Regenerative Energien in Klima-/Lüftungstechnik

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Auf einen Blick

Die Klima- und Lüftungstechnik kann einen wesentlichen Beitrag zur Erreichung der CO2-Minderungsziele in Deutschland leisten. Schon jetzt stehen Systeme und Technologien zur Verfügung, die aus welchen Gründen auch immer, nicht oder nur unzureichend bei Neubauten und in der Sanierung zum Einsatz kommen.

Klimaschutzziele der Bundesregierung bis zum Jahr 2020:
30 % - 40 %ige Reduktion der Treibhausgase um 147 bis 270 Mio. Tonnen pro Jahr

Potenziale für regenerative Energien in der Klima- und Lüftungstechnik bis 2020:

CO2-Reduktion pro Jahr, Basis 147 Mio to
Wärmerückgewinnung:
in Nichtwohngebäuden 5,85 Mio. to 4,0 %
in Wohngebäuden 6,43 Mio. to 4,3 %
Klimatisierung:
Solare Klimasysteme 0,4 – 0,6 Mio. to 0,3 %
Geothermische Klimasysteme 0,74 Mio. to 0,5 %
Indirekte Verdunstungskühlung 0,3 Mio. to 0,2 %
Freie Kühlung über Wassersysteme 0,25 Mio. to 0,2 %
Summe: ca. 14 Mio. to 9,5 %

Alleine die heute verfügbaren Technologien zur Nutzung der regenerativen Energien in der Klima- und Lüftungstechnik können rund 9% zur Erreichung der Klimaschutzziele der Bundesregierung bis 2020 beitragen.

Damit leistet die Klima- und Lüftungstechnik einen wesentlichen Betrag zur Energieeinsparung, CO2 – Reduktion , Ressourcenschonung und zum Klimaschutz


Inhaltsverzeichnis

Vorwort

In der Entschließung des Europäischen Parlamentes mit Empfehlungen an die Kommission zu Heizen und Kühlen aus erneuerbaren Energiequelle (2005/2122(INI)) vom 14. Februar 2006 wird gefordert, dass die Evaluierung und die Nutzung des wirtschaftlichen Potenzials zur Steigerung des Anteils erneuerbarer Energien beim Heizen und Kühlen in der EU von derzeit etwa 10 % auf einen realistischen und ehrgeizigen und wenigstens doppelt so hohen Anteil im Jahr 2020 steigen soll. Die Bundesregierung wird noch im Jahr 2007 mit einem neuen Klimaschutzprogramm das Maßnahmenpaket auf den Weg bringen, mit dem die Beschlüsse der Europäischen Union umgesetzt werden sollen.

  • Um eine 30 %ige Reduktion der Treibhausgase bis 2020 zu erreichen, müssen 147 Mio. t im Vergleich zum Jahr 2005 gemindert werden.
  • Das reicht aber nicht. Eine Reduktion um 40 % bedeutet dagegen eine Senkung von 270 Mio. t gegenüber dem Niveau von 2005.

Mit einem Anstieg des Anteils von erneuerbaren Energien im Wärme- und Kältebereich soll ein erheblicher Beitrag zur europäischen Energieversorgungssicherheit, zur Schaffung neuer Arbeitsplätze und zur Verbesserung der Umwelt geleistet werden. Weiterhin soll eine signifikante Reduzierung der Nachfrage in Europa nach konventionellen Energien, des allgemeinen Energieverbrauchs der EU im Heiz- und Kühlbereich, der Abhängigkeit insbesondere von Öl und Gas und zur Senkung der Energiekosten für die privaten und gewerblichen Verbraucher erreicht werden.

Mit dem vorliegenden Status-Report Nr. 10 „Regenerative Energien in der Klima- und Lüftungstechnik“ zeigt das Fachinstitut Gebäude-Klima e.V. als wesentlicher Verband der deutschen Klima- und Lüftungstechnik in Industrie und Wissenschaft die verschiedenen Systeme und Verfahren zur Nutzung von Regenerativen Energien in der Klima- und Lüftungstechnik auf. Das Fachinstitut Gebäude Klima e.V. setzt sich für den Grundsatz der Energieeffizienz und die verstärkte Verwendung von Regenerativen Energien unter Berücksichtigung der Behaglichkeit, des Raumkomforts, der Hygiene und der Gesundheit der Nutzer ein.

Das Fachinstitut Gebäude-Klima e.V. wünscht sich Rahmenbedingungen für eine technologie- und energieträgerneutrale Förderung und eine Beschleunigung bei der Implementierung der hohen Energieeinsparpotenziale in den Neubau und in den Gebäudebestand.

Im Folgenden werden verschiedene Technologien zur Nutzung regenerativer Energien erläutert und die möglichen Potenziale beschreiben.

Solare Klimatisierung

Vergleich Primärenergieaufwand für thermische / elektrische Kälteerzeugung in Abhängigkeit des solaren Deckungsanteiles

Im Folgenden werden die Systeme beschrieben, die die solare Wärme zum Beispiel aus Sonnenkollektoren direkt oder indirekt für die Klimatisierung von Gebäuden verwenden können.

Elektrische Systeme für die Lüftung und Klimatisierung, die über netzgekoppelte Photovoltaiksysteme versorgt werden, sind nicht Gegenstand der Betrachtung, weil sich diese Systeme prinzipiell nicht von den konventionellen Systemen unterscheiden. In Deutschland und Europa hat sich die Betrachtungsweise durchgesetzt, dass die photovoltaische Stromerzeugung als Teil des Stromnetzes angesehen wird und nicht als Teil des Gebäudes.

Grundsätzlich wird in Abhängigkeit der verwendeten Technologie ab einem solaren Deckungsanteil von 25 bis 40 % die Schwelle erreicht, die eine Primärenergieeinsparung durch solare Kühlung ermöglicht [1]. Ein solarer Deckungsanteil von 70 % bedeutet demnach, dass 70 % der zum Antrieb des Kühlverfahrens notwendigen thermischen Energie von der Solaranlage geliefert werden. Bei realistischen solaren Deckungsanteilen im Bereich von 70 bis 85 % sind – bezogen auf eine gleichwertige konventionelle Referenzanlage – Primärenergieeinsparungen zwischen 30 und 60 % möglich.

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Thermische Kälteerzeugung – Klimakaltwassererzeugung aus Solarenergie

Thermische Kaltwassererzeuger erzeugen Kälte, indem sich das in der Anlage befindliche Stoffpaar durch Wärmezufuhr trennt und unter Wärmeabgabe vereinigt. Die thermischen Randbedingungen werden durch das eingesetzte Stoffpaar und durch das Verfahren bestimmt. Die heute für die klimatechnische Anwendung zur Verfügung stehenden Systeme sind:

Systeme mit solarthermischer Kaltwassererzeugung
  • Absorptionskälteanlagen mit dem Arbeitspaar H2O / LiBr (Wasser / Lithiumbromid)
  • Absorptionskälteanlagen mit dem Arbeitspaar NH3 / H2O (Ammoniak / Wasser)
  • Adsorptionskälteanlagen mit Silicagel und Wasser

Solarthermische Kaltwassersysteme haben den Vorteil, dass im gesamten System bekannte und kommerziell verfügbare Komponenten eingesetzt werden können:

  • Solarkollektoren
  • Thermische Kaltwassererzeuger
  • Alle verfügbaren Nur-Luft- und Luft-Wasser-Klimasysteme
Mögliche Primärenergieeinsparung durch thermische Kälteerzeugung
Mögl. PE-Einsparung solarer Kaltwassererzeugung, Abhängig v. rel. Anteil neu installierter Systeme
Mögl. CO2-Einsparung solarer Kaltwassererzeugung, Abhängig v. rel. Anteil neu installierter Systeme

Nach einer Schätzung [2] werden in Deutschland pro Jahr Kaltwassererzeuger mit einer Gesamtkälteleistung von etwa 1.100 MW verkauft. Dies beinhaltet die Maschinen für Neubau und Sanierung. Unterstellt man, dass ca. 40 % davon für die Komfortklimatisierung eingesetzt und diese mit 700 Vollbenutzungsstunden betrieben werden, so ergibt sich für die jährlich neu verkauften Kaltwassererzeuger ein Gesamtstrombedarf von ca. 263,4 GWh (EER = 3,5).

Absorptionskälteanlagen

- Dieser Abschnitt ist ausgelagert, siehe: Absorptionskälteanlagen

Adsorptionskälteanlagen

- Dieser Abschnitt ist ausgelagert, siehe: Adsorptionskälteanlagen

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Thermische Klimaprozesse – Sorptionsklimasysteme

Konventionelle Klimasysteme benötigen eine externe Kälteerzeugung zur Kühlung und Entfeuchtung der Luft. In Sorptionsklimasystemen kann die Luft über sorptive Materialien entfeuchtet und über die Verdunstung von Wasser (Verdunstungskühlung) gekühlt werden. Eine intelligente Kopplung von Entfeuchtungskomponenten, Wärme-(Kälte-) Rückgewinnungssystemen und Wasserbefeuchtern in einem Klimazentralgerät kann eine vollständig klimatisierte Luft ohne externe Kältemaschine erzeugen. Der Kälteprozess findet quasi direkt in der Luft in einem offenen Prozess mit Wasser als Kältemittel statt.

Man unterscheidet in der Praxis zwei Systeme:

  • Sorptionsklimasysteme mit festen Absorbern
  • Sorptionsklimasysteme mit flüssigen Absorbern

Beide Verfahren arbeiten nach dem selben Prinzip. Sie unterscheiden sich im Wesentlichen dadurch, dass bei festen Absorbern der Absorber wechselweise von Zuluft und von Regenerationsluft durchströmt werden muss, während bei flüssigen Systemen die Absorptionsflüssigkeit zwischen Absorption und Regeneration gepumpt werden kann.

Damit der Prozess kontinuierlich ablaufen kann, muss das Wasser aus den Absorptionsmedien wieder entfernt werden. Diese Austreibung geschieht durch Wärmezufuhr. Vorteilhaft bei beiden Systemen ist, dass keine sehr hohen Temperaturen für das Austreiben des Wassers notwendig sind und deshalb sehr einfach solare Wärme oder Niedertemperaturabwärme aus industriellen Prozessen und Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen verwendet werden kann.

Beide Verfahren können somit überall dort eingesetzt werden, wo die Luft gekühlt und ggf. entfeuchtet werden soll. Prinzipbedingt ist bei diesen Systemen gleichzeitig eine sehr effiziente Wärme- und ggf. auch Feuchterückgewinnung vorhanden (vergl. Abschnitt 5.1 Luft/Luft – Wärmerückgewinnung). Dies ermöglicht auch einen energieeffizienten Betrieb im Winter.

Schon bei einem Anteil von 30 % kann eine PE-Einsparung von etwa 100 GWh erreicht werden
Mögl. zusätzl. CO2-Minderung bei Absorptionsklimasystemen p.a.
Mögliche Primärenergieeinsparung durch Sorptionsklimasysteme

Nach einer Erhebung von Beck im Jahr 2000 [3] werden in Deutschland pro Jahr ca. 38.000 RLT-Zentralgeräte mit einer Luftleistung von insgesamt 658 Mio m3/h verkauft. Unterstellt man, dass 60 % des Luftvolumenstromes Zuluft und davon 49 % mit Kühlung ausgestattet sind, dann ergibt sich ein jährlicher Primärenergiebedarf für Kühlung von rund 331 GWh. In sehr vielen Fällen ist ein alternativer Einsatz von Sorptionsklimasystemen mit Solar- oder Abwärmenutzung möglich.

Sorptionsklimasysteme mit festen Absorbern

- Dieser Abschnitt ist ausgelagert, siehe: Sorptionsklimasysteme mit festen Absorbern

Sorptionsklimasysteme mit flüssigen Absorbern

- Dieser Abschnitt ist ausgelagert, siehe: Sorptionsklimasysteme mit flüssigen Absorbern

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Geothermische Energie — Nutzung der Erdwärme und Erdkälte

Oberflächennahe geothermische Energie ist besonders für die Nutzung in Klima- und Lüftungssystemen geeignet. Die Temperatur des ungestörten Untergrundes beträgt im Tiefen bis ca. 100 m 8 °C bis 12 °C. Die Nutzung dieses Energiereservoirs kann durch verschiedene Systeme erfolgen:

Saisonale Nutzung eines geothermischen Systems
  • Grundwassernutzung: 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: 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.
  • 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.
Abhängig vom notwendigen Temperaturniveau und der Leistungsfähigkeit des Systems kann die geothermische Energie auf vielfältige Weise im Gebäude genutzt werden. Im Sommer dient der Untergrund als Wärmesenke. Die notwendige Kühlenergie wird dem Gebäude entzogen und dem Untergrund zugeführt. Dies kann direkt (nächster Abschnitt 3.1 - Direkte Nutzung der Erdkälte) oder über die Nutzung einer Kältemaschine oder Wärmepumpe (Abschnitt 3.2 - Nutzung der Erdkälte über Kältemaschinen) geschehen.
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Direkte Nutzung der Erdkälte

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:

Übersicht über Raumkühlsysteme [4]
  • 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

Alle diese Systeme zur Raumkühlung können sowohl im Neubau wie auch bei der Sanierung eingesetzt werden (Bauteilaktivierung durch spezielle Systeme). 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. Insbesondere in feuchtwarmer Witterung (z.B. auch in Flusstälern) muss die Leistung des Systems gegebenenfalls durch eine Anhebung der Systemtemperatur gedrosselt werden, damit die Vorlauftemperatur sicher oberhalb der Taupunkttemperatur des Raumes liegt.

In vielen Fällen sollte ein derartiges System mit einem Klima- und Lüftungssystem kombiniert werden, bei dem die Luft auch entfeuchtet werden kann. Es empfehlen sich hierbei insbesondere sorptive Systeme (siehe Abschnitt 2.2 - Thermische Klimaprozesse – Sorptionsklimasysteme).
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Erdreich-Luft-Wärmeübertrager
Erdreich-Luft-Wärmeübertrager für ein Wohngebäude

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. Bei sorgfältiger Planung, Installation und Wartung können diese Systeme den Energiebedarf für die Lüftung und Vorkühlung merklich senken.

Eine weitere Verbreitung haben derartige Systeme im Bereich der Wohnungslüftung gefunden. Dort steht üblicherweise der notwendige Platz zur Verfügung, und die Dimensionen erlauben einen kostengünstigen Einsatz von geeigneten Rohrmaterialien und Systemausführungen.

Vielfach werden auch größere Lüftungsanlage an Erdreich-Luft-Wärmeübertrager angeschlossen. Die dort verwendeten Rohrmaterialien (oftmals Abwasserrohre aus Beton) sind aber kritisch bezüglich einer ausreichenden Lufthygiene anzusehen.
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Energieeinsparpotenziale durch Erdreich-Wärmeübertrager
CO2-Minderung durch Erdreich-Wärmeübertrager im Wohnungsbau
Mögliche Primärenergieeinsparung durch Erdreich-Wärmeübertrager bei Lüftungsanlagen im Wohnungsbau

Das Diagramm zeigt die mögliche Primärenergieeinsparung, wenn Lüftungsanlagen im Wohnungsbau mit Erdreich-Wärmeübertrager ausgerüstet werden. Nimmt man beispielsweise an, dass zu einem zukünftigen Zeitpunkt 10 % des gesamten Gebäudebestandes mit Lüftungsanlagen ausgerüstet sind, dann ergeben sich beim Einbau von Erdreich- Wärmeübertragern zusätzliche Energieeinsparungen von 729 GWh pro Jahr [5], [6].

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Nutzung der Erdkälte über Kältemaschinen

Einbindung einer Kältemaschine /Wärmepumpe in Ges.-konzept geotherm. Gebäudetemperierung

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. Dies ist zum Beispiel dann notwendig, wenn die Zuluft des Gebäudes für die Klimatisierungsaufgabe entfeuchtet werden muss. Die notwendige Kaltwassertemperatur für die Entfeuchtung beträgt dann ca. 6 bis 8 °C und dies steht im Erdreich nicht zur Verfügung.

Der elektrische Energiebedarf für den Betrieb der Kältemaschine sinkt mit steigender Temperatur im Kondensatorkreis. Bei wassergekühlten Kältemaschinen ist eine Rückkühlung über die Außenluft üblich (nasse oder trockene Kühltürme). Die Systemtemperaturen im Rückkühlkreis liegen damit in der Praxis zwischen 25 °C und 40 °C. 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. Oft kann auf einen zusätzlichen Kühlturm ganz verzichtet werden.
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Mögl. zusätzl. PE-Minderung durch Nutzung des Erdreichs als Wärmesenke p.a. (EERStandard = 3,5 und EERgeothermisch = 5,2)
Mögl. zusätzl. CO2-Minderung durch Nutzung des Erdreichs als Wärmesenke p.a. (EERStandard = 3,5 und EERgeothermisch = 5,2)
Mögliche Primärenergieeinsparung durch die Nutzung des Erdreiches als Wärmesenke bei der Klimakaltwassererzeugung.

Analog der Schätzung der pro Jahr in Deutschland verkauften Kaltwassererzeuger [2] und den Abschätzungen nach Abschnitt 2.1 -Thermische Kälteerzeugung ... beträgt der Gesamtstrombedarf der jährlich neu verkauften Kaltwassererzeuger für die Gebäudeklimatisierung ca. 263 GWh Primärenergie (PE) (Neubau und Sanierung).

Das Diagramm zeigt die Auswirkungen auf den Energiebedarf unter der Annahme, dass 10 bis 30 % der neu ausgelieferten Kaltwassersysteme (Neubau und Sanierung) mit einer geothermischen Rückkühlung ausgestattet werden.

Wenn 30 % der neu installierten Systeme mit geothermischer Rückkühlung ausgestattet werden, beträgt die Energieeinsparung ca. 34 GWhPrimär Strom oder 13 %.
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Freie Kühlung

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 (siehe Abschnitt 2.2 - Thermische Klimaprozesse – Sorptionsklimasysteme) kann die Verdunstungskühlung auch indirekt über Kühltürme oder WRG-Fortluftwärmeübertrager mit Kreislaufverbundsystem genutzt werden. Hier ist jedoch zu beachten, dass bei diesen Systemen insbesondere im Sommer in Abhängigkeit der Feuchtkugeltemperatur für die Nutzung zur Kühlung nur vergleichsweise hohe Kühlwassertemperaturen erreicht werden. Wichtig ist in diesem Zusammenhang die Trennung der Funktionen Luft- oder Raumkühlung und Luftentfeuchtung. Für die Anwendung in der Klimatechnik ist die freie Kühlung nicht nutzbar für die Entfeuchtung. Für den Entfeuchtungsbetrieb passt ideal ein Sorptionsklimasystem (siehe Abschnitt 2.2 - Thermische Klimaprozesse – Sorptionsklimasysteme). Wie bei der Nutzung der Erdkälte ist bei den Raumkühlsystemen darauf zu achten, dass diese Systeme mit hohen Wassertemperaturen arbeiten können (siehe Abschnitt 3.1.1 - Flächenkühlung). Für die Nutzung mit freier Kühlung ist eine Systemtemperatur oberhalb 18 °C anzustreben.

Man unterscheidet folgende Bauarten:

Bauarten von Kühltürmen
  • Offene Kühltürme: Das zu kühlende Wasser wird mittels Sprühdüsen über Kunststoff-Rieseleinbauten verteilt. Das Kühlwasser ist offen in direktem Kontakt mit der Luft. Es erfolgt eine sensible und latente Wärmeübertragung an die Außenluft.
  • Geschlossene Kühltürme: Die zu kühlende Flüssigkeit (Wasser oder Glykol-Wasser-Mischung) zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf in einem Wärmeübertrager. Dieser wird von außen mit einem separaten Kreislauf mit Wasser besprüht. Es erfolgt eine sensible und latente Wärmeübertragung an die Außenluft.
  • Trockene Rückkühlung: Wasser zirkuliert nur in einem geschlossen Kreislauf, und der Wärmetauscher wird nicht besprüht. Es erfolgt nur eine sensible Wärmeübertragung an die Außenluft.
  • Hybride Kühltürme: Ein hybrider Kühlturm ist eine Kombination von geschlossenem und trockenem Rückkühler. Je nach Außenkonditionen erfolgt die Wärmeübertragung sensibel, latent oder in Kombination.
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Luft energie kuehlturm kaeltemaschine.gif

Systeme der freien Kühlung über Kühlturm können in vielfältiger Ausführung in Gebäuden auch in Kombination mit Kältemaschinen installiert werden (vorzugsweise bei der Raumkühlung). Bedingung ist lediglich, dass die notwendigen Systemtemperaturen bei den entsprechenden Außentemperaturen und -feuchten zusammenpassen. Zu beachten ist außerdem, dass der Wasserbedarf und die Wasseraufbereitung ein wesentlicher wirtschaftlicher Aspekt sein können. Mit einem hybriden Kühlturm erreicht man in der Praxis Kühlwassertemperaturen etwa 4 K über der Feuchtkugeltemperatur. In München rechnet man zum Beispiel mit einer maximalen Feuchtkugeltemperatur von

21 °C, was eine Kühlwassertemperatur von 25 °C zur Folge hätte. Dies bedeutet, dass diese Systeme in heißen und feuchten Sommern vorwiegend in der Nacht betrieben werden sollten, damit eine ausreichend tiefe Kühlwassertemperatur erreicht wird. Deshalb eignen sich vorwiegend speichernde Systeme wie die Bauteilaktivierung für die Nutzung der freien Kühlung.
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PE-einsparpotenziale durch Nutzung freier Kühlung für die Gebäudeklimatisierung (Kältemaschine EER = 3,5)
CO2-Einsparpotenziale durch Nutzung freier Kühlung für die Gebäudeklimatisierung (Kältemaschine EER = 3,5)

Die Abbildung zeigt die Auswirkungen auf den Energiebedarf bei der Kälteerzeugung unter der Annahme, dass 10 bis 30 % der neu installierten Kältesysteme (Neubau und Sanierung) mit einer freien Kühlung ausgestattet werden. Wenn 30 % so ausgeführt werden, dann beträgt die Primärenergieeinsparung ca. 79 GWh oder 30 %.

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Ventilatorgestützte Nachtkühlung

In Gebäuden mit hohem thermischem Speichervermögen und moderaten inneren Lasten kann die Nachtlüftung den Raumkomfort signifikant verbessern. Kriterien für die Nutzung der Nachtlüftung im Sommer zur Kühlung sind:

  • Ein moderates Klima: Das heißt, dass die Nachttemperaturen außen über einen ausreichenden Zeitraum deutlich unter den Temperaturen im Gebäude liegen müssen.
  • Die Außenluftqualität (Gerüche, Schadstoffe, Feinstaub) muss ausreichend sein.
  • Einbruchsschutz und Sicherheitsauflagen.
  • Brandschutz und -auflagen.
  • Witterungswechsel wie z. B. Schlagregen und Wind.
  • Lärmschutz und Akustik.
Beispiele für Temperatur-verhalten bei freier Nachtlüftung [7]

Dies bedeutet, dass eine Nachtlüftung ausschließlich über die Fenster in vielen Fällen nicht dauerhaft wirksam sein kann. Je nach den Randbedingungen können unterschiedliche Mechanismen der ventilatorgestützten freien Kühlung zum Einsatz kommen:

  • Zu- und Abluftsysteme mit variablem Luftvolumenstrom.
  • Abluftsysteme mit variablem Luftvolumenstrom und Nachströmung über geeignete Außenluftelemente.
  • Hybride Lüftung als Kombination von freien und ventilatorgestützten Systemen.
Systeme mit ventilatorgestützter Nachtlüftung zur Kühlung setzen eine integrierte Betrachtungsweise von Gebäuden und Anlagentechnik voraus und müssen auch so geplant werden. Dies bedeutet, dass diese Technologie nicht isoliert betrachtet werden kann. Eine energetische Bewertung ist deshalb schwer darstellbar und es wurde deshalb in diesem Bericht darauf verzichtet.
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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 sogenannten direkten Systemen (Verdunstungskühler, Dessert-Cooler, usw.) wird die Zuluft gekühlt aber auch gleichzeitig befeuchtet. Diese Systeme eignen sich nur für heiße und trockene Klimazonen. Es werden im Allgemeinen folgende Systeme unterschieden:

Indirekte Verdunstungskühlung mit Abluft

- Dieser Abschnitt ist ausgelagert, siehe: Indirekte Verdunstungskühlung mit Abluft

Indirekte Verdunstungskühlung mit Außenluft

- Dieser Abschnitt ist ausgelagert, siehe: Indirekte Verdunstungskühlung mit Außenluft

Einsparpotenziale durch die indirekte Verdunstungskühlung
Mögl. PE-Einsparung durch Nutzung indirekter Verdunstungskühlung p.a.
Mögl. CO2-Einsparung durch Nutzung indirekter Verdunstungskühlung p.a.
Die Diagramme zeigen die möglichen zusätzlichen jährlichen Einsparungen an Kälteenergie, wenn ein entsprechender Anteil dieser Geräte mit einer indirekten Verdunstungskühlung ausgestattet wird. Voraussetzung für diese Technologie ist auch der Einsatz eines effizienten Wärmerückgewinnungssystems (siehe hierzu auch Abschnitt 5.1.1 -Wärmerückgewinnung im Nichtwohnbereich). Die Randbedingungen sind analog der Sorptionsklimasysteme in Abschnitt 2.2 - Thermische Klimaprozesse gewählt.
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Lüftungswärmebedarf von Wohngebäuden

Wärmerückgewinnung und Abwärmenutzung

Der Lüftungswärmebedarf wird in Zukunft aufgrund des hohen Wärmedämmstandards in Deutschland einen dominierenden Anteil am Energiebedarf von Wohn- und Nichtwohngebäuden erreichen. Im Bereich der Niedrigenergie- und Passivhäuser werden mindestens 50 % der Heizwärme durch die Lüftung verursacht. Das Beispiel Passivhaus zeigt, dass nur durch den Einsatz einer Wärmerückgewinnung der Heizwärmebedarf deutlich reduziert werden kann.
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Regenerativer Anteil der Wärmerückgewinnung
Wärmerückgewinnung ist eine Regenerative Energiequelle!

Oft stellt sich in diesem Zusammenhang die Frage, ob die Wärmerückgewinnung aus der Lüftung eine Regenerative Energiequelle darstellt. Diese Frage ist zunächst nicht so einfach zu beantworten und ist stets eine Frage der gewählten Bilanzgrenze. Man kann jedoch Folgendes feststellen:

  1. Die Wärmequelle Außenluft wird üblicherweise als Regenerative Energiequelle angesehen (Bsp Außenluft-Wärmepumpe zur Beheizung). Damit ist die Außenluft eine Umweltenergie und die Abluft einer Lüftungsanlage wird zur Außenluft, wenn sie das Gebäude verlässt. Die Nutzung der Abluft als Wärmequelle ist aufgrund des höheren Temperaturniveaus in jedem Fall effizienter als die Nutzung der Außenluft.
  2. Ein großer Teil der inneren Wärmequellen in Gebäuden stammt aus regenerativen Quellen:
    1. Passive solare Gewinne über die Verglasung (100 % regenerativ)
    2. Personen (100 % regenerativ)
    3. Der regenerative Anteil des Strombedarfes (derzeit ca. 10 % mit steigenderTendenz)
    4. Der regenerative Anteil der Raumheizung, z. B. Biomasse, Geothermische Energie, Umweltenergie (derzeit ca. 10 % mit stark steigender Tendenz)
Damit stammen die Lüftungswärmeverluste zu ca. 40 % aus regenerativen Quellen. Mit einer Wärmerückgewinnung kann diese Wärme zu einem großen Teil wiederverwertet werden. Ergänzend kommt hinzu, dass die Wärmerückgewinnung auch die Energie, die das WRG-System bereits wiedergewonnen und in das Gebäude zurückgeführt hat, erneut verfügbar machen kann. Zurück gewonnene Energie wird also mehrfach zurückgewonnen.
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Luft/Luft – Wärmerückgewinnung

Luft/Luft – Wärmerückgewinnung

Wärmerückgewinner übertragen die Wärme (oder Kälte) der Abluft auf die Außenluft. Mit Sorptionsrotoren wird zusätzlich auch Feuchte übertragen. Dadurch kann nicht nur weitere Energie eingespart werden; auch die Investition für die Kälteerzeugung wird erheblich reduziert.

Systeme

Man unterscheidet rekuperative (Wärmeleitung) und regenerative (Wärmespeicherung) Verfahren. Folgende Systeme werden eingesetzt (Stückprozente):

  • Plattenwärmeaustauscher (ca. 40 %)
  • Rotationswärmeaustauscher (ca. 30 %)
  • Kreislauf-Verbund-System (ca. 20 %)
  • Wärmerohr (ca. 5 %)
  • Sonderkonstruktionen (ca. 5 %)

Die Rückwärmzahlen liegen zwischen 45 und 75 %; die Druckverluste betragen zwischen ca. 80 Pa und 250 Pa.

Vorteile
Luft/Luft – Wärmerückgewinnung

Wärmerückgewinnung aus der Abluft ist die effizienteste Möglichkeit zur Energieeinsparung in Lüftungsanlagen. Daraus resultieren aber noch weitere Vorteile:

  • geringere Betriebskosten → Wirtschaftlichkeit
  • reduzierte Schadstoffemissionen → Umweltschutz
  • verminderter Primärenergieverbrauch → Volkswirtschaft

Wärmerückgewinnungssysteme sind in vielen Fällen auch multifunktional einsetzbar. So können hocheffiziente Systeme auch im Zusammenspiel mit anderen Verfahren wie Verdunstungskühlung, Solar- und Erdwärmenutzung usw. kombiniert betrieben werden (siehe Abschnitte 2.2, 4, 4.3, 5.3, 5.4).

Wärmerückgewinnung im Nichtwohnbereich

- Dieser Abschnitt ist ausgelagert, siehe: Wärmerückgewinnung im Nichtwohnbereich

Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung im Wohnbereich

- Dieser Abschnitt ist ausgelagert, siehe: Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung im Wohnbereich

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Abluft-Wasser Wärmepumpen und Abluft-Luft Wärmepumpen

Schema Kompaktgerät zur Abluftwärmenutzung im Passivhaus mit Wärmerückgewinnung, Wärmepumpe, Trinkwarmwasserspeicher und Solareinbindung

Wärmepumpen sind grundsätzlich dazu geeignet, die folgenden regenerativen Energiequellen oder Umweltenergiequellen zu nutzen:

  • Erdreich
  • Außenluft
  • Abluft.

Im Zusammenhang mit der Klima- und Lüftungstechnik im Gebäude wird im Folgenden die Abluft als Wärmequelle für Wohn- und Nichtwohngebäude dargestellt. Grundsätzlich gelten für Abluftwärmepumpen die gleichen Aussagen wie für die Wärmerückgewinnung, da die gleiche Energiequelle genutzt wird (siehe Abschnitt 5 (Wärmerückgewinnung und Abwärmenutzung) und Abschnitt 5.1.2). Ein großer Teil der Energie stammt aus regenerativen Quellen. Lediglich die Art der Nutzung über einen Wärmepumpenprozess erlaubt eine größere Flexibilität, da höhere Systemtemperaturen erreicht werden können. Damit kann die Abwärme aus Gebäuden auch zur Erzeugung von Warmwasser für die Heizung und für die Trinkwarmwasserbereitung genutzt werden. In einem Passivhaus reicht normalerweise die Wärmequelle Abluft nahezu zur vollständigen Deckung des Wärmebedarfs für Heizung, Lüftung und Warmwasser.

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Wärmeverschiebung im Gebäude

Wärmeverschiebung mittels Flächensystemen [8] oder VRV-Klimasystemen [9]

Nichtwohngebäude werden typischerweise sehr vielfältig und unterschiedlich genutzt. Oftmals sind einzelne Bereiche thermisch sehr hoch belastet (viele Personen und/oder hohe technische Ausstattung) und andere Bereiche sind thermisch nur sehr gering belastet. Dies führt dazu, dass besonders in der Übergangszeit im Frühjahr und im Herbst ein Teilbereich des Gebäudes gekühlt und ein anderer Teilbereich des Gebäudes geheizt werden muss. Die Wärmeverschiebung innerhalb des Gebäudes kann mit verschiedenen Technologien erreicht werden:

  • Flächenhafte Systeme, die großflächig die geringen Temperaturunterschiede innerhalb des Gebäudes auf einen Wasserkreislauf übertragen können. Zum Beispiel kommen hier Kapillarrohrsysteme zum Einsatz (Forschungsvorhaben LowEx [8])
  • Drehzahlgeregelte Multi-Split-Klimasysteme für den gleichzeitigen Heiz- und Kühlbetrieb, sogenannte VRV- oder VRF-Systeme nutzen das Wärmepumpenprinzip auch innerhalb des Gebäudes und können somit auch geringste Temperaturunterschiede für den Heiz- und Kühlbetrieb verwerten.
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Abwärmenutzung aus industriellen und gewerblichen Kühlprozessen

Bei jedem Kühlprozess in der Industrie und im Gewerbe, bei dem eine mechanische Kälteerzeugung zum Einsatz kommt, wird gleichzeitig immer auch Wärme erzeugt. Im Normalfall wird diese Wärme über Rückkühler an die Umgebungsluft abgegeben, weil das Temperaturniveau dieser Wärme sehr niedrig ist (üblicherweise ca. 25 bis 40 °C). Mit den im vorangegangenen Abschnitt beschriebenen Technologien (Abschnitt 5.3) kann diese Wärme bei Bedarf im Gebäude genutzt werden. Beispiele für die Nutzung sind:

  • Abwärmenutzung von EDV- und Serverräumen
  • Abwärmenutzung von Kühleinrichtungen und Verbundkälteanlagen im Einzelhandel (Reduzierung als Kühllast im Sommer und Nutzung als Wärmequelle im Winter)

Nutzung von Biomasse und synthetischen Kraftstoffe aus Biomasse

Für die Erzeugung von Klimakälte und klimatisierter Luft mit den in Abschnitt 2.1 (Thermische Kälteerzeugung) und Abschnitt 2.2 - (Thermische Klimaprozesse) beschriebenen Verfahren eignen sich grundsätzlich alle Arten von Biomasse, soweit sie als Brennstoff zur Warmwasserbereitung oder Dampferzeugung verwendet werden können. Damit können prinzipiell auch alle synthetischen Kraftstoffe aus Biomasse (BtL, Biogas, usw.) verwendet und entsprechend substituiert werden.

Gasmotorische Klimageräte

Schon heute stehen gasmotorisch betriebene Klimageräte (Erdgas) zur Verfügung. Statt eines Elektromotors treibt ein Gasmotor den Verdichter des Klimaprozesses an. Durch zukünftige Anpassungen am Gasmotor ist auch eine Verwendung von Biogas oder anderen synthetischen Kraftstoffen möglich. Damit werden neben der Nutzung von Regenerativen Energiequellen auch die Stromnetze insbesondere in den Sommermonaten entlastet.

Gas-Absorptionswärmepumpen für Heizen und Kühlen

Prinzip einer Gas-Absorptionswärmepumpe
Direkt mit Gas befeuerte Absorptionswärmepumpen für Heizen und Kühlen stehen heute ebenfalls zur Verfügung. Sie arbeiten ähnlich wie die Kaltwassererzeuger in Abschnitt 2.1 (Thermische Kälteerzeugung). Für ihren Betrieb sind jedoch keine separaten Wärmeerzeuger notwendig. Sie erzeugen die Wärme mit einem Gasbrenner selbst. Durch geringe Anpassungen sind auch diese Geräte in der Lage, Biogas direkt für die gleichzeitige Kälte- und Wärmeerzeugung zu verwenden.
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Zusammenfassende Einsparpotenziale Szenario 30 %

Im Folgenden ist ein Szenario bis zum Jahr 2020 dargestellt, bei dem durch verbesserte wirtschaftliche, öffentlichkeitswirksame und verordnungsrechtliche Rahmenbedingungen der Einsatz von Regenerativen Energien in der Klima- und Lüftungstechnik so gefördert wird, dass etwa 30 % des Marktes jedes Jahr durch diese Maßnahmen entwickelt werden. Im Einzelnen sind dies:

  • 30 % der jährlich neu verkauften Kaltwassersysteme werden mit solarer Wärme oder Abwärme betrieben.
  • 30 % der jährlich neu verkauften zentralen Klimageräte mit Kühlungs- und Lüftungsfunktion werden mit sorptionsgestützten Kühlsystemen ausgestattet, die solare Wärme oder Abwärme für die Kälteerzeugung nutzen oder auch Abluftbefeuchtung für die Kühlung einsetzen.
  • 30 % der jährlich neu verkauften Klimakaltwassersysteme nutzen die geothermische „Kühlenergie“ oder nutzen das Erdreich als Wärmesenke und sind mit Einrichtungen zur freien Kühlung ausgestattet.
  • Bis zum Jahr 2020 sind 30 % der Wohngebäude mit Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung ausgestattet, die auch das Erdreich im Winter nutzen.
  • Der mittlere thermische Nutzungsgrad der Wärmerückgewinnung der jährlich neu verkauften Lüftungszentralgeräte steigt von derzeit ca. 25 % auf ca. 75 %.

CO2-Einsparung

Mögl. Anteil regenerativer Energie der Klima- u. Lüftungstechnik an Zielen der Bundesregierung bis 2020

Summiert man die oben beschriebenen Szenarien bis 2020, dann erscheint es mit den derzeit zur Verfügung stehenden, wirtschaftlich sinnvollen Technologien möglich, etwa 5 bis 9 % der CO2-Ziele der Bundesregierung durch regenerative Maßnahmen der Klima- und Lüftungstechnik im Gebäude zu erreichen. Dieser Wert berücksichtigt explizit nicht die möglichen Effizienzsteigerungen der „klassischen Kälteerzeugung“ für die Klimatisierung.

Im Einzelnen setzen sich die möglichen Einsparpotenziale wie folgt zusammen:

Mögl. CO2-Einsparung durch Regenerative Energien der Klima- und Lüftungstechnik - einzeln
Mögl. CO2-Einsparung durch Regenerative Energien der Klima- und Lüftungstechnik - Nur Kälteerzeugung
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Zusammenfassung der wesentlichen Kennzahlen

Dargestellt wird jeweils das Einsparpotenzial an Primärenergie in Deutschland auf Basis Energieverbrauch heute durch Einsatz von erneuerbaren Energien im Bereich Lüftung, Klimatisierung und Kältebereitstellung unter dem im vorangegangenen Abschnitt beschriebenen Szenario 30 %.

Abschnitt kto CO2 GWh  %
Lüftung (Wärmeenergie):
Heizenergieverbrauch (Endenergie) 239.0001 797.000 100 %
davon: Wohngebäude (Endenergie) 181.000 604.000 76 %
Nicht-Wohngebäude GHD (Endenergie) 57.900 193.000 24 %
Einsparpotenzial durch WRG (Primärenergie)
davon: Wohngebäude2 5.1.2 6.426 21.464 3,6 %
Zusätzlich durch Erdreich-WÜT3 3.1.2 642 2.356 0,4 %
Nicht-Wohngebäude4 5.1.1 5.854 23.562 12,2 %
Sommerliche Klimatisierung in Lüftungszentralen:
Primärenergieverbrauch sommerlicher Betrieb von Lüftungszentralgeräten (Kühlung, Entfeuchtung)5 1.762 8.275 100 %
Einsparpotential durch indirekte Verdunstungskühlung6 4.3 307 1.441 17 %
Einsparpotential durch solare, sorptionsgestützte Verfahren7 2.2 296 1.391 17 %
Kaltwasser für Klimatisierung:
Primärenergieverbrauch (Strom) für Kältebereitstellung (Klima + Kälte) 198.000 100 %
davon: Komfort-Klimatisierung 9.156 43.560 22 %
. . . . davon Büros 2.236 10.500
davon: Kühlung und Prozesskälte 154.440 5,3 %
Einsparpotenzial für Komfort-Klimatisierung:
Einsparpotenzial durch Kühlung mit Erdreich und Grundwasser direkt (ohne WP) 3.1 - - -
Einsparpotenzial durch Kühlung mit Erdreich und Grundwasser indirekt (mit WP)8 3.2 102 481 1,1 %
Einsparpotenzial durch solarthermische Kaltwasserbereitstellung9 2.1 70 498 1,1 %

1 Annahme Raumwärme Gas
2 Annahme, dass bis zum Jahr 2020 ca. 30 % der Wohngebäude mit Wärmerückgewinnung ausgerüstet sind
3 Zusätzliche Einsparungen an Lüftungswärme durch Erdreich-Wärmeübertrager
4 Die in jedem Jahr neu verkauften Lüftungszentralgeräte werden durchschnittlich mit 75% Wärmerückgewinnung ausgestattet
5 Jedes Jahr neu verkaufte Klimazentralgeräte 331GWh, Nutzungsdauer 25 Jahre
6 60 % der in jedem Jahr verkauften Lüftungszentralgeräte mit Kühlung werden mit indirekter Verdunstungskühlung ausgerüstet
7 30 % der in jedem Jahr neu verkauften Klimazentralgeräte werden mit sorptiven Systemen ausgerüstet
8 30 % der in jedem Jahr neu verkauften Kaltwassersätze werden mit Erdreich oder Grundwasserwärmesenken ausgerüstet
9 30 % der in jedem Jahr neu verkauften Kaltwassersätze sind solarthermisch unterstützt

Eckdaten für die Abschätzung des Einsparpotenzials

Für die Abschätzung der möglichen Einsparpotenziale durch die in den vorangegangenen Abschnitten beschriebenen Verfahren und Systeme wurden die folgenden Basisdaten verwendet:
Basisdaten für die Abschätzungen (Markt, Bestand, Verkaufszahlen, Energieverbrauch)

Wohnfläche Wohngebäude Bestand
1 bis 2 Wohneinheiten 1,8747 Mrd. m2 [5] 2003
3 und mehr Wohneinheiten 1,3001 Mrd. m2
Summe 3,1748 Mrd. m2
Lüftungszentralgeräte 38.000 St. Verkauf pro Jahr
Luftleistung gesamt 658.000.000 m3/h [3] 1997
Kältemaschinen Verkauf pro Jahr
Wassergekühlte Kältemaschinen 413.460 kW [2]
Luftgekühlte Kältemaschinen 480.322 kW
Turbos 158.000 kW
Absorptionskältemaschinen 45.900 kW
Summe 1.097.682 kW
Energieverbrauchszahlen:
Primärenergieverbrauch BRD 14.334 PJ
3.981.000 GWh
[10] 2003
Energiebedingte CO2-Emissionen 833 Mio to CO2 [11] 1999
Kälteerzeugung 66.000 GWh Strom
11.000 GWh andere
22 % davon Klimatisierung
[12] 2006
3.500 GWh Strom
Kälte für Klimatisierung von Büros
[13] 2006
Regenerative Energien 11 % an Stromproduktion
25 % in 2020 (Schätzung)
[14] 2007
Heizenergiebedarf Wohngebäude Endenergie 603.889 GWh [15] 2005
Raumwärme GHD Endenergie 193.000 GWh [15] 2005
Kühlen und Lüften GHD Endenergie 21.444 GWh [15] 2005
CO2-Faktoren
Strom 0,64 kg/kWh
Raumwärme (Gas) 0,30 kg/kWh


Einzelnachweise

  1. Wolkenhauer, Henning, Franzke, Albers, Hindenburg: Energieeinsparung durch Einbeziehung solarunterstützter Klimatisierung in zukünftige Planungsprozesse, FIA Bericht Nummer 68, 2002
  2. 2,0 2,1 2,2 Schätzung der Marktzahlen nach EUROVENT Jahr 2000
  3. 3,0 3,1 E. Beck: Energieverbrauch, -einsparpotenzial und -grenzwerte von Lüftungsanlagen FIA-Bericht Nr. 86, 2000
  4. www.raumkuehlsysteme.de - Raumkühlung durch flächenorientierte Systeme
  5. 5,0 5,1 Forsa, Erhebung des Energieverbrauchs der privaten Haushalte für das Jahr 2003
  6. DIN V 18599 - Energetische Bewertung von Gebäuden - Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung, 2005
  7. Passive Kühlung mit Nachtlüftung, BINE Themeninfo I/03
  8. 8,0 8,1 Forschungsvorhaben LowEx, Niedrigexergiesysteme für die Heiz- und Raumlufttechnik; Prof. Müller, HRI TU Berlin, Hamburg 2006
  9. Zukünftige Anforderungen an die Klimatechnik; Prof. Pfeiffenberger, FGK, Oktober 2004
  10. Innovation und neue Energietechnologien - Das 5. Energieforschungsprogramm der Bundesregierung, Juli 2005
  11. Für eine zukunftsfähige Energieversorgung - Nachhaltige Energiepolitik - Energiebericht, BMWi Oktober 2001
  12. Verbrauchsfaktor Kälteerzeugung HLH, Bd.57 Nr. 12/2006
  13. Verdunstungskühlung auch für Gebäude; Hubert Sturies, Jens Panenberg CCI 5/2006
  14. Pressemitteilung BMU Nr. 013/07, 15.01.2007
  15. 15,0 15,1 15,2 Energieszenarien für den Energiegipfel 2007, EWI und prognos

Quelle

FIA-Projekt
Gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie

Fachinstitut Gebäude-Klima e. V.
Autor: Dipl.-Ing. Claus Händel

Siehe auch



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