Ökodesign Richtlinie und Kaltwassersatz: Wirkungsgrade, Effizienzsteigerungen

Mit der Ökodesign-Richtlinie definiert die EU hohe Anforderungen an die Energieeffizienz energieverbrauchsrelevanter Geräte. Betroffen sind auch Kältemaschinen und Kaltwassersätze, die thermische Energie mithilfe von Strom aus einem System abführen. Nur wenn diese die gesetzlichen Anforderungen erfüllen, erhalten sie ein CE-Kennzeichen und dürfen auf dem deutschen und europäischen Markt vertrieben werden. Eine harte Vorgabe, die jedoch zu Effizienzsteigerungen und dadurch auch sinkenden Verbrauchskosten führt.

Kaltwassersatz

Deutsche-Thermo informiert über die Anforderungen der Ökodesign-Richtlinie an Kaltwassersätze und erklärt, wie Hersteller diese erfüllen, um die Wirkungsgrade ihrer Geräte zu steigern.

Die Themen im Überblick

Die Grundlagen der Ökodesign-Richtlinie für Kaltwassersätze

Die Ökodesign-Richtlinie (Rahmenrichtlinie 2009/125/EG) fordert eine umweltgerechte Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte. Dazu zählen alle Geräte, welche den Energieverbrauch beeinflussen und dadurch maßgebend zum Verbrauch von Ressourcen und zur Emission von Treibhausgasen wie CO2 beitragen. Ein Beispiel dafür sind Wärmepumpen und Kaltwassersätze, um die es in der EU-Ökodesign-Verordnung 2016/2281 geht.

Die europäische Verordnung legt Anforderungen an verschiedene Luftheizungs- und Kühlungsprodukte sowie Prozesskühler mit hoher Betriebstemperatur fest. Diese betreffen unter anderem:

den Energieverbrauch

die Kältemittelemissionen

die Stickoxidemissionen

die Geräuschemissionen

Die Ökodesign-VO 2016/229 ist seit Januar 2018 gültig und enthielt bereits zwei Stufen mit verschärften Anforderungen. Diese traten im September 2018 und im Januar 2021 in Kraft.

Die Ökodesign-Richtlinie und Kaltwassersätze

Kaltwassersätze kommen in vielen Bereichen zum Einsatz. Beispielsweise als Kühler für Lüftungsanlagen oder zum Bereitstellen von Kaltwasser für Fan Coils und andere Geräte. Sie laufen vor allem im Nichtwohnbereich sehr viel und verursachen damit einen hohen Energieverbrauch. Diesen zu reduzieren und die Umweltauswirkungen des Betriebes von Wärmepumpen und Kaltwassersätzen zu verringern, ist das Ziel der Ökodesign-Richtlinie.

Funktion von Wärmepumpen und Kaltwassersätzen

Kaltwassersätze sind Wärmepumpen, die thermische Energie von einem niederen auf ein höheres Temperaturniveau anheben. Sie bestehen im Wesentlichen aus zwei Wärmeübertragern, einem Verdichter und einem Expansionsventil. Während der erste Wärmeübertrager (Verdampfer) thermische Energie aufnimmt, erwärmt sich ein Kältemittel. Das Medium geht in den dampfförmigen Aggregatzustand über und strömt daraufhin zu einem Verdichter.

Weißer luftgekühlter Kaltwassersatz auf Dach

Dieser nutzt elektrische Energie, um den Druck des Kältemittels anzuheben. Gleichzeitig steigt auch die Temperatur, wodurch das Medium im nächsten Schritt Wärme abgeben kann. Möglich ist das am zweiten Wärmeübertrager (Verflüssiger) im System. Das Kältemittel beginnt sich dabei zu verflüssigen, strömt durch ein Expansionsventil und nimmt letztlich seinen Ausgangszustand wieder ein.

CO2-Ausstoß sinkt durch höhere Energieeffizienz

Indem Hersteller die Wirkungsgrade von Wärmepumpen und Kaltwassersätzen steigern, reduzieren sie deren Energieverbrauch. Die Geräte beziehen weniger Strom aus dem Netz und der damit einhergehende CO2-Ausstoß sinkt. Letzteres schont das Klima und trägt letztlich dazu bei, die globale Erwärmung zu begrenzen.

Umweltschutz durch Kältemittel mit niedrigem GWP

Neben den indirekten Treibhausgasemissionen durch den Energieverbrauch beeinflussen auch Kältemittel die Umweltauswirkungen von Kaltwassersätzen. Um diese auf ein Minimum zu reduzieren, sind Medien mit niedrigem GWP in möglichst geringen Mengen einzusetzen. Bei dem GWP handelt es sich um das Treibhauspotenzial beziehungsweise das Potenzial, mit dem sich Kältemittel auf den Treibhauseffekt auswirken.

Bestandsanlagen nicht von der Richtlinie betroffen

Wichtig zu wissen ist, dass die Ökodesign-Richtlinie für Kaltwassersätze nur neue Anlagen betrifft. Bestehende Kühlgeräte können demnach unbeschadet weiterlaufen. Ist ein Austausch erforderlich, dürfen Betreiber dann lediglich Lagerware oder Neugeräte nach Anforderungen der EU-Richtlinie kaufen. Das Inverkehrbringen von Kältemaschinen mit geringerer Energieeffizienz ist unterdessen verboten.

Kennzahlen und Grenzwerte der Ökodesign-Richtlinie

Die EU-Ökodesign-Verordnung 2016/2281, welche die Rahmenrichtlinie 2009/125/EG der Europäischen Union ergänzt, enthält zahlreiche Anforderungen an Heiz- und Kühlgeräte. In Bezug auf Letztere sind dabei Komfort-Kühler und Prozesskühler mit hoher Betriebstemperatur zu unterscheiden. Die folgende Tabelle zeigt, was das bedeutet.

KühlgerätBeschreibung
KomfortkühlerKomfortkühler sind Kühlgeräte, deren Verdampfer einem wasserführenden System Wärme entzieht. Sie sind für eine Auslass-Kühlwassertemperatur von mindestens +2 Grad Celsius ausgelegt und mit einem Kälteerzeuger ausgestattet. Der Verflüssiger gibt Wärme außerdem an die Umgebungsluft, Wasser oder Erdsonden ab.
Prozesskühler mit hoher BetriebstemperaturHierbei handelt es sich um Kühlgeräte mit mindestens einem elektrisch angetriebenen Kompressor und mindestens einem Verdampfer. Die Geräte senken die Temperatur einer Flüssigkeit bedarfsgerecht herab und halten diese dauerhaft aufrecht, um Anlagen oder Systeme zu kühlen. Letztere dienen anders als Komfortkühler jedoch nicht dazu, Räume für Menschen zu temperieren. Darüber hinaus erreichen Prozesskühler die Nennkälteleistung unter Normbedingungen bei einer Temperatur von 7 Grad Celsius am Auslass des Innenwärmetauschers.

Darüber hinaus enthält die Verordnung auch Vorgaben für weitere Geräte wie Heizer oder Gebläsekonvektoren.

Die wichtigsten Grenzwerte der Ökodesign-Richtlinie

Abhängig davon, ob es sich um einen Komfort- oder einen Prozesskühler handelt, gelten unterschiedliche Grenzwerte. So kommt es im erstgenannten Fall auf die sogenannten „Seasonal Space Cooling Energy Efficiency“ (ηs,c) an. Dabei handelt es sich um den Raumkühlungs-Jahresnutzungsgrad, welcher die bisherige Leistungszahl EER bzw. die Arbeitszahl SEER ersetzt. Für Prozesskühler mit hohen Betriebstemperaturen bestehen hingegen konkrete Anforderungen an die Seasonal Energy Performance Ratio (SERP-Wert) – die sogenannte Jahresarbeitszahl. Außerdem sind bestimmte informatorische Pflichten einzuhalten. Letztere betreffen unter anderem Angaben auf Webseiten oder in Produktunterlagen.

Seasonal Space Cooling Energy Efficiency für Komfortkühler

Die Seasonal Space Cooling Energy Efficiency beziehungsweise der Raumkühlungs-Jahresnutzungsgrad ηs,c bezeichnet das Verhältnis aus Nutzen und Aufwand der Kühlung einer Kühlperiode. In die Berechnung fließen verschiedene Korrekturfaktoren ein, welche das prozentuale Ergebnis beeinträchtigen. Für Komfort-Flüssigkeitskühlsätze mit einer Leistung von weniger als 400 Kilowatt gilt beispielsweise ein Grenzwert von 161. Das heißt, die Kühlanlage muss pro Kilowatt aufgenommener Leitung mindesten 1,61 Kilowatt Kühlleistung bereitstellen. Weitere Grenzwerte der EU-Ökodesign-Verordnung 2016/2281 zeigt die folgende Tabelle.

KomfortkühlerRaumkühlungs-Jahresnutzungsgrad (ηs,c) ab 01. Januar 2021
Luft-Wasser-Kühler mit einer Nennkühlleistung < 400 kW bei Antrieb mit einem Elektromotor161
Luft-Wasser-Kühler mit einer Nennkühlleistung ≥ 400 kW bei Antrieb mit einem Elektromotor179
Wasser/Sole-Wasser-Kühler mit einer Nennkühlleistung < 400 kW bei Antrieb mit einem Elektromotor200
Wasser/Sole-Wasser-Kühler mit ≥ 400 kW Nennkühlleistung < 1 500 kW bei Antrieb mit einem Elektromotor252
Wasser/Sole-Wasser-Kühler mit einer Nennkühlleistung ≥ 1 500 kW bei Antrieb mit einem Elektromotor272
Luft-Wasser-Kühler mit einer Nennkühlleistung ≥ 400 kW bei Antrieb mit einem Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung154
Mit einem Elektromotor betriebene Luft-Luft-Raumklimageräte, mit Ausnahme von Rooftop-Raumklimageräten189
Rooftop-Raumklimageräte138
Mit einem Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung betriebene Luft-Luft-Raumklimageräte167

Die Umrechnung der Grenzwerte auf die früher geltenden Arbeitszahlen (SEER) ist nach Definition der Verordnung über folgende Gleichung möglich:

  • SEER = [(ηs,c + 3)/100] x 2,5
  • ηs,c = [(SEER / 2,5) x 100] – 3

Ein Raumkühlungs-Jahresnutzungsgrad von 161 entspricht demnach einer Arbeitszahl von 4,1.

Seasonal Energy Performance Ratio für viele Prozesskühler

Die Seasonal Energy Performance Ratio (SEPR) beziehungsweise die Jahresarbeitszahl von Prozesskühlern mit hohen Betriebstemperaturen beschreibt das Verhältnis von zugeführter elektrischer und tatsächlich nutzbarer Kühlenergie. Sie ist als ganzer Zahlenwert angegeben und darf bei Kaltwassersätzen mit einer Nennkälteleistung von weniger als 400 Kilowatt nicht unter 5,0 liegen. Weitere Grenzwerte der EU-Ökodesign-Verordnung 2016/2281 zeigt die folgende Tabelle.

Prozesskühler mit hoher BetriebstemperaturJahresarbeitszahl (SEPR) ab 01. Januar 2021
Wärmeübertragungsmedium Luft am Verflüssiger 
– Nennkälteleistung unter 400 kW5,0
– Nennkälteleistung ab 400 kW5,5
Wärmeübertragungsmedium Wasser am Verflüssiger 
– Nennkälteleistung unter 400 kW7,0
– Nennkälteleistung ab 400 bis 1.500 kW8,0
– Nennkälteleistung ab 400 bis 1.500 kW8,5

Weitere Anforderungen an Heiz- und Kühlgeräte

Darüber hinaus enthält die Ökodesign-Richtlinie zahlreiche weitere Vorgaben für Heiz- und Kühlgeräte. Neben den bereits beschriebenen informatorischen Angaben betrifft das unter anderem auch die Stickoxidemissionen. Diese sind bei Geräten mit Verbrennungsmotor auf folgende Grenzwerte zu begrenzen.

Anforderungen an LuftheizgeräteStickoxide (mg/kWh) ab 01. Januar 2021
Wärmepumpen, Komfortkühler und Raumklimageräte mit Verbrennungsmotoren mit äußerer Verbrennung für gasförmige Brennstoffe70
Wärmepumpen, Komfortkühler und Raumklimageräte mit Verbrennungsmotoren mit äußerer Verbrennung für flüssige Brennstoffe120
Wärmepumpen, Komfortkühler und Raumklimageräte mit Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung für gasförmige Brennstoffe240
Wärmepumpen, Komfortkühler und Raumklimageräte mit Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung für flüssige Brennstoffe420
Luftheizgeräte mit gasförmigen Brennstoffen70
Luftheizgeräte mit flüssigen Brennstoffen150

So erfüllen Kaltwassersätze die hohen Effizienz-Anforderungen

Kaltwassersatz

Um nach wie vor neue Geräte auf den Markt bringen und verkaufen zu können, mussten Hersteller durch die Ökodesign-Richtlinie nachlegen und ihr bestehendes Angebot optimieren. Höhere Effizienzwerte erreichten sie dabei unter anderem durch größere Wärmeübertragerflächen, effizientere Verdichter und optimierte Überhitzungs-Regelprogramme.

Größere Wärmeübertragerflächen für eine höhere Effizienz

Eine Möglichkeit, die Energieeffizienz von Kaltwassersätzen zu steigern, ist die Optimierung der Wärmeübertrager. Erhalten diese größeren Oberflächen, etwa durch Mikrokanäle, leisten sie mehr. Denn dadurch steigen beispielsweise die Verdampfungstemperaturen an und der Verdichter muss weniger leisten. Optimale Konstruktionen kommen außerdem mit niedrigeren Druckverlusten aus, was ebenfalls zu einer Reduktion des Energieverbrauchs führt. Aber auch spezielle Ausführungen der Plattenkanäle tragen zu einer höheren Effizienz bei. So setzen einige Hersteller auf V- oder Z-förmige Kanäle, in denen sich das gas- und das dampfförmige Kältemittel optimal vermischt.

Effizientere Verdichter sorgen für Energieeinsparungen

Geht es um den Strom- beziehungsweise den Energieverbrauch von Kaltwassersätzen, spielt der Verdichter eine wichtige Rolle. Arbeitet dessen Antrieb drehzahlgeregelt und effizienter, lässt sich der Strombezug reduzieren. Kaltwassersätze und andere Kühlgeräte verbrauchen weniger und erreichen insgesamt höhere Jahresnutzungsgrade beziehungsweise Jahresarbeitszahlen. Das erfüllt nicht nur die Anforderungen der Ökodesign-Richtlinie, es sorgt auch für sinkende Energie- und Betriebskosten, von denen Betreiber der Anlagen profitieren.

Energieeinsparung durch innovative Überhitzungsregelung

Der Energieverbrauch hängt auch vom Zustand des Kältemittels am Verdichter ab. Dieses sollte eine minimale Überhitzung aufweisen und die Komponenten dennoch optimal durchströmen. Erreichen lassen sich diese Vorgaben mit einer innovativen Überhitzungsregelung. Diese kontrolliert den Zustand des Kältemittels kontinuierlich, um zu jeder Zeit die richtige Kältemittelmenge zirkulieren zu lassen.

Alternative Kältemittel zum Einhalten der Effizienzvorgaben

Auch die Art und die Eigenschaften des eingesetzten Kältemittels wirken sich auf den Energieverbrauch aus. Positive Ergebnisse erreichen Hersteller dabei häufig mit natürlichen Medien, welche synthetischen in puncto Effizienz oft voraus sind. Die Umstellung, die auch in Folge der F-Gase-Verordnung im Gange ist, sorgt oftmals für eine bessere Energieeffizienz. Sie reduziert die Treibhausgasemissionen aber auch direkt, da natürliche Kältemittel über einen sehr geringes GWP verfügen.

Kaltwassersätze mit CE-Kennzeichen erfüllen die Vorgaben

Sind Anlagenbetreiber selbst auf der Suche nach Kühlgeräten wie Kaltwassersätzen, müssen sie sich mit den Vorgaben der Ökodesign-Richtlinie nicht vertraut machen. Denn das Einhalten dieser ist Voraussetzung dafür, dass Händler und Hersteller die Geräte tatsächlich in Verkehr bringen dürfen.

Betreiber profitieren von der Ökodesign-Richtlinie

Auch wenn die Änderungen an der Ökodesign-Richtlinie in der Fachwelt vielfach diskutiert wurden, bieten Sie doch einige Vorteile. So profitieren Betreiber bei der Neuinstallation von Kaltwassersätzen und anderen Geräten von einer sehr hohen Geräteeffizienz. Sie senken ihre Betriebskosten durch den geringeren Stromverbrauch und schonen ganz nebenbei sogar die Umwelt. Neben den Kosten wird auch Letzteres in vielen Bereichen immer wichtiger. Wer bereits einen Kaltwassersatz hat und diesen austauscht, senkt ebenfalls seine Energiekosten. Wie hoch die Einsparungen sind und wann sich die anfallenden Ausgaben rechnen, zeigt dabei eine individuelle Analyse.

FAQ: Häufig gestellte Fragen und ihre Antworten

Warum gibt es die Ökodesign-Richtlinie für Kaltwassersätze?

Die Ökodesign-Rahmenrichtlinie 2009/125/EG und die mit dieser verbundenen EU-Ökodesign-Verordnung 2016/2281 legen Grenzwerte und Anforderungen fest, welche den Energieverbrauch technischer Geräte senken. Sie sollen zu hohen Einsparungen führen und Treibhausgasemissionen reduzieren. Letztere entstehen einmal durch Leckagen oder im Rahmen von Prüfungs-, Wartungs- oder Reparaturarbeiten ausgelaufene Mengen Kältemittel. Zum anderen aber auch durch den Stromverbrauch im Betrieb.

Wer muss die EU-Rahmenrichtlinie 2009/125/EG befolgen?

Die Anforderungen der Richtlinie gelten in erster Linie für Händler und Hersteller, welche die Geräte im europäischen Wirtschaftsraum in Verkehr bringen wollen. Diese müssen hohe technische Vorgaben erfüllen, um ein entsprechendes CE-Kennzeichen zu erhalten. Mit diesem erklärt der Inverkehrbringer, dass das Kühlsystem den geltenden Anforderungen genügt.

Welche Anforderungen stellt die EU an Kaltwassersätze?

Mit der EU Ökodesign-Richtlinie und der zugehörigen EU-Ökodesign-Verordnung 2016/2281 legt die Europäische Union Grenzwerte in Bezug auf die Energieeffizienz sowie die Kältemittel-, Stickstoff- und Geräuschemissionen fest. Wichtige Kennwerte sind dabei der Raumkühlungs-Jahresnutzungsgrad (ηs,c oder Seasonal Space Cooling Energy Efficiency) für Komfortkühler sowie die Jahresarbeitszahl von Prozesskühlern mit hohen Betriebstemperaturen (Seasonal Energy Performance Ratio oder SEPR). Die Stickoxidemissionen dürfen bestimmte Mengen nicht überschreiten und Kältemittel sind möglichst in geringen Mengen sowie mit niedrigem GWP einzufüllen.

Wie erfüllen Hersteller die hohen technischen Vorgaben?

Infrage kommen beispielsweise natürliche Kältemittel, da diese mit einem sehr geringen Treibhauspotenzial (GWP) verbunden sind. Um die Anforderungen an die Energieeffizienz einzuhalten, lassen sich beispielsweise optimierte Wärmeübertrager einsetzen. Darüber hinaus setzen Hersteller vermehrt auf effiziente Verdichter sowie speziell konstruierte Wärmeübertrager. Auch eine sogenannte Überhitzungsregelung hilft, den Kühlbedarf einer Anlage deutlich zu reduzieren.

Profitieren Betreiber von der Ökodesign-Richtlinie?

Kaufen Anlagenbetreiber eine Kälteanlage, welche die Anforderungen der Ökodesign-Richtlinie erfüllt, profitieren sie von besonders effizienter Anlagentechnik. Sie verbrauchen weniger, sparen Kosten und schonen darüber hinaus sogar die Umwelt. Die Informationspflicht der Hersteller, wichtige Informationen genormt verfügbar zu machen, sorgt außerdem für eine besonders hohe Markttransparenz. Betreiber können verschiedene Produkte einfacher miteinander vergleichen und schneller eine zuverlässige Entscheidung treffen.

Wichtig zu wissen ist, dass Anlagenbetreiber bestehende System erst einmal nicht verändern, nachrüsten oder austauschen lassen müssen. Steht eine umfangreiche Sanierung an, lohnt es sich dann meist, effizientere Geräte nach aktuell gültiger Ökodesign-Richtlinie zu installieren.

Autor: Marc Bode

Marc Bode

Marc ist Geschäftsführer bei Deutsche Thermo. Er arbeitet seit 2009 in der Energiebranche und hat seine Ausbildung bei einem Anbieter für Flüssiggas gemacht. Seitdem war der Experte für Wärme- und Kältetechniken in vielen verschiedenen Funktionen tätig und hat 2020 Deutsche Thermo gestartet.