Die Art der Klimatisierung und insbesondere die verwendete Heiztechnologie hat enorme Auswirkungen auf den spezifischen Energieverbrauch und damit auf die Reichweite, insb. von Batteriebussen. Eine bewusste Abwägung der Heizungs- und Klimatisierungsstrategie sowie die zur deren Erreichung einzusetzenden Technologien ist somit vor dem Hintergrund einer möglichst hohen Flexibilität im Betrieb unabdingbar.
Als Ausgangspunkt der Überlegungen dienen dabei die lokalen Temperaturverteilungen sowie Vorgaben zur Innenraumtemperatur von Linienbussen. Die nachfolgenden Abbildungen zeigen eine typische Temperaturverteilung (Beispiel Berlin Alexanderplatz) sowie das Behaglichkeitskennfeld nach VDV-Schrift 236.
Der für die Heizung und Klimatisierung notwendige Energiebedarf hängt daher von zwei wesentlichen Parametern ab:
- maßgebende maximale und minimale Außentemperaturen (z. B. 1%- und 99%-Perzentile der Temperatursummenkurve)
- Vorgaben zur Temperatur im Fahrgastraum in Abhängigkeit von den Außentemperaturen.
Beide Parameter müssen durch das jeweilige Verkehrsunternehmen festgelegt werden, wobei keine Extremwerte als maßgebende Außentemperaturen verwendet werden sollten.
Den spezifischen Heizenergieverbrauch für die Heizung eines Solobusses zeigt die nachfolgende Abbildung anhand von ausgewerteten Messwerten. Für Gelenkbusse sind die Werte in etwa mit dem Faktor 1,5 zu skalieren. Dabei handelt es sich zunächst um den eigentlichen Heizenergiebedarf, unabhängig davon, wie die Heizenergie erzeugt wird. Die dafür notwendige Elektroenergie hängt von der Art der Wärmeerzeugung ab. Die einfachste aber auch ineffizienteste Form ist die Wärmeerzeugung mittels elektrischem Widerstand, bei der elektrische Energie etwa 1 : 1 in Wärme umgewandelt wird. An kalten Tagen würde dies jedoch zu einem deutlichen Verlust an Reichweite führen, da sich der Energieverbrauch fast verdoppelt.
Wärmepumpen sind hingegen in der Lage, mehr Wärmeenergie zu erzeugen als elektrische Energie dafür aufgewendet werden muss. Das Verhältnis von erzeugter Wärme- bzw. Kälteenergie und der dafür aufgewandten elektrischen Energie bezeichnet man
- für das Kühlen als Leistungszahl oder EER – Energy Efficiency Ratio und
- für das Heizen als Heizzahl oder COP – Coefficient of Performance.
Speziell der COP ist abhängig von
- der zu überwindenden Temperaturdifferenz und damit der Innen- und Außentemperatur,
- der baulichen Ausführung der Wärmepumpe und
- dem verwendeten Kältemittel.
Bei Außentemperaturen über dem Gefrierpunkt erzielen moderne Wärmepumpen COP-Werte von über 3, jedoch sinkt dieser Wert ebenso wie die erzielbare Heizleistung bei tiefen Temperaturen ab. Ab -5°C erzielen Wärmepumpen gegenwärtig COP-Werte von etwa 2,2 – 2,8. Ab -10°C liegen die Werte i. d. R. im Bereich von 2,0. Der für das Heizen notwendige Elektroenergiebedarf EeH ergibt sich anhand der notwendigen Wärmeenergie EW überschläglich zu
$$ E_{eH} = \frac{E_W}{COP}$$
Überschläglich kann beim Einsatz moderner Heizsysteme (Wärmepumpe) im Stadtverkehr von folgenden spezifischen Energiebedarfswerten (ca. -10°C) ausgegangen werden:
- Solobusse: 0,5 – 0,7 kWh/km
- Gelenkbusse: 0,7 – 1,1 kWh/km.
Je nach Anwendungsfall wird es für eine Übergangszeit daher notwendig sein, ergänzend mit einer Brennstoffheizung zu heizen. Dies gilt insbesondere für Volllader in Verkehrsbetrieben mit Umlaufplanlängen von deutlich mehr als 200 km. Kommen sog. Hybridheizungen, also eine Kombination aus elektrischer und Brennstoffheizung zum Einsatz, ergeben sich in Abhängigkeit vom Betriebsregime (Außentemperatur, ab der die Brennstoffheizung zugeschaltet wird) folgende spezifische Energiebedarfswerte:
- Solobusse: 0,2 – 0,4 kWh/km
- Gelenkbusse: 0,3 – 0,6 kWh/km.
Da die Temperierung von Bussen in erster Linie zeit- und nicht entfernungsabhängig ist, ergeben sich auf Linien mit extrem niedrigen Reisegeschwindigkeiten deutlich höhere Werte.
Die für die Kühlung (Klimatisierung) notwendige Elektroenergie ergibt sich sinngemäß, jedoch ist unter mitteleuropäischen Klimabedingungen die Beheizung der Fahrzeuge der maßgebende weil energieintensivere Betrachtungsfall, sofern nicht weitgehend oder ausschließlich mit einer Brennstoffheizung geheizt wird.