FALLSTUDIE

Effiziente Kühldeckensysteme mit Fensterlüftung: Eine Expertise für zukunftsfähige Gebäudeklimatisierung

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung: Intelligente Kühlkonzepte für moderne Gebäude
2. Die Funktionsweise von Kühldecken
3. Kühldecken mit Fensterlüftung: Vorteile und Herausforderungen
4. Leistungseinfluss von Außen- und Taupunkttemperatur
5. Die Bedeutung von Klimadaten für die Systemauslegung
6. Studienergebnisse: Leistungseinschränkungen im Detail
7. Fazit: Eine zukunftsfähige Lösung

1. Einleitung: Intelligente Kühlkonzepte für moderne Gebäude

Diese umfassende Studie widmet sich der detaillierten Untersuchung potenzieller Leistungseinschränkungen bei Kühldeckensystemen, die ausschließlich mit Fensterlüftung betrieben werden. Eine zentrale Herausforderung entsteht, wenn hohe Außentemperaturen mit hohen Taupunkttemperaturen zusammentreffen. Der Taupunkt ist die Temperatur, bei der die Luft gesättigt ist und kein weiteres Wasser aufnehmen kann. Warme Luft kann mehr Wassermoleküle aufnehmen als kalte Luft, was dazu führt, dass sich an den kalten Rohrleitungen des Kühlsystems Kondenswasser bilden kann. Um Schäden an der Decke und am Bauwerk zu vermeiden, muss die Vorlauftemperatur der Kühldecke dann entsprechend erhöht werden, um stets über dem vorherrschenden Taupunkt zu bleiben. Dies kann die Kühlleistung beeinflussen.

Für diese Analyse wurden die Monate Mai bis September über einen Zeitraum von zehn Jahren (01.01.2013 bis 31.12.2022) in sechs repräsentativen deutschen Städten (Berlin, Düsseldorf, Frankfurt am Main, Hamburg, Leipzig und München) betrachtet. Diese Standorte wurden ausgewählt, da sie eine vielfältige klimatische, geografische und wirtschaftliche Abdeckung bieten und in unterschiedlichen Klimazonen nach DIN 4710 liegen.

2. Die Funktionsweise von Kühldecken

Kühldeckensysteme repräsentieren eine innovative, energiesparende und effiziente Möglichkeit, Räume und ganze Gebäude zu temperieren. Sie eignen sich hervorragend für gewerbliche Gebäude, Büros, Schulen und Krankenhäuser und werden auch in Privathaushalten zunehmend interessant. Im Vergleich zu traditionellen Klimaanlagen bieten Kühldecken zahlreiche Vorteile: Sie sind wartungsärmer, platzsparender, unauffälliger und benötigen keine Chemikalien im Betrieb. Zudem arbeiten sie nahezu geräuschlos, verursachen keine Luftzüge und wirbeln keinen Staub auf, was besonders vorteilhaft für Allergiker ist.

Grundlegende Komponenten eines Deckenkühlsystems sind die thermisch aktivierten Flächen (z.B. als geschlossene Decke mit Metallkassetten, Gipskarton oder unter Putz, oder als abgehängte Metall- oder Gipskartonsegel) und ein geschlossener Wasserkreislauf. Kaltes Wasser durchströmt Rohrleitungen und Mäander in diesen Flächen, nimmt Wärmeenergie aus dem Raum auf und transportiert diese ab. Zum Abkühlen des Wassers kommen Kältemaschinen oder Wärmepumpen zum Einsatz. Diese Systeme können sogar ganzjährig betrieben werden, indem im Winter warmes Wasser zum Heizen durchgeleitet wird, was ebenfalls energieeffizient ist und ein angenehmes Raumklima durch Strahlungswärme schafft.

3. Kühldecken mit Fensterlüftung: Vorteile und Herausforderungen

Die Entscheidung für eine Kühldecke in Kombination mit Fensterlüftung bietet signifikante Kosteneinsparungen, da die hohen Investitionen, die Wartung und die komplexe Regelungstechnik einer zentralen Lüftungsanlage entfallen. Die Bedienung ist zudem einfach und intuitiv.

Die größte Herausforderung und der primäre Betrachtungspunkt dieser Arbeit ist die mögliche Leistungseinschränkung bei gleichzeitig hohen Außen- und Taupunkttemperaturen. Ein Taupunktfühler oder -wächter wird an der kältesten Stelle der Rohrleitung angebracht und registriert eine Zunahme der Luftfeuchtigkeit durch steigende elektrische Leitfähigkeit. In diesem Fall muss die Vorlauftemperatur erhöht werden, um über dem vorherrschenden Taupunkt zu bleiben und Kondenswasserbildung zu vermeiden. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass die gefühlte Temperatur bei Flächenkühlungen aufgrund der Strahlung bis zu drei Grad unter der tatsächlichen Raumtemperatur liegen kann.

4. Leistungseinfluss von Außen- und Taupunkttemperatur

Die Analyse des Leistungseinflusses von Außen- und Taupunkttemperatur ist entscheidend. Zur präzisen Regulierung des Kühlsystems werden Kühlkennlinien verwendet, die bei bestimmten Außentemperaturen die entsprechenden Vorlauftemperaturen vorgeben. Für diese Studie wurden drei verschiedene Kühlkennlinien erstellt und untersucht, die mit minimalen Vorlauftemperaturen von 15°C, 16°C und 17°C beginnen. Ziel war es zu überprüfen, inwieweit sich die Stunden mit potenzieller Leistungseinschränkung minimieren lassen, wenn die minimale Vorlauftemperatur angehoben wird. Es ist jedoch zu beachten, dass eine höhere minimale Vorlauftemperatur in der Regel eine Vergrößerung der Kühlflächen erfordert, um die gewünschte Kühlleistung weiterhin gewährleisten zu können.

5. Die Bedeutung von Klimadaten für die Systemauslegung

Die in dieser Arbeit erstellten Datenbanken mit Klimadaten für die ausgewählten Städte sind von fundamentaler Relevanz für die Leistungsbewertung und die präzise Auslegung von Deckenkühlsystemen. Es ist entscheidend, die vorherrschenden klimatischen Bedingungen im Vorfeld genau zu analysieren, um saisonale Schwankungen und Extremwerte, die das System bewältigen muss, bereits in der Planungsphase zu berücksichtigen.

Diese Daten ermöglichen:

• Den Vergleich von Standorten und die fundierte Bewertung neuer Projekte.
• Die Prognose von Energieeinsparungen und die Ermittlung der besten individuellen Systemlösungen.
• Die Optimierung der Größe der Kühlelemente, des Volumenstroms und der Regelungsstrategien bereits während der Planungsphase.
• Eine verbesserte Analyse des späteren Energiebedarfs und ein effizientes Lastenmanagement, um Spitzenlasten zu identifizieren.

Angesichts des Klimawandels ist die Analyse aktueller Werte unerlässlich, da historische Klimadaten möglicherweise an Aussagekraft verlieren, um Veränderungen von Temperatur- und Feuchtigkeitsmustern zu verstehen und Gebäudetechnologien entsprechend anzupassen.

6. Studienergebnisse: Leistungseinschränkungen im Detail

Die detaillierte Auswertung der stündlich erhobenen Daten des Deutschen Wetterdienstes (2013-2022) für die Monate Mai bis September in den sechs untersuchten Städten liefert klare Erkenntnisse über die tatsächlichen Stunden mit Leistungseinschränkung:

• Bei einer minimalen Vorlauftemperatur von 15°C ist über alle sechs Städte hinweg im Durchschnitt nur in 5,7% der Betriebsstunden (Mai-September) mit Leistungseinschränkungen zu rechnen.
• Wird die minimale Vorlauftemperatur auf 16°C angehoben, reduziert sich dieser Wert auf durchschnittlich lediglich 3,1% der Betriebsstunden.
• Bei einer minimalen Vorlauftemperatur von 17°C verringert sich das Risiko einer Leistungseinschränkung auf beeindruckende 1,5% der Betriebsstunden.

Besonders in Hamburg wurden die geringsten Stunden mit Leistungseinschränkungen festgestellt. Die Ergebnisse für Berlin, Düsseldorf, Frankfurt und Leipzig zeigten ebenfalls sehr niedrige Werte.

7. Fazit: Eine zukunftsfähige Lösung

Die Ergebnisse dieser Arbeit belegen eindrücklich, dass die Anzahl der Stunden, in denen mit einer Einschränkung der Leistung von Kühldeckensystemen mit Fensterlüftung zu rechnen ist, auf einem sehr niedrigen Niveau liegt. Dies bedeutet, dass solche Systeme in den allermeisten Stunden des Jahres effizient und zuverlässig arbeiten werden.

Es ist jedoch wichtig zu betonen, dass die genauen Werte von Stadt zu Stadt variieren können, abhängig von den vorherrschenden klimatischen Bedingungen. Daher ist eine individuelle Betrachtung im Kontext jedes neuen Projektes stets sinnvoll und ratsam.

Wir sind überzeugt, dass Kühldecken mit Fensterlüftung eine zukunftsorientierte und praktikable Lösung zur effizienten Gebäudetemperierung darstellen. Wenn alle Rahmenbedingungen und potenziellen Risiken bereits in der Planungsphase berücksichtigt werden, kann diese Art der Gebäudeklimatisierung ihre Vorteile voll ausspielen. Diese Studie liefert eine solide Grundlage für fundierte Entscheidungen bei der Implementierung dieser fortschrittlichen Technologie.