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Kühllast berechnen
Kühllastberechnung nach VDI 2078 — für Wohn- und Nichtwohngebäude.
Kühllast berechnenFreie Kühlung (Free Cooling): Direktkühlung ohne Kältemaschine, Nachtauskühlung, Erdkühlung, Energieeinsparung und Integration in Kühlsysteme.
Kühllastberechnung nach VDI 2078 — für Wohn- und Nichtwohngebäude.
Kühllast berechnenFreie Kühlung (englisch: Free Cooling) bezeichnet die Nutzung natürlicher Kältequellen — Außenluft, Grundwasser, Erdreich oder Rückkühler — zur Gebäudekühlung, ohne den Betrieb einer energieintensiven Kältemaschine (Kompressorkühlung). Die Kältequelle ist kostenlos oder günstig; nur die Pumpenergie für den Wasserumlauf wird benötigt.
Freie Kühlung ist energetisch besonders attraktiv, weil die Effizienz (fCOP — free Cooling COP) häufig 10–50 (gegenüber 3–5 bei Kompressionskältemaschinen) beträgt.
| Typ | Kältequelle | Temperaturbereich | Anwendung |
|---|---|---|---|
| Direkte Luftkühlung | Außenluft | < 18 °C | Rechenzentren, Industriehallen |
| Nachtauskühlung | Kühle Nachtluft | 8–20 °C | Betonkernaktivierung, BKA |
| Rückkühler (Dry Cooler) | Außenluft + Wasserkühler | < 18 °C | Kaltwasser-Systeme |
| Erdkühlung | Erdreich (10–12 °C) | 12–15 °C (Vorlauf) | Bürogebäude, Fußbodenkühlung |
| Grundwasserkühlung | Grundwasser (10–12 °C) | 12–16 °C (Vorlauf) | Nur mit Genehmigung |
Die Nachtauskühlung (Night Purge Cooling) nutzt die kühle Nachtluft (15–22 °C in deutschen Nächten), um über eine Lüftungsanlage die Gebäudemasse (Beton, Estrich) abzukühlen. Am nächsten Tag nimmt die abgekühlte Gebäudemasse die Tageswärme auf und puffert den Temperaturaustieg:
| Gebäudetype | Nachtkühlungseffekt | Temperaturgradient |
|---|---|---|
| Leichte Konstruktion (Holz, Gipskarton) | Gering | +1–2 K je Stunde geringer |
| Schwere Konstruktion (Beton, Ziegel) | Gut | +3–6 K je Stunde geringer |
| Betonkernaktivierung (BKA) | Sehr gut | +5–10 K Kapazität |
Voraussetzung: Die Außenlufttemperatur in der Nacht muss mindestens 3–5 K unter der Raumtemperatur liegen.
| Art | Beschreibung | Temperaturbedarf |
|---|---|---|
| Direkte freie Kühlung | Außenluft direkt in den Raum | T_außen < T_raum |
| Indirekte freie Kühlung | Wärmetauscher zwischen Außenluft und Kühlwasser | T_außen < 18 °C |
| Rückkühler (Dry Cooler) | Kühlwasser-Wärmetauscher mit Ventilatoren | T_außen < 16 °C |
| Hybrid | Freie Kühlung + Kältemaschine (Bypass) | T_außen > 16 °C → Kältemaschine |
Für Deutschland gelten folgende Stundenanteile, in denen freie Kühlung möglich ist (T_außen ≤ 18 °C für Systeme mit 16 °C Vorlauftemperatur):
| Klimazone | Stunden mit T ≤ 18 °C | Anteil Jahresstunden |
|---|---|---|
| Hamburg | ca. 7.200 h | 82 % |
| Berlin | ca. 6.800 h | 78 % |
| München | ca. 6.500 h | 74 % |
| Frankfurt | ca. 6.600 h | 75 % |
| Freiburg | ca. 5.800 h | 66 % |
In den Monaten Oktober bis April ist freie Kühlung in fast allen deutschen Städten dauerhaft möglich — das bedeutet, dass gut ausgelegte Gebäude bis zu 70–80 % der Kühlenergie ohne Kältemaschine bereitstellen können.
| Betriebsmodus | Bedingung | Energieeffizienz |
|---|---|---|
| 100 % Free Cooling | T_außen ≤ 16 °C | fCOP 10–50 |
| Teilweises Free Cooling | 16–22 °C | COP kombiniert 5–10 |
| 100 % Kältemaschine | T_außen > 22 °C | COP 3–5 |
Hybride Systeme wechseln automatisch zwischen freier Kühlung und Kompressionskühlung, abhängig von der Außentemperatur.
Ja — wenn eine Kaltwasseranlage (Chiller) vorhanden ist, kann ein Rückkühler (Dry Cooler) oder Bypass-Wärmetauscher nachgerüstet werden. Die Hydraulik muss um einen Free-Cooling-Bypass erweitert werden.
Besonders gut — Rechenzentren haben ganzjährigen Kühlbedarf, auch nachts und im Winter. Mit Free Cooling und einer Vorlauftemperatur von 24–30 °C (higher inlet temperature) können Rechenzentren über 90 % der Zeit ohne Kältemaschine kühlen (PUE-Verbesserung um 20–40 %).
Grundwasserkühlung benötigt eine wasserrechtliche Genehmigung (Entnahme und Wiedereinleitung), die bei der unteren Wasserbehörde beantragt wird. In manchen Regionen ist Grundwasserentnahme zur Kühlung eingeschränkt oder verboten.