Perfektes Innenraumklima mit passiven Kühlsystemen

Die Verdunstungskühlung arbeitet nach einem einfachen Konzept, das schon seit der Antike eingesetzt wird. Damals wurden Lebensmittel in porösen Tongefäßen aufbewahrt. Durch die Verdunstung der Flüssigkeit aus dem Inhalt blieb der Innenraum des Gefäßes kühl. Damit Feuchtigkeit verdunsten kann, ist Wärme nötig, diese wird bei der Verdunstungskühlung der Raumluft entzogen.

Einige Systeme arbeiten auch mit frischer Außenluft, dadurch erhöht sich jedoch die Luftfeuchtigkeit in den Räumen. Um Räume per Verdunstung abzukühlen, wird erwärmte Raumluft oder Außenluft durch ein befeuchtetes Milieu, zum Beispiel einen Filter, geleitet. Durch die Wärme verdunstet das Wasser und die freiwerdende Verdunstungskälte kühlt die durchströmende Luft. Über eine Steuerung kann die Kühlfunktion geregelt werden, die aufgewärmte Luft wird über Ventilatoren ins System geleitet. Die abgekühlte Luft wird anschließend in den Raum zurückgeführt. Die warme Luft, die beim Verdunstungsprozess entsteht, wird nach außen abgeleitet. Das Prinzip der Verdunstungskühlung wird oft auch als „adiabate Kühlung“ bezeichnet.

Im Vergleich zu ähnlich dimensionierten Klimaanlagen reduzieren sich die laufenden Kosten auf etwa 10%. Kosten entstehen durch den Strombedarf für den Betrieb der Anlage. Die Verdunstungskühlung eignet sich sehr gut für große Flächen, zum Beispiel in Bürogebäuden. Es werden keine Kühlmittel erforderlich, deshalb arbeiten die Systeme wartungsarm und sauber. Probleme kann es mit der Hygiene geben, wenn das Verdunstungsmedium nicht regelmäßig gereinigt, bzw. ausgetauscht wird und sich Keime aus der gekühlten Luft dort absetzen.

Wärmepumpen als umweltfreundliches und kostengünstiges Heizsystem sind auf dem Vormarsch. Die Wärmepumpe funktioniert ähnlich wie ein Wärmetauscher, nur eben umgekehrt. Wärmeenergie wird aus der Umgebung, zum Beispiel aus dem Erdreich, entzogen und an die Heizungsanlage abgegeben. Ist die Anlage einmal kompensiert, dann fallen lediglich die Stromkosten für den Anlagenbetrieb an. Mit der Wärmepumpe kann aktiv und passiv gekühlt werden.

Beim sogenannten „natural cooling“ sind nur geringe Umbaumaßnahmen an der Anlage erforderlich, benötigt werden Wärmetauscher, 3-Wege-Ventile und Umwälzpumpe. Angewandt werden kann das Verfahren für Sole-/Wasser- und Wasser-/Wasser-Anlagen. Die passive Kühlung mit der Wärmepumpe basiert auf einem recht einfachen Prinzip. So arbeitet die Primärpumpe, allerdings ohne Zuarbeit des Verdichters, der für die Erzeugung der Wärme zuständig ist. Die Sole oder auch das Wasser, das als Wärmeträger dient, hat je nach Bodentemperatur eine Temperatur von 5 bis 10 Grad. Die Flüssigkeit wird zum Wärmetauscher geleitet. Aus der anderen Richtung wird das erwärmte Wasser aus dem Heizungssystem angeliefert. Der Wärmetauscher sorgt für den Temperaturausgleich. Das abgekühlte Heizwasser wird in den Kreislauf zurückgeführt, kühlt die Wände und damit die Räume.

Vorteil dieser Methode: Es sind nur wenige Umbauten erforderlich, Kosten fallen lediglich für die Anschaffung und für den Betrieb der Umwälzpumpe an. Brauchwasser kann unabhängig von der Kühlfunktion dennoch über die Wärmepumpe erhitzt werden. Der Nachteil ist, dass die Leistungsfähigkeit im Laufe des Sommers abnehmen kann, da sich der Boden mit der Zeit erwärmt. Natural Cooling erreicht zudem nicht die Leistung, die mit einer aktiven Kühlung zu erzielen ist. Wird bei der Kühlung der Taupunkt des Raumes unterschritten, kommt es zur Kondensation von Wasser auf der Kühlfläche. Dies lässt sich vermeiden, indem ein Raumtemperatur- und Raumfeuchtefühler an den Wärmepumpenregler angeschlossen wird.

Erdluftbrunnen, richtiger gesagt Luft-Erdwärmetauscher, arbeiten nach einem ähnlichen Prinzip wie die passive Kühlung mittels Wärmepumpe. Der Erdluftbrunnen besteht aus Rohren, die horizontal im Erdreich verlegt sind. Durch die Rohre wird Außenluft geleitet und abgekühlt. Bevor die Luft in das System gelangt, wird sie über einen Vorfilter gereinigt. Die abgekühlte Luft wird anschließend über die Lüftungsanlage im Haus verteilt. Der grundsätzliche Aufbau ist sehr einfach, neben der Kühlfunktion im Sommer kann das Prinzip im Winter für die Heizung genutzt werden. Das Erdreich dient hier als Speichermedium und stellt kostenlos und zuverlässig Temperaturen um die 10 Grad bereit. Hinsichtlich der Auslegung gibt es verschiedene Kenngrößen:

• Verlegetiefe, Verlegeart und verwendetes Rohrmaterial
• Erdfeuchte und Bodentemperatur
• Standort, Wetter und Grundwasser
• Kosten, bzw. Budget 

Grundvoraussetzung dafür, dass ein Erdluftbrunnen zur Raumkühlung genutzt werden kann, ist eine im Gebäude installierte mechanische Lüftungsanlage.

Um eine effektive und kostengünstige Klimatisierung auf der Basis passiver Lüftungssysteme zu erreichen, ist bereits in der Planungsphase ein gutes Lüftungskonzept wichtig. So kommt es darauf an, die Aufheizung des Gebäudes durch wirksame Maßnahmen gering zu halten. Das funktioniert einerseits durch konstruktiven Sonnenschutz (zum Beispiel Fensterausrichtung und Vorbauten) und die Installation von Rollläden oder Markisen, andererseits durch die Auswahl von Geräten mit geringer Wärmeentwicklung. Durch eine hohe Speichermasse im Gebäude kann das Prinzip der passiven Nachtkühlung vergleichsweise leicht umgesetzt werden. Die Wärme, die tagsüber auf die Außenhülle des Gebäudes trifft, wird im Material gespeichert. Nachts wird die Wärme aufgrund der Phasenverschiebung an die Raumluft abgegeben und weggelüftet. Je nach Bauwerk und Lüftungskonzept kann diese Entlüftung durch einfaches Öffnen der Fenster oder durch die Lüftungsanlage geschehen.

Das Konzept der Nachtlüftung ist energiesparend und benötigt vergleichsweise wenig technischen Aufwand. Allerdings funktioniert das Prinzip nur, wenn zwischen Tag- und Nachttemperatur ein entsprechendes Temperaturgefälle besteht. Im Hochsommer ist dieses Gefälle nicht immer gegeben, allerdings beschränken sich diese Ausnahmen in unseren Breiten auf wenige Tage im Jahr. Als Richtwert gilt: Die nächtlichen Temperaturen sollten mindestens fünf Stunden lang weniger als 21 Grad betragen, damit die Entlüftung funktioniert. Wird die Wärme durch freies Lüften (Öffnen der Fenster) abgekühlt, muss eine Querlüftung gegeben sein. 

Phasenwechselmaterialien werden aus Salzen oder organischen Verbindungen hergestellt und sind in der Lage, Wärme zu speichern und wieder abzugeben. Der bekannteste Vertreter eines Latentwärmespeichers aus PCM ist sicher der Taschenofen, ein Handwärmer, der immer wieder verwendet werden kann. Das Prinzip des Materials beruht darauf, dass bei bestimmten Temperaturen ein sogenannter Phasenwechsel stattfindet. Dabei ändert sich der Aggregatszustand von fest nach flüssig. Durch diesen Vorgang werden sehr große Wärmemengen gespeichert. Sinkt die Umgebungstemperatur unter einen bestimmten Wert, findet erneut ein Phasenwechsel statt und die gespeicherte Wärme wird frei. Im Baubereich gibt es für Latentwärmespeichermaterialien zahlreiche Einsatzgebiete:

• Speicher für die Raumklimatisierung
• Pufferspeicher für Solarenergie
• Fassadendämmung
• Luftkollektoren (Erdluft- oder Solarluft-Kollektoren)

Das Material kann im Bereich der Nachtlüftung und als Kühlreserve in Kühldecken eingesetzt oder als Wärmespeicher in Pulverform Putzen und Mörteln zugeben werden. Auch in Gipsplatten oder Porenbetonsteinen kann PCM als mikroverkapseltes Material beigemischt werden. Glasscheiben, die mit dem Material verfüllt sind, besitzen ebenfalls eine Speicher- und damit Kühlfähigkeit. Latentwärmespeicher werden auch in Form von Deckenpaneelen eingesetzt. Das Speichermaterial besteht dann zum Beispiel aus nicht brennbaren Salzhydraten und erfüllt die Brandschutzanforderungen, die an Gebäude gestellt werden. Durch die Phasenwechsel bei Temperaturveränderungen werden Wärmespitzen vermieden, ohne dass eine zusätzliche Kühlungs- oder Klimaanlage eingesetzt werden muss.