RLT-Geräte: Energiebedarf und Einsparpotenzial in Europa

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• Für RLT-Geräte liegen in den EU-Staaten keine Daten vor, die eine Kalkulation des Energiebedarfs und des -einsparpotenzials auf direktem Weg ermöglichen.
• Im Rahmen einer Studie wurden Daten für Deutschland über die Bruttoinlandsprodukte und die Jahresmitteltemperaturen auf die anderen EU-Staaten übertragen.
• Alle in einem Jahr neu installierten RLT-Geräte in der EU-27 haben einen Gesamtwärmebedarf von 19,7 TWh/a, davon wird ca. ein Drittel über Wärmerückgewinnung gedeckt.
• Mit einem Gesamtwärmebedarf von 5,3 TWh/a existiert in den weiteren europäischen Ländern ein zusätzliches großes Einsparpotenzial.

Für Deutschland existieren sehr präzise Marktdaten zu raumlufttechnischen Geräten (RLT-Geräte), die jedes Jahr durch den ­Herstellerverband Raumlufttechnische Geräte erhoben werden. Ergänzend dazu wurden zu den Markt- und Effizienzdaten von RLT-Geräten in den Jahren 2009 [1] und 2011 [2] mehrere ­Stu­dien des Umwelt-Campus Birkenfeld erstellt. Die Marktdaten zeigt Abb. 1. Demnach betrug der Umsatz der deutschen Hersteller, die im Herstellerverband organisiert sind, in den ­Jahren 2008 bis 2010 im Durchschnitt etwa 400 Mio. Euro/a.

Der Anteil des Herstellerverbands am Gesamtumsatz Deutschlands liegt nach Studien des Umweltcampus Birkenfeld bei 70,5 % (70 % nach Dissertation Beck, Uni Kassel [3]). Mit ­dieser Quote ergibt sich ein Gesamtumsatz an RLT-Geräten von 568 Mio. Euro/a für Deutschland. Hierin enthalten ist eine Exportquote von durchschnittlich 25,9 %, die bei der Beurteilung des deutschen Marktes zu ­beachten ist.

WRG-Entwicklung (D)

Der Anteil an raumlufttechnischen Geräten mit Wärmerückgewinnung (WRG) liegt in Deutschland im Durchschnitt der letzten drei Jahre bei 44,5 %. Hierbei muss berücksichtigt werden, dass nur 80,5 % der RLT-Geräte mit einer Wärmerückgewinnung ausgestattet werden können. 13,3 % der Geräte sind als reine Zuluftgeräte und 5,8 % sind als reine Abluftgeräte einzustufen, welche systembedingt nicht mit Wärmerückgewinnungssystemen ausgestattet werden können.

Somit ergibt sich für den Zeitraum 2008 bis 2010 eine WRG-Ausrüstungsquote von 55,3 % bezogen auf den Anteil prinzipiell für die ­Wärmerückgewinnung geeigneter RLT-Geräte. Auffallend ist die positive Entwicklung der Effizienz der Wärmerückgewinnung in den letzten Jahren Abb. 3.

Man erkennt, dass sich der durchschnittliche Temperaturübertragungsgrad, der die Effizienz der Wärmerückgewinnung beschreibt, in den Jahren 2006 bis 2010 sehr deutlich von 60 % auf 67,2 % erhöht hat. Gleichzeitig hat sich auch die Nutzung (Verwendung) der Wärmerückgewinnung sehr nachhaltig entwickelt Abb. 4. Auch der Anteil der für Wärmerückgewinnung prinzipiell geeigneten und mit WRG ausgestatteten RLT-Geräte hat sich von 31,4 % in 2006 auf 67,2 % in 2010 signifikant erhöht. Gleichzeitig bewegen sich die Druckverluste der installierten Wärmerückgewinnungssysteme auf einem moderaten Niveau Abb. 5 und haben sich in den letzten Jahren bei rund 180 Pa pro Luftseite stabilisiert.

Elektroenergiebedarfs-Entwicklung (D)

Der gewichtete mittlere geförderte Volumenstrom von RLT-Geräten lag im Zeitraum 2003 bis 2009 bei 14460 m³/h (Zuluft) und 13896 m³/h (Abluft). Im Jahr 2010 haben sich die mittleren Luftmengen auf 13490 m³/h (Zuluft) und 12784 m³/h (Abluft) reduziert. Damit kann als Trend festgestellt werden, dass sich die geförderte (Nenn-)Luftmenge pro RLT-Gerät (Zuluft –6,7 % und Abluft – 8 %) verringert hat.

Im Jahr 2010 haben sich gegenüber den Vorjahren auch die mittleren externen Drücke um 5,3 % auf 556 Pa in der Zuluft und auf der Abluftseite auf 523 Pa und damit um einen Wert von 3,9 % reduziert, wobei die Gesamtdrücke etwa auf dem gleichen Niveau der Vorjahre geblieben sind.

Weiterhin kann festgestellt werden, dass die Systemwirkungsgrade sich ebenfalls auf 55,7 % in der Zuluft, sowie 55,3 % in der Abluft, also ­jeweils um etwa 1,2 bis 1,5 Prozentpunkte verbessert haben. Damit haben sich in 2010 die aufgenommenen Leistungen im Vergleich zu den Vorjahren aufgrund der geringeren Luftmengen und verbesserten Systemwirkungsgrade deutlich verringert. Auf der Zuluftseite lag die mittlere Leistungsaufnahme bei 6,62 kW und damit um 9,3 % unter dem Wert der vorangegangenen Studie aus dem Jahr 2009. In der Abluft reduzierte sich die Leistungsaufnahme um 8,7 % auf 5,27 kW gegenüber den Vorjahren ebenfalls signifikant.

Auch in der Darstellung der SFP-Werte ­(specific fan power) erkennt man, dass sich die spezifischen Werte reduziert haben Abb. 6. Auf der Zuluftseite liegt der SFP-Wert bei 1826 W/(m³/s) gegenüber 1870 W/(m³/s) in 2009 (–2,4 %). Auf der Abluftseite haben sich die Werte von 1625 auf 1547 W/(m³/s) verringert (–4,8 %).

Wärmeenergiebedarf (D)

Um den Wärmeenergiebedarf für Deutschland abschätzen zu können, muss die Verteilung der ins­tallierten RLT-Geräte mit ihren zu fördernden Luftmengen bekannt sein. Aufgrund der vorangegangenen Studie aus 2009 ergibt sich eine Luftmengenverteilung von RLT-Geräten gemäß Abb. 7. Wenn man den spezifischen Energiebedarf für Wärme von 8,4 kWh/(a × (m³/h)) berücksichtigt, der sich bei einer durchschnittlichen Laufzeit von 2350 h/a ergibt, erhält man eine Verteilung der Wärmearbeiten gemäß Abb. 8.

Es ist zu erkennen, dass sich der „gewichtete“ Schwerpunkt von kleinen Luftmengen zu großen Luftmengen verschiebt. Während – bezogen auf hergestellte Stückzahlen – die mittlere Luftmenge bei ca. 7500 m³/h liegt Abb. 7, ergibt sich aus der Summenhäufigkeitsverteilung der Wärmearbeiten ein Mittelwert von 28750 m³/h Abb. 8. Dies ist nachvollziehbar, denn in der ersten Verteilung ist der Einfluss eines Gerätes mit ­beispielsweise 1000 m³/h genauso groß wie der eines Gerätes mit 100000 m³/h, wobei in Abb. 8 dessen Einfluss (gewichtet) um den Faktor 100 höher ist.

Somit ergibt sich, bezogen auf das Jahr 2010, folgende Gesamtsituation: In Deutschland wurden insgesamt ca. 53000 raumlufttechnische Geräte in Verkehr gebracht. Diese Geräte ­(berechnet ohne die exportierten RLT-Geräte) förderten im Jahr 2010 in Deutschland unter ­Zugrundelegung der vorliegenden Luftmengenverteilung einen Volumenstrom von 562,5 Mio. m³/h.

Unter Berücksichtigung der einzelnen Wärmearbeiten und ihrer Verteilung errechnet sich damit eine notwendige Gesamtwärme­arbeit von 4724800MWh/a (4,7 TWh/a), die zum Betrieb der im Jahr 2010 in Verkehr gebrachten Anlagen notwendig ist. Setzt man eine Nutzung der Wärmerückgewinnung von 54,3 % bezogen auf alle RLT-Geräte – auch reine Zu- oder Abluftgeräte, die in der Gesamtanzahl enthalten sind – an und wird die ­Effizienz (Übertragungsgrad) der WRG mit 67,2 % berücksichtigt, ergibt sich für Deutschland eine Abschöpfung von 1722700MWh/a (1,7 TWh/a) mit Wärmerück­gewinnungssystemen.

Die zum Betrieb der 2010 installierten RLT-Geräte notwendige aufgenommene elektrische Motorleistung liegt bei 492633 kW.

Übertragung auf Europa

Für RLT-Geräte liegen in den 27 EU-Staaten nur rudimentäre Grundlagendaten vor, die eine genaue Kalkulation des Energiebedarfs und des Energieeinsparpotenzials auf direktem Weg nicht ermöglichen. Allerdings kann auf Basis der vorliegenden und relativ genauen Daten für Deutschland eine Abschätzung für Europa vorgenommen werden. Hierbei bieten sich zwei prinzipielle Möglichkeiten an.

Zum einen kann auf Basis der Bevölkerungszahlen (Population) in den einzelnen europäischen Staaten der Energiebedarf der entsprechenden Länder hochgerechnet werden. Allerdings würde dabei die These einer europaweit gleichmäßigen Anwendung der Raumlufttechnik zugrunde gelegt werden. Diese Annahme ist nicht praxisgerecht.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Daten auf Basis der jeweiligen Brutto­inlandsprodukte (BIP) im Verhältnis des BIP in Deutschland zu berechnen. Dies hat den ­Vorteil, dass damit einerseits die Größe und ­Population der einzelnen EU-Staaten, aber auch deren wirtschaftliche Aktivität und somit die proportionale Verwendung der Raumlufttechnik berücksichtigt wird. Damit liegt ­dieser Berechnung der Energiebedarfe die ­Annahme zugrunde, dass der Anteil der ­Raumlufttechnik proportional vom Brutto­inlandsprodukt (gross domestic product – GDP) abhängt.

Diese These wurde anhand der hergestellten Stückzahlen von RLT-Geräten verifiziert. Das Ergebnis proportional zum BIP der einzelnen Länder stimmte mit einer Abweichung von nur ca. 11 % mit den prognostizierten Stückzahlen gemäß einer EU-Studie [4] überein (356455 Geräte proportional zum BIP zu 320000 Geräten inklusive Central heatrecovery Ventilation units CHRV laut Studie). Bezogen auf die Bevölkerungszahlen würde sich eine Abweichung von mehr als 22 % ergeben (435192 Geräte proportional zur Population).

Elektroenergiebedarf (EU-27)

Der Elektroenergiebedarf in Europa (EU-27) kann auf dieser Basis relativ leicht berechnet werden, da unterschiedliche klimatische Bedingungen zur Förderung der Luft nicht berücksichtigt werden müssen. Dabei wird die installierte aufgenommene elektrische Leistung in Deutschland mit 492633 kW/a zugrunde gelegt. Basierend auf dem Bruttoinlandprodukt in Deutschland von 3667,5 Mio US-$ (Basis 2008) ergibt sich dann die in den jeweiligen EU-Staaten installierte Leistung über die Beziehung 492633 kW / 3667,5 US-$ × BIP.

Demnach liegt die gesamte installierte Leistung in Europa bei 2470 MW/a im Jahr 2010 Abb. 9. Deutschland hat einen Anteil an der Gesamtleistung von 19,9 %.

Wenn man nun von einer abgezinsten Laufzeit der Anlagen von 13,4 a und von einer Betriebszeit von 2350 h/a ausgeht, ergibt sich ein Elektroenergiebedarf von 77,8 TWh/a. Da ein Trend zu effizienteren Anlagen feststellbar ist, kann ein Einsparpotenzial von ca. 20 % abgeschätzt werden (bereits ca. 9 % in 2010 gegenüber den Vorjahren). Somit ergibt sich ein Einsparpotenzial von rund 15,6 TWh/a, das in Europa genutzt werden kann.

Wärmeenergiebedarf (EU-27)

Auch der Wärmeenergiebedarf in Europa kann auf einer ähnlichen Basis berechnet werden. ­Allerdings müssen die unterschiedlichen klimatischen Bedingungen in den einzelnen EUStaaten zwingend berücksichtigt werden, da sich der spezifische Wärmebedarf in Finnland oder Schweden signifikant vom Bedarf in Griechenland oder Zypern unterscheidet. Umgekehrt proportional ist der Kälteenergiebedarf zu bewerten. Aus diesem Grund wurde in einer aufwendigen georeferenzierten Recherche jedem EU-Staat eine repräsentative Jahresmitteltemperatur zugeordnet.

Weiterhin muss auf Basis der unterschied­lichen klimatischen Anforderungen die ungleichmäßige Nutzung von Wärmerückge­winnungssystemen berücksichtigt werden. Eine gleichmäßige Nutzung von WRG-Systemen als Annahme zur Abschätzung des Energie­bedarfs muss ungenauere Ergebnisse liefern. Aus diesem Grund wurde als These die Nutzung von WRG-Systemen proportional zum nutzbaren Temperaturgefälle (Raum­temperatur minus Jahresmitteltemperatur) in den jeweiligen Ländern vorausgesetzt.

Somit wird das Einsparpotenzial durch WRG in Deutschland in der Höhe von 1,7 TWh/a proportional zum BIP von 3667,5 Mio US-$ und der mittleren Temperaturdifferenz (Zulufttemperatur von 21 °C minus Jahresmitteltemperatur T_m von 9,0 °C), sowie der Wärmerückgewinnungskennwert (Durchschnittlicher Übertragungsgrad mal durchschnittliche Nutzung der WRG) von 36,46 % zueinander ins Verhältnis gesetzt. Der nationale WRG-Kennwert (U_Nat) errechnet sich mit:

Das jeweilige WRG-Potenzial in den einzelnen EU-Staaten (WRG _Pot,W,Nat ) ergibt sich dann aus:

Die Ergebnisse für das WRG-Potenzial zeigt Abb. 10. Es ist auch zu erkennen, dass unter der ­getroffenen Annahme die WRG in nördlichen Ländern deutlich stärker genutzt wird (beispielsweise Finnland mit 48,5 %) und in südlichen Ländern der Einfluss der WRG deutlich sinkt (z.B. Griechenland mit 9,1 %). Damit errechnet sich ein Gesamtbedarf an Wärme von 19742781 MWh/a (19,7 TWh/a) Dieser Bedarf wird insgesamt europaweit mit 6572614 MWh/a (6,5 TWh/a), also mit 33,3 % durch die Nutzung der Wärmerückgewinnung gedeckt. Das entspricht einer Einsparung an CO₂-Emissionen von 2162277 t/a (mit 329 kg/MWh auf Basis von Mineralöl als Energieträger). Der Anteil Deutschlands am Gesamtwärmeeinsparpotenzial liegt bei 26,2 %.

Wenn man wie oben davon ausgeht, dass die abgezinste Laufzeit der Anlagen bei 13,4 a liegt und die Anlagen im Durchschnitt mit 2350 h/a betrieben werden, ergibt sich ein Gesamtpotenzial von 88,1 TWh/a bei einem Gesamtbedarf von 265 TWh/a, das durch die Wärmerückgewinnung eingespart werden kann. Wenn man allerdings die niedrigere Nutzung der WRG mit den niedrigeren Übertragungsgraden der letzten Jahre berücksichtigt, wird der wahrscheinlichere Wert der Einsparung bei rund 53,4 TWh/a liegen.

Allerdings erkennt man auch, dass zukünftig ein deutlich höheres Potenzial von insgesamt 147 TWh/a genutzt werden kann, wenn als Basis die höchste Klasse H1 nach EN 13053 [5] (75 % Temperaturübertragungsgrad) bei maximaler Nutzung (80,5 % der RLT-Geräte) ­zugrunde gelegt wird. Letztlich wird die tatsächliche Einsparung zwischen den beiden ­Extremen liegen.

Kälteenergiebedarf (EU-27)

Die Berechnung des Kälteenergiepotenzials basiert auf der Nutzung der Wärmerückgewinnung, die fast ausnahmslos für den Winterfall definiert wird. Des Weiteren wurde ein Kältefaktor errechnet, der sich aufgrund der klimatischen Bedingungen, also den mittleren Jahrestemperaturen in den einzelnen Ländern relativ zu Deutschland und einer mittleren Raumtemperatur ergibt.

Dabei basieren die Werte auf der sensiblen Kälteenergieeinsparung in Deutschland mit 111273 MWh/a sowie auf der mittleren ­Außenlufttemperatur im Sommer von 25 °C. Aus den mittleren Jahrestemperaturen (T_m) errechnet sich für jedes Land ein Kältebedarfs-Faktor f_Nat von:

Das jeweilige Potenzial errechnet sich dann aus:

Abb. 11 zeigt einen sensiblen Gesamt-Kältebedarf von ca. 1872600 MWh/a (1,9 TWh/a) der mit 516800 MWh/a, durch die Wärmerückgewinnung gedeckt werden kann. Man erkennt auch, dass der Kälteenergiebedarf, der für die sensible Kühlung benötigt wird, um eine Zehnerpotenz geringer ist als der Wärmeenergiebedarf.

Diese Situation kann sich allerdings grund­legend ändern, wenn die Entfeuchtung der Luft (latente Kühlleistung) im Sommer berücksichtigt wird. Diese Fragestellung ist allerdings nur mit erheblichem Simulationsaufwand pro Klimaregion bzw. EU-Staat in Europa möglich und wurde in dieser Studie nicht ­berücksichtigt.

Nicht nur für die 27 EU-Staaten, sondern auch für die „restlichen“ europäischen Staaten außerhalb der europäischen Union kann der Energiebedarf ebenfalls abgeschätzt werden. Hier ergibt sich dann analog eine installierte Elektroleistung von 511 MW/a Abb. 12 und ein Wärmeenergiebedarf von 5314100 MWh/a Abb. 13.

Zusammenfassung

Für Europa liegen keine gesicherten oder ­erhobenen Daten zum Energiebedarf und zum Einsparpotenzial von raumlufttechnischen Geräten vor. Auf Basis der vorliegenden Studie kann allerdings die Größenordnung zum ­Energiebedarf sicher abgeschätzt werden. ­Natürlich erhebt die Studie nicht den ­Anspruch auf Exaktheit, aber das Potenzial des Marktes und die Möglichkeiten können mit relativer Sicherheit glaubhaft dargelegt werden.

Insgesamt ergeben sich Einsparpotenziale in einer Größenordnung von etwa 53 bis 146 TWh/a für Wärmeenergie durch die Nutzung von Wärmerückgewinnungssystemen und rund 15 TWh/a an Elektroenergie durch die Nutzung effizienter Ventilator-Antriebssysteme, wobei das Potenzial an Elektroenergieeinsparung durch die Verwendung von Drehzahlregelsystemen (bedarfsgerechte Lüftung) nochmals deutlich erhöht werden kann.

Durch Einbeziehung der EU+ Staaten, die heute nicht Mitglied in der EU sind, errechnet sich ein weiterer wesentlicher Beitrag zur Energieeinsparung. •

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Literatur

[1] Kaup, Christoph: Elektroenergiebedarf und Wärmerückgewinnung – Energieeffizienz von RLT-Geräten. Stuttgart: Gentner Verlag, TGA 03-2010

[2] Erweiterung der Studie zur Energieeffizienz von raumluft­technischen Geräten, 2011. Umwelt-Campus Birkenfeld und ­Herstellerverband Raumlufttechnische Geräte

[3] Beck, E.: Energieverbrauch, -einsparpotenzial und -grenzwerte von Lüftungsanlagen. Kassel: Universität Kassel, 2000

[4] Sustainable Industrial Policy – Building on the Ecodesign Directive – Energy-Using Product Group Analysis/2: Lot 6: Air-conditioning and ventilation systems, Draft Report Task 2, Market on Ventilation Systems for non residential and collective residential applications

[5] DIN EN 13053 Lüftung von Gebäuden – Zentrale raumluft­technische Geräte – Leistungskenndaten für Geräte, Komponenten und Baueinheiten. Berlin: Beuth Verlag, Februar 2012

ist Lehrbeauftragter für Energie­effizienz und Wärmerückgewinnung am Umwelt-Campus Birkenfeld der FH Trier, Vorstandsmitglied und Obmann für Technik des Herstellerverbands Raumlufttechnische Geräte e.V., Chairman der Arbeitsgruppe „Non-residential Ventilation“ in EVIA (European Ventilation Industry ­Association), Mitglied in verschiedenen Normungsgremien und Richtlinienausschüssen sowie Geschäftsführender Gesellschafter von Howatherm Klimatechnik, Brücken, https://www.howatherm.de/de/home/