Autor: Technische Abteilung Mycond
Luftentfeuchtungssysteme sind ein integraler Bestandteil moderner ingenieurtechnischer Lösungen zur Sicherstellung eines optimalen Raumklimas in Gebäuden. Ihr Betrieb ist jedoch mit erheblichen Treibhausgasemissionen verbunden, die zur globalen Erwärmung beitragen. Eine präzise Bewertung des CO₂-Fußabdrucks dieser Systeme und das Verständnis der Möglichkeiten zu dessen Reduzierung sind eine wichtige Aufgabe für Planungsingenieure, die energieeffiziente und ökologisch verantwortliche Lösungen anstreben.
Thermodynamische Natur der CO₂-Emissionen bei Entfeuchtungsprozessen
CO₂-Emissionen aus Feuchteregelungssystemen haben einen thermodynamischen Hintergrund, der mit der Energie zusammenhängt, die zum Verdampfen und Kondensieren von Feuchtigkeit erforderlich ist. Die Verdampfungswärme hängt von der Temperatur ab und kann nach folgender Formel berechnet werden: Verdampfungswärme = 2501 − 2,38 × Temperatur (kJ/kg). Diese Größe zeigt, wie viel Energie für die Verdampfung von Wasser aufgewendet werden muss und wirkt sich direkt auf den Energieverbrauch von Entfeuchtungssystemen aus.
Psychrometrische Entfeuchtungsprozesse für verschiedene Technologien (kondensationsbasiert, adsorptiv und lüftungsbasiert) verlaufen im Enthalpie-Feuchtegehalt-(h-x)-Diagramm auf unterschiedlichen Pfaden. Für die Kondensationsentfeuchtung ist eine Abkühlung der Luft unter den Taupunkt mit anschließender Erwärmung charakteristisch, für die Adsorptionsentfeuchtung eine direkte Senkung des Feuchtegehalts bei nahezu konstanter Temperatur, und für die lüftungsbasierte Entfeuchtung der Austausch feuchter Innenluft gegen trockenere Außenluft.
Die Umwandlung des Energieverbrauchs in CO₂-Emissionen erfolgt über den Primärenergiefaktor, der für das Stromnetz üblicherweise zwischen 2,0 und 3,0 liegt und für Gas zwischen 1,1 und 1,3, sowie über die CO₂-Intensität des Stroms, gemessen in Gramm CO₂ pro Kilowattstunde. Wichtig ist, den Unterschied zwischen dem direkten Energieverbrauch des Geräts und dem indirekten Einfluss auf das übergeordnete HLK-System zu verstehen. Das Ignorieren der Auswirkungen von Entfeuchtern auf Kältemaschinen und Kessel führt zu einem Bewertungsfehler der Emissionen von 40–80 %.
Energie- und CO₂-Profil der Kondensationsentfeuchtung
Kondensationsentfeuchter arbeiten nach dem Prinzip der Kältemaschine. Die Luft wird am Verdampfer unter den Taupunkt abgekühlt, die Feuchtigkeit kondensiert, und anschließend wird die Luft am Kondensator erwärmt. Die Leistungszahl (COP) eines solchen Systems hängt stark von der Lufttemperatur ab und liegt typischerweise zwischen 1,5 bei +5 °C und 3,5 bei +35 °C.
Der spezifische Energieverbrauch kondensationsbasierter Systeme wird als Verhältnis der elektrischen Leistung zur Feuchteleistung definiert (kWh/kg). Dabei erzeugt die in den Raum abgegebene Kondensatorwärme (Kondensatorwärme = Verdampfungswärme + elektrische Leistung) eine zusätzliche Last für das Kühlsystem des Gebäudes, was zu indirekten Emissionen führt.
Direkte Emissionen durch Kältemittel werden als Produkt aus Verlustmasse und Treibhauspotenzial (GWP) des Kältemittels berechnet. Aktuelle Trends zielen darauf ab, Kältemittel durch Varianten mit niedrigem GWP zu ersetzen. Die Effizienz kondensationsbasierter Systeme variiert zudem saisonal, nimmt in der Regel im Winter ab und steigt im Sommer.
Energie- und CO₂-Profil der Adsorptionsentfeuchtung
Die Adsorptionsentfeuchtung basiert auf Adsorptionsprozessen (Senkung des Partialdrucks des Wasserdampfs durch Feuchteaufnahme im Adsorptionsmittel) und Regeneration (Erwärmung der Luft auf 120–180 °C zur Desorption der Feuchtigkeit aus dem Adsorptionsmittel). Der spezifische Energieverbrauch für die Regeneration berücksichtigt die Luftaufheizung, die Desorptionswärme und den Wirkungsgrad der Wärmerückgewinnung.
Für die Regeneration können verschiedene Energiequellen eingesetzt werden (Elektroheizer, Gasbrenner, Heißwasser, Dampf) mit unterschiedlicher CO₂-Intensität. Adsorptionssysteme erzeugen zudem zusätzliche Ventilatorlasten durch Druckverluste und können zusätzliche Kühlung erfordern oder umgekehrt die Möglichkeit zur Wärmerückgewinnung bieten.
Energie- und CO₂-Profil der Lüftungsentfeuchtung
Die lüftungsbasierte Entfeuchtung stützt sich auf die Psychrometrie des Luftaustauschs: Feuchte Innenluft wird durch Außenluft mit geringerem Feuchtegehalt ersetzt. Die Anwendbarkeit dieser Methode hängt von den klimatischen Bedingungen ab und wird durch den Anteil der Stunden pro Jahr bestimmt, in denen der Feuchtegehalt der Außenluft unter dem der Innenluft liegt.
Der Energieverbrauch hängt mit der thermischen Aufbereitung der Zuluft zusammen — deren Erwärmung in der Heizperiode oder Kühlung im Sommer. Eine Wärmerückgewinnung kann diese Last abhängig vom Wirkungsgrad des Wärmerückgewinners (typisch 0,5 bis 0,85) reduzieren. Der spezifische Energieverbrauch hängt von der Temperaturdifferenz zwischen Außen- und Innenluft ab.
Im Vergleich zur mechanischen Entfeuchtung kann die lüftungsbasierte Methode bei günstigen Klimabedingungen energieeffizienter sein. Die Wirtschaftlichkeitsgrenze wird durch die konkreten Betriebsbedingungen und die regionalen Klimacharakteristika bestimmt.
Algorithmus zur Technologieauswahl nach dem Kriterium minimaler CO₂-Emissionen
Zur Auswahl der Entfeuchtungstechnologie mit minimalen CO₂-Emissionen wird ein schrittweises Vorgehen genutzt:
- Ermittlung der jährlichen Feuchteleistung auf Basis der Feuchtebilanz des Objekts
- Berechnung des spezifischen Energieverbrauchs für jede verfügbare Technologie
- Berücksichtigung des Einflusses auf das zentrale HLK-System
- Multiplikation mit dem Primärenergiefaktor und der CO₂-Intensität
- Addition direkter Emissionen aus Kältemittelverlusten (für kondensationsbasierte Systeme)
- Summierung der Emissionen über alle Systemgrenzen
- Vergleich der Technologien anhand des Gesamt-Emissionskennwerts
Grenzbedingungen für die Technologieauswahl: Liegt die Lufttemperatur unter 15 °C, hat die Adsorptionsentfeuchtung in der Regel Vorteile; ist der Feuchtegehalt der Außenluft während mehr als 4000 Stunden pro Jahr niedriger als im Innenraum, ist die lüftungsbasierte Entfeuchtung am sinnvollsten; existiert ein Abnehmer für Niedertemperaturwärme, kann die Kondensationsentfeuchtung mit Wärmerückgewinnung die optimale Wahl sein.
Rückgewinnung der Kondensationswärme: Berechnung des Potenzials zur Emissionsminderung
Die für die Nutzung bei der Kondensationsentfeuchtung verfügbare Wärme wird als Produkt aus Feuchteleistung und Verdampfungswärme plus elektrischer Leistung berechnet. Diese Wärme kann von verschiedenen Verbrauchern genutzt werden: für die Warmwasserbereitung (Erwärmung auf 50–60 °C), Schwimmbaderwärmung (auf 26–28 °C), Luftheizung (35–50 °C) oder für technische Prozesse.
Das Temperaturniveau der Kondensationswärme liegt für Entfeuchtungssysteme, die bei einer Lufttemperatur von etwa +20 °C arbeiten, typischerweise zwischen 40 und 55 °C. Der Wirkungsgrad des Wärmetauschers für diese Wärmerückgewinnung ist unter Berücksichtigung der minimalen Temperaturdifferenz (in der Regel 3–5 K) zu berechnen.
Die Emissionsreduktion bei der Substitution traditioneller Wärmequellen (Kessel oder Wärmepumpen) wird unter Berücksichtigung der CO₂-Intensität der ersetzten Quelle berechnet. Die Wirtschaftlichkeit der Wärmerückgewinnung wird üblicherweise über die Amortisationszeit bewertet, die für solche Lösungen je nach konkreten Bedingungen zwischen 2 und 7 Jahren liegt.
Methode zur Berechnung des vollständigen CO₂-Fußabdrucks eines Entfeuchtungssystems: TEWI-Methode
TEWI (Total Equivalent Warming Impact — gesamter äquivalenter Erwärmungseinfluss) für kondensationsbasierte Systeme wird als Summe aus drei Komponenten berechnet:
- Direkte Emissionen durch Kältemittelverluste: Treibhauspotenzial × jährliche Kältemittelverluste × Lebensdauer
- End-of-Life-Emissionen: Treibhauspotenzial × Füllmenge × (1 − Rückgewinnungsquote bei der Entsorgung)
- Indirekte Emissionen aus dem Energieverbrauch: Lebensdauer × jährlicher Energieverbrauch × CO₂-Intensität des Stroms × Primärenergiefaktor
Für erweiterte Systemgrenzen werden zusätzliche Komponenten wie der Einfluss auf Kältemaschinen und Kessel berücksichtigt. Analog wird der TEWI für Adsorptionssysteme unter Berücksichtigung ihrer spezifischen Energieverbräuche berechnet.
Zur besseren Vergleichbarkeit verschiedener Systeme können die Ergebnisse auf Kilogramm CO₂-Äquivalent pro Kilogramm entfernter Feuchtigkeit pro Jahr oder pro Quadratmeter Fläche und Jahr bezogen werden. Dabei sind Unsicherheiten zu berücksichtigen, wie die Änderung der CO₂-Intensität über die Lebensdauer, die Effizienzdegradation der Geräte und die tatsächlichen Kältemittelverluste.
Integration erneuerbarer Energien: Berechnung der Reduktion des CO₂-Fußabdrucks
Zur Regeneration des Adsorbens können Wärmepumpen eingesetzt werden, deren Leistungszahl für Regenerationstemperaturen von 120–140 °C typischerweise zwischen 2,0 und 3,5 liegt. Eine Alternative sind solarthermische Kollektoren, deren benötigte Fläche nach folgender Formel berechnet wird: Fläche = Regenerationswärmeenergie / (mittlere Einstrahlung × Kollektorwirkungsgrad × Nutzungsfaktor). Der Wirkungsgrad von Kollektoren variiert üblicherweise zwischen 0,4 und 0,7.
Zur Versorgung kondensationsbasierter Entfeuchter können Photovoltaikanlagen verwendet werden. Der Deckungsanteil der Last wird berechnet als Produkt aus PV-Leistung und Erzeugungszeit, geteilt durch den jährlichen Energieverbrauch. Zur Glättung von Lastspitzen kann Energiespeicherung mittels Batterien eingesetzt werden.
Bei einer ganzheitlichen Bewertung des ökologischen Effekts der Integration erneuerbarer Energien müssen die Emissionen aus der Herstellung der Ausrüstung selbst (grauer Kohlenstoff) berücksichtigt und der Reduktion der Betriebsemissionen gegenübergestellt werden.
Einfluss der CO₂-Intensität des Energienetzes auf die Technologieauswahl
Die CO₂-Intensität des Stroms weist erhebliche regionale Unterschiede auf: von 50 g CO₂/kWh in Norwegen und Schweden bis 800 g CO₂/kWh in Polen. Diese Daten können den offiziellen Quellen der Netzbetreiber entnommen werden.
Für den vergleichenden Technologievergleich der Entfeuchtung in verschiedenen Ländern müssen diese Unterschiede berücksichtigt werden. Beispielsweise unterscheiden sich die Ergebnisse bei der Gegenüberstellung eines Kondensationsentfeuchters mit einer Leistungszahl von 2,5 und eines Adsorptionsentfeuchters mit Gasregeneration erheblich bei CO₂-Intensitäten von 100, 400 oder 700 g CO₂/kWh.
Ebenso sind Dekarbonisierungstrends zu berücksichtigen, da bis 2040 eine Verringerung der CO₂-Intensität um 50 % prognostiziert wird, was die Ergebnisse des Technologievergleichs langfristig verändern kann. Grüne Tarife und Herkunftsnachweise für erneuerbare Energie beeinflussen ebenfalls die tatsächliche CO₂-Intensität der verbrauchten Energie.
Normative Anforderungen und Systeme der Gebäudezertifizierung
Die Richtlinie über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden (EPBD) legt Anforderungen an Gebäude mit nahezu Nullenergiebedarf (nZEB) fest, die die Auswahl von Entfeuchtungssystemen beeinflussen. Die EU-Verordnung 517/2014 über fluorierte Gase beschränkt die Verwendung von Kältemitteln mit hohem Treibhauspotenzial: über 2500 seit 2020 und über 150 ab 2025.
Systeme der ökologischen Gebäudezertifizierung wie BREEAM, LEED und DGNB enthalten Bewertungskriterien für Energieeffizienz und CO₂-Emissionen, einschließlich für HLK- und Entfeuchtungssysteme. Die TEWI-Methodik wird im Kontext solcher Zertifizierungen aktiv genutzt.
Regulatorische Trends zielen auf eine weitere Verschärfung der Anforderungen ab: Verbot von Kältemitteln mit hohem Treibhauspotenzial, Vorgaben zur Nutzung erneuerbarer Energien und Einführung der CO₂-Bepreisung.
Typische ingenieurtechnische Fehler und Fehleinschätzungen
Bei der Bewertung des CO₂-Fußabdrucks von Entfeuchtungssystemen machen Ingenieure häufig folgende Fehler:
- Vergleich von Technologien ausschließlich über den direkten Energieverbrauch ohne Berücksichtigung des Einflusses auf das HLK-System
- Anwendung eines pauschalen Werts für die CO₂-Intensität ohne Berücksichtigung der lokalen Erzeugungsstruktur (Fehler bis zu 400 %)
- Ignorieren direkter Emissionen aus Kältemitteln
- Überschätzung des Potenzials der Wärmerückgewinnung ohne Berechnung des realen Verbrauchers und der Temperaturkompatibilität
- Bewertung erneuerbarer Quellen nach installierter Leistung ohne Berechnung des Nutzungsgrades
- Vergleich der Adsorptionsentfeuchtung mit elektrischer statt mit gasförmiger Regeneration
- Nichtberücksichtigung der Effizienzdegradation über die Lebensdauer
- Ignorieren des grauen Kohlenstoffs aus der Geräteherstellung
Anwendungsgrenzen der Methoden und Bedingungen mangelnder Wirksamkeit
Jede Entfeuchtungstechnologie hat ihre Grenzen. Die Kondensationsentfeuchtung wird bei Temperaturen unter +5 °C ineffizient, wenn die Leistungszahl unter 1,5 fällt. Die lüftungsbasierte Methode ist nur dann wirksam, wenn der Feuchtegehalt der Außenluft niedriger ist als im Innenraum, und ist in feuchten Klimazonen nicht einsetzbar.
Für die Wärmerückgewinnung ist der Maßstab des Projekts wichtig — bei einer Kapazität von weniger als 50 kg/Tag können die Investitionskosten nicht gerechtfertigt sein. Die solare Regeneration unterliegt klimatischen Einschränkungen: In Nordeuropa (Breitengrad über 55°) liegt die Einstrahlung unter 1 kWh/m² pro Tag, was die Lastabdeckung auf bis zu 20 % begrenzt.
Normative Beschränkungen für Kältemittel mit einem Treibhauspotenzial über 150 werden in naher Zukunft die Auswahl von Entfeuchtungstechnologien beeinflussen. Betriebsarten, die eine kontinuierliche Entfeuchtung erfordern, können mit der Energiespeicherung aus erneuerbaren Quellen unvereinbar sein.
Die Unsicherheit von Prognosen zur CO₂-Intensität über 10–15 Jahre erschwert ebenfalls die langfristige Planung und Technologieauswahl.
Häufig gestellte Fragen
Welche Entfeuchtungstechnologie hat den kleinsten CO₂-Fußabdruck?
Die Antwort hängt von vielen Faktoren ab, darunter die CO₂-Intensität des Stromnetzes, die klimatischen Bedingungen und die Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung. In Regionen mit niedriger CO₂-Intensität (unter 200 g CO₂/kWh) hat die Kondensationsentfeuchtung mit Wärmerückgewinnung oft den kleinsten Fußabdruck. Bei hoher CO₂-Intensität (über 600 g CO₂/kWh) kann Adsorptionsentfeuchtung mit Gasregeneration optimaler sein. Lüftungsbasierte Entfeuchtung ist in Regionen mit kaltem, trockenem Klima am umweltfreundlichsten.
Wie wirkt sich die Wärmerückgewinnung auf den gesamten CO₂-Fußabdruck aus?
Wärmerückgewinnung kann den gesamten CO₂-Fußabdruck um 30–60 % senken, abhängig vom Rückgewinnungsgrad und der Art der ersetzten Wärme. Bei einer Entfeuchterleistung von 100 kg/Tag beträgt die rückgewinnbare Wärme beispielsweise etwa 70 kWh/Tag. Ersetzt diese Wärme einen Gaskessel mit einer CO₂-Intensität von 250 g CO₂/kWh, beträgt die Emissionsminderung rund 17,5 kg CO₂/Tag bzw. 6,4 Tonnen CO₂/Jahr.
Reduziert die Integration erneuerbarer Energien den CO₂-Fußabdruck immer?
Nicht immer — die Emissionen aus der Herstellung der Ausrüstung (grauer Kohlenstoff) müssen berücksichtigt werden. Für Photovoltaikanlagen liegen diese bei 30–80 kg CO₂/m², für Solarthermie-Kollektoren bei 80–120 kg CO₂/m². Ist die Lebensdauer kurz oder der Nutzungsgrad gering, kann der graue Kohlenstoff die Einsparungen aus niedrigeren Betriebsemissionen übersteigen.
Wie berechnet man den Einfluss eines Entfeuchtungssystems auf Kältemaschinen und Kessel?
Für die Kondensationsentfeuchtung wird die zusätzliche Last auf die Kältemaschine als Kondensationswärme minus der für die Entfeuchtung aufgewendeten Wärme berechnet. Bei einer typischen Leistungszahl des Entfeuchters von 3,0 beträgt diese Zusatzlast etwa 2/3 der gesamten elektrischen Leistung des Entfeuchters. Bei einer CO₂-Intensität des Stroms von 500 g CO₂/kWh und einer Leistungszahl der Kältemaschine von 3,5 ergeben sich indirekte Emissionen von etwa 95 g CO₂ pro Kilogramm entfernter Feuchtigkeit.
Welchen Einfluss hat die Dekarbonisierung des Stromnetzes auf die Technologieauswahl?
Mit der fortschreitenden Dekarbonisierung (Senkung der CO₂-Intensität um 50 % bis 2040) werden elektrische Technologien (Kondensationsentfeuchtung und Adsorptionsentfeuchtung mit elektrischer Regeneration) im Vergleich zu gasbasierten zunehmend attraktiver. Bei einer CO₂-Intensität unter 200 g CO₂/kWh ist die Kondensationsentfeuchtung mit Wärmerückgewinnung in den meisten Szenarien die optimale Wahl.
Fazit
Die Methodik zur Bewertung des CO₂-Fußabdrucks von Luftentfeuchtungssystemen erfordert einen ganzheitlichen Ansatz, der direkte und indirekte CO₂-Emissionen, den Einfluss auf angrenzende HLK-Systeme sowie regionale Besonderheiten der Energieversorgung berücksichtigt. Die grundlegenden Prinzipien einer solchen Bewertung sind:
- Erweiterung der Systemgrenzen zur Einbeziehung des Einflusses auf Kältemaschinen und Kessel
- Berücksichtigung des gesamten Lebenszyklus der Ausrüstung einschließlich Emissionen aus Herstellung und Entsorgung
- Differenzierter Technologieeinsatz in Abhängigkeit von der CO₂-Intensität des Stroms
- Priorisierte Nutzung der Wärmerückgewinnung bei vorhandenen geeigneten Abnehmern
- Integration erneuerbarer Energien unter Berücksichtigung ihrer tatsächlichen Wirksamkeit
Für Planungsingenieure wird empfohlen, die TEWI-Methodik mit erweiterten Systemgrenzen zu verwenden und einen Technologievergleich auf Basis des Kennwerts kg CO₂e pro kg entfernter Feuchtigkeit durchzuführen. Bei der Integration in Gebäudelebenszyklusmethoden ist es wichtig, die prognostizierte Dekarbonisierung des Stromnetzes und mögliche Änderungen der regulatorischen Anforderungen zu berücksichtigen, die die vergleichende Effektivität verschiedener Technologien über die Nutzungsdauer des Gebäudes maßgeblich beeinflussen können.
