Grundsätzlich werden Nichtwohngebäude ebenso wie Ein- und Mehrfamilienhäuser so geplant, dass eine möglichst hohe Wärmerückhaltung zu erzielen ist. Dadurch fallen je nach Nutzung interne Wärmelasten stärker ins Gewicht. Besonders deutlich wird dies an Objekten, bei denen Maschinen und eine größere Anzahl von Menschen die Temperatur beeinflussen. Je mehr Wärmequellen eingebracht werden, umso so schneller wird die Grenze vom Wärmebedarf zum Wärmeüberschuss überschritten. Bei geringer Beleuchtung und wenigen Personen kann man von etwa 10 W/m² ausgehen. Steigt die Nutzungsintensität beispielsweise durch weiteres Personal und intensive (Büro-)Technik, erhöht sich die Wärmezufuhr auf fast 40 W/m². Trotz niedriger Außentemperaturen kommt es in solchen Zonen des Gebäudes schnell zu einem Zuviel an Wärme. Die Folge: Eine Kühlung wird erforderlich, um die üblichen Raumtemperaturen zu halten. Deutlich wird dies an der Grafik zu den Auswirkungen innerer Lasten. Hier setzt das patentierte Energietransfersystem Betsy von Best an.
Ziel des Verfahrens ist es, die aus den genannten Gründen entstehende Überschusswärme in anderen Bereichen bzw. Räumen zu nutzen, die ein Defizit aufweisen. Dazu wird das Temperaturgefälle zwischen Vor- und Rücklauf des Heiz- bzw. Kühlwassers bei Betsy gezielt genutzt, um unterschiedliche Raumlasten auszugleichen und den erhöhten Energiebedarf von Fassaden abzudecken. 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. Nach den statistischen Klimadaten für Düsseldorf wäre eine solche Betriebsweise an 87 % der Tage im Jahr möglich. Im Zentrum der Anlagen, die seit mehr als zehn Jahren in zahlreichen Objekten unterschiedlicher Größenordnung in Betrieb sind, steht das patentierte Betsy 3-Leiter-System.
Wärme- und Kältetransport mit einem 3-Leiter-System
Im Heizbetrieb wird jedem Raum mittels Einzel-Mischregelung gleitend die notwendige Wärmemenge zugeführt. Die Oberflächentemperaturen der wasserdurchströmten Decke liegen zwischen 21 °C (Schwachlast) und maximal 30 °C (Volllast), somit deutlich unterhalb der Körpertemperatur des Menschen im behaglichen Bereich. Die Wärmeabgabe erfolgt nahezu ausschließlich durch Strahlung, die zur Erwärmung aller Umgebungsflächen und Einrichtungsgegenstände führt. Im Kühlbetrieb werden die Oberflächentemperaturen 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.
Mit dem System lässt sich schnell und individuell auf die sich ändernden Gegebenheiten reagieren. Ob die Innenraumtemperatur durch die Sonneneinstrahlung, durch die starke Frequentierung oder durch den wechselnden Maschineneinsatz steigt, spielt keine Rolle. Ist die Größe der Heiz-Kühlfläche entsprechend berechnet, kann über längere Zeiträume auf die Zuführung von Energie verzichtet werden. Die geschickte Umverteilung verhilft dazu, den Gesamtenergiebedarf zu drosseln.
Eine Simulationsrechnung hat ergeben, dass sich mit dem Verfahren 30 % fremd erzeugte Heizenergie und etwa 40 % der maschinell erzeugten Kälte einsparen lässt. Diese Zahlen sind lediglich ein Anhaltspunkt und lassen sich nicht auf beliebige Projekte übrtragen. Hierfür sind genauere Rechnungen mit den Projektparametern erforderlich.
Eckdaten für die Auslegung der Kühl- und Heizflächen
Bei Kühlbedarf geben wärmere Flächen per Strahlung Wärme an die Kühldecke ab. Als Grenztemperatur werden 16 °C angesetzt. Darunter ist mit Kondensation zu rechnen. Die Beachtung dieses Taupunkts führt dazu, dass eine Auslegung einer Heiz-Kühldecke über die Kühlleistung erfolgen muss. In der Regel wird die einzusetzende Fläche dreimal größer als bei einer reinen Deckenstrahlheizung.
Das Unternehmen Best kann für unterschiedliche Anwendungen und Nutzungen entsprechende variable Lösungen bei Verrohrung, Hydraulik und Regelung anbieten. Generell sollten die Vorlauftemperaturen gleitend geregelt werden, sowohl beim Kühlen als auch beim Heizen. Dadurch verfügen die Einzelraumregler über optimale Voraussetzungen für die Feinregulierung des Raumes. Der Raumregler mit dem jeweils höchsten Bedarf übernimmt die Regelung des Hauptregelventils. Spezielle Fühler kontrollieren beim Kühlen den Taupunkt. Bei Auftreten von Feuchte bewirken sie über die Hauptregelung eine Anhebung der Vorlauftemperatur. Die ausreichende, gleichmäßige Wasserversorgung ohne Strömungsgeräusche wird mit der Kombination aus elektronisch geregelter Pumpe und dynamischem Volumenstromregler sichergestellt.
Welche Verrohrungsvariante zum Einsatz kommt, entscheidet die vorgesehene Nutzung. Das 2-Leiter-System ermöglicht nur eine Energieversorgung, entweder mit Kaltwasser als Kühldecke oder mit Warmwasser als Heizdecke. In der nächsten Stufe, dem 2-Leiter-System mit Umschaltung, ist Kühlen und Heizen möglich, jedoch nicht zur gleichen Zeit. Die zentrale Umschaltung lässt jeweils nur eine Energieversorgung zu. Das gleichzeitige Heizen und Kühlen kann mit dem patentierten 3-Leiter-System Betsy oder mit einem 4-Leiter-System umgesetzt werden. Bei letzterem lässt sich allerdings kein Energietransfer durchführen. Außerdem zeigt der Vergleich, dass Betsy mit einem deutlich geringeren Installationsaufwand auskommt. Die Verrohrung wird um ein Drittel geringer, der Regelungsaufwand halbiert, wie es auch das Schema zur 3- und 4-Leiter-Schaltung zeigt.
Technische Details der Heiz-Kühlelemente
Die Heiz-Kühlelemente bestehen aus einer Konstruktion, die aus 1,0 mm Aluminiumblech und 15 x 0,75 mm Kupferrohr zusammengesetzt ist. Sie ist korrosionsfest, selbst bei einer eventuellen Taupunktunterschreitung. Die Alu-Kupfer-Elemente garantieren einen hohen Wärmeübergang. Alle Strahlflächen sind immer durchströmt und die Umgebungsflächen weisen eine gleichmäßig hohe Temperatur auf.
Je nach Einsatzort lassen sich die Platten gestalterisch anpassen. Als zusätzliches Feature kann die Heiz-Kühldecke in gelochter Ausführung zusammen mit einer 40 mm starken Mineralwolledämmung wie eine Akustikdecke den Raumhall dämpfen. Dieser Effekt macht sich besonders in Schulen positiv bemerkbar, da hier die Nachhallzeiten in den Räumen zu beachten sind. Aber auch im Büro oder im Wohnbereich sorgt die Schalldämpfung für ein angenehmes Ambiente.
Einsatz bei einem Möbelhaus in Oldenburg
Die folgenden Beispiele sollen das Einsatzspektrum von Betsy aufzeigen. Rund 25000 m² groß ist der Ikea-Markt in Oldenburg. Das System zum zeitgleichen Heizen und Kühlen wurde im Jahr 2007 eingebaut. Als Wärme- und Kälteerzeuger werden große Wärmepumpen eingesetzt, die sich außerhalb des Gebäudes befinden. Insgesamt sieben Regelkreise wurden installiert, etwa für die verschiedenen Marktbereiche, das Restaurant und die Büros.
Für die Kühlung und Heizung wurden etwa 5500 m² aktive Fläche als freihängende Segel bzw. Bänder installiert. Sie sind sozusagen ohne Verzierungen auf ihre Funktion hin ausgewählt worden. Als Kühlleistung stehen etwa 600 kW zur Verfügung, für die Heizleistung 750 kW. Die zusätzliche Lüftungsanlage bewirkt lastabhängig die regelmäßige Lufterneuerung und hat für die Energieversorgung keine Bedeutung.
Verteilung der Wärme von Kaminfeuer im ganzen Haus
Nach dem gleichen Prinzip wurde auch das System in einem Einfamilienhaus mit 100 m² Wohnfläche ausgeführt. Bei der Haustechnik sind zu nennen: die außen stehende Luft-Wasser-Wärmepumpe (Leistung 4 kW), der Schichtenspeicher, der Brauchwasserspeicher und die kontrollierte Wohnraumlüftung mit Wärmerückgewinnung. Als Installationsebene wurde das nicht ausgebaute Dachgeschoss genutzt. Hier war Platz für die Anschlüsse und die Verrohrung. Die Decke wurde zum Raum hin mit besonderen Rigipsplatten gestaltet, die sich mit ihrem hohen Grafitanteil besonders für eine geschlossene Decke eignen. Die Dehnung, die beim Heizen und Kühlen entsteht, wird durch eine Fuge aufgefangen. Auch Lampenanschlüsse sind in dieser Deckenkonstruktion problemlos einzufügen.
Die Gebäudehülle weist mit den Fenstern und der Eingangstür nur wenige Schwachpunkte auf. Die Umgebungsflächen sind ansonsten alle wärmer als die Luft im Raum. Damit wird eine hohe Behaglichkeit erzielt. Der Kaminofen im Wohnzimmer, der nicht an die Heizung angeschlossen ist, gibt nicht nur Wärme an den Aufstellraum ab. Die Wärme wird dank Betsy über die Decke auch den anderen Wohnbereichen zur Verfügung gestellt. Das Rücklaufwasser überträgt das Plus an den Speicher. Für das gesamte System kann eine Summe von rund 350 €/m² als Installationskosten für Heizen, Kühlen und Lüften angesetzt werden.
Einsatzbeispiel in einer Produktionshalle
Als außergewöhnlicher Produktionsstandort gilt die Gläserne Manufaktur in Dresden. Hier werden die einzelnen Bauteile des Phaetons angefertigt bzw. geliefert und zusammengesetzt. Um die Temperatur in der Werkshalle im Sommer wie im Winter auf gleichbleibendem Niveau zu halten, wählten die Planer für die Raumkühlung und -heizung Deckenstrahlplatten der Bauart HKE-CS. Sie passen sich unauffällig an die Architektur an und vermeiden im Vergleich zur Konvektion durch die Wärmeverteilung im Raum Staubaufwirbelungen. Als weiterer Pluspunkt ist die freie Gestaltung des Fertigungsprozesses zu nennen – die unter der Decke befestigten Elemente stellen kein Hindernis für die weitere Raumgestaltung dar. Die Elemente wurden in einer speziellen, perforierten Ausführung eingebaut, die den Nachhall reduziert und damit einen wichtigen Beitrag zum Lärmschutz leistet. Um eine gute Einbindung in die Hallenarchitektur zu erzielen, erhielten die Deckenstrahlplatten auf Wunsch der Verantwortlichen von VW außerdem eine spezielle Lackierung nach RAL 9006.
In allen Gebäuden wird die für den Betrieb notwendige, niedrige Wassertemperatur von maximal 30 °C zum Heizen sowie die relativ hohe Temperatur von minimal 16 °C zum Kühlen über Wärmepumpen bereitgestellt. Die Nutzung von in Luft, Wasser oder Erde gespeicherter Energie wird immer dann besonders effektiv, wenn niedrige Vorlauftemperaturen möglich sind.
Darüber hinaus weist das System weitere Vorteile auf, etwa die geringe Staubaufwirbelung, die in sensiblen Räumen oder Ausstellungsbereichen sehr geschätzt wird. Auch die Faktoren Langlebigkeit, wartungsfreier Betrieb, Schutz vor Vandalismus und leichte Reinigung der Räume können je nach Einsatzgebiet wichtige Argumente darstellen.
Die Beispiele zeigen, dass eine Heiz-Kühldecke in sehr vielen Gebäuden einsetzbar ist. Nach der bedarfsgerechten Auslegung wird ein wirtschaftlicher Energieeinsatz erzielt. Über längere Zeiträume kann die Gebäudetemperierung sozusagen autark funktionieren – ohne ständige Zuführung von Primärenergie. Insgesamt muss durch die Umverteilung sehr viel weniger Energie zugeführt werden. So trägt die Technik des Betsy 3-Leiter-Systems zum dauerhaft effizienten Betrieb bei.
Autor
Dipl.-Ing. Paul Moessner ist Geschäftsführer der Best GmbH Kühl- und Heizstrahlflächen, 30916 Isernhagen, Telefon (0 51 36) 97 46 97-0, info@best-kuehlheizen.de, https://www.best-kuehlheizen.de/
