Das Luftrückkühlwerk als Wärmequelle

Unsere Umwelt bietet viel Potenzial, Wärme regenerativ nutzbar zu machen.

Neben der oberflächen­nahesten, oberflächennahen und tiefen Geothermie, dem Grundwasser oder Gewässern, kann unter anderem auch die Luft als nachhaltige Wärmequelle für ein Kaltes Nahwärmenetz verwendet werden. Eine Möglichkeit, die in der Luft enthaltene Energie nutzbar zu machen, ist das Luftrückkühlwerk (LRK).

In seiner ursprünglichen Anwendung ist es für Kühlprozesse konzipiert und daher häufig bei Gebäuden mit hohem Kältebedarf als Rückkühleinheit für Kältemaschinen im Einsatz. Die anfallende Abwärme wird über Wärmetauscherflächen vom erwärmten Wärmeträger, mit Hilfe einer häufig von Ventilatoren erzeugten Luftdurchströmung, im LRK an die Außenluft abgegeben. Als Wärmeträger kommt in der Regel ein Wasser-Glykol- oder Wasser-Bioethanol-Gemisch zum Einsatz. Bei kleineren Anlagen wird auch das Kältemittel der Kältemaschine direkt genutzt.

Wie kann das LRK also als Wärmequelle dienen? Um das zu verstehen, müssen wir uns zunächst seinen Aufbau genauer anschauen:

Der Aufbau eines LRK ist recht simpel. Im Wesentlichen besteht es aus drei Hauptbestandteilen: Einem Gehäuse, einem Lamellen-Wärmeübertrager und den Ventilatoren. Durch aktive Kühlprozesse im Gebäude fällt Abwärme an einer Kältemaschine an, die über einen Wasserkreislauf zum LRK geführt wird. Dort wird das Wasser, das sich auf einem hohem Temperaturniveau befindet, durch i.d.R. Kupferrohrleitungen des Wärmeübertragers geführt. Um die Wärmeübertragerfläche zu erhöhen, werden entlang der Rohrleitungen Lamellen angeordnet. Auf der Oberseite des Gehäuses sind Ventilatoren angebracht, über die Außenluft von unterhalb des Tisches angesogen wird. Dadurch entsteht ein Luftstrom durch den Wärmetauscher, der das in den Rohrleitungen befindliche Wärmeträgermedium abkühlt.

Nach Durchlaufen dieses Prozesses wird - je nach äußeren Rahmenbedingungen - eine entsprechende Wärmemenge an die Außenluft abgegeben. Diese muss somit kälter sein als das zu kühlende Medium.

Auf der anderen Seite kann das LRK die Außenluft jedoch auch als Wärmelieferant energetisch erschließen. An dieser Stelle sei gesagt, dass es immer sinnvoll ist, die Abwärme auf hohem Temperaturniveau zunächst für Heizzwecke direkt zu nutzen. Sollte das jedoch nicht möglich oder die Abwärme für Heizzwecke nicht ausreichend sein, kann die Luft als ergänzende Wärmequelle dienen, in dem man den beschriebenen physikalischen Prozess einfach umgekehrt. Hierfür wird das Wärmeträgermedium ebenfalls durch den Wärmetauscher im LRK geleitet und von der Außenluft umströmt. Befindet sich die Außenluft auf einem höheren Temperaturniveau als das Trägermedium, wird dieses erwärmt.

Die so durch die Luft gewonnene Energie wird anschließend beispielsweise an ein Kaltes Nahwärmenetz (KNW) abgegeben und kann über Wärmepumpen, die mit dem KNW gekoppelt sind, für Heizzwecke genutzt werden.

Wie kann das Luftrückkühlwerk sinnvoll eingesetzt werden?

Durch die schwankenden Außenlufttemperaturen über das Jahr bietet sich eine reine Wärmeversorgung über die Außenluft aus Effizienzgründen nicht an. Vor allem in den Wintermonaten ist der Betrieb eines Luftrückkühlwerks als Wärmequelle oft nicht sinnvoll. Denn aufgrund thermodynamischer Umwandlungsprozesse kann es schon im niedrigen positiven Temperaturbereich zu einem Eisansatz an den Lamellen des Wärmeübertragers kommen, was zu einer geminderten Leistungsfähigkeit und Schäden am LRK führt. Zudem ist die Jahresarbeitszahl von Wärmepumpen stark von den Quelltemperaturen abhängig. Beim LRK sind allerdings genau in der Periode der höchsten Wärmenachfrage die Außentemperaturen sehr niedrig.

Eine reine Wärmeversorgung über die Außenluft bietet sich aus Effizienzgründen nicht an.

Ein großes Potenzial liegt jedoch in der Verwendung eines LRK in Kombination mit einer oder mehrerer Umweltwärmequellen mit hohem Wärmespeicherpotential. Eine Kombination mit oberflächennaher Geothermie bietet sich dabei besonders an. Denn das LRK spielt seine Stärken vor allem in den Übergangszeiten im Frühling und Herbst aus. Hier verlaufen die Wärmebedarfe der Haushalte im Teillastbereich, während ein milder Temperaturverlauf der Außentemperatur die Aufnahme von Luftwärme ermöglicht. Diese eingebrachte Wärme entlastet die Erdwärmekollektoren oder -sonden und verbessert somit deren Entzugspotenzial für die Heizperioden. Gleichzeitig können (unter optimalen Bedingungen) in leistungsstarken Phasen Überschüsse generiert werden, die zur zusätzlichen Regeneration in den Erdwärmekollektor oder die Erdwärmesonden eingespeichert werden können.

Ein großes Potenzial liegt jedoch in der Verwendung eines LRK in Kombination mit einer oder mehrerer Umweltwärmequellen

Der Betrieb des LRK über die Sommermonate bietet auf den ersten Blick zwar optimale Bedingungen um Quellwärme aus der Außenluft zu generieren. Jedoch ist in dieser Phase der Wärmebedarf in der Regel sehr gering. Dies scheint zunächst kein allzu großes Problem darzustellen. Die generierten Überschüsse der Sommermonate könnten einfach für Regenerationszwecke ungehemmt an das KNW übergeben werden. Dadurch würde sich jedoch die Netztemperatur stark erhöhen und damit einen großen Vorteil von Kalten Nahwärmenetzen zunichtemachen. Die passive Kühlung der angeschlossenen Gebäude, die in einem KNW durch die ganzjährig niedrigen Netztemperaturen möglich ist, würde stark eingeschränkt werden.

Der Betrieb über die Sommermonate würde die Kühlfunktion des Kalten Nahwärmenetzes hemmen.

Der große Vorteil von Luftrückkühlwerken liegt vor allem in den Investitionskosten. Diese sind im Vergleich zu anderen Erzeugertechnologien deutlich niedriger. Außerdem kann das LRK bidirektional, also sowohl zum Heizen, als auch zum Kühlen, betrieben werden. Vor allem in großen Mischquartieren mit hohem Abwärmepotenzial kann die ursprüngliche Betriebsweise vom LRK zum Einsatz kommen. Jedoch erst, nachdem die Abwärmepotentiale im Quartier von Abnehmern mit Wärmebedarf genutzt wurden. Bei hohen anfallenden Kühllasten lassen sich die Leistungsspitzen somit über die Außenluft abtragen. Und das ohne zusätzliche Anlagentechnik.

Das LRK punktet mit geringen Investitionskosten und der Möglichkeit zur bidirektionalen Betriebsweise.

Lohnt sich also der Einsatz eines Luftrückkühlwerkes als Wärmequelle?

Die Nutzung eines Luftrückkühlwerks als primäre oder sogar einzige Wärmequelle für ein Kaltes Nahwärmenetz ist, wie weiter oben erläutert, nicht empfehlenswert. Doch in Ergänzung zu anderen Umweltwärmequellen ist das LRK eine zielführende Ergänzung: Es dient als Wärme- und Regenerationsquelle in den Übergangsmonaten, ist im Vergleich zu anderen Wärmequellen platzsparend – was vor allem im städtischen Kontext immer wichtiger wird – und in Betrachtung der Investitionskosten eine interessante Ergänzungsoption.

Damit ist das Luftrückkühlwerk eine weitere technologische Alternative, die uns auf dem Weg zur klimaneutralen Wärmeversorgung bei richtiger Dimensionierung und Kombination einen wichtigen Schritt voranbringt.

Die Grafiken dürfen unter Angabe der Quelle "Energie Plus Concept GmbH" für nicht kommerzielle Zwecke verwendet werden.

Grafiken

Querschnitt Luftrückkühlwerk
Herkömmliche Betriebsweise
Querschnitt Luftrückkühlwerk
Betriebsweise zur Wärmegewinnung
Vernetztes Quartier mit Luftrückkühlwerk
in Kombination mit einem horizontalen Erdwärmekollektor