Gute Free-Cooling-Lösungen brauchen eine sorgfältige Planung

BFE-Merkblatt zu Free-Cooling

(Bild: 123rf)
Abb. 1: Weisen die Wärmeübertrager eine Temperaturdifferenz von 3 bis 4 K auf, benötigt ein indirektes Free-Cooling eine Aussentemperatur von 14 °C, um an den Kühlpanelen im Raum eine Kühltemperatur von ca. 20 °C zu erreichen.
Abb. 2: Die monatlichen Heiz- und Kühllastkurven zeigen, dass in Bürogebäuden mit Heizbedarf die Zeitdauer mit reinem Kühlbedarf auf wenige Wochen beschränkt sein kann.
Abb. 3: Free-Cooling-Potenzial bei Kälteanlagen mit einem seriell eingebundenen, zusätzlichen hybriden Rückkühler in einem Bürogebäude in Zürich bei unterschiedlichen Vorlauftemperaturen des Kältekreises.
Thomas Lang /

Wie hoch ist das Potenzial für Free-Cooling in der Klimakälte? Und was sind die Voraussetzungen, damit sich die freie Kühlung lohnt? Eine aktuelle Studie der zhaw hat Antworten auf diese Fragen gesucht, ein Merkblatt des Bundesamts für Energie BFE fasst die wichtigsten Erkenntnisse zusammen.

Free-Cooling verspricht nichts weniger, als dass die Kühlung gratis (frei) ist, wenig bis keine Energie braucht und die Umwelt schont. Aus diesem Grund fordern engagierte Planer, Bauherrschaften und Behörden solche Free-CoolingLösungen in der Klimakälte oft ein. Gebäudetechnik-Expertinnen und -Experten vermuten jedoch seit geraumer Zeit, dass die hohen Erwartungen längst nicht immer erfüllt werden können. Energetisch und wirtschaftlich sei das Kühlen eines Gebäudes mit Free-Cooling nicht unter allen Umständen die optimale Lösung. Im schlimmsten Fall verursache Free-Cooling Zusatzkosten und verschlechtere gleichzeitig die Gesamtenergiebilanz eines Gebäudes.

Das BFE wollte es genauer wissen und beauftragte das Institut für Energiesysteme und Fluid-Engineering der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften zhaw zu untersuchen, unter welchen Voraussetzungen und mit welchen Betriebsarten sich Free-Cooling in der Praxis bewährt.

Free-Cooling ergänzt die Klimakälteanlage
Der Fokus der Untersuchungen lag bewusst auf indirekten Free-Cooling-Lösungen mit Aussenluft. Dabei wird das Gebäude über das Kaltwassersystem der Klimakälteanlage gekühlt und es werden mindestens zwei Wärmeübertrager benötigt, was spürbare Auswirkungen auf die nutzbaren Temperaturen hat (siehe Abb. 1). Die Kältemaschine kann hingegen ganz abgeschaltet werden oder kühlt nur noch jene Wärme, für die das Free-Cooling nicht reicht.

Nicht Gegenstand der Studie war das direkte Free-Cooling, bei dem die kühle Nachtluft direkt über die Fenster oder über Lüftungsanlagen ins Gebäude geblasen wird. Eine zwar einfache und effiziente Lösung, die aber für Büroumgebungen oft zu wenig wirksam ist, da die kühlen Nachtstunden zu kurz sind und die Tropennächte in unseren Breitengraden tendenziell zunehmen.

Zentrale Einflussgrössen im Auge behalten
Die zhaw-Studie hat fünf Einflussgrössen auf das Free-Cooling-Potenzial untersucht. Drei Faktoren (hydraulische Einbindung, Kaltwassertemperatur und Art des Rückkühlers) haben einen enormen Einfluss auf das Potenzial und die Wirtschaftlichkeit und können durch Planer und Bauherrn entscheidend beeinflusst werden. Weitere zwei Faktoren haben sich zwar als nicht weniger wichtig herausgestellt – doch die geografische Lage (z. B. Zürich oder Davos) und die Nutzungsart des Gebäudes (z. B. Rechenzentrum oder Büro) sind in einem Projekt gegeben.

Dabei liegt es auf der Hand, dass Free-Cooling in Rechenzentren mit ganzjährigem Kühlbedarf das grössere Potenzial aufweist als in Bürogebäuden. Und je kühler das Klima am Standort ist (z. B. in den Alpen), desto grösser ist der Beitrag des Free-Coolings zum gesamten Kühlbedarf. Keine nennenswerten Unterschiede hinsichtlich des Potenzials gibt es hingegen zwischen Bürogebäuden und Nutzungen wie Warenhäusern, Fachmärkten oder Behandlungsräumen.

Möglichst hohe Kaltwassertemperaturen
Die zhaw-Studie zeigt, dass vor allem die notwendige Vorlauftemperatur des Kältekreises (Kälteträger) entscheidend ist, ob sich ein indirektes Free-Cooling rechnet oder nicht. Bei den untersuchten Bürogebäuden wird Free-Cooling ab einer Kaltwasser-Vorlauftemperatur von 18 °C wirtschaftlich interessant und sollte in Betracht gezogen werden (siehe Abb. 3). Wärmeaufnahmesysteme wie thermoaktive Bauteilsysteme TABS oder Kühldecken, die mit hohen Kaltwasser-Vorlauftemperaturen arbeiten, eignen sich daher besonders gut für Free-Cooling. Werden Verbrauchertemperaturen (Kühlanforderung) unter 14 °C benötigt, fällt das Free-Cooling-Potenzial in einem Bürogebäude auf einige wenige Prozente der gesamten Kühlenergie für Klimakälte zusammen und dürfte in den meisten Fällen unwirtschaftlich sein.

Hydraulische Einbindung
Bei der hydraulischen Einbindung ist darauf zu achten, dass der Rückkühler seriell eingebunden wird, sodass mit dem Free-Cooling der Kälteträger vor der Kältemaschine «vorgekühlt» werden kann. Dies ermöglicht einen bivalent-parallelen Betrieb der Klimakälteanlage. Je nach klimatischer Situation kommen Free-Cooling und Kältemaschine gemeinsam zum Einsatz (Vorkühlung des Kälteträgers über den Free-Cooling-Rückkühler) oder die Wärme wird komplett entweder durch das Free-Cooling oder die Kältemaschine entzogen. Die serielle Einbindung der freien Kühlung einer Kältemaschine ist hydraulisch und regeltechnisch anspruchsvoll, da die Kältemaschine sehr sensibel auf schwankende und sich stark ändernde Temperaturen reagiert.

Hybride Rückkühler: effizienter, aber aufwendiger
Die Wahl des Free-Cooling-Rückkühlers hat ebenfalls einen starken Einfluss auf die Temperaturen. Hybride Rückkühler (benetzt, besprüht, befeuchtet) haben den Vorteil, dass sie 3 bis 4 °C tiefere Rückkühltemperaturen erreichen als die Trockenrückkühler. Dadurch wird das System effizienter und es können tiefere Kaltwasser-Vorlauftemperaturen erreicht werden. Der Nachteil der hybriden Systeme sind die höheren Investitions-, Unterhalts- und Betriebskosten.

Zuerst Abwärme nutzen, dann «entsorgen»
Free-Cooling führt die (Wärme-)Energie aus dem Gebäude. Die Wärme wird «entsorgt». Besteht jedoch zum selben Zeitpunkt im Gebäude ein Wärmebedarf, ist es sinnvoller, die Wärme zum Heizen zu nutzen, statt diese übers Dach zu «entsorgen». Gerade in Zeiten mit tiefen Aussentemperaturen wäre das Free-Cooling sehr effizient. Doch genau zu dieser Zeit braucht das Gebäude oft auch Wärme zum Heizen, was die Nutzungsdauer des Free-Coolings verringert (siehe Abb. 2).

Photovoltaik als Alternative?
Bei Gebäuden mit einem kleinen Free-Cooling-Potenzial stellt sich die Frage, ob anstelle einer zusätzlichen Free-Cooling-Installation (Rückkühler, Leitungen, Armaturen und Steuerung) nicht besser eine Photovoltaikanlage realisiert wird. Denn Photovoltaik- und Klimakälteanlagen ergänzen sich grundsätzlich sehr gut. Beide Systeme haben im Hochsommer ihre Leistungsspitze: Die Klimakälte hat in diesen Monaten den höchsten Stromverbrauch, während mit der PV-Anlage am meisten Strom erzeugt werden kann. Aus Sicht des Gesamtenergieverbrauchs des Gebäudes über das ganze Jahr kann eine solche Lösung bei vergleichbaren Investitionskosten eine bessere Gesamtbilanz aufweisen als eine zusätzliche Free-Cooling-Installation.

Das Merkblatt «Free-Cooling: Gute Lösungen brauchen Köpfchen» (12 Seiten) mit den wichtigsten Ergebnissen und die Grundlagenstudie «Free Cooling in der Klimakälte» können kostenlos heruntergeladen werden: www.energieschweiz.ch/klimakaelte › Free Cooling in der Klimakälte