Gebäudeklimatisierung

Deutschland liegt in der gemäßigten Klimazone. Ein Kühlbedarf ist wegen der Jahresmitteltemperaturen zwischen zehn und elf Grad Celsius überschaubar und somit für Wohnhäuser auf wenige heiße Tage im Sommer beschränkt. Allerdings hat aufgrund des Klimawandels die Anzahl heißer Tage im Jahr bereits zugenommen. Diese Entwicklung wird sich weiter fortsetzen. Für ein angenehmes Raumklima sind ein außenliegender Sonnenschutz oft die effizientere und kostengünstigere Lösung gegenüber Klimaanlagen. Anders sieht es in Nichtwohngebäuden, wie zum Beispiel Büros, aus: Wegen der baulichen Beschaffenheit (hoher Glasanteil, keine oder unzureichende Verschattung) und der höheren inneren Lasten ist der Klimatisierungsbedarf wesentlich größer. Auch der Energieaufwand hierfür ist um ein vielfaches höher als im Wohngebäudebestand. Nach konservativen Schätzungen wird in 6 Prozent der Haushalte in Deutschland heute zumindest ein Teil der Wohnfläche gekühlt, bis 2030 wird ein Anstieg auf knapp 8 % erwartet (Koch et al., 2017). Demgegenüber sind etwa die Hälfte der Büro- und Verwaltungsgebäude mit Klimatisierungsvorrichtungen ausgestattet (Bettgenhäuser et al., 2011).

Neben den indirekten CO₂-Emissionen durch den Strombedarf belasten Klimaanlagen, welche nach dem Kompressionsprinzip funktionieren, auch mit treibhauswirksamen Kältemittelemissionen das ⁠Klima⁠. Die Kältemittel bestehen überwiegend aus teilfluorierten Kohlenwasserstoffen (HFKW), die entweder als Reinstoff oder als Stoffgemische (Blends) zum Einsatz kommen. Durch Verdampfung der Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf wird dem Raum Wärme entzogen und mittels mechanischer Kompression und anschließender Verflüssigung (Kondensation) an die Umgebung abgegeben. Das flüssige Kältemittel wird danach durch ein Drosselventil entspannt und wieder verdampft, wodurch sich der Kreis schließt. In der Klimatisierung werden die HFKW-Kältemittel R‑407C (GWP = 1.774), R‑410A (GWP = 2.088) und R‑134a (GWP = 1.430) eingesetzt, seit einigen Jahren auch R‑32 (GWP = 675). Aufgrund der Einschränkung der Verwendung von HFKW gemäß Verordnung (EU) 2024/573 (F-Gas-Verordnung) werden zunehmend ungesättigte HFKW (uHFKW) wie etwa R‑1234ze(E) und R‑1234yf mit geringem Treibhauspotential verwendet und als Hydrofluorolefine (HFO) vermarktet. R‑1234yf ist ein Bestandteil zahlreicher ⁠Gemische wie R‑513A (GWP = 629) oder R-454B (GWP = 465) mit mittlerem GWP. Die HFKW-Emissionen beliefen sich in der stationären Klimatisierung in Deutschland im Jahr 2021 auf 1,34 Mio. Tonnen CO₂-Äquivalent.

Raumklimageräte dienen der dezentralen Klimatisierung einzelner oder mehrerer Räume eines Gebäudes. Der häufigste Anlagentyp ist das Split-Klimagerät. Dieses besteht aus einem Außengerät, welches Kompressor und Kondensator enthält, und einem oder mehreren Innengeräten (Verdampfer), welche durch Kältemittelleitungen miteinander verbunden sind. Häufig verwendet wird in Split-Klimageräten (Mono- und Multisplit- bzw. VRF-Geräte; VRF: variabler Kältemittelmassenstrom, engl. variable refrigerant flow) mittlerweile das Kältemittel R‑32, nachdem zuvor die HFKW-Mischungen R‑407C und vor allem R‑410A dominierten. Da bei der Montage in den Kältekreislauf eingegriffen wird, dürfen Split-Klimageräte nur durch sachkundiges Personal installiert werden. Das gilt auch für Geräte, die beispielsweise in Baumärkten direkt an den Endverbraucher verkauft werden. Insbesondere VRF-Anlagen haben weitverzweigte Kältemittelleitungen und viele Anschlüsse (bis zu 60 Innengeräte). Daher neigen sie zu Leckagen. Die Kältemittelfüllmenge dieses Anlagentyps kann durch lange Kältemittelleitungen bis 300 Meter und mehr recht groß (bis circa 50 kg) ausfallen. So entweichen bei durchschnittlichen Leckageraten von etwa fünf Prozent in dieser Anwendung signifikante Mengen HFKW in die ⁠Atmosphäre⁠.

Kältemittelleckagen sind durch Dichtheitsprüfungen gemäß der Verordnung (EU) 2024/573 über fluorierte Treibhausgase (F-Gas-Verordnung) zu beheben. Dies ist vor allem bei VRF-Geräten häufig nicht angemessen durchführbar, da Kältemittelleitungen in der Regel schwer zugänglich bis unzugänglich im Gebäude verlegt sind.

Bewegliche Raumklimageräte haben aufgrund ihrer kompakten Bauweise kleinere Kältemittelfüllmengen und eine geringere Leckageneigung, dafür jedoch auch eine geringere Energieeffizienz als Split-Klimageräte. Darüber hinaus wird auch weniger effektiv gekühlt, da die dem Raum entzogene Wärme mittels Luftstrom über einen Schlauch ins Freie befördert werden muss. Dies führt zu einem Unterdruck, wodurch warme Luft von draußen in den Raum nachströmt. Wird der Abluftschlauch nicht durch ein Loch in der Wand, sondern durch ein offenes Fenster geführt, ist der Kühleffekt überschaubar. Diese Geräte dürfen seit 01.01.2020 nur noch mit Kältemitteln mit einem GWP kleiner 150 auf dem europäischen Markt angeboten werden. Neugeräte werden daher ausschließlich mit dem natürlichen Kältemittel R290 (Propan, GWP = 0,02) angeboten.

Bei größerem Kälteleistungsbedarf (ab circa 50 kW) kommen zentrale Anlagen mit Flüssigkeitskühlern zum Einsatz, welche R‑407C und R‑410A als Kältemittel verwenden. Ab 250 Kilowatt Kälteleistungen werden auch Turbokältemaschinen eingesetzt. Diese nutzen R‑134a als Kältemittel, zunehmend auch R1234ze(E). Das bereitgestellte Kaltwasser entzieht den Räumen Wärme entweder direkt durch Gebläsekonvektoren oder Bauteilaktivierung oder indirekt über eine raumlufttechnische Anlage, in der gekühlte Luft über ein Kanalsystem in die Räume eingebracht wird.

Für sämtliche hier genannten Anwendungen und Geräte stehen HFKW-freie Systeme zur Verfügung oder befinden sich unmittelbar vor der Markteinführung. In Indien sind seit 2012 ein Monosplit-Geräte mit dem Kältemittel Propan (R290) auf dem Markt, welches mit Unterstützung der deutschen Gesellschaft für internationale Zusammenarbeit (GIZ) entwickelt wurde. Ebenfalls mit Unterstützung der GIZ hat ein chinesischer Hersteller ein R290-Gerät zur Serienreife gebracht, welches mit dem Blauen Engel für Raumklimageräte ausgezeichnet wurde. 

Aus Sicherheitsgründen wird von einem Einsatz von Kohlenwasserstoffen in Multisplit- beziehungsweise VRF-Systemen, bei denen eine Verbindung zwischen kältemittelführenden Komponenten und Räumen mit Personenaufenthalt (Wohnungen, Büros) besteht, aufgrund der größeren Füllmengen abgesehen. Als Alternative zu den Multisplit- beziehungsweise VRF-Systemen können Flüssigkeitskühler installiert werden, die durch die indirekte Kältebereitstellung mittels Kaltwasser mit einer Reihe natürlicher Kältemittel wie zum Beispiel R290 und R717 (Ammoniak) ausgeführt werden können. R290-Flüssigkeitskühler sind ab einer Nennkälteleistung von 5 kW bis 1,2 MW erhältlich. Ammoniak wird vor allem in großen Anlagen verwendet, zum Beispiel zur Klimatisierung des Stuttgarter Flughafens oder des Gebäudekomplexes am Berliner Ostbahnhof. Ab circa 500 kW Nennkälteleistung sind Ammoniakanlagen nicht nur ökologisch empfehlenswert, sondern auch ökonomisch interessant. Das 600 kW-Klimakältesystem, welches das Dienstgebäude des Bundesministeriums für Umwelt (BMUV) in Bonn versorgt, arbeitet ebenfalls mit dem Kältemittel Ammoniak.

Neben den Kompressionskältemaschinen mit natürlichen Kältemitteln bieten sich auch auf dem Sorptionsprinzip basierende Aggregate (Ab- und Adsorptionskältemaschinen) an. Diese werden anstatt mit elektrischer Energie mit Wärmeenergie mittels thermischer Verdichtung angetrieben. Als Kältemittel kommt für Klimatisierungsanwendungen Wasser zum Einsatz. Für den Betrieb einer Adsorptionskälteanlage ist eine (Ab)Wärmequelle von 55 Grad Celsius bereits ausreichend, wodurch sich diese Anlagen auch für den Antrieb durch Solarwärme eignen. Mehrere Hersteller bieten Systeme ab einer Kälteleistung von rund acht Kilowatt an. Eine besonders günstige Variante ist der Betrieb einer Sorptionskältemaschine mit der Abwärme eines Blockheizkraftwerks. Hierbei wird eine günstige Wärmequelle mit einer auch im Sommer verfügbaren Wärmesenke kombiniert. Fernwärme ist ebenfalls als Wärmequelle geeignet.

Zur Bereitstellung von ⁠Klimakälte⁠ im Dienstgebäude des Umweltbundesamtes in Dessau dient eine 30-Kilowatt-Absorptionskältemaschine, die mit der Wärme einer Solarthermieanlage und alternativ mit Fernwärme betrieben wird.
Neben der Komfortklimatisierung von Wohn- und Nichtwohngebäuden besteht auch in anderen Räumen oder Gebäuden, beispielsweise Reinräume, Labore oder Rechenzentren, ein Klimatisierungsbedarf, der mit den beschriebenen Techniken gedeckt wird. Der Einsatz von Anlagen mit natürlichen Kältemitteln, wie Ammoniak oder Kohlenwasserstoffe, ist bei diesen Anwendungen problemlos möglich.

Eine im Betrieb besonders kostengünstige und klimafreundliche Klimatisierung ist die Verdunstungskühlung. Hier wird durch das Versprühen von Wasser auf einem Register-Wärmeübertrager eines Zentrallüftungsgerätes die Zuluft indirekt gekühlt. Einige dieser Systeme kommen ganz ohne Kältemaschine (und damit auch ohne Kältemittel) aus, die meistens für die Spitzenlast ins Gerät integriert ist. Verdunstungskühlung kommt sowohl für die Komfortklimatisierung als auch für die Rechenzentrumsklimatisierung in Betracht.

Der Bund fördert Modernisierung und Neubau klimaschonender Kälte- und Klimaanlagen mit natürlichen Kältemitteln in gewerblichen Anwendungen mit der Kälte-Klima-Richtlinie. Diese wurde bereits mehrfach überarbeitet, die aktuelle Fassung datiert auf den 12.02.2024.