Kennwertverfahren nun auch für regenerative Energiequellen

Die DIN V 18599 [1] erlaubt die Berechnung des Energiebedarfs von Kälteanlagen für die Klimatisierung anhand spezifischer Gerätekennwerte für die RLT- und Kältetechnik. Damit kann die Effizienz von verschiedenen Kälteanlagensystemen nach der aktuellen Energieeinsparverordnung (EnEV) [2] nachgewiesen werden. Mit Blick auf die Kältetechnik beinhaltet das Verfahren konventionelle wasser- und luftgekühlte Kompressions- und Absorptionskältetechnik. Regenerative Kühlsysteme, die, wie im Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) [3] gefordert, erneuerbare Energien zur Gebäudekühlung verwenden, waren im Rahmen des Kennwertverfahrens bisher jedoch noch nicht bilanzierbar.

Mit der Überarbeitung der DIN V 18599 im Jahr 2011 wurde diese Lücke unter Verwendung der Ergebnisse eines durch die Forschungsinitiative Zukunft Bau geförderten Forschungsvorhabens [4] geschlossen. Damit ist künftig auch die Bedarfsberechnung von Kälteanlagensystemen mit regenerativen Energieträgern möglich. Dazu gehören zum Beispiel luftbasierte Anlagensysteme mit indirekter Verdunstungskühlung oder DEC-Anlagen. Im Bereich der wasserbasierten Anlagensysteme betrifft das Technologien mit Freier Kühlung und geothermischer Kühlenergienutzung (Grundwassernutzungsanlagen, Erdsondenanlagen). Durch die Berücksichtigung dieser regenerativen Anlagensysteme im normativen Kennwertverfahren eröffnet sich nun ein ganzheitlicher Bewertungsansatz, mit dem neben der Einhaltung der Anforderungen der Energieeinsparverordnung (EnEV) an die Anlagen-Energieeffizienz auch die im Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) geforderten Mindestanteile an erneuerbaren Energien im Bereich der Klima-Kälte-Nutzung nachweisbar sind.

1.Gesetzliche und normative Grundlagen

EEWärmeG und EnEV

Die im Mai 2011 in Kraft getretene Novellierung des Erneuerbare-Energien-Wärme-gesetzes (EEWärmeG) präzisiert und erweitert das seit 2009 bestehende Gesetz bezüglich der Kälteenergie im Allgemeinen und der Nutzungspflicht zur Deckung des Kälteenergiebedarfs im Besonderen. Zweck dieses Gesetzes ist es gemäß § 1 vor allem, die Weiterentwicklung von Technologien zur Erzeugung von Wärme und Kälte aus erneuerbaren Energien zu fördern. Zudem soll, unter Wahrung der wirtschaftlichen Vertretbarkeit, der Anteil erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch für Wärme und Kälte bis zum Jahr 2020 auf 14 Prozent erhöht werden. Das Gesetz definiert im § 2 die im Sinne des Gesetzes als erneuerbare Energien geltenden Energieträger, wobei mit der Novellierung im Jahr 2011 eine Erweiterung auf technisch nutzbar gemachte Kälteenergie (Kälte aus erneuerbaren Energien) erfolgte. Für die benannten Energieträger gilt gemäß § 3 eine anteilige Nutzungspflicht bei der Deckung des Wärme- und Kälteenergiebedarfs für private und öffentliche Neubauten und Bestandsimmobilien der öffentlichen Hand.

Daneben definiert die Energieeinsparverordnung (EnEV) den zulässigen Gesamtenergiebedarf des zu errichtenden Gebäudes für Heizung, Kühlung, Belüftung, Warmwasserbereitung und Beleuchtung. Dieser darf gemäß EnEV § 4 den zulässigen Grenzwert eines baugleichen Referenzgebäudes mit Referenztechnik nicht überschreiten. Zusätzlich müssen Höchstwerte der mittleren Wärmedurchgangskoeffizienten der wärmeübertragenden Umfassungsfläche eingehalten werden. Mit Blick auf die Anlagentechnik sind in § 12 regelmäßige energetische Inspektionen von Klimaanlagen mit einer Nennkälteleistung von mehr als 12 kW vorgeschrieben und im § 15 spezielle energetische Anforderungen an Klimaanlagen definiert. Im Gebäudeenergiepass werden diese Anforderungen zusammengeführt und die Einhaltung der Grenzwerte bestätigt.

DIN V 18599

Der für das öffentlich-rechtliche Genehmigungsverfahren geltende Berechnungsalgorithmus für den Gesamtenergiebedarf des Gebäudes ist in DIN V 18599 dokumentiert. Die Berechnung des Kühlenergiebedarfs erfolgt dabei mittels Kennwertverfahren und ist in den Teilen 2, 3 und 7 abgebildet. Im Rahmen des Gesamtberechnungsverfahrens erfolgt die getrennte Ermittlung des Nutzenergiebedarfs am Kühlregister des RLT-Gerätes und anschließend die energetische Bewertung der Kälteerzeugung. Prinzipiell wird in das Kennwertverfahren RLT [DIN V 18599-3] und das Kennwertverfahren Kälteerzeugung [DIN V 18599-7] unterschieden.

Das Kennwertverfahren RLT ermöglicht die Berechnung des Nutzenergiebedarfs für die thermische Außenluftaufbereitung für die Medien Wärme, Kälte und Dampf und die Ermittlung des Endenergiebedarfs für die Luftförderung in RLT-Anlagen. Für die häufigsten RLT-Anlagen enthält das Kennwertverfahren eine aus 46 RLT-Anlagen bestehende Variantenmatrix, die sich durch die Komponentenanordnung und die geplante Prozessführung unterscheidet.

Das Kennwertverfahren Kälteerzeugung ermöglicht die Berechnung des Endenergiebedarfs der Kälteerzeugung für RLT-Anlagen und Raumklimasysteme anhand spezifischer technologie- und nutzungsabhängiger Kennwerte. Die energetische Bewertung der Kälteerzeuger erfolgt anhand der Nennkälteleistungszahl EER (Energy Efficiency Ratio) und des technologieabhängigen mittleren Teillastfaktors PLV_AV (Part Load Value). Das Produkt beider Kennwerte bildet die mittlere Jahresarbeitszahl SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio), die das Verhältnis aus dem von der Kältemaschine abgegebenen Nutzkühlenergiebedarf und dem dafür erforderlichen Endenergiebedarf darstellt. Beide Kennwertverfahren waren bisher auf konventionelle Anlagensysteme beschränkt und berücksichtigten vorwiegend standardisierte Anlagentechnik. Mit der Überarbeitung der DIN V 18599 im Jahr 2011 fand eine Erweiterung der Berechnungsmethodik im Hinblick auf energieeffiziente Technologien und die Nutzung regenerativer Energiequellen statt.

2.Regenerative Kühltechnologien

Folgende luft- und wasserbasierten Kühltechnologien, die ganzheitlich oder anteilig regenerative Energieträger nutzen können, wurden neu in das Kennwertverfahren aufgenommen:

• Indirekte Verdunstungskühlung und DEC-Technik
• Freie Kühlung in Kaltwassersystemen
• Geothermische Anlagensysteme
• Sorptionskälteanlagen kleiner Leistung

Indirekte Verdunstungskühlung und DEC-Technik

Bei der indirekten Verdunstungskühlung handelt es sich um einen lufttechnischen Teilprozess, bei dem der Verdunstungs­effekt zur Kühlung von Außenluft genutzt wird. Praktisch erfolgt in der RLT-Anlage eine adiabate Befeuchtung der Abluft mittels Verdunstungsbefeuchter, wodurch sich die Abluft bis annähernd auf Feuchtkugeltemperatur abkühlt. Mit einem im Abluftstrom nachgeschalteten regenerativen oder rekuperativen Luft/Luft-Wärmeübertrager, welcher in der Regel im Winter als Wärmerückgewinnungssystem genutzt wird, kann unter sommerlichen Bedingungen mit dem Temperaturpotenzial der Abluft eine Kühlung der angesaugten Außenluft erfolgen.

Durch die Nutzung der Verdunstungskühlung reduziert sich die Kälteleistung des zuluftseitig nachgeschalteten Kühlregisters und im Jahresgang dessen Kühlenergiebedarf. Die Abbildung im Kennwertverfahren RLT erfolgt mittels Abminderungsfaktoren für den Kühlenergiebedarf, deren Größenordnung abhängig vom geplanten Temperaturniveau der Zuluft und von der Feuchteanforderung in der versorgten Gebäudezone ist. Dabei zeigt sich, dass bei hohen Zulufttemperaturen in Gebäudezonen ohne Feuchteanforderung fast der gesamte Kühlenergiebedarf durch die indirekte Verdunstungskühlung bereitgestellt werden kann.

Bei der DEC-Technik handelt es sich um einen lufttechnischen Vollklimaprozess, der maschinell erzeugte Kälteleistung in vielen Fällen vollständig substituieren kann. Dabei wird die abluftseitige indirekte Verdunstungskühlung um eine zuluftseitig vorgeschaltete adsorptive Außenluftentfeuchtung mit Sorptionstrockner und eine nachgeschaltete direkte Verdunstungskühlung durch regelbaren Sprühdüsenbefeuchter ergänzt. Auf den Einsatz eines Zuluftkühlers kann dann bei korrekter Anlagendimensionierung verzichtet werden.

Das Gesamtverfahren benötigt für den Regenerationsprozess des Sorptionstrockners abluftseitig Wärmeenergie auf einem niedrigen Temperaturniveau und ist deshalb für den Einsatz regenerativer Energien (z.B. im Rahmen der Solaren Klimatisierung) besonders gut geeignet. Die Beschreibung des Wärme-Energieeinsatzes erfolgt in Analogie zur Absorptionskältemaschine durch das Wärmeverhältnis ζ_DEC. Dieses ist definiert als substituierte Nutzkälte bei konventioneller Kühlung im Verhältnis zur eingesetzten Regenerationswärme. Bild 1 zeigt den Zusammenhang in grafischer Form.

Insbesondere bei hohen Zulufttemperaturen wird eine sehr hohe Effizienz des DEC-Systems erreicht, da die eingesetzte Regenerationswärme im Verhältnis zur substituierten Nutzkälte stark abnimmt und das DEC-Wärmeverhältnis deutlich über das Wärmeverhältnis konventioneller wasserbasierter Absorptionskälteanlagen ansteigt.

Freie Kühlung in Kaltwassersystemen

Die Freie Kühlung in Kaltwassersystemen kann prinzipiell mit Rückkühlwerken oder mit in Kältemaschinen integrierten Freikühlregistern erfolgen. Bei der Freien Kühlung mittels Rückkühlwerken werden vorhandene Rückkühlwerke in Zeiten reduzierter thermischer Belastungen und damit geringerer Kühllasten direkt zur Kältever-sorgung genutzt. Die Kältemaschine wird dabei nicht in Betrieb genommen (Alternativbetrieb) oder kann bei mehreren Rückkühlwerken gemeinsam mit der Freien Rückkühlung genutzt werden (Parallelbetrieb). Praktisch erfolgt die hydraulische Integration der Freien Kühlung durch eine Bypassschaltung mit einem Zwischenwärmeübertrager zwischen Kalt- und Kühlwasserkreislauf.

Mit den neu ermittelten Kennwerten kann jetzt der energetische Einfluss der Freien Kühlung unter Berücksichtigung und Variation der wesentlichen Einflussgrößen (Bauschwere, Kaltwassertemperaturniveau, Betriebsart Parallelbetrieb/Alternativbetrieb) für Raumkühlsysteme berechnet werden. Alle neuen Kennwerte wurden dabei unter der Annahme ermittelt, dass keine Zwischenspeicherung in Kälte­speichern oder Bauwerksmassen erfolgt. Diese Effizienzfaktoren der Freien Kühlung spiegeln direkt die Erhöhung der Energie­effizienz und damit die anteilige Reduzierung des Endenergiebedarfs der Kältemaschine wider. Dabei zeigt sich, dass in Büroge­bäuden die Effizienzsteigerung häufig nur sehr gering ausfällt. Die höchsten Einsparpotenziale sind mit Verdunstungsrückkühlern im Parallelbetrieb bei einer Server­raumanwendung zu erreichen. Bei höheren Kaltwassertemperaturen im Freikühlbetrieb (14/18 °C) steigen die Deckungsanteile dabei tendenziell an, niedrigere Kaltwassertemperaturen zeigen den umgekehrten Effekt deutlich sinkender Deckungsanteile.

Die maschinenintegrierte Freie Kühlung wird von den Kältemaschinen-Herstellern mit verschiedenen Verfahren realisiert. Am häufigsten werden Freikühlregister im Parallelbetrieb mit den Kondensatoren betrieben, die kaltwasserdurchströmt und rücklaufseitig angeordnet sind.

Für die Bauart mit integriertem Freikühlregister wurden ebenfalls Deckungsanteile der Freien Kühlung mit Simulationsmodellen ermittelt. Dabei wurde neben der veränderten Teillastsituation für die Kältemaschine auch die geänderte Lufteintrittstemperatur in den Kondensator berücksichtigt. Im Ergebnis wurde anhand der stündlich ermittelten Jahresleistungszahl der Freien Kühlung einerseits und der Kältemaschine andererseits eine mit der Jahreskühlarbeit gewichtete Jahresleistungszahl der Gesamttechnologie SEER_FC ermittelt. Durch einen Vergleich zum konventionellen Betriebsfall ohne Freie Kühlung ergibt sich für die jeweilige Kältemaschine der Effizienzfaktor f_FC, der die Verbesserung der Leistungszahl durch die Verwendung der Freien Kühlung beschreibt.

Bild 2 zeigt diese Effizienzfaktoren exemplarisch für einen luftgekühlten mehrstufigen Kolbenverdichterverbundsatz (Teillastregelart B) und eine luftgekühlte Schraubenverdichteranlage mit Steuerschieberregelung (Teillastregelart C) für verschiedene Bauwerksschwereklassen, Systemtemperaturen und Nutzungsarten.

Der Effizienzfaktor für die Freie Kühlung mit maschinenintegrierten Freikühl­registern liegt nutzungsabhängig im Bereich zwischen 1,00 (z. B. Büro, massive Bauweise, Kaltwasser 6/12 °C) und 1,35 (Serverraum, leichte Bauweise, 14/18 °C) und zeigt die gleichen tendenziellen Abhängigkeiten wie die Freikühlsysteme mit trockenen Rückkühlern.

Geothermische Anlagensysteme

In das Kennwertverfahren Kälteerzeugung wurden Grundwassernutzungsanlagen und Erdsondenanlagen (mit vertikalen Sonden) als regenerative Systeme mit geothermischer Energienutzung neu aufgenommen. Die Ermittlung der Kennwerte von Grundwassernutzungsanlagen erfolgte anhand einer thermodynamischen und strömungstechnischen Systembewertung unter Verwendung verschiedener Pumpentypen und einer Validierung anhand von Messwerten ausgeführter Objekte. Die dabei abgeleiteten Nennleistungszahlen EER_GW dieser Technologien sind in Abhängigkeit der Temperaturspreizung in DIN V 18599-7 tabelliert.

Daneben ist künftig die Berechnung der Effizienz von Erdsondenanlagen in Abhängigkeit der systemtypischen Parameter

• Sondenbauart und -durchmesser,
• Erdreichbeschaffenheit bzw. Wärmeleit­fähigkeit und
• Sondentiefe

möglich. Die zur Ermittlung der Energiekennwerte notwendige Aufwandsermittlung erfolgte ebenfalls auf Basis einer thermodynamischen und strömungstechnischen Systembewertung unter Beachtung der Hy­draulik der Wassersysteme und verschiedener Pumpentypen. Die Berechnungsergebnisse erlauben damit die Vorgabe von Standardwerten für die Effizienz von Erdsondenanlagen in Abhängigkeit definierter Einflussparameter. Bild 3 zeigt exemplarisch die Nennleistungszahlen EER_GS für ein Erdsondenfeld mit 24 Doppel-U-Sonden mit Hocheffizienzpumpen (HEP) oder Standardpumpen (SP) in Abhängigkeit der Bodenbeschaffenheit und der Bohrtiefe bei einer Sondeneintrittstemperatur von 18 °C.

Die Teillastregelung der Grundwassernutzungs- und Erdsondenanlagen ist durch die Art der Pumpenregelung definiert. Für die Abbildung im Kennwertverfahren nach DIN V 18599 wird in die gängigsten Verfahren Pumpendrehzahlregelung (Konstantdruck­regelung) und ungeregelte Pumpen (Drosselregelung) unterschieden. Die abgeleiteten PLV-Werte sind im Anhang A der Norm tabellarisch aufgeführt. Alternativ kann der für die geothermische Kühlenergiemenge erforderliche elektrische Pumpenenergiebedarf wie bisher anhand der ausführlichen Hydraulikberechnung nach DIN V 18599-7 detailliert und unter Beachtung der mittleren Pumpenbelastung berechnet werden.

Sonstige energieeffiziente ­Anlagensysteme

In das Kennwertverfahren Kälteerzeugung wurden auch Sorptionskälteanlagen kleiner Leistung (5 bis 200 kW) neu aufgenommen. Die Bedarfsberechnung erfolgt dabei in Analogie zum normativen Verfahren anhand der Kennwerte Nennwärmeverhältnis ζ_N und mittlerer Teillastfaktor PLV_AV. Dazu wurden die Herstellerdaten der marktteilnehmenden Hersteller ausgewertet und marktübliche Nennwärmeverhältnisse und interne Pumpen-Energiebedarfswerte abgeleitet.

Im Weiteren wurden auch leistungsgeregelte luft- und wassergekühlte Kälteerzeuger mit Scroll-, Schrauben- und Turboverdichtern neu in das normative Berechnungsverfahren aufgenommen. Zur Ermittlung der Nennleistungszahlen und PLV-Kennwerte wurden ebenfalls Herstellerdaten ausgewertet und validiert. Im Ergebnis liegen diese Kennwerte für frequenzgeregelte Schrauben- und Turboverdichteranlagen (luft- und wassergekühlt) und digital geregelte Scrollverdichteranlagen (luftgekühlt) vor.

Darüber hinaus ist zukünftig auch eine Berücksichtigung von Kältespeichern im normativen Kennwertverfahren möglich. Die diesbezügliche energetische Bewertung ermöglicht die differenzierte Betrachtung der geplanten Betriebsweise und des damit verbundenen Regelkonzeptes der Speichertechnologie, welches neben der Baugröße und der Bauart entscheidenden Einfluss auf den Energiebedarf der Kältemaschine hat. Somit können im normativen Verfahren künftig Speichernutzungsgrade und Effi-zienzfaktoren für verschiedene Speichertechnologien in Abhängigkeit der Betriebsweise des Speichers verwendet werden.

3.Berechnungsbeispiel

Als Beispiel dient ein auf 26 °C zu kühlender Bürokomplex in leichter Bauweise mit einer Nutzfläche von 10000 m² und einer anteiligen Serverraumfläche von einem Prozent (100 m²). Die mittlere spezifische Kühllast beträgt 45 W/m² (Büroräume) bzw. 500 W/m² (Serverraum), woraus sich eine Gesamtkühllast von knapp 500 kW ergibt.

Im Vergleich zur Freien Kühlung soll das Potenzial und die Effizienz der geothermischen Kühlenergienutzung mit einer Grundwassernutzungsanlage geprüft werden. Als Vergleichsanlage wird ein luftgekühlter Schraubenverdichtersatz für Dachaufstellung mit Steuerschieberregelung (Teillastregelart B) mit integriertem Freikühlregister betrachtet. Zur Grundwasserförderung werden ungeregelte Standardpumpen mit einer Förderhöhe von 40 m eingesetzt. Die von der Behörde genehmigte Erwärmung des Grundwassers darf 5 K nicht überschreiten. Die Kälteverteilung im Gebäude erfolgt über einen mittels Wärmeübertrager vom Grundwasserkreis getrennten sekundären Kaltwasserkreislauf, der aufgrund der Grundwasser­entnahmetemperatur von 12 °C sekundärseitig auf ein Temperaturniveau von 14/18 °C ausgelegt ist. Die Kälteübergabe erfolgt im Büro mittels thermischer Bauteilaktivierung und im Serverraum mittels Ventilatorkonvektoren. Eine raumlufttechnische Anlage ist nicht vorhanden, der hygienische Luftwechsel in den Büros wird durch Fensterlüftung sichergestellt. Die dafür bereitzustellende jährliche Nutzenergiemenge beträgt gemäß Tabelle 1 insgesamt 622 750 kWh.

Die Ermittlung des Endenergiebedarfs erfolgt gemäß DIN V 18599-7 mit den energetischen Kennwerten EER (Nennleistungszahl), PLV (Teillastfaktor) und dem Effizienzfaktor der Freien Kühlung f_FC. Anhand der Jahresarbeitszahl unter Berücksichtigung der Freien Kühlung (SEER_FC) wird der Endenergiebedarf der Kälteerzeugung bestimmt. Die Tabellen 2 und 3 zeigen den energetischen Vergleich der konventionellen Kältemaschine mit maschinenintegrierter Freier Kühlung und der Grundwassernutzungsanlage.

Durch den Einsatz einer Grundwassernutzungsanlage kann die Jahresarbeitszahl der Kälteerzeugung von 4,93 auf 18,68 erhöht werden. Insgesamt sinkt der Endenergie­bedarf für die Kälteerzeugung damit um ca. 73 Prozent, was bei einem spezifischen Strompreis von 15 ct/kWh einer jährlichen Einsparung von ca. 14 000 Euro entspricht. Diese Kostenersparnis kann für die deutlich höheren Investitionskosten der Grundwassernutzungsanlage genutzt werden.

4.Zusammenfassung

Aufbauend auf den in DIN V 18599 (Ausgabe 02/2007) verwendeten Kennwertverfahren im Bereich der Raumlufttechnik und der Kälteerzeugung fand im Jahr 2011 eine Erweiterung der Berechnungsalgorithmen und Kennwerte statt. Diese Erweiterung beinhaltet dabei im Wesentlichen Technologien, die in der Lage sind, ganzheitlich oder anteilig regenerative Energien zur Bereitstellung von Kühlenergie zu nutzen. Dabei handelt es sich neben offenen luftbasierten Prozessen (indirekte Verdunstungskühlung, DEC-Technik) auch um geschlossene wasserbasierte Anlagensysteme wie die Freie Kühlung, geothermische Anlagen (Grundwassernutzungsanlagen, Erdsondenanlagen) und auch Sorptionskälteanlagen im kleinen Leistungsbereich. Inhaltlich wurden die zugrunde liegenden Zusammenhänge der Berechnungsverfahren beibehalten, um die prinzipielle Vergleichbarkeit der Effizienz verschiedener Anlagensysteme auch weiterhin zu ermöglichen.

Das vorliegende erweiterte Kennwertverfahren ist Bestandteil der in vielen Punkten überarbeiteten DIN V 18599 (Ausgabe 12/2011) und erlaubt eine vergleichende Aussage über den Energiebedarf konventioneller und regenerativer Kälteerzeugungssysteme für die Klimatisierung. Im Rahmen der definierten Randbedingungen und Parametergrenzen ist eine Parametervariation und damit eine Abschätzung der energetischen Potenziale möglicher Optimierungsstrategien auf ingenieurtechnisch einfache Art und Weise möglich. Im speziellen Einzelfall und unter abweichenden Randbedingungen kann das Kennwertverfahren eine detaillierte Gebäude- und Anlagensimulation jedoch nicht komplett ersetzen. -

Literatur

[1] Normenreihe DIN V 18599: Energetische Bewertung von Gebäuden Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung Teil 110, 02/2007

[2] Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden (Energieeinsparverordnung EnEV) vom 24.07.2007, zuletzt geändert am 29.04.2009

[3] Gesetz zur Förderung Erneuerbarer Energien im ­Wärmebereich (Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz EEWärmeG) vom 07.08.2008, zuletzt geändert am 28.07.2011

[4] Mai, R.; Schiller, H.: Berechnungsalgorithmen für Freie und Regenerative Kühltechnologien; Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben (Aktenzeichen SF-10.08.18.7.10.7/II3-F20-10-022) der Forschungsinitiative Zukunft-Bau des Bundesinstitutes für Bau-, Stadt- und Raumforschung, ILK-B-31-11-3686-1, 25.07.2011

ILK Dresden gGmbH, Hauptbereich Luft- und Klimatechnik, Dresden