Effiziente und umweltfreundliche Kälteversorgung mit Physik, Umwelt und Vernetzung

Besonders in Städten steigen die Temperaturen. Durch fehlende Verdunstung und eine große Strahlungsaufnahme wirkt sich der Klimawandel hier überdurchschnittlich aus. Für immer mehr Arbeits- und Wohnräume wird deswegen eine Klimatisierung erforderlich. Deswegen werden immer mehr Gebäude mit dezentralen Kälte- und Klimaanlagen nachgerüstet.

Verdampfer unter jedem Fenster notwendig?

Oftmals sind bauliche Veränderungen an Gebäudehüllen nicht möglich oder der Kühlbedarf beschränkt sich auf einzelne Räume. Für diese Anwendungen sind kompakte, elektrisch betriebene Klimakompressoren verfügbar, die gerne auf dem Dach, im Geschosswohnungs- oder gewerbebau aber vor allem an der Fassade installiert werden.

Dies führt zu teilweise abstrusen Außenansichten und Wärmebrücken. Das anfallende Kondensat wird meistens frei nach unten abgeleitet, was bei einzelnen Klimaanlagen unproblematisch ist. Kommen über die Zeit allerdings mehrere Einzelanlagen zusammen, können ständig befeuchtete Stellen zu Problemen an der Gebäudesubstanz führen. Die Kühlkreisläufe dieser Klimanlagen werden außerdem mit extrem klimaschädlichen Kältemitteln, so genannten F-Gasen, betrieben. Entweichen sie bei einer Störung, so ist deren klimaschädliche Wirkung bis zu 4.000 Mal stärker, als es bei CO₂ der Fall ist (Beispiel: GWP (Global Warming Potencial) von R404A =3.922). Zu guter Letzt ist der spezifische Energieverbrauch der aus Platzgründen miniaturisierten Kälteerzeuger unverhältnismäßig hoch.

Diesen Einschränkungen kann mit einer zusammengefassten Kälteversorgung begegnet werden. Durch die Kälteerzeugung mit einer zentralen Kältemaschine und die Netzversorgung über einen Kältespeicher lassen sich gleich mehrere Potenziale zur Energieeinsparung heben:

1. Die Spitzenleistung der zentralen Kältemaschine kann deutlich geringer gewählt werden, als die Leistungssumme raumspezifisch installierter Klimaanlagen.
2. Die im Vergleich zu den Einzelanlagen vergrößerte Kältemaschine bietet bessere Wirkungsgrade.
3. Die zentrale Installation erlaubt Servicepersonal einen bessern Zugang und der Anschluss der zu kühlenden Räume geschieht über ein einziges, zentrales, isloiertes Rohrleitungssystem.
4. Der Kältespeicher hält im Störungsfall Kälte für eine gewisse Zeit bereit, eine sofortige Aufheizung erfolgt nicht.

Nein, es sind keine Verdampfer unter jedem Fenster notwenig. Zentralisierte Kältetechnik ist effizienter und spart im Vergleich zu einzelnen Anlagen relevante Mengen an elektische Antriebsenergie ein.

Kälteerzeugung ohne Strom

Mit Wärme zu kühlen widerspricht sich intuitiv. Aber wer zukünftig keine PV-basierte Eigenstromversorgung in ausreichendem Maß am Gebäude verfügbar hat und möglicherweise auf Netzstrom angewiesen ist, der sollte auch diesen physikalisch etwas anspruchsvolleren Typ von Kälteanlagen in Augenschein nehmen.

Sorptionsanlagen nutzen chemisch-physikalische Effekte beim Mischen und Trennen von Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern. Denn auf molekularer Ebene lagern sich die verschiedenen Stoffe gemäß ihres inneren, mit Teilladungen durchsetzten Aufbaus so zusammen, dass Energie, die so genannte Mischungsenthalpie, frei wird. In umgekehrter Richtung können diese Stoffe leicht durch Erwärmen auf über 60 °C wieder getrennt werden und der Kreisprozess kann von Neuem beginnen.

Dieses Erwärmen ist die eigentliche Antriebsenergie der Kälteerzeugung ohne Strom. Als Quelle kommen Abwärme aus Industrieprozessen, KWK-Anlagen oder auch Rechenzentren in Frage. Auch Fernwärmenetze können die Antriebsenergie liefern und damit das Stromnetz entlasten.

Netze und Effizienz entscheiden

Es wird deutlich, dass es in der Kälteerzeugung umfangreiche Auswahloptionen gibt. Eine frühzeitige Fixierung auf elektrisch angetriebene, kleinteilige Einzelanlagen ist aus Effizienzgründen unbedingt zu vermeiden. Bei der Planung sollte stets mit Weitsicht und unter Einbeziehung möglicher Energiequellen in der Umgebung agiert werden. Dabei kann auch das Zeit unbequeme Gas unter Umständen eine langfristig klimaneutrale Alternative darstellen.