Flächenkühlung richtig und effizient einsetzen

Der Kühlbedarf von Gebäuden im Sinne eines integralen Planungsansatzes wird oft unterschätzt und im Stadium der Vorplanung und Konzeptentwicklung meist nur unzureichend beachtet. Nicht selten müssen später kostenintensive Nachrüstungen erfolgen, um die thermische Behaglichkeit zu verbessern. Hintergrund ist, dass die Kühllasten und damit der Kühlbedarf von Gebäuden kontinuierlich aus vielfältigen Gründen steigen (Bild 1). Dazu zählen die externe Sonneneinstrahlung und Hitzereflexionen umgebender Bebauungen sowie interne Wärmelasten von Geräten und Personen.

Möglichkeiten und Grenzen der Flächenkühlung

Die Flächenheizung/-kühlung kann mit ihrer Doppelfunktion Heizen/Kühlen für ganzjährige thermische Behaglichkeit sorgen. Dies bietet mehrere Vorteile (Bild 2): Es werden keine zusätzlichen Komponenten der TGA benötigt. Darüber hinaus fallen keine zusätzlichen Wartungs- und Instandhaltungsaufwendungen an.

Grundlage der Flächenkühlung ist die Notwendigkeit einer Wärmeübertragung in den Raum für den Winterfall (Heizung). Für den Sommerfall gilt es, die Richtung des Wärmestroms umzukehren, um auf den Kühlbetrieb umzustellen. Beide Funktionen – Heizen und Kühlen – werden mit demselben Wärmeübergabesystem realisiert und wirken maßgeblich über thermisch aktivierte Bauteile bzw. deren dem Raum zugewandte Oberflächen (Raumumschließungsflächen).

Während des Kühlbetriebs wirkt also der (überhitzte) Raum als Wärmequelle. Die Untertemperatur des Systems ist hierbei die Wärmesenke, welche eine thermische Entladung des Raumes zur Folge hat. Daraus resultiert die Abführung von internen Wärmelasten aus dem Raum.

Besonders die empfundene „Strahlungskühle“ der großen Flächen wirkt sich auf das thermische Wohlbefinden der Nutzer unmittelbar sehr positiv aus. Hohe Luftgeschwindigkeiten und Zuglufterscheinungen, wie häufig bei luftbasierten Systemen, lassen sich mit diesem System de facto vermeiden, was die thermische Behaglichkeit im Innenraum steigert.

Die Einsatzgrenzen der Flächenkühlung ergeben sich aus den technischen und physikalischen Gegebenheiten im Gebäude. Im Kühlbetrieb ist generell der sich einstellende Taupunkt zu berücksichtigen, um Schäden durch Tauwasserausfall zu vermeiden (siehe Kasten). Die typische Kühlleistung pro Quadratmeter ergibt sich je nach Flächenorientierung (Boden, Wand oder Decke) zu den in Bild 3 dargestellten Richtwerten.

Wichtig für die Praxis: Die Kühlung muss hinsichtlich ihrer Kühlleistung in „Ankühlung“ und „Vollkühlung“ eingestuft werden.

Ankühlung mittels Flächenheizung/-kühlung

Die Ankühlleistung einer Flächenheizung /-kühlung resultiert aus der Auslegung für den Heizfall nach der ermittelten Heizlast (DIN EN 12 831), welche die Systemauswahl und Auslegung des Systems maßgeblich bestimmt (Rohrabstände, Massenstrom, Materialauswahl und -aufbau, Oberflächen usw.). Somit handelt es sich bei der Ankühlung konzeptionell um eine Flächenheizung, die um einen entsprechenden Bypass zur Umkehrung des Wärmestroms und den Anschluss an eine Wärmesenke für den Kühlbetrieb ergänzt wird (Bild 4).

Die Ankühlleistung lässt sich unter Beibehaltung des Heizmassenstroms auch für den Kühlbetrieb und unter Zugrundelegung einer definierten Kühlwasservorlauftemperatur ermitteln. Die aus der Auslegung nach Heizlast resultierende Ankühlleistung hat zwar eine Reduzierung der Innenraumtemperatur zur Folge, ist aber nicht immer imstande, eine festgelegte maximale Innenraumtemperatur sicherzustellen. In der Regel ist eine Reduzierung der Innenraumtemperatur während der Sommermonate bis zu etwa 3 K, was in vielen Fällen, besonders in Wohngebäuden, schon eine ausreichende Steigerung der thermischen Behaglichkeit mit sich bringt. Mehr als 3 K sind möglich, falls das System bei der Heizungsauslegung bereits für den Kühlbetrieb optimiert wird (Massenstrom erhöhen/Spreizung verringern).

Ist eine definierte Kühlleistung gewünscht, um beispielsweise die Rauminnentemperatur nicht über 26 °C ansteigen zu lassen, muss zusätzlich zur Heizlast- eine detaillierte Kühllastberechnung nach VDI 2078 erfolgen.

Vollkühlung mittels Flächenheizung/-kühlung

Die Vollkühlleistung resultiert aus der Auslegung des Systems zur Flächenheizung/-kühlung nach der Heizlast (DIN EN 12 831) und der Kühllast (VDI 2078). Sie verfolgt in der Auslegung also nicht nur die Abdeckung der Heizlast im Winter, sondern eben auch die einer definierten Kühllast im Sommer (Maximal-Innenraumtemperatur). Maßgeblich für die Einhaltung der Anforderungen sind die Systemauswahl und -auslegung bezogen auf Rohrabstände, Massenstrom, Materialauswahl und -aufbau, Oberflächen usw. Achtung: Es ist nicht möglich, sowohl die Anforderungen einer Ankühlung als auch einer Vollkühlung zu erfüllen, weil die Feineinstellungen am Etagenverteiler nur einen Einstellwert zulassen.

Der beim Vollkühlungssystem erforderliche Mehraufwand für Planer und Verarbeiter ist bei Gebäuden mit absehbar hohen internen Wärmelasten im Sommer unbedingt notwendig, um die maximale Planungssicherheit und Nutzerzufriedenheit zu gewährleisten.

Hydraulischer Abgleich für den Heiz- oder Kühlbetrieb?

Es ist zu berücksichtigen, dass ein optimal durchgeführter hydraulischer Abgleich sowohl für den Heizbetrieb im Winter als auch für den Kühlbetrieb im Sommer nicht möglich ist. Aus diesem Grund empfiehlt sich die grundsätzliche Festlegung einer Entweder-Oder-Auslegung. Das heißt: Es ist zu entscheiden, ob der hydraulische Abgleich für den Heiz- oder für den Kühlbetrieb erfolgen soll. Diese Festlegung muss gebäude- und nutzungsspezifisch nach den zu erwartenden Lastprioritäten erfolgen.

Erfahrungsgemäß wird der hydraulische Abgleich in Wohngebäuden nach dem Heizbetrieb erfolgen, da für den Kühlbetrieb in der Regel schon eine Ankühlung ausreichend ist, um während der Hitzephase des Sommers einen Gewinn an thermischer Behaglichkeit zu generieren.

Insbesondere in Nichtwohngebäuden, wie z. B. in Büro- und Verwaltungsgebäuden, können die Auslegung und der hydraulische Abgleich mit Blick auf den Kühlbetrieb zielführender sein. Denn dort ist häufig eine Vollkühlung erforderlich, weil sich die internen Wärmelasten im Winter als Wärmegewinne bilanzieren lassen, im Sommer jedoch zu überproportional hohen Wärmelasten führen.

Tipp: Bei der Auslegung nach Kühlbetrieb sollte die daraus resultierende Wärmeleistung des Systems im Winter so weit wie möglich an die benötigten Lasten angepasst werden. Dies kann über die Einstellung der Heizkennlinie entsprechend der Gebäudeausrichtung, dem Tageslichteinfall, dem Schichtenaufbau, der thermischen Gebäudehülle und den Lastdifferenzen erfolgen.

Aktive oder passive Kühltechnik nutzen?

Während sich die beiden Begriffe An- und Vollkühlung auf die wirksame Kühlleistung im Raum beziehen (rauminterne Bilanz), definieren die Begriffe passive Kühlung und aktive Kühlung die Art und Weise der Kältebereitstellung (raumexterne Bilanz). Die notwendige Kälte zur Wärmeabfuhr einer Wärmesenkenanlage kann auf zwei verschiedene Weisen bereitgestellt werden: entweder passiv aus Erdwärmesonden, Erdkollektoren, Energiekörben oder aktiv aus Kältemaschinen, Kaltwassersätzen oder umschaltbaren, also reversibel betriebenen Wärmepumpen.

Bei der Planung ist entsprechend der Kühllastberechnung die erforderliche Kühlleistung des geplanten Systems zu ermittelnd. Reicht die absehbare passive Kühlung für die notwendige oder gewünschte Kühlleistung nicht aus, muss eine aktive Kühlung erfolgen, welche eine definierte Kälteleistung bereitstellt, wozu ein zusätzlicher Energiebedarf entsteht.

Einsatz und Funktion der passiven Flächenkühlung

Die passive Kühlung verlangt eine natürliche Wärmesenke, die bei erdgekoppelten Wärmepumpen-Heizungsanlagen ohnehin schon vorhanden ist und keinen zusätzlichen Endenergie- bzw. Bereitstellungsaufwand erfordert, um Kälte zu erzeugen. Dabei gilt: Eine Wärmesenke, und damit die Kühlwirkung, ist qualitativ umso hochwertiger, je größer und konstanter die Temperaturdifferenz zur Wärmequelle (Innenraum) ist.

Notwendig zum Betrieb ist lediglich ein Bypass in Form eines Wärmeübertragers zur Systemtrennung in Verbindung mit einer Pumpengruppe für den sekundären Wärmeübertrager (Wärmesenke). Ein solches System ermöglicht neben der Kühlung im Sommer auch eine Unterstützung der natürlichen Regeneration für die Wärmequellenanlage im Winter. Allerdings ist die jeweilige Wärmequellenanlage immer auf ihre Leistungsfähigkeit als Wärmesenkenanlage zu prüfen. Besonders Erdwärmesondenanlagen, aber auch verschiedene Bauformen von Energiepfählen und Erdkörben bieten hohe Synergiepotenziale im Sinne von Wirtschaftlichkeit und Effizienz.

Übrigens: Eine Erhöhung der passiven Kühlleistung hat in der Regel immer eine zusätzliche effizienzsteigernde Wirkung auf den Heizbetrieb bzw. auf die Jahresarbeitszahl der Heizungswärmepumpe.

Die Vorteile der passiven Kühlung liegen in den minimalen Investitions- und Betriebskosten, weil lediglich die Umschalthydraulik (Bypass) zur passiven Kühlung ergänzt werden muss. Synergiepotenzial bietet zudem z. B. die Unterstützung der natürlichen Regeneration bei erdgekoppelten Wärmequellenanlagen im Sommer.

Nachteilig sind die oft begrenzten Kühlleistungen, da diese stets von der Qualität der Wärmesenke und von der Quantität der notwendigen Kühlleistung abhängen.

Einsatz und Funktion der aktiven Flächenkühlung

Die aktive Kühlung benötigt (statt oder zusätzlich zur natürlichen Wärmequelle) einen Kälteerzeuger. Dies kann z. B. entweder eine reversible Wärmepumpe sein (Bild 5), die im Winter heizt und im Sommer kühlt, oder entsprechende Kaltwassersätze (z. B. Klimagerät). Mit einer aktiven Kühlung können definierte Kühlleistungen mit hoher Regelgüte gerade in Gebäuden mit sehr hohen Wärmelasten realisiert werden. Im Gegensatz zur passiven Kühlung ist, neben der Hilfsenergie für die Umwälzpumpe, zusätzliche Endenergie für das Kälteaggregat notwendig. Allerdings kann die aktive Kühlung einen signifikanten Beitrag zur Wärmerückgewinnung leisten, z. B. um Trinkwarmwasser bereitzustellen. Nachteilig wirken sich die höheren Investitions- und Betriebskosten aus.

Über den Tellerrand der Haustechnik (TGA) hinausgedacht können z. B. durch Raumgestaltung, Baukonstruktion, Verschattungssysteme, Materialien etc. potenzielle Kühllasten erheblich reduziert werden, die sich dann umso einfacher durch eine passive statt durch eine aktive Kühlung ausreichend abdecken lassen.

Fazit

Während in Wohngebäuden oft eine Ankühlung mit einer Flächenheizung/-kühlung ausreichend ist, zeigt die Praxis, dass bei Nichtwohngebäuden (z. B. Büro- und Verwaltungsgebäuden und Schulen) aufgrund der dort auftretenden Lasten und der zu erfüllenden thermischen Anforderungen eine Berechnung der Kühllast notwendig ist. Hieraus können dann die Entscheidungsgrundlagen dafür generiert werden, ob eine Ankühlung oder Vollkühlung notwendig ist und ob eine passive oder aktive Kühlung umgesetzt werden kann.

Mit dieser Vorgehensweise werden klare Planungsgrundlagen geschaffen, die keiner Notlösungen bedürfen, sondern den Doppelnutzen von Systemen der Flächenheizung und -kühlung mit all ihrem Variantenreichtum ausschöpfen.

Die hydraulische Flächenheizung/-kühlung kann in vielen Fällen als alleiniges System ausreichend sein, um den gewünschten thermischen Komfort über das gesamte Jahr zu realisieren. Gleichzeitig ist damit auch die Nutzung Erneuerbarer-Energien-Systeme möglich, wie Wärmepumpen, Solarthermie oder Biomassekesseln.

Sicherheit für den Kühlbetrieb

Der Taupunktwächter ist die zentrale sicherheitstechnische Einrichtung bei der Flächenkühlung. Die Bauphysik setzt dem Kühlbetrieb durch Absenkung der Oberflächentemperatur an Bauteilen eine klare Grenze in der Unterschreitung der Temperatur im und am Bauteil.

Durch die Absenkung der Oberflächentemperatur (Untertemperatur im Bauteil) kann die Gefahr einer Taupunktunterschreitung bestehen, welche wirksam mit einem sogenannten Taupunktwächter verhindert werden muss. Beispiel: Die Taupunkttemperatur bei einer relativen Luftfeuchte von 60 % und einer Lufttemperatur von 26 °C liegt bei 18 °C.

Der Taupunktwächter überwacht die relative Feuchte (Wasserdampfaktivität) an der Bauteiloberfläche oder an kritischen Oberflächen der Anlage. Er schaltet bei drohender Unterschreitung der Taupunkttemperatur (dynamischer Grenzwert) die Kühlfunktion aus, um keine Feuchteschäden am oder im Bauteil zu provozieren.

Frank Hartmann ist Referent im Fachbereich Flächenheizung/-kühlung des Bundesverbandes der Deutschen Heizungsindustrie (BDH), frank.hartmann@bdh-koeln.de, Telefon (0 93 81) 71 68 31