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CO2-Neutrale Klimatisierung

1. Einführung

Die gravierenden Folgen der Erderwärmung erfordern einen effizienteren Umgang mit den begrenzten fossilen Ressourcen. Eine wesentliche Ursache der steigenden CO2-Emissionen liegt in der Klimatisierung von Gebäuden, vor allem bei der Raumkühlung durch elektrisch betriebene Klimaanlagen. Derzeit werden jährlich ca. 50 Millionen Klimaanlagen weltweit neu installiert. Gerade in südlichen Regionen steigt der Stromverbrauch wegen des hohen Kühlbedarfs während des Sommers oft so dramatisch an, dass  Stromrationierungen erforderlich werden.

 

2. Forderungen an eine moderne, energieeffiziente Raumklimatisierung

Aus ökologischer Sicht muss der Energieaufwand drastisch gesenkt, idealerweise vollständig durch regenerative Energiequellen (CO2 neutral) sichergestellt werden.

Aus wirtschaftlichen Überlegungen muss eine moderne Klima-Technik sowohl Heizen als auch Kühlen ermöglichen, um die Investitionskosten für eine doppelte Installationstechnik zu vermeiden.

Aus betriebswirtschaftlicher Sicht muss eine moderne Raumklimatisierung eine deutliche Senkung der Betriebs-kosten (Energieverbrauch und Wartung) gewährleisten, da die Preise für Energieträger kontinuierlich steigen.

Aus raumhygienischen Überlegungen muss eine moderne Raumklimatisierung eine physiologische relative Luft-feuchte um 50 %, sowie Schadstoff- und Keimfreiheit der Raumluft sicherstellen. 

 

3. Ausgangslage

Eine energieeffiziente Raumerwärmung über Fußboden-, Wand- oder Deckenheizungen ist Stand der Technik, eine energieeffiziente Bauteilkühlung existiert hingegen nicht. Die Ursache hierfür liegt in dem ungelösten Problem des Kondensat Anfalls bei Unterschreiten der Taupunkt-Temperatur. Da alle gängigen Kalk-, Gips- und Zementputze nur minimale Kondensatmengen sorbieren und speichern können, läuft das Kondensat an der Tapete herunter oder tropft von der Decke, wenn bei feucht-heißen Wetterlagen Luft auf eine kühlende Wand trifft.

Dieses Problem wird z.Zt. umgangen, in dem beim Einbau von Kühldecken energieaufwändige Luftentfeuchtungssysteme installiert werden, um den Taupunkt auf unkritische Temperaturen zu senken. Alternativ wird auf Kühldecken ein Sensor installiert, der vor Erreichen des Taupunktes die Leistung des Kühlsystems drosselt oder komplett abschaltet. Also gerade dann, wenn hohe Außentemperaturen herrschen und in Wohn- oder Arbeitsräumen großer Kühlbedarf besteht, stoßen Bauteilkühlungen bislang an ihre Grenzen. Dieser unbefriedigende Zu-stand führt dazu, dass Raumklimatisierungen bisher nur in Form getrennter Systeme installiert werden, wobei das eine die Heizung übernimmt, ein anderes die Kühlung.

In einem von der deutschen Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) geförderten Projekt wurde von 2010 bis 2012 ein Klimaelement entwickelt,  das alle oben genannten vier Forderungen an eine moder-ne Klimatechnik erfüllt.  Mit diesen Klimaelementen kann geheizt und gekühlt werden, selbst mit massiver Tau-punkt-Unterschreitung. Sie werden im Niedrig-Temperaturbereich betrieben, sodass regenerative Energiequellen die erforderliche Kühl- und Heizleistung sicherstellen können. Klimaelemente tragen erheblich zur Senkung der Betriebskosten bei und gewährleisten ein physiologisches sowie behagliches Raumklima.

Im November 2013 wurden diese Klimaelemente erstmals in einem Musterhaus auf Mallorca (Sole de Mallorca, Carerr Hans, Nr. 73) eingebaut und ausführlich unter der Aufsicht des zuständigen Institutes der Universität Palma (UIB) getestet. Die Auswertung der über zahlreiche Sensoren erhobenen Messergebnisse ergab, dass alle in den Prototypen (2012/2013) gemessenen Werte auch im Praxistest in vollem Umfang bestätigt wurden.

 

4. Das Klimaelement

Die Innovation besteht aus einer hochhygroskopischen mineralischen Dämmplatte (z.B. Multipor, Kalziumsilikat), einer Kapillarrohrmatte, einem Fugenfüller und einem für diese Problemstellung speziell entwickeltem Lehm-putz.  Die Dämmplatte fungiert als Trägerplatte. Wegen der extrem hygroskopischen Eigenschaften eignet sich dieser Baustoff hervorragend als Speicher für anfallendes Kondensat und verhindert zudem wegen seiner guten Dämmeigenschaften (Trockenrohdichte: 200 – 350 kg/ m³; Wärmeleitfähigkeit: <0,060 W/m*K) Wärmeverluste im Winter, sowie das Eindringen der Hitze im Sommer. In die Trägerplatte wird eine Kapillarrohrmatte in eingefräste Nuten eingebettet und mit einem Lehmkleber fixiert. Die Kapillarrohrmatten bestehen aus Polypropylen und zeichnen sich dadurch aus, dass in sehr geringem Abstand (2 – 4 cm) Kapillaren von dem Zulauf abzweigen. Als Folge der engen Rohrführung besitzt das System eine extrem große Oberfläche, sodass Kapillarrohrmatten derzeit das effektivste System zur Energieverteilung/ -abgabe darstellen und deshalb im Niedrigtemperaturbereich betrieben werden können.

 

5. CO2 neutrales Kühlen/ Heizen mit dem Klimaelement

Niedrigtemperaturbetrieb bedeutet, dass das Wasser bei Heizbedarf nur Vorlauftemperaturen unter 30 Grad und im Sommer in Kühlfunktion nur 22 bis 24 Grad besitzen muss, um ein behagliches Raumklima zu gewährleisten. Besonders angenehm ist für den Bewohner die bei einer Bauteilkühlung wirkende Strahlungs-energie, die für das Wohlbefinden wichtiger ist, als die absolute Lufttemperatur.

Für das Heizen können Vorlauftemperaturen von 25 – 28 Grad über regenerative, also CO2 neutrale Energie-quellen gewonnen werden, wie z.B. Solarkollektoren, Biomasse, geothermische Ressourcen, Kleinwindkraft-anlagen uam.

Bei Kühlfunktion kann per Wärmetauscher kaltes Wasser geothermisch (Zisterne, Fluss, Meer, einem Swimmingpool uam) gewonnen werden. Bei sehr hohem Kühlbedarf kann eine solarthermische Kühlung die benötigte Energie liefern.

Während einer Kühlung unterhalb des Taupunktes absorbiert das Klimaelement anfallendes Kondensat. Dieses wird langsam in der Zeit, in der nicht mehr gekühlt werden muss, an den Raum abgegeben. Dieser Prozess der Feuchteabsorption und -desorption ist unbegrenzt reversibel. Ein weiterer Vorteil der Klimaelemente besteht darin, dass während der Feuchteabgabe Verdunstungskälte entsteht, ein Raum vom Spätnachmittag bis zum folgenden Mittag also passiv gekühlt wird, ohne dass Photovoltaik angetriebene Pumpen kaltes Wasser durch das System fördern müssen, während bei Air-Kondition Systemen eine adiabatische Kühlung nicht möglich ist.                                                                                                                                                                                                                                                                                                            

6. Gesundheitliche Aspekte

Die Feuchtesorptions- und -desorptionsfähigkeit des Lehmputzes sichert eine konstante, nie zu feuchte und nie zu trockene, relative Luftfeuchte von 40 % bis 60 %. Beim Einsatz der Klimaelemente entfällt die unangenehme Luftzirkulation der Air-Kondition-Systeme, die eine häufige Ursache der sommerlichen Erkältungskrankheiten sind. Auch das Risiko so genannter „Keimschleudern“ (Verteilung von Krankheitserregern durch nicht/ schlecht gewartete Luftfilteranlagen) entfällt beim Einsatz der Klimaelemente.

 

7. Zusammenfassung

Die Vorteile der Klimaelemente in Schlagworten:

Kühlen und Heizen mit einem System Vermeidung anfallender Kondensat Probleme bei Unterschreitung der Taupunkttemperatur Vermeidung von Schimmelpilzbildung einsetzbar in Alt- und Neubauten geeignet für den Einsatz in gemäßigten und subtropischen Klimazonen deutliche Senkung des Energieverbrauchs beim Heizen und Kühlen deutliche Senkung der Kosten für die Dämmung, da keine dicken Dämmschichten erforderlich sind keine Gesundheitsbelastung durch zu trockene und ggf. verschmutzte sowie stark zirkulierender Raumluft Wartungsfreiheit, da keine Filter zu wechseln und Brenner einzustellen sind Nutzerfreundlichkeit, da nur sehr einfache Steuerungs- und Regeltechnik erforderlich Langlebigkeit

 

CO2-neutrale Raumklimatisierung

Wir sind der Auffassung, dass die oben vorgestellte Innovation „Klimaelement“ alle Forderungen, die Ökologen, Investoren, Bauherren und Nutzer von Wohn- und Arbeitsräumen an eine moderne Raumklimatisierung stellen, in vollem Umfang erfüllt und deshalb einen erheblichen Beitrag zur Schonung der Umwelt insbesondere durch eine Verminderung der weltweiten CO2 Emissionen leisten wird.