Hochschule Biberach
Institut für Gebäude- und Energiesysteme (IGE)
Karlstr. 11
88400 Biberach
Die Freie Kühlung als Teil eines Kälteanlagensystems ist eine umwelt- und ressourcenschonende Möglichkeit, einen Teil des Kältebedarfs für vielfältige Anwendungsfälle bereitzustellen. Unter geeigneten Voraussetzungen wie klimatischen Bedingungen und passenden Lastprofilen können Freie Kühlungen die Effizienz des Gesamtsystems zur Bereitstellung des Kältebedarfs z.B. für die Rechenzentrumskühlung, für Prozesskälte oder Klimakälte deutlich steigern.
Während sich eine solche Anlage selbst aus üblichen Komponenten der Anlagentechnik zusammensetzt und in Richtlinien bereits Vorschläge für die hydraulische Einbindung solcher Anlagen vorhanden sind, gibt es keine dazu passenden, allgemein anerkannten Betriebsführungsstrategien, Automatisierungs- und Monitoringkonzepte. Aus diesem Grund wurden u.a. bereits aufgebaute Anlagen außer Betrieb genommen. In der Praxis ist derzeit noch ein erhebliches Ausbaupotential für Freie Kühlungen als Teil eines Kälteanlagensystems vorhanden.
Im Projekt werden daher ein Handlungsleitfaden sowie Softwaretools entwickelt, die zum einen vor der Umsetzung eine Abschätzung der erreichbaren Energieeinsparung durch Freie Kühlung ermöglichen und zum anderen bei der Integration einer Freien Kühlung in typische Anlagen unterstützt. Dabei werden auch die Belange der Betriebsführung und der Automatisierung berücksichtigt. Ergänzend wird eine Methodik zur Energieeffizienzbewertung, inklusive dazu passendem Monitoringkonzept, für Anlagen mit Freier Kühlung entwickelt.
Das 24‑monatige Vorhaben (+ 6 Monate kostenneutrale Verlängerung) war in elf verzahnte Arbeitspakete gegliedert. Die Projektkoordination (AP 1, Hochschule Biberach (HBC)) umfasste Gesamtsteuerung, Jour‑fixes und den Austausch mit dem Kooperationspartner sowie den ideellen Partnern und Verbänden. Ausgangspunkt der Projektbearbeitung war die Charakterisierung potenzialreicher Anwendungsfälle der Freien Kühlung (AP 2, HBC + Coolplan (CP)) mit Typisierung nach Klima, Lastprofilen und Systemtemperaturen sowie der Betriebsvorbereitung des Laborkältesystems. Darauf aufbauend wurden Simulationsmodelle für Systeme mit Freier Kühlung und Kältemaschine entwickelt (AP 3). Die HBC modellierte das Laborsystem als Basis für Regelungsuntersuchungen, Coolplan allgemein nutzbare Komponentenmodelle. Parallel entwickelte Coolplan das CP‑FC‑Anwendertool zur dynamischen Jahressimulation inkl. ROI‑Bewertung (AP 4). Die Modelle wurden mit Messdaten aus Labor und Feld validiert und anschließend im Tool genutzt (AP 5). Zur Effizienzbewertung wurden in AP 6 Methoden und Kennzahlen nach VDMA 24247‑7 erweitert. In AP 7 wurden aus simulationsbasierten Optimalkennfeldern Steuerungs‑, Regelungs‑ und Betriebsstrategien für verschiedene hydraulische Einbindungsvarianten abgeleitet und im Laborsystem erprobt. Auf Basis der Modelle und Ergebnisse entwickelte HBC ein HBC‑FC‑Light‑Open‑Source‑Tool zur vereinfachten Potenzialabschätzung (AP 9). In AP 8 waren laut Antrag die Analyse einer Feldanlage und Untersuchungen zu Komponentendimensionierungen anhand der Softwaretools (Light-Tool HBC und CP-Tool) vorgesehen. Leider konnte im Projektverlauf keine passende Feldanlage für das Projekt gefunden und integriert werden. Stattdessen wurde am Laborkältesystem eine Referenzbetriebsweise umgesetzt und mit dem optimierten Betriebsführungskonzept verglichen. In AP 10 standen Öffentlichkeitsarbeit, Verbandsarbeit und ein Leitfaden zur Konzeption, Planung, Regelung und zum Monitoring von Systemen mit Freier Kühlung im Fokus. AP 11 umfasste Dokumentation und Berichterstellung. Die angewandte Methodik verband die hydraulische und anwendungsorientierte Anlagenkonzeption mit Simulation, Erprobung am Realsystem sowie der Überführung der Ergebnisse in Planungstools und einen Leitfaden. Das aufeinander aufbauende Vorgehen bestätigte den gewählten methodischen Ansatz und ermöglichte die Ableitung praxisnaher Erkenntnisse für die Planung und den energieeffizienten Betrieb entsprechender Anlagen.
Im Projekt wurden Konzepte zur Nutzung der Freien Kühlung in indirekten Kälteanlagensystemen entwickelt, hydraulische Einbindungsvarianten und Betriebsstrategien untersucht sowie ein Planungstool und ein Leitfaden erarbeitet. Die wesentlichen Projektziele wurden erreicht. Nicht umgesetzt werden konnte lediglich das Arbeitspaket zur Validierung an einer Feldanlage, da trotz mehrfacher Anläufe keine geeignete, zugängliche Bestandsanlage zur Verfügung stand. Der Arbeits- und Zeitplan wurde durch eine kostenneutrale Laufzeitverlängerung um sechs Monate angepasst und für zusätzliche Wintermessungen sowie die Fertigstellung des COOLPLAN-Tools genutzt. Das ursprüngliche Budget wurde vollständig, aber ohne Überschreitung ausgeschöpft. Die Untersuchungen zeigen, dass eine integrale Optimierung von Hydraulik und Automatisierung deutliche Effizienzgewinne ermöglicht. Im Freikühlbetrieb kann der Strombedarf der Erzeugerseite gegenüber bisherigen Regelstrategien um bis zu 84 % reduziert werden; im kombinierten Betrieb von Freier Kühlung und Kältemaschine sind im Simultanbetrieb rund 12 % Einsparung möglich, sofern Standort und Anwendung geeignet sind. Für eine kleine Klimakälteanlage mit maximal 2,5 kW Kälteleistung kann am Standort Biberach der jährliche Strombedarf von etwa 565 kWh auf 295 kWh gesenkt werden. Damit werden substanzielle Energie- und CO₂-Einsparpotenziale verdeutlicht. Über die entwickelten Werkzeuge lassen sich Energie- und CO₂-Bilanzen stundenaufgelöst auswerten, sodass die Umweltentlastung projektspezifisch bewertet werden kann. Das erarbeitete Monitoringkonzept ermöglicht eine dauerhafte Betriebsüberwachung, die Bewertung von Effizienzkennzahlen und eine laufende Optimierung des Anlagenbetriebs. So können die Anforderungen aus EnEfG und GEG/GModG nicht nur erfüllt, sondern in der Regel übertroffen werden, etwa durch erhöhte Nutzungsanteile einer Freier Kühlung. Eine detaillierte Lebenszyklus- und ROI-Bewertung wurde im HBC-Tool nicht umgesetzt; für wirtschaftliche Bewertungen steht das Tool des Projektpartners COOLPLAN zur Verfügung. Grundlegend kann jedoch festgestellt werden, dass die Wirtschaftlichkeit der Freien Kühlung maßgeblich von den erzielbaren Betriebsstunden abhängt. Anwendungen mit ganzjährigem Kältebedarf und moderaten Temperaturanforderungen oberhalb der Außentemperatur bieten in der Regel gute Voraussetzungen, um die ökologischen Vorteile auch ökonomisch nutzbar zu machen.
Download Berechnungstool FreeCool UltraLightDie Projektergebnisse wurden über digitale Formate und Fachpublikationen verbreitet. Zentrales Produkt ist ein Planungsleitfaden, der Erkenntnisse zu Konzeptionierung, Planung, Regelung und Monitoring von Kälteanlagen mit Freier Kühlung für Betreiber, Planer und Automatisierer aufbereitet und zusammen mit dem HBC‑FC‑Light‑Tool über die Projektseite der Hochschule Biberach zugänglich ist. Ergänzend wurden die Systematik zur Effizienzbewertung von Kälteanlagensystemen mit Freier Kühlung sowie erste Projektergebnisse auf der DKV‑Jahrestagung 2024 in Dresden vorgestellt und in den Tagungsunterlagen dokumentiert. Über die Bewertungssystematik wurde zudem in der Fachzeitschrift CCI berichtet und damit insbesondere Fachplaner und Entscheider im Bereich Kälte‑ und Klimatechnik adressiert. Weitere Ergebnisaustausche erfolgten mit Unternehmen aus Automatisierungsbranche und Kälteanlagenbau; deren Praxiserfahrungen flossen in die Projektbearbeitung ein. Ausgewählte Ergebnisse wurden zudem in Seminaren für KMU‑Energieberater integriert und so in den Wissenstransfer überführt.
Projektseite auf Homepage der HBCIm Förderprojekt wurden Konzepte zur Nutzung der Freien Kühlung in indirekten Kälteanlagensystemen entwickelt und mit einem Simulationsmodell sowie einem Laborkälteanlagensystem untersucht. 18 hydraulische Einbindungsvarianten wurden charakterisiert und hinsichtlich Effizienz und Einsatzpotenzial bewertet. Ergänzend entstanden ein Leitfaden und digitale Tools, die Planung und Bewertung von Freikühlsystemen unterstützen. Die Kombination aus Simulation, Laborversuchen und der Überführung in anwendungsnahe Werkzeuge erwies sich als geeignete Vorgehensweise, um Effizienzpotenziale der Freien Kühlung systematisch aufzuzeigen. Eine Validierung im Feld war trotz mehrfacher Anläufe nicht möglich, da keine geeignete Bestandsanlage mit erweiterbarer Messtechnik und stabilem Anlagenzustand verfügbar war. Die Ergebnisse zeigen, dass die Wirtschaftlichkeit der Freien Kühlung wesentlich von den erzielbaren Betriebsstunden abhängt. Anwendungen mit möglichst ganzjährigem Kältebedarf und moderaten Temperaturanforderungen oberhalb der Außentemperatur bieten gute Voraussetzungen, ökologische Vorteile auch ökonomisch nutzbar zu machen. Die Projektergebnisse schaffen eine fundierte Grundlage, um die Freie Kühlung effizienter zu betreiben und ihre Anwendung in der Praxis zu stärken und weiterzuentwickeln.