Grundlagen/Kühlung
Weitere Optionen
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.
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.
Links steht der EER bei Volllast über der Rückkühltemperatur nach dem Gütegradansatz, mit dem EPOS-Plan eine Kennlinie über ihren Rand fortsetzt; rechts das Verhältnis des EER bei Teillast zum EER bei Volllast für die drei Vorgabekurven, darunter das Takten nach der Form der DIN EN 14825. Beispiel: Bei 35 °C Rückkühlung steigt der EER mit 16 statt 6 °C Kaltwasser von 3,5 auf rund 5,5; eine drehzahlgeregelte Maschine erreicht bei halber Last rund das 1,3-Fache ihres Volllast-EER, eine gestufte knapp das 1,0-Fache. Bei 15 % Last und 30 % Mindestteillast taktet sie, und ihr EER liegt mit C_d = 0,9 um rund 9 % unter dem Wert am Mindestpunkt.
Die Bedienung beschreibt Programm Dokumentation Kälteerzeugung.
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 Gruppe Kühlung ein; den Kühlsollwert trägt sein Reiter 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 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.
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.
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.
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
- Grundlagen/Wärmepumpe – Funktionsprinzip und Kennzahlen des Heizbetriebs derselben Maschine
- Programm Dokumentation/Gebäudemodell VDI 6007 – das Gebäudemodell, das Heiz- und Kühllast stündlich rechnet