Grundlagen/Kühlung

Die Kühlung entzieht einem Gebäude oder Raum Wärme, damit die Raumtemperatur an heißen Tagen oder bei hohen inneren und solaren Lasten unter einem gewünschten Wert bleibt. Sie kommt dort zum Einsatz, wo ein frei laufendes Gebäude den sommerlichen Komfort nicht mehr hält – in Büros, im Handel, in Hotels oder in gut gedämmten Wohngebäuden mit großen Fensterflächen. Die Kälte liefert häufig dieselbe Wärmepumpe, die im Winter heizt: reversibel betrieben, kehrt sie ihren Kältekreislauf um und gibt die dem Raum entzogene Wärme an die Umgebung ab.

Funktionsprinzip

Die Kühllast ist der Wärmestrom, den ein Raum bei Auslegungsbedingungen – dem wärmsten zu erwartenden Tag – abführen muss, damit die Raumtemperatur einen Kühlsollwert nicht übersteigt; sie setzt sich aus Transmission, Sonneneinstrahlung durch Fenster und inneren Lasten (Personen, Beleuchtung, Geräte) zusammen; zu dieser sensiblen Last kommt eine latente, wenn die Raumluft zusätzlich entfeuchtet wird. Der Kältebedarf ist die Jahressumme der abgeführten Wärme. Eine reversible Wärmepumpe erzeugt die Kälte, indem sie ihren Kältekreislauf umkehrt: Sie entzieht dem Kaltwasserkreis Wärme und gibt sie über den Verflüssiger an eine wärmere Umgebung ab – Außenluft, Erdreich oder Grundwasser als Wärmesenke. Im Raum übergibt eine Kühldecke oder Flächenkühlung die Kälte über eine große, nur leicht abgekühlte Fläche, ein Gebläsekonvektor über eine kleine, ventilatorunterstützte Fläche mit deutlich tieferem Kaltwasser-Vorlauf.

EER im Kühlbetrieb über der Außentemperatur

EER (Beispielwerte)

5,0

20 °C

4,0

27 °C

3,0

35 °C

2,5

40 °C

Außentemperatur (Wärmesenke der Kälteerzeugung)

EER im Kühlbetrieb

Prinzipbild, Beispielwerte gerundet.

Reversible Wärmepumpe: Flächenheizung im Winter, Kühldecken im Sommer. Prinzipbild, Beispielwerte gerundet.

Kälteanlage: Kältemaschine mit Verdampfer, Verdichter und Verflüssiger, Rückkühler und Energieflüsse bei 100 kW Kälte und EER 3,5. Prinzipbild, Beispielwerte gerundet.

Die Kältemaschine arbeitet mit demselben Kreisprozess wie die Wärmepumpe, nur mit der kalten Seite als Nutzen: Im Verdampfer verdampft das Kältemittel bei tiefer Temperatur und nimmt die Wärme des Kaltwassers auf, der Verdichter hebt es mit Strom auf einen höheren Druck, im Verflüssiger gibt es Kälte und Antriebsenergie als Wärme ab, die Drossel entspannt es wieder. Die Energiebilanz lautet: Wärme an den Rückkühler = Kälte + Strom. Beispiel: 100 kW Kälte bei EER 3,5 brauchen rund 29 kW Strom, der Rückkühler gibt 129 kW an die Außenluft ab.

Kennzahlen

Kennzahl	Bedeutung	typischer Bereich
Kühllast	sensibler Wärmestrom am Auslegungstag, in kW	wenige kW (Wohnhaus) bis mehrere 100 kW (großes Bürogebäude)
Kältebedarf	Jahressumme der abgeführten Kälte, in kWh/a	einige 100 bis mehrere 100 000 kWh/a, je nach Gebäudegröße und Klima
EER (Energy Efficiency Ratio)	Kälteleistung geteilt durch elektrische Leistungsaufnahme im Kühlbetrieb, am Auslegungspunkt	rund 2 bis 5
SEER (Seasonal EER)	über eine Kühlsaison mit Teillast und wechselnder Außentemperatur gemittelte Leistungszahl	häufig höher als der EER am Auslegungspunkt, weil die meisten Stunden milder und mit Teillast laufen
Kaltwasser-Vorlauf/-Rücklauf	Temperatur des Kühlmediums zur/von der Übergabe, in °C	Kühldecke/Flächenkühlung rund 14 bis 18/17 bis 21 °C, Gebläsekonvektor rund 6 bis 9/11 bis 14 °C
Taupunkt	Temperatur, ab der Raumluft an einer kälteren Fläche Feuchte ausscheidet, in °C	häufig 12 bis 17 °C, abhängig von Raumtemperatur und -feuchte

Typische Größen

Einsatzfall	Richtwert Kühllast	Bemerkung
Einfamilienhaus (Neubau)	rund 15 bis 25 W/m² Wohnfläche	meist nur bei großen Fensterflächen oder hohem Komfortanspruch genutzt
Mehrfamilienhaus	rund 20 bis 30 W/m² Wohnfläche	seltener gekühlt als stark verglaste Einzelgebäude
Bürogebäude, Gewerbe	rund 40 bis 80 W/m² Nutzfläche	höhere innere Lasten durch Personen, Beleuchtung und Geräte

Teillast und Takten der Kältemaschine

Eine Kältemaschine liefert ihre Nennleistung nur bei Volllast; im Betrieb läuft sie meist darunter. EPOS-Plan rechnet das Teillastverhalten auf Wunsch je Gerät, mit der Teillastrechnung linear oder Kurve.

Teillastkurve. Die Kurve setzt den Strombedarf bei Teillast ins Verhältnis zur Volllast: E(x) = (a + b·x + c·x²) / (a + b + c) mit dem Lastgrad x (Last durch verfügbare Kälteleistung). Bei x = 1 ist E = 1. Der Verlauf gilt als plausibel, wenn das Verhältnis x / E(x) zwischen 0,3 und 2,0 liegt. Geprüft wird ab der Grenze Kurve gültig ab Lastgrad x_u, mindestens ab x = 0,1; ist x_u leer, gilt die Mindestteillast. Vorgabekurven je Verdichterregelung (Ein/Aus, Stufen, Drehzahl) liegen im Programm.

Mindestteillast und Taktverlust. Unterhalb der Mindestteillast (Nennleistung mal Mindestteillast) kann die Maschine nicht weiter modulieren; sie taktet. Der Taktverlustfaktor C_d (Vorgabe 0,9) bestimmt den Mehrstrom des Taktens, jeder Anlauf zählt als Start, und der Mehrstrom erscheint als eigener Taktstrom.

Kennfeldrand. Liegen Kaltwasser- oder Rückkühltemperatur außerhalb der Stützpunkte, hält Randwert den Wert am Rand. Gütegrad bestimmt den Gütegrad der Maschine im Randpunkt als Verhältnis zum Carnot-Wert und führt ihn bis höchstens 10 K über den Rand fort; der EER bleibt bei 15 gedeckelt.

Folgeschaltung. Stehen mehrere gleiche Maschinen bereit, laufen n = ⌈Last / Q_av⌉ Maschinen, mit Q_av als verfügbarer Kälteleistung einer Maschine. Die Last teilen sie gleichmäßig; so bleibt der Lastgrad jeder laufenden Maschine hoch.

EER einer Kältemaschine über der Rückkühltemperatur und bei Teillast mit den Vorgabekurven je Verdichterregelung und Takten. Prinzipbild.

Linkes Feld: Volllast. Es zeigt den EER bei Volllast über der Rückkühltemperatur nach dem Gütegradansatz, mit dem EPOS-Plan eine Kennlinie über ihren Rand fortsetzt. Bei 35 °C Rückkühlung steigt der EER mit 16 statt 6 °C Kaltwasser von 3,5 auf rund 5,5.

Rechtes Feld: Teillast und Takten. Es zeigt, wie viel besser oder schlechter eine Maschine bei Teillast arbeitet als bei Volllast unter denselben Temperaturen.

• Waagerechte Achse: der Lastgrad, also die Kälte der Stunde geteilt durch die Kälteleistung, die die Maschine bei denselben Temperaturen höchstens liefern kann. 100 % ist Volllast.
• Senkrechte Achse: der Faktor auf den EER bei Volllast. 1,0 heißt so gut wie bei Volllast, 1,3 heißt 30 % mehr Kälte je kWh Strom, 0,8 heißt 20 % weniger. Bei 100 % Last treffen sich alle Kurven bei 1,0.
• Warum die Drehzahlkurve über 1 liegt: Bei Teillast übertragen Verdampfer und Verflüssiger weniger Wärme über dieselbe Fläche. Die Temperaturdifferenzen in ihnen werden kleiner, der Verdichter hebt das Kältemittel über einen kleineren Temperaturhub und braucht je kWh Kälte weniger Strom. Eine drehzahlgeregelte Maschine nutzt das am besten, weil ihr Verdichter mit kleinerer Drehzahl durchläuft; ihre Kurve steigt bis rund 1,3 bei 30 bis 50 % Last. Eine gestufte Maschine verliert bei kleiner Last im abgeregelten Verdichter mehr, als sie an den Wärmeübertragern gewinnt; ihre Kurve fällt unter 1. Die Kurve Ein/Aus liegt knapp über 1. Die drei Kurven sind die Vorgaben des Programms je Verdichterregelung; mit eigenen Beiwerten rechnet EPOS-Plan die Kurve des Geräts.
• Unter der Mindestteillast (graue Fläche): Unterhalb der Mindestteillast, im Bild 30 %, kann die Maschine ihre Leistung nicht weiter senken. Sie läuft mit ihrer Mindestleistung und schaltet dazwischen ab: Sie taktet. Nach jedem Anlauf braucht sie Strom, bis Drücke und Temperaturen wieder stehen. EPOS-Plan nimmt dafür den Faktor am Mindestpunkt mal dem Taktfaktor CR / (C_d · CR + 1 − C_d) nach der Form der DIN EN 14825, mit CR = Last / Mindestleistung und dem Taktverlustfaktor C_d (Vorgabe 0,9). Je kleiner die Last, desto größer der Anteil der Anläufe und desto steiler fallen die Kurven.

Ablesebeispiel an der Drehzahlkurve (Marken ① bis ③), Maschine mit EER 3,5 bei Volllast wie links bei 6/35 °C und 30 % Mindestteillast:

1. ① Bei 50 % Last zeigt die Kurve 1,31. Der EER der Stunde ist 3,5 × 1,31 ≈ 4,6.
2. ② Am Mindestpunkt, 30 % Last, zeigt sie 1,33; die Maschine läuft hier gerade noch durch, der EER ist rund 4,6.
3. ③ Bei 15 % Last liegt die Stunde in der grauen Fläche. CR = 15 % / 30 % = 0,5, der Taktfaktor ist 0,5 / (0,9 · 0,5 + 1 − 0,9) = 0,91. Der Faktor ist 1,33 × 0,91 ≈ 1,21, der EER rund 4,2 – rund 9 % unter dem Mindestpunkt. Der Unterschied ist der Mehrstrom des Taktens.

Die Felder der Gruppe Teillast und Takten beschreibt Kältemaschinen nach Typ, die Ergebnisse Kälteerzeugung.

CO₂-Kältemaschine (R744)

Das Kältemittel CO₂ (R744) hat seinen kritischen Punkt bei 31,1 °C und 73,8 bar, weit unter dem anderer Kältemittel. Eine luftgekühlte CO₂-Kältemaschine arbeitet deshalb je nach Außentemperatur in zwei Betriebsarten.

CO₂-Kreisprozess im Druck-Enthalpie-Bild: unterkritisch mit Verflüssiger, transkritisch mit Gaskühler und Hochdruck im Optimum, Mitteldruck der Parallelverdichtung, Hub des Ejektors und Wärmerückgewinnung am Gaskühler. Prinzipbild ohne Maßstab, keine Stoffwerttafel.

Subkritisch und transkritisch. Bei kühler Luft – unterhalb der Umschaltgrenze Lufteintritt, Vorgabe 25 °C – verflüssigt das CO₂ im Verflüssiger wie jedes Kältemittel (subkritischer Betrieb). Es verflüssigt bei der Lufteintrittstemperatur plus Grädigkeit Verflüssiger, mindestens bei der Kleinsten Verflüssigung; der Druck folgt dieser Temperatur. Oberhalb der Umschaltgrenze liegt die Wärmesenke zu warm, das CO₂ kann nicht verflüssigen und gibt seine Wärme als Gas in einem Gaskühler ab (transkritischer Betrieb). Es verlässt ihn bei der Lufteintrittstemperatur plus Annäherung Gaskühler. Der Druck im Gaskühler, der Hochdruck, ist dann frei wählbar.

Optimaler Hochdruck. Transkritisch hat die Leistungszahl über dem Hochdruck ein Maximum: Ein zu niedriger Druck kostet sehr viel Leistungszahl, ein zu hoher nur wenig. EPOS-Plan sucht den günstigsten Hochdruck je Stunde, nach unten durch einen kleinen Abstand zum kritischen Druck, nach oben durch Hochdruck max. begrenzt. Stunden, in denen die Suche an dieser Grenze endet, zählt das Ergebnis als Stunden am Hochdruckdeckel. Je wärmer die Luft, desto höher liegt der günstigste Druck und desto schlechter ist die Leistungszahl; sie fällt an der Umschaltgrenze besonders steil, weil mit der Verflüssigung der günstige Teil des Prozesses entfällt.

Kreisprozess und EER. Das CO₂ wird auf den Verdampfungsdruck entspannt (die Drossel ändert die Enthalpie nicht), verdampft im Verdampfer bei der Kaltwassertemperatur minus Grädigkeit Verdampfer, wird um die Überhitzung erwärmt und vom Verdichter auf den Hochdruck gebracht. Der isentrope Wirkungsgrad des Verdichters ist eine Gerade über dem Druckverhältnis. Der EER ist die Enthalpiedifferenz im Verdampfer geteilt durch die Verdichterarbeit je Kilogramm, bei einer Systemvariante mit dem Variantenfaktor multipliziert, der nur in transkritischen Stunden wirkt. Die Kälteleistung folgt aus dem Hubvolumen, das am Nennpunkt auf die Nennkälteleistung gesetzt wird, dem Liefergrad und der Dichte am Verdichtereintritt. Die Stoffwerte des CO₂ liefert eine eingebaute Tabelle.

Inneres Kennfeld und Grenzen. EPOS-Plan rechnet den Kreisprozess einmal je Gerät über ein Raster aus Lufteintritt und Kaltwassertemperatur und liest in der Stunde das Ergebnis aus diesem inneren Kennfeld. Teillast, Takten, Rückkühlung und Hilfsstrom rechnen wie bei jeder Kältemaschine. Drei Grenzen kennt die Rechnung: Der Hochdruck endet bei Hochdruck max.; ist der Gaskühleraustritt so warm, dass der Hochdruck nicht mehr ausreicht, liefert die Maschine keine Kälte (gesperrte Stunde, Lufteintritt zu hoch); außerhalb des Bereichs der Druckverhältnisse wird der Betriebspunkt auf den Rand geklemmt (Stunde an einer Kennfeldgrenze).

Systemvarianten. Im einstufigen Kreislauf verliert die Maschine transkritisch an zwei Stellen: Beim Entspannen auf den Verdampfungsdruck entsteht viel Dampf, der nichts zur Kälte beiträgt, aber vom niedrigen Druck aus voll verdichtet werden muss, und die Expansionsarbeit geht in der Drossel verloren. Beide Verluste wachsen steil mit der Temperatur am Gaskühleraustritt. Zwei Bauweisen holen davon zurück:

• Parallelverdichtung. Das CO₂ wird zunächst auf einen Mitteldruck in einen Behälter entspannt. Den Dampfanteil, den Flashgasanteil, saugt ein zweiter Verdichter bei diesem Mitteldruck ab und verdichtet ihn auf den Hochdruck – über ein kleineres Druckverhältnis als vom Verdampfungsdruck aus. Nur die Flüssigkeit geht zum Verdampfer. Der Gewinn ist bei kaltem Gaskühleraustritt klein und transkritisch groß; er hängt stark am Mitteldruck. EPOS-Plan sucht den Mitteldruck je Stunde im Optimum oder rechnet mit einem festen Wert, begrenzt durch Mitteldruck max..
• Ejektor. Der Strom aus dem Gaskühler entspannt in einer Düse und saugt dabei Dampf aus dem Verdampfer an, den er auf einen Druck über dem Verdampfungsdruck hebt (Ejektorhub). Der Verdichter saugt dann bei diesem höheren Druck an. Der Ejektorwirkungsgrad ist das Verhältnis der zurückgewonnenen zur verfügbaren Expansionsarbeit. Bei kalter Luft ist der Druckunterschied klein und der Ejektor wenig wirksam; der Schalter Ejektor nur in überkritischen Stunden überbrückt ihn dann (Stunden im Bypass). Damit der EER an der Umschaltgrenze nicht springt, setzt der Ejektor in den 3 K Lufteintritt unter der Grenze allmählich ein: EPOS-Plan mischt dort die Werte ohne und mit Ejektor anteilig. Die Breite von 3 K ist eine Setzung ohne belegte Quelle.
• Parallelverdichtung mit Ejektor verbindet beide: Der Ejektor fördert in den Mitteldruckbehälter, was er nicht ansaugt, nimmt der Grundverdichter vom Verdampfer.
• Gütegrad-Deckel. Der Deckel auf 0,45 mal den Carnot-EER gilt für den einstufigen Kreislauf am selben Betriebspunkt. Mit einer Systemvariante kommt deren Stromersparnis gegenüber diesem gedeckelten einstufigen Wert hinzu; der Gewinn der Variante bleibt damit auch bei kalter Luft erhalten.

Beispiel. Ein Überschlag mit den Vorgaben des Programms (Ejektorwirkungsgrad 0,25) ergibt bei 35 °C Lufteintritt und 6 °C Kaltwasser einen um gut ein Fünftel höheren EER mit Parallelverdichtung und um knapp ein Drittel höheren mit Ejektor und Parallelverdichtung; bei 10 °C Lufteintritt sind es mit Parallelverdichtung knapp drei Prozent, und der Ejektor bringt dort nur etwas, wenn der Schalter Ejektor nur in überkritischen Stunden ausgeschaltet ist (rund sieben Prozent). Das sind Orientierungswerte aus einer vereinfachten Rechnung, keine Zusage für ein Gerät; Datenblattpunkte des Geräts, an die sich das Programm anpassen lässt, haben Vorrang. Wie die Felder heißen und wo die Ergebnisse stehen, beschreibt Kältemaschinen nach Typ: CO₂-Kältemaschine.

Wärmerückgewinnung am Gaskühler. Transkritisch gibt das CO₂ seine Wärme nicht bei einer festen Temperatur ab, sondern gleitend: Das Heißgas verlässt den Verdichter mit 60 bis 120 °C und kühlt im Gaskühler ohne Phasenwechsel bis nahe an die Lufttemperatur ab. Der heiße Teil dieses Gleits lässt sich nutzen. Ein Wärmeübertrager vor dem Luft-Gaskühler nimmt ihn im Gegenstrom zum Heizwasser auf; dabei muss das CO₂ das Wasser an jeder Stelle um den Pinch übertreffen, am heißen Ende also mindestens die Vorlauftemperatur plus Pinch erreichen. Den Rest kühlt die Luft. Solche Wärme ist frei: Sie fällt an, ohne dass die Kälte mehr Strom braucht, und in warmen Stunden ist sie reichlich.

Reicht die freie Wärme nicht, kann die Maschine den Hochdruck anheben. Das hebt die Heißgastemperatur und macht mehr Wärme oder eine heißere Senke erreichbar, kostet aber Verdichterarbeit; der EER fällt. EPOS-Plan wählt den Hochdruck je Stunde nach dem Wert der Wärme: Es sucht den Druck, bei dem die Wärme geteilt durch die Grenzleistungszahl ε_G abzüglich des Mehrstroms am größten ist (J = min(Wärme, Bedarf)/ε_G − Mehrstrom). Anders gesagt: Es hebt an, solange ein Kilowatt Mehrstrom mehr als ε_G Kilowatt Wärme einbringt. ε_G ist die Leistungszahl des Erzeugers, den die Wärme ersetzt; die Vorgabe 3,0 ist eine Setzung ohne belegte Quelle. Die Anhebung endet am Deckel, der Hochdruckgrenze. Nimmt die Senke alles ab, was der Übertrager liefert (Grenzfall „Senke nimmt alles“), entfällt der Bedarf als Grenze, und es zählt nur der Deckel.

Beispiel. Heizkreis 45/40 °C, Kaltwasser 6 °C, ε_G 3,0, Hochdruckgrenze 86 bar. Bei 10 °C Lufteintritt liegt der Hochdruck bei 52,1 bar, der EER bei 8,22, und es fällt keine nutzbare Wärme an. Bei 20 °C stehen 86,0 bar am Deckel, der EER fällt auf 3,16, dafür fallen 0,56 kWh Wärme je kWh Kälte an; bei 30 °C sind es 86,0 bar, EER 2,49 und 0,70 kWh Wärme je kWh Kälte. Die Wärme ist in warmen Stunden also reichlich vorhanden, ihr Preis ist der niedrigere EER. Das sind Werte der Vorschau im Programm, keine Zusage für ein Gerät. Mit einer Systemvariante tritt in den Gaskühler die Mischung beider Verdichteraustritte ein, mit Ejektor der Treibstrom; die Maschine kühlt dann besser und gibt je kWh Kälte etwas weniger Wärme ab. Die Eingaben erklärt Kältemaschinen nach Typ: Wärmerückgewinnung am Gaskühler.

Kennzahlen im Ergebnis. Der Ergebnisreiter „Kälteanlage“ zeigt je Kältemaschine mit Wärmerückgewinnung elf Jahreswerte; dieselben stehen im Bericht:

• Rückgewonnene Wärme am Gaskühler – Wärme, die der Wärmeübertrager vor dem Luft-Gaskühler im Jahr an die Wärmesenke abgab, direkt oder über den Puffer – frei angefallen oder mit angehobenem Hochdruck oder Gaskühleraustritt gewonnen.
• Mehrstrom der Hochdruckanhebung – Strom, den der Verdichter für die Anhebung von Hochdruck und Gaskühleraustritt zusätzlich brauchte, gerechnet gegen den Kältebetrieb im EER-Optimum; er zählt zum Strom der Kopplung.
• Stunden mit angehobenem Hochdruck – Stunden mit genutzter Wärme, in denen die Druckwahl den Hochdruck über das EER-Optimum hob, weil die Wärme den Mehrstrom lohnte; die Stunden am Deckel zählen mit.
• Stunden am Deckel der Druckwahl – Davon die Stunden, in denen die Anhebung an der Hochdruckgrenze endete, dem Deckel der Druckwahl – dem kleineren Wert aus Gerätegrenze und eingestelltem Höchstdruck der Kopplung.
• Mittlerer Hochdruck mit Wärmesenke – Mittel des gewählten Hochdrucks über die Stunden, in denen Wärme direkt an die Senke ging.
• Mittlere Grenzleistungszahl der Druckwahl – Wärmegewichtetes Mittel der Grenzleistungszahl ε_G, der Leistungszahl des Erzeugers, den die Wärme ersetzt: Angehoben wird, solange eine kWh Mehrstrom mehr als ε_G kWh Wärme einbringt.
• Mehrwärme gegen den Kältebetrieb im Optimum – Genutzte Wärme über der, die die Maschine im Kältebetrieb im EER-Optimum mit dem Gaskühleraustritt an der Luft an dieselbe Senke abgegeben hätte – der Gewinn der Anhebung.
• Verfügbare Abwärme auf Senkenniveau – Wärme, die der Wärmeübertrager beim gewählten Betriebspunkt auf dem Temperaturniveau der Senke anbot, genutzt oder nicht; in Stunden ohne Wärmebedarf zählt nur das Angebot an einen Puffer.
• TER (Kälte und verfügbare Abwärme je Verdichterstrom) – Total Efficiency Ratio: Kälte der Maschine und verfügbare Abwärme zusammen je kWh Verdichterstrom (ohne Hilfsstrom), über das Jahr gerechnet.
• Mehrwärme je Mehrstrom – Mehrwärme geteilt durch Mehrstrom: wie viele kWh Wärme jede kWh Mehrstrom der Anhebung einbrachte – der Vergleichswert zur Grenzleistungszahl: Liegt sie über ε_G, brachte der Mehrstrom mehr Wärme, als der ersetzte Erzeuger mit demselben Strom liefert.
• Stunden mit angehobenem Gaskühleraustritt – Stunden am Deckel mit offenem Wärmebedarf, in denen die Maschine zusätzlich den Austritt des Luft-Gaskühlers anhob: mehr Wärme, aber auch mehr Strom je kWh Kälte.

Sorptionskälte

Eine Sorptionskältemaschine erzeugt Kälte mit Wärme statt mit einem Verdichter. An die Stelle des mechanischen Verdichters tritt ein thermischer Verdichter: Das Kältemittel – Wasser oder Ammoniak – verdampft im Verdampfer und nimmt dabei Wärme aus dem Kaltwasser auf. Ein Sorptionsmittel nimmt den Dampf auf, die Antriebswärme treibt ihn bei höherem Druck wieder aus, und er verflüssigt im Verflüssiger. Die Kältemaschine braucht nur wenig Strom für Pumpen.

Absorptionskältemaschine einstufig mit Wasser/Lithiumbromid: Weg des Kältemittels und der Lösung, drei Temperaturniveaus und Wärmebilanz. Prinzipbild, Werte gerundet.

Kreislauf der Absorption. Das Bild folgt dem Kältemittel Wasser: Im Austreiber kocht die Antriebswärme Wasserdampf aus der Lösung. Der Dampf strömt in den Kondensator (Verflüssiger) und wird flüssig; seine Kondensationswärme geht an das Kühlwasser. Über eine Drossel gelangt das Wasser auf den niedrigen Druck des Verdampfers und verdampft dort bei wenigen Grad – dabei entzieht es dem Kaltwasser Wärme, das ist die Kälte. Den Dampf nimmt im Absorber die Lösung auf; die dabei frei werdende Wärme geht wieder an das Kühlwasser. Die Lösung hat ihren eigenen Weg: Die Lösungspumpe fördert die reiche Lösung, die viel Wasser enthält, vom Absorber auf den hohen Druck zum Austreiber; die arme Lösung fließt über eine zweite Drossel zurück. Der Lösungswärmetauscher wärmt dabei die reiche Lösung mit der heißen armen vor und spart Antriebswärme. Die Lösungspumpe braucht den Hilfsstrom.

Drei Temperaturniveaus. Die Maschine arbeitet zwischen drei Wasserkreisen: hoch der Antrieb (Heizwasser, im Bild 90 → 80 °C), mittel die Rückkühlung (Kühlwasser 27 → 32 °C, meist erst durch den Absorber, dann durch den Kondensator) und tief das Kaltwasser (12 → 7 °C). Wärme kommt am Antrieb und am Kaltwasser herein und geht an der Rückkühlung hinaus. Daraus folgt die Wärmebilanz: Antriebswärme + Kälte + Hilfsstrom = Rückkühlwärme. Am Nennpunkt des eingebauten Typkennfelds einstufig (90/27/7 °C) liegt das Wärmeverhältnis bei rund 0,75: 100 kW Kälte brauchen rund 133 kW Antriebswärme, die Rückkühlung führt rund 233 kW ab.

Absorption und Adsorption. Bei der Absorption löst eine Flüssigkeit den Dampf des Kältemittels und gibt ihn im Austreiber wieder ab; der Betrieb ist stetig. Zur Wahl stehen die Stoffpaare Wasser/Lithiumbromid (einstufig oder zweistufig) und Ammoniak/Wasser. Bei der Adsorption bindet ein fester Stoff, Silicagel oder Zeolith, das Wasser an seiner Oberfläche; meist zwei Kammern wechseln zwischen Aufnehmen und Austreiben, der Betrieb ist daher in Zyklen gegliedert. Die zweistufige Absorption (Doppeleffekt) nutzt die Antriebswärme zweimal und braucht dafür Antriebstemperaturen von 140 bis 190 °C; ihr Wärmeverhältnis liegt deutlich über dem der einstufigen. Ammoniak/Wasser kühlt Sole auch unter 0 °C und deckt damit Prozesskälte; die wasserbasierten Paare liefern dort keine Kälte.

Adsorptionskältemaschine mit zwei Kammern im Wechsel: Eine Kammer desorbiert mit Antriebswärme, die andere adsorbiert und wird rückgekühlt; nach jedem Halbzyklus tauschen sie. Prinzipbild, Werte gerundet.

Wechsel der Kammern. Eine Adsorptionskältemaschine hat keine Lösung, die umläuft; das Sorbens bleibt in seinen Kammern. Im ersten Halbzyklus heizt die Antriebswärme Kammer A: Ihr Sorbens gibt das gebundene Wasser als Dampf ab, die Klappe zum Kondensator ist offen, der Dampf wird dort flüssig und fließt über die Drossel in den Verdampfer. Zur selben Zeit kühlt das Kühlwasser Kammer B: Ihr trockenes Sorbens zieht den Dampf aus dem Verdampfer an, die Klappe zum Verdampfer ist offen, das Wasser verdampft weiter und kühlt das Kaltwasser. Ist Kammer A ausgetrieben und Kammer B gesättigt, schalten Klappen und Wasserkreise um, und die Kammern tauschen die Rollen. Die Kälte kommt daher in Zyklen; über einen Zyklus gemittelt gilt dieselbe Wärmebilanz wie bei der Absorption. Ein erfundenes Beispiel mit runden Werten: Antrieb 75 °C, Kühlwasser 30 °C, Kaltwasser 15 °C und ein Wärmeverhältnis von rund 0,55 – dann brauchen 100 kW Kälte rund 183 kW Antriebswärme, und die Rückkühlung führt rund 283 kW ab.

Wärmeverhältnis und Rückkühlung. Die Kennzahl ist das Wärmeverhältnis ζ: Kälte geteilt durch Antriebswärme. Die Rückkühlung muss die Summe aus Kälte und Antriebswärme abführen, bei der Sorption also mehr als bei der elektrischen Kältemaschine; deshalb ist die Rückkühlung einer Sorptionsmaschine wassergekühlt. Die Kälteleistung hängt von drei Temperaturen ab: Je niedriger der Antrieb und je wärmer das Kühlwasser, desto weniger Kälte und desto schlechter das Wärmeverhältnis. Das Gerät arbeitet nur innerhalb von Einsatzgrenzen für Antrieb und Kühlwasser. EPOS-Plan hält die Kennlinie als Typkennfeld der Bauart, skaliert auf Leistung und Wärmeverhältnis des Geräts, oder passt sie an Datenblattpunkte an; bei Adsorption und bei Ammoniak/Wasser sind eigene Datenblattpunkte nötig.

Beispiel. Eine Sorptionsmaschine mit ζ = 0,7 liefert 100 kW Kälte aus rund 143 kW Antriebswärme; die Rückkühlung führt rund 243 kW ab. Eine elektrische Kältemaschine mit EER 3,5 braucht für dieselben 100 kW etwa 29 kW Strom und führt rund 129 kW ab. Sinnvoll wird die Sorption dort, wo die Antriebswärme ohnehin anfällt und im Sommer sonst ungenutzt bliebe, etwa Abwärme eines BHKW oder Wärme aus Solarthermie.

Antriebswege. EPOS-Plan kennt drei Wege, die Antriebswärme zu beschaffen:

• extern – die Wärme kommt von einem Träger wie Fernwärme und wird als dessen Verbrauch gebucht, begrenzt durch Antriebsvorlauf und Anschlussleistung; eine Abwärme mit eigenem Verlauf kann Verfügbarkeit und Temperatur je Stunde vorgeben.
• gekoppelt – die Wärme kommt von Erzeugern des Projekts: BHKW, Solarthermie oder Kessel. Die Quelle bedient den Antrieb wie eine Wärmesenke. Ist sie kältegeführt, darf sie für den Antrieb anlaufen oder länger laufen; ist sie wärmegeführt (Mitnahme), nimmt der Antrieb nur Wärme, die die Quelle ohnehin bereitstellt, und löst keinen Start aus. Ein Antriebspuffer überbrückt Stunden, in denen die Quellen mehr Wärme liefern, als der Antrieb gerade verwertet.
• direkt befeuert – das Gerät hat einen eigenen Brenner. Der Brennstoff je Stunde ist die Antriebswärme geteilt durch den Brennerwirkungsgrad; der Gasnutzungsgrad ist das Produkt aus Wärmeverhältnis und Brennerwirkungsgrad.

Die Mitnahme nutzt nur Wärme, die die Quelle ohnehin erzeugt. Anfahrverlust und Mindestlaufzeit des Geräts berücksichtigt die Rechnung beim Start nach einer Pause. Die Einstellungen beschreibt Kältemaschinen nach Typ: Sorptionskälte.

Einsatz und Grenzen

Kühlung passt dort, wo solare und innere Lasten oder ein hoher Komfortanspruch ein frei laufendes Gebäude sommerliche Grenzwerte überschreiten lassen: Büro- und Verwaltungsbauten, Verkaufsflächen, Hotels, Rechenzentren und zunehmend auch gut gedämmte Wohngebäude mit großen Glasflächen. Kühldecken und Flächenkühlung kühlen sensibel: Sie senken die Lufttemperatur, entziehen ihr aber keine Feuchte. Der Kaltwasser-Vorlauf einer Flächenkühlung darf deshalb den Taupunkt der Raumluft nicht unterschreiten – sonst schlägt sich an der kühlen Fläche Tauwasser nieder; das begrenzt ihre Leistung nach unten. Soll die Kühlung auch entfeuchten, braucht es tiefere Vorlauftemperaturen mit Kondensatabfuhr, wie sie ein Gebläsekonvektor oder eine Lüftungsanlage liefert. Als freie Kühlung bezeichnet man das Abführen von Wärme ohne Kälteerzeuger, allein über eine Quelle, die kälter als der Raum ist – etwa Nachtluft oder ein Erdreich- oder Grundwasserkreis; sie wirkt nur, solange diese Quelle zuverlässig kühler bleibt als der Kühlkreis, und stößt bei anhaltender Hitze an ihre Grenze.

In EPOS-Plan

In EPOS-Plan schaltet der Schalter Kühlung rechnen in der Simulationskonfiguration (Menü Projekt → Simulation…, Bereich Kälte) die Kälteberechnung für das ganze Projekt ein. Am einzelnen Gebäude schaltet der Gebäudedialog die Kühlung mit Gebäude wird gekühlt in der Klappe Kühlung und Kühlübergabe des Bereichs Anlage & Übergabe ein; den Kühlsollwert trägt der Bereich Nutzung & Konditionierung in der Spalte Kühlen – als einen Wert für alle Stunden oder als Zeitprogramm mit Nacht-, Wochenend- und Ferienwert, Kühlperiode und Kühlkalender. Gedeckt wird der Kältebedarf von Wärmepumpen im Kühlbetrieb und von Kältemaschinen. Die Gruppe Kühlbetrieb einer Wärmepumpe steht an ihrer Erzeugerkarte in der Simulationskonfiguration oder in der „Wärmepumpen Verwaltung", jeweils hinter dem Knopf Konfiguration…; eine Sole-Wasser- oder Wasser-Wasser-Wärmepumpe kühlt auf Wunsch zuerst frei über ihre Wärmequelle. Die Kältemaschine legt der Dialog Kältemaschinen im Projekt an, den die Kachel Kühlung und Kälteanlagen der Startseite öffnet. Ihre Abwärme geht über die Rückkühlart an die Umgebung – luftgekühlt, auf Wunsch mit einem Freikühlregister, das den Kaltwasserrücklauf mit Außenluft vorkühlt, oder über einen Trocken- oder Nasskühler, der in kühlen Stunden frei kühlt; auf Wunsch rechnet sie Teillast und Takten. Ein Pufferspeicher mit der Nutzung Kälte wird Kältespeicher. In jeder Stunde decken zuerst die freie Kühlung der Kältemaschinen, dann die Kältespeicher, dann die Wärmepumpen und zuletzt die Kältemaschinen mit Verdichter.

Die Schritte der Kälteseite in einer Rechenstunde, vom Kältebedarf bis zum Kältestrom. Prinzipbild.

Je Stunde rechnet EPOS-Plan die Kälteseite in dieser Folge: Kältebedarf der Zonen und Prozesse, Ladewunsch der Kältespeicher, freie Kühlung der Kältemaschinen, Entladung der Kältespeicher, Wärmepumpen im Kühlbetrieb, Kältemaschinen mit Verdichter, zuletzt Bereitschaftsverlust und Rest. Der Kältestrom geht in die Strombilanz der Viertelstunden; im geschlossenen Kreis begrenzt die Kälteschranke schon die Raumkühlung.

Heizen und Kühlen in einem Projekt: reversible Wärmepumpe am Erdreich, freie Kühlung, Kältemaschine mit Kälte-Wärme-Kopplung, CO₂-Kältemaschine mit Wärmerückgewinnung am Gaskühler und die Stufen der Anlagenkopplung. Prinzipbild.

Wärme und Kälte koppelt EPOS-Plan an drei Stellen: Die reversible Wärmepumpe schaltet je Tag zwischen Heizen und Kühlen um, im Sondenfeld mit Entzugsrückwirkung geht ihre Kühlwärme ins Erdreich zurück und regeneriert es, und eine wassergekühlte Kältemaschine gibt ihre Abwärme mit der Kälte-Wärme-Kopplung in derselben Stunde an ein Wärmeziel. Beispiel: Eine Sole-Wasser-Wärmepumpe mit 50 kW heizt im Winter bei −12 °C Außenluft; im Sommer kühlt sie mit bis zu 40 kW und deckt bei 12 °C Soletemperatur bis zu 15 kW frei über die Sonde, solange der Kühl-Vorlauf mindestens 15 °C beträgt (12 °C plus 3 K Grädigkeit); den Rest deckt der Verdichter.

Einstellung, Reihenfolge und Ergebnisse der Kälteerzeuger stehen auf der Anwendungsseite Kälteerzeugung, Aufbau und Einstellungen der einzelnen Typen – Kompression, CO₂-Kältemaschine, Sorption und Rückkühlung – auf der Seite Kältemaschinen nach Typ.

Einbindung, ein Beispiel, das Zusammenspiel mit anderen Technologien und die Fallstricke stehen auf der Anwendungsseite: Einbindung · Beispiel · Zusammenspiel · Fallstricke.

Siehe auch

• Programm Dokumentation/Kühlung – Einbindung, Beispiel, Zusammenspiel und Fallstricke in EPOS-Plan
• Programm Dokumentation/Kälteerzeugung – Wärmepumpe im Kühlbetrieb, Kältemaschine, Kältespeicher und Kältestrom
• Kältemaschinen nach Typ – Aufbau und Einstellungen je Typ der Kältemaschine
• Grundlagen/Wärmepumpe – Funktionsprinzip und Kennzahlen des Heizbetriebs derselben Maschine
• Grundlagen/Anlagenkopplung und Regelung – Kühlübergabe, Kühlkurve und Kälteschranke in den Stufen der Anlagenkopplung, der Rechenweg der Heizseite als Spiegelbild
• Programm Dokumentation/Gebäudemodell VDI 6007 – das Gebäudemodell, das Heiz- und Kühllast stündlich rechnet

Grundlagen

• Klimadaten
• Wärmebedarfsrechnung
• Strombedarf und Lastprofile
• Brauchwasser
• Prozesswärme
• Gebäudemodell VDI 6007
• Bauteile am Erdreich
• Brauchwasser-Zapfprofile
• Gemeinjahr und Feiertage
• Wärmepumpe
• Wärmequelle Erdreich
• BHKW
• Solarkollektoren
• Photovoltaik
• Wechselrichter
• Kessel und Spitzenlast
• Kühlung
• Pufferspeicher
• Stromspeicher
• Hydraulikschemata
• Anlagenkopplung und Regelung
• Vergleich Energiebilanz
• Kostenrechnung
• Erlösrechnung
• Wirtschaftlichkeitsrechnung