Raumlufttechnik für Bürogebäude

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1 Hans Werner Roth Raumlufttechnik für Bürogebäude Eine ganzheitliche Bewertung von zentralen und dezentralen Raumklimasystemen Raumlufttechnik für Bürogebäude wird nach guter Raumqualität bei minimalem Ressourceneinsatz bewertet. Der sparsame Einsatz von Gebäudetechnik und Energie setzt energiegerechtes Bauen voraus. Zur Auswahl stehen Luft-Wasser-Raumklimasysteme, aufgeteilt in zentrale, die mit Zuluft aus gemeinsamen RLT-Geräten versorgt werden und in dezentrale, Einzelräumen zugeordnete Systeme, welche die Zuluft direkt über die Fassade ansaugen. Am Beispiel einer projektspezifischen Berechnung der Nutzungskosten wird gezeigt, wie man das am besten geeignete Raumklimasystem ermitteln kann. Air Conditioning for Office Buildings Integral Comparison of Central and Distributed Air Handling and Room Conditioning Systems Air conditioning of office buildings is rated by acceptable indoor environment at lowest consumption of resources. Provided that the architect designs a low energy building best fit systems are air-water based. They can be divided in central systems, feeded by supply air from a central air handling unit and distributed systems, which ventilate a single room by outdoor air directly through the cladding. The costs of capital, operation and maintenance and flexibility are compared for serveral systems to show, how to find out the most suitable air conditioning system. Keywords: air conditioning, office buildings, capital costs, operation and maintenace 1. Bewertungsgrundsätze und Zielsetzung Produktionsgebäude sind auf Herstellungsverfahren ausgerichtet. Sie unterstützen Logistik und Abläufe, versorgen die Produktion durch eine prozessorientierte Gebäudetechnik mit Energie, notwendigen Medien, entsorgen Stoffströme und bieten den Arbeitenden akzeptable Arbeitsplatzbedingungen. Auch von Bürogebäuden erwartet man, dass sie die Produktivität der Büroarbeit fördern. Darunter versteht man optimale räumliche und klimatische Arbeitsbedingungen für häufig wechselnde Aufgaben, die in Einzel- und Gruppenarbeit unter hohem Termindruck zu bewältigen sind. In der Produktion steht die Produktqualität im Mittelpunkt, im Büro die Qualität des Arbeitsplatzes, die Innenraumqualität. In Bild 1 ist die Innenraumqualität durch die Kriterien definiert. Einflussgrößen, Rahmenbedingungen, Nutzerverhalten und beteiligte Gewerke sind komplex miteinander vernetzt. Die Kriterien guter IRQ sind im europäischen Normenentwurf preen15251 [1] nach den Bereichen thermische Behaglichkeit, Luftqualität, Licht und Lärm aufgeteilt und abhängig vom Prozentsatz Unzufriedener den Klassen A bis C zugeordnet. Der ASHRAE-Entwurf (Public Review) von Guideline10: Criteria for Achieving Acceptable Indoor Environments [2] beschäftigt sich mit den Wechselwirkungen der o.g. genannten, teilweise gegenläufigen Einflussgrößen, die zu unterschiedlichen Einzelurteilen der Zufriedenheit führen können. Die Summe aller Einflüsse und Eindrücke, bewusst und unbewusst aufgenommen, verarbeitet eine Mitarbeitergruppe zur Akzeptanz, die sich am Arbeitsprozess und der Erwartungshaltung ausrichtet. Wie schwierig es ist, Einflüsse zu trennen und zu bewerten, zeigen die Ergebnisse der ProKlima-Studie [3]: Physikalische, chemische Klimaparameter korrelieren dort nur wenig mit dem Empfinden und der Zufriedenheit der befragten Büroangestellten. Die aufgezeigten Wissenslücken sollten Architekt, Fachplaner, Dr.-Ing. H.W. Roth, LTG Aktiengesellschaft, Stuttgart Bild 1: Innenraumqualität von Bürogebäuden 422 F KI Luft- und Kältetechnik 10/2006

2 Hersteller und Anlagenbauer nicht davon abbringen, Bürogebäude zu bauen und zu erneuern, die dem Anspruch auf akzeptable Innenraumqualität bei minimalem Ressourceneinsatz gerecht werden. Zu den Ressourcen zählen Kapital, Zeit, Bauland, Material und nicht erneuerbare Energie. Der sparsame Einsatz der Ressource Primärenergie ist angesichts der laufenden Energiepreiserhöhungen und der bevorstehenden EPBD-Gesetzgebung [3] eine starke Motivation für energiegerechtes Bauen. 2. Energiegerechtes Bauen Energiegerechtes Bauen beginnt beim ersten Entwurf des Architekten und wird im Bauablauf durch eine gut abgestimmte Zusammenarbeit mit den Fachplanern und Herstellern detailliert, optimiert und vom Anlagenbauer umgesetzt. Der klimagerechte Entwurf ist eine notwendige Voraussetzung, um beim technischen Ausbau ohne Kompromisse bei der Innenraumqualität sparen zu können. 2.1 Praxis des energiegerechten Bauens Bei der Sichtung der Literatur über Bürogebäude mit auffälliger Architektur kann man nachlesen, dass diese Gebäude mit anspruchsvollen Energiebedarfs- Kennwerten und hohem ökologischem Anspruch geplant worden sind. Verbrauchswerte solcher Gebäude werden aber nur in wenigen Fällen veröffentlicht. Die Gründe liegen zum Teil in der sehr zeitintensiven, aufwendigen Erfassung der Verbräuche und deren Zuordnung nach Verursachern. Die mit öffentlichen Fördergeldern unterstützten Messungen im Rahmen des Solarbau-Monitor-Programms [4] wurden an Bürogebäuden durchgeführt, die weniger durch ihre Architektur als mit niedrigen Planwerten für den jährlichen Primärenergiebezug (< 100 kwh/m 2 NGF) auffallen. Die Tatsache, dass weniger als die Hälfte der 16 untersuchten Gebäude dieses Ziel erreichen konnten und das Gros der Bürogebäude in Deutschland zwischen 200 und 400 kwh/m 2 NGF einzuordnen ist, zeigt das große Einsparpotenzial im Bestand [5]. Sehr anspruchsvoll sind die Minergie-Kennzahlen für neue Verwaltungsgebäude in der Schweiz von 40 kwh/m 2 EBF/a (Strom Faktor 2, ohne Geräte, Beleuchtung) und 70 kwh/m 2 /a für Gebäude, die vor 1990 gebaut wurden [6]. 2.2 Grundregeln für energiegerechtes Bauen Durch die gegenüber dem Wohnen typisch höheren inneren Lasten durch Beleuchtung, Personen und Geräte, verdichtet auf kleinerer Grundfläche, müssen Büroräume über den größten Teil der Nutzungszeit gekühlt werden. Damit bietet sich an, das große Potenzial der an die Lüftung gekoppelten freien Kühlung zu nutzen. Für eine kontrollierbare freie Lüftung sind gut dimensionierte und einstellbare Lüftungsflügel, vorwiegend im Bereich der Geschossdecken, zu empfehlen. Zur Begrenzung der Lüftungswärmeverluste ist eine mechanische Lüftung mit Wärmerückgewinnung erforderlich. Die Wärmepufferung in der Gebäudemasse (wirksame Speicherkapazität < 150 Wh/K/m 2 ) muss vor allem im Sommer genutzt werden, um eine Überhitzung der Räume zu dämpfen. Da die nächtliche Entwärmung des Gebäudes durch freie Nachtlüftung im Bürogebäude nicht praktikabel, die mechanische Nachtlüftung nur bei niedrigen SFP-Werten [7] energetisch vertretbar ist, wird die Betonkerntemperierung empfohlen. Durch die Dimensionierung der Fensterflächen (A W /m 2 HNF) und einen niedrigen g-wert sollte der sommerliche solare Wärmeeintrag einen maximalen Wert von W/m 2 nicht überschreiten. Als Richtwert kann die Sonneneintragskennzahl S zugrunde gelegt werden, mit der in der ENEV 2002 der sommerliche Sonnenschutz nachzuweisen ist [8]. S ist das Produkt aus Energiedurchlassgrad g tot (Glas incl. Sonnenschutz) und Fensterfläche A W bezogen auf die Nettogrundfläche des Raums. Mit max. 40 W/m 2 berechnet sich ein Sonneneintragskennwert für einen kritischen Westraum zu S ¼ 0,05. Damit können Büroräume mit kleinen bis mittleren inneren Lasten (15 25 W/m 2 ) mit minimalem Energiebedarf frei und mechanisch belüftet und gekühlt werden. 3. Raumklimasysteme für energiegerechte Gebäude Die wesentlichste Bedingung für Akzeptanz seitens Nutzer und Investor/Bauherr sind niedrige Innenraum-Lasten (W/m 2, olf/m 2 ), die sich mit niedrigen spezifischen Volumenströmen von Luft und Wasser (m 3 /h/m 2 ) und damit auch mit geringerem TGA-Aufwand abführen lassen. Solche Luft-Wasser-Klimasysteme minimieren den Lufttransport auf den nutzungsbedingten Außenluftstrom und können durch ihre großen Heizund Kühlreserven im Wasserstrom die in jedem Bürogebäude vorkommenden Sonderräume wirtschaftlich klimatisieren. Im folgenden wird zwischen zentralen und dezentralen Raumklimasystemen unterschieden. Bei zentralen Raumklimasystemen werden die Komponenten im Raum (Luftdurchlässe, Induktionsgeräte) von zentralen RLT-Geräten über ein Luftnetz versorgt. Dezentrale Raumklimasysteme, auch Dezentrale RLT-Anlagen genannt, sind kleine, kompakte RLT-Geräte mit Außenluftbehandlung und gleichzeitig auch Raumkühl- und -Heizgeräte. Sie sind nur einem Raum zugeordnet und führen den Außenluftstrom direkt über die Fassade ohne Luftverteilleitungen dem Raum zu. Durch reine statische Heizung sowie Umluftnachheizung bzw. Kühlung kann die Raumheiz- und Kühlleistung ohne Beteiligung des Außenluftstroms gesteigert werden. Da es sich hierbei um Umluft aus demselben Raum handelt, in DIN EN [7] auch Sekundärluft genannt, verschlechtert sich dadurch nicht die Raumluftqualität, wie es bei Umluftbetrieb in zentralen RLT-Anlagen möglich ist. In Bild 2 ist ein dezentrales Lüftungsgerät der LTG Aktiengesellschaft [8] dargestellt, das im Boden entlang der Fassade eingebaut ist. Die über ein Wetterschutzgitter in der Fassade mit einem Ventilator angesaugte Außenluft wird gefiltert und durch einen Wärmeübertrager geblasen, wo eine Durchmischung mit induzierter Raumluft stattfindet und nach Bedarf geheizt oder gekühlt wird. Die Abluft wird über eine zentrale Lüftung nach Überströmen in die Innenzonen abgesaugt. 3.1 Kriterien für niedrigen Energiebedarf Die meisten der heute gebauten Luft- Wasser-Klimasysteme werden mit einem zeitlich konstanten, 2-fachen stündlichen Luftwechsel mit 100%igem Außenluftanteil betrieben. Die Lüftung läuft an zentral festgesetzten Betriebszeiten (z.b. 12 h/d; 3300 h/a) ohne Möglichkeit, die mechanische Lüftung im Raum abschalten zu können. Die Option der Abschaltung bedingt variable Zuluftströme und erfordert damit eine VVS- Anlage mit Volumenstromreglern in 424 F KI Luft- und Kältetechnik 10/2006

3 Der Strombedarf für den Lufttransport ist bei den dezentralen RLT-Geräten (SFP ¼ 0,5 bis 1 kw/(m 3 /s)) um den Faktor 3 bis 4 niedriger als bei den Zentralgeräten (SFP ¼ 3 4 kw/(m 3 /s)). Ursache ist der niedrigere Druckverlust der dezentralen Technik durch den Wegfall des Luftleitungsnetzes. Dezentrale RLT-Geräte sind aus Sicht der Investitionskosten wirtschaftlich einsetzbar, wenn man auf eine Be- und Entfeuchtung des Außenluftstroms verzichtet (Kondensatnetz und aufwändige Befeuchtung u. Wartung). Raumluftfeuchten unter 30 % und oberhalb 65 % können durch einen reduzierten Außenluftwechsel, Feuchtespeicherung im Raum oder eine Wärme-Feuchte-Rückgewinnung weitgehend vermieden werden. Bild 2: Fassadenlüftungsgerät FVD für Bodeneinbau den Zu- und Abluftleitungen und einer zentralen Druckregelung am RLT-Gerät. Die Energieeinsparung für Luftbehandlung und -transport nimmt linear mit dem Gesamtvolumenstrom ab. Dezentrale RLT-Anlagen mit mindestens einem Zu- und Abluftventilator im Raum können sehr einfach nach Bedarf und Anwesenheit betrieben werden. Berücksichtigt man, dass sich der Durchschnitts-Büroangestellte im Jahr nur 1200 h in seinem Büro aufhält, so können die Betriebszeiten dezentraler RLT- Anlagen gegenüber zentralen um die Hälfte reduziert werden. Bild 3: modulares Bodeninduktionsgerät HFB 3.2 Kriterien für zukunftsfähige Investitionen und Flexibilität Bürogebäude unterliegen einem starken Wandel der Nutzung und der Mieteransprüche. Auch beim Neubezug entscheiden sich die Mieter häufig relativ spät und setzen damit den Endausbau unter hohen Zeitdruck. Der richtige Weg heißt: So wenig wie nötig investieren, einbauen und bei Bedarf nachrüsten bzw. so schnell wie möglich umbauen!. Das folgende Beispiel des modular aufgebauten Bodeninduktionsgeräts HFB [8] zeigt mehrere Gerätevarianten als reiner Heizkonvektor, Luftdurchlass, 2- und 4-Leiter Induktionsgerät. Das gemeinsame Konstruktionsmerkmal ist die einheitliche Bodenwanne mit dem gleichen Lüftungsgitter. 4. Beispiel eines Vergleichs zwischen zentralen und dezentralen Raumklimasystemen Im folgenden werden je drei zentrale Luft-Wasser-Klimaanlagen (V ¼ konst.) mit zwei dezentralen verglichen. Im einzelnen sind es: (5) HFB Zentrale Lüftung mit Bodeninduktionsgeräten (HFB, 4-Leiter) (14) LDB þ MetKD þ HK Zentrale Lüftung (KVS) mit Deckenluftschlitzdurchlässen (LDB), Metallkühldekke (MetKD) und statischen Heizkörpern (HK) am Fenster (9) VKB þ L Zentrale Lüftung (KVS) mit Boden-Ventilatorkonvektoren mit eingebauten Luftdurchlässen (VKB þ L), entlang der Fassade (2) FVD þ BKT Dezentrales Fassadenlüftungsgerät (FVD) im Boden, kombiniert mit zentraler Abluftanlage und mit Betonkerntemperierung (1) FVDplus þ BKT Dezentrales Fassadenlüftungsgerät (FVDplus) im Boden (mit getrenntem Zu- und Umluftventilator), kombiniert mit zentraler Abluftanlage und Betonkerntemperierung. F KI Luft- und Kältetechnik 10/

4 Bild 4: Grundlage des Vergleichs Bild 5: Vergleich der Raumheiz- und Raumkühlleistungen Bild 6: Vergleich der Investitionskosten Die Annahmen und Randbedingungen sind in Bild 4 zusammengestellt: Es geht um einen Neubau, bei dem die Raumhöhe auf 3 m festgelegt ist und jede Erhöhung des Hohlraumbodens oder Abhängung einer Zwischendecke durch eine größere Geschosshöhe ausgeglichen wird. Erfasst werden somit die durch den technischen Ausbau verursachten Baukosten einer Geschosserhöhung sowie die Kosten für die zentralen Technikräume (Lüftung, Heizung, Kälte) und die Baukosten für die Steigschächte. Ein für die Festlegung der Investitionskosten wichtiger Parameter ist die Raumgröße. Je nach Auslegung muss in jeder Fensterachse oder in jeder 2. oder 3. Achse ein Endgerät eingebaut werden. Die Grenzauslegung der Klimageräte im Raum ist durch den maximalen Schalleistungspegel und die Grenzen für die thermische Behaglichkeit (Zugluft) festgelegt. Die Kosten können für einen Raummix oder, wie in diesem Beispiel, für eine feste Raumgröße von 2,7 5,5 m berechnet werden. Induktionsgeräte (System 5) und Schlitzauslässe in der Kühldecke (System 14) sind in jeder Fensterachse eingebaut, beim Ventilatorkonvektor mit eingebautem Luftdurchlass (System 9) und den Fassadenlüftungsgeräten reicht je ein Gerät pro 2-Achs-Raum aus. Die in Bild 5 dargestellten Kühlleistungen aller Systeme decken die geforderte max. Kühllast von 50 W/m 2 ab. Die hohen Heizleistungsreserven der konvektiven Endgeräte (Auslegung mit VL 55 C) können nicht nur als Anheizreserve, sondern auch für niedrigere Warmwasser- Vorlauftemperaturen und kleinere Wasservolumenströme genutzt werden. Man erkennt, dass die Investitionskosten bei allen untersuchten Systemen im Raum am größten sind und damit von den Nutzungsanforderungen bestimmt werden. Die dezentralen RLT-Geräte sind neben der Kühldecke erwartungsgemäß am teuersten, ersparen jedoch Baukosten für die Technik. Rechnet man die Investitionen mittels Annuitätsverfahren in jährliche Kapitalkosten um, so kann man in den Nutzungskosten (Jahreskosten) den Anteil von Kapitalund Betriebskosten ablesen. Die Energiekosten liegen bei den vorgestellten Raumklimasystemen in der gleichen Größenordnung wie die Kosten fürwar- tung und Instandsetzung. Die systembedingt höheren Wartungs- und Instandsetzungskosten gleichen dezentrale Geräte zum Teil durch niedrigere Energiekosten aus. 426 F KI Luft- und Kältetechnik 10/2006

5 [6] [7] DIN EN 13779, Lüftung von Nicht- Wohngebäuden, Mai 2005, zur Zeit pren [8] SFP (Specific Fan Power in W/(m 3 /s))s.tabelle 17 u. Anhang A12 [9] : Ralf Wagner: Chancen dezentraler Klimatisierung, Vortrag ISH, März 2004; Hans Werner Roth: Raumklima im Boden, Sept [10] DIN 4108, Teil 2: Wärmeschutz und Energieeinsparung im Hochbau, 2003 Schlüsselwörter Raumlufttechnik Bürogebäude Systemvergleich Nutzungskosten Bild 7: Vergleich der Jahreskosten Nicht berücksichtigt werden die bei dezentralen Klimageräten niedrigeren Planungskosten und verkürzte Bauzeit für den technischen Ausbau. Ebenso werden die Umbau- u. Nachrüstungskosten für zentrale und dezentrale Klimasysteme nicht dargestellt. Das Ergebnis eines Vergleichs der Nutzungskosten wird sehr stark von den Rahmenbedingungen bestimmt. Aus diesem Grund können die gezeigten Ergebnisse nicht verallgemeinert werden. Dezentrale Raumklimasysteme werden nach bisherigen Erfahrungen von den Nutzern im hohen Maße akzeptiert. Sie werden bevorzugt dann eingesetzt, wenn zu wenig Bauraum vorhanden ist, Flächeneffizienz, Flexibilität und Nutzerakzeptanz hoch bewertet werden. Literatur [1] Normentwurf pren , Criteria for the Indoor Environment including thermal, indoor air quality, light and noise, May 2005 [2] Public Draft of ASRAE Guideline 10, Criteria for Achieving Acceptable Indoor Environments, May 2005 [3] Directive 2002/91/EC on the Energy Performance of Buildings, EPBD (Energy Performance Building Directive) [4] siehe auch BINE-Informationsdienst [5] Karsten Voss, Günter Löhnert, Sebastian Herkel, Andreas Wagner, Mathias Wambsganß: Bürogebäude mit Zukunft, TÜV-Verlag, Köln 2005 F KI Luft- und Kältetechnik 10/