DOKUMENTATION PRIMERO KOMFORT Kühlsysteme Funktionsweise und Grobdimensionierung. Arno Dentel / Udo Dietrich

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1 Dokumentaton PRIMERO Komfort 16. Dezember 2008 Inhalt 1 Enletung Gegenüberstellung von Kühllast und der Tagessumme der Gesamtlast Kurzverfahren zur Kühllastberechnung nach VDI Gesamtlast nach SIA Bespelsrechnungen Büroraum mt Optmerungspotenzal Optmerter Büroraum Verglech der Ergebnsse Kühlsysteme - Funkton und Dmensonerung Passves System Natürlche Lüftung Aktves System Mechansche Lüftung Mechansche Lüftung mttels Lut-Erdrechwärmetauscher Aktves System Hybrdlüftung Thermsch aktve Bautele (TAB) Thermsch aktve Bautele (TAB/Kapllarrohrmatten) flnkes System Kühldecke Kältequellen Egnung und Dmensonerung Erdsonde Energepfahl, Schltzwand Grundwasser Trocken- und Nasskühlturm (free Kühlung) Kältemaschne Wärmepumpe Überblck Kühlsysteme und Kältequellen Lteratur... 28

2 1 Enletung En komfortables Raumklma st Voraussetzung für de Behaglchket n enem Gebäude. Zur Scherstellung der thermschen Behaglchket (Wohlbefnden n enem Raum) trägt das Hezen und Kühlen des Gebäudes be. Im Allgemenen kann auf ene aktve Kühlung enes Gebäudes, m mtteleuropäschen Berech, verzchtet werden. Jedoch kommt es aufgrund von verschedenen Entwcklungen, archtektonsch we auch nutzerspezfsch, zur Notwendgket, geegnete Maßnahmen zur Scherstellung des thermschen Komforts n Gebäuden während der Sommerperode zu ergrefen. Des begründet sch unter anderem durch folgende Trends: Durch den zunehmenden Technserungsgrad, nsbesondere be Verwaltungsgebäude, können de nternen Wärmelasten, verursacht durch elektrsche Geräte bzw. Arbetshlfen, anstegen. Desem Trend kann man durch den Ensatz Strom sparender Geräte we TFT- Bldschrmen und zentral schaltbaren Steckerlesten für Elektrogeräte entgegenwrken. Ebenso erhöht der archtektonsche Trend zu voll verglasten Fassaden und fehlendem außen legenden Sonnenschutz de externen Wärmegewnne und des resultert häufg n enem Ansteg der Raumtemperatur. Häufg st aber auch en falsches Nutzerverhalten (etwa das Ncht-Ausschalten von Geräten / Kunstlcht be Abwesenhet und Pausen) de Konsequenz für stegende Raumtemperaturen m Sommer. De Raumklmatserung hat de Aufgabe, den vom Nutzer geforderten Komfort an de Raumtemperatur wetgehend zu erfüllen und de externen, we auch nternen, überschüssgen Wärmegewnne aus dem Raum abzuführen. Müssen Sollwerte bzw. Grenzwerte der Raumtemperatur und Raumluftfeuchte engehalten werden, so st des nur durch ene aktve Klmatserung möglch. Des trfft vor allem n Museen oder Sondernutzungsberechen zu. Im verbreteten Verwaltungsbau st des ncht zwngend notwendg. Problematsch hngegen st ene drastsche Klmatserung der Räume auf sehr nedrge Temperaturen, be glechzetg hohen sommerlchen Außentemperaturen. Untersuchungen zegen, dass sch das Behaglchketsempfnden der Nutzer mt der Außentemperatur ändert. Es fndet ene Adapton an das Umgebungsklma statt [1]. En paralleles, gernges Anstegen des Innenklmas mt dem Außenklma wrd als durchaus normal und komfortabel empfunden. Vorraussetzung für den thermschen Komfort bezehungswese moderate Innentemperaturen be sommerlchen Außentemperaturen st en optmertes Gebäude. Der Begrff optmertes Gebäude umfasst, dass Wärmeenträge auf en erträglches Maß reduzert werden und en optmerter Regelbetreb der technschen Anlagen vorherrscht. Im Detal snd des bespelswese folgende Maßnahmen: Guter Sonnenschutz: außenlegend oder baulch bedngt Verglasung mt gernger solarer Transmsson: z.b. Sonnenschutzverglasung Thermsche Spechermasse: z.b. massve frelegende Betondecken Erhöhte natürlche oder/und mechansche Nachtlüftung Durch en optmertes Gebäude st kene oder nur noch en gernger Bedarf an Kühlung erforderlch. Be der Planung und dem Betreb der dann noch notwendgen technschen Systeme zur Klmatserung/Kondtonerung von Gebäuden st auf ene ressourcenschonende und nachhaltge Betrebswese zu achten. In den nachfolgenden Kapteln wrd deshalb überwegend auf besonders Ressourcen schonende Technken zur Scherstellung und Verbesserung der thermschen Behaglchket m Sommer engegangen.

3 2 Gegenüberstellung von Kühllast und der Tagessumme der Gesamtlast Ene als zu hoch empfundene Raumtemperatur st auf zu hohe, n den Raum endrngende Wärmeenergen zurück zu führen. De prmäre Optmerungsmöglchket zum Errechen der gewünschten Temperaturen st stets das Bestreben nach Redukton deser Wärmeenergen. Erst dann, wenn deses Potenzal ausgeschöpft st, muss versucht werden, de verblebende, zu vel endrngende Wärme nach außen abzuführen. Ihre Größe wrd bestmmt durch: Außenklma Fenstergröße, Orenterung, Sonnenschutz und Verglasung Anforderungen an das Raumklma (Temperatursollwerte) Bekledung - Dresscode Interne Wärmelasten Bauwese Möglchketen der erhöhten Lüftung Regelung der gebäudetechnschen Anlagen 1 De m Laufe enes Tages anfallende Wärmeenerge setzt sch aus mehreren Antelen zusammen. En Betrag s von Sonne und Hmmel, m Sommer fällt deser also länger an, als de egentlche Nutzungszet. Und dazu en Betrag von den Personen, elektrschen Geräten und Kunstlcht, der mt enem bestmmten Profl n der Nutzungszet zusätzlch anfällt. Be optmerter Auslegung von Fensterflächenantel, Verglasung und Sonnenschutz hat dabe s den gerngeren Antel (we her dargestellt), be ncht optmerter Auslegung dagegen eher den domnerenden! Für de Art und Wese, WIE dese Wärmeenerge weder nach außen abzuführen st, OHNE dass es zu ener unkomfortablen Erhöhung der Raumtemperaturen kommt, gbt es zwe physkalsch grundlegend unterschedlche Verfahrenswesen, de jewels egene Auslegungsmethoden haben. a) Abführen der überschüssgen Wärme n dem Moment, wo se anfällt (Verfahren Kühllast ) Das Kennzechen st deshalb de momentane Kühllast n [W/m²]. Des st nsbesondere der Verfahrenswese der konventonellen Klmaanlagen. Der zetlche Verlauf der Kühllestung st dentsch mt dem Verlauf der anfallenden Wärme s +, man sprcht demnach von enem flnken Kühlsystem. Ene sehr unökonomsche Lösung, wel de Anlage auf de höchste denkbare Kühllast ausgelegt sen muss, und dese trtt praktsch nur an ganz wengen Stunden auf. Also läuft de Anlage nahezu mmer mt halber Kraft und schlechtem Wrkungsgrad. De Specherfähgket der den betrachteten Raum umgebenden Bautele wrd zur Kühlung selbst ncht benötgt, se geht n entsprechende Auslegungsverfahren nur ndrekt en als ene Größe, de de Sptzen der Raumtemperatur abmndert. 1 De Regelung geht ncht drekt n de Berechnung mt en, hat aber enen großen Enfluss auf das Betrebsverhalten der Anlage.

4 Dese Kühlmethode st damt zwar für alle Räume unabhängg von hrer Bauart anwendbar, aber egentlch so absolut ncht sehr ntellgent. Se verlässt sch ausschleßlch auf de Lestungsfähgket der Klmaanlage und vernachlässgt, dass auch de spechernden Bautele en Bestandtel ener ntellgenten und nachhaltgen Kühlanlage sen können. b) Zwschenlagern der überschüssgen Wärme n den spechernden Bautelen und Abführen m Laufe von 24 Stunden (Verfahren Tagessumme der Gesamtlast ) Be enem optmerten Gebäude, trägt das Gebäude zu enem Tel selbst zur Reduzerung der Kühllast be. Das Prnzp st: De m Laufe enes Tages anfallende Wärme kann - ohne das de Raumtemperatur groß anstegt - n den spechernden Baustoffmassen zwschengelagert werden. Damt braucht de m Laufe enes Tages anfallende Wärme [Wh/m² d] auch nur noch nnerhalb von 24 Stunden abgeführt zu werden. Des kann zetverschoben geschehen (z.b. nachts durch erhöhte Lüftung) oder glechmäßg über den gesamten Tag vertelt (z.b. Bautelkühlung über Energepfahl). En solches Kühlsystem wrd en träges System genannt. Erst auf dese Wese st es möglch, regeneratve Kältequellen für de Kühlung snnvoll zu benutzen. Damt es funktonert, darf natürlch de m Laufe enes Tages anfallende Wärme s + ncht größer sen als das Aufnahmevermögen Specher der spechernden Baustoffmassen. Je nach Bauart (von lecht bs sehr schwer) beträgt das Aufnahmevermögen der raumumfassenden Bautele 150 bs 250 Wh/m² d. Tabelle 1 zegt den Zusammenhang zwschen der Bauart und Bauschwere auf. Enen Überblck über de je nach Bauschwere abhänggen Grenzwerte der Tagessummen zegt Tabelle 2. Tabelle 1: Grobklassfzerung der Bauschwere Bauart Decken Trennwände Außenwand Lecht Lecht oder abgehängte lecht egal Unterdecke Mttel Lecht oder abgehängte massv, lecht (z.b. Porenbeton) egal Unterdecke Schwer Massvdecke ohne Massv, lecht (z.b. Porenbeton) egal Unterdecke Sehr schwer Massvdecke ohne Unterdecke Massv, schwer (z.b. KS) egal Tabelle 2: Grenzwerte der Tagessummen der passven Klmatserung Bauart Grenzwert + s [Wh/m² d] für passve Klmatserung Lecht 150 Mttel 185 Schwer 210 Sehr schwer 250 We groß snd dagegen de Wärmeenträge? Solare Enstrahlung Be guter Auslegung legt s etwa be Wh/m² d. Dabe st zu bedenken, dass mt deser eher gerngen Wärmelast berets de Tageslchtversorgung des Raumes ausrechend st.

5 Kunstlcht, elektrschen Geräten und Personen Durch ene optmale Nutzung des Tageslchtes sollte Kunstlcht vermeden bzw. mnmert werden. Für de künstlche Beleuchtung können etwa 120 Wh/m² d Wärmeentrag angesetzt werden. Der größte Antel am Wärmeentrag kommt aber von der egentlchen Nutzung, also durch Personen und elektrsche Geräte. Für de üblche Büronutzung st der Wärmeentrag je nach Technserungsgrad zwschen 150 und 250 Wh/m² d, für en Enkaufszentrum sogar 350 Wh/m² d, für enen prall gefüllten Hörsaal mt Projekton 700 Wh/m² d. De Summe der Wärmeenträge s + muss folglch n de spechernde Baustoffmasse abgeführt werden. Be optmaler Ausführung des Gebäudes n allen Parametern legt deser Wert etwa zwschen (150) 200 bs 250 Wh/m² d, be ncht optmaler Ausführung dagegen auch be bs zu 450 Wh/m² d. Es st zu erkennen, dass für en nachhaltges Kühlkonzept mt Nutzung der spechernden Bautele als Zwschenspecher ene optmerte Ausführung des Gebäudes ene notwendge Voraussetzung st (vgl. Tabelle 4). Auch dann st für de Umsetzung ene mndestens schwere, oft sogar ene sehr schwere Bauart notwendg, de m Verwaltungsbau aber anderersets ncht überall snnvoll umgesetzt werden kann (z.b. Wderspruch zum Wunsch nach lechten, verschebbaren Trennwänden). Damt st der Ensatz träger Kühlsysteme und regeneratver Kältequellen aber durchaus noch ncht unmöglch, vel mehr erlauben hybrde Systeme mt ener trägen Grundkühlung und ener flnken Sptzenkühlung en breteres Anwendungsfeld: Ist s + < Specher dann st ene ren träge Kühlung möglch Ist s + > Specher dann können de Enträge s + bs zur Größe Specher über ene träge Grundkühlung abgeführt werden, de fehlende Dfferenz muss durch ene flnke Sptzenkühlung (z.b. mechansche Lüftung über Erdsonde) erbracht werden. Zur genaueren Beschrebung deser beden unterschedlchen Prnzpen werden de Ergebnsse zweer zugehörger Handrechenverfahren verglechend vorgestellt: Kurzverfahren zur Kühllastberechnung nach VDI 2078 [2] Ermttlung der Tagessumme der Gesamtlast nach SIA 2021 [3] 2.1 Kurzverfahren zur Kühllastberechnung nach VDI 2078 Im Gegensatz zur Berechnung der Norm-Hezlast (Wnterfall) enes Gebäudes st wrd de Kühllast unter ncht statonären Bedngungen berechnet, genauer gesagt st de Kühllast ene Funkton der Zet, da: Lastquellen (Sonnenenstrahlung, Außenlufttemperatur, nnere Lasten) ene große zetlche Verschebung aufwesen. vele Lastquellen enen Strahlungsantel bestzen, de zu Spechereffekten führen. Des begründet sch dadurch, dass sch zunächst de Bautele des Raumes erwärmen und dass es dann erst, mt zetlcher Verzögerung und Ampltudendämpfung, zu ener Erwärmung der Raumluft kommt. Desen nstatonären Prozessen wrd be der Kühllastermttlung durch entsprechende Specherfaktoren (Kühllastfaktoren, Gewchtungsfaktoren) Rechnung getragen. Nachfolgend werden de Glechungen zur Kühllastberechnung kurz vorgestellt. Allgemen De Kühllast enes Raumes resultert aus nnerer und äußerer Kühllast: K a K : Gesamt - Kühllast : Innere Kühllast a : Äußere Kühllast

6 Das Kurzverfahren st für folgende Randbedngungen gültg: Konstante Raumtemperatur Perodsche nnere und äußere Belastungen Engeschwungener Zustand 24 h-betreb der Anlage Konstanter Sonnenschutzfaktor (Abmnderungsfaktor für Solarstrahlung Fc) der gesamten Fenster nkl. Verschattung Innere Kühllast De nnere Kühllast setzt sch aus den Summanden folgender Wärmequellen zusammen: Wärmeabgabe durch Personen Wärmeabgabe durch Beleuchtung Wärmeabgabe durch andere nnere Wärmequellen Wärmestrom aus dem Gebäudenneren P B G T : Personenlast P : Beleuchtungslast B : Kühllast durch elekt. Geräte G : Kühllast durch Transmsson nnerhalb des Gebäudes T Wärmeabgabe durch Personen: q n q n P Pers Pers Pers Pers : Sensble Wärmeabgabe pro Person : Anzahl der Personen Wärmeabgabe durch Beleuchtung: q A l s q A l 1 B B 1 B Pers B : spez. elektrsche Anschlusslestung der Beleuchtung : Grundfläche : Glechzetgketsfaktor : Raumbelastungsgrad s : Kühllastfaktor Der Raumbelastungsgrad st bespelswese be Abluftleuchten zu berückschtgen, da der Wärmeentrag zum Tel ncht n den Raum gelangt. Be abgehängten Leuchten kann en Raumbelastungsgrad von 1 angenommen werden. Der Kühllastfaktor varert nach Bauschwere und auftreten der maxmalen Last. Für enen mttelschweren Raum um 17 Uhr entsprcht der Kühllastfaktor glech 0,85. Wärmeabgabe durch elektrsche Geräte: q A l s 1 G G G 1 q : spez. Last Arbetshlfen A : Grundfläche l s : Glechzetgketsfaktor : Kühllastfaktor

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8 Wärmestrom aus dem Gebäudenneren U A T T U : Wärmedurchgangskoeffzent A : Grundfläche T : Temperaturdfferenz Nachbarraum zu Bezugsraum Äußere Kühllast a De äußere Kühllast wrd durch Transmsson durch Außenbautele und Fenster bestmmt: a W F S W F S : Kühllast nfolge Aussenwände : Kühllst nfolge Transmsson durch Fenster : Kühllst nfolge solarer Enstrahlung Kühllast nfolge von Außenbautelen (U A ) W äq U : Wärmedurchgangskoeffzent A : Bautelfäche äq : äquvalente Temperaturdfferenz De äquvalente Temperaturdfferenz berückschtgt de Specherfähgket bzw. Phasenverschebung des Temperaturmaxmums der Bautele. De Temperaturdfferenz beträgt für ene westorenterte Wand der Bauartklasse 1 um 17 Uhr: 30,1. De Rchtlne gbt n ener tabellarschen Überscht wetere Werte für anders orenterte Flächen und Zeten an. Kühllast nfolge Transmsson durch Fenster U A T F U : Wärmedurchgangskoeffzent A : Grundfläche T : Temperaturdfferenz nnen - außen Kühllast nfolge solare Enstrahlung durch Fenster I A b s max S max a I : Solare Enstrahlung (hnter 2-fach Verglasung) A b : Fensterfläche : Durchlassfaktor der Verschattung s a : Kühllastfaktor für äußere Strahlungslasten De Rchtlne gbt de solare Enstrahlung, de durch ene 2-fache Verglasung n den Raum fällt an. Der Durchlassfaktor ähnelt dem Fc-Wert ener Verschattung und st ebenfalls aus der Rchtlne zu entnehmen. Der Kühllastfaktor st be der Berechnung der solaren Enstrahlung abhängg von Raum- und Verschattungstyp.

9 2.2 Gesamtlast nach SIA 2021 De Bewertung der thermschen Behaglchket erfolgt nach der SIA Rchtlne anhand der resulterenden gesamten m Raum auftreten Energen: ges S : mttlere täglche solare Enstrahlung S : nterene Wärmelast De Berechnung der Gesamtlast gbt ene erste Auskunft über de täglch resulterenden Lasten und erlaubt ene Abschätzung der zu erwartenden thermschen Behaglchket n Abhänggket des gewählten Lüftungs- und Kühlsystems. Mttlere solare Last De mttlere täglche solare Wärmelast m Raum s n Wh/(m²d) ergbt sch aus folgender Bezehung: Ag S (g,glas FW Goffen ggeschlossen G geschlossen ) A g : g-wert der Verglasung be vertkalen Enfallswnkel - F,Glas W offen geschlossen G : Korrekturfaktor für ncht senkrechten Enfall ca. 0,85 G : Tagessumme der Globalstrahlung be offenem Sonnenschutz Wh/(m²d) g : g-wert der Verglasung und Sonnenschutz - G : Tagessumme der Globalstrahlung be geschlossenen Sonnenschutz Wh/(m²d) A geschlossen g G : Glasfläche A : Energebezugsfläche (Grundfläche des Raumes) m² Zur Ermttlung der m Raum wrksamen Solarstrahlung snd de be offenem und geschlossenem Sonnenschutz auftreffenden Strahlungstagessummen mt den jewelgen maßgeblchen Gesamtenergedurchlassgraden abzumndern. Da als Energebezugsfläche de Grundfläche A G verwendet wrd, st der Wert der abgemnderten Strahlung mt dem Verhältns A g /A G von Glas zu Grundfläche umzurechnen. Be zwesetg verglasten Eckräumen st de Berechnung der mttleren täglchen solaren Wärmelast für bede Fassaden getrennt durchzuführen, wobe de enzelnen Wärmelasten dann zu adderen snd. SIA 2021 gbt zur Abschätzung der mttleren solaren Last s je nach Glasflächenorenterung folgende Mttelwerte für de Tagessummen der Global-/Gesamtstrahlung an (vgl. Tabelle 3): Sonnenschutz offen Sonnenschutz geschlossen ohne Sonnenschutz De Daten können n allererster Näherung auch für andere Standorte herangezogen werden. Der berückschtgte Schwellwert für das Schleßen des Sonnenschutzes beträgt 150 Wm². De Albedo (Rückstrahlfähgket, schtbarer Berech) der Umgebung wurde mt 20 % angesetzt. m²

10 Tabelle 3: Mttlere Globalstrahlung je nach Fassadenorenterung Mttlere Tagessummen der Globalstrahlung G n Wh/(m²d) Sommer für Außenlufttemperaturen 20 C < Tamb 30 C Sonnenschutz Orenterung Sonnenschutz offen G offen ( 150 W/m²) Sonnenschutz geschlossen G geschl. (> 150 W/m²) ohne Sonnenschutz G total Nord Nordost Ost Südost Süd Südwest West Nordwest Horzontal De n der letzten Spalte 4 totale Globalstrahlung ohne Sonnenschutz G Total stellt de m Tagesverlauf auf de betrachtete Fassade auftreffende Strahlung dar. Se setzt sch aus dem Strahlungsantel be offenem Sonnenschutz G offen und dem Strahlungsantel be geschlossenem Sonnenschutz G geschlossen zusammen. Insgesamt ergeben sch be geschlossenem Sonnenschutz (bs auf nordorenterte Fassaden) gegenüber dem offenen Sonnenschutz deutlch höhere Tagessummen der Globalstrahlung, da de auftreffende Strahlungsdchte be geschlossenem Sonnenschutz größtentels deutlch über 150 W/m 2 legt und der Sonnenschutz natürlch den größten Tel der Tageszet geschlossen st. Interne Wärmelast Zur nternen Wärmelast n Wh/(m²d) tragen neben der Beleuchtung auch Personen und Elektrogeräte (z.b. EDV-Ausstattung) be. Be üblchen Raumhöhen st be Raumtefen ab 4 m st velfach für de hnteren Bereche ene Kunstlchtbeleuchtung erforderlch. De Auswahl und Optmerung des Sonnenschutzes sollte dahngehend erfolgen, dass für de vorderen Raumbereche bs 4 m Raumtefe be geschlossenem Sonnenschutz kene Kunstlchtzuschaltung erforderlch st. Ene nach Hellgket und Anwesenhet der Nutzer automatsch gesteuerte Beleuchtung kann ebenso ene deutlche Verrngerung der nternen Last bewrken. Zetgemäße Beleuchtungskonzepte beten neben ener zentralen Grundbeleuchtung ene arbetsplatzbezogene Beleuchtung an. Des brgt natürlch en energetsch we thermsches Ensparpotental. De Wärmeabgabe der Elektrogeräte rchtet sch nach der Ausstattungsqualtät des Arbetsplatzes, der Gerätequaltät und dem Abschaltungsbetreb (manuell, Standby). Der Faktor von 0,9 berückschtgt de Umrechnung der Nutzfläche des betrachteten Raums auf de Energebezugsfläche. A 0,9 (q t q t ) IZ Bel bel AG q : nstallerte Beleuchtungslestung der Innenzone W/m² Bel t : Nutzungszet Beleuchtung der Innenzone ab 4 m Raumtefe h/d Bel A : hntere Nutzfläche der Innenzone ab 4 m Raumtefe m² IZ A : Energebezugsfläche (Bruttofläche des Raumes) m² q nt G : nterne Last von Personen und Elektrogeräten W/m² t : Nutzungszet von Personen und Elektrogeräten h/d Ist de resulterende gesamte m Raum auftretende Last ges berechnet lässt, sch anhand Tabelle 4 der thermsche Komfort be verschedenen Lüftungs- und Klmasystemen n erster Näherung ermtteln. An deser Stelle se angemerkt, dass es sch n Tabelle 4 um statsche Temperaturgrenzen handelt. Ene zetgemäßere Beurtelung des adaptven Temperaturverhaltens, we bespelswese n ISSO 74 [2], lässt genauere Prognosen des zu erwartenden thermschen Komforts zu.

11 Tabelle 4; Matrx zur Rskobeurtelung des thermschen Komforts m Sommer modfzert nach SIA 2012 Mttlere Tagessummen der Gesamtlast Ges n Wh/(m²d) Systeme zur Lüftung und Kühlung Haustechnksystem 0 Nur Fensterlüftung * Komfort der Fensterlüftung tags Bewertung des Haustechnk- Systems Haustechnksystem 1 Mech. Lüftung u. Nachtlüftung (LW > 2,0 h -1 ) Komfort ohne Fensterlüftung tags Komfort mt Fensterlüftung tags* Bewertung des Haustechnk- Systems Haustechnksystem 2 we 1 + Prmärluftkühlung Komfort ohne Fensterlüftung tags Komfort mt Fensterlüftung tags* Bewertung des Haustechnk- Systems Haustechnksystem 3 we 2 + Zusatzkühlung tags (20 Watt/m² / 220 Wh/m²d) Komfort ohne Fensterlüftung tags Komfort mt Fensterlüftung tags* Bewertung des Haustechnk- Systems Empfohlene Bauart / Bauschwere evtl. genügend evtl. genügend C evtl. genügend genügend angemessen C gut sehr gut optmal << 26 C gut gut überdmenson. Lechte bs mttelschwere Bauart Beurtelung thermscher Komfort, Systemwahl ungenügend ungenügend C ungenügend evtl. genügend evtl. genügend C genügend gut angemessen < 26 C genügend sehr gut optmal Schwere bs sehr schwere Bauart unzumutbar ungenügend C unzumutbar ungenügend ungenügend C ungenügend evtl. genügend evtl. genügend C ** genügend ** gut angemessen unzumutbar ungenügend C unzumutbar unzumutbar ungenügend C unzumutbar ungenügend ungenügend C ** ungenügend ** evtl. ungenügend ** evtl. ungenügend ** Sehr schwere Bauart Enstufung der energetschen gute/optmerte Planung Güte effzente Ausstattung * De unterstützende Fensterlüftung tagsüber muss am gegebenen Standort (Lärmbelastung) möglch sen: De Komfortenstufung setzt ene angemessene manuelle Bedenung durch de Benutzer voraus (stuatonsangepasstes Nutzerverhalten). Zudem muss de zu öffnende Fensterfläche ene mnmale Abmessung (mndestens 3 % (CH) bzw. 4 % (D) der Bruttogrundfläche) aufwesen. ** Be hohen Gesamtlasten muss de Zusatzkühlung (Lestung und / oder Laufzet) entsprechend erhöht werden, um den gewünschten thermschen Komfort zu errechen Optmerungsbedarf Ausstattung und Bauphysk prüfen

12 2.3 Bespelrechnungen Anhand zwe verschedener Büroräume werden de beden vorgestellten Verfahren mtenander verglchen Ncht optmerter Büroraum Geometre - Ausrchtung Brete: 3.50 m Tefe: 5.00 m Höhe: 3.00 m Fläche: m² Volumen: m³ Fensterfläche: 7.00 m² (Süd) Bauphyskalsche Angaben g-wert der Verglasung: 0.60 Außen legender Sonnenschutz, Fc-Wert: 0.25 Raumtyp, Bauschwere: schwer Innere Lasten und Belegung Personenbelegung: 2 Personen (a 70 Watt): 8 W/m² Beleuchtungslestung: 10 W/m² Arbetshlfen: 2 PC a 100 Watt: 11 W/m² Arbetszet: 8.00 bs Uhr (10 h/d) Tagessumme der Gesamtlast nach SIA 2012 A S (g,glas FW Goffen ggeschlossen G geschlossen ) A 7.5 m² S ( Wh/m²d ( ) 3194 Wh/m²d)) 17.5 m² ( Wh/m²d Wh/m²d) 0.43 S S 289 Wh/m²d g G AIZ 0.9 (qbel tbel q t ) A G 3.5 m² 0.9 (10 W/m² 10 h/d (8 W/m² 11 W/m²) 10 h/d) 17.5 m² 0.9 (20 Wh/m²d 190 Wh/m²d) 189 Wh/m²d ges S 289 Wh/m²d 189 Wh/m²d ges ges 478 Wh/m²d

13 Kurzverfahren zur Kühllastberechnung nach VDI 2078 De Kühllast wrd für enen heteren Jultag um 12 Uhr und ene Raumtemperatur von 24 C berechnet. P B G T 270 W 10 W/m² 17.5 m² W/m² 17.5 m² W W W W a W F S =(0.35 W/m²K 3.5 m² 24.7 K)+(1.1 W/m²K 7.0 m² ( ) K)+ a a a (385 W/m² 7.0 m² ( ) 0.53) 0.8 (30.26 W) (36.96 W) ( W) W K a K W W K K W 55 W/m² Optmerter Büroraum Geometre - Ausrchtung Brete: 3.50 m Tefe: 7.00 m Höhe: 3.00 m Fläche: m² Volumen: m³ Fensterfläche: 5.00 m² (Süd) Bauphyskalsche Angaben g-wert der Verglasung: 0.35 Außenlegender Sonnenschutz, Fc-Wert: 0.25 Raumtyp, Bauschwere: schwer Innere Lasten und Belegung Personenbelegung: 2 Personen (a 70 Watt): 6 W/m² Beleuchtungslestung: 10 W/m² Arbetshlfen: 2 PC a 100 Watt: 8 W/m² Arbetszet: 8.00 bs Uhr (10 h/d) Tagessumme der Gesamtlast nach SIA 2012 A S (g,glas FW Goffen ggeschlossen G geschlossen ) A 5.0 m² S ( Wh/m²d ( ) 3194 Wh/m²d)) 24.5 m² ( Wh/m²d Wh/m²d) 0.20 S S Wh/m²d g G

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15 A 0.9 (q t q t ) IZ Bel bel AG 10.5 m² 0.9 (10 W/m² 10 h/d (6 W/m² 8 W/m²) 10 h/d) 24.5 m² 0.9 (42.86 Wh/m²d 140 Wh/m²d) Wh/m²d ges S Wh/m²d Wh/m²d ges ges 243 Wh/m²d Kurzverfahren zur Kühllastberechnung nach VDI 2078 De Kühllast wrd für enen heteren Jultag um 12 Uhr und ene Raumtemperatur von 24 C berechnet. P B G T 270 W 10 W/m² 24.5 m² W/m² 24.5 m² W W W W a W F S =(0.35 W/m²K 5.5 m² 24.7 K)+(1.1 W/m²K 5.0 m² ( ) K)+ a a a (385 W/m² 5.0 m² ( ) 0.53) 0.8 (47.55 W) (26.4 W) ( W) W K a K W W K K W 36 W/m²

16 2.3.3 Verglech der Ergebnsse De Berechnungsergebnsse der beden vorgestellten Verfahren für de beden Räume (ncht optmert und optmert) snd n Tabelle 5 dargestellt. De Berechnungsergebnsse der beden Verfahren snd ncht drekt mtenander verglechbar, da das Verfahren nach SIA de Summe der nneren und äußeren Lasten enes Tages berechnet und de Kühllast nach VDI 2078 nur de maxmale Kühllast für enen bestmmten Auslegungsfall angbt. Verglechend kann jedoch festgestellt werden, dass be Kühllast nach VDI 2078, de Lestung ermttelt wrd, de für enen maxmalen Auslegetag bzw. Stunde benötgt wrd, um den Raum auf das gewünschte Temperaturnveau zu kondtoneren. In der Praxs führt des zu großen technschen Anlagen, de nur an sehr wengen Stunden m Jahr hre volle Lestung beretstellen müssen. Das SIA Verfahren gbt dem Planer/Archtekt n frühen Planungsstaden Hnwese, welche technschen Systeme vorgehalten werden müssen, um en behaglches Raumklma m Sommer zu errechen. Jedoch zegen bede Berechnungsergebnsse, dass durch ene Optmerung (her Grundrss und Bauphysk) de zu erwartenden Lasten um ca. 48 % (SIA) bzw. 35 % (VDI) senkt. Tabelle 5: Verglech der Berechnungsergebnsse Berechnungsverfahren Tagessumme der Gesamtlast nach spezfsche Kühllast nach VDI 2078 (Kurzverfahren) Raumvarante SIA 2012 Büroraum mt Optmerungspotenzal 475 Wh/m²d 55 W/m² Optmerter Büroraum 243 Wh/m²d 36 W/m²

17 3 Kühlsysteme - Funkton und Dmensonerung 3.1 Passves System Natürlche Lüftung Unser Klma betet verhältnsmäßg gute Voraussetzungen, um en Gebäude natürlch zu belüften. De natürlche Lüftung kann vor allem auch m Sommer durch erhöhten Luftwechsel ene passve Raumkühlung erzelen. Das Grundprnzp der natürlchen Lüftung st, dass als wrksamer Antreb ene Temperaturdfferenz der Luft nnen / außen da st (der Wnd, wenn er denn da st, begünstgt dann de Lüftung zusätzlch). Nach dem Schornstenprnzp wrd dann en Auftreb erzeugt, der de Luft bewegt. Entschedend st dabe, welche Beschleungungsstrecke de Luft hat. Das st de Höhendfferenz zwschen warm (nnen) und kalt (außen). Für das Lüften über Fenster n normal hohen Räumen st das de Fensterhöhe also sehr mäßg (deshalb muss vel öffenbare Fensterfläche vorhanden sen). Wesentlch effzenter wrd de Effektvtät be Höhendfferenzen über 4 m (es genügen dann klenere Lüftungsöffnungen). Entweder der Raum hat selbst dese Höhe (Hallen mt Dachaufsatzlüftung ), oder de Lüftung erfolgt über enen Schacht (das Prnzp der Kölner oder Berlner Lüftung ). Im Sommer st dann ene Abkühlung zu erzelen, wenn es draußen kälter st als nnen. Das st vor allem nachts (etwa von 22 bs 6 Uhr) der Fall. In Verbndung mt spechernden Baustoffmassen kann en wrksame Kühlung von 150 Wh/m² d errecht werden. Ist es tagsüber nnen und außen genauso heß, dann st es das Beste, alles dcht zu halten und den Luftaustausch auf das hygensch Erforderlche zu beschränken. Be technserten Verwaltungsgebäuden kann es nnen, aufgrund der hohen nneren Wärmequellen, auch be verträglchen Außentemperaturen (z.b. 24 C), schon zu enem Aufschaukeln der Raumtemperatur kommen. Dann kann ene erhöhte Lüftung auch tagsüber snnvoll sen. En Raum/Gebäude kann bespelswese über folgende Konzepte natürlch be- und entlüftet werden: 1. Fensterlüftung über ene Fassadenöffnung Erfolgt de Lüftung über ene ensetge Fassadenöffnung (Fenster/separate Lüftungsöffnung) können Räume bs zu ener Tefe von maxmal 2.5 mal lchte Raumhöhe noch überall mt Luft versorgt werden. De gesamte öffenbare Fläche beträgt mndestens 400 cm² pro m² Nutzfläche (ca. 4% der Nutzfläche!) oder 2400 cm² pro Person. Somt können Luftwechselraten von 1.0 h -1 (tags) bzw. 1.5 h -1 (nachts) erzelt werden. 2. uerlüftung Be ener Lüftung über gegenüberlegende Fassaden können Räume bs zu ener Tefe von maxmal 5 mal lchte Raumhöhe noch überall mt Luft versorgt werden. De gesamte öffenbare Fläche beträgt pro Sete mndestens je 120 cm² pro m² Nutzfläche (das snd je 1.2 % der Nutzfläche!) oder 720 cm² pro Person. Be uerlüftung können Luftwechsel von 2.0 h -1 (tags) bzw. 3.0 h -1 (nachts) realsert werden. 3. Lüftung über Höhendfferenz Besteht zwschen der Zu- und Abluftöffnung ene Höhendfferenz von mehr als 4 m, so können ebenfalls Räume bs zu ener Tefe von maxmal 5 mal lchte Raumhöhe noch überall mt Luft versorgt werden. Für de öffenbare Fläche der Zuluftöffnungen (Fenster) genügen 80 cm² pro m² Nutzfläche (das snd je 0.8 % der Nutzfläche!) oder 480 cm² pro Person. Be Lüftung über Höhendfferenz können Luftwechsel von 3.0 h -1 (tags) bzw. 4.5 h -1 erzelt werden. 4. Erhöhte Lüftung nachts m Sommer über Höhendfferenz Zur Abkühlung der erwärmten spechernden Bautele st en besonders hoher Luftwechsel mt der kalten Nachtluft erwünscht. De praktsche Erfahrung zegt, dass herfür selbst ene uerlüftung noch ncht ausrechend st. Erst ene erhöhte Nachtlüftung über Höhendfferenz durch separate Lüftungsschächte oder ns Gebäude ntegrerte Atren kann das Kühlpotenzal der Nachtluft ausschöpfen. Aufgrund von höheren Temperaturdfferenzen können n der Praxs höhere Luftwechsel (ca. 10 h -1 ) resulteren. Dese treten jedoch ncht ganzjährg konstant auf und es wrd ncht empfohlen dese als Planungswerte heranzuzehen.

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19 3.2 Aktves System Mechansche Lüftung Ist ene natürlche Belüftung des Gebäudes ncht möglch, so kann ene mechansche Lüftung durchaus snnvoll sen. Neben dem Wnterbetreb mt ener Wärmerückgewnnung ergeben sch m Sommer wetere Vortele: Tagsüber kann der hygensch erforderlche Luftwechsel sehr genau engehalten werden, ohne dass zu vel (heße) Außenluft endrngt. Mt natürlcher Lüftung geht das nur schlecht. Nachts kann en erhöhter Luftwechsel von 4 h -1 (noch mehr verbraucht zu vel Strom) ebenso zuverlässg errecht werden. De wrksame Kühlung st dann bs zu 200 Wh/m² d. De Luft kann mt regeneratven Kältequellen vorgekühlt werden, bespelswese über enen Luft-Erdrechwärmetauscher. Für den Tagbetreb genügt oft ene Auslegung auf den hygenschen Mndestluftwechsel von 20 bs 40 m³/h Person Mechansche Lüftung und Luft-Erdrechwärmetauscher Im Erdrech werden Rohre verlegt, durch de de Zuluft für ene Lüftungsanlage angesaugt wrd. Dadurch st de Luft m Wnter berets vorerwärmt und m Sommer abgekühlt. Da dese vorerwärmte/abgekühlte Zuluft mechansch bewegt und dann m Gebäude vertelt werden muss, st ene mechansche Zu- und Abluftanlage m Gebäude ene Voraussetzung. Der Luft- Erdrechwärmetauscher st also ene snnvolle Ergänzung ener berets vorhandenen Zu- und Abluftanlage mt Wärmerückgewnnung. Funkton De Temperatur n der Erde verändert sch mt zunehmender Tefe sehr schnell. An der Oberfläche entsprcht se der aktuellen Lufttemperatur, nach 3 m Tefe hat se sch wetgehend, nach 10 m Tefe vollständg auf de durchschnttlche jährlche Lufttemperatur von etwa 9 C angepasst. Deser resge Specher mt etwa 9 C st natürlch nteressant. Ist es draußen kälter (Wnter), kann de Luft bs auf dese 9 C aufgehezt werden. Ist es draußen wärmer (Sommer), kann de Luft abgekühlt werden. Und das Alles (bs auf den Ventlatorstrom) ganz regeneratv. Konstrukton Für de Konstrukton von Luft-Erdrechwärmetauscher gbt es enge Faustregeln zur Vordmensonerung: Der Abstand zwschen zwe Rohren soll mndestens das 3 bs 4 -fache des Rohrdurchmessers betragen. De optmale Verlegetefe st 3 m, de optmale Strömungsgeschwndgket der Luft m Rohr st 2 m/s. En m² Erdrechwärmetauscher versorgt etwa 1,5 m² Nutzfläche. Sommerlches Verhalten Be ener Verlegetefe von 3 m wrd de warme Außenluft auf höchstens 20 C gekühlt. Wrd mt dem hygensch erforderlchen Luftwechsel gearbetet, dann st de so produzerte Kältelestung m Verglech zu den Wärmeenträgen (Sonne, Geräten, Kunstlcht und Menschen) relatv gerng. Ene Erhöhung des Luftwechsels mndert de Gesamtenergeeffzenz des Systems. Legt de Außentemperatur (nachts) unter 19 C, dann sollte der Luft-Erdrechwärmetauscher besser mt enem Bypass umfahren und das Gebäude drekt mt Außenluft gekühlt werden. De erzelbare Kühlung legt be etwa 50 Wh/m² d, n Kombnaton mt der Lüftungsanlage also be etwa 250 Wh/m² d. Wnterlches Verhalten De gesamte Lüftungsanlage, bestehend aus Zu- und Abluftanlage mt Wärmerückgewnnung und Luft-Erdrechwärmetauscher (der es allene auf enen Wrkungsgrad von etwa 35 % brngt) hat nsgesamt enen Wrkungsgrad der Wärmerückgewnnung von mndestens 80 %.

20 3.3 Aktves System Hybrdlüftung De Kombnaton aus natürlcher und mechanscher Lüftung wrd als Hybrdlüftung bezechnet. Be nedrgeren sommerlchen Außentemperaturen sollte en Gebäude ohne mechansche Lüftung auskommen und natürlch belüftbar sen. Nur m tefen Wnter (Wärmerückgewnnung) und be Htzeperoden m Sommer wrd de Lüftung zur Komfortverbesserung engesetzt. De Hybrdlüftung lässt sch ebenfalls mt enem Luft-Erdrechwärmetauscher kombneren. En weterer Vortel der Hybrdlüftung st ene zuverlässge Regelung bzw. Steuerung, falls ene automatsche Steuerung der Lüftungsöffnungen für de natürlche Lüftung ncht möglch st. In desem Fall wrd das Gebäude durch de mechansche Lüftung an Tagen ohne Nutzung kondtonert. De erzelbare Kühlung legt be etwa 200 Wh/m² d, n Kombnaton enem Luft- Erdrechwärmetauscher be etwa 250 Wh/m² d.

21 3.4 Thermsch aktve Bautele (TAB) Der Kern der Anlage st, dass de massve und fre legende Betondecke zum Kühlelement wrd. Damt entsteht en träges System, das tagsüber Wärme aus dem Gebäude schluckt, de dann vor allem nachts weder nach draußen geschafft wrd. 10 cm Beton können 65 Wh/m² Wärme aufnehmen, 30 cm Beton bs zu 200 Wh/m². De optmale Dcke der Decke legt zwschen 15 und 30 cm. Damt de Wärme transportert werden kann, st de Decke von Rohren durchzogen, durch de Wasser (oder auch Luft) als Transportmedum befördert wrd. Der Rohrabstand beträgt etwa 15 cm, der Durchmesser wenge cm (z.b. Rohrdurchmesser 17,0 x Wandstärke 2,0 mm). De Träghet deses Systems schafft ene angenehme Strahlungskälte (der nverse Kachelofen), begrenzt aber auch de maxmale Kälteabgabe n den Raum auf 250 Wh/(m² d). Weter muss wegen der Träghet der gesamte Energehaushalt unter Kontrolle sen, wel das System sonst auf plötzlche Energeenträge ncht rasch genug reageren könnte. Deshalb st ene mechansche Zu- und Abluftanlage m Gebäude ene Voraussetzung, auch um etwage Kondensatonsprobleme auf den Bautelflächen zu verhndern. Im Wnter kann dese Lüftung zur Wärmerückgewnnung genutzt werden. Ebenso wrd de Decke dann zum Nedertemperatur Hezkörper. De Kühlung erfolgt am Besten sowohl über de Decken (Grundkühlung) als auch über de Zuluft (Sptzenkühlung). De wrksame Kühlung mttels Betonkernaktverung beträgt ohne Wärmepumpe etwa 200 Wh/(m² d), mt Wärmepumpe 250 Wh/(m² d). De spezfschen Kühllestungen legen be Systemen mt Betonkerntempererung be max. 40 W/m², dabe legen de üblchen Vorlauftemperaturen m Sommer be 18 C (Sprezung: 2 bs 4 K = Dfferenz Entrtts- mnus Austrttstemperatur). Vortele der thermsch aktven Bauflächen: Hohe thermsche Behaglchket (be rchtger Flächenplatzerung ausgezechnete Kompensaton des Fassadenenflusses, ken Zugrsko, kene Geräusche, gernge Luftgeschwndgketen) Verstärkte Nutzung regeneratver Energen aus der Umgebung des Gebäudes: Umweltkälte (große Wärmeübertragerflächen m Raum gestatten de Nutzung von Wärmesenken und Wärmequellen, deren Temperaturen nahe an der Umgebungstemperatur legen, z.b. free Kühlung, Erdwärme) Nedrge Betrebskosten (gernge Transportenerge be Ensatz von Wassersystemen, gerngerer Prmärenergeverbrauch durch Nutzung von Umweltkälte (, hohe Lestungszahlen bzw. gernger Prmärenergebedarf bem Betreb von Kältemaschnen und Wärmepumpen) Ken Stellflächenverlust m Raum Nachtele und Grenzen der thermsch aktven Bauflächen: Begrenzte Kühl- und Hezlestung, da de Vorlauftemperatur wegen dem Selbstregeleffekt und der Systemträghet begrenzt st Hohe ualtät n Planung, Ausführung und Betreb erforderlch (Spechermanagment statt üblcher Regelung nötg; Messtechnk; hohe Massenströme und gernge Sprezungen, d.h. Hlfsenergeaufwand beachten) Systemplanung mt Bauphysk erforderlch (Akustk, Wärmeschutz etc.) Snd de thermsch aktven Bautele das enzge Kühlsystem und stehen kene weteren Systeme, we bespelswese ene Grundkühlung (gernger vorkondtonerter maschneller Luftvolumenstrom) oder ene Zusatzkühlung (erhöhter gekühlter Luftvolumenstrom) zu Verfügung, können sch folgende Enschränkungen ergeben: Kene Enzelraumregelung möglch, ene exakte Raumtemperatur st ncht garanterbar Indvduelle Beenflussung nur durch en Zusatzsystem oder durch Maßnahmen we Fensterlüftung möglch (kene Thermostatventle) Begrenzte Flexbltät hnschtlch Zonerung und Lastabfuhr

22 3.5 Thermsch aktve Bautele (TAB/Kapllarrohrmatten) flnkes System Entschedend für de Betrebswese von thermsch aktven Bautelen st de Höhenanordnung der Rohre n der Decke bzw. m Fußboden. Untenlegende Rohrregster (z.b. Kapllarrohrmatten) bewrken während der nächtlchen Beladung ene starke Raumauskühlung, weshalb de Ladezet verkürzt werden muss, dabe verrngert sch de Nutzbarket des Spechers. Raumnahe Rohrregster ermöglchen aber mt dem glechen System ene gut regelbare Nachkühlung am Tage, so dass de geforderte Raumtemperatur gewährlestet werden kann. Es zegt sch, dass de nachts verfügbare Umweltkälte auch n relatv dünnen Decken (z.b. 18 cm) nutzbar st, ene Bedarfskühlung am Tage zur Komfortverbesserung und Lestungsanpassung ermöglcht wrd sowe be entsprechender Gestaltung der Flgrandecken und der Anschlussverrohrung sogar ene raumwese Temperaturregelung realsert werden kann. En extrem obenlegendes Rohrregster (nachträglche Nutzung der Specherkapaztät von Massvdecken m Sanerungsfall) ermöglchen ebenfalls gute Nutzungsbedngungen. Dabe können be ener Wassertemperatur von 18 C (Sprezung: 2 bs 3 K) spezfsche Kühllestungen von bs zu 70 W/m² errecht werden. 3.6 Kühldecke Ene günstge Lösung zur lestungsstarken und behaglchen Lastabfuhr betet der Enbau ener Kühldecke kombnert mt dem hygensch erforderlchen bedngten Luftvolumenstrom und zegen be veränderten Lasten, z.b. be Nutzungsänderungen m Gebäude, sehr gute Möglchketen zur Lestungsanpassung. De maxmale Kälteabgabe n den Raum legt be bs zu 900 Wh/(m² d), st jedoch oft durch de Lestung der (regeneratven) Kältequelle begrenzt. Geschlossene Kühldecken schleßen ene Hnterlüftung der Kühlpaneele mt Raumluft aus, se sollten auf der Obersete gedämmt sen. Se snd hygensch und wärmephysologsch optmal. Offene Kühldecken haben Schltze zwschen den Paneelen oder ncht abgedeckte Perforatonen n den Paneelen, so dass de Raumluft aufgrund des thermschen Auftrebs auch de Rückseten der Kühlelemente beaufschlägt. De spezfschen Kühllestungen legen be geschlossenen Decken be max. 80 W/m², be offenen Decken durch enen hohen konvektven Antel be bs zu max. 120 W/m², dabe besteht jedoch be ener Kühllestung von über 100 W/m² Zuggefahr. De Betrebstemperaturen betragen m Sommer üblcherwese 16 bs max. 20 C be ener Temperatursprezung von 2 bs 3 K. Ene Lüftungsanlage st für den Ensatz ener Kühldecke be solch tefen Temperaturen und solch hoher Kühllestung unerlässlch, um de Raumluftfeuchte zu begrenzen. Es wrd von enem mnmalen Luftvolumenstrom ausgegangen, um de hygenschen Bedngungen zu erfüllen und de anfallenden Feuchtelasten aus dem Raum abzuführen (relatve Luftfeuchte sollte 50 % ncht überstegen Kondensatonsgefahr!).

23 4 Kältequellen Egnung und Dmensonerung 4.1 Erdsonde Der Untergrund kann als Wärme- und Kältequelle sowe als thermscher Energespecher genutzt werden. Er st wegen des großen erschleßbaren Volumens und des nahezu glechen Temperaturnveaus für vele Anwendungen m Nedertemperaturberech gut geegnet. De Temperatur n den oberen Erdschchten bs zu ener Tefe von ca. 10 m varert jewels zetversetzt mt den Jahreszeten entsprechend der Umgebungstemperatur, dabe kann de mttlere Temperatur m Erdrech ab 10 m Tefe mt ca. 10 C angenommen werden. Herbe können Wärmetauscher, z.b. konfektonert als Energesonden vertkal ns Erdrech engebracht werden, das Ganze recht dann bs n Tefen von 70 bs 150 m (ab Tefen > 100 m genehmgungspflchtg vom Bergbauamt). Damt sch de Sonden ncht gegensetg beenflussen, sollte hr Abstand mndestens 10 % hrer Tefe sen. Das Erdrech wrd also als Kältespecher benutzt, je nach Beschaffenhet des Erdrechs und der Grundwasserstuaton (Strömungsgeschwndgket) hat deser Specher ene bestmmte Kapaztät, de ncht überschrtten werden darf, da de Kältequelle Erdrech sonst zu warm wrd. Das glt sowohl für de täglche (Auslegungskrterum 1) als auch für de jährlche (Auslegungskrterum 2) Kälteentnahme. Der Specher regenerert sch von selbst (d.h. kühlt sch n der Nacht / m Wnter weder ab), wenn das Grundwasser schneller als 0,5 m/d fleßt. Ene Nutzung ausschleßlch zur Kühlung st ebenso möglch, m anderen Falle muss der Erdrechspecher m Wnter weder herunter gekühlt werden. Be den tefen, vertkalen Systemen gescheht des sehr snnvoll, ndem dese Wärme m Wnter zur Behezung des Gebäudes genutzt wrd. Tefe Sonden erfüllen des sehr gut, da etwa alle 30 m das Erdrech 1 K wärmer wrd, n 100 m Tefe also z.b. berets 12 C. Faustregel: je tefer de Sonde, desto mehr egnet sch das System zum Hezen und desto wenger zum Kühlen. Hez- und Kühlbedarf sollten n derselben Größenordnung legen. Mt ener Wärmepumpe kann das Aufhezen und Abkühlen des Erdreches zusätzlch unterstützt werden. Entschedend für den Wärmeentzug st de Wärmeletfähgket des Bodens, sene Dchte und spezfsche Wärmekapaztät, je feuchter der Boden st, desto günstger st deser. VDI 4640 [4] gbt de möglche Entzugslestung (für 1800 Betrebsstunden) abhängg von der Beschaffenhet des Untergrundes an: Untergrund mt hohem Grundwasserfluss: 100 W/m Festgesten mt hoher Wärmeletfähgket: 80 W/m Festgesten mt normalem Untergrund: 55 W/m Schlechter Untergrund, trockene Sedmente: 30 W/m De exakte Auslegung solcher Systeme st sehr komplex und erfordert Fachwssen. Her enge grobe Anhaltspunkte: Auslegungskrterum 1 täglche Kälteentnahme: Mt den vertkalen Sonden können pro Meter Sonde etwa 500 bs 700 Wh/d Kälte ns Gebäude befördert werden. Bespel: Täglcher Kältebedarf des Gebäudes Wh/d. Planung mt Erdsonden, 50 m lang. Pro m Sonde können etwa 600 Wh/d Kälte gelefert werden. Das ergbt / 600 = 350 m Pfahl, also 7 Sonden à 50 m. Auslegungskrterum 2 jährlche Kälteentnahme: Für de vertkalen Systeme hat der Kältespecher Erdrech pro Meter Sonde ene Kapaztät von 70 bs 90 kwh/(m a). Bespel: Jährlcher Kühlenergebedarf des Gebäudes kwh/a. Jährlche Kapaztät der geplanten Anlage 7 Sonden x 50 m x 80 kwh/(m a) = kwh/a des st absolut ausrechend.

24 4.2 Energepfahl, Schltzwand Bauwerke müssen be schwergen Baugrundbedngungen häufg tefgegründet werden. Überall dort, wo ene Pfahlgründung erforderlch wrd, betet sch ene Überprüfung an, ob de zusätzlche geothermsche Nutzung des Untergrunds durch Energepfähle (geothermsch aktverter Ortbeton oder Fertgpfähle) möglch st. Energepfähle nutzen das oberflächennahe geothermsche Potental zum Hezen und/oder Kühlen. Nur wenn vorrangger Wärmeentzug gegeben st, wrd tatsächlch de oberflächennahe Erdwärme (oberflächennahe Geotherme) genutzt. Be wechselsetgem Kühl- und Hezbetreb funktoneren Energepfähle und das se umgebende Erdrech als sasonaler Kälte und Wärmespecher. Dann legt streng genommen kene Nutzung der oberflächennahen Geotherme m Snne enes dauerhaften Wärmeentzugs vor, sondern der Untergrund wrd geothermsch genutzt. Das Funktonsprnzp von Energepfählen st analog dem von Erdwärmesonden. Ene umschaltbare Wärmepumpe gbt de dem Gebäude entzogene Wärme an den Energepfahlkreslauf ab (Kühlbetreb). De Kosten für de Herstellung des Wärmetauschers Energepfahl snd m Verglech zur herkömmlchen Erdwärmesonde erfahrungsgemäß um ca. 40 bs 50 % gernger. Energepfahlanlagen erfordern ene optmale, den Untergrundverhältnssen angepasste Auslegung und Dmensonerung. Neben der Wärmeletung durch das Erdrech, bestmmen volumetrscher Wärmefluss (Wärmetransport) mt dem Grundwasser, Pfahlanordnung (u. a. gegensetge Beenflussung), konstruktve Merkmale (geothermsche Aktverung und Pfahlgeometre) und Betrebsregme der Geoenergezentrale de Lestungsfähgket von Energepfählen. De spezfsche Entzugslestung von Energepfählen/Schltzwänden st auch vom Durchmesser abhängg, dabe beträgt dese für [5]: Energepfahl, Ø 30 bs 50 cm: 40 bs 60 W/lfm Energepfahl, Ø > 60 cm: 35 W/m² Mantelfläche Energeschltzwand: 30 W/m² Mantelfläche Der täglche Kälteentzug für Energepfähle bzw. Schltzwände legt be etwa 500 bs 700 Wh/d lfm [6]. Ene überlange Nutzungsdauer sowe en enfacher Energestrom (nur Kühlen oder Hezen) führen zu ener gerngeren Entzugslestung. Hngegen lefert ene vorhandene Grundwasserströmung sowe ene kombnerte Anwendung (Kühlen und Hezen) n Verbndung mt ener hohen Wärmeletfähgket und Wärmespecherfähgket des Bodens ene höhere Entzugslestung. Es sollte daher berets be den Voruntersuchungen de gesamte Klmakonzepton des Gebäudes berückschtgt werden, wobe zu beachten st, dass das System zum Hezen und Kühlen (Energeblanz m Boden) genutzt wrd und der Entrag der Energe n das Gebäude über en Nedrgtemperaturhezsystem, welches auch zum Kühlen geegnet st, erfolgt. De Nutzungsdauer der drekten Kühlung st beschränkt, wenn ken fleßendes Grundwasser vorhanden st, da bem Errechen ener Bodentemperatur von 19 C de Absorptons-/Trägerflüssgket ncht mehr ausrechend gekühlt wrd. Mttels Kältemaschne/Wärmepumpe kann das System weter betreben werden, wobe zu berückschtgen st, dass de Wärme der Antrebsenerge n den Boden abgeführt werden muss.

25 4.3 Grundwasser De Verwendung von Grundwasser für Kühlzwecke st aufgrund senes nutzbaren Temperaturnveaus enes der wrkungsvollsten Kältequellen. So kann man mt enem mttleren Grundwasser- Jahrestemperaturnveau von 10 bs 12 C rechnen. Aufgrund des sehr tefen nutzbaren Temperaturnveaus des Grundwassers (mttlere Vorlauftemperaturen von 12 C möglch) st ene Redukton von Kühlflächensystemen möglch. Her st zuerst zu prüfen, ob Wasser n ausrechender Menge und Fleßgeschwndgket (das aufgewärmte Wasser muss abfleßen und neues, kaltes Wasser nachströmen können) verfügbar st. Ist das Wasser ncht kalt genug, muss ene Wärmepumpe dazwschen geschaltet werden. Des Weteren muss ene grundwasserrechtlche Genehmgung vorhanden sen und es darf zu kener Durchmschung von angesaugtem und rückgeführtem Grundwasser kommen (Saug- bzw. Schluckbrunnen nötg). Ebenfalls st ene Aufhezung des Grundwassers zu vermeden, des st m Enzelfall mt der zuständgen Behörde abzuklären. Be der Nutzung von Grundwasser als Kältequelle st noch zu prüfen, ob n der näheren Umgebung berets das Grundwasser zu Kühlzwecken genutzt wrd. Des kann nsbesondere n Innenstadtberechen zu ener Aufhezung des Grundwasserleters führen. Ncht selten stegt, be vermehrter lokaler Nutzung, das Temperaturnveau auf 20 C an. Das Grundwasser kann drekt über enen Wärmetauscher be Nedertemperatursystemen genutzt werden, etwage Sptzenlasten können über ene Wärmepumpe abgefangen werden. Be enem Durchsatz von enem Kubkmeter Grundwasser pro Stunde kann ene Kühllestung von ca. 4,5 kw erwartet werden (gültg für enen T von 4 Kelvn). Des würde für ene Bürofläche von ca. 83 m², gekühlt mt TAB, ausrechen (spezfsche Auslegung von 12 l/h m²). 4.4 Trocken- und Nasskühlturm (free Kühlung) Trockenkühlturm Kühlturm zur Rückkühlung von Wasser, be dem ken drekter Kontakt zwschen dem zu kühlenden Wasser und dem Kühlmedum Luft besteht. Das erwärmte Wasser wrd, ähnlch we n enem Kraftfahrzeugkühler, von Luft gekühlt und weder über enen Wärmetauscher zu den TABs bzw. Kühldecken geletet. Der zur Kühlung erforderlche Luftzug wrd durch Ventlatoren gewährlestet. Nasskühlturm (Hybrder Kühlturm) Kühlturm zur Rückkühlung von Wasser, be dem das zu kühlende Wasser mt der Kühlluft n drekten Kontakt kommt und durch Verdunstung und Erwärmung der Luft an dese Wärme abgbt. Der zur Kühlung erforderlche Luftzug wrd durch Ventlatoren schergestellt. Dabe wrd der Wärmetauscher auf der Luftsete durch enen sekundären Wasserkreslauf besprüht. Durch de Verdunstung des Wassers kann enersets de Wärmetauscherfläche reduzert werden und anderersets kann anstelle der Außenluft- de Feuchtkugeltemperatur ausgenutzt werden. Ene set Jahrtausenden verwendete Methode zur Kühlung st de Verdunstung von Wasser. Neben der drekten Nutzung der Verdunstungskühlung m Klmazentralgerät kann de Verdunstungskühlung auch ndrekt über Kühltürme genutzt werden. Her st jedoch zu beachten, dass be desen Systemen nsbesondere m Sommer n Abhänggket der relatven Luftfeuchtgket der Luft (ausgedrückt über de Feuchtkugeltemperatur) für de Nutzung zur Kühlung nur verglechswese hohe Kühlwassertemperaturen errecht werden. Je höher de relatve Luftfeuchte der Luft, desto schlechter funktonert de Verdunstung. Für de Nutzung mt freer Kühlung st ene Systemtemperatur von oberhalb 18 C zu erzelen. Mt enem hybrden Kühlturm errecht man n der Praxs Kühlwassertemperaturen etwa 2 bs 4 K über der Feuchtkugeltemperatur. In München rechnet man zum Bespel mt ener maxmalen Feuchtkugeltemperatur von 21 C, was ene Kühlwassertemperatur von 25 C zur Folge hätte. Des bedeutet, dass dese Systeme n heßen und feuchten Sommern vorwegend n der Nacht betreben werden sollten, damt ene ausrechend tefe Kühlwassertemperatur errecht wrd. Deshalb egnen sch vorwegend spechernde Systeme we de Bautelaktverung für de Nutzung der freen Kühlung.

26 4.5 Kältemaschne Recht das Temperaturnveau des aus dem Erdrech/Grundwasser strömenden Trägermedums ncht aus, um de erforderlche Kühlaufgabe zu übernehmen, dann kann das Erdrech/Grundwasser als Wärmesenke für ene Kältemaschne verwendet werden. Des st zum Bespel dann notwendg, wenn de Zuluft des Gebäudes für de Klmatserungsaufgabe entfeuchtet werden muss. De notwendge Kaltwassertemperatur für de Entfeuchtung beträgt dann ca. 6 bs 8 C und des steht m Erdrech/Grundwasser ncht zur Verfügung. Der elektrsche Energebedarf für den Betreb der Kältemaschne snkt mt stegender Temperatur m Kondensatorkres. Be wassergekühlten Kältemaschnen st ene Rückkühlung über de Außenluft üblch (nasse oder trockene Kühltürme). De Systemtemperaturen m Rückkühlkres legen damt n der Praxs zwschen 25 C und 40 C. Nutzt man de Wärmesenke Erdrech/Grundwasser, dann kann man mt geegneten Kältemaschnen de Systemtemperaturen m Rückkühlkres absenken. Damt stegt de Lestung der Kältemaschne, und der elektrsche Energebedarf snkt. Oft kann auf enen zusätzlchen Kühlturm ganz verzchtet werden. 4.6 Wärmepumpe Enge Wärmepumpen können auch zum Kühlen enes Gebäudes engesetzt werden. Dabe kann zwschen zwe unterschedlchen Methoden der Kühlung dfferenzert werden: Mechansche Kühlung: De Funktonswese der Wärmepumpe wrd umgekehrt, sodass dese we en Kühlschrank arbetet. Häufg wrd dese Kühlung auch als reversbler Betreb der Wärmepumpe bezechnet. Drekte Kühlung: De Soleflüssgket bzw. das Grundwasser nehmen über enen Wärmetauscher de Wärme aus dem Kühlkres auf und führen dese nach außen ab. Be deser auch als Natural Coolng bezechneten Funkton st de Wärmepumpe bs auf de Regelung und Umwälzpumpen ausgeschaltet. "Natural Coolng" Generell snd m Sommer de Temperaturen m Inneren enes Gebäudes höher als m Erdrech oder m Grundwasser. Dadurch kann das Erdrech oder das Grundwasser zur natürlchen Kühlung des Gebäudenneren genutzt werden. Aufgrund der hohen Außenlufttemperaturen m Sommer kann kene Luftwärmepumpe für das "Natural Coolng" engesetzt werden. Generell st de Kühlfunkton n Ihrer Lestungsfähgket ncht mt ener Vollklmatserung zu verglechen. De Kühllestung st her abhängg von der Wärmequellegröße und der Wärmequellentemperatur. Da dese Faktoren von der Jahreszet abhängg snd, hat z.b. das Erdrech am Ende des Sommers mehr Wärme gespechert und dadurch nmmt de Kühllestung ab. "Natural Coolng" st besonders energesparend und kostengünstg für de Gebäudekühlung, da nur en sehr gernger Stromverbrauch benötgt wrd. De Wärmepumpe geht nur für de Trnkwassererwärmung n Betreb. Zur drekten Kühlung der Räume können folgende Nedertemperatur-Systeme angeschlossen werden: Gebläsekonvektoren Kühldecken Fußbodenhezungen Bautelaktverung (BKT) Kapllarrohrmatten

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