Regenerative Energien zur Gebäudekühlung und -heizung

1. Solare Klimatisierung

2. Geothermische Energie

3. Wärmepumpen

4. Freie Kühlung

5. Wärmerückgewinnung

1. Solare Klimatisierung:

Die solare Wärme direkt oder indirekt für die Klimatisierung von Gebäuden verwenden können.

Grundsätzlich unterscheidet man die passive Solarnutzung durch das Bauwerk und die aktive Solarnutzung durch technische Systeme.

Die passive Solarnutzung geschieht beispielsweise durch Wintergärten oder große Südverglasungen mit Spezialbeschichtungen und nutzt direkt die einfallende Sonneneinstrahlung zur Beheizung der Räume.

Bei der aktiven Solarnutzung wird die Energie der Sonne durch technische Anlagen wie Sonnenkollektoren (Wärmeenergie) oder Photovoltaik (elektrische Energie) zur weiteren Nutzung aufbereitet. Sonnenkollektoren zur Erwärmung von Brauch- und Heizwasser stellen einen erprobten technischen Standard dar, der sowohl bei Einzelhäusern als auch bei Hausanlagen genutzt werden kann.

2. Geothermische Energie:

Oberflächennahe geothermische Energie ist besonders für die Nutzung in Klimatisierungssystemen geeignet.

Die Temperatur des ungestörten Untergrundes beträgt im Tiefen bis ca. 100 m 8 °C bis 12 °C.

Erdwärme kann unterschiedliche Quellen haben: Sie kann gespeicherte Sonnenenergie in den oberen Erdschichten sein oder im Inneren der Erde erzeugte Erdwärme, die insbesondere in den tieferen Erdschichten gewonnen werden muss.

Die Nutzung dieses Energiereservoirs kann durch verschiedene Systeme erfolgen:

• Grundwassernutzung zur Gebäudekühlung und -heizung (Entnahme- und Schluckbrunnen):
• Über einen Förderbrunnen wird Grundwasser aus dem Boden entnommen und der Wärmepumpe zugeführt, welche dem Wasser die Wärme entzieht. Das abgekühlte Wasser wird danach in einen Schluckbrunnen zurückgeleitet.
• Diese Art der Nutzung ist dort möglich, wo durch Saug und Förderbrunnen ein geschlossener und entsprechend ergiebiger Wasserkreislauf möglich ist. Die Instandhaltung und der Betrieb können abhängig von den lokalen Vorschriften und Gegebenheiten aufwändig sein.
• Erdwärmetauscher (Erdwärmekollektoren und -sonden) :
• Horizontal (Erdkollektoren) oder vertikal (Erdsonden) verlegte Kunststoffrohre bilden einen Wärmeübertrager mit dem Untergrund. Die Leistungsfähigkeit dieses Wärmetauschersystems ist abhängig von den thermischen Eigenschaften des Untergrundes und der Grundwasserverhältnisse. Je tiefer die Rohre verlegt sind, desto unabhängiger ist das System von der klimatischen Umgebung.
• Es existiert eine Vielzahl von Sonderformen oberflächennaher Systeme, welche eine Übergangsform zwischen Sonden und Kollektoren darstellen. Bei Energiepfählen werden Gründungspfähle zur Verbesserung der Standsicherheit von Gebäuden genutzt, welche ohnehin aus statischen Gründen installiert werden und somit keine Mehrkosten darstellen.
• Energiekörbe haben auf Grund der kompakten Bauweise (mehr Rohrmeter)eine höhere Effizienz als Kollektoren.
• Energiefundamente:
• Diese Systeme sind besonders wirtschaftlich, da hierbei die manchmal ohnehin notwendigen Gründungspfähle, Fundamentplatten, Pfahlwände usw. zusätzlich nur mit einem Kunstoffrohrsystem ausgestattet werden müssen. Ansonsten ist die Funktion analog den Erdwärmetauschern.
• 2.1 Direkte Nutzung der Erdwärme:
• 2.1.1 Flächenkühlung:
• In Abhängigkeit des Temperaturniveaus des aus dem Erdreich strömenden Trägermediums und der erreichbaren Leistung (Wärmesenke) können ohne eine zusätzliche Kältemaschine verschiedenartige Raumkühlsysteme im Gebäude zum Einsatz kommen:
• Decken-, Wand- und Brüstungskonvektoren bis ca. 14 - 16 °C
• Austrittstemperatur aus dem Erdreich
• Kühlsegel, Kühl- und Putzdecken mit Kapillarrohrmatten bis ca. 16 -18 °C
• Bauteilaktivierung bis ca. 18 - 20 °C
• Grundsätzlich können diese Systeme aufgrund der hohen Systemtemperaturen die Luft nicht entfeuchten. Es muss sogar besonders darauf geachtet werden, dass an keiner Stelle des Systems Kondensat auftreten kann. In vielen Fällen sollte ein derartiges System mit einem Klima- und Lüftungssystem kombiniert werden.
• Raumkühlsysteme:
• - Bauteilaktivierung:
• Wasser
• Luft
• aufgesetzte Deckenelemente
• - Putzdecke
• Kapillarrohrmatte
• - Kühldecke
• geschlossen mit Kapillarrohrmatte
• Module mit Rohren
• offene Metalldecke
• aktivierte Deckenelemente
• - Deckenkonvektoren
• aktiver Konvektor
• passiver Konvektor
• Rasterdecke
• Lüftungsdecke
• Luft-/ Wasserkühldecke
• - Wandkonvektoren
• Wandsysteme
• Schranksysteme
• - Kühlsegel
• Wasser- Systeme
• Luft/ Wasser- Systeme
• 2.1.2 Erdreich- Luft- Wärmeübertrager:
• Erdreich- Luft- Wärmeübertrager können die Außenluft bei einem Lüftungssystem im Winter vorheizen und im Sommer vorkühlen. Die Luft wird hierzu über im Erdreich verlegte Rohrsysteme angesaugt.
• 2.2 Nutzung der Erdwärme über Kältemaschinen:
• Reicht das Temperaturniveau des aus dem Erdreich strömenden Trägermediums nicht aus, um die erforderliche Kühlaufgabe zu übernehmen, dann kann das Erdreich als Wärmesenke für eine Kältemaschine verwendet werden. Nutzt man die Wärmesenke Erdreich, dann kann man mit geeigneten Kältemaschinen die Systemtemperaturen im Rückkühlkreis absenken. Damit steigt die Leistung der Kältemaschine, und der elektrische Energiebedarf sinkt.

3. Wärmepumpen:

• 3.1 Sole – Wasser Wärmepumpe mit Erdkollektor:
• Bietet sich an, wenn eine ausreichend große unversiegelte Fläche vorhanden ist.
• Verlegung der Rohre in ca. 1,5 m unterhalb der Oberfläche.
• Rohre werden in einem Sandbett verlegt (hohe Dichte).
• Entzug der Erdwärme begrenzt auf die Energie, die im Sommer regeneriert werden kann.
• 3.2 Sole – Wasser Wärmepumpe mit Sondenbohrung:
• bis 99 m untere Wasserbehörde
• Wärmeentzug mittels Doppel- U- Rohr
• Entzugsleistung muss messtechnisch ermittelt werden.
• Überwachung der Bohrung und Verfüllung erforderlich
• Drucktest mit Druck- Zeitdiagramm
• 3.3 Wasser – Wasser Wärmepumpe Brunnen:
• Saug- und Schluckbrunnen
• Wasseranalyse erforderlich
• Nicht im Wasserschutzgebiet
• Zwischenwärmeträger erforderlich
• Höchste Arbeitszahl
• Abstand der Brunnen min. 5 m
• 3.4 Luft – Wasser Wärmepumpe:
• Einfache Installation
• Innen oder Außenaufstellung
• Geringe Investitionskosten
• Geringere Arbeitszahl
• Geräuschemissionen beachten

4. Freie Kühlung:

• 4.1 Freie Kühlung über Kühlturm und Lüftungszentralgerät :
• Eine seit Jahrtausenden verwendete Methode zur Kühlung ist die Verdunstung von Wasser. Neben der direkten Nutzung der Verdunstungskühlung im Klimazentralgerät kann die Verdunstungskühlung auch indirekt über Kühltürme oder WRG - Fortluftwärmeübertrager mit Kreislaufverbundsystem genutzt werden.
• 4.2 Ventilatorgestützte Nachtkühlung:
• In Gebäuden mit hohem thermischem Speichervermögen und moderaten inneren Lasten kann die Nachtlüftung den Raumkomfort signifikant verbessern.
• 4.3 Kühlung über indirekte Verdunstungskühlung:
• In Zusammenhang mit einer effizienten Wärmerückgewinnung kann in Klimazentralgeräten die Kühlwirkung von verdunstendem Wasser für die Kühlung der Zuluft eingesetzt werden. Man nutzt die Kühlwirkung in den mitteleuropäischen Klimazonen meist indirekt, das heißt, man feuchtet die in den Raum geführte Luft nicht auf. Bei so genannten direkten Systemen (Verdunstungskühler, Dessert- Cooler, usw.) wird die Zuluft gekühlt aber auch gleichzeitig befeuchtet. Diese Systeme eignen sich nur für heiße und trockene Klimazonen.
• 4.3.1 Indirekte Verdunstungskühlung mit Abluft:
• Die Abluft wird durch Versprühen von Wasser so weit wie möglich abgekühlt. Durch eine effiziente Wärmeübertragung wird die „Kälte“ dann auf den Zuluftstrom übertragen.
• 4.3.2 Indirekte Verdunstungskühlung mit Außenluft:
• Bei diesen Systemen wird die Außenluft durch Versprühen von Wasser so weit wie möglich abgekühlt, die „Kälte“ wird dann auf den Zuluftstrom oder auf einen Umluftstrom übertragen.

5. Wärmerückgewinnung:

• Die Rückgewinnung von Abwärme erfolgt nach dem gleichen Prinzip wie die Nutzung der Erdwärme. Allerdings sind in der Regel technische Produktionsprozesse die Quelle der Wärmeerzeugung. Bekanntestes Beispiel der Abwärmenutzung ist die Fernwärme, bei der die Abwärme aus technischen Prozessen, meistens in Verbindung mit der Stromerzeugung (Kraft- Wärme- Koppelung), gewonnen wird.
• Im Bereich der Niedrigenergie - und Passivhäuser werden mindestens 50 % der Heizwärme durch die Lüftung verursacht.
• 5.1 Luft/ Luft – Wärmerückgewinnung:
• Wärmerückgewinnerübertragen die Wärme der Abluft auf die Außenluft. Dadurch kann weitere Energie eingespart werden
• 5.2 Abluft - Wasser Wärmepumpen und Abluft - Luft Wärmepumpen:
• Im Zusammenhang mit der Klima- und Lüftungstechnik im Gebäude wird im Folgenden die Abluft als Wärmequelle für Wohn- und Nichtwohngebäude dargestellt.