Passive Kühlungskonzepte für Büro- und Verwaltungsgebäude mittels luft- bzw. wasserdurchströmten Erdreichwärmetauschern

Status

abgeschlossen

Kurzfassung

Der Betrieb von zehntausenden österreichischen Büro- und Verwaltungsgebäuden sorgt für einen enormen jährlichen Energieverbrauch. Nicht nur die Wärmeversorgung spielt bei diesen Gebäuden eine zentrale Rolle, sondern in zunehmendem Maße ist es die Klimatisierung, die signifikante Anteile am Energieverbrauch einnimmt. Üblicherweise werden die auftretenden Kühllasten mit konventionellen Kompressionskälteanlagen (zentral bzw. dezentral) kompensiert. Die Folge ist ein sehr hoher Strombedarf für Klimatisierung, woraus hohe Betriebskosten resultieren.

Alternative Kühlmöglichkeiten mit wesentlich geringerem Einsatz an Primärenergie stellen passive Kühlungskonzepte dar. Diese Systeme erlauben es, mit sehr einfachen Maßnahmen natürliche Wärmesenken (kühles Erdreich, kalte Nachtluft) zu verwenden, indem sie gezielt Wärme abführen und Speichereffekte nutzen. Aufgrund der beschränkt nutzbaren Temperaturniveaus der Wärmesenken passiver Kühlsysteme ist es unerlässlich, durch einhergehende Gebäudeoptimierungen (externe Lasten) und Ausstattungsoptimierungen (interne Lasten) eine spezifische Kühllast von max. 45 W/m² nicht zu überschreiten.

Anhand eines repräsentativen Referenz-Bürogebäudes wurde eine Sensitivitätsanalyse für die passiven Kühlsysteme "Nachtlüftung", "luftdurchströmter Erdreichwärmetauscher (L-EWT)" und "wasserdurchströmter Erdreichwärmetauscher (W-EWT) in Kombination mit Betonkernaktivierung (BKA)" durchgeführt. Die Modellierungen hierfür erfolgten in der dynamischen Simulationsumgebung TRNSYS.

Die Nutzung der im Sommer verhältnismäßig kühlen Nachtluft zur Raumkühlung zeigte bei natürlicher Fensterlüftung gute Ergebnisse und brachte eine Reduktion des Kühlenergiebedarfs um über 50%. Als grober Richtwert kann die Leistungsfähigkeit der natürlichen Fensterlüftung mit etwa 150 Wh/m²d angegeben werden. Die nächtliche Entwärmung über die mechanische Lüftungsanlage zeigte sich bei hohen Luftwechselraten aufgrund des hohen Energiebedarfs für den Ventilatorbetrieb als nicht zweckmäßig.

L-EWT können sinnvoll eingesetzt werden, wenn der erforderliche Luftvolumenstrom in der Größenordnung des hygienisch erforderlichen Luftwechsels liegt. Ansonsten steigen - ähnlich der mechanischen Nachtlüftung - sowohl Antriebsenergiebedarf als auch Kosten für Rohr- und Kanalnetz erheblich an. Der grobe Richtwert für die Leistungsfähigkeit eines L-EWT liegt bei etwa 300 Wh/m²d.

Im Vergleich zu den vorhin genannten Systemen zeigen W-EWT in Kombination mit Betonkernaktivierungen vor allem bei monovalenten Kühlsystemen größerer Leistung Vorteile, da durch die Aktivierung der Gebäudemasse die Leistung der Wärmesenke erheblich reduziert werden kann. Der Richtwert zur Leistungsfähigkeit von W-EWT und BKA liegt bei etwa 480 Wh/m²d.

Eine umfassende Betrachtung von acht unterschiedlichen Kühlsystemen für das Referenz-Bürogebäude zeigte, dass intelligent ausgelegte und betriebene passive Kühlsysteme neben energetischen Vorteilen auch ökonomische Vorteile aufweisen können. Das beste Ergebnis in den Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen erzielte die "Variante W-EWT und BKA" (Flächenverhältnis 3:1), die sogar günstigere jährliche Kosten aufweist als konventionell betriebene Kälteanlagen.

Die insgesamt 64 Teilnehmer am projektbezogenen Planerworkshop zeigen deutlich das Interesse an der Technologie und an der geleisteten Projektarbeit.

Projektleiter

Ing. Christian Fink, DI Ernst Blümel
AEE INTEC, Arbeitsgemeinschaft ERNEUERBARE ENERGIE
Institut für Nachhaltige Technologien

Subauftragnehmer

Prof. Wolfgang Streicher, Dr. Robert Kouba, DI Richard Heimrath
Technische Universität Graz
Institut für Wärmetechnik

Partner

• Architekturbüro Andexer Moosbrugger
• Technisches Büro Ing. Walter Bierbauer
• Technisches Büro Ing. Alfred Herbst
• Strobl Bau GmbH

Kontakt

AEE INTEC
Arbeitsgemeinschaft ERNEUERBARE ENERGIE
Institut für Nachhaltige Technologien
Ing. Christian Fink, DI Ernst Blümel
Feldgasse 19
8200 Gleisdorf,
Tel.: +43 (3112) 5886 - 14
Fax: +43 (3112) 5886 - 18
E-Mail: c.fink@aee.at