Planung und Dimensionierung solarer Kühlanlagen

Äußere Lasten

Der von außen beeinflusste Kühlbedarf resultiert aus dem Zusammenwirken folgender Faktoren:

Gebäudeorientierung
Thermische Qualität der Gebäudehülle
Fläche der transparenten Bauteile und Energiedurchlassgrad
Verschattung

Gebäudeorientierung und thermische Qualität der Gebäudehülle

Durch die Orientierung eines Gebäudes wird der solare Eintrag in die Räume beeinflusst. Dieser wiederum wirkt sich auf die Kühllast aus. Zusätzlich können bei der Planung der Fassadenflächen auch solarthermische Kollektoren mit möglichst günstiger Ausrichtung (südseitig) integriert werden.

Eine hocheffiziente Dämmung der Gebäudehülle verhindert nicht nur Wärmeverluste, sondern auch den Wärmeeintrag über die Fassade.

Fläche der transparenten Bauteile und Energiedurchlassgrad

Fensterflächen sollten so geplant werden, dass das Tageslicht optimal genutzt werden kann, wobei Glasflächenanteile von 30 bis max. 50 % bezogen auf die von innen sichtbare Außenwand hierzu völlig ausreichend sind. Verglaste Brüstungen hingegen verbessern nicht die Belichtungssituation, sondern erhöhen nur die Kühllast. (SOLAIR 2009)

Der Energieeintrag durch transparente Fassaden wird (neben Größe und Orientierung der Öffnung) durch folgende Faktoren bestimmt:

Lichtdurchlässigkeitsfaktor
Der Lichtdurchlässigkeitsfaktor gibt an, wie viel Prozent des Tageslichtes von außen durch eine Scheibe in den Raum gelangt.
Ziel: möglichst hoher Tageslichteintrag, damit bei geschlossenem Sonnenschutz nicht das Kunstlicht eingeschaltet werden muss

Energiedurchlassfaktor g-Wert
Die Energiedurchlässigkeit (g-Wert) gibt an, wie viel Prozent der außen auftreffenden Strahlung in den Raum gelangt (Summe aus der direkten Energiedurchlässigkeit und der Sekundär-Wärmeabgabe nach innen).
Ziel: möglichst (im Sommer) geringer solarer Eintrag

Abminderungsfaktor Z
Der Abminderungsfaktor eines Sonnenschutzelementes gibt an, wie viel der auftreffenden Sonnenenergie durch den Sonnenschutz dringt.
Ziel: möglichst (im Sommer) hoher Abminderungsfaktor (= niedriger Z-Wert)

(Quelle: Österreichisches Forschungs- und Prüfzentrum Arsenal Ges.m.b.H. 2007)

Vermeidung von Kühllasten

Verschattung: In Gebäuden mit hocheffizienten Verschattungssystemen können Kühllasten vermieden werden. Die planerische Aufgabe besteht daher darin, die Beschattung so zu gestalten, dass im Winterhalbjahr die Sonnenstrahlen soweit und solange wie möglich durch die Glasflächen in das Gebäude gelangen und dass sie im Sommerhalbjahr daran gehindert werden.

Außenliegende Verschattungen wirken wesentlich effektiver als innen angebrachte Varianten. Das liegt vor allem daran, dass Sonnenstrahlen bei innen angebrachter Verschattung durch das Fensterglas treten können und danach zur Aufheizung des Innenraums beitragen, egal ob dort (innenseitig) noch zusätzlich eine Verschattung vorhanden ist.

Regelbare Verschattungssysteme sind fest installierten Lösungen grundsätzlich vorzuziehen. In der Planung ist allerdings ebenfalls zu beachten, dass strombetriebene Verschattungssysteme vielfach in der Summe nicht unwesentlich zum Endenergieverbrauch in einem Gebäude beitragen können.

Nachtlüftung: eine effiziente Methode, um Wärme abzuführen, ist auch die Nachtlüftung.

Planungskriterien sollten daher auch der Verbrauch für Hilfsstrom für sämtliche Pumpen, Systemregelung, Verschattungssystem etc. sein.

Vereinfacht gesagt, gilt folgender Zusammenhang: Ein großer transparenter Fassadenanteil, geringe Speichermasse und niedrige Raumtemperatur erfordern einen ausgezeichneten Sonnenschutz und meist eine Zusatzkühlung.

Ein wesentlicher Teil der Planung ist die Dimensionierung der Kollektorfläche. Bei Projekten in denen solare Kühlung eingesetzt werden soll, müssen die Kollektorflächen bereits in der Machbarkeitsstudie abgeschätzt und als integraler Teil des Entwurfskonzeptes betrachtet werden. Nur dann sind eine sinnvolle Umsetzung und Synergien bei den Investitionskosten zu erzielen. Die optimale Abstimmung zwischen Architekturkonzept und Kühllast ist ein wesentlicher Erfolgsfaktor für den Einsatz von solarer Kühlung.

Dachkollektoren

Die einfache Aufständerung am Dach ist die preiswerte Standardlösung, sofern der Dachbereich nicht für Sondernutzungen (Terrassennutzung für Rekreation und Events, Standort für Haustechnik u. Ä.) vorgesehen ist.

Optimal ausgerichtete Flachkollektoren sichern hohen Ertrag und beschatten (und kühlen damit) gleichzeitig die Dachfläche. Bei wachsender Gebäudehöhe kann diese Kollektorfläche jedoch rasch nicht mehr ausreichen.

Fassadenkollektoren

Vor allem in Büro- und Dienstleistungsgebäuden, die zumeist ein größeres Bauvolumen mit entsprechender Fassadenfläche aufweisen, ist eine Integration der solarthermischen Kollektoren in die Fassade anzustreben. Hier ist es besonders wichtig, schon bei der Grundkonzeption der Fassade die solarthermischen Kollektoren einzuplanen, da sowohl Orientierung, Neigung der Fassade, verfügbarer Flächenanteil, aber auch der konstruktive Aufbau der Fassade und die entsprechenden Anschlüsse für das erforderliche hydraulische System über eine effiziente und ökonomisch vorteilhafte Anwendung entscheiden. (Quelle: Österreichisches Forschungs- und Prüfzentrum Arsenal Ges.m.b.H., 2007)

Ein grober Richtwert für die benötigte Kollektorfläche sind 2 bis 4 m² je kW Kälteleistung, bezogen auf mitteleuropäische Klimabedingungen. (Ehorn-Kluttig 2011)

Ein zentraler Punkt in der Planung sind Berechnungen zur Wirtschaftlichkeit, bei der die Wahl des Klimagerätes ein. Grundsätzlich wird eine Anlage dann wirtschaftlich sein, wenn kostengünstige Wärme zur Verfügung steht, sei dies nun solare Energie oder Abwärme aus KWK, und/oder wenn die Strompreise sich deutlich erhöhen.

Die Wärme sollte ein Temperaturniveau von 80 bis 130 °C haben. Falls nur Wärme auf niedrigem Niveau zur Verfügung steht, kommen Adsorptionskälteanlagen infrage, die bereits mit Wärmequellen von 50 °C bis 100 °C auskommen. Mögliche Kombinationen sind Sorptionskälteanlagen mit Blockheizkraftwerken. Durch die höhere Auslastung (Volllaststunden) kann die Wirtschaftlichkeit eines BHKW verbessert werden. (Ehorn-Kluttig, 2011). Die Kombination mit solarer Kühlung hat den Vorteil, dass immer dann Wärme zur Verfügung steht, wenn Kühlung erwünscht ist.

Welche Anlage und Kombination letzten Endes sinnvoll ist, kann nur im Einzelfall entschieden werden.