Einfache Patentrezepte gibt es nicht - Regenerative Energien in der Klima- und Lüftungstechnik – Schwerpunkt Nichtwohnbereich

Als erstes Bundesland hat Baden-Württemberg mit dem EEWärmeG zusätzlich Anforderungen im Bestand gestellt, die bei der Sanierung, konkret beim Austausch der Heizungsanlage, greifen. Bei der jüngsten Novelle vom Sommer dieses Jahres wurde unter anderem der Pflichtanteil an Erneuerbaren Energien von 10 auf 15% erhöht, der Geltungsbereich auf Nichtwohngebäude ausgedehnt und eine Reihe von Ersatzmaßnahmen eingeführt – darunter der individuelle Sanierungsfahrplan oder die Wärmerückgewinnung in RLT-Anlagen für Nichtwohngebäude.
Unabhängig von den konkreten Inhalten ist die Zersplitterung der Anforderungen aus planerischer Sicht nicht sinnvoll und schwer begreifbar, da es grundsätzlich um das Ziel geht, den Primärenergiebedarf von Gebäuden zu senken. Im Prinzip sind sich alle Fachleute darin einig, dass weniger Lenkungsinstrumente hier mehr wären. Allerdings gibt es verschiedene politische Zuständigkeiten, sowohl im Zuschnitt der Ministerien  als auch beim Gestaltungsspielraum der gesetzgebenden Institutionen. In Tabelle 1 sind die wichtigsten Rechtsakte, Zuständigkeiten und Gesetzgebungskompetenzen dargestellt.
Beim Energieeinspargesetz (EnEG) und der darauf aufbauenden Energieeinsparverordnung (EnEV) liegt die Verordnungshoheit im Wesentlichen beim Bund. In der Energy Performance of Buildings Directive (EPBD) werden lediglich die Mindestanforderungen festgelegt und die Bundesländer sind für die Umsetzung im Rahmen des Baurechts zuständig. Noch weicher sind die Anforderungen an die Erneuerbaren Energien. Hier erlauben sowohl die europäischen Regelungen (RES) als auch das Bundesgesetz (EEWärmeG) weitergehende regionale Ergänzungen (z.B. EWärmeG in Baden-Württemberg).
Auch die Ecodesign-Richtlinie stellt Anforderungen an die Energieeffizienz von Produkten, die in Gebäude eingebaut werden. Hier greifen die Verordnungen aus Brüssel in den Mitgliedsstaaten direkt, weil die Produkte im gemeinsamen Markt gehandelt werden. Nationale Ergänzungen an die Produkte sind nicht zulässig. So treten die EU-Richtlinien 1253/2014 und 1254/2014 zu Ecodesign und Energieverbrauchskennzeichnung zum 1. Januar in Deutschland auch unmittelbar in Kraft. Sie stellen energetische Mindestanforderungen an RLT-Geräte und Wohnungslüftungsgeräte – Letztere müssen zukünftig zudem ein Energielabel tragen.
Im Folgenden sollen vorzugsweise die Aspekte der Regenerativen Energien in der Klima- und Lüftungstechnik mit dem Schwerpunkt Nichtwohngebäude diskutiert werden.

Bewertung der Wärmerückgewinnung
Einer der wesentlichen Hebel zur Erfüllung des EE-WärmeG im Wohnungsbau und im Nichtwohnungsbau ist die Wärmerückgewinnung in RLT-Anlagen. Diese ist als Abwärmenutzung als Ersatzmaßnahme nach § 7 Absatz 1.a) eindeutig definiert. Die Anforderungen gemäß EEWärmeG wären mit Wärmerückgewinnung in RLT-Anlagen vollständig erfüllt, wenn mindestens 50% des Wärmeenergiebedarfs des Gebäudes daraus gedeckt werden. Damit wird bei den meisten Gebäudetypen die Wärmerückgewinnung als alleinige Maßnahme zur Erfüllung nicht ausreichen. Das Gesetz lässt hier aber alle Arten von Kombinationen zwischen Erneuerbaren Energien und Ersatzmaßnahmen zu.
Wärmerückgewinnungssysteme müssen die Anforderungen gemäß Anlage IV erfüllen, damit sie angerechnet werden können. Dies sind:
1. der Wärmerückgewinnungsgrad der Anlage muss mindestens 70% betragen und
2. die Leistungszahl, die aus dem Verhältnis von der aus der WRG stammenden Wärme zum Stromeinsatz für den Betrieb der RLT-Anlage ermittelt wird, muss mindestens 10 betragen,
3. bei Einsatz von Luft-Luft-Wärmepumpen muss die Jahresarbeitszahl mindes­tens 3,5 betragen.

Die Erfüllung der Anforderung 1 kann leicht mit den vom Hersteller gelieferten Daten gemäß EN 13053 auf Basis der Messwerte nach EN 308 überprüft werden.
Die Erfüllung der Anforderung 2 ist etwas differenzierter zu sehen, da die Formulierung im EEWärmeG hierzu nicht eindeutig ist. In Verbindung mit den „Fragen und Antworten zum EEWärmeG (www.erneuerbare-energien.de) kann man feststellen, dass die zum Betrieb der Wärmerückgewinnungsanlage notwendige elektrische Leistung gemeint ist.
Im Nichtwohngebäude berechnet sich die Leistungszahl als die Leistung der Wärmerückgewinnung im Referenzbetriebszustand gemäß DIN EN 308 bei einem ausgeglichenen Massenstromverhältnis von 1:1 bezogen auf den Anteil der aufgenommenen elektrischen Leistung der Ventilatoren und Nebenantriebe wie Pumpen, Verdichter bei Wärmepumpen und Rotorantriebe, der zum Betrieb der Wärmerückgewinnungsanlage(n) notwendig ist. Der Wärmerückgewinnungsgrad muss bei ausgeglichenen Massenströmen (Zuluftmenge gleich Abluftmenge) mindes­tens 70% (trocken) betragen.
Die Beispiele in Tabelle 3 und 4 zeigen, wie die Anforderungen für einen Wärmeübertrager nachgewiesen werden können.

Anteil der WRG am Heizwärmebedarf
Die Berechnung des Anteils am Heizwärmebedarf ist nicht losgelöst vom Gebäude möglich. Der „Wärmeenergiebedarf“ nach EEWärmeG bezieht sich anteilig auf die Erzeugernutzwärmeabgabe für das Heizsystem, die Trinkwassererwärmung, die Kälteerzeugung und die Wärmemenge für die Dampfbefeuchtung, jedoch ohne die Wärmerückgewinnung und sonstige Anlagen zur Abwärmenutzung.
 Der Anteil der genutzten Abwärme in einer Wärmerückgewinnung berechnet sich als Verhältnis der Erzeugernutzwärmeabgabe der Gebäude mit WRG zu denen ohne WRG (siehe dazu Bild „Formel“).

Diese Vorgehensweise lässt sich schlüssig aus dem Gesetz und den bereits zitierten Quellen ableiten und ist richtig für den Fall, dass die Wärmerückgewinnung über 70% und gemäß EEWärmeG als Ersatzmaßnahme angerechnet werden soll. Seit Juni 2012 liegt das Beiblatt der DIN V 18599 Bbl 2 vor, das die Rechenregeln für die Berechnung der Regenerativquoten spezifiziert.
Ein vereinfachtes Beispiel für ein Gebäude mit hohem Kälteenergiebedarf und nicht anrechenbarer WRG von 60%:

• Heizung = 157000 kWh
• Kühlung = 85000 kWh
• WRG (60%) = 171000 kWh
• Summe = 513000 kWh
• Summe ohne WRG = 342000 kWh

Zur Erfüllung der Anforderungen nach EEWärmeG müssen dann (je nach Maßnahme) etwa 50% des Wärme und Kältebedarfs durch regenerative Maßnahmen gedeckt werden. Die WRG ist dabei nicht anzusetzen, da sie die Anforderungen nicht erfüllt, aber entsprechende Wärme und Kälte natürlich nicht erzeugt werden muss. Also 50% von 342000 kWh entsprechen 171000 kWh. Durch die Wärme alleine wären die Anforderungen deshalb nicht zu decken.
Ein gleiches Beispiel mit einer WRG mit 70% Effizienz:

• Heizung = 147000 kWh
• Kühlung = 185000 kWh
• WRG (70%) = 18000 kWh
• Summe = 513000 kWh

Da jetzt die WRG mit in die Quote eingerechnet werden soll, muss der Anteil WRG mit in den Gesamtenergiebedarf eingerechnet werden. Die Quote ist 50% von 513000 kWh also 256500 kWh, davon werden 181000 kWh, also 35%, von der WRG bereitgestellt. Der restliche Anteil kann dann von der Wärmeerzeugung oder der Kälteerzeugung stammen.

Abwärmenutzung
Die Abwärme aus sonstigen Anlagen ist analog der Wärmerückgewinnung zu führen. Beispielsweise kann die Abwärme aus Kälteanlagen in Supermärkten in gleicher Weise angesetzt werden.

Kälte aus Erneuerbaren Energien
Wesentliche Ergänzungen ergaben sich für die Regenerative Kälteerzeugung aus der Novelle 2011. Hier wurden die Begriffe spezifiziert und leider auch einzelne Technologien ausgeschlossen. Nach derzeitiger Lesart sind folgende Technologien für die Kälteerzeugung unzweifelhaft als Regenerative Kälteenergieerzeugung anerkannt:

• Sorptionsgestützte Klimaanlagen, sofern die zugehörige Wärmeerzeugung regenerativ ist oder aus KWK stammt;
• Ab- und Adsorptionskältemaschinen, wenn die zugehörige Wärmeerzeugung regenerativ ist oder aus KWK stamm;
• Direkte Nutzung von Grundwasser und Erdreich für die Luft oder Wasserkühlung ohne Kältemaschine;
• Indirekte Verdunstungskühlung (Wärmerückgewinnung).

Derzeit nicht als Regenerative Kälteenergieerzeugung anerkannt sind:

• Freie Kühlung über Kühlturm oder Freikühlregister (da Wärmesenke Außenluft),
• Zuluftbefeuchtung (da Wärmesenke Außenluft).

Im Erfahrungsbericht der Bundesregierung wird allerdings hervorgehoben, dass es sich bei allen Verdunstungskühlsystemen und auch bei der Freien Kühlung über Kühltürme um „sinnvolle Effizienzmaßnahmen“ handelt, die den anderen Möglichkeiten erneuerbarer Kälteerzeugung gleichgestellt werden sollten. Den Ländern wird empfohlen, im Rahmen des Vollzuges die bisher nicht klar geregelten Kühltechnologien über den Nachweis eines Gebäudesachverständigen (z.B. dena-Energieexperten) zu berücksichtigen. Im Einzelfall sollte damit ein entsprechender Nachweis durch den Sachkundigen möglich sein, wenn die Baubehörden dies akzeptieren.

Kühlung über Grundwasser oder Erdsonden
Im Gegensatz zur Freien Kühlung über Außenluft ist die geothermische Kühlung vollständig anrechenbar. Unter der Voraussetzung, dass diese Technologie genehmi-gungsrechtlich möglich ist, kann damit das EEWärmeG leicht erfüllt werden.

Ein vereinfachtes Beispiel für ein Gebäude mit hohem Kälteenergiebedarf:

• Heizung = 147000 kWh
• Kühlung = 185000 kWh
• WRG (70%) = 181000 kWh
• Summe = 513000 kWh
• Summe ohne WRG = 332000 kWh
• Zielwert = 256500 kWh/a
• aus der WRG kommen = 181000 kWh/a
• vollständige Kühlung über Grundwasser oder Erdsonden = 185000 kWh/a
• Summe = 366 000 kWh/a

Die Quote von 50% ist also mit 71% schon übererfüllt. Es kann ein Teil der Kälte auch mit klassischen Kälteerzeugern erzeugt werden.

Kühlung über Erd-Rohr-Wärmeübertrager
Führt man die Außenluft vor dem RLT-Gerät über einen Wärmeübertrager im Erdreich, dann wird die Luft im Winter vorgeheizt und im Sommer vorgekühlt. Unzweifelhaft ist dies eine Nutzung geo­thermischer Energie. Zu beachten sind dabei jedoch:

• die verringerte Effizienz der Wärmerückgewinnung durch den Erd-Wärmeübertrager,
• der Platzbedarf,
• die Hygiene.

Thermische Kälteerzeugung
Die Kälteerzeugung mittels thermischer Kältemaschinen (Absorption, Adsorptionskältemaschinen sowie Sorptionsklimasysteme) ist gemäß EEWärmeG ausdrücklich erlaubt, obwohl hierbei ebenfalls im Allgemeinen die Wärmesenke Außenluft verwendet wird, wenn die Wärmequelle dazu anteilig aus Erneuerbaren Energien oder zulässigen Abwärmen stammt, also:

• Solar,
• Biomasse,
• Abwärme und KWK,
• Geothermie.

Bei der Berechnung ist hierbei zu beachten, dass sich der zu berechnende Regenerativanteil auf die Anteile der Kälteerzeugung bezieht und nicht auf die dazu not-wendige Heizwärme.
Was würde das für unser Beispiel bedeuten, wenn wir für die vollständige Kühlung eine Absorptionskältemaschine (Lat. sigma = 0,7, PLV = 0,96) einsetzen würden?:

• Kältebedarf = 185000 kWh/a
• Wärmebedarf für Kälteerzeugung = 275000 kWh

Zur Deckung des Wärmebedarfs sollen alternativ Solarwärme oder Biomasse verwendet werden. Wenn wir Solarwärme einsetzen, dann reicht zur Erfüllung des EEWärmeG eine Quote von 15% aus. Dies bedeutet statt des Zielwertes von 256500 kWh/a (50%) sind nur 77000 kWh/a notwendig. Bei einem solaren Deckungsanteil von 50% ergibt sich ein Anteil solarerzeugter Kälte von 92500 kWh. Das EEWärmeG wäre dadurch ohne weitere Maßnahmen vollständig erfüllt.
Bei einer Biomasseheizung für die Absorptionskälte wird die Quote von 50% auch dadurch erfüllt, dass dann Wärme- und Kälteerzeugung vollständig aus Biomasse erzeugt werden.

• Zielwert = 256500 kWh/a
• Wärme aus Biomasse = 157500 kWh/a
• Kälte aus Biomasse = 185000 kWh/a
• Summe = 342500 kWh/a

Ist diese Art der Kälteerzeugung tatsächlich ein sinnvoller Weg? Unstrittig, wenn Abwärme eingesetzt werden kann. Wie ist die primärenergetische Bilanz im Vergleich zu einer effizienten elektrischen Kompressionskälteanlage? Hierzu das Beispiel in Tabelle 5.
Wie das Beispiel zeigt, erfüllen zwar beide thermischen Varianten das EEWärmeG, wenn man dies aber primärenergetisch vergleicht, dann ergeben sich große Unterschiede. Wenn man einen Teil der Wärme fossil erzeugen muss, dann ist deutlich mehr Primärenergieeinsatz notwendig als beim elektrischen Kälteprozess. Bei der Biomassefeuerung ist der Unter-schied gering. Als Nebenbedingung fordert das EE-WärmeG, dass „der Endenergieverbrauch für die Erzeugung der Kälte, die Rückkühlung und die Verteilung der Kälte nach der jeweils besten verfügbaren Technik gesenkt worden ist“. Dies mag zwar in allen oben genannten Fällen möglich sein, die Messlatte für den Primärenergieeinsatz zeigt dies aber nicht klar.

Verdunstungskühlung
Durch das Verdunsten von Wasser kann Luft abgekühlt werden. Dabei handelt es sich um einen adiabaten Prozess ohne Energiezu- oder -abfuhr. Die Temperatur sinkt ab und die Feuchtigkeit steigt an, aber die Enthalpie des Luftstromes, also sein Energieinhalt, bleibt konstant. Prinzipiell stellt dies eine hervorragende Methode dar, um einen Raum zu kühlen, ohne Energie aufwenden zu müssen. Verdunstet man Wasser in der Zuluft oder im Raum, dann steigt die Raumluftfeuchtigkeit jedoch an, was dazu führt, dass sich die thermische Behaglichkeit im Sommer kaum verbessert (Schwüleempfinden). Verduns­tet man Wasser jedoch in der Abluft und überträgt mit geeigneten WRG-Systemen nur die „Kälte“ auf die Zuluft, dann kann man mit derartigen Systemen den Kältebedarf für die Raumkühlung deutlich verringern.
Bei diesem Prozess handelt es sich nicht um eine eigentliche Kälteerzeugung, sondern um eine Wärmerückgewinnung, die als Abwärmenutzung als Ersatzmaßnahme angerechnet werden kann, wenn die Anforderungen an die WRG eingehalten werden.
Sinnvoll ist eine indirekte Verduns­tungskühlung bei allen Anlagen, bei denen die Außenluft gekühlt werden muss und/oder ein nennenswerter Anteil der Kälte über die RLT-Anlage abgeführt werden soll (nur-Luft-Systeme). Bezogen auf die Kälte für die Luftaufbereitung ist so ca. 50% Einsparung möglich.

Ohne Wärmerückgewinnung kaum möglich
Wie man an diesen Beispielen feststellen kann, bleibt im Hinblick auf die regenerativen Energien in der Klima- und Lüftungstechnik die Auseinandersetzung mit den entsprechenden Gesetzesakten spannend. Dies gilt insbesondere für das EEWärmeG in Nichtwohngebäuden mit signifikantem Kälteenergiebedarf. Einfache Patentrezepte sind dabei nicht möglich und ohne die Berücksichtigung der Wärmerückgewinnung fällt die Erfüllung meist schwer. Die sollte sich auch in den neugefassten Erfahrungsberichten und Gesetzesakten niederschlagen.

Autor: Claus Händel, Technischer Referent beim Fachverband Gebäude-Klima e.V. (FGK)