Umweltschonende Methoden der Klimatisierung

Der gestiegene Lebensstandard und erhöhte Komforterwartungen sowie die Zunahme der Hitzetage über dreißig Grad durch den Klimawandel führen zu einem wachsenden Bedarf an Klimaanlagen auch in unseren Breitengraden. Bis 2030 wird eine Zunahme um etwa 25 Prozent bei Nichtwohngebäuden erwartet, bei Bürogebäuden sogar eine Verdoppelung. Doch neben den indirekten CO₂-Emissionen belasten Klimaanlagen, welche nach dem Kompressionsprinzip funktionieren, oftmals auch mit treibhauswirksamen Kältemittelemissionen das ⁠Klima⁠. Angesichts der Energiewende und des Ziels der Klimaneutralität gewinnen emissionsfreie und umweltfreundliche Klimatisierungsmethoden daher an Bedeutung.

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Passive Kühlung

Bauliche Maßnahmen
Am besten ist es natürlich, wenn die Innenräume eines Gebäudes sich gar nicht erst aufheizen. Durch entsprechende bauliche Maßnahmen kann der solare Wärmeeintrag erheblich reduziert werden. Bei Neubauten kann dies bereits über die geschickte Anordnung und Orientierung der Fenster beeinflusst werden. Verschattungselemente wie Vorsprünge helfen dabei, insbesondere die hochstehende Sommer-Sonneneinstrahlung zu reduzieren. (Der Wärmeertrag der niedrig stehenden Winter-Sonne kann hingegen durchaus ein willkommener Wärmezugewinn sein.) Dach- und Fassadenbegrünungen wiederum halten die Hitze nicht nur ab, sie transpirieren auch und sorgen so für eine Kühlung des Gebäudes. Wenn eine ideale Ausrichtung des Gebäudes und der Fenster nicht möglich ist, bieten außenliegender Sonnenschutz und bei Glasfassaden spezielle Sonnenschutzgläser mit reflektierender Beschichtung und isolierendem Gas im Scheibenzwischenraum eine effiziente Lösung, um den Wärmeeintrag zu mindern.

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Natürliche Kältequellen
Die passive Kühlung ist eine Methode zur Wärmeabfuhr aus Gebäuden ohne den Einsatz von Kühlmittelkreisläufen. Sie nutzt den Temperaturunterschied zwischen dem natürlichen Kühlmedium und dem zu kühlenden Gebäude. Dies kann mit oder ohne Einsatz eines Wärmetauschers geschehen. Die einfachste Methode ist die nächtliche Durchströmung des kompletten Raumvolumens mit der kälteren Nachtluft. Massive Bauteile wie Wände oder Decken speichern die Kälte und geben sie tagsüber an den Raum ab. Dieser Effekt der Bauteilaktivierung kann verstärkt werden, indem Lüftungskanäle durch die Bauteile geführt werden.

Eine weitere Möglichkeit zur passiven Kühlung ist die Nutzung von Verdunstungskälte (adiabate Kühlung). Diese Methode ähnelt dem Effekt einer erfrischenden Dusche an heißen Sommertagen: Warme Luft wird über eine feuchtigkeitsreiche Umgebung, wie zum Beispiel eine angefeuchtete Fläche, geleitet. Mit dem Verdampfen der Feuchtigkeit wird kühle Luft erzeugt, die dann durch Luftschächte im Gebäude verteilt wird.

Weitere natürliche Kältequellen, die zur Gebäudekühlung genutzt werden können, sind das Erdreich oder umliegende Gewässer. Meist geschieht das in Verbindung mit einer reversiblen Wärmepumpe. Dabei wird die relative Kälte über einen Wärmetauscher an den Solekreislauf der Wärmepumpe übergeben. Die abgekühlte Sole durchströmt dann das Flächenheizsystem in den Räumen. Dies ist eine sehr energiesparsame Methode der Raumklimatisierung, da lediglich die Umwälzpumpen der Wärmepumpe im Einsatz sind, nicht aber der Verdichter.

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Anstelle des kühlen Grundwassers kann auch ein Erdluftbrunnen zum Einsatz kommen. Er nutzt die inhärente Kühle des Erdreichs und verteilt diese im Inneren des Gebäudes. Dafür ist ein passives Lüftungssystem erforderlich. Vor der Installation eines Erdluftbrunnens ist eine Prüfung der Radonkonzentration im Boden des jeweiligen Gebiets empfehlenswert.

Der bei diesen Maßnahmen benötigte Strom sollte aus regenerativen Quellen stammen, etwa von einer Photovoltaikanlage direkt am Gebäude.

Aktive Kühlung
Mit Wärme nach dem Sorptionsprinzip
Neben den weit verbreiteten, energieintensiven Kompressionskältemaschinen lässt sich Kälte auch aktiv nach dem Sorptionsprinzip erzeugen. Solche Geräte nennt man Absorptions- oder Adsorptionskältemaschinen. Sie nutzen anstelle von elektrischer Energie die Wärmeenergie aus Wärmequellen von rund 65 °C, etwa die Abwärme aus industriellen Prozessen, aus Blockheizkraftwerken oder aus Solarthermie. Auch Fernwärme kann als Wärmequelle eingesetzt werden. Als Kältemittel kommt Wasser zum Einsatz, aber auch andere, möglichst natürliche Kältemittel wie Ammoniak oder Kohlenwasserstoffe sind problemlos möglich. Das Kältemittel wird durch Aufnahme von Wärme verdampft, im Ab- bzw. am Adsorber gebunden, also aus dem zu kühlenden Raum abgezogen, und getrennt davon im Generator wieder freigesetzt.

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Mit einer Wärmepumpe
Relativ umweltschonend ist auch die aktive Kühlung mit einer Wärmepumpe, da dieser Vorgang immer noch deutlich weniger Energie benötigt als eine Kompressionskältemaschine. Dabei kehrt sich das Prinzip der Wärmepumpe um. Dies geschieht durch eine interne Umkehrung des Kältekreislaufs oder durch das externe Wechseln der Primär- und Sekundäranschlüsse. Ähnlich einem Kühlschrank generiert die Wärmepumpe aktiv Kühle, wobei der Verdichter in Betrieb bleibt und somit eine höhere Kühlleistung als bei passiver Kühlung ermöglicht wird.

Natürliche Kältemittel

Sollen doch herkömmliche Klimageräte zum Einsatz kommen, so lässt sich über die Wahl des Kältemittels maßgeblich Einfluss auf die Umweltverträglichkeit des Systems nehmen. Viele konventionelle Kältemittel bestehen aus teilfluorierten Kohlenwasserstoffen (HFKW), die entweder als Reinstoff oder als Stoffgemische (Blends) zum Einsatz kommen. Verwendung finden derzeit in Split-Klimageräten (Mono- und Multisplit- bzw. VRF-Geräte) überwiegend noch die HFKW-Mischungen R407C und R410A (größere Anlagen ab 250 kW Kälteleistung können auch R134A enthalten). R407C hat ein Global Warming Potential (GWP) von 1.774; R410A von 2.088. Zur Erklärung: Der GWP von CO₂ beträgt 1. Die beiden Kältemittel haben also einen 1.774-mal bzw. 2.088-mal stärkeren Treibhauseffekt als Kohlenstoffdioxid. Durch Leckagen kann es zu einem Entweichen teils signifikanter Mengen HFKW in die Atmosphäre kommen. Deshalb ist es wichtig, regelmäßig Dichtheitsprüfungen durchzuführen.

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Neben diesen fluorierten Kältemitteln gibt es eine ganze Reihe natürlicher Kältemittel wie Kohlenwasserstoffe, Kohlendioxid, Ammoniak, Wasser und Luft. Natürliche Kältemittel sind Substanzen, die direkt aus der Umwelt gewonnen werden können, ohne dass eine synthetische Herstellung notwendig ist. Sie sind in unbegrenzter Menge verfügbar und deswegen entsprechend preiswert. Und vor allem sind sie sehr umweltverträglich: Das GWP von Ammoniak (R-717), Luft und Wasser (R-718) beträgt 0; von Kohlendioxid (R-744) 1 und das GWP der Kohlenwasserstoffe Propan (R-290) und Butan (R-600a) liegt bei 3. Für nahezu jedes fluorierte Kältemittel steht eine nicht-halogenierte Alternative zur Verfügung. Denn das eine, universal einsetzbare Kältemittel gibt es nicht, sondern nur das für die spezifischen Anforderungen einer Anlage optimal passende. Beim Umrüsten einer Anlage von fluorierten zu natürlichen Kältemitteln ist eine Förderung möglich.

Rechtlicher Rahmen
Am 11. März 2024 wurde die bis dahin gültige F-Gas-Verordnung durch die Verordnung (EU) 2024/573 abgelöst. Sie fordert eine starke Reduzierung von besonders klimaschädlichen teilfluorierten Kohlenwasserstoffen bis 2030 und deren vollständige Einstellung bis 2050. Ab dem 1. Januar 2026 wird der Einsatz von Frischware mit einem GWP über 2.500 für Klimaanlagen und Wärmepumpen verboten. Ab 2032 wird dieses Verbot auf Frischware mit einem GWP über 750 ausgeweitet.

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