Kühldecken

Das allgemeine Funktionsprinzip einer Kühldecke

Einteilung-Bauformen-Kühldecken

Einteilung der Bauformen von Kühldecken

Die Wärmeabfuhr der mittels Wasser gekühlten Decke kann auf verschiedenen Arten erfolgen. Grundsätzlich wird zwischen Strahlungskühldecken (geschlossene Bauart) und Konvektionsdecken (offene Bauart) unterschieden.

Bei den Konvektionskühldecken überwiegt der konvektive Anteil beim Wärmeaustausch. Die abgehängte Decke hat einen freien Querschnitt und ermöglicht somit eine Luftzirkulation bis zur Rohdecke mit dem Ziel, die Kühlleistung zu erhöhen. Diese Hinterlüftung der Kühlleitungsrohre erfolgt üblicher- weise auf Basis freier Konvektion, sie kann aber auch auf erzwungene Strömung beruhen.

Im Gegensatz zur Konvektionskühldecke haben Strahlungskühldecken eine geschlossene Oberfläche.
Die Wärmeübertragung erfolgt überwiegend (ca. 60%) durch Strahlungsaustausch. Strahlungskühldecken werden als abgehängte Decken ausgeführt, der Platzbedarf ist dabei etwa der gleiche wie, bei einer normalen Deckenkonstruktion  ohne Kühlung.

Funktionsweise-01

Funktionsweise einer Kühldecke mit Hinterlüftung

Die Wirkung der Strahlungsdecken wird wegen der geringen Luftbewegung auch als stille Kühlung bezeichnet. Der Strahlungsanteil beträgt ca. 60%, der Rest erfolgt über freie Konvektion durch die von den Wärmequellen aufsteigende warme Luft, d.h. die entwickelte Wärme die nicht über Strahlungsaustausch abgeführt wird, strömt durch den natürlichen Auftrieb unter die Decke. Dort wird die erwärmte Luft abgekühlt und fällt diffus in die Aufenthaltszone unter Beimischung der Raumluft zurück. Hierdurch ergeben sich sehr gleichmäßige vertikale Temperaturverteilungen, die das Wohlbefinden der Nutzer fördern.

Das Temperaturempfinden des Menschen entspricht dem arithmetischen Mittelwert aus Lufttemperatur sowie der Umschließungsoberflächentemperatur. Nachfolgend wird dieser Zusammenhang (vereinfacht) erläutert:

Gehen wir davon aus, dass die durchschnittliche Oberflächentemperatur eines bekleideten Menschen etwa konstant 32°C beträgt und die Luftbewegung komfortabel niedrig und gleichmäßig ist (w=0,1 m/s). Weiterhin liegt die relative Luftfeuchtigkeit im für uns üblichen Rahmen zwischen 35% und 65%.

Steigt oder fällt die Lufttemperatur, so ändert sich die Temperaturdifferenz zwischen der Körperoberfläche und der Raumluft mit der Folge, dass der konvektive Wärmestrom proportional beeinflußt wird.

Steigt z.B. die Raumlufttemperatur von 25°C auf 27°C an, wird die Differenz zur Körperoberflächentemperatur von
32°C – 25°C = 7K auf 32°C – 27°C = 5K reduziert.
Der konvektive Wärmestrom nimmt um 1- 5/7 = 29% ab.

Andererseits ist die Wärmeabgabe des Menschen in Folge des Strahlungsaustausches abhängig von der Raumtemperaturdifferenz zwischen der Körper-oberfläche und den Raumumschließungsflächen. Wird also die Deckenoberflächentemperatur mittels Wasser gekühlt, erhöht sich die Temperaturdifferenz und somit der Anteil der Wärmeabgabe des menschlichen Körpers über Strahlungsaustausch von üblicherweise 35 Watt auf ca. 50 Watt.

Gehen wir weiter davon aus, daß Personen die sich unter einer Kühldecke befinden weniger schwitzen und somit der Anteil der Wärmeabgabe über Verdunstung von 25 Watt auf 20 Watt abnimmt, so muß zur Aufrechterhaltung des Wärmegleichgewichts der konvektive Anteil um den des Strahlungsanteils, sowie der Verdunstung korrigiert werden. Daraus folgt: 15 W – 5 W = 10 Watt.

Lag der konvektive Anteil zuvor ohne Kühldecke bei 40 Watt, so wird er nun unter Einwirkung der Kühldecke idealerweise bei 30 Watt liegen. Die Temperaturdifferenz zwischen der Körper- Oberflächentemperatur und der Raumlufttemperatur ist zur Aufrechterhaltung des Wohlbefindens proportional zu senken. War zuvor die ideale Raumlufttemperatur 25 °C, so berechnet sich die neue äquivalente Raumlufttemperatur zu:

mit Luftkühlung :32°C-25°C = 7K

mit Kühldecke:32°C-7K * 30 / 40 = ca. 27°C.

Wärmebilanz-01

Wärmebilanz des ruhenden Menschen

Daraus folgt, dass durch den Einsatz einer Kühldecke, bei gleicher empfundener Raumtemperatur, die Raumlufttemperatur um ca. 2K höher liegt, als bei einer Luftkühlung, was zu erheblichen Energieeinsparungen führt.

Bezogen auf das menschliche Temperaturempfinden wird zur Beurteilung der Temperatur eine Durchschnittsgröße eingeführt, die sogenannte empfundene Raumtemperatur oder auch operative Raumtemperatur. Diese wird näherungsweise aus dem Mittelwert zwischen Raumlufttemperatur und durchschnittlicher Oberflächentemperatur der Raumumschließungsflächen gebildet.

Berechnung und Simulation

Neben den zu erwartenden inneren Wärmelasten, den Einbezug von Echtwetterdaten, das Heiz-, Kühl- oder Klimatisierungskonzept, das Nutzerverhalten, die Baukonstruktion, sowie Temperaturgrenzen, gibt es noch eine Vielzahl weiterer wichtiger Systemparameter, die es bei der Auslegung und Planung einer Bauteilaktivierung zu beachten gilt.

• der Rohrabstand innerhalb der Rohrregister
• der Rohrdurchmesser
• die Lage der Rohrregister im Bauteil (Verlegetiefe)
• die Rohrleitungslänge
• die Strömungsgeschwindigkeit
• die Vor-/Rücklauftemperatur
• die Regelung

Allein dieser Auszug zeigt, dass selbst bei einer bereits festgelegten Konstruktion so viele weitere Parameter existieren, dass eine Berechnung des dynamischen Betriebszustandes, insbesondere der zu erwartenden Temperaturverläufe in den Räumen, ohne eine umfangreiche computergestützte Berechnung bzw. Simulation, nicht möglich ist. Nicht zuletzt aus diesem Grunde werden von uns  typische Simulationsprogramme wie z.B. TRANSYS, aber auch selbst entwickelte Simulationsprogramme für die Gebäudesimulation eingesetzt.

Soll darüber hinaus auch Überschusswärme über Erdsonden oder Energiepfähle an das Erdreich abgeführt oder beispielsweise mittels Wärmepumpe wieder entzogen werden, ist eine Berechnung der zu erwartenden Temperaturverläufe und Energiemengen ohne ein Simulationsprogramm wie z.B. EEG (Earth Energy Designer) kaum mehr möglich.

Vielfach werden zunächst Probebohrungen und Messungen durchgeführt. Die Kosten einer präzisen Simulationsrechnung sind nicht unerheblich und nicht zuletzt aus diesem Grund stellt sich auch die Frage, ob nicht eine vereinfachte Simulationsrechnung bereits genügen um Funktion und Wirtschaftlichkeit einer Anlage zu bestätigen. In vielen Fällen reicht es bereits aus, nur die Spitzenbelastung zu simulieren, um Aussagen über die maximal zu erwartenden Raumtemperaturen treffen zu können.

Ein großer Vorteil einer thermischen Bauteilaktivierung liegt auch in ihrem Selbstregeleffekt. Die ausgeführten Bauvorhaben und die inzwischen vorliegenden Betriebserfahrungen haben uns gezeigt, dass thermische Bauteilaktivierung im Vergleich zu einer herkömmlichen Klimaanlage ein empfehlenswertes und kostengünstiges System ohne nennenswerte Folgekosten ist.

Planung und auch die Ausführung innovativer Gebäudekonzepte stellen zunehmend hohe Anforderungen an alle Beteiligten. Eine gewerkeübergreifende integrale Planung ist bei thermischer Bauteilaktivierung ein wesentlicher Bestandteil und daher unabdingbar. Das setzt ein hohes Maß an gewerkeübergreifendem Wissen, unter anderem über Statik, Betonbau, Estriche, Akustik, Bauphysik und Haustechnik voraus. Fehlentscheidungen, die bereits während des Planungsstadiums getroffen werden, lassen sich kaum noch oder nur mit hohem immensen Kostenaufwand beseitigen. Dies setzt auch die Akzeptanz und Respektierung einer thermischen Bauteilaktivierung und deren Grenzen bei allen beteiligten Gewerken voraus. So ist es zum Beispiel unabdingbar, die Anordnung der Rohrregister direkt in die Bewehrungspläne einfließen zu lassen. Es muss festgelegt werden, wo die Zuleitungen zu den einzelnen Kreisen verlaufen, welche Dimensionen sie aufweisen, ob und wie sie isoliert werden müssen und welche Materialien zu verwenden sind.

Die Planung des gesamten Konzeptes erfordert ein großes Know-how und viel Erfahrung auf diesem Gebiet. Während erfahrungsgemäß die Berechnung von Heiz- und Kühllastspitzen meist ohne Probleme möglich ist, bleibt die Speicherwirkung eines Gebäudes, der Wärmeübergang durch Strahlung und das dynamische Verhalten weitgehend unberücksichtigt. Die wärmetechnische Auslegung der Wärme- und Kälteerzeuger erfolgt nicht wie üblich nach den Lastspitzen, sondern die Speicherfähigkeit des Baukörpers ist zu berücksichtigen. Andernfalls ergibt sich schnell eine unwirtschaftliche und ineffiziente Überdimensionierung.  Orientiert sich beispielsweise die hydraulische Auslegung an einem konventionellen Systemen aus der Heizungs- und Kältetechnik, so ist es sehr wahrscheinlich das sie hoffnungslos überdimensioniert und ineffizient wird.

Beispielsweise gilt es unbedingt zu prüfen, ob aufgrund unterschiedlicher Nutzung oder Nutzungszeiten, bzw. Position zu den jeweiligen Himmelsrichtungen und der damit verbundenen unterschiedlichen Sonneneinstrahlungen, separate Zonen erforderlich oder überhaupt sinnvoll sind. Dementsprechend sind aktive Bereiche, Rohrabstände und Lage der Rohrregister in den Decken und Bauteilen so zu planen, dass nur die Wärmemengen aufgenommen und abgegeben werden, die auch tatsächlich anfallen bzw. erforderlich sind.

Auch sollte unbedingt festgelegt werden, auf welche Weise und auch wohin die anfallende Wärme abgeführt wird, oder ob sie über eine entsprechende Wärmerückgewinnung anderweitig sinnvoll verwendet werden kann undwelche baulichen Besonderheiten dazu erforderlich sind.

Nutzung alternativer Energien
Auch der Einsatz alternativer bzw. regenerativer Energien zur Kühlung und Beheizung ist durchaus sinnvoll. Vorlauftemperaturen von  +22°C reichen bereits aus um effektiv Wärme an Bauteile abzugeben und diese zu temperieren.

Auch Wasser, das beispielsweise zu Kühlzwecken in Produktionsprozessen verwendet wird, hat häufig Temperaturen von 30°C und mehr. Während es bislang in Kühltürmen oder mit Kältemaschinen zurückgekühlt wird, ließe sich zumindest ein Teil dieser sonst verlorenen Energie für die Temperierung von Bauteilen verwenden. Auch der direkte Einsatz von Sonnenkollektoren oder von Wärmepumpen ist wegen der relativ geringen Vorlauftemperaturen besonders wirtschaftlich.

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