Abgehängte Segel für Heizen, Kühlen und viel mehr Der Einsatz von Kühlsegeln Von Detlef Makulla

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1 Abgehängte Segel für Heizen, Kühlen und viel mehr Der Einsatz von Kühlsegeln Von Detlef Makulla wurde in dem Buch 10 Goldene Regeln zur Nachrüstung von Klimasystemen Herausgeber: Dr.-Ing. Manfred Stahl veröffentlicht. Es ist im cci Promotor Verlag erschienen. Das Buch ist erhältlich bei: Regina Metz Promotor Verlag Tel / Inhaltsverzeichnis: Klimaregel 1: Klimaregel 2: Klimaregel 3: RLT- und Klimasysteme als zentrale Nur-Luft-Anlagen Wenn die Luft alles können muss Autor: Dr.-Ing. Jürgen Masuch, Scholze Ingenieurgesellschaft mbh, Leinfelden-Echterdingen 13 Möglichkeiten dezentraler RLT-Anlagen Platzsparende Lösung zur raumweisen Kühlung und Lüftung Autor: Dipl.-Ing. Ralf Joneleit, Leiter Raumlufttechnik bei TROX GmbH, Neukirchen-Vluyn 27 Der Einsatz von Kühldecken Wenn das Klima von der Decke kommt Autor: Fritz Nüssle, geschäftsführender Gesellschafter der Zent-Frenger GmbH, Heppenheim 41

2 Klimaregel 4: Klimaregel 5: Klimaregel 6: Klimaregel 7: Klimaregel 8: Klimaregel 9: Klimaregel 10: Der Einsatz von Kühlsegeln Abgehängte Segel für Heizen, Kühlen und viel mehr Autor: Dipl.-Ing. Detlef Makulla, Leiter der F+E bei caverion 57 Der Einsatz von Kühlbalken Die universelle Klima-Lösung Autor: Gunnar Svensson, Swegon AB in Stockholm 69 VRF-Raumklimasysteme Mit Kältemittel-Kreisläufen effizient Kühlen und Heizen Autor: Wolfgang Mayrhofer, Axair, Garching 81 Das Water Loop Heat Pump System Mit dezentralen Wärmepumpen gleichzeitig Heizen und Kühlen Autor: Dominik Evers, Leiter Anwendungstechnik Klima bei der Colt International, Kleve 95 Nachrüst-Kühlung für thermisch hochbelastete Räume So werden Wärmelasten bis 24 kw pro m² abgeführt Autor: Dr.-Ing. Manfred Stahl, cci 109 Gebäudesanierung mit Induktionsgeräten Altes Prinzip mit neuer Effizienz Autor: Prof. Dr.-Ing. Klaus Fitzner, Dr.-Ing. Ulrich Finke, geschäftsführende Gesellschafter der Klimakonzept Berlin 119 Sonderlösungen zur Raumklimatisierung und -kühlung Von Kühlschächten, Kühlsäulen, Kühlfächern und Rauchpilzen Autor: Dr.-Ing. Manfred Stahl, cci 133 Sonderklimaregel: Kühlung auf Basis von Phase Change Materialien So wird der PCM-Phasenwechsel zur Kühlung genutzt Autor: Dr.-Ing. Manfred Stahl, cci 145 Bildquellenverzeichnis 157

3 Klimaregel 4: Der Einsatz von Kühlsegeln 57 Abgehängte Segel für Heizen, Kühlen und viel mehr Von Detlef Makulla Der Einsatz von Kühlsegeln Die in der deutschsprachigen Gebäudetechnik gebräuchliche Bezeichnung Kühlsegel oder kurz Segel ist eigentlich irreführend, da in diesen Elementen gleichzeitig viele technische Funktionen vereint werden können. Bei Kühlsegeln handelt es sich um von der Decke abgehängte, meist architektonisch gestaltete Designelemente. In diese werden unterschiedliche Funktionen zur Temperierung, Belüftung und Beleuchtung des Raums integriert. Aufgrund ihrer einfachen Installation im Raum eignen sich solche Segel für Neubauten und Modernisierungsprojekte. Abbildung 1: Ein Beispiel für ein vom Architekten und vom Bauherrn gewünschtes Design-Kühlsegel.

4 58 Klimaregel 4 Design und Technik vereint Um den Begriff Segel näher zu erläutern, ist in erster Linie die Individualität und Eigenständigkeit dieses Elements hervorzuheben. Segel werden nämlich neben ihren eigentlichen Aufgaben zur Temperierung und gegebenenfalls auch zur Lüftung des Raums meist auch als architektonische Gestaltungselemente im Raum beziehungsweise an der Decke eingesetzt. Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für ein solches, vom Architekten gewünschtes und designtes Kühlsegel. Da sich Hersteller und Anbieter solcher Segel im Hinblick auf die Größe, das Design und die zu integrierenden Funktionen stets nach jeweiligen räumlichen und thermischen Verhältnissen (Wärme- und Kühllast, Außenluftbedarf) und insbesondere nach den Wünschen der Kunden richten, sind die mit Kühlsegeln ausgeführten Projekte fast immer Unikate. Insofern ist es wenig sinnvoll, feste Standardlösungen vorzugeben oder Kataloge mit verschiedensten Segeltypen und -ausführungen zu drucken. Natürlich hat jeder Hersteller aber zur Präsentation bei Architekten, Bauherren oder Planern seine Mappe mit Bildern von Referenzobjekten, die dem Kunden eine Orientierungshilfe bieten können. Was Segel alles können Für ein Neubau- oder Modernisierungsprojekt, manchmal geht es auch nur um die Ausstattung oder Nachrüstung eines Konferenzraums oder eines Chefbüros mit Segeln, sollte das Gesamtsystem Segel stets wie ein Baukasten konzipiert sein. Das heißt, dass in die jeweilige Segel-Grundkonstruktion quasi wie bei einem Baukasten individuell verschiedene Elemente integriert werden können. Hierzu bedarf es aber seitens des Herstellers einer entsprechenden Erfahrung und eines Labors, um die erforderlichen Leistungs- und Behaglichkeitsuntersuchungen sowie die akustischen Tests durchführen zu können, damit später in der Praxis auch alles wie vorgesehen klappt. Grundsätzlich können folgende Elemente und Funktionen in ein Segel integriert werden: - Flächige Kühlelemente (Warm- oder Kaltwasser-durchflossene Wärmeübertrager oder Rohre als 2- oder 4-Leiter-System). - Verschiedene Arten der Beleuchtung. - Luftdurchlässe zur Einbringung der Zuluft in den Raum. - Akustisches Material zu Schalldämpfung. - Rauchmelder, Anwesenheitssensoren etc. Durch diese Möglichkeit, in einem Segel mehrere Funktionen zu vereinen, wird ein sehr hoher Vorfertigungsgrad bei deren Herstellung erreicht. Dies führt zu mehreren positiven Effekten: Erstens wird dadurch die Anzahl der Schnittstellen auf der Baustelle erheblich verringert. Zweitens sinkt so die Möglichkeit von Fehlern auf der Baustelle, und drittens verringern sich durch den hohen Vorfertigungsgrad die Montagezeiten auf der Baustelle. Vorteile gegenüber Kühldecken Aus energetischer Sicht bieten Lösungen mit abgehängten Segeln mehrere Vorteile gegenüber komplett geschlossenen Abhangdecken ( Strahlungskühldecken, siehe Klimaregel 3).

5 Klimaregel 4 59 So bleibt zum Beispiel beim Einsatz von Segeln ein Großteil der Deckenfläche frei, und diese Speichermasse der Betondecke steht dem Raum weiter als Puffer für Lastspitzen zur Verfügung. Dies reduziert die abzuführende Kühllast und somit auch die erforderliche Segelfläche. Um die Segel-Elemente im Gebäude schnell montieren und mit den Medienanschlüssen verbinden zu können, sind die jeweiligen Anschlusspunkte genauestens zu planen. Bei voll ausgestatteten Segeln kann es vorkommen, dass Wasseranschlüsse (4-Leiter-System), Zuluftkanäle, Elektro- und Steuerungsleitungen (Bus-Kabel) in die Betondecke eingebracht werden und das Segel dann über vorgerichtete Anschlüsse daran angeschlossen wird. Schnellkupplungen beziehungsweise Absperrmöglichkeiten für Revisionszwecke oder zum Austausch dürfen dabei keinesfalls fehlen. Segel mit überwiegender Strahlungsleistung Bei Kühlsegeln kann man grundsätzlich zwei Ausführunen unterscheiden: Geschlossene Bauarten mit hohem Strahlungsanteil und offene Bauarten mit einem hohen konvektiven Anteil an der Leistungsabgabe. Betrachten wir zunächst die geschlossenen Elemente aus Stahlblech mit darin integrierten wasserdurchflossenen Kupferrohren. Deren Wirkungsweise beruht überwiegend auf dem Strahlungsaustausch zwischen der kühlen Segeloberfläche und den warmen Flächen im Raum und zu einem geringeren Teil auf der sich am kühlen Segel einstellenden freien Konvektion. Abbildung 2 zeigt hierzu verschiedene Ausführungsbeispiele. Abbildung 2: Bauarten von Segeln mit überwiegendem Strahlungsanteil.

6 60 Klimaregel 4 Die einfachste Art eines Segels stellen Elemente dar, die auf der Ober- und Unterseite eine gekühlte Fläche aufweisen (Typ 1 in Abbildung 2). Da bei einer solchen Ausführung nicht nur die zum Raum hin orientierte Unterseite, sondern auch die zur Decke gerichtete Rückseite eine Kühlleistung abgibt (Heizen oder Kühlen), steigt dadurch die Gesamtleistung gegenüber einer üblichen geschlossenen Kühldecke an. Der linke Teil in Abbildung 3 zeigt dazu das generelle Funktionsprinzip einer solchen Segelausführung. Pro m² Projektionsfläche sind bei einem solchen Segel Kühlleistungen bis etwa 120 Watt erreichbar. Nachteilig ist dabei allerdings, dass diese Ausführungen keine akustische Raumdämpfung aufweisen. Deshalb wird häufig die Rückseite mit Akustikmaterial belegt, wodurch aber die Kühl- und Heizleistung sinkt (Typ 2 in Abbildung 2). Dargestellt ist das im rechten Bereich in Abbildung 3. Eine weitere Ausführung eines Segels besteht neben der Integration der Beleuchtung in der Zufuhr von Zuluft über einen im Segel eingebauten Luftdurchlass (Typ 3 in Abbildung 2). Hierzu können, je nach gewünschter Raumluftströmung und/oder der Vorstellung des Architekten, sowohl lineare Induktivauslässe als auch runde Drallauslässe zum Einsatz kommen. Wie sich dies auf die Raumströmung auswirkt, zeigt Abbildung 4. Abbildung 3: Wirkungsweise eines geschlossenen Kühlsegels ohne (linker Bildbereich) und mit oberer Dämmung.

7 Klimaregel 4 61 Abbildung 4: Die Wirkungsweise eines Kühlsegels mit integrierter Zulufteinbringung und die sich dabei im Raum einstellende Raumströmung. Heizen mit Segeln Bei der Auslegung eines Segels, das neben der Kühlung auch zur Erwärmung des Raums genutzt wird, sollte zwischen Segeln mit und ohne Lüftungsfunktion unterschieden werden. Da sich beim Betrieb von Heizsegeln ohne gleichzeitige Luftzufuhr im Raum ein stärkerer vertikaler Temperaturgradient aufbaut, der die thermische Behaglichkeit negativ beeinflussen kann, sollte die Heizleistung auf 50 Watt pro m² Segelfläche beschränkt werden (dies entspricht einer Oberflächentemperatur des Segels von maximal etwa 30 C). Darüber hinaus ist auch ein Raumsystem möglich, bei dem mit dem Segel nur gekühlt und ergänzend dazu an der Fassade über Flächenheizkörper oder Unterflurkonvektoren geheizt wird. Dies ist besonders bei Räumen mit raumhoher Verglasung zu empfehlen. Für den Fall, dass mit dem Segel geheizt und die Einbringung der Zuluft in den Raum vom Segel getrennt installiert wird, sollte auf eine Quelllüftung zugunsten einer effizienten Mischlüftung (zum Beispiel über Dralldurchlässe) verzichtet werden. Da die Quelllüftung, um wie gewünscht zu funktionieren, stets eine Untertemperatur der Zuluft zur Raumluft benötigt, ergibt sich bereits dadurch ein vertikaler Temperaturgradient im Raum. Wird nun zusätzlich dazu mit einem Segel von oben geheizt,

8 62 Klimaregel 4 vergrößert sich dieser Temperaturgradient noch weiter, und dies kann zur thermischen Unbehaglichkeit führen ( warmer Kopf und kühle Füße ). Falls mit dem Segel nur gekühlt wird, ist die Quelllüftung aber eine sehr gute Ergänzung. Wenn hingegen ein Segel mit integrierter Lüftungsfunktion nach dem Prinzip der turbulenten Mischlüftung ausgestattet wird, baut sich der vertikale Temperaturgradient auch im Heizfall rasch ab. Es ergeben sich im Raum homogene Temperaturen, und so können Heizleistungen bis zu 150 Watt pro m² Segelfläche realisiert werden. Dabei ergeben sich dann Raumströmungen, die ähnlich aussehen wie die in Abbildung 4 dargestellten. Ein Beispiel für eine ausgeführte Lösung mit Kühlsegeln zeigt Abbildung 5. Hier wurde auf einer Grundfläche von m² eine aktive Segelfläche von m² installiert. Die Kühlleistung betrug 83 Watt pro m² Segelfläche, dies entspricht rund 50 Watt Kühlleistung pro m² Bodenfläche bei einem Belegungsgrad der Decken von 60 Prozent. Teilweise wurden bei diesem Projekt Fremdgewerke in die Elemente integriert. Segel mit hohem Konvektionsanteil Bisher wurden Segel mit hohem Strahlungsanteil beschrieben. Diese sind jedoch in ihrer Leistung begrenzt, insbesondere, wenn durch deren Dämmung gleichzeitig auch akustische Funktionen übernommen werden sollen. Wenn für Neubau- oder Modernisierungsprojekte kompaktere Segel mit höheren thermischen Gesamtleistungen benötigt werden, können Abbildung 5: Ein Beispiel für ein Kühlsegel mit überwiegendem Strahlungsanteil.

9 Klimaregel 4 63 dafür Ausführungen mit höherem Konvektionsanteil eingesetzt werden. In Abbildung 6 sind mehrere mögliche Bauarten solcher Segel dargestellt. Werden wasserdurchströmte Kühlprofile flächig über das Segel verteilt (Typ 1 in Abbildung 6), kann durch die Form der Profile die wärmeübertragende Oberfläche gegenüber geschlossenen Elementen deutlich erhöht werden. Da nun die warme in den Deckenbereich aufgestiegene Raumluft unmittelbar an den Kühlelementen entlangströmen kann, ergeben sich deutlich höhere Wärmeübergangskoeffizienten und höhere Kühlleistungen bis etwa 200 Watt pro m² Segelfläche. Die sich dabei im Raum infolge Strahlung und Konvektion einstellenden Effekte zeigt Abbildung 7. Mit solchen Konstruktionen kann sowohl gekühlt als auch geheizt werden. Wie bei geschlossenen Segeln ist auch bei solchen Ausführungen die Integration von Zuluft und Beleuchtung möglich. Beispielhaft zeigt Abbildung 8 für ein Projekt an einer Universität ein konvektives Kühlsegel (ohne Heizfunktion), das in Verbindung mit Quelllüftung eingesetzt wurde. Der Belegungsgrad betrug 70 Prozent. Obwohl das Kühlsegel eine höhere Leistung liefern könnte, wurde eine moderate Auslegung auf 120 Watt pro m² Segelfläche gewählt. Abbildung 6: Bauarten von Segeln mit überwiegendem Konvektionsanteil.

10 64 Klimaregel 4 Abbildung 7: Kühleffekte und die sich infolge der freien Strömung an einem Konvektions-Kühlsegel im Raum einstellenden prinzipiellen Raumströmungen. Sehr kompakte Segel mit hohen Leistungen lassen sich realisieren, wenn in diese Lamellen- Wärmeübertrager eingesetzt werden (Typ 2 in Abbildung 6). Allerdings kann mit diesem Typ nur gekühlt und nicht geheizt werden, da es sich um ein rein schwerkraftbasiertes System handelt. Das bedeutet, dass die warme Luft ohne einen ergänzenden mechanischen Antrieb (Ventilator oder ähnliches) nicht oder nur schlecht in die Aufenthaltszone im Raum strömen kann. Im Komfortbereich sollte die Kühlleistung eines solchen Segels nicht über 150 Watt pro m Wärmetauscherlänge ausgelegt werden, da sonst die Geschwindigkeit der vom Segel in den Aufenthaltsbereich abströmenden Luft (freie Konvektion) zu groß werden und Zugerscheinungen auslösen könnte. Wichtig ist es auch, den Lamellenabstand der Wärmeübertrager im Bereich von 4 bis 6 mm zu wählen, damit eine Verschmutzung des Wärmeübertragers durch die zirkulierende Raumluft vermieden wird. Diese tritt an der Oberseite von der Decke her in den Wärmeübertrager ein. Deshalb muss zwischen der Oberkante des Segels und der Betondecke ein Spalt verbleiben, soweit nicht andere Öffnungen für die zirkulierende Raumluft im Segel selbst vorgesehen sind (ähnlich wie bei passiven Kühlbalken, siehe Klimaregel 5).

11 Klimaregel 4 65 Abbildung 8: Ein Kühlsegel mit überwiegendem Konvektionsanteil. Multifunktions-Segel Werden in einem solchen Segel die Funktionen Heizen und Kühlen vereint (Typ 3 in Abbildung 6), so ist die Integration der Zuluft erforderlich. Diese auch als Integrated Service Modules (ISM) bezeichneten Elemente stellen die kompakteste Bauform mehrfunktionaler Segel dar. Ziel ist es hier oft, mit dem aus hygienischer Sicht mindestens erforderlichen Primärluftvolumenstrom eine hohe Heiz- und Kühlleistung zu erzielen. Eine mögliche Lösung hierzu zeigt die Abbildung 9. Bei diesem Beispiel wurde mit einem spezifischen Primärluftvolumenstrom von nur 20 m³/h pro Meter Länge eine Kühlleistung von über 300 Watt pro Meter Länge erreicht. Die Raumluft tritt mittig an der Unterseite in das Segel ein und wird mittels der Induktionswirkung der integrierten Primärluftdüsen durch den Wärmeübertrager geführt (siehe auch den Bereich aktive Kühlbalken in Klimaregel 5). Und die Kosten? Abschließend ein Wort zu den Kosten. Heiz- Kühl-Segel sind Produkte, die in der Regel nicht standardisiert sind. Es können jedoch hervorragend individuelle und designorientierte Lösungen für Gebäude realisiert werden, indem standardisierte Einzelkomponenten verwendet werden. So ergeben sich trotzdem kostengünstige Lösungen, wobei die Ersparnis auf der Montageseite nicht außer Acht gelassen werden sollte.

12 66 Klimaregel 4 Unser Unternehmen hat bereits eine Vielzahl unterschiedlichster Kühlsegel ausgeführt, deren Preise sich je nach Design, Material, Ausstattung und Integration von Zuluft, Beleuchtung, Meldern etc. - zwischen 250 und 900 Euro pro m² Segelfläche bewegten. Abbildung 9: Ein Beispiel für ein Integrated Service Module. Der Autor Alle Abb. caverion GmbH, Geschäftsbereich Krantz-Komponenten Dipl.-Ing. Detlef Makulla ( geb. 1956) ist Leiter der F+E bei caverion (ehemals M+W Zander Gebäudetechnik). Schwerpunkt seiner Tätigkeit ist die Entwicklung von lufttechnischen Komponenten, Heiz-Kühl-Systemen und fassadenintegrierten Lüftungsgeräten für den caverion-geschäftsbereich Krantz-Komponenten. Zudem ist er auch in verschiedenen Normen- und Richtlinienausschüssen tätig.