Regenerative Energien in der Klimatechnik
Nationale und europäische Verordnungen und Gesetze
Das Erneuerbare Energien Wärmegesetz (EEWärmeG) regelt seit 1. Januar 2009 die Verwendung von Regenerativen Energien (Heizen und Kühlen) in neuen Gebäuden. Seit Mai 2011 liegt eine neue Fassung vor, die im Wesentlichen Anpassungen an die europäische Richtline RES vornimmt und die einige Klarstellungen im Bereich der Kälteerzeugung für die Klimatisierung beschreibt.
Im Dezember 2012 wurde der Erfahrungsbericht zum EEWärmeG vorgelegt, der die Umsetzung der einzelnen Maßnahmen bewertet, Probleme aufzeigt und Anforderungen an eine zukünftige Überarbeitung des Gesetzes stellt. Gesetzliche Änderungen sind aber vor der Bundestagswahl nicht zu erwarten und so wird die derzeitige Fassung wohl noch ein bis zwei Jahre in Kraft bleiben. Auch innerhalb der EU wird derzeit nicht an einer Überarbeitung der Richtlinie zur Nutzung Erneuerbarer Energien für die Heizung und Kühlung (RES) gearbeitet. Änderungen sind hier also auch erst in ca. zwei Jahren zu erwarten.
Allerdings wird auf regionaler Ebene an entsprechenden Regelungen gearbeitet. So plant Baden-Württemberg eine Novellierung des EWärmeG (derzeit nur Wärme und nur Wohngebäude). In diesem Gesetz werden entgegen dem Bundesgesetz auch Anforderungen bei der Sanierung (Austausch der Heizungsanlage) gestellt. Im Eckpunktepapier vom Juni 2013 werden unter anderem folgende Änderungen beschrieben:
Anpassungen an das Bundesgesetz
Erhöhung der Mindestquote
Einbeziehung von Nichtwohngebäuden oder ersatzweise Erfüllung durch ein Sanierungskonzept
Die Kühlung bleibt wohl nach derzeitiger Sichtweise unberücksichtigt.
Aus planerischer Sicht ist diese Zersplitterung der Anforderungen schwer begreifbar, da es grundsätzlich um das Ziel geht, den Primärenergiebedarf von Gebäuden zu senken, und alle Fachleute sind sich darin einig, dass hier weniger Lenkungsinstrumente ausreichen würden. Allerdings gibt es verschiedene politische Zuständigkeiten – sowohl im Zuschnitt der Ministerien, als auch beim Gestaltungsspielraum der gesetzgebenden Institutionen. In Abbildung 1 sind ein paar wichtige Beispiele zusammengefasst.
Beim Energieeinspargesetz (EnEG) und der darauf aufbauenden Energieeinsparverordnung (EnEV) liegt die Verordnungshoheit im Wesentlichen beim Bund. In der EPBD werden lediglich die Mindestanforderungen festgelegt und die Bundesländer sind für die Umsetzung im Rahmen des Baurechts zuständig. Noch weicher sind die Anforderungen an die Erneuerbaren Energien. Hier erlauben sowohl die europäischen Regelungen (RES) als auch das Bundesgesetz (EEWärmeG) weitergehende regionale Ergänzungen (EWärmeG in BaWü).
Auch die Ecodesign-Richtlinie stellt Anforderungen an die Energieeffizienz von Produkten, die in Gebäude eingebaut werden. Hier greifen direkt die Verordnungen aus Brüssel, weil die Produkte im gemeinsamen Markt gehandelt werden. Nationale Ergänzungen an die Produkte sind nicht zulässig. Im Folgenden sollen vorzugsweise die Aspekte der Regenerativen Energien in der Klima- und Lüftungstechnik mit dem Schwerpunkt Nichtwohngebäude diskutiert werden.
Bewertung der Wärmerückgewinnung
Einer der wesentlichen Hebel zur Erfüllung des EEWärmeG im Wohnungsbau und im Nichtwohnungsbau ist die Wärmerückgewinnung in RLT-Anlagen. Diese ist als Abwärmenutzung als Ersatzmaßnahme nach § 7 Absatz 1.a) eindeutig definiert. Die Anforderungen gemäß EEWärmeG wären mit Wärmerückgewinnung in RLT-Anlagen vollständig erfüllt, wenn mindestens 50 % des Wärmeenergiebedarfs des Gebäudes daraus gedeckt werden. Damit wird bei den meisten Gebäudetypen die Wärmerückgewinnung als alleinige Maßnahme zur Erfüllung nicht ausreichen. Das Gesetz lässt hier aber alle Arten von Kombinationen zwischen Erneuerbaren Energien und Ersatzmaßnahmen zu.
Wärmerückgewinnungssysteme müssen die Anforderungen gemäß Anlage IV erfüllen, damit sie angerechnet werden können. Dies sind:
1. der Wärmerückgewinnungsgrad der Anlage muss mindestens 70 % betragen und
2. die Leistungszahl, die aus dem Verhältnis von der aus der WRG stammenden Wärme zum Stromeinsatz für den Betrieb der RLT-Anlage ermittelt wird, muss mindestens 10 betragen
3. bei Einsatz von Luft-Luft-Wärmepumpen muss die Jahresarbeitszahl mindestens 3,5 betragen.
Die Erfüllung der Anforderung 1 kann leicht mit den vom Hersteller gelieferten Daten gemäß EN 13 053 auf Basis der Messwerte nach EN 308 überprüft werden.
Die Erfüllung der Anforderung 2 ist etwas differenzierter zu sehen, da die Formulierung im EEWärmeG hierzu nicht eindeutig ist. In Verbindung mit den „Fragen und Antworten zum EEWärmeG“ (www.erneuerbare-energien.de) kann man feststellen, dass die zum Betrieb der Wärmerückgewinnungsanlage notwendige elektrische Leistung gemeint ist.
Im Nichtwohngebäude berechnet sich die Leistungszahl als die Leistung der Wärmerückgewinnung im Referenzbetriebszustand gemäß DIN EN 308 bei einem ausgeglichenen Massenstromverhältnis von 1:1 bezogen auf den Anteil der aufgenommenen elektrischen Leistung der Ventilatoren und Nebenantriebe wie Pumpen, Verdichter bei Wärmepumpen und Rotorantriebe, der zum Betrieb der Wärmerückgewinnungsanlage(n) notwendig ist. Der Wärmerückgewinnungsgrad muss bei ausgeglichenen Massenströmen (Zuluftmenge gleich Abluftmenge) mindestens 70 % (trocken) betragen.
Das folgende Beispiel zeigt, wie die Anforderungen für einen Wärmeübertrager nachgewiesen werden können.
Beispiel WärmeübertrÄger:
Zuluftventilator: SFPZu 2.000 W/m3/s
Systemwirkungsgrad: 65 %
Gesamtdruck: ptZu 1.300 Pa
Druckverlust WRG: 350 Pa
Anteil WRG und ggf. 27 %
zugehöriger Druckverluste 538 W/m3/s
Abluftventilator: SFPAb 1.250 W/m3/s
Systemwirkungsgrad: 65 %
Gesamtdruck: ptZu 813 Pa
Druckverlust WRG: 320 Pa
Anteil WRG und ggf. 39 %
zugehöriger Druckverluste: 492 W/m3/s
PVent,anteil 1.030 W/m3/s
PNeben 0 (keine Nebenantriebe)
Pel,WP 0 (kein Kompressor)
Beispiel Plattenwärmeübertrager nach EN 308:
ηWRG 70 %
QWRG = V • PLuft • cpLuft • Δt • ηWRG
QWRG = 1 • 1,2 • 1.004 • 20 • 0,70 = 16.867 W/m3/s
ε = ——–——–———–—–– = ——–——–— = 16 ≥ 10
Anteil der WRG am Heizwärmebedarf
Die Berechnung des Anteils am Heizwärmebedarf ist nicht losgelöst vom Gebäude möglich. Der „Wärmeenergiebedarf“ nach EEWärmeG bezieht sich anteilig auf die Erzeugernutzwärmeabgabe für das Heizsystem, die Trinkwassererwärmung, die Kälteerzeugung und die Wärmemenge für die Dampfbefeuchtung, jedoch ohne die Wärmerückgewinnung und sonstige Anlagen zur Abwärmenutzung.
Der Anteil der genutzten Abwärme in einer Wärmerückgewinnung berechnet sich als Verhältnis der Erzeugernutzwärmeabgabe der Gebäude mit WRG zu denen ohne WRG.
fWRG = ——–——–——–——–——–——–——
Diese Vorgehensweise lässt sich schlüssig aus dem Gesetz und den oben zitierten Quellen ableiten und ist richtig für den Fall, dass die Wärmerückgewinnung über 70 % und gemäß EEWärmeG als Ersatzmaßnahme angerechnet werden soll. Seit Juni 2012 liegt das Beiblatt der DIN V 18 599 Bbl 2 vor, das die Rechenregeln für die Berechnung der Regenerativquoten spezifiziert.
Vereinfachtes Beispiel für ein Gebäude mit hohem Kälteenergiebedarf und nicht anrechenbarer WRG von 60 %:
Heizung⇥157.000 kWh
Kühlung⇥185.000 kWh
WRG (60 %)⇥171.000 kWh
Summe⇥513.000 kWh
Summe ohne WRG ⇥342.000 kWh
Zur Erfüllung der Anforderungen nach EEWärmeG müssen dann (je nach Maßnahme) etwa 50 % des Wärme- und Kältebedarfs durch regenerative Maßnahmen gedeckt werden. Die WRG ist dabei nicht anzusetzen, da sie die Anforderungen nicht erfüllt, aber entsprechende Wärme und Kälte natürlich nicht erzeugt werden muss. Also 50 % von 342.000 kWh entsprechend 171.000 kWh. Durch die Wärme alleine wären die Anforderungen deshalb nicht zu decken.
Gleiches Beispiel mit einer WRG mit 70 % Effizienz:
Heizung⇥147.000 kWh
Kühlung⇥185.000 kWh
WRG (70 %)⇥181.000 kWh
Summe⇥513.000 kWh
Da jetzt die WRG mit in die Quote eingerechnet werden soll, muss der Anteil WRG mit in den Gesamtenergiebedarf eingerechnet werden. Die Quote ist 50 % von 513.000 kWh also 256.500 kWh, davon werden 181.000 kWh, also 35 % von der WRG bereitgestellt. Der restliche Anteil kann dann von der Wärmeerzeugung oder der Kälteerzeugung stammen.
Abwärmenutzung
Die Abwärme aus sonstigen Anlagen ist analog der Wärmerückgewinnung zu führen. Beispielsweise kann die Abwärme aus Supermarktkälteanlagen in gleicher Weise angesetzt werden.
Kälte aus Erneuerbaren Energien
Wesentliche Ergänzungen ergaben sich für die Regenerative Kälteerzeugung aus der Novelle 2011. Hier wurden die Begriffe spezifiziert und leider auch einzelne Technologien ausgeschlossen. Nach derzeitiger Lesart sind folgende Technologien für die Kälteerzeugung unzweifelhaft als Regenerative Kälteenergieerzeugung anerkannt:
Sorptionsgestützte Klimaanlagen, sofern die zugehörige Wärmeerzeugung regenerativ ist oder aus KWK stammt.
Ab- und Adsorptionskältemaschinen ebenfalls, wenn die zugehörige Wärmeerzeugung regenerativ ist oder aus KWK stammt.
Direkte Nutzung von Grundwasser und Erdreich für die Luft oder Wasserkühlung ohne Kältemaschine.
Indirekte Verdunstungskühlung (Wärmerückgewinnung).
Derzeit nicht als Regenerative Kälteenergie anerkannt sind:
Freie Kühlung über Kühlturm oder Freikühlregister (da Wärmesenke Außenluft)
Zuluftbefeuchtung (da Wärmesenke Außenluft).
Im Erfahrungsbericht der Bundesregierung wird allerdings hervorgehoben, dass es sich bei allen Verdunstungskühlsystemen und auch bei der freien Kühlung über Kühltürme um „sinnvolle Effizienzmaßnahmen“ handelt, die den anderen Möglichkeiten erneuerbarer Kälteerzeugung gleichgestellt werden sollten. Den Ländern wird empfohlen im Rahmen des Vollzuges die bisher nicht klar geregelten Kühltechnologien über den Nachweis eines Gebäudesachverständigen (z. B. Dena-Energieexperten) zu berücksichtigen. Im Einzelfall sollte damit ein entsprechender Nachweis durch den Sachkundigen möglich sein, wenn die Baubehörden dies akzeptieren.
Kühlung über Grundwasser oder Erdsonden
Im Gegensatz zur Freien Kühlung über Außenluft ist die geothermische Kühlung vollständig anrechenbar. Unter der Voraussetzung, dass diese Technologie genehmigungsrechtlich möglich ist, kann damit das EEWärmeG leicht erfüllt werden.
Vereinfachtes Beispiel für ein Gebäude mit hohem Kälteenergiebedarf:
Heizung⇥147.000 kWh
Kühlung⇥185.000 kWh
WRG (70 %)⇥181.000 kWh
Summe⇥513.000 kWh
Summe ohne WRG ⇥332.000 kWh
Zielwert⇥256.500 kWh/a
aus der WRG kommen⇥181.000 kWh/a
vollständige Kühlung
über Grundwasser oder
Erdsonden⇥185.000 kWh/a
Summe⇥366.000 kWh/a
Die Quote von 50 % ist also mit 71 % schon übererfüllt. Es kann ein Teil der Kälte auch mit klassischen Kälteerzeugern erzeugt werden.
Kühlung über Erd-Rohr-Wärmeübertrager
Führt man die Außenluft vor dem RLT-Gerät über einen Wärmeübertrager im Erdreich, dann wird die Luft im Winter vorgeheizt und im Sommer vorgekühlt. Unzweifelhaft ist dies eine Nutzung geothermischer Energie.
Zu beachten ist:
Der Erd-Wärmeübertrager verringert die Effizienz der Wärmerückgewinnung
Der Platzbedarf
Die Hygiene
Thermische Kälteerzeugung
Die Kälteerzeugung mittels thermischen Kältemaschinen (Absorptions-, Adsorptionskältemaschinen sowie Sorptionsklimasysteme) ist gemäß EEWärmeG ausdrücklich erlaubt, obwohl hierbei ebenfalls im allgemeinen die Wärmesenke Außenluft verwendet wird, wenn die Wärmequelle dazu anteilig aus erneuerbaren Energien oder zulässigen Abwärmen stammt, also:
Solar
Biomasse
Abwärme und KWK
Geothermie
Bei der Berechnung ist hierbei zu beachten, dass sich der zu berechnende Regenerativanteil auf die Anteile der Kälteerzeugung bezieht und nicht auf die dazu notwendige Heizwärme.
Was würde das für unser Beispiel bedeuten, wenn wir für die vollständige Kühlung eine Absorptionskältemaschine (ς=0,7, PLV=0,96) einsetzen würden?:
Kältebedarf ⇥185.000 kWh/a
Wärmebedarf für Kälteerzeugung ⇥275.000 kWh
Zur Deckung des Wärmebedarfs sollen alternativ Solarwärme oder Biomasse verwendet werden. Wenn wir Solarwärme einsetzen, dann reicht zur Erfüllung des EEWärmeG eine Quote von 15 % aus, dies bedeutet statt des Zielwertes von 256.500 kWh/a (50 %) sind nur 77.000 kWh/a notwendig. Bei einem solaren Deckungsanteil von 50 % ergibt sich ein Anteil solarerzeugter Kälte von 92.500 kWh. Das EEWärmeG wäre dadurch ohne weitere Maßnahmen vollständig erfüllt.
Bei einer Biomasseheizung für die Absorptionskälte wird die Quote von 50 % auch dadurch erfüllt, dass dann Wärme- und Kälteerzeugung vollständig aus Biomasse erzeugt werden.
Zielwert ⇥256.500 kWh/a
Wärme aus Biomasse ⇥157.500 kWh/a
Kälte aus Biomasse ⇥185.000 kWh/a
Summe ⇥342.500 kWh/a
Ist diese Art der Kälteerzeugung tatsächlich ein sinnvoller Weg? Unstrittig, wenn Abwärme eingesetzt werden kann. Wie ist die primärenergetische Bilanz im Vergleich zu einer effizienten elektrischen Kompressionskälteanlage? Hierzu ein weiteres Beispiel:
Elektrische Kältemaschine:
Kältebedarf⇥185.000 kWh
Elektrische Kälteerzeugung⇥SEER = 5
Strombedarf⇥37.000 kWh
Nicht reg. Primärenergiefaktor:⇥2,4
Primärenergie⇥88.800 kWh
Thermische Kältemaschine:
Wärmebedarf⇥275.000 kWh
Nicht solarer Anteil 50 %⇥137.500 kWh
Nutzungsgrad Heizung⇥90 %
Nicht reg. Primärenergiebed.⇥1,1 (Gas)
Primärenergie⇥168.000 kWh
Oder mit Biomassefeuerung:
Wärmebedarf⇥275.000 kWh
Nutzungsgrad⇥90 %
Nicht reg. Primärenergiebed.⇥0,2 (Pellet)
Primärenergiebedarf ⇥61.000 kWh
Wie das Beispiel zeigt, erfüllen zwar beide thermischen Varianten das EEWärmeG, wenn man dies aber primärenergetisch vergleicht, dann ergeben sich große Unterschiede. Wenn man einen Teil der Wärme fossil erzeugen muss (solar), dann ist deutlich mehr Primärenergieeinsatz notwendig, als beim elektrischen Kälteprozess. Bei der Biomassefeuerung ist der Unterschied gering. Als Nebenbedingung fordert das EEWärmeG dass „der Endenergieverbrauch für die Erzeugung der Kälte, die Rückkühlung und die Verteilung der Kälte nach der jeweils besten verfügbaren Technik gesenkt worden ist“. Dies mag zwar in allen oben genannten Fällen möglich sein, die Messlatte für den Primärenergieeinsatz zeigt dies aber nicht klar.
Verdunstungskühlung
Durch das Verdunsten von Wasser kann Luft abgekühlt werden. Dabei handelt es sich um einen adiabaten Prozess ohne Energiezu- oder -abfuhr. Die Temperatur sinkt ab und die Feuchtigkeit steigt an, aber die Enthalpie des Luftstromes also sein Energieinhalt bleibt konstant. Prinzipiell also eine hervorragende Methode, um einen Raum zu kühlen, ohne Energie aufwenden zu müssen. Verdunstet man Wasser in der Zuluft oder im Raum, dann steigt die Raumluftfeuchtigkeit jedoch an, was dazu führt, dass sich die thermische Behaglichkeit im Sommer kaum verbessert (Schwüleempfinden). Verdunstet man Wasser jedoch in der Abluft und überträgt mit geeigneten WRG-Systemen nur die „Kälte“ auf die Zuluft, dann kann man mit derartigen Systemen den Kältebedarf für die Raumkühlung deutlich verringern.
Bei diesem Prozess handelt es sich nicht um eine eigentliche Kälteerzeugung, sondern um eine Wärmerückgewinnung, die als Abwärmenutzung als Ersatzmaßnahme angerechnet werden kann, wenn die Anforderungen an die WRG eingehalten werden.
Sinnvoll ist eine indirekte Verdunstungskühlung bei allen Anlagen, bei denen die Außenluft gekühlt werden muss und/oder ein nennenswerter Anteil der Kälte über die RLT-Anlage abgeführt werden soll (nur-Luft-Systeme). Bezogen auf die Kälte für die Luftaufbereitung ist so ca. 50 % Einsparung möglich.
Zusammenfassung
Wie man an diesen Beispielen feststellen kann, bleibt die Auseinandersetzung mit dem EEWärmeG insbesondere im Nichtwohnbereich mit signifikantem Kälteenergiebedarf spannend. Einfache Kochrezepte sind nicht möglich und ohne die Berücksichtigung der Wärmerückgewinnung fällt die Erfüllung meist schwer.
