Kühlen von Gebäuden mit Strom aus EE - Was im Winter gewünscht, wird im Sommer zur Last: interne Wärmegewinne in Gebäuden

Es sind nicht nur die klassischen Geräte, an die sich unser Komfortanspruch längst gewöhnt hat. Mindestens ein Rechner pro Wohneinheit ist heute Standard, das sogenannte Home-Office, bietet eine ganze Batterie von internen Wärmelasten, heat grid eben. Das Badezimmer und das Duschbad kamen die längste Zeit mit Leuchtmitteln als die einzige elektrische Wärme- und Verbrauchsquelle aus.  

Kühllasten in Wohngebäuden
Ob zum Zähneputzen, Mundduschen und selbst für den Gang zum Stuhl wird heute vielerorts elektrischer Strom benötigt. Tendenz steigend. Bei den vorgenannten Geräten oft schon dabei, doch bei den anderen Verbrauchern des täglichen Lebens kommt noch eine stattliche Anzahl von Transformatoren, Spulen usw. dazu, die das thermische Gleichgewicht – insbesondere im Sommer – durcheinander bringt und eine thermische Behaglichkeit vermissen lässt.
Aus diesen Entwicklungen heraus und nicht zuletzt in Verbindung mit der Luftdichtigkeit und dem sogenannten energetischen Standard von Gebäuden, gepaart mit dem oft sehr einseitigen Fokus auf Wärmedämmeigenschaften für den winterlichen Wärmeschutz, besteht heute die Situation, dass man sowohl in der Sanierung als auch im Neubau neben der Heizlast auch die Kühllast eines Gebäudes zu rechnen hat. Was die Hülle in ihrer Schutzfunktion nicht hergibt, muss dann die Anlagentechnik richten.
Naheliegend, dass gerade in den sonnenreichen Monaten besonders hohe Las­ten entstehen, wenn die natürlichen solaren Wärmegewinne noch dazu kommen. Konstruktive Verschattungssysteme sind aufwendig und kostspielig. Zudem wird die natürliche Tageslichtausbeute für den Innenraum deutlich reduziert, was durch zusätzliche Beleuchtungssysteme vermeintlich kompensiert wird. Dadurch werden aber nicht selten weitere Wärmequellen im Innenraum installiert und die Katze beißt sich in diesem energetischen Teufelskreis  in den Schwanz. Dabei können gerade in den Sommermonaten mit hohen Hitzelas­ten, die notwendigen Kälteanforderungen fraglos von einem PV-Generator in Echtzeit bedient werden kann.

Faktoren für den Kühlbedarf
Neben der Ausrichtung und dem Standort des Gebäudes sind es die thermischen Eigenschaften von Baustoffen und Bauelementen (insbesondere die transparenten Flächen), die den Kühlbedarf rein konstruktiv schon mitbestimmen. Die solaren Wärmegewinne und die internen Wärmegewinne bilden weitere wesentliche Faktoren für einen Kühl- bzw. Kältebedarf.
Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Begrifflichkeit „thermische Behaglichkeit“ sich mitnichten im positiven Wärmegefühl während der Heizperiode erschöpft, sondern ebenso ein negatives Wärmegefühl während des Sommers und seinen Hitzeperioden ist. Ausschlaggebend sind die physiologischen Anforderungen des Menschen im umbauten Raum. Dementsprechend ist der Mensch als Wärmekörper auch in dieser Zeit relevant. Die Kern- und Oberflächentemperatur des menschlichen Körpers sind der entscheidende Parameter. Analog zur Temperaturdifferenz zwischen Mensch und seiner Umgebung im Winter, ist diese ebenso im Sommer entscheidend für die thermische Behaglichkeit. Ausgehend von der Oberflächentemperatur des Menschen von ca. 25°C ist eine geringe Temperaturdifferenz von einigen Kelvin zu seiner Umgebung notwendig, um die natürliche Wärmeabgabe des menschlichen Organismus über die Haut und die Atmung zu ermöglichen. Die Wärmeabgabe des Menschen ist naturgemäß von seinem Aktivitätsgrad abhängig. Bei einer normalen Aktivität in einem Büro- oder Verwaltungsgebäude ist die körperliche Aktivität sehr niedrig und entsprechend niedrig auch die Wärmeabgabe des Menschen. Dennoch sind es etwa 80 – 100 Watt, die der Mensch abgeben möchte, um eine optimale Behaglichkeit zu empfinden.  
Wenn aber die natürliche Temperaturdifferenz zur Umgebung schwindet – oder gar sich umkehrt – ist es nur natürlich, dass bei einer anhaltenden Innenraumtemperatur von deutlich mehr als 25°C die Wärmeabgabe des Menschen blockiert wird und sich somit eine thermische Unbehaglichkeit einstellt, die sich in Ermüdung, Konzentrationsschwächen oder auch Kreislaufproblemen äußern kann – vor allem wenn die Innenraumtemperatur 30°C überschreitet.

Die Kühllast von Gebäuden
Die Kühllast von Gebäuden resultiert im Wesentlichen aus der solaren Einstrahlung, der Qualität der Baustoffe und Bauelemente der thermischen Hülle und den Temperaturdifferenzen zwischen innen und außen. Was allerdings erst in den letzten Jahren deutlich hinzu kam, ist eine signifikante Steigerung der internen Wärmegewinne, wie eingangs beschrieben. Herzlich willkommen im Winter, wenn ohnehin Heizwärmebedarf besteht, aber bitte nicht im Sommer, wenn die thermische Hülle eigentlich als Zufluchtsort zum Schutz vor der sommerlichen Hitze gedacht ist. So wie im Winter eine Mindest-Innenraumtemperatur angestrebt wird, ist es im Sommer eine maximale Innenraumtemperatur, die anzustreben ist. Dementsprechend besteht die Aufgabe einer Kühlung des Innenraums darin, eine festgelegte maximale Innenraumtemperatur von beispielsweise 26°C sicherzustellen. Dies ist mit einer entsprechenden Kühl- bzw. Kälteleistung zu gewährleisten. Zur Berechnung der Kühllast eines Gebäudes empfiehlt sich das Berechnungsverfahren nach der VDI-Richtlinie 2078.
Betrachtet man das Tagesprofil, drängt sich schon der  Vergleich mit einer simulierten Solareinstrahlung auf einen PV-Generator auf, will man die Kälte mit elektrischer Energie erzeugen. Nun gibt es aber verschiedene Möglichkeiten Kühllasten anzugehen, die differenziert zu betrachten sind. Dabei lässt sich grundsätzlich zwischen passiver Kühlung und aktiver Kühlung unterscheiden. Die passive Kühlung kann vorwiegend für Wohngebäude mit einem geringen Kühlbedarf eine Lösung sein. Der energetische Aufwand ist dabei sehr gering. Bei höherem Kühlbedarf, der eine definierte Kühlleistung verlangt, ist eine aktive Kühlung durch die Bereitstellung definierter Kälteleistungen notwendig.

Passive Kühlung
Für eine passive Kühlung ist ein Minimum an Energie notwendig, die mit dem Zentralheizungssystem gekoppelt ist. Thermische Bauteilaktivierung oder Flächenheizsysteme werden reversibel betrieben und verlangen lediglich eine Wärmesenke, beispielsweise im Untergrund. Diese Art der sehr effizienten Kühlung ist zwar nicht in der Lage, größere definierte Lasten abzudecken, für den normalen Wohnbereich jedoch durchaus ausreichend, wenn bei der Dämmstoffauswahl in Sachen Phasenverschiebung auch der sommerliche Hitzeschutz bedacht ist, und die internen Wärmegewinne sich im Rahmen befinden.
Obgleich die aktive Kühlung ungleich höhere elektrische Lasten benötigt, ist es doch auch bei der passiven Kühlung nötig, für die Zwangsumwälzung des Wärmetransports elektrische Energie einzusetzen. Jeweils eine Heizungs-Umwälzpumpe in Primär- und Sekundärkreis verlangen schon mindestens 100 Watt. Das war es dann auch schon in der Hauptsache, denn die Leistungsaufnahmen von regelungstechnischen Komponenten wie Stellmotoren und dergleichen sind in der Regel über einen Sicherheitszuschlag abzudecken. Sicherlich macht es bei der passiven Kühlung durchaus Sinn, über eine Einzellösung nachzudenken. Soll heißen, dass eben direkt bei hoher Sonneneinstrahlung ein entsprechender PV-Generator genau den Strombedarf für eine passive Kühlung bereitstellt.

Passive Kühlung mit WP-Heizung
Auch wenn die passive Kühlung nicht die Kälteleistung aufzubringen vermag wie eine aktive Kühlung mittels Kälteaggregat, ist diese Anwendung naheliegend, da die wesentlichen Komponenten in modernen Gebäuden schon vorhanden sind. Flächenheizungssysteme in Kombination mit erdgekoppelten Wärmepumpen bieten die wichtigsten Komponenten wie Wärmequelle (Innenraum-Flächenheizung) und Wärmesenke (Erdreich-Erdwärmeübertrager). Lediglich ein Wärmeübertrager mit Umschaltventil und die entsprechende Regelung (inkl. Taupunktwächter!) sind als Zusatzausstattung notwendig. Die beiden Umwälzpumpen sind ebenfalls schon Anlagenbestand.
Wird die Wärmequelle als Wärmesenke genutzt, unterstützt dies die natürliche Regeneration zum Wärmeeintrag, und umso effizienter kann der Arbeitsprozess zur Trinkwassererwärmung hinsichtlich der Arbeitszahl optimiert werden. Auch die dafür benötigte elektrische Energie kann über den PV-Generator bereitgestellt werden. Ebenso ist eine direkte Trinkwassererwärmung über einen einfachen Widerstands-Heizkörper möglich.

Aktive Kühlung
Natürlich kann auch mit einer Wärmepumpe eine aktive Kühlung realisiert werden. Dazu muss der Kompressor der Wärmepumpe reversibel betrieben werden. Auch moderne Luft-Wasser-Wärmepumpen besitzen eine optionale Kühlfunktion.
Die aktive Kühlung leistet eine definierte Kälteleistung entsprechend der berechneten Kühllast in Abhängigkeit der bestehenden Innenraumtemperatur und kann somit ermöglichen, eine maximale Innenraumtemperatur sicherzustellen. Die Kälte wird dabei über einen Arbeitsprozess erzeugt, der elektrische Energie benötigt. Ähnlich wie bei der Wärmepumpe entspricht der Energieeinsatz nicht 100%, sondern etwa einem Drittel, d.h. einer Leistungszahl von 3, manchmal auch deutlich geringer bis zu einer Leistungszahl von 2. Das bedeutet, dass nicht die gesamte Kältelast als elektrische Leistung 1 : 1 bereitgestellt werden muss. Als Faustregel kann man von einem Verhältnis 1:2 ausgehen. Also ist bei einer Kälteleistung von 20 kW mit einer elektrischen Leistungsaufnahme von 10 kW zu rechnen, die regenerativ bereitgestellt werden muss.

Spannungsversorgung für Kühlgeräte und -aggregate
Um nennenswerte Kühllasten abdecken zu können, ist eine Spannungsversorgung von 400 V/50 Hz notwendig. Bei kleineren Einzelanlagen genügen auch 230 V/50 Hz. Der elektrische Anschluss, insbesondere der Kraftanschluss des Kompressors, muss im Rahmen der Inbetriebnahme immer vor Inbetriebsetzen der Anlage geprüft werden. Das im Bild auf Seite 52 unten abgebildete Kälteaggregat in Split-Ausführung leistet bei einer zugeführten Leistung von 9 kW jeweils 16,9 KW Kälte. In einer Betriebsstätte ist dieser Kältebedarf zur Raumkühlung oft nur tagsüber gefordert und kann je nach Nutzungsprofil vollständig durch eine PV-Anlage dezentral erzeugt werden.

Fazit
Sommerliche Hitzelasten können entsprechend unserer Klimazone und den daraus resultierenden Witterungsbedingungen sehr wohl durch EE bereitgestellt werden. An erster Stelle steht hier zweifellos die PV, da gerade in dieser Zeit die höchs­ten solaren Gewinne eben auch für einen PV-Generator anstehen. Denn sowohl die Lasten als auch die Potenziale verhalten sich in den Sommermonaten parallel.

Autor: Frank Hartmann