Infolge der Erderwärmung durch den Klimawandel muss immer häufiger im Sommer gekühlt werden. Auch im privaten Bereich werden zunehmend Klimaanlagen installiert. Deswegen hat neben der Fernwärme auch die Fernkälte eine immer größere Bedeutung. Dies ist besonders in gewerbliche Räumen der Fall.
Fernkälte lässt sich gut mit Fernwärme kombinieren. Als Kältequellen gibt es verschiedene Möglichkeiten (Grundwasser, Fließgewässer, Kühltürme, Kältemaschinen [Windstrom, PV-Strom]). Fernkältesysteme können in der Zukunft auch regenerative Energien in Kälte umwandeln. Durch Sektorenkopplung mit Windkraftanlagen lässt sich Windstrom nutzen, der sonst abgeregelt werden müsste und kann ein Beitrag zur Integration Erneuerbarer ins Energiesystem und zur Netzstabilität leisten. Im Vergleich zur Kühlung über dezentrale, konventionelle Hausklimaanlagen spart Fernkälte bis zu 70 % des Stromverbrauchs und reduziert auch die CO2-Emissionen entsprechend.
Ein Fernkältesystem funktioniert wie ein Fernwärmesystem. In einem Kältekraftwerk wird Wasser abgekühlt und über gut gedämmte Rohrleitungen an die angeschlossenen Verbraucher geliefert. Ein Fernkältenetz funktioniert wie bei der Fernwärme als Kreislauf. Das Wasser wird mit einer Vorlauftemperatur von ca. 6 bis 8 °C zu den angeschlossenen Gebäuden gepumpt. Dort nimmt das Wasser durch die Klimatisierung Wärme auf und fließt im Rücklauf mit ca. 12 bis 15 °C zum Kältekraftwerk zurück. Dort wird die aufgenommene Wärme mittels Kältemaschinen wieder entzogen und erneut ins Netz eingespeist.

Wie funktioniert Fernkälte?
Hamburger Energiewerke GmbH

Fernkälte: Klimatisierungssystem der Zukunft
Stadtwerke München GmbH

Fernkälte: Netz, Erzeugung & Lösung bei Ausfall
Johannes Partz, Lindenfield GmbH
Fernkälte
Bundesverband Geothermie e.V.
Fernkälte
Danfoss GmbH

Flexrohr für Wärme-, Kälte- und Wassernetze

Nahwärmesysteme zur Wärme-, Kälte- und Wasserversorgung Uponor Ecoflex
Uponor GmbH
Vorgedämmte Rohrleitungen + Leitungen für Heizung, Kälte, Sanitär- und Thermalleitungen
Thermaflex GmbH
Flexiblen und starren Nahwärmerohre und Fernwärmerohre
BRUGG Rohrsystem AG
Das Rohrsystem Radius® FibreFLEX PN 10
ENERPIPE GmbH

Hitze
Durch den Klimawandel steigen die Temperaturen auch in Deutschland zunehmend an. Dies führt vor allen Dingen in den Städten zu einem erhöhten Bedarf an Kühlsystemen. Bevor sich hier immer mehr Einrichtungen eigene Klimageräte anschaffen, bietet sich der Ausbau bzw. Aufbau der Fernkälte an.
Heiße Tage mit Lufttemperaturen über 30 °C und Tropennächte, in denen die Lufttemperatur nicht unter 20 °C fällt, können für den menschlichen Organismus eine große Belastung darstellen, insbesondere, wenn zudem eine hohe relative Luftfeuchte herrscht und wenig oder gar kein Wind geht. Denn bei hohen Temperaturen und eine relative Feuchte über 50 % muss das körpereigene Kühlsystem vermehrt Anstrengungen unternehmen, um die normale Köpertemperatur von ca. 37 °C zu halten. Diese zusätzlichen Belastungen des Herz-Kreislaufsystems sowie ein möglicher Flüssigkeitsmangel durch verstärktes Schwitzen können zu hitzebedingten Erkrankungen (z. B. Hitzeerschöpfung, Hitzekrämpfen, einem Hitzschlag oder Austrocknung) führen, die zum Teil lebensbedrohlich sind.
Eine bessere Kommunikation und informative Unterstützung für Kommunen sind zwei zentrale Säulen der Hitzestrategie (Hitzeschutzplan) des Gesundheitsministeriums.
Inzwischen wird auch die Bundesregierung aktiv. Die Sozialverbände und Karl Lauterbach fordern einen konkreten Hitzeschutzplan mit Maßnahmen gegen die Hitze in Deutschland. Vertretern von Ärzteschaft, Pflege, Sozialverbänden, Ländern und Kommunen trafen sich mit dem Gesundheitsminister. Gemeinsam wollen sie einen Hitzeschutzplan auf den Weg bringen. Darin geht es um die unterschiedlichen Schweregrade von Hitzeperioden und Hitzewellen. Je nach Temperatur soll es dann Hitzemaßnahmen in Deutschland geben. Lauterbach will diesen Maßnahmenkatalog in diesem Sommer vorstellen.

Millionen Menschen in Gefahr: Lauterbach treibt "Hitzeschutzplan" voran
Felix Busjaeger, Frankfurter Rundschau GmbH
Fragen und Antworten zu Hitzewellen - Bundesministerium für Gesundheit
Hitze Service für Kommunen - Bundesministerium für Gesundheit
Gesundheitliche Auswirkungen von Hitze - RKI

Interaktive Karte - ⁠Heiße Tage⁠ 2000-2020
Gesundheitsrisiken durch Hitze - UBA - Umweltbundesamt

Gerichtsurteil: 26 Grad dürfen nicht überschritten werden

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Kühltag - Kühlgradtag
Vergleichbar zu den Begriffen Heiztag bzw. Heizgradtage bzw. Gradtagszahl (nach VDI 2067), die als Maß zur Abschätzung des Wärmebedarfs in der Heizperiode verwendet werden, wird als Maß zur Abschätzung des Kühlenergiebedarfs die Begriffe Kühltag bzw. Kühlgradtag verwendet.
Der Energiebedarf von Gebäuden mit dem Blick auf Kühlung wird über den wetterbasierten technischen Index "Kühlgradtage" betrachtet. Der Index gibt eine fiktive Größe an, nicht die Zahl der Tage an, an denen Gebäude gekühlt werden. An einem Kühltag liegt die mittlere Tagestemperatur bei > 18,3 °C oder mehr. Kühlgradtage ermöglichen Rückschlüsse auf den wetterbedingten Energiebedarf für die Gebäudekühlung. Dabei handelt es sich um die Summe der täglich ermittelten Differenz zwischen einer angestrebten Raumlufttemperatur von 18,3 °C und der mittleren Tagestemperatur aller Kühltage. Es hat sich herausgestellt, dass sich die Anzahl der Kühltage und Kühlgradtage in den letzten Jahrzehnten aufgrund des Klimawandels stark zugenommen haben.
Es wird beobachtet, dass es zu einer wachsenden Zahl an Sommer- und Hitzetagen (Tageshöchsttemperatur 25 °C bzw. 30 °C oder mehr) und mehr Tropennächten (Minimumtemperatur nicht unter 20 °C) gekommen ist und gleichzeitig die Zahl der Frost- und Eistage (Temperaturminimum bzw. -maximum unter 0 °C) abnimmt.

Kühlgradtage in der EU 1979-2022
Quelle: Statista GmbH

Hohe Sommertemperaturen und andauernde Hitzeereignisse führen in den Ländern der EU zu steigenden Anforderungen an den Kühlbedarf von Gebäuden: Dies zeigt die Zeitreihe zu den Kühlgradtagen. Zwischen 1979 und 2022 ist der Indexwert für die Kühlgradtage in der EU um mehr als das dreifache angewachsen, von 36,56 auf 139,59. Bei dem Index handelt es sich um eine fiktive Größe, er gibt nicht die reale Zahl der Tage an, an denen Gebäude gekühlt werden müssen.
Quelle: Statista GmbH

Abweichungen der Jahrestemperaturen für Deutschland 1881-2020 vom vieljährigen Temperaturmittel 1961-1990
Quelle: DWD - Deutscher Wetterdienst
Kühlgradtage
Land Hessen - Hessisches Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie (HLNUG)

Kühlgradtage - Umweltbundesamt
Excel-Tool: Gradtagzahlen für Deutschland, Daten bis Mai 2022
TGA+E - Alfons W. Gentner Verlag GmbH & Co. KG
Länder mit den meisten Kühlgradtagen in der Europäischen Union im Jahr 2022
Statista GmbH
Indikatorbasiertes Klimafolgenmonitoring für Baden-Württemberg - Kühlgradtage
Bosch & Partner GmbH: Stefan von Andrian-Werburg

Kältespeicher
Ein Kältespeicher (KS) kann eingesetzt werden, wenn es schwankende Bedarfswerte gibt. Sie werden in der Regel zwischen den Kälteerzeugern und den Verbrauchern der Anlage (Pufferspeicher) eingesetzt. Dadurch können die Kälteerzeuger konstant im optimalen Betriebsbereich gefahren werden, um die Temperatur im Kältespeicher zu senken. Und auf der anderen Seite können die Verbraucher die benötigte Kälte bedarfsgerecht aus dem Speicher entnehmen. In diesem Fall arbeiten beide Seiten des Systems vollkommen unabhängig voneinander. Um z. B. Windstrom und/oder Strom von einer Photovoltaikanlage für die Kältemachinen optimal zu nutzen, werden die Speicher auch parallel zum System geschaltet.
Kältespeicher unterscheiden sich in der Bauart. Die einfachste Ausführung sind Wasserspeicher (oberirdische Tanks, Erdtanks). Außerdem werden PCM-Speicher (Speicher mit phasenwechselnden Materialien) und Sorptionsspeicher eingesetzt.

Wasserspeicher
Das Wasser in dem Kältespeicher (ober- und unterirdische Wasserspeicher, Pufferspeicher, Hydraulische Weiche) wird durch eine Kältemaschine abgekühlt (0 - 6 °C). Die angeschlossene Anlage entnimmt das kalte Wasser und bringt das erwarmte Kühlwasser in den Speicher zurück.
Da der Kältespeicher im Gegensatz zu Warmwasserpufferspeichern mit sehr kleinen Temperaturdifferenzen (4 - 6 K) arbeitet, kommt es auf eine stabile Schichtung des Wassers an. Das Wasser am Speicherboden bleibt dabei lange kühl, während sich der Speicher allmählich von oben nach unten erwärmt. Auf diese Weise bekommt die Anlage auch dann noch kaltes Wasser, wenn der Vorrat sehr knapp ist. Ohne Schichtung würde sich hingegen schneller eine mittlere Wassertemperatur einstellen. Die Speicherkapazität würde sinken und die Kältemaschine müsste öfter takten. Erreichen lässt sich die Schichtung durch strömungsberuhigende Bleche oder die Be- und Entladung auf unterschiedlichen Höhen.
Die Speicher benötigen eine sehr gute Dämmung, damit der Wärmeeintrag aus der Umgebung reduziert und Kondensation an der Außenwand verhindert werden.

Sorptionsspeicher
Die Adsorptionswärmepumpe bzw. Adsorptionskältemaschine arbeitet mit einem festen Lösungsmittel, dem "Adsorbens", an dem das Kältemittel ad- bzw. desorbiert wird. Dem Prozess wird Wärme bei der Desorption zugeführt und bei der Adsorption entnommen. Da das Adsorbens nicht in einem Kreislauf umgewälzt werden kann, kann der Prozess nur diskontinuierlich ablaufen, indem zwischen Ad- und Desorption zyklisch gewechselt wird.

Funktionsprinzip einer Adsorptionskältemaschine
Eine Adsorptionskältemaschine besteht aus zwei mit Sorptionsmittel (Zeolithe, Silikagel, Aktivkohle) gefüllten Arbeitskammern, einem Kondensator und einem Verdampfer. Als Sorptionsmittel wird Silicagel und als Kältemittel Wasser eingesetzt. Der Prozeß arbeitet mit Unterbrechungen und geschlossen.
Ein Arbeitszeitraum hat folgende Arbeitstakte:
1. Das an das Silicagel angelagerte Wasser wird im Wärmeübertrager unter Wärmezufuhr ausgetrieben.
2. Das Wasser wird im Kondensator verflüssigt und Wärme an das Kühlwasser abgeführt.
3. Das Kondensat wird in den Verdampfer eingesprüht und bei starkem Unterdruck verdampft. Dabei wird Wärme aus dem Kaltwasser entnommen und dieses dabei auf die für die Anlage erforderliche Temperatur abgekühlt.
4. Im Wärmeübertrager wird der Wasserdampf adsorbiert und die entstehende Wärme an das Kühlwasser abgeführt.
Durch einfaches Umkehren des Heiz- und Kühlwasserkreislaufs zwischen den Wärmeübertragern werden die Funktionen Austreiber und Adsorber am Ende eines Arbeitszeitraumes vertauscht und der Prozess beginnt von neuem. Im Auslegungszustand dauert ein Arbeitszeitraum 400 Sekunden.
Zwischen zwei Arbeitszeiträumen liegt noch eine Umschaltphase von 20 Sekunden, so dass der Gesamtzeitraum sieben Minuten dauert. Während der Umschaltphase werden beide Kammmern in Reihe durchströmt, so dass auch noch Wärme zurückgewonnen wird.
Im Normalfall wird hierbei nur die sensible Wärme für die Kammeraufheizung zurückgewonnen. Wenn jedoch nur ein geringer Temperaturhub erforderlich ist, beginnt die Adsorption bereits in der Umschaltphase, so daß nicht nur sensible Wärme, sondern auch Adsorptionsenthalpie zurückgewonnen werden kann.

Adsorbtionskältemaschine
Quelle: GBU - Glaser

Kältespeicher mit phasenwechselndem Material (PCM)

Kältespeicher: Arten, Funktion, Vorteile & Kosten
Johannes Partz, Lindenfield GmbH
4-Leiter-System: Heizen und Kühlen mit vielen Vorteilen
Johannes Partz, Lindenfield GmbH
Wärme- und Kältespeicher
Stefan Gschwander, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
Eis-Energiespeichersystem

Eis-Energiespeichersystem

Die wichtigste Wärmequelle eines Eisspeichersystems ist ein unterirdischer Eisspeicher, in dem Wasser kontinuierlich gefroren und wieder aufgetaut wird und einer Sole/Wasser-Wärmepumpe. Durch die Kombination kann sie nicht nur dem Erdreich Wärme entziehen, sondern auch dem Wasser und der Umgebungsluft. Eis-Energiespeicher-Systeme werden vor allem in Gebäuden mit hohem Wärme- und/oder Kältebedarf, besonders gewerbliche und kommunale Zwecke (Fernwärme, Fernkälte) sowie Baugebiete mit Einfamilienhäusern (z. B. Nahwärme, Nahkälte) eingesetzt.

Beispielhafte Darstellung eines Eis-Energiespeichersystems
Quelle: Viessmann Climate Solutions SE

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Klimaanpassungsgesetz

Nahwärmesysteme zur Wärme-, Kälte- und Wasserversorgung Uponor Ecoflex
Uponor GmbH
Vorgedämmte Rohrleitungen + Leitungen für Heizung, Kälte, Sanitär- und Thermalleitungen
Thermaflex GmbH