Klimafreundliche Gebäudekühlung

Kaltwassererzeuger mit Wasser (R718) als Kältemittel sorgen für eine klimafreundliche Kühlung.

Steigende Außentemperaturen aufgrund des Klimawandels beeinflussen zunehmend die Klimatisierung von Gebäuden und Räumen. Auch die moderne Bauweise mit vielen lichtdurchlässigen Glasflächen sowie die Nutzung technischer Einrichtungen wie Rechenzentren, Serverräume, Telefon- oder Produktionsanlagen steigern die interne Wärmelast. Damit gewinnt die Gebäudekühlung immer mehr an Bedeutung, um einerseits die Produktivität und das Wohlbefinden zu sichern bzw. zu erhöhen und um andererseits die Leistungsfähigkeit der technischen Infrastruktur zu gewährleisten.

Bei der Entscheidung für die geeignete Technik steht zunehmend die Frage im Raum, welche Technologien beständig gegenüber den sich schnell ändernden Anforderungen, die sich aktuell aus dem Klimawandel ergeben, sind. Dabei kommen alle am Gebäude beteiligten Gewerke nicht umhin, ein interagierendes und zukunftsfähiges Konzept zu entwerfen. Das gemeinsame Ziel ist bekannt: Es gilt, keine CO₂-Emissionen zu verursachen und die Belastungen für die Umwelt zu mindern.

CO₂-neutral bedeutet, direkte und indirekte CO₂-Ausstöße zu vermeiden. Die indirekten Emissionen, die bei der Kühlung durch den Strombezug entstehen, können durch die Nutzung erneuerbarer Energien kompensiert werden. Diese sind bereits überwiegend CO₂-arm oder -neutral. Im Idealfall kann dieser Strom innerhalb der Gebäudestruktur erzeugt werden (Plusenergiegebäude).

Die direkte CO₂-Emission entsteht durch die Diffusion von Kältemitteln. Diese wird durch den Einsatz von Kältemaschinen auf Basis von Kältemitteln mit geringem Treibhauspotential (GWP=Global Warming Potential) reduziert. Auch die Kältemittelmenge lässt sich mindern, wenn beispielsweise Split-Klimaanlagen gegen wassergeführte Systeme getauscht werden. Die Reduzierung der direkten CO₂-Emission ist durch die F-Gase-Verordnung (EU) Nr. 517/2014 geregelt. Diese sieht bis zum Jahr 2030 eine Verminderung der CO₂-Äquivalente (GWP x Kältemittelmenge in kg) der zur Verfügung stehenden, neu hergestellten, synthetischen Kältemittel um 79 Prozent gegenüber dem Wert von 2016 vor.

Die beste Möglichkeit für eine umweltschonende und CO₂-neutrale Gebäudekühlung bietet allerdings die Kombination von erneuerbaren Energien mit einem natürlichen Kältemittel. Empfehlenswert ist dabei, Gebäudestrukturen auf Temperatur zu halten und damit die Speichermasse zu nutzen. Dieses Grundklima entlastet die Luftaufbereitung erheblich, sodass Entfeuchtungsleistungen gar nicht oder mit Kaltwassertemperaturen über 10 °C möglich sind.

Das natürliche Kältemittel Wasser

Für Bauteilaktivierungen oder den Einsatz von Kühldecken und Kühlsegel bietet die Efficient Energy GmbH mit Sitz in Feldkirchen bei München einen Serien-Kaltwassersatz mit Wasser (R718) als Kältemittel an. Für diese stille Kühlung ohne Umluftventilation oder auch teilweise aktivierte Kühlung mit geringer Umluftventilation werden Kaltwassertemperaturen von 16 °C und mehr benötigt.

Der Kaltwassererzeuger "eChiller" ist für die Kühlung von Prozessen mit hohen Kaltwasser-Vorlauftemperaturen ausgelegt. Optimal kühlt er in einem Bereich von 16 bis 22 °C. Aber auch Kaltwasser-Vorlauftemperaturen zwischen 10 und 28 °C sind möglich – ein Spektrum, das herkömmliche Kältemaschinen nur teilweise abdecken können. Verfügbar ist der Kaltwassersatz in unterschiedlichen Ausführungen und in einem Leistungsbereich von 20 bis 140 kW – abhängig von der Kaltwasser-Vorlauftemperatur, der Verdichtervariante und der Kühlwassereintrittstemperatur.

Die integrierte stufenlose Regelung mit Freikühlbetrieb schaltet bei Kühlwassertemperaturen, die nur geringfügig unterhalb der geforderten Kaltwassertemperatur liegen, in den Freikühlmodus. Je nach Anwendungsfall werden so im Laufe eines Jahres bis zu 80 Prozent Energieersparnis gegenüber dem Stand der Technik erzielt. Zu den optimalen Einsatzbereichen gehören neben der Gebäudekühlung – insbesondere über Bauteilaktivierung und Kühldecken – auch die Kühlung von Server- und Schalträumen sowie die industrielle Prozesskühlung.

Umweltfreundlich und förderfähig

Das Wasser – im "eChiller" sogar unbehandeltes Trinkwasser – wird als Arbeitsstoff im geschlossenen Kältekreislauf unter Vakuum verwendet. Der Kostenaufwand für dieses Kältemittel beschränkt sich auf eine einmalige Anlagenfüllung mit 60 Liter Leitungswasser. Bei Außerbetriebnahme der Anlage kann das Wasser ohne Auflagen der Abwasserentsorgung zugeführt werden. Die Vorteile liegen auf der Hand, denn von Trinkwasser geht keine Gefährdung aus. Es ist natürlich und verursacht keine CO₂-Emissionen, weder bei der Herstellung noch bei der Entsorgung.

Der Kaltwassersatz erfüllt nicht nur die Effizienzanforderungen der seit Januar 2018 gültigen ersten Stufe der Ökodesign-Verordnung (EU) 2016/2281, sondern ebenfalls bereits heute die noch höheren Anforderungen, die ab 2021 in Kraft treten. Darüber hinaus wird sein Einbau vom Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) im Rahmen der Nationalen Klimaschutzinitiative gefördert.

Kältemittelrelevante Vorschriften greifen nicht

Wasser (R718) als Kältemittel fällt nicht unter die F-Gase-Verordnung. Alle für fluorierte Kältemittel relevanten Sicherheitsanforderungen greifen nicht. Auch die Betreiberpflicht für Kälteanlagen nach der DIN EN 378 (Kälteanlagen und Wärmepumpen – Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen) entfällt. Somit sind seitens der Betreiber keine zeit- und kostenintensiven gesetzlichen Wartungsanforderungen zu erfüllen. Zudem können die Inbetriebnahme, Wartung oder Reparatur von Servicemitarbeitern ohne Kälteschein vorgenommen werden.

Da die DIN EN 378 entfällt, gilt auch die Maschinenraumrichtlinie für eine Kältemaschine mit Wasser als Kältemittel nicht. Für die Verwendung im Gebäude ergibt sich dadurch die freie Wahl bei der Aufstellung, denn es gibt keine Regulierung, weder aus kältetechnischer noch aus Sicht des Brandschutzes. Bei einer Aufstellung außerhalb des Maschinenraumes kommt zudem der leise und vibrationsarme Betrieb des Kaltwassererzeugers positiv zum Tragen.

Betriebsweise des "eChillers"

Der Kaltwassersatz des Unternehmens aus Feldkirchen arbeitet mit der Direktverdampfung von Wasser in einem vakuumdichten, geschlossenen Kreislauf, der über Plattenwärmeübertrager hydraulisch vom Rückkühler und von der Kühlstelle getrennt ist. Je nach Modell besteht die Kältemaschine aus einem oder zwei Kältemodulen.

Im Wesentlichen kommen dabei die gleichen Komponenten wie bei einer herkömmlichen Kompressionskälteanlage zum Einsatz:

1. Der Verdampfer: Wasser tritt in den Verdampfer ein, ein Teil verdampft und entzieht dadurch dem restlichen Wasser Energie, wodurch es sich abkühlt.

2. Der Verdichter: Der Wasserdampf wird von dem Turboverdichter komprimiert, wobei sich Druck und Temperatur des Dampfs erhöhen.

3. Der Verflüssiger: Der komprimierte Dampf wird abgekühlt, kondensiert im Verflüssiger und erwärmt so den Kühlwasserstrom.

4. Die Expansion: Das kondensierte Wasser wird in den Verdampfer zurückgeführt.

Zur einfachen Integration in das Gesamtsystem wird zur Modellreihe auch ein "Plug-and-play"-Modul mit allen erforderlichen hydraulischen Komponenten und Rückkühler angeboten. Standardmäßig integriert sind die Ansteuerung der Peripheriekomponenten und die Schnittstelle zur Einbindung in ein übergeordnetes Anlagenmanagement. Optionale Dienstleistungen komplettieren das Rundum-Sorglos-Paket.

Fazit und Ausblick

Alle kältemittelrelevanten Umwelt- und Sicherheitsvorschriften, die jetzt und in Zukunft für den Betrieb und die Wartung von Kälteanlagen gelten, entfallen bei der Nutzung von Wasser (R718) als Kältemittel. Damit können Energiekosten und der wartungstechnische Aufwand beim Betrieb der Anlage deutlich gesenkt werden. Es handelt sich hier zudem um eine klimaneutrale Kältetechnik, die weder das globale Klima noch die CO₂-Bilanz der Unternehmen negativ beeinflusst.

Dass die Technologie den großen Bedarf an alternativen Kühlkonzepten decken kann und auch aus wirtschaftlicher Perspektive interessant ist, zeigen bereits erfolgreich durchgeführte Projekte. Hierzu gehören beispielsweise die CO₂-neutrale Bürokühlung in Kombination mit einer PV-Anlage beim Unternehmen Combitherm in Fellbach oder die Rechenzentrumskühlung bei der British-Telecom oder der Sparkasse Calw.