RLT-Geräte für Anwendungen
in städtischen Wärmeinseln

Waldbrände und Hitzerekorde in den USA und Kanada im Juli 2021 sowie die Starkregenereignisse in Nordrhein-Westfalen und Rheinland-Pfalz zeigen die Auswirkungen der erhöhten Treibhausgaskonzentration und der daraus resultierenden globalen Erwärmung auch in Deutschland.

Neben den dramatischen und unwetterartigen Effekten sind es jedoch die steigenden mittleren Temperaturen sowie die erhöhte, mittlere Luftfeuchte, die sich zukünftig auf das Wohlbefinden des Menschen auswirken. Das Raumklima soll dabei ganzjährig in einer behaglichen Bandbreite liegen. Die dafür eingesetzten RLT-Anlagen lassen sich für die Leistungsbemessung mit Hilfe von aktuellen Wetterdaten, die in Form von Testreferenzjahren vom Deutschen Wetterdienst (DWD) zur Verfügung gestellt werden, mit hoher zeitlicher Auflösung simulieren.

Bei der Auslegung muss beachtet werden, dass die RLT-Anlagen eine Betriebsdauer von fünfzehn und mehr Jahren aufweisen, so dass sich die zu erwartenden klimatischen Änderungen auch auf den Energiebedarf der Gebäude auswirken.

Die Auswirkungen auf den Heiz- und Kühlbedarf sowie den Wasserbedarf einer RLT-Anlage wird im Folgenden für zwei TRY-Datensätze der Wetterstation Berlin (TRY-Region 4, Station Potsdam) analysiert. Die Unterschiede im Energie- und Wasserbedarf zeigen auf, wie wir bereits heute mit den zukünftigen Klimaänderungen umgehen sollten.

Historische Wetterdaten

Der Deutsche Wetterdienst erfasst nicht nur die aktuellen Wetterdaten, sondern berechnet auch typische Wetterlagen als Auslegungsreferenz. Dies erfolgt auf Basis von langjährigen Wetterbeobachtungen und entsprechenden Modellierungen für die Jahre 1995 bis 2012 [1]. Die TRY-Wetterdaten geben die stündlichen Zustände in 2 m (Lufttemperatur und -feuchte) bzw. 10 m (Wind) Höhe wieder. Für die Berechnungen wurden dabei die Lufttemperatur und die absolute Feuchte für ein „sommerfokussiertes Jahr“ mit hohen sommerlichen Temperaturspitzen genutzt.

Die TRY-Daten stellen keine Mittelwerte dar, sondern sind repräsentative Ausschnitte aus realen Wetterlagen der betrachteten Jahre 1995 – 2012. Dadurch werden im TRY auch einzelne Höchst- und Tiefsttemperaturen abgebildet. Zusätzlich gibt es weitere Szenarien für extreme Winter.

Modellierung von zukünftigen Wetterdaten

Zur Modellierung von lokalen Wetterdaten für das Bezugsjahr 2045 hat der DWD die lokalen Klimaänderungen durch 24 regionale Klimaprojektionen vom Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumentwicklung durchführen lassen [2]. Die prognostizierten Wetterdaten der Jahre 2021 bis 2060 berücksichtigen dabei auch die Effekte der Urbanisierung. Insbesondere spielen in den Städten die Ausbildung von Wärmeinseln (Urban Heat Islands) eine große Rolle für das Mikroklima. Bereits heute werden Temperaturunterschiede von vier bis fünf Kelvin zwischen Stadt und Umland gemessen [3]. Damit lässt sich unter anderem auch erklären, warum die mittleren Temperaturunterschiede der Testreferenzjahre 2012 und 2045 bei einigen deutschen Wetterstationen deutlich größer als 2 K sind [4].

Die Berechnungen basieren auf der Strahlungsbilanz in den Ballungsräumen mit der direkten Umgebung und dem Weltall [5]. Die Berechnungen folgen unterschiedlichen Szenarien, den sogenannten „Representative Concentration Paths, kurz RCP, wie sie im fünften Sachstandsbericht des Weltklimarates beschrieben werden [6]. Dabei wird als ausschlaggebender Treiber die Änderung der Strahlungsintensität im Jahr 2100 gegenüber dem Jahr 1750 betrachtet. Die Änderungen liegen je nach Szenario zwischen 2,6 W/m² (RCP2.6) und 8,5 W/m² (RCP8.5). Für die TRY-Datensätze wurde eine Strahlungserhöhung um 6 W/m² angenommen. Das sogenannte 1,5 Grad Ziel der Pariser Klimakonferenz kann mit dem RCP6.0 nicht eingehalten werden. Die globale Erderwärmung für die einzelnen Szenarien ist in Abbildung 1 dargestellt. Für das Szenario nach RCP6.0 ergibt sich eine globale Erwärmung für das Jahr 2100 von 2,1 K.

Die Auswirkungen auf das Wettergeschehen für Berlin (Wetterstation Potsdam) werden in Abbildung 2 exemplarisch gegenübergestellt. Hier werden die TRY-Daten für 2012 und 2045 im Monat Januar und August verglichen. Der mittlere Temperaturunterschied zwischen den beiden TRY-Datensätzen für 2012 und 2045 beträgt für August 4,4 K und für Januar sogar 6,0 K. Beide Werte stellen Extrema dar; auf das ganze Jahr gesehen ist die Durchschnittstemperatur für 2045 lediglich 1,2 K höher. Darüber hinaus erhöht sich aber auch die Breite der monatlichen Temperaturbänder.

Urban Heat Islands

Neben den Effekten der globalen Erderwärmung verstärken sich die Effekte durch die Urbanisierung. Städte stellen durch den hohen Grad der Versiegelung und durch Gebäude, Plätze und Straßen mehr Speichermasse zur Verfügung als Flächen mit Vegetation. Diese wirken sich bereits heute auf das Mikroklima einzelner Straßenzüge aus. Abbildung 3 zeigt den Temperaturverlauf im Zentrum von Berlin und in den Randbezirken. Beide Messstellen liegen knapp 18 km voneinander entfernt. Die maximalen Temperaturunterschiede betragen bis zu 4 K.

Urbane Wärmeinseln führen zu mehr Sommertagen (mit Temperaturen oberhalb von 30 °C) und Tropennächten (mit Temperaturen oberhalb von 20 °C). Die Häufigkeit ist heute noch nicht eindeutig vorhersagbar, da die Datenlage noch zu grobmaschig ist [7]. Dennoch ist bereits jetzt klar, dass der Effekt der Erderwärmung Städte und ländliche Regionen gleichermaßen trifft [8].

Bei genauerer Betrachtung der Temperaturentwicklung in den Stadtzentren ist erkennbar, dass solare Strahlung die Gebäude und Straßen aufheizt. Diese dienen somit als Wärmespeicher und geben die Energie zeitverzögert wieder ab, wenn das treibende Temperaturpotenzial größer wird. Dies ist in der Nacht, genauer in den frühen Morgenstunden, häufig der Fall. Dabei wird die Außenluft erwärmt.

Für die Stationsdaten Berlin Alexanderplatz wurden die Wetterdaten für den Sommer 2020 untersucht und mit einer nahegelegenen, ländlichen Wetterstation in Berlin-Brandenburg verglichen. Die Wetterdaten sind auf der DWD-Website frei verfügbar [9]. Abbildung 4 zeigt die Häufigkeit von Temperaturdifferenzen mit mehr als 4 K nach Uhrzeit aufgeschlüsselt. Der Effekt der Wärmeinsel zeigt sich besonders in der Nacht von 19:00 Uhr bis 5:00 Uhr morgens (rote Balken in Abbildung 4). Damit ist der Effekt am stärksten, wenn die meisten Nichtwohngebäude nicht oder eingeschränkt genutzt werden. Der Kühlbedarf ist außerhalb der Betriebszeiten reduziert oder entfällt.

RLT-Anlage für die Intensivstation eines Krankenhauses

Die Simulationen wurden für ein RLT-Gerät aus der Planung einer Intensivstation in Baden-Württemberg durchgeführt. Das Gerät versorgt die Station mit 20 Patientenzimmern mit 27 Betten sowie fünf Personen des medizinischen Personals. Der Betrieb erfolgt Tag und Nacht an jedem Tag im Jahr (24/7). Die Zuluftregelung erfolgt außenluftgeführt und liegt zwischen 20 und 24 °C, Abbildung 5. Die Zuluftfeuchte liegt ganzjährig zwischen 6 g/kg und 10 g/kg.

Der Aufbau des RLT-Gerätes ist in Abbildung 6 dargestellt. Die Luft kann geheizt, gekühlt, entfeuchtet und befeuchtet werden. Aus energetischen und hygienischen Gründen wurde die Wärmerückgewinnung als Kreislaufverbundsystem mit einer trockenen Rückwärmzahl von 72 % konzipiert. Der maximale Volumenstrom beträgt je Seite 24.000 m³/h. Im Auslegungsfall und in der Simulation wird ein geringerer Volumenstrom von 17.000 m³/h angenommen. Die Abluft wird im Sommer mit 26 °C und im Winter mit 20 °C angesetzt. Weitere Details zur Anlage finden sich in [10].

Simulation der RLT-Anlage

Die Leistung der Komponenten werden mit den stündlichen Wetterdaten berechnet. Das Maximum der 8760 Ergebnisse definiert damit die Auslegungsgröße der jeweiligen Komponente. Berechnet werden die Daten mit Hilfe einer Excel-Programmierung, die die stündlichen Leistungen sowie Energie- und Wasserbedarfe berechnet und aufsummiert. Der Programmablauf ist in Abbildung 7 dargestellt. Die Wirkungsgrade der Komponenten sind konstant und unabhängig vom Lastzustand. Da hier der Vergleich der beiden Jahressimulationen im Vordergrund steht, wirken sich diese Annahmen auf beide Simulationen gleich aus und der relative Vergleich bleibt unbeeinflusst von den Annahmen.

Validierung der Ergebnisse

Die Berechnungsergebnisse müssen auf Konsistenz geprüft werden. Dazu werden die Ergebnisse grafisch aufbereitet und qualitativ analysiert. Zusätzlich werden für ausgewählte Berechnungspunkte die Luftzustände manuell berechnet.

Beispielhaft zeigt Abbildung 8 den stündlichen Leistungsverlauf für Heizen und Kühlen. Es gibt keinen simultanen Heiz- und Kühlbetrieb und die Linien folgen dem saisonalen Erwartungswert mit der maximalen Heizleistung im Januar und der maximalen Kühlleistung im Juli.

Abbildung 9 zeigt die aufsummierten Energiemengen je Monat. Auch hier ist der saisonale Verlauf beim Kühlen und Heizen erkennbar: Kühlenergie wird lediglich von Juni bis September benötigt. Die Ventilatorenergie bleibt konstant, da mit durchgehend konstanter Luftleistung gerechnet wird.

Leistung, Energie- und Wasserbedarf für die Testreferenzjahre 2015 und 2045

Der Vergleich des Leistungs- und Energiebedarfs für die Region Potsdam / Berlin mit den beiden TRY-Datensätzen 2012 und 2045 wird in Tabelle 1 gezeigt.

Region 4 wird stark vom Kontinentalklima mit häufigen Winden aus östlichen Richtungen beeinflusst. Dadurch wirkt sich die Klimaerwärmung nicht sehr stark aus. Dennoch ist klar zu sehen, dass sich die Heizleistung und auch die Heizenergie deutlich reduzieren. Die Betriebsstunden bleiben demgegenüber nahezu konstant. Das hängt auch damit zusammen, dass der Nacherhitzer stromab des Kühlers häufiger benötigt wird. Die Spitzenleistung des Kühlers bleibt konstant, dafür wird dieser jedoch 8 % länger im Jahr eingesetzt und damit auch der Nacherhitzer, da die Entfeuchtungsanforderungen zunehmen.

Die Berechnungen wurden für alle fünfzehn deutsche Klimazonen durchgeführt, so dass daraus eine bundesweite Entwicklung abgeleitet werden kann. Abbildung 10 zeigt den Flächenanteil der einzelnen Klimazonen. Dabei ist erkennbar, dass die Region 4 mit fast 20 % den größten Anteil einnimmt.

Die prozentuale Änderung der einzelnen Parameter ist in Tabelle 2 dargestellt. Hier zeigt sich wieder der klare Trend beim Heizen hin zu geringeren Werten. Die maximale Kühlleistung nimmt nur geringfügig zu (+2 %); allerdings steigt die Kühlenergie deutlich (+67 %). Der Kühler ist zudem häufiger im Teillastbetrieb (+42 %). Der Wasserbedarf zur Befeuchtung ist rückläufig, da im Winter durch die höheren Temperaturen auch die absolute Luftfeuchte zunimmt und damit die jeweilige Auffeuchtung geringer ausfallen kann.

Erwartungsgemäß ist die Bandbreite der Änderungen stark abhängt von der regionalen Klimasituation. So zeigt sich, dass Potsdam in Bezug auf die Kälteanforderungen weniger sensitiv reagiert als der Bundesdurchschnitt. Tatsächlich gibt es gerade bei der Kälte eine sehr große Spreizung von einer reduzierten Kälteleistung mit -29 % in der Region 1 (Bremerhaven, HB), aber auch deutliche Steigerungen um +93 % in Region 11 (Fichtelberg, SN).

Wird nun speziell der Effekt der urbanen Wärmeinseln verglichen, fehlen diese detaillierten Daten in den fünfzehn TRY-Wetterdatensätzen. Daher wurden hierzu die Wetteraufzeichnungen für Berlin Alexanderplatz und Berlin-Brandenburg für das Jahr 2020 genutzt. Die Wetterdaten stammen aus dem Zeitraum 14.06.2020 bis 2.12.2020. Längere und durchgehende Daten sind (noch) nicht verfügbar. Die dargestellten Ergebnisse sind normiert (Berlin-Brandenburg = 100 %), so dass eine bessere Vergleichbarkeit gegeben ist. Abbildung 11 zeigt den qualitativen Vergleich als Balkendiagramm. Der Unterschied fällt sehr gering aus. Lediglich die Heizleistung in der Innenstadt ist um 5 % geringer. In beiden Fällen war im betrachteten Zeitraum keine Befeuchtung nötig. Da der UHI-Effekt nachts besonders stark ist, wirkt er sich nicht auf die maximale Kühllast aus. Der Effekt ist jedoch für den Energiebedarf und die Betriebsstunden deutlich, Abbildung 12.

Die benötigte Kühlenergie und die Betriebszeiten in der Innenstadt erhöhen sich um 20 % bzw. 22 % und weichen damit deutlich von der ländlichen Region ab.

Fazit und Ausblick

Die Auslegung und Planung von modernen RLT-Anlagen sollten die klimatischen Änderungen der nächsten Jahre und Jahrzehnte berücksichtigen. Die verfügbaren Wetterdaten der Testreferenzjahre des DWD zeigen für Deutschland einen Anstieg der mittleren Temperaturen und Feuchten. Das wirkt sich auf die Leistung und den Energiebedarf der RLT-Komponenten aus. Die detaillierten Effekte lassen sich durch Simulationen mit stündlichen Wetterdaten vielschichtig auswerten. Am Beispiel einer Intensivstation für den Standort Potsdam / Berlin wurde gezeigt, dass sich die Kälteleistung dort kaum erhöht und die Heizleistung sinkt. Die Kühlung erfordert mehr Betriebsstunden und Kühlenergie. Ursache hierfür ist der höhere Entfeuchtungsbedarf mit Kühlleistungen unterhalb der Spitzenlast. Der hier gezeigte Trend gilt für viele weitere Standorte in Deutschland und wurde für die fünfzehn Klimazonen Deutschlands verglichen. Da der Heizwärmebedarf erst im Laufe der Jahre abnehmen wird, müssen heutige Geräte weiterhin mit den aktuellen Außenluftbedingungen ausgelegt werden. Befeuchter können ggf. heute kleiner dimensioniert werden. Für die ersten Jahre muss dann jedoch mit einer geringeren Zuluftfeuchte gerechnet werden.

Zusätzlich wurde der Effekt von urbanen Wärmeinseln am Beispiel der Wetterdaten für Berlin aus dem Jahr 2020 analysiert. Der Effekt tritt vornehmlich nachts auf, so dass die maximale Kühlleistung unverändert bleibt. Auswirkungen kann das aber auf geplante freie Kühlung außerhalb der Betriebszeiten haben (nachts). Dagegen steigen die jährliche Kühlenergie und die Betriebsstunden des Kühlers. Dies wirkt sich weniger auf die Auslegung der Anlagen aus als vielmehr auf die zu erwartenden Betriebskosten. Dennoch sollten Leistungsreserven berücksichtigt werden, so dass im Falle einer Revitalisierung größere Wärmeübertrager und Ventilatoren in die Anlage eingebaut werden können. Eine weitere, sinnvolle Maßnahme kann die adiabate Abluftbefeuchtung darstellen.

Die Ergebnisse beziehen sich auf die Klimatisierung einer Intensivstation. Für andere Nichtwohngebäude mit kürzeren Betriebszeiten (Bürogebäude) können die Ergebnisse deutlich abweichen und sollten separat analysiert werden. Vom DWD werden mittlerweile auch TRY-Wetterdaten mit einer örtlichen Auflösung von einem Quadratkilometer zur Verfügung gestellt. In diesen Daten sind die Effekte der Wärmeinseln und der Klimaerwärmung für das Referenzjahr 2045 enthalten.

Literatur

[1] Deutscher Wetterdienst. Testreferenzjahre, abgerufen am 2.08.2021.

[2] Forschungsprojekt Ortsgenaue Testreferenzjahre (TRY) von Deutschland für mittlere und extreme Witterungsverhältnisse, 2013 – 2017, Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumentwicklung.

[3] Deutscher Wetterdienst (DWD): Urbane Räume nachhaltig gestalten - Entscheidungshilfe für eine klimagerechte Stadtentwicklung, 2. Auflage 2017.

[4] C. Fieberg. Zukunftssichere Auslegung von RLT-Geräten im Zeichen des Klimawandels. 47. Jahrestagung Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein 2021: Deutsche Kälte- und Klimatagung, Dresden, 19.11.2021

[5] Hupfer et al., 2005: Witterung und Klima. Eine Einführung in die Meteorologie und Klimatologie. Stuttgart, Leipzig, Wiesbaden, B.G. Teubner Verlag.

[6] IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.

[7] B. Früh, M. Koßmann, M. Roos. Berichte des Deutschen Wetterdienstes: 237: Frankfurt am Main im Klimawandel – Eine Untersuchung zur städtischen Wärmebelastung. 2011.

[8] H. Schau-Noppel, M. Koßmann, S. Buchholz. Meteorological information for climate-proof urban planning – The example of KLIMPRAX. Urban Climate. 2020; 32.

[9] Deutscher Wetterdienst. Urban Heat Islands. Wetter und Klima - Deutscher Wetterdienst - Leistungen - Stadtklimamessungen - Städtische Wärmeinsel (dwd.de) abgerufen am 3.01.2022.

[10] D. Demmelhuber, C. Fieberg. Einfluss des Klimawandels auf die Auslegung von RLT-Geräten. KI - Kälte, Luft, Klimatechnik. Die Brücke zwischen Wissenschaft und Praxis (10-2019), S. 45-49.