Nachrüstbare Freikühlmodule reduzieren Klimatisierungskosten

Die Verteilung des Energieeinsatzes in Gebäuden verschiebt sich seit einigen Jahren spürbar: Durch die globale Erwärmung, vor allem aber durch dichter werdende Gebäudehüllen in Kombination mit dem architektonischen Trend zu Glasfassaden hat die Klimatisierung aktuell bereits einen Anteil von gut 10 % am weltweiten Energiebedarf, mit steigender Tendenz. In großzügigen Glasbauten, wie vielgeschossigen Bürohäusern, übersteigt der Aufwand für Kühlenergie die Heizenergie bereits um ein Vielfaches. Hinzu kommt, dass gleichzeitig die inneren Wärmelasten überproportional ansteigen. In besagtem Bürogebäude tragen Arbeitshilfen und Bürogeräte dazu 70 % bei, die Nutzer nur noch 20 %, Beleuchtung macht etwa 10 % aus (Quelle: Bayer. Landesamt für Umwelt, 2008).

Entsprechend werden in Deutschland mittlerweile etwa die Hälfte der Büro- und Verwaltungsgebäude klimatisiert – mit beträchtlichen Folgen für die Umwelt: Die Ökodesign-Studie weist aus, dass die energiebedingten CO₂-Emissionen aus Klimatisierung bis 2030 bei Nichtwohngebäuden um etwa 25 % steigen werden (Quelle: Umweltbundesamt 2015; Riviere und Adnot et al. 2008).

Temperaturdifferenz maßgeblich

Die Wärmelasten allein über Kaltwassersätze („Chiller“) abzuführen, ist gerade vor diesem Hintergrund, aber auch aus wirtschaftlichen Gründen, wenig zielführend: Im Gegensatz zu Mittelmeerländern sind unsere Klimazonen so gemäßigt, dass nur an wenigen Tagen im Jahr die volle aktive Kühllast anliegt. Viel häufiger sind die Tage, an denen aufgrund hoher Gebäudeinnen- und deutlich niedrigerer Außentemperaturen die gewünschte Absenkung der Raumtemperaturen über sogenannte Freikühlmodule abgepuffert werden kann. Bei Kaltwassersätzen ist an diesen Tagen hingegen ein vergleichsweise hoher Energieeinsatz nötig, obwohl sich der Kühlbedarf nur im Teillastbereich bewegt – die Anlagen arbeiten ineffizient.

Im Gegensatz zum Kaltwassersatz findet bei den Freikühlmodulen, also dem sogenannten Free Cooling, stattdessen keine vom Kompressor / Verdichter getriebene (also energieintensive) Abkühlung des Wärmeübertragermediums statt, sondern die im Rücklauf enthaltene Wärme wird über einen Luft/Wasser-Wärmeübertrager und Ventilatoren an die Außenluft abgegeben.

Konstruktionsprinzip entscheidend

Wie energiesparend diese Variante der Freien Kühlung – „frei“ im Sinne von „kostenlos“ – in der Praxis aber tatsächlich ist, hängt maßgeblich von der Konstruktion der Kombination aus Kaltwassersatz und Free Cooling-Modul ab. Bei integrierten „Kompakt-Geräten“ wird der mit der Wärmeenergie aufgeladene Rücklauf in aller Regel über die komplette Einheit aus Freikühler und Kompressor / Verflüssiger geleitet. Insbesondere in den klimatischen Übergangszeiten Frühjahr und Herbst, also während der überwiegenden Betriebszeit in mitteleuropäischen Breiten, müssen dann sowohl der Freikühler als auch der Kaltwassersatz mit den zugehörigen Ventilatoren betrieben werden. Selbst bei angepassten Drehzahlregelungen ergibt sich also immer eine gewisse Energieaufnahme. In der Gesamtbilanzierung müssen zudem die höheren Druckverluste aufgrund der Medienführung über das Freikühlregister und über den Verflüssiger, selbst wenn kein Free Cooling gefahren wird, bilanziert werden. Zudem ist die Regelung der Kälteerzeugung im Teillastbetrieb aufwändiger.

Der vordergründig einfacheren Installation der Kompakt-Einheit (nur ein Gerät, nur ein VL/RL-Anschluss, nur eine Steuerung) stehen in der deutlich längeren, mehrjährigen Nutzungsphase also wesentlich höhere Betriebskosten gegenüber.

In der ganzheitlichen Betrachtung von Anlagentechnik (Stichwort: life cycle costs) setzen sich daher zunehmend Anlagen durch, die bedarfsgerecht aus einem Kaltwassersatz und Free Cooling-Modul kombiniert werden. In diesem Fall wird der Freikühler als intelligente Vorkühl-Stufe ganz einfach in den Rücklauf des Wärmeträgermediums vor dem Kaltwassersatz integriert. Das ist auch nachträglich ohne Eingriff in die bestehende Kältetechnik und ihre Regelkreise möglich. Die ebenfalls unabhängige Steuerung erfolgt dann über ein entsprechendes Dreiwege-Ventil im Freikühlmodul:

Bei einem ∆t „OAT (Umgebungstemperatur) > RWT (RL-Temperatur)“ wird die gesamte Kühlleistung wie gehabt vom Kaltwassersatz erbracht. Das ist beispielsweise an heißen Sommertagen der Fall.

Bei einem ∆t „OAT < RWT“ wird die Kühlleistung über das Dreiwege-Ventil automatisch zwischen freier Kühlung und Kaltwassersatz gesplittet. Das ist an warmen Tagen beispielsweise im Früh- oder Spätsommer der Fall.

Bei einem ∆t „OAT > 2K kleiner LWT (Vorlauftemperatur)“ wird die Kühlleistung komplett durch die freie Kühlung abgedeckt.

Die Energie- und die Kosteneinsparung, die sich daraus ergibt, liegt bei etwa 30 %, wie ein Berechnungsbeispiel für die Region Freiburg zeigt. Unter den Rahmenbedingungen

Kältebedarf 350 kW,

Umgebungstemperatur 35 °C,

VL/RL-Temperatur 10 / 16 °C,

Glykolanteil 30 % und

Energiekosten 0,12 €/kWh

ergibt sich ein jährlicher Energieverbrauch von

753.572 kWh bei einem Kaltwassersatz ohne freie Kühlung;

aber nur

503.107 kWh bei einem Kaltwassersatz mit freier Kühlung.

Das entspricht einer Kostenersparnis von gut 30.000 € pro Jahr. Die CO₂-Emission, also die Umweltbelastung, sinkt gleichzeitig um 72.635 kg/a von 218.536 auf 145.901 kg/a.

Ventilatoren drehzahl-gesteuert

Erzielt werden diese Einsparungen zum einen über die vergleichsweise einfache Führung des Wärmeträgermediums im Bedarfsfall ausschließlich über das Freikühl­modul, zum anderen über die lastabhängige Drehzahlsteuerung der Ventilatoren: Während das Dreiwege-Ventil in Abhängigkeit von der Außentemperatur schaltet, wird die Drehzahl der Ventilatoren unmittelbar über einen Temperaturfühler im Wasserkreislauf beeinflusst. Je höher die Wassertemperatur, umso höher ist im Freikühlmodus die Drehzahl – demnach auch die Stromaufnahme. Sinkt die Wassertemperatur, erfolgt automatisch eine stromsparende Anpassung. Das gleiche geschieht bei einer für die Freikühlung zu hohen Rücklauftemperatur. Dann schaltet das Dreiwege-Ventil den Volumenstrom komplett auf den Kaltwassersatz und die Ventilator-Drehzahl reduziert sich entsprechend bzw. die Ventilatoren schalten ab.

Der gesamte Regelkreis vollzieht also gewissermaßen permanent eine energetische Selbstoptimierung, die unmittelbar und ausschließlich von den zentralen Einflussgrößen Kühllast und Umgebungstemperatur abhängt und daher besonders effizient ist.

Die vergleichsweise einfache Ansteuerung sowohl des Dreiwege-Ventils als auch der Ventilatoren unterstützt zusätzlich die wirtschaftliche Installation der auch mit bestehenden Anlagen frei kombinierbaren Freikühlmodule.

Fazit

In den kommenden Jahren wird der Bedarf an Kühlung und Klimatisierung insbesondere von Zweckgebäuden deutlich wachsen. Vor dem Hintergrund gleichzeitig ebenfalls weiter steigender Energiepreise stehen aus Nutzersicht dann insbesondere die Betriebskosten der Anlagen im Fokus, und zwar einschließlich der Betriebssicherheit sowie des Wartungs- und Unterhaltungsaufwandes.

Frei kombinierbare, also auch problemlos an vorhandenen Kaltwassersätzen nachrüstbare Freikühlmodule haben hier den entscheidenden Vorteil, dass sie neben der einfacheren Installation und Inbetriebnahme ohne Eingriff in den Kältekreislauf den Energieeinsatz selbstoptimierend auf das absolut notwendige Minimum reduzieren: Je nach ∆t zwischen Umgebungs- und Rücklauftemperatur werden nur die Anlagenteile einbezogen, die zur Absenkung der Temperatur des Wärmeträgermediums auch tatsächlich notwendig sind. Vor allem in den gemäßigten Klimazonen Mitteleuropas führt dies zu einer Energie- und damit Kosteneinsparung von bis zu 30 % mit entsprechend kürzeren Amortisationszeiten für die Gesamtinvestition.