um bis zu 30 % und im industriellen und gewerblichen Bereich um bis zu 70 %.

Aktive Kühlung ist energieintensiv

Gerade im gewerblichen Gebäudebau, der sehr stark auf Stahlbetonkonstruktionen und Glasfassaden setzt, reicht passiver Wärmeschutz allerdings nicht aus oder kommt nur in geringem Umfang infrage. Hier braucht es aktive Kühlmöglichkeiten, die für ihren Betrieb Energie benötigen, und zwar sehr viel. Um 1 kWh Kälte oder Kühlleistung zu erzeugen, muss man den dreifachen energetischen Aufwand betreiben, verglichen mit der gleichen Menge an Wärme − jedenfalls dann, wenn man die konventionellen Kompressionskältemaschinen nutzt, die heute Standard sind. Deswegen schätzen Experten, dass der Energiebedarf an Kühlung und Klimatisierung im Jahr 2050 den an Heizenergie weltweit übersteigt.

Doch so wird der Energiewende, die nur dann gelingt, wenn auch der Energieverbrauch sinkt, kein Gefallen getan. Deswegen benötigt man Technologien, die entweder mithilfe der Umgebungstemperatur kühlen − wie die bereits vorgestellten Wärmepumpensysteme − oder aber mithilfe von Synergien, etwa bei der Abwärme.

Eine Möglichkeit wären kalte Nahwärmenetze. Die könnten, analog den Eisspeichern, im Sommer mithilfe von reversiblen Wärmepumpen eine Kühlfunktion übernehmen. Dafür reicht die in diesen Netzen ganzjährig zirkulierende Temperatur von 10 °C vollkommen aus.
  
In Großstädten, so in Berlin, existieren auch Kältenetze, die von einer Zentrale aus Immobilien mit Kälte versorgen. Zur Erzeugung der Kälte kommen verschiedene Technologien zum Einsatz. In Berlin wird das Kältenetz von Vattenfall betrieben.

Adsorption und Absorption nutzen Wärmesynergie

Dafür kommen etwa Absorptions- oder Adsorptionsgeräte infrage. Sie verwandeln unter Nutzung der gleichnamigen physikalischen Prozesse Wärme in Kälte. Beide wirken ähnlich. Tritt ein Gas oder ein Gasgemisch, das Sorbat genannt wird, in einen meist festen Stoff, den Sorbens, ein, spricht man von Absorption. Dafür eignet sich etwa das Gestein Zeolith. Haftet das Sorbat lediglich an der Oberfläche des Sorbens an, spricht man von Adsorption. Gerade dieses Prinzip erfreut sich einer wachsenden Aufmerksamkeit bei der Kälteerzeugung. Zum Einsatz kommt etwa Aktivkohle.

Diese Kältemaschinen funktionieren dort gut, wo im Sommer viel Wärme anfällt, wie bei Blockheizkraftwerken (BHKW), die wegen der Stromerzeugung laufen müssen, deren Wärme dann aber nicht verwertbar ist. Solarthermie kommt ebenfalls infrage. Die Adsorption ist bis zu zehnmal effizienter als die Kompression. Von Nachteil sind allerdings die sehr hohen Investitionskosten.