Klimawandel lässt Kühlbedarf steigen - Forscher empfehlen Wärmepumpen

Aufgrund des Klimawandels steigt die Durchschnittstemperatur in den kommenden Jahrzehnten an. Damit dürfte auch die Anzahl der so genannten Kühlgradtage deutlich zunehmen. Diese messen die Anzahl Stunden, in denen die Umgebungstemperatur über einem Schwellenwert liegt, bei dem ein Gebäude gekühlt werden muss, um die Innentemperatur auf einem angenehmen Niveau zu halten. Die steigenden Werte können dazu führen, dass vermehrt Kühlgeräte in privaten Haushalten installiert werden. Dadurch könnte der Energiebedarf für die Kühlung von Gebäuden, der bereits durch den Klimawandel und das Bevölkerungswachstum zunehmen wird, noch weiter ansteigen.

Um ein besseres Verständnis dafür zu bekommen, wie stark diese Zunahme sein wird, haben Forscher der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt – kurz: Empa - den Heiz- und Kühlbedarf des Forschungs- und Innovationsgebäudes NEST analysiert. „Unter Einbezug der Umgebungstemperaturen konnten wir basierend auf den Klimaszenarien für die Schweiz eine Hochrechnung zum zukünftigen thermischen Energiebedarf von Gebäuden durchführen. Dabei haben wir neben dem Klimawandel auch das Bevölkerungswachstum und einen zunehmenden Einsatz von Kühlgeräten berücksichtigt“, erklärt Robin Mutschler, Postdoc am „Urban Energy Systems Lab“ der Empa.

Die Ergebnisse prognostizieren einen starken Anstieg des Kühlenergiebedarfs: Geht man von einem extremen Szenario aus, bei dem die gesamte Schweiz auf Klimaanlagen angewiesen wäre, würde bis Mitte des Jahrhunderts fast genauso viel Energie zum Kühlen wie zum Heizen benötigt. In Zahlen ausgedrückt, entspricht dies etwa 20 Terawattstunden (TWh) pro Jahr für das Heizen und 17,5 TWh für das Kühlen. Die benötigte Kühlenergie wurde Technologie-unabhängig berechnet: Falls diese mittels Umkehr eines Wärmepumpen-Prozesses beispielsweise mit COP 3 (COP steht für Coefficient of performance - zu deutsch: Leistungszahl) für das Kühlen bereitgestellt wird, beträgt der Elektrizitätsbedarf für 17,5 TWh Kühlenergie entsprechend etwa 5,8 TWh.

Der Heizbedarf der bewohnten Module im NEST-Gebäude ist vergleichbar mit dem eines modernen Mehrfamilienhauses. Die berechneten Zahlen sind daher repräsentativ, wenn davon ausgegangen wird, dass der durchschnittliche Schweizer Gebäudepark dem NEST-Gebäude entspricht. Wann dies der Fall sein wird, hängt von der Renovationsrate ab. Auch in einem moderateren Szenario wird der Kühlbedarf in der Schweiz deutlich ansteigen. Die Forschenden gehen in diesem Szenario von einem zusätzlichen Energiebedarf von 5 TWh pro Jahr aus.

Der Energiebedarf von Schweizer Gebäuden macht heute rund 40 Prozent des Gesamtenergiebedarfs aus. Der Hauptteil entfällt dabei auf das Heizen. Dies wird wohl bis mindestens zur Mitte des 21. Jahrhunderts so bleiben, doch es ist zu erwarten, dass der Energiebedarf für die Gebäudekühlung stark zunehmen wird. Falls die thermische Energie durch Wärmepumpen, die auch kühlen können, zur Verfügung gestellt wird, hat dies potentiell einen starken Einfluss auf das Gesamtenergiesystem und insbesondere auf den Energieträger Elektrizität.

Derzeit besitzt mutmaßlich nur ein kleiner Teil der Schweizer Haushalte eine Klimaanlage, jedoch nimmt die Anzahl der Haushalte mit Wärmepumpen zu. Die Empa-Forschenden schätzen, dass die Zahl der Haushalte mit Kühlgeräten aufgrund der Zunahme der Kühlgradtage auf über 50 Prozent ansteigen könnte. Diese Zunahme könnte zu erheblichen Bedarfsspitzen an heißen Tagen führen. Ein zusätzlicher Energiebedarf von 5 TWh für die Kühlung entspräche etwa 2 Prozent des heutigen Strombedarfs, falls mit Wärmepumpen gekühlt wird.

Im extremen Szenario könnte der Bedarf für das Kühlen gar in Richtung 10 Prozent des heutigen Gesamtelektrizitätsbedarfs gehen. Dieser wird aber nicht gleichmäßig über das ganze Jahr verteilt sein, sondern mit heißen Perioden korrelieren, was zu Bedarfsspitzen führen kann. Von Vorteil ist, dass sich der Kühlbedarf relativ gut mit der Elektrizitätserzeugung aus Photovoltaik-Anlagen deckt. Die Auswirkung der Kühlung von Wohngebäuden wird dabei im Vergleich zu Bürogebäuden deutlich höher sein, da diese etwa zwei Drittel der Gebäudefläche ausmachen.

Anhand dieser Erkenntnisse steht für die Forschenden fest, dass beim Bau neuer Gebäude diese Entwicklungen berücksichtigt und die Möglichkeiten wie die passive Kühlung voll ausgeschöpft werden sollten.

„Bei der Gebäudearchitektur sollte nicht mehr nur die Optimierung von Wärmeverlusten im Winter im Zentrum stehen, sondern auch die Senkung von Wärmegewinnen im Sommer“, meint Mutschler. Dies ließe sich etwa durch städtebauliche Maßnahmen zur Klimaanpassung auf Quartiersebene, das Umsetzen von Programmen zur Hitzeminderung oder die Reduzierung der Verglasungsanteile von Gebäuden erreichen.

„Darüber hinaus ist es zentral, dass sich auch die Politik mit dieser Entwicklung auseinandersetzt und untersucht, wie der steigende Kühlenergiebedarf am besten gedeckt und gleichzeitig die Auswirkungen auf das zukünftige, dekarbonisierte Energiesystem minimiert werden können“, so Mutschler. Ein möglicher Beitrag zur Kühlung von Gebäuden können Fernkühlsysteme liefern, die in der Schweiz – etwa in Genf – bereits erfolgreich umgesetzt wurden. Weitere sind am Entstehen, zum Beispiel in Zug.

Zu ganz ähnlichen Ergebnissen kommt eine Studie der Forschungsarbeit am Institut für Gebäudetechnik und Energie der Hochschule Luzern aus dem Jahr 2018. Sie zeigt auf, mit welchen Temperaturen man in Wohnbauten künftig rechnen müsse, und wie sich die Hitze in den Räumen möglichst klimaschonend reduzieren lässt.

„Insbesondere in den Städten sind innovative Ansätze gefragt. Hier werden die Temperaturen im Sommer vor allem aufgrund der versiegelten Böden noch stärker steigen“, sagt Gianrico Settembrini, Forschungsgruppenleiter am Institut für Gebäudetechnik und Energie IGE der Hochschule Luzern, das die Studie im Auftrag des Bundesamtes für Energie (BFE) und des Bundesamtes für Umwelt (BAFU) durchgeführt hat.

Das Team der Hochschule Luzern hat in Zusammenarbeit mit Meteo Schweiz ein Zukunftsszenario simuliert, das aufzeigt, wie sich die Raumtemperaturen von vier real existierenden Gebäuden – zwei Neu- und zwei Altbauten in Lugano und in Basel – entwickeln werden, und wie sich dies auf ihren Energiebedarf auswirkt.

Für ein Referenzgebäude „neuer Massivbau nach Minergiestandard“ zeigen die Berechnungen im durchschnittlich warmen Jahr 2004 insgesamt 27 Überhitzungsstunden. Im wärmeren 2068 beispielsweise wird die Zahl der Überhitzungsstunden förmlich explodieren: Es ist mit rund 900 Stunden zu rechnen. Im Tessin fallen die Zahlen noch extremer aus: Dort käme es in einem solchen Gebäude im Jahr 2068 sogar zu 1400 Überhitzungsstunden. Als „überhitzt“ gilt ein Gebäude während des Sommerhalbjahres dann, wenn im Innenraum mehr als 26,5 Grad herrschen.

„Bei diesen Temperaturen fühlen sich die meisten Menschen in künstlich belüfteten Räumen nicht mehr wohl“, sagt Settembrini. Interessant ist, dass in der Regel Altbauten weniger stark überhitzen. Ein Hauptgrund dafür sind kleinere Fenster. Ihre Schwächen offenbaren Altbauten im Winter: Sie sind schlechter gegen Kälte isoliert.

„Die Architektur steht jetzt vor einem Paradigmenwechsel“, sagt Settembrini. „Der Schutz gegen Kälte ist nach wie vor wichtig. Aber unsere Daten zeigen, dass sich der Bedarf an Heizwärme in Zukunft um 20 bis 30 Prozent reduzieren wird.“ Der große Knackpunkt für die Planung behaglicher Wohnhäuser wird in Zukunft die Kühlung sein.

Klimaanlagen können der Überhitzung in Wohnräumen entgegenwirken, doch ihr Stromverbrauch belastet die Umwelt zusätzlich. Die Studie des Teams aus dem IGE und dem Kompetenzzentrum für Typologie und Planung in Architektur nimmt deshalb auch alternative Methoden unter die Lupe und betont die zentrale Rolle einer sorgfältigen Gebäudeplanung:

„Mit optimalem Sonnenschutz und genügender Nachtauskühlung sind behagliche Innenraumtemperaturen auch ohne Klimaanlage erreichbar.“ Eine Schlüsselfunktion hat dabei der Fensteranteil in Gebäuden. „Das bedeutet nicht, dass wir wieder in dunklen Wohnungen mit kleinen Fenstern leben müssen“, sagt Settembrini. „Große Fenster an der Südfassade sind – zumindest im Mittelland – auch in Zukunft empfehlenswert.“

Die Architekten sind auf jeden Fall gefordert. Sie müssen Fensterfronten so konzipieren, dass die flach stehende, wärmende Wintersonne ins Gebäude gelangt, während die hochstehende, intensive Sommersonne abgeschirmt wird. Zudem müssten sie Beschattungssysteme – festinstallierte ebenso wie flexible – von Anfang an in die Planung einbeziehen.

Wichtig ist, dass der Wärmedurchlass nach innen und nach außen jeweils optimal dem Standort des Gebäudes angepasst wird. Zusätzlich kann eine starke Erwärmung der Räume auch mit innovativen Kühlsystemen abgefedert werden“, erklärt Settembrini. Eine immer größere Rolle würden dabei energiesparende Kühlsysteme spielen, wie etwa „Geocooling“.

Beim sogenannten "Geocooling" bzw. dem geothermischen Kühlen mit Erdwärme führt das Wärmeverteilsystem des Gebäudes – beispielsweise die Bodenheizung – in den Sommermonaten die Wärme aus den Wohnräumen ab. Sie wird über einen Bypass an der Wärmepumpe vorbei ins Erdreich geleitet und dort - sofern es die Grundwasserströme zulassen - längere Zeit, bestenfalls bis zum Winter gespeichert. Im Winter funktioniert das System umgekehrt; die Wärmepumpe nutzt die im Erdreich gespeicherte Wärmeenergie für die Heizung des Gebäudes. So steigt der Systemwirkungsgrad der Wärmepumpenheizung und sinkt der Strombedarf für die Kühlung.

Den großen Herausforderungen zum Trotz zeigt sich Settembrini optimistisch: „Wenn wir es geschickt anpacken, schaffen wir es, unseren Energieverbrauch trotz steigendem Kühlbedarf deutlich zu reduzieren. Und trotzdem in Wohnungen mit Aussicht zu leben.“