Gewappnet für den Klimawandel

Der Klimawandel und dessen Auswirkungen sind deutlich spürbar. So war 2016 das wärmste Jahr seit Beginn der systematischen Messungen im Jahr 1880, genau wie davor auch schon die Jahre 2015 und 2014. Um dem entgegenzuwirken, wurde im Klimaabkommen von Paris festgelegt, dass die Erderwärmung auf „deutlich unter zwei Grad“ gegenüber vorindustriellen Werten begrenzt werden soll. Eine unabhängige wissenschaftliche Bewertung (www.climatetracker.org) prognostiziert auf Basis der aktuellen Bemühungen bis zum Ende des Jahrhunderts allerdings einen Anstieg um 3,6 °C.

Grund genug für das Umweltbundesamt, die lokalen Auswirkungen auf Deutschland in der umfassenden Studie „Vulnerabilität Deutschlands gegenüber dem Klimawandel“ zu analysieren. Im Hinblick auf einen steigenden Kühlbedarf in Wohnhäusern ist hier die Entwicklung der heißen Tage (Temperaturmaximum  30 °C) interessant, da sich die Gebäude über längere Schönwetterperioden immer mehr aufheizen. Bei einem prognostizierten starken Klimawandel ist hier bis 2050 in etwa mit einer doppelt so hohen Belastung zu rechnen. Ähnliches gilt für die Anzahl der Tropennächte (Nachtminimumtemperatur  20 °C), in denen keine freie Nachtkühlung der Gebäude stattfinden kann und die Ausbildung von städtischen Wärmeinseln die Situation in den Ballungszentren noch zusätzlich verstärkt.

Die Kühlung von Wohnhäusern wird also mittelfristig und regional unterschiedlich stark ausgeprägt eine immer stärkere Bedeutung bekommen. Sie ist schon jetzt die Führungsgröße bei der Temperierung von Bürogebäuden und sollte angesichts der zu erwartenden Entwicklungen auch beim Wohnneubau berücksichtigt werden. Schließlich sind die Neubauten von heute die Altbauten in der wärmeren Zukunft.

Eine Kühlung ist immer eine zusätzliche Option, die nicht nur für angenehme Temperaturen sorgt, sondern auch den Energieverbrauch erhöht.

Einhaltung der EnEV

So benötigt ein Wohngebäude in der Regel mehr Strom. Dies muss gemäß der EnEV 2014 auch beim Primärenergiebedarf von Neubauten berücksichtigt werden. In § 3 „Anforderungen an Wohngebäude“ steht hier: „Zu errichtende Wohngebäude sind so auszuführen, dass der Jahres-Primärenergiebedarf für Heizung, Warmwasserbereitung, Lüftung und Kühlung den Wert des Jahres-Primärenergiebedarfs eines Referenzgebäudes gleicher Geometrie, Gebäudenutzfläche und Ausrichtung mit der in Anlage 1 Tabelle 1 (Bild 1) angegebenen technischen Referenzausführung nicht überschreitet.“

Allerdings ist in diesem maßgeblichen Referenzgebäude gar keine Kühlung vorgesehen. Dies bedeutet für die Einhaltung der EnEV, dass der daraus resultierende zusätzliche Primärenergiebedarf immer in anderen Gebäudebereichen ausgeglichen werden muss. Um diese Hürde möglichst gering zu halten, sollten deshalb für die Kühlung immer Systeme mit einem möglichst geringen Primärenergiebedarf eingesetzt werden. Nach dem heutigen Stand der Technik ist dies im Neubau in der Regel eine Flächentemperierung (Bild 2) in Kombination mit einer Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Erdsonde oder einer reversiblen Luft-Wasser-Wärmepumpe. Erstere ermöglicht im Sommer auch tagsüber die besonders effiziente, passive Kühlung über die Sole, bei der nur der Strom für die Umwälzpumpen des Heiz-/Kühlkreises und des Solekreises benötigt wird.

Boden, Wand oder Decke

Ob die Kühlung im Neubau über den Boden, die Wand oder die Decke erfolgt, hängt im Wesentlichen von den benötigten Leistungen ab. Die Fußbodenkühlung ist dabei in Wohngebäuden die am meisten verbreitete Variante, weil die in der Regel vorhandene Fußbodenheizung relativ einfach auch für die Kühlung verwendet werden kann. Die Wandheizung ist eher eine Sonderlösung, die als Ergänzung einer Fußbodenheizung eingesetzt oder in der Renovierung verwendet wird. Angesichts der stetig sinkenden Heizlasten können die meisten Räume im Neubau mittlerweile auch problemlos über die Decke erwärmt werden. Ein großer Vorteil sind dann die damit einhergehenden hohen Kühlleistungen.

Allerdings ist die Fußbodenheizung trotz der vergleichsweise niedrigen Werte in Bild 1 effektiv genug, um die heutigen, gut gedämmten Neubauten ausreichend zu kühlen. Hier ist nicht mehr die reine Kühlleistung ausschlaggebend, sondern vielmehr das dynamische Verhalten über die immer längeren und wärmeren Schönwetterperioden. Flächensysteme reduzieren dabei nicht nur die Innentemperatur, sondern dämpfen auch die Erwärmung der Gebäudemasse stark ab. Damit bleiben die Oberflächen kühler und selbst höhere Raumlufttemperaturen werden noch als angenehm empfunden.

Rohrabstände und -durchmesser

Soll die Fußbodenheizung auch zur Kühlung genutzt oder vorausschauend darauf vorbereitet werden, sind bei der Auslegung einige Dinge zu beachten. Zunächst empfiehlt es sich, die Verlegeabstände zu reduzieren – am besten auf einen Wert von 10 cm (Bild 3). Da die Kühlung mit einer geringeren Spreizung betrieben wird, müssen die Druckverluste in den Heizkreisen und damit entweder deren Längen oder die Rohrdurchmesser entsprechend angepasst werden. Meistens ist es hier einfacher, statt eines 14er-Rohres ein 16er- oder 17er-Rohr zu verwenden als den Verteiler zu vergrößern. Zur Vermeidung von Tauwasser sollten zudem die Zuleitungen der Verteiler dampfdiffusionsdicht gedämmt werden.

Weiterhin hat auch der Oberbodenbelag einen großen Einfluss. So erreichen Fliesen eine höhere Kühlleistung als Teppich oder Parkett, fühlen sich bei gleicher gemessener Temperatur aber deutlich kälter an. Eine interessante Alternative sind hier moderne LVT-Designbodenbeläge, die bei einer vergleichbaren Wärmeleitfähigkeit aufgrund des niedrigeren Wärmeeindringkoeffizienten viel angenehmer sind. Vorteilhaft ist zudem, dass all diese Maßnahmen auch zu einer besseren Jahresarbeitszahl für Wärmepumpen im Heizfall führen.

Grundfunktionen der Regelung

Die effiziente Flächenkühlung eines Gebäudes erfordert eine geeignete Regelung. Da eine spätere Nach- bzw. Umrüstung sehr aufwendig sein kann, werden hier im Neubau immer häufiger Regelungen eingesetzt, die zusätzlich zum Heiz- auch den Kühlfall beherrschen. Auf diese Weise ist das Gebäude mit geringen Mehrkosten von vornherein „cooling ready“ und für zukünftige Anforderungen gewappnet. Angesichts dieses Trends sind einige Anbieter, wie etwa Uponor, mittlerweile dazu übergegangen, ihr komplettes Regelungssortiment standardmäßig mit Kühlfunktion auszustatten (Bild 4).

Grundvoraussetzung für die Flächenkühlung ist das richtige Ansprechverhalten der Thermoantriebe auf eine Temperaturänderung im Heiz- oder Kühlfall. Einfacher gesagt: Wenn der Raum im Winter die gewünschte Temperatur erreicht, muss sich der Thermoantrieb schließen. Und wenn es im Sommer zu warm wird (empfohlene Grenztemperatur 26 °C), muss er sich öffnen, um die Kühlleistung zu erhöhen.

Weiterhin muss die Regelung in der Lage sein, über ein externes Signal zwischen Heiz- und Kühlmodus umzuschalten. Dies kann das Ausgangssignal einer reversiblen Wärmepumpe, das Einschaltsignal eines Kaltwassersatzes oder auch ein manueller Schalter für den Nutzer sein. Mehr Komfort bietet dabei eine automatische Umschaltung zwischen Heiz- und Kühlbetrieb auf Basis voreinstellbarer Parameter, wie sie etwa mithilfe der Vorlauftemperaturregelung Uponor Smatrix Move Pro realisiert werden kann (Bild 5).

Raumweise regeln

Um eine Taupunktunterschreitung und damit eine Schädigung der Bausubstanz durch Kondensation zu vermeiden, ist der Betrieb der Flächenkühlung immer von der relativen Luftfeuchtigkeit abhängig. Wird hier ein vorab bestimmter Grenzwert (i. d. R. 80 %) überschritten, muss die Kühlung abgeschaltet werden. Oftmals werden die relative Luftfeuchtigkeit und die Raumtemperatur dazu über einen Referenzraumfühler für das gesamte Objekt gemessen. Dies bedeutet jedoch, dass Feuchteschäden in anderen Räumen nicht vollständig ausgeschlossen werden können. Zudem muss überall auf den Kühlkomfort verzichtet werden, auch wenn nur ein Raum betroffen ist.

Daher ist es sinnvoll, bei der Flächenkühlung die Kühlung raumweise auszuschalten. Die Raumfühler messen die jeweilige relative Luftfeuchtigkeit und sorgen so dafür, dass bei Überschreitung des Grenzwertes nur die Heizkreise des betroffenen Raumes geschlossen werden. Außerdem sind sie eine Voraussetzung für den automatischen hydraulischen Abgleich. Das Raumthermostat Uponor Smatrix Style misst dabei beispielsweise auch die operative Temperatur, d. h. den Anteil der Wärmestrahlung, sodass die Flächenheizung und -kühlung präzise gesteuert werden kann.

Eine weitere Möglichkeit, um eine Taupunktunterschreitung zu verhindern, ist die gezielte Entfeuchtung bestimmter Räume. So kann die Einzelraumregelung Uponor Smatrix Wave Plus einen Luftentfeuchter auch über ein Ausgangssignal zu einem Funkempfänger direkt ansteuern. Das Gerät wird beim Überschreiten des Grenzwertes aktiviert und die Kühlung startet automatisch erneut, sobald die relative Luftfeuchtigkeit wieder um 5 % darunter liegt.

Hydraulischer Abgleich

Für eine effiziente Flächenkühlung ist es zudem wichtig, dass das System hydraulisch einreguliert ist. Allerdings wird die Kühllast durch andere Faktoren beeinflusst als die Heizlast. So sind hier die Orientierung des Raumes und der Fensterflächen sowie die Verschattung und die internen Lasten wichtig, während bei der Heizung die Wärmedurchgangskoeffizienten der Bauteile und die Lüftung den Ausschlag geben.

Trotzdem wurde die Flächenkühlung bisher aus praktischen Gründen üblicherweise mit den hydraulischen Einstellungen für den Heizfall betrieben. Mittlerweile gibt es aber Regelungssysteme, die sämtliche Einflussfaktoren rund um die Flächentemperierung permanent überwachen und den Massenstrom bei Bedarf automatisch nachjustieren. So verfügen die Uponor-Smatrix-Einzelraumregelungen über eine intelligente Autoabgleich-Funktion (Bild 6), mit der die Hydraulik innerhalb weniger Stunden vom Heizfall auf den Kühlfall umgestellt und danach immer an die aktuelle Situation im Gebäude und in den einzelnen Räumen angepasst wird.

Unterm Strich bedeutet dies für die Flächenkühlung und -heizung eine höhere Effizienz, weil jederzeit und überall nur so viel Energie bereitgestellt wird, wie tatsächlich erforderlich ist. Im Heizfall lassen sich beispielsweise gegenüber einem nicht abgeglichenen System ohne Einzelraumregelung auf diese Weise bis zu 20 % an Energie einsparen.

Dipl.-Physiker Sven Petersen ist Referent der Uponor Academy D-A-CH. Die Schwerpunkte legt er auf Flächenheiz- und -kühlsysteme in Neubauten und bei Renovierungen. Ebenso ist er Experte für Sonderanwendungen im Bereich der Flächenheizsysteme, z. B. Betonkernaktivierung. Telefon (08 00) 77 80 05-0 E-Mail: academy@uponor.com