Kühlen über die Decke
Heiz- und Kühl-Strahlflächen für die Gebäudeausstattung
Der Anspruch an die technische Gebäudeausstattung von Hallen oder anderen Großräumen ist je nach Nutzung sehr hoch. Er wächst, wenn neben der Heizung auch eine Kühlung der Halle erforderlich ist. In vielen Fällen lässt sich die Kühlfunktion jedoch mit der Beheizung verbinden – in Form von Heiz- und Kühl-Strahlflächen.
Vorausschauende Planung
Bei der Auslegung einer Hallenheizung und -kühlung sind zahlreiche Kriterien zu beachten. Dazu zählen insbesondere die Art der Nutzung, Hallenvolumen, Raumhöhe, Luftdichtigkeit, Wärmespeicherkapazität, Nutzung regenerativer Energie und CO2-Ausstoß sowie die Höhe der Investition bzw. die Folgekosten. Bei letzterem Punkt sind besonders die Energiekosten (inklusive Hilfsenergie) und der Aufwand für die Wartung relevant, etwa regelmäßige Prüfungen oder Schornsteinfegerleistungen.
Gerade die Lebenszykluskosten rücken immer stärker in den Fokus, wobei Investitionen auch davon bestimmt werden, ob eine Halle eher kurzfristig für einen bestimmten Zweck errichtet werden soll und ob Nutzungsänderungen von vornherein geplant oder problemlos möglich sein sollen. Als Stichworte seien hier Nachhaltigkeit, dauerhaft niedriger CO2-Ausstoß bis hin zum grünen Image eines Unternehmens genannt. Die Bauweise – beispielsweise Lager ohne Fenster oder Räume mit Fenster und Sonneneinstrahlung – wirkt sich entsprechend auf die einzusetzenden Komponenten aus.
All diese Aspekte führen zur Entscheidung, welche Art der Wärmeerzeugung und -verteilung bzw. der Kühlung gewählt wird. Über die genannten Details sollten sich Bauherr und Planer deshalb in einem frühen Stadium verständigen.
Pluspunkte der Heiz- und Kühl-Strahlflächen
Eine solche Ausstattung bietet zahlreiche Vorteile. Dazu zählt zunächst die hervorragende Energiebilanz, da beim Heizen die Temperatur der Raumluft bei gleicher Empfindungstemperatur um
bis zu 3 K gesenkt werden kann – pro 1 K sinkt der Verbrauch um bis zu 6%. Dieser Vorteil wird durch die schnelle Regelbarkeit noch intensiviert. Des Weiteren ist die Strahlung im Vergleich zur Konvektion anderer Systeme effektiver. Da der Energietransport weitgehend ohne das Trägermedium Luft auskommt, wird kaum Staub aufgewirbelt und eine bessere Hygiene erreicht. Auch geht sehr viel weniger Wärme verloren, etwa wenn bei Lagerhallen durch Be- und Entladen Tore geöffnet werden.
Im Kühlbetrieb kehrt sich das Verfahren um: Die Raumwärme wird von den kühlen Deckenflächen aufgenommen und abtransportiert. Darüber hinaus sprechen die Langlebigkeit und weitgehende Wartungsfreiheit für Heiz- und Kühl-Strahlflächen. Im Kühlbetrieb werden die Oberflächentemperaturen in der Regel gleitend zwischen 22 °C (Schwachlast) und minimal 16 °C (Volllast) geregelt. Die Wärmeaufnahme der Decke erfolgt zu 60 % durch Strahlung, die zur Abkühlung aller Umgebungsflächen und Einrichtungsgegenstände führt. Der konvektive Anteil von 40 % bringt zusätzlich eine direkte Kühlung der Raumluft. Tritt der Kühlbedarf ein, geben wärmere Flächen per Strahlung Wärme an die Kühldecke ab. Als Grenztemperatur für die Kühldeckenoberfläche werden in der Regel 16 °C angesetzt. Darunter ist mit Kondensation der Raumluftfeuchte zu rechnen.
In Aufenthaltsräumen wie Büros wird mit Hilfe der Konditionierung Einfluss auf die Raumluftfeuchte genommen. Die eingeblasene Luft ist trockener und vermischt sich mit der feuchteren Luft. Daher ist eine niedrigere Temperatur und damit eine höhere Leistung der Kühlflächen möglich.
Eckdaten ermitteln
Für jedes Projekt wird individuell der Wärme- bzw. Kühlbedarf festgestellt. Die korrekte Ermittlung der Heizlast erfolgt nach der Norm DIN EN 12831. Die in der Praxis eingesetzten Berechnungsverfahren gehen dabei von einem konstanten Temperaturprofil über die Hallenhöhe aus bzw. es wird – seltener – ein Schichtenmodell als Hilfsmittel eingesetzt. So wird der Sollwert, beispielsweise 18 °C für die Raumtemperatur in der Aufenthaltszone, auch für die Heizlastberechnung des Daches angesetzt. Dabei sind bei der Heizlastberechnung unterschiedliche Raumtemperaturwerte entsprechend der Temperaturschichtung anzusetzen. Erfahrungsgemäß steigt die Temperatur mit zunehmender Höhe in einer Halle umso stärker an, je mehr Konvektion in der Halle herrscht. Ziel der Beheizung sollte es daher sein, bei der Auswahl und der Dimensionierung der Heizung bereits die Minimierung der thermischen Konvektion zu berücksichtigen.
Die Kühllast wird nach VDI 2078 „Berechnung der thermischen Lasten und Raumtemperaturen (Auslegung Kühllast und Jahressimulation)“ berechnet, die 2015 in einer überarbeiteten Fassung veröffentlicht wurde. Dazu müssen Planer zahlreiche Parameter berücksichtigen, die das thermische Raumverhalten beeinflussen. Dazu zählen neben Anlagenteilen auch die maschinelle oder natürliche Lüftung sowie Flächenheizung und -kühlung.
Beispiele: Kühlen von oben
In sensiblen Bereichen ist die Einhaltung von eher niedrigen Temperaturen während sommerlicher Hitze von Bedeutung. Im Logistikzentrum der Gertraud Gruber Kosmetik GmbH & Co. KG wurden daher Heiz-Kühl-Elemente „HKE-CS“ von Best installiert, um die empfindlichen Produkte bis zum Versand bei einer Temperatur von 17 °C (Winter) und 26 °C (Sommer) zu lagern bzw. zu kommissionieren. In einem Gebäudeabschnitt von 402 m² und einer Raumhöhe von 3,05m wurden vier Strahlbänder vom Typ „HKE-CS“ eingesetzt. Im Regallager kamen vier zweiteilige Bänder von jeweils 0,7 m Breite und 32 m Länge zum Einsatz. Der Abstand zwischen den beiden Bändern beträgt 0,35 m und dient der Beleuchtungsinstallation.
Die Wärme liefert ein Biomasse-Kessel von Hargassner, die Kühlung wird mit einem Kühlaggregat realisiert, wobei in beide Kreisläufe ein Pufferspeicher integriert ist. Die Abfuhr von Wärme erfolgt, indem die Strahlbänder die Wärme aufnehmen und abtransportieren. Dazu wird kühles Wasser eingespeist. Als Temperaturen für den Kühlfall wurde TV= 15 °C und TR= 19 °C angenommen.
Angenehme Temperaturen in Ausstellungen
Als weiteres Beispiel sei das Freilichtmuseum Kommern genannt. Hier wurden drei Ausstellungspavillons mit Heiz-Kühl-Elementen in der Ausführung „HKE-CS“ versehen, die von Wärmepumpen gespeist werden. Um eine langzeitige Veränderung des Temperaturniveaus durch die geothermische Anlage zu vermeiden, wird die im Winter im Erdreich gespeicherte Kälte in den Sommermonaten zu Gebäudekühlung genutzt. Der Pendelbetrieb – sommerliche Aufwärmung und winterliche Abkühlung des Erdbodens – steigert die Effizienz der Geothermieanlage.
Das Temperaturniveau des Erdreiches wird direkt zur Freikühlung über die Deckenstrahlplatten eingesetzt, Kältemaschinen werden nicht genutzt. Mit dieser Konzeption ist eine kostengünstige und umweltfreundliche Kühlung der Pavillons möglich. Um eine Kondensatbildung im Sommer zu verhindern, schaltet ein Temperaturwächter die Umwälzpumpe bei Unterschreiten einer minimalen Temperatur aus.
Die Raumtemperatur für die Ausstellungsräume wird mit 16 °C angegeben. Dieser Wert reicht aus, weil die Besucher des Freilichtmuseums zwischen Außen und Innen wechseln und in der kalten Jahreszeit entsprechend gekleidet sind. Trotzdem ist das System so ausgelegt, dass eine Erhöhung auf 20 °C erfolgen kann (bei -12 °C Außentemperatur), etwa für spezielle Veranstaltungen im Pavillon 1. Als Vor- und Rücklauftemperatur werden 45/35 °C angesetzt, sodass das Zusammenspiel mit den Wärmepumpen optimal funktioniert.
Art der Anbindung
Die Heiz-Kühl-Elemente lassen sich auf verschiedene Weise anbinden. Wird ein 2-Leiter-System genutzt, kann entweder geheizt oder gekühlt werden. Vorteilhafter ist das patentierte 3-Leiter-System „Betsy“, das Best entwickelt hat. Ziel des Verfahrens ist es, Überschusswärme in anderen Bereichen bzw. Räumen zu nutzen, die einen Bedarf an Wärme aufweisen. Dazu wird das Temperaturgefälle zwischen Vor- und Rücklauf des Heiz- bzw. Kühlwassers gezielt genutzt, um unterschiedliche Raumlasten auszugleichen. Dabei wird auch der erhöhte Energiebedarf von Fassaden abgedeckt. Auf diese Weise lässt sich ein zeitgleiches Heizen und Kühlen realisieren. Über einen großen Betriebszeitraum erfolgt demnach die Energieversorgung autark, denn mit dem Wärmegewinn aus stark frequentierten Gebäudeabschnitten werden andere mit Heizbedarf versorgt. Im Vergleich zu einem 4-Leiter-System kommt „Betsy“ mit einem deutlich geringeren Installationsaufwand aus. Die Verrohrung wird um ein Drittel geringer, der Regelungsaufwand halbiert. Damit gehen mit dem System geringere Kosten einher.
