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Klimaanlagen: Drinnen kühl, draußen heiß

Nachts stoßlüften und den Pyjama in den Kühlschrank legen? Vielen reicht das nicht. Die Zahl der Klimageräte in Privathaushalten steigt. Doch die Klimatechnik heizt den Planeten noch weiter auf. Forscher suchen nach Lösungen.
Klimaanlagen in Hinterhofgassen von Singapur
Die moderne Klimaanlage ermöglichte es Orten wie Singapur überhaupt erst, zur Industriemetropole zu werden.

Die Luft steht zwischen den Häuserblöcken New Yorks, die Menschen ächzen unter den schwülwarmen Temperaturen. In jenem Sommer des Jahres 1902 erfindet der junge Ingenieur Willis Haviland Carrier ein Gerät, das manch einem rückblickend als Wundermaschine erscheinen mag, die die Welt verändert hat: die moderne Klimaanlage. Carrier nimmt dazu einen Heizkörper und lässt Luft zwischen den mit kaltem Wasser gefüllten Rohren hindurchströmen. Weil daran die feuchtwarme Luft kondensiert, entzieht das Gerät der Luft Feuchtigkeit. Und: Ganz nebenbei kühlt es sie auch noch. Das Patent auf seinen Geistesblitz meldet der Erfinder im Jahr 1906 als »Apparat zur Behandlung von Luft« an. Das von ihm 1915 gegründete Unternehmen »Carrier« gehört heute zu den weltweit größten Herstellern von Kälteanlagen aller Art. So wird die Geschichte des »Father of Air Conditioning« vielfach im Netz erzählt.

Doch leider hat Carriers Erfindung unschöne, fast ironische Nebenwirkungen: Klimaanlagen kühlen Zimmer, aber erwärmen die Welt. Mehr als 10 Prozent des globalen Strombedarfs gehen bereits heute auf das Konto von Klimatechnik, um Gebäude zu kühlen. Tendenz steigend. Zudem enthalten Klimaanlagen oft umwelt- und klimaschädliche Kältemittel. Gleichzeitig nehmen global die Hitzetage zu, der Bedarf an kühlen Rückzugsorten steigt. Prognosen gehen davon aus, dass ab dem Jahr 2030 weltweit mehr Energie zum Kühlen als zum Heizen benötigt wird. Ein echtes Dilemma. Forscherinnen und Forscher tüfteln daher daran, die Klimatechnik nachhaltiger, umweltfreundlicher und effizienter zu machen.

Dabei hatte die Geschichte der Klimaanlage so vielversprechend begonnen. Ihr Siegeszug machte die Menschen im Sommer produktiver, weil man in kühlen Räumen konzentrierter arbeiten kann. Einst unwirtliche Lebensräume in tropischen und subtropischen Gegenden ließen sich plötzlich erschließen. Es entstanden Industriemetropolen wie Dubai oder Singapur an Orten, an denen es zuvor zu schwül und zu heiß war, um in geschlossenen Werkhallen stundenlang schweißtreibende Arbeit zu verrichten. Klimageräte trieben somit auch die Globalisierung voran. Die Zahl der Hitzetoten sank, wärmeempfindliche Produkte wie Fleisch blieben plötzlich länger haltbar, die ganze Hightech-Branche von der Chipproduktion bis hin zu heißen Serverräumen ist überhaupt nur denkbar auf Grund von Klimatechnik.

Kältemittel transportiert Wärme ab

Klimaanlagen funktionieren ganz ähnlich wie Kühlschränke. Beide Geräte transportieren Wärmeenergie von einem Ort mit niedrigerer Temperatur zu einem Ort mit höherer Temperatur – entgegen dem Grundgesetz des Wärmeaustauschs. Damit das funktioniert, entzieht ein Kältemittel dem Innenraum Wärme, indem es bei Normaldruck verdampft. Anschließend wird es in einem Kompressor verdichtet und dabei sehr heiß. Die Wärme gibt es außerhalb des Gebäudes an die Luft ab und wird dabei flüssig. Anschließend strömt das Kältemittel wieder zurück ins Gebäudeinnere. Dabei wird der Druck über ein Ventil verringert, das Kältemittel dehnt sich aus und kühlt dabei stark ab. Nun kann es wieder Wärme aus dem Innenraum aufnehmen und erneut verdampfen – der Kreislauf beginnt von Neuem.

Fakt ist: Der Energieverbrauch für die Raumkühlung weltweit hat sich nach Schätzungen der Internationalen Energieagentur (IEA) seit 1990 mehr als verdreifacht. Während in Europa noch weniger als zehn Prozent der Privathaushalte eine Klimaanlage besitzen, sind es in den USA schon jetzt mehr als 90 Prozent. An besonders heißen Tagen kann es vorkommen, dass dort mehr als 70 Prozent des Spitzenstrombedarfs in Wohngebäuden darauf entfallen, Räume zu kühlen. Schreitet der Trend so fort wie derzeit, könnten im Jahr 2050 zwei Drittel aller Haushalte weltweit eine Klimaanlage haben, rechnet die IEA vor. In der Mittelmeerregion gehören die koffergroßen, laut surrenden Außenmodule, die an den Häusern hängen, vielerorts längst zum Landschaftsbild.

»Das Komfortbedürfnis der Menschen hat sich verändert. Wer aus dem kühlen Büro ins klimatisierte Auto steigt, möchte zu Hause nicht schwitzen«(Peter Schossig, Physiker)

Die Deutschen dagegen setzten jahrzehnte-, wenn nicht jahrhundertelang auf eine solide Bauweise und eine gute Isolierung: Im Sommer hält das dicke Mauerwerk die warme Luft draußen, die kühle Luft drinnen, und im Winter umgekehrt. Für unsere gemäßigten Breiten reichte das lange Zeit aus. Klimaanlagen gibt es hier zu Lande fast ausschließlich in Bürogebäuden, Krankenhäusern, Einkaufszentren und Hotels. Allerdings werden nicht nur die Tage heißer, auch die tropischen Nächte mit Temperaturen über 20 Grad nehmen laut Deutschem Wetterdienst zu. Da bleibt kaum Zeit zum Lüften und Durchatmen.

Peter Schossig vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg beobachtet nicht nur deshalb eine steigende Nachfrage nach Klimatechnik in deutschen Privathaushalten. »Das Komfortbedürfnis der Menschen hat sich verändert«, sagt er. »Wer aus dem kühlen Büro ins klimatisierte Auto steigt, möchte zu Hause nicht schwitzen.« Dabei reiche es derzeit meist noch, mit Verschattungen wie Rollläden oder Jalousien die Wärme draußen zu halten. »Es ist ohnehin nicht sinnvoll, wenn es drinnen mehr als 10 Grad kühler ist als draußen«, sagt der Physiker. Allerdings sollte die Raumtemperatur laut Empfehlungen der Weltgesundheitsorganisation WHO tagsüber 32 Grad nicht überschreiten und nachts sogar unter 24 Grad gehalten werden, um hitzebedingten Erkrankungen vorzubeugen. Was also tun, wenn lüften und abschotten nicht mehr ausreicht?

Wärmepumpen können auch kühlen

Haus- und Wohnungsbesitzern rät Peter Schossig zur Wärmepumpe. »Viele wissen es nicht – aber immer mehr der Geräte können auch kühlen«, sagt der Experte für Thermische Systeme und Gebäudetechnik. Zumindest theoretisch. Praktisch müssen sie auch darauf ausgelegt sein – mit einem so genannten Vierwegeventil. Im Winter gibt das System Wärme ab, im Sommer nimmt es Wärme auf. Das allerdings hilft den Mietern einer schlecht gedämmten Altbauwohnung im Dachgeschoss wenig. Das gibt auch Schossig zu. »Hier sind Lösungen nicht einfach und müssen individuell in Absprache mit dem Vermieter gesucht werden.«

Die kleinen mobilen Klimageräte aus dem Baumarkt sind aus seiner Sicht allerdings selten eine gute Alternative. »Die sind meistens sehr ineffizient und sollten, wenn es geht, nicht verwendet werden«, sagt Schossig. Denn wo gekühlt wird, entsteht Abwärme und die pusten diese Monoblockanlagen in aller Regel über einen Schlauch nach draußen. »Oft hängen diese Schläuche dann aus dem geöffneten Fenster raus«, sagt der Forscher. »Da können Sie gar nicht verhindern, dass warme Luft nachströmt.« Das mache beinahe die gesamte Kühlwirkung zunichte.

Besser sind so genannte Split-Anlagen. Das sind die Kästen, die man aus dem Urlaub in südeuropäischen Ländern kennt: Der Kompressor und der Kondensator hängen außen, der Verdampfer innen. Verbunden sind die Geräte über Leitungen, durch die das Kältemittel fließt. Allerdings sind sie deutlich aufwändiger und teurer zu installieren – und oft ebenfalls Energiefresser. Da hilft es, wenn der Strom aus einer hauseigenen Solaranlage kommt.

»Vielleicht lässt der Vermieter ja mit sich reden, wenn sich im Haus unerträglich die Hitze staut, und zieht eine Umrüstung auf eine zentrale Anlage in Betracht«, sagt Schossig. Die großen Anlagen, wie es sie in Bürogebäuden und Krankenhäusern gibt, seien nämlich meist gar nicht so schlecht wie ihr Ruf. »Oft geben sie die Wärme über eine Erdsonde ins Grundwasser oder Erdreich ab«, sagt Schossig. Immer mehr Anwender setzten außerdem darauf, Wärme und Kälte der Klimageräte gleichermaßen zu nutzen, so zum Beispiel in Krankenhäusern. Abwärme lässt sich hervorragend für die Sterilisation von OP-Besteck verwenden oder zum Erhitzen des Wassers in der Wäscherei.

Kältemittel sind großes Problem für Klima und Umwelt

Das klingt, als habe Willis Carrier damals doch eher eine Wunder- als eine Höllenmaschine erdacht – oder? Schon bald nachdem ihm im Jahr 1906 sein Patent erteilt worden war, machte Carrier sich daran, seine Erfindung weiterzuentwickeln. Statt auf kaltes Wasser setzte er dann auf Ammoniak als zirkulierendes Kältemittel. Doch Ammoniak hat einen großen Nachteil: Es riecht stechend und ist giftig.

In den 1930er Jahren setzten sich deshalb zunehmend synthetische Kältemittel auf Basis von Halogenkohlenwasserstoffen durch. Sie sind ungiftig, schwer entflammbar und günstig herzustellen. Allerdings zeigte sich rasch: Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) zerstören die schützende Ozonschicht, teilfluorierte Kohlenwasserstoffe (HFKW) besitzen je nach Substanz ein gegenüber Kohlendioxid bis zu 24 000-fach erhöhtes Treibhauspotenzial, ausgedrückt als GWP (Global Warming Potential). »Die derzeit verwendeten Kältemittel sind in über 95 Prozent der Klimaanlagen äußerst klimaschädlich«, schreibt das Umweltbundesamt dazu.

Zwar treten die Gase in aller Regel nur in kleinen Mengen aus den Kühlkreisläufen aus, doch: »Synthetische Kältemittel und veraltete Anlagen verursachen erhebliche Treibhausgasemissionen – acht Millionen Tonnen CO2-Äquivalente im Jahr 2020«, sagte der Präsident des Umweltbundesamtes, Dirk Messner, kürzlich. Während FCKW in der EU seit dem Jahr 1995 verboten sind, wird der Einsatz von HFKW erst seit dem Jahr 2015 schrittweise eingeschränkt.

Peter Schossig lobt diese so genannte F-Gas-Verordnung der Europäischen Kommission. »Die Regelung ist sehr wirksam, aber bislang in dieser Entschlossenheit noch auf die EU beschränkt«, sagt er. Indem die am Markt verfügbaren Mengen an HFKW schrittweise reduziert werden, sollen deren Emissionen auf 35 Millionen Tonnen CO2-Äquivalent bis zum Jahr 2030 sinken. Eine im April vorgestellte Novelle der Regelung sieht vor, die Maßnahme sogar noch zu verschärfen.

Die Idee dahinter: Die Industrie dazu bringen, Alternativen zu entwickeln – und zu verwenden. Mit der jüngsten Änderung des Montrealer Protokolls, einem internationalen Abkommen, haben sich jedoch auch viele andere Staaten verpflichtet, nach und nach weniger HFKW zu produzieren. »Technisch wäre es schon jetzt machbar, in vielen Anwendungen auf natürliche Kältemittel zu setzen mit einem GWP von 0 bis 4 statt 4000 oder mehr«, sagt Schossig. Zu diesen natürlichen Alternativen gehören neben Ammoniak auch CO2, Kohlenwasserstoffe wie Propan und Isobutan, Luft und Wasser. »Allerdings haben sie alle irgendeinen Nachteil – sie sind entweder giftig, brennbar, schlechter komprimierbar oder gefrieren bei 0 Grad.«

Propan etwa, mit dem auch Gasgrills oder Campingkocher betrieben werden, ist leicht entzündlich. Pro Kältekreislauf dürfen deshalb nur höchstens 150 Gramm in Innenräumen ohne zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen eingesetzt werden. In Kühlschränken wird das bereits umgesetzt. Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer ISE entwickeln gerade einen kompakten, kältemittelreduzierten und kosteneffizienten Propan-Kältekreis für Wärmepumpen. »Wir wollen zeigen, dass Alternativen zu synthetischen Kältemitteln effizient und sicher sind«, sagt Peter Schossig.

Verwendung von Propan kann Klimaerwärmung verlangsamen

Es lohnt sich, die Herausforderung anzunehmen. In einer aktuellen Studie aus den »Proceedings of the National Academy of Sciences« kommen Forscher des in Österreich ansässigen Internationalen Instituts für Angewandte Systemanalyse zu dem Ergebnis, dass eine vollständige Umstellung auf Propan als Kältemittel im Split-Klimaanlagen bis zum Ende des Jahrhunderts eine Erwärmung um 0,09 Grad verhindern könnte. »Die Verwendung natürlicher Kältemittel ist ›zukunftssicher‹«, schreibt auch die Initiative »Refrigerants, naturally!«. »Es ist unwahrscheinlich, dass neue Umweltvorschriften ihre Verwendung verbieten oder stark einschränken werden.«

Natürliche »Klimaanlagen«

Ein großes Problem, vor allem für das Klima in Städten, ist die zunehmende Flächenversiegelung. Rund 44 Prozent der Siedlungs- und Verkehrsflächen in Deutschland sind aktuell versiegelt, das heißt bebaut, betoniert, asphaltiert, gepflastert oder anderweitig befestigt. Das entspricht einer Fläche von etwa 22 600 Quadratkilometern. Pro Jahr kommen knapp 100 Quadratkilometer hinzu. Weil versiegelte Flächen die Sonnenenergie eher absorbieren als reflektieren und kein Wasser speichern können, heizen sich dicht bebaute Gegenden noch zusätzlich auf. Um das Klima in Wohn- und Bürogebäuden zu verbessern und den Bedarf an Klimaanlagen zu verringern, lassen sich Maßnahmen umsetzen, die sogar einen positiven Einfluss auf das Klima haben.

  • Windtürme sind natürliche Belüftungssysteme, die die Luftströme des Windes nutzen. Vor allem in Nordafrika und dem Nahen Osten wird das seit Jahrhunderten praktiziert.
  • Pflanzen an Hausfassaden und auf Dachflächen können die Temperatur im Haus senken – weil sie die Hitze abfangen und sogar zusätzlich Verdunstungskälte erzeugen
  • Grünschneisen und Parks in Städten sorgen dafür, dass sich das Mikroklima verbessert. Sie spenden Schatten und tragen zur Verbesserung der Luftqualität bei.
  • Helle Dächer und Hausfassaden reflektieren das Sonnenlicht, statt es zu absorbieren.
  • Doppelt verglaste Fenster und eine gute Isolierung helfen dabei, die Wärme draußen zu halten.
Grüne Fassaden | Pflanzen an Wänden und auf Dächern von Gebäuden wie hier in Mailand, Italien, verbessern das Mikroklima, weil sie Schatten werfen und Verdunstungskälte erzeugen.

Wie wichtig es ist, klimafreundliche Kühlanlagen zu entwickeln, zeigt ein Blick in die Hitzetotenstatistik: Weltweit sterben pro Jahr laut einer im Fachjournal »The Lancet« veröffentlichten Modellierungsstudie von 2021 schätzungsweise 500 000 Menschen im Zusammenhang mit extremer Hitze. Besonders gefährdet sind Kinder, Alte und Schwangere. Sie sind oft noch nicht oder nicht mehr in der Lage, ausreichend zu schwitzen und so den Körper zu kühlen.

Für die Stadt Mannheim hat ein Team aus Expertinnen und Experten deshalb einen Hitzeaktionsplan erarbeitet. Teil davon ist eine Karte, auf der Orte verzeichnet sind, an denen sich die Menschen abkühlen können. Laut einer Recherche der Wochenzeitung »Die Zeit« aus diesem Jahr hat bislang in Deutschland aber nur jeder fünfte Landkreis ein solches Hitzeschutzkonzept.

In der kalifornischen Wüstenstadt Palm Springs können Hitzegeplagte ohne eigene Klimaanlage in »Cooling Centers« Zuflucht suchen. Sobald das Thermometer mehr als 38 Grad anzeigt, stellt die Stadt klimatisierte öffentliche Räume zur Verfügung, in denen die Menschen sich abkühlen können. In den USA wird Willis Haviland Carrier für seine Erfindung deshalb wie ein Held verehrt: »Gehen Sie auf die Knie – sofort – und sagen Sie Willis Carrier ein riesiges Dankeschön«, forderte die »Chicago Tribune« einmal.

Noch viel wichtiger, als das Klima in Innenräumen zu verbessern, wäre es allerdings, das Klima draußen in den Griff zu bekommen. Aber dazu braucht es mehr als einen Helden. Uns alle.

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