Systeme für das „Kühlheizen“

Zeitgleiches Heizen und Kühlen funktioniert

Der möglichst effiziente Energieeinsatz gilt als Merkmal moderner Gebäude und unterliegt strengen gesetzlichen Anforderungen. Dabei ist nicht nur die Bauweise, sondern auch die gesamte Nutzungszeit von Bedeutung. Immerhin entfallen rund 70 bis 80 % der Lebenszykluskosten auf die Zeit nach der Fertigstellung. Heiz- und Kühlstrahlflächen zum zeitgleichen Heizen und Kühlen können den Wunsch nach Wirtschaftlichkeit dauerhaft unterstützen.

D ie Vorgaben für neue Gebäude sind hinsichtlich des Energieverbrauchs streng. Je weniger geheizt werden muss, desto besser. Optimal gelingt dies mit einer effizienten, dichten Bauweise in Verbindung mit leistungsfähiger Haustechnik. Auf diese Weise sind dauerhaft geringe Betriebskosten sichergestellt. Einem Bestandteil kommt in diesem Zusammenhang ein besonderer Stellenwert zu – der Heiz- und Kühlstrahlfläche. Sie hält, was der Name verspricht – sie kann sowohl heizen als auch kühlen.

Um diese Leistung entsprechend einordnen zu können, ist zunächst ein Blick auf die Nutzung und die Ansprüche in einem Gebäude sinnvoll. Untersuchungen haben ergeben, dass mehr als 80 % der Nutzungszeit tagsüber auf den Außentemperaturbereich von 0 bis 20 °C entfällt. Die extremen Abweichungen in den Minus- oder Plusbereich kommen in Mitteleuropa selten vor. Grundsätzlich werden Nichtwohngebäude ebenso wie Ein- und Mehrfamilienhäuser so geplant, dass eine möglichst hohe Wärmerückhaltung zu erzielen ist. Doch je nach Nutzung sind die internen Wärmelasten unterschiedlich groß. Besonders deutlich wird dies an Objekten, bei denen Menschen und Maschinen die Temperatur beeinflussen. Je mehr Wärmequellen eingebracht werden, desto schneller wird die Grenze vom Wärmebedarf zum Wärmeüberschuss überschritten.

Bei geringer Beleuchtung und wenigen Personen kann man von einem Wert von ca. 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 halten zu können. Deutlich wird dies an der Grafik „steigender Kühlbedarf“ (Bild 1). Genau an dieser Stelle setzt das patentierte Energietransfersystem „Betsy“ von Best an.

So funktioniert das
Energietransfersystem

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 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. Im Zentrum solcher Anlagen, die seit mehr als zehn Jahren in zahlreichen Objekten unterschiedlicher Größenordnung in Betrieb sind, steht das „Betsy“-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 diesem System lässt sich schnell und individuell auf die sich ändernden Gegebenheiten reagieren. Ob die Innenraumtemperatur durch Sonneneinstrahlung, starke Frequentierung oder 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.

Rahmenbedingungen

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 bietet für unterschied­liche Anwendungen und Nutzungen entsprechende variable Lösungen bei Verrohrung, Hydraulik und Regelung an. 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.

Aufbau der Heiz-Kühl­elemente

Die Heiz-Kühlelemente bestehen aus einer
korrosionsfesten Konstruktion, die aus 1,0 mmAluminiumblech und 15 x 0,75 mm-Kupferrohr zusammengesetzt ist. Sie ist korrosionsfest, selbst bei einer Taupunktunterschreitung. 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.

Drei Einsatzbeispiele

Die folgenden Beispiele zeigen das breite Einsatzspektrum des Systems auf:

Rund 25 000 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 hat man ca. 5500 m2 aktive Fläche als frei hängende 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 ca. 750 kW. Die zusätzliche Lüftungsanlage bewirkt lastabhängig die regelmäßige Lufterneuerung und hat für die Energieversorgung keine Bedeutung.

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 bzw. Kühlen entsteht, wird durch eine Fuge aufgefangen. Auch Lampenanschlüsse sind in diese 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 über die Decke auch den anderen Wohnbereichen zur Verfügung gestellt. Das Rücklaufwasser überträgt Überschüsse an den Speicher. Für das gesamte System kann eine Summe von rund 350 €/m2 als Installationskosten für Heizen, Kühlen und Lüften angesetzt werden.

Als außergewöhnlicher Produktionsstandort gilt die Gläserne Manufaktur in Dresden. Hier werden mithilfe eines minutiös ausgearbeiteten Logistikkonzeptes die einzelnen Bauteile des Phaeton 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 stören nicht und stellen kein Hindernis 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.

Fazit

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 bereit gestellt. Damit bietet „Betsy“ sehr viel bessere Möglichkeiten der Primärenergieversorgung. Denn 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 für das System darstellen.

Die Beispiele zeigen, dass eine Heiz-Kühldecke in sehr vielen Gebäuden einzusetzen ist. Nach der bedarfsgerechten Auslegung wird mit „Betsy“ 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 ausgefeilte Technik des 3-Leiter-Systems zu einem dauerhaft effizienten Betrieb bei.

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