FF TGA TGA + + E E Forschung und Entwicklung Technische Gebäudeausrüstung Prof. Dr.-Ing. habil. Bernd Glück Westsächsische Hochschule Zwickau (FH) F Fa ac ch hl li ic ch he er r T Te ei il l d de es s g ge em me ei in ns sa am me en n A Ab bs sc ch hl lu us ss sb be er ri ic ch ht te es s d de es s F F/ /E E- -T Th he em ma as s: : E En nt tw wi ic ck kl lu un ng g v vo on n P Pr ro od du uk kt te en n m mi it t K Ku un ns st ts st to of ff f- -K Ka ap pi il ll la ar rr ro oh hr rm ma at tt te en n z zu ur r u um mw we el lt ts sc ch ho on ne en nd de en n R Ra au um mh he ei iz zu un ng g u un nd d - -k kü üh hl lu un ng g Förderkennzeichen: 032 7241 A Bearbeiter: Clina Heiz- und Kühlelemente GmbH, Berlin U Um mw we el lt ts sc ch ho on ne en nd de e R Ra au um mh he ei iz zu un ng g u un nd d - -k kü üh hl lu un ng g d du ur rc ch h m mu ul lt ti iv va al le en nt te en n E Ei in ns sa at tz z v vo on n K Ku un ns st ts st to of ff f- -K Ka ap pi il ll la ar rr ro oh hr rm ma at tt te en n Förderkennzeichen: 032 7241 B Bearbeiter: Westsächsische Hochschule Zwickau (FH) Förderung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit PROJEKTTRÄGER JÜLICH Autor des Berichtes und der Algorithmen: Prof. Dr.-Ing. habil. Bernd Glück Goethestraße 18, D-08547 Jößnitz (Plauen) Tel.+Fax 03741 / 52 12 14 E-Mail
[email protected] Juni 2003 Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 2 Vorwort Die Suche nach neuartigen umweltschonenden Raumheiz- und Raumkühlsystemen stellt eine immerwährende Aufgabe dar. Vorhandene Technologien – beispielsweise Fußbodenheizungen – erscheinen durch jahrzehntelange Konstruktionsarbeit ausgereift. Neue Erzeugnisse bedürfen eines Technologiesprungs, der naturgemäß auch risikobehaftet ist. Vielfältige Ansätze von Wei- terentwicklungen gab es mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten aus Polypropylen, Teilerfolge stell- ten sich bei der Kühldeckenfertigung ein. Eine umfassende Durchdringung des gesamten Be- reichs der Technischen Gebäudeausrüstung fehlte jedoch bisher, denn die kleinen Herstellerfir- men verfügten nicht über das notwendige Forschungs- und Entwicklungspotenzial, während vie- le große Anlagenbauer in den Neuentwicklungen sogar eine unliebsame Konkurrenz sahen. Es ist das besondere Verdienst des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit und des Pro- jektträgers Jülich – personifiziert durch die Herren Dr.-Ing. H. Lawitzka und Dipl.-Ing. J. Gehr- mann – das Halbfabrikat "Kunststoff-Kapillarrohrmatte" als innovationsträchtiges Grundprodukt für den haustechnischen Bereich erkannt zu haben. Dadurch wurde eine sehr fruchtbare dreijäh- rige Forschungs- und Entwicklungsarbeit bei den beiden Partnern möglich: • Clina Heiz- und Kühlelemente GmbH, Berlin (Federführung und finanzielle Beteiligung) Geschäftführer: Dipl.-Ing. B. Chahed • Westsächsische Hochschule Zwickau (FH) Bereichsleiter Versorgungstechnik: Prof. Dr. rer. nat. B. Illing. In Teilbereichen wurde für beide Einrichtungen F F+ +E E T TG GA A Prof. Dr.-Ing. habil. B. Glück tätig. Die Entwicklungsforderung stand unter dem permanent gültigen Hauptaspekt: • Senkung des Primärenergieverbrauchs beim Anlagenbetrieb. Die Komponenten- und Systementwicklung erfolgte unter der strikten Forderung, Energie mit sehr niedrigem Exergiepotenzial einsetzen zu können. Außerordentlich gute Ergebnisse sind hierbei erreicht worden. Auf umfassendere Betrachtungen, die den Primärenergieaufwand im Lebenszyklus der Kompo- nenten und Anlagen einschließen, wurde bewusst verzichtet. Die Unkenntnis über später vor- handene Technologien – beispielsweise bei der Anlagenwartung oder gar beim Komponentenre- cycling – führt sehr oft zu fehlerhaften, zumindest jedoch zu nicht verifizierbaren Aussagen, die die Hauptaussage "Primärenergieverbrauch beim Anlagenbetrieb" unkontrolliert überlagert. Deshalb wurde der Bilanzkreis auf den Anlagenbetrieb beschränkt, und die weiteren mit der An- lage verbundenen Energieaufwendungen durch typische Ingenieurforderungen – beispielsweise Einsatz von völlig recycelbaren Werkstoffen, gut trennbare Verbundwerkstoffe usw. – pragma- Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 3 tisch begrenzt. Oftmals geschieht es, die Hauptforderung ohne genügende Beachtung der sehr wichtigen Rand- bedingungen erfüllen zu wollen. Diese sind außerordentlich vielfältig: • Beibehaltung oder Erhöhung der wärmephysiologischen Behaglichkeit • Beibehaltung oder möglichst Senkung der Investitionskosten. Der erstgenannten Randbedingung wurde eine besondere Bedeutung zuerkannt. Neuartige Über- legungen führten zu universell einsetzbaren Baukastenlösungen, die auch bei der zeitgenössi- schen Architektur des transparenten Bauens von Bürobauten bis zu Passivhäusern anwendbar sind. Sie gewährleisten eine sehr hohe thermische Behaglichkeit bei sehr niedrigem Primärener- gieeinsatz und direkter Nutzung von Umweltenergie. Die Entwicklung der Komponenten verfolgte sehr intensiv das Ziel der Investitionskostenredu- zierung, beispielsweise durch Verringerung oder Weglassen des Fußbodenestrichs, Minimierung der Putzdicken und "tapezierbare" Rohrregister bei thermisch aktiven Flächen, vereinfachte In- stallation durch Steckverbinder usw. Endgültige Kostendegressionen sind natürlich nur durch Massenanwendungen möglich, wozu alle denkbaren Vorkehrungen getroffen wurden. Dank der Förderung war es erstmalig möglich, das Einsatzspektrum der Kunststoff-Kapillarrohr- matten unter theoretischen und praktischen Gesichtspunkten umfassend zu untersuchen. Mit wis- senschaftlich-technischen Mitteln wurden die thermodynamischen Vorteile der Kapillarrohrmat- ten herausgearbeitet und danach konsequent die Produkte optimiert. Teilweise gelang es auch, Erkenntnisse der BIONIK bei der Komponentenentwicklung einzubringen. Dies könnte auch ein wichtiger Ansatz für weitere Entwicklungen sein. Die theoretischen Ergebnisse sind durch umfangreiche experimentelle Überprüfungen in ausge- zeichneter Weise verifiziert worden. Weitergehende Untersuchungen widmeten sich der Systementwicklung unter Verwendung der optimierten Komponenten. Auch diese Ergebnisse sind außerordentlich ermutigend. Im Bericht wird ausgehend von den bisherigen theoretischen Überlegungen und den praktischen Ergebnissen versucht, einen Ausblick über weitere erfolgversprechende Entwicklungen zu ge- ben. Für die finanzielle Förderung und die Workshopdiskussionen sei dem Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) und dem Projektträger Jülich gedankt. Der weitere Dank gilt der Fa. Clina, die durch zusätzliche Finanzierungen die Westsächsische Hochschule Zwickau (FH) unterstützte. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 4 Inhaltsverzeichnis 1 Gedanken zum Einsatz von Kunststoff-Kapillarrohrmatten ............................. 8 1.1 Vorteilhafte thermodynamische Eigenschaften ........................................................ 8 1.2 Vorteilhafte hydraulische Eigenschaften .................................. ............................... 13 1.3 Kombinationsvorteile thermodynamischer und hydraulischer Eigenschaften .......... 15 1.4 Nachteilige thermodynamische und hydraulische Eigenschaften ............................. 16 1.5 Bautechnische Eigenschaften .................................................................................... 16 1.6 Weitere Eigenschaften ............................................................................................... 16 1.7 BIONIK ..................................................................................................................... 17 2 Minimaler Exergie- bzw. Primärenergiebedarf ................................................... 19 2.1 Grundlegende Betrachtung ........................................................................................ 19 2.2 Anlagentechnischer Einfluss bei der Lastkompensation ........................................... 22 2.3 Anlagentechnischer Einfluss beim Wärmeträgertransport ........................................ 27 3 Optimale wärmephysiologische Bedingungen im Raum ..................................... 28 3.1 Grundlegende Betrachtung ........................................................................................ 28 3.2 Behaglichkeitsgleichung ............................................................................................ 28 3.3 Trockene Wärmeabgabe des Menschen .................................................................... 30 3.4 Operative Raumtemperatur (Empfindungstemperatur) im Behaglichkeitsbereich ... 32 3.5 Zug-Risiko ................................................................................................................. 33 3.6 Strahlungstemperatur-Asymmetrie ............................................................................ 34 3.7 Spezielle Anforderungen bei der Raumkühlung gemäß DIN 1946/02 und ISO 7730 ... 35 4 Wärmephysiologische Bewertung verschiedener Raumkühlsysteme ................. 38 4.1 Voll belegte Kühldecke ............................................................................................. 39 4.2 Umluftkühler .............................................................................................................. 40 4.3 Kühlsegel mit Umluftkühler ...................................................................................... 41 4.4 Gesamtbewertung ...................................................................................................... 43 4.5 Einsatz- und Entwicklungsempfehlungen, Fazit ....................................................... 47 5 Praktisch nutzbares Umweltenergiepotenzial ....................................................... 50 5.1 Fluss- und Seewasser ................................................................................................. 50 5.2 Grundwasser .............................................................................................................. 51 Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 5 5.3 Erdreich ..................................................................................................................... 53 5.4 Solarenergie als Wärmequelle ................................................................................... 54 5.5 Atmosphärische Luft als Wärmesenke ...................................................................... 54 6 Quo vadis Büroklimatisierung? - Zweiflächen-Bauteilaktivierung .................... 57 6.1 Grundüberlegungen für den Blick in die Zukunft ..................................................... 57 6.2 Geschichtlicher Rückblick und Entwicklungstrend .................................................. 58 6.3 Zweiflächen-Bauteilaktivierung passiv/aktiv ............................................................ 62 6.4 Zweiflächen-Bauteilaktivierung aktiv/aktiv .............................................................. 68 6.5 Gesamtbewertung der Zweiflächen-Bauteilaktivierung ............................................ 73 7 Heizphilosophie für Gebäude mit niedrigem Heizwärmebedarf ........................ 77 7.1 Grundanliegen der Wohnhäuser mit niedrigem Heizenergiebedarf .......................... 77 7.2 Derzeitige Konsequenz für die Heizungstechnik ...................................................... 77 7.3 Generelle Nutzungsanforderungen und mögliche Defizite ....................................... 78 7.4 Anlagentechnische Anforderungen und vorhandene Defizite ................................... 80 7.5 Wärmetechnisches Verhalten eines Raumes in einem Passivhaus ............................ 81 7.5.1 Raumdaten und Untersuchungsmethodik .................................................................. 81 7.5.2 Stationärer Betrieb ..................................................................................................... 83 7.5.3 Instationärer Betrieb .................................................................................................. 87 7.6 Fazit und Empfehlungen zur Weiterentwicklung der Heizungstechnik .................... 92 8 Zwischenfazit ............................................................................................................ 94 9 Thermisch aktive Baukörper .................................................................................. 95 9.1 Aufbau und charakteristische Merkmale ................................................................... 95 9.2 Kühlleistung der Speicherdecken .............................................................................. 96 9.2.1 Stationärer Betrieb einer Betondecke bei unterschiedlichen Raumtemperaturen ..... 98 9.3 Grundprinzipien zur Anwendung der thermisch aktiven Baukörper ......................... 99 9.4 Vollwertiges System zur Lastkompensation ............................................................. 103 9.5 Neuartige thermisch aktive Deckenkonstruktion ...................................................... 104 9.5.1 Vorschlag zur Vermeidung der üblichen Nachteile .................................................. 104 9.5.2 Grundsätze zur Bewertung der thermodynamischen Eigenschaften ......................... 106 9.5.3 Spezielle Untersuchung der thermodynamischen Eigenschaften der Filigrandecke mit integrierter Kapillarrohrmatte ............................................................................. 109 Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 6 9.5.4 Fazit ........................................................................................................................... 115 9.6 Neue Simulationsmethodik für die instationären, dreidimensionalen Vorgänge bei der thermischen Bauteilaktivierung .................................................... 117 9.6.1 Algorithmus ............................................................................................................... 118 9.6.2 Testrechnungen .......................................................................................................... 126 9.6.3 Fazit zum Simulationsprogramm ............................................................................... 126 9.7 Vergleich verschiedener Rohrregister mit konventionellen Rohren ......................... 127 9.8 Vergleich von konventionellen Rohrregistern mit Kapillarrohrmatten ..................... 128 9.9 Einflüsse der Wärmeleitfähigkeit des Betons und der Bewehrung ........................... 131 9.9.1 Modellierung ............................................................................................................. 131 9.9.2 Algorithmus ............................................................................................................... 134 9.9.3 Einfluss der Wärmeleitfähigkeit von homogenen Platten auf die Kühlleistung ....... 135 9.9.4 Einfluss der Bewehrung im unteren Plattenbereich auf die Kühlleistung ................. 137 9.10 Verteilung der Wärmestromdichte längs der Rohrregister ........................................ 140 10 Thermisch aktive Flächen am Baukörper ............................................................ 142 10.1 Untergehängte Kühldecken ....................................................................................... 143 10.1.1 Algorithmus zur Bewertung und Optimierung von Metall-Kühldecken mit aufgeklebten Kapillarrohrmatten ............................................................................... 145 10.1.2 Entwicklungspotenzial für konventionelle Deckenpaneele zu Kühldecken durch Integration von Kapillarrohrmatten ........................................................................... 150 10.1.3 Entwicklungspotenzial für Holzpaneele zu Kühldecken durch Integration von Ka- pillarrohrmatten ......................................................................................................... 155 10.1.4 Entwicklungspotenzial für Perlit- und Blähglasplatten zu Kühldecken durch Integration von Kapillarrohrmatten ........................................................................... 156 10.1.5 Entwicklung und Optimierung eines Wärmeleitpaneels ........................................... 157 10.1.6 Entwicklung und Optimierung einer Lamellenkühldecke ......................................... 157 10.2 Kühldecken und Kühlwände direkt am Baukörper ................................................... 159 10.2.1 Oberfläche von Rauputzen ........................................................................................ 160 10.2.2 Berechnungsmodell für heterogene Putzkühldecken mit Kapillarrohrmatten .......... 166 10.2.3 Kühlleistung bei Vergrößerung der Oberfläche und der Wärmeleitfähigkeit ............ 166 10.3 Kühlsegel und flexible Kühlflächen .......................................................................... 168 10.4 Kühlleistungen von Raumkühlflächen mit Kapillarrohrmatten ................................ 169 10.5 Fußbodenheizungen mit Kapillarrohrmatten ............................................................. 171 10.5.1 Stationäre Leistungsberechnung ................................................................................ 174 10.5.2 Instationäres Verhalten (Aufheizvorgang) ................................................................ 175 10.6 Leistungsermittlung von geschlossenen, thermisch aktiven Flächen – Normung ..... 177 Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 7 11 Kühlschächte mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten .............................................. 180 11.1 Algorithmus zur Leistungsberechnung der Kühlschächte ......................................... 182 11.1.1 Wärmetechnische Modellierung der Kapillarrohrmatten im Schacht ...................... 183 11.1.2 Strömungstechnische Modellierung der Kapillarrohrmatten im Schacht .................. 190 11.1.3 Verifikation ................................................................................................................ 194 11.2 Produktoptimierung mittels Simulation ..................................................................... 197 11.3 Kühlleistungen von optimierten Kühlschächten ........................................................ 199 12 Heizschächte mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten ............................................... 199 12.1 Experimentelle Untersuchungen ............................................................................... 200 12.2 Algorithmus zur Leistungsberechnung von kombiniert genutzten Schächten .......... 201 12.3 Verifikation und Leistungen ..................................................................................... 202 13 Thermoaktive Dämmung ........................................................................................ 205 13.1 Optimierungsaufgaben .............................................................................................. 208 13.2 Erweiterung des Verfahrens ...................................................................................... 210 13.3 Mögliche Anwendungen ............................................................................................ 214 14 Weitere Entwicklungen und Untersuchungen ...................................................... 217 15 Mögliche Energieeinsparungen bei umfassendem Einsatz von Kunststoff- Kapillarrohrmatten in Einkaufszentren ............................................................... 219 16 Empfehlungen für die Weiterführung der Kapillarrohrtechnik ........................ 224 Literaturverzeichnis ............................................................................................................. 225 Zeitschriftenveröffentlichungen mit Bezug auf das bearbeitete F/E-Thema (20 Artikel) ............................................................................................................................. 227 Anhänge auf CD-ROM (nur für Teilnehmer an der F/E-Bearbeitung) (1244 Seiten) .......................................................................................................................... 228 Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 8 1 Gedanken zum Einsatz von Kunststoff-Kapillarrohrmatten Kunststoff-Kapillarrohrmatten aus Polypropylen sind vor etwa zwanzig Jahren entwickelt wor- den. Die ursprüngliche Zielstellung war der Bau von korrosionsfesten Wärmeübertragern zur Abwärmenutzung. Die anfängliche Geometrie – durch die Herstellungstechnologie bedingt – gestattete jedoch keinen umfassenden Einsatz weder im Bereich der Wärmeübertrager noch im Bereich der Raumheizflächen, an die dann auch bald gedacht wurde. Die Weiterentwicklung zu einem Meter breiten Matten mit bis zu einhundert parallelen Kapillarrohren, die einzeln aufge- dornt in Verteilerrohren (sogenannte Stämme) gleichen Materials eingeschweißt wurden, bildete die Grundlage für eine erfolgreiche Komponentengestaltung. Diese Mattenform fand z. B. seit 1990 zunehmend Verwendung beim Bau von Kühldecken. Die Abmessungen der Röhrchen be- trugen vorwiegend 3,4×0,55 mm, die der Stammrohre 20×2 mm. Die Abstände der Röhrchen variierten zwischen 10 mm und 30 mm. Die Kühldeckenfertigung erfolgte in der Regel in hand- werklicher Form, wobei zahlreiche Entwicklungen intuitiv entstanden. Um gezielte Entwicklungen einzuleiten und das Einsatzgebiet zu erweitern, ist es notwendig die Besonderheiten der Kapillarrohrmatten zu erkennen. 1.1 Vorteilhafte thermodynamische Eigenschaften Die Geometrie der Kapillarrohrmatten bewirkt mehrere vorteilhafte wärmetechnische Eigen- schaften: I. Die kleinen Rohrabstände - ab 10 mm - ergeben sehr homogene Temperaturen in flächen- förmigen Bauteilen sowohl bei eingegossenen als auch bei aufgeklebten Matten. Daraus folgen zusammenfassend: • niedrige Über- oder Untertemperaturen des Wärmeträgers (≡ mittlere Wassertemperatur nahe der Raumtemperatur) bei vorgegebener Wärmestromdichte sogar auch bei Baustof- fen mit kleiner Wärmeleitfähigkeit (z. B. Blähglas mit λ = 0,09 W/(m K)), • gute Dynamik des Systems beispielsweise kurze Aufheiz- oder Abkühlzeiten, • sehr geringe Temperaturwelligkeit an der Bauteiloberfläche, • nahezu parallele Isothermenflächen zur Rohrregisterebene im Bauteil, • große verfügbare Wärme in Speicherbauteilen zum Beispiel in Massivdecken. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 9 Diese Aussagen sind durch einige Entwicklungsergebnisse, die in den Bildern 1.1 bis 1.4 vorab gezeigt werden, belegt. Die Erläuterungen finden sich in den Bildunterschriften. 0 100 200 300 400 500 26 28 30 32 34 36 38 40 konventionelle Rohrsysteme, PE 17×2 mm Estrich 67 mm Kapillarrohr- matte, PP 4,3×0,9 mm RA = 20... 30 mm F l i e s e n P a r k e t t F l i e s e n i m E s t r i c h 4 0 m m P a r k e t t i m K l e b e r 1 0 m m RA = 30 mm RA = 150 mm °C min Aufheizzeit bis zu 90 % der Leistung von 50 W/m² W a s s e r t e m p e r a t u r 2 h 4 h 6 h 8 h RA = 300 mm t W > 30 °C t W < 30 °C Bild 1.1 Erforderliche mittlere Heizwassertemperaturen und Aufheizzeiten für eine Fußbodenheizung mit eingeformten konventionellen Rohrmäandern bzw. Kapillarrohrmatten im Vergleich bei einer Wärmestromdichte von 50 W/m² sowie einer Raumtemperatur von 20 °C Die Kapillarrohrmatten im Kleber verlegt sind als derzeitiges Optimalziel zu verstehen. 0 50 100 150 200 26 28 30 32 34 36 38 40 konventionelle Rohrsysteme Cu, 10×1 mm, RA = 150 mm Kapillarrohr- matte 3,4×0,55 mm RA = 15 mm °C min Aufheizzeit bis zu 98 % der Leistung von 50 W/m² W a s s e r t e m p e r a t u r 1 h 2 h 3 h t W > 30 °C t W < 30 °C Blähglasplatte 35 mm Gipsplatte oder Gipsputz 15 mm mit Fliesen Gipsplatte oder Gipsputz 15 mm Gipsplatte 20 mm mit Fliesen Gipsplatte 20 mm Bild 1.2 Erforderliche mittlere Heizwassertemperaturen und Aufheizzeiten für eine Wandhei- zung mit eingeformten konventionellen Rohrmäandern bzw. Kapillarrohrmatten im Vergleich bei einer Wärmestromdichte von 50 W/m² sowie einer Raumtemperatur von 22 °C Der angegebene Zusammenhang zwischen der Leistung und dem Absolutwert der Temperatur- differenz (Raum - Wasser) gilt für den Kühlfall gleichermaßen, da für eine Heiz- und Kühlwand die gleichen Wärmeübergangskoeffizienten gelten. Die Varianten mit Rohrmäandern wären für den Kühlfall überhaupt nicht einsetzbar! Kühlwände mit Kapillarrohrmatten haben dagegen eine sehr hohe Leistung: 50 W/m² bei einer ∆t ≈ 8 K für Baustoff Gips und von ≈10 K für Baustoff Blähglas. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 10 Bauart ∆t W in K Kapillarrohrmatte RA = 15 mm in 15 mm Gips 0,1 Kupferrohrregister RA = 200 mm in 20 mm Gips 15,7 Kupferrohrregister RA = 150 mm in 20 mm Gips 13,6 Kupferrohrregister RA = 100 mm in 20 mm Gips 9,5 Kapillarrohrmatte RA = 15 mm in 35 mm Blähglas 1,3 Bild 1.3 Temperaturwelligkeit ∆t W auf der Oberfläche von Wandheizsystemen (≡ Wandkühlsys- temen) bei einer Temperaturdifferenz zwischen Wasser und Raum von 20 K durch Simulation ermittelt Man sieht die Temperaturhomogenität bei Einsatz von Kapillarrohrmatten sehr deutlich. In der Regel beträgt der Unterschied auf der Wandoberfläche nur 0,1 K, bei dem extrem schlechten Wärmeleiter Blähglas auch nur 1,3 K. Demgegenüber ergeben sich bei Kupferrohrregistern mit üblichen Rohrabständen beachtliche Temperaturschwankungen. DECKE_R | 29.9.1998 0 3 6 9 12 15 18 18 19 20 21 22 23 24 Temperatur in der Rohrebene y = 0 Rohre: 20×2 mm RA = 300 mm halber Rohrabstand 0 30 60 90 120 mm 150 0 7,5 mm 3,4×0,55 mm RA = 15 mm Raumtemperatur y = -50 mm y = -100 mm 24 °C 22 21 20 18 19 T e m p e r a t u r Rohrtemperatur Temperatur an der Deckenunterseite y = -150 mm Bild 1.4 Temperaturverläufe bei Kühlung einer Massivdecke der Dicke 300 mm mit einer mittleren Kühlwassertemperatur von 18 °C bei einer Raumtemperatur von 24 °C unter stationären Bedingungen Auf der Oberseite befindet sich ein Textilbelag (Dicke 10 mm, Wärmeleitfähigkeit 0,07 W/(m K)). Das Rohrregister liegt mittig in der Decke. links: konventionelle Rohrschlangen; rechts: Kapillarrohrmatten Dargestellt ist jeweils eine Symmetriehälfte von Mitte Rohr bis zur Mitte zwischen zwei Rohren. Die y-Achse beginnt in Höhe der Rohrebene und ist nach oben orientiert. Die Vertikalpfeile kennzeichnen den Temperaturbereich des Betons als Indiz für die Speicherwärme ("Speicherkäl- te") im Bauteil. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 11 II. Die kleinen Rohrdurchmesser - z.B. 3,4 mm - führen bei frei in der Luft angeordneten Mat- ten auch bei kleinen Luftgeschwindigkeiten zu großen konvektiven Wärmeübergangskoeffi- zienten. Daraus folgen zusammenfassend: • Wärmeübergangskoeffizienten sind 2 bis 3 mal so groß wie an einem 1/2" bzw. 3/4" Rohr • hohe konvektive Leistungen an Wärmeübertragerflächen aus Kapillarrohrmatten bereits bei niedrigen Über- oder Untertemperaturen des Wärmeträgers (≡ mittlere Wassertempe- ratur nahe der Lufttemperatur). Auch hier zeigen Vorabergebnisse (Bilder 1.5 und 1.6) der durchgeführten Entwicklungen das Leistungspotenzial. Bild 1.5 Kühlleistun- gen für freihängende Kapillarrohrmatten der Fa. Clina in Funktion der Raumübertempera- tur (Bezugsfläche ist die Projektionsfläche der Matte) (siehe auch Bild 10.31) Bild 1.6 Kühlleistungen von verschiedenen Schachtkonstruktionen der Fa. Clina (Baulänge 1 m) (siehe auch Bild 11.15) 2 4 6 8 10 12 14 0 50 100 150 200 250 300 Raumtemperatur - mittlere Wassertemperatur K ü h l l e i s t u n g Kapillarrohre horizontal Kapillarrohre vertikal K W/m² 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 0 200 400 600 800 1000 Wassereintrittstemperatur in °C K ü h l l e i s t u n g i n W Temperaturspreizung des Wassers 1 ... 8 K Raumtemperatur 26 °C Raumtemperatur - Wassereintrittstemperatur in K 16 14 12 10 8 6 Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 12 III. Die geometrischen Abmessungen der Kapillarrohrmatten bewirken bei sensiblen und laten- ten Wärmespeichern eine hohe Speicherdichte. Daraus folgen zusammenfassend: • bei flächenförmigen Speichern werden sehr große Rohroberflächen bezogen auf die be- legte Mattenfläche erreicht (z. B. bis 145 % mehr als bei Rohrmäandern), • bei Volumenspeichern sind große Wärmeübertragerflächen im Speichermaterial bei ge- ringer Reduzierung der Speichermasse realisierbar (z. B. bis zu 200 % größere Oberflä- che und volumenbezogene Übertragungsleistung bei gleichem Speichervolumenverlust). Diesbezüglich sollten noch intensive Untersuchungen zur Speichergestaltung erfolgen. Bisherige Ergebnisse liegen für Massivspeicherdecken vor. Sie sind beispielhaft im Bild 1.7 gezeigt. 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 600 700 800 900 1000 Normalrohr 17×2 mm Normalrohr 20×2 mm RA = 300 mm 150 RA = 200 mm 250 300 Kapillarrohr 4,3×0,9 mm Kapillarrohr 3,4×0,55 mm RA = 40 mm 50 30 20 RA = 15 mm Rohraußenfläche / Deckenfläche n e g a t i v e S p e i c h e r w ä r m e Wh/m² Bild 1.7 Korrelation zwischen der Rohroberfläche, die im Bauteil integriert ist, und der Spei- cherwärme einer Massivdecke (Dicke 300 mm, Oberseite mit Textilbelag der Dicke 10 mm, Rohrregister mittig in der Decke, mittlere Kühlwassertemperatur 18 °C, Raumtemperatur 24 °C, stationäre Bedingungen analog Bild 1.4) IV. Durch die Mattengeometrie wird eine einheitliche Durchflussrichtung des Wärmeträgers bewirkt, wodurch die günstigste Temperaturdifferenz zur Umgebung besteht. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 13 1.2 Vorteilhafte hydraulische Eigenschaften Bezeichnend ist, dass beim ersten Betrachten von Kapillarrohrmatten mit Innendurchmessern der Röhrchen von 2,3 mm bzw. 2,7 mm sofort der subjektive Gedanke an einen hohen Druckverlust entsteht. Dies ist bei Auswertung der Rechenergebnisse aber völlig unbegründet. Im Gegenteil bietet die Mattengeometrie und die damit realisierte Durchströmung sehr vorteil- hafte hydraulische Bedingungen: I. Infolge der Paralleldurchströmung des Rohrregisters entstehen niedrige Druckverluste auch bei sehr kleinen Temperaturspreizungen. II. Kann bei einer thermisch aktiven Fläche die Mattenlänge gleich gewählt werden, dann lie- gen auch nahezu gleichmäßige Druckverluste vor. Beispielhaft wird eine Belegungsfläche von 20 m² betrachtet. Die Wärmestromdichte betrage 50 W/m². Für die Temperaturspreizungen des Wassers wurden 2 K sowie 4 K angesetzt und die Druckverluste für konventionelle Rohrverlegungen in mäanderförmigen Rohrschlangen (hintereinander oder bifilar) sowie für Kapillarrohrmatten untersucht (Bild 1.8). Die theoretischen Rohrlängen berechnen sich in allen Fällen zu l = RA A K mit der jeweils von einem Stromkreis belegten Fläche A K und dem Rohrabstand RA. Die Einzelwiderstände für Bogen und Abzweige sowie Durchgänge mit den jeweiligen Trennungen und Vereinigungen sind nach [1] eingerechnet worden. Ein Auszug der umfangreichen Ergebnisse findet sich im Bild 1.8. Hieraus ergeben sich die zusammengefassten Aussagen: ● Die Druckverluste der Kapillarrohrmatten sind in erster Näherung unabhängig von der An- zahl der Stromkreise. Sie überschreiten nur in einem Ausnahmefall - und da auch nur ge- ringfügig - 10 kPa. Hieraus resultiert ein geringer Planungsaufwand. ● Die Druckverluste der konventionellen Rohrschlangen sind äußerst heterogen. Sie steigen mit kleinerer Stromkreiszahl und mit abnehmender Spreizung stark an. Es ist schwierig und zeitaufwendig, den hydraulischen Abgleich für alle Stromkreise herzustellen. ● Bei Rohrschlangen mit kleinen Rohrdurchmessern, die aus thermodynamischer Sicht güns- tig sind, müssen mehrere parallele Stromkreise eingesetzt werden. Teilweise ergeben sich dabei unrealistische Verhältnisse. Beispielsweise müssten bei Kunststoffrohr 10,5×1,25 mm fünf oder sechs Stromkreise gebildet werden, um bei 4 K Spreizung ein ∆p ≈ 10 kPa oder 5 kPa zu verwirklichen. Bei 2 K Spreizung - ein angestrebter Fall bei Umweltenergieeinsatz - ergibt sich bei sechs Kreisen noch ein Druckverlust von etwa 22 kPa. Bei dieser Stromkreis- Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 14 zahl müssten bei Parallelanschluss an den Verteiler immerhin 12 Leitungen verlegt werden. Ein praktisch kaum realisierbarer Aufwand! 0 1 2 3 4 5 6 0 10 20 30 40 50 Stromkreise D r u c k v e r l u s t kPa Matten 2,5/30 bzw. 2,3/15 8/60 8/100 d i =10 mm/RA=100 mm 10/150 10/300 13/150 16/150 16/300 50 W/m² bei: 2 K 4 K Bild 1.8 Druckverluste von Rohrregistern mit einer Belegungsfläche von 20 m² und einer Wär- mestromdichte von 50 W/m² in Abhängigkeit der Stromkreiszahl und des Rohrsystems Dargestellt sind die Ergebnisse für Temperaturspreizungen des Wassers von 4 K und 2 K (Kurve begrenzt den jeweiligen Bereich nach oben). Beschriftung der Bereiche: erste Zahl kennzeichnet den Rohrinnendurchmesser; zweite Zahl gibt den Rohrabstand an. III. Die Mattenform stellt bei großen Wärmeübertragerflächen – wie beispielsweise bei Raum- umfassungen erforderlich – die logische Entwicklungskonsequenz dar. Bild 1.9 zeigt die Entwicklungsrichtung an. Bild 1.9 Ausgehend von der mäander- oder spiralförmigen Rohrverlegung mit Einzelanschluss der Stromkreise wird bei Verknüpfung zahlreicher Stromkrei- se üblicherweise ein übergeordnetes Tichelmannsystem verwendet. Wenn die einzelnen Stromkreise zu einem geraden Rohr "entarten", entsteht die Mattenstruktur. Der im Bild eingetrage- ne Pfeil demonstriert diese Entwick- lungsrichtung. K r e i s I I RA K r e i s I K r e i s I I RA Mäanderform Spiralform K r e i s I K r e i s I I RA K r e is I K r e is I I K r e is I I I K r e is I V verbundene Mäanderform Mattenform K r e i s I Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 15 1.3 Kombinationsvorteile thermodynamischer und hydraulischer Eigenschaften Beim Einsatz von Kapillarrohrmatten ist der in der Technik seltene Fall zu beobachten, dass sich zwei Vorteile unterschiedlicher Gebiete sehr gut ergänzen. Beim Einsatz von Kunststoff-Kapillarrohrmatten ist die Kombination von zwei Entwicklungszie- len, möglichst raumnahe Wassertemperaturen und kleine Druckverluste gleichzeitig erreichbar. Bild 1.10 zeigt die Gegenüberstellung von mäanderförmigen Systemen und von Mattensyste- men. Die Einzelziele sind mit herkömmlichen Systemen erreichbar, beispielsweise sind niedrige Wassertemperaturen für Fußbodenheizungen mit dem Rohr 10,5×1,25 mm, RA = 60 mm und niedrige Druckverluste mit dem Rohr 17×2 mm, RA = 300 mm möglich. Beide Ziele gleichzeitig zu erreichen, ist aus heutiger Sicht nur durch den Einsatz von Kunststoff-Kapillarrohrmatten denkbar. Bild 1.10 Erforderliche mittlere Wassertemperaturen und zugehörige Druckverluste bei einer Belegungsfläche von 20 m², einer Wärmestromdichte von 50 W/m² und einer Raumtemperatur von 20 °C mit unterschiedlichen Rohrsystemen im Vergleich für eine Temperaturspreizung von 2 K (inhaltliche Verknüpfung der Bilder 1.1 und 1.8) Als Beispiel wurde eine Fußbodenheizung betrachtet, die Aussagen gelten jedoch gleichermaßen auch für andere thermisch aktive Flächen. Die römischen Zahlen geben die Anzahl der Stromkreise an. Die Sterne in der Nähe des Koordi- natenursprungs stellen Kapillarrohrmatten im Kleber dar (voller Stern für Parkettbelag, leerer Stern für Fliesenbelag) und sind als derzeitiges Optimalziel zu verstehen. 0 10 20 30 40 50 60 70 26 28 30 32 34 36 38 40 Druckverlust W a s s e r t e m p e r a t u r °C Matten 4,3×0,9 mm RA = 30 mm im Estrich 40 mm kPa konventionelle Rohrsysteme im Estrich 67 mm 17×2 mm RA = 300 mm Parkett Fliesen 17×2 mm RA = 150 mm 10,5×1,25 mm, RA = 60 mm, Parkett Parkett Fliesen I I II II II II IV V I I V V Parkett Fliesen VI 3,4× 0,55 RA=15 V Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 16 1.4 Nachteilige thermodynamische und hydraulische Eigenschaften Die wärmetechnischen Nachteile der Kapillarrohrmatten sind die in der Regel vorhandene lami- nare Strömungsform in den Röhrchen und die niedrige Wärmeleitfähigkeit des Materials. Beides wird aber durch die geringe Rohrwanddicke kompensiert bzw. überkompensiert, sodass der Wärmedurchgangskoeffizient vielfach sogar höher als bei vergleichbaren Rohren ist. Eine vergleichende Berechnung zeigt die Tabelle 1.1 beispielhaft. Tabelle 1.1 Wärmedurchgangskoeffizient von verschiedenen Rohren bei typischen geometri- schen und strömungstechnischen Bedingungen, wenn auf der Außenseite freie Konvektion zur Luft vorhanden ist Rohrart d a /d i λ Rohr t Wasser w Wasser α i α a k innen mm W/(m K) °C m/s W/(m²K) W/(m²K) W/(m²K) Kapillarrohr 4,3/2,7 0,21 10 °C 0,2 888 7,5 11,4 Verbundrohr 20/16 0,35 10 °C 0,8 3278 7,5 8,9 Kupferrohr 15/13 372 10 °C 0,5 2057 7,5 8,6 1.5 Bautechnische Eigenschaften Kunststoff-Kapillarrohrmatten zeichnen sich durch einen sehr geringen Materialeinsatz und durch eine nur geringe Schwächungen des Bauteils, in dem diese gegebenenfalls eingebettet sind, aus. Bei der Massivdeckenspeicherung ergaben Berechnungen die in Tabelle 1.2 dargestellten Ergeb- nisse. Tabelle 1.2 Speicherwärme im Bauteil bezogen auf den Kunststoffeinsatz Normalrohr 20×2 mm RA = 300 mm RA = 150 mm 1,71 MWh/m³ 1,07 MWh/m³ 57 % 36 % Kapillarrohr 3,4×0,55 mm RA = 15 mm 2,99 MWh/m³ 100 % 1.6 Weitere Eigenschaften Polypropylen erfüllt die Anforderungen der Stoffe, die mit Trinkwasser und Lebensmitteln in Kontakt kommen dürfen. Es ist grundwasserneutral und wird von Mikroorganismen nicht angegriffen. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 17 Bis 60 °C ist Polypropylen gegenüber vielen Lösungsmitteln beständig, gegenüber starken Lö- sungsmitteln ist es bedingt bis nicht widerstandsfähig. Kupferionen können über längere Einwir- kungszeiten die physikalischen Eigenschaften des Polypropylens verschlechtern. Das Material ist nicht diffusionsdicht gegenüber Sauerstoff. Bei Einbau von nicht korrosionsfes- ten Materialien sind getrennte Kreisläufe vorzusehen. 1.7 BIONIK Die junge Wissenschaft BIONIK lehrt, wie die natürlichen Vorgänge - vor allem im Bereich der Biologie - auf das Gebiet der Technik zu übertragen sind. Dabei können stets nur Teile der kom- plexen Vorgänge transferiert werden. Bezüglich der flächenförmigen Wärmeübertrager ist eine Analogie zur Durchblutung der menschlichen Haut gegeben. Bewusst wird nicht von der Haut in ihrer Gesamtheit gesprochen, da deren Funktion so komplex ist, dass ein "Nachbau" völlig utopisch wäre. Das Blutgefäßsystem, über das die Wärmeabgabe nach außen erfolgt, kann jedoch eine technische Umsetzung durch Kapillarrohrmatten in den Bauteilen erfahren (Bild 1.11). Bild 1.11 Teil des menschlichen Blut- kreislaufes (links) und Kunststoff- Kapillarrohrmatte der Fa. Clina mit Röhr- chen der Durchmesser 3,4×0,55 mm oder 4,3×0,8 mm mit Rohrabständen ab 10 mm (rechts) In beiden Fällen erfolgt eine Aufteilung des Gesamtmassestromes in parallel durchströmte Fluidkanäle. Die Strömungsgeschwindigkeiten in den Arterien und in den Kapillarrohren liegen in der gleichen Größenordnung von 0,05 m/s bis 0,2 m/s. Zusammenfassung der Analogie im Sinne der Bionik: • Der effiziente wirtschaftliche Wärmetransport erfolgt in beiden Fällen mit einem flüssigen Wärmeträger. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 18 • Die Fluidbeaufschlagung der Heiz-/Kühlfläche mittels parallel durchströmter Röhrchen wird in Analogie zum Blutkreislauf gesehen, der durch die Evolution "optimiert" wurde. Ein entfernteres Vorbild entstammt der Hydrographie. Ein Flusslauf in einer breiten Aue bil- det beispielsweise dann Mäander, wenn er durch das gegebene Gefälle Energie "verschwen- den" darf. Ist kaum potentielle Energie vorhanden, dann fließt er in parallelen Verzweigun- gen, wie z. B. in einem Mündungsdelta üblich. • Der geringe Abstand der Fluidkanäle bewirkt auch ohne Wärmeleitrippen eine homogene Temperaturverteilung auf der Oberfläche. Zusätzliche Wärmeleitrippen zwischen den Fluidkanälen – wie beispielsweise bei konventi- onellen Fußbodenheizungen im Trockenverlegeverfahren üblich – bringen bei den kleinen Rohrabständen keine merkliche Verbesserung. Stattdessen wären nötigenfalls engere Rohr- abstände sinnvoll. Die Natur arbeitet offenbar nach dem gleichen Bauprinzip. Unter Nutzung der Kapillarrohrmatten können sogar schlecht wärmeleitende Baustoffe Verwendung finden. • Für alle Wärmeübertrager kann ein einheitliches Konstruktionsprinzip gewählt werden. • Die gleichzeitige sehr gute Erfüllung der unterschiedlichen thermodynamischen, hydrauli- schen und bautechnischen Anforderungen erlaubt es, von einem umfassenden optimalen Kompromiss der technischen Lösung zu sprechen. • In den natürlichen Blutkreisläufen sind die Wandungen der Fluidkanäle bewusst sauerstoff- durchlässig. Alle Materialien sind "korrosionsfest". In den Wasserkreisläufen mit Kunststoff- Kapillarrohrmatten dürfen keine korrosiven Materialien eingebaut sein. Es sind nur geeignete Kunststoffe und ergänzend Edelstahl sowie Rotguss zu verwenden. In analoger Weise "repa- riert" die moderne Chirurgie auch den menschlichen Organismus. Man sollte mit Phantasie neue Konstruktionen entwerfen. Die Evolution probiert auch viele Din- ge aus. Hindernisse, die oftmals in der handwerklichen Umsetzung mit neuen Baustoffen oder Halbzeugen gesehen werden, sollten in Anbetracht der enormen technischen Entwicklung insbe- sondere auch im Bauwesen vor allem aber in Anbetracht der Leistungen der "natürlichen Bau- künstler" nicht leichtfertig vorgebracht werden. Bericht im Anhang A: "Mehrdimensionale Optimierung für raumbegrenzende Heiz- und Kühlflächen mit geringem Exergie- und Druckverlust – Lehren aus der Bionik" (21 Seiten) Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 19 2 Minimaler Exergie- bzw. Primärenergiebedarf Das Thema ist der umweltschonenden – d. h. ressourcenschonenden – Raumheizung und Raum- kühlung gewidmet. In eine physikalisch-technische Zielstellung übertragen, bedeutet dies den Exergie- bzw. Primärenergiebedarf zum Betrieb der Raumheiz- und Raumkühlanlagen zu mini- mieren. 2.1 Grundlegende Betrachtung Die Umwelt verfügt über nahezu unendlich große, erneuerbare Energieressourcen. Leider sind die entnehmbaren Energieströme Q & Q ("Energiequellen") an Temperaturen T Q gebunden, die sich meistens nicht für einen direkten Einsatz zum Heizen oder Kühlen von Räumen mit der geforderten Raumtemperatur T R eignen. Sie verfügen bezogen auf die Temperatur der Außenatmosphäre T a in der Regel nur über ein geringes exergetisches Potenzial, da die Differenz |T Q – T a | relativ klein ist. Die Exergie der Wärme stellt den Anteil der Wärme dar, der in einem Rechtsprozess (Wärme- kraftmaschine) in Nutzarbeit überführt werden kann, wenn die Abwärme bei Umgebungstempe- ratur T a abgegeben wird und die Maschine reversibel nach dem CARNOT-Prozess arbeitet. Für den Prozess gilt dann der Exergiestrom (≡ Exergie des Wärmestromes Q & Q ): Q E & = Q Q a Q T T 1 & 43 42 1 − . (2.1) Der CARNOT-Faktor stellt den thermischen Wirkungsgrad des CARNOTschen Kreisprozesses zwi- schen T Q und T a dar und ist somit für die exergetische Bewertung der Wärmequelle geeignet. Im Bild 2.1 ist zur allgemeingültigen Qualitätsbeurteilung der Wärme ("Kälte") der Absolutbe- trag des CARNOT-Faktors Q a T T 1− ausgewertet. Dabei wurde die Umgebungstemperatur t a = 20 °C (T a = 293 K) 1 gesetzt. Da der CARNOT-Faktor bei Temperaturen unter der Umgebungstemperatur stärker ansteigt, als bei Tem- peraturen über der Umgebungstemperatur – gleiche absolute Differenzen vorausgesetzt – folgt die bekannte Aussage "Kälte ist wertvoller als Wärme". CARNOT-Faktor 1 Die Temperaturen in °C werden mit t, die zugehörigen absoluten Temperaturen in K mit T be- zeichnet, wobei T = t + 273 K vereinfachend gilt. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 20 Bild 2.1 CARNOT-Faktor zur exergetischen Bewertung einer Wärme-/Kältequelle bei der Umgebungstemperatur von 20 °C Es ist üblicher Stand der Technik, die Heiz- oder Kühllasten von Räumen dadurch zu kompen- sieren, dass über Heiz- oder Kühlflächen im Raum entsprechende Wärmeströme an den Raum abgegeben oder vom Raum aufgenommen werden. In Sonderfällen sind diese Heiz- oder Kühlflächen oberflächennah in Raumumschließungen integriert. Die mittlere Heizmedientemperatur t H liegt dabei stets über der Raumtemperatur t R und die mitt- lere Kühlmedientemperatur t K liegt stets unter der Raumtemperatur t R , da mit endlichen Masse- strömen und Wärmeübertragerflächen gearbeitet werden muss. Das Anheben der Temperatur zum Heizen eines Raumes oder das Absenken der Temperatur zum Kühlen eines Raumes ist in beiden Fällen mit einer Exergiezufuhr verbunden. Die Techniken dazu sind bekannt und als Wärmepumpen und Kältemaschinen eingeführt. Entscheidend für den Aufwand ist das Transformationsniveau. Wird aus technischen Gründen eine mittlere Heizmedientemperatur 1 T H benötigt und ist eine Wärmequelle mit T Q verfügbar, dann muss zur temperaturgerechten Bereitstellung des Heiz- wärmestromes Q & H > 0 bei Einsatz einer Wärmepumpe minimal der Exergiestrom H H Q H , Q min , WP Q T T 1 E E & & & − = = (2.2) zugeführt werden. Voraussetzung wäre hierbei eine reversible Prozessführung. Im realen Be- triebsfall eines irreversiblen Kreisprozesses ist noch ein exergetischer Wirkungsgrad (Bezeich- 1 Da kleine Temperaturspreizungen zwischen Vor- und Rücklauf vorausgesetzt werden, ist es vertretbar mit den mittleren Medientemperaturen zu rechnen. -10 0 10 20 30 40 50 0 2 4 6 8 10 12 Temperatur der Wärmequelle t Q °C U m g e b u n g s t e m p e r a t u r 0,12 0,10 0,04 0,02 0,08 0,06 | 1 - T a / T Q | Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 21 nung nach BAEHR) ζ WP zu berücksichtigen, sodass für die Wärmepumpe die Antriebsleistung WP H H Q WP 1 Q T T 1 P ζ − = & (2.3) erforderlich ist. Liegt die Temperatur der nutzbaren Wärmequelle T Q über der Umgebungstem- peratur T a , dann ist P WP kleiner, als wenn die Wärme der Umgebung direkt entnommen würde. Dies ist bekanntermaßen der Fall, wenn bei niedrigen Außentemperaturen nicht die Atmosphäre sondern beispielsweise das Erdreich oder das Grundwasser als Wärmequelle genutzt wird. Analog gelten diese Überlegungen für die Raumkühlung bei Einsatz einer Kältemaschine. Die Antriebsleistung ergibt sich aus KM K K Q KM 1 Q 1 T T P ζ − = & , (2.4) wenn eine mittlere Kühlmedientemperatur T K benötigt wird, eine Wärmesenke mit T Q verfügbar ist und dem Raum der Wärmestrom Q & K > 0 zu entziehen ist (Kühlleistung). Damit sind die Aufwendungen bei Einsatz einer Wärmepumpe oder einer Kältemaschine be- kannt. Es gelten zusammenfassend die Zielstellungen: • Raumlasten Q & H bzw. Q & K klein halten • mittlere Heiz- bzw. Kühlmedientemperatur (T H , T K ) nahe der Raumtemperatur T R durch gro- ße Heiz- bzw. Kühlflächen im Raum und/oder kleine Spreizungen realisieren (Bild 2.2) • Wärmequellen bzw. -senken mit Temperaturen T Q nahe der Heiz- bzw. der Kühlmedientemperatur (T H , T K ) erschließen • exergetisch günstige Kreisprozessführung in den Maschinen umsetzen. Der exergetische Idealfall wäre vorhanden, wenn ein Wärmereservoir genutzt werden könnte, dessen Temperatur T Q im Heizfall über der erforderlichen Heizmedienvorlauftemperatur T H,V = T H + ∆t/2 < T Q und im Kühlfall unter der erforderlichen Kühlmedienvorlauftemperatur T K,V = T K - ∆t/2 > T Q läge. Eine Exergiezufuhr würde entfallen, wenn man von den Transportaufwendun- gen für den Wärmeträger absieht. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 22 Bild 2.2 Temperaturschaubilder beim Heizen (links) und beim Kühlen (rechts) mit Kennzeich- nung der Temperaturhübe Der Idealfall tritt beispielsweise ein, wenn bei Sonnenschein ein Kollektor eine hohe Temperatur liefert. Leider ist dann in aller Regel die Heizlast der Räume aber auch gering. Andererseits be- steht an kühlen Sommertagen die Möglichkeit, mit Verdunstungskühlung (Kühlturm) Kaltwasser bereitzustellen, dass direkt in Raumkühlflächen einsetzbar ist. In der Regel liegt dann aber keine maximale Kühllast an. Dennoch ist es sehr umweltfreundlich, wenn diese Effekte soweit wie möglich genutzt werden. Würde im Negativfall der Heizwärmestrom aus Elektroenergie bereitgestellt, dann gilt für den aufgewendeten Exergiestrom P Q = H H , Q Q E & & = , (2.5) da Elektroenergie frei konvertierbar ist und vereinfacht ausgedrückt "als Edelenergie aus 100 % Exergie besteht". 2.2 Anlagentechnischer Einfluss bei der Lastkompensation Es sollen im Weiteren die speziellen Belange um die Heizfläche im Raum betrachtet werden. Beim Heizen eines Raumes ist die Aufgabe zu lösen, diesen Raum auf konstanter Temperatur T R (≡ t R ) bei niedrigerer Außentemperatur T a (≡ t a ) zu halten. Dem Raum wird der Wärmestrom Q & H bei einer vorgegebenen Heizwassertemperatur T H (≡ t H ) zugeführt, der im stationären Fall in glei- cher Größe über die Wände nach außen abfließt. Der dabei auftretende Exergieverluststrom be- rechnet sich nach Gl. (2.1). Er setzt sich – wenn man die Wärmebereitstellung unbeachtet lässt – t K,V = t K - ∆t/2 Vorlauftemperatur t K,R = t K + ∆t/2 Rücklauftemperatur t K ∆t/2 ∆t/2 Raumtemperatur t R Wärmesenkentemperatur t Q Kühlfläche im Raum T e m p e r a t u r h u b Vorlauftemperatur t H,V = t H + ∆t/2 Rücklauftemperatur t H,R = t H - ∆t/2 t H ∆t/2 ∆t/2 Raumtemperatur t R Wärmequellentemperatur t Q Heizfläche im Raum T e m p e r a t u r h u b Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 23 aus zwei Summanden zusammen (siehe auch Bild 2.3): Verlust infolge des Wärmestromes ( Q & H > 0) vom Raum nach außen H R a a R , V Q T T 1 E & & − = − (2.6) Verlust infolge des Wärmestromes vom Heizmedium an den Raum H R a H H a R H , V Q T T 1 Q T T 1 E & & & − − − = − . (2.7) Betragen die mittlere Heizwassertemperatur t H = 43 °C (T H = 316 K), die Raumtemperatur t R = 20 °C (T i = 293 K) und die Außentemperatur t a = 0 °C (T a = 273 K), so folgen daraus: H a R , V Q 068 , 0 E & & = − H R H , V Q 068 , 0 E & & = − . Beide Verluste sind direkt proportional dem Wärmestrom Q & H , d. h., würde man beispielsweise durch eine verbesserte Dämmung der Wand den Wärmestrom nach außen reduzieren, verringerte sich in gleichem Maße auch der Exergieverluststrom. Weiterhin wären in diesem durchaus realistischen Fall der Exergieverluststrom beim Übergang von der Heizwassertemperatur zur Raumtemperatur gleich dem Verluststrom, der beim Über- gang von der Raumtemperatur zur Außentemperatur entsteht. Letzterer ist wegen der wärmephysiologisch bedingten Raumtemperatur und der gegebenen Au- ßentemperatur nicht beeinflussbar. Der Verluststrom, der an den Wärmefluss vom Heizmedium an den Raum gebunden ist, kann durch eine niedrigere mittlere Heizwassertemperatur t H reduziert werden. In diesem Fall erfor- derte dies jedoch, um das geforderte Q & H = k A (t H – t R ) übertragen zu können, einen erhöhten Wärmedurchgangskoeffizienten k und/oder eine vergrößerte Wärmeübertragerfläche A. Wäre A unendlich groß, ergäbe sich 0 E R H , V = − & . Der Energiestrom, der vom Heizmedium an die Umgebung fließt, ändert sich gemäß dem I. Hauptsatz selbstverständlich nicht. Die Qualität der Wärme (Exergie) sinkt entsprechend dem II. Hauptsatz dagegen auf Null ab, wie dies das Bild 2.3 nochmals verdeutlicht. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 24 Bild 2.3 Wärmestrom sowie Exergie- und Anergieströme bei der Raumheizung Der Heizenergiestrom Q & H besteht zu einem großen Teil aus dem Anergiestrom A & und zu einem kleineren Teil aus dem Exergiestrom E & . Bei jedem Wärmeübergang von einem höheren zu ei- nem niederen Temperaturniveau nimmt die Qualität der Wärme ab, der Anergiestrom wächst und der Exergiestrom sinkt. D. h., ein Teil an Exergie wird in Anergie überführt, es tritt ein E- xergieverlust ein. Dies erfolgt beim Übergang vom Heizmedium an den Raum und vom Raum an die Atmosphäre. Im Endergebnis sind 100 % Anergie vorhanden. Die ökologische Hauptzielstellung ist es, nur den minimal notwendigen Exergiestrom dem Heiz- system zuzuführen und den Anergiestrom im Kreislauf zu führen. Dies gelingt, wenn beispielsweise ein idealer Wärmepumpenprozess (reversible Arbeitsweise des Kreisprozesses und exergieverlustfreie Wärmeübertragung am Kondensator und Verdamp- fer) zwischen dem Umgebungsreservoir mit der Temperatur t a und der Heizmedientemperatur t H arbeiten würde. D. h., es würde nur der Exergieverluststrom des Heizprozesses H , Q E & gedeckt. Er folgt aus der Summe der Gln. (2.6) und (2.7) zu = H , Q E & R H , V E − & + a R , V E − & = H H Q H H a Q T T 1 Q T T 1 & & − ≡ − . (2.2a) Die Identität zu Gl. (2.2) gilt für die "Wärmequelle" Außenatmosphäre mit T Q ≡ T a . Damit wird die zweite Zielstellung – die Heizwassertemperatur T H so niedrig wie technisch rea- lisierbar zu halten – sofort ersichtlich. Durch das Absenken der Temperatur T H wird der Exergieverluststrom R H , V E − & nach Gl. (2.7) minimiert. Diese Betrachtung kann mit qualitativ gleichem Ergebnis für die Kühlung eines Raumes bei Einsatz einer Kältemaschine geführt werden. Heizfläche Exergiestrom E . Anergiestrom A . Wärme- strom Q H . t a t R t H Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 25 Damit lautet die praktische Aufgabenstellung für den "Wärmeübertrager im Raum" beispielswei- se für den Heizkörper oder die Kühldecke, den Wärmedurchgangskoeffizienten k und die Fläche A möglichst groß zu gestalten. Dabei sind natürlich technische und wirtschaftliche Randbedin- gungen zu beachten. Betragen die Raumtemperatur t R = 20 °C und die Außentemperatur t a = 0 °C, so folgen für drei unterschiedliche Wärmebereitstellungsvarianten die Ergebnisse der Tabelle 2.2. Tabelle 2.2 Exergieverlustströme bei t R = 20 °C für unterschiedliche Heizsysteme und Variation der mittleren Heizmedientemperatur bei Wärmepumpeneinsatz Elektrowider- standsheizung ideale Wärmepumpe t H = 43 °C, t a = 0 °C ideale Wärmepumpe t H = 27 °C, t a = 0 °C erforderlicher Exergiestrom H , Q E & (Gl. (2.2a) oder (2.5)) 1,000 Q & H 0,136 Q & H 0,090 Q & H Exergieverluststrom a R , V E − & Raum-außen (Gl. (2.6)) 0,068 Q & H 0,068 Q & H 0,068 Q & H Exergieverluststrom R H , V E − & Heizfläche-Raum (Gl. (2.7)) 0,932 Q & H 0,068 Q & H 0,022 Q & H Aus Tabelle 2.2 folgen die Aussagen: • Erwartungsgemäß ist der Exergieverlust vom Raum nach außen ( a R , V E − & ) für alle Varianten gleich, denn er ist systemunabhängig nur eine Funktion von der Raumtemperatur und Au- ßentemperatur. Eine Reduzierung wäre lediglich durch eine sogenannte thermoaktive Däm- mung denkbar. • Der Exergieverlust vom Heizmedium zum Raum ( R H , V E − & ) ist von der Wahl des Heizsys- tems direkt abhängig: - Ökologisch frevelhaft ist der Einsatz einer Elektroenergieheizung. - Für Flächenheizungen mit sehr großem Wärmedurchgangskoeffizienten und/oder Wär- meübertragerfläche (k A → ∞) gilt R H , V E − & → 0. Praktisch sind gemäß Tabelle 2.2 Ver- luste von (0,068 ... 0,022) Q & H erreichbar. • Damit ergeben sich beispielhaft die exergetischen Gesamtaufwendungen bezogen auf Q & H : - 14 ... 9 % bei Flächenheizungen Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 26 - 100 % bei Elektroheizung. Will man in die Betrachtungen auch die Systeme mit fossilen Brennstoffen mit einbeziehen, muss von der Exergie des Brennstoffs ausgegangen werden. Sie ist hauptsächlich eine Funktion der stofflichen Zusammensetzung. In ganz grober Näherung entspricht die Brennstoffexergie dem Heizwert H u . Interessant ist es auch, die primärenergetischen Bedarfswerte in Abhängigkeit des Heizsystems darzustellen. Unter den Annahmen, dass - der elektrische Kraftwerkswirkungsgrad (netto) η el = 0,33 beträgt, - die Wärmepumpe mit einem exergetischen Wirkungsgrad ζ WP = 0,5 arbeitet und - ein Brennwertkessel mit einem Kesselwirkungsgrad von η K = 0,9 zum Einsatz kommt, ergeben sich die primärenergetischen Werte nach Tabelle 2.3. Der Brennwert des Brennstoffs liegt voraussetzungsgemäß um ca. 11 % über dem Heizwert. Weiterhin sei angenommen, dass bei Wärmepumpeneinsatz die Außentemperatur t a der Tempe- ratur der Wärmequelle t Q entspricht. Tabelle 2.3 Primärenergiebedarf bei t a = t Q = 0 °C für unterschiedliche Heizsysteme und Varia- tion der mittleren Heizmedientemperatur bei Wärmepumpeneinsatz Elektrowider- standsheizung ideale Wärmepumpe t H = 43 °C, t a = 0 °C ideale Wärmepumpe t H = 27 °C, t a = 0 °C Brennwert- kessel Primärenergiebedarf 3 Q & H 0,82 Q & H 0,54 Q & H Q & H Aus Tabelle 2.3 folgen die Aussagen: ● Die Elektrowiderstandsheizung verbietet sich. ● Bei hohen Vorlauftemperaturen ist die Wärmepumpe dem Brennwertkessel aus primärener- getischer Sicht etwa gleichwertig, bei sinkender Vorlauftemperatur zeigt sich die Überlegen- heit der Wärmepumpe sehr deutlich. Gleiches gilt auch bei steigender Temperatur der Wär- mequelle (Umweltreservoir). Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 27 2.3 Anlagentechnischer Einfluss beim Wärmeträgertransport Um die Lastkompensation zu bewirken, d. h. die Wärme zu transportieren, muss in der Regel ein Wärmeträgerstrom zwischengeschaltet werden. Da er in Rohren oder Kanälen geführt wird, ent- steht ein Exergieverlust infolge der Rohrreibung. Hierbei sind die Druckverluste der Verbin- dungsleitungen zwischen Wärmebereitstellung und Raum als auch bei Einsatz von Wärmeü- bertragerflächen im Raum deren Strömungswiderstände selbst einzubeziehen. Der Druckverlust ∆p des Rohr- oder Kanalsystems sowie der eventuellen Wärmeübertragerflä- che wird durch die Pumpenleistung P P überwunden, deren Antriebsenergie in guter Näherung völlig als Exergieverlust P E & zu werten ist. Sie beträgt bei verlustfreiem Antrieb H P P Q t c p p V P E & & & ρ ∆ ∆ = ∆ = ≈ , (2.8) wobei c spezifische Wärmekapazität, ρ Dichte und ∆t die Temperaturspreizung des Wärmeträ- gers bedeuten. Das Einsetzen praxisüblicher Werte für Flächenwärmeübertrager mit integriertem Rohrregister (Druckverlust im Gebäudesystem 2 mWS; Spreizung 4 K) in Gl. (2.8) liefert für Wasser: H H P Q 001 , 0 Q ³ m kg 1000 K 4 K kg J 4200 Pa 20000 E & & & = = . Damit entspricht dieser Exergieverlust ca. 2 % der für den Wärmetransport ermittelten Teilver- luste R H , V E − & bzw. a R , V E − & . Für den Wärmeträger Luft ergibt Gl. (2.8) beispielsweise (Ventilatorpressung Zu- und Abluft 500 Pa; Temperaturdifferenz zwischen Zu- und Abluft 10 K): H H P Q 04 , 0 Q ³ m kg 15 , 1 K 10 K kg J 1010 Pa 500 E & & & = = . Damit ist der Exergiebedarf für den "Wärmetransport" bei Luft als Wärmeträger um den Faktor 40 größer als bei Einsatz eines Wassersystems. Damit sollte der Wärmeträger Wasser bevorzugt zum Einsatz kommen. Hat man sich für den Wärmeträger Wasser entschieden, dann nimmt die Formgebung des Rohr- registers noch erheblichen Einfluss auf den Druckverlust. Diese sehr wichtige Größe bei der Gestaltung des flächenförmigen Heiz-/Kühlsystems wurde in den Bildern 1.8 bis 1.10 gezeigt. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 28 3 Optimale wärmephysiologische Bedingungen im Raum Die energetische Bewertung von Systemen muss selbstverständlich stets unter dem Gesichts- punkt einer gesicherten Behaglichkeit in den Aufenthaltsräumen erfolgen. Deshalb ist dieser Randbedingung bevorzugte Aufmerksamkeit zu widmen. 3.1 Grundlegende Betrachtung Es sind behagliche Entwärmungsbedingungen für den Menschen zu schaffen. Die Wärmeabgabe des Menschen entspricht in guter Näherung dem Bruttoenergieumsatz B q& . Dieser wird üblicher- weise auf die Körperoberfläche bezogen. Für den "Normmenschen" gelten: Masse m M = 70 kg, Größe h M = 1,73 m, Oberfläche A M = 1,8 m 2 . Sein Grundumsatz beträgt im Ruhefall B q& = 45 ... 50 W/m 2 . Für den Energieumsatz in Abhängigkeit der Tätigkeit gelten die Werte der Tabelle 3.1. Aktivität Metabolic Rates W/m² met Sitzen, ruhig 58 1 Tätigkeit im Sitzen (Schreibarbeiten, Handarbeiten, Bürotätigkeit) 70 1,2 leichte Tätigkeit im Stehen (Shopping) 93 1,6 mittlere Tätigkeit im Stehen (Verkäufer, Bedienung, leichte Gymnastik) 116 2 Die Summanden der Wärmeabgabe des Menschen betragen bei Behaglichkeit: • 15 % insensible Transpiration (Feuchtediffusion mit Hauttrocknung) • 11 % Schweißverdunstung • 11 % Atmung • 63 % trockene Wärmeabgabe durch Konvektion und Strahlung. Nur die trockene Wärmeabgabe des Menschen ist durch temperierte Oberflächen beeinflussbar! Die prozentuale Verteilung im Behaglichkeitsfall ist eine Funktion des Gesamtenergieumsatzes. Die oben genannten Prozentwerte beziehen sich auf eine Wärmeproduktion von ges q& = 75 W/m 2 . 3.2 Behaglichkeitsgleichung Die Behaglichkeitsgleichung nach FANGER (ISO 7730) gibt den Zusammenhang der Größen Lufttemperatur t L , Umfassungstemperatur t U , Luftgeschwindigkeit w L , Bruttoenergieumsatz B q& , Tabelle 3.1 Aktivitäten und Energieumsatz in W/m² bzw. in met (58,2 W/m² = 1 met) nach ISO 7730 (Entwurf, 1994) Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 29 Wärmeleitwiderstand der Kleidung R Kl und Luftfeuchte ϕ L an (übliche Diagrammdarstellung gemäß Bild 3.1). Minimal treten 5 % Unzufriedene auf ("Meckerquote"). An Hand dieser Diagramme fällt häufig bereits eine Systemvorentscheidung, denn Konvektions- und Strahlungswärmestrom können nur in einem begrenzten Bereich variiert werden. Bei der Beheizung von Hallenbauten dürfen sich Luft- und Strahlungstemperatur bis 8 K unterscheiden. Dieser Extrembereich wird z. B. beim Vergleich einer Luft- oder Strahlplattenheizung erreicht. Bild 3.1 Behaglichkeitsdiagramm nach FANGER für die Aktivitätsstufe 1 met, die Bekleidung 0,5 clo und die relative Luftfeuchte 50 % Der Index b weist auf den Behaglich- keitszustand hin. Bei einer Raumklimatisierung ist der Spielraum sehr viel kleiner, wie die Bilder 3.2a und b zei- gen. Für Bürotätigkeit im Sommer mit 1,2 met, leichte Kleidung (0,6 clo) und ϕ = 50 % gilt Bild 3.2a. Bei einer Empfindungstemperatur t E (≡ t R ) von 25 °C sind zwei Extremsituationen möglich: Punkt 1 t U = 29 °C, t L = 21 °C, w L = 0,15 m/s ⇒ Grenzwert, w L < 0,15 m/s kaum realisierbar Punkt 2 t U = 24 °C, t L = 26 °C, w L = 0,3 m/s ⇒ oberster Grenzwert wegen Zuggefahr. Damit wäre ein Variationsbereich zwischen t U und t L von etwa 5 K möglich. Weitere Einschränkungen ergeben die üblicherweise angestrebten Grenzen: Punkt 3 t U = 28 °C, t L = 22 °C, w L = 0,16 m/s für t L,min, 0,1 m = 21 °C nach DIN 1946 T. 2 ⇒ t L,min ≡ t L,min, 1,1 m = 22 °C bei g Lt = 1 K/m Punkt 4 t U = 25,5 °C, t L = 24,5 °C, w L = 0,20 m/s ⇒ kleinster Grenzwert wegen Zuggefahr. 5 10 20 30 40 °C 45 Lufttemperatur t L,b U m g e b u n g s t e m p e r a t u r t U , b 45 °C 40 30 20 10 5 w L m/s < 0,1 0,2 0,3 0,5 1,5 t U = t L Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 30 Der Variationsbereich bezüglich t U und t L reduziert sich somit auf den Kleinstwert von 2,5 K. Wenn die Strahlungstemperatur der Umgebung 28 °C übersteigt, muss gekühlt werden! Dies stellt ein Plädoyer für großflächige Wärmeübertragerflächen im Raum dar. 20 22 24 26 28 30 20 22 24 26 28 30 32 0,6 clo 1,2 met Lufttemperatur t L,b U m g e b u n g s t e m p e r a t u r t U , b °C °C w L = 0,3 m/s 0,25 0,20 0,15 0,10 t E = 2 5 ° C 2 , 5 K 1 2 3 4 t E ≡ t R = t L = t U Bild 3.2a Behaglichkeitsdiagramm mit Darstellung des technischen Realisierungsbereiches für die Aktivitätsstufe 1,2 met (Bürotätigkeit) und mittlerer Sommerbekleidung(0,6 clo) Bild 3.2b Behaglichkeitsdiagramm für die Aktivitätsstufe 1 met (ruhiges Sitzen) und winterli- che Bekleidung bei Zimmeraufenthalt (1 clo) sowie Übergangsbekleidung (0,75 clo) 3.3 Trockene Wärmeabgabe des Menschen Da nur auf diese durch die übliche Heizung und Kühlung Einfluss genommen werden kann, ist die trockene Wärmeabgabe besonders intensiv zu betrachten. Sie beträgt im Behaglichkeitsfall: . q 52 , 1 q q q 8 , 0 B S K b , tr & & & & ≈ + = (3.1) 20 22 24 26 28 30 18 20 22 24 26 28 30 t E ≡ t R = t L = t U 1,0 met Lufttemperatur t L,b U m g e b u n g s t e m p e r a t u r t U , b °C °C w L = 0,25 m/s 0,20 0,15 t R = 2 4 ° C 0,10 0,20 0,15 20 °C 1,0 clo 0,75 clo Sommerlicher Kühlfall Winterlicher Heizfall Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 31 Sie wird durch den Wärmefluss vom Menschen an die Luft (Konvektion) und durch Wärme- strahlung vom Menschen an die Oberflächen des Raumes abtransportiert (Bild 3.3): KL L M M K f ) t t ( q − α = & (3.2) { } S KL 4 U 4 M M S f f ) 273 t ( ) 273 t ( q + − + ε σ = & (3.3) t M °C Oberflächentemperatur der Kleidung des Menschen t L °C Lufttemperatur in der Nähe des Menschen t U °C mittlere Strahlungstemperatur der Umgebung (Raumoberflächen) f KL - Oberflächenvergrößerung durch Kleidung (Tabelle 3.2) f S - Reduktion der Strahlungsfläche (z. B. Arminnenseiten strahlen nicht an die Raumumfassungen) f S ≈ 0,71 M α W/(m²K) Wärmeübergangskoeffizient durch Konvektion (Mensch - Luft) σ W/(m²K 4 ) Strahlungskonstante (σ = 5,67⋅10 -8 W/(m²K 4 )) ε M - Emissionskoeffizient der Kleidung des Menschen (ε M ≈ 0,93). Bild 3.3 Wärmeübertragung durch Konvektion vom Menschen an die Luft und durch Strahlung vom Menschen an die Oberflä- chen des Raumes Tabelle 3.2 Wärmeleitwiderstände und Oberflächenvergrößerung f KL durch die Kleidung Bekleidungsart R KL (δ / λ) KL f KL clo m²K/W min. Grenzwert (nackt) 0 0 1 Shorts 0,1 0,0155 1 Freizeitkleidung, Arbeitskleidung 0,6 0,093 1,1 festlicher Anzug, Büroanzug 1 0,155 1,15 max. Grenzwert (Polarkleidung) 3,5 0,543 1,4 Luft Konvektion Strahlung H e i z - w a n d Heizdecke Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 32 Die Nachteile von konventionellen Klimaanlagen, von Luftheiz- und Luftkühlanlagen (hohe Luftvolumenströme und Luftgeschwindigkeiten im Raum) sind mit der thermischen Flächenak- tivierung vermeidbar, indem die Strahlungswärmeübertragung zwischen dem Menschen und den Raumumfassungen (Decke, Wände, Fußboden) gemäß Gl. (3.3) erhöht wird. Der trockene Wärmestrom des Menschen an die Umgebung muss zunächst durch die Kleidung transportiert werden: ( ) ) t t ( R 155 , 0 ) t t ( q M H 1 KL M H KL tr − = − δ λ = − & . (3.4) Die treibende Temperaturdifferenz ist durch die Hauttemperatur t H minus Oberflächentempera- tur der Kleidung t M gegeben. Für den Wärmeleitwiderstand der Kleidung wurde die Größe R KL in clo (clothing) definiert. Die Werte sind in Tabelle 3.2 enthalten. 3.4 Operative Raumtemperatur (Empfindungstemperatur) im Behaglichkeitsbereich Die operative Raumtemperatur (Empfindungstemperatur) t R ≡ t E ist definiert als gewichtete Grö- ße, gebildet aus der Lufttemperatur t L und der mittleren Strahlungstemperatur der Umgebung t U : t R ≡ t E = a t L + (1- a) t U . (3.5) Der Koeffizient a ist eine Funktion der Luftgeschwindigkeit. Bei großen Luftgeschwindigkeiten ist der konvektive Wärmeübergang intensiver und die Lufttemperatur geht stärker ein. Deshalb gelten für Luftheizungen, Lüftungen usw. a = 0,6 und für konventionelle Heizungen sowie für Systeme mit thermischer Flächenaktivierung a = 0,5. Näherungsweise kann die mittlere Strahlungstemperatur der Umgebung t U als Mittelwert aus den Temperaturen t i aller Raumoberflächen n (z. B. Wände, Fenster, Decke, Fußboden usw.) mit den jeweiligen Flächen A i gebildet werden: ∑ ∑ = = = n 1 i i n 1 i i i U A A t t . (3.6) Im Bild 3.4 und in Tabelle 3.3 sind behagliche operative Raumtemperaturen nach ISO 7730 (Entwurf 1994) angegeben. Zur Überprüfung der globalen, thermischen Behaglichkeit bezüglich der sensiblen Wärmeabgabe des Menschen wird das Globethermometer benutzt. Modellrech- nungen in [2] zeigen, dass die mit einem Globethermometer (∅ 150 mm) ermittelten Temperatu- ren t K bei Luftgeschwindigkeiten w L = (0,1...0,4) m/s und bei Luft- und Umgebungstemperaturen t U = t L ± 5 K bis auf eine Abweichung von ± 0,41 K den Empfindungstemperaturen t E entspre- chen. Durch eine Reduzierung des Kugeldurchmessers auf 120 mm kann die maximale Abwei- Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 33 chung |t K - t E | bei den vorgenannten Randbedingungen auf maximal ± 0,29 K reduziert werden. Bild 3.4 Optimale (behagli- che) operative Raumtempera- tur für sitzende Tätigkeit und leichte Kleidung bei einer Un- zufriedenheitsrate von 5 % Tabelle 3.3 Behagliche Empfindungstemperaturen (fett) bei w L = 0,2 m/s und ϕ L = 50 % nach ISO 7730 und Prozentzahlen Unzufriedener bei abweichenden Empfindungstemperaturen Aktivität met (W/m 2 ) Freizeitbekleidung 0,5 clo leichter Büroanzug 0,75 clo Büroanzug 1 clo 1 (58) ruhiges Sitzen 26,8 °C 25,3 °C 24,0 °C 22 °C ⇒ 11 % 20 °C ⇒ 32 % 1,2 (70) Bürotätigkeit 25,5 °C 23,9 °C 26 °C ⇒ 12 % 22,3 °C 26 °C ⇒ 21 % 20 °C ⇒ 11 % 18 °C ⇒ 25 % 3.5 Zug-Risiko Das Zug-Risiko – eine partikuläre Behaglichkeitsgröße – gibt den Prozentsatz der Unzufriedenen infolge Luftzug an. Es ist in ISO 7730 (Entwurf, 1994) definiert: DR = (34 - t L ) ( w L - 0,05) 0,62 (0,37 w L Tu + 3,14) in % (3.7) Es bedeuten: t L °C Lufttemperatur in der Nähe des Menschen w L m/s mittlere Luftgeschwindigkeit in der Nähe des Menschen Tu % Turbulenzgrad der Luft in der Nähe des Menschen. 0,1 0,2 0,3 23 24 25 26 27 28 1 m et; 0,5 clo 1,2 m et; 0,75 clo Luftgeschwindigkeit w L m/s O p e r a t i v e T e m p e r a t u r t R ≡ E m p f i n d u n g s t e m p e r a t u r t E °C Optimum 1,2 m et; 0,5 clo 1 met; 0,75 clo Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 34 Das Zugrisiko ist auf sehr kleine Werte zu begrenzen. Aus Gl. (3.7) und Bild 3.5 folgend sollten Luftgeschwindigkeiten ≤ 0,2 m/s eingehalten werden. Räume mit thermischer Flächenaktivierung bieten die besten Voraussetzungen, diese geringen Luftgeschwindigkeiten zu realisieren. Bild 3.5 Zug-Risiko in Ab- hängigkeit der Lufttemperatur t L , der Luftgeschwindigkeit w L und des Turbulenzgrades ge- mäß Gl. (3.7) 3.6 Strahlungstemperatur-Asymmetrie Sie stellt eine weitere partikuläre Behaglichkeitsgröße dar. Es ist uns bekanntlich unbehaglich, wenn Körperpartien eine zu große Zu- oder Abstrahlung erfahren. Die Definition nach FANGER geht von einem Flächenelement in 0,6 m Höhe aus. Dies ist bei einer Heiz- oder Kühldecke hori- zontal, bei einer Heiz- oder Kühlwand vertikal angeordnet. Die Strahlungstemperaturen werden für beide Elementflächen berechnet, die Differenz stellt die Strahlungstemperatur-Asymmetrie dar. Die zulässigen Werte sind umstritten. Erste Angaben für Deckenheizungen auf diese Defini- tion umgerechnet, ergaben nach CHRENKO, KOLLMER und MACSKÁSY 10 K. FANGER nennt: 1972 9 ... 11 K; 1985 4 K bei 5 % Unzufriedenen. In [2] wird der Kopf als wichtigster Sensor für die Strahlungsasymmetrie durch ein Würfelele- ment nachgebildet, die Strahlungstemperaturen für jede Elementseite berechnet und die maxima- le Differenz gebildet. Sie werde als die signifikante Asymmetrie betrachtet. Nach aufwendiger Rechnung folgte auf der Grundlage der FANGER-Versuche ein neues Diagramm (Bild 3.6), in das sich auch die Ergebnisse FANGERs von 1972 gut einfügen. Damit betragen die zulässigen Strahlungstemperatur-Asymmetrien für • Heizdecken und Kühlwände 8 K • Heizwände 11 K • Kühldecken 14 K. 20 21 22 23 24 25 26 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 ZUG| 14.3.1999 Lufttemperatur t L Z u g - R i s i k o D R °C % w L = 0,1 m/s 0,2 m/s 0,3 m/s 0,4 m/s 40 % 30 % 20 % Turbulenzgrad Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 35 Bild 3.6 Zulässige Strahlungstemperatur- Asymmetrie nach [2] bezogen auf ein Würfel- element auf der Grund- lage der Versuche von FANGER Diese ermittelten Grenzwerte sind durch die thermische Flächenaktivierung aufgrund der gerin- gen Temperaturunterschiede zum Raum ohne Einschränkung einhaltbar. 3.7 Spezielle Anforderungen bei der Raumkühlung gemäß DIN 1946/02 und ISO 7730 Die Raumklimatisierung wird mit den verschiedenartigsten Systemen durchgeführt. Im Anhang B erfolgt eine Gegenüberstellung der durch die Systeme im Raum bewirkten wärmephysiologi- schen Gegebenheiten. Im Vorfeld der Untersuchungen werden die objektiven Anforderungen an die Raumverhältnisse im Kühlfall und die durch Normen und Empfehlungen gegebenen Rand- bedingungen zusammengestellt. Der Koeffizient a zur Bildung der rechnerischen Empfindungstemperatur nach Gl. (3.5) wurde bereits im Abschnitt 3.4 in Abhängigkeit des Systems erläutert. Der paritätischen Mittelung der Luft- und Strahlungstemperatur zur Empfindungstemperatur t E sind nunmehr im Bild 3.7 die Angaben der DIN 1946 Teil 2 und die Behaglichkeitsbereiche nach ISO 7730 für typische som- merliche Bedingungen gegenübergestellt. Als Kompromiss wird die Realisierung des Zieles • Empfindungstemperatur t E = 25 °C • Lufttemperatur t L ≥ 22 °C • Umgebungstemperatur t U ≤ 28 °C angestrebt. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 K 30 Strahlungstemperatur-Asymmetrie 6 8 10 5 7 % U n z u f r i e d e n h e i t s g r a d Heizwand Heizwand Heizwand Heizwand Heizdecke Kühldecke Heiz- und Kühlwand 1972 Strahlungstemperatur-Asymmetrie U n z u f r i e d e n h e i t s g r a d Kühlwand Heizwand Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 36 20 22 24 26 28 30 16 18 20 22 24 26 28 30 32 0 , 7 5 c l o ; 1 , 2 m e t Lufttemperatur t L U m g e b u n g s t e m p e r a t u r t U °C °C nach ISO 7730 5 % Prozentsatz der Unzufriedenen (alle schraffierten Bereiche) t L , m i n D I N 1 9 4 6 T 2 t E ,m in = 2 2 ° C D I N 1 9 4 6 T 2 t E ,m ax = 2 7 ° C b e i t a = 3 2 ° C D I N 1 9 4 6 T 2 0 , 5 0 c l o ; 1 , 2 m e t t E ,n o rm a le S p itz e = 2 6 ° C 1 2 % 2 0 % Ziel t E = 2 5 ° C 1 2 3 1 2 3 2 w L = 0,20 m/s 3 w L = 0,15 m/s 1 w L = 0,25 m/s t E = t L = t U Bild 3.7 Gegenüberstellung der Behaglichkeitsbereiche nach ISO 7730 und der zulässigen Grenzwerte nach DIN 1946 Teil 2 sowie ausgewählte PPD-Angaben für sommerliche Klimati- sierungsbedingungen Sehr kritisch sind die nachfolgenden Angaben der zulässigen Toleranzbereiche zu bewerten: • Als zulässige Schwankungsbreite für die operative Raumtemperatur um den behaglichen Wert gibt die ISO 7730 bei Ausnützung von - 0,5 < PMV < + 0,5 und bei einer Aktivität von 1 ... 1,2 met sowie der Bekleidung von 0,75 ... 1 clo die Temperaturdifferenz ∆t E,zul = ± 2 K an. • Nach DIN 1946 Teil 2 sind zeitliche und örtliche Abweichungen von ± 2 K von der behagli- chen Lufttemperatur zugelassen. Der Mindestwert t L,min wurde bereits im Abschnitt 3.2 fixiert. • Für die Strahlungstemperatur der Umgebung sind keine direkten Festlegungen bekannt. Mit der Annahme der Empfindungstemperatur t E und der Mindestlufttemperatur ist nach Gl. (3.5) jedoch auch die Umgebungstemperatur sowie ihre zulässige Toleranz determiniert. • Die optimalen Zuordnungen von t L und t U bei der Unzufriedenheitsrate von 5 % nach ISO 7730 sind im Bild 3.7 gegeben. Bei t L = t U wird der Mensch natürlich auch diese Temperatur empfinden, sodass dann t E = t L = t U gilt. Bei t L ≠ t U gibt Gl. (3.5) die empfundene Temperatur nicht immer exakt wieder. Geht man von der jeweiligen behaglichen Empfindungstemperatur t E aus und berechnet dann für diesen Wert und eine beliebige Lufttemperatur t L die Umge- bungstemperatur t U gemäß dem linearen Zusammenhang nach Gl. (3.5), ergeben sich oftmals größere prozentuale Unzufriedenheiten als 5 %. In der Regel liegt die Unzufrieden-heitsrate aber unter 10 %, sodass man sich noch im zulässigen Bereich befindet. Die mögliche Tole- Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 37 ranz für die Empfindungstemperatur ist dann jedoch größtenteils aufgebraucht. • Außerdem existieren objektive Unterschiede zwischen der Empfindungstemperatur und der üblichen messtechnischen Ermittlung mit dem Globethermometer (Abschnitt 3.4). Es ist al- lerdings positiv, dass gerade bei den im Raum angestrebten Luft- und Umgebungstemperatu- ren sowie Luftgeschwindigkeiten die Abweichungen ≤ 0,2 K sein dürften. Schlussfolgernd gilt, dass der in der ISO 7730 angegebene Toleranzbereich für die Empfin- dungstemperatur nicht, zumindest aber nicht voll genutzt werden darf. Anmerkung In DIN 1946 Teil 2 werden bei Einsatz bestimmter Lüftungssysteme – genannt wird die Quell- lüftung – ausnahmsweise auch sehr niedrige operative Raumtemperaturen zwischen 20 °C und 22 °C zugelassen. Sie sind abhängig von der Außenlufttemperatur. Nach den Angaben darf bei- spielsweise bei t a = 23 °C die Empfindungstemperatur t E = 21 °C betragen. Bei dieser Außen- temperatur sind infolge dieser Temperatur und infolge von Strahlungseinträgen durch transpa- rente Außenwandflächen Strahlungstemperaturen der Umgebung (Raumumfassungen) von we- nigstens 22 °C zu erwarten. Wollte man unter diesen Bedingungen bei Einsatz eines Quellluft- systems eine operative Raumtemperatur von t E = 21 °C realisieren, so müsste t L = 20 °C < t L,min betragen. Damit besteht – nach Ansicht des Autors – ein Widerspruch zwischen den beiden, in der DIN 1946 Teil 2 getroffenen Festlegungen. Lufttemperaturgradient Er wird zwischen den Lufttemperaturen in 0,1 m und in 1,1 m Höhe gebildet. Der Lufttempera- turgradient ist nach DIN 1946 Teil 2 auf den Maximalwert g Lt,max = 2 K/m begrenzt. Im Gegen- satz dazu lässt die ISO 7730 für leichte, hauptsächlich sitzende Tätigkeiten sowohl für den Heiz- als auch für den Kühlfall den Maximalwert g Lt,max = 3 K/m zu. Die Einhaltung des Lufttemperaturgradienten ist oftmals problematisch, dennoch sollte nach Möglichkeit der DIN-Wert realisiert werden. Weitere Detaillierungen zum Abschnitt 3.7 im Anhang B: "Wärmephysiologisches Empfinden des Menschen beim Einsatz großflächiger, thermisch aktiver Raumumfassungen und konvektiv arbeitender Wärmeübertragerelemente im Raum mit geringen Temperaturdifferenzen zum Aufenthaltsbereich" Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 38 4 Wärmephysiologische Bewertung verschiedener Raumkühlsysteme Um das unterschiedliche wärmephysiologische Empfinden des Menschen beim variantenreichen Einsatz von großflächigen, thermisch aktiven Raumumfassungen und/oder von konvektiv arbei- tenden Wärmeübertragerelementen im Aufenthaltsbereich beurteilen zu können, sind differen- zierte Ergebnisse erforderlich. Relevante Aussagen sind: • Lufttemperatur • Lufttemperaturgradient • Luftgeschwindigkeit • Strahlungstemperatur • Strahlungstemperatur-Asymmetrie • Empfindungstemperatur. Diese Angaben sollten für den gesamten Aufenthaltsbereich ermittelt werden. Um derart detaillierte Angaben zu erzielen, wurde das im Rahmen des Forschungs- und Ent- wicklungsvorhabens SANIREV, das vom BMBF unter dem Projektträger BEO gefördert wurde, entwickelte Raummodell [2] eingesetzt. Die wichtigsten Ergebnisse sind nachfolgend dargelegt, die speziellen Annahmen sowie weiter- führende Einzelergebnisse sind dem Anhang B zu entnehmen. Die wärmephysiologisch ungünstigste Konstellation stellt ein Eckraum mit zwei aneinander- grenzenden Außenfassaden dar (Bild 4.1). G l a s f a s s a d e Glasfassade 10 m 5 m 3 m 10 horizontale Zonen Zone = 10 Zone = 1 Konvektion Strahlung 80/20 40/40 40/40 50/50 50/50 50/50 50/50 80/20 80/20 Bild 4.1 Raum (Drahtmodell) mit zwei vollverglasten Außenwänden, neun Interieurwärmequel- len und einer Quelllüftung Die durch die inneren Wärmequellen verursachten Konvektions- und Strahlungskühllasten in W werden der Basisuntersuchung zugrunde gelegt, in weiteren Simulationen jedoch variiert. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 39 Zur Kühlung des Eckraumes werden drei unterschiedliche Anlagentypen als Grundvarianten eingesetzt: • Voll belegte Kühldecke • Umluftkühler • Kühlsegel mit Umluftkühler Für diese Anlagenvarianten und die vorgegebene spezifische Gesamtbelastung einschließlich der im Bild 4.1 angegebenen Interieurlasten erfolgten Basissimulationen. Um den Einfluss einer veränderten Lasteinbringung festzustellen, wurden im Weiteren die Konvektions- und Strah- lungsanteile und teilweise auch die inneren und äußeren Lastanteile variiert. Die wichtigsten Ergebnisbereiche sind in Tabelle 4.1 zusammengefasst. Sie werden außerdem im Folgenden de- tailliert als Säulendiagramme vorgestellt und diskutiert. 4.1 Voll belegte Kühldecke Im Bild 4.2 ist diese Anlagenvariante symbolisch dargestellt. Der Zuluftstrom liegt mit 450 m³/h (9 m³/(m²h) über dem hygienischen Minimalwert nach DIN 1946 Teil 2 von 6 m³/(m²h) für Großraumbüros. Die Zulufttemperatur beträgt 22 °C. Die Temperatur des Kaltwassers, das die Kühldecke mit einem Teilwärmedurchgangskoeffizienten κ Paneel = 20 W/(m²K) beaufschlagt, wird iterativ so angepasst, dass die gewünschte Empfindungstemperatur t E = 25 °C erreicht wird. Bild 4.2 Anlagenvariante 1: voll be- legte Kühldecke (κ Paneel = 20 W/(m²K)) mit Quelllüftung (450 m³/h, t Lzu = 22 °C) mit Leistungsanpassung durch die Kaltwassertemperatur der Kühldecke Aussagen: Die Kühldecken-Quellluft-Kombination stellt eine ausgezeichnete Lösung zur Kühlung von Räumen – auch von Eckräumen mit zwei Vollglasfassaden – dar. Die globalen und partikulären Behaglichkeitsbedingungen werden eingehalten. • Die Wärmeaufnahme durch die Zuluft steigt stark mit der konvektiven Lasteinbringung an. Mit ihr steigt auch die Lufttemperatur und die Strahlungstemperatur der Umgebung sinkt im gleichen Verhältnis. G l a s f a s s a d e Glasfassade 10 m 5 m 3 m Kühldecke Kühldecke Zuluft Abluft maximale Kühllastdichte 77,4 W/m² Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 40 • Der vertikale Lufttemperaturgradient steigt stark mit der konvektiven Lasteinbringung an, bleibt aber im zulässigen Bereich von ≤ 2 K/m. • Die Strahlungstemperatur-Asymmetrie fällt etwas mit ansteigender konvektiver Lasteinbrin- gung. Sie liegt weit unterhalb der zulässigen Grenze nach Bild 3.6. • Die maximale Umgebungstemperatur liegt auch bei hohen Strahlungslasten unter dem zuläs- sigen Wert (Bild 3.7) von 28 °C. Detaillierte wärmetechnische und wärmephysiologische Ergebnisse der Anlagenvariante 1: 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 W ä r m e a u f n a h m e d u r c h d i e Z u l u f t Normallast erhöhte Interieurlast 100 % Strahlung 100 % Konvektion Normal- verteilung W 0 1 2 1 2 3 L u f t t e m p e r a t u r g r a d i e n t Normallast erhöhte Interieurlast K/m 100 % Strahlung 100 % Konvektion Normal- verteilung 22 23 24 25 26 27 28 L u f t t e m p e r a t u r Normallast erhöhte Interieurlast °C 100 % Strahlung 100 % Konvektion Normal- verteilung 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 m a x . S t r a h l u n g s a s y m m e t r i e Normallast erhöhte Interieurlast K 100 % Strahlung 100 % Konvektion Normal- verteilung 22 23 24 25 26 27 28 U m g e b u n g s t e m p e r a t u r Normallast erhöhte Interieurlast °C 100 % Strahlung 100 % Konvektion Normal- verteilung 22 23 24 25 26 27 28 m a x . U m g e b u n g s t e m p e r a t u r Normallast erhöhte Interieurlast °C 100 % Strahlung 100 % Konvektion Normal- verteilung 4.2 Umluftkühler Im Falle der Nachrüstung von Räumen mit einer Kühleinrichtung zur Erhöhung der flexiblen Raumnutzung und zur Kostenreduzierung ist es interessant zu wissen, inwieweit eine konvekti- ve Raumkühlung aus wärmephysiologischer Sicht möglich ist. Bild 4.3 zeigt die Prinziplösung mit einem Umluftkühler. Er entnimmt die warme Luft aus der obersten Zone und führt die ge- kühlte Luft der untersten Zone zu. Der Umluftstrom beträgt im Volllastfall 2000 m³/h (Luft- Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 41 wechsel ca. 13 h -1 ). Die Temperatur der Umluft am Eintritt in den Raum t ULzu wird iterativ so angepasst, dass die gewünschte Empfindungstemperatur t E = 25 °C erreicht wird. Der Zu- luftstrom werde für diese Berechnungsserie null gesetzt. Der Zuluftvolumenstrom muss jedoch wenigstens dem hygienisch bedingten Mindestwert entsprechen. Alle errechneten Daten würden weiterhin gelten, wenn der Umluftstrom um den gewählten Zuluftstrom verringert würde und die Zulufttemperatur der iterativ ermittelten Eintrittstemperatur der Umluft entspräche (t Lzu = t ULzu ). Die Zuluft wäre in der untersten Zone zuzuführen. Selbstverständlich kann der Umluft- kühler auch durch eine reine Quelllüftung mit den gleichen Parametern (Luftvolumenstrom, Zu- lufttemperatur) ersetzt werden. Die Aussagen sind dann identisch. Das Raummodell wurde für diese Berechnungen erweitert. Bild 4.3 Anlagenvariante 2: Umluft- kühler oder Quelllüftung (2000 m³/h) mit Leistungsanpassung durch die Lufttemperatur am Raumeintritt Aussagen: Bei hohen Raumlasten ist eine Umluftkühlung nur bei einem sehr hohen konvektiven Lastanteil vertretbar. Die reine Umluftkühlung im Raum trägt die Merkmale einer Nur-Luft- Klimatisierung: niedrige Lufttemperaturen und unzulässig hohe Umgebungstemperaturen. • Die Eintrittstemperatur der Umluft in den Raum steigt mit zunehmender konvektiver Last- einbringung an. Mit ihr steigt auch die Lufttemperatur und die Strahlungstemperatur der Umgebung sinkt im gleichen Verhältnis. • Der vertikale Lufttemperaturgradient übersteigt in den meisten Fällen den zulässigen Be- reich von ≤ 2 K/m geringfügig. • Die Strahlungstemperatur-Asymmetrie liegt weit unterhalb der zulässigen Grenze gemäß Bild 3.6. • Die maximale Umgebungstemperatur übersteigt bei den meisten Belastungsvariationen den nach Bild 3.7 zulässigen Wert von 28 °C. • Sehr problematisch ist es, eine zugfreie Raumluftströmung zu realisieren. Die Erfahrungen mit Quellluftdurchlässen sind zu nutzen. G l a s f a s s a d e Glasfassade 10 m 5 m 3 m Umluft- kühler t ULzu Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 42 Detaillierte wärmetechnische und wärmephysiologische Ergebnisse der Anlagenvariante 2: 17 18 19 20 21 U m l u f t t e m p e r a t u r a m E i n t r i t t Normallast erhöhte Interieurlast °C 100 % Strahlung 100 % Konvektion Normal- verteilung 0 1 2 3 L u f t t e m p e r a t u r g r a d i e n t Normallast erhöhte Interieurlast K/m 100 % Strahlung 100 % Konvektion Normal- verteilung 20 21 22 23 24 L u f t t e m p e r a t u r Normallast erhöhte Interieurlast °C 100 % Strahlung 100 % Konvektion Normal- verteilung 0 1 2 3 4 5 m a x . S t r a h l u n g s a s y m m e t r i e Normallast erhöhte Interieurlast K 100 % Strahlung 100 % Konvektion Normal- verteilung 26 27 28 29 30 U m g e b u n g s t e m p e r a t u r Normallast erhöhte Interieurlast °C 100 % Strahlung 100 % Konvektion Normal- verteilung 25 26 27 28 29 30 31 m a x . U m g e b u n g s t e m p e r a t u r Normallast erhöhte Interieurlast °C 100 % Strahlung 100 % Konvektion Normal- verteilung 4.3 Kühlsegel mit Umluftkühler Der Einsatz von Kühlsegeln zeigt, dass damit sehr hohe Leistungen und behagliche Raumver- hältnisse erreicht werden. Eine Leistungsbegrenzung entsteht, wenn die Kühlwassertemperatur den Taupunkt erreicht. Deshalb wird im Weiteren eine kombinierte Kühlsegel-Umluft-Kühlung untersucht. Im Bild 4.4 zeigt die Anordnung schematisch. Aus gestalterischen Aspekten und aus Kostengründen wird nur eine Deckenhälfte in Fassadennähe mit dem Kühlsegel belegt. Die mitt- lere Kaltwassertemperatur für das Kühlsegel (κ Paneel = 20 W/(m²K)) beträgt 15 °C. Würde eine wärmetechnisch bessere Konstruktion eingesetzt, könnte die Wassertemperatur bei gleicher De- ckenoberflächentemperatur höher liegen. Die wärmetechnische Nachbildung des Kühlsegels erfolgt im Raummodell [2] durch eine einfache Modellerweiterung, indem der konvektive Wärmestrom der Kühldecke verdoppelt wird. Wollte man genauer vorgehen, müssten sehr spezielle Konstruktionsdetails Berücksichtigung finden. Das Kühlsegel wird stets in der obersten Zone angeordnet. Der Umluftstrom beträgt 1200 m³/h (Luftwechsel 8 h -1 ). Die Umluft wird der obersten Zone entnommen und auf t ULzu gekühlt der untersten Zone zugeführt. Die Lufttemperatur Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 43 Zone entnommen und auf t ULzu gekühlt der untersten Zone zugeführt. Die Lufttemperatur t ULzu wird iterativ ermittelt, sodass t E = 25 °C erreicht wird. Der Zuluftstrom kann im praktischen Fall einen beliebigen Teil des Umluftstromes ersetzen, wenn die Zulufttemperatur t Lzu = t ULzu realisiert wird. Bild 4.4 Anlagenvariante 3: Kombina- tion eines Kühlsegels (κ Paneel = 20 W/(m²K), t KW = 15 °C) und eines Um- luftkühlers oder einer Quelllüftung (1200 m³/h) mit Leistungsanpassung durch die Lufttemperatur am Raumein- tritt Detaillierte wärmetechnische und wärmephysiologische Ergebnisse der Anlagenvariante 3: 18 19 20 21 22 23 U m l u f t t e m p e r a t u r a m E i n t r i t t Normallast erhöhte Interieurlast °C 100 % Strahlung 100 % Konvektion Normal- verteilung 0 1 2 3 L u f t t e m p e r a t u r g r a d i e n t Normallast erhöhte Interieurlast K/m 100 % Strahlung 100 % Konvektion Normal- verteilung 22 23 24 25 26 1 2 3 L u f t t e m p e r a t u r Normallast erhöhte Interieurlast °C 100 % Strahlung 100 % Konvektion Normal- verteilung 0 1 2 3 4 5 6 7 m a x . S t r a h l u n g s a s y m m e t r i e Normallast erhöhte Interieurlast K 100 % Strahlung 100 % Konvektion Normal- verteilung 24 25 26 27 28 U m g e b u n g s t e m p e r a t u r Normallast erhöhte Interieurlast °C 100 % Strahlung 100 % Konvektion Normal- verteilung 25 26 27 28 29 30 m a x . U m g e b u n g s t e m p e r a t u r Normallast erhöhte Interieurlast °C 100 % Strahlung 100 % Konvektion Normal- verteilung Aussagen: Das Kühlsegel-Umluftkühl-System ist bei der Abfuhr hoher Raumlasten auch für Eckräume sehr gut einsetzbar. Die globalen und partikulären Behaglichkeitsbedingungen werden eingehalten. G l a s f a s s a d e Glasfassade 10 m 5 m 3 m Umluft- kühler t ULzu Kühlsegel Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 44 • Die Eintrittstemperatur der Umluft in den Raum steigt mit der konvektiven Lasteinbringung an. Mit ihr steigt auch die Lufttemperatur und die Strahlungstemperatur der Umgebung sinkt im gleichen Verhältnis. • Der vertikale Lufttemperaturgradient befindet sich stets im zulässigen Bereich von ≤ 2 K/m. • Die Strahlungstemperatur-Asymmetrie liegt unterhalb der zulässigen Grenze nach Bild 3.6. • Kritisch kann im Ausnahmefall sehr hoher Strahlungslasten lediglich die Strahlungstempera- tur der Umgebung werden. Sie ist aber stets niedriger als bei Nur-Luft-Klimaanlagen. 4.4 Gesamtbewertung Außer den drei grundsätzlichen Anlagenvarianten und der spezifischen Kühllast von 77,4 W/m² wurden auch Variationen betrachtet, beispielsweise halb belegte Kühldecke (Dreieck an den Fassaden), reduzierter Umluftstrom (1200 m³/h; 1500 m³/h); Kühlsegel mit Quellluft (450 m³/h) bei zu ermittelnder Kaltwassertemperatur und reduzierte Kühllast von 47,3 W/m². In der Tabelle 4.1 finden sich alle relevanten Ergebnisse der Simulation, die für die Behaglichkeit und auch für den Anlagenbetrieb signifikant sind. Sie werden nachfolgend kurz charakterisiert: t Luft °C Raumlufttemperatur in Kopfhöhe eines sitzenden Menschen t Umgebung °C Strahlungstemperatur der Umgebung in Kopfhöhe eines sitzenden Menschen ∆t E K Schwankung der Empfindungstemperatur in Kopfhöhe über dem Raumgrundriss mit einem Wandabstand von jeweils 1 m g Lufttemp. K/m vertikaler Lufttemperaturgradient zwischen den Höhen 0,1, m und 1,1 m, näherungs- weise gebildet aus den mittleren Lufttemperaturen in den Zonen 4 und 1 gemäß dem Zusammenhang g Lt = (t L,zone=4 - t L,zone=1 ) / 0,9 m ∆t Strahl. K maximale Strahlungstemperatur-Asymmetrie bezogen auf Würfelelemente gemäß [2 oder Anhang B, Bild 4.30] in Kopfhöhe über dem Raumgrundriss mit einem Wand- abstand von jeweils 1 m t L,zone=1 °C mittlere Lufttemperatur in der Zone 1 (Höhe: 0 ... 0,3 m) t Decke °C Oberflächentemperatur der thermisch aktiven Kühldecke bzw. eines Kühlsegels t Kaltwasser °C mittlere Kaltwassertemperatur mit der die Kühldecke oder das Kühlsegel beauf- schlagt wird, wenn κ Paneel = 20 W/(m²K) gilt n LW h -1 stündlicher Raumluftwechsel durch Zuluft oder Umluft (Umluftkühler). Für alle aufgeführten Varianten gilt eine Empfindungstemperatur von 25 °C in der Aufenthalts- zone (Kopfhöhe eines sitzenden Menschen 1,3 m über Fußboden; arithmetisch gemittelt aus dem Maximal- und Minimalwert über dem Raumgrundriss bei einem Wandabstand von jeweils 1 m). Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 45 Tabelle 4.1 Zusammenstellung aller relevanten Ergebnisse der berechneten Beispiele t Luft t Umgebung ∆t E g Lufttemp. ∆t Strahl. t L,zone=1 t Luft,zu t Decke t Kaltwasser n LW °C °C K K/m K °C °C °C °C h -1 Kühldecke, voll belegt, Normallast (77,4 W/m²), Quellluft mit t Lzu = 22 °C Gesamturteil: ideal 23,9...25,5 24,5...26,1 0,5...1,3 0,6...2,0 4,2...6,3 23,2...23,6 22 18,9...19,7 15,6...16,7 3 Kühldecke, halb belegt, reduzierte Last (47,3 W/m²), Quellluft mit t Lzu = 22 °C gut 24,0...24,9 25,1...26,0 0,7...1,1 0,6...1,8 4,4...4,9 23,1...23,7 22 17,7...18,5 13,9...15,1 3 Quelllüftung und/oder Umluftkühler, 2000 m³/h, Normallast (77,4 W/m²) mangelhaft 21,2...22,7 27,3...28,8 0,3...1,3 1,9...2,5 1,9...3,8 18,4...20,5 17,7...20,4 - - 13,3 Quelllüftung und/oder Umluftkühler, 1200 m³/h, reduzierte Last (47,3 W/m²) befriedigend 22,5...23,2 26,8...27,5 0,5...0,7 2,2...2,6 2,0...2,3 19,9...20,8 18,6...19,9 - - 8 Quelllüftung und/oder Umluftkühler, 1500 m³/h, reduzierte Last (47,3 W/m²) gut 22,5...23,2 26,8...27,5 0,4...0,7 1,8...2,1 1,9...2,2 20,2...21,1 19,5...20,8 - - 10 Kombination: Kühldecke, halb belegt + Quelllüftung und/oder Umluftkühler, 1200 m³/h, Normallast (77,4 W/m²) gut 23,0...24,4 25,6...27,0 0,8...1,4 1,5...2,7 4,4...5,8 20,4...22,6 19,0...22,3 18,6 15 8 Kühlsegel, halb belegt, Normallast (77,4 W/m²), Quellluft mit t Lzu = 22 °C mangelhaft 23,1...24,4 25,6...26,9 1,0...1,8 0,6...0,8 4,9...7,1 22,3...23,6 22 15,6...17,7 8,6...11,6 3 Kühlsegel, halb belegt, reduzierte Last (47,3 W/m²), Quellluft mit t Lzu = 22 °C ideal 23,7...24,4 25,6...26,3 0,6...0,9 0,7...0,8 3,7...4,2 23,0...23,6 22 19,5...20,4 15,6...16,8 3 Kombination: Kühlsegel, halb belegt + Quelllüftung und/oder Umluftkühler, 1200 m³/h, Normallast (77,4 W/m²) ideal 22,6...24,2 25,8...27,4 0,7...1,3 1,3...1,9 4,1...5,6 21,1...23,0 19,8...22,7 19,3 15 8 Diskussion der Varianten Die in der Praxis vorkommenden spezifischen Lasten schwanken in sehr weiten Grenzen. Viel- fach werden die Leistungsangaben aufgrund unterschiedlicher Interessenslagen auch bewusst zu besonders hohen oder auch besonders niedrigen Werten hin manipuliert. Für Eckräume mit hohem transparenten Flächenanteil stellt die angenommene Normallast von 77,4 W/m² einen moderaten Wert dar. Bei Einsatz von guten Gläsern und wirksamen Verschat- tungseinrichtungen ist diese Größenordnung auch erreichbar und im Sinne einer wirtschaftli- chen, umweltschonenden Klimatisierung als Obergrenze anzusehen. Die verwendete reduzierte Last von 47,3 W/m² wird bei Eckräumen nur zutreffend sein können, Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 46 wenn die Fassade einen kleinen Fensteranteil aufweist. Die reduzierte Last stellt jedoch einen typischen Belastungsfall bei Normalräumen (eine Außenwand) dar. Bei der wärmephysiologischen Bewertung der Varianten kann man somit folgende pauschale Feststellungen treffen. Erfüllt eine Anlagenvariante alle ausgewählten Behaglichkeitskriterien und die technischen Grenzwerte bei • Normallast für einen Eckraum, dann ist der Einsatz im Eckraum und erst recht in einem Normalraum ideal möglich; • reduzierter Last für einen Eckraum, dann ist der Einsatz im Eckraum mit geringem Fens- teranteil und in einem Normalraum ideal möglich. Für die einzelnen Anlagenvarianten ergeben sich in Verbindung mit Tabelle 4.1 die nachfolgen- den, speziellen Bewertungen. • Kühldecke, voll belegt, Normallast (77,4 W/m²), Quellluft mit t Lzu = 22 °C Ideale Lösung, da alle wärmephysiologischen Kriterien und technischen Grenzparameter ein- gehalten werden. Es sind auch Kühldecken mit normalen wärmetechnischen Konstruktions- kennwerten (κ Paneel ≥ 20 W/(m²K)) einsetzbar. Der kleine Raumluftwechsel von 3 h -1 gewährleis- tet Zugfreiheit. • Kühldecke, halb belegt, reduzierte Last (47,3 W/m²), Quellluft mit t Lzu = 22 °C Alle wärmephysiologischen Kriterien werden erfüllt. Es sind aber nur Hochleistungskühldecken mit einem geringen Temperaturabfall innerhalb der Konstruktion einsetzbar. Dies ist möglich, da die erforderliche Oberflächentemperatur der Kühldecke bei etwa 18 °C liegt und die Taupunkt- temperatur der Raumluft bei 50 % relativer Feuchte ca. 14 °C beträgt. Der kleine Raumluftwech- sel von 3 h -1 gewährleistet Zugfreiheit. • Quelllüftung und/oder Umluftkühler, 2000 m³/h, Normallast (77,4 W/m²) Diese Lösung ist bezüglich der wärmephysiologischen Kriterien und technischen Grenzparame- ter kritisch zu bewerten. Die Umgebungstemperatur liegt zu hoch und die Lufttemperatur in Fußbodennähe ist zu niedrig. Außerdem kann der Lufttemperaturgradient 2 K/m übersteigen. Der große Raumluftwechsel von über 13 h -1 gestattet nur in Sonderfällen ohne Zuggefahr – bei- spielsweise bei einer Teppichbodenlüftung – eine Erhöhung. Die Vergrößerung des Luftvolu- menstromes wäre aber die Voraussetzung, um die wärmephysiologisch ungünstigen thermischen Verhältnisse den zulässigen Grenzwerten anzunähern. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 47 Die Erhöhung des Raumluftwechsels auf ca. 17 h -1 bietet dennoch keine umfassenden behaglichen Bedingungen bei t E = 25 °C, wie eine separate Berechnung verdeutlicht: Lufttemperatur in Fußbo- dennähe liegt deutlich unter 21 °C; die mittlere Strahlungstemperatur ist größer 28 °C (Maximal- wert 29,6 °C). Diese Werte können bei hohen Strahlungskühllasten noch ungünstiger werden. Au- ßerdem besteht bei dem hohen Raumluftwechsel Unbehaglichkeit infolge von Zuggefahr. In vielen Fällen wird bei den Nur-Luft-Systemen die Empfindungstemperatur angehoben. Bleibt man bei dem Raumluftwechsel von etwa 13 h -1 und setzt t E = 26 °C, dann liefert eine weitere Simulationsrechnung: Die Lufttemperatur in Fußbodennähe liegt deutlich unter 21 °C; der Luft- temperaturgradient von 2,5 K/m überschreitet den zulässigen Wert; die mittlere Umgebungstem- peratur beträgt 29,4 °C und der Maximalwert 30,5 °C. Dies ist nach Bild 3.7 bei t E = 26 °C noch akzeptabel. Die Ergebnisse werden bei hohen Strahlungskühllasten noch ungünstiger. Weiterhin besteht auch bei einem Raumluftwechsel von 13 h -1 Zuggefahr. Die erhöhte Empfindungstempe- ratur t E = 26 °C kann nach Bild 3.7 bis zu 12 % Unzufriedenheit bewirken. • Quelllüftung und/oder Umluftkühler, 1200 m³/h, reduzierte Last (47,3 W/m²) Bei dieser Anlagenvariante ist bei verringerter Last auch der Luftvolumenstrom reduziert worden (Raumluftwechsel 8 h -1 ), sodass die bei der vorherigen Variante festgestellten Mängel grundsätz- lich erhalten bleiben. Die Strahlungstemperatur der Umgebung sinkt zwar unter den in diesem Fall geltenden zulässigen Wert von 28 °C, der Lufttemperaturgradient steigt dagegen sogar noch an. • Quelllüftung und/oder Umluftkühler, 1500 m³/h, reduzierte Last (47,3 W/m²) Im Vergleich zur vorhergehenden Anlagenvariante erfolgt eine Erhöhung des Luftvolumenstro- mes (Raumluftwechsel 10 h -1 ). Dadurch steigt die Lufttemperatur in Fußbodennähe etwas an, liegt aber mitunter noch unter dem zulässigen Grenzwert. Der Lufttemperaturgradient fällt so- weit ab, dass er den zulässigen Grenzwert nur noch tangiert. Die Luftdurchlässe sind so zu kon- zipieren, dass Zugfreiheit gewährleistet werden kann. • Kombination: Kühldecke, halb belegt + Quelllüftung und/oder Umluftkühler, 1200 m³/h, Normallast (77,4 W/m²) Bei dieser kombinierten Anlagenvariante werden bei Normalbelastung die wärmephysiologi- schen Kriterien und technischen Grenzparameter teilweise sehr gut eingehalten. Überschreitun- gen der Grenzwerte treten bei hohen Strahlungsanteilen der Kühllasten auf. Sie betreffen gering- fügig die Lufttemperaturen in Fußbodennähe und verstärkt den Lufttemperaturgradienten. • Kühlsegel, halb belegt, Normallast (77,4 W/m²), Quellluft mit t Lzu = 22 °C Alle wärmephysiologischen Kriterien werden erfüllt. Die erforderliche Oberflächentemperatur Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 48 der Kühldecke liegt bei 15,6 °C bis 17,7 °C und damit sehr nahe an der Taupunkttemperatur der Raumluft, die bei 50 % relativer Feuchte ca. 14 °C beträgt. Die niedrigen Kühldeckentemperatu- ren treten bei hohen Strahlungskühllasten auf, da unter diesen Umständen die Kühldeckenleis- tung sehr groß sein muss. Damit ist diese Anlagenvariante nur im Ausnahmefall bei Einsatz von Hochleistungskühldecken (geringer Temperaturabfall innerhalb der Konstruktion) und bei hohen konvektiven Lastanteilen realisierbar. • Kühlsegel, halb belegt, reduzierte Last (47,3 W/m²), Quellluft mit t Lzu = 22 °C Ideale Lösung für reduzierte Last, da alle wärmephysiologischen Kriterien und technischen Grenzparameter eingehalten werden. Es sind auch Kühldecken mit normalen wärmetechnischen Konstruktionskennwerten (κ Paneel ≥ 20 W/(m²K)) einsetzbar. Der kleine Raumluftwechsel (3 h -1 ) gewährleistet Zugfreiheit. • Kombination: Kühlsegel, halb belegt + Quelllüftung und/oder Umluftkühler, 1200 m³/h, Normallast (77,4 W/m²) Ideale Lösung für Normallast – vergleichbar mit der voll belegten Kühldecke und Quellluft –, da alle wärmephysiologischen Kriterien und technischen Grenzparameter eingehalten werden. Es sind auch Kühldecken mit normalen Konstruktionskennwerten (κ Paneel ≥ 20 W/(m²K)) einsetzbar. Der Raumluftwechsel von 8 h -1 wird bei richtiger Gestaltung der Luftdurchlässe zugfrei beherrscht. 4.5 Einsatz- und Entwicklungsempfehlungen, Fazit Die Tabelle 4.1 und die Diskussion der Anlagenvarianten ergeben folgende Einsatzvorschläge: ● Abzuführende Kühllasten < 80 W/m² in Eckräumen oder in Normalräumen können bei Einhaltung der wärmephysiologischen Grenzparameter und der technischen Anlagenkriterien bei folgenden Anlagenvarianten realisiert werden: ⇒ voll belegte Kühldecke mit hygienisch bedingter Lüftung – beispielsweise als Quelllüf- tung – mit einem Raumluftwechsel von 3 h -1 Prädikat: ideal ⇒ Kombination eines halben Raum-Kühlsegels mit einem Umluftkühler oder einer erhöhten Quelllüftung mit jeweils einem Raumluftwechsel von 8 h -1 Prädikat: ideal ⇒ Kombination einer halb belegten Kühldecke mit einem Umluftkühler oder einer erhöhten Quelllüftung mit jeweils einem Raumluftwechsel von 8 h -1 Prädikat: gut ● Abzuführende Kühllasten < 50 W/m² in Eckräumen oder in Normalräumen können bei Ein- haltung der wärmephysiologischen Grenzparameter und der technischen Anlagenkriterien Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 49 zusätzlich bei folgenden Anlagenvarianten realisiert werden: ⇒ halbes Raum-Kühlsegel mit hygienisch bedingter Lüftung – beispielsweise als Quelllüf- tung – mit einem Raumluftwechsel von 3 h -1 Prädikat: ideal ⇒ halb belegte Kühldecke mit hygienisch bedingter Lüftung – beispielsweise als Quelllüf- tung – mit einem Raumluftwechsel von 3 h -1 Prädikat: gut ⇒ Umluftkühler oder Quelllüftung mit Raumluftwechsel von 10 h -1 Prädikat: gut Für die weitere Entwicklung sind Hochleistungskühldecken und -kühlsegel (großes κ Paneel ) anzu- streben, da damit der verstärkte direkte bzw. exergetisch günstige Einsatz von Umweltenergie möglich wird. Bei Einsatz flexibler Kühlsysteme – z. B. Kapillarrohrmatten – sind individuelle Gestaltungen bis zur Fertigung von Unikaten meist ohne Mehrkosten möglich. Vorgefertigte Kühlsegel mit integrierten Leuchten, Rauchmeldern, Luftdurchlässen usw. reduzieren die Mon- tagezeiten und sind meistens kostengünstig. Die spezifische Leistung der Kühlsegel ist bei glei- chem Konstruktionsaufbau um 25 % bis 35 % höher, als die von geschlossenen Kühldecken. Fazit ● Ideale bzw. gute behagliche Verhältnisse in Büroräumen unter sommerlichen Bedingungen sind nur bei Einsatz von Flächenkühlungen erreichbar. ● Die Nur-Luft-Systeme weisen bei Einhaltung der Empfindungstemperatur zu niedrige Luft- temperaturen in Fußbodennähe und zu hohe Strahlungstemperaturen auf. Der zulässige Luft- temperaturgradient wird häufig überschritten. Die reinen Umluftkühler – wie beispielsweise Kühlbalken – sind aus wärmephysiologischer Sicht gleichermaßen ungünstig. Aus hygieni- scher Betrachtung schneiden sie noch schlechter ab. Die bisherige Diskussion über die Behag- lichkeit der Lüftungssysteme beachtete die zugehörigen Strahlungstemperaturen zu wenig. ● Ein Zusammenwirken von Strahlungskühlflächen mit Konvektionskühlern ist bei richtiger Ab- stimmung sinnvoll. Gute wärmephysiologische Bedingungen werden erreicht. Bezüglich der Nachrüstbarkeit und der flexiblen Büronutzung sind diese Lösungen besonders gut anpassbar. ● Architektonisch und wirtschaftlich sehr interessante Lösungen ergeben sich beim Einsatz von Kühlsegeln, da diese sich durch hohe Kühlleistungen und individuelle Gestaltung auszeichnen. Weitere Detaillierungen im Anhang B: "Wärmephysiologisches Empfinden des Menschen beim Einsatz großflä- chiger, thermisch aktiver Raumumfassungen und konvektiv arbeitender Wärmeübertragerelemente im Raum mit geringen Temperaturdifferenzen zum Aufenthaltsbereich" Bericht hat 180 Seiten plus Programmlisting 47 Seiten Weitere 476 Seiten Rechnerausdrucke liegen bei F+E TGA vor. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 50 5 Praktisch nutzbares Umweltenergiepotenzial Wärmesenken in der Umwelt können beispielsweise sein: • Flusswasser • Seewasser • Grundwasser • Erdreich • Luft. Die Temperaturen dieser Wärmesenken unterliegen mitunter starken zeitlichen und örtlichen Schwankungen. 5.1 Fluss- und Seewasser Die Temperaturen sind sehr stark von der Jahreszeit, der geografischen Lage, vom Quellgebiet des Flusses und bei Seen vor allem von deren Tiefe abhängig. Die Bilder 5.1 und 5.2 zeigen markante Temperaturverläufe eines Sees und zweier Flüsse. Bild 5.1 Höhenabhängige Was- sertemperatur eines Binnensees für ausgewählte Monate nach [4] Bild 5.2 Beispiele für die Wasser- temperaturen von Flüssen Aus den Bildern folgen die Erkenntnisse: • Tiefe Seen sind in der Lage, ganzjährig die Kaltwasserbereitstellung zu übernehmen. Die Temperaturschichtung des Wassers zeigt jedoch große jahreszeitliche Unterschiede. Diese Juli März 0 5 10 15 20 m 25 °C 20 15 10 5 0 T e m p e r a t u r Tiefe unter der Wasseroberfläche August September Oktober November April Juni 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Monat W a s s e r t e m p e r a t u r °C Spree in Berlin Weser erforderliche Temperatur zur Betonkühlung Sommermaximum des Inns bei Innsbruck Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 51 Schichtung sollte bei der Entnahme und der eventuellen Wiedereinleitung möglichst nicht gestört werden. So hat beispielsweise die Einleitung in der Tiefe zu erfolgen, wo die Wasser- temperatur des Sees mit der Rücklauftemperatur übereinstimmt. • Die Flusswassernutzung zur Beaufschlagung thermisch aktivierter Decken (Betonkernküh- lung) ist in vielen Fällen von Oktober bis Mai denkbar. Die Flüsse in den Ballungsräumen sind durch Kühlwassereinleitungen aber häufig thermisch stark belastet und somit nicht nutzbar. • Meistens wird die Nutzbarkeit der Oberflächengewässer überschätzt. • Die Förderaufwendungen bei der Wasserentnahme vor allem aus tiefen Seen sind bei energetischen Betrachtungen unbedingt zu berücksichtigen. • Die Nutzung von Oberflächenwässern setzt eine umfangreiche hydrologische Untersuchung der Temperaturen und der Ergiebigkeit voraus. Bei Seen ist die Temperaturschichtung unter Entnahmebedingungen zu beurteilen. • Eine wasserrechtliche Genehmigung zur Nutzung von Oberflächenwasser ist Voraussetzung. 5.2 Grundwasser Die Temperatur des Grundwassers ist intensiv an die Erdreichtemperatur gekoppelt. Die theore- tische Erdreichtemperatur schwankt in allen Tiefen um die mittlere Oberflächentemperatur (Jah- resmittel) von ca. 9 °C. Je nach Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität des Erdreichs sind die Tagesschwankungen in 1 bis 1,5 m Tiefe abgeklungen. Die Jahresschwankung wird bis in eine Tiefe von 15 bis 25 m bemerkt. Man bezeichnet diesen Bereich als neutrale Zone. Einen idealisierten Temperaturverlauf zeigt das Bild 5.3. Die niedrigsten Grundwassertemperaturen treten im März und April auf, die höchsten Werte liegen im September und Oktober vor. In Realität sind zahlreiche Anomalien vorhanden (Bild 5.4). Während die Temperaturbereiche der Standorte I bis III mit der zunehmenden Siedlungsdichte erklärbar sind, deutet die starke Anomalie der Temperaturen des Standortes IV auf eine intensive Kühlwassernutzung hin. Besonders bemerkenswert ist an diesem Standort, dass in den tiefen Regionen zwischen 10 und 20 m höhere Temperaturen auftreten als in den Bereichen darüber, d. h., es werden beispielsweise ein Wasserstrom und/oder ein Wärmestrom von einem erwärmten Vorfluter zum Grundwasser fließen. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 52 Bild 5.3 Idealisierter Temperaturverlauf im Erdreich Bild 5.4 Bereiche von Grundwas- sertemperaturen im Zeitraum Ja- nuar bis Oktober 1991 für ausge- wählte Standorte im Raum Berlin: I Randgebiet II geringe Siedlungs- dichte III hohe Siedlungsdichte IV Industriegebiet Aus den bisherigen Betrachtungen folgen: • Grundwasser kann üblicherweise ganzjährig die Kaltwasserbereitstellung für Kühldecken oder für die Massivdeckenkühlung übernehmen. • Die Nutzung des Grundwassers durch Förder- und Schluckbrunnen (Sickerbrunnen) zur Bauteilkühlung ist in der Regel ideal möglich, wenn diese nahe am Bauobjekt liegen. Die Förder- und Rückführaufwendungen bei der Wasserentnahme aus tiefen Schichten sind un- bedingt zu berücksichtigen. Ein Verpressen des entnommenen Wassers ist in der Regel un- wirtschaftlich. • Die thermische Nutzung des Grundwassers setzt eine umfangreiche hydrologische Untersu- chung der Lage der wasserführenden Schichten und der Ergiebigkeit unter Belastung voraus. Auf evtl. Anomalien ist besonders zu achten! • Eine wasserrechtliche Genehmigung zur Nutzung von Grundwasser ist Voraussetzung. M ä r z J a n u a r Mai November J u li S e p t e m b e r 8 ... 12 °C 0 m 15 25 T i e f e Temperatur neutrale Zone 10 K 10 K . . . 9 10 11 12 13 14 15 °C 16 Temperatur 0 m 10 20 30 T i e f e Standort II III IV I Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 53 5.3 Erdreich Die Temperatur des Erdreichs bis zur sogenannten neutralen Zone wurde bereits im vorherigen Abschnitt behandelt, sie ist bei Vorhandensein von Grundwasser mit der Grundwassertemperatur identisch. Bei größeren Tiefen wirkt die Erdwärme, wobei man mit einer Temperaturzunahme von etwa 3 K / 100 m rechnen kann. Über die Wärmenutzung des Erdreichs liegen hauptsächlich Ergebnisse für den Wärmeentzug zur Beheizung von Gebäuden mittels Wärmepumpen vor. Dazu gibt es konstruktiv zwei unter- schiedliche Formen: - Erdwärmekollektor (horizontal angeordnete Kunststoffrohrregister, Tiefe 1,2 ... 1,5 m, ma- ximal 3 m) - Erdwärmesonden - "Energiepfähle" - (vertikale Bohrungen mit U-förmig durchflossenen Kunststoffrohren, Tiefe 50 ... 250 m). Die spezifischen Entzugsleistungen sind in starkem Maße von der Bodenbeschaffenheit abhän- gig. Als Anhaltswerte gelten nach [5] und VDI 4640: Erdwärmekollektor 8 ... 40 W/m²; Erdwärmesonden 20 ... 70 W/m. Damit ergeben sich die Feststellungen: • Bei der Nutzung des Erdreichs als Wärmesenke kann man sich bezüglich der Leistung zu- nächst an den genannten Entzugsleistungen bei der Nutzung als Wärmequelle orientieren. • Aus den Leistungen ist erkennbar, dass die "Erdkältenutzung" in der Regel nur ergänzend sein kann, da der Bedarf von größeren Bauten keinesfalls wirtschaftlich abdeckbar ist. • Der Einsatz von tiefgehenden Erdsonden ist thermisch ungünstiger als kürzere Sonden bzw. als Erdkollektoren beispielsweise in einer Tiefe von 8 m (vgl. Bild 5.3), da die Temperatur in 200 m Tiefe durch den Erdwärmefluss z. B. 17 °C beträgt. Dies ist bei Wärmepumpennut- zung ein Vorteil, bei "Erdkältenutzung" jedoch nachteilig. Setzte man noch die technisch er- forderliche Grädigkeit an, so würde die verfügbare Vorlauftemperatur etwa 20 °C betragen. Die Bauteilkühlung hätte jedoch den Vorteil, dass sie ganztägig betrieben werden könnte. • Die Lösung mit Erdsonden erscheint aus Gründen der hohen Investitionskosten nicht sinn- voll, es sei denn, dass diese mit einer statisch erforderlichen Pfahlgründung kombiniert wird. Die Regenerationsmöglichkeit des Erdreichs muss genau untersucht werden. Eine aktive Ladung ist in vielen Fällen zweckmäßig! Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 54 5.4 Solarenergie als Wärmequelle Der Einsatz von Solarkollektoren ist hinreichend bekannt. Raumseitige Hochleistungswärmeü- bertragerflächen gestatten eine verstärkte Nutzung der Umweltenergie. Solarkollektoren können effizienter und über einen längeren Zeitraum zum Heizen Verwendung finden. Bild 5.5 zeigt, dass durch niedrigere Heizmedientemperaturen z. B. der Kollektorwirkungsgrad um ca. 10 % steigt. Bild 5.5 Wirkungsgrad- zuwachs und erweiterte Nutzungsbereiche bei Solarkollektoren durch niedrigere Heizmedien- temperaturen 5.5 Atmosphärische Luft als Wärmesenke Die Luftatmosphäre als Wärmesenke zu verwenden, ist allerorts möglich. Da die Lufttemperatu- ren nur zeitweise für eine direkte Gebäudekühlung nutzbar sind, werden in der Regel Kältema- schinen zur Kaltwassererzeugung zwischen der Wärmesenke und dem Kaltwasserverbraucher geschaltet. Zur Erschließung der Wärmesenke Luft gibt es drei unterschiedliche Systeme: • Trockenkühler • Nasskühler (Kühlturm) • Hybridkühler. Um die möglichen Potenziale der atmosphärischen Luft für Kühlzwecke beurteilen zu können, müssen die Außenluftzustände und die Häufigkeiten ihres Auftretens bekannt sein. Die DIN 4710 gibt für zahlreiche deutsche Städte die Lufttemperatur t in °C und die absolute Feuchte x in g W /kg tL sowie die Häufigkeiten in 0,1 Stunden an. Der Datenbezug auf DIN 4710 ist bedeutend genauer als die Angaben der Testreferenzjahre [6, 23], da dort die Bereiche der Extremwerte (Temperaturen und Feuchten) nicht exakt wiederge- geben sind. 0 20 40 60 80 K 100 Temperaturdifferenz zwischen Wärmeträger und Umgebung W i r k u n g s g r a d 100 % 80 60 40 20 0 Q S = 1000 W/m² . F l a c h k o l l e k t o r A b s o r b e r V a k u u m -R ö h re n k o lle k to r Warmwasserbereitung Prozesswärme 1 1 % erw. Bereich übliche Heizung Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 55 Im Ergebnis der Auswertung der Datenbasis nach DIN 4710 können die Häufigkeiten der Luft- zustände am Tage und in der Nacht ermittelt werden. Mit Hilfe eines erstellten Rechenprogramms konnten dann auch die Korrelation zwischen Feuchtkugeltemperatur und Lufttemperatur sowie ihre Häufigkeitsverteilung ermittelt werden. Die Endergebnisse finden sich in den Bildern 5.6 und 5.7. Setzt man für die moderne Raumküh- lung die erforderliche Wassertemperatur mit t KW = 18 °C an, dann wird bei Einsatz eines Tro- ckenkühlers eine Lufttemperatur von höchstens t = 13 °C und bei Verwenden eines Kühlturmes eine Feuchtkugeltemperatur von höchstens t f = 13 °C nutzbar sein. Die entsprechenden Nut- zungsstunden können aus den Bilden 5.6 und 5.7 für die beiden Standorte Berlin und München ermittelt werden. Bild 5.6 Summe der Jahresstunden einer Luft- temperatur ≥ t für die Wetterstationen Berlin- Tempelhof und Mün- chen-Riem für die Mess- zeiträume 7 00 ... 18 00 Uhr und 19 00 ... 6 00 Uhr Bild 5.7 Summe der Jah- resstunden einer Feucht- kugeltemperatur ≥ t f für die Wetterstationen Ber- lin-Tempelhof und Mün- chen-Riem für die Mess- zeiträume 7 00 ... 18 00 Uhr und 19 00 ... 6 00 Uhr Für eine Grädigkeit im Trocken- bzw. Nasskühler von jeweils 5 K folgen in den Tabellen 5.1 und 5.2 die Einsatzbereiche für verschiedene Raumkühlsysteme (weitere Detaillierungen in [3]). -30 -20 -10 0 10 20 30 40 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 atmosphärische Lufttemperatur t J a h r e s s t u n d e n f ü r ≥ t °C Berlin 12 h, tags München 12 h, tags Berlin 12 h, nachts München 12 h, nachts ca. 1800 h 1297 h 942 h -20 -10 0 10 20 30 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Feuchtkugeltemperatur t f J a h r e s s t u n d e n f ü r ≥ t f °C Berlin 12 h, tags München 12 h, tags Berlin 12 h, nachts München 12 h, nachts ca. 940 h 500 ... 600 h Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 56 Tabelle 5.1 Jahreszeiträume zur Nutzung eines Trockenkühlers zur Kaltwasserbereitstellung t KW t Berlin München tags nachts tags nachts markante Anwendungsfälle °C °C h/a % h/a % h/a % h/a % Luftkonditionierung 6 1 713 16 867 20 868 20 1132 26 Kühldecke 16 11 2259 52 2695 62 2301 53 3015 69 Betonkühlung 18 13 2556 58 3083 70 2617 60 3438 78 Kombinationssysteme 20 15 2897 66 3493 80 2979 68 3824 87 Tabelle 5.2 Jahreszeiträume zur Nutzung eines Nasskühlers zur Kaltwasserbereitstellung t KW t f Berlin München tags nachts tags nachts markante Anwendungsfälle °C °C h/a % h/a % h/a % h/a % Luftkonditionierung 6 1 1085 25 1233 28 1151 26 1424 33 Kühldecke 16 11 3029 69 3328 76 2944 67 3381 77 Betonkühlung 18 13 3502 80 3786 86 3391 77 3857 88 Kombinationssysteme 20 15 3914 89 4095 93 3803 87 4128 94 • Diese interessanten Erkenntnisse zeigen das Nutzungspotenzial sehr deutlich. Sie können für die Wirtschaftlichkeitsberechnungen genutzt werden. • Die Überlegenheit des Nasskühlers ist offenkundig. Für ihn gelten die nachfolgenden Beispiele: ⇒ Die Kühldeckennutzung – die am Tage erfolgen muss – könnte beispielsweise zu 67 ... 69 % des Jahres erfolgen. ⇒ Die Betonkühlung kann zu 86 % bis 88 % der jährlichen Nachtstunden genutzt werden. Für eine Nachkühlung am Tage besteht zu ca. 80 % eine Nutzungsmöglichkeit. ⇒ Für Zweiflächenbauteilaktivierungen (Decke plus Brüstung oder Decke plus Fußboden- streifen gemäß Abschnitt 6), die als Kombinationssysteme in den Tabellen bezeichnet sind, ist eine Tagnutzung von 87 ... 89 % möglich. Die Zweiflächenbauteilaktivierung ist aus Sicht der Umweltenergienutzung bei Kühlturmeinsatz der nächtlichen Betonkühlung ebenbürtig. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 57 6 Quo vadis Büroklimatisierung? - Zweiflächen-Bauteilaktivierung Es gibt keine abgeschlossene Produkt- oder Verfahrensentwicklung in einem lebendigen Markt. Da zahlreiche Bürogebäude neu errichtet werden und zukünftig vermehrt zu sanieren sind, wird sich die Büroklimatisierung natürlich auch weiterentwickeln. In welche Richtung sich die Ent- wicklung vollzieht, ist grundsätzlich schwer vorauszusagen, denn der Entwicklungsgang wird stets von Sprüngen – beispielsweise durch Erfindungen bewirkt – und von irrationalen Mode- trends überlagert. Generell folgt die Entwicklung aber auch objektiv wirkenden Grundströmun- gen, direkt oder zeitverzögert, die es zu erkennen gilt. Der vorausschauende Blick der vermute- ten Entwicklung ist selbstverständlich subjektiv, aber dennoch sei er nachfolgend gewagt. 6.1 Grundüberlegungen für den Blick in die Zukunft Um einen kleinen Blick in die nebulöse Zukunft tun zu können, ist von den bekannten Tatsachen auszugehen und die zukünftigen Anforderungen sowie Entwicklungsmöglichkeiten sind für ei- nen überschaubaren Zeitrahmen abzuschätzen. Dabei muss sich natürlich auf markante Merkma- le beschränkt werden, selbst auf die große Gefahr hin, hierbei bereits Unterlassungen zu bege- hen. Gemäß Bild 6.1 seien nachfolgende Aspekte ohne jeglichen Anspruch auf Vollständigkeit herausgegriffen. Bild 6.1 Mögliche Einflüs- se auf die Entwicklung der Klimatisierungssysteme • Zunächst sind die Anforderungen an das System zu definieren. Es muss dem Raumnutzer wärmephysiologische Behaglichkeit bringen und hat durch Energieeffizienz die Umwelt zu schonen. Die Analyse ist in den Abschnitten 2 und 3 umfassend erfolgt. N e u e T e c h n i k e n M a te r ia lie n S im u la tio n e n Blick in die Zukunft Anforderungen Behaglichkeit Energieeffizienz N e u e F o r d e r u n g e n G r e n z w e r t e A r c h i t e k t u r Historische Entwicklung Technikbasis Fortschreibung • Wärmephysiologie, Luftgeschwindigkeit • Luftqualität • Energiesparverordnungen • Vollglasfassaden ⇒ Heiz-/Kühlflächengestaltung • Kunststoffrohr • Kapillarrohrmatten ⇒ thermisch aktive Putze Bewertung in der Planungsphase Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 58 • Zu beachten ist auch die historische Entwicklung, denn die neue Technik basiert auf der bis- herigen. In der Regel erfolgt bei wesentlichen Konstruktionselementen eine Fortschreibung selbst bei revolutionären Brüchen. So hatte das erste Automobil das Aussehen einer Pferde- kutsche und die ersten Kühldecken, die 1990 gebaut wurden, entsprachen beispielsweise Kassettenheizdecken der 60-er Jahre. Um den Blick in die Zukunft zu fokussieren, sind weiterhin die Randbedingungen, die mögli- cherweise zukünftig wirken werden, zu beachten. • Neue Techniken und verfügbare Materialien müssen Berücksichtigung finden. Beispielswei- se entsprach die Bauteilaktivierung in der Neuen Messe in Zürich (Inbetriebnahme 1998) im Aufbau völlig einer Crittallheizdecke der 30-er bis 50-er Jahre, wobei jedoch das früher üb- liche Stahlrohrregister durch das zwischenzeitlich entwickelte und bewährte Kunststoffrohr substituiert wurde. Wenn man heute mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten thermisch aktive Putze mit geringer Di- cke realisieren kann, dann ist diese Lösung selbstverständlich auch in die zukünftige Be- trachtung mit einzubeziehen. Mit Hilfe der neuen, ständig verbesserten Simulationstechni- ken besteht heute die Möglichkeit, bereits im Planungsstadium die neuen Lösungen zu be- werten. • Weiterhin sind neue Forderungen bezüglich der Grenzwerte und Vorschriften zu beachten. So stellte in der Vergangenheit beispielsweise die Reduzierung der zulässigen Luftge- schwindigkeit eine entscheidende Weiche in der Entwicklung der Klimatechnik. Gleiches gilt für Energiesparverordnungen usw. • Bedeutenden Einfluss nimmt auch die zeitgenössische Architektur auf die Klimatisierungs- systeme, Vollglasfassaden haben selbstverständlich Auswirkungen auf die Gestaltung der Heiz- und Kühlflächen im Raum. Man möchte flexibel anpassbare Systeme hinsichtlich der Leistung und der bautechnischen Rea- lisierung. Der Planungsaufwand sollte minimal sein. Dies ist beispielsweise mit einem baukas- tenförmigen Aufbau möglich. Besonders wichtig ist es, dass mit einem installierten System das Kühlen und Heizen erfolgen kann. 6.2 Geschichtlicher Rückblick und Entwicklungstrend In sehr groben Stufen zeigt Bild 6.2 die Entwicklung der Büroklimatisierung vor allem aus der Sicht der Kühllastabfuhr. Sie sei in Stichpunkten mit dem Ziel erläutert, die möglichen Entwick- Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 59 lungsursachen zu erkennen und eventuell in die Zukunft zu extrapolieren. Selbstverständlich ist dem Verfasser bekannt, dass es zahlreiche Detailentwicklungen gab und gibt und dass die Anla- gen auch größtenteils eine zeitliche Parallelentwicklung erfuhren. Historische Entwicklung Energie zur Lastkom- pensation Transport- energie Platzbedarf Behaglichkeit Individualität Investitionen Nur-Luft- Klimaanlagen bei klei- nen Lasten (Ursprungsstandard) hoch hoch mittel ausreichend Bereichsregelung mittel Nur-Luft-Klimaanlagen bei hohen Lasten sehr hoch sehr hoch hoch schlecht (Zug, Geräusche) Bereichsregelung mittel / hoch Induktionsklimaanlagen bei hohen Lasten sehr hoch niedrig mittel schlecht individuelle Regelung hoch Kühldecke mittel niedrig klein sehr gut individuelle Regelung sehr hoch Bauteilaktivierung ohne Zusatzsysteme (Originalstandard) niedrig niedrig bis mittel klein mäßig keine Regelung niedrig Zweiflächen- Bauteilaktivierung niedrig niedrig klein ausgezeichnet individuelle Regelung hoch Bild 6.2 Grobstufen der Entwicklungsphasen der Büroklimatisierung aus der Sicht der Kühllast- abfuhr mit qualitativer Kennzeichnung ■ Bei den ersten Klimaanlagen handelte es sich um Nur-Luft-Systeme, die relativ kleine Lasten abzuführen hatten. Die Energie zur Lastkompensation war hoch, da man mit einer Kaltwasser- vorlauftemperatur von 6 °C arbeitete; die Transportenergie lag ebenfalls hoch, da Luft zum Wärmetransport Verwendung fand; der Platzbedarf gestaltete sich mittelgroß aufgrund der Leis- tungsbegrenzung; die Behaglichkeit war ausreichend im Verhältnis zur unklimatisierten Raum- nutzung; man arbeitete mit Bereichsregelungen, da kostengünstige Individualregelungen noch nicht verfügbar waren; die Investitionskosten werden als mittelgroß veranschlagt. ■ Die Kühllasten stiegen und erforderten nunmehr zwingend eine Büroklimatisierung, wobei das Konstruktionsprinzip (Nur-Luft-Klimaanlagen) beibehalten wurde. Damit stiegen die Energie- aufwendungen zur Lastkompensation und für den Lufttransport auf sehr hohe Werte an; der Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 60 Platzbedarf wuchs ebenfalls stark, denn große Kanalquerschnitte durchzogen die Gebäude; die Behaglichkeit mit heutigen Maßstäben betrachtet war schlecht, hohe zulässige und realisierte Luftgeschwindigkeiten verursachten Zug und Geräusche, hohe Strahlungstemperaturen in den Räumen; die Bereichsregelung fand weiterhin Anwendung; die Investitionen gestalteten sich hoch. ■ Die hohen Transportkosten, der große Platzbedarf und die fehlende individuelle Regelung lie- ferten die Ursache für den Einsatz der Induktionsklimaanlagen. Der Energieaufwand zur Last- kompensation blieb sehr hoch, da man weiterhin mit einer Kaltwassertemperatur von 6 °C arbei- tete; die Transportenergie für die Lastkompensation sank auf ein niedriges Niveau, da Kaltwas- ser anstelle von Luft eingesetzt wurde; der Platzbedarf reduzierte sich im Gebäude drastisch, denn es wurden nur noch Primärluftsysteme eingebaut, allerdings beanspruchten die Induktions- geräte Platz in den Büroräumen, sodass sich der Platzbedarf insgesamt mittelgroß gestaltete. Die Behaglichkeit wird als schlecht eingestuft, denn bei den nunmehr 30 bis 40 Jahre alten Anlagen traten weiterhin Zugerscheinungen und Geräusche auf und die Strahlungstemperaturen in den Räumen lagen wie bei allen konvektiv arbeitenden Luftkühlsystemen hoch. Vorteilhaft war al- lerdings die individuelle Regelungsmöglichkeit. Die Anlagenkosten waren hoch. ■ Die sehr hohen Kosten zur Energiekompensation und die Behaglichkeitsdefizite der bisherigen Systeme führten zur Anwendung von Kühldecken in Verbindung mit einer Klimaanlage, die die hygienisch notwendige Luftversorgung sicherte. Damit sank der Energieaufwand zur Lastkom- pensation beträchtlich, da die Kaltwassertemperatur jetzt 16 °C betragen konnte, wodurch zeit- weise die freie Kühlung möglich wurde und die Kältemaschinen effizienter arbeiteten; die Trans- portenergie lag weiterhin niedrig, da Wassersysteme beibehalten wurden; der Platzbedarf reduzierte sich stark; die wärmephysiologische Behaglichkeit verbesserte sich enorm, da die Strahlungstemperatur infolge der Flächenkühlung erstmalig sank; die individuelle Regelung war gewährleistet. Die Investitionskosten lagen jedoch sehr hoch. Diese waren zunächst durch die zahlreichen Entwicklungsaktivitäten bedingt, denn es gab beispielsweise 1990 noch keine Hoch- leistungskühldecke als Massenprodukt. Mitunter dürfte die Neueinführung des Systems aber auch unzulässig ausgenützt worden sein. ■ Die sehr hohen Investitionen bei der Kühldecke akzeptierten die Bauherren auf Dauer nicht, wodurch sich ab etwa 1998 sehr rasch die thermische Bauteilaktivierung mittels Massivspei- cherdecken durchsetzen konnte. Der Energieaufwand zur Lastkompensation reduzierte sich ge- genüber den Kühldecken weiter, da die erforderliche Kaltwassertemperatur auf 18 °C ansteigen konnte. Damit und wegen der nächtlichen Nutzung erweiterte sich der Einsatz der freien Küh- lung beträchtlich. Der energetische Aufwand für den Wassertransport blieb niedrig, bei extensi- Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 61 ver Nutzung kann er etwas ansteigen; der Platzbedarf ist klein. Die Behaglichkeit werde als "mä- ßig" eingestuft, eine individuelle Regelung ist überhaupt nicht möglich, sodass ohne Zusatzsysteme die Forderungen der DIN 1946/02 nicht einhaltbar sind. Die Anlageninvestitionen sind niedrig. ■ Die derzeitigen Forderungen zielen auf die Einhaltung der wärmephysiologischen Grenzwerte ab, und 85 % der Raumnutzer wünschen nach [7] eine individuelle Einflussmöglichkeit auf das Raumklima. Deshalb werden zur thermischen Bauteilaktivierung vermehrt Zusatzsysteme instal- liert. Zusätzliche Heizsysteme sind üblich, zusätzliche Kühlsysteme werden vielfach diskutiert und auch eingebaut. Diese Lösungen verkörpern jedoch kostenintensives "Stückwerk", deshalb muss eine ganzheitliche Lösung entwickelt werden. Die bisherige Entwicklung (Bild 6.2) zeigte Kontinuität zu ständig niedrigeren Energieaufwen- dungen zur Lastkompensation und zum Wärmeträgertransport sowie zu stets abnehmenden Platzansprüchen für die zu installierende Technik. Diese fortwährende Entwicklung dürfte in nächster Zeit nicht umkehrbar sein, woraus aus heutiger Sicht folgende Forderungen resultieren: ● Einsatz großer Wärmeübertragerflächen integriert in die Raumumfassungen (⇒ umfangrei- che Umweltenergienutzung, geringer Platzbedarf, wärmephysiologische Behaglichkeit) ● Einsatz von Wassersystemen (⇒ niedrige Transportenergie). Das Bild 6.2 zeigt aber auch eine Pendelbewegung zwischen der erreichten Behaglichkeit plus individueller Regelung sowie den Anlageninvestitionen. Der Wechsel stellt sich von den kon- ventionellen Klimatisierungssystemen (Nur-Luft-Anlagen bzw. Induktionsklimaanlagen) zu den Kühldeckensystemen und dann wieder zu Speicherkühldecken besonders drastisch dar. Es wird eingeschätzt, dass diese Pendelbewegung – wie für viele Entwicklungen typisch – zukünftig eine Dämpfung erfährt, denn nicht gewährleistbare Raumtemperaturen werden ebenso wenig akzep- tiert wie sehr hohe Investitionen. Als Lösung sind nur solche Systeme akzeptabel, die dem Kühlen und Heizen dienen. Nach der Vorstellung des Verfassers könnte dies eine sogenannte Zweiflächen-Bauteilaktivierung in Bau- kastenform sein, dessen Arbeitsweise unterschiedliche Prioritäten setzen könnte: ● Eine instationär arbeitende Massivspeicherdecke, die bevorzugt mit nächtlicher Umwelt- energiebeladung betrieben wird, werde durch eine aktive, regelbare Fußbodenfläche ergänzt. ● Die Deckenunterseite und die Brüstungsfläche oder statt dessen – beispielsweise bei Voll- glasfassaden – ein fassadennaher Fußbodenstreifen werden als thermisch aktive Flächen aus- gebildet und hauptsächlich stationär betrieben, wobei ein einheitliches Wassersystem alle Aktivflächen beaufschlagt. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 62 Es konnte nachgewiesen werden, dass die genannten Systeme alle für Büros typischen Lasten bei sehr guter Behaglichkeit energetisch effizient kompensieren können. Dies wird im Einzelnen noch demonstriert. Weiterhin sollte noch eine hygienisch bedingte Luftzufuhr erfolgen, wobei die Luft in einer Kli- maanlage so aufbereitet wird, dass die Stofflasten – die im Raum auftreten – abführbar sind. Auch wenn als Lüftungsprinzip sich die Quelllüftung durchgesetzt und bewährt hat, sieht der Verfasser eine Weiterentwicklung für erforderlich an. Die Lüftungseffektivität bezogen auf den Raumnutzer ist noch zu verbessern, wenn man die Tatsache bedenkt, dass beispielsweise eine Person einen thermischen Auftriebsstrom von 150 m³/h bewirkt und ihr gemäß Anlagenausle- gung 40 m³/h "zugeteilt" werden, tritt eine starke Rückströmung von oben nach unten auf. Allen bisherigen Negierungen durch Fachkollegen zum Trotz, werde in einer einstellbaren, arbeits- platznahen Luftzuführung (modifizierte Pultlüftung) ein zukunftsorientiertes System gesehen. 6.3 Zweiflächen-Bauteilaktivierung passiv/aktiv Die vollständige Lastkompensation durch ein träges Passivsystem (Speicherdecke) und eine aktive, regelbare Fußbodenfläche ist im Bild 6.3 dargestellt. Dabei kann der Aktivfußboden prinzipiell im Nassverfahren oder im Trockenverfahren erstellt werden. Neuere konstruktive Lösungen gestat- ten auch die Aktivierung von Hohlraumböden oder Doppelböden. Eine Auswahl zeigt Bild 6.4. Bild 6.3 Prinzipaufbau einer Zweiflächen-Bauteilaktivierung passiv/aktiv Es wirken eine Speicherkühldecke, die beispielsweise nachts vorwiegend mit Umweltenergie beladen wird und sich am Tage passiv entlädt, und ein aktives Fußbodensystem, das in der Leis- tung regelbar ist, zusammen. Rohrregister zur nächtlichen Bauteilkühlung Wasser aus freier Kühlung (Kühlturm) Beladung prognosegesteuert oberflächennahes Rohrsystem Kaltwasser aus einer Kälteanlage Regelung Bestandteil der Klimaregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühlboden aktiv arbeitend . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Speicherkühldecke passiv arbeitend Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 63 Bild 6.4 Varianten des aktiven Fußbodensystems als Hohlraumboden, Doppelboden oder als direkt auf der Decke aufliegendes System mit Kapillarrohrmatten 4,3×0,8 mm vom Typ OPTI- MAT bzw. FOLIMAT (Produkte der Fa. Clina, Berlin) Die Ausführung kann in Nass- sowie Trockenverlegung gestaltet werden (Lösungen mit FOLI- MAT von Fa. Polytherm, Ochtrup). Eine Spezialkonstruktion ermöglicht das Einbringen der Matte direkt in die Bodenplatte (Fa. Raumtechnik, Fellbach). Die im unteren Bildbereich dargestellten Lösungen stellen spezielle Sanierungsbeispiele dar. FOLIMAT Kleber Belag Fußleiste Estrich Belag Decke Decke Belag Kleber Decke OPTIMAT FOLIMAT Kleber Belag Decke OPTIMAT Estrich Belag Decke Trockenbauplatte Wärme- und Trittschalldämmung Sanierungsvariante: Aktivierung auf Holzfußboden Fliesen Teppich Parkett flexible Vergussmasse (Kleber) FOLIMAT Randdämmstreifen Trockenbauplatte Parkett Sanierungsvariante: Aktivierung auf Estrich Fließ- und Nivelliermasse Randdämmstreifen Fliesen Teppich Parkett FOLIMAT Wärme- und Trittschalldämmung Betondecke Estrich Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 64 Beispiel 1 Massivspeicherdecke mit System "Polyaktiv" und Hohlraumboden mit Fließestrich und Kapillar- rohrmatte "OPTIMAT" im Estrich Der konstruktive Aufbau und die Berechnungsergebnisse finden sich im Bild 6.5. Das aktive Hohlraumbodensystem kann selbstverständlich auch durch ein analoges System gemäß Bild 6.4 ausgetauscht werden. Die Betriebszeiten und die mittleren Wassertemperaturen (Mittelwert aus Vor- und Rücklauf) entsprechen dem Bild 6.6. Die Übersicht im Bild 6.5 gibt jeweils die Ge- samtkühlleistung beider Systeme in der Überlagerung ihrer Wirkungen – also für den unteren und oberen Raum – an, d. h., es wird ein typischer Geschossbau betrachtet. Bild 6.5 Gesamtkühlleistungen des Beispiels 1 (Konstruktion ist im Diagramm eingetragen) Rohrsystem im Estrich: OPTIMAT 4,3×0,8 mm, RA = 20 mm, λ Rohr = 0,21 W/(m K), λ Estrich = 1,2 W/(m K); Rohrsystem im Beton: Polyactiv 20,0×2,5 mm, RA = 150 mm, λ Rohr = 0,35 W/(m K), λ Beton = 1,4 W/(m K); Betriebsweise nach Bild 6.6. Es gelten die Feststellungen: • Würde das Fußbodensystem nicht betrieben, läge die Kühlleistung während der Hauptnut- zungszeit zwischen 35 W/m² und 39 W/m², um 15 00 Uhr z. B. bei 36,5 W/m². • Das Zuschalten des Hohlraumbodensystems um 12 00 Uhr bewirkt einen raschen Leistungsan- stieg, da die Trägheiten des Systems klein sind. Die Ursache dafür liegt im kleinen Rohrab- stand von 20 mm und in der geringen Estrichdicke. Würde man das System FOLIMAT unter Weglassen der Estrichschicht verwenden, wären noch kleinere Trägheiten zu erwarten. • Die Leistungen sind sehr stark vom Fußbodenbelag abhängig. • Bei einem Teppichbelag (Dicke 10 mm, Wärmeleitfähigkeit 0,07 W/(m K)) ergibt sich um 15 00 Uhr eine Gesamtkühlleistung von 50,2 W/m². 48 72 0 10 20 30 40 50 60 70 80 K ü h l l e i s t u n g W/m² Boden inaktiv kein Bodenbelag Kunststoffbelag Teppichboden 18 00 8 00 12 00 18 00 OPTIMAT RA 20 mm Polyactiv RA 150 50 150 Beton Hohlraum Fließestrichdicke 35 mm Unterlage 15 mm 300 Uhrzeit Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 65 • Bei Annahme eines Kunststoffbelages (Dicke 8 mm, Wärmeleitfähigkeit 0,36 W/(m K)) folgt um 15 00 Uhr eine Gesamtkühlleistung von 63,3 W/m². • Das theoretische Entwicklungspotenzial wird durch die Kurve "kein Bodenbelag" mit ca. 68 W/m² um 15 00 Uhr begrenzt. • Damit ist ein großer Planungsspielraum gegeben. Vergleicht man die Variante des aktivier- ten Hohlraumbodens mit Kunststoffbelag mit dem Fall des alleinigen Betriebs der Speicher- decke, dann beträgt zum Betrachtungszeitpunkt 15 00 Uhr der Leistungszuwachs 73 %. Bild 6.6 Angenommener Raumtemperaturverlauf sowie Betriebszeiten der Kaltwasserbeaufschlagung und Wassertemperaturen in den Rohrregistern Bild 6.7 Detaillierte Leis- tungsverläufe des Beispiels 1 (Gesamtdarstellung im Bild 6.5) für die Variante Teppichbelag Interessant ist auch die Aufteilung der Kühlleistung. Sie ist aus Bild 6.7 ersichtlich. Die Decken- unterseite nimmt während der Hauptnutzzeit einen nahezu konstant bleibenden Betrag von 28 ... 29 W/m² auf. Er wird durch die Kühlleistung des Fußbodens von 20 ... 24 W/m² ergänzt. Der letztgenannte Bereich gewährleistet wärmephysiologisch behagliche Bedingungen. Die erforderliche Heizleistung kann bei geringen Übertemperaturen des Warmwassers problem- los erbracht werden. 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 BILD6 | 20.2.1999 °C 18 00 20 00 22 00 24 00 2 00 4 00 6 00 8 00 10 00 12 00 14 00 16 00 18 00 Uhrzeit T e m p e r a t u r Temperaturverlauf im unteren und oberen Raum Mittlere Kaltwassertemperatur im Rohrregister Polyactiv in der Betondecke Mittlere Kaltwassertemperatur im Rohrregister OPTIMAT im Estrich 62 72 0 10 20 30 40 50 60 K ü h l l e i s t u n g Uhrzeit W/m² 8 00 10 00 12 00 15 00 18 00 Teppichboden 50 22 28 Decke Fußboden 36 45 47 53 9 20 Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 66 Beispiel 2 Massivspeicherdecke mit nachträglich aufgebrachtem Rohrregister zur Massivdeckenbeladung in Kombination mit einem aktiven Fußbodensystem mit Fließestrich und Kapillarrohrmatte "OPTIMAT" Diese Variante eignet sich besonders für den Sanierungsfall. Da diese interessante Lösung eben- falls zur Zweiflächen-Bauteilaktivierung gehört, werde sie nachfolgend kurz besprochen. Der konstruktive Aufbau eines speziellen Bauvorhabens ist im Bild 6.8 dargestellt. Die zwi- schenliegende Wärmedämmung entkoppelt die beiden Systeme thermisch weitestgehend, sodass eine getrennte Betrachtung der Wirkungen mit anschließender Superposition bei nur kleinem Fehler möglich ist. Stationäre Leistungen für den Kühl- und Heizfall bei einzeln betriebenen Systemen und deren näherungsweise Superposition bei Kombinationsbetrieb für spezielle mittlere Wassertemperaturen und Raumtemperaturen Einzelbetrieb Massivdecke Einzelbetrieb Fußboden Kombinationsbetrieb Alle Leistungen in W/m². unterer Raum oberer Raum unterer Raum oberer Raum unterer + oberer Raum Wassertemp. 18 °C Raumtemp. 26 °C 32,5 3,3 3,4 25,0 57,5 Kühl- fall Wassertemp. 17 °C Raumtemp. 26 °C 36,7 3,7 3,8 28,1 64,8 Wassertemp. 30 °C Raumtemp. 20 °C 33,8 4,2 4,1 37,1 70,9 Heiz- fall Wassertemp. 28 °C Raumtemp. 22 °C 20,3 2,5 2,5 21,9 42,2 Bild 6.8 Konstruktiver Aufbau des Beispiels 2 mit einem nachträglich aufgebrachten System zum Betreiben eines Massivdeckenspeichers und eines aktiven Fußbodensystems Das System wurde nach [8] zur Sanierung von Bürobauten konzipiert. Im unteren Teil des Bil- des sind die Leistungen für den stationären Betrieb beider Systeme angegeben. λ R = 0,21 W/(m K) Betondecke: λ Beton = 2,1 W/(m K) Textilbelag: λ B = 0,07 W/(m K) t Wasser 4,3×0,8 mm RA 20 mm Ausgleichsbeton mit Kunststoff-Kapillarrohrmatte: ∆ a = 0,020 m ∆ i = 0,020 m 0,015 mm 0,005 mm λ Dämmung = 0,040 W/(m K) 2 8 0 2 0 8 0 4 0 1 0 Heizestrich DIN 18560 mit Kapillarrohrmatte: λ E = 1,2 W/(m K) λ Beton = 2,1 W/(m K) Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 67 Bild 6.8 beinhaltet eine Zusammenstellung der stationären Leistungen beider Teilsysteme. Die hohe Wärmeleitfähigkeit des Betons und der Teppichbelag auf dem Fußboden bewirken nicht erwartete Leistungsrelationen. Im Heizfall könnte das Fußbodensystem die erforderliche Leis- tung allein erbringen, eine Deckengrundlast bewirkt jedoch niedrige Warmwassertemperaturen. Um möglichst viel Umweltenergie zu nutzen, ist eine nächtliche Beladung anzustreben. Die Si- mulation betrachtet eine Beladung von 20 00 Uhr bis 8 00 Uhr mit einer mittleren Kaltwassertem- peratur von 18 °C. Der Raumtemperaturverlauf ist dabei von 12 00 Uhr bis 18 00 Uhr konstant mit 26 °C angenommen worden. Das Ergebnis findet sich im Bild 6.9. Bild 6.9 Kühlleis- tungsverläufe der Mas- sivspeicherdecke bei einer nächtlichen Be- ladung von 20 00 Uhr bis 8 00 Uhr und einem Raumtemperaturver- lauf mit einer Kon- stantphase von 12 00 Uhr bis 18 00 Uhr Die Wärmeleitfähig- keit des Betons wurde zusätzlich variiert. • Bei der stark reduzierten Wärmeleitfähigkeit von λ = 2,1 W/(m K) auf 1,4 W/(m K) verrin- gert sich die Kühlleistung um etwa 15 %. • Da die Raumtemperatur um 12 00 Uhr bereits 26 °C beträgt, ist die sehr hohe Kühlleistung von etwa 40 W/m² realisierbar. • Im praktischen Betrieb dürfte damit bis 12 00 Uhr die Speicherkälte der Decke – die vorwie- gend aus Umweltkälte stammt – zur Kühlung der Büros ausreichend sein. Die Massivkühl- decke erbringt damit einen maßgeblichen Anteil der Kühlleistung. • Wird die Raumtemperatur durch ein regelbares Zusatzkühlsystem auf 26 °C konstant gehal- ten, sinkt die Kühlleistung ab, unterschreitet aber 30 W/m² nicht. • Der restliche Kühlbedarf kann durch das Fußbodensystem erbracht werden. Die regelbare Kühlleistung des Bodens wird nur aus wärmephysiologischen Gründen begrenzt. Die Zweiflächen-Bauteilaktivierung mit einer passiv und einer aktiv arbeitenden Komponente bietet ein hohes Leistungspotenzial für die Raumkühlung. 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 y - A c h s e K ü h l l e i s t u n g W/m² °C T e m p e r a t u r 18 00 24 00 8 00 12 00 18 00 Gesamtkühlleistung (Massivdecke) Kühlleistung im unteren Raum Raumtemperatur Wassertemperatur Uhrzeit Sondervariante: λ Beton = 1.4 W/(m K) λ Beton = 2,1 W/(m K) λ Beton = 2,1 W/(m K) Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 68 6.4 Zweiflächen-Bauteilaktivierung aktiv/aktiv Anstelle des trägen nicht regelbaren Passivsystems (Speicherdecke) kann unter Beibehaltung der Deckenkühlfunktion diese auch aktiv betrieben werden. Damit sind beide Wärmeübertragerflä- chen im Raum direkt regelbar. Die Grundidee ist im Bild 6.10 dargestellt. Sie weist nachfolgen- de Merkmale auf: • Das Kühlen und Heizen erfolgt mit einem konstruktiv einfachen System, das nur durch ein Wassernetz mit einem Regelkreis pro Raum versorgt wird. Damit ist dieses System auch un- ter dem Gesichtspunkt der Investitionskosten interessant. • Die Kombination kompensiert alle thermischen Lasten in Büros bei bester Behaglichkeit. • Es arbeitet hochdynamisch und primärenergetisch günstig mit raumnahen Temperaturen, sodass in großem Umfang Umweltenergie einsetzbar ist. Bild 6.10 Vorgeschla- gene Kombinationen von Aktivflächen im Raum Vorzugsweise werden die Decke und die Brüstung aktiviert, bei Vollglasfassaden bildet ein Fußbodenstreifen die zweite Aktivfläche. Die konstruktiven Möglichkeiten gestalten sich vielfältig. Für aktive Bodenflächen gelten die im Bild 6.4 gezeigten Varianten. Für Decken- und Wandflächen finden sich im Bild 6.11 geeignete Lösungen (rationelle Trocken- bauvariante im Bild 6.12). Bild 6.11 Varianten aktiver De- cken- und Wandflächen auf be- liebigen Putzträgern mit integ- rierten Kunststoff-Kapillarrohr- matten der Fa. Clina, Berlin; Lösungen mit FOLIMAT von Fa. Polytherm, Ochtrup thermisch aktive Flächen: Decke + Brüstung . . . . . . . .......................................... . . . . . . . . thermisch aktive Flächen: Decke + Fußbodenstreifen .......................................... Kapillarrohrmatte Putz Putz Kapillarrohrmatte Putz Betondecke Gipskarton Putz auf Beton, Mauerwerk oder Gipskarton – Dicke ca. 13 mm Mauerwerk Putz Kapillarrohr- matte Profilfolie FOLIMAT Putz ca. 2 mm Tapete oder Anstrich Betondecke Trockenbauvariante: Profilfolie mit werkseitig integrierter Kapillarrohrmatte auf Putzträger gespachtelt – Dicke ca. 7 mm Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 69 Bild 6.12 Detaillierte Kon- struktionsbeispiele mit FO- LIMAT zur thermischen Bauteilaktivierung Die Leistungen der aktiven Flächensysteme sind als Übersicht im Bild 6.13 zusammengestellt, die selbstverständlich konstruktionsabhängig noch einer Detaillierung bedürfen. 14 16 18 20 2 20 40 60 80 100 K ü h l l e i s t u n g Untertemperatur Decke Normalputz Wand Fußboden, Textilbelag K 10 8 6 4 W/m² 20 12 40 60 80 100 Spezialputz Akustikputz 62 + 0,2×51 = 72 W/m² 62 + 0,25×28 = 69 W/m² 93 W/m² 89 W/m² 25 30 35 20 40 60 80 100 H e i z l e i s t u n g Übertemperatur Decke Wand Fußboden Textilbelag K 5 10 15 W/m² 20 40 60 80 100 3 4 + 0 , 2 × 3 7 = 4 1 W / m ² 4 0 + 0 , 2 5 × 2 8 = 4 7 W / m ² Generell sei zu den Kühlleistungen der thermisch aktiven Flächen angemerkt: • Die Putze besitzen, wie neuere Untersuchungen bereits ansatzweise zeigten, noch ein erheb- liches Entwicklungspotenzial. Einfluss nehmen: - Putzdicke Mit Einführung der Tapezierfolie konnten die Putzdicken drastisch reduziert werden. Während im Normalputz integrierte Kapillarrohrmatten mit einer Gesamtdicke von et- wa 13 mm ausgeführt werden, erreicht man mit FOLIMAT Gesamtdicken um 7 mm. Wand FOLIMAT Putz Sockelleiste Wand FOLIMAT Putz Aussparung FOLIMAT Decke Putz Blende FOLIMAT Decke Putz Blende Trennwand Vorteil: G-Matte nur ein Stamm pro Seite Bild 6.13 Kühl- und Heizleistungen in Abhängigkeit der Unter- bzw. Übertemperatur für ausge- wählte Aktivsysteme zur überschlägigen Berechnung der realisierbaren Raumlastkompensation Beispielhaft sind Flächenkombinationen betrachtet, die die voll aktivierte Deckenfläche (≡ Raum- grundfläche) plus eine aktive Brüstungsfläche von 20 % der Raumgrundfläche oder einem aktiven Fußbodenstreifen mit 25 % der Raumgrundfläche zugrunde legen. Für den thermisch aktiven Fuß- boden ist von der wärmetechnisch ungünstigsten Variante Teppichbelag ausgegangen worden. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 70 Die Deckschichten betragen teilweise nur 2 ... 3 mm bei glatter Oberfläche und ca. 3 mm bei strukturierter Oberfläche. - Rauheit der Putzoberfläche (Strukturierung) Die Vergrößerung der Oberfläche erhöht den konvektiven Wärmeübergang fast linear. Der Strahlungsfluss vergrößert sich aber nur geringfügig, da durch die Rauheit eine teilweise Verschattung auftritt (siehe auch Abschnitt 10.2). - Wärmeleitfähigkeit der Beimischungen Bei der bisherigen Entwicklung der Putze wurde auf eine gute Wärmeleitfähigkeit kein Wert gelegt, sondern im Gegenteil zur Erreichung einer Dämmwirkung sogar besonders schlechte Wärmeleiter – wie porige Zuschläge beispielsweise Perlit – beigemischt. • Die Normkühlleistung von Decken mit üblichem Maschinenputz MP 75 beträgt ca. 80 W/m². Durch optimales Zusammenwirken der oben genannten Verbesserungsmöglichkeiten (Basis FOLIMAT) ergaben erste Messungen Normkühlleistungen bis ca. 95 W/m² (Bild 10.28). • Selbst bei Einsatz von Akustikputz sind Normkühlleistungen ≥ 70 W/m² erreicht worden. Hier ist aber noch ein Optimum zwischen thermischer und akustischer Wirkung zu suchen. • Generell sind hohe Leistungswerte bedeutungsvoll, nicht nur um große Kühllasten kompen- sieren zu können (in diesem Falle würde man die Entwicklungsanstrengungen falsch verste- hen), sondern um übliche Raumkühllasten bei besonders hohen Kaltwassertemperaturen abzuführen. Dies bringt große energetische Vorteile, wie in den Abschnitten 2 und 5.5 festgestellt wurde. • Die Kühlleistungen von Putzkühldecken sind stets höher als die der Putzkühlwände mit glei- chem Aufbau. Dies liegt am besseren Wärmeübergangskoeffizienten beim Wärmestrom von unten nach oben (α ≈ 10...11 W/(m²K)), als beim horizontalen Wärmefluss (α ≈ 8 W/(m²K)). • Aus wärmephysiologischer Sicht sind Kühldecken stets positiv zu bewerten (Abschnitt 4). • Die Abfuhr der Kühllasten nur über Wandkühlungen allein kann aus Gründen der Wärme- physiologie problematisch sein. Befinden sich die Kühlflächen im gleichen Strahlungshalb- raum wie die Flächen hoher Temperatur (z. B. Fensterflächen), dann ist eine intensive Wandkühlung möglich. Wären warme und kalte Flächen gegenüberliegend angeordnet, dann ist eine genaue Überprüfung der Behaglichkeit erforderlich. Bei niedrig temperierten Ober- flächen muss zusätzlich auch der Kaltluftabfall beachtet werden. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 71 • Kombinationen von Kühldecken und Wandkühlflächen ermöglichen besonders hohe Was- sertemperaturen und ergeben positive wärmephysiologische Effekte. • Die Kühlleistungen von Fußböden werden sehr stark vom konstruktiven Aufbau (Estrichdi- cke, Rohrabstand usw.) sowie vom Belag beeinflusst. Die hier zugrunde gelegten Daten sind als Normalwerte für die neuartigen Konstruktionen zu betrachten. Das Entwicklungspotenzi- al liegt in der Verringerung der Estrichdicke (Einsatz von FOLIMAT). • Besonders hervorzuheben ist die hohe Leistungsdynamik. Untersuchungen zum Aufheizver- halten und zwischenzeitlich durchgeführte Messungen ergaben, dass 90 % der stationären Leistung innerhalb von 30 ... 60 Minuten erreichbar sind (siehe Bilder 1.1 und 10.35). • Das Nutzen von hohen Kühlleistungen ist bei Fußböden aus wärmephysiologischen Gründen begrenzt. Die maximale Kühlleistung des Fußbodens ergibt sich für einen vertikalen Luft- temperaturgradienten von 2 K/m nach [9] bei bodennaher Lasteinbringung zu ca. 35 W/m² sowie bei Lasteinbringung in Sitzhöhe zu ca. 20 W/m². Im Sonderfall der direkten Beson- nung des Fußbodens – z. B. hinter Glasfassaden – können sehr große Kühlleistungen reali- siert werden, was aber in üblichen Räumen bedeutungslos ist. Anmerkungen zur Heizleistung der thermisch aktiven Flächen: • Die Heizleistung ist in Bürobauten von untergeordneter Bedeutung (Transmissions- wärmelasten derzeit etwa 20 ... 40 W/m²). Wird die Kühlleistung kompensiert, ist die erfor- derliche Heizleistung mit der gleichen Aktivflächenkombination im Raum in der Regel zu erbringen. • Diese Größenordnung dürfte auch für die Gebäudesanierung zutreffen, da in der Regel zu solchen Baumaßnahmen auch die energetische Erneuerung bzw. Verbesserung der Fassade gehört. • Die Deckenheizung allein wäre aus wärmephysiologischen Gründen (Strahlungsasymmetrie und Kaltluftabfall an der Fassade) ungünstiger als die Kombinationen temperierter Decken- und Brüstungsflächen. • Alle praktisch erforderlichen Heizleistungen sind mit Fußbodensystemen bei guten wärmephysiologischen Bedingungen erfüllbar. Die zusätzliche Aktivierung der Decke erlaubt es, nur einen Fußbodenstreifen längs der Fassade zu beheizen und dennoch kleine Heizwassertemperaturen zu erzielen. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 72 Beispiel 3 Deckenkühlsystem in Kombination mit einer thermisch aktiven Brüstung oder eines Fußboden- streifens analog Bild 6.10, Aktivflächen mit System "FOLIMAT" Der konstruktive Aufbau entspricht bezüglich der Aktivdecke und im Falle der aktivierten Brüs- tung der im Bild 6.11 dargestellten Trockenbauvariante mit Putzauflage. Im Falle eines aktivier- ten Fußbodenstreifens sei gemäß Bild 6.4 eine Trockenbaukonstruktion ohne Estrich oder eine Nassverlegeart mit einer Estrichdicke von ca. 35 mm angenommen. Beide sind wärmetechnisch näherungsweise gleichwertig, da als Belag ein Teppich mit einem hohen Wärmeleitwiderstand (Dicke 10 mm, Wärmeleitfähigkeit 0,07 W/(m K)) zur Anwendung kommt. Für die Aktivflächen gelten: Decke Vollbelegung, Brüstung 20 % der Raumgrundfläche, Fußbodenstreifen 25% der Raumgrundfläche. Die überschlägigen Berechnungsergebnisse folgen direkt aus Bild 6.13 (links). System arbeitet mit einer mittleren Wasseruntertemperatur von 8 K 10 K Aktivfläche Belegung Gesamtleistung Kühldecke, Normalputz Vollbelegung Kühlbrüstung, Normalputz 20 % der Grundfläche 72 W/m² 93 W/m² System arbeitet mit einer mittleren Wasseruntertemperatur von 8 K 10 K Aktivfläche Belegung Gesamtleistung Kühldecke, Normalputz Vollbelegung Kühlboden, Teppichbelag 25 % der Grundfläche 69 W/m² 89 W/m² Dies zeigt, dass alle relevanten Kühllasten in Büros mit dem Kombinationssystem abführbar sind. Dabei ist das Entwicklungspotenzial des Putzes (vgl. Bild 6.13) noch nicht genutzt worden. Interessanterweise ergeben sich für beide Flächenkombinationen etwa gleiche Gesamtleistungen. Beispiel 4 Deckenheizsystem in Kombination mit einer thermisch aktiven Brüstung oder eines Fußboden- streifens gemäß Beispiel 3 Die näherungsweisen Ergebnisse sind Bild 6.13 (rechts) entnehmbar. System arbeitet mit einer mittleren Wasserübertemperatur von 6 K 7 K Aktivfläche Belegung Gesamtleistung Heizdecke, Normalputz Vollbelegung Heizbrüstung, Normalputz 20 % der Grundfläche 41 W/m² 49 W/m² Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 73 System arbeitet mit einer mittleren Wasserübertemperatur von 6 K 7 K Aktivfläche Belegung Gesamtleistung Heizdecke, Normalputz Vollbelegung Heizboden, Teppichbelag 25 % der Grundfläche 40 W/m² 47 W/m² Die Ergebnisse bestätigen, dass die Kompensation der Heizlasten in Büros mit der vorgeschla- genen Zweiflächen-Bauteilaktivierung völlig unproblematisch realisierbar ist, wenn der Kühlfall beherrscht wird. Die erforderlichen Warmwassertemperaturen sind außerordentlich niedrig. 6.5 Gesamtbewertung der Zweiflächen-Bauteilaktivierung Die konstruktive Entwicklung thermisch aktiver Flächen beinhaltet wegen zahlreicher Vorteile ein großes Anwendungspotenzial. Als wichtigste Vorteile für das neue, als zukunftsrelevant angesehene System sind zu nennen: ● Hohe Kühl- und Heizleistungen bei raumnahen Wassertemperaturen. Nach Anhang C sind zur Raumkühlung (90 ... 50 W/m²) Kaltwassertemperaturen im Bereich 16,6 ... 20,8 °C und zur Raumheizung Warmwassertemperaturen von 26,0 ... 28,6 °C ausreichend. ● Niedrige Betriebskosten durch Einsatz eines Wassersystems zum Wärmetransport und um- fangreiche Nutzung der freien Kühlung zu über 80 % des Jahres (siehe Tabelle 5.2). ● Senkung der Investitionskosten durch - Nutzung von Massenprodukten mit hohem Vorfertigungsgrad - Anwenden einfacher Bautechnologien vorwiegend im Trockenbauverfahren - Einsatz eines einzigen Wassersystems zur Versorgung aller thermisch aktiven Flächen - Installation einer einfachen konventionellen Regelung - Vermeiden von Stellflächenverlusten im Raum (maximale Mietfläche erreichbar) - minimalsten Platzbedarf im Gebäude. ● Einfache Planung durch Nutzung des baukastenförmigen Systemaufbaus. ● Beste wärmephysiologische Bedingungen nach DIN 1946/02 und ISO 7730 sind selbstver- ständlich bei Gewährleistung der zulässigen Raumtemperaturen gegeben. Anhang C zeigt, dass der wärmetechnische und wärmephysiologische Extremfall – Eckraum mit zwei Fensterbändern oder sogar Vollglasfassaden – ohne Tangieren von Grenzwerten im Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 74 Sommer und Winter beherrscht wird. Die Untersuchungen sind beispielsweise bis zu einer sommerlichen Kühllast von 90 W/m² und bis zu einer winterlichen Außentemperatur von – 15 °C geführt worden. Die Verteilungen der Strahlungstemperatur der Umgebung und der Strahlungstemperatur-Asymmetrie im Sommer und Winter zeigen die Bilder 6.14 und 6.15 für einen Eckraum mit zwei Fensterbändern mit idealen Ergebnissen und die Bilder 6.16 und 6.17 für einen Eckraum mit zwei Vollglasfassaden mit sehr guten bzw. guten Ergebnissen. Bild 6.14 Verteilung der Strahlungstemperatur der Umgebung (Bild links) und der Strahlungs- temperatur-Asymmetrie (Bild rechts) über dem Raumgrundriss (10 m × 5 m) eines Eckraumes mit zwei Fensterbändern im Kühlfall bei einer flächenbezogenen Kühllast von 70 W/m² (Raum- temperatur 25 °C, Quellluft 22 °C, Luftvolumenstrom 6 m³/(m²h)) Die Kühlung erfolgt durch die gesamte Deckenfläche und die 0,8 m hohen Brüstungen bei sehr guten Behaglichkeitsbedingungen. Bild 6.15 Verteilung der Strahlungstemperatur der Umgebung (Bild links) und der Strahlungs- temperatur-Asymmetrie (Bild rechts) über dem Raumgrundriss (10 m × 5 m) eines Eckraumes mit zwei Fensterbändern im Heizfall bei einer flächenbezogenen Heizlast von 33 W/m² (k Fenster = 1,3 W/(m²K), Außentemperatur -15 °C, Raumtemperatur 22 °C, Quellluft 20 °C, Luftvolumen- strom 6 m³/(m²h)) Die Heizung erfolgt durch die gesamte Deckenfläche und die 0,8 m hohen Brüstungen bei sehr guten Behaglichkeitsbedingungen. -4 10 22 27 Fensterband mit Brüstung t U,max = 25,7 °C t U,min = 24,9 °C F e n s t e r b a n d m i t B r ü s t u n g KÜHLFALL KÜHLFALL zul. Wert: ≤ 28 °C 27 °C 26 25 24 23 22 U m g e b u n g s t e m p e r a t u r -4 10 0 5 ∆t S,max = 3,5 K Fensterband mit Brüstung F e n s t e r b a n d m i t B r ü s t u n g KÜHLFALL KÜHLFALL zul. Wert: ≤ 14 K 5 K 4 3 2 1 0 S t r a h l u n g s a s y m m e t r i e ∆t S,min = 2,6 K -4 1 0 5 5 K 4 3 2 1 0 S t r a h l u n g s a s y m m e t r i e ∆t S,min = 1,6 K ∆t S,max = 3,3 K Fensterband mit Brüstung F e n s t e r b a n d m i t B r ü s t u n g HEIZFALL HEIZFALL zul. Wert: ≤ 8 K -4 10 20 25 t U,max = 23,4 °C t U,min = 22,0 °C Fensterband mit Brüstung F e n s t e r b a n d m i t B r ü s t u n g HEIZFALL HEIZFALL zul. Wert: ≥ 20 °C 25 °C 24 23 22 21 20 U m g e b u n g s t e m p e r a t u r Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 75 Bild 6.16 Verteilung der Strahlungstemperatur der Umgebung (Bild links) und der Strahlungs- temperatur-Asymmetrie (Bild rechts) über dem Raumgrundriss (10 m × 5 m) eines Eckraumes mit zwei Vollglasfassaden im Kühlfall bei einer flächenbezogenen Kühllast von 90 W/m² (Raumtemperatur 25 °C, Quellluft 22 °C, Luftvolumenstrom 6 m³/(m²h)) Die Kühlung erfolgt durch die gesamte Deckenfläche und einem 1,5 m breiten Fußbodenstreifen in Winkelform bei sehr guten Behaglichkeitsbedingungen. Bild 6.17 Verteilung der Strahlungstemperatur der Umgebung (Bild links) und der Strahlungs- temperatur-Asymmetrie (Bild rechts) über dem Raumgrundriss (10 m × 5 m) eines Eckraumes mit zwei Vollglasfassaden im Heizfall bei einer flächenbezogenen Heizlast von 46 W/m² (k Fenster = 1,3 W/(m²K), Außentemperatur -15 °C, Raumtemperatur 22 °C, Quellluft 20 °C, Luftvolumen- strom 6 m³/(m²h)) Die Heizung erfolgt durch die gesamte Deckenfläche und einem 1,5 m breiten Fußbodenstreifen in Winkelform bei guten Behaglichkeitsbedingungen. -4 10 2 7 Glasfassade G l a s f a s s a d e ∆t S,min = 3,5 K ∆t S,max = 6,8 K KÜHLFALL KÜHLFALL zul. Wert: zul. Wert: ≤ ≤ 14 K 14 K 7 K 6 5 4 3 2 S t r a h l u n g s a s y m m e t r i e -4 10 22 27 Glasfassade G l a s f a s s a d e t U,max = 26,5 °C t U,min = 24,6 °C KÜHLFALL KÜHLFALL zul. Wert: zul. Wert: ≤ ≤ 28 °C 28 °C 27 °C 26 25 24 23 22 U m g e b u n g s t e m p e r a t u r -4 10 20 25 Glasfassade t U,max = 23,7 °C t U,min = 21,7 °C G l a s f a s s a d e HEIZFALL HEIZFALL zul. Wert: zul. Wert: ≥ ≥ 20 °C 20 °C 25 °C 24 23 22 21 20 U m g e b u n g s t e m p e r a t u r -4 10 1 6 Glasfassade G l a s f a s s a d e ∆t S,min = 2,3 K ∆t S,max = 5,7 K HEIZFALL HEIZFALL zul. Wert: zul. Wert: ≤ ≤ 8 K 8 K 6 K 5 4 3 2 1 S t r a h l u n g s a s y m m e t r i e Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 76 Die Zweiflächen-Bauteilaktivierung wird zur Anwendung und Weiterentwicklung empfohlen. Das Einfügen in den Entwicklungsgang nach Bild 6.2 (letzte Zeile) erscheint beim derzeitigen Erkenntnisstand als schlüssig. Die speziellen Leistungswerte sind Ergebnisse umfangreicher theoretischer Untersuchungen des F+E TGA, technologischer Entwicklungen durch die Fa. Clina und wissenschaftlicher Optimie- rungen mit messtechnischer Verifikation an der Westsächsischen Hochschule Zwickau. Weitere Detaillierungen zur thermischen Bauteilaktivierung ak- tiv/aktiv im Anhang C: "Kombination verschiedener Flächenkühlsysteme im Raum und ihre Einflüsse auf die Behaglichkeit und die Kaltwassertemperatur (Clina- Baukasten)" (104 Seiten) Kurzbericht als Firmenpräsentation im Anhang D: "Universeller Clina-Baukasten – Kühl- und Heizflächen – für alle Leistungsbereiche" (14 Seiten) Messetafeln als Firmenpräsentation mit Darstellung der räumlichen Strahlungstemperatur- und Strahlungstemperatur-Asymmetrie über dem Raumgrundriss im Anhang E: "Clina-Baukasten – Messetafeln" (6 Seiten) Bericht im Anhang F: "Quo vadis Büroklimatisierung? – Zweiflächen-Bauteilaktivierung?" (30 Seiten) Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 77 7 Heizphilosophie für Gebäude mit niedrigem Heizwärmebedarf Die Hauptfrage besteht in der "richtigen" Wahl des Heizungssystems: Luft- oder Flächenhei- zung? Von der Praxis ist diese Frage offenbar bereits zugunsten der Luftheizung beantwortet worden. Dennoch bestehen beträchtliche Zweifel an der Richtigkeit der Antwort. Selbstverständ- lich stellen alle technischen Entscheidungen Kompromisslösungen dar, wobei üblicherweise viele Aspekte in die Wertung einbezogen werden sollten. Im vorliegenden Fall besteht die Ver- mutung, dass niedrige Baukosten allein den Ausschlag gaben. Deshalb sollen einige weitere technische Unterscheidungsmerkmale dargestellt werden. 7.1 Grundanliegen der Wohnhäuser mit niedrigem Heizenergiebedarf Um den großen Heizenergieverbrauch von Wohnbauten der bisherigen Bauweise zu senken, musste bedeutend "wärmedichter" und damit auch "luftdichter" gebaut werden. Dies fand seinen Niederschlag in der Realisierung von sogenannten Niedrigenergiehäusern bis hin zu den Passiv- häusern. Die technische Lösung erforderte einen sehr guten Wärmeschutz, das Vermeiden von Wärmebrücken, den Einsatz von transparenten Flächen mit niedrigen Wärmedurchgangskoeffi- zienten aber hohen Energiedurchlassgraden und den Einbau einer mechanischen Lüftung mit sehr gutem Wärmerückgewinnungsgrad. Damit ist zwar ein ganzes Bündel von Maßnahmen erfolgt, die aber quasi eindimensional wirken, um das anvisierte Ziel zu erreichen. Die geschilderte Entwicklung wird für den Wohnungsbau als sehr positiv eingeschätzt, trägt sie doch zur Entlastung der Umwelt und der Ressourcenschonung bei. Es sei aber ausdrücklich angemerkt, dass man diese Maßnahmen nicht uneingeschränkt auf Ge- bäude mit großen inneren Wärmelasten – beispielsweise Bürogebäude – übertragen darf, da dann der Kühlbedarf stark ansteigt und zum dominierenden Energieverbrauch wird. So reduziert die wirkungsvolle Dämmung vor allem die Wärmeabfuhr in der Übergangszeit. Der gegenläufige Einfluss der Wärmedämmmaßnahmen ist somit zu beachten. In diesen Fällen muss der Gesamt- energiebedarf durch komplexere bautechnische Lösungen, vor allem durch flexiblere Systeme der technischen Gebäudeausrüstung gesenkt werden. 7.2 Derzeitige Konsequenz für die Heizungstechnik Die wirkungsvolle Gebäudedämmung und ergänzende Konstruktionen, wie beispielsweise • Dreifachverglasung der Fenster • Dachdämmung 400 mm Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 78 • luftdichte Ausführung • Erdkanäle zur Luftvorwärmung usw. haben ihren Preis. Um die Kosten nicht zu stark ansteigen zu lassen, wird an der technischen Gebäudeausrüstung gespart. Das Heizsystem wird enorm minimiert oder entfällt ganz. Die ohnehin notwendige Lüftungsan- lage ist in der Regel sehr einfach gestaltet und um eine elektrische Nachheizung ergänzt. Die Rechtfertigung – vom Kostendruck geprägt – geht von der Kleinheit der Heizlast aus. Bei Pas- sivhäusern wird in [10] eine Heizlast < 10 W/m² genannt. Teilweise werden die "Vorteile der Elektroheizung" sehr unkorrekt dargestellt und indirekt der konventionellen Wasserheizung ein "gesundes Wohnklima" abgesprochen, wie in [11] gesche- hen. Solche Darstellungen belasten eine objektive Diskussion sehr bzw. machen sie unmöglich. Einige Entwicklungen - beispielsweise in [12] aufgezeigt - verfolgen eine effiziente Wärmebereitstellung mit Wärmepumpen, die als Wärmequelle die Abluft nach der rekuperativen Wärmerückgewinnung verwendet. Die Wärmeverteilung im Gebäude stellt dennoch eine Schwachstelle dar, da die Wärmezufuhr an die Räume lediglich über die Zuluft ohne ein technisch hochwertiges Lüftungssystem erfolgt. 7.3 Generelle Nutzungsanforderungen und mögliche Defizite Es gelten die wärmephysiologischen Grundforderungen gemäß Abschnitt 3. Der hohe Dämm- standard bietet im Heizfall grundsätzlich sehr gute Voraussetzungen für wärmephysiologisch behagliche Verhältnisse. • Die Unterschiede zwischen Luft- und Strahlungstemperatur der Umgebung werden klein sein, sodass die Forderungen der ISO 7730 (FANGERsche Behaglichkeitsdiagramme gemäß Bild 3.2b) erfüllt sind. • Die Strahlungstemperaturasymmetrien und der vertikale Lufttemperaturgradient überschrei- ten in der Regel die zulässigen Grenzwerte nicht. Begünstigend kommt hinzu, dass es sich bei dem Nutzerkreis um eine Klientel handelt, die sich bewusst diese energiesparende Bauweise wünscht. Somit ist von vornherein eine große Akzep- tanz vorhanden, und mitunter neigt das Verhalten – gemäß einer zutiefst menschlichen Empfin- dung – sogar zur Beschönigung des realen Komforts. Dennoch sieht es der Autor als seine Pflicht an, in sachlich nüchterner Weise auf mögliche Schwachpunkte des derzeit praktizierten Systems "Luftheizung" zu verweisen, wovon einige Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 79 trotz der vorgenannten Voraussetzungen auch bereits von Nutzern beklagt wurden. • Der Raumluftzustand - vor allem die Lufttemperatur - ist keineswegs homogen. Die Ursache liegt in dem technisch sehr einfachen Lüftungssystem mit meistens primitiven Luftdurchlässen ohne automatische Regelungsmöglichkeit und dem sehr geringen Zu- luftstrom begründet. • Die Raumtemperatur lässt sich nicht so ideal konstant halten, wie dies bei guten, konventio- nellen Systemen gegeben ist. - Die Luftzufuhr wird nur in die Aufenthaltsräume vorgenommen über Küche, Bad und WC erfolgt die Abluftführung. - Die Luftmenge kann nur relativ grob eingeregelt werden. - Die Nachwärmung erfolgt in Stufenschaltungen, oftmals nur nach dem Pilotraumprinzip. • Die Bauweise der Häuser mit niedrigem Heizbedarf geht von unterschiedlichen Philosophien aus. - In der Regel bevorzugt man eine schwere Bauweise mit großem transparenten Anteil, um eine große Energiespeicherung in den Raumumfassungen zu bewirken. Dadurch ist eine beachtliche Trägheit vorhanden, die meistens positiv als hohe Thermostabilität des Rau- mes angepriesen wird. Das Verändern der gewünschten Raumtemperaturen bereitet bei reinen Luftsystemen dann ziemliche Schwierigkeiten. - Bei einer leichten Bauweise, z. B. mit sehr gut gedämmten Holzumfassungen, gibt es die- se Probleme nicht in dem Maße, allerdings leidet darunter die Effizienz der Speicherung der eingestrahlten Energie. Maßnahmen zur umweltschonenden Kühlung der Räume im Sommer sind bei diesen Bauten unerlässlich. • Die Luftvorwärmung über Erdkanäle ist aus hygienischen Gründen (Kondenswasserbildung bei verschiedenen Betriebszuständen, fragliche Reinigungsmöglichkeiten) nicht unumstrit- ten. Die an Klimaanlagen gestellten und in letzter Zeit verschärften Bedingungen sind mit den derzeitigen Konstruktionen nicht erfüllbar. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 80 • Es gehört zum Grundanspruch, die Räume auch einer Umnutzung im Tagesgang unterziehen zu können, wodurch eine relativ hohe Dynamik vom Heizungssystem gefordert wird. So ist es für Kinder- und Jugendzimmer typisch, diese nachts als Schlafraum bei abgesenkter Temperatur und tags als Aufenthaltsraum zu nutzen. Bei Kinderzimmern besteht zudem die Forderung nach behaglichen Fußbodentemperaturen. • Ein Grundanspruch des Wohlbefindens ist es auch, dass eine Fensterlüftung durchführbar und nutzbar ist und dass danach ein Aufheizen des Raumes in endlicher Zeit erreicht werden kann. Auch "Frischluftfanatiker" dürfen nicht von der Nutzung der Gebäude, die besonders wärmedicht gebaut sind, ausgeschlossen bleiben. 7.4 Anlagentechnische Anforderungen und vorhandene Defizite Bei einem wärmetechnisch sehr gut gebauten Haus besteht auch ein berechtigter Anspruch an ein Heizungssystem besonders hoher Güte: • Der Anlagenbetrieb sollte mit einem Minimum an Exergieeinsatz erfolgen. Dies bedeutet keine elektrische Direktheizung und Verwirklichung niedrigster Heizmedientemperaturen. Dies ist im Abschnitt 2 umfassend erläutert worden. Die Aussage der Tabelle 2.2 ist in vol- lem Umfang gültig. • Veränderte thermische Randbedingungen, die durch die Nutzer gewollt sind (Einstellung einer neuen Raumtemperatur) oder durch äußere bzw. innere Laständerungen hervorgerufen werden, sollten eine schnelle Kompensation erfahren. Dabei ist die entsprechende raumweise Leistungsanpassung im Zusammenspiel der Dynamik des Heizsystems, der Trägheit des Raumes und der behaglichkeitsentscheidenden Raumtemperatur (Empfindungstemperatur) zu betrachten. • Mit der enormen Verbesserung der Gebäudehülle sollte nicht mehr allein eine Heizung mit minimiertem Bedarf, sondern ein kombiniertes Heiz-Kühl-System zum Einsatz kommen. Dies wird als notwendig erachtet, da aufgrund der guten Dämmung äußere, beispielsweise solare Lasten eine stärkere Auswirkung als herkömmlich üblich zeigen. Weiterhin sollte die verbesserte Bautechnik auch mit einem erhöhten thermischen Komfort einhergehen, die aber dennoch zu einer merklichen Energiesenkung führt. Zu diesem Zweck ist die Wärmeverschiebung zwischen den Räumen verschiedener Himmelsrichtungen, unter- schiedlicher Geschosse und/oder mit differenzierten inneren Lasten anzuwenden. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 81 • Es sind große Wärmeübertragerflächen einzusetzen, da dies die Grundvoraussetzung für umfassenden Umweltenergieeinsatz bildet: nach Bild 5.5 verstärkte Nutzung der Solarener- gie; nach [13] Kühlung mittels Erdkollektoren oder Fundament-Erdreichspeichern. Mit den derzeit eingesetzten Luftsystemen sind diese Forderungen nicht – im Sonderfall nur nä- herungsweise – erfüllbar. 7.5 Wärmetechnisches Verhalten eines Raumes in einem Passivhaus 7.5.1 Raumdaten und Untersuchungsmethodik Die Geometrie für einen ausgewählten Raum ist Bild 7.1 zu entnehmen. Es handelt sich um ein Wohnzimmer mit einer geschosshohen Vollglasfassade und mit zwei seitlichen Außenwänden. Alle weiteren Raumumfassungen grenzen an andere Räume. Bild 7.1 Grobskizze des zu untersuchenden Raumes in einem Passivhaus mit den wichtigsten geometrischen und wärmetechnischen Angaben Es gilt die Außentemperatur 0 °C. Die Raumtemperatur beträgt wahlweise 20 °C bzw. 24 °C. Die Lüftung erfolgt mit der Zulufttemperatur von 30 °C. Bei einer Raumtemperatur von 24 °C ist auch eine Quelllüftung mit 22 °C denkbar. Im Raum befinden sich zwei Tische, die sich wärme- technisch passiv verhalten und zwei Wärmequellen mit einer Gesamtleistung von 100 W. Kennzeichnend für die Gebäude mit sehr geringen Heizlasten, speziell der Passivhäuser sind die besonders niedrigen Wärmedurchgangskoeffizienten der Raumumfassungen. Sehr unterschied- lich kann die Schwere der Gebäude sein. Die Unterschiede wurden bereits im Abschnitt "Nut- zungsanforderungen" gegenübergestellt. Für die weiteren Untersuchungen ist eine mittlere Kon- struktion ausgewählt worden. Die beiden Außenwände bestehen aus 200 mm Kalksandstein und Glasfassade k = 0,7 W/(m²K) Außenwand k = 0,14 W/(m²K) 200 mm Kalksandstein 275 mm Polystyrol-Hartschaum Außenwand k = 0,14 W/(m²K Innenwand 240 mm Ziegel Decke und Fußboden adiabat und nicht speichernd t L,Zu = 30 °C 30 m 3 /h 2/3 Konvektion 1/3 Strahlung Q i = 100 W . 8 m 4 m t R = 20 °C / 24 °C 2 , 4 m A l t e r n a t i v e t L ,Z u = 2 2 ° C Q u e l l l u f t Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 82 275 mm Polystyrol, bei der der Fassade gegenüberliegenden Innenwand handelt es sich um eine 240 mm dicke Ziegelwand und Fußboden sowie Decke seien nicht wärmespeichernd. Die wär- metechnisch relevanten Detaildaten finden sich ebenfalls im Bild 7.1. Vorhandene Innen- und Außenputze sind hierbei vernachlässigt worden. Bei einer schweren Bauweise wären die Decke sowie der Fußboden ebenfalls massiv und gut wärmeleitend, z. B. mit Fliesenbelag, ausgeführt. Sie würden die Trägheit wesentlich erhöhen. Als Temperaturannahmen gelten: Außentemperatur 0 °C, Raumtemperatur 20 °C bzw. 24 °C. Bezüglich der gemauerten Innenwand werde thermische Symmetrie angenommen, d. h., der an- schließende Raum unterliegt den gleichen Temperatur- und Strahlungsbedingungen wie der be- trachtete Wohnraum. Die Decke und der Fußboden gelten als adiabat. Im Raum befinden sich zwei Tische, deren Oberflächentemperaturen sich ebenfalls wie die der Decke und des Fußbodens passiv den thermischen Umgebungsbedingungen anpassen. Für zwei innere Wärmequellen seien gesamt 100 W angenommen, wobei 1/3 als Strahlungs- wärmestrom an die Umgebungsflächen und 2/3 als konvektiver Wärmestrom an die Luft abge- geben werden. Die Belüftung erfolgt mit einem Zuluftstrom von 30 m³/h der Temperatur t L,Zu = 30 °C. Damit ist ein Luftwechsel von 0,39 h -1 gewährleistet. Alternativ dazu wird auch eine Quellluftvariante mit gleichem Luftvolumenstrom bei einer Zulufttemperatur von 22 °C betrachtet, die natürlich nur bei 24 °C Raumtemperatur qualitätsgerecht arbeitet. Außer der Luftheizung werden auch eine Fußbodenheizung und eine Deckenheizung betrachtet. Für die wärmetechnische Charakteristik der Flächenheizungen gelten relativ geringe Teilwärme- durchgangskoeffizienten: κ Fußboden = 11 W/(m²K) bzw. κ Decke = 20 W/(m²K). Der Teilwärme- durchgangskoeffizient bezieht sich auf den Wärmefluss von der raumseitigen Oberfläche bis zum Wasser im Rohrregister. Die Leistungsanpassung zum Erreichen der gewünschten Empfindungstemperatur erfolgt bei der Luftheizung durch eine zusätzliche konvektiv wirkende Wärmequelle im Raum, bei den Flä- chenheizungen wird die Anpassung durch eine gezielte Änderung der mittleren Heizmedientem- peratur bewirkt. Die Untersuchung wird mit dem in [2] entwickelten "Wärmetechnischen Raummodell" durchge- führt (Beschreibung auch im Anhang B). Das Raummodell arbeitet mit einem bausteinförmigen Programmaufbau und einer offenen, erweiterbaren Struktur. Die Bausteine beinhalten unter- schiedliche Approximationsstufen von einfachen Näherungen bis hin zu exakten Lösungen. Die Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 83 Zusammenstellung hat problemorientiert zu erfolgen, was natürlich entsprechende Fachkenntnis- se beim Anwender voraussetzt. Die bestehende Bausteinreihe ist von jedermann ergänzbar. Diesen Vorteil nutzend, konnte auch das instationäre Speicherverhalten der Außen- und Innen- wände bezogen auf den vorliegenden Modellfall nachgebildet werden. 7.5.2 Stationärer Betrieb Für die zu untersuchenden stationären Betriebsfälle sollen ergänzend zu den in Verbindung mit Bild 7.1 beschriebenen Randbedingungen wahlweise die operativen Raumtemperaturen (Emp- findungstemperaturen) t R = 20 °C und 24 °C gelten. Aus der Vielzahl der Ergebnisse des Rechnerausdrucks werden nachfolgende Größen für die Gegenüberstellung der Varianten ausgewählt: • mittlere Raumtemperatur t R (≡ mittlere Empfindungstemperatur) mit den örtlichen Extrem- werten t R,max und t R,min (Der Untersuchungsbereich erstreckt sich über eine Fläche parallel zum Boden, die jeweils 0,8 m von den Wänden entfernt ist.) • Luft- und Strahlungstemperatur der Umgebung t L,Ref und t U,Ref jeweils in Referenzhöhe von 1,04 m über dem Grundriss • Zu- und Ablufttemperatur t L,Zu und t L,Ab • t H mittlere Heizmedientemperatur bei Einsatz einer Flächenheizung • Q & L,Zu Wärmestrom, der von der Zuluft an den Raum übertragen wird • Q & K,An konvektiver Anpasswärmestrom, der dem Raum zusätzlich zu übertragen ist, um eine ausgeglichene Wärmebilanz zu erhalten • Q & F,Zu Wärmestrom, der von einer Flächenheizung an den Raum übertragen wird • Q & Inter Wärmestrom, der von den inneren Wärmequellen an den Raum übertragen wird • Q & Sum Gesamtwärmestrom an den Raum. Für den stationären Heizfall der Systeme Luftheizung, Fußbodenheizung und Deckenheizung finden sich die Ergebnisse in Tabelle 7.1. Des Weiteren sind die Luft- und Strahlungstemperatu- ren der Umgebung im Bild 7.2 eingetragen. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 84 Tabelle 7.1 Ergebnisse der stationären Berechnung zur Raumheizung bei t R = 20 °C und 24 °C sowie bei Einsatz einer Luft-, einer Fußboden- und einer Deckenheizung t R t R,max t R,min t L,Ref t U,Ref t L,Zu t L,Ab t H Q & L,Zu Q & K,An Q & F,Zu Q & Inter Q & Sum °C °C °C °C °C °C °C °C W W W W W Luftheizung bei t R = 20 °C 20 20,1 19,9 20,6 19,4 30 21,4 - 84 133 - 100 317 Fußbodenheizung bei t R = 20 °C 20 20,1 19,8 20,2 19,8 30 21,2 20,8 86 - 150 100 336 Deckenheizung bei t R = 20 °C 20 20,1 19,8 20,1 19,9 30 21,5 21,0 83 - 154 100 337 Luftheizung bei t R = 24 °C 24 24,1 23,9 24,7 23,3 30 25,5 - 44 239 - 100 383 Fußbodenheizung bei t R = 24 °C 24 24,1 23,8 24,2 23,8 30 25,0 25,5 49 - 250 100 399 Deckenheizung bei t R = 24 °C 24 24,1 23,9 24,1 23,9 30 25,4 25,6 45 - 256 100 401 Fußbodenheizung bei t R = 24 °C mit Quelllüftung 22 °C 24 24,1 23,8 24,1 23,9 22 24,8 26,0 -28 - 314 100 386 Bild 7.2 Behaglichkeits- diagramm gemäß Bild 3.2b mit den eingetragenen Er- gebnissen der berechneten Varianten Decken-, Fuß- boden- und Luftheizungen bei stationären Betriebsbe- dingungen und Raumtem- peraturen von 20 °C bzw. 24 °C Diskussion der Ergebnisse: • Die geforderten Empfindungstemperaturen sind in allen Fällen erreicht worden, ihr Schwan- kungsbereich über dem Grundriss ist mit einer maximalen Abweichung von +0,1 K und -0,2 K sehr klein. D. h., aus wärmephysiologischer Sicht erfüllen alle Systeme die Anforderun- gen. 20 22 24 26 28 30 18 20 22 24 26 28 30 t E ≡ t R = t L = t U 1,0 met Lufttemperatur t L,b U m g e b u n g s t e m p e r a t u r t U , b °C °C w L = 0,25 m/s 0,20 0,15 t R = 2 4 ° C 0,10 0,20 0,15 20 °C 1,0 clo 0,75 clo Lufttemperatur t L,b U m g e b u n g s t e m p e r a t u r t U , b °C °C w L = 0,25 m/s 0,20 0,15 0,10 0,20 0,15 20 °C D e c k e n h z g F u ß b o d e n h z g L u f t h e i z u n g mit Quellluft Fußbodenheizung Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 85 • Bei den Flächenheizsystemen wird deutlich, dass die Luft- und Umgebungstemperaturen sehr nahe beieinander liegen. Sie unterscheiden sich um maximal 0,4 K. Bei der Luftheizung betragen die Unterschiede bis 1,4 K. • Die Ablufttemperaturen sind erwartungsgemäß bei der Deckenheizung etwas höher als bei der Fußbodenheizung. • Logischerweise geht die Wärmezufuhr durch die Zuluft mit ansteigender Raumtemperatur zurück. Die zusätzliche konvektive Nachheizung bei den Luftsystemen steigt entsprechend an (133 W bzw. 239 W). Bei den Flächenheizungen kann dies durch eine erhöhte Heizmedientemperatur ausgeglichen werden. Obwohl für die Heizdecke lediglich ein Teilwärmedurchgangskoeffizient κ = 20 W/(m²K) zugrunde gelegt wurde, ergeben sich mittlere Wassertemperaturen, die nur 1 K bis 1,6 K über der Raumtemperatur liegen. Bei den Fußbodensystemen sind konstruktionsbe- dingt die Teilwärmedurchgangskoeffizienten geringer, dennoch betragen sie für innovative Lösungen beispielsweise κ = 11 W/(m²K). Infolge des besseren Wärmeübergangskoeffizien- ten (Wärmestrom von unten nach oben) liegen die Wassertemperaturen in der gleichen Grö- ße wie bei der Deckenheizung. • Von besonderem Interesse ist der Vergleich der exergetischen Aufwendungen für die einzel- nen Heizsysteme. Hierzu müssen zunächst einige Annahmen getroffen werden. Bei den Flächenheizungen sind die mittleren Heizmedientemperaturen in Tabelle 7.1 ausge- wiesen, bei den Luftheizungen mit t L,Zul = 30 °C sei t H = 40 °C angesetzt. Wegen der kleinen Spreizungen wird vereinfachend der CARNOT-Faktor mit den jeweils mitt- leren Medientemperaturen auf der Verbraucher- und der Quellenseite berechnet. Letztere wird einheitlich mit t Q = 10 °C (Grundwassernutzung) angenommen. Der Carnot-Faktor kennzeichnet den Umwandlungsgrad bei einer reversiblen Prozessführung. Im realen Betriebsfall eines irreversiblen Kreisprozesses ist noch der exergetische Wir- kungsgrad nach Gl. (2.3) zu berücksichtigen, sodass für die Wärmepumpe die elektrische Antriebsleistung (≡ Exergiestrom) WP H H Q Heizung WP 1 Q T T 1 E P ζ − = = & & erforderlich ist. Der exergetische Wirkungsgrad wird einheitlich mit ζ WP = 0,5 angenommen. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 86 Es soll weiterhin generell gelten, dass die Zuluft mittels Wärmepumpe erwärmt werde, wobei nur der Betrag für die Raumwärmezufuhr in Ansatz gebracht wird. Dies wirkt zugunsten der Luftheizung, da bei der Fußbodenheizung auch eine Quellluftvariante mit der niedrigeren Lufteintrittstemperatur von 22 °C sinnvoll wäre. In diesem Fall wird die Luft im Raum zu- sätzlich aufgeheizt (-28 W). Die dazu nötige Exergiezufuhr erbringt die Fußbodenheizung, ein Abzug für die verringerte, externe Luftaufheizung erfolgt nicht (Nachteil für die Flä- chenheizung). Des Weiteren sind unterschiedliche Verfahrensweisen für die Bereitstellung des erforderli- chen Ergänzungswärmestromes beim Luftheizsystem zu betrachten. Es gelten somit die exergetischen Aufwendungen für die Luft- und die Fußbodenheizung gemäß Tabelle 7.2. Tabelle 7.2 Exergetische Aufwendungen bei stationärer Raumheizung für t R = 20 °C und 24 °C sowie bei Einsatz einer Luft- und einer Fußbodenheizung Die Zulufterwärmung erfolgt mit einer Wärmepumpe, wobei nur die Raumwärmenutzung in Ansatz gebracht wird, was vorteilhaft für die Luftheizung ist. Im Falle der mit * gekennzeichneten Lösung würde auch der Anteil der Lufterwärmung, die der Raumheizung dient, elektrisch vorgenommen. System t R Zu , L E & Zusatz E & Exergiestrom ges E & °C W Art der Ergänzungsheizung W W 20 84* Elektroheizung 133 217 20 16 Elektroheizung 133 149 Luftheizung 20 16 Wärmepumpe mit t L,Zu = 30 °C 26 42 Fußbodenheizung 20 16 Wasserheizung, Fußboden 11 27 24 44* Elektroheizung 239 283 24 8 Elektroheizung 239 247 Luftheizung 24 8 Wärmepumpe mit t L,Zu = 30 °C 46 54 Fußbodenheizung 24 8 Wasserheizung, Fußboden 26 34 Fußbodenheizung mit Quellluft 22 °C 24 0! Wasserheizung, Fußboden 34 34 Die Variante Deckenheizung ist exergetisch mit der Fußbodenheizung praktisch deckungs- gleich. Die Ergebnisse zeigen deutlich die Überlegenheit der Flächenheizungen, die aufgrund der niedrigen Heizmedientemperatur entsteht. Beim Einsatz von Flächenheizungen ergeben sich folgende Exergieersparnisse: Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 87 ● Wenn die Luftheizung auch im Falle der Restwärmedeckung mit einer Wärmepumpe arbeitet, folgen Ersparnisse von 36 ... 37 %. ● Erfolgt bei Einsatz einer Luftheizung die Restwärmedeckung mit einer elektrischen Widerstandsheizung, berechnet sich für die Flächenheizung eine Ersparnis von 82 ... 86 %. ● Würde die Luftheizung vollelektrisch vorgenommen, läge die Ersparnis bei der Fußbodenheizung bei etwa 88 %. 7.5.3 Instationärer Betrieb Es gehört zum unbedingten Wohnkomfort, dass man die Empfindungstemperaturen der ver- schiedenen Räume und natürlich auch deren tageszeitlichen Verlauf subjektiv wählen kann. Um ein Gefühl für die thermischen Raumzustände zu erhalten, die während des instationären Auf- heizens entstehen können, werde ein Aufheizvorgang von t R = 20 °C auf 24 °C betrachtet. Da dieser Vorgang verschiedenartig ablaufen kann, seien nachfolgende Varianten untersucht: • Aufheizung nach linearem Temperaturprofil dt R /dτ = 2 K/h, d. h. innerhalb von 2 Stunden • Aufheizung mit einer konstanten, kleinen Leistung von 500 W • Aufheizung mit einer konstanten, großen Leistung von 1000 W. In den vorliegenden Fällen wird von einer Lüftung mit 30 m³/h bei einer Zulufttemperatur von 30 °C – gleich dem des stationären Falles – ausgegangen. Bei der Variante Fußbodenheizung mit linearer Temperaturzunahme sei zusätzlich der Einsatz eines Lüftungssystems mit niedrig tempe- rierter Zuluft von t L,Zu = 22 °C betrachtet. Bei einer Raumtemperatur von 24 °C trägt dieses Sys- tem den Charakter eines Quellluftsystems. Es bietet den Vorteil, den notwendigen Exergiestrom bei Einsatz von Flächenheizungen weiter absenken zu können. Die Heizsysteme werden idealisiert mit einer völlig trägheitsfreien Arbeitsweise betrachtet. Dies trifft in der Realität z. B. für Fußbodenheizung nicht zu. Die späteren Untersuchungen zeigen, dass moderne Fußbodenheizungen mit herkömmlichen Systemen, die durch große Rohrabstände und dicke Estrichschichten gekennzeichnet sind, bezüglich ihrer Dynamik nicht mehr vergleich- bar sind. Die Aufheizzeiten sind bis auf 1/20 reduziert (Bilder 1.1 und 10.35). Ähnlich liegen die Verhältnisse bei Wandheizungen [13], wobei innovative Systeme nur noch 1/6 der üblichen Aufheizzeiten benötigen (Bild 1.2). Die Ergebnisse der umfangreichen instationären Berechnung werden der besseren Übersichtlich- keit in Diagrammen vorgestellt und schrittweise diskutiert. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 88 Bild 7.3 Erforder- licher Gesamtwär- mestrom an den Raum bei einer linearen Raumtem- peraturerhöhung (Aufheizzeit 2 Stunden) bei Ein- satz einer Luft- oder Fußbodenhei- zung Bild 7.4 Raum- temperaturverlauf bei einer Raumauf- heizung mit einer Luft- oder Fußbo- denheizung bei konstanter, kleiner Leistung von 500 W Bild 7.5 Raum- temperaturverlauf bei einer Raum- aufheizung mit einer Luft- oder Fußbodenheizung mit konstanter Leistung von 1000 W Nach Erreichen der neuen Raum- solltemperatur von 24 °C erfolgt die Leistungregelung der Fußbodenhei- zung durch die Wassertemperatur und die der Luftheizung durch eine Stufenschaltung von 500 W in Abständen von 6 min. 0 4 8 12 16 20 24 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Stunden nach der Parameteränderung G e s a m t w ä r m e s t r o m a n d e n R a u m W Leistung bei Luftheizung ca. 320...340 W ca. 380...400 W Leistung bei Fußbodenheizung 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 21 22 23 24 25 Stunden nach der Parameteränderung R a u m t e m p e r a t u r °C Luftheizung Fußbodenheizung 0 1 2 3 4 5 20 21 22 23 24 25 Stunden nach der Parameteränderung R a u m t e m p e r a t u r °C Luftheizung mit Leistungsstufen von 500 W Zuschaltung bei t R < 24 °C Abschaltung bei t R > 24 °C Fußbodenheizung mit t W gleitend bei t R = 24 °C Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 89 Bild 7.6 Verlauf der mittleren Was- sertemperatur für die Fußboden- heizung während der Raumaufhei- zung nach unter- schiedlichen Be- triebsregimes Diskussion der Ergebnisse: • Bild 7.3 zeigt den Anstieg des erforderlichen Gesamtwärmestromes eines trägheitsfrei arbei- tenden Heizsystems an den Raum mittlerer Wärmespeicherkapazität. Obwohl die geforderte Raumtemperaturzunahme konstant 2 K/h ist, steigt der erforderliche Wärmestrom fortlau- fend von 317 W bzw. 336 W auf 1100 W bzw. 1200 W an. Die Ursache bildet das zeitver- zögerte Aufheizen der Massivwände. Da dieses beim Wirken einer Flächenheizung schneller erfolgt als bei einer Luftheizung, ist der erforderliche Wärmestrom für die Fußbodenheizung zunächst größer. • Da ein konstanter Aufheizstrom von 500 W relativ klein ist, bewirkt dieser nur eine sehr langsame Raumtemperaturerhöhung (Bild 7.4). Nach 10 Stunden sind erst etwa 22,8 °C er- reicht. Aufgrund des intensiveren Wärmeübergangs an die Wände, liefert die Flächenhei- zung hierbei stets etwas niedrigere Raumtemperaturen. • Wird dem Raum von Beginn an ein konstant hoher Wärmestrom von 1000 W zugeführt, steigen die Raumtemperaturen schnell an (Bild 7.5). Aus bereits genannten Gründen erreicht die Luftheizung bereits nach ca. 3/4 Stunden die neue Raumtemperatur. Das Abschalten ei- ner Leistungsstufe von 500 W führt aber sofort zu einem starken Abfall der Raumtemperatur um fast 2 K. Dies ist ein deutliches Zeichen dafür, dass die Wandtemperaturen noch sehr nied- rig sind. Der anschließend durchgeführte, intermittierende Betrieb zwischen 500 W und 1000 W bewirkt einen Leistungsausfall, sodass die mittlere Raumtemperatur von 24 °C erst nach etwa 5 Stunden erreicht wird. Die Fußbodenheizung liefert erstmals nach etwa 1,5 Stunden die gewünschte Raumtemperatur, hält sie dann aber wegen der guten Regelbarkeit konstant. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 20 22 24 26 28 30 32 Stunden nach der Parameteränderung m i t t l e r e W a s s e r t e m p e r a t u r °C Leistungsbegrenzung der Fußbodenheizung 1000 W linearer Raumtemperaturanstieg 2 K/h Zulufttemperatur 22 °C ⇒ Quellluft Zulufttemperatur 30 °C linearer Raumtemperaturanstieg 2 K/h 20,8 °C (stationärer Zustand) (stationärer Zustand) 25,5 °C Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 90 • Interessanterweise unterscheiden sich gemäß Bild 7.6 die Heizmedientemperaturen für die Fußbodenheizung nur relativ wenig in Abhängigkeit des Aufheizregimes. Maximal werden etwa 30 °C erforderlich, nur wenn die Luft mit 22 °C einströmt, muss die mittlere Wasser- temperatur bis auf maximal 31 °C ansteigen. • Insgesamt wird der neue stationäre Zustand erst nach sehr langen Zeiträumen erreicht, wie die Verläufe in den Bildern 7.3 und 7.6 verdeutlichen, auch wenn die neue geforderte Raum- temperatur beispielsweise schon nach 2 Stunden realisiert ist. Sehr aufschlussreich ist das Beobachten des Aufheizvorganges im Behaglichkeitsdiagramm. Entsprechende Darstellungen sind in den Bildern 7.7 und 7.8 gegeben. 20 22 24 26 28 19 20 21 22 23 24 25 1,0 met 1,0 clo Lufttemperatur t L U m g e b u n g s t e m p e r a t u r t U °C °C w L = 0,20 m/s 0,10 t R = 2 4 ° C 20 °C F u ß b o d e n h e i z u n g 0,15 L u f t h e i z u n g lineare Temperatursteigerung 2 K/h stationäre Endpunkte Zusatzheizung 500 W Variante Quelllüftung t L,zu = 22 °C 2 h 4 0 h 2 0 h 1 0 h 1 0 h 2 h Bild 7.7 Aufheizvorgang des Raumes mit einer Luft- bzw. Fußbodenheizung im Behaglich- keitsdiagramm Das Betriebsregime geht von einer linearen Raumtemperaturerhöhung um 2 K/h bzw. von einer konstanten Heizleistung mit 500 W aus. Bei der Fußbodenheizung ist außerdem noch die Varian- te mit einer Zulufttemperatur von 22 °C betrachtet. ● Bild 7.7 zeigt, dass bei der Fußbodenheizung die Lufttemperatur t L und die Strahlungstempe- ratur der Umgebung t U näherungsweise linear zwischen dem alten und neuen Raumzustand verlaufen. Dies gilt fast unabhängig vom Aufheizregime. D. h., die Strahlungstemperatur wird von Beginn des instationären Aufheizens "mitgenommen". Dies erfolgt umso intensi- ver, je größer der Anteil der Fußbodenheizung an der Gesamtwärmezufuhr ist, wie die Quell- luftvariante verdeutlicht. Hierin liegt aus wärmephysiologischer Sicht der entscheidende Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 91 Vorteil der Flächenheizungen. ● Bei der Luftheizung wird in der Regel die gewünschte Empfindungstemperatur schneller erreicht, die Anpassung der Umgebungstemperatur dauert aber außerordentlich lange. So bewegt sich nach Bild 7.7 von 2 Stunden bis über 40 Stunden die Raumtemperatur zwar auf der geforderten Empfindungstemperaturgeraden von 24 °C, ohne jedoch den stationären Endzustand erreicht zu haben. Erfolgt die Aufheizung mit einer kleinen Leistung (500 W), dauert der Vorgang ohnehin viel länger, wodurch eine gleichmäßigere Änderung der Umge- bungstemperatur auftritt (Bild 7.7). Bild 7.8 Aufheizvorgang des Raumes mit einer Luft- bzw. Fußbodenheizung im Behaglich- keitsdiagramm Dem Betriebsregime liegt eine konstante Heizleistung von 1000 W zugrunde. Bei der Fußbo- denheizung wird nach Erreichen der neuen Raumtemperatur von 24 °C die Wassertemperatur geregelt. Die Luftheizung schaltet nach Überschreiten der Raumtemperatur von 24 °C auf die Heizstufe 500 W und bei Unterschreiten von 24 °C wieder auf 1000 W. ● Wird eine Schnellaufheizung durch Einsatz eines großen Wärmestromes vorgenommen, sind die im Bild 7.8 dargestellten Verhältnisse zu erwarten. Sie entsprechen dem Vorgang gemäß Bild 7.5, wobei die operative Raumtemperatur in die aussagekräftigen Anteile Lufttempera- tur und Strahlungstemperatur der Umgebung gesplittet ist. ● Als sehr problematisch erweist sich in der Praxis die Bestimmung der Raumtemperatur. In guter Näherung kann sie mit dem Globethermometer (Abschnitt 3.4) gemessen werden. Die- ses wird in der Regel aber nicht verwendet, sondern eine reine Lufttemperaturmessung findet Anwendung. 20 22 24 26 28 19 20 21 22 23 24 25 1,0 met 1,0 clo Lufttemperatur t L U m g e b u n g s t e m p e r a t u r t U °C °C w L = 0,20 m/s 0,10 20 °C 0,15 L u f t h e i z u n g stationäre Endpunkte 0,7 h 1 0 h 1 , 5 h 5 h 1 , 5 h t R = 2 2 , 5 ° C F u ß b o d e n h e i z u n g S c h w a n k u n g s - b e r e i c h d u r c h S t u f e n s c h a l t u n g t R = 2 4 ° C 2 3 , 6 ° C Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 92 Tut man dies während der Aufheizung, entsteht ein beachtlicher Fehler bei der Luftheizung. Selbst wenn bereits die Solltemperatur erreicht wurde, kann durch die Stufenschaltung wie- der ein beträchtlicher Abfall auftreten. Bei einer Lufttemperatur von 24 °C läge in Realität beispielsweise eine Empfindungstemperatur von nur 22,5 °C vor. In der Folge würde die hö- here Heizstufe nicht einschalten. Es wäre tatsächlich zu kalt. Bei Flächenheizungen ist die Abweichung zwischen Lufttemperatur und Umgebungstempe- ratur nicht so groß, wodurch die Fehlmessung geringere Folgen hat. Würde man bei der Fuß- bodenheizung während des Aufheizens nach einer Lufttemperatur von 24 °C regeln, läge zu- nächst eine Empfindungstemperatur von 23,6 °C vor. Im stationären Fall sind die Abweichungen geringer, wie Bild 7.2 bereits zeigte. Danach könnte man Sollwerte für die Lufttemperatur ableiten, um so eine gewisse Korrektur zu be- wirken. Während des Aufheizvorganges mit Luftheizungssystemen würde dies aber nach Bild 7.8 auch wieder zu merkbaren Fehlinterpretationen führen. Die modellierte Dynamik des Raumes ist nur durch die Trägheiten der wärmespeichernden Au- ßenwände und einer Innenwand gebildet worden. Damit reagiert der Raum schneller als in der Realität mit umfangreichem Interieur. In der Praxis wird häufig zudem bewusst eine schwere Bauweise gewählt, sodass die Trägheit weiter ansteigt. 7.6 Fazit und Empfehlungen zur Weiterentwicklung der Heizungstechnik Um den Heizwärmebedarf drastisch senken zu können, wurde vor Jahren bereits die Entwick- lung von Dämmstoffen mit bedeutend kleinerer Wärmeleitfähigkeit gefordert. Leider ging die Entwicklung der "Vakuumisolierung" und die praktische Umsetzung nicht so rasch wie ge- wünscht. Deshalb kam es zum Einsatz immer dickerer Dämmschichten, Dämmdicken bis zu 400 mm werden realisiert. Die damit verbundenen Kostenaufwendungen und die Reduzierung der Nutzfläche wurden in Kauf genommen. Die Technik für die Restbeheizung dieser Gebäude "blieb jedoch auf der Strecke". Die Minimie- rung der Leistung nutzte man lediglich als willkommenes Einsparpotenzial bezüglich der Anla- gentechnik. Selbstverständlich kann mit einer Luftheizung in gut gedämmten Gebäuden ein Raumzustand erreicht werden, der die Behaglichkeitsforderungen der ISO 7730 erfüllt. Luftheizungen mit ein- fachen Verteilsystemen bieten dennoch keinen dem sehr guten Dämmstandard adäquaten Wohn- komfort. Die gleichmäßige Luftverteilung im Raum bei niedrigen Geschwindigkeiten, die Erfül- Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 93 lung eines sehr niedrigen Geräuschpegels, die individuelle Temperaturregelung nach der Emp- findungstemperatur in jedem Raum, das Aufheizverhalten nach subjektiven Solltemperaturände- rungen oder infolge von geänderten inneren und/oder äußeren Lasten lassen mitunter Wünsche offen. Die Luftqualität bei Erdkanaldurchströmung wird skeptisch beurteilt. Die exergetischen Aufwendungen zur Luftaufheizung sind höher als bei Flächenheizungen. Andererseits sollte nicht ein konventionelles Heizsystem mit örtlichen Raumheizkörpern – bei- spielsweise mit Radiatoren vor der Verglasung stehend – oder eine traditionelle Fußbodenhei- zung mit jeweils relativ hohen Wassertemperaturen zum Einsatz kommen. Empfohlen wird ein innovatives Heiz-Kühl-System, das im Ganzjahresbetrieb wirkungsvoll op- timale Nutzungsbedingungen schafft. Es sollte die Umweltenergienutzung präferieren aber den- noch keine Behaglichkeitsminderungen hervorrufen. Als charakteristische Merkmale seien ge- nannt: • Es sind große Flächenheiz- und Kühlsysteme wegen ihrer wärmephysiologischen Vorteile einzusetzen, da sie während des instationären Aufheizens Vorteile bieten und im sommer- lichen Kühlfall die Strahlungstemperatur der Umgebung wirkungsvoll reduzieren. • Diese Flächenheiz- und Kühlsysteme sind infolge raumnaher Wassertemperaturen exergetisch bedeutend günstiger als elektrisch arbeitende Luftsysteme. • In den Raumumfassungen (z. B. Fußboden, Wände, Decke) sind neuartige Hochleistungs- wärmeübertragerflächen zu integrieren. • Die Komplettsysteme zum Heizen und Kühlen sollten folgende Zusatzvarianten anbieten: - Wärmeverschiebung zwischen den Räumen unterschiedlicher Himmelsrichtung, Ge- schosse und Nutzung - effektive Umweltenergienutzung durch den Einsatz von Solarkollektoren und von Erd- reichkollektoren oder von Fundament-Erdreichspeichern über lange Zeiträume bei raum- nahen Wassertemperaturen und kleinen Spreizungen - Einsatz von umschaltbaren Wärmepumpen. Bericht im Anhang G: "Luftheizung oder wasserbeaufschlagte Flächenheizung in Gebäuden mit niedrigem Heizwärmebedarf?" (27 Seiten) Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 94 8 Zwischenfazit Die bisher vorgestellten • Gedanken zum Einsatz von Kunststoff-Kapillarrohrmatten (Abschnitt 1) • Gedanken zur Systemgestaltung ⇒ wärmephysiologische Bewertung verschiedener Raumkühlsysteme (Abschnitt 4) ⇒ Quo vadis Büroklimatisierung? – Zweiflächen-Bauteilaktivierung (Abschnitt 6) ⇒ Heizphilosophie für Gebäude mit niedrigem Heizwärmebedarf (Abschnitt 7) basieren auf den während der Bearbeitung des Forschungsthemas gesammelten Erkenntnissen, die in enger Wechselwirkung mit der Komponentenentwicklung, ihrer Optimierung und Verifi- zierung stehen. D. h., die getrennte Darstellung ist lediglich als Ordnungsprinzip gewählt wor- den. Die untersuchten allgemeinen Anforderungen an die Raumheiz- und Raumkühlsysteme sowie die energetischen Gegebenheiten • minimaler Exergie- bzw. Primärenergiebedarf (Abschnitt 2) • optimale wärmephysiologische Bedingungen im Raum (Abschnitt 3) • das praktisch nutzbare Umweltenergiepotenzial (Abschnitt 5) stellen die zu beachtenden Randbedingungen dar. Die vollzogenen Systembetrachtungen und die definierten Randbedingungen bestätigen die Zweckmäßigkeit – ja sogar die Notwendigkeit – der Entwicklung und der Optimierung nachfol- gender Komponenten mit integrierten Kunststoff-Kapillarrohrmatten als multivalent einsetzbare Wärmeübertrager: • beheizbare und kühlbare Baukörper (z. B. in Betonbauteilen) • beheizbare und kühlbare Wärmeübertragerflächen am Baukörper (z. B. untergehängte De- cken, Fußböden, Kühlsegel) • flexible Kühlflächen • Kühl- und Heizschächte. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 95 9 Thermisch aktive Baukörper 9.1 Aufbau und charakteristische Merkmale Die neuzeitliche thermische Bauteilaktivierung setzt wasserdurchflossene Rohrsysteme in Spei- cherbauteilen ein, die gleichzeitig eine Raumbegrenzung darstellen. Damit können die in den Abschnitten 2 bis 5 genannten Empfehlungen sehr gut genutzt werden. Die Oberflächentemperaturen schwanken zwischen 21 °C und 24 °C. Wegen der geringen Tem- peraturunterschiede zum Raum ist eine gute Selbstregulierung zu erwarten. Selbst das "Umschal- ten" von Heizen auf Kühlen ergibt sich automatisch: t Decke < t Raum ⇒ Kühlfall t Decke > t Raum ⇒ Heizfall. Die hauptsächliche Nutzung der thermisch aktiven Decke wird derzeit im Kühlen gesehen. Die konstruktiven Möglichkeiten und angestrebten Zielstellungen sind im Bild 9.1 gezeigt. Zu- nächst wurden Rohrsysteme mit im Fußbodenheizungsbau üblichen Durchmessern 26×2,5 mm, 20×2 mm und 17×2 mm - eingesetzt. In der "Neuen Messe Zürich" und in anderen Bauwerken sind Rohrabstände von 300 mm realisiert worden. Entsprechend der Weiterentwicklung werden jetzt meistens Abstände von 150 mm verwendet. Bild 9.1 Üblicherweise werden Betonde- cken bevorzugt zur Raumkühlung herange- zogen. Im Kern sind Rohrsysteme auf einer Trägermatte gegen Aufschwimmen wäh- rend des Betonierens fixiert. Im Fall A sind der obere und der untere Raum wärmetechnisch gut an das Bauteil angekoppelt. Der Wärmefluss von oben an die Decke wird aber auch bei gleichen Raumtemperaturen geringer als von unten sein, da der Wärmeübergangskoeffizient kleiner ist und außerdem bildet der Belag einen Wärmeleitwiderstand. Der Fall B ist bauphysikalisch richtiger, da ein schwimmender Estrich auf einer Tritt- schalldämmung angeordnet ist. Die Intensi- tät der thermischen Kopplung an den obe- ren Raum sinkt hierbei jedoch. Fall C zeigt die üblichen Zielstellungen. Aus bautechnischen Gründen möchte man die Rohrsysteme möglichst außerhalb der Bewehrung anordnen, aus thermodynami- schen Gründen (hohe Speicherkapazität) wird eine enge Rohrteilung angestrebt. Fall A Fall B Fall C Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 96 In Versuchen mit herkömmlichen Systemen wurden Kühlleistungen von 35 ... 40 W/m² bei täg- lich 10-stündigem Betrieb unter sommerlichen Bedingungen nachgewiesen. Als neue Technologie wird für den Einsatz in Betonbauteilen eine Spezialbetonmatte mit den Abmessungen 4,3×0,9 mm als Kunststoff-Kapillarrohrmatte aus PP von der Fa. Clina angeboten. Der Röhrchenabstand sollte vorzugsweise 30 mm betragen. Die kleinen Rohrabstände bewirken eine nahezu homogene Temperaturverteilung, wie im Bild 1.4 gezeigt wird. Die Temperaturverteilung in der Speicherdecke ist eine Funktion des eingesetzten Rohrsystems. Untersucht man diesen Zusammenhang für stationäre Verhältnisse und die konstruktiven Varian- ten I und II gemäß Bild 9.2, so erhält man die im Bild 1.7 vermerkten Werte für die gespeicherte "Kälte". Dabei gelten: Raumtemperaturen t i = t a = 24 °C, mittlere Wassertemperatur im Rohrsys- tem 18 °C. Bild 9.2 Deckenkonstruktionen mit unterschiedlichen Rohrregistern bei sonst gleichem Aufbau und Umge- bungsbedingungen Index i ⇒ Raum unten Index a ⇒ Raum oben 9.2 Kühlleistung der Speicherdecken Für die Auslegung interessiert die Kühlleistung. Sie ist in erster Linie als Tagesverlauf wichtig, andererseits ist mitunter auch eine hohe nächtliche Kühlleistung sehr vorteilhaft. Letzteres trifft . α i q Decke aus Stahlbeton RA = 300...150 mm t a a ∆ i t max t min t a a α q . i = 150 mm ∆ = 150 mm a RA/2 y t mittel i t V a r i a n t e I V a r i a n t e I I α i q . Decke aus Stahlbeton RA = 30 mm a a ∆ i Belag R = 0,143 m²K/W t max t min t a a α q . i = 150 mm ∆ = 150 mm Kunststoff- kapillarrohr 4,3×0,9 mm a x y t mittel t i x Kunststoff- rohr 20...17×2 mm Belag R = 0,143 m²K/W RA/2 Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 97 dann zu, wenn auch das Interieur intensiv gekühlt und somit in den Speichervorgang einbezogen werden kann. Diese Möglichkeit ist bei Bürobauten aber auch in Einkaufszentren mit einer ho- hen Warendichte durchaus gegeben. Problematisch sind die Festlegungen der thermischen Randbedingungen, für die der zeitliche Leistungsverlauf zu bestimmen ist. Er wird für die einzelnen Nutzungsbereiche sehr unterschied- lich sein. Da noch keinerlei normierte Werte oder Normprüfverfahren vorhanden sind, wird für die Leistungsermittlung und für die Bewertung der Varianten der im Bild 9.3 gezeigte Verlauf zugrunde gelegt. Bild 9.3 Vorgabe der Temperaturverläufe (Raumtemperatur und mittlere Wassertempera- tur) für die dynamische Untersuchung zum Leis- tungsverhalten der Decke Die Dynamik ist über drei Tage berechnet worden. Bei herkömmlichen Rohrsystemen ist nach zwei Tagen, bei Kapillarrohrmatten nach einem Tag der Einschwingvorgang beendet. Bild 9.4 vergleicht die Kühlleistungen der derzeitigen Realvarianten. Bild 9.4 Vergleich der Kühlleistungen der der- zeit realen Systeme bei Vorgabe der Tempera- turverläufe nach Bild 9.3 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 BILD6 | 20.2.1999 °C T e m p e r a t u r Temperaturverlauf im unteren und oberen Raum Temperaturverlauf des Kaltwassers (Mittelwert zwischen Vor- und Rücklauf) 18.00 20 22 24 2 4 6 8 10 12 14 16 18.00 Uhrzeit °C 26 25 24 23 22 21 20 19 18 48 72 0 10 20 30 40 50 W m² Normalrohre 17×2 mm, RA = 150 mm 20×2 mm, RA = 300 mm Kapillarrohre 4,3×0,9 mm, RA = 30 mm 18.00 8.00 18.00 Uhrzeit 3 1 ,3 38,7 42,8 W/m² Mittelwert Nutzzeitraum K ü h l l e i s t u n g Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 98 Beide im Bild 9.2 dargestellten Konstruktionsvarianten zeigten durch die Änderung der Rohrab- stände (herkömmliche Rohrregister von 300 mm auf 150 mm und Kapillarrohrmatten von theo- retisch 15 mm auf 30 mm ⇒ vgl. auch Bild 1.7) eine Annäherung, allerdings ist ein deutlicher Qualitätssprung bleibend vorhanden. ● Die konventionellen Systeme liegen um 10 % bis 27 % unter dem Wert mit Kapillarrohrmat- ten. ● Bei Einsatz von Kapillarrohrmatten tritt auch eine deutliche Materialeinsparung auf (⇒ vgl. Tabelle 1.2). Die in Versuchen mit herkömmlichen Systemen ermittelten Kühlleistungen von 35 ... 40 W/m² bei täglich 10-stündigem Betrieb unter sommerlichen Bedingungen werden durch die Berech- nungen sehr gut bestätigt. 9.2.1 Stationärer Betrieb einer Betondecke bei unterschiedlichen Raumtemperaturen In Bürobauten und Einkaufszentren könnte bei ganztägiger Verfügbarkeit von kaltem Wasser aus Umweltsenken als Grenzfall auch eine stationäre Betriebsweise erfolgen. Um das Leistungs- vermögen beurteilen zu können, wird eine Decke mit zwei unterschiedlichen Rohrregistern nach Bild 9.5 betrachtet. Bild 9.5 Angenommener Deckenauf- bau mit einem konventionellen Rohr- register und mit einer Kapillarrohr- matte für die Untersuchung des stati- onären Kühlbetriebs Die Ergebnisse der stationären Zustandsberechnung sind in der Tabelle 9.1 zusammengestellt. Es werden die Oberflächentemperaturen an der Deckenunterseite und die Kühlleistungen ausgewer- tet. α i q . Decke aus Stahlbeton λ = 1,4 W/(m K) RA = 150 mm t a a ∆ i Fußboden R = 0,3 m²K/W t max t min t = a a α q . i = 140 mm ∆ = 140 mm Kunststoffrohr 17×2 mm λ = 0,35 W/(m K), w = 0,5 m/s bzw. Kapillarrohr 4,3×0,8 mm λ = 0,21 W/(m K), w = 0,2 m/s a RA/2 t mittel t i t i RA = 30 mm Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 99 Tabelle 9.1 Temperaturen und Kühlleistungen einer Betondecke nach Bild 9.5 mit Rohrregister RR bzw. Kapillarrohrmatte KM im stationären Betrieb Raumtemperatur °C 22 °C 24 °C 26 °C mittlere Wassertemperatur °C 19 °C 19 °C 19 °C RR KM RR KM RR KM Deckentemperatur unten °C 20,7 20,6 22,0 21,7 23,2 22,9 Leistung unten W/m² 11,5 12,9 19,6 22,1 27,8 31,3 Leistung oben W/m² 4,2 4,7 7,1 7,9 9,9 11,1 Leistung gesamt W/m² 15,8 17,7 26,7 30,0 37,7 42,5 Diskussion der Ergebnisse: • Die Leistungen bei Einsatz von Kunststoff-Kapillarrohrmatten sind um 12 ... 13 % höher als bei Verwendung von konventionellen Rohrregistern. • Ab einer Temperaturdifferenz von 5 K sind bereits beachtliche Leistungen realisierbar. • Die spezifischen Leistungen t / q ∆ & betragen im Mittel: Rohrregister 5,3 W/(m²K) bzw. Kapillarrohrmatte 6,0 W/(m²K). • Da der vollaufgeladene Zustand einem stationären Vorgang entspricht und der Wärmeüber- gangskoeffizient nur geringfügig von der Untertemperatur abhängt, können folgende einfa- che Näherungen für die Deckenoberflächentemperatur aus den Ergebnissen gewonnen werden: t Decke = 0,6 t Raum + 0,4 t Wasser,mittel bzw. t Decke = 0,54 t Raum + 0,46 t Wasser,mittel . Im umgekehrten Schluss sind bei Vorgabe der Raumtemperatur und der Deckenoberflächen- temperatur die Wassertemperaturen berechenbar: t Wasser,mittel = 2,5 t Decke - 1,5 t Raum bzw. t Wasser,mittel = 2,17 t Decke - 1,17 t Raum . (9.1) Diese Beziehungen sind hilfreich, wenn Aussagen zur erforderlichen Wassertemperatur oder aber zur Taupunktproblematik gefordert werden. 9.3 Grundprinzipien zur Anwendung der thermisch aktiven Baukörper Dieses relativ neue Wirkprinzip wird in seinen Möglichkeiten oftmals unrichtig eingeschätzt und auch falsch genutzt. Dadurch besteht die Gefahr, dass der Ruf der thermischen Bauteilaktivie- rung unabhängig vom Rohrsystem Schaden nimmt. Nachfolgende Gesichtspunkte sind zu beach- ten: • Die thermische Bauteilaktivierung dient der passiven, umweltschonenden Unterstützung der Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 100 Raumklimatisierung! Kapillarrohrmatten als Rohrregister bewirken eine besonders effiziente Speicherung im Bauteil. • Die Bezeichnung Bauteilklimatisierung ist falsch. • Notwendige Bestandteile zur umfassenden Funktionstüchtigkeit sind eine Lüftungsanlage zur Sicherung des hygienisch bedingten Außenluftbedarfs und zur Regelung der Feuchte. Bei Fensterlüftung muss bei hohen Außenluftfeuchten die Wassertemperatur angehoben werden (→ Kühlpotenzial bleibt ungenutzt), denn bei Kondensationsgefahr (Wetteränderung) ist im Gegensatz zu üblichen Kühldecken oder -segeln infolge der großen Systemträgheit das Absperren des Wasserkreises wirkungslos. Zu Abschätzung, ob eine Gefährdung durch Unter- schreiten der Taupunkttemperatur auftreten kann, seien nachfolgende Überlegungen skizziert: Feuchtezunahme im Raum Es wird von einem einfachen Luftwechsel pro Stunde ausgegangen. Das Raumvolumen pro Person betrage 25 m³. Die Wasserdampfabgabe des Menschen ist temperaturabhängig: 22 °C 24 °C 26 °C 28 °C 30 °C 47 g/h 58 g/h 70 g/h 85 g/h 98 g/h Damit ergibt sich im Mittel eine Erhöhung der Luftfeuchte durch die geplanten Raumnutzer: ∆x = ³ m / kg 17 , 1 h / ³ m 25 h / g 70 ⋅ = 2,4 g Wasser /kg trockene Luft . Hierbei sind keine Besucher und keine weiteren Feuchtequellen (z. B. Pflanzen) berücksich- tigt worden. Als kleiner Zuschlag werde eine Erhöhung auf ∆x = 3 g W /kg tL vorgenommen. Sättigungsfeuchte Die zur Deckentemperatur zugehörige Sättigungsfeuchte x S beträgt: Deckentemperatur °C 22 23 24 Sättigungsfeuchte g W /kg tL 17 18 19 Kritische Außenluftzustände Ausgehend von der Deckentemperatur ergeben sich somit die kritischen Außenluftzustände bei einer absoluten Feuchte von x AL = x S - ∆x : Deckentemperatur °C 22 23 24 kritische Außenluftfeuchte g W /kg tL 14 15 16 Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 101 Im Rheingraben ist die Luftfeuchte im Sommer relativ hoch. Nach DIN 4710 gilt für Mann- heim: Außenluftfeuchte x AL g W /kg tL ≥ 14 ≥ 15 ≥ 16 jährliche mittlere Stundenzahl h 22,1 5,7 1,3 jährliche mittlere Stundenzahl während 7 bis 18 Uhr h 10,9 2,3 0,5 Im kritischsten Fall der Taupunktunterschreitung bei t Decke = 22 °C folgt nach Gl. (9.1) die minimal zulässige Wassertemperatur zu (Die Kühlleistung ist für beide Rohrsysteme gleich!): Raumtemperatur °C 22 23 24 25 26 Rohrregister °C 22 20,5 19,0 17,5 16 minimale mittlere Wassertemperatur Kapillarrohrmatte °C 22 20,8 19,7 18,5 17,3 Wollte man absolut sicher gehen, müsste man bei Außenluftfeuchten ≥ 14 g W /kg tL die Was- sertemperatur auf minimal 22 °C begrenzen. Besonders ungünstig wirkt sich die ungleiche Raumnutzung aus. Räume mit geringer Wärmelast und/oder hoher Feuchtelast sind besonders gefährdet. • Die thermische Bauteilaktivierung verkörpert ein Passivsystem mit großer Trägheit. Die Ent- ladung des Speichers erfolgt rein passiv ohne Einflussnahme des Raumnutzers. Eine Leis- tungsbeeinflussung ist nur durch die Steuerung der Aufladung gegeben. Es sind Prognosen zum Last- und Witterungsverlauf (Einfluss auf äußere Last sowie Kühlmöglichkeit) zu stellen. • Die Gewährleistung der Raumtemperatur ist nur bei Vorhandensein von regelbarem Zusatz- system möglich. Sie sind dringend zu empfehlen. Im Tagesgang können Raumtemperaturabweichungen von den Normwerten auftreten und die in den Raum eingetragenen Lasten sind bei anhaltender Hitzeperiode möglicherweise auch in einer 24-Stundenperiode nicht kompensierbar (Vertragsgestaltung beachten!). • Eine Abrechenbarkeit der verbrauchten Energie ist bei kleinen Mietbereichen meistens nicht gegeben. Im "Normalfall" wird die gesamte Deckenfläche ohne Rücksicht auf spätere Raum- aufteilungen mitunter sogar über unterschiedliche Nutzer- bzw. Mietbereiche hinweg mit Rohrregistern eines steuerbaren Wasserkreises belegt. Außerdem ist die Wirkung der Kühl- und/oder Heizfunktion geschossübergreifend gewünscht. • Wichtigstes Argument ist die Nutzung von Umweltenergie direkt oder mit geringer Trans- formationsenergie und die weitest gehende Vermeidung von elektrisch erzeugter Kälte. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 102 • Energiemehrverbrauch ist teilweise durch den Selbstreguliereffekt (Deckenspeicher verkör- pert "direktwirkenden Proportionalregler") bedingt, kann aber auch durch falsche Ladestra- tegie und falsche Prognosen hervorgerufen werden. Nur was nichts kostet und die Umwelt nicht belastet, darf verschwendet werden. Deshalb sind mittels Kapillarrohrmatten effizient genutzte Speicherbauteile besonders vorteilhaft. • Kann die Energie ohne Mengenbegrenzung und Mehrkosten während der Nutzungszeit be- reitgestellt werden, dann ist die thermische Bauteilaktivierung in der Regel nicht wirtschaft- lich einsetzbar. Dies trifft auf die konventionelle Kälte- und Wärmebereitstellung sowie auf die meisten geothermischen Nutzungen zu. Wird die Luft als Wärmesenke eingesetzt, dann stehen weitere mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten bestückte Komponenten gemäß der Ab- schnitte 10 und 11 in Konkurrenz. Die Wirtschaftlichkeitsberechnung kann auf Basis der Ta- belle 5.2 erfolgen. • Die Energiespeicherung in Bauteilen mit passiver Entladung zu realisieren, um unterschied- liche Elektroenergietarife beim Antrieb von Kältemaschinen/Wärmepumpen zu nutzen, ist in der Regel (Bürobetrieb) nicht gerechtfertigt. Gleiches gilt für den nächtlichen Betrieb der Kältemaschinen, um die Maschinen zur Investitionskostenersparnis kleiner gestalten zu kön- nen. • Wenn kostengünstige Energie nur zeitlich begrenzt zur Verfügung steht (z. B. infolge Tem- peraturtagesgang), ist es aus umweltrelevanten und kostenmäßigen Gesichtspunkten vorteil- haft, diese Energie bis zur Bedarfsanforderung zwischenzuspeichern. Wenn die Masse des Baukörpers ohnehin verfügbar ist – d. h. die Geschossdecken massiv in einer Dicke von etwa 300 mm ausgeführt sind –, liegen optimale Bedingungen für den Einsatz der thermischen Bauteilaktivierung vor. Der Speicher ist zu optimieren, wobei die Geometrie des Rohrsys- tems eine maßgebliche Größe darstellt. • Es sind nicht nur die Extremfälle – Sommer und Winter – zu betrachten, sondern vor allem auch die Übergangsbedingungen. Es ist eine genaue Lastsimulation durchzuführen. Effizien- te Speicherbauteile mit Kapillarrohrmatten erbringen dann besonders großen Nutzen. • Bei installierten Zusatzsystemen ist das gleichzeitige Heizen und Kühlen durch "Energie- nullband", in dem weder geheizt noch gekühlt wird, auszuschließen. • Die Steuerung der Beladung nach Prognose (Bedarf, Witterung) und zeitlichem Temperatur- angebot der Quelle ist zu optimieren. Indizien für den Ladezustand sind die Rücklauftempe- ratur und die Spreizung. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 103 9.4 Vollwertiges System zur Lastkompensation Dies wäre durch eine Kombination eines trägen Passivsystems und eines trägheitsarmen Aktiv- systems möglich. Bild 9.6 zeigt eine entsprechende Lösung mit zwei hydraulisch und thermisch trennbaren Systemen. Bild 9.6 Lösungsvorschlag zur vollwertigen Lastkompensation durch Einsatz eines passiv und ei- nes aktiv arbeitenden Systems Das Bild 9.7 zeigt den Leistungsverlauf bei der plötzlichen Beaufschlagung der Register mit kaltem Wasser (18 °C) bei homogenem Deckenzustand (24 °C) und konstanter Raumtemperatur von 24 °C. Die Dicke der Betondecke beträgt 300 mm. Auf der Oberseite befindet sich ein Tex- tilbelag. Bild 9.7 Verlauf der Kühlleistungen bei unterschiedli- chen Rohrregister- anordnungen in der Decke in Abhän- gigkeit der Abkühl- zeit mit Angabe der "Speicherkälte", die in dieser Zeit vom Bauteil aufgenom- men wurde Im Ergebnis ist festzustellen: • Nur bei oberflächennahen Rohrregistern ist ein Spitzenlastmanagement möglich. • Bei mittiger Registereinordnung sind nicht nur die Leistungen ungenügend, sondern die nach der Inbetriebnahme vom Beton aufgenommene "Kälte" ist auch viel zu groß. oberflächennahes Rohrsystem (Kapillarrohrmatten) Kaltwasser aus einer Kälteanlage Regelung ist integraler Bestandteil der Klimaregelung 1. System: Passivsystem als Hochleistungssystem Rohrregister zur nächtlichen Bauteilkühlung Wasser aus freier Kühlung (Kühlturm) Beladung prognosegesteuert 2. System: Aktivsystem zur Spitzenlastkompensation Kühlleistung (Decke + Fußboden) und „Speicherkälte“ Kühlleistung (Decke + Fußboden) und „Speicherkälte“ bei oberflächennaher Rohrlage im Beton 0 1 2 3 0 10 20 30 40 50 60 R o h r 3 ,4 × 0 ,5 5 m m ; R A = 1 5 m m Rohr 20×2 mm; RA = 300 mm 18 4 oberflächennahe Rohrlage im Beton symmetrische Rohrlage im Beton Rohr 3,4 0,55 mm RA = 15 mm Überdeckung 4,5 mm W m² K ü h l l e i s t u n g 60 40 20 10 0 0 1 2 3 h Abkühlzeit 211 Wh m² 640 178 Q S 30 Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 104 9.5 Neuartige thermisch aktive Deckenkonstruktion Die sehr großen wärmephysiologischen, energetischen und ökologischen Vorteile sowie die niedrigeren Investitionskosten als bei konventioneller Vollklimatisierung waren die Ursachen für die schnelle Anwendung der thermischen Bauteilaktivierung in den letzten Jahren. In sehr vielen Fällen wird die thermische Bauteilaktivierung aber nur eingesetzt, weil die niedrigeren Investiti- onskosten dazu "verlocken". Die betriebstechnischen und nutzungsbezogenen Nachteile – im Abschnitt 9.3. behandelt – wer- den oftmals weniger deutlich angesprochen. Drei Nachteile beim Einsatz der vorgestellten thermischen Bauteilaktivierung seien nochmals hervorgehoben: • Den Hauptnachteil stellt die aufwendige Fertigung dar, denn der übliche Bauablauf der De- ckenfertigung muss infolge des Einbringens und Fixierens des Rohrregisters unterbrochen werden, und das Betonieren muss besonders sorgfältig erfolgen, damit keine Beschädigung des Rohrregisters erfolgt. Zur Kontrolle ist das Rohrregister unter Überdruck zu setzen und dieser Überdruck ist auch kontrolliert aufrecht zu erhalten. Hierzu bedarf es aufwendiger Druckhalte- und Kontrollsysteme. • Es sind relativ dicke Ortbetondecken erforderlich. • Die bautechnische Lösung ist in erster Linie zur Kälte- und Wärmespeicherung in der Decke und zur zeitverschobenen passiven, stark trägheitsbehafteten Lastkompensation im Raum ge- eignet. Eine rasche, bedarfsangepasste Lastkompensation ist mit dieser Konstruktion nicht möglich. 9.5.1 Vorschlag zur Vermeidung der üblichen Nachteile In eine vorgefertigte Deckenplatte – eine sogenannte Filigrandecke – wird bei der Herstellung im Betonwerk eine Kunststoff-Kapillarrohrmatte integriert. Diese Filigrandecken sind 4 bis 7 cm – in der Regel 5 cm – dick und an der Unterseite glatt. Sie dienen als verlorene Schalung für die zu errichtende Geschossdecke, die durch eine Ortbetonschicht auf die gewünschte Dicke gebracht wird. Die Filigrandecken enthalten bereits die untere Bewehrungslage für die Geschossdecken. Ein teilweise einbetonierter Gitterträger, der die Schubspannungen aufnimmt, ist in der Höhe nach der Fertigdecke bemessen. Die Deckenkonstruktion ist im Bild 9.8 gezeigt. Die Fertigteil- abmessungen betragen 2,4 m bis 3 m Breite und bis zu 10 m Länge. Sie richten sich nach den benötigten Spannweiten und den möglichen Transportmaßen. In der Regel liegen die Filigrande- cken auf Wänden oder Betonbalken auf. Sie werden bei größeren Spannweiten durch zusätzliche Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 105 Joche während der Deckenfertigstellung abgestützt. Wegen der geringen Dicke des Filigranele- mentes kann nur eine Kunststoff-Kapillarrohrmatte – beispielsweise die sogenannte "Betonmat- te" der Fa. Clina, Berlin mit den Röhrchenabmessungen 4,3×0,8...0,9 mm und einem Rohrab- stand von 30 mm – eingegossen werden. Bild 9.8 Schnitt durch eine Geschossdecke be- stehend aus einer Filigrandecke mit integrierter Kunststoff-Kapillarrohrmatte und Ortbeton Der Anschluss der Kapillarrohrmatte wird bei der vorgestellten Detaillösung deckenbündig mit ei- ner Muffe und einer Schutzkappe abgeschlossen. Die Hauptvorteile liegen auf der bautechnischen Seite: • einfache und präzise Einbringung der Kapillarrohrmatte in die Filigrandecke unter genau definierten und reproduzierbaren Bedingungen im Betonwerk • mit der Fertigung der Filigrandecke sind bereits die gesamten Bauaufwendungen der thermi- schen Bauteilaktivierung realisiert • kurze Montagezeiten auf der Baustelle (keine Unterbrechung der üblichen Deckenfertigung, kein Abdrücken des Rohrregisters auf der Baustelle, Wegfall von zusätzlichen Kontrollen bei der Ortbetoneinbringung). Die Lage der Kunststoff-Kapillarrohrmatte kann unterhalb oder oberhalb der Bewehrung einge- ordnet werden. Liegt sie unterhalb, ist die Dynamik der thermischen Lastkompensation besser und der Speichereffekt reduziert. Wird die Kunststoff-Kapillarrohrmatte oberhalb der Beweh- rung eingeordnet, so ergeben sich umgekehrte Verhältnisse. Damit kann durch die höhenmäßige Einordnung der Kapillarrohrmatte die thermische Eigenschaft der Decke gezielt beeinflusst wer- den. Bei mehreren Bewehrungslagen ist selbstverständlich auch eine dazwischenliegende Kapil- larrohrmatte möglich. Anschlussmuffe +Abdeckung Kapillarrohr Verteiler Bewehrung in der Kapillarrohrmatte Filigrandecke Ortbeton Filigrandecke Detail: Filigrandecke Bewehrung Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 106 Der Anschluss wird deckenbündig an die Unterseite der Filigrandecke geführt und beispielswei- se durch eine abnehmbare Schutzkappe oder einen entfernbaren Stopfen bis zum endgültigen Anschluss des Installationssystems verschlossen. Zum universellen Anschluss der Kapillarrohrmatte kann die Anschlussleitung auch in vorgege- bener Länge aus dem Deckenelement nach unten herausgeführt werden. Die Anschlussleitung ist in diesem Fall während des Transportes der Filigrandeckenelemente besonders zu schützen. In Abwandlung der Konstruktion ist auch ein oberer oder ein kombinierter Anschluss (unten und oben) möglich. Bei oberem Anschluss ist die Weiterführung der Leitung vor der Herstellung des Ortbetons vorzunehmen. Sie kann beispielsweise im Ortbeton direkt erfolgen oder in zu erstel- lenden Aussparungen vorläufig enden. 9.5.2 Grundsätze zur Bewertung der thermodynamischen Eigenschaften Für die Untersuchungen gelten die gleichen thermischen Randbedingungen wie im Bild 9.3 for- muliert. Von 8 00 Uhr ... 18 00 Uhr ist der Wasserkreislauf nicht in Betrieb. Beispielhaft werde zunächst die im Bild 9.9 dargestellte Deckenkonstruktion untersucht. Die geometrischen und wärmetechnischen Daten sind in der Bildunterschrift vermerkt. Im Gegensatz zu den meist übli- chen Betrachtungen ist in diesem Fall eine dünne Decke mit 180 mm Massivbeton sowie ein Fuß- bodenaufbau mit Trittschalldämmung und schwimmendem Estrich gewählt worden. Damit stellt diese Decke nicht den wärmetechnischen Optimalfall dar, da die thermische Ankopplung an den oberen Raum durch den Fußbodenaufbau begrenzt ist und die Deckendicke nur 180 mm beträgt. Bild 9.9 Decke mit Rohrregister in der Deckenmitte und Fußbodenaufbau Deckenbeton: δ = 180 mm, λ = 1,4 W/(m K), c = 1050 J/(kg K), ρ = 2400 kg/m³ Fußboden: δ Dämmung = 30 mm λ Dämmung = 0,04 W/(m K) δ schwimmender Estrich = 45 mm λ schwimmender Estrich = 1,4 W/(m K) δ textiler Belag = 10 mm λ textiler Belag = 0,07 W/(m K) Rohrsysteme: Kapillarrohrmatte: 4,3×0,8 mm, λ R = 0,21 W/(m K), α F = 1000 W/(m²K) oder Rohrregister (Mäander): 17×2 mm, λ R = 0,35 W/(m K), α F = 2400 W/(m²K) q . Decke aus Stahlbeton RA t a ∆ i t max t min t a a q . i ∆ a RA/2 i t Belag schwimmender Estrich Dämmung δ verschiedene Rohrsysteme Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 107 Diese Konstruktion ist für Gebäude mit kleinen Deckenspannweiten interessant. Variiert werden die Rohrregister. Sie liegen stets in der Mitte, bestehen aber aus unterschiedlichem Rohrmaterial: - konventionelle Rohrmäander 17×2 mm, Rohrabstand RA = 150 mm - Kapillarrohrmatten 4,3×0,8 mm, Rohrabstand RA = 30 mm. Die Kühlleistungen über einen Tag sind für den eingeschwungenen Zustand im Bild 9.10 darge- stellt. Die Leistungskurven sind gestrichelt gezeichnet: Kapillarrohrmatten (blau), konventionel- le Rohrmäander (schwarz). Vergleichsweise wird das maximale Leistungsvermögen der Decke bei einer Betondicke von 300 mm, wobei der Fußboden nur aus dem textilen Belag besteht (schwimmender Estrich und Dämmung fehlen), gegenübergestellt (Werte sind identisch mit dem Bild 9.4). Die Leistungskur- ven bei mittiger Registereinordnung sind als durchgezogene Linien gezeichnet: Kapillarrohrmat- ten (blau), konventionelle Rohrmäander (schwarz). Die Ergebnisse zeigen wiederum, dass integrierte Kunststoff-Kapillarrohrmatten stets die höhe- ren Leistungen liefern. Der Leistungsabfall am Ende der Betriebszeit bei den dünneren Decken ergibt sich durch das geringere Speichervermögen. Dieser kann sich noch stärker auswirken, wenn man die im Bild 6.10 deutlich werdende, größere nächtliche Kühlleistung bei der dünnen Decke wegen zu großer Raumauskühlung durch verkürzte Ladezeiten begrenzen muss. Bild 9.10 Kühlleistungen der Decke (Summe von unten an die Decke und von oben an den Fuß- boden) bei thermischen Verhältnissen nach Bild 9.3 für Kapillarrohrmatten (blau) und konventi- onelle Rohrmäander (schwarz) bei mittiger Registereinordnung Der Deckenaufbau bei der Dicke δ = 180 mm entspricht dem Bild 9.9. Die Ergebniskurven sind gestrichelt. Dargestellt wird vergleichsweise das maximale Leistungsvermögen der Decke bei einer Betondicke von δ = 300 mm, wobei der Fußboden nur aus dem Belag (ohne schwimmen- den Estrich und Dämmung) besteht. Die Leistungskurven sind als durchgezogene Linien darge- stellt. 48 72 0 10 20 30 40 50 Rohr 17×2 mm Rohrabstand 150 mm Decke 300 mm W/m 2 K ü h l l e i s t u n g Uhrzeit 18 20 22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Decke 180 mm Decke 180 mm Decke 300 mm Rohr 4,3×0,8 mm Rohrabstand 30 mm Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 108 Eine verkürzte Ladezeit – beispielsweise von 0 00 Uhr bis 8 00 Uhr mit einer mittleren Kaltwasser- temperatur von 18 °C – reduziert die nächtliche Auskühlung und führt z. B. zu einer ab 10 00 Uhr erhöhten Raumtemperatur. Diese Annahmen und die Kühlleistung als Ergebnis sind im Bild 9.11 gezeigt. Deutlich werden der steile Leistungsanstieg zu Mittag und der anschließende große Ab- fall. Bild 9.11 Vergleich der Kühlleistungsverläufe (Summe: unten plus oben) für eine Deckenkon- struktion nach Bild 9.9 bei unterschiedlichen Raum- und Wassertemperaturverläufen Deutlich werden die bedeutenden Leistungsänderungen bei nur geringen Temperatur- und Be- triebszeitkorrekturen. Im oberen Bild entsprechen die Temperaturen dem Bild 9.3 und die Leistungen dem Bild 9.10. Die im Bild 9.11 dargestellten Charakteristiken verdeutlichen, dass die Ermittlungen der Kühlleistungsverläufe sowie die oftmals üblichen Berechnungen des Raumtemperaturverlaufs nur vergleichende Aussagen liefern können. 48 72 0 10 20 30 40 50 60 18 20 22 24 26 28 30 y - A c h s e W/m 2 K ü h l l e i s t u n g Uhrzeit 18 20 22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 °C Rohr 17×2 mm, RA 150 mm KM 4,3×0,8 mm, RA 30 mm Wassertemperatur Kühlleistung (unten + oben) Raumtemperatur T e m p e r a t u r 48 72 0 10 20 30 40 50 60 18 20 22 24 26 28 30 y - A c h s e W/m 2 K ü h l l e i s t u n g Uhrzeit 18 20 22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 °C Rohr 17×2 mm, RA 150 mm KM 4,3×0,8 mm, RA 30 mm Wassertemperatur Kühlleistung Raumtemperatur T e m p e r a t u r Kühlleistung (unten + oben) Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 109 So hat beispielsweise die Änderung der Raumtemperatur einen eminenten Einfluss auf die Leis- tung und damit auch auf das Speicherverhalten der Decke. Die im Bild 9.11 gezeigte Raumtempe- raturerhöhung ab 10 00 Uhr könnte durch die Wirkung der inneren Wärmequellen entstanden sein. Dies bedeutet, dass die im gesamten Gebäude wirkende thermische Bauteilaktivierung in der Realität abschnittsweise sehr differenzierte Temperatur- und Leistungsverläufe zeigen wird. 9.5.3 Spezielle Untersuchung der thermodynamischen Eigenschaften der Filigrandecke mit integrierter Kapillarrohrmatte Es wird im Weiteren die im Bild 9.12 dargestellte Konstruktion mit den in der Bildunterschrift vermerkten geometrischen und wärmetechnischen Eigenschaften betrachtet. Bild 9.12 Deckenkonstruktion bestehend aus Filigranelement mit integrierter Kunststoff- Kapillar-rohrmatte, Ortbeton und Fußbodenaufbau mit Angabe der geometrischen Abmessungen sowie Kennzeichnung der relevanten wärmetechnischen Größen Filigrandecke: δ F = 50 mm, λ F = 1,4 W/(m K), c F = 1050 J/(kg K), ρ F = 2400 kg/m³ Deckenbeton: δ B = 130 mm, λ B = 1,4 W/(m K), c B = 1050 J/(kg K), ρ B = 2400 kg/m³ Kapillarrohrmatte: 4,3×0,8 mm, λ R = 0,21 W/(m K), α F = 1000 W/(m²K) Fußboden: δ Dämmung = 30 mm, λ Dämmung = 0,04 W/(m K) δ schwimmender Estrich = 45 mm, λ schwimmender Estrich = 1,4 W/(m K) δ textiler Belag = 10 mm, λ textiler Belag = 0,07 W/(m K) Vergleichende Leistungsbetrachtung der neuen und der bisherigen Konstruktion Der ersten Untersuchung liegen die Raum- und mittleren Wassertemperaturverläufe nach Bild 9.3 zugrunde. Variiert wird die Überdeckung der Kapillarrohrmatte zwischen 9 mm und 35 mm. Die Ergebnisse sind im Bild 9.13 vergleichend zu den Werten bei mittiger Registereinordnung gezeigt. q . t a = t i a q . i l/2 i t Belag schwimmender Estrich Dämmung Decke aus Stahlbeton 1 8 0 m m Filigranelement mit integrierter Kapillarrohrmatte Überdeckung 30 mm δ B δ F Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 110 Bild 9.13 Kühlleistungen der Decke (Summe von unten an die Decke und von oben an den Fuß- boden) bei thermischen Verhältnissen nach Bild 9.3 Der Deckenaufbau (Dicke 180 mm) entspricht Bild 9.9 bzw. Bild 9.12. Die Leistungskurven bei mittiger Registereinordnung (Bild 9.9) sind gestrichelt dargestellt: Kapillarrohrmatten (blau), konventionelle Rohrmäander (schwarz). Diese Kurven sind mit denen im Bild 9.10 identisch. Die weiteren Ergebnisse (rote Kurven) gelten für die Einordnung der Kapillarrohrmatte nach Bild 9.12 bei verschiedenen Überdeckungen. Die sehr starke nächtliche Kühlung ist nicht in al- len Gebäudebereichen und nicht zu allen Zeiten praktikabel. Während des Nutzzeitraumes von 8 00 Uhr bis 18 00 Uhr weichen die Leistungen nur relativ gering von der mittigen Lage ab. Sie liegen zwischen den Varianten mit Kapillarrohrmatten und Rohrmä- andern. Die Lage im vorgefertigten Deckenelement (Filigrandecke) ist von relativ geringem Ein- fluss. Sehr bedeutsam ist aber der Verlauf der Kühlleistung nachts während der Ladephase. Die sehr hohen Wärmeaufnahmen vom Raum werden zu einer stärkeren Unterkühlung führen. Bis zu einer gewissen Leistung ist dies vorteilhaft, da dann das Interieur des Raumes in den instationären Speichervorgang einbezogen wird. Darüber hinausgehend erfolgt aber eine zu starke Abkühlung des Raumes, sodass man in den folgenden Nächten die Kühlung vermindern wird, wodurch auch die eingespeicherte "Kälte" sinkt und sich die Kühlleistung während der Nutzzeit reduziert. D. h., die im Bild 9.13 dargestellten roten Kurven sind nicht in allen Fällen realisierbar. Die "Zacken" in den Leistungskurven resultieren aus den Raumtemperaturverläufen und vor al- lem aus den Temperaturänderungen und Schaltstufen bei der Kühlwasserbereitstellung. Sie deu- ten auf eine "reaktionsschnelle" Leistungsanpassung hin. Anfahrverhalten der neuen Konstruktion Die mit Kapillarrohrmatten bestückte Filigrandecke steht konstruktiv den üblichen Kühldecken sehr nahe und es interessiert deshalb auch in besonderem Maße die Dynamik bei einer bedarfs- 48 72 0 10 20 30 40 50 Rohr 17×2 mm Rohrabstand 150 mm W/m 2 K ü h l l e i s t u n g Uhrzeit 18 20 22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Rohr 4,3×0,8 mm Rohrabstand 30 mm m i t t i g i n d e r D e c k e Rohr 4,3×0,8 m, Rohrabstand 30 mm in der Filigrandecke 9 mm 20 mm 35 mm Überdeckung Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 111 gerechten Nachkühlung am Tage mit dem Ziel, eine Spitzenlastkompensation vorzunehmen. Es wird deshalb das Inbetriebnahmeverhalten ausgehend von dem sehr ungünstigen Zustand einer homogenen Deckentemperatur von 24 °C bei einer konstanten Raumtemperatur von 24 °C mit einer mittleren Wassertemperatur von 18 °C untersucht. Die Ergebnisse finden sich grafisch aufbereitet im Bild 9.14. Vergleichend sind die Ergebnisse bei mittiger Rohrregisteranordnung (konventionelle Mäander und Kapillarrohrmatten) vermerkt. Bild 9.14 Inbetriebnahmeverhalten (Kühlleistungen) der Decke (Summe von unten an die De- cke und von oben an den Fußboden) bei der Raumtemperatur von 24 °C Zu Beginn lag eine homogene Deckentemperatur von 24 °C vor. Zum Zeitpunkt 0 springt die mittlere Kaltwassertemperatur ohne Zeitverzögerung auf 18 °C und bleibt konstant. Der Deckenaufbau (Dicke 180 mm) entspricht Bild 9.9 bzw. Bild 9.12. Die Leistungskurven bei mittiger Registereinordnung (Bild 9.9) haben einen kleinen Anstieg und die Endwerte sind auch gering: Kapillarrohrmatten (blau), konventionelle Rohrmäander (schwarz). Die Leistungen lie- gen nach 2 h Betriebszeit um etwa 15 W/m². Damit ist keine bedarfsgerechte Lastkompensation möglich. Die Leistungen der Kapillarrohrmatten in der vorgefertigten Decke (rote Kurven) betra- gen nach einer Stunde bereits über 30 W/m², sodass eine aktive Leistungsanpassung realisierbar ist. Die Konstruktion mit der Filigrandecke zeigt, dass bereits nach einer Stunde über 30 W/m² ver- fügbar sind (rote Kurven). Damit ist eine aktive Leistungsanpassung an den Kühlbedarf des Rau- mes realisierbar. Diese Möglichkeit besteht bei mittiger Einordnung nicht. Die Endwerte nach "unendlich langer" Zeit entsprechen den Leistungswerten bei stationärem Betrieb, wie gesonderte Berechnungen mit einem speziellen Rechenprogramm nach [13] zeigten. Dass die roten Kurven nach dem raschen Anstieg sehr langsam den hohen Endwert der Kühlleis- tung erreichen, liegt an der oberflächennahen Lage der Kapillarrohrmatten, wodurch es länger dauert bis der gesamte Beton abgekühlt ist. 48 72 0 10 20 30 40 50 Rohr 17×2 mm Rohrabstand 150 mm W/m 2 K ü h l l e i s t u n g Uhrzeit 18 20 22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Rohr 4,3×0,8 mm Rohrabstand 30 mm m i t t i g i n d e r D e c k e Rohr 4,3×0,8 m, Rohrabstand 30 mm in der Filigrandecke 9 mm 20 mm 35 mm Überdeckung Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 112 Variationen der Betriebsweise für die neue Konstruktion Da die Kurvenverläufe im Bild 9.13 wegen der hohen nächtlichen Kühlung nicht immer prakti- kabel sind, werden unterschiedliche Betriebsverhältnisse betrachtet, denen allen eine verkürzte nächtliche Kühlung eigen ist. Weiterhin wird für die nachfolgenden Betrachtungen eine etwa mittige Lage der Kapillarrohrmatte im Filigranelement angenommen. Im Bild 9.15 wird von dem Raumtemperaturverlauf nach Bild 9.3 ausgegangen, die Kaltwasser- beaufschlagung erfolgt aber nur nachts von 0 00 Uhr bis 8 00 Uhr. Die Kühlleistung wird wegen der oberflächennahen Anordnung der Kapillarrohrmatte unmittelbar von dieser Betriebszeit beeinflusst. Die Kühlleistung erreicht während der Nutzzeit um 10 00 Uhr das Maximum 37 W/m², sie sinkt bis um 18 00 Uhr auf 32 W/m² ab. Damit liegt eine gute Charakteristik vor, wenn die intensive nächtliche Kühlung am Morgen nicht zu einer zu niedrigen Raumtemperatur führt. Bild 9.15 Kühlleistung der Massivdecke mit Kapillarrohrmatte im Filigranelement Die Raumtemperatur beträgt um 8 00 Uhr 21 °C, um 10 00 Uhr 24 °C und erreicht um 18 00 Uhr 26 °C. Der Wasserkreis arbeitet mit 18 °C zwischen 0 00 Uhr und 8 00 Uhr. Die nächtliche Kühlleis- tung ist sehr hoch. Die Charakteristik während der Nutzzeit entspricht gut der Anforderung. Die im Bild 9.16 dargestellten Verhältnisse gehen von einem gering veränderten Raumtempera- turverlauf aus. Er steigt vormittags rasch an und bleibt ab 12 00 Uhr mit 26 °C konstant. Die Be- triebsbedingungen des Kaltwasserkreises gelten wie im Vorgängerbeispiel unverändert. Die Leistungscharakteristik zeigt bereits durch die geringe Variation des Raumtemperaturverlaufs ein stark verändertes Bild. 48 72 0 10 20 30 40 50 18 20 22 24 26 28 30 y - A c h s e W/m 2 K ü h l l e i s t u n g Uhrzeit 18 20 22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 °C KM 4,3×0,8 mm, RA 30 mm Kühlleistung (unten + oben) Wassertemperatur Raumtemperatur T e m p e r a t u r Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 113 48 72 0 10 20 30 40 50 18 20 22 24 26 28 30 y - A c h s e W/m 2 K ü h l l e i s t u n g Uhrzeit 18 20 22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 °C KM 4,3×0,8 mm, RA 30 mm Kühlleistung (unten + oben) Wassertemperatur Raumtemperatur T e m p e r a t u r Bild 9.16 Kühlleistung der Massivdecke mit integrierter Kapillarrohrmatte im Filigranelement Die Raumtemperatur beträgt um 8 00 Uhr 21 °C, um 10 00 Uhr 24 °C und ab 12 00 Uhr 26 °C. Der Wasserkreis arbeitet mit 18 °C zwischen 0 00 Uhr und 8 00 Uhr. Die nächtliche Kühlleistung ist sehr hoch. Die Charakteristik während der Nutzzeit entspricht in der Regel nicht den Anforde- rungen, sodass nachmittags ein Anstieg der Raumtemperatur folgen wird. Die Kühlleistung erreicht während der Nutzzeit um 12 00 Uhr das Maximum 46 W/m², sie sinkt bis um 18 00 Uhr relativ stark auf 29 W/m² ab. Die Leistungscharakteristik wird in den meisten Fällen die Anforderung am Nachmittag nicht erfüllen, sodass ein Raumtemperaturanstieg auftre- ten wird. Die oberflächennahe Rohrlage an der Deckenunterseite ergab gemäß Bild 9.14 ein sehr gutes dynamisches Verhalten. Diese Eigenschaft der Decke soll im Weiteren für eine Nachkühlung der Decke am Nachmittag genutzt werden. Unter Beibehaltung des Raumtemperaturverlaufs wie im Bild 9.16 werde nunmehr außer der nächtlichen Kühlung in der Zeit von 12 00 Uhr bis 17 00 Uhr ebenfalls der Wasserkreis mit der mittleren Temperatur von 18 °C betrieben. Das Ergebnis ist im Bild 9.17 aufgezeichnet. Der Verlauf der Kühlleistung zeigt eine enorme Veränderung. Die Kühlleistung erreicht während der Nutzzeit um 12 00 Uhr den Wert 48 W/m² aufgrund der im Bauteil eingespeicherten "Kälte". Infolge der Nachkühlung kann nachmittags eine Leistung bis 68 W/m² von der Decke aufgenommen werden. Die Leistungscharakteristik während dieser Di- rektkühlung ist fast völlig frei gestaltbar, indem die Kaltwassertemperatur und die Betriebszeit variiert werden. Damit ist eine ideale Leistungsanpassung an den Bedarf möglich, sodass auch eine vorgegebene Raumtemperatur gewährleistet werden kann. Für dieses letzte Beispiel wurden weiterhin die Temperaturverhältnisse an den Bauteiloberflä- chen und im Inneren des Bauteiles detailliert untersucht. Die Ergebnisse finden sich im Bild 9.18. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 114 Bild 9.17 Kühlleistung der Massivdecke mit Kapillarrohrmatte im Filigranelement bei Nutzung von zwei Betriebsintervallen Die Raumtemperatur beträgt um 8 00 Uhr 21 °C, um 10 00 Uhr 24 °C und ab 12 00 Uhr 26 °C. Der Wasserkreis arbeitet mit 18 °C zwischen 0 00 Uhr und 8 00 Uhr. Es wird beispielsweise Wasser aus dem Kühlturm verwendet. Die nächtliche Kühlleistung ist beachtlich. Außerdem wird der Kalt- wasserkreis ebenfalls mit 18 °C zwischen 12 00 Uhr und 17 00 Uhr betrieben. Hierbei werde z. B. Wasser aus einem Kaltwassersatz verwendet. Die Charakteristik am Nachmittag entspricht der einer Kühldecke, d. h. die Leistung kann dem Kühlbedarf des Raumes angepasst werden. 48 72 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 °C T e m p e r a t u r Uhrzeit 18 20 22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Decke 180 mm, Rohr 4,3×0,8 mm, Rohrabstand 30 mm Überdeckung 20 mm Raumtemperatur t Fußboden t Deckenunterseite Betontemperatur 179 mm 58 mm 119 mm Wassertemperatur Bild 9.18 Zeitliche Verläufe der Raumtemperatur, der Kühlmedientemperatur, der Oberflächen- temperaturen und ausgewählter Betontemperaturen im Deckeninneren (Tiefe von der Deckenun- terseite aus gerechnet) für den im Bild 9.17 vorgestellten Betriebsfall. Diskussion zum Bild 9.18: • Die Fußbodentemperatur (lang gestrichelte schwarze Kurve) folgt wegen der relativ geringen 48 72 0 10 20 30 40 50 60 70 18 20 22 24 26 28 30 y - A c h s e W/m 2 K ü h l l e i s t u n g Uhrzeit 18 20 22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 °C KM 4,3×0,8 mm, RA 30 mm Wassertemperatur Kühlleistung (unten + oben) Raumtemperatur T e m p e r a t u r Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 115 Kühlleistung des Bodens (verursacht durch den Fußbodenaufbau) recht genau der Raumtem- peratur. Die Kühlleistung des Bodens beträgt 1,2 ... 5,5 W/m². • Die Deckentemperatur (kurz gestrichelte schwarze Kurve) wird durch die Wassertemperatur mit relativ geringer Verzögerung beeinflusst. • Die Betontemperaturen (rote Kurven mit Symbolen) ändern sich im mittleren und oberen Bereich wegen der Entfernung zur Rohrschicht relativ wenig, im rohrnahen Bereich stärker. Insgesamt liegen die ausgewählten Betontemperaturen stets zwischen 19,0 °C und 21,8 °C. • Der Speichervorgang mit seinen charakteristischen Werten wird durch die nachfolgende Auf- stellung deutlich. Zeit 12 00 13 00 14 00 15 00 16 00 17 00 18 00 t R °C 26 t W °C 18 - q S 1) Wh/m² -708 -762 -778 -788 -795 -801 -741 q& 2) W/m² 48,3 65,4 67,1 67,7 68,0 68,2 53,7 1) Speicherwärme in der Decke (< 0 bedeutet "eingelagerte Kälte") bezogen auf die Raumtemperatur 2) Kühlleistung der Decke und des Fußbodens Im Zeitraum von 12 00 Uhr bis 18 00 Uhr ist somit eine Wärme von ca. 387 Wh/m² aus dem Raum aufgenommen und 33 Wh/m² sind im Bauteil zusätzlich gespeichert worden. Dies sind weniger als 9 %. Während der Nachkühlzeit kommt die durch das Kaltwasser eingebrachte Kühlleistung vor- nehmlich dem Raum zugute. 9.5.4 Fazit Die im Abschnitt 9.3. vorgestellte Philosophie zur "idealen" thermischen Bauteilaktivierung ist für die Bauten zu überdenken, • die relativ dünne Decken einsetzen und in denen die nachts verfügbare "Umweltkälte" den- noch genutzt werden soll, • wo eine Bedarfskühlung am Tage zur Komfortverbesserung und Leistungsanpassung vorge- sehen ist, • die niedrige Investitionskosten anstreben, • wo ein hoher Vorfertigungsgrad zu realisieren ist. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 116 Unter den genannten Bedingungen erscheint die im Bild 9.8 dargestellte Deckenkonstruktion mit einer integrierten Kapillarrohrmatte in der Filigrandecke und der bauseitigen Ergänzung der dar- über liegenden Ortbetonschicht als optimaler Kompromiss. Es wurden die thermodynamischen Eigenschaften dieser Decke unter verschiedenen Betriebsbedingungen untersucht und Verglei- che zur bisherigen thermischen Bauteilaktivierung gezogen. Die oberflächennahe Einordnung der Kunststoff-Kapillarrohrmatte hat nachfolgende wärme- technische und bautechnische Merkmale: • Die Umweltenergienutzung, die bei dünnen Decken ohnehin eingeschränkt ist, kann zumin- dest teilweise nutzbringend eingesetzt werden. • Die Reaktion auf die Inbetriebnahme des Kaltwasserkreislaufs ist im Gegensatz zur Anord- nung der Rohrregister in Bauteilmitte sehr flink, sodass eine ideale Spitzenlastkompensation ohne zusätzliches, eingebautes Kühlsystem im Raum möglich wird. • Die bedarfsgerechte Nachkühlung am Tage bewirkt im eingeschwungenen Zustand nur eine relativ geringe Bauteilspeicherung. • Die zusätzlichen Energieaufwendungen bei der Nachkühlung mit einer Kälteanlage sind geringer, da eine gute Regelungsmöglichkeit existiert. • Eine auf unterschiedliche Nutzungsbereiche bezogene Temperaturregelung ist bei entspre- chender Gestaltung der Filigrandecken und der Anschlussverrohrung lösbar. • Die Investitionskosten sind gering. • Der Bauablauf wird gegenüber der traditionellen Geschossdeckenfertigung nicht verändert, er ist bedeutend einfacher als bei der bisher üblichen thermischen Bauteilaktivierung, da das Einformen des wasserführenden Rohrregisters im Betonwerk erfolgt. • Die Vorfertigung ermöglicht eine präzise, reproduzierbare Herstellung des Bauteiles mit dem Rohrsystem, sodass Beschädigungen der Rohre praktisch ausgeschlossen sind. Probeferti- gungen mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten in Betonfertigteilen sind in verschiedenen Beton- werken erfolgreich durchgeführt worden. • Bei dieser vereinfachten Lösung ist ein vergrößerter Nutzerkreis erschließbar, so beispiels- weise auch im Bereich des komfortablen und energiebewussten Eigenheimbaues. Bericht im Anhang H: "Thermische Bauteilaktivierung mit Filigrandecken und integrierten Kapillarrohrmatten" (21 Seiten) Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 117 9.6 Neue Simulationsmethodik für die instationären, dreidimensionalen Vorgänge bei der thermischen Bauteilaktivierung Die bisher vorgestellten Untersuchungsergebnisse sind mit den in [13] vorgestellten Algorith- men und daraus abgeleiteten beziehungsweise ergänzten Programmbausteinen ermittelt worden. Es handelte sich sowohl bei den stationären als auch bei den instationären Untersuchungen stets um eine zweidimensionale Betrachtung des Massivbauteils, wobei der Rohrquerschnitt in der Betrachtungsebene liegt. Die thermische Bauteilaktivierung befindet sich aber immer noch in einer intensiven Entwick- lungsphase. Es erscheinen stets neue Lösungen auf dem Markt, die hauptsächlich mit der Ziel- stellung einer schnelleren und kostengünstigeren Verlegung konzipiert werden. Für konventio- nelle Rohrverlegungen werden bevorzugt mäanderförmige, seltener auch spiralförmige Rohr- schlangen eingesetzt. Ein neuer, zum Patent angemeldeter Konstruktionsvorschlag der Fa. Po- lytherm geht von einer kreuzweisen Verlegung aus, wobei zwei mäanderförmige Rohrleitungen rechtwinklig zueinander in zwei Lagen angeordnet werden. Bild 9.19 zeigt die Gegenüberstel- lung der bisherigen und der neuen Konstruktion. Die Vorteile der neuen Lösung sind technolo- gisch begründet. Es werden aus relativ dickem Rohr 20,2 × 2,6 mm aus dem Bereich der Installa- tionstechnik Register von etwa 13 m² gefertigt, die infolge der Verlegestruktur und der Rohrstei- figkeit ohne zusätzliche Stahlmatte transportiert und in den Bewehrungskorb eingebracht und mit Beton vergossen werden können. Die Kühlleistungen und Speicherwärmen solcher Kon- struktionen waren nicht berechenbar, wodurch die unterschiedlichsten Angaben in die Diskussion gebracht wurden. Es ist deshalb wichtig zu wissen, wie sich die geschilderte neuartige Konstrukti- on leistungsmäßig tatsächlich einordnet, und ob die bisherige kühlleistungsbezogene Spitzenstel- lung von Betondecken mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten gefährdet wird. Eine Vergleichsrechnung zu den bisherigen Varianten gemäß Bild 9.2 sollte für eine Konstruktion nach Bild 9.20 erfolgen. Bild 9.19 Gegenüberstellung einer mäanderför- migen Rohrverlegung und einer kreuzweisen Verlegung mit doppeltem Rohrabstand Weitere spezielle Fragen – wie beispielsweise zum Einfluss der Bewehrung, der Wärmeleitfä- higkeit des Betons auf die Kühlleistung usw. – tauchten auf und waren zu klären. Es wurde deshalb ein umfassender Algorithmus zur dreidimensionalen Untersuchung entwickelt, Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 118 an dessen Entstehen auch die Fa. Polytherm großen Anteil hatte. Bild 9.20 Ausschnitt aus einer Betondecke – hier beispielsweise ein Würfel – mit einem im Quadrat verlegten Rohrregister und Anordnung eines zusätz- lichen Fußbodenbelages mit Angabe der Daten für die zu untersuchende Grundvariante 9.6.1 Algorithmus Zur Berechnung der dreidimensionalen, instationären Temperaturverteilung in homogenen, i- sotropen Körpern ist die FOURIERsche Differentialgleichung in dreidimensionaler Form | | . | \ | ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ = τ ∂ ∂ 2 2 2 2 2 2 z t y t x t a t (9.2) mit der Temperaturleitfähigkeit a = c ρ λ zu lösen. Es bedeuten: λ Wärmeleitfähigkeit, ρ Dichte und c spezifische Wärmekapazität der homogenen Schicht. Selbstverständlich kann der betrachtete Körper aus mehreren unterschiedlichen räumlichen Ge- bieten, jeweils homogenen Gebieten bestehen. Zur Lösung der anstehenden Aufgabe wird jedoch zunächst nur eine einzelne Platte mit integrierten Rohrregistern betrachtet. Die komplizierten, heterogenen Rand- und Anfangsbedingungen sowie die komplizierten Kör- performen – verursacht durch die im Beton eingeformten Rohre – empfehlen den Einsatz eines numerischen Lösungsverfahrens. Ausgefeilte Methoden gestatten rationelle Lösungen hinsicht- lich Speicherplatz und Rechengeschwindigkeit. Wichtig ist hierbei stets das Konvergenzverhal- ten. Ziel der vorliegenden Untersuchung ist es, ein Verfahren vorzustellen, das quasi von jeder- mann an die spezielle Problematik angepasst werden kann. Aus diesem Grund wird im Weiteren 300 mm 3 0 0 m m 1 5 0 m m 1 5 0 m m Stahlbetondecke λ Beton = 1,4 W/(m K) Bodenbelag R λ = 0,143 m²K/W Verbundrohr 20×2,5 mm λ Rohr = 0,41 W/(m K) Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 119 ein sehr einfaches, sofort verständliches Verfahren benutzt. Die besonderen Approximationen, die für das grafische Verfahren an den Bauteilrändern entwickelt wurden, können dabei in an- schaulicher Weise in den numerischen Algorithmus integriert werden. Die Differentialgleichung (9.2), die das instationäre Temperaturfeld allgemeingültig beschreibt, wird in Vorbereitung auf eine numerische Lösung als Differenzengleichung geschrieben: | . | \ | ∆ ∆ ∆ ∆ + | | . | \ | ∆ ∆ ∆ ∆ + | . | \ | ∆ ∆ ∆ ∆ = τ ∆ ∆ z t z y t y x t x a t (9.3) Der Differenzenquotient ∆t/∆τ ist bei gleicher Ortskoordinate und die Differenzenquotienten ∆t/∆x, ∆t/∆y und ∆t/∆z sind bei gleicher Zeitkoordinate zu bilden. Dem Algorithmus liegt dabei eine fest definierte Gittergestaltung mit den Abständen ∆x, ∆y und ∆z sowie eine bestimmte Zeitschrittweite ∆τ zugrunde. Bild 9.21 zeigt einen Quader mit dem Grundriss des Rohrquadrates. Aus Symmetriegründen ist nur ein Viertel davon zu simulieren. Die eingetragenen Schnittebenen gelten für Bild 9.22. Bild 9.21 Ausschnitt aus der Massivdecke in der Größe eines Quaders mit dem Grundriss des Rohrquadrates Das Simulationsgebiet (Berechnungsgebiet) bezieht sich auf ein Viertel des ursprünglichen Quaders. Die Begrenzungsflächen sind ange- deutet. Die eingetragenen Schnittebenen gelten für Bild 9.22. Basisalgorithmus Als Laufvariable gelten i, j und k. Für die Temperatur ergibt sich somit: t i,j,k,Zeit °C Temperatur des Bauteils an der Stelle i ; j ; k zum Zeitpunkt "Zeit". Die Gittergestaltung und die Zuordnung der Größen sind aus Bild 9.22 ersichtlich. i j k Berechnungsgebiet Vertikal- schnittebene Horizontal- schnittebene Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 120 Horizontalschnitt j = 0 j m a x k = kRjmax Symmetrie- achse des Rohres k j R k m a x k = kRjmin = 0 k = kmax j k = 0 Symmetrieachse des Rohres j ∆y ∆z k halber Rohrabstand halber Rohrabstand der Rohre k h a l b e r R o h r a b s t a n d d e r R o h r e j Rohr j R o h r k Symmetrieachse des Bauteils zwischen zwei Rohren des Registers in k-Richtung Symmetrieachse des Bauteils zwischen zwei Rohren des Registers in j-Richtung i= 0 i = imax i = iRkmax i = iRkmin j = 0 j m a x Raum innen (unten) Raum außen (oben) Symmetrie- achse des Bauteils zwischen zwei Rohren des Registers in k-Richtung Symmetrie- achse des Rohres k ∆y ∆x i j i = iRjmax i = iRjmin Vertikalschnitt halber Rohrabstand der Rohre k D i c k e d e r D e c k e Rohr j j R k m a x Rohr k Außenoberfläche Innenoberfläche j R k m i n = 0 Bild 9.22 Gitter in zwei Schnittebenen (vgl. Bild 9.21) für die dynamische, dreidimensionale Berechnung des Temperaturfeldes im Bauteil nach einem numerischen Verfahren mit Darstel- lung der verwendeten Approximationen für die Rohre und Bauteilbegrenzungen . z t t 2 t a y t t 2 t a x t t 2 t a t t 2 Zeit , 1 k , j , i Zeit , k , j , i Zeit , 1 k , j , i 2 Zeit , k , 1 j , i Zeit , k , j , i Zeit , k , 1 j , i 2 Zeit , k , j , 1 i Zeit , k , j , i Zeit , k , j , 1 i Zeit , k , j , i 1 Zeit , k , j , i | | . | \ | ∆ + − + | | . | \ | ∆ + − + | | . | \ | ∆ + − = τ ∆ − − + − + − + + (9.4) Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 121 Das Verfahren arbeitet rein explizit im Zeitschritt, weshalb aus Stabilitätsgründen eine Be- schränkung für den Zeitschritt | | . | \ | ∆ + ∆ + ∆ < τ ∆ 2 2 2 z 1 y 1 x 1 a 2 1 (9.5) gilt. D.h., die geometrischen Diskretisierungen ∆x, ∆y und ∆z nehmen direkt Einfluss auf die zulässige Größe des Zeitschrittes ∆τ. Ausgehend von einer bekannten Temperaturverteilung zum Zeitpunkt "Zeit", folgt die explizite Darstellung der Temperaturen an jedem Punkt i, j, k am Ende des Zeitintervalls ∆τ – also zum Zeitpunkt "Zeit+1" – sofort aus Gl. (9.4) zu: ( ) ( ) ( ) ) 6 . 9 ( . t t 2 t z a t t 2 t y a t t 2 t x a t t Zeit , 1 k , j , i Zeit , k , j , i Zeit , 1 k , j , i 2 Zeit , k , 1 j , i Zeit , k , j , i Zeit , k , 1 j , i 2 Zeit , k , j , 1 i Zeit , k , j , i Zeit , k , j , 1 i 2 Zeit , k , j , i 1 Zeit , k , j , i − + − + − + + + − ∆ τ ∆ + + − ∆ τ ∆ + + − ∆ τ ∆ + = Als Besonderheiten werden bei der Algorithmusgestaltung berücksichtigt (vgl. Bild 9.22): • Es wird stets ein Bauteilabschnitt von Rohrmitte bis zur Symmetrieachse zwischen zwei Rohren der gleichen Rohrregisterrichtung j bzw. k betrachtet. Damit gelten für die Tempera- turen, abgeleitet aus den vier Symmetriebedingungen, die Zusammenhänge zu jeder Zeit und für alle i, k t i,j=0,k,Zeit = t i,j=1,k,Zeit ; t i,jmax,k,Zeit = t i,jmax-1,k,Zeit (9.7) sowie für alle i, j t i,j,k=0,Zeit = t i,j,k =1,Zeit ; t i,j,kmax,Zeit = t i,j,kmax-1,Zeit . (9.8) • Das Rohr wird als Quader, d. h. mit rechteckigem Querschnitt – vorzugsweise als Quadrat – approximiert. • Das Rohr k besitzt eine Symmetrielinie zwischen den j-Gitterlinien j = 0 und j = 1. Das Rohr j hat eine Symmetrielinie zwischen den k-Gitterlinien k = 0 und k = 1. • Die Rohrquerschnitte werden aus minimal vier Gitterpunkten aufgespannt. • Die äußere und die innere Bauteiloberfläche (beispielsweise die Deckenober- und Decken- unterseite) liegen jeweils auf einer Symmetrielinie zwischen zwei i-Gitterlinien, d. h., die Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 122 begrenzenden Gitterlinien i = 0 und i = imax liegen um eine halbe Schichtdicke außerhalb des Bauteils. Dadurch wird die Genauigkeit bei Randbedingungen 3. Art (Wärmeübergangs- bedingung) erhöht. Es wird darauf noch separat eingegangen. Randbedingung dritter Art (Wärmeübergangskoeffizient) an den Bauteiloberflächen Der Wärmestrom, der durch die Bauteilbegrenzung an der Deckenoberseite mit der Oberflächen- temperatur t Do nach außen (oben) tritt, lautet unter der Bedingung gleicher Temperatur t Ro auf der Raumseite in x-Richtung (Richtung der Laufvariablen i) für jeden Zeitpunkt q& a = - λ dx dt = α a (t Do - t Ro ). (9.9) Die Umsetzung in die Differenzenform veranschaulicht das Bild 9.23. Der Wärmeübergangsko- effizient α a stellt im vorliegenden Anwendungsfall eigentlich einen Teilwärmedurchgangskoeffi- zienten κ o – bezogen auf den oberen Deckenaufbau – dar, da außer dem Wärmeübergangskoeffi- zient zum oberen Raum α Ro auch noch ein Belag oder sogar ein aufwändiger Fußbodenaufbau mit mehreren Schichten vorhanden ist. Damit gilt im Weiteren die Identität: α a ≡ κ o = 1 Schichten Schicht Schicht Ro 1 − | | . | \ | λ δ + α ∑ . (9.10) Bild 9.23 Temperaturverhältnisse zu den Zeit- schritten "Zeit" und "Zeit+1" beim Übergang von der Deckenoberseite an den oberen Raum (Richtung i) für eine Randbedingung dritter Art an jeder Stelle j, k Anstelle von α a steht bei einem Fußbodenauf- bau κ o nach Gl. (9.10). Da der Anstieg der Tangente an die Temperaturkurve in Elementmitte gut mit der Sekante – auf- ∆ x ∆ x imax-2 imax-1 imax t imax-1,j,k, Zeit t imax-1,j,k,Zeit+1 t imax,j,k,Zeit+1 t imax,j,k,Zeit t Ro,j,k,Zeit+1 t Ro,j,k,Zeit Bauteil oberer (äußerer) Raum Fläche A a α a ≡ κ o Gitterlinie außerhalb des Bauteils ∆ x / 2 λ / κ ο t Do,j,k,Zeit+1 t Do,j,k,Zeit Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 123 gespannt durch die Temperaturen an den Elementgrenzen – übereinstimmt, wird bei Randbedin- gungen dritter Art die Bauteiloberfläche auf die Elementmitte gelegt. Damit folgt: o Zeit , k , j , Ro Zeit , k , j , Do Zeit , k , j max, i Zeit , k , j , 1 max i x t t t t κ λ ∆ = − − − . (9.11) Diese Beziehung ist im Bild 9.23 grafisch veranschaulicht. Da sie zeitunabhängig gilt, kann die Oberflächentemperatur auch für jeden neuen Zeitschritt sofort bestimmt werden: t Do,j,k,Zeit+1 = 0,5 (t imax-1,j,k,Zeit+1 + t imax,j,k,Zeit+1 ). (9.12) Daraus folgt dann die Temperatur auf der außerhalb liegenden Elementgrenze zum neuen Zeit- punkt "Zeit+1" zu: o 1 Zeit , k , j , Ro 1 Zeit , k , j , 1 max i 1 Zeit , k , j , 1 max i 1 Zeit , k , j max, i x 5 , 0 x ) t t ( t t κ λ + ∆ ∆ − − = + + − + − + . (9.13) An der Deckenunterseite (i = 0; i = 1) gilt mit t Ru und α Ru analog: Ru 1 Zeit , k , j , Ru 1 Zeit , k , j , 1 1 Zeit , k , j , 1 1 Zeit , k , j , 0 x 5 , 0 x ) t t ( t t α λ + ∆ ∆ − − = + + + + . (9.14) Randbedingung erster Art (konstante Temperatur) am Rohrumfang Die Rohroberflächentemperatur sei als Randbedingung 1. Art angenommen. Ihre Größe wird den realen Verhältnissen angepasst, indem der Wärmestrom vom Rohr j und vom Rohr k an den Be- ton Rohrj q& bzw. Rohrk q& im vorhergehenden Zeitschritt "Zeit-1" berechnet und dann die Oberflä- chentemperatur für das reale Rohr (d 1 ; d 2 ; λ R ) aus der gegebenen Wassertemperatur t W bestimmt wird. Es gelten beispielhaft pro 1 m für das Rohr j: • approximierte Rohraußenfläche Aj i = 4 (kRjmax - 0,5) ∆z + 2 (iRjmax - iRjmin) ∆x • Hüllfläche des Rohres im Abstand der Gitterschrittweite Aj a = 4 (kRjmax + 0,5) ∆z + 2 (iRjmax - iRjmin + 2) ∆x • logarithmisches Flächenmittel der Umhüllung um das Rohr A Rjm = i a i a Aj Aj ln Aj Aj − . (9.15) Es werden zunächst die Produkte aus der Wärmeleitfähigkeit des Betons λ und der Gradienten Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 124 zwischen dem Rohrgitter und dem Gitter der Hüllfläche λ (t iRjmin,j,k,Zeit-1 - t iRjmin-1,j,k,Zeit-1 ) / ∆x für alle k = 1 bis kRjmax und j = 0 bis jmax λ (t iRjmax,j,k,Zeit-1 - t iRjmax+1,j,k,Zeit-1 ) / ∆x für alle k = 1 bis kRjmax und j = 0 bis jmax λ (t i,kRjmax,k,Zeit-1 - t i,kRjmax+1,k,Zeit-1 )/∆z für alle i = iRjmin bis iRjmax und j = 0 bis jmax gebildet und arithmetisch zu q Rj gemittelt und mit der mittleren Gitterfläche A Rjm multipliziert: Rohrj q& = q Rj A Rjm . (9.16) Für das reale Rohr j kann mit dem wasserseitigen Wärmeübergangskoeffizienten α F , dem Rohr- innendurchmesser d 1 , dem Rohraußendurchmesser d 2 und der Wärmeleitfähigkeit der Rohrwand λ R der Teilwärmedurchgangskoeffizient 1 1 2 R 1 F R d d ln 2 d 1 − | | . | \ | λ + α = κ (9.17) gebildet werden, woraus mit der Wassertemperatur t W,Zeit ≡ t W (τ) die Rohrtemperatur zum Zeit- punkt "Zeit" folgt: R 1 Rohrj Zeit , W Zeit , Rj d q t t κ π − = & . (9.18) Bei Sprüngen der Wassertemperatur ist eine Dämpfung eingebaut, da entsprechend der Eigenart von Differenzenverfahren zunächst sehr große Wärmestromdichten entstehen könnten. Raumseitige Wärmeübergangskoeffizienten Die Wärmeübergangskoeffizienten (Konvektion und Strahlung) vom Bauteil zum unteren und oberen Raum α Ru bzw. α Ro können beliebig formuliert werden. Es gelten folgende praxisrele- vante Angaben mit ϑ K Übertemperatur der Bauteiloberfläche gegenüber dem Raum α W/(m²K) Wärmeübergangskoeffizient (gesamt): • Wärmestrom nach oben Für Bauteile mit einem Wärmestrom von unten nach oben (Fußbodenheizungen, Kühldecken) gilt nach DIN EN 1264 T2 die sogenannte "Basiskennlinie" α = 8,92 |ϑ| 0,1 in W/(m²K) . (9.19) • Wärmestrom nach unten Gemäß spezieller Berechnungen mit dem Raummodell [2] folgt als statistisches Mittel: Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 125 α = 6,7 W/(m²K). (9.20) Wärmedämmungen bzw. schlecht wärmeleitende Schichten auf den Bauteilaußenseiten werden vereinfachend analog Gl. (9.10) in Teilwärmedurchgangskoeffizienten κ zusammengefasst: κ o = 1 2 a 2 a 1 a 1 a Ro ... 1 − | | . | \ | + λ δ + λ δ + α . (9.21) Wärmestromdichten in die Räume Die Wärmeströme in die angrenzenden Räume (unten und oben) ergeben sich aus der Beziehung für den Wärmetransport durch Leitung im Festkörper mit x der Koordinate in i-Richtung dx dt q λ − = & . (9.22) Zur Genauigkeitsverbesserung an Bauteiloberflächen liegen die Bauteilberandungen innerhalb des Gitters (vgl. Bilder 9.22 und 9.23), woraus beispielsweise folgt: x t t q Zeit , k , j , 0 Zeit , k , j , 1 u ∆ − λ = & . (9.23) Speicherwärme Die im Bauteil gespeicherte Wärme wird für die Übertemperatur eines jeden Gitterpunktes be- rechnet, wobei auf die Raumtemperatur des unteren Raumes t RBezug,Zeit = t Ru (τ) bezogen wird. Es gilt für die Speicherwärme in einem Element: q S = ρ c ∆x ∆y ∆z (t i,j,k,Zeit - t RBezug,Zeit ). (9.24) Zeitliche Verläufe der Wassertemperatur und der Raumtemperatur Die Wassertemperatur t W und die Temperaturen des unteren sowie des oberen Raumes t Ru bzw. t Ro können als Zeitfunktionen vorgegeben und in Unterprogrammen formuliert werden. Um die dynamische Leistungsfähigkeit der Systeme unter praxisnahen Bedingungen vergleichen zu können, werden für den rechnerischen "Normvergleich" die Verläufe nach Bild 9.3 verwen- det, wobei von 8 00 ... 18 00 Uhr der Wasserkreislauf nicht in Betrieb ist. Bei Durchfluss der Rohre werden die Gitterpunkte im jeweiligen Rohrquerschnitt mit den Tem- peraturen der Rohroberfläche gefüllt. In den Zeiträumen, in denen kein Durchfluss erfolgt (pas- siv), wird das Bauteil auch im Rohrbereich näherungsweise als homogen (Beton) betrachtet. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 126 9.6.2 Testrechnungen Abschnittsweise Überprüfungen, Plausibilitätskontrollen und ein umfassender Programmtest wurden durchgeführt. Im letzten Fall ist nur ein Rohr k in mittlerer Lage implementiert und eine Rechnung ausgehend von der Deckentemperatur 24 °C unter konstanten Randbedingungen t Ru (τ) = t Ro (τ) = 24 °C sowie t W (τ) = 18 °C über den Zeitraum von 72 h betrachtet worden. Am Ende dieses Zeitraumes sind stationäre Bedingungen erreicht. Deshalb erfolgt ein Vergleich mit dem Berechnungsmodell nach FAXÉN, das in [13] programmtechnisch hinterlegt ist. Einflussreich bei diesen Berechnungen kann die Wahl des Gitters sein. Deshalb wurden Berech- nungen mit einem groben Gitter ∆x = ∆y = ∆z = 15 mm und mit einem feinen Gitter ∆x = ∆y = 5 mm, ∆z = 75 mm (bei fehlendem Rohr j ist ∆z bedeutungslos) durchgeführt. Der Verlauf der Speicherladung ist im Bild 9.24 dargestellt. Die sehr gute asymptotische Annä- herung der dynamischen Berechnungsergebnisse an den stationären Endwert zeigt, dass der vor- geschlagene Algorithmus sehr leistungsfähig ist und auch das grobe Gitter gute Ergebnisse liefert. Bild 9.24 Verlauf der Speicherla- dung mit "Kälte" in Abhängigkeit der Abkühlzeit unter Variation der verwendeten Gittergeometrie Vergleichsweise ist außerdem die Speicherkälte bei stationärer Be- rechnung eingetragen. Betrachtet wurde jeweils eine Be- tondecke mit 300 mm Dicke und einfachem, mittig angeordnetem Rohrregister 20×2,5 mm des Rohrabstandes 300 mm. 9.6.3 Fazit zum Simulationsprogramm Mit dem neu entwickelten Rechenprogramm können alle derzeitigen Konstruktionen leistungs- mäßig bewertet werden. Durch die Flexibilität des Programms dürfte dieses auch für zukünftige Konstruktionen verwendbar bzw. leicht anpassbar sein. Es zeichnet sich durch nachfolgende Eigenschaften aus: • numerische Lösung des instationären, dreidimensionalen Wärmeleitproblems speziell für homogene Platten mit integrierten Rohrregistern (Kreuzmäander, Einfachmäander, Matten) • flexible Gestaltung der Geometrie 0 24 48 72 0 00 Abkühlzeit S p e i c h e r k ä l t e h Wh/m² feines Gitter grobes Gitter stationäre Berechnung 600 300 Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 127 • austauschbare Programmteile zur Approximation der Wärmeübergangsbedingungen • frei programmierbare thermische Randbedingungen (Zeitverläufe der Temperaturen). 9.7 Vergleich verschiedener Rohrregister mit konventionellen Rohren Alle Untersuchungen sind über einen Zeitraum von drei Tagen (72 h) geführt worden. Bei der Auswertung wird nur der jeweils dritte Betriebstag, gerechnet von 18 00 Uhr bis wiederum 18 00 Uhr, betrachtet. Es liegt somit ein thermodynamisch eingeschwungener Zustandsverlauf vor. Die thermischen Randbedingungen entsprechen den Temperaturverläufen im Bild 9.3. Zuerst werden die Unterschiede der konventionellen Rohrregister betrachtet, wobei alle Mäander mittig in der Decke (300 mm, Fußbodenbelag R λ = 0,143 m²K/W) liegen. Es handelt sich hierbei um den • Kreuzmäander mit RA = 300 mm (Grundvariante) • Einfachmäander mit RA = 150 mm • Kreuzmäander mit RA = 240 mm. Es gelten weiterhin die im Bild 9.20 vermerkten Daten. Die Kühlleistungsverläufe zeigt das Bild 9.25. Bild 9.25 Kühlleis- tungsverläufe für drei unterschiedliche Rohrmäanderkonstruk- tionen, die mittig in einer 300 mm dicken Decke eingebettet sind, bei den thermischen Randbedingungen nach Bild 9.3 Feststellungen: • Die Kühlleistungen steigen im Tagesgang an bzw. halten sich näherungsweise konstant. Dies ist sehr vorteilhaft für eine erfolgreiche Kühlung beispielsweise von Büroräumen. • Die Kühlleistungen sind am Nachmittag mit ca. 40 W/m² sehr hoch. 0 24 5 10 15 20 25 30 35 40 45 W/m² Tageszeit K ü h l l e i s t u n g 18 00 24 00 8 00 12 00 18 00 Kreuzmäander RA = 240 mm Kreuzmäander RA = 300 mm (Grundvariante) Einfachmäander RA = 150 mm 0 Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 128 • Die konstruktionsabhängige Kühlleistung stellt sich um 14 00 Uhr folgendermaßen dar: Einfachmäander RA = 150 mm 41,0 W/m² 100 % Kreuzmäander RA = 300 mm 39,8 W/m² 97 % Kreuzmäander RA = 240 mm 42,3 W/m² 1,03 % In erster Näherung sind unter praktischen Gesichtspunkten die Kühlleistungen der drei Vari- anten gleichwertig (± 3 %). Die verringerte Rohrteilung bringt nur einen verhältnismäßig kleinen Leistungsgewinn, ob- wohl der Rohreinsatz um 25 % zunimmt. 9.8 Vergleich von konventionellen Rohrregistern mit Kapillarrohrmatten Die zeitlichen Kühlleistungsverläufe, die mit Rohrregistern (Einfachmäander und Kreuzmäan- der) erreichbar sind, werden den Ergebnissen bei Einsatz von Kunststoff-Kapillarrohrmatten gegenübergestellt werden. Als Kapillarrohrmatte wird "OPTIMAT" der Fa. Clina ausgewählt (Rohrabmessung 4,3×0,8 mm RA = 30 mm). Die Leistungsberechnung erfolgte bereits früher mit einem Rechenprogramm nach [13]. Nunmehr wird diese nochmals mit dem neu erarbeiteten Programm unter Weglassen der Rohrreihe j untersucht. Das Gitter ist mit ca. 3 mm Maschenwei- te sehr fein gewählt. Der Zeitschritt beträgt 3 s. Alle Kühlleistungsverläufe sind für den einge- schwungenen Zustand im Bild 9.26 dargestellt. Die Leistungen der Mäanderlösungen entspre- chen der Darstellung im Bild 9.25. Die Kühlleistungen für die Kapillarrohrmatte ist mit der Be- rechnung für den zweidimensionalen Fall identisch. Bild 9.26 Kühlleis- tungsverläufe einer 300 mm dicken Spei- cherkühldecke unter den thermischen Randbedingungen nach Bild 9.3 bei Einsatz einer Kapillarrohrmatte 4,3×0,8 mm und bei Integration von drei unterschiedlichen Rohrmäanderkonstruk- tionen (Kreuzmäander, Einfachmäander), die alle mittig im Decken- querschnitt eingebettet sind 0 24 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 W/m² Tageszeit K ü h l l e i s t u n g 18 00 24 00 8 00 12 00 18 00 Kreuzmäander RA = 240 mm Kreuzmäander RA = 300 mm Einfachmäander RA = 150 mm Kapillarrohrmatte 0 Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 129 Feststellungen: • Die Kühlleistung der mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten bestückten Massivdecke ist allen anderen untersuchten Systemen zu jeder Zeit im Tagesgang überlegen. Von 10 00 Uhr bis 18 00 Uhr zeichnet sie sich durch eine hohe Konstanz aus. • Die Kühlleistungen sind am Nachmittag mit ca. 44 ... 45 W/m² sehr hoch. • Die konstruktionsabhängige Kühlleistung stellt sich um 14 00 Uhr folgendermaßen dar: Einfachmäander RA = 150 mm 41,0 W/m² 100 % Kreuzmäander RA = 300 mm 39,8 W/m² 97 % Kreuzmäander RA = 240 mm 42,3 W/m² 1,03 % Kapillarrohrmatte RA = 30 mm 44,6 W/m² 1,09 % • Die mittlere Kühlleistung über den Nutzungszeitraum (Leistungsdaten von 9 00 Uhr bis 18 00 Uhr gemittelt) ergibt die nachfolgenden Werte: Einfachmäander RA = 150 mm 39,6 W/m² 100 % Kreuzmäander RA = 300 mm 38,4 W/m² 97 % Kreuzmäander RA = 240 mm 41,0 W/m² 1,04 % Kapillarrohrmatte RA = 30 mm *) 43,3 W/m² 1,09 % • Von Interesse kann auch die Größe der "Speicherkälte" am Ende des Nutzungszeitraumes um 18 00 Uhr sein: Einfachmäander RA = 150 mm 904,5 Wh/m² 100 % Kreuzmäander RA = 300 mm 885,0 Wh/m² 98 % Kreuzmäander RA = 240 mm 927,2 Wh/m² 1,03 % Kapillarrohrmatte RA = 30 mm 966,5 Wh/m² 1,07 % • Die verschiedenen Rohrregister bewirken eine unterschiedliche Schwächung des Bauteils: Einfachmäander RA = 150 mm 2,09 dm³/m² 100 % Kreuzmäander RA = 300 mm 2,09 dm³/m² 100 % Kreuzmäander RA = 240 mm 2,62 dm³/m² 125 % Kapillarrohrmatte RA = 30 mm 0,48 dm³/m² 23 % Die angegebene Größe stellt das Volumen des Rohres (Außendurchmesser) pro 1 m² De- *) Der geringe Leistungsun- terschied zum Bild 9.4 resultiert aus dem Unter- schied der Wanddicke der Kapillarröhrchen. Die optimierte Matte hat eine Wanddicke von 0,8 mm. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 130 ckenfläche dar. Für Mäanderlösungen wird das Rohr 20×2,5 mm und für die Kapillarrohrmattenvariante das Rohr 4,3×0,8 mm ohne Verteilleitungen betrachtet. Damit besteht ein markanter Sprung bei Einsatz von Kapillarrohrmatten. • Der Materialeinsatz an Kunststoff im Bauteil ist ebenfalls sehr unterschiedlich: Einfachmäander RA = 150 mm 0,92 dm³/m² 100 % Kreuzmäander RA = 300 mm 0,92 dm³/m² 100 % Kreuzmäander RA = 240 mm 1,15 dm³/m² 125 % Kapillarrohrmatte RA = 30 mm 0,29 dm³/m² 32 % Die angegebene Größe stellt das Volumen der Rohrwandung pro 1 m² Deckenfläche dar. Der Materialeinsatz für Kunststoff-Kapillarrohrmatten ist bedeutend geringer. • Einen interessanten Einblick zum Verständnis der thermodynamischen Unterschiede zwischen den einzelnen Varianten offenbart die Temperaturverteilung im Beton, beispielsweise kurz vor dem Ende der Abkühlungsphase. Im Bild 9.27 werden für den Zeitpunkt um 6 00 Uhr die Tem- peraturverteilungen einer Kreuzmäandervariante (RA = 300 mm) und einer Lösung mit Kapil- larrohrmatte (RA = 30 mm) in drei ausgewählten Ebenen der Decke gegenübergestellt. 20,1 20,1 20,7 20,7 20,1 30 mm 3 0 0 m m 1 5 0 m m 20,7 18,7 18,8 1 8 ° C 18,7 18,7 18,8 18,7 18,7 18,7 20,1 20,1 20,1 20,1 20,1 20,1 18,8 20,7 20,7 20,7 20,7 20,7 20,7 1 8 ° C Ebene i = 80 oberste Schicht Ebene i = 40/41 Mitte Ebene i = 1 unterste Schicht 1 5 0 m m Bild 9.27 Temperaturverteilungen in einer Betondecke nach Bild 9.20 jeweils um 6 00 Uhr links: Kreuzmäander RA = 300 mm; rechts: Kapillarrohrmatte RA = 30 mm Die Rohrabstände sind nicht maßstäblich! 20,6 20,7 21,0 21,1 20,6 300 mm 3 0 0 m m 1 5 0 m m 21,1 18,7 19,0 1 8 ° C 18,7 18,7 19,0 18,7 19,0 19,0 20,6 20,6 20,7 20,6 20,6 20,8 20,5 21,1 21,0 21,0 21,1 21,0 21,2 18 °C Ebene i = 20 oberste Schicht Ebene i = 10/11 Mitte Ebene i = 1 unterste Schicht 1 5 0 m m Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 131 Bei den kleinen Rohrabständen der Kapillarrohrmatten sind die Temperaturen in den drei betrachteten Ebenen bedeutend ausgeglichener und im Betrag niedriger. Hierin liegt die Ur- sache für die thermodynamischen Vorteile (höhere Leistung, größeres Speichervermögen) der mit Kapillarrohrmatten bestückten Betondecken begründet. Die Vorteile der Kunststoff-Kapillarrohrmatten sind in allen betrachteten Punkten deutlich sicht- bar! 9.9 Einflüsse der Wärmeleitfähigkeit des Betons und der Bewehrung Bei der Diskussion um die Leistungsfähigkeit der thermisch aktiven Bauteile – vorwiegend De- cken – spielen sehr häufig auch die Wärmeleitfähigkeit des Betons und die Wirkung der Beweh- rung in den Decken eine Rolle. Auch wenn man diese Diskussionen oftmals nur unter den Ge- sichtspunkten von Wettbewerbsvorteilen führt, sollen anschließend die genannten Einflüsse quantitativ bei unterschiedlicher Rohrregisterwahl bewertet werden. 9.9.1 Modellierung In allen weiteren Modellierungen wird von einer Betondecke ohne Hohlräume und Latentspei- chereffekte mit integriertem Rohrregister ausgegangen. Als Rohrregister kommen in Betracht: • Einfach- oder Kreuzmäander mit konventionellen Rohrdurchmessern • Kapillarrohrmattensystem. Für die konventionellen Rohre werden in den Berechnungen die Abmessung 20×2,5 mm, die Wärmeleitfähigkeit des Rohres 0,42 W/(m K) und der wasserseitige Wärmeübergangskoeffizient 2400 W/(m²K) angenommen. Die Rohrabstände betragen 150 mm bzw. 300 mm. Für Kunststoff-Kapillarrohrmatten wird das Fabrikat "OPTIMAT" der Fa. Clina mit den Abmes- sungen der Rohre 4,3×0,8 mm, der Wärmeleitfähigkeit des Rohrmaterials 0,21 W/(m K), dem Bericht im Anhang I: "Neue Simulationsmethodik der instationären, dreidimensionalen Vorgänge bei der thermischen Bauteilaktivierung mit Rohrregistern in Betondecken – Gegenüberstellung von Kreuzmäandern, Einfach- mäandern und Kapillarrohrmatten" (119 Seiten) Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 132 wasserseitigen Wärmeübergangskoeffizienten 1000 W/(m²K) und dem Rohrabstand 30 mm ver- wendet. Die Stoffwerte – speziell die Wärmeleitfähigkeit – für Beton bzw. Stahlbeton schwanken. Sie sind in besonderem Maße abhängig von der Dichte und dem Feuchtegehalt. Die Werte in DIN 4108 Teil 4 gelten für den rechnerischen Nachweis des Wärmeschutzes. Aus Sicht einer "siche- ren" Berechnung wird man maximal mögliche Wärmeleitfähigkeiten ansetzen. Dies ist aber nicht im Sinne einer "sicheren" Kühlleistungsermittlung für dynamisch arbeitende Speicherdecken. Dort bieten niedrige Wärmeleitfähigkeiten die Voraussetzung für eine sichere Leistungsprogno- se. Die Tabelle 9.2 gibt einen Überblick über Literaturwerte. Tabelle 9.2 Stoffwerte für Schwerbeton nach einigen Literaturangaben Baustoff Dichte Wärmeleit- fähigkeit spez. Wärme- kapazität Quelle Bemerkungen kg/m³ W/(m K) J/(kg K) Kies- oder Splittbeton bewehrt oder unbewehrt 2400 2,1 DIN 4108/4 Kiesbeton 2200 1,28 879 Gröber, Erk, Grigull: Wärme- übertragung, 3. Auflage Beton 1900 ... 2300 0,80 ... 1,40 880 Rietschel, Esdorn: Raumklima- technik, Grundlagen, 16. Aufla- ge Schwerbeton 2200 ... 2500 1,28 ... 1,65 1000 Kraft: TGA-Handbuch, 2. Aufl. Schwerbeton (Ortbeton) bewehrt 2400 1,63 1050 unbewehrt 2200 1,40 1050 Betonfertigteile aus Schwerbeton 2350 1,47 1050 TGL 28706/4 (ungültig, aber sehr detaillierte Angaben) Der Stahlbeton ist nicht homogen, da die Bewehrungsstähle nach statischen Gesichtspunkten im Zugbereich angeordnet werden, d. h., im Regelfall von seitlich aufliegenden Decken ist dies der untere Bereich. • Der erste Modellierungsansatz geht von einer homogenen Betondecke aus, wobei die Wär- meleitfähigkeit des Betons variiert wird. • Die zweite Modellierung berücksichtigt einen Schichtenaufbau der Decke, wobei die Beton- decke über den größten, rohrführenden Querschnittsanteil aus homogenem Beton besteht und der untere Deckenabschnitt mit der Hauptbewehrung in den Stoffwerten verändert in Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 133 Ansatz gebracht wird. Die Dichte, die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärmekapazi- tät werden aus den Daten für den reinen Beton und der Stahlbewehrung gemittelt und dann wiederum als homogen betrachtet. Diese Modellierung ist insofern realistisch, da die genaue Modellierung des Bewehrungskorbes theoretisch zwar möglich ist, aber kaum eine Verall- gemeinerung der Aussage zulässt. Das zweite Modell ist damit durch eine gut wärmeleitende Schicht an der Deckenunterseite gekennzeichnet. • Die Modelle sind im Bild 9.28 skizziert und deren Dickenabmessungen angegeben. Bild 2.28 Skizzenhafte Darstel- lung der beiden Berechnungsmo- delle Annahmen für Modell 1: Für die Stoffwerte des Normalbetons werden aus Tabelle 9.2 folgende Werte abgeleitet: • Dichte ρ = 2400 kg/m³ • Wärmeleitfähigkeit λ = 1,4 W/(m K) (ungünstigster Wert) • spezifische Wärmekapazität c = 1050 J/(kg K) Zur Ermittlung des möglichen Einflusses der Wärmeleitfähigkeit λ auf das dynamische Decken- verhalten wird für die homogene Betonplatte λ zwischen den Grenzwerten 1,4 W/(m K) und 2,1 W/(m K) variiert. Annahmen für Modell 2: Bei der zweischichtigen Platte gelte für den oberen Teil: • Dichte ρ = 2400 kg/m³ • Wärmeleitfähigkeit λ = 1,4 W/(m K) • spezifische Wärmekapazität c = 1050 J/(kg K). Homogene Betonschicht mit Kapillarrohrmatten oder Rohrmäandern Zweilagige Betonschicht oben: Beton mit Kapillarrohrmatten oder Rohrmäandern unten: Beton mit Bewehrungsstählen d S = 52,5 mm d = 300 mm d = 300 mm Modell 1 Modell 2 Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 134 Für den unteren Teil der Betondecke werden die Stoffwerte aus den Baustoffen Beton und Stahl gemittelt, wobei für die Schichtdicken die Annahmen nach Bild 9.28 gelten. Als Bewehrung sind modellgemäß jeweils im Abstand a von 150 mm Zugstäbe mit einem Durchmesser von 18 mm und Querstäbe mit dem Durchmesser 8 mm vorhanden. Damit ergeben sich: • die Raumanteile r Stahl = ( ) ( ) 039 , 0 0525 , 0 008 , 0 018 , 0 4 150 , 0 1 d d d 4 a 1 V V 2 2 S 2 Q 2 Z Schicht Stahl = + π = + π = r Beton = 0,961 • die mittlere Dichte ρ = r Stahl ρ Stahl + r Beton ρ Beton = (0,039 ⋅ 7850 + 0,961 ⋅ 2400) kg/m³ = 2613 kg/m³ • die mittlere Wärmeleitfähigkeit λ = r Stahl λ Stahl + r Beton λ Beton = (0,039 ⋅ 50 + 0,961 ⋅ 1,4) W/(m K) = 3,3 W/(m K) • die mittlere spezifische Wärmekapazität ) K kg /( J 981 ) K kg /( J 2613 ) 1050 2400 961 , 0 460 7850 039 , 0 ) c r c (r c Beton Beton Beton Stahl Stahl Stahl = ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ = ρ ρ + ρ = Die Mittelung der Werte erfolgte für die Dichte sowie für die Wärmeleitfähigkeit mit den Raum- anteilen r und für die spezifische Wärmekapazität mit den Masseanteilen r ρ. 9.9.2 Algorithmus Es wurde auf die in [13] vorgestellten Algorithmen aufgebaut und ein spezielles Programm für zweischichtige Platten (Modell 2) geschrieben. Das Rechenprogramm gilt für eine zweidimensi- onale Betrachtungen der Wärmeleitung mit Einfachmäandern oder Kapillarrohrmatten. Modell 1 kann mit dem Ursprungsprogramm oder mit dem im Abschnitt 9.6 vorgestellten, neuar- tigen Algorithmus für eine dreidimensionale Betrachtung untersucht werden. Letztere Variante ist für Kreuzmäander notwendig. Alle Programme wurden mittels Grenzfallberechnungen verifiziert. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 135 9.9.3 Einfluss der Wärmeleitfähigkeit von homogenen Platten auf die Kühlleistung Um eine möglichst repräsentative Aussage zu ermöglichen, werden unterschiedliche Varianten untersucht. Sie sind in Tabelle 9.3 zusammengestellt. Als charakteristische Leistungsmerkmale werden die Gesamtleistungen der Decke (unten und oben) pro 1 m² um 14 00 Uhr und die mittlere Kühlleistung über den Nutzungszeitraum von 8 00 Uhr bis 18 00 Uhr verglichen. Der Leistungszuwachs in Tabelle 9.3 nimmt auf beide Vergleichs- werte Bezug, zusätzlich wird der aus beiden Daten gemittelte Wert angegeben. Die Decke besteht aus 300 mm Beton plus einem Belag auf der Oberseite (δ = 10 mm, λ = 0,07 W/(m K)). Die Rohrregister liegen jeweils mittig in der Decke bzw. bei Kreuzmäandern annä- hernd symmetrisch zur Deckenmitte. Tabelle 9.3 Gesamtkühlleistungen der Decke (oben und unten) um 14 00 Uhr und im Mittel über den Nutzungszeitraum von 8 00 Uhr bis 18 00 Uhr für unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten λ Bei den Rohrregistern handelt es sich um Rohr 20×2,5 mm mit dem Rohrabstand RA in mm. Die Kapillarrohrmatte "OPTIMAT" hat die Rohrabmessungen 4,3×0,8 mm und RA = 30 mm. Wärmeleitfähigkeit Leistungszuwachs λ = 1,4 W/(m K) λ = 2,1 W/(m K) 4 , 1 1 , 2 q / q = λ = λ & & Variante Leistung 14 00 Uhr mittlere Leistung Leistung 14 00 Uhr mittlere Leistung W/m² W/m² W/m² W/m² % % Einfachmäander RA = 150 41,0 39,6 45,9 44,5 12,0 ... 12,4 12,2 Einfachmäander RA = 300 32,2 30,5 36,8 35,0 14,3 ... 14,8 14,6 Kreuzmäander RA = 300 39,8 38,4 44,9 43,5 12,8 ... 13,3 13,1 Kapillarrohrmatte RA = 30 44,6 43,3 49,3 48,0 10,5 ... 10,9 10,7 Die grafische Darstellung des täglichen Leistungsverlaufs im eingeschwungenen Zustand ist im Bild 9.29 gezeigt. Die Bilder 9.30 und 9.31 stellen den Verlauf während des Nutzzeitraumes vergrößert dar. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 136 Bild 9.29 Kühlleis- tungsverläufe im Tages- gang unter den Randbe- dingungen des Bildes 9.3 für Massivdecken mit verschiedenen Rohrregis- tern und zwei verschie- denen Wärmeleitfähig- keiten des Betons (1,4 W/(m K) bzw. 2,1 W/(m K)) Die Decke wird als ho- mogene Konstruktion (Modell 1) betrachtet. Bild 9.30 Kühlleis- tungsverläufe im tägli- chen Nutzzeitraum von 8 00 bis 18 00 Uhr unter den gleichen Bedingun- gen wie im Bild 9.29 Bild 9.31 Kühlleis- tungsverläufe im tägli- chen Nutzzeitraum von 8 00 bis 18 00 Uhr unter den gleichen Bedingun- gen wie im Bild 9.29 jedoch für einen Kreuz- mäander 0 24 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 W m² Einfachmäander 20×2,5 mm, RA = 300 mm Nutzzeitraum K ü h l l e i s t u n g 18.00 8.00 18.00 Kapillarrohrmatten 4,3×0,8 mm RA = 30 mm Uhrzeit Einfachmäander 20×2,5 mm RA = 150 mm Beton homogen: λ = 1,4 W/(m K) λ = 2,1 W/(m K) 0 14 24 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 W m² K ü h l l e i s t u n g 8.00 12.00 18.00 Kapillarrohrmatten 4,3×0,8 mm, RA = 30 mm Uhrzeit Einfachmäander 20×2,5 mm, RA = 150 mm Beton homogen: λ = 1,4 W/(m K) λ = 2,1 W/(m K) Einfachmäander 20×2,5 mm, RA = 300 mm 0 14 24 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 W m² K ü h l l e i s t u n g 8.00 12.00 18.00 Uhrzeit Kreuzmäander 20×2,5 mm, RA = 300 mm Beton homogen: λ = 1,4 W/(m K) λ = 2,1 W/(m K) 0 Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 137 Aussagen: • Die Ergebnisgegenüberstellungen in Tabelle 9.3 und in den Bildern 9.29 bis 9.31 zeigen deutlich, dass mit steigender Wärmeleitfähigkeit die Kühlleistungen der Massivkühldecken mit nächtlicher Einspeicherung steigen. • Obwohl die Wärmeleitfähigkeit im betrachteten Bereich um 50 % anstieg, nahm die Kühl- leistung nur 11 % bis 15 % zu. • Die größten Zunahmen sind erwartungsgemäß bei den Konstruktionen mit den kleinsten Leistungen vorhanden. Dies sind Rohrregister mit großen Rohrabständen. Der Schwan- kungsbereich von 11 % bis 15 % ist aber relativ klein. Die hauptsächlichste Verbesserung wird also durch die vergrößerte Wärmeleitung in vertikaler Richtung bewirkt. 9.9.4 Einfluss der Bewehrung im unteren Plattenbereich auf die Kühlleistung Für drei sehr unterschiedliche Rohrabstände wird die Untersuchung vorgenommen. Die Abmes- sung und die zugehörigen Ergebnisse sind in Tabelle 9.4 wiedergegeben. Als charakteristische Leistungsmerkmale werden wiederum die Gesamtleistungen der Decke (unten und oben) pro 1 m² um 14 00 Uhr und die mittlere Kühlleistung über den Nutzungszeit- raum von 8 00 Uhr bis 18 00 Uhr betrachtet. Der Leistungszuwachs in Tabelle 9.4 gibt beide Ver- gleichswerte sowie den gemittelten Wert an. Die Decke besteht aus der Oberschicht von ca. 247 mm Beton (λ = 1,4 W/(m K)) und der Unter- schicht von ca. 53 mm Beton mit integrierter Bewehrung (λ = 3,3 W/(m K)). Auf der Ober- schicht ist wiederum ein Belag (δ = 10 mm, λ = 0,07 W/(m K)) vorhanden. Die Rohrregister liegen jeweils mittig in der Decke. Damit ist eine Vergleichbarkeit zu den homogenen Decken mit der Wärmeleitfähigkeit λ = 1,4 W/(m K) gegeben. Das Bild 9.32 zeigt die Leistungsverläufe einer Tagesschwingung auf, und Bild 9.33 gibt eine Vergrößerung im Nutzungszeitraum wieder. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 138 Tabelle 9.4 Gesamtkühlleistungen der Decke (oben und unten) um 14 00 Uhr und im Mittel über den Nutzungszeitraum von 8 00 Uhr bis 18 00 Uhr für unterschiedliche Plattenkonstuktionen (ho- mogene Platte und Zweischichtplatte) Bei den Rohrregistern handelt es sich um Rohr 20×2,5 mm mit dem Rohrabstand RA in mm. Die Kapillarrohrmatte "OPTIMAT" hat die Rohrabmessungen 4,3×0,8 mm und RA = 30 mm. Wärmeleitfähigkeit Leistungszuwachs homogene Platte λ = 1,4 W/(m K) zweischichtige Platte λ = 1,4 / 3,3 W/(m K) Pl hom zweiPl q / q & & Variante Leistung 14 00 Uhr mittlere Leistung Leistung 14 00 Uhr mittlere Leistung W/m² W/m² W/m² W/m² % % Einfachmäander RA = 150 41,0 39,6 43,2 41,7 5,4 ... 5,3 5,4 Einfachmäander RA = 300 32,2 30,5 33,8 32,0 5,0 ... 4,9 5,0 Kapillarrohrmatte RA = 30 44,6 43,3 47,1 45,7 5,6 ... 5,5 5,6 Bild 9.32 Kühlleistungs- verläufe im Tagesgang unter den Randbedingun- gen des Bildes 9.3 für Massivdecken mit ver- schiedenen Rohrregistern Wärmeleitfähigkeiten: homogene Decke (Modell 1) λ Beton = 1,4 W/(m K); zweischichtige Decke (Modell 2) λ Beton = 1,4 W/(m K), λ Beton+Stahl = 3,3 W/(m K). Bild 9.33 Kühlleis- tungsverläufe im tägli- chen Nutzzeitraum von 8 00 bis 18 00 Uhr unter den gleichen Bedingun- gen wie im Bild 9.32 0 24 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 W m² Einfachmäander 20×2,5 mm, RA = 300 mm Nutzzeitraum K ü h l l e i s t u n g 18.00 8.00 18.00 Kapillarrohrmatten 4,3×0,8 mm RA = 30 mm Uhrzeit Einfachmäander 20×2,5 mm RA = 150 mm Beton homogen Beton mit Bewehrungs- schicht 0 14 24 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 W m² K ü h l l e i s t u n g 8.00 12.00 18.00 Kapillarrohrmatten 4,3×0,8 mm, RA = 30 mm Uhrzeit Einfachmäander 20×2,5 mm, RA = 150 mm Einfachmäander 20×2,5 mm, RA = 300 mm Beton homogen Beton mit Bewehrungsschicht 0 Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 139 Aussagen: • Die Leistungsverbesserung bei Vorhandensein der gut wärmeleitenden Unterschicht ist mit 5 % bis 6 % relativ gering und in erster Näherung nicht vom Rohrabstand abhängig. Dies kann damit erklärt werden, dass diese Schicht zu weit vom Rohrregister entfernt liegt. • Der Leistungsvorteil ist hauptsächlich durch die verbesserte Wärmeleitung zum unteren Raum begründet. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass beide Einflüsse in den Fachdiskussionen oftmals überschätzt werden (Einfluss Wärmeleitfähigkeit des Betons maximal 15 %, Einfluss Bewehrungsstahl ma- ximal 6 %.) Es wird empfohlen, die Wärmeleitfähigkeit des Betons möglichst exakt zu ermitteln und die Kühlleistung für eine homogene Betondecke zu simulieren. Den zusätzlichen Leistungsvorteil durch das Vorhandensein der Bewehrungsstähle sollte man als Sicherheit gegenüber den Schwankungen der zahlreichen Randbedingungen betrachten. Die untersuchten Einflüsse sind in erster Näherung bei konventionellen Rohrregistern und Kunststoff-Kapillarrohrmatten gleich groß! Bericht im Anhang J: "Einfluss der Wärmeleitfähigkeit und der Bewehrung von Massiv- speicherdecken auf die Kühlleistung" (25 Seiten) Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 140 9.10 Verteilung der Wärmestromdichte längs der Rohrregister Bei Rohrmäandern tritt eine Beeinflussung zwischen Vor- und Rücklauf auf, deren Größe von der Intensität der Wärmeleitung zwischen beiden nebeneinander liegenden Rohren bestimmt ist. In [14] wurde ein Extremfall einer solchen Verlegung untersucht. Das Rohrregister besteht dabei ausschließlich aus einzelnen Schleifen (Haarnadelprinzip), die nach Bild 9.34 jeweils separat an die Verteilleitungen angeschlossen sind. Die Wärmestromdichten längs der Schleife können teilweise sehr unterschiedlich sein. In Tabelle 9.5 sind auszugsweise Ergebnisse für den Verle- gungsfall nach Bild 9.34 mitgeteilt. Bild 9.34 Sonderfall einer Rohrverlegung in Schleifen- form (Haarnadelprinzip) Jede Schleife wird an die Vor- laufverteil- und an die Rück- laufsammelleitung ange- schlossen. Die Rohrbelegung geht über mehrere Räume hinweg. Tabelle 9.5 Beispielhafte Ergebnisse für eine Verlegung nach Bild 9.34 L ges RA d i d a t VL t RL q& Anf q& End End Anf q / q & & Strö- mung t F,Scheitel RL , Rohr VL , Rohr Q Q & & m mm mm mm °C °C W/m² W/m² - - °C - 16 20 -26,7 -24,6 1,085 turbulent 18,47 2,68 17 19 -27,0 -26,5 1,019 turbulent 18,11 1,62 120 300 16 20 15 21 -23,7 -21,4 1,107 laminar 19,10 3,95 16 20 -34,7 -29,9 1,161 turbulent 18,85 8,13 120 150 16 20 17 19 -35,3 -34,1 1,035 turbulent 18,20 2,40 16 20 -33,9 -29,4 1,153 turbulent 18,80 6,3 120 150 13 17 17 19 -34,3 -33,2 1,033 turbulent 18,19 2,09 16 20 -30,9 -27,1 1,140 laminar 18,73 5,00 60 150 13 17 17 19 -34,0 -32,9 1,033 turbulent 18,19 2,19 RA Rohrabstand d i , d a Rohrinnen-, Rohraußendurchmesser t VL , t RL Vor-, Rücklauftemperatur q& Anf , q& End Wärmestromdichte am Anfang der Haarnadel, am Scheitel der Haarnadel Q & Rohr,VL / Q & Rohr,RL Verhältnis der Rohrwärmeabgaben bzw. -aufnahmen des Vor- und des Rücklaufs an der An- schlussstelle zu den Verteilleitungen (Anfang der Haarnadel) Außer der Hauptaussage über die ortsabhängige Verteilung der Wärmestromdichte kann auch der Rohreinsatz bezüglich seiner Effizienz eingeschätzt werden. Raum 1 Raum n 60 m L ges = 120 m V R V R V R V R Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 141 • Ein hoher Ungleichförmigkeitsgrad Anf q& / End q ist erwartungsgemäß mit einer Temperatur im Scheitelpunkt t F,Scheitel gepaart, die stark vom Idealwert (Rohrverlegung ohne gegensei- tige Beeinflussung) abweicht, und an ein großes Verhältnis RL , Rohr VL , Rohr Q / Q & & gekop- pelt. Letzteres zeigt die ungleiche Effizienz der Wärmeleistung des Vor- und Rücklaufes besonders deutlich. • Generell ist eine kleine Temperaturspreizung anzustreben. • Diese Forderung ist umso notwendiger zu erfüllen, je besser die Wärmeleitung zwischen beiden Rohren ist, wie der Übergang von RA = 300 mm zu 150 mm zeigt. Bei einer Sprei- zung von 4 K steigt die Ungleichförmigkeit beispielsweise von ca. 9 % auf 16 % und RL , Rohr VL , Rohr Q / Q & & von etwa 3 auf 8 an. • Die Verwendung eines kleineren Rohrdurchmessers reduziert bei sonst gleichen Parame- tern die Leistung und die Ungleichförmigkeit gering. • Bei kleinen Wasserdurchsätzen infolge hoher Spreizungen und/oder kurzen Rohrlängen treten oftmals laminare Strömungsverhältnisse auf. Sie reduzieren die Wärmestromdichten deutlich, die Ungleichförmigkeiten dagegen nicht. Kleinere Stromkreislängen gepaart mit kleinen Spreizungen stellen einen optimalen Kompromiss bezüglich Wärmestromdichten und Druckverlusten dar. Halbiert man beispielsweise die Strom- kreislänge und die Spreizung, so bleiben der Massestrom und der spezifische Druckverlust im Rohrregister gleich. Die Pumparbeit für die Registerdurchströmung ändert sich in erster Nähe- rung nicht, die örtlichen Wärmestromunterschiede reduzieren sich jedoch beträchtlich. Die Un- gleichförmigkeit sinkt z. B. von 15 % auf 3%. Wegen der günstigeren Vorlauftemperatur kann in der Regel auch ein höherer Anteil Umweltenergie genutzt werden. Beim Einsatz von Kunststoff-Kapillarrohrmatten mit Paralleldurchströmung können derartige Ungleichförmigkeiten nicht auftreten. Dies ergibt weitere Freiheitsgrade bei der Planung der Systeme. Bericht im Anhang K: "Ortsbezogene Kühlleistung von Massivbauteilen mit integrierten Rohrregistern in Abhängigkeit der Rohrverlegung" (56 Seiten) Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 142 10 Thermisch aktive Flächen am Baukörper Grundsätzlich können am Baukörper im Rohbauzustand Decken, Wände und Fußböden als thermisch aktive Flächen installiert werden. Sie arbeiten in der Regel stationär, d. h., diese Sys- teme kompensieren die Raumkühl- und Raumheizlasten trägheitsarm, sobald sie von Kalt- oder Warmwasser durchflossen werden. Die Konstruktionen sind sehr gut regelbar. Jede thermisch aktive Flächenkonstruktion hat das Problem zu lösen, eine gutwärmeleitende Verbindung zwischen dem Paneel und dem Rohrregister herzustellen und somit eine große Kühl- bzw. Heizleistung zu realisieren. Die Leistung, die Flexibilität des Produktes hinsichtlich Geometrie und Design, die Montage- freundlichkeit und der Preis stellen die entscheidenden Auswahlkriterien dar. Die vielfältigen Produkte auf dem Markt gliedern sich hauptsächlich in zwei Gruppen: • Rohrregister aus Metall In der Regel werden Kupferrohrmäander eingesetzt, deren Kontakt zum Paneel meistens durch Wärmeleitprofile aus Aluminium hergestellt bzw. verbessert wird. • Kunststoff-Kapillarrohrmatten Sie können sowohl in homogene Stoffe eingeformt als auch auf Paneele aufgeklebt bzw. in Paneelzahnprofile eingedrückt werden. Damit sind die Kapillarrohrmatten für alle Anwen- dungsfälle geeignet und nach den Abschnitten 1 und 2 auch aus thermodynamischer, hydraulischer sowie energetischer Sicht vorteilhaft. Haupteinsatzgebiete: ● Die hauptsächliche Nutzung der thermisch aktiven Flächen erfolgte bisher zum Kühlen von gewerblich genutzten, klimatisierten Bauten in Form von Kühldecken. Zunehmend werden diese Installationen aber auch zum Heizen verwendet, wie aus Abschnitt 6 hervorgeht. Seit 1990 sind etwa 1,5 Mill. m² Kühldecken mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten installiert worden. ● Die zweite Entwicklungsrichtung ging in Richtung Heizung von nichtklimatisierten Bauten – beispielsweise Wohnbauten – durch Einsatz von Fußbodenheizungen. Die Vorteile zeigt der Abschnitt 7. Zukünftig wird ein aktiver Fußboden verstärkt auch zu Kühlung genutzt. Ziel der Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten ist es, ausgehend von den traditionellen Einsatzgebieten Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 143 • die vorhandenen Konstruktionen (Komponenten) zu optimieren und • neue Komponenten zu entwickeln, wobei • stets der universelle Einsatz zum Kühlen und Heizen angestrebt wird. Die weitere Betrachtung erfolgt differenziert beginnend bei den derzeitigen Haupteinsatzgebie- ten. 10.1 Untergehängte Kühldecken Die Kapillarrohrmatten werden am Baukörper oberflächennah eingesetzt, damit die Kühlung dem Raum unmittelbar zugute kommt. Die Konstruktionsmöglichkeiten für untergehängte Kühl- decken sind in den Bildern 10.1 bis 10.4 beispielhaft gezeigt. Sie können bestehen aus: • Gipskartonplatten (oder Fermacellplatten) mit aufgeklebten Kapillarrohrmatten • Gipskartonplatten (oder Fermacellplatten) mit unterseitig tapezierten Kapillarrohrmatten • Blähglasplatten (evtl. auch Gipsplatten) mit eingeformten Kapillarrohrmatten • Blechkassetten (auch perforiert mit allen denkbaren Lochmustern) mit eingeklebten oder mit Magnetbändern angedrückten Kapillarrohrmatten • Blechlangfeldplatten mit eingeklebten oder mit Magnetbändern angedrückten Kapillarrohrmatten • Metallkassetten oder Langfeldplatten mit eingeschäumten Kapillarrohrmatten • Alustrangpressprofile mit angeformten Kanälen auf der Rückseite und eingedrückten Kapillarrohrmatten • Dekorglasplatten mit eingeklebten Kapillarrohrmatten • Gipskartonplatten, Blechkassetten oder Blechlangfeldplatten auf die Alustrangpressprofile mit angeformten Kanälen und eingedrückten Kapillarrohrmatten aufgeklebt oder aufgelegt sind • freigespannte Kapillarrohrmatten oberhalb von offenen Raster- oder Lamellendecken. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 144 Bild 10.1 Untergehängte Kühldecken mit eingeform- ten, mit aufgeklebten, mit von Magnetbändern gehal- tenen oder mit eingeschäum- ten Kapillarrohrmatten Leuchten, Luftdurchlässe, Rauchmeldeeinrichtungen, Sprinklersysteme usw. sind integrierbar. Bild 10.2 Wärmeleitpaneel der Fa. Clina (Neu-entwicklung) bestehend aus einem Alu- miniumstrangpressprofil mit angeformten, hin- terschnit-tenen Kanälen und eingedrückten Kapillar-rohrmatten Blähglas Kapillarrohr- matten-System Gipskartonplatte Metalldecke (Kassette oder Langfeldplatte mit/ohne Perforation) Dekorglasplatte offene Metalldecke (Langfeldpaneele) Luftdurchlasselement Gestaltungselement Akustikelement Feder optischer Adapter (Schattenfuge) Bild 10.3 Kühldecken auf der Basis des Wärmeleitpaneels nach Bild 10.2 Das Aluminiumstrangpressprofil kann auf eine Platte (Gipskarton, Blech usw.) aufgeklebt oder ange- drückt werden aber auch in freier Gestaltung in Kombination mit ande- ren Elementen die Kühldecke selbst bilden. Diese Variante ist leistungs- mäßig besonders günstig. Die Kühl- leistung steigt bei Hinterlüftung der Paneele, so beispielsweise durch Ein- fügen eines Luftdurchlasselementes oder einer Schattenfuge. Eine Gestaltung der Unterseiten ist durch beliebige Formgebung (siehe Detail) möglich. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 145 Bild 10.4 Freigespannte Kapillar- rohrmatten über offenen Paneel- bzw. Rasterdecken Die aus optischen Gründen ange- ordneten Decken können somit eine beachtliche Kühlleistung überneh- men. Wichtige Hinweise: • Die in den Bildern 10.1 und 10.3 gezeigten Decken sind architektonisch vielfältig gestaltbar. Alle genannten Lösungen können ausgeführt werden als - geschlossene Decken oder als - offene Decken – beispielsweise mit Luftspalten – zwischen den Paneelen. • Leuchten, Luftdurchlässe, Rauchmeldeeinrichtungen, Sprinklersysteme, Akustikpaneele usw. sind ohne weiteres integrierbar. • Die Geometrie der Kassetten, Langfeldplatten, Gipskartonflächen usw. ist frei wählbar, die Kapillarrohrmatten werden durch entsprechende Konfektionierung angepasst. • Beliebige Anordnungen von Öffnungen sind möglich in Form von Revisionsöffnungen oder als abklappbare Aktivelemente. • Die im Bild 10.4 gezeigte Lösung ist besonders kostengünstig. Sie ist auch als Nachrüstvari- ante geeignet. • Die in den Bildern 10.1 und 10.3 dargestellten Lösungen sind prinzipiell auch als Wandkon- struktionen möglich. Architektonisch besonders attraktiv könnten beispielsweise in Einkaufszentren vertikal an- geordnete gekühlte Dekorglasvarianten in Verbindung mit den Rückwänden der Vitrinen o- der als Werbeträger sein. Es wurden nachfolgende Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten zu Kühldecken durchgeführt. 10.1.1 Algorithmus zur Bewertung und Optimierung von Metall-Kühldecken mit aufgeklebten Kapillarrohrmatten Blechkassetten-Kühldecken mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten werden in großem Umfang an- gewendet. Es wird stets eine gute Wärmeleitung von der Unterseite der Kühldecke bis zum Kapillarrohrmatte Rasterdecke Kapillarrohrmatte Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 146 Kühlwasser angestrebt. Als charakteristischen Parameter hat der Verfasser deshalb einen Teil- wärmedurchgangskoeffizienten definiert κ = | t t | | q | F mi − & (10.1) q& spezifische Leistung (Wärmestromdichte) t mi mittlere Deckentemperatur (Unterseite) t F mittlere Fluidtemperatur (Wassertemperatur) in den Rohren. Er hat sich als Qualitätsmaßstab und Komponentenkennwert für Kühl- und Heizflächen [2] be- währt. Die entscheidenden konstruktiven Einflussparameter auf den Teilwärmedurchgangskoef- fizienten κ und damit auf die Leistung q& (Wärmestromdichte) sind • der Rohrabstand • die Intensität der Verbindung zwischen Rohr und Paneel (Blechkassette). Das Bild 10.5 zeigt den Aufbau der zu untersuchenden Kühldecke und relevante wärmetechnisch interessierende Größen. Bild 10.5 Kühldecke mit Kunststoff- Kapillarrohrmatten in einer Blechkas- sette mit Vlies und Kennzeichnung der wichtigsten geometrischen und wärmetechnischen Parameter Der Wärmetransport werde nachfolgend beschrieben: • Die Wärme strömt aus dem Raum mit der operativen Temperatur (Empfindungstemperatur) t i an die Deckenunterseite mit der Temperatur t mi , da t i > t mi gilt. Es hat sich bewährt, den Wärmeübergang vom Raum an die Unterseite von Kühldecken durch die Basiskennlinie für Fußbodenheizungen gemäß DIN EN 1264 zu beschreiben, da die gleichen physikalischen Bedingungen (Wärmestrom von unten nach oben) wirken. Dies ist in mehreren Veröffentlichungen dargelegt und durch wissenschaftliche Untersuchungen [15] sowie durch Verifikation mit Prüfstandsergebnissen [2, Seite 320] auch gut bestätigt worden. Damit gilt Kleber Kunststoff-Kapillarrohr Vlies Blechkassette Dämmung t F t i Wärmestrom- dichte q t m t 1 t 0 B . Q . Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 147 q& i = 8,92 |t mi - t i | 1,1 in W/m² bzw. α i = 8,92 |t mi - t i | 0,1 in W/(m²K). (10.2) • Die Wärme strömt im Blech der Kassette zur Rohrberührungsfläche mit der Rippenfußtem- peratur t 1 < t m . Das aufliegende Vlies ist an diesem Wärmetransport zwischen den Rohren praktisch nicht beteiligt, da λ Vlies << λ Stahl gilt. Für die Berechnung der Wärmeleitung im Kassettenblech ist eine eindimensionale Wärmeleitung anzusetzen. Bei perforierten Blechen ist der Lochanteil durch Umrechnung in eine äquivalente Blechdicke zu berücksichtigen. • Der gesamte in einer Symmetriehälfte zwischen zwei Rohren aufgenommene Wärmestrom Q & = q& i RA / 2 muss dann durch das Vlies transportiert werden, d. h., t 1 > t 0 ist die thermi- sche Voraussetzung für diesen Vorgang. Als Transportfläche für den Wärmestrom ist die Breite B/2 maßgebend. Je kleiner die Kontaktfläche zwischen dem Rohr und dem Vlies ist, d. h., je kleiner B ist, umso ungünstiger ist dies für den Wärmetransportvorgang. • Schließlich muss der Wärmestrom Q & dann über die Rohrwand an das Wasser übertragen werden. Wegen der relativ kleinen Kontaktfläche ist der Wärmefluss in der Rohrwand als zweidimensionale Wärmeleitung zu berechnen. • Nach [16] ist eine geschlossene Kühldecke auf der Oberseite zu dämmen. Bezüglich der Wärmedämmung sind grundsätzlich zwei unterschiedliche Arten möglich (Bilder 10.6 und 10.7). • Die Anordnung des Vlieses kann außerdem unterschiedlich sein (Bilder 10.6 und 10.7). Alle grundlegenden, relevanten Algorithmen, die für diese Untersuchung benötigt werden, sind in [17] ausführlich dargestellt. Die Zusammenhänge des Wärmetransports in der Rohrwand ba- sieren auf [18]. Bild 10.6 Geometrische und wärmetechnische Größen der Kühldeckenkonstruktion mit Akustikvlies auf der Blechla- melle und völlig von der Däm- mung umhülltem Rohr Durch die vollkommene Däm- mung entstehen keine störenden Effekte, sodass der Wärme- transport genau berechnet wer- den kann. r 1 r 2 λ R ϕ 0 Kleber Kunststoff-Kapillarrohr Vlies Blechkassette Dämmung t F t 0 α F λ L δ V δ L λ V B δ S; λ S RA/2 t 1 t i t m α i ; t mi = t m Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 148 Bild 10.7 Geometrische und wärmetechnische Größen der Kühldeckenkonstruktion mit Akustikvlies unter der Blech- la-melle und aufliegender Dämmung Die Dämmung auf den Rohren bildet einen Hohlraum. Die Wärmeströme sind sehr von der Geometrie und Oberfläche des Dämmmaterials abhängig. Es werden Grenzbetrachtun- gen mit unterschiedlichen Hohlraumgrößen durchge- führt. • Schließlich muss bei vergleichenden Rechnungen mit Messwerten der genaue Belegungs- grad der Kassetten mit Kapillarrohrmatten ermittelt werden. Die einzelnen Elemente des Wärmetransportes vom Raum bis zum Kaltwasser sind in einem Rechenprogramm verknüpft worden. Es wurde durch Plausibilitätskontrollen und Messungen verifiziert. Kapillarrohrmatten in Kassetten mit Mikropor-Beschichtung Diese Konstruktion ist am Hermann-Rietschel-Institut der TU Berlin mit den Normleistungen • 58,7 W/m² (eingelegte Matten) • 75,2 W/m² (eingeklebte Matten) gemäß der Prüfberichte 96001.SP und 96002.SP gemessen worden. Diese Konstruktion wurde mit dem aufgestellten Rechenprogramm nachgerechnet. Der Winkel ϕ 0 , welcher die halbe Breite der Berührungsfläche zwischen Kapillarrohr und Kassette angibt, ist variiert worden. Kleine Winkel (beispielsweise 5°) entsprechen einer Konstruktion mit auflie- genden Matten, große Winkel (beispielsweise 25°) bilden eine Klebevariante nach. Variiert wurde auch die Art der Dämmung nach Bild 10.6 und 10.7. Im letztgenannten Fall erfolgte weiterhin eine Variation des Hohlraums (Rohrfläche d 2 /2 ⋅ RA bzw. d 2 ⋅ RA). Die Ergebnisse zeigt das Bild 10.8. Danach werden die gemessenen Kühlleistungen für • aufliegende Kapillarrohrmatten bei einem Berührungswinkel ϕ 0 = 2° ... 4° • geklebte Kapillarrohrmatten bei ϕ 0 = 24° ... 27° erreicht. Der Einfluss der unterschiedlichen Modellierungen – einhüllende Rohrdämmung und aufliegen- de Dämmung mit verschiedener Hohlraumhöhe – ist nur von untergeordneter Bedeutung. r 1 r 2 λ R ϕ 0 Kleber Kunststoff-Kapillarrohr Vliesbelag auf der Unterseite Blechkassette Dämmung t F t 0 α i ; t mi α F λ B δ L δ B λ L B δ S; λ S RA/2 t 1 = t 0 t i t a α a Hohlraum t m Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 149 Bild 10.8 Kühlleistung der Kasset- tenkühldecke mit Mikropor- Beschichtung nach den Ergebnissen des Rechenprogramms Die ermittelten Berührungswinkel entsprechen der Realität mit Berührungsbreiten der Röhrchen: • 0,2 mm bei aufliegenden Kapillarrohrmatten • 1,4 mm bei geklebten Kapillarrohrmatten. Damit sind der Algorithmus und das aufgestellte Rechenprogramm auch durch die Übereinstim- mung mit praktischen Messungen sehr gut verifiziert. Kapillarrohrmatten in Kassetten mit innenliegendem Vlies Diese Konstruktion ist an der Prüfstelle der Universität Stuttgart für die Variante – Matten ein- geklebt – gemäß Prüfbericht VR95 K27.1111 mit einer Normleistung • 83,5 W/m² (eingeklebte Matten) gemessen worden. Die wärmetechnischen Simulationen ergaben, dass diese Variante leistungsmäßig ungünstiger als bei außenliegendem Vlies ist, da der gesamte Wärmestrom durch das Vlies im Bereich der Rohrberührung treten muss. • Die Leistung bei aufliegenden Kapillarrohrmatten ist mit 39 W/m² (ϕ 0 = 4°) bzw. 51 W/m² (ϕ 0 = 10°) sehr klein. • Der Klebevorgang bewirkt eine Veränderung der Wärmeleitung im Vlies. Der Kleber dringt in das Vlies ein, erhöht seine Wärmeleitfähigkeit und bewirkt eine Verfestigung des Vlieses. Unter diesen Bedingungen ergibt sich eine Normleistung von ca. 84 W/m². Damit haben eingelegte Kapillarrohrmatten gegenüber geklebten Varianten eine Minderleis- tung von etwa 40 % ... 50 %. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 50 55 60 65 70 75 80 Berührungswinkel ϕ 0 ° K ü h l l e i s t u n g W/m² rohrumhüllende Dämmung aufliegende Dämmung kleiner Hohlraum großer Hohlraum Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 150 Trends und Schlussfolgerung Zusammenstellung der prozentualen Leistungsveränderungen bei unterschiedlicher Verbindung Matte/Kassette und bei verschiedenen Kassettengestaltungen Kassettengestaltung Matten- verbindung Mikropor- Beschichtung Vlies 0,3 mm innenliegend ohne Vlies und Beschichtung (nackte Kassette) eingelegt eingeklebt ● Kunststoff-Kapillarrohrmatten sollten in Kassetten stets eingeklebt werden, um die übli- cherweise vorhandenen Raum-Kühlleistungen decken und um mit den marktüblichen Preis- Leistungs-Verhältnissen konkurrieren zu können. ● Innenliegende Vliese bewirken eine größere Wärmedämmung (höhere Isolierwirkung) als außenliegende Beschichtungen. ● Bei speziellen Klebevarianten kann dies jedoch gerade umgekehrt sein, da verschiedene Kle- ber das innenliegende Vlies durchtränken und damit die Wärmeleitfähigkeit im Klebebereich stark erhöhen sowie eine Verbreiterung des "Klebefußes" (B) ermöglichen. 10.1.2 Entwicklungspotenzial für konventionelle Deckenpaneele zu Kühldecken durch Integration von Kapillarrohrmatten Einen großen Marktumfang haben Deckenplatten, die auf der Basis von schlecht wärmeleitenden Mineralfasermaterial hergestellt sind. Die Platten werden üblicherweise in Dicken von 15 mm und 20 mm gefertigt. Wärmetechnisch kennzeichnend ist die sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit von etwa λ = 0,06 W/(m K). Wegen des damit verbundenen hohen Wärmedurchgangswiderstan- des scheiden Konstruktionen mit aufgelegten, aufgeklebten oder angedrückten Rohrregistern oder Wärmeleitprofilen aus. -22 % -40 % bis -50 % -30 % bis -40 % Bericht im Anhang L: "Optimierung des Wärmetransports in Blechkassetten-Kühldecken mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten in Abhängigkeit der Einbringung" (24 Seiten) Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 151 Als Konstruktionsprinzip kommen nur integrierte Rohrsysteme, die möglichst nahe an der Un- terseite der Platte liegen, in Betracht. Kunststoff-Kapillarrohrmatten stellen wegen des engen Rohrabstandes die beste Lösung dar. Um das Leistungspotenzial im Kühlfall abschätzen zu können, wird ein Algorithmus mit Re- chenprogramm nach [13] benutzt. Die Berechnung legt als thermische Randbedingungen die Werte wie bei einer Normprüfung nach DIN 4715 zugrunde (mittlere Temperaturdifferenz: 10 K; Wasser: 16 °C; Raum: 26 °C). Als Deckenaufbau wird eine Konstruktion nach Bild 10.9 ge- wählt. Bei der Platte wird von einem homoge- nen Material sowie von einer festen und spaltfreien Einordnung der Kapillar- rohrmatten ausgegangen. Bild 10.9 Deckenkonstruktion bestehend aus Deckenplatten mit integrierter Kunststoff- Kapillarrohrmatte, Luftraum, Ortbeton und Fußbodenaufbau mit Angabe der geometrischen Abmessungen sowie Kennzeichnung der relevanten wärmetechnischen Größen Platte: δ = 15 mm, λ = 0,06 W/(m K) Luftraum: δ = 100 mm, λ = 0,17 W/(m K) Deckenbeton: δ = 180 mm, λ B = 1,4 W/(m K) Fußboden: δ Dämmung = 30 mm, λ Dämmung = 0,04 W/(m K) δ schwimmender Estrich = 45 mm, λ schwimmender Estrich = 1,4 W/(m K) δ textiler Belag = 10 mm, λ textiler Belag = 0,07 W/(m K) Nachfolgende Konstruktionsparameter und Teile der Konstruktion werden schrittweise variiert: • Plattendicke • Abstand der Rohrachse von der Unterseite • Rohrabstand • Wärmeleitfähigkeit der Platte • zusätzlicher Einbau einer Aluminiumlamelle • Alukaschierung an der Plattenunterseite. q . t a a q . i i t Belag schwimmender Estrich Dämmung Decke aus Stahlbeton 1 8 0 m m Deckenplatte mit integrierter Kapillarrohrmatte δ Luftraum mit zusätzlicher zwischenliegender Folie oder mit Dämmschicht an der Unterseite der Massivdecke ∆ i ← Äquivalenzwert für den realen Luftraum mit zusätzlicher Folie oder Dämmung Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 152 Die Simulationsergebnisse sind in Tabelle 10.1 aufgeführt und leistungsmäßig bewertet. Tabelle 10.1 Kühlleistung gesamt q& einer homogenen Mineralwolleplatte mit integrierter Kunst- stoff-Kapillarrohrmatte (δ Plattendicke; ∆ i Abstand der Rohrachse von unten) Variante δ ∆ i Rohr Rohrabstand i q& a q& gesamt q& Verhältnis mm mm mm mm W/m² W/m² W/m² % 1 15 4 3,4×0,55 10 61,1 4,9 66,1 100 2 15 7 3,4×0,55 10 46,3 5,1 51,4 77,8 3 15 4 3,4×0,55 15 54,4 4,4 58,8 89,0 4 15 7 3,4×0,55 15 42,3 4,7 47,0 71,1 5 20 4 3,4×0,55 10 61,1 4,7 65,9 99,7 6 20 7 3,4×0,55 10 46,3 4,9 51,2 77,5 7 20 4 3,4×0,55 15 54,4 4,2 58,6 88,7 8 20 7 3,4×0,55 15 42,4 4,5 46,8 70,8 9 15 4 4,3×0,90 10 63,4 5,1 68,5 103,6 Aussagen: • Die Kapillarrohre müssen so weit wie fertigungstechnisch möglich nahe an der Deckenun- terseite eingebracht werden. • Einen Abstand der Rohrachsebene von der Deckenunterseite von ∆ i = 4 mm sollte man nicht überschreiten. Steigt er von 4 mm auf 7 mm an, so ergibt sich eine Leistungsminderung von ca. 22 %. • Die Plattendicke ist nahezu bedeutungslos, da sie nur Einfluss auf die ohnehin sehr geringe Kühlleistung des Raumes über der Kühlplatte (oberer Raum) hat. • Die Abstände der Kapillarröhrchen untereinander sollten klein sein, vorzugsweise 10 mm. Bei einer Vergrößerung des Abstandes von 10 mm auf 15 mm tritt eine Leistungsminderung bis 11 % ein. • Der Einsatz dickerer Kapillarrohrmatten bringt nur eine sehr geringe Leistungssteigerung und ist somit aus wärmetechnischer Sicht nicht gerechtfertigt. Denkbare Varianten der Rohreinbringung wären: • Das Fräsen von Nuten und das anschließende Einkleben der Kunststoff-Kapillarrohrmatten. Dies könnte auch unter Zusammensetzen von zwei Platten kleinerer Dicke erfolgen. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 153 • Das Einbringen von Sicken bei der Fließfertigung der Platten. In diese Sicken würden dann die Kapillarrohre eingeklebt. Der Kleber sollte eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzen und die Rohre vollflächig umschließen. Bild 10.10 Konstruktive Varianten zur Einbringung der Kapillarrohrmatten in die Deckenplatten Zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit der Platte gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten: • Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit des Materials Es ist zu untersuchen, ob durch Beimengen von Zusatzstoffen mit guten Wärmeleiteigen- schaften eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit wirtschaftlich vertretbar ist. • Einbringen von zusätzlichen Wärmeleitlamellen Diese Lösung ist bei konventionellen Rohrgeometrien (z. B. bei Rohrmäandern) üblich. So werden bei Fußbodenheizungen im Trockenverlegeverfahren beispielsweise Aluminiumla- mellen zur Verbesserung des Wärmetransports zwischen den Rohren angeordnet. Beide Möglichkeiten wurden untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 10.2 aufgeführt. Bild 10.11 Konstruktive Variante zur Einbringung der Kapillarrohrmatte in Deckenplatten mit unterer Aluminiumkaschierung Platte gefräste Nut Kleber Kapillarrohr Platte gefräste Nut Kleber Kapillarrohr Deckplatte Platte z. B. 8 mm gezogene Kleber Kapillarrohr Sicke Deckplatte Platte Aluminiumplatte 0,5 mm oder Kaschierung gefräste Nut Kleber Kapillarrohr Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 154 Tabelle 10.2 Kühlleistung gesamt q& von Konstruktionen mit verbesserter Wärmeleitung zwi- schen den Rohren der integrierten Kunststoff-Kapillarrohrmatte (δ Plattendicke; ∆ i Abstand der Rohrachse von unten) Variante δ ∆ i Rohr Rohrabstand i q& a q& gesamt q& Verhältnis mm mm mm mm W/m² W/m² W/m² % Basisrechnung: λ = 0,06 W/(m K) 1 15 4 3,4×0,55 10 61,1 4,9 66,1 100 Veränderte Wärmeleitfähigkeit der Platten: λ = 0,08 W/(m K) 10 15 4 3,4×0,55 10 68,3 5,0 73,3 110,9 Basiskonstruktion plus zusätzliche Alulamelle aufliegend auf der Platte: Dicke 0,5 mm 11 15 4 3,4×0,55 10 61,1 4,9 66,1 100,0 12 15 4 3,4×0,55 15 54,4 4,4 58,8 89,0 Basiskonstruktion plus zusätzliche Alulamelle als untere Kaschierung: Dicke 0,5 mm ⇒ Bild 10.11 13 15 2 3,4×0,55 10 79,7 4,9 84,6 128,0 14 15 4 3,4×0,55 10 61,2 4,9 66,2 100,2 15 20 2 4,3×0,90 20 70,9 4,4 75,3 113,9 Aussagen: • Bereits eine geringe Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit des Plattenmaterials (0,06 W/(m²K) ⇒ 0,08 W/(m²K) ) bewirkt eine beachtliche Leistungssteigerung von etwa 11 %. • Eine aufliegende Alulamelle bringt überhaupt keine Leistungsverbesserung. Dies liegt an dem zu großen Abstand vom Rohr und an der ohnehin sehr günstigen Rohrtei- lung bei Kunststoff-Kapillarrohrmatten (10 mm bzw. 15 mm). • Eine Aluminiumlamelle unter der Platte könnte dagegen sehr vorteilhaft sein, wenn damit eine Verringerung von ∆ i entstünde (Bild 10.11). Wird beispielsweise ein Abstand von 2 mm realisiert, ergibt sich eine Steigerung der Kühlleistung um 28 %. Belässt man allerdings die Tiefe der Rohrachsen bei 4 mm – wie bei der Basisvariante –, so tritt keine Leistungssteigerung ein. Eine Leistungserhöhung könnte jedoch bei einem extrem gut wärmeleitenden Anschluss der Kapillarrohrmatten an das Alublech erreicht werden. Bei Einsatz einer dicken Matte mit dem großen Rohrabstand von 20 mm erbringt die Redu- zierung der Verlegetiefe eine Leistungssteigerung um 14 % bezogen auf die Basisvariante. Bei diesen Konstruktionen besteht in Abhängigkeit der technologischen Machbarkeit noch Optimierungsbedarf. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 155 Wollte man die Fräsung bzw. die Herstellung einer gezogenen Sicke vermeiden, könnte mit zwei dünnen Platten (6 mm) eine Sandwichkonstruktion nach Bild 10.12 aufgebaut werden. Selbst- verständlich sollte dann in der rohrführenden Schicht ein Kleber mit guter Wärmeleitfähigkeit – beispielsweise λ = 1 W/(m K) – Verwendung finden. Die Kühlleistung ist in Tabelle 10.3 enthal- ten. Bild 10.12 Sandwichkonstruktion bestehend aus zwei dünnen Platten und einer Kleberschicht Tabelle 10.3 Kühlleistung gesamt q& einer Sandwichkonstruktion nach Bild 10.12 mit integrier- ter Kunststoff-Kapillarrohrmatte (δ Dicke der Kleberschicht; λ = 1 W/(m K)) Variante δ ∆ i Rohr Rohrabstand i q& a q& gesamt q& Verhältnis mm mm mm mm W/m² W/m² W/m² % Basisrechnung: λ = 0,06 W/(m K) 1 15 4 3,4×0,55 10 61,1 4,9 66,1 100 Sandwichkonstruktion: Plattendicken je 6 mm; λ = 1 W/(m K) ⇒ Bild 10.12 16 8 4 3,4×0,55 10 48,9 5,1 54,0 81,7 Die Dicke der Deckenplatte von 6 mm unter der rohrführenden Schicht reduziert die Kühlleis- tung der Gesamtkonstruktion gegenüber der Basisvariante um ca. 18 %. 10.1.3 Entwicklungspotenzial für Holzpaneele zu Kühldecken durch Integration von Kapillarrohrmatten Analog zu den Mineralwolleplatten mit gefrästen Rillen oder zur Sandwichkonstruktion ist auch der Einsatz in geleimten Holzplatten denkbar, beispielsweise nach Bild 10.13. Da die Wärmeleit- fähigkeit von Holz zwischen λ = 0,15 W/(m K) für Kiefer, Fichte, Lärche und λ = 0,24 W/(m K) für Sperrholz liegt, wird ein Wert von 0,2 W/(m K) für die Berechnung angenommen. Die Er- gebnisse in Tabelle 10.4 verdeutlichen, dass aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des Holzes und des kleinen Rohrabstandes sehr große Kühlleistungen erreichbar sind. Selbst wenn der Verlegeabstand aus technologischen Gründen auf ∆ i = 6 mm gesteigert werden muss, ist noch eine sehr hohe Leistung (128 % gegenüber der Basisvariante) möglich. Deckenplatte Kleber Kapillarrohr Deckplatte Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 156 Holzpaneel gefräste Nut Kleber Kapillarrohr Deckplatte Bild 10.13 Sandwichkonstruktion bestehend aus einem Holzpaneel mit eingefrästen Rillen zur Einbringung von Kapillarrohrmatten mit Kleber und einer Deckplatte aus Holz (verleimt) Die Gesamtdicke der Konstruktion wird mit 15 mm und der Abstand vom unteren Rand bis zur Rohrachsebene mit 4 mm angenommen. Damit entsprechen die Maße der Basisvariante. Tabelle 10.4 Kühlleistung gesamt q& einer verleimten Holzkonstruktion nach Bild 10.13 mit in- tegrierter Kunststoff-Kapillarrohrmatte (δ Plattendicke; ∆ i Abstand der Rohrachse von unten) Variante δ ∆ i Rohr Rohrabstand i q& a q& gesamt q& Verhältnis mm mm mm mm W/m² W/m² W/m² % Basisrechnung: λ = 0,06 W/(m K) 1 15 4 3,4×0,55 10 61,1 4,9 66,1 100 Holzpaneel: λ = 0,20 W/(m K) ⇒ Bild 10.13 17 15 4 3,4×0,55 10 86.8 5,2 92,0 139,2 18 15 6 3,4×0,55 10 79,4 5,2 84,7 128,1 10.1.4 Entwicklungspotenzial für Perlit- und Blähglasplatten zu Kühldecken durch Integration von Kapillarrohrmatten Kunststoff-Kapillarrohrmatten sind ohne weiteres in Blähglasplatten integrierbar. Die Wärme- leitfähigkeit von Blähglas beträgt λ = 0,09 W/(m K). Würde man die Kapillarrohrmatten in einer Tiefe von ∆ i = 5 ... 6 mm einbringen, so ergeben sich die Werte gemäß Tabelle 10.5. Tabelle 10.5 Kühlleistung gesamt q& einer Blähglasplatte mit integrierter Kunststoff- Kapillarrohr-matte (δ Plattendicke; ∆ i Abstand der Rohrachse von unten) Variante δ ∆ i Rohr Rohrabstand i q& a q& gesamt q& Verhältnis mm mm mm mm W/m² W/m² W/m² % Basisrechnung: λ = 0,06 W/(m K) 1 15 4 3,4×0,55 10 61,1 4,9 66,1 100 Blähglaspaneel: λ = 0,09 W/(m K) 19 20 5 3,4×0,55 10 65,6 4,9 70,6 106,8 20 20 6 3,4×0,55 10 60,9 5,0 65,9 99,7 Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 157 Die Kühlleistung für Blähglasplatten nach Tabelle 10.5 ergibt je nach Einbettungstiefe Werte, die gut mit Messwerten korrespondieren. Die Wärmeleitfähigkeit von Perlit ist nicht bekannt, dürfte aber etwa in der Größenordnung des Blähglases liegen. 10.1.5 Entwicklung und Optimierung eines Wärmeleitpaneels Es wurden Wärmeleitpaneele aus Aluminiumstrangpressprofilen mit einklipsbaren Kapillar- rohrmatten verschiedener Durchmesser nach den Bildern 10.2 und 10.3 entwickelt und optimiert. Einem Grundsystem gemäß Bild 10.14 sind verschiedenartige Decken zugeordnet worden. Bild 10.14 Clina-Wärmeleitpaneele als thermisch aktives Grundsystem installiert im Prüfraum nach DIN 4715 an der Westsächsischen Hochschule Zwickau (FH) Eine ideale Leistungsanpassung ist durch die Dichte der Paneele und die Anzahl der Röhrchen (Durchmesser 3,4 mm oder 4,3 mm) pro Paneel gegeben. 10.1.6 Entwicklung und Optimierung einer Lamellenkühldecke Eine sehr leistungsstarke und zugleich kostengünstige Kühldecke ist im Bild 10.4 gezeigt. Sie wurde in verschiedenen Variationen experimentell untersucht und in einem Sanierungsbauvor- haben an der Westsächsischen Hochschule Zwickau (FH) zur besten Zufriedenheit der Nutzer in einem Rechnerpool realisiert [19]. Üblicherweise werden ca. 15 PC für maximal 30 Schüler bzw. Studenten bereitgehalten. Die spezifische innere Kühllast liegt bei etwa 100 W/m², sodass RLT-Anlagen mit Kühlfunktion erforderlich sind. Bericht im Anhang M: " Thermodynamische Voruntersuchung zum Einsatz von Kunststoff- Kapillarrohrmatten in Deckensystemen von OWA für Kühlzwecke " (71 Seiten) Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 158 In den vergangenen Jahren wurden diese Rechnerpools in der Regel mit einer horizontalen Strahllüftung über Lüftungsgitter zur Deckung des hygienisch notwendigen Außenluftanteils und mit Kühltruhen ausgestattet. Die Nutzer klagten häufig über Zugerscheinungen und über zu laute Geräusche durch den Betrieb der Klimatruhen. Die Einrichtung eines weiteren Rechnerpools an der Hochschule bot die Gelegenheit zur Erpro- bung des Systems Kapillarrohrmatte über Paneeldecke. Die zentral aufbereitete Zuluft wird über ein Quellluftsystem eingebracht, auch um die Funktion der Kombination Kühldecke-Quellluft in diesem speziellen Einsatzfall messtechnisch zu erfassen und zu bewerten. Für die freie Aufhängung von Kapillarrohrmatten (d a = 3,4 mm, RA = 10 mm) über einer Pa- neeldecke (Bild 10.15) wurde in einem Prüfraum eine Norm-Kühlleistung von 89 W/m² – bezo- gen auf die aktive Fläche – bei optimalen Behaglichkeitsparametern gemessen. Bild 10.15 Anord- nung der Kapillar- rohrmatten über der Paneeldecke Bild 10.16 Rechnerpool während der Montage und im fertiggestellten Zustand mit Quellluftsys- tem und einem Abluftgitter in der Deckenmitte Die Hängungen für die Paneeldecke tragen auch die Kapillarrohrmatten, zusätzliche Befestigun- gen waren nicht erforderlich. Die Kapillarrohrmatten werden mit 16 °C-Kaltwasser aus dem vorhandenen Netz über eine vorgefertigte Wärmeübertragerstation beaufschlagt. Die Vorteile dieses Kühldeckensystems sind: • geringe spezifische Kosten für die Kühldecke Decke Kapillarrohrmatten frei hängend Lamellendecke Lamellenbreite 85 mm 15 mm Spalt 5 0 6 0 Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 159 • hohe Leistung der Kühldecke bei optimaler Behaglichkeit • nachträgliche Installationen im Deckenbereich jederzeit möglich • einfachste Montage der Kapillarrohrmatten am Hängungssystem der Paneeldecke • minimale Abstimmung der Gewerke. 10.2 Kühldecken und Kühlwände direkt am Baukörper Die Kühlfläche mit Kapillarrohrmatten kann an den Baukörper auch direkt angebracht werden. Den Aufbau einer solchen Konstruktion zeigt Bild 10.17. Die Oberfläche entspricht einer ge- putzten oder tapezierten bzw. einer gestrichenen Decke. Der Aufbau besteht aus: • Putz mit integrierten Kapillarrohrmatten • Profilfolie mit integrierten Kapillarrohrmatten, die am Baukörper "tapeziert" und verspach- telt werden; die Oberfläche erhält einen Kunststoffputz oder einen Anstrich. Bild 10.17 Kühlfläche direkt an der Decke oder an der Wand angebracht (Putz oder Pro- filfolie mit integrierten Kapillarrohrmatten), Oberfläche Kunststoffputz oder nach Ver- spachtelung Anstrich Öffnungen für Kabeldurchgänge, Rauchmel- deeinrichtungen, Sprinklersysteme usw. kön- nen berücksichtigt werden. • Die Geometrie der Kühlfläche ist frei wählbar, die Kapillarrohrmatten werden durch entspre- chende Konfektionierung angepasst. • Beliebige Anordnungen der Öffnungen sind möglich. Die Weiterentwicklung der normalen Putzdecken mit integrierter Kapillarrohrmatte ist in mehre- ren Richtungen möglich: ● Einsatz der Profilfolie ● Verwenden von Rauputzen ● Putze mit einer veränderten Wärmeleitfähigkeit ● Einsatz von Akustikputz für Kühldecken. Alle vier Möglichkeiten sind bezüglich ihres Entwicklungspotenzials abgeschätzt und experi- mentell überprüft worden. Kapillarrohr- matten-System Putz Betondecke (Tragkonstruktion) Profilfolie Betondecke (Tragkonstruktion) Profilfolie Putz Anstrich Kapillarrohr- matten-System Putz Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 160 Die Wärmeleitfähigkeit für Putze beträgt nach Firmenangaben: • Normalputz der Fa. Knauf MP 75 λ = 0,35 W/(m K) • Akustik-Spritzputz der Fa. STO λ = 0,10 W/(m K). Die niedrige Wärmeleitfähigkeit des Akustikputzes gründet sich vor allem auf den hohen Poren- gehalt. Für den Wärmeübergang erweist sich die Struktur des Akustikputzes aber vorteilhaft, da seine Oberfläche relativ rau ist, wodurch sich die Oberfläche zum Raum größer als die Projekti- onsfläche – die Deckenfläche – ergibt. Aufgaben: • Ermittlung der Oberflächenvergrößerung aus einem Putzprofil mit einfachen Mitteln • Modellierung der Wärmetransportvorgänge für die in der Folie integrierte Kapillarrohrmatte • Auswirkung der Oberflächenvergrößerung und Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit auf die Kühlleistung aller Putzsysteme. 10.2.1 Oberfläche von Rauputzen Für eine Spritzputzfläche gibt es – im Gegensatz zu Ziehputzgestaltungen – keine bevorzugte Richtung. Somit ist es möglich, aus einem linearen Schnitt ausreichende Informationen über die Oberflächenstruktur zu erhalten. Entlang einer Achse x wird das Höhenprofil des Putzes in kon- stantem Abstand ∆G, welches später der Abstand eines quadratischen Gitters verkörpert, aufge- nommen. Die x-Gitterpunkte beginnen bei 0 und enden bei der beliebigen Zahl xmax. Das Er- gebnis wird unter h(x = 0 ... xmax) abgelegt. Die x-Koordinate ist dabei ganzzahlig. Das Bild 10.18 zeigt wie aus einer Putzfläche eine Achsrichtung ausgewählt wird, um später ein entspre- chendes Flächenquadrat nachzubilden. Bild 10.19 beinhaltet einen Beispielverlauf mit 11 Stütz- stellen für das Höhenprofil längs der x-Achse. Mittels Zufallsgenerator wird ein Gebirge mit der gleichen Verteilung der Höhen – wie auf der Achse x vorhanden – erzeugt (Bild 10.20). Zur Er- mittlung der Oberfläche werden jeweils vier Punkte einer Deckfläche, die zu einem Grundquad- rat gehören, herausgegriffen. Diese vier Punkte spannen im allgemeinen Fall eine räumlich ge- krümmte Fläche auf (Bild 10.21). Um die Größe eines Raumflächenelementes zu bestimmen, wird dieses durch zwei Dreiecke approximiert. Dabei gibt es zwei Möglichkeiten, wie das Bild 10.22 zeigt. Die Berechnung der Dreiecksflächen wird für beide Faltungsvarianten durchgeführt und jeweils die Flächensumme gebildet. Der Größtwert findet bei der Gesamtflächenermittlung Verwendung. Der Algorithmus zur Flächenermittlung basiert auf der Vektorrechnung. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 161 Putzfläche ausgewähltes Untersuchungsgebiet x=0 xmax 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 x h ( x ) 2 1 0 ∆ G Bild 10.18 Putzfläche mit einem zu simulierenden Auswahlgebiet und einer Achse entlang derer das Höhenprofil aufgenommen wird Bild 10.19 Höhenverlauf der Putzoberfläche entlang der x-Achse 0 2 4 6 8 10 0 2 2 0 x y z 2 4 6 8 10 mathematisch erzeugtes, verallgemeinertes Höhenprofil gemessener Höhenverlauf Bild 10.20 Mathematisch ermit- teltes "Gebirge" aus den Grund- daten des Bildes 10.19 Der Verlauf im Bild 10.19 ent- spricht dem gemessenen Hö- henverlauf an der Stelle y = 0. z(x, y) z(x, y+1) z(x+1, y) z(x+1, y+1) ∆G ∆ G Bild 10.21 Fläche im Raum als Teil des Gebirges, die durch vier Punkte aufgespannt wird, wobei die Projektionsfläche ein Quad- rat bildet z(x, y) z(x, y+1) z(x+1, y) z(x+1, y+1) 1. Dreieck 2 . D r e i e c k z(x, y) z(x, y+1) z(x+1, y) z(x+1, y+1) 1. W echseldreieck 2. W echseldreieck Bild 10.22 Möglichkeiten der Approximation der von vier Punkten aufgespannten Raum- fläche durch zwei Dreiecke bei unterschiedlicher Annahme der Faltung Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 162 Die Flächenvergrößerung gegenüber der Projektionsfläche wird als Quotient f angegeben: f = e Grundfläch läche ojektionsf Pr es Deckgebirg des Oberfläche berechnete ≡ . Zugehörig zu der eindimensionalen Rauheitsverteilung nach Bild 10.19 sind die Berechnungser- gebnisse der Flächenvergrößerung f von der Gebietsgröße abhängig. Beispiele: 10×10 Gittereinheiten 2 f = 1,75 ... 1,90 ca. 9 % 54×54 Gittereinheiten 2 f = 1,80 ... 1,83 ca. 1,7 % 109×109 Gittereinheiten 2 f = 1,81 ... 1,82 ca. 0,6 % Das Bild 10.23 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Faktor f und der relativen Rauheit. Letz- tere ist für den Verlauf gemäß Bild 10.19 gleich 1 gesetzt. Die Dezimalen stellen die entspre- chenden Teile der Höhen dar. Für eine reziproke Achsteilung f und eine lineare Teilung für die relative Rauheit r ergibt sich nahezu eine Gerade: f* = (1,039 – 0,491 r) -1 für r = 0,01 ... 1 (10.3) bzw. mit dem richtigen Wert für r = 0 f = (1 – 0,452 r) -1 für r = 0 ... 1. (10.4) Bild 10.23 Zusammenhang zwischen der Flächenvergrößerung f und der relativen Rauheit r Für die relative Rauheit von 1 gilt der Verlauf nach Bild 10.19. Damit sind grundsätzlich gute Approximationsmöglichkeiten für die Ermittlung und zur theoreti- schen Darstellung der Oberfläche von Rauputzen gegeben. Der Gitterabstand (Bild 10.19 und Bild 10.21) wird ∆G ≈ 1 mm gewählt, um praktikabel in der Durchführung bzw. technisch realistisch zu bleiben. Bei sehr kleinen Abständen könnte man sich in die Theorie der Fraktale von MANDELBROT begeben. Die Vergrößerung der Wärmeübertragerfläche wirkt auf die Anteile Konvektion und Strahlung sehr unterschiedlich. Die Zusammenhänge seien an dem detaillierten Höhenverlauf erläutert. 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 f f* f relative Rauheit r Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 163 Die kleinen Poren im Akustikputz sind zwar mit Luft gefüllt, werden aber nicht von ihr durchspült, sodass hierfür keine Konvektion angenommen wird. Der Gitterabstand ∆G ist so zu wählen, dass nur der violette Verlauf betrachtet wird. Diese sichtbare Oberflächenvergrößerung findet dagegen volle Beachtung (Bild 10.20). Die Vertiefungen wirken bezüglich der Strahlung wie Öffnungen von Hohlkörpern. Aus ihnen treten außer der normalen Strahlung (Eigenemission) der Oberfläche noch die im Inneren des Hohlraumes wirkenden reflektierten Anteile hinzu. Aus der Sicht des Hohlraumes handelt es sich um die Flächenhelligkeit, die durch die Öffnung nach außen tritt. Sie ist höher als die Ei- genemission. Nach einem Vorschlag von KAST wird sie durch ein höheres Emissionsverhältnis ε' > ε erfasst [20]. Dieser Ansatz werde für die Poren im Putz verwendet. Für spezielle Geomet- rien der Vertiefungen liegen Berechnungsgleichungen für ε' vor. Für ein bereits hohes Emissi- onsvermögen ist die Steigerung relativ gering, beispielsweise folgt für ε = 0,9 im praxisrelevan- ten Bereich maximal ε' = 0,95. Da für übliche Baumaterialien ε = 0,93 gilt, wird vorgeschlagen, für sehr poröse Putze mit einem leicht erhöhten Wert ε = 0,95 zu rechnen. Für die makroskopische Rauheit des Putzes – Vertiefungen hinter der grünen Linie – sollen die Strahlungsvorgänge detaillierter betrach- tet werden. Die reale Oberfläche ist größer als die grün angedeutete Ebene, aber es tritt infolge der gegenseitigen Verschattung (Eigenbe- strahlung) eine Behinderung der Strahlung auf. D. h., die Strahlung eines jeden Oberflächenteil- chens des Deckenputzes in den Halbraum trifft nicht zwangsläufig die übrigen Raumumfassun- gen (z. B. Wände oder Fußboden) wie dies bei einer glatten Oberfläche der Fall wäre. Die detail- lierten Betrachtungen wurden mit einem eigens dafür entwickelten Rechenprogramm für unter- schiedliche Rauheiten durchgeführt. Inhalt der Untersuchung ist das Feststellen der Strahlung der rauen Oberfläche, die in den Raum an Wände, zum Boden usw. gelangt. Der Strahlungsflä- chenfaktor s – bezogen auf die ebene (grüne) Grundfläche A G – ist im Bild 10.24 in Abhängig- keit der Oberflächenvergrößerung f dargestellt. Die mathematische Approximation im Bereich f = 1 ... 2 lautet: s = 0,973 – 0,01 f + 0,037 f 2 . (10.5) Eine große Oberflächenvergrößerung, als Folge der Rauheit führt nur zu einer relativ geringen Strahlungszunahme an die Umgebung. Ursache dafür ist die mit der Rauheit wachsende Eigenverschattung. P o r e n i m P u t z R a u h e i t d e r P u t z o b e r f l ä c h e Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 164 Bild 10.24 Strahlungsflächenfaktor s in Abhängigkeit der Oberflächenver- größerung f nach Rechenwerten und einer Approximation Der Wärmestrom an eine Kühldecke durch Konvektion und Strahlung ergibt sich mit der zuge- hörigen Temperaturdifferenz zu: Q & = q& A G = (α K A G f + α S A G s) (t Raum – t KD ) Q & = q& A G = (α K f + ε σ b s) A G (t Raum – t KD ) (10.6) mit den Größen Q & Gesamtwärmestrom q& Wärmestromdichte A G ebene Grundfläche (Fläche in der Gitterebene ≡ Projektionsfläche des Deckgebirges) f Flächenvergrößerungsfaktor infolge der Rauheit (Oberfläche des Deckgebirges / A G ) s Strahlungsflächenfaktor infolge der Rauheit (Σ Φ i,j A i / Σ A i ) ε Emissionskoeffizient der rauen Fläche (Normalputz ε = 0,93, Putz mit hohem Porenanteil ε = 0,95) σ Strahlungskonstante (5,67⋅10 -8 W/(m 2 K 4 )) b Temperaturfaktor (für Kühldecken gilt b ≈ 1⋅10 8 K 3 ). Einzelheiten über die Substitution von α S = ε σ b und über b finden sich beispielsweise in [21]. Nach Gl. (10.2) gilt für den Gesamtwärmeübergangskoeffizienten an Kühldecken: α = 8,92 ∆t 0,1 W/(m²K). (10.7) Bei Normprüfbedingungen beträgt das Verhältnis Konvektion zu Strahlung etwa 0,45 zu 0,55, sodass stark vereinfachend gesetzt werden kann: α K ≈ α S ≈ 0,5 α = 4,46 ∆t 0,1 W/(m²K). (10.8) Es folgt nach Substitutionen in Gl. (10.6) für die Wärmestromdichte 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 1 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1 Approximation nach Gl.(10.5) Ergebnisse der Programmberechnung Oberflächenvergrößerung f S t r a h l u n g s f l ä c h e n f a k t o r s Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 165 q& = (α K f + α S s) (t Raum – t KD ) = 4,46 (f + s) (t Raum – t KD ) 1,1 , woraus sich der Gesamtwärmeübergangskoeffizient für raue Flächen α rau ableitet: α rau = 4,46 (f + s) (t Raum – t KD ) 0,1 W/(m²K). (10.9) Im Fortgang ergibt sich mit Gl. (10.5) α rau = (4,34 + 4,415 f + 0,165 f 2 ) (t Raum – t KD ) 0,1 W/(m²K). (10.10) Die Erhöhung des Strahlungsanteiles durch die hohe Porenoberfläche wurde in dieser Berech- nung nicht berücksichtigt. 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Oberflächenvergrößerung f α r a u Temperaturdifferenz t Raum – t KD = 10 K W m²K 8 K 7 K 6 K 3 K 4 K 5 K 1 K 2 K 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Oberflächenvergrößerung f ν = α r a u / α Bild 10.25 Gesamtwärmeübergangskoeffi- zient (Konvektion plus Strahlung) für raue Putzdecken im Kühlbetrieb bei verschiede- nen Temperaturdifferenzen in Abhängigkeit der Oberflächenvergrößerung Für f = 1 entspricht der Wert der Basiskenn- linie nach DIN EN 1264/2, die für Fußbo- denheizungen und glatte Kühldecken gilt. Bild 10.26 Erhöhungsfaktor ν nach Gl. (10.11) für den Wärmeübergangskoeffizienten infolge der Rauheit der Oberfläche im Verhältnis zum Wert bei einer glatten Oberfläche gemäß Basis- kennlinie Bezogen auf den Wärmeübergangskoeffizienten α für glatte Kühldecken folgt ein Erhöhungsfak- tor ν = α α rau . (10.11) Er ist im Bild10.26 dargestellt und gilt unabhängig von der Temperaturdifferenz. Insgesamt ist festzustellen, dass die Vergrößerung des Wärmeübergangskoeffizienten infolge der rauen Putzoberfläche beachtlich ist. Bericht im Anhang N: "Untersuchung der Kühlleistung von Decken mit Kunststoff- Kapillarrohrmatten und Rauputz bzw. Akustikputz unterschiedlicher Geo- metrie" (80 Seiten) Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 166 10.2.2 Berechnungsmodell für heterogene Putzkühldecken mit Kapillarrohrmatten In [13] ist ein Berechnungsmodell für ein Trockenfußbodenheizungssystem mit einer Profilfolie und integrierten Kapillarrohrmatten aufgestellt worden. Das Simulationsmodell ist am genorm- ten Berechnungsverfahren der DIN EN 1264/2 verifiziert worden [13]. Auf dieser Grundlage wurde ein spezielles für eine Kühldecke mit Glatt- und Rauputz zugeschnittenes Modell entwi- ckelt. Den zugehörigen Deckenaufbau zeigt das Bild 10.27. Bild 10.27 Aufbau und Geo- metrie der heterogen aufgebau- ten Putzkühldecke Bei der wärmetechnischen Simulation werden die Folie und der Glattstrich unter dem Rohr als zwei wärmeleitende Rippen um das Rohr betrachtet. Zwischen den Rohren bilden beide Kompo- nenten eine äquivalente, homogene Rippe. Der evtl. aufgebrachte Zusatzputz ist modellgemäß an der horizontalen Wärmeleitung nicht beteiligt, er stellt somit einen normalen Wärmeleitwider- stand zum Raum dar. Die Leistungsberechnung wird für den Einbaufall in einem Normprüfraum vorgenommen. Die Ergebnisse sind im Anhang N zusammengestellt. 10.2.3 Kühlleistung bei Vergrößerung der Oberfläche und der Wärmeleitfähigkeit Die Simulation der Kühlleistung von Putzdecken mit integrierten Kapillarrohrmatten ergab um- fassende Ansatzpunkte zur Leistungssteigerung. Sie sind für homogene und heterogene Putzde- cken im Anhang N detailliert aufgelistet. Die Tabelle 10.6, die aus den vorgenannten Einzelaus- sagen zusammengestellt wurde, ermöglicht einen schnellen Überblick über die erreichbaren Größenordnungen. Hauptaussagen: • Der heterogene Deckenaufbau verspricht bei sehr guter Ausführung (keine Luftspalte bei exakter Verspachtelung) infolge der dünnen Putzschichten große Leistungen. • Bei der bisherigen Putzkühldecke ergab sich bei Normuntertemperatur eine Leistung von 79,1 W/m². Dieser Wert stimmte sehr gut mit der vorliegenden Normprüfung (80,3 W/m²) ü- berein. Bei gleicher Wärmeleitfähigkeit des Putzes von λ = 0,35 W/(m K) folgt nunmehr eine Wärmestromdichte von 94,8 W/m². Dies entspräche einem Leistungszuwachs von ca. 20 %. Gipskarton Spachtelmasse Glattstrich oder Putz ca. 2 ... 4 mm Kunststoff-Kapillarrohrmatte d a /d i 12,5 mm evtl. zusätzlicher Akustikputz ca. 4 ... 8 mm RA Profilfolie ca. 0,8 mm Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 167 • Die Variation von Putzdicke und Wärmeleitfähigkeit führt zu Leistungsunterschieden bis 7 %. • Die Vergrößerung der Oberfläche bewirkt eine große Leistungssteigerung (f = 1,2 bis 13 %). • Ein zusätzlicher Akustikputz ergibt wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit (λ P = 0,1 W/(m K)) eine starke Leistungsminderung. Die Variationen der Dicke und der Wärmeleitfä- higkeit des Glattstriches ergaben nur sehr kleine Leistungsveränderungen (< 2 %). • Verringerte Rohrabstände (15 mm ⇒ 10 mm) führten zu Leistungssteigerungen von ca. 6 %. • Eine Erhöhung der Oberfläche des Akustikputzes bewirkt nur einen sehr geringen Zuwachs. • Geringere Dicke und größere Wärmeleitfähigkeit des Akustikputzes können zu merklichen Verbesserungen der Leistung führen. Als Realisierungsmöglichkeiten sind Beimengungen mit guten Wärmeleiteigenschaften bzw. gut wärmeleitende "Stützgerüste" im Putz denkbar. Tabelle 10.6 Matrix von Beeinflussungsmöglichkeiten bei thermisch aktiven Putzen Rohrabstand Oberflächen- vergr. Wärmeleitfähigkeit Diverses 15 mm ⇒ 10 mm 0 % ⇒ 20 % 0 % ⇒ 40 % W/(m K) Normalputz +4 % 7 % +13 % homogene Putzdecke Akustik- putz +7 % +5 % +9 % 0,1 ⇒ 0,3 +49 % oberflächenna- he Verlegung +28 % Normalputz +13 % +21 % 0,5 ⇒ 1,0 0,35 ⇒ 1,0 +4 ... 5 % dicker Putz 4 mm und hohe Wärmeleitfä- higkeit + 7 % heteroge- ne Putzdecke Akustik- putz +5 ... 6 % 20 % ⇒ 40 % 4 % 0,1 ⇒ 0,2 +27 % 0,1 ⇒ 0,3 +40 % dünner Akustikputz 8 mm ⇒ 4 mm +29 % + 2 0 % Bericht im Anhang N: "Untersuchung der Kühlleistung von Decken mit Kunststoff- Kapillarrohrmatten und Rauputz bzw. Akustikputz unterschiedlicher Geo- metrie" (80 Seiten) Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 168 Weiterhin wurden zahlreiche Putzaufbauten und Zusammensetzungen hergestellt und verglei- chenden Messungen im Prüfraum der Westsächsischen Hochschule Zwickau (FH) unterzogen. Die Ergebnisse sind ohne weitere Detaillierung im Bild 10.28 dargestellt. Bild 10.28 Ergebnisse von vergleichenden Leistungsmessungen bei Normuntertemperatur 10 K in einem Normprüfraum für Musterelemente (keine Deckenvollbelegung) mit unterschiedlichen Putzaufbauten, Putzzusammensetzungen und Oberflächenstrukturierungen Aussage: Das mögliche Entwicklungspotenzial, das Putzkühldecken mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten besitzen, wird sehr deutlich. Einen Teil davon haben neue Entwicklungen bereits erschlossen (siehe auch Bild 6.13). 10.3 Kühlsegel und flexible Kühlflächen Als Kühlsegel werden freihängende, schwerpunktmäßig über den Wärmequellen angeordnete Kühlflächen bezeichnet. Ihre architektonische Gestaltungsvielfalt ist besonders groß (glatte oder beliebig geschwungene Flächen mit gerader oder krummliniger Berandung). Als Materialien sind alle Varianten wie bei untergehängten Decken gemäß Abschnitt 10.1 geeig- net, d. h., Gipskarton, Blechpaneele, Aluminiumstrangpressprofile, Streckmetall usw. Von besonderem Interesse sind Multifunktionselemente mit integrierten • Leuchten • Luftdurchlasselementen M u s t e r 1 M u s t e r 2 M u s t e r 3 M u s t e r 4 M u s t e r 5 M u s t e r 6 M u s t e r 7 M u s t e r 8 M u s t e r 9 0 20 40 60 80 100 s p e z . " N o r m k ü h l l e i s t u n g " i n W / m ² Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 169 • Rauchmeldeeinrichtungen • Sprinklerköpfen usw. Verschiedene Entwicklungen sind im Rahmen des Forschungsthemas – vor allem aus technolo- gischer Sicht in Verbindung mit Aluminium-Schichtenplatten – erfolgt. Weiterhin gibt es zahlreiche Möglichkeiten, auch mit flexiblen Kühlflächen zu arbeiten (Bild 10.29). Sie können dauerhaft, fest installiert sein, aber es ist auch denkbar, diese bis zu einem gewissen Grad verschiebbar anzuordnen. Prinzipiell gibt es zwei Konstruktionsvarianten: • freihängende Kapillarrohrmatten Eine direkte Besonnung der Matten darf nicht auftreten bzw. es muss abgestimmt werden, inwieweit durch eine veränderte Materialwahl die UV-Strahlung zugelassen werden kann. • Stoffsegel mit integrierten Kapillarrohrmatten Die Matten sind von Stoffbahnen aus einem Glasseidengewebe eingehüllt. Die Farbgebung oder Beschichtung – beispielsweise Aluminium Foliebeschichtung – des Gewebes ist belie- big. Die Befestigung erfolgt mittels Zugseilen analog wie bei Zeltplanen. Beide Systeme arbeiten trägheitslos – sobald sie vom Kaltwasser durchflossen werden – und sind somit sehr gut regelbar. 10.4 Kühlleistungen von Raumkühlflächen mit Kapillarrohrmatten Zur Kühlung wird in der Regel Kaltwasser mit einer Temperatur von 16 °C verwendet. Die Leis- tungen sind nach DIN 4715 messtechnisch zu ermitteln (Normleistung für eine mittlere Unter- temperatur von 10 K). Für Produkte mit Kapillarrohrmatten der Fa. Clina gelten die Kennlinien nach den Bildern 10.30 sowie 10.31 und die Normkühlleistungen nach Tabelle 10.7, wobei die Leistungen für die speziellen Einsatzbedingungen vom Hersteller zu bestätigen sind. Die Kühlleistung des Bodens wird bei Komfortbauten durch die Mindestlufttemperatur von 21 °C und den zulässigen vertikalen Lufttemperaturgradienten von 2 K/m begrenzt vgl. Abschnitt 6.4). Zudem ist der Wärmeübergangskoeffizient niedrig, da die kalte Luft am Boden verbleibt. Leistungsdaten werden in der Tabelle 10.8 genannt. Bild 10.29 Flexible Kühlflächen in beliebi- ger ebener oder gekrümmter Anordnung in Form der freihängenden Kapillarrohrmatte oder umhüllt von beliebig gestalteten Stoffen – vor-zugsweise von Glasseidengeweben –, die auch als Werbeträger nutzbar sind Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 170 Bild 10.30 Kühlleistun- gen von Decken und Wänden in Funktion der Raumübertemperatur von Erzeugnissen der Fa. Clina Die Leistungen offener, untergehängter Decken liegen je nach Öffnungs- verhältnis zwischen den Leistungen der geschlossenen Decken und den Kühlsegeln. Bild 10.31 Kühlleistun- gen für freihängende Ka- pillarrohrmatten der Fa. Clina in Funktion der Raumübertemperatur Tabelle 10.7 Normkühlleistungen (Untertemperatur von 10 K) von konventionellen und neu- entwickelten Erzeugnissen mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten der Fa. Clina Konstruktionsart Einsatzvariante Kühlleistung W/m² Putzkühldecke mit eingeputzter Kapillarrohrmatte 3,4×0,55 mm, RA 15 mm oder 4,3×0,8 mm, RA 20 mm, MP 75 der Dicke 9 mm oder mit gespachtelter Profilfolie geschlossene Kühldecke 80,3 ... (94) Gipskartonkühldecke mit aufgeklebter Kapillarrohrmatte 3,4×0,55 mm, RA 10 mm, Dicke 12,5 mm geschlossene Kühldecke 70,7 Fermacellkühldecke mit aufgeklebter Kapillarrohrmatte 3,4×0,55 mm, RA 10 mm, Dicke 10 mm geschlossene Kühldecke 77,3 Blähglaskühldecke mit eingeformter Kapillarrohrmatte 3,4×0,55 mm, RA 10 mm, Dicke 35 mm geschlossene Kühldecke 70,0 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 20 40 60 80 100 120 140 160 t i - t W (Raumtemperatur - mittlere Wassertemperatur) K ü h l l e i s t u n g q i . Form B Form A Form C W/m² K Kunststoffputz auf einem Putzträger freihängendes Kühlsegel Blechkassette mit Vlies geschlossene Decke Langfeldplatte ohne Vlies mit Luftspalt Form A* W a n d k ü h lf lä c h e P u tz F lie se n E n t w i c k l u n g s - p o t e n z i a l f ü r P u t z e 2 4 6 8 10 12 14 0 50 100 150 200 250 300 t i - t W (Raumtemperatur - mittlere Wassertemperatur) K ü h l l e i s t u n g Kapillarrohre horizontal 3,4×0,55 mm, s = 10 mm 4,3×0,90 mm, s = 20 mm Kapillarrohre vertikal 3,4×0,55 mm, s = 15 mm K W/m² Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 171 Konstruktionsart Einsatzvariante Kühlleistung W/m² Stahlblechkassettenkühldecke mit Vlies und aufgeklebter Kapillarrohrmatte 3,4×0,55 mm, RA 10 mm, Kassette lackiert geschlossene Kühldecke 83,5 Stahlblechpaneelkühldecke mit vollflächig verklebter Kapillarrohrmatte 3,4×0,55 mm, RA 20 mm, Paneel la- ckiert Kühldecke mit Fugen 95,0 Kühlsegel mit Kapillarrohrmatte 3,4×0,55 mm sehr stark konstruktionsabhängig Kühldecke seitlich offen und evtl. auch perforiert ca. 90 ... 135 Paneel- oder Rasterdecke mit freigespannter Kapillar- rohrmatte 4,3×0,8 mm, RA 10 ... 20 mm Belegungsgrad der Matte unterschiedlich offene Kühldecke, Matten freihängend 90 ... 100 1) Freihängende, horizontale textile Kühlsegel mit Kapillarrohrmatte 3,4×0,55 mm, RA 10 mm Kühlsegel frei angeordnet ca. 70 ... 80 Freihängende Kapillarrohrmatten 3,4×0,55 mm oder 4,3×0,8 mm Matten freihängend 100 ... 185 ) Leistung auf Projektionsfläche der Matte bezogen Tabelle 10.8 Rechnerische Kühlleistung des Bodens als Funktion der Untertemperatur Konstruktionsart Kühlleistung in W/m² 4 K 6 K 8 K Betonestrich mit Fliesen, eingegossene Kapillarrohrmatte 4,3×0,9 mm, RA 20...30 mm, Verlegetiefe 35 mm 19 28 37 10.5 Fußbodenheizungen mit Kapillarrohrmatten Klassische, sehr gut bewährte Konstruktionen werden modernen Lösungen, die zwar erprobt sind, aber deren Marktanteil noch sehr gering ist, gegenübergestellt. Als charakteristische Merkma- le gelten die Formen der Rohrregister, die Estrichdicken sowie die Arten der Fußbodenbeläge. Die markantesten Unterschiede bestehen in der Form der Rohrregister: • Für die klassische Bauart wird aus der Vielzahl der Varianten ein vernetztes PE-Rohr mit den Abmessungen 17×2 mm und einer Wärmeleitfähigkeit λ R = 0,35 W/(m K) ausgewählt. Die Rohrabstände betragen RA = 150 mm und RA = 300 mm. • Grundlage für die neuzeitlichen Konstruktionen bildet eine spezielle Kunststoff-Kapillar- rohrmatte der Fa. Clina aus PP mit den Abmessungen 4,3×0,9 mm und einer Wärmeleitfä- higkeit λ R = 0,21 W/(m K). Die Röhrchenabstände betragen RA = 20 mm und RA = 30 mm. Für schwimmende Estriche und Heizestriche gelten die Anforderungen nach DIN 18560/02 mit Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 172 den Bauarten: • Bei den klassischen Varianten werden meistens die Bauarten A1 und A2 eingesetzt. Für die weiteren Betrachtungen bildet die Bauart A2 die Grundlage. Für die Estrichnenndicke gilt d E = d R,außen + 50 mm. Die Estrichschicht unter dem Rohr darf 5 ... 15 mm betragen. Gewählt werden eine Estrichnenndicke von 67 mm und eine Dicke der Unterschicht von ca. 5 mm. • Bei den neuen Konstruktionen soll die Bauart A3, in Sonderfällen A1 Anwendung finden. Gegenüber den üblichen Einsatzbedingungen sind nachfolgende Änderungen kennzeich- nend: - Die Heizwassertemperatur liegt unter 40 °C (Obergrenze bei Heizestrichen sind 60 °C). - Die im Estrich eingelegten Kapillarrohrmatten sind durch eine besondere Technologie (Gebrauchsmuster-Anmeldung der Fa. Clina) während der Estricheinbringung beweg- lich, d. h., die Matten schwimmen bis zu einer oberen Lagearretierung auf, können nach unten aber nachgeben. Die nach DIN 18560 Teil 2 aus technologischen Gründen gefor- derte Überdeckungshöhe des Estrichs über den Heizelementen von mindestens 25 mm bzw. etwa dem Dreifachen des Größtkorns des Zuschlages ist in dem Fall zu überdenken. Nach DIN 18560/02 sind Abweichungen der Estrichnenndicke bei den Bauarten A1 und A3 auf d E = d R,außen + 30 mm zulässig, wenn dies entsprechende Eignungsprüfungen nachwei- sen. Bei einem Röhrchen-Außendurchmesser von 4,3 mm könnten somit Estrichdicken von 35 mm realisiert werden. Für die weiteren Berechnungen gilt eine Estrichdicke von 40 mm. Für alle Heizestriche betrage nach DIN EN 1264 die Wärmeleitfähigkeit λ E = 1,2 W/(m K). • Um das Entwicklungspotenzial von Fußbodenheizungen mit Kapillarrohrmatten im Nassver- legesystem abschätzen zu können, wird als Vergleichsvariante eine Einbettung der Kapillar- rohrmatten in einer Kleberschicht von 10 mm Dicke (λ K = 1,2 W/(m K)) betrachtet. Diese Schicht liegt auf einem Trockenestrich der Dicke 25 mm (λ TE = 0,21 W/(m K)). Die Fußbodenheizflächen sind jeweils mit Parkett oder mit Fliesen belegt: Belag Dicke Wärmeleitfähigkeit Wärmeleitwiderstand m W/(m K) m²K/W Parkett Parkett Kleber 0,008 0,002 0,2 0,2 0,050 Fliesen Fliesen Kleber 0,010 0,005 1,0 1,4 0,014 Heizestrich Bauart A1 Heizestrich Bauart A2 5...15 mm Heizestrich Bauart A3 >15 mm Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 173 Die Deckenaufbauten sind selbstverständlich für alle Varianten einheitlich gewählt: Bauelement Dicke Wärmeleitfähigkeit mm W/(m K) Wärmedämmung 50 0,040 Deckenkonstruktion 150 2,1 Die Fußboden- und Deckenaufbauten und die wärmetechnischen Größen der verwendeten Schichten sind in den Bildern 10.32 bis 10.34 dargestellt. Die Höhenlage der Kapillarrohrmatten wird zusätzlich variiert. Rohr d 2 /d 1 = 17/13 mm t a = 15 °C x y ∆ i = 0,054 m t W ; w = 0,5 m/s λ = 1,2 W/(m K) λ R = 0,35 W/(m K) ∆ a = 0,013 m Dämmung: δ a,1 = 0,050 m λ a,1 = 0,04 W/(m K) Betondecke: δ a,2 = 0,150 m λ a,2 = 2,1 W/(m K) l = 0,150m ... 0,300 m Fliesen mit Kleber: δ i,1 = 0,010 m λ i,1 = 1,0 W/(m K) t i = 20 °C δ i,2 = 0,005 m λ i,2 = 1,4 W/(m K) Parkett mit Kleber: δ i,1 = 0,010 m λ i,1 = 0,2 W/(m K) oder t a = 15 °C x y ∆ i = 0,020 m t W ; w = 0,1 m/s λ = 1,2 W/(m K) ∆ a = 0,020 m Dämmung: δ a,1 = 0,050 m λ a,1 = 0,04 W/(m K) Betondecke: δ a,2 = 0,150 m λ a,2 = 2,1 W/(m K) t i = 20 °C Kapillarrohrmatte: d 2 /d 1 = 4,3/2,5 mm; l = 0,030 m λ R = 0,21 W/(m K) Fliesen mit Kleber: δ i,1 = 0,010 m λ i,1 = 1,0 W/(m K) δ i,2 = 0,005 m λ i,2 = 1,4 W/(m K) Parkett mit Kleber: δ i,1 = 0,010 m λ i,1 = 0,2 W/(m K) oder Bild 10.32 Konventionelle Fußbodenheizung mit einem Rohrregister (Rohr 17×2 mm, Ab- stand 150 mm und 300 mm) im Estrich und geklebtem Parkett- oder Fliesenbelag Bild 10.33 Neuzeitliche Fußbodenheizung mit einer Kapillarrohrmatte (Rohr 4,3×0,9 mm, Abstand 20 mm und 30 mm) im Estrich und geklebtem Parkett- oder Fliesenbelag t a = 15 °C x y ∆ a = 0,005 m t W ; w = 0,1 m/s λ = 1,2 W/(m K) ∆ i = 0,005 m Dämmung: δ a,2 = 0,050 m λ a,2 = 0,04 W/(m K) Betondecke: δ a,3 = 0,150 m λ a,3 = 2,1 W/(m K) t i = 20 °C Kapillarrohrmatte: d 2 /d 1 = 4,3/2,5 mm; l = 0,030 m λ R = 0,21 W/(m K) Trockenestrichplatte: δ a,1 = 0,025 m λ a,1 = 0,21 W/(m K) Fliesen mit Kleber: δ i,1 = 0,010 m λ i,1 = 1,0 W/(m K) δ i,2 = 0,005 m λ i,2 = 1,4 W/(m K) Parkett mit Kleber: δ i,1 = 0,010 m λ i,1 = 0,2 W/(m K) oder Bild 10.34 Sonderlösung einer Fußboden- heizung mit einer Kapillarrohrmatte (Rohr 4,3×0,9 mm, Abstand 20 mm und 30 mm) in einer Kleberschicht auf einer Trockenest- richplatte und geklebtem Parkett- oder Flie- senbelag Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 174 10.5.1 Stationäre Leistungsberechnung Vereinfachend wird in allen Varianten nur in der rohrführenden Schicht die Wärmeleitung zwei- dimensional betrachtet. Alle anderen Schichten unterhalb und oberhalb der rohrführenden Schicht leisten somit rechnerisch keinen Anteil am horizontalen Wärmetransport. Dies ist eine gute Näherung bezogen auf die Dämmschicht unterhalb des Heizestrichs bzw. des Trockenest- richs unterhalb der Kleberschicht und bezogen auf den Parkettbelag, da deren Wärmeleitfähig- keiten viel kleiner sind als die Wärmeleitfähigkeit der rohrführenden Schicht. Es ist eine weniger gute Näherung bei Vorhandensein eines Fliesenbelages. Die konventionellen Verlegevarianten sind aufgrund der großen Rohrabstände am meisten benachteiligt. Eine Berechnung mit realen Größen zeigte jedoch die Kleinheit des Fehlers (bezogen auf die Übertemperatur nur ca. 1 %). • Die vergleichenden Berechnungen werden für eine raumseitige Heizleistung i q& = 50 W/m² vorgenommen. Die Raumtemperaturen betragen: t i = 20 °C; t a = 15 °C. • Die erforderliche, mittlere Wassertemperatur ist von grundlegendem Interesse, um die exergetische Bewertung der Systeme nach Abschnitt 2 vornehmen und um anschließend das dynamische Aufheizverhalten untersuchen zu können. • Nach DIN EN 1264/02 sind die maximalen Oberflächentemperaturen (senkrecht über dem Rohrscheitel) auf 29 °C begrenzt. Sie werden ermittelt. Tabelle 10.9 zeigt die Ergebnisse in zusammengefasster Form. Schlussfolgerungen aus der stationären Berechnung: • Die mittleren Heizwassertemperaturen liegen bei den neuzeitlichen Fußbodenheizungen ge- genüber der konventionellen Konstruktion mit RA = 300 mm Rohrabstand um ca. 9 K niedri- ger. • Die Temperaturwelligkeit reduziert sich von ca. 3 K bei der konventionellen Konstruktion mit RA = 300 mm bei Einsatz von Kapillarrohrmatten auf 0 K. • Die mögliche Absenkung der mittleren Heizwassertemperatur innerhalb der Variantenreihe der Kapillarrohrmatten beträgt: ⇒ bei verringerter Verlegetiefe (10 mm statt 20 mm) ca. 0,4 K ⇒ bei kleinerem Rohrabstand (20 mm statt 30 mm) ca. 0,4 K ⇒ bei Ausschöpfung des Entwicklungspotenzials (Trockenestrich) ca. 0,6 K. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 175 Tabelle 10.9 Ergebnisse der stationären Berechnung für i q& = 50 W/m² und t i = 20 °C Konstruktion Rohrabstand (Rohrtiefe) mm Belag Oberflächentemperatur min. °C max. mittlere Wassertemperatur °C Konventionelle Fußbodenheizung 150 (54) 300 (54) Parkett 24,6 25,0 23,7 26,3 32,4 38,3 Bild 10.32 150 (54) 300 (54) Fliesen 24,6 25,0 23,5 26,6 30,5 36,2 Neuzeitliche Fußbodenheizung 20 (35) 30 (35) 20 (30) 30 (30) 20 (20) 30 (20) 20 (10) 30 (10) Parkett 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 29,5 29,9 29,2 29,7 28,8 29,3 28,4 28,8 Bild 10.33 20 (35) 30 (35) 20 (30) 30 (30) 20 (20) 30 (20) 20 (10) 30 (10) Fliesen 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 27,6 28,1 27,4 27,9 27,0 27,4 26,6 27,0 Neuzeitliche Fußbodenheizung (Entwicklungspotenzial) mit Trockenestrichplatte 20 (10) 30 (10) Parkett 24,8 24,8 24,7 24,9 28,2 28,7 Bild 10.34 20 (10) 30 (10) Fliesen 24,7 24,9 24,7 25,0 26,4 26,8 10.5.2 Instationäres Verhalten (Aufheizvorgang) Die Untersuchung erfolgt mit einem Algorithmus nach [13] mit folgenden Besonderheiten: • Das Rohr wird als Rechteck, vorzugsweise als Quadrat approximiert. Es besteht bei den Kapillarrohren aus 12 bzw. 14 und bei den üblichen Fußbodenrohren aus 22 Gitterpunkten. • Die Zeitschrittweite beträgt bei den Kapillarrohrmatten ∆τ = 0,5 s bzw. 0,4 s; bei den kon- ventionellen Rohren wurde ∆τ = 2,5 s gewählt. • Die Rohroberflächentemperatur wird den realen Verhältnissen angepasst, indem der Wär- mestrom vom Rohr an das Bauteil im vorhergehenden Zeitschritt berechnet und für das reale Rohr (d i /d a , λ R ) aus der gegebenen Wassertemperatur bestimmt wird. • Die Untersuchung erfolgt für die konstanten Raumtemperaturen t i = 20 °C und t a = 15 °C. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 176 • Die mittlere Wassertemperatur t W springt zur Zeit τ = 0 auf den Wert, der im stationären Berechnungsfall die Heizleistung i q& = 50 W/m² ergibt. Eine Dämpfung bei Temperatursprün- gen ist eingebaut. Die Bauteiltemperatur entspricht zu Beginn der Raumtemperatur 20 °C. • Für die instationären Berechnungen gelten die ergänzenden Annahmen: Baustoff Dichte Wärmeleitfähigkeit spez. Wärmekapazität kg/m³ W/(m K) J/(kg K) Estrich, Kleber oder Estrich plus Fliesenbelag 2100 1,2 1000 Als signifikante Ergebnisse werden die Aufheizzeiten τ 90% bis zum Erreichen der Heizleistungen i q& = 45 W/m² betrachtet. Die Aufheizverläufe sind aus Bild 10.35 ersichtlich. Bei den Kapillar- rohrmatten sind jeweils nur der ungünstigste und der günstigste Verlauf dargestellt. 0 100 200 300 400 500 600 700 80 0 10 20 30 40 50 60 Kapillarrohrmatte 4,3×0,9 mm im Estrich im Kleber W/m² min H e i z l e i s t u n g RA = 300 mm 100 % 90 % konvent. Rohrsysteme 17×2 mm im Estrich 67 mm 30 mm Matte mittig im Estrich 40 mm 4,0 h 6,8 h 1,0 h 100 200 300 500 600 700 min Aufheizzeit bis 90 % Aufheizzeit RA = 150 mm 0 100 200 300 400 500 600 700 80 0 10 20 30 40 50 60 Kapillarrohrmatte 4,3×0,9 mm im Estrich im Kleber RA = 150 mm W/m² min H e i z l e i s t u n g RA = 300 mm 100 % 90 % konvent. Rohrsysteme 17×2 mm im Estrich 67 mm 30 mm Matte mittig im Estrich 40 mm 0,5 4,3 h 6,7 h 1,5 h 200 300 500 600 700 min Aufheizzeit bis 90 % Aufheizzeit Bild 10.35 Heizleistung in Funktion der Aufheizzeit bei mittlerer Wassertemperatur, die eine Endleistung von 50 W/m² ergibt, für konventionelle und neuzeitliche Bodenheizungen (t i = 20 °C) Schlussfolgerungen aus der instationären Berechnung: • Fußbodenheizungen mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten zeichnen sich infolge der geringeren Trägheit durch bedeutend kürzere Aufheizzeiten aus als konventionelle Systeme. • Bei mittiger Mattenlage im Estrich und RA = 30 mm ergibt sich gegenüber der konventio- nellen Systeme mit RA = 300 mm eine Reduzierung der Aufheizzeit auf 15 % (Parkett) bzw. 22 % (Fliesen). Wählt man als Bezugswert das konventionelle System mit RA = 150 mm, dann reduziert sich die Aufheizzeit der Kapillarrohrvariante auf ein Viertel bzw. auf ein Drittel. • Der Fliesenbelag wurde bei der instationären Berechnung in die zweidimensionale Betrach- tung einbezogen. Dadurch vollzieht sich auch in horizontaler Richtung, d. h. zwischen den Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 177 Rohren eine verstärkte Wärmeleitung. Diese bewirkt bei großen Rohrabständen eine Verkür- zung der Aufheizzeit, wodurch die vergrößerte Speicherfähigkeit und die damit verbundene verlängerte Aufheizzeit teilweise kompensiert wird. Die Wirkung zeigt Bild 10.35 deutlich. • Das Entwicklungspotenzial bezüglich kürzerer Aufheizzeiten ist bei Einsatz von Kapillar- rohrmatten in einer Kleberschicht auf einer Trockenestrichplatte besonders groß. Eine Zusammenfassung der stationären und instationären Ergebnisse zeigt das Bild 1.1! 10.6 Leistungsermittlung von geschlossenen, thermisch aktiven Flächen – Normung Die rasante Entwicklung der thermisch aktiven Flächen zur Raumkühlung – beispielsweise der Decken und Wände – führte zu einer Vielzahl von Lösungen. Außerdem ist es sinnvoll, Kühlflä- chen auch zur Raumheizung einzusetzen. Bei der Planung dieser variantenreichen Systeme, die zudem mit sehr unterschiedlichen Oberflächendesigns versehen werden, kann die Frage nach den Normleistungen kaum noch beantwortet werden. • Die Leistungsprüfung von Raumkühlflächen hat nach der DIN 4715/01 durch Messung in einer genormten Prüfkabine zu erfolgen. • Im Gegensatz dazu wird die Leistung von Fußbodenheizflächen durch eine genormte Be- rechnung nach DIN EN 1264/02 bestimmt. Geschlossene Wärmeübertragerflächen sind nicht hinterlüftet. Damit lassen sich die Wärme- transportvorgänge mit theoretischen Mitteln eindeutig erfassen. Die Strahlungs- und Konvekti- onsverhältnisse ergeben sich im Normalfall durch bekannte thermodynamische Raumverhältnisse. Für Kühldecken ist beispielsweise in Analogie zur Fußbodenheizung wegen der gleichen Wär- mestromrichtung von unten nach oben der Gesamtwärmeübergangskoeffizient übernehmbar. Er folgt aus der sogenannten Basiskennlinie der DIN EN 1264/02. Für die Wärmestromrichtung von oben nach unten hat sich nach [2] der Gesamtwärmeübergangskoeffizient α = 6,7 W/(m²K) be- währt. Die Wärmeleitung innerhalb des Elementes kann mit wärmetechnischen Simulationsmodellen mathematisch sehr gut nachgebildet werden, z. B. analytisch nach [21] oder mittels FEM. Bericht im Anhang O: "Untersuchung der Anheizvorgänge in Fußbodenheizungen mit Estrichver- legung" (22 Seiten) plus zugehörige Rechnerausdrucke beim Verfasser Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 178 Damit kann man die "Ermittlung der Normleistung" aus einem definierten Wärmeübergangsko- effizienten der thermisch aktiven Flächen zum Raum und der Nachbildung der Wärmeleitung im Paneel "zusammensetzen". Eine zusätzliche Sicherheit ist gegeben, wenn Messwerte zur Verifikation verfügbar sind und mit dem geprüften Modell lediglich Parametervariationen erfolgen. Zur Leistungsbestimmung von Putzkühldecken mit Kapillarrohrmatten existiert ein Algorithmus, der auf einer Lösung der LAPLACEschen Differentialgleichung für zweidimensionale Tempera- turverteilung nach FAXÉN basiert [13] (siehe auch Anhang P). Die Randbedingungen der Simulation bezüglich des Wärmestromes zum oberen Raum sind an- gelehnt an die Prüfkabine nach DIN 4715/01 zu formulieren. Die Leistung der im Bild 10.36 gezeigten Putzkühldecke mit der Kapillarrohrmatte 3,4×0,55 mm wurde gemessen und mittels Simulation überprüft. Die Ergebnisse im Bild 10.37 verdeutlichen die sehr gute Übereinstimmung (Simulation: 1,5 % Minderleistung). Damit ist die Sicherheit gegeben, dass auch veränderte Konstruktionen leistungsmäßig simuliert werden dürfen. Im Bild ist beispielsweise eine Kapillarrohrmatte 4,3×0,8 mm eingetragen. Bild 10.36 Geometrie der Putzkühlde- cke mit Kennzeichnung der einflussrei- chen Variationsparameter Bild 10.37 Kühlleistungen einer Putzdecke mit Kunststoff- Kapillarrohrmatten der Fa. Clina bei einer Raumtemperatur von 26 °C in Abhängigkeit der mittleren Wassertemperatur für zwei unter- schiedliche Mattentypen sowie der Vergleich mit Messwerten einer Normprüfung Für Heizdecken existiert kein Normprüfverfahren. Es ist gut vorstellbar, die bewährte Simulati- onsmethode auch hierfür einzusetzen. Für die gleiche Decke ergeben sich die im Bild 10.38 dar- gestellten Wärmestromdichten. Gipskarton Kunststoff-Kapillarrohrmatte d a ×δ ∆ a ∆ i 12,5 mm Putz RA 14 16 18 20 22 24 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 mittlere Wassertemperatur °C K ü h l l e i s t u n g Kapillarrohrmatte 3,4×0,55 mm, RA = 15 mm (∆ a = 2,8 mm, ∆ i = 10,7 mm) Punkte der Normkennlinie Messungen nach DIN 4715/01 W/m² Kapillarrohrmatte 4,3×0,8 mm, RA = 20 mm (∆ a = 4,5 mm, ∆ i = 9,0 mm) T e m p e r a t u r f ü r N o r m l e i s t u n g Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 179 Bild 10.38 Simulierte Heizleistungen einer Putzdecke mit Kunststoff- Kapillarrohrmatten der Fa. Clina bei einer Raumtemperatur von 20 °C in Abhängigkeit der mittleren Wasser- temperatur für zwei unterschiedliche Mattentypen Aussagen: • Das Simulationsmodell ist durch die Verifikation mit Messungen nach DIN 4715/01 zur Ermittlung der Leistungen von geschlossenen Kühldecken mit integrierten Kapillarrohrmat- ten geeignet. • Das Modell kann bei Berücksichtigung der veränderten thermodynamischen Bedingungen auch zur Bestimmung der Heizleistung von Decken Anwendung finden. • In analoger Weise können damit auch die Heiz- und Kühlleistungen für Fußbodensysteme mit Kapillarrohrmatten berechnet werden. Hierfür wurde der modifizierte Algorithmus auch bereits verifiziert [13, 21]. Dies ist zwin- gend notwendig gewesen, da die DIN EN 1264/02 die Bestimmung der Heizleistung von Fußbodenheizungen wegen der Geometrie der Kapillarrohre und den daraus folgenden kon- struktiven Abmessungen ausschließt. Ihr Geltungsbereich ist für mehrere Parameter über- schritten. 25 27 29 31 33 35 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 mittlere Wassertemperatur °C H e i z l e i s t u n g Kapillarrohrmatte 3,4×0,55 mm, RA = 15 mm (∆ a = 2,8 mm, ∆ i = 10,7 mm) W/m² Kapillarrohrmatte 4,3×0,8 mm, RA = 20 mm (∆ a = 4,5 mm, ∆ i = 9,0 mm) Bericht im Anhang Q: "Vorschlag und Beispiel für eine erweiterte Normleistungsbestim- mung geschlossener Kühl- und Heizflächen mit integrierten Rohrre- gistern" (18 Seiten) Bericht im Anhang P: "Untersuchung der Kühlleistung von Putzdecken mit integrierten Kunst- stoff-Kapillarrohrmatten verschiedener Geometrie" (57 Seiten) Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 180 11 Kühlschächte mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten Um die Lufttemperatur und die Luftfeuchte im Raum auf den erforderlichen Wert zu bringen und zu halten, besteht auch die kostengünstige Möglichkeit, durch konvektiv arbeitende Kühl- körper im Raum die Luft abzukühlen und evtl. gezielt zu entfeuchten, wobei das Kondensat zu sammeln und abzuführen ist. Die Ergebnisse von Abschnitt 4 zeigen, dass auch im Komfortbe- reich der Einsatz von Kühlschächten oder -säulen wärmephysiologisch vertretbar ist. Besonders günstig ist die Kombination mit Raumkühlflächen. Die Bilder 11.1 und 11.2 zeigen prinzipielle Anordnungen der Kühlschächte und mögliche direk- te Verbindungen zu Raumkühlflächen. Bild 11.1 Schacht mit vertikal gespannten Kapil- larrohrmatten zur Luftkühlung mittels Kaltwasser links: Umluftkühler rechts: Außenluftkühler Bild 11.2 Schacht mit vertikal gespannten Kapil- larrohrmatten zur Luftkühlung mittels Kaltwasser und nachgeschaltetem Kühlsegel Der Betrieb des Kühlschachtes und des Kühlsegels kann auch jeweils allein erfolgen. Bei entsprechender Auslegung kann diese Schal- tung "eigensicher" gegenüber Kondensatanfall am Kühlsegel sein. In den Bildern 11.3 und 11.4 sind konstruktive Lösungen grundsätzlicher Art angegeben. Die Kaltwasserversorgung erfolgt durch ein Kunststoff-Rohrsystem mit festen oder langzeitbewähr- ten flexiblen Anschlüssen. Die Anordnung der Luftkühlsäulen ist beliebig. Kühlsegel Kühlschacht Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 181 Luft (kalt) Austritt Luft (warm) Eintritt Bild 11.3 Kühlschächte in verschiedenen Formen: Schrank in die Raummöblierung integrierbar oder fahrbare rechteckige Säule Bei beiden Konstruktionen können die Matten vertikal- oder quergespannt werden. Bild 11.4 Kühlsäule verschiedener Formen: links: Zylindersäule mit gewickelten Kapillarrohrmatten rechts: Massivsäule des Gebäudes mit einer schachtbildenden Verkleidung und vertikal angeordneten Kapillar- rohrmatten, in Atrien kann diese Kon- struktion sogar über mehrere Etagen geführt werden. Anmerkungen: • Alle vorgestellten Lösungen sind lediglich Grundkonzepte, die sehr flexibel den gestalteri- schen Vorgaben angepasst werden können. • Die Luftkühler in Schrankform können wie üblich an Wänden aufgestellt werden oder gleichzeitig als Raumteiler dienen. Selbstverständlich sind auch Schachtausbildungen hinter Schrankmöbeln möglich. Der Einsatz ist in Büroräumen, Praxen, Hotelzimmern usw. gegeben. • Die Luftkühler in Säulenform können mit viereckigem oder rundem Querschnitt ausgeführt werden. Ihre Anordnung erfolgt verteilt über den Grundriss beispielsweise in Großraumbü- ros, Verkaufsbereichen, Werkstätten usw. gewickelte Kapillarrohr- matten Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 182 • Zur Leistungssteigerung können kleine Ventilatoren in die Schränke oder Säulen eingebaut und zeitweise zugeschaltet werden. Dies kann z. B. zweckmäßig sein, wenn platzsparende Konstruktionen eingesetzt werden sollen oder wenn man mit möglichst hohen Kaltwasser- temperaturen arbeiten möchte. • Die Betriebsweise mit Kondensatbildung ist in Räumen ohne Luftklimatisierung – z. B. bei Fensterlüftung – angezeigt. Ein weiteres Einsatzgebiet wird in Gewerberäumen, Werkstätten sowie allgemein in Bauten südlicher Ländern (Mittelmeer- bzw. Golfraum) gesehen. Für das Kondensat sind im Boden der Schränke oder Säulen Sammelbehälter anzuordnen. • Die Geometrie der Schächte (Schränke und Säulen) ist nahezu frei wählbar, die Kapillar- rohrmatten werden durch entsprechende Konfektionierung angepasst. • Beliebige Anordnung von Öffnungen ist möglich (Revisions- und Reinigungsöffnungen). • Architektonisch sehr attraktiv können vor allem die freistehenden Säulen gestaltet werden. 11.1 Algorithmus zur Leistungsberechnung der Kühlschächte Im vorliegenden Fall werden in einem Schacht mit oberer Lufteintrittsöffnung und unterer Luft- austrittsöffnung hängend Kapillarrohrmatten angeordnet und im Gegenstrom- bzw. Kreuzgegen- strom vom Kaltwasser durchflossen. Die Luft im Schacht kühlt sich dadurch ab, ihre Dichte steigt gegenüber der Raumluft an, sodass ein positiver thermodynamischer Umtriebsdruck ent- steht. Er wird auch als "Schwerkraftumtriebsdruck" oder "Auftriebsdruck" bezeichnet. Es stellt sich ein Luftvolumenstrom ein, bei dem der Auftriebsdruck und der Druckverlust beim Durch- strömen des Schachtes sich das Gleichgewicht halten. Folgende Gegebenheiten sind relevant: • Die Strömung im Schacht bewirkt eine erzwungene Konvektion. Sie ist in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit relativ genau berechenbar. • Der Volumenstrom durch den Schacht und damit die Strömungsgeschwindigkeit im freien Schachtquerschnitt ist vom Dichteunterschied zwischen der Luft im Schacht und der Raum- luft sowie vom Strömungswiderstand im Schacht einschließlich der Ein- und Austritte abhän- gig. • Unsicher ist einerseits die Ermittlung des Strömungswiderstandes, da die Einordnung der Ka- pillarrohrmatten nicht nach einer ganz strengen Geometrie erfolgt. So ist beispielsweise die Lage der Verteilleitungen bezüglich des Strömungswiderstandes nicht genau erfassbar, die Kapillarrohre sind nicht exakt gerade und die Abstandshalter innerhalb der Matten wirken als kaum erfassbare Einzelwiderstände. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 183 • Andererseits ist die Temperaturverteilung im Schacht sehr von der eingebrachten Wärmeü- bertragerfläche abhängig. Diese wirkt sich auf die Dichteverteilung und damit auf den Schwerkraftumtriebsdruck aus. • Des Weiteren ist zwischen der Anordnung der Kunststoff-Kapillarrohrmatten mit vertikalen oder horizontalen Rohren zu unterscheiden. • Die Modellierungen vor allem der Einzelwiderstände können sehr unterschiedlich erfolgen. Die experimentale Untersuchung überprüft stets nur die Kühlleistung als integrale Summe aller denkbaren Einflüsse. Damit ist eine Verifizierung der Einzeleinflüsse nicht möglich. 11.1.1 Wärmetechnische Modellierung der Kapillarrohrmatten im Schacht Zu untersuchen sind die beiden in den Bildern 11.5 und 11.6 dargestellten Formen von Kapillar- rohrmatten. H Soben H Sunten freier Querschnitt S AQe (Eintritt) Raumlufttemperatur in 1,1 m t R freier Querschnitt S AQa (Austritt) Verlauf der Lufttemperatur Gradient g LT ±0 S T Schranktiefe K a p i l l a r r o h r m a t t e n t Le t La w La t We H Soben H Sunten freier Querschnitt S AQe (Eintritt) Raumlufttemperatur in 1,1 m t R freier Querschnitt S AQa (Austritt) Verlauf der Lufttemperatur Gradient g LT ±0 S T Schranktiefe K a p i l l a r r o h r m a t t e n h o r i z o n t a l g e s p a n n t t Le t La w La t We Bild 11.5 Schematischer Aufbau eines Kühl- schachtes mit vertikal hängenden Kapillar- rohrmatten Bild 11.6 Schematischer Aufbau eines Kühl- schachtes mit horizontal angeordneten Kapil- larrohrmatten Bei der wärmetechnischen Untersuchung ist von fest vorgegebenen Daten und von variablen Daten, die im Rahmen der Optimierung zu bestimmen sind, auszugehen. Es gelten: Festwerte: • Rohrdurchmesser 3,4×0,55 mm • Wärmeleitfähigkeit λ = 0,21 W/(m K) Variable Werte: • Schranktiefe • Größe der Schranköffnungen (oben und unten) Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 184 • Schrankhöhe (es interessiert nur der Höhenabstand zwischen den Öffnungen) • Anzahl der Kapillarrohre • Wassereintrittstemperatur • Wasserdurchsatz. Konvektiver Wärmeübergang an den Kapillarrohrmatten Der luftseitige Wärmeübergang an den Kapillarrohrmatten im Schacht wird als erzwungene Strömung betrachtet. Bei Längsanströmung erfolgt die Berechnung gemäß [24] in nachfolgenden Schritten: K L = Lm 2 Ü Lm w r l ν (11.1) Nu L = 1 , 0 L 5 , 0 L K 95 , 0 9 10 K 55 , 0 2 + Geltungsbereich K L = 0,001 ... 10000 (11.2) α L = Nu L λ Wand / d a , (11.3) wobei die Größen gelten w Lm Geschwindigkeit im Schacht l Ü Überströmlänge (≡ l R ) ν Lm kinematische Viskosität bei Lufttemperatur r Zylinderradius (≡ d a /2) K L Krümmungsparameter Nu L Nußeltzahl α L konvektiver Wärmeübergangskoeffizient d a Außendurchmesser als charakteristische Länge λ Wand Wärmeleitfähigkeit bei Wandtemperatur t Wand . Bei Queranströmung gelten: Nu L0 = 0,3 + [ ] 5 , 0 2 667 , 0 Lm 1 , 0 L 2 Lm 6 , 1 L 667 , 0 Lm L ) 1 (Pr Re 027 , 66 027 , 27 Pr Re Pr Re 441 , 0 − + + − (11.4) Geltungsbereich (10 < Re L < 10 6 ) Re L = w LRB l Ü / ν Lm (11.5) l Ü = π d a / 2 . (11.6) Als Rohrhöhenunterschied von nebeneinanderliegenden Kapillarrohren wird generell angenom- men, dass nebeneinanderliegende Kapillarrohre um den halben Rohrabstand (s R /2) versetzt sind. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 185 Dies erfolgt wechselseitig nach oben und unten, so dass für das Höhenmaß gilt: s h = s R / 2, (11.7) woraus die Luftgeschwindigkeit im Rohrbündel ausgehend von der Luftgeschwindigkeit im frei- en Schachtquerschnitt bei mittlerer Lufttemperatur – berechnet als arithmetisches Mittel aus Ein- und Austrittstemperatur – folgt: w LRB = x d 4 1 w a Lm π − . (11.8) Ableitung folgt aus der Kontinuitätsgleichung (x ≡ 2 Mattenabstände): w Lm x = w LRB a 2 a a d 4 d d x π − d a w Lm w LRB x w Lm = w LRB a 2 a a d x 4 d d π − Die Berücksichtigung der Rohrreihenanzahl und der Anordnung ergibt die endgültige Nußeltzahl Nu L = Nu L0 | | . | \ | − + R h a n 1 1 s 3 d 2 1 , (11.9) wobei diese Gleichung für Reihenzahlen n R < 10 nach GNIELINSKI eingesetzt werden sollte. Sie gilt aber auch n R → ∞ und wird deshalb allgemeingültig verwendet. Beachte: Bei Versatz der Rohrreihen ist die Anzahl doppelt so groß wie die Rohrzahl pro Matte! Schließlich folgt: α L = Nu L λ Lm / l Ü . (11.10) Bis auf Gl. (11.3) gelten alle Stoffwerte bei mittlerer Lufttemperatur im Schacht. Als Approxi- mationen werden die Angaben in [22] verwendet. Strahlungswärmeübergang an den Kapillarrohrmatten Die Einstrahlzahl an die Schachtwände bezogen auf die Mattenoberfläche ist nur bei Kenntnis der genauen Geometrie zu ermitteln. Da der Strahlungswärmeübergang gegenüber der Konvek- tion aber in diesem Fall von untergeordneter Bedeutung ist, werden näherungsweise folgende Vorschläge unterbreitet: • Im ersten Fall sei angenommen, dass der Schacht stets so mit Kapillarrohrmatten gefüllt ist, dass die "Sicht" von einer Wandung auf die gegenüberliegende verstellt ist. D. h. wenn A M > A SW gilt, ist die Einstrahlzahl auf die Gesamtheit der Mattenoberfläche Φ SW_M = 1. Daraus folgt nach der Reziprozitätsbeziehung Φ SW_M A SW = Φ M_SW A M für die Einstrahlzahl Matte - Schachtwand: Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 186 Φ M_SW = M SW A A . (11.11) • Ansonsten sei Φ M_SW = 0,9 angenommen. Bei zwei unterschiedlichen Schachtwänden A SW1 und A SW2 sind entsprechende, näherungsweise Aufteilungen zu treffen: Φ SW1_M = 1 Φ SW2_M = 1 Φ M_SW1 = M 1 SW A A Φ M_SW2 = M 2 SW A A Φ M_SW1 = 0,9 2 SW 1 SW 1 SW A A A + Φ M_SW2 = 0,9 2 SW 1 SW 2 SW A A A + Φ SW1_M = 0,9 2 SW 1 SW M A A A + Φ SW2_M = 0,9 2 SW 1 SW M A A A + . Im Programm wird für die Mattenfläche A M die gesamte Rohroberfläche A R substituiert. Mit dem Emissionsgrad der Rohre ε R sowie der Schachtwand ε SW , der Strahlungskonstanten σ und dem Temperaturfaktor b berechnet sich der Wärmeübergangskoeffizient infolge Strahlung zu α S = Φ ε SW ε R σ b . (11.12) Der Temperaturfaktor werde um lange Iterationen zu vermeiden b = 1⋅ 10 8 gesetzt. Wärmestrom Der Gesamtwärmestrom ergibt sich zu mittel V a R R a t k Matten ) L D 2 n l d ( Q ∆ + π = & (11.13) mit den Größen d a Außendurchmesser der Kapillarrohre l R Länge der Kapillarrohre s R Abstand der Kapillarrohre an der Verteilleitung n R Anzahl der Kapillarrohre Matten Anzahl der Matten D a Außendurchmesser der Verteil- bzw. Sammelleitung wenn A M >A SW1 +A SW2 wenn A M ≤ A SW1 + A SW2 Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 187 L V Länge der Verteil- bzw. Sammelleitung (≡ n R s R ) k Wärmedurchgangskoeffizient bezogen auf d a ∆t mittel mittlere Temperaturdifferenz. Betriebscharakteristik - mittlere Temperaturdifferenz Die Wärmeübertragung zwischen dem Luft- und dem Wasserstrom wird mit Hilfe der Betriebs- charakteristik nach BOŠNJAKOVIĆ für reinen Gegenstrom bei den vertikal gespannten Matten und für Kreuz-Gegenstrom bei den horizontal angeordneten Matten vorgenommen. Aus luft- und wasserseitigem Wärmeübergangskoeffizient folgt unter Beachten des Rohrwärme- leitwiderstandes der Wärmedurchgangskoeffizient. Die Wärmeübertragerfäche (Kapillarrohr- oberfläche) ist bekannt, ebenso der Wasserdurchsatz und damit der Wärmekapazitätsstrom, wor- aus die charakteristische Größe k A / & C W folgt. (Sie wird in der neueren, amerikanischen Litera- tur NTU genannt.) Mit dem Verhältnis der Wärmekapazitätsströme R berechnet sich dann die Betriebscharakteristik P, woraus die Austrittstemperaturen für Wasser und Luft folgen. Es gelten: dimensionslose Temperaturänderungen der Stoffströme ≡ Betriebscharakteristik ) 1 P 0 ( ; t t t t P ; t t t t P i 2 1 2 2 2 2 1 1 1 1 ≤ ≤ ′ − ′ ′ − ′ ′ = ′ − ′ ′ ′ − ′ = (11.14) Anzahl der Übertragungseinheiten (Number of Transfer Units) ) NTU 0 ( ; C A k NTU ; C A k NTU i 2 2 1 1 ∞ ≤ ≤ = = & & (11.15) Wärmekapazitätsstromverhältnisse ) R 0 ( ; C C R ; C C R i 1 2 2 2 1 1 ∞ ≤ ≤ = = & & & & . (11.16) Betriebscharakteristik P = P (NTU; R). (11.17) • Für den reinen Gegenstrom-Wärmeübertrager wird die Betriebscharakteristik für die Stoff- ströme i = 1 oder i = 2 durch die bekannten Zusammenhänge beschrieben: [ ] [ ] , NTU ) 1 R ( exp R 1 NTU ) 1 R ( exp 1 P i i i i i i − − − − = wenn R 1 ≠ 1 (11.18) P NTU NTU = + 1 , wenn R 1 = 1. (11.19) • Der Kreuz-Gegenstrom-Wärmeübertrager wird nach einer neuartigen Untersuchung [23] ap- Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 188 proximiert. Es folgt eine Kurzdarstellung: Die ideale Stromführung stellt der reine Ge- genströmer dar. Seine Betriebscharakteristik sei P g genannt. Der unter heutigen Bedingungen eingesetzte, schlechteste Wärmeübertrager sei ein Kreuzgegenströmer mit zwei Rohrreihen und zwei Durchgängen, die gegensinnig zum Luftstrom geschaltet sind. Nach [24] gilt für die Betriebscharakteristik 1 1 k R y 2 exp 2 y 1 2 y 1 P − | | . | \ | | . | \ | − + − = mit y = 1 - exp | | . | \ | − 2 NTU R 1 1 . (11.20) Es wird von dem pragmatischen Ansatz ausgegangen, dass alle heute real üblichen Hoch- leistungswärmeübertrager zwischen diesen beiden Apparaten liegen. Bild (11.7) zeigt die P- Bereiche, die sich zwischen P g und P k ergeben, deutlich. Sie sind in Abhängig- keit von NTU und R sehr unterschied- lich. Ihr Maximum tritt für NTU = const stets bei R = 1 auf. Bild 11.7 Variationsbereiche der Betriebs- charakteristika für Wärmeübertrager im Gegenstrom und im Kreuzgegenstrom mit zwei Rohrreihen sowie gegensinnig ge- schalteten Durchgängen Die Betriebscharakteristik für einen realen Wärmeübertrager folgt näherungsweise dem Ansatz ). f 1 ( P f P P g k g g − + = (11.21) Der Faktor f g ist ein Wichtungsfaktor, der den "Gegenstromanteil" angibt. Es gelten: f g = 1 reiner Gegenstrom f g = 0 Kreuzgegenstrom, 2 Rohrreihen, 2 Durchgänge, gegensinnig. Spezielle Werte für f g sind [23] oder dem Anhang R zu entnehmen. Eine Iteration über die Annahme der Austrittstemperaturen schließt diesen wärmetechnischen Berechnungskomplex ab. Wärmestrom der Schachtwände Das wärmetechnische Verhalten der Schrankwände kann näherungsweise mit Hilfe des Modells nach Bild 11.8 erfasst werden. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 189 Bild 11.8 Schematische Darstellung der Wärmeströme an der Schachtwand Die Wärmeströme werden an der inneren Oberfläche der Schachtwand bilanziert: Strahlungswärmestrom Q & S = α S A SW (t SW - t Wand ) (11.22) Konvektionswärmestrom Q & K = α K A SW (t SW - t Lm ) (11.23) Raumwärmestrom Q & Raum = 1 SW SW R 1 − | | . | \ | λ δ + α A SW (t R - t SW ) = κ SW A SW (t R - t SW ) (11.24) Bilanz Q & S + Q & K = Q & Raum . (11.25) Es gelten die Einzelgrößen: α S Wärmeübergangskoeffizient infolge Strahlung nach Gl. (11.12) α K Wärmeübergangskoeffizient infolge Konvektion (α K ≈ α L , grobe Näherung) α R Gesamtwärmeübergangskoeffizient auf der Raumseite (α R ≈ 7,7 W/(m²K)) δ SW, λ SW Dicke und Wärmeleitfähigkeit der Schachtwand κ SW Teilwärmedurchgangskoeffizient der Schrankwand t SW Temperatur der Schachtwand auf der Innenseite t Wand Temperatur der Oberfläche der Kapillarrohrmatten t R Raumtemperatur t Lm mittlere Lufttemperatur im Schacht A SW Fläche der Schachtwand. Aus der Bilanzgleichung lässt sich die Temperatur der Schrankwand ermitteln: t SW = SW K S R SW Lm K Wand S t t t κ + α + α κ + α + α (11.26) Mit dieser wird dann der Wärmestrom bestimmt, beispielsweise nach Gl. (11.24). K a p i l l a r r o h r m a t t e n Strahlungs- wärmestrom Konvektions- wärmestrom t Wand t SW t Lm t R Wärmestrom vom Raum Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 190 11.1.2 Strömungstechnische Modellierung der Kapillarrohrmatten im Schacht Die strömungstechnische Modellierung hat den Luftmassestrom durch den Schacht zu ermitteln. Er stellt sich als Gleichgewicht zwischen Druckverlust und thermodynamischem Umtriebsdruck ein. Die Simulation beinhaltet deshalb die Berechnung des luftseitigen Druckverlustes bestehend aus den Teilen Druckverlust bei der Einströmung, beim Durchströmen sowie bei der Ausströ- mung und die Berechnung des Auftriebes infolge des Dichteunterschiedes zwischen innen und außen. Für die zu untersuchenden Geometrien ist wiederum von den Bildern 11.5 und 11.6 aus- zugehen. Luftseitiger Druckverlust Bei der Ermittlung des Druckverlustes werden für die drei Abschnitte unterschiedliche Dichten und Geschwindigkeiten zugrunde gelegt. Es gelten: Druckverlust am Lufteintritt bzw. am Luftaustritt ∆p Le = ζ e 2 Le ρ w Le 2 ; ∆p La = ζ a 2 La ρ w La 2 (11.27) Druckverlust in der Säule ∆p LS = | | . | \ | ζ + λ i h Schacht d l 2 Lm ρ w Lm 2 (11.28) mit den Einzelgrößen ρ Le Dichte der Luft am Eintritt ρ La Dichte der Luft am Austritt ρ Lm mittlere Dichte des Luftstromes in der Säule ζ a Einzelwiderstandsbeiwert beim Luftaustritt ζ e Einzelwiderstandsbeiwert beim Lufteintritt ζ i Einzelwiderstandsbeiwert beim Luftdurchtritt durch die Säule λ Rohrreibungsbeiwert für die Schachtdurchströmung d h hydraulischer Durchmesser des Schachtes unter Beachtung des Rohrbündels l Schacht Durchströmlänge des Schachtes w Le Luftgeschwindigkeit am Eintritt w La Luftgeschwindigkeit am Austritt w Lm mittlere Luftgeschwindigkeit in der Säule. Die Einzelwiderstandsbeiwerte beim Lufteintritt und beim Luftaustritt sind in Abhängigkeit der Öffnungsgeometrie bzw. der Gitterform beispielsweise nach [25] zu bestimmen. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 191 Problematisch gestaltet sich die Ermittlung des Rohrreibungsbeiwertes λ und des Einzelwider- standes ζ i . Hierbei ist zwischen vertikal und horizontal gespannten Kunststoff- Kapillarrohrmatten zu unterscheiden. Vertikale Kapillarrohrmatten Der Rohrreibungsbeiwert bei der Schachtdurchströmung berechnet sich in den Schritten: Hydraulischer Durchmesser d h = 4 A / U (11.29) A freier Querschnitt U benetzter Umfang Reynoldszahl Re = w Lm d h /ν Lm (11.30) ν Lm kinematische Viskosität der Luft im Schacht Rohrreibungsbeiwert für den rechteckigen Schacht λ = 1,2 ⋅ 64 / Re für Re ≤ 2320 (11.31) ε + λ − = λ h d 71 , 3 Re 51 , 2 lg 2 1 für Re > 2320 (11.32) ε absolute Rauigkeit. Der Einzelwiderstandsbeiwert wird durch Einbauten, dies sind die Verteil- und Sammelrohre im Strömungsquerschnitt und die Halterung der Kapillarrohre, verursacht. Angaben für Quer- schnittsverengungen sind in [26] allgemeingültig aus der Blendendurchströmung abgeleitet. Ers- te experimentelle Untersuchungen bestätigten diesen Ansatz für den vorliegenden Fall nicht. In [25] ist ein sogenanntes "Screen" – bestehend aus einem Drahtgeflecht – definiert. Bezüglich der Geo- metrie kommt diese Form den Mattenhalterungen und den Verteil- bzw. Sammelsystemen nahe, weshalb die Angaben in [25] (Messwerte sowie Korrelationen) verwendet werden. Es gelten für den Widerstand X mit der charakteristischen Abmessung d X die Berechnungs- schritte: Re LS = w Lm d X / ν Lm (11.33) qu = rschnitt Anströmque gesamter Screens des t Querschnit freier (11.34) d x Idel’chik [25, Section VIII, 8-6] Screen nach w L m Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 192 ζ X = | | . | \ | − 2 1 qu 1 + qu) - (1 1,3 , wenn Re LS ≥ 400 (11.35) ζ X = | | . | \ | − 2 1 qu 1 + qu) - (1 1,3 k Re , wenn Re LS < 400 (11.36) Re LS 50 100 150 200 300 400 k Re 1,44 1,24 1,13 1,08 1,03 1,01 Für diesen Zusammenhang wurde die Approximation ermittelt: k Re = 1,8 - 9,162182E-3 Re LS + 4,4846E-5 2 LS Re -1,031995E-7 3 LS Re + 9,002293E-11 4 LS Re . (11.37) Die Berechnung hat für alle Widerstände X = 1 bis X = n zu erfolgen, woraus dann der Einzel- widerstandsbeiwert für das Rohrbündel folgt: ζ i = ∑ = ζ n 1 X X . (11.38) Horizontale Kapillarrohrmatten Die Ausführungen für Rohrbündelwärmeübertrager in [24, 25] sind bei Kapillarrohrmatteneinsatz (Geometrie, Reynoldszahlbereich) nicht anwendbar. Der Druckverlust im Schacht wird deshalb wiederum nach Gl. (11.28) unter Verwendung der Gln. (11.31) und (11.32) bestimmt. Es gelten: Hydraulischer Durchmesser Der in der Gl. (11.29) dargestellte, übliche Zusammenhang d h = 4 A / U wird wegen der diffusen Geometrie der Kapillarrohrmatten-Register mit waagerecht verlaufenden Röhrchen und senk- rechten Verteilerrohren volumenbezogen gebildet. d h = O L gister Re gister Re A V 4 H H U A 4 = (11.39) V L Luftvolumen im Schacht A O benetzte Oberfläche im gesamten Schachtvolumen ohne obere und untere Deckflächen. Einzelwiderstandsbeiwert Der Einzelwiderstand wird bei horizontalen Kapillarrohren aus den Rohrreihen selbst nach den Gln. (11.33) bis (11.38) gebildet bzw. zusammengefasst. Der charakteristische Parameter d X ist dann mit d a identisch. Die Simulationsergebnisse fanden eine gute experimentelle Bestätigung. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 193 Thermodynamischer Umtriebsdruck Die Grundlage der Berechnung für den "Auftriebsdruck" bildet ∆p A = g ∆H ∆ρ (11.40) g Erdbeschleunigung ∆H Höhenunterschied ∆ρ Dichteunterschied zwischen der Luft im Schacht und außerhalb des Schachtes. Zur genaueren Ergebnisermittlung wird die Höhe des Schachtes in mehrere Abschnitte unterteilt, z. B. in zehn gleiche Teile. Unter der Voraussetzung, dass die Wärmeübertragerfläche homogen über die Höhe verteilt ist, kann NTU nach Gl. (11.15) linear zur Höhe angesetzt werden. In [21] ist der Verlauf der Heiz- und Kühlmedientemperatur längs der Wärmeübertragerfläche angege- ben. Er lautet für das Heizmedium – im vorliegenden Fall ist dies die Luft t L – bei Gegenstrom t L = t Le - − − − | | . | \ | − − * W L A k C 1 C 1 W L Wa Le e 1 C C 1 t t & & & & für C & L ≠ C & W (11.41) t L = t Le - ( ) A * A t t La Le − für C & L = C & W (11.42) mit t Le Lufteintrittstemperatur t Wa Wasseraustrittstemperatur C & L Wärmekapazitätsstrom der Luft C & W Wärmekapazitätsstrom des Wassers k Wärmedurchgangskoeffizient A* Heizfläche als laufende Variable von 0 bis A. Mit den im Abschnitt 11.1.1 definierten Größen kann die Gleichung vereinfacht werden t L = t Le - ( ) [ ] * W W NTU R 1 W Wa Le e 1 R 1 1 t t − − − − für C & L ≠ C & W (11.43) t L = t Le - ( ) W * W La Le NTU NTU t t − für C & L = C & W , (11.44) wobei bedeuten: R W Wärmekapazitätsstromverhältnis Wasser zu Luft NTU* Anzahl der Übertragungseinheiten bezogen auf den Wasserkapazitätsstrom als Laufvariable. Für die Mitte eines jeden Abschnittes werden die Temperaturen sowie die Dichten der Luft in Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 194 und außerhalb des Schachtes gebildet und Gl. (11.40) ausgewertet. Die Lufttemperatur im Raum wird linear mit dem Gradienten g LT gebildet, wobei in 1,1 m Höhe die Referenztemperatur t R gilt. Das Berechnungsverfahren wird auch für Kreuz-Gegenstrom näherungsweise benutzt, wobei jedoch die berechnete Luftaustrittstemperatur t La nicht unterschritten wird. Eine Iteration über die Annahme des Luftmassestromes schließt diesen strömungstechnischen Berechnungskomplex ab. Der Iterationszyklus umschließt auch das wärmetechnische Modell. Der Algorithmus wurde programmtechnisch umgesetzt. Es gelten die Besonderheiten: • Die Kondensation des Wasserdampfes an den kalten Rohr- bündeln bleibt beim vorliegenden Rechengang zunächst unbe- rücksichtigt. • Der Wärmestrom über die Schachtwände kann zwei unter- schiedliche Typen berücksichtigen. Dies ist sinnvoll, wenn z. B. die Frontplatte des Schachtes einen anderen Aufbau zeigt. • Das Rohrregister bei horizontal gespannten Matten kann mehrgängig ausgebildet sein (siehe Skizze ⇒). 11.1.3 Verifikation Für die im Bild 11.9 dargestellten quadratischen Säulen wurden zahlreiche experimentelle Un- tersuchungen [27] vorgenommen. Ein kleiner Auszug der Ergebnisse ist im Bild 11.10 gezeigt, Matten 400 mm 496 mm Haube: freier Querschnitt vierseitig 4 × 0,04257 m² = 0,17 m² Mittelteil: 15, 8 oder 6 Matten G10 Rohrbündel(Nennmaß): 0,400 m × 1,500 m Kapillarrohre pro Matte: 145 Stück, 36,5 mm lang Unterteil: freier Querschnitt vierseitig 4 × 0,04257 m² = 0,17 m² 0 , 2 m 1 , 9 m Mittelteil: 8 Matten G10 Rohrbündel(Nennmaß): 0,400 m × 1,500 m Kapillarrohre pro Matte: 43 Stück, 145 mm lang Matten 400 mm 496 mm Bild 11.9 Quadratische Säulen mit horizontal- und vertikalgespannten Matten Kreuzgegenstrom 2 Durchgänge 4 Durchgänge Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 195 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 200 400 600 800 1000 log. Übertemperatur (t Raum - t Wasser ) in K K ü h l l e i s t u n g i n W Rechenergebnisse 1 Rechenergebnisse 2 bei veränderten Raumtemperatur- verhältnissen • Messwerte Bild 11.10 Gegenüberstellung der Re- chenergebnisse und der Messwerte für die Varianten: 15 Kapillarrohrmatten; fünfgängig; horizontalgespannt; Wasserstrom ≈ 0,2 m³/h; ohne Haube 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 200 400 600 800 1000 log. Übertemperatur (t Raum - t Wasser ) in K K ü h l l e i s t u n g i n W Rechenergebnisse • Messwerte 15 Kapillarrohrmatten; fünfgängig; horizontalgespannt; Wasserstrom ≈ 0,1 m³/h; mit Haube 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 200 400 600 800 1000 log. Übertemperatur (t Raum - t Wasser ) in K K ü h l l e i s t u n g i n W Rechenergebnisse • Messwerte 8 Kapillarrohrmatten; eingängig; verti- kalgespannt; Wasserstrom ≈ 0,2 m³/h; mit Haube Von der Fa. Clina wurde ein Kühlschacht mit einer sogenannten gespreizten Matte entwickelt (Bild 11.11), der einer Feinoptimierung zu unterziehen war. Die Berechnung der verschiedenen Kühlschachtvarianten erfolgt mit einem leicht verbesserten Programm, indem der vertikale Luft- temperaturgradient lastabhängig gestaltet ist. Bei der Leistungsprüfung wurde bisher eine Prüfkabine nach DIN 4715 eingesetzt. Die Wärme wird dabei durch Dummys eingebracht. Im Weiteren wird geprüft, inwieweit sich eine veränder- te wärmetechnische Konstellation auf die Leistung des Kühlschachtes auswirkt. Als Extremfall sei angenommen, dass die gesamte Wärme über die Wände in den Raum gelangt. Die Messwerte sind [27] entnommen (Bild 11.12). Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 196 freier Querschnitt 0,200 × 0,940 m² = 0,188 m² Mittelteil: 4 Matten G10 Rohrbündel (Nennmaß): 0,150 m × 0,850 m × 1,850 m Kapillarrohre pro Matte: 85 Stück, 1810 mm lang freier Querschnitt 0,200 × 0,940 m² = 0,188 m² 0 , 1 m 1 , 8 m 190 mm M a t t e n 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 200 400 600 800 log. Übertemperatur (t Raum - t Wasser ) in K K ü h l l e i s t u n g i n W Rechenergebnisse Wasserstrom 135 l/h 185 l/h 240 l/h 405 l/h Messwerte Bezug der Temperaturdifferenz auf die Lufttemperatur kleiner Wasserstrom mittlerer Wasserstrom großer Wasserstrom Messwerte Dummyheizung mittlerer Wasserstrom Wandheizung Bild 11.11 Schematischer Aufbau des Prototyps eines Kühlschachtes der Fa. Clina mit rechteckigem Querschnitt der Breite von 1 m (lichte Schachtbreite 940 mm) Bild 11.12 Gegenüberstellung der Rechenergebnisse für einen lastabhängigen Lufttemperaturgradienten und von Messwerten bei zwei verschiedenen Lasteinbrin- gungsarten (Wandheizung, Dummyheizung) mit der Lufttemperatur in 1,1 m Höhe als Bezugstemperatur Aussagen: • Die Übereinstimmung der rechnerischen Ergebnisse mit den Messwerten ist für alle betrach- teten Kühlschachtprototypen sehr gut. • Die Simulationsergebnisse korrelieren mit den Messwerten bedeutend besser, wenn die Raumübertemperatur mit der Lufttemperatur in 1,1 m Höhe gebildet wird. Dies ist logisch er- klärbar, da der Kühlschacht vornehmlich die Wärme aus dem Raum konvektiv aufnimmt. • Der vertikale Lufttemperaturgradient ist bei der Simulation leistungsabhängig anzusetzen. Nach den messtechnischen Untersuchungen des Prototyps wurden im Rahmen der Produktopti- mierung weitere Messungen mit einer Vielzahl von Frontplatten vorgenommen [27]. Bild 11.13 zeigt einen Ausschnitt der Palette der Variationen für die Gestaltung der Frontplatte. Rauchver- suche zeigten, dass fast unabhängig vom Öffnungsgrad sich der Luftein- bzw. der Luftaustritt im Bereich von etwa 1/5 der Höhe – hier sind dies ca. 400 mm – ausbildete. Diese Beobachtung traf nicht zu, wenn die Teilung der Öffnungen in der Frontplatte im unteren Bereich kleiner als im Mittel war (Anstau der kalten Luft bei den Varianten 8 und 11). Die übrigen Varianten zeigten Simulationsergebnisse, die sehr gut mit den Messungen überein- stimmten (siehe Anhang R). Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 197 Bild 11.13 Beispiele für experi- mentell überprüfte Frontgestaltun- gen mit Angabe der Normkühlleis- tung (gültig für eine logarithmi- sche Übertemperatur des Raumes von 10 K) 11.2 Produktoptimierung mittels Simulation Anhand von 17 unterschiedlichen Varianten erfolgte die leistungsbezogene Optimierung des Kühlschachtes auf der Grundlage des Prototyps gemäß Bild 11.11 mittels Simulation. Es gelten die Aussagen: • Der Einfluss des freien Gitterquerschnittes ist bedeutungsvoll. Bei 75 % Lochanteil ergibt sich eine Leistungsreduzierung von ca. 6 %, bei 37 % Lochanteil sogar von 27 %. • Die Leistung stellt in erster Näherung eine lineare Funktion der Höhe dar. Ein 0,5 m höherer Schacht bewirkt eine Leistungssteigerung von 28,3 %, eine Reduzierung um 0,5 m führt zu einer Leistungseinbuße von 27,6 %. • Eine vergrößerte Schachttiefe bei gleichbleibender Mattenzahl führt in den üblichen Geo- metriebereichen + 30 ... 60 mm zu einer Leistungszunahme von 6 ... 8 %. Variante 1 Front gedämmt 457 W Variante 9 Lochblech (grob / fein) Variante 6 hor. Öffnungen gleichmäßig 50 % 534 W Variante 7 vert. Öffnungen gleichmäßig 50 % 510 W Variante 12 Lochblech (grob / fein) 477 W 454 W Variante 10 Front offen 560 W Variante 11 oben offen Lochblech (fein) 500 W 482 W Variante 4 Folie Variante 2 68 % offen 410 W Variante 3 37 % offen 330 W 492 W Variante 5 Folie Tiefe 220 mm Variante 8 hor. Öffnungen ungleichm. 50 % 486 W 499 W 468 W Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 198 • Bezüglich der Mattenanzahl gibt es ein deutliches Optimum. Schachttiefe 190 mm: 4 Kapil- larrohrmatten sind eine sehr gute Lösung, 3 Matten ⇒ -10 %, 5 Matten ⇒ +4 %. • Der Einfluss der Öffnungsgröße ist ab einem Grenzwert von untergeordneter Bedeutung (Vergrößerung von 200 mm auf 300 mm ⇒ +4 ... 5 %). Der Lochanteil des Gitters ist be- deutungsvoller als die Öffnungsgröße, da dieser eine große Änderung der ζ- Werte bewirkt. • Der Wasserdurchfluss nimmt großen Einfluss auf die Kühlleistung des Schachtes. Wasserdurchsatz +50 % ⇒ Leistungszunahme 4 ... 11 % Wasserdurchsatz -50 % ⇒ Leistungsabnahme 8 ... 18 %. • Begrenzend wirken die zulässige Luftaustrittstemperatur und die Luftaustrittsgeschwindig- keit. Bild 11.14 gibt eine Situation bei einer Schwerkraftkühlung wieder [27]. Bild 11.14 Änderung des Luftzustan- des nach dem Austritt aus dem Kühl- schacht Bemerkenswert ist der schnelle An- stieg der Lufttemperatur nach dem Verlassen des Schachtes. Der Abbau der Luftgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Lauflänge erfolgt dagegen relativ langsam. Sehr vorteilhaft ist der niedrige Turbu- lenzgrad. 17 Temperatur baut sich schnell ab Schachtaustritt Dummy Stömungsgeschwindigkeitsprofil vor Luftschacht 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Entfernung vom Luftaustritt in m L u f t g e s c h w i n d i g k e i t i n m / s 4 cm 10 cm 15 cm 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Abstand vom Luftaustritt in m T u r b u l e n z g r a d 4 cm 10 cm 15 cm w baut sich langsam ab Tu ist klein Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 199 11.3 Kühlleistungen von optimierten Kühlschächten Die Kühlleistungen der Clina-Schächte sind in sehr großem Maße von der Geometrie abhängig. Die Höhe der Schächte und die Ansaugtemperaturen haben weiterhin sehr großen Einfluss. 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 0 200 400 600 800 1000 Wassereintrittstemperatur in °C K ü h l l e i s t u n g i n W Temperaturspreizung (t Waus - t Wein ) in K Raumtemperatur 26 °C Raumtemperatur - Wassereintrittstemperatur in K 16 14 12 10 8 6 1 2 3 4 5 6 7 8 Geometrie: Höhe 2,0 m Tiefe 0,19 m 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 0 400 800 1200 1600 2000 Wassereintrittstemperatur in °C K ü h l l e i s t u n g i n W Temperaturspreizung (t Waus - t Wein ) in K Raumtemperatur 26 °C Raumtemperatur - Wassereintrittstemperatur in K 16 14 12 10 8 6 1 2 3 4 5 6 7 8 Geometrie: Höhe 2,5 m Tiefe 0,4 m Bild 11.15 Kühlleistungen von verschiedenen Schachtkonstruktionen der Fa. Clina (Baulänge 1m) Die Leistungen sind rechnerisch ermittelt und durch Messungen punktuell bestätigt worden. 12 Heizschächte mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten Vielfach besteht der Wunsch, die Kühlschächte auch zum Heizen zu verwenden, wobei die gesamte Heizlast oder eine gut regelbare Ergänzungslast zu decken ist. In der Regel sollte von der wechselseitigen Nutzung der mit Kapillarrohrmatten bestückten Schächte als Kühl- und wechselseitigen Nutzung der mit Kapillarrohrmatten bestück- ten Schächte als Kühl- und Heizeinrichtungen ausgegangen werden. Im Bild 12.1 sind die Charakteristika zusammenge- stellt. Bild 12.1 Durchströmungsrichtungen der Luft in Abhängig- keit des Betriebsfalls und übliche Richtung des Wasserstro- mes Kühlfall Heizfall Gegenstrom Gleichstrom Bericht im Anhang R: "Grundlagen zum Wärmeübergang bei Kapillarrohrmatten" (260 Seiten) Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 200 Im Kühlfall liegen die schwierigsten Arbeitsbedingungen vor, beispielsweise wird aus thermo- dynamischen Gründen der Einsatz möglichst hoher Kaltwassertemperaturen gewünscht und in vielen Fällen ist Kondenswasserbildung zu vermeiden. Deshalb ist es selbstverständlich, Gegen- strom zwischen dem Wasser- und dem Luftstrom zu realisieren. D. h., Wasser strömt in den Ka- pillarrohrmatten von unten nach oben sowie die oben eintretende Luft kühlt sich im Schacht ab und fließt infolge der Schwerkraftwirkung im exakten Gegenstrom nach unten. Im Heizfall tritt die bodennahe, kalte Luft unten in die Säule ein, wird an der Oberfläche der Kapillarrohrmatten erwärmt und steigt im Schacht auf. Wollte man auch im Heizfall die thermo- dynamisch beste Übertragungsform – den Gegenstrom – realisieren, dann müsste der Wasserein- tritt oben erfolgen. Bei kombiniert genutzten Kühl- und Heizeinrichtungen wäre eine Umschal- tung zwischen Vor- und Rücklauf erforderlich. Bei einigen Anlagen könnte dies sicherlich zent- ral realisiert werden, aber in den meisten Fällen besteht diese Möglichkeit nicht. Damit bliebe nur die aufwändige Umschaltung vor Ort. Der Armaturen- und Verrohrungsaufwand führte aber in der Regel zu höherem Platzbedarf und verursacht vermehrte Installationskosten. Behält man die für den Kühlfall günstige Verrohrung auch im Heizfall bei, dann bedeutet dies Gleichstrom- betrieb. Damit sind bei einer bestimmten Leistungsanforderung höhere Wassertemperaturen er- forderlich, was thermodynamisch zwar ungünstiger, aber meistens problemlos umsetzbar ist. Das bestehende Rechenprogramm muss unbedingt um diese Strömungsart ergänzt werden und bedarf selbstverständlich auch einer neuen Verifizierung anhand der Messwerte. 12.1 Experimentelle Untersuchungen Untersucht wurde der im Bild 11.11 dargestellte Kühl-/ Heizschacht im Prüfraum nach DIN 4715. Dieser Prüfraum ist normalerweise zur Leistungsmessung an Kühldecken, Kühlwänden u.ä. vorgesehen. Zur Kühlleistungsmessung werden die erforderlichen Wärmelasten durch spezielle Dummys eingebracht. Prüfräume zur Bestimmung der Heizleistung weisen die gleichen Abmessungen auf, die erforderlichen Kühllasten werden durch eine Kühlung der Umfassungen realisiert, so bei- spielsweise bei der Prüfung von Strahlplatten nach DIN V 4706. Um an die Prüfung angepasst zu verfahren, sind zwei Wände als Kühlwände gestaltet worden. Damit ergeben sich aus wärme- technischer Sicht realistische Umgebungsbedingungen, wie sie beispielsweise in einem Eckraum mit zwei Außenfassaden vorliegen. Unter den genannten Bedingungen wurde im zweiten Teil die Heizleistung des gleichen Schachtes ohne Veränderungen der Wasseranschlüsse bestimmt [28]. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 201 12.2 Algorithmus zur Leistungsberechnung von kombiniert genutzten Schächten Der im Abschnitt 11 vorgestellte Algorithmus zur Kühlleistungsermittlung wurde geringfügig verändert: • Aus praktischen Gründen wird die Kühlleistung auf die Temperaturdifferenz Raumtempera- tur – Wassereintrittstemperatur bezogen. • Die Annahme für den vertikalen Lufttemperaturgradient g Lt wurde höhenabhängig gesplittet. Es gelten für die Höhe bis 1,1 m ⇒ g Lt = 3 K/m und über 1,1 m ⇒ g Lt = 0,5 K/m. Zur Leistungsermittlung von Heizschächten wurde der vorhandene Algorithmus in nachfolgen- den Punkten ergänzt: • Steuerung für Gleich- oder Gegenstrom eingeführt. • Die Ermittlung der Medienaustrittstemperaturen für Gleichstrom erfolgt auf der Grundlage der bekannten Berechnung der Betriebscharakteristik. • Die Stoffwerte und die Wärmeübergangskoeffizienten werden stets für die arithmetisch gemittelten Medientemperaturen (Ein- und Austrittstemperaturen) bestimmt. Gleiches gilt auch für die Ermittlung der äußeren Wandtemperatur der Kapillarröhrchen bei Gegenstrom. Im Falle des Gleichstromes wird die Rohroberflächentemperatur mit den mittleren Medientemperaturen, die bei der halben Heizflächengröße vorliegen, bestimmt. • Der Lufteintritt liegt im Heizfall stets unten. • Die Schätzung der Anfangstemperaturen für Wasseraustritt und Luftaustritt wurden geän- dert. • Die Toleranzgrenzen für die Iterationsbeendigungen wurden verringert, da sich sonst in den Leistungskurven Schwankungen zeigen. • Die Annahme für den vertikalen Lufttemperaturgradient g Lt wurde wiederum gesplittet in einen unteren und einen oberen Bereich. Die beste Korrelation lieferte der Zusammen- hang: vertikaler Lufttemperaturgra- dient = f (Heizleistung des Schach- tes); siehe Skizze ⇒ 200 300 400 500 600 700 0 1 2 3 4 Heizleistung g Lt,oben = -0,75 + 0,0068927 Q g Lt,unten = 0,0015133 Q L u f t t e m p e r a t u r g r a d i e n t K/m W . . Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 202 Aus Gründen der einfachen, iterati- onsfreien Handhabung wird jedoch der Zusammenhang vertikaler Luft- temperaturgradient = f (Tempera- turdifferenz Wassereintritt – Raum- temperatur) nach nebenstehender Skizze implementiert. • Die Auswertung der experimentellen Ergebnisse [28] führte zu einer weiteren halbempirisch begründeten Ergänzung. Beim Gegenstrom verändern sich die Temperaturdifferenzen mit der Schachthöhe nur relativ wenig, wodurch die Wärmestromdichten in erster Näherung gleich sind. Beim Gleichstrom liegen völlig andere Verhältnisse vor, da am Heizflächenein- tritt die größte Temperaturdifferenz die höchste Wärmestromdichte bewirkt. Dies führt zu großen Konvektionsbewegungen, die durch die weiter oben liegenden Heizflächenabschnitte nicht unterstützt werden. Man kann sich sehr stark vereinfacht vorstellen, dass die erzwun- gene Grundströmung durch die Dichteunter- schiede (Schachtluft – Raumluft) von Konvek- tionsströmungen, die mit unterschiedlicher In- tensität an der Heizfläche entstehen, überlagert wird (Skizze). Diese stark turbulenten Auf- triebsströmungen – analog der typischen Quell- luftbewegungen im Freien – verursachen eine innere Reibung. 12.3 Verifikation und Leistungen Die Gegenüberstellung der Simulationsergebnisse und der Messwerte erfolgt in den Bildern 12.2. und 12.3. Aussagen: • Die Übereinstimmung der rechnerisch ermittelten und der gemessenen Leistungen ist sehr gut. • Die maximalen Kennlinienabweichungen im Kühlfall ergeben sich bei Temperaturdifferen- 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 0 1 2 3 4 L u f t t e m p e r a t u r g r a d i e n t K/m K g Lt,oben = -1,61 + 0,3134 (t We – t R ) g Lt,unten = -0,214 + 0,06996 (t We – t R ) Wassereintrittstemperatur – Raumtemperatur Temperatur S c h a c h t h ö h e Temperatur S c h a c h t h ö h e Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 203 zen um etwa 14 K. In diesem Fall wird es in der Regel zur Kondenswasserbildung kommen, sodass die ermittelten Leistungen ohnehin eine Veränderung erfahren. Im unteren Leis- tungsbereich besteht praktisch völlige Übereinstimmung zwischen Rechnung und Messung. Dies stellt eine zusätzliche Verifikation des Algorithmus dar. Starken Einfluss auf die Kühl- leistung nimmt das vertikale Lufttemperaturprofil im Raum. Der unterschiedlich angenom- mene Lufttemperaturgradient entspricht typischen Quelllüftungen und ist somit wirklich- keitsnah. • Damit kann das ergänzte Rechenprogramm für Nutzrechnungen empfohlen werden. Bild 12.2 Kühlleistung des Schachtes gemäß Bild 12.1; Ge- genüberstellung der Simulati- onsergebnisse und der Messwer- te für zwei unterschiedliche Wasserströme Bild 12.3 Heizleistung des Schachtes gemäß Bild 12.1; Gegenüberstellung der Simula- tionsergebnisse des ergänzten Rechenprogramms und der Messwerte für zwei unterschied- liche Wasserströme Der direkte Vergleich der Kühlleistung bei Gegenstrombetrieb und der Heizleistung bei Gleich- strombetrieb unter Verwendung des selben Schachtes und Rohrbündels bei stets gleicher Was- serdurchsatzmenge sowie Strömungsrichtung ist im Bild 12.4 gezeigt. 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 0 100 200 300 400 500 600 700 800 K ü h l l e i s t u n g W K Untertemperatur |t Wassereintritt – t Raum | Gegenstrom: berechnete Kühlleistungen bei Wasserstrom 182 kg/h bei Wasserstrom 90 kg/h Messreihe 1 Wasserstrom 173...188 kg/h Messreihe 2 Wasserstrom 87...96 kg/h 5 10 15 20 25 200 400 600 800 1000 1200 1400 H e i z l e i s t u n g W K bei Wasserstrom 84 kg/h Übertemperatur (t Wassereintritt – t Raum ) bei Wasserstrom 168 kg/h Messreihe 2 Wasserstrom 81...87 kg/h Messreihe 1 Wasserstrom 165...172 kg/h Gleichstrom: berechnete Heizleistungen Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 204 Bild 12.4 Vergleich der Kühl- leistung mit der Heizleistung des Schachtes gemäß Bild 12.1 bei stets gleichen Wasseran- schlüssen (Wassereintritt unten) und einem Wasserdurchsatz von ca.180 kg/h Aussagen: • Die Heizleistung ist bezogen auf die absolute Differenz zwischen Wassereintrittstemperatur und Raumtemperatur bei gleichbleibender Wasserdurchströmung kleiner als die Kühlleis- tung. Ursache dafür ist die thermodynamisch ungünstigere Strömungsform (Gleichstrom statt Gegenstrom). • Ist die Kühlleistung bekannt, dann kann bei gleichem Wasserstrom die |Heizleistung| = |Kühlleistung| erreicht werden, wenn die Temperaturdifferenz von |Wassereintritt - Raum| um etwa 1 K vergrößert wird. • Bei größeren Temperaturdifferenzen als 16 K muss die Heizleistung separat bestimmt wer- den. Das zugehörige Rechenprogramm (Anhang S) ist zur Ermittlung geeignet. • Bei Heizen im Gegenstrombetrieb kann in erster Näherung die |Heizleistung| gleich der |Kühlleistung| bei gleichem Wasserstrom und gleicher Differenz von |Wassereintritts- temperatur – Raumtemperatur| gesetzt werden. 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 200 300 400 500 600 700 K ü h l - / H e i z l e i s t u n g W K Gleichstrom - Heizfall Unter-/ Übertemperatur |t Wasserentritt – t Raum | Gegenstrom - Kühlfall Bericht im Anhang S: "Untersuchung der Heizleistung von wechselweise genutzten Kühl-/Heiz- schächten mit vertikalgespannten Kunststoff-Kapillarrohrmatten" (40 Seiten) Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 205 13 Thermoaktive Dämmung Direkt aus den Überlegungen des Abschnitts 2.1 wird eine unkonventionelle Idee abgeleitet. Obwohl die Temperatur der Wärmequelle T Q • zwischen der technisch erforderlichen Heizmedienvorlauftemperatur T H,V und der Umge- bungstemperatur T U liegt (T H,V = T H + ∆t/2 > T Q > T U ), soll ohne Einsatz einer Wärmepum- pe, Zusatzkessel usw. ein Teil der Raumheizleistung • zwischen der technisch erforderlichen Kühlmedienvorlauftemperatur T K,V und der Umge- bungstemperatur T U liegt (T K,V = T K - ∆t/2 < T Q < T U ), soll ohne Einsatz einer Kältemaschi- ne, Absorptionsapparat usw. ein Teil der Raumkühlleistung übernommen werden, d. h., die vorhandene, dem Raum zuzuführende Heiz- oder Kühlleistung soll durch direkte Nutzung dieser Wärmequelle gesenkt werden. Die beabsichtigten Nutzungsbe- reiche hinsichtlich des Temperaturpotenzials sind im Bild 13.1 dargestellt. Dort wo Bild 2.2 ei- nen erforderlichen Temperaturhub ausweist, soll nunmehr die direkte Nutzung der Quelle bzw. Senke erfolgen. Bild 13.1 Temperaturschaubilder beim Heizen (links) und beim Kühlen (rechts) mit Kennzeich- nung der Nutzungsbereiche des Verfahrens Um die gestellte Aufgabe zu lösen, wird eine thermoaktive Schicht, die mit dem verfügbaren Heiz- oder Kühlmedienstrom der Temperatur T Q beaufschlagt wird, in die äußere Raumumfas- sung (z. B. der Außenwand) so eingeordnet, dass im Heizfall die Temperatur an dieser Stelle über der Temperatur des unbeheizten Bauteiles oder im Kühlfall unter der Temperatur des unge- kühlten Bauteiles an dieser Stelle liegt. Die thermoaktive Schicht ist vorzugsweise äquidistant zu den Bauteiloberflächen einzuordnen und als wärmeträgerführendes System eine Kapillarrohrmatte (Abschnitt 1) zu integrieren. t K,V = t K - ∆t/2 Vorlauftemperatur t K,R = t K + ∆t/2 Rücklauftemperatur t K ∆t/2 ∆t/2 Raumtemperatur t R Wärmesenkentemperatur t Q Kühlfläche im Raum N u t z u n g s b e r e i c h d e s V e r f a h r e n s Vorlauftemperatur t H,V = t H + ∆t/2 Rücklauftemperatur t H,R = t H - ∆t/2 t H ∆t/2 ∆t/2 Raumtemperatur t R Wärmequellentemperatur t Q Heizfläche im Raum N u t z u n g s b e r e i c h d e s V e r f a h r e n s Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 206 Bild 13.2 zeigt im Heizfall die Temperaturverläufe in einer normalen Außenwand t und bei Ein- ordnung einer thermoaktiven Schicht t n . Bild 13.2 Temperaturverlauf in einer einschichtigen Wand (links) und in einer Wand mit ther- moaktiver Schicht (rechts) im Heizfall Die mittlere Temperatur in der thermoaktiven Schicht t RSch > t Sch liegt zwischen der Raum- und der Umgebungstemperatur. Die Wärmestromdichte berechnet sich nach dem FOURIERschen Erfahrungsgesetz zu dx dt q λ − = & . (13.1) Da bei Einbau der thermoaktiven Schicht der Temperaturgradient (-dt n /dx) Kurve b kleiner als im ursprünglichen Fall (-dt/dx) Kurve a ist, muss im Raum weniger Heizenergie zugeführt werden. Der Temperaturgradient (-dt n /dx) Kurve c ist jedoch größer als im Ausgangszustand (-dt/dx) Kurve a , was bedeutet, dass insgesamt ein größerer Wärmestrom an die Umgebung fließt. Der in der Wand übertragene Wärmestrom ist aber geringerer Qualität. Die Bereitstellung kann nach unterschiedlichen Varianten erfolgen. Der erforderliche Aufwand ist dabei stark unter- schiedlich. Es werden nachfolgend drei mögliche Varianten für den Heizfall diskutiert: Variante 1 Der Wärmestrom ist beispielsweise aus der Umwelt direkt entnehmbar (Solaranlage im Winter, Grundwasser, Erdreich). Weiterhin sind Abwasser-, Abgas-, Rücklaufauskühlung usw. möglich. Als energetischer/exergetischer Aufwand ist nur die Transportenergie für den Wärmeträger er- forderlich. Sie wird bei der weiteren Betrachtung vereinfachend vernachlässigt. Somit ist nur der reduzierte Wärmestrom für die Raumheizung R , H Q & < H Q & nach Gl. (2.3) mit der Antriebsenergie für die Wärmepumpe P WP vom Temperaturniveau der Quelle T Q auf T H bereitzustellen t R t U R a u m a u ß e n t t Sch t x Wand Kurve a t R t U R a u m a u ß e n t t Sch t h e r m o a k t i v e S c h i c h t t n t RSch Rohr- register t x t n Wand Kurve a Kurve b Kurve c Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 207 WP R , H H Q WP 1 Q T T 1 P ζ | | . | \ | − = & . (13.2) Variante 2 Würde auch die Heizenergie für die thermoaktive Schicht mittels Wärmepumpe bereitgestellt werden müssen, dann sollten die beiden benötigten Temperaturniveaus (Raumheizung mit T H und Wandheizung mit T W ) getrennt erzeugt werden (Zweistufenbetrieb). Die Exergiezufuhr (An- triebsenergie) ist ein Minimum, wenn die Temperaturen der Transformation exakt den Anforde- rungen entsprechen. Die Antriebsenergie ergibt sich als Summe aus der Versorgung der Raum- heizung mit dem reduzierten Wärmestrom R , H Q & < H Q & bei T H und der Beheizung der thermoakti- ven Schicht mit dem Wärmestrom W , H Q & > H Q & - R , H Q & bei T W 2 , WP W , H W Q 1 , WP R , H H Q WP 1 Q T T 1 1 Q T T 1 P ζ | | . | \ | − + ζ | | . | \ | − = & & . (13.3) Variante 3 Würde die Heizenergie in der richtigen Temperatur T H verfügbar aber der Massestrom begrenzt sein, wie dies bei Nutzung geothermischer Quellen denkbar ist, bietet sich an, den Rücklauf aus der Raumheizfläche zur weiteren Abkühlung in das Rohrregister der thermoaktiven Schicht zu leiten. Der Wärmestrom wäre dann in der Summe größer ( R , H Q & + W , H Q & > H Q & ), der verfügbare Massestrom würde aber weiter ausgekühlt werden. Theoretisch wäre diese Schaltung auch bei Betrieb mit einer Wärmepumpe denkbar, aber in der Regel kaum wirtschaftlich. Die Antriebsenergie sinkt dadurch, dass die mittlere Temperatur des Heizmediums in diesem Betriebsfall kleiner als bei alleiniger Raumheizung ist (T H * < T H ). Die Temperaturanpassung kann aber im Jahresgang nicht immer optimal gewährleistet werden. Für die Antriebsleistung würde gelten WP W , H R , H * H Q WP 1 ) Q Q ( T T 1 P ζ + | | . | \ | − = & & . (13.4) Die angegebenen Zusammenhänge gelten analog für die Raumkühlung. Aussagen: • Wärmestrom für die Raumheizung bzw. für die Raumkühlung verringert sich • Wärmestrom, der in der thermoaktiven Schicht zu- bzw. abgeführt werden muss, ist größer als die Reduzierung des Wärmestromes in bzw. aus dem Raum Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 208 • exergetische Gesamtaufwendungen (Elektroantrieb für die Wärmepumpe bzw. Kältemaschi- ne) verringert sich bei entsprechender Einordnung der thermoaktiven Schicht. 13.1 Optimierungsaufgaben Der Nutzen des Verfahrens ist außer von den gegebenen Randbedingungen (z. B. Temperatur der Wärmequelle T Q ) in starkem Maße von der Einordnung der thermoaktiven Schicht im Bau- teil abhängig. Bild 13.3 zeigt den Einfluss der Lage der thermoaktiven Schicht mit dem integrier- ten Rohrregister im Heizfall sehr deutlich. An Hand der Temperaturgradienten der Kurven b lässt sich bei gleicher Temperatur in der Rohrschicht t RSch erkennen, wie unterschiedlich die raumseitig erforderlichen Wärmeströme sind. Bild 13.3 Auswir- kung unterschiedli- cher Einordnung der thermoaktiven Schicht auf den Tem- peraturverlauf in der Wand und den Tem- peraturgradienten der Kurve b, der der er- forderlichen Wärme- zufuhr im Raum di- rekt proportional ist Die Zielstellungen der Optimierung können technischer, energetischer und/oder wirtschaftlicher Art sein. In der Regel wird primär die Frage zu beantworten sein, wo muss die thermoaktive Schicht eingeordnet werden, um die vorhandene Wärmequelle überhaupt nutzen zu können. Als zweites wird die Auswirkung der Lageveränderung auf den energetischen/exergetischen Auf- wand untersucht. Die verschiedenen Möglichkeiten werden nachfolgend erörtert: Variante 1 Ist der aus der Umwelt mit T Q direkt einsetzbare Wärmestrom beliebig groß, dann ist man be- strebt, die thermoaktive Schicht möglichst weit nach außen zu legen. Im Heizfall reduziert sich der im Raum zuzuführende Wärmestrom dann in besonders großem Maße. Es liegt praktisch ein Randoptimum vor, d. h., das Minimum des Exergiestromes für die Raumbeheizung gemäß Gl. (13.2) wird durch die Realisierbarkeit der Schichtbeheizung diktiert sein. In der Wand muss W , H Q & zugeführt werden. Je weiter die thermoaktive Schicht nach außen verlegt wird, umso grö- ßer ist W , H Q & , wobei es eine technische Begrenzung gibt. Die Wärmeströme betragen: t R t U t RSch R a u m a u ß e n t t h e r m o a k t i v e S c h i c h t t n t n Wand Kurve a Kurve b Kurve c ∆ i ∆ a t R t U t RSch R a u m a u ß e n t t h e r m o a k t i v e S c h i c h t t n t n Wand Kurve a Kurve b Kurve c ∆ i ∆ a Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 209 ( ) A t t 1 Q RSch R 1 i i R , H − | | . | \ | λ ∆ + α = − & (13.5) ( ) A t t 1 Q U RSch 1 a a W , H − | | . | \ | λ ∆ + α = − & - ( ) A t t 1 RSch R 1 i i − | | . | \ | λ ∆ + α − . (13.6) Damit errechnet sich die Leistung der Wärmepumpe zu ( ) WP RSch R 1 i i H Q WP A t t 1 T T 1 P ζ − | | . | \ | λ ∆ + α | | . | \ | − = − . (13.7) Zwischen T Q und der mittleren Temperatur t RSch besteht ein funktioneller Zusammenhang, der hauptsächlich von der Geometrie des Rohrregisters und den wärmetechnischen Einflussfaktoren (Wärmeübergang im Rohr, Wärmeleitfähigkeit und Dicke der Schicht) beeinflusst wird. Mit Ausnahme von ∆ i sind alle in Gl. (13.7) verwendeten Größen direkt oder indirekt vorgegeben. Die bereits diskutierte Aussage, dass ein Randoptimum bei großem ∆ i existiert, wird bestätigt. Allerdings muss t RSch in einer konstanten Relation zu T Q stehen. Variante 2 Werden die Raumheizfläche und die thermoaktive Schicht von Wärmepumpen mit Heizenergie versorgt, dann ist eine echte Extremwertaufgabe zu lösen. Beide in den Gln. (13.5) und (13.6) angegebenen Wärmeströme gelten auch in diesem Fall. In Gl. (13.3) eingesetzt, folgt dann ( ) 1 , WP RSch R 1 i i H Q WP A t t 1 T T 1 P ζ − | | . | \ | λ ∆ + α | | . | \ | − = − ( ) ( ) 2 , WP RSch R 1 i i U RSch 1 a a W Q A t t 1 t t 1 T T 1 ζ − | | . | \ | λ ∆ + α − − | | . | \ | λ ∆ + α | | . | \ | − + − − . (13.8) Zwischen der mittleren Heizmedientemperatur T W für die Beheizung der thermoaktiven Schicht und der mittleren Temperatur in der Schicht t RSch besteht wiederum eine funktionelle Verknüp- fung. Da weiterhin die Dicke der Wand vorgegeben ist, muss mit zunehmendem ∆ i die Restdicke ∆ a sinken (Bild 13.3). Damit ist eine zweidimensionale Optimierung gegeben. Die Variablen sind: Einordnung der thermoaktiven Schicht (∆ i bzw. ∆ a ) und Schichttemperatur (T W bzw. t RSch ). Variante 3 Bei Nutzung des Heizwärmestromes in der Raumheizfläche und in der nachgeschalteten thermo- aktiven Schicht geht es in der Regel um die Minimierung des Massestromes (z. B. geothermische Nutzung). Dies ist ein Auslegungsproblem der beiden gekoppelten Wärmeübertrager. Nur wenn Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 210 eine Temperaturtransformation vorgeschaltet werden muss, ist eine energetische/exergetische Optimierung relevant. Alle beschriebenen Heizvarianten treffen in völliger Analogie auch auf den Kühlfall zu. 13.2 Erweiterung des Verfahrens Eine aus Mauerwerk und Dämmung zusammengesetzte Wand ist im Bild 13.4 dargestellt. In der Dämmung ist die thermoaktive Schicht integriert. Bild 13.4 Wand bestehend aus Mauerwerk und einer Dämmschicht mit thermoaktiver Schicht Wie bei den Varianten 1 und 2 festgestellt wurde, hat die Einordnung der thermoaktiven Schicht nach dem Temperaturangebot der Wärme- oder Kältequelle so zu erfolgen, dass eine möglichst große Einsparung an Heiz- oder Kühlleistung im Raum auftritt. Der hauptsächliche Variations- parameter ist hierbei die Lage der Schicht bezogen auf den Temperaturverlauf im Bauteil ohne das Rohrregister. Da der Temperaturgradient in den Dämmschichten der äußeren Raumbegren- zungen am größten ist, empfiehlt sich die Einordnung der thermoaktiven Schicht besonders in der Dämmung. Dies ist aus Bild 13.4 qualitativ sofort erkennbar, wenngleich man sich an den Gedanken einer beheizten und gekühlten Dämmung sicherlich erst gewöhnen muss. Eine konstruktive Vereinfachung ist denkbar, wenn das Rohrregister direkt in die Dämmschicht integriert wird. Dies könnte durch Einformen, Einkleben, Einschäumen usw. erfolgen. Konstruk- tive Lösungen, die zu einer Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit im rohrnahen Dämmgebiet führen, sind thermodynamisch besonders vorteilhaft. Beispiel zu Variante 1 Eine Wand nach Bild 13.4 besteht aus Mauerwerk (δ = 240 mm; λ = 1 W/(m K)) und einer äuße- ren Dämmschicht (δ D = 100 mm; λ D = 0,04 W/(m K)). Im Raum herrscht eine Temperatur t R = t R t U R a u m a u ß e n t Sch t RSch t n Kurve c thermoaktive Schicht Kurve a Kurve b Wand t n t Mauerwerk Dämmung ∆ i ∆ a Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 211 20 °C, die Außentemperatur (Umgebungstemperatur) betrage t a = -10 °C. Zur Beheizung des Raumes dient ein Heizsystem im Raum mit der mittleren Heizmedientemperatur t H = 20 + 25 ⋅ 75 , 0 a 34 t 20 | . | \ | − in °C. (13.9) D. h., bei der Auslegungstemperatur t a = -14 °C beträgt die mittlere Heizwassertemperatur 45 °C, bei t a = -10 °C gelten ca. 43 °C. Zur Bereitstellung des Heizmedienstromes wird eine Wärme- pumpe (ζ WP = 0,5 = const) eingesetzt. Die Wärmequelle hat die Temperatur t Q = 10 °C. Die mitt- lere Heizmedientemperatur im Register t W entspricht vereinfachend der Temperatur der Wärme- quelle t Q . Die Lage des Rohrregisters bezüglich ∆ i sowie ∆ a und das Rohrmaterial werden variiert. Fall A: Kapillarrohrmatten der Fa. Clina mit d a /d i = 4,3 mm / 2,5 mm, Rohrabstand 10 mm Fall B: Kunststoffrohrregister d a /d i = 10 mm / 8 mm, Rohrabstand 150 mm. Ergebnisermittlung: • Wärmestrom durch die Wand im Normalfall (keine thermoaktive Schicht) q& 0 = 10,3 W/m² • Exergiezufuhr für den Wärmepumpenantrieb im Normalfall nach Gl. (13.7) bezogen auf die Wandfläche 2,1 W/m² • Temperaturverteilung in der Dämmschicht bei Betrieb des Rohrregisters wird als zweidi- mensionales Wärmeleitproblem behandelt • Rechenprogramm nach [13] liefert die Wärmeströme nach innen und außen • Ermittlung des reduzierten Exergiestroms bei Betrieb des Rohrregisters (Antriebsleistung der Wärmepumpe) nach Gl. (13.7). Bild 13.5 Einsparun- gen an Antriebsenergie für die Wärmepumpe (≡ Wärmestromerspar- nis für die Raumhei- zung) in Abhängigkeit der Anordnung der Rohrschicht innerhalb der Dämmung Gleichfalls sind die Mehraufwendungen an kalorischer Energie als Summe dargestellt. Hierbei erfolgt keine Bewertung der Ener- gie. 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 20 40 60 80 100 Verlegeabstand ∆ i E i n s p a r u n g a n A n t r i e b s e n e r g i e M e h r a u f w a n d a n W ä r m e e n e r g i e % Mehraufwand an Wärmeenergie (Summe) Einsparung an Antriebsenergie für die Wärmepumpe zur Raumheizung Kapillarrohrmatte RA = 10 mm Rohrregister RA = 150 mm mm R a u m a u ß e n ∆ i Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 212 Aussagen zum Ergebnis (Bild 13.5): • Bei Einsatz von Kapillarrohrmatten (Rohrabstand 10 mm) sind die Einsparungen an An- triebsenergie (Exergiestrom) mehr als doppelt so groß, wie bei Einsatz von Rohrregister mit einem Rohrabstand von 150 mm. • Bei einer mittigen Anordnung der Rohre in der Dämmschicht ergibt sich für eine mittlere Wassertemperatur von 10 °C bei Kapillarrohrmatten eine Exergieeinsparung von 40,4 %. Um dies zu erreichen, ist allerdings eine Erhöhung des Wärmestromes um 50,7 % erforder- lich. Dabei reduziert sich der hochwertige, im Raum zuzuführende Wärmestrom (Heizungs- anlage) von 10,3 W/m² auf 6,1 W/m², also auf 59 %. Der in der Wand zuzuführende, min- derwertige, aus der Wärmequelle direkt entnommene Wärmestrom beträgt 9,4 W/m². Bild 13.6 verdeutlicht dies anschaulich. • Bei der Diskussion der Gl. (13.7) wurde festgestellt, dass ein Randoptimum vorliegt. D. h., je weiter die Rohrschicht nach außen rückt, umso höher sind die Exergieeinsparungen. Die Kurve für die Kapillarrohrmatten bestätigt dies auch. Dass im Gegensatz dazu bei Rohrre- gistern mit großen Rohrabständen ein deutliches Maximum bei ∆ i = 70 mm existiert, liegt daran, dass die Schichttemperatur bei der Übertragung großer Wärmeströme (Rohrregister liegt weit außen) gegenüber der Wassertemperatur stärker abfällt als bei geringen Wärme- strömen. Dieser Effekt ist bei enger Rohrteilung nicht relevant. t R = 20 °C t U = -10 °C R a u m a u ß e n Mauerwerk Dämmung H e i z k ö r p e r transformierte Energie aus der Wärmequelle Exergiestrom = 2,1 W/m² 10,3 W/m² t R = 20 °C R a u m Mauerwerk Dämmung H e i z k ö r p e r 9 , 4 W / m ² Energie aus der Wärmequelle Exergiestrom = 0 transformierte Energie aus der Wärmequelle Exergiestrom = 1,3 W/m² t U = -10 °C a u ß e n Rohrregister t W = t Q = 10 °C 15,5 W/m² 6,1 W/m² Bild 13.6 Wärmeströme bei konventioneller Raumheizung (links) und bei zusätzlichem Einsatz einer thermoaktiven Schicht gemäß Beispiel bei mittiger Anordnung der Kapillarrohrmatte (rechts) Die Dicke der Pfeile ist ein Maß für den Wärmestrom. Zusätzlich ist der Exergiestrom (Antriebsleistung für die Wärmepumpe) zur Bereitstellung der Heiz- energie für den Raumheizkörper aus der verfügbaren Wärmequelle (t Q = 10 °C) vermerkt. Die Temperaturverläufe tragen nur qualitativen Charakter. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 213 Beispiel zu Variante 2 Es wird das vorhergehende Beispiel mit Kapillarrohrmatten als Rohrregister bei sonst gleicher Konstruktion und gleichen thermischen Verhältnissen erneut aufgegriffen. Im Gegensatz zu Va- riante 1 werde nunmehr auch die Wassertemperatur, mit der das Rohrregister in der Wand beauf- schlagt werden soll, variiert. Das Anheben der Wassertemperatur für die Wandbeheizung ausge- hend von t Q bedarf auch einer Exergiezufuhr. D. h., es werden zwei unterschiedliche Tempera- turniveaus durch Wärmepumpen bereitgestellt, die mittlere Heiztemperatur t H für den Raum- heizkörper und die mittlere Wassertemperatur t W für das Rohrregister in der Dämmung. Die Ge- samtantriebsleistung ist dann ins Verhältnis zu setzen zur Leistung bei alleiniger Raumheizung nach konventioneller Art. Ergebnisermittlung: • Berechnung der Temperaturverteilung in der Wand und die Ermittlung der erforderlichen Wärmeströme werden wie im vorherigen Beispiel vorgenommen • Exergiezufuhr für den Wärmepumpenbetrieb nach Gl. (13.8). Bild 13.7 Einsparungen an An- triebsenergie für die Wärme- pumpen in Abhängigkeit der Anordnung der Rohrschicht innerhalb der Dämmung und der gewählten mittleren Wasser- temperatur im Rohrregister in der Wand Aussagen zum Ergebnis (Bild 13.7): • Die Form der Sattelfläche verdeutlicht, dass es sich um eine zweidimensionale Optimierung handelt. Die Einsparung an Antriebsenergie ist von der Lage der Rohrschicht und der ge- wählten Wassertemperatur abhängig. V e r l e g e a b s t a n d ∆ i i n m m E i n s p a r u n g a n A n t r i e b s e n e r g i e % W a s s e r t e m p e r a t u r i n ° C f ü r d a s W a n d r e g i s t e r 5 0 m m 1 3 ° C 40,4 % 45,1 % 41,9 % Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 214 • Liegt die Kapillarrohrmatte mittig in der Dämmschicht (∆ i = 50 mm), dann ergibt sich bei der Wassertemperatur von 13 °C eine maximale relative Einsparung an Wärmepumpenleis- tung δ P . Zugehörig entsteht ein relativer Mehrverbrauch an Wärmeenergie δ Q . Der detail- lierte Verlauf lautet: t W °C 10 11 12 13 14 15 16 17 18 δ P % 40,4 42,9 44,4 45,1 44,9 43,9 41,9 39,1 35,8 δ Q % 50,7 58,3 65,9 73,4 81,0 88,5 96,0 103,4 111,6 Der Wert δ P für t W = 10 °C entspricht dem Beispiel 1, da dies die Temperatur der kostenlos verfügbaren Wärmequelle ist. • Verfolgt man den Verlauf bei t W = 13 °C = const, ergibt sich in Abhängigkeit der Verlege- tiefe der Zusammenhang: ∆ i mm 20 30 40 50 60 70 80 90 δ P % 18,8 33,1 41,1 45,1 46,0 43,0 32,8 -1,1 δ Q % 9,4 24,8 45,1 73,4 115,3 183,9 316,6 686,7 Die Verlegung bei ∆ i = 60 mm wäre aus exergetischer Sicht zweckmäßig. Der erforderliche Wärmestrom würde jedoch mehr als das Doppelte betragen. • Die zweidimensionale Optimierung eröffnet einen sehr interessanten Spielraum für die technische Realisierung. So ist beispielsweise eine Einsparung an Antriebsenergie von ca. 40 % bei einem Gesamtwärmestrom von ca. 1,4 H Q & und bei 3 H Q & möglich. 13.3 Mögliche Anwendungen Es wurde eine Idee vorgestellt, die zur Diskussion anregen soll. Vielleicht liegen die zukunfts- trächtigen Anwendungen auch in Bereichen, an die der Verfasser momentan gar nicht denkt. Es sei gestattet, das Grundanliegen nochmals ganz simpel zu formulieren: • Die typischen Heiz- und Klimatisierungskonzepte bestehen darin Heiz- oder Kühllasten, die durch Transmission im Raum auftreten, zu kompensieren, indem Stoffströme mit Tempera- turen über bzw. unter der Raumtemperatur Wärmeübertragerflächen im Raum durchströ- men. • Es wird zur Energieeinsparung nach Wegen gesucht, diese Lasten möglichst gar nicht erst im Raum entstehen zu lassen bzw. zu verringern, indem bereits im Außenbauteil bei um- weltnahen Temperaturen eine Kompensation vorgenommen wird. So können beispielsweise in der Wetterschale (Außenhaut der Gebäude) Wärmeübertrager Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 215 integriert werden, die die solaren Lasten abführen, sodass diese das Rauminnere überhaupt nicht erreichen. Die Wärmeströme werden z. B. auf die Schattenseiten der Gebäude geführt oder in Erdreichspeicher geleitet (Bild 13.8). In analoger Weise kann mit Wärme aus dem Erdreich oder Grundwasser ohne Temperaturtransformation ein Teil der Wärmeverlustströ- me von Räumen vermieden werden, wenn Wandschichten an genau bestimmten Stellen be- heizt werden. • Diese großflächigen Wärmeübertrager, die kostengünstig herstellbar, flexibel einsetzbar sowie umweltverträglich sein müssen und außerdem gute thermodynamische sowie hydrau- lische Eigenschaften (geringe Grädigkeiten und Druckverluste) besitzen sollen, liegen mit den Kunststoff-Kapillarrohrmatten des derzeitigen Entwicklungsstandes variantenreich vor. Die Verbindung zur Bionik ist im Abschnitt 1.7 dargestellt worden. Bild 13.8 Außenwand mit zwei integrierten Kapillarrohr- systemen zur zeitweisen "Um- gehung" der Wanddämmung Bei Besonnung der Südfassade kann der nichtgewollte Wär- mestrom an die Außenschicht der Nordfassade geleitet wer- den, um die Raumbelastung zu reduzieren. Während der Ü- bergangszeit kann beispiels- weise die innere Wärmelast an der Außenhaut abgegeben werden, wobei durch Zwi- schenschalten eines Erdreich- oder Fundamentspeichers die Nutzungszeit erweiterbar ist. Um die Ingenieurphantasie weiter anzuregen, seien noch einige Beispiele – auch für weiterfüh- rende Forschungen und Entwicklungen geeignet – angeführt. Nutzung von Solarkollektoren im Niedertemperaturbereich Im Beispiel zu Variante 1 sind hohe exergetische Einsparungen bei t a = -10 °C, einer verfügbaren mittleren Wassertemperatur von 10 °C und bei mittiger Anordnung der Kapillarrohrmatten festge- stellt worden. Dieses Sparpotenzial sinkt mit steigenden Außentemperaturen und ist bei t a > 0 °C nicht mehr existent. Es wäre deshalb sinnvoll, mit steigenden Außentemperaturen eine Solaranlage zuzuschalten, sobald diese mittlere Wärmeträgertemperaturen größer (t R + t a )/2 liefern kann. Dies wäre über lange Zeiträume des Jahres äußerst effizient. Bei üblicher Technik sind die niedrigen Kollektortemperaturen nicht direkt nutzbar. Entscheidend für die Bewertung der vorgeschlagenen Systeme ist die Temperatur der Wärmequelle und ihre Korrelation zur Umgebungstemperatur. Wand mit Rohrregister in der Wetterschale und an der inneren Wandoberfläche i n n e n a u ß e n Erhöhung der Behaglichkeit S p e i c h e r gesteuerte direkte Verschiebung innen<> außen gesteuerte indirekte Verschiebung innen<> außen über Speicher Energieeinsparung während der Übergangszeit Energieeinsparung über lange Zeiträume gesteuerte direkte Verschiebung Süd <> Nord Spitzenlastsenkung bei besonnten Flächen Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 216 Einsatz von Fassadenkühlsystemen Fassadenkühlsysteme dürften energetisch noch interessanter als Heizsysteme sein. Bild 13.9 zeigt den sommerlichen Verlauf der Sonnen-Luft-Temperatur für eine Ostwand eines Bauwerkes am Golf von Oman. Der Wärmeeintrag in ein klimatisiertes Gebäude lässt sich an Hand des Tem- peraturverlaufes erahnen. Mit Wasser von 30 °C – an der Küste vorhanden – könnte bereits eine sehr wirksame Aufnahme der Transmissionswärme vor Erreichen des Raumes bewirkt werden. Bild 13.9 Tagesverlauf der Sonnen- Luft-Temperatur auf eine Ostwand im Sommer am Golf von Oman Eine besonders wirksame Kühlung ist bei einigen Mittelmeeranrainern denkbar. An der tunesi- schen Küste sind beispielsweise auch im August in ca. 3 m Tiefe nach Messungen Wassertempe- raturen von 18 ... 20 °C verfügbar. Anwendungsgebiete wären auch in Deutschland vorstellbar, so z. B. die Kühlung der Dächer von Werkhallen oder Kühlhäusern, der Wände hinter Vollglas- Doppelfassaden usw., wobei mit Wasser aus freier Kühlung gearbeitet werden könnte. Eine be- sondere Herausforderung stellt bei der zeitgemäßen Glasarchitektur die Integration von Kapillar- rohrmatten dar. Lösungsideen sind im Bild 13.10 gegeben. Glaskonstruktion 4 Scheiben F e n s t e r - Kompaktfassade - öffenbares Fenster - Vierfachverglasung (z. B. 2 × mit Gasfüllung) - ein Scheibenpaar mit Kleber und Kapillarrohrmatten Glaskonstruktion 2 Scheiben + Dämmung F e n s t e r - Kompaktfassade - öffenbares Fenster - Zweifachverglasung (mit transparenter Dämmung) - Kapillarrohrmatten eingepresst oder geklebt Bild 13.10 Ideenskizzen für transparente Fassaden mit integrierten Kunststoff-Kapillarrohrmatten 0 4 8 12 16 20 24 30 35 40 45 50 55 60 65 BILD1 | 5.3.1999 Uhrzeit als wahre Ortszeit T e m p e r a t u r e n h °C Sonnen-Luft-Temperatur Lufttemperatur Temperaturadditiv zur Lufttemperatur durch direkte und diffuse Sonnenstrahlung Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 217 Fazit • Mit dem Vorschlag einer thermoaktiven Dämmung soll eine Alternative zum bisherigen Weg immer dickerer Dämmungen vorgestellt werden. Die übliche dicke Dämmung ist in ihrer Wir- kung "starr", die thermoaktive Dämmung lässt den Anschluss von "intelligenten" Systemen zu. In der hydraulischen Analogie ist dies mit dem Übergang einer festen Drosselblende zum dynamischen Volumenstromregler zu vergleichen. Übliche Phasenverschiebungen zwi- schen Ursache und Wirkung können verkleinert oder ausgeschaltet aber auch durch Zwi- schenspeicher (z. B. durch Fundament- bzw. Erdreichspeicher) gesteuert vergrößert werden. • Besonders vorteilhaft ist die Nutzung von "Einweg-Wärmeträgern", die die Wärmeüber- tragerflächen im Raum und in Reihe nachgeschaltet die Fassaden-Rohrregister beaufschla- gen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn Brunnen-, Fluss- sowie Meerwasser zum Kühlen oder geothermische Energie oder Wärme aus saisonalen Speichern zum Heizen genutzt werden. • Hauptziele sind die Lastvermeidung bzw. -minderung und die verstärkte Umweltenergie- nutzung durch das TGA-Gewerk. • Die Kapillarrohrmatten bieten eine sehr gute Möglichkeit, die vorgestellte Idee zu realisieren. 14 Weitere Entwicklungen und Untersuchungen Auf dem Gebiet der technologischen Entwicklung der Kunststoff-Kapillarrohrmatten und ihrer praktischen Anwendung wurden weitere, nachfolgend genannte Arbeiten im Rahmen des F/E- Themas erfolgreich durchgeführt: • Entwicklung und Optimierung der "dicken" Kapillarrohrmatte (Außendurchmesser 4,3 mm) mit den zugehörigen Einbautechnologien, beispielsweise im Beton • Entwicklung von Strangpressprofilen aus Aluminium als universell einsetzbares Wärme- leitpaneel (Bild 10.3) zur Aufnahme von zwei unterschiedlichen Typen von Kapillarroh- rmatten Bericht im Anhang T: "Möglichkeiten des Energieeinsatzes mit niedrigem Exergiepotenzial zum Heizen und Kühlen von Räumen" (22 Seiten) Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 218 • Entwicklung von mehreren Profilfolien für die werksseitige Bestückung mit Kapillarrohr- matten zur rationellen Herstellung thermisch aktiver Fußboden-, Wand- und Deckenflächen • Entwicklung und Optimierung von starren und flexiblen Kühlsegeln • Entwicklung verschiedener Putze (Rau- und Akustikputze) mit integrierten Kapillarrohrmat- ten und Optimierung hinsichtlich der Kühlleistungen • Entwicklung einer Steckverbindung zur Kostensenkung und Reduzierung der Montagezeit • Entwicklung und Optimierung zahlreicher konvektiv arbeitender Wärmeübertrager (Kühl- und Heizschächte, Säulen mit unterschiedlichsten Mattengeometrien und Herstellungstech- nologien) Im Rahmen des F/E-Themas sind noch weitere, nicht detailliert aufgeführte theoretische und experimentelle Untersuchungen durchgeführt worden, die sich für zukünftige, vertiefende For- schungen und Entwicklungen empfehlen: • Überlegungen zur Steuerung von thermisch aktiven Massivspeicherbauteilen • Überlegung zur Gestaltung von Kunsteisbahnen mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten • Wärmeübertrager für Meerwasser – Kaltwasser mit Kapillarrohrmatten • Wärmetechnische Besonderheiten bei Einsatz von Kunststoff-Kapillarrohrmatten in Latent- wärmespeichern • Experimentelle Untersuchungen zum Einsatz von Binäreis in Verbindung mit Kunststoff- Kapillarrohrmatten (homogene Durchströmung der Matten ist möglich) • Einbau von Kunststoff-Kapillarrohrmatten als Erdkollektor mit zugehöriger Messtechnik für Feldmessungen nach Inbetriebnahme der neuen Versuchs- und Laborhalle an der Westsäch- sischen Hochschule Zwickau (FH) • Experimentelle Untersuchungen zum Kondensationsverhalten von Kühlschächten unter- schiedlicher Geometrie [29] • Experimentelle und technologische Untersuchungen für thermisch aktive, geschäumte Wand- paneele für Klimakammern und Kühlzellen mit integrierten Kunststoff-Kapillarrohrmatten. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 219 15 Mögliche Energieeinsparungen bei umfassendem Einsatz von Kunst- stoff-Kapillarrohrmatten in Einkaufszentren In einer umfassenden Arbeit wurden die Einsatzmöglichkeiten von Kunststoff-Kapillarrohr- matten zur effektiven Kühlung von Einkaufszentren (Bild 15.1) betrachtet. Als Hauptaussage diente die Schätzung des Jahresenergiebedarfs. Die objektbezogenen Untersuchungen sind sehr verzweigt geführt worden: ■ Variation des Luftaufbereitungsprozesses in der Teilklimaanlage ■ Reduzierung des Luftvolumenstromes durch zusätzlichen Einsatz von • Speicherdecken • Kühldecken • kombinierten Speicher-Kühldecken ■ Die Kälteversorgung der Zusatzsysteme er- folgt vorrangig mit Kälte aus der Umwelt. Wegen der allgemeinen Verfügbarkeit wurde die atmosphärische Luft als Wärmesenke verwendet. Es sind Nass- und Trockenkühler sowohl bei Nutzung in der Nacht als auch am Tage betrachtet worden. ■ Die ergänzende Kälteversorgung erfolgt durch Kältemaschinen, die auf ein Kaltwas- sernetz mit konventionellem Temperaturni- veau (RLT-Versorgung) und auf ein zweites Netz mit höherem Temperaturniveau (Flä- chenkühlsysteme) arbeiten. Weiterhin ist auch zwischen Nacht- und Tagbetrieb – je nach Verwendungszweck – unterschieden worden. Die Randbedingungen der Untersuchung sind in Tabelle 15.1 und die Einsparpotenziale in Ta- belle 15.2 aufgeführt. potenzielle Kühlflächen potenzielle Kühlsegelflächen Bild 15.1 Blick in das untersuchte Ein- kaufszentrum mit Kennzeichnung mög- licher Kühlflächen im Bereich der Ver- kaufsstraße Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 220 Tabelle 15.1 Grundlegende Annahmen für die Untersuchung zur Energieeinsparung in Ein- kaufszentren durch veränderte Lüftung und umfassenden Einsatz der Kapillarrohrtechnik Raumklima in Ver- kaufsräumen • Raumtemperatur im Normalfall 22...24 °C • Anstieg bis auf 26 °C zulässig • Strahlungsasymmetrie bedenkenlos, bei Kühldecken stets kleiner 14 K • Luftwechsel kann aus hygienischer Sicht bei 3 m Raumhöhe von LW = 6 h -1 auf LW = 4 h -1 gesenkt werden, bei positiver Erfahrung ist auch LW = 3 h -1 diskussionsfähig • absolute Zuluftfeuchte < 9 g W /kg tL , wenn nur Feuchteeintrag durch Personen erfolgt • Luftqualität wird bei niedrigerer Enthalpie subjektiv besser bewertet Energetische Grundstrategien zur effizienten Raum- kühlung • Einsatz von Wassersystemen, da niedrigere Transportenergie als bei Luftkühl- systemen • Einsatz von Flächenkühlsystemen mit hohen Kühlmedientemperaturen • getrennte Kälteerzeugung für unterschiedliche Temperaturniveaus (RLT- Anlage bzw. Kühldecke) • nächtliche Kühlung durch Nutzung der Luft als Wärmesenke • Kaltwasser aus der Umwelt (z. B. Grundwasser) vorrangig nutzen Qualität natürlicher Wärmesenken • atmosphärische Luft als Wärmesenke überall verfügbar, sinnvolle Nutzung nur über Nasskühler (Kühltürme) oder Hybridkühler möglich - Nasskühler sind für die nächtliche "Kältebeladung" der Speicherdecken be- vorzugt einzusetzen ⇒ jährliche Nutzungszeit ca. 87 % - Nasskühler eignen sich gut zur Kaltwasserbereitstellung für Kühldecken am Tage ⇒ jährliche Nutzungszeit ca. 68 % Grundsätzliche Anforderungen an Kühlflächen in Einkaufszentren und Einsatzvor- schläge • große spezifische Leistungen bei hohen Kaltwassertemperaturen • wartungsfreie Konstruktionen • flexibel anpassbare Geometrien • kein Stellflächenverlust • niedriges Preis-Leistungsverhältnis • Gestaltungsfreiheit für den Mieter • Einsatzvorschläge zur Erfüllung der obigen Forderungen: - Kühlflächen im Baukörper integriert (z. B. Speicherdecke) - Kühlflächen am Baukörper (z. B. Kühldecken und -segel) - flexible Kühlflächen (z. B. textile Kühlsegel) und Konvektionskühler (z. B. Kühlschächte) Konstruktionen mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten haben deutliche thermodynami- sche und hydraulische Vorteile Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 221 Kühlflächen im Baukörper • Ortbetondecken mit 280 ... 300 mm Dicke und mittig eingeordnete Rohrregis- ter bilden die Grundform der Speicherdecken Die Leistungen sind von der Beladung (Zeitdauer, Kaltwassertemperatur), vom Tagesgang der Raumtemperatur und vom Fußbodenaufbau stark abhängig: ⇒ Planungsgrundlage: 20 ... 30 W/m² ⇒ Leistungsregelung ist nicht möglich, da passive Entladung • kombinierte Speicher-Kühldecke mit beispielsweise 180 mm Dicke, bestehend aus einer Filigrandecke mit integrierter Kapillarrohrmatte und ergänzender Ort- betonschicht ⇒ kein Montage- und Kontrollaufwand für das Rohrregister auf der Baustelle ⇒ nächtliche Einlagerung von "Umweltkälte" möglich ⇒ geregelte Nachkühlung am Tage bei hoher Dynamik Kühlflächen am Baukörper • untergehängte Kühldecken in vielfältiger Konstruktion und beliebigem Design (z. B. Gipskarton, Blechkassetten, Langfeldplatten, Aluminiumstrangpresspro- file, Dekorglasplatten, freigespannte Kapillarrohrmatten über offenen Raster- decken) Die Normleistungen sind stark konstruktions- und temperaturabhängig: ⇒ geschlossene Decken 70 ... 95 W/m² ⇒ offene Decken und Segel ... 135 W/m² ⇒ Leistungsregelung ist sehr gut möglich • Kühlwände sind mit gleichen Konstruktionen realisierbar Die Leistungen sind etwas geringer als bei vergleichbaren Kühldecken. • Kühlböden ⇒ Leistung bei 6 K: 28 W/m² Flexible Kühlflächen • freihängende Kapillarrohrmatten ⇒ Normleistung: 100 ... 185 W/m² • freihängende textile Kühlsegel mit integrierten Kapillarrohrmatten ⇒ Normleistung: 70 ... 80 W/m² Leistungsregelung ist bei allen Systemen sehr gut möglich! Kühlschächte • konvektive Luftkühler in Schrank- oder Säulenform Leistungen stark konstruktions- und temperaturabhängig ⇒ Leistungssteigerung durch Einsatz eines Lüfters ⇒ Leistungsregelung ist sehr gut möglich Lastannahmen für Einkaufszentren und Grundsätze zur Auslegung der zentralen Teilklimaanlage • allgemeine Literaturauswertung und Planungsangaben ⇒ Kühllast in den Shopbereichen 60 W/m² ⇒ Luftwechsel in den Standardshops 6 h -1 ⇒ Abluftanteil 80 % des Zuluftvolumenstromes ⇒ Enthalpierückgewinnung mit 75 % ⇒ Anlagendruckverluste: Zuluft 1400 Pa, Abluft 800 Pa • Prämissen für die Auslegung der Zentralanlage ⇒ Für den Gesamtbilanzkreis Einkaufszentrum ist eine Zentralanlage energe- tisch stets effizienter zu betreiben, denn Schaltungen und Energiemana- gement gestatten umfassendere Lösungen als bei Vorhandensein von Ein- zelanlagen. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 222 ⇒ Nur Zentralanlagen mit einer hohen Kühllastkompensation ermöglichen es, annähernd ausgeglichene Temperaturverhältnisse im gesamten Ein- kaufs-zentrum zu erhalten und die geplanten Luftströme ohne Störungen durch örtlich auftretende Thermikeinflüsse zu führen. ⇒ Bei einer Unterversorgung durch die Zentralanlage gibt es keine Gewähr dafür, dass der Shopbetreiber seine evtl. bedeutend höheren Lasten auch tatsächlich durch eine ergänzende Umluftanlage abführt oder aber, dass die örtlich nicht kompensierten Lasten die Gesamtanlage doch indirekt be- lasten. Grundlagen der Anlagenmodellie- rung • Erarbeitung eines Rechenprogramms zur Ermittlung des spezifischen Energie- bedarfs – speziell des Kältebedarfs – für die RLT-Anlage zur Versorgung der Standardshops • Beispielrechnungen für zwei verschiedene Standorte und unterschiedliche Be- triebsweisen der Enthalpierückgewinnung • Näherungsvergleich mit Literaturangaben (Messwerte von Einkaufszentren lagen leider nicht vor) Vorschläge für Systeme mit geringerem Energiebedarf • Analyse des vorhandenen Kältebedarfs nach der Modellrechnung und Berech- nung des Energiebedarfs für den Lufttransport • Untersuchungen verschiedener Systemvarianten Alle Berechnungen werden auf den Betriebszeitraum 1/2 Tag (4380 h/a) bezogen. Die genaue Realzeit ist bedeutungslos, da die Einsparungen stets nur in Relationen zum modellhaften Istzustand der konventionellen RLT-Anlage dargestellt werden. Von den zahlreichen untersuchten Varianten sind in Tabelle 15.2 nur die jeweils effektivsten Lösungen aufgeführt. Der in Tabelle 15.2 angegebene Bereich der Elektroenergieeinsparung bezieht sich auf unterschiedlich dimensionierte Kanalnetze. Tabelle 15.2 Energieeinsparpotenziale in Einkaufszentren durch veränderte Lüftung und umfas- senden Einsatz der Kapillarrohrtechnik Systemvariante Einsparpotenziale Elektro Kälte • Veränderungen am Luftaufbereitungsprozess Aus energetischer Sicht wäre der Einbau einer Befeuchtungssektion vorteil- haft. Einsparpotenzial: 0 % 27 % • Reduzierung des Luftvolumenstromes plus thermische Bauteilaktivierung (Speicherdecke) - Luftaufbereitungsprozess wird beibehalten - fehlende Kühlleistung des Luftstromes wird durch die Speicherdecke kompensiert (20 W/m² bei LW = 4 h -1 und 30 W/m² bei LW = 3 h -1 ) Einsparpotenzial bei LW = 4 h -1 : 28...51 % 28 % Einsparpotenzial bei LW = 3 h -1 : 43...68 % 43 % Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 223 Systemvariante Einsparpotenziale Elektro Kälte • Reduzierung des Luftvolumenstromes plus Kühldecke - Luftaufbereitungsprozess wird modifiziert - Kühlleistung der Kühldecke 40 W/m² bzw. 50 W/m² bei jeweils LW = 4 h -1 und LW = 3 h -1 Einsparpotenzial bei Kühldeckenleistung 40 W/m² und LW = 4 h -1 : 25...48 % 22 % Einsparpotenzial bei Kühldeckenleistung 40 W/m² und LW = 3 h -1 : 42...67 % 16 % Einsparpotenzial bei Kühldeckenleistung 50 W/m² und LW = 4 h -1 : 23...46 % 26 % Einsparpotenzial bei Kühldeckenleistung 50 W/m² und LW = 3 h -1 : 40...65 % 27 % • Reduzierung des Luftvolumenstromes plus kombinierte Speicher-Kühldecke - Luftaufbereitungsprozess wird modifiziert - Kühlleistung der Kühldecke 40 W/m² bei jeweils LW = 4 h -1 und LW = 3 h -1 Einsparpotenzial bei LW = 4 h -1 : 24...47 % 38 % Einsparpotenzial bei LW = 3 h -1 : 41...66 % 33 % Aussagen: • Für die Standardshops werde vorerst ein 4-facher Luftwechsel pro Stunde vorgeschlagen. Die Dimensionierung der RLT-Anlage einschließlich der Kanalnetze ist hinsichtlich der Druckverluste zu optimieren. • Bei sichtbaren Betondecken (beispielsweise in den Supermarktbereichen) sind kombinierte Speicher-Kühldecken, in den Bereichen mit unbedingter Anwendung von untergehängten Decken wären Kühldecken zu präferieren. • Außer den gestalterischen Aspekten entscheiden der Belegungsgrad mit aktiven Kühlflächen und die Auslegungstemperaturen über die Kühldecken- bzw. Kühlsegelkonstruktionen. Die vorgeschlagene, zu realisierende Kühlleistung von 40 W/m² ist auf die Verkaufsfläche bezo- gen. Es ist auch zu prüfen, inwieweit Wandflächen – beispielsweise in den oberen Bereichen der Verkaufsstraßen – als Kühlflächen ausgebildet werden. Die komplexe Untersuchung zeigte sehr deutlich, dass durch Anwenden der Kunststoff- Kapillarrohrmatten in modernen Kühlflächen erhebliche Einsparpotenziale erzielbar sind. Sie resultieren aus der Nutzung der Umweltenergie aber in sehr großem Umfang auch aus der verän- derten Klimatisierungsstrategie durch Abkehr von großen Luftvolumenströmen. Diese Verände- rung ist nur durch kostengünstige und effizient arbeitende Kühlflächen möglich. Da Kostende- gressionen stets an hohe Fertigungsmengen gekoppelt sind, ist der Umsatz der Kapillarrohrmat- ten durch eine Vergrößerung des Marktes unerlässlich. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 224 16 Empfehlungen für die Weiterführung der Kapillarrohrtechnik Aufgrund der Analogie der Kapillarrohrmatten zum natürlichen Vorbild und der bisher gesam- melten Erkenntnisse wird dem Einsatz von Kunststoff-Kapillarrohrmatten noch ein hohes Ent- wicklungspotenzial vorausgesagt. Die bei der Themenbearbeitung durchgeführten Untersuchun- gen und Entwicklungen lassen aus momentaner Sicht zwei wichtige Arbeitsgebiete erkennen: I. Umsetzung der Erkenntnisse in eine erweiterte Produktpalette und Markteinführung Die Abschnitte 4, 6 und 7 zeigen die sehr breiten Einsatzmöglichkeiten der entwickelten Syste- me und Komponenten bei der Gebäudekühlung und -heizung. Um das Potenzial zu nutzen, sind Systemanbieter mit einem entsprechenden Vertriebssystem einzubeziehen. Aus diesem Zweck wurden bereits zahlreiche Vorträge mit entsprechenden Produktvorstellungen bei verschiedenen Firmen durchgeführt. Konkrete Verbindungen ergaben sich daraus zu acht Firmen, die entsprechendes Interesse an einer Mitarbeit zeigten. Sie verfügen über leistungsfähi- ge Fertigungsstätten und fachlich kompetente deutschlandweite bis weltweite Vertriebssysteme. Die Liste der Firmen und ihre Interessenslagen werden im Erfolgskontrollbericht mitgeteilt. II. Grundlagenuntersuchungen für spezielle Gebiete Die bei der Bearbeitung erkannten und teilweise bereits vorbereiteten Forschungs- und Entwick- lungsgebiete sind: • Entwicklung von hocheffizienten Wärmeübertragern Wasser/Wasser mit Kunststoff- Kapillar-rohrmatten beispielsweise für die Kühlung mit Meerwasser oder zur thermischen Abwassernutzung • Entwicklung einer neuen Generation von Wärmeübertragern Wasser/Luft mit Kunststoff- Kapillarrohrmatten • Entwicklung von Latentwärmespeichern mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten beispielsweise in Putzen mit Latentspeicheranteilen (Paraffinbasis) oder in reinen Latentspeichern • Entwicklung von Komponenten mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten, die als Wärmeträger Binäreis nutzen • Nutzerabhängige Optimierung von Erdkollektoren bestehend aus Kunststoff-Kapillarrohr- matten und experimentelle Langzeiterprobung eines bereits verlegten Systems (Laborhalle) • Theoretische und experimentelle Untersuchungen zum Kondensationsverhalten von Kühl- schächten und -säulen unterschiedlicher Geometrie. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 225 Literaturverzeichnis [1] GLÜCK, B.: Hydrodynamische und gasdynamische Rohrströmung - Druckverluste (Reihe: Bausteine der Heizungstechnik). Berlin: Verlag für Bauwesen 1988 (ISBN 3-345-00222-1) [2] GLÜCK, B.: Wärmetechnisches Raummodell - Gekoppelte Berechnungen und wärmephy- siologische Untersuchungen. Heidelberg: C. F. Müller Verlag 1997 (ISBN 3-7880-7615-1) [3] GLÜCK, B.: Atmosphärische Luft als Wärmesenke für die thermische Bauteilaktivierung, ki Luft- und Kältetechnik (2002) Heft 6 [4] Länderarbeitsgemeinschaft Wasser, Stand 1984 [5] REUß, M.; SANNER, B.: Auslegung von Wärmequellenanlagen erdgekoppelter Wärmepum- pen. Heizung-Lüftung-Haustechnik (2000) Heft 4 [6] GLÜCK, B.: Testreferenzjahr - ein Vorschlag zur Neudefinition und Ergänzung, Gesund- heits-Ingenieur (1995) Heft 5 [7] RUDOLF, H.: Psychosoziale Faktoren Hauptursache für Beschwerden in klimatisierten Ge- bäuden, TAB Technik am Bau (2002) H. 3 [8] GLÜCK, B.: Thermische Bauteilaktivierung: Möglichkeit auch bei Bauwerkssanierungen, ki Luft- und Kältetechnik (2002) H. 4 [9] DANIEL, T.; GRÄFF, B.: Leistungsbestimmung von Kühlböden. DKV-Tagung 1996 [10] FEIST, W.: Vom Niedrigenergiehaus zum Passivhaus - Erfahrungen mit Gebäuden ohne Heizung. Institut für Wohnen und Umwelt, Darmstadt. Internet [11] STRUBELT, O.: Niedrigenergiehaus - Strom der verkannte Allrounder. Heizung-Lüftung/ Klima-Haustechnik (2000) Heft 12, S. 48 bis 50 [12] UNBEKANNT: Innovative Technik im 1-Liter-Solarhaus. Heizung-Lüftung/Klima-Haus- technik (2001) Heft 1, S. 12 [13] GLÜCK, B.: Thermische Bauteilaktivierung - Nutzen von Umweltenergie und Kapillarroh- ren. Heidelberg: C. F. Müller Verlag 1999 (ISBN 3-7880-7674-7) [14] GLÜCK, B.: Ortsabhängige Kühlleistung von Massivbauteilen mit integrierten Rohrregis- tern in Abhängigkeit der Rohrverlegung. Heizung-Lüftung-Haustechnik (2001) Heft 5 [15] KÜLPMANN, R.: Untersuchungen zum Raumklimatisierungskonzept Deckenkühlung in Verbindung mit aufwärtsgerichteter Luftführung. Diss. TU Berlin, 1991 [16] GLÜCK, B.: Einfluss einer wärmespeichernden Massivdecke auf die dynamische Leis- tungsaufnahme einer untergehängten Kühldecke, Heizung-Lüftung-Haustechnik (1992) Heft 7, S. 365 bis 369 [17] GLÜCK, B.: Strahlungsheizung - Theorie und Praxis. Berlin: Verlag für Bauwesen; Karls- ruhe: C. F. Müller Verlag 1982 (ISBN 3-7880-7157-5) Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 226 [18] WINDISCH, K.: Spezielle Lösungen der zweidimensionalen stationären Wärmeleitgleichung und ihre Anwendung zur Klärung des Wärmeübertragungsmechanismus bei Strahlplatten. Diss. TU Dresden, 1969 [19] ILLING, B.: Kühldeckensysteme - Frei gehängte Kapillarrohrmatten über Paneeldecke, CCI (2002) Nr. 10 [20] KAST, W.: Die Erhöhung der Wärmeabgabe durch Strahlung bei Mehrfachreflexionen zwi- schen strahlenden Flächen. VDI Fortschritts-Bericht 6, 1965 [21] GLÜCK, B.: Wärmeübertragung, Wärmeabgabe von Raumheizflächen und Rohren, 2. Auf- lage. Berlin: Verlag für Bauwesen 1990 (ISBN 3-345-00515-8) [22] GLÜCK, B.: Zustands- und Stoffwerte (Wasser, Dampf, Luft), 2. Auflage. Berlin: Verlag für Bauwesen 1991 (ISBN 3-345-00487-9) [23] GLÜCK, B.: Vergleichsprozesse der Klimatechnik. Heidelberg: C. F. Müller Verlag 1998 (ISBN 3-7880-7643-7) [24] VDI-Wärmeatlas. 8. Auflage. Düsseldorf: VDI Verlag 1997 [25] IDEL’CHIK, I. E.: Handbook of Hydraulic Resistance – Coefficients of Local Resistance and of Friction. Moskau: Gosudarstvennoe Energeticheskoe Izdatelstvo 1960, Translation Jerusalem 1966 [26] ESDORN, H.: Rietschel – Raumklimatechnik I. Grundlagen. 16. Auflage. Berlin, Heidel- berg, New York, London, Paris, Tokyo, Hong Kong, Barcelona, Budapest: Springer- Verlag 1994 [27] ILLING, B.; STEIN, D.; SCHMIDT, M.: Versuchsberichte zur Messung der Kühlleistungen an Kapillarrohrmatten. Westsächsische Hochschule Zwickau (FH), Fachbereich Versorgungs- und Umwelttechnik Bericht 1 vom Feb. 2000: Untersuchung einer Kühlsäule mit Kapillarrohrmatten Bericht 2 vom Juli 2000: Untersuchung eines Kühlschachtes mit Kapillarrohrmatten Bericht 3 vom Juni 2000: Untersuchung der Kühlleistungen von freihängenden Kapillarrohrmatten bei der Lasteinbringung über die Wand- flächen Bericht 4 vom Aug. 2000: Untersuchung der Kühlleistungen von freihängenden Kapillarrohrmatten bei der Lasteinbringung durch Dummys [28] ILLING, B.; STEIN, D.: Kurzbericht Kühl- und Heizschacht vom Dezember 2001 der West- sächsischen Hochschule Zwickau (FH), Fachbereich Versorgungs- und Umwelttechnik [29] ILLING, B.; KORNDÖRFER, S; STEIN, D.; SCHMIDT, M.: Versuchsbericht zur Messung der Kühlleistungen mit gleichzeitiger Feuchtekondensation in Kühlschächten mit Kapillar- rohrmatten. Westsächsische Hochschule Zwickau (FH), Fachbereich Versorgungs- und Umwelttechnik, Bericht vom 1.5.2002 Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 227 Zeitschriftenveröffentlichungen mit Bezug auf das bearbeitete F/E-Thema 1. Thermische Bauteilaktivierung – Stand und Entwicklungsmöglichkeiten, ki Luft- und Kälte- technik H. 3/00 2. Wärmeübertragung durch raumbegrenzende Heiz- und Kühlflächen mit geringem Exergie- verlust - Lehren aus der BIONIK, Gesundheits-Ingenieur H. 4/00 3. Wassertemperaturen und Aufheizzeiten von Fußbodenheizungen mit Estrichverlegung, Hei- zung-Lüftung-Haustechnik H. 6/00 4. Wärmephysiologische Bewertung von Kühlsystemen zur Raumklimatisierung – Randbedin- gungen und Simulationsmodelle, Heizung-Lüftung-Haustechnik H. 9/00 5. Wärmephysiologische Bewertung von Kühlsystemen zur Raumklimatisierung - Lastmodellie- rung, Anlagenvariationen und Schlussfolgerungen, Heizung-Lüftung-Haustechnik H. 11/00 6. Wird die thermische Bauteilaktivierung kaputt aktiviert? CCI Nr. 13/00 7. Filigrandecken mit integrierter thermischer Bauteilaktivierung, TAB Technik am Bau H. 1/01 8. Möglichkeiten des Energieeinsatzes mit niedrigem Exergiepotenzial zum Heizen und Küh- len von Räumen, Gesundheits-Ingenieur H. 1/01 9. Luftheizung oder wasserbeaufschlagte Flächenheizung in Gebäuden mit niedrigem Heiz- wärmebedarf, Gesundheits-Ingenieur H. 4/01 10. Ortsabhängige Kühlleistung von Massivbauten mit integrierten Rohrregistern, Heizung-Lüf- tung-Haustechnik H. 5/01 11. Einfluss der Wärmeleitfähigkeit des Betons und der Bewehrung bei der thermischen Bau- teilaktivierung, Heizung-Lüftung-Haustechnik H. 2/02 12. Basisüberlegungen zur Steuerung bei der Beladung von thermisch aktivierbaren Massiv- speicherbauteilen, Heizung-Lüftung-Haustechnik H. 3/02 13. Vorschlag und Beispiel für eine erweiterte Normleistungsbestimmung für geschlossene Kühl- und Heizflächen mit integrierten Rohrregistern, Gesundheits-Ingenieur H. 1/02 14. Thermische Bauteilaktivierung mit kreuzmäanderförmigen Rohrregistern, TAB Technik am Bau H. 3/02 15. Kombination verschiedener Aktivflächensysteme im Raum und ihre Einflüsse auf die Behag- lichkeit und die erforderlichen Wassertemperaturen, Heizung-Lüftung-Haustechnik H. 4/02 16. Atmosphärische Luft als Wärmesenke für die thermische Bauteilaktivierung, ki Luft- und Kältetechnik H. 6/02 17. Thermische Bauteilaktivierung auch bei Bauwerkssanierungen, ki Luft- und Kältetechnik H. 4/02 18. Die Zweiflächenbauteilaktivierung – Neue Wege für die Büroklimatisierung (Teil 1), TAB Technik am Bau H. 8/02 19. Die Zweiflächenbauteilaktivierung – Neue Wege für die Büroklimatisierung (Teil 2), TAB Technik am Bau H. 9/02 20. Kühldeckensysteme - Frei gehängte Kapillarrohrmatten über Paneeldecke, CCI 10/2002 Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 228 Anhänge auf CD-ROM (nur für Teilnehmer an der F/E-Bearbeitung) Anhang A: "Mehrdimensionale Optimierung für raumbegrenzende Heiz- und Kühlflächen mit geringem Exergie- und Druckverlust – Lehren aus der Bionik" (21 Seiten) Anhang B: "Wärmephysiologisches Empfinden des Menschen beim Einsatz großflächiger, thermisch aktiver Raumumfassungen und konvektiv arbeitender Wärmeübertragerelemente im Raum mit geringen Temperaturdifferenzen zum Aufenthaltsbereich" (227 Seiten) Weitere 476 Seiten Rechnerausdrucke liegen bei F+E TGA vor. Anhang C: "Kombination verschiedener Flächenkühlsysteme im Raum und ihre Einflüsse auf die Behag- lichkeit und die Kaltwassertemperatur (Clina-Baukasten)" (104 Seiten) Anhang D: "Universeller Clina-Baukasten – Kühl- und Heizflächen – für alle Leistungsbereiche" (Kurzbe- richt als Firmenpräsentation) (14 Seiten) Anhang E: "Clina-Baukasten – Messetafeln mit Darstellung der räumlichen Strahlungstemperatur- und Strahlungstemperatur-Asymmetrie über dem Raumgrundriss " (Messeinformation als Firmenpräsentation) (6 Seiten) Anhang F: "Quo vadis Büroklimatisierung? – Zweiflächen-Bauteilaktivierung?" (30 Seiten) Anhang G: "Luftheizung oder wasserbeaufschlagte Flächenheizung in Gebäuden mit niedrigem Heizwärme- bedarf?" (27 Seiten) Anhang H: "Thermische Bauteilaktivierung mit Filigrandecken und integrierten Kapillarrohrmatten" (21 Seiten) Anhang I: "Neue Simulationsmethodik der instationären, dreidimensionalen Vorgänge bei der thermischen Bauteilaktivierung mit Rohrregistern in Betondecken – Gegenüberstellung von Kreuzmäandern, Einfachmäandern und Kapillarrohrmatten" (119 Seiten) Anhang J: "Einfluss der Wärmeleitfähigkeit und der Bewehrung von Massivspeicherdecken auf die Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 229 Kühlleistung" (25 Seiten) Anhang K: "Ortsbezogene Kühlleistung von Massivbauteilen mit integrierten Rohrregistern in Abhängigkeit der Rohrverlegung" (56 Seiten) Anhang L: "Optimierung des Wärmetransports in Blechkassetten-Kühldecken mit Kunststoff- Kapillarrohrmatten in Abhängigkeit der Einbringung" (24 Seiten) Anhang M: " Thermodynamische Voruntersuchung zum Einsatz von Kunststoff-Kapillarrohrmatten in Deckensyste- men von OWA für Kühlzwecke " (71 Seiten) Anhang N: "Untersuchung der Kühlleistung von Decken mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten und Rauputz bzw. Akus- tikputz unterschiedlicher Geometrie" (80 Seiten) Anhang O: "Untersuchung der Anheizvorgänge in Fußbodenheizungen mit Estrichverlegung" (22 Seiten) plus zugehörige Rechnerausdrucke beim Verfasser Anhang P: "Untersuchung der Kühlleistung von Putzdecken mit integrierten Kunststoff-Kapillarrohrmatten ver- schiedener Geometrie" (57 Seiten) Anhang Q: "Vorschlag und Beispiel für eine erweiterte Normleistungsbestimmung geschlossener Kühl- und Heizflächen mit integrierten Rohrregistern" (18 Seiten) Anhang R: "Grundlagen zum Wärmeübergang bei Kapillarrohrmatten" (260 Seiten) Anhang S: "Untersuchung der Heizleistung von wechselweise genutzten Kühl-/Heizschächten mit vertikalgespann- ten Kunststoff-Kapillarrohrmatten" (40 Seiten) Anhang T: "Möglichkeiten des Energieeinsatzes mit niedrigem Exergiepotenzial zum Heizen und Kühlen von Räumen" (22 Seiten) Gesamtseitenzahl Anhänge: 1244 Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 2 Vorwort Die Suche nach neuartigen umweltschonenden Raumheiz- und Raumkühlsystemen stellt eine immerwährende Aufgabe dar. Vorhandene Technologien – beispielsweise Fußbodenheizungen – erscheinen durch jahrzehntelange Konstruktionsarbeit ausgereift. Neue Erzeugnisse bedürfen eines Technologiesprungs, der naturgemäß auch risikobehaftet ist. Vielfältige Ansätze von Weiterentwicklungen gab es mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten aus Polypropylen, Teilerfolge stellten sich bei der Kühldeckenfertigung ein. Eine umfassende Durchdringung des gesamten Bereichs der Technischen Gebäudeausrüstung fehlte jedoch bisher, denn die kleinen Herstellerfirmen verfügten nicht über das notwendige Forschungs- und Entwicklungspotenzial, während viele große Anlagenbauer in den Neuentwicklungen sogar eine unliebsame Konkurrenz sahen. Es ist das besondere Verdienst des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit und des Projektträgers Jülich – personifiziert durch die Herren Dr.-Ing. H. Lawitzka und Dipl.-Ing. J. Gehrmann – das Halbfabrikat "Kunststoff-Kapillarrohrmatte" als innovationsträchtiges Grundprodukt für den haustechnischen Bereich erkannt zu haben. Dadurch wurde eine sehr fruchtbare dreijährige Forschungs- und Entwicklungsarbeit bei den beiden Partnern möglich: • • Clina Heiz- und Kühlelemente GmbH, Berlin (Federführung und finanzielle Beteiligung) Geschäftführer: Dipl.-Ing. B. Chahed Westsächsische Hochschule Zwickau (FH) Bereichsleiter Versorgungstechnik: Prof. Dr. rer. nat. B. Illing. In Teilbereichen wurde für beide Einrichtungen F+E TGA Prof. Dr.-Ing. habil. B. Glück tätig. Die Entwicklungsforderung stand unter dem permanent gültigen Hauptaspekt: • Senkung des Primärenergieverbrauchs beim Anlagenbetrieb. Die Komponenten- und Systementwicklung erfolgte unter der strikten Forderung, Energie mit sehr niedrigem Exergiepotenzial einsetzen zu können. Außerordentlich gute Ergebnisse sind hierbei erreicht worden. Auf umfassendere Betrachtungen, die den Primärenergieaufwand im Lebenszyklus der Komponenten und Anlagen einschließen, wurde bewusst verzichtet. Die Unkenntnis über später vorhandene Technologien – beispielsweise bei der Anlagenwartung oder gar beim Komponentenrecycling – führt sehr oft zu fehlerhaften, zumindest jedoch zu nicht verifizierbaren Aussagen, die die Hauptaussage "Primärenergieverbrauch beim Anlagenbetrieb" unkontrolliert überlagert. Deshalb wurde der Bilanzkreis auf den Anlagenbetrieb beschränkt, und die weiteren mit der Anlage verbundenen Energieaufwendungen durch typische Ingenieurforderungen – beispielsweise Einsatz von völlig recycelbaren Werkstoffen, gut trennbare Verbundwerkstoffe usw. – pragma- Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 3 tisch begrenzt. Oftmals geschieht es, die Hauptforderung ohne genügende Beachtung der sehr wichtigen Randbedingungen erfüllen zu wollen. Diese sind außerordentlich vielfältig: • • Beibehaltung oder Erhöhung der wärmephysiologischen Behaglichkeit Beibehaltung oder möglichst Senkung der Investitionskosten. Der erstgenannten Randbedingung wurde eine besondere Bedeutung zuerkannt. Neuartige Überlegungen führten zu universell einsetzbaren Baukastenlösungen, die auch bei der zeitgenössischen Architektur des transparenten Bauens von Bürobauten bis zu Passivhäusern anwendbar sind. Sie gewährleisten eine sehr hohe thermische Behaglichkeit bei sehr niedrigem Primärenergieeinsatz und direkter Nutzung von Umweltenergie. Die Entwicklung der Komponenten verfolgte sehr intensiv das Ziel der Investitionskostenreduzierung, beispielsweise durch Verringerung oder Weglassen des Fußbodenestrichs, Minimierung der Putzdicken und "tapezierbare" Rohrregister bei thermisch aktiven Flächen, vereinfachte Installation durch Steckverbinder usw. Endgültige Kostendegressionen sind natürlich nur durch Massenanwendungen möglich, wozu alle denkbaren Vorkehrungen getroffen wurden. Dank der Förderung war es erstmalig möglich, das Einsatzspektrum der Kunststoff-Kapillarrohrmatten unter theoretischen und praktischen Gesichtspunkten umfassend zu untersuchen. Mit wissenschaftlich-technischen Mitteln wurden die thermodynamischen Vorteile der Kapillarrohrmatten herausgearbeitet und danach konsequent die Produkte optimiert. Teilweise gelang es auch, Erkenntnisse der BIONIK bei der Komponentenentwicklung einzubringen. Dies könnte auch ein wichtiger Ansatz für weitere Entwicklungen sein. Die theoretischen Ergebnisse sind durch umfangreiche experimentelle Überprüfungen in ausgezeichneter Weise verifiziert worden. Weitergehende Untersuchungen widmeten sich der Systementwicklung unter Verwendung der optimierten Komponenten. Auch diese Ergebnisse sind außerordentlich ermutigend. Im Bericht wird ausgehend von den bisherigen theoretischen Überlegungen und den praktischen Ergebnissen versucht, einen Ausblick über weitere erfolgversprechende Entwicklungen zu geben. Für die finanzielle Förderung und die Workshopdiskussionen sei dem Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) und dem Projektträger Jülich gedankt. Der weitere Dank gilt der Fa. Clina, die durch zusätzliche Finanzierungen die Westsächsische Hochschule Zwickau (FH) unterstützte. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 4 Inhaltsverzeichnis 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 2 2.1 2.2 2.3 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 5 5.1 5.2 Gedanken zum Einsatz von Kunststoff-Kapillarrohrmatten ............................. Vorteilhafte thermodynamische Eigenschaften ........................................................ Vorteilhafte hydraulische Eigenschaften .................................. ............................... Kombinationsvorteile thermodynamischer und hydraulischer Eigenschaften .......... Nachteilige thermodynamische und hydraulische Eigenschaften ............................. Bautechnische Eigenschaften .................................................................................... Weitere Eigenschaften ............................................................................................... BIONIK ..................................................................................................................... Minimaler Exergie- bzw. Primärenergiebedarf ................................................... Grundlegende Betrachtung ........................................................................................ Anlagentechnischer Einfluss bei der Lastkompensation ........................................... Anlagentechnischer Einfluss beim Wärmeträgertransport ........................................ Optimale wärmephysiologische Bedingungen im Raum ..................................... Grundlegende Betrachtung ........................................................................................ Behaglichkeitsgleichung ............................................................................................ Trockene Wärmeabgabe des Menschen .................................................................... Operative Raumtemperatur (Empfindungstemperatur) im Behaglichkeitsbereich ... Zug-Risiko ................................................................................................................. Strahlungstemperatur-Asymmetrie ............................................................................ Spezielle Anforderungen bei der Raumkühlung gemäß DIN 1946/02 und ISO 7730 ... Wärmephysiologische Bewertung verschiedener Raumkühlsysteme ................. Voll belegte Kühldecke ............................................................................................. Umluftkühler .............................................................................................................. Kühlsegel mit Umluftkühler ...................................................................................... Gesamtbewertung ...................................................................................................... Einsatz- und Entwicklungsempfehlungen, Fazit ....................................................... Praktisch nutzbares Umweltenergiepotenzial ....................................................... Fluss- und Seewasser ................................................................................................. Grundwasser .............................................................................................................. 8 8 13 15 16 16 16 17 19 19 22 27 28 28 28 30 32 33 34 35 38 39 40 41 43 47 50 50 51 ..............................5..............................3 7......4 5.....4 7................... Instationärer Betrieb ..............5.........3 9......................................................................................................................................... Zweiflächen-Bauteilaktivierung aktiv/aktiv ............ Fazit und Empfehlungen zur Weiterentwicklung der Heizungstechnik .......................... Heizphilosophie für Gebäude mit niedrigem Heizwärmebedarf . Stationärer Betrieb einer Betondecke bei unterschiedlichen Raumtemperaturen ............ Solarenergie als Wärmequelle .................... Wärmetechnisches Verhalten eines Raumes in einem Passivhaus ..... Grundprinzipien zur Anwendung der thermisch aktiven Baukörper ..................................................5 7 7............. Derzeitige Konsequenz für die Heizungstechnik .............4 9.............................5............... Quo vadis Büroklimatisierung? .. Grundüberlegungen für den Blick in die Zukunft ........................ Gesamtbewertung der Zweiflächen-Bauteilaktivierung ........................................................1 7....................... Neuartige thermisch aktive Deckenkonstruktion ........... Thermisch aktive Baukörper .................................................6 8 9 9................................................5 6 6.............................1 9........Zweiflächen-Bauteilaktivierung ...1 9....5 9...................................... Zwischenfazit .......................................................................................5..................... Raumdaten und Untersuchungsmethodik ..............................2 7...... Stationärer Betrieb .......................................................... Spezielle Untersuchung der thermodynamischen Eigenschaften der Filigrandecke mit integrierter Kapillarrohrmatte ...................5...........1 6... Kühlleistung der Speicherdecken ..............2.......................... Atmosphärische Luft als Wärmesenke ................3 7.......................................1 7.................. ....2 9..............2 9................................................... Aufbau und charakteristische Merkmale .......................Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 5 53 54 54 57 57 58 62 68 73 77 77 77 78 80 81 81 83 87 92 94 95 95 96 98 99 103 104 104 106 109 5............................................................................. Anlagentechnische Anforderungen und vorhandene Defizite ...................... Vollwertiges System zur Lastkompensation ...................................................................................1 9......................... Generelle Nutzungsanforderungen und mögliche Defizite .........................2 6.........5...... Vorschlag zur Vermeidung der üblichen Nachteile ..........3 5.........................4 6..2 7...................3 Erdreich ....3 6...................................................................................................................... Grundsätze zur Bewertung der thermodynamischen Eigenschaften ......... Grundanliegen der Wohnhäuser mit niedrigem Heizenergiebedarf ....5 7....................................................................... Zweiflächen-Bauteilaktivierung passiv/aktiv ................... Geschichtlicher Rückblick und Entwicklungstrend ........ ...................................8 9......................................1 Stationäre Leistungsberechnung ..................2 Berechnungsmodell für heterogene Putzkühldecken mit Kapillarrohrmatten ...........................................2..... Untergehängte Kühldecken ................. 10........6............ 10.................................................. Thermisch aktive Flächen am Baukörper .................. Verteilung der Wärmestromdichte längs der Rohrregister ...............2 9........................ 10...................................................................6..................... Einfluss der Wärmeleitfähigkeit von homogenen Platten auf die Kühlleistung ......................1...............1.............................................2 Entwicklungspotenzial für konventionelle Deckenpaneele zu Kühldecken durch Integration von Kapillarrohrmatten .......1 Fazit ..................4 Entwicklungspotenzial für Perlit.......1 Oberfläche von Rauputzen ........................4 10.... Testrechnungen .....1......6 9........................................ 10.............................3 Entwicklungspotenzial für Holzpaneele zu Kühldecken durch Integration von Kapillarrohrmatten .......................... Modellierung ................5................................... Einfluss der Bewehrung im unteren Plattenbereich auf die Kühlleistung ...2 9.... 10................... 10........1 9......................................................................3 Kühlleistung bei Vergrößerung der Oberfläche und der Wärmeleitfähigkeit ...................................... 10....................................................................................................1 9............................... Kühlleistungen von Raumkühlflächen mit Kapillarrohrmatten ...................................................1...... Neue Simulationsmethodik für die instationären...............1.......................3 9......... ......................2 Instationäres Verhalten (Aufheizvorgang) ............................. Fußbodenheizungen mit Kapillarrohrmatten .............5 Kühlsegel und flexible Kühlflächen ....... Algorithmus ..............................3 9........... 10.............................5...9............................................... Algorithmus ...............1 Algorithmus zur Bewertung und Optimierung von Metall-Kühldecken mit aufgeklebten Kapillarrohrmatten ..................................Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 6 115 117 118 126 126 127 128 131 131 134 135 137 140 142 143 145 150 155 156 157 157 159 160 166 166 168 169 171 174 175 177 9......................................... 10....................... 10. dreidimensionalen Vorgänge bei der thermischen Bauteilaktivierung .............................................. Vergleich von konventionellen Rohrregistern mit Kapillarrohrmatten .........................4 9.......... 10.............................. Einflüsse der Wärmeleitfähigkeit des Betons und der Bewehrung ...6......und Blähglasplatten zu Kühldecken durch Integration von Kapillarrohrmatten ...............4 9.............................................................3 10...............................................6 Leistungsermittlung von geschlossenen..........5..............2....9 9................................5 Entwicklung und Optimierung eines Wärmeleitpaneels ....6 Entwicklung und Optimierung einer Lamellenkühldecke . Vergleich verschiedener Rohrregister mit konventionellen Rohren ............................................. 10..........7 9...........10 10 10.........2..........9..........................................................1............2 Kühldecken und Kühlwände direkt am Baukörper .........9..................... 10.............. 10..................................................... Fazit zum Simulationsprogramm .....9.. thermisch aktiven Flächen – Normung .... ....1 13..............3 Verifikation ........................................... Kühlleistungen von optimierten Kühlschächten .......2 Strömungstechnische Modellierung der Kapillarrohrmatten im Schacht .............................................................................................................................................................................................................................................. 227 228 ...... Mögliche Energieeinsparungen bei umfassendem Einsatz von KunststoffKapillarrohrmatten in Einkaufszentren ........................ 11.................................. Mögliche Anwendungen ...... Optimierungsaufgaben ................................... 11.. Erweiterung des Verfahrens .........................................................................................................................1......................................................................................................1.................................................................... Zeitschriftenveröffentlichungen mit Bezug auf das bearbeitete F/E-Thema (20 Artikel) ... Empfehlungen für die Weiterführung der Kapillarrohrtechnik ... Weitere Entwicklungen und Untersuchungen ................ 11.............2 12.................................................Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 7 180 182 183 190 194 197 199 199 200 201 202 205 208 210 214 217 11 11............... Algorithmus zur Leistungsberechnung von kombiniert genutzten Schächten ..3 12 12................................................3 14 15 Produktoptimierung mittels Simulation .............................. 11.....................1 Kühlschächte mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten ...........................................................2 13........................................... 219 224 225 16 Literaturverzeichnis .............................................................................. Experimentelle Untersuchungen .................................................. Heizschächte mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten ..............1 12.. Verifikation und Leistungen ....................................1 Wärmetechnische Modellierung der Kapillarrohrmatten im Schacht .......... Anhänge auf CD-ROM (nur für Teilnehmer an der F/E-Bearbeitung) (1244 Seiten) ...............................................................................................................................2 11.................................. Algorithmus zur Leistungsberechnung der Kühlschächte .3 13 13...........1......................................... Thermoaktive Dämmung ................................................ 55 mm. nahezu parallele Isothermenflächen zur Rohrregisterebene im Bauteil.ab 10 mm . Die Abstände der Röhrchen variierten zwischen 10 mm und 30 mm. Um gezielte Entwicklungen einzuleiten und das Einsatzgebiet zu erweitern. Die anfängliche Geometrie – durch die Herstellungstechnologie bedingt – gestattete jedoch keinen umfassenden Einsatz weder im Bereich der Wärmeübertrager noch im Bereich der Raumheizflächen. bildete die Grundlage für eine erfolgreiche Komponentengestaltung. große verfügbare Wärme in Speicherbauteilen zum Beispiel in Massivdecken. • • • • gute Dynamik des Systems beispielsweise kurze Aufheiz. Daraus folgen zusammenfassend: • niedrige Über. Die ursprüngliche Zielstellung war der Bau von korrosionsfesten Wärmeübertragern zur Abwärmenutzung. 1. B. Die Abmessungen der Röhrchen betrugen vorwiegend 3. B.1 Vorteilhafte thermodynamische Eigenschaften Die Geometrie der Kapillarrohrmatten bewirkt mehrere vorteilhafte wärmetechnische Eigenschaften: I. an die dann auch bald gedacht wurde. Die Weiterentwicklung zu einem Meter breiten Matten mit bis zu einhundert parallelen Kapillarrohren. die einzeln aufgedornt in Verteilerrohren (sogenannte Stämme) gleichen Materials eingeschweißt wurden.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 8 1 Gedanken zum Einsatz von Kunststoff-Kapillarrohrmatten Kunststoff-Kapillarrohrmatten aus Polypropylen sind vor etwa zwanzig Jahren entwickelt worden.oder Untertemperaturen des Wärmeträgers (≡ mittlere Wassertemperatur nahe der Raumtemperatur) bei vorgegebener Wärmestromdichte sogar auch bei Baustoffen mit kleiner Wärmeleitfähigkeit (z. Blähglas mit λ = 0. seit 1990 zunehmend Verwendung beim Bau von Kühldecken. wobei zahlreiche Entwicklungen intuitiv entstanden. die der Stammrohre 20×2 mm.oder Abkühlzeiten. ist es notwendig die Besonderheiten der Kapillarrohrmatten zu erkennen.ergeben sehr homogene Temperaturen in flächenförmigen Bauteilen sowohl bei eingegossenen als auch bei aufgeklebten Matten. Diese Mattenform fand z.09 W/(m K)). . sehr geringe Temperaturwelligkeit an der Bauteiloberfläche. Die Kühldeckenfertigung erfolgte in der Regel in handwerklicher Form.4×0. Die kleinen Rohrabstände . 1 Erforderliche mittlere Heizwassertemperaturen und Aufheizzeiten für eine Fußbodenheizung mit eingeformten konventionellen Rohrmäandern bzw.Wasser) gilt für den Kühlfall gleichermaßen.1 bis 1. Kapillarrohrmatten im Vergleich bei einer Wärmestromdichte von 50 W/m² sowie einer Raumtemperatur von 22 °C Der angegebene Zusammenhang zwischen der Leistung und dem Absolutwert der Temperaturdifferenz (Raum . belegt.2 Erforderliche mittlere Heizwassertemperaturen und Aufheizzeiten für eine Wandheizung mit eingeformten konventionellen Rohrmäandern bzw. . Die Varianten mit Rohrmäandern wären für den Kühlfall überhaupt nicht einsetzbar! Kühlwände mit Kapillarrohrmatten haben dagegen eine sehr hohe Leistung: 50 W/m² bei einer ∆t ≈ 8 K für Baustoff Gips und von ≈10 K für Baustoff Blähglas. 10×1 mm. 40 °C 38 Gipsplatte 20 mm Gipsplatte 20 mm mit Fliesen Wassertemperatur 36 34 32 30 28 26 0 Kapillarrohrmatte 3. Kapillarrohrmatten im Vergleich bei einer Wärmestromdichte von 50 W/m² sowie einer Raumtemperatur von 20 °C Die Kapillarrohrmatten im Kleber verlegt sind als derzeitiges Optimalziel zu verstehen. die in den Bildern 1.4×0.4 vorab gezeigt werden.55 mm RA = 15 mm 1h konventionelle Rohrsysteme Cu. PP 4..Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 9 Diese Aussagen sind durch einige Entwicklungsergebnisse.9 mm 36 RA = 20. 40 °C Wassertemperatur Kapillarrohr38 matte. Die Erläuterungen finden sich in den Bildunterschriften.. PE 17×2 mm Estrich 67 mm 4h 6h e rk Pa n se lie F tt RA = 300 mm 8h tW > 30 °C RA = 150 mm tW < 30 °C RA = 30 mm 100 200 300 400 min 500 Aufheizzeit bis zu 90 % der Leistung von 50 W/m² Bild 1. da für eine Heiz.und Kühlwand die gleichen Wärmeübergangskoeffizienten gelten.3×0. RA = 150 mm 2h 3h Blähglasplatte 35 mm Gipsplatte oder Gipsputz 15 mm mit Fliesen Gipsplatte oder Gipsputz 15 mm tW > 30 °C tW < 30 °C min 200 50 100 150 Aufheizzeit bis zu 98 % der Leistung von 50 W/m² Bild 1. 30 mm 34 32 30 28 26 0 im Kleber 10 mm im Estrich 40 mm 2h rk Pa e tt en ie s Fl konventionelle Rohrsysteme. 9.5 mm 18 18 0 0 DECKE_R | 29.6 9.3 Bild 1.5 1.4×0.3 K.3 Temperaturwelligkeit ∆tW auf der Oberfläche von Wandheizsystemen (≡ Wandkühlsystemen) bei einer Temperaturdifferenz zwischen Wasser und Raum von 20 K durch Simulation ermittelt Man sieht die Temperaturhomogenität bei Einsatz von Kapillarrohrmatten sehr deutlich. Die Vertikalpfeile kennzeichnen den Temperaturbereich des Betons als Indiz für die Speicherwärme ("Speicherkälte") im Bauteil. bei dem extrem schlechten Wärmeleiter Blähglas auch nur 1. Demgegenüber ergeben sich bei Kupferrohrregistern mit üblichen Rohrabständen beachtliche Temperaturschwankungen. Die y-Achse beginnt in Höhe der Rohrebene und ist nach oben orientiert.4 Temperaturverläufe bei Kühlung einer Massivdecke der Dicke 300 mm mit einer mittleren Kühlwassertemperatur von 18 °C bei einer Raumtemperatur von 24 °C unter stationären Bedingungen Auf der Oberseite befindet sich ein Textilbelag (Dicke 10 mm. In der Regel beträgt der Unterschied auf der Wandoberfläche nur 0. Wärmeleitfähigkeit 0. rechts: Kapillarrohrmatten Dargestellt ist jeweils eine Symmetriehälfte von Mitte Rohr bis zur Mitte zwischen zwei Rohren.1 15.1 K. links: konventionelle Rohrschlangen. . Rohre: 20×2 mm RA = 300 mm 24 24 23 °C 22 22 3.07 W/(m K)).7 13.55 mm RA = 15 mm Raumtemperatur Temperatur an der Deckenunterseite y = -150 mm Temperatur 21 21 20 20 19 19 y = -100 mm y = -50 mm Temperatur in der Rohrebene y = 0 6 60 9 90 12 15 120 mm 150 18 0 7.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 10 Bauart Kapillarrohrmatte RA = 15 mm in 15 mm Gips Kupferrohrregister RA = 200 mm in 20 mm Gips Kupferrohrregister RA = 150 mm in 20 mm Gips Kupferrohrregister RA = 100 mm in 20 mm Gips Kapillarrohrmatte RA = 15 mm in 35 mm Blähglas ∆tW in K 0.1998 Rohrtemperatur 3 30 halber Rohrabstand Bild 1. Das Rohrregister liegt mittig in der Decke. 300 W/m² 250 Kapillarrohre horizontal Kühlleistung 200 150 100 50 0 2 4 6 Kapillarrohre vertikal Raumtemperatur . 3.führen bei frei in der Luft angeordneten Matten auch bei kleinen Luftgeschwindigkeiten zu großen konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten.z.5 und 1. Die kleinen Rohrdurchmesser .Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 11 II. Auch hier zeigen Vorabergebnisse (Bilder 1.B.6 Kühlleistungen von verschiedenen Schachtkonstruktionen der Fa.31) Raumtemperatur .6) der durchgeführten Entwicklungen das Leistungspotenzial.oder Untertemperaturen des Wärmeträgers (≡ mittlere Wassertemperatur nahe der Lufttemperatur). Clina in Funktion der Raumübertemperatur (Bezugsfläche ist die Projektionsfläche der Matte) (siehe auch Bild 10.15) .. 3/4" Rohr hohe konvektive Leistungen an Wärmeübertragerflächen aus Kapillarrohrmatten bereits bei niedrigen Über. 8 K Raumtemperatur 26 °C 0 10 11 12 Wassereintrittstemperatur in °C 13 14 15 16 17 18 19 20 Bild 1..5 Kühlleistungen für freihängende Kapillarrohrmatten der Fa. Daraus folgen zusammenfassend: • • Wärmeübergangskoeffizienten sind 2 bis 3 mal so groß wie an einem 1/2" bzw. Clina (Baulänge 1 m) (siehe auch Bild 11.Wassereintrittstemperatur in K 16 1000 14 12 10 8 6 Kühlleistung in W 800 600 400 200 Temperaturspreizung des Wassers 1 .4 mm .mittlere Wassertemperatur 8 10 12 K 14 Bild 1. bis 145 % mehr als bei Rohrmäandern).3×0.2 0.1 0. mittlere Kühlwassertemperatur 18 °C. Sie sind beispielhaft im Bild 1. bis zu 200 % größere Oberfläche und volumenbezogene Übertragungsleistung bei gleichem Speichervolumenverlust). • bei Volumenspeichern sind große Wärmeübertragerflächen im Speichermaterial bei geringer Reduzierung der Speichermasse realisierbar (z. wodurch die günstigste Temperaturdifferenz zur Umgebung besteht.8 Bild 1. Diesbezüglich sollten noch intensive Untersuchungen zur Speichergestaltung erfolgen. Raumtemperatur 24 °C. Oberseite mit Textilbelag der Dicke 10 mm.9 mm 30 RA = 40 mm 50 20 Kapillarrohr 3.55 mm RA = 15 mm 800 150 Normalrohr 17×2 mm RA = 200 mm 250 Normalrohr 20×2 mm RA = 300 mm 700 300 600 0. Daraus folgen zusammenfassend: • bei flächenförmigen Speichern werden sehr große Rohroberflächen bezogen auf die belegte Mattenfläche erreicht (z. 1000 Wh/m² negative Speicherwärme 900 Kapillarrohr 4. B. Durch die Mattengeometrie wird eine einheitliche Durchflussrichtung des Wärmeträgers bewirkt. stationäre Bedingungen analog Bild 1.7 0.7 Korrelation zwischen der Rohroberfläche. . Die geometrischen Abmessungen der Kapillarrohrmatten bewirken bei sensiblen und latenten Wärmespeichern eine hohe Speicherdichte.5 0.6 Rohraußenfläche / Deckenfläche 0.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 12 III.3 0. die im Bauteil integriert ist.7 gezeigt. und der Speicherwärme einer Massivdecke (Dicke 300 mm. Bisherige Ergebnisse liegen für Massivspeicherdecken vor.4×0. Rohrregister mittig in der Decke.4) IV. B.4 0. Sie überschreiten nur in einem Ausnahmefall .Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 13 1. dass beim ersten Betrachten von Kapillarrohrmatten mit Innendurchmessern der Röhrchen von 2.25 mm fünf oder sechs Stromkreise gebildet werden. Beispielhaft wird eine Belegungsfläche von 20 m² betrachtet.10 kPa. die aus thermodynamischer Sicht günstig sind. müssen mehrere parallele Stromkreise eingesetzt werden. den hydraulischen Abgleich für alle Stromkreise herzustellen. dann lie- gen auch nahezu gleichmäßige Druckverluste vor.ein angestrebter Fall bei Umweltenergieeinsatz ergibt sich bei sechs Kreisen noch ein Druckverlust von etwa 22 kPa. Im Gegenteil bietet die Mattengeometrie und die damit realisierte Durchströmung sehr vorteilhafte hydraulische Bedingungen: I. Kann bei einer thermisch aktiven Fläche die Mattenlänge gleich gewählt werden. Bei dieser Stromkreis- .3 mm bzw.2 Vorteilhafte hydraulische Eigenschaften Bezeichnend ist.7 mm sofort der subjektive Gedanke an einen hohen Druckverlust entsteht. ● Bei Rohrschlangen mit kleinen Rohrdurchmessern. Für die Temperaturspreizungen des Wassers wurden 2 K sowie 4 K angesetzt und die Druckverluste für konventionelle Rohrverlegungen in mäanderförmigen Rohrschlangen (hintereinander oder bifilar) sowie für Kapillarrohrmatten untersucht (Bild 1. Bei 2 K Spreizung . II. ● Die Druckverluste der konventionellen Rohrschlangen sind äußerst heterogen. Ein Auszug der umfangreichen Ergebnisse findet sich im Bild 1. Sie steigen mit kleinerer Stromkreiszahl und mit abnehmender Spreizung stark an. Die Wärmestromdichte betrage 50 W/m².8. Dies ist bei Auswertung der Rechenergebnisse aber völlig unbegründet. Die theoretischen Rohrlängen berechnen sich in allen Fällen zu l = A K RA mit der jeweils von einem Stromkreis belegten Fläche AK und dem Rohrabstand RA. Es ist schwierig und zeitaufwendig. Die Einzelwiderstände für Bogen und Abzweige sowie Durchgänge mit den jeweiligen Trennungen und Vereinigungen sind nach [1] eingerechnet worden.5×1. Infolge der Paralleldurchströmung des Rohrregisters entstehen niedrige Druckverluste auch bei sehr kleinen Temperaturspreizungen. Teilweise ergeben sich dabei unrealistische Verhältnisse.8). 2.und da auch nur geringfügig . Beispielsweise müssten bei Kunststoffrohr 10. um bei 4 K Spreizung ein ∆p ≈ 10 kPa oder 5 kPa zu verwirklichen. Hieraus resultiert ein geringer Planungsaufwand.ergeben sich die zusammengefassten Aussagen: Hieraus ● Die Druckverluste der Kapillarrohrmatten sind in erster Näherung unabhängig von der Anzahl der Stromkreise. 5/30 bzw. Der im Bild eingetragene Pfeil demonstriert diese Entwicklungsrichtung. Die Mattenform stellt bei großen Wärmeübertragerflächen – wie beispielsweise bei Raum- umfassungen erforderlich – die logische Entwicklungskonsequenz dar. entsteht die Mattenstruktur. Bild 1. 2. Mäanderform Spiralform Kr eis I Kr eis II RA I eis Kr I eis Kr I RA ei Kr sI ei Kr sI I Kr III eis Kr IV eis I eis Kr I eis Kr I RA Bild 1. Beschriftung der Bereiche: erste Zahl kennzeichnet den Rohrinnendurchmesser. Ein praktisch kaum realisierbarer Aufwand! 13/150 10/300 10/150 di=10 mm/RA=100 mm 50 W/m² bei: 2K 50 kPa 40 Druckverlust 30 20 10 16/150 8/100 16/300 8/60 4K 0 0 1 Matten 2.9 zeigt die Entwicklungsrichtung an.8 Druckverluste von Rohrregistern mit einer Belegungsfläche von 20 m² und einer Wärmestromdichte von 50 W/m² in Abhängigkeit der Stromkreiszahl und des Rohrsystems Dargestellt sind die Ergebnisse für Temperaturspreizungen des Wassers von 4 K und 2 K (Kurve begrenzt den jeweiligen Bereich nach oben).Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 14 zahl müssten bei Parallelanschluss an den Verteiler immerhin 12 Leitungen verlegt werden.9 Ausgehend von der mäanderoder spiralförmigen Rohrverlegung mit Einzelanschluss der Stromkreise wird bei Verknüpfung zahlreicher Stromkreise üblicherweise ein übergeordnetes Tichelmannsystem verwendet. Wenn die einzelnen Stromkreise zu einem geraden Rohr "entarten". III.3/15 2 Stromkreise 3 4 5 6 Bild 1. verbundene Mäanderform Mattenform . zweite Zahl gibt den Rohrabstand an. RA = 60 mm. die Aussagen gelten jedoch gleichermaßen auch für andere thermisch aktive Flächen. Beim Einsatz von Kunststoff-Kapillarrohrmatten ist die Kombination von zwei Entwicklungszielen. beispielsweise sind niedrige Wassertemperaturen für Fußbodenheizungen mit dem Rohr 10. Die Einzelziele sind mit herkömmlichen Systemen erreichbar.25 mm.25 mm.3×0. dass sich zwei Vorteile unterschiedlicher Gebiete sehr gut ergänzen. leerer Stern für Fliesenbelag) und sind als derzeitiges Optimalziel zu verstehen.3 Kombinationsvorteile thermodynamischer und hydraulischer Eigenschaften Beim Einsatz von Kapillarrohrmatten ist der in der Technik seltene Fall zu beobachten.10 zeigt die Gegenüberstellung von mäanderförmigen Systemen und von Mattensystemen. RA = 60 mm und niedrige Druckverluste mit dem Rohr 17×2 mm.10 Erforderliche mittlere Wassertemperaturen und zugehörige Druckverluste bei einer Belegungsfläche von 20 m². .Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 15 1.1 und 1. einer Wärmestromdichte von 50 W/m² und einer Raumtemperatur von 20 °C mit unterschiedlichen Rohrsystemen im Vergleich für eine Temperaturspreizung von 2 K (inhaltliche Verknüpfung der Bilder 1. Die römischen Zahlen geben die Anzahl der Stromkreise an.8) Als Beispiel wurde eine Fußbodenheizung betrachtet.4× V 0.55 RA=15 V V RA = 150 mm 10. Beide Ziele gleichzeitig zu erreichen.5×1. Parkett V IV VI Fliesen Matten 4.5×1. ist aus heutiger Sicht nur durch den Einsatz von Kunststoff-Kapillarrohrmatten denkbar. RA = 300 mm möglich. Die Sterne in der Nähe des Koordinatenursprungs stellen Kapillarrohrmatten im Kleber dar (voller Stern für Parkettbelag. möglichst raumnahe Wassertemperaturen und kleine Druckverluste gleichzeitig erreichbar. Bild 1. 40 °C 38 Wassertemperatur II II 36 34 17×2 mm RA = 300 mm konventionelle Rohrsysteme im Estrich 67 mm II II I I Parkett Fliesen I Parkett I Fliesen 32 17×2 mm 30 28 26 0 Parkett 3.9 mm RA = 30 mm im Estrich 40 mm 10 20 30 40 Druckverlust 50 60 kPa 70 Bild 1. Tabelle 1.8 0.1 beispielhaft.71 MWh/m³ 1.5 αi αa kinnen W/(m²K) 11.21 0.9 8.6 Weitere Eigenschaften Polypropylen erfüllt die Anforderungen der Stoffe. die mit Trinkwasser und Lebensmitteln in Kontakt kommen dürfen.1 Wärmedurchgangskoeffizient von verschiedenen Rohren bei typischen geometrischen und strömungstechnischen Bedingungen.5 7.4 8.2 dargestellten Ergebnisse. in dem diese gegebenenfalls eingebettet sind.6 W/(m K) 0.4×0. Tabelle 1.2 Speicherwärme im Bauteil bezogen auf den Kunststoffeinsatz Normalrohr 20×2 mm RA = 300 mm RA = 150 mm 1. aus. sodass der Wärmedurchgangskoeffizient vielfach sogar höher als bei vergleichbaren Rohren ist.4 Nachteilige thermodynamische und hydraulische Eigenschaften Die wärmetechnischen Nachteile der Kapillarrohrmatten sind die in der Regel vorhandene laminare Strömungsform in den Röhrchen und die niedrige Wärmeleitfähigkeit des Materials.5 1.3/2. Es ist grundwasserneutral und wird von Mikroorganismen nicht angegriffen. überkompensiert.07 MWh/m³ 2.5 7.2 0.5 Bautechnische Eigenschaften Kunststoff-Kapillarrohrmatten zeichnen sich durch einen sehr geringen Materialeinsatz und durch eine nur geringe Schwächungen des Bauteils.55 mm RA = 15 mm 1.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 16 1. .99 MWh/m³ 57 % 36 % 100 % Kapillarrohr 3. Eine vergleichende Berechnung zeigt die Tabelle 1. Bei der Massivdeckenspeicherung ergaben Berechnungen die in Tabelle 1. wenn auf der Außenseite freie Konvektion zur Luft vorhanden ist Rohrart Kapillarrohr Verbundrohr Kupferrohr da/di mm 4.35 372 W/(m²K) 888 3278 2057 W/(m²K) 7. Beides wird aber durch die geringe Rohrwanddicke kompensiert bzw.7 20/16 15/13 λRohr tWasser °C 10 °C 10 °C 10 °C wWasser m/s 0. Bezüglich der flächenförmigen Wärmeübertrager ist eine Analogie zur Durchblutung der menschlichen Haut gegeben.8 mm mit Rohrabständen ab 10 mm (rechts) In beiden Fällen erfolgt eine Aufteilung des Gesamtmassestromes in parallel durchströmte Fluidkanäle.7 BIONIK Die junge Wissenschaft BIONIK lehrt. Clina mit Röhrchen der Durchmesser 3. wie die natürlichen Vorgänge . Das Blutgefäßsystem. Das Material ist nicht diffusionsdicht gegenüber Sauerstoff. Dabei können stets nur Teile der komplexen Vorgänge transferiert werden.11). da deren Funktion so komplex ist. gegenüber starken Lösungsmitteln ist es bedingt bis nicht widerstandsfähig.55 mm oder 4.3×0. 1. Die Strömungsgeschwindigkeiten in den Arterien und in den Kapillarrohren liegen in der gleichen Größenordnung von 0.auf das Gebiet der Technik zu übertragen sind. Bei Einbau von nicht korrosionsfesten Materialien sind getrennte Kreisläufe vorzusehen.vor allem im Bereich der Biologie . dass ein "Nachbau" völlig utopisch wäre.05 m/s bis 0. Zusammenfassung der Analogie im Sinne der Bionik: • Der effiziente wirtschaftliche Wärmetransport erfolgt in beiden Fällen mit einem flüssigen Wärmeträger.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 17 Bis 60 °C ist Polypropylen gegenüber vielen Lösungsmitteln beständig.11 Teil des menschlichen Blutkreislaufes (links) und KunststoffKapillarrohrmatte der Fa. . Bild 1. Kupferionen können über längere Einwirkungszeiten die physikalischen Eigenschaften des Polypropylens verschlechtern.4×0.2 m/s. über das die Wärmeabgabe nach außen erfolgt. kann jedoch eine technische Umsetzung durch Kapillarrohrmatten in den Bauteilen erfahren (Bild 1. Bewusst wird nicht von der Haut in ihrer Gesamtheit gesprochen. Ein entfernteres Vorbild entstammt der Hydrographie. In den Wasserkreisläufen mit KunststoffKapillarrohrmatten dürfen keine korrosiven Materialien eingebaut sein. wie z. Stattdessen wären nötigenfalls engere Rohrabstände sinnvoll. Die gleichzeitige sehr gute Erfüllung der unterschiedlichen thermodynamischen.und Druckverlust – Lehren aus der Bionik" (21 Seiten) . • Der geringe Abstand der Fluidkanäle bewirkt auch ohne Wärmeleitrippen eine homogene Temperaturverteilung auf der Oberfläche.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 18 • Die Fluidbeaufschlagung der Heiz-/Kühlfläche mittels parallel durchströmter Röhrchen wird in Analogie zum Blutkreislauf gesehen. Unter Nutzung der Kapillarrohrmatten können sogar schlecht wärmeleitende Baustoffe Verwendung finden. Die Natur arbeitet offenbar nach dem gleichen Bauprinzip. Die Evolution probiert auch viele Dinge aus. • • Für alle Wärmeübertrager kann ein einheitliches Konstruktionsprinzip gewählt werden. Bericht im Anhang A: "Mehrdimensionale Optimierung für raumbegrenzende Heiz. Hindernisse. dann fließt er in parallelen Verzweigungen. hydraulischen und bautechnischen Anforderungen erlaubt es. von einem umfassenden optimalen Kompromiss der technischen Lösung zu sprechen. Es sind nur geeignete Kunststoffe und ergänzend Edelstahl sowie Rotguss zu verwenden. Ist kaum potentielle Energie vorhanden. Zusätzliche Wärmeleitrippen zwischen den Fluidkanälen – wie beispielsweise bei konventionellen Fußbodenheizungen im Trockenverlegeverfahren üblich – bringen bei den kleinen Rohrabständen keine merkliche Verbesserung. die oftmals in der handwerklichen Umsetzung mit neuen Baustoffen oder Halbzeugen gesehen werden. Man sollte mit Phantasie neue Konstruktionen entwerfen. Ein Flusslauf in einer breiten Aue bildet beispielsweise dann Mäander. wenn er durch das gegebene Gefälle Energie "verschwenden" darf. in einem Mündungsdelta üblich. In analoger Weise "repariert" die moderne Chirurgie auch den menschlichen Organismus. der durch die Evolution "optimiert" wurde. Alle Materialien sind "korrosionsfest".und Kühlflächen mit geringem Exergie. B. • In den natürlichen Blutkreisläufen sind die Wandungen der Fluidkanäle bewusst sauerstoffdurchlässig. sollten in Anbetracht der enormen technischen Entwicklung insbesondere auch im Bauwesen vor allem aber in Anbetracht der Leistungen der "natürlichen Baukünstler" nicht leichtfertig vorgebracht werden. h. die sich meistens nicht für einen direkten Einsatz zum Heizen oder Kühlen von Räumen mit der geforderten Raumtemperatur TR eignen. wenn die Abwärme bei Umgebungstemperatur Ta abgegeben wird und die Maschine reversibel nach dem CARNOT-Prozess arbeitet. erneuerbare Energieressourcen. Dabei wurde die Umgebungstemperatur ta = 20 °C (Ta = 293 K)1 gesetzt. als bei Temperaturen über der Umgebungstemperatur – gleiche absolute Differenzen vorausgesetzt – folgt die bekannte Aussage "Kälte ist wertvoller als Wärme". . da die Differenz |TQ – Ta| relativ klein ist. TQ 4 4 123 CARNOT-Faktor (2. wobei T = t + 273 K vereinfachend gilt.bzw. die zugehörigen absoluten Temperaturen in K mit T bezeichnet. bedeutet dies den Exergie. Da der CARNOT-Faktor bei Temperaturen unter der Umgebungstemperatur stärker ansteigt. In eine physikalisch-technische Zielstellung übertragen. Primärenergiebedarf Das Thema ist der umweltschonenden – d. 2. Sie verfügen bezogen auf die Temperatur der Außenatmosphäre Ta in der Regel nur über ein geringes exergetisches Potenzial.und Raumkühlanlagen zu minimieren. Die Exergie der Wärme stellt den Anteil der Wärme dar. Leider sind & die entnehmbaren Energieströme Q Q ("Energiequellen") an Temperaturen TQ gebunden. Für & den Prozess gilt dann der Exergiestrom (≡ Exergie des Wärmestromes Q Q): & & E Q = 1 − Ta QQ . Primärenergiebedarf zum Betrieb der Raumheiz. ressourcenschonenden – Raumheizung und Raumkühlung gewidmet. 1 Die Temperaturen in °C werden mit t.1) Der CARNOT-Faktor stellt den thermischen Wirkungsgrad des CARNOTschen Kreisprozesses zwischen TQ und Ta dar und ist somit für die exergetische Bewertung der Wärmequelle geeignet.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 19 2 Minimaler Exergie. Im Bild 2. der in einem Rechtsprozess (Wärmekraftmaschine) in Nutzarbeit überführt werden kann.1 ist zur allgemeingültigen Qualitätsbeurteilung der Wärme ("Kälte") der Absolutbetrag des CARNOT-Faktors 1− Ta TQ ausgewertet.1 Grundlegende Betrachtung Die Umwelt verfügt über nahezu unendlich große.bzw. oder Kühlflächen im Raum entsprechende Wärmeströme an den Raum abgegeben oder vom Raum aufgenommen werden.und Rücklauf vorausgesetzt werden. ist es vertretbar mit den mittleren Medientemperaturen zu rechnen. dass über Heiz.06 6 4 0.Ta/TQ| 20 30 40 °C 50 Temperatur der Wärmequelle tQ Bild 2. H = 1 − Q Q H T H (2.1 CARNOT-Faktor zur exergetischen Bewertung einer Wärme-/Kältequelle bei der Umgebungstemperatur von 20 °C Es ist üblicher Stand der Technik. Voraussetzung wäre hierbei eine reversible Prozessführung. Wird aus technischen Gründen eine mittlere Heizmedientemperatur1 TH benötigt und ist eine Wärmequelle mit TQ verfügbar. die Heiz. In Sonderfällen sind diese Heiz. Im realen Betriebsfall eines irreversiblen Kreisprozesses ist noch ein exergetischer Wirkungsgrad (Bezeich- Da kleine Temperaturspreizungen zwischen Vor.2) zugeführt werden.04 0.10 10 |1 . Das Anheben der Temperatur zum Heizen eines Raumes oder das Absenken der Temperatur zum Kühlen eines Raumes ist in beiden Fällen mit einer Exergiezufuhr verbunden. min = E Q.12 0. Die Techniken dazu sind bekannt und als Wärmepumpen und Kältemaschinen eingeführt.02 2 0 -10 0 10 Umgebungstemperatur 0. Die mittlere Heizmedientemperatur tH liegt dabei stets über der Raumtemperatur tR und die mittlere Kühlmedientemperatur tK liegt stets unter der Raumtemperatur tR. dann muss zur temperaturgerechten Bereitstellung des Heiz& wärmestromes Q H > 0 bei Einsatz einer Wärmepumpe minimal der Exergiestrom T & & & E WP. Entscheidend für den Aufwand ist das Transformationsniveau. 1 .oder Kühllasten von Räumen dadurch zu kompensieren.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 20 12 0.oder Kühlflächen oberflächennah in Raumumschließungen integriert. da mit endlichen Masseströmen und Wärmeübertragerflächen gearbeitet werden muss.08 8 0. sodass für die Wärmepumpe die Antriebsleistung TQ & 1 QH PWP = 1 − ζ WP TH (2.bzw. Analog gelten diese Überlegungen für die Raumkühlung bei Einsatz einer Kältemaschine. Dies ist bekanntermaßen der Fall. wenn man von den Transportaufwendungen für den Wärmeträger absieht.V = TK . PKM = − 1 QK T ζ KM K (2. wenn bei niedrigen Außentemperaturen nicht die Atmosphäre sondern beispielsweise das Erdreich oder das Grundwasser als Wärmequelle genutzt wird. TK) erschließen • exergetisch günstige Kreisprozessführung in den Maschinen umsetzen.V = TH + ∆t/2 < TQ und im Kühlfall unter der erforderlichen Kühlmedienvorlauftemperatur TK. . eine Wärmesenke mit TQ verfügbar & ist und dem Raum der Wärmestrom Q K > 0 zu entziehen ist (Kühlleistung). Liegt die Temperatur der nutzbaren Wärmequelle TQ über der Umgebungstemperatur Ta. Kühlflächen im Raum und/oder kleine Spreizungen realisieren (Bild 2. Damit sind die Aufwendungen bei Einsatz einer Wärmepumpe oder einer Kältemaschine bekannt. Der exergetische Idealfall wäre vorhanden. Es gelten zusammenfassend die Zielstellungen: & & • Raumlasten Q H bzw. als wenn die Wärme der Umgebung direkt entnommen würde. dessen Temperatur TQ im Heizfall über der erforderlichen Heizmedienvorlauftemperatur TH. Q K klein halten • mittlere Heiz.2) • Wärmequellen bzw. der Kühlmedientemperatur (TH. TK) nahe der Raumtemperatur TR durch große Heiz. -senken mit Temperaturen TQ nahe der Heizbzw.4) wenn eine mittlere Kühlmedientemperatur TK benötigt wird.∆t/2 > TQ läge.bzw.3) erforderlich ist. dann ist PWP kleiner.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 21 nung nach BAEHR) ζWP zu berücksichtigen. Die Antriebsleistung ergibt sich aus & TQ 1 . Kühlmedientemperatur (TH. wenn ein Wärmereservoir genutzt werden könnte. Eine Exergiezufuhr würde entfallen. dass direkt in Raumkühlflächen einsetzbar ist. dann gilt für den aufgewendeten Exergiestrom & & PQ = E Q. diesen Raum auf konstanter Temperatur TR & (≡ tR) bei niedrigerer Außentemperatur Ta (≡ ta) zu halten. Würde im Negativfall der Heizwärmestrom aus Elektroenergie bereitgestellt.V = tH + ∆t/2 ∆t/2 Rücklauftemperatur tH. (2.2 Temperaturschaubilder beim Heizen (links) und beim Kühlen (rechts) mit Kennzeichnung der Temperaturhübe Der Idealfall tritt beispielsweise ein. mit Verdunstungskühlung (Kühlturm) Kaltwasser bereitzustellen. wenn diese Effekte soweit wie möglich genutzt werden. In der Regel liegt dann aber keine maximale Kühllast an.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 22 Vorlauftemperatur tH.R = tK + ∆t/2 Rücklauftemperatur Bild 2. Andererseits besteht an kühlen Sommertagen die Möglichkeit. 2. Der dabei auftretende Exergieverluststrom berechnet sich nach Gl.5) da Elektroenergie frei konvertierbar ist und vereinfacht ausgedrückt "als Edelenergie aus 100 % Exergie besteht". der im stationären Fall in gleicher Größe über die Wände nach außen abfließt. Leider ist dann in aller Regel die Heizlast der Räume aber auch gering. H = Q H . Dennoch ist es sehr umweltfreundlich. wenn bei Sonnenschein ein Kollektor eine hohe Temperatur liefert. Er setzt sich – wenn man die Wärmebereitstellung unbeachtet lässt – Temperaturhub Wärmesenkentemperatur tQ .∆t/2 ∆t/2 Kühlfläche im Raum Temperaturhub tH Raumtemperatur tR tK ∆t/2 Raumtemperatur tR Wärmequellentemperatur tQ Heizfläche im Raum ∆t/2 tK. (2.V = tK .1). Dem Raum wird der Wärmestrom Q H bei einer vorgegebenen Heizwassertemperatur TH (≡ tH) zugeführt. Beim Heizen eines Raumes ist die Aufgabe zu lösen.R = tH .∆t/2 Vorlauftemperatur tK.2 Anlagentechnischer Einfluss bei der Lastkompensation Es sollen im Weiteren die speziellen Belange um die Heizfläche im Raum betrachtet werden. d. Der Verluststrom.3 nochmals verdeutlicht.3): & Verlust infolge des Wärmestromes ( Q H > 0) vom Raum nach außen T & & E V . Die Qualität der Wärme (Exergie) sinkt entsprechend dem II. Letzterer ist wegen der wärmephysiologisch bedingten Raumtemperatur und der gegebenen Außentemperatur nicht beeinflussbar. R − a = 1 − a Q H T R (2. kann durch eine niedrigere mittlere Heizwassertemperatur tH reduziert werden. Hauptsatz selbstverständlich nicht. Der Energiestrom.. einen erhöhten Wärmedurchgangskoeffizienten k und/oder eine vergrößerte Wärmeübertragerfläche A. . R − a = 0. der beim Übergang von der Raumtemperatur zur Außentemperatur entsteht. & Beide Verluste sind direkt proportional dem Wärmestrom Q H.7) Betragen die mittlere Heizwassertemperatur tH = 43 °C (TH = 316 K). H − R = 0. so folgen daraus: & & E V . der an den Wärmefluss vom Heizmedium an den Raum gebunden ist. In diesem Fall erfor& derte dies jedoch. Wäre A & unendlich groß.068 Q H & & E V . würde man beispielsweise durch eine verbesserte Dämmung der Wand den Wärmestrom nach außen reduzieren. verringerte sich in gleichem Maße auch der Exergieverluststrom. um das geforderte Q H = k A (tH – tR) übertragen zu können.6) Verlust infolge des Wärmestromes vom Heizmedium an den Raum T & T & & E V .Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 23 aus zwei Summanden zusammen (siehe auch Bild 2. ändert sich gemäß dem I. Weiterhin wären in diesem durchaus realistischen Fall der Exergieverluststrom beim Übergang von der Heizwassertemperatur zur Raumtemperatur gleich dem Verluststrom. die Raumtemperatur tR = 20 °C (Ti = 293 K) und die Außentemperatur ta = 0 °C (Ta = 273 K). H − R = 0 . h. H − R = 1 − a Q H − 1 − a Q H . T T H R (2. Hauptsatz dagegen auf Null ab. der vom Heizmedium an die Umgebung fließt.068 Q H . wie dies das Bild 2. ergäbe sich E V . Bei jedem Wärmeübergang von einem höheren zu einem niederen Temperaturniveau nimmt die Qualität der Wärme ab.. Er folgt aus der Summe der Gln. strom QH . Im Endergebnis sind 100 % Anergie vorhanden. Dies gelingt. ein Teil an Exergie wird in Anergie überführt. H − R nach Gl. .Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 24 ta . D. Die ökologische Hauptzielstellung ist es. & Durch das Absenken der Temperatur TH wird der Exergieverluststrom E V . (2. R − a = 1 − a Q H ≡ 1 − Q Q H .7) minimiert. h. Damit wird die zweite Zielstellung – die Heizwassertemperatur TH so niedrig wie technisch realisierbar zu halten – sofort ersichtlich. H − R + E V . wenn beispielsweise ein idealer Wärmepumpenprozess (reversible Arbeitsweise des Kreisprozesses und exergieverlustfreie Wärmeübertragung am Kondensator und Verdampfer) zwischen dem Umgebungsreservoir mit der Temperatur ta und der Heizmedientemperatur tH & arbeiten würde. Diese Betrachtung kann mit qualitativ gleichem Ergebnis für die Kühlung eines Raumes bei Einsatz einer Kältemaschine geführt werden. h. D. Exergiestrom E tR Heizfläche tH Wärme.2) gilt für die "Wärmequelle" Außenatmosphäre mit TQ ≡ Ta. (2. es würde nur der Exergieverluststrom des Heizprozesses E Q. Dies erfolgt beim Übergang vom Heizmedium an den Raum und vom Raum an die Atmosphäre. H = E V .3 Wärmestrom sowie Exergie.und Anergieströme bei der Raumheizung & & Der Heizenergiestrom Q H besteht zu einem großen Teil aus dem Anergiestrom A und zu einem & kleineren Teil aus dem Exergiestrom E . Anergiestrom A Bild 2.6) und (2. T T H H (2.2a) Die Identität zu Gl.. nur den minimal notwendigen Exergiestrom dem Heizsystem zuzuführen und den Anergiestrom im Kreislauf zu führen.7) zu T & T & & & & E Q . (2. es tritt ein Exergieverlust ein. H gedeckt. der Anergiestrom wächst und der Exergiestrom sinkt. 090 Q H & 1.2.068 Q H & 0. Eine Reduzierung wäre lediglich durch eine sogenannte thermoaktive Dämmung denkbar. Dabei sind natürlich technische und wirtschaftliche Randbedingungen zu beachten.2 Exergieverlustströme bei tR = 20 °C für unterschiedliche Heizsysteme und Variation der mittleren Heizmedientemperatur bei Wärmepumpeneinsatz Elektrowiderstandsheizung erforderlicher Exergiestrom & E Q.. H (Gl.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 25 Damit lautet die praktische Aufgabenstellung für den "Wärmeübertrager im Raum" beispielsweise für den Heizkörper oder die Kühldecke. (2. denn er ist systemunabhängig nur eine Funktion von der Raumtemperatur und Außentemperatur. so folgen für drei unterschiedliche Wärmebereitstellungsvarianten die Ergebnisse der Tabelle 2.068 . 9 % bei Flächenheizungen .022) Q H erreichbar. Tabelle 2.Ökologisch frevelhaft ist der Einsatz einer Elektroenergieheizung.136 Q H ideale Wärmepumpe tH = 27 °C. H − R → 0.14 . H − R Heizfläche-Raum (Gl.. (2. 0. den Wärmedurchgangskoeffizienten k und die Fläche A möglichst groß zu gestalten. Betragen die Raumtemperatur tR = 20 °C und die Außentemperatur ta = 0 °C.Für Flächenheizungen mit sehr großem Wärmedurchgangskoeffizienten und/oder Wär& meübertragerfläche (k A → ∞) gilt E V.022 Q H Aus Tabelle 2.5)) & Exergieverluststrom E V.7)) ideale Wärmepumpe tH = 43 °C.932 Q H & 0. • & Damit ergeben sich beispielhaft die exergetischen Gesamtaufwendungen bezogen auf Q H: . R − a Raum-außen (Gl.000 Q H & 0.068 Q H & 0.. ta = 0 °C & 0. ta = 0 °C & 0.2 folgen die Aussagen: • & Erwartungsgemäß ist der Exergieverlust vom Raum nach außen ( E V.2a) oder (2. Praktisch sind gemäß Tabelle 2.6)) & Exergieverluststrom E V. R − a ) für alle Varianten gleich. • & Der Exergieverlust vom Heizmedium zum Raum ( E V. (2.068 Q H & 0..2 Ver- & luste von (0. . H − R ) ist von der Wahl des Heizsys- tems direkt abhängig: .068 Q H & 0. 33 beträgt.54 Q H & QH Aus Tabelle 2.82 Q H & 0. Der Brennwert des Brennstoffs liegt voraussetzungsgemäß um ca. In ganz grober Näherung entspricht die Brennstoffexergie dem Heizwert Hu. bei sinkender Vorlauftemperatur zeigt sich die Überlegenheit der Wärmepumpe sehr deutlich. Interessant ist es auch.9 zum Einsatz kommt. die primärenergetischen Bedarfswerte in Abhängigkeit des Heizsystems darzustellen. ● Bei hohen Vorlauftemperaturen ist die Wärmepumpe dem Brennwertkessel aus primärenergetischer Sicht etwa gleichwertig. ta = 0 °C tH = 27 °C.100 % bei Elektroheizung. ergeben sich die primärenergetischen Werte nach Tabelle 2. 11 % über dem Heizwert. Sie ist hauptsächlich eine Funktion der stofflichen Zusammensetzung. ta = 0 °C Primärenergiebedarf & 3 QH & 0. Tabelle 2. dass der elektrische Kraftwerkswirkungsgrad (netto) ηel = 0. Weiterhin sei angenommen.3. muss von der Exergie des Brennstoffs ausgegangen werden. Gleiches gilt auch bei steigender Temperatur der Wärmequelle (Umweltreservoir). die Wärmepumpe mit einem exergetischen Wirkungsgrad ζWP = 0. .ideale Wärmepumpe ideale Wärmepumpe Brennwertkessel standsheizung tH = 43 °C. dass bei Wärmepumpeneinsatz die Außentemperatur ta der Temperatur der Wärmequelle tQ entspricht. Will man in die Betrachtungen auch die Systeme mit fossilen Brennstoffen mit einbeziehen.3 Primärenergiebedarf bei ta = tQ = 0 °C für unterschiedliche Heizsysteme und Variation der mittleren Heizmedientemperatur bei Wärmepumpeneinsatz Elektrowider.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 26 .5 arbeitet und ein Brennwertkessel mit einem Kesselwirkungsgrad von ηK = 0. Unter den Annahmen.3 folgen die Aussagen: ● Die Elektrowiderstandsheizung verbietet sich. Das Einsetzen praxisüblicher Werte für Flächenwärmeübertrager mit integriertem Rohrregister (Druckverlust im Gebäudesystem 2 mWS.und Abluft 500 Pa. muss in der Regel ein Wärmeträgerstrom zwischengeschaltet werden.15 kg K m³ & & Q H = 0. (2. Damit sollte der Wärmeträger Wasser bevorzugt zum Einsatz kommen. Hat man sich für den Wärmeträger Wasser entschieden. Spreizung 4 K) in Gl. 2 % der für den Wärmetransport ermittelten Teilver& & luste E V . deren Antriebsenergie in guter Näherung & völlig als Exergieverlust E P zu werten ist. Sie beträgt bei verlustfreiem Antrieb & & E P ≈ PP = V ∆p = ∆p & QH . dann nimmt die Formgebung des Rohrregisters noch erheblichen Einfluss auf den Druckverlust.8) liefert für Wasser: & EP = 20000 Pa & & Q H = 0. Temperaturdifferenz zwischen Zu. c ∆t ρ (2. Hierbei sind die Druckverluste der Verbindungsleitungen zwischen Wärmebereitstellung und Raum als auch bei Einsatz von Wärmeübertragerflächen im Raum deren Strömungswiderstände selbst einzubeziehen. Da er in Rohren oder Kanälen geführt wird. Für den Wärmeträger Luft ergibt Gl.8) beispielsweise (Ventilatorpressung Zu.3 Anlagentechnischer Einfluss beim Wärmeträgertransport Um die Lastkompensation zu bewirken.oder Kanalsystems sowie der eventuellen Wärmeübertragerfläche wird durch die Pumpenleistung PP überwunden. E V .04 Q H .001 Q H . (2. H − R bzw.8) wobei c spezifische Wärmekapazität. die Wärme zu transportieren.8 bis 1. J kg 4200 4 K 1000 kg K m³ Damit entspricht dieser Exergieverlust ca. R − a . Diese sehr wichtige Größe bei der Gestaltung des flächenförmigen Heiz-/Kühlsystems wurde in den Bildern 1. . h. Damit ist der Exergiebedarf für den "Wärmetransport" bei Luft als Wärmeträger um den Faktor 40 größer als bei Einsatz eines Wassersystems. entsteht ein Exergieverlust infolge der Rohrreibung. ρ Dichte und ∆t die Temperaturspreizung des Wärmeträgers bedeuten. d.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 27 2.10 gezeigt.und Abluft 10 K): & EP = 500 Pa J kg 1010 10 K 1. Der Druckverlust ∆p des Rohr. Handarbeiten.2 W/m² = 1 met) nach ISO 7730 (Entwurf. 50 W/m2. 3.6 2 Die Summanden der Wärmeabgabe des Menschen betragen bei Behaglichkeit: • • • • 15 % insensible Transpiration (Feuchtediffusion mit Hauttrocknung) 11 % Schweißverdunstung 11 % Atmung 63 % trockene Wärmeabgabe durch Konvektion und Strahlung. Luftgeschwindigkeit wL. Nur die trockene Wärmeabgabe des Menschen ist durch temperierte Oberflächen beeinflussbar! Die prozentuale Verteilung im Behaglichkeitsfall ist eine Funktion des Gesamtenergieumsatzes.2 1.73 m. Deshalb ist dieser Randbedingung bevorzugte Aufmerksamkeit zu widmen.8 m2. 1994) Aktivität Metabolic Rates W/m² Sitzen. Oberfläche AM = 1. Die Wärmeabgabe & des Menschen entspricht in guter Näherung dem Bruttoenergieumsatz q B . Dieser wird üblicher- weise auf die Körperoberfläche bezogen.1.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 28 3 Optimale wärmephysiologische Bedingungen im Raum Die energetische Bewertung von Systemen muss selbstverständlich stets unter dem Gesichtspunkt einer gesicherten Behaglichkeit in den Aufenthaltsräumen erfolgen. & Die oben genannten Prozentwerte beziehen sich auf eine Wärmeproduktion von q ges = 75 W/m2.1 Aktivitäten und Energieumsatz in W/m² bzw.. Für den "Normmenschen" gelten: Masse mM = 70 kg.2 Behaglichkeitsgleichung Die Behaglichkeitsgleichung nach FANGER (ISO 7730) gibt den Zusammenhang der Größen & Lufttemperatur tL. Für den Energieumsatz in Abhängigkeit der Tätigkeit gelten die Werte der Tabelle 3.1 Grundlegende Betrachtung Es sind behagliche Entwärmungsbedingungen für den Menschen zu schaffen. leichte Gymnastik) 58 70 93 116 met 1 1. Tabelle 3. Umfassungstemperatur tU. . Bruttoenergieumsatz q B . ruhig Tätigkeit im Sitzen (Schreibarbeiten. 3. in met (58. & Größe hM = 1.. Sein Grundumsatz beträgt im Ruhefall q B = 45 . Bedienung. Bürotätigkeit) leichte Tätigkeit im Stehen (Shopping) mittlere Tätigkeit im Stehen (Verkäufer. oder Strahlplattenheizung erreicht.2 met. wL = 0.5 wL m/s < 0. 2 ⇒ tL.5 Umgebungstemperatur tU.3 1. wL < 0.1 0.und Strahlungstemperatur bis 8 K unterscheiden. Minimal treten 5 % Unzufriedene auf ("Meckerquote"). Dieser Extrembereich wird z.15 m/s kaum realisierbar Punkt 2 tU = 24 °C. Weitere Einschränkungen ergeben die üblicherweise angestrebten Grenzen: Punkt 3 tU = 28 °C. B. 45 °C 40 0.1 m = 21 °C nach DIN 1946 T. 0.6 clo) und ϕ = 50 % gilt Bild 3. wie die Bilder 3. An Hand dieser Diagramme fällt häufig bereits eine Systemvorentscheidung.16 m/s für tL. 30 40 °C 45 20 Lufttemperatur tL. tL = 26 °C.min. wL = 0.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 29 Wärmeleitwiderstand der Kleidung RKl und Luftfeuchte ϕL an (übliche Diagrammdarstellung gemäß Bild 3. die Bekleidung 0. Bei einer Empfindungstemperatur tE (≡ tR) von 25 °C sind zwei Extremsituationen möglich: Punkt 1 tU = 29 °C.b Bei einer Raumklimatisierung ist der Spielraum sehr viel kleiner. tL = 21 °C.20 m/s ⇒ kleinster Grenzwert wegen Zuggefahr. tL = 24. leichte Kleidung (0. Damit wäre ein Variationsbereich zwischen tU und tL von etwa 5 K möglich. wL = 0. .2a und b zeigen.2 0.min ≡ tL.5 °C.min. denn Konvektionsund Strahlungswärmestrom können nur in einem begrenzten Bereich variiert werden.1).3 m/s ⇒ oberster Grenzwert wegen Zuggefahr.1 Behaglichkeitsdiagramm nach FANGER für die Aktivitätsstufe 1 met. Bei der Beheizung von Hallenbauten dürfen sich Luft. tL = 22 °C.5 clo und die relative Luftfeuchte 50 % Der Index b weist auf den Behaglichkeitszustand hin. beim Vergleich einer Luft.2a. wL = 0. Für Bürotätigkeit im Sommer mit 1.1 m = 22 °C bei gLt = 1 K/m Punkt 4 tU = 25.5 °C. 1.b 30 20 10 5 5 10 tU = t L Bild 3.15 m/s ⇒ Grenzwert. 2 met (Bürotätigkeit) und mittlerer Sommerbekleidung(0.6 clo) 30 °C 28 26 24 22 20 20 °C 18 20 0. ist die trockene Wärmeabgabe besonders intensiv zu betrachten. Sie beträgt im Behaglichkeitsfall: & & & &B q tr .5 K wL= 0.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 30 Der Variationsbereich bezüglich tU und tL reduziert sich somit auf den Kleinstwert von 2.5 K. Wenn die Strahlungstemperatur der Umgebung 28 °C übersteigt.20 3 4 2 = tU = tL tR tE≡ 0.20 0.b Bild 3.3 m/s 0.b 1 2.0 met 1.15 0.15 0.6 clo 1.10 tR = 24 °C Umgebungstemperatur tU.2b Behaglichkeitsdiagramm für die Aktivitätsstufe 1 met (ruhiges Sitzen) und winterliche Bekleidung bei Zimmeraufenthalt (1 clo) sowie Übergangsbekleidung (0.52 q 0.3 Trockene Wärmeabgabe des Menschen Da nur auf diese durch die übliche Heizung und Kühlung Einfluss genommen werden kann. 32 °C 30 28 26 24 22 20 20 22 24 0.25 0.15 0.2a Behaglichkeitsdiagramm mit Darstellung des technischen Realisierungsbereiches für die Aktivitätsstufe 1.0 clo Winterlicher Heizfall °C 30 24 26 28 Lufttemperatur tL. b = q K + q S ≈ 1.10 Umgebungstemperatur tU.2 met tE = 25 Sommerlicher Kühlfall °C 26 28 °C 30 Lufttemperatur tL.75 clo tE≡ tR = = tL tU 1.75 clo) 22 3.1) . (3.20 0.b wL= 0. muss gekühlt werden! Dies stellt ein Plädoyer für großflächige Wärmeübertragerflächen im Raum dar.25 m/s 0.8 .b Bild 3. Luft) Strahlungskonstante (σ = 5.2 Wärmeleitwiderstände und Oberflächenvergrößerung fKL durch die Kleidung Bekleidungsart RKL clo min.4 fKL .3 Wärmeübertragung durch Konvektion vom Menschen an die Luft und durch Strahlung vom Menschen an die Oberflächen des Raumes Tabelle 3.71 Wärmeübergangskoeffizient durch Konvektion (Mensch .0155 0.2) Reduktion der Strahlungsfläche (z.1 0.67⋅10-8 W/(m²K4)) Emissionskoeffizient der Kleidung des Menschen (εM ≈ 0.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 31 Sie wird durch den Wärmefluss vom Menschen an die Luft (Konvektion) und durch Wärmestrahlung vom Menschen an die Oberflächen des Raumes abtransportiert (Bild 3.15 1. Grenzwert (nackt) Shorts Freizeitkleidung.093 0.3): & q K = α M ( t M − t L ) f KL (3. Grenzwert (Polarkleidung) 0 0. Arminnenseiten strahlen nicht an die Raumumfassungen) fS ≈ 0.93).1 1.155 0.2) & q S = σ ε M ( t M + 273) 4 − ( t U + 273) 4 f KL f S tM tL tU fKL fS αM σ { } (3.6 1 3. Büroanzug max. B. Arbeitskleidung festlicher Anzug. εM Heizdecke Strahlung Luft Konvektion Heizwand Bild 3.543 1 1 1.5 (δ / λ)KL m²K/W 0 0.3) °C °C °C W/(m²K) W/(m²K4) - Oberflächentemperatur der Kleidung des Menschen Lufttemperatur in der Nähe des Menschen mittlere Strahlungstemperatur der Umgebung (Raumoberflächen) Oberflächenvergrößerung durch Kleidung (Tabelle 3. 155 R KL )−1 ( t H − t M ) .5) Der Koeffizient a ist eine Funktion der Luftgeschwindigkeit. Fußboden usw. Wände. 3. δ KL (3. Lüftungen usw.6) Im Bild 3. Modellrechnungen in [2] zeigen. indem die Strahlungswärmeübertragung zwischen dem Menschen und den Raumumfassungen (Decke. Die Werte sind in Tabelle 3.3 sind behagliche operative Raumtemperaturen nach ISO 7730 (Entwurf 1994) angegeben. Decke. (3.6 und für konventionelle Heizungen sowie für Systeme mit thermischer Flächenaktivierung a = 0.4) m/s und bei Luft. Bei großen Luftgeschwindigkeiten ist der konvektive Wärmeübergang intensiver und die Lufttemperatur geht stärker ein. Fußboden) gemäß Gl.5. Näherungsweise kann die mittlere Strahlungstemperatur der Umgebung tU als Mittelwert aus den Temperaturen ti aller Raumoberflächen n (z.und Umgebungstemperaturen tU = tL ± 5 K bis auf eine Abweichung von ± 0.4 und in Tabelle 3. a = 0.1. dass die mit einem Globethermometer (∅ 150 mm) ermittelten Temperaturen tK bei Luftgeschwindigkeiten wL = (0.. B. Zur Überprüfung der globalen.0. Wände. Fenster. Der trockene Wärmestrom des Menschen an die Umgebung muss zunächst durch die Kleidung transportiert werden: λ & q tr = ( t H − t M ) = (0. Für den Wärmeleitwiderstand der Kleidung wurde die Größe RKL in clo (clothing) definiert.) mit den jeweiligen Flächen Ai gebildet werden: t U = ∑ ti Ai i =1 n n ∑A i =1 i ..2 enthalten.4) Die treibende Temperaturdifferenz ist durch die Hauttemperatur tH minus Oberflächentemperatur der Kleidung tM gegeben. gebildet aus der Lufttemperatur tL und der mittleren Strahlungstemperatur der Umgebung tU: tR ≡ tE = a tL + (1. von Luftheiz. Deshalb gelten für Luftheizungen. thermischen Behaglichkeit bezüglich der sensiblen Wärmeabgabe des Menschen wird das Globethermometer benutzt. (3. Durch eine Reduzierung des Kugeldurchmessers auf 120 mm kann die maximale Abwei- .41 K den Empfindungstemperaturen tE entsprechen.und Luftkühlanlagen (hohe Luftvolumenströme und Luftgeschwindigkeiten im Raum) sind mit der thermischen Flächenaktivierung vermeidbar.a) tU .3) erhöht wird.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 32 Die Nachteile von konventionellen Klimaanlagen. (3.4 Operative Raumtemperatur (Empfindungstemperatur) im Behaglichkeitsbereich Die operative Raumtemperatur (Empfindungstemperatur) tR ≡ tE ist definiert als gewichtete Größe. 5 clo 26. 28 Operative Temperatur tR ≡ Empfindungstemperatur tE °C 27 26 25 24 23 clo 1 met.1 0.75 clo 1. Es ist in ISO 7730 (Entwurf.9 °C 26 °C ⇒ 12 % Bürotätigkeit 3.4 Optimale (behagliche) operative Raumtemperatur für sitzende Tätigkeit und 0.2 m/s und ϕL = 50 % nach ISO 7730 und Prozentzahlen Unzufriedener bei abweichenden Empfindungstemperaturen Aktivität met 1 (W/m2) (58) Freizeitbekleidung 0.05)0.2 met.14) Es bedeuten: tL wL Tu °C m/s % Lufttemperatur in der Nähe des Menschen mittlere Luftgeschwindigkeit in der Nähe des Menschen Turbulenzgrad der Luft in der Nähe des Menschen.tE | bei den vorgenannten Randbedingungen auf maximal ± 0.37 wL Tu + 3.29 K reduziert werden.0 °C 22 °C ⇒ 11 % 20 °C ⇒ 32 % 22.75 clo 25. 0 0.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 33 chung |tK .5 °C 23. in % (3.3 °C 26 °C ⇒ 21 % 20 °C ⇒ 11 % 18 °C ⇒ 25 % ruhiges Sitzen 1. 0 clo 1 met.2 Luftgeschwindigkeit m/s wL Bild 3.7) .5 Zug-Risiko Das Zug-Risiko – eine partikuläre Behaglichkeitsgröße – gibt den Prozentsatz der Unzufriedenen infolge Luftzug an.5 clo 1. 0.2 (70) 25.3 leichte Kleidung bei einer Unzufriedenheitsrate von 5 % Tabelle 3. 1994) definiert: DR = (34 .2 met.3 Behagliche Empfindungstemperaturen (fett) bei wL = 0. 0.8 °C leichter Büroanzug 0.0.3 °C Büroanzug 1 clo 24.75 Optimum .62 (0.5 .tL) ( wL . 2 m/s wL = 0. in das sich auch die Ergebnisse FANGERs von 1972 gut einfügen. Aus Gl.3.6 Strahlungstemperatur-Asymmetrie Sie stellt eine weitere partikuläre Behaglichkeitsgröße dar.3 m/s 0. Sie werde als die signifikante Asymmetrie betrachtet.5 Zug-Risiko in Abhängigkeit der Lufttemperatur tL.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 34 Das Zugrisiko ist auf sehr kleine Werte zu begrenzen. Die Strahlungstemperaturen werden für beide Elementflächen berechnet.7) 3.1999 Lufttemperatur tL 23 24 25 °C 26 Bild 3. .5 folgend sollten Luftgeschwindigkeiten ≤ 0. Nach aufwendiger Rechnung folgte auf der Grundlage der FANGER-Versuche ein neues Diagramm (Bild 3.. Räume mit thermischer Flächenaktivierung bieten die besten Voraussetzungen. Dies ist bei einer Heiz. FANGER nennt: 1972 9 ..6). 1985 4 K bei 5 % Unzufriedenen. diese geringen Luftgeschwindigkeiten zu realisieren. Damit betragen die zulässigen Strahlungstemperatur-Asymmetrien für • • • Heizdecken und Kühlwände 8 K Heizwände 11 K Kühldecken 14 K. Die zulässigen Werte sind umstritten. der Luftgeschwindigkeit wL und des Turbulenzgrades gemäß Gl. Es ist uns bekanntlich unbehaglich.7) und Bild 3. In [2] wird der Kopf als wichtigster Sensor für die Strahlungsasymmetrie durch ein Würfelelement nachgebildet.oder Kühlwand vertikal angeordnet. (3.oder Kühldecke horizontal. bei einer Heiz.4 m/s Zug-Risiko DR 40 35 30 25 20 15 10 5 20 21 0.6 m Höhe aus. die Differenz stellt die Strahlungstemperatur-Asymmetrie dar.oder Abstrahlung erfahren. die Strahlungstemperaturen für jede Elementseite berechnet und die maximale Differenz gebildet. wenn Körperpartien eine zu große Zu. 50 % 45 40 % 30 % Turbulenzgrad 20 % 0.1 m/s 22 ZUG | 14. Die Definition nach FANGER geht von einem Flächenelement in 0. KOLLMER und MACSKÁSY 10 K. Erste Angaben für Deckenheizungen auf diese Definition umgerechnet. ergaben nach CHRENKO.2 m/s eingehalten werden. (3. 11 K. 7 Spezielle Anforderungen bei der Raumkühlung gemäß DIN 1946/02 und ISO 7730 Die Raumklimatisierung wird mit den verschiedenartigsten Systemen durchgeführt.und Strahlungstemperatur zur Empfindungstemperatur tE sind nunmehr im Bild 3.und Kühlwand 1972 Kühldecke Kühlwand Heizdecke Heizwand Heizwand 6 5 0 2 4 6 Strahlungstemperatur-Asymmetrie 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Strahlungstemperatur-Asymmetrie K 30 Bild 3.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 10 35 Unzufriedenheitsgrad Unzufriedenheitsgrad % 8 7 Heiz. Der Koeffizient a zur Bildung der rechnerischen Empfindungstemperatur nach Gl.4 in Abhängigkeit des Systems erläutert. Im Vorfeld der Untersuchungen werden die objektiven Anforderungen an die Raumverhältnisse im Kühlfall und die durch Normen und Empfehlungen gegebenen Randbedingungen zusammengestellt. 3. Der paritätischen Mittelung der Luft.7 die Angaben der DIN 1946 Teil 2 und die Behaglichkeitsbereiche nach ISO 7730 für typische sommerliche Bedingungen gegenübergestellt.5) wurde bereits im Abschnitt 3. (3. Im Anhang B erfolgt eine Gegenüberstellung der durch die Systeme im Raum bewirkten wärmephysiologischen Gegebenheiten.6 Zulässige StrahlungstemperaturAsymmetrie nach [2] bezogen auf ein Würfelelement auf der Grundlage der Versuche von FANGER Diese ermittelten Grenzwerte sind durch die thermische Flächenaktivierung aufgrund der geringen Temperaturunterschiede zum Raum ohne Einschränkung einhaltbar. . Als Kompromiss wird die Realisierung des Zieles • • • Empfindungstemperatur tE = 25 °C Lufttemperatur tL≥ 22 °C Umgebungstemperatur tU ≤ 28 °C angestrebt. sodass man sich noch im zulässigen Bereich befindet. • Nach DIN 1946 Teil 2 sind zeitliche und örtliche Abweichungen von ± 2 K von der behagli- chen Lufttemperatur zugelassen. Mit der Annahme der Empfindungstemperatur tE und der Mindestlufttemperatur ist nach Gl.nor mal e Sp IN 1 =t U t E=t L 946 T2 12 % itze = 26 tL. Der Mindestwert tL.min °C 22 20 18 16 20 = 22 194 °C 6 T2 0 . 2m et me t 22 24 26 28 °C 30 Lufttemperatur tL Bild 3.15 m/s Umgebungstemperatur tU 28 26 24 20 % 3 2 1 ei t a=3 2 °C D tE . Die mögliche Tole- .min DIN 1946 T2 Ziel tE DIN .25 m/s . 1.7 Gegenüberstellung der Behaglichkeitsbereiche nach ISO 7730 und der zulässigen Grenzwerte nach DIN 1946 Teil 2 sowie ausgewählte PPD-Angaben für sommerliche Klimatisierungsbedingungen Sehr kritisch sind die nachfolgenden Angaben der zulässigen Toleranzbereiche zu bewerten: • Als zulässige Schwankungsbreite für die operative Raumtemperatur um den behaglichen Wert gibt die ISO 7730 bei Ausnützung von . (3.5 < PMV < + 0. 1.zul = ± 2 K an. Bei tL = tU wird der Mensch natürlich auch diese Temperatur empfinden..5 0 tE = 25 ° C cl o .ma x 2 3 wL = 0..min wurde bereits im Abschnitt 3.75 .. • Für die Strahlungstemperatur der Umgebung sind keine direkten Festlegungen bekannt. • Die optimalen Zuordnungen von tL und tU bei der Unzufriedenheitsrate von 5 % nach ISO 7730 sind im Bild 3.7 gegeben. (3. Bei tL ≠ tU gibt Gl.5). sodass dann tE = tL = tU gilt.0. 1.20 m/s wL = 0. (3.2 0.2 fixiert.5) die empfundene Temperatur nicht immer exakt wieder.7 5c lo. 1 clo die Temperaturdifferenz ∆tE. Geht man von der jeweiligen behaglichen Empfindungstemperatur tE aus und berechnet dann für diesen Wert und eine beliebige Lufttemperatur tL die Umgebungstemperatur tU gemäß dem linearen Zusammenhang nach Gl. ergeben sich oftmals größere prozentuale Unzufriedenheiten als 5 %.5 und bei einer Aktivität von 1 . In der Regel liegt die Unzufrieden-heitsrate aber unter 10 %.2 met sowie der Bekleidung von 0.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 36 32 nach ISO 7730 5 % °C 3 2 1 30 Prozentsatz der Unzufriedenen (alle schraffierten Bereiche) tE 1 = 27 °C b wL = 0.5) jedoch auch die Umgebungstemperatur sowie ihre zulässige Toleranz determiniert.. Die Einhaltung des Lufttemperaturgradienten ist oftmals problematisch.max = 3 K/m zu. dennoch sollte nach Möglichkeit der DIN-Wert realisiert werden. in der DIN 1946 Teil 2 getroffenen Festlegungen. • Außerdem existieren objektive Unterschiede zwischen der Empfindungstemperatur und der üblichen messtechnischen Ermittlung mit dem Globethermometer (Abschnitt 3. Der Lufttemperaturgradient ist nach DIN 1946 Teil 2 auf den Maximalwert gLt.2 K sein dürften.1 m Höhe gebildet. dass der in der ISO 7730 angegebene Toleranzbereich für die Empfindungstemperatur nicht. Nach den Angaben darf beispielsweise bei ta = 23 °C die Empfindungstemperatur tE = 21 °C betragen. Anmerkung In DIN 1946 Teil 2 werden bei Einsatz bestimmter Lüftungssysteme – genannt wird die Quelllüftung – ausnahmsweise auch sehr niedrige operative Raumtemperaturen zwischen 20 °C und 22 °C zugelassen.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 37 ranz für die Empfindungstemperatur ist dann jedoch größtenteils aufgebraucht. Lufttemperaturgradient Er wird zwischen den Lufttemperaturen in 0. zumindest aber nicht voll genutzt werden darf. Bei dieser Außentemperatur sind infolge dieser Temperatur und infolge von Strahlungseinträgen durch transparente Außenwandflächen Strahlungstemperaturen der Umgebung (Raumumfassungen) von wenigstens 22 °C zu erwarten.und Umgebungstemperaturen sowie Luftgeschwindigkeiten die Abweichungen ≤ 0.4). Es ist allerdings positiv. Sie sind abhängig von der Außenlufttemperatur. Weitere Detaillierungen zum Abschnitt 3.min betragen.1 m und in 1. hauptsächlich sitzende Tätigkeiten sowohl für den Heizals auch für den Kühlfall den Maximalwert gLt. so müsste tL = 20 °C < tL.7 im Anhang B: "Wärmephysiologisches Empfinden des Menschen beim Einsatz großflächiger. thermisch aktiver Raumumfassungen und konvektiv arbeitender Wärmeübertragerelemente im Raum mit geringen Temperaturdifferenzen zum Aufenthaltsbereich" . dass gerade bei den im Raum angestrebten Luft. Damit besteht – nach Ansicht des Autors – ein Widerspruch zwischen den beiden. Im Gegensatz dazu lässt die ISO 7730 für leichte.max = 2 K/m begrenzt. Schlussfolgernd gilt. Wollte man unter diesen Bedingungen bei Einsatz eines Quellluftsystems eine operative Raumtemperatur von tE = 21 °C realisieren. 1 Raum (Drahtmodell) mit zwei vollverglasten Außenwänden. Um derart detaillierte Angaben zu erzielen. Die wärmephysiologisch ungünstigste Konstellation stellt ein Eckraum mit zwei aneinandergrenzenden Außenfassaden dar (Bild 4. Konvektion Strahlung 50/50 50/50 3m 80/20 80/20 50/50 50/50 Zone = 10 40/40 G la sf a ss ad e 80/20 40/40 Glasfassade 10 m Zone = 1 10 horizontale Zonen Bild 4. sind differenzierte Ergebnisse erforderlich. Relevante Aussagen sind: • • • • • • Lufttemperatur Lufttemperaturgradient Luftgeschwindigkeit Strahlungstemperatur Strahlungstemperatur-Asymmetrie Empfindungstemperatur.1). Die wichtigsten Ergebnisse sind nachfolgend dargelegt.und Entwicklungsvorhabens SANIREV. wurde das im Rahmen des Forschungs. 5m .und Strahlungskühllasten in W werden der Basisuntersuchung zugrunde gelegt. in weiteren Simulationen jedoch variiert. das vom BMBF unter dem Projektträger BEO gefördert wurde.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 38 4 Wärmephysiologische Bewertung verschiedener Raumkühlsysteme Um das unterschiedliche wärmephysiologische Empfinden des Menschen beim variantenreichen Einsatz von großflächigen. die speziellen Annahmen sowie weiterführende Einzelergebnisse sind dem Anhang B zu entnehmen. thermisch aktiven Raumumfassungen und/oder von konvektiv arbeitenden Wärmeübertragerelementen im Aufenthaltsbereich beurteilen zu können. entwickelte Raummodell [2] eingesetzt. Diese Angaben sollten für den gesamten Aufenthaltsbereich ermittelt werden. neun Interieurwärmequellen und einer Quelllüftung Die durch die inneren Wärmequellen verursachten Konvektions. Abluft Kühldecke 3m Kühldecke Glasfassade 10 m Zuluft Bild 4.2 Anlagenvariante 1: voll belegte Kühldecke (κPaneel = 20 W/(m²K)) mit Quelllüftung (450 m³/h. Der Zuluftstrom liegt mit 450 m³/h (9 m³/(m²h) über dem hygienischen Minimalwert nach DIN 1946 Teil 2 von 6 m³/(m²h) für Großraumbüros. 4. • Gl as fa Die Wärmeaufnahme durch die Zuluft steigt stark mit der konvektiven Lasteinbringung an. Sie werden außerdem im Folgenden detailliert als Säulendiagramme vorgestellt und diskutiert.2 ist diese Anlagenvariante symbolisch dargestellt. Mit ihr steigt auch die Lufttemperatur und die Strahlungstemperatur der Umgebung sinkt im gleichen Verhältnis. Die wichtigsten Ergebnisbereiche sind in Tabelle 4. dass die gewünschte Empfindungstemperatur tE = 25 °C erreicht wird.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 39 Zur Kühlung des Eckraumes werden drei unterschiedliche Anlagentypen als Grundvarianten eingesetzt: • • • Voll belegte Kühldecke Umluftkühler Kühlsegel mit Umluftkühler maximale Kühllastdichte 77. wurden im Weiteren die Konvektions. Die Temperatur des Kaltwassers. tLzu = 22 °C) mit Leistungsanpassung durch die Kaltwassertemperatur der Kühldecke Aussagen: Die Kühldecken-Quellluft-Kombination stellt eine ausgezeichnete Lösung zur Kühlung von Räumen – auch von Eckräumen mit zwei Vollglasfassaden – dar.4 W/m² Für diese Anlagenvarianten und die vorgegebene spezifische Gesamtbelastung einschließlich der im Bild 4.1 zusammengefasst. das die Kühldecke mit einem Teilwärmedurchgangskoeffizienten κPaneel = 20 W/(m²K) beaufschlagt. ss ad 5m e . Die Zulufttemperatur beträgt 22 °C. wird iterativ so angepasst.1 angegebenen Interieurlasten erfolgten Basissimulationen. Die globalen und partikulären Behaglichkeitsbedingungen werden eingehalten.1 Voll belegte Kühldecke Im Bild 4.und Strahlungsanteile und teilweise auch die inneren und äußeren Lastanteile variiert. Um den Einfluss einer veränderten Lasteinbringung festzustellen. 7) von 28 °C. Sie liegt weit unterhalb der zulässigen Grenze nach Bild 3. Die Strahlungstemperatur-Asymmetrie fällt etwas mit ansteigender konvektiver Lasteinbringung. Detaillierte wärmetechnische und wärmephysiologische Ergebnisse der Anlagenvariante 1: 900 Wärmeaufnahme durch die Zuluft W 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 1 2 3 Lufttemperaturgradient Normallast erhöhte Interieurlast 2 K/m Normallast erhöhte Interieurlast 1 100 % Strahlung Normalverteilung 100 % Konvektion 100 % Strahlung Normalverteilung 100 % Konvektion 28 °C 27 Lufttemperatur 26 25 24 23 22 28 °C Umgebungstemperatur 27 26 25 24 23 22 max. Strahlungsasymmetrie Normallast erhöhte Interieurlast 10 K 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Normallast erhöhte Interieurlast 100 % Strahlung Normalverteilung 100 % Konvektion 100 % Strahlung Normalverteilung 100 % Konvektion max. bleibt aber im zulässigen Bereich von ≤ 2 K/m. Die maximale Umgebungstemperatur liegt auch bei hohen Strahlungslasten unter dem zulässigen Wert (Bild 3.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 40 • • • Der vertikale Lufttemperaturgradient steigt stark mit der konvektiven Lasteinbringung an. Der Umluftstrom beträgt im Volllastfall 2000 m³/h (Luft- . Bild 4.2 Umluftkühler Im Falle der Nachrüstung von Räumen mit einer Kühleinrichtung zur Erhöhung der flexiblen Raumnutzung und zur Kostenreduzierung ist es interessant zu wissen. inwieweit eine konvektive Raumkühlung aus wärmephysiologischer Sicht möglich ist. Umgebungstemperatur Normallast erhöhte Interieurlast 28 °C 27 26 25 24 23 22 Normallast erhöhte Interieurlast 100 % Strahlung Normalverteilung 100 % Konvektion 100 % Strahlung Normalverteilung 100 % Konvektion 4. Er entnimmt die warme Luft aus der obersten Zone und führt die gekühlte Luft der untersten Zone zu.3 zeigt die Prinziplösung mit einem Umluftkühler.6. Die reine Umluftkühlung im Raum trägt die Merkmale einer Nur-LuftKlimatisierung: niedrige Lufttemperaturen und unzulässig hohe Umgebungstemperaturen.6.7 zulässigen Wert von 28 °C.3 Anlagenvariante 2: Umluftkühler oder Quelllüftung (2000 m³/h) mit Leistungsanpassung durch die Lufttemperatur am Raumeintritt Aussagen: Bei hohen Raumlasten ist eine Umluftkühlung nur bei einem sehr hohen konvektiven Lastanteil vertretbar.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 41 wechsel ca. sa d 5m e . Der Zuluftstrom werde für diese Berechnungsserie null gesetzt. Der Zuluftvolumenstrom muss jedoch wenigstens dem hygienisch bedingten Mindestwert entsprechen. Alle errechneten Daten würden weiterhin gelten. Zulufttemperatur) ersetzt werden. • • • • Der vertikale Lufttemperaturgradient übersteigt in den meisten Fällen den zulässigen Bereich von ≤ 2 K/m geringfügig. Sehr problematisch ist es. eine zugfreie Raumluftströmung zu realisieren. Die Erfahrungen mit Quellluftdurchlässen sind zu nutzen. Die Zuluft wäre in der untersten Zone zuzuführen. Die Temperatur der Umluft am Eintritt in den Raum tULzu wird iterativ so angepasst. dass die gewünschte Empfindungstemperatur tE = 25 °C erreicht wird. Mit ihr steigt auch die Lufttemperatur und die Strahlungstemperatur der Umgebung sinkt im gleichen Verhältnis. Die maximale Umgebungstemperatur übersteigt bei den meisten Belastungsvariationen den nach Bild 3. Das Raummodell wurde für diese Berechnungen erweitert. 13 h-1). wenn der Umluftstrom um den gewählten Zuluftstrom verringert würde und die Zulufttemperatur der iterativ ermittelten Eintrittstemperatur der Umluft entspräche (tLzu = tULzu). Selbstverständlich kann der Umluftkühler auch durch eine reine Quelllüftung mit den gleichen Parametern (Luftvolumenstrom. Die Aussagen sind dann identisch. Die Strahlungstemperatur-Asymmetrie liegt weit unterhalb der zulässigen Grenze gemäß Bild 3. Umluftkühler 3m Gl as fa s tULzu Glasfassade 10 m Bild 4. • Die Eintrittstemperatur der Umluft in den Raum steigt mit zunehmender konvektiver Lasteinbringung an. Der Umluftstrom beträgt 1200 m³/h (Luftwechsel 8 h-1). Die Lufttemperatur . Strahlungsasymmetrie 0 5 K 4 3 2 1 0 Normallast erhöhte Interieurlast 31 °C max.3 Kühlsegel mit Umluftkühler Der Einsatz von Kühlsegeln zeigt. wenn die Kühlwassertemperatur den Taupunkt erreicht.4 zeigt die Anordnung schematisch. Umgebungstemperatur 30 29 28 27 26 25 100 % Strahlung Normalverteilung 100 % Konvektion Normallast erhöhte Interieurlast °C Lufttemperatur 23 Normallast erhöhte Interieurlast Normallast erhöhte Interieurlast 22 21 100 % Strahlung Normalverteilung 100 % Konvektion 100 % Strahlung Normalverteilung 100 % Konvektion 20 30 °C Umgebungstemperatur 29 28 27 100 % Strahlung Normalverteilung 100 % Konvektion 26 4. Das Kühlsegel wird stets in der obersten Zone angeordnet. Wollte man genauer vorgehen. könnte die Wassertemperatur bei gleicher Deckenoberflächentemperatur höher liegen. Aus gestalterischen Aspekten und aus Kostengründen wird nur eine Deckenhälfte in Fassadennähe mit dem Kühlsegel belegt. Die wärmetechnische Nachbildung des Kühlsegels erfolgt im Raummodell [2] durch eine einfache Modellerweiterung. Die mittlere Kaltwassertemperatur für das Kühlsegel (κPaneel = 20 W/(m²K)) beträgt 15 °C. Würde eine wärmetechnisch bessere Konstruktion eingesetzt. dass damit sehr hohe Leistungen und behagliche Raumverhältnisse erreicht werden. Die Umluft wird der obersten Zone entnommen und auf tULzu gekühlt der untersten Zone zugeführt. Eine Leistungsbegrenzung entsteht. müssten sehr spezielle Konstruktionsdetails Berücksichtigung finden. Im Bild 4. Deshalb wird im Weiteren eine kombinierte Kühlsegel-Umluft-Kühlung untersucht.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 42 Detaillierte wärmetechnische und wärmephysiologische Ergebnisse der Anlagenvariante 2: 21 Umlufttemperatur am Eintritt °C 20 Normallast erhöhte Interieurlast 3 K/m Lufttemperaturgradient Normallast erhöhte Interieurlast 2 19 100 % Strahlung 18 Normalverteilung 100 % Konvektion 1 100 % Strahlung Normalverteilung 100 % Konvektion 17 24 max. indem der konvektive Wärmestrom der Kühldecke verdoppelt wird. Strahlungsasymmetrie Normallast erhöhte Interieurlast K 6 5 4 3 2 1 0 Normallast erhöhte Interieurlast 24 100 % Strahlung 23 100 % Strahlung Normalverteilung 100 % Konvektion Normalverteilung 1 2 100 % Konvektion 3 22 28 °C Umgebungstemperatur 27 max. wenn die Zulufttemperatur tLzu = tULzu realisiert wird. Der Zuluftstrom kann im praktischen Fall einen beliebigen Teil des Umluftstromes ersetzen. Umluftkühler Kühlsegel 3m Gl as fa s tULzu Glasfassade 10 m Bild 4. tKW = 15 °C) und eines Umluftkühlers oder einer Quelllüftung (1200 m³/h) mit Leistungsanpassung durch die Lufttemperatur am Raumeintritt Detaillierte wärmetechnische und wärmephysiologische Ergebnisse der Anlagenvariante 3: 23 Umlufttemperatur am Eintritt °C 22 21 20 19 18 26 °C 25 Lufttemperatur sa d 5m 3 K/m Lufttemperaturgradient e Normallast erhöhte Interieurlast Normallast erhöhte Interieurlast 2 1 100 % Strahlung Normalverteilung 100 % Konvektion 100 % Strahlung Normalverteilung 100 % Konvektion 0 7 max. .4 Anlagenvariante 3: Kombination eines Kühlsegels (κPaneel = 20 W/(m²K). sodass tE = 25 °C erreicht wird. Umgebungstemperatur Normallast erhöhte Interieurlast 30 °C 29 28 27 26 25 100 % Strahlung Normalverteilung Normallast erhöhte Interieurlast 26 Normalverteilung 25 100 % Strahlung 100 % Konvektion 100 % Konvektion 24 Aussagen: Das Kühlsegel-Umluftkühl-System ist bei der Abfuhr hoher Raumlasten auch für Eckräume sehr gut einsetzbar.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 43 Zone entnommen und auf tULzu gekühlt der untersten Zone zugeführt. Die Lufttemperatur tULzu wird iterativ ermittelt. Die globalen und partikulären Behaglichkeitsbedingungen werden eingehalten. die für die Behaglichkeit und auch für den Anlagenbetrieb signifikant sind. Die Strahlungstemperatur-Asymmetrie liegt unterhalb der zulässigen Grenze nach Bild 3.9 m maximale Strahlungstemperatur-Asymmetrie bezogen auf Würfelelemente gemäß [2 oder Anhang B. Bild 4. arithmetisch gemittelt aus dem Maximal..3 m über Fußboden. In der Tabelle 4.zone=1) / 0. 1500 m³/h). Sie werden nachfolgend kurz charakterisiert: tLuft tUmgebung ∆tE gLufttemp.4 W/m² wurden auch Variationen betrachtet. wenn κPaneel = 20 W/(m²K) gilt stündlicher Raumluftwechsel durch Zuluft oder Umluft (Umluftkühler). .6. °C °C K K/m Raumlufttemperatur in Kopfhöhe eines sitzenden Menschen Strahlungstemperatur der Umgebung in Kopfhöhe eines sitzenden Menschen Schwankung der Empfindungstemperatur in Kopfhöhe über dem Raumgrundriss mit einem Wandabstand von jeweils 1 m vertikaler Lufttemperaturgradient zwischen den Höhen 0. näherungsweise gebildet aus den mittleren Lufttemperaturen in den Zonen 4 und 1 gemäß dem Zusammenhang gLt = (tL. Kritisch kann im Ausnahmefall sehr hoher Strahlungslasten lediglich die Strahlungstemperatur der Umgebung werden.3 W/m².3 m) Oberflächentemperatur der thermisch aktiven Kühldecke bzw.tL.4 Gesamtbewertung Außer den drei grundsätzlichen Anlagenvarianten und der spezifischen Kühllast von 77.1 finden sich alle relevanten Ergebnisse der Simulation. Sie ist aber stets niedriger als bei Nur-Luft-Klimaanlagen. reduzierter Umluftstrom (1200 m³/h.1 m.zone=1 tDecke tKaltwasser nLW °C °C °C h-1 Für alle aufgeführten Varianten gilt eine Empfindungstemperatur von 25 °C in der Aufenthaltszone (Kopfhöhe eines sitzenden Menschen 1. K tL. 4. Kühlsegel mit Quellluft (450 m³/h) bei zu ermittelnder Kaltwassertemperatur und reduzierte Kühllast von 47. 0.1. ∆tStrahl.zone=4 .. • • • Der vertikale Lufttemperaturgradient befindet sich stets im zulässigen Bereich von ≤ 2 K/m. eines Kühlsegels mittlere Kaltwassertemperatur mit der die Kühldecke oder das Kühlsegel beaufschlagt wird. beispielsweise halb belegte Kühldecke (Dreieck an den Fassaden). m und 1.und Minimalwert über dem Raumgrundriss bei einem Wandabstand von jeweils 1 m). Mit ihr steigt auch die Lufttemperatur und die Strahlungstemperatur der Umgebung sinkt im gleichen Verhältnis.30] in Kopfhöhe über dem Raumgrundriss mit einem Wandabstand von jeweils 1 m mittlere Lufttemperatur in der Zone 1 (Höhe: 0 .Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 44 • Die Eintrittstemperatur der Umluft in den Raum steigt mit der konvektiven Lasteinbringung an. ..9.6 21.22. halb belegt + Quelllüftung und/oder Umluftkühler.3. K/m ∆tStrahl.....2 20..9..4 25.0 19.4 15...4 W/m²).. Quellluft mit tLzu = 22 °C 24..3 0..8 4.3 befriedigend 8 gut 10 Kombination: Kühldecke.1.7 Quelllüftung und/oder Umluftkühler.0..7.1.6.16. Quellluft mit tLzu = 22 °C 23.1. reduzierte Last (47...26..7 18..2..6 3 ideal 19.4 W/m² einen moderaten Wert dar.0..1 0.1 22..4.23.2 26.8 20..23..2.8 22 mangelhaft 13.1.9.23.1.20. halb belegt.. K tL.24.5.6 22 Gesamturteil: ideal 18.2.9.26....8.8.7.5. 1200 m³/h.6.8 4.2 26. reduzierte Last (47....6. .9 0.9 4....3.9 23.. Normallast (77..23.7 27.20.5 13..20.7..4... reduzierte Last (47.. voll belegt..6.27.. Normallast (77.27. halb belegt.5.6.1 19.7 19..9.2.0..4.22.23...1.1 3 Kühldecke. Vielfach werden die Leistungsangaben aufgrund unterschiedlicher Interessenslagen auch bewusst zu besonders hohen oder auch besonders niedrigen Werten hin manipuliert.5.3 Kühlsegel...19.3. Für Eckräume mit hohem transparenten Flächenanteil stellt die angenommene Normallast von 77..2......7 2.9.7.3 1.6.6 2..6 19.19.. Normallast (77...4 0.8..7.20. Normallast (77.1.23. Die verwendete reduzierte Last von 47..7 3 gut 17. halb belegt..1.4 W/m²) ideal 22. 1200 m³/h..2 23. umweltschonenden Klimatisierung als Obergrenze anzusehen.7.. Bei Einsatz von guten Gläsern und wirksamen Verschattungseinrichtungen ist diese Größenordnung auch erreichbar und im Sinne einer wirtschaftlichen.6 22 Kombination: Kühlsegel.7 1..0.1.2. 1200 m³/h. Quellluft mit tLzu = 22 °C 23.1 Zusammenstellung aller relevanten Ergebnisse der berechneten Beispiele tLuft °C tUmgebung °C ∆tE K gLufttemp.7 15.7 4...26.6...0..5.1..15.5.....2.5.7.3 W/m²) 22..4 Quelllüftung und/oder Umluftkühler.22.9 Quelllüftung und/oder Umluftkühler.1.6.6...2.9.24.5 17.4 25..3 W/m²) 22.4.1......3 W/m² wird bei Eckräumen nur zutreffend sein können.3 15 8 Diskussion der Varianten Die in der Praxis vorkommenden spezifischen Lasten schwanken in sehr weiten Grenzen....24..2 25.3.....0..8.3 19..27.8 3 Kühlsegel.6 15 8 mangelhaft 8....2.8 0.23.5.1 0.9.3 23.0 0.16.0..8 0.zone=1 °C tLuft.24..0 4...27. Quellluft mit tLzu = 22 °C 23...2.2..1 1.4.6.3 1.8..6..3 W/m²).5 1.. 1500 m³/h..Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 45 Tabelle 4. 2000 m³/h..4 W/m²).26. Normallast (77.zu °C tDecke °C tKaltwasser °C nLW h-1 Kühldecke..0.3.4 W/m²) gut 23.5 24.0..24.0..4 W/m²) 21...17.22.5 0.6.4 1....5.21..6.0.. reduzierte Last (47.0 0.3 0...4.18.6.8 18....9 25.4 25.6 22 15.8 18.5..2.3 W/m²). halb belegt + Quelllüftung und/oder Umluftkühler.8 3..11.8.20.7..5 0.9 1..28.1.......4..25. Für die einzelnen Anlagenvarianten ergeben sich in Verbindung mit Tabelle 4. 2000 m³/h. reduzierte Last (47. voll belegt.4 W/m²) Diese Lösung ist bezüglich der wärmephysiologischen Kriterien und technischen Grenzparameter kritisch zu bewerten. Bei der wärmephysiologischen Bewertung der Varianten kann man somit folgende pauschale Feststellungen treffen. dann ist der Einsatz im Eckraum mit geringem Fens- teranteil und in einem Normalraum ideal möglich. Der große Raumluftwechsel von über 13 h-1 gestattet nur in Sonderfällen ohne Zuggefahr – beispielsweise bei einer Teppichbodenlüftung – eine Erhöhung. speziellen Bewertungen. Quellluft mit tLzu = 22 °C Alle wärmephysiologischen Kriterien werden erfüllt. . dann ist der Einsatz im Eckraum und erst recht in einem Normalraum ideal möglich. Der kleine Raumluftwechsel von 3 h-1 gewährleistet Zugfreiheit.3 W/m²).4 W/m²). da die erforderliche Oberflächentemperatur der Kühldecke bei etwa 18 °C liegt und die Taupunkttemperatur der Raumluft bei 50 % relativer Feuchte ca. Quellluft mit tLzu = 22 °C Ideale Lösung. Dies ist möglich.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 46 wenn die Fassade einen kleinen Fensteranteil aufweist. Es sind auch Kühldecken mit normalen wärmetechnischen Konstruktionskennwerten (κPaneel ≥ 20 W/(m²K)) einsetzbar. Erfüllt eine Anlagenvariante alle ausgewählten Behaglichkeitskriterien und die technischen Grenzwerte bei • • Normallast für einen Eckraum. Es sind aber nur Hochleistungskühldecken mit einem geringen Temperaturabfall innerhalb der Konstruktion einsetzbar. 14 °C beträgt. da alle wärmephysiologischen Kriterien und technischen Grenzparameter eingehalten werden. halb belegt. Der kleine Raumluftwechsel von 3 h-1 gewährleistet Zugfreiheit. • Kühldecke. Normallast (77. Die reduzierte Last stellt jedoch einen typischen Belastungsfall bei Normalräumen (eine Außenwand) dar. Normallast (77. • Kühldecke. reduzierter Last für einen Eckraum. • Quelllüftung und/oder Umluftkühler. Außerdem kann der Lufttemperaturgradient 2 K/m übersteigen. um die wärmephysiologisch ungünstigen thermischen Verhältnisse den zulässigen Grenzwerten anzunähern. Die Umgebungstemperatur liegt zu hoch und die Lufttemperatur in Fußbodennähe ist zu niedrig.1 die nachfolgenden. Die Vergrößerung des Luftvolumenstromes wäre aber die Voraussetzung. wie eine separate Berechnung verdeutlicht: Lufttemperatur in Fußbodennähe liegt deutlich unter 21 °C.5 °C.4 °C und der Maximalwert 30. Überschreitungen der Grenzwerte treten bei hohen Strahlungsanteilen der Kühllasten auf. • Quelllüftung und/oder Umluftkühler. Die erhöhte Empfindungstemperatur tE = 26 °C kann nach Bild 3.3 W/m²) Bei dieser Anlagenvariante ist bei verringerter Last auch der Luftvolumenstrom reduziert worden (Raumluftwechsel 8 h-1). Die Luftdurchlässe sind so zu konzipieren. • Kühlsegel. Die Ergebnisse werden bei hohen Strahlungskühllasten noch ungünstiger. Diese Werte können bei hohen Strahlungskühllasten noch ungünstiger werden.7 bei tE = 26 °C noch akzeptabel. der Lufttemperaturgradient steigt dagegen sogar noch an. dann liefert eine weitere Simulationsrechnung: Die Lufttemperatur in Fußbodennähe liegt deutlich unter 21 °C. 1200 m³/h. der Lufttemperaturgradient von 2.6 °C). • Kombination: Kühldecke. Normallast (77. In vielen Fällen wird bei den Nur-Luft-Systemen die Empfindungstemperatur angehoben. reduzierte Last (47. Quellluft mit tLzu = 22 °C Alle wärmephysiologischen Kriterien werden erfüllt. reduzierte Last (47. liegt aber mitunter noch unter dem zulässigen Grenzwert.3 W/m²) Im Vergleich zur vorhergehenden Anlagenvariante erfolgt eine Erhöhung des Luftvolumenstromes (Raumluftwechsel 10 h-1).Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 47 Die Erhöhung des Raumluftwechsels auf ca. Dadurch steigt die Lufttemperatur in Fußbodennähe etwas an.7 bis zu 12 % Unzufriedenheit bewirken. 17 h-1 bietet dennoch keine umfassenden behaglichen Bedingungen bei tE = 25 °C. 1500 m³/h. Normallast (77. die mittlere Strahlungstemperatur ist größer 28 °C (Maximalwert 29. halb belegt.5 K/m überschreitet den zulässigen Wert. Dies ist nach Bild 3. sodass die bei der vorherigen Variante festgestellten Mängel grundsätzlich erhalten bleiben. Die erforderliche Oberflächentemperatur . Weiterhin besteht auch bei einem Raumluftwechsel von 13 h-1 Zuggefahr. die mittlere Umgebungstemperatur beträgt 29. Der Lufttemperaturgradient fällt soweit ab. dass er den zulässigen Grenzwert nur noch tangiert. dass Zugfreiheit gewährleistet werden kann. Außerdem besteht bei dem hohen Raumluftwechsel Unbehaglichkeit infolge von Zuggefahr. Die Strahlungstemperatur der Umgebung sinkt zwar unter den in diesem Fall geltenden zulässigen Wert von 28 °C. 1200 m³/h. • Quelllüftung und/oder Umluftkühler. halb belegt + Quelllüftung und/oder Umluftkühler. Bleibt man bei dem Raumluftwechsel von etwa 13 h-1 und setzt tE = 26 °C.4 W/m²) Bei dieser kombinierten Anlagenvariante werden bei Normalbelastung die wärmephysiologischen Kriterien und technischen Grenzparameter teilweise sehr gut eingehalten.4 W/m²). Sie betreffen geringfügig die Lufttemperaturen in Fußbodennähe und verstärkt den Lufttemperaturgradienten. halb belegt + Quelllüftung und/oder Umluftkühler. Der kleine Raumluftwechsel (3 h-1) gewährleistet Zugfreiheit.7 °C und damit sehr nahe an der Taupunkttemperatur der Raumluft. Normallast (77. • Kühlsegel. Es sind auch Kühldecken mit normalen Konstruktionskennwerten (κPaneel ≥ 20 W/(m²K)) einsetzbar. 1200 m³/h.6 °C bis 17.und Entwicklungsempfehlungen.4 W/m²) Ideale Lösung für Normallast – vergleichbar mit der voll belegten Kühldecke und Quellluft –. Die niedrigen Kühldeckentemperaturen treten bei hohen Strahlungskühllasten auf. 4.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 48 der Kühldecke liegt bei 15. 14 °C beträgt. halb belegt. Es sind auch Kühldecken mit normalen wärmetechnischen Konstruktionskennwerten (κPaneel ≥ 20 W/(m²K)) einsetzbar. Der Raumluftwechsel von 8 h-1 wird bei richtiger Gestaltung der Luftdurchlässe zugfrei beherrscht. Fazit Die Tabelle 4.1 und die Diskussion der Anlagenvarianten ergeben folgende Einsatzvorschläge: ● Abzuführende Kühllasten < 80 W/m² in Eckräumen oder in Normalräumen können bei Einhaltung der wärmephysiologischen Grenzparameter und der technischen Anlagenkriterien bei folgenden Anlagenvarianten realisiert werden: ⇒ voll belegte Kühldecke mit hygienisch bedingter Lüftung – beispielsweise als Quelllüf- tung – mit einem Raumluftwechsel von 3 h-1 Quelllüftung mit jeweils einem Raumluftwechsel von 8 h-1 Quelllüftung mit jeweils einem Raumluftwechsel von 8 h-1 Prädikat: ideal Prädikat: ideal ⇒ Kombination eines halben Raum-Kühlsegels mit einem Umluftkühler oder einer erhöhten ⇒ Kombination einer halb belegten Kühldecke mit einem Umluftkühler oder einer erhöhten Prädikat: gut ● Abzuführende Kühllasten < 50 W/m² in Eckräumen oder in Normalräumen können bei Einhaltung der wärmephysiologischen Grenzparameter und der technischen Anlagenkriterien . Quellluft mit tLzu = 22 °C Ideale Lösung für reduzierte Last. die bei 50 % relativer Feuchte ca. da alle wärmephysiologischen Kriterien und technischen Grenzparameter eingehalten werden. Damit ist diese Anlagenvariante nur im Ausnahmefall bei Einsatz von Hochleistungskühldecken (geringer Temperaturabfall innerhalb der Konstruktion) und bei hohen konvektiven Lastanteilen realisierbar. reduzierte Last (47. da alle wärmephysiologischen Kriterien und technischen Grenzparameter eingehalten werden.3 W/m²).5 Einsatz. da unter diesen Umständen die Kühldeckenleistung sehr groß sein muss. • Kombination: Kühlsegel. Weitere Detaillierungen im Anhang B: "Wärmephysiologisches Empfinden des Menschen beim Einsatz großflächiger. Die bisherige Diskussion über die Behaglichkeit der Lüftungssysteme beachtete die zugehörigen Strahlungstemperaturen zu wenig. da diese sich durch hohe Kühlleistungen und individuelle Gestaltung auszeichnen. als die von geschlossenen Kühldecken. Die spezifische Leistung der Kühlsegel ist bei gleichem Konstruktionsaufbau um 25 % bis 35 % höher. reduzieren die Montagezeiten und sind meistens kostengünstig. da damit der verstärkte direkte bzw. Rauchmeldern. Fazit ● Ideale bzw. ● Die Nur-Luft-Systeme weisen bei Einhaltung der Empfindungstemperatur zu niedrige Lufttemperaturen in Fußbodennähe und zu hohe Strahlungstemperaturen auf. ● Ein Zusammenwirken von Strahlungskühlflächen mit Konvektionskühlern ist bei richtiger Abstimmung sinnvoll. Bezüglich der Nachrüstbarkeit und der flexiblen Büronutzung sind diese Lösungen besonders gut anpassbar. ● Architektonisch und wirtschaftlich sehr interessante Lösungen ergeben sich beim Einsatz von Kühlsegeln.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 49 zusätzlich bei folgenden Anlagenvarianten realisiert werden: ⇒ halbes Raum-Kühlsegel mit hygienisch bedingter Lüftung – beispielsweise als Quelllüf- tung – mit einem Raumluftwechsel von 3 h-1 tung – mit einem Raumluftwechsel von 3 h-1 ⇒ Umluftkühler oder Quelllüftung mit Raumluftwechsel von 10 h-1 Prädikat: ideal ⇒ halb belegte Kühldecke mit hygienisch bedingter Lüftung – beispielsweise als QuelllüfPrädikat: gut Prädikat: gut Für die weitere Entwicklung sind Hochleistungskühldecken und -kühlsegel (großes κPaneel) anzustreben. . Der zulässige Lufttemperaturgradient wird häufig überschritten. thermisch aktiver Raumumfassungen und konvektiv arbeitender Wärmeübertragerelemente im Raum mit geringen Temperaturdifferenzen zum Aufenthaltsbereich" Bericht hat 180 Seiten plus Programmlisting 47 Seiten Weitere 476 Seiten Rechnerausdrucke liegen bei F+E TGA vor. Gute wärmephysiologische Bedingungen werden erreicht. exergetisch günstige Einsatz von Umweltenergie möglich wird. Luftdurchlässen usw. Bei Einsatz flexibler Kühlsysteme – z. Aus hygienischer Betrachtung schneiden sie noch schlechter ab. Kapillarrohrmatten – sind individuelle Gestaltungen bis zur Fertigung von Unikaten meist ohne Mehrkosten möglich. Die reinen Umluftkühler – wie beispielsweise Kühlbalken – sind aus wärmephysiologischer Sicht gleichermaßen ungünstig. Vorgefertigte Kühlsegel mit integrierten Leuchten. B. gute behagliche Verhältnisse in Büroräumen unter sommerlichen Bedingungen sind nur bei Einsatz von Flächenkühlungen erreichbar. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 50 5 Praktisch nutzbares Umweltenergiepotenzial Wärmesenken in der Umwelt können beispielsweise sein: • • • • • Flusswasser Seewasser Grundwasser Erdreich Luft. Die Temperaturen dieser Wärmesenken unterliegen mitunter starken zeitlichen und örtlichen Schwankungen. 5.1 Fluss- und Seewasser Die Temperaturen sind sehr stark von der Jahreszeit, der geografischen Lage, vom Quellgebiet des Flusses und bei Seen vor allem von deren Tiefe abhängig. Die Bilder 5.1 und 5.2 zeigen markante Temperaturverläufe eines Sees und zweier Flüsse. 25 °C 20 April Juli August Juni September Oktober Temperatur 15 10 5 0 März 0 5 10 November 15 20 m Bild 5.1 Höhenabhängige Wassertemperatur eines Binnensees für ausgewählte Monate nach [4] Tiefe unter der Wasseroberfläche 26 °C Spree in 24 erforderliche Temperatur Berlin 22 zur Betonkühlung 20 18 16 14 12 10 Sommermaximum 8 des Inns bei Innsbruck 6 Weser 4 Bild 5.2 Beispiele für die Wasser2 temperaturen von Flüssen 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Wassertemperatur Monat Aus den Bildern folgen die Erkenntnisse: • Tiefe Seen sind in der Lage, ganzjährig die Kaltwasserbereitstellung zu übernehmen. Die Temperaturschichtung des Wassers zeigt jedoch große jahreszeitliche Unterschiede. Diese Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 51 Schichtung sollte bei der Entnahme und der eventuellen Wiedereinleitung möglichst nicht gestört werden. So hat beispielsweise die Einleitung in der Tiefe zu erfolgen, wo die Wassertemperatur des Sees mit der Rücklauftemperatur übereinstimmt. • Die Flusswassernutzung zur Beaufschlagung thermisch aktivierter Decken (Betonkernkühlung) ist in vielen Fällen von Oktober bis Mai denkbar. Die Flüsse in den Ballungsräumen sind durch Kühlwassereinleitungen aber häufig thermisch stark belastet und somit nicht nutzbar. • • Meistens wird die Nutzbarkeit der Oberflächengewässer überschätzt. Die Förderaufwendungen bei der Wasserentnahme vor allem aus tiefen Seen sind bei energetischen Betrachtungen unbedingt zu berücksichtigen. • Die Nutzung von Oberflächenwässern setzt eine umfangreiche hydrologische Untersuchung der Temperaturen und der Ergiebigkeit voraus. Bei Seen ist die Temperaturschichtung unter Entnahmebedingungen zu beurteilen. • Eine wasserrechtliche Genehmigung zur Nutzung von Oberflächenwasser ist Voraussetzung. 5.2 Grundwasser Die Temperatur des Grundwassers ist intensiv an die Erdreichtemperatur gekoppelt. Die theoretische Erdreichtemperatur schwankt in allen Tiefen um die mittlere Oberflächentemperatur (Jahresmittel) von ca. 9 °C. Je nach Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität des Erdreichs sind die Tagesschwankungen in 1 bis 1,5 m Tiefe abgeklungen. Die Jahresschwankung wird bis in eine Tiefe von 15 bis 25 m bemerkt. Man bezeichnet diesen Bereich als neutrale Zone. Einen idealisierten Temperaturverlauf zeigt das Bild 5.3. Die niedrigsten Grundwassertemperaturen treten im März und April auf, die höchsten Werte liegen im September und Oktober vor. In Realität sind zahlreiche Anomalien vorhanden (Bild 5.4). Während die Temperaturbereiche der Standorte I bis III mit der zunehmenden Siedlungsdichte erklärbar sind, deutet die starke Anomalie der Temperaturen des Standortes IV auf eine intensive Kühlwassernutzung hin. Besonders bemerkenswert ist an diesem Standort, dass in den tiefen Regionen zwischen 10 und 20 m höhere Temperaturen auftreten als in den Bereichen darüber, d. h., es werden beispielsweise ein Wasserstrom und/oder ein Wärmestrom von einem erwärmten Vorfluter zum Grundwasser fließen. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 52 Temperatur 0 m Mä Janu ar rz 8 ... 12 °C Juli 10 K Mai Se 10 K r be t em p November Tiefe 15 ... 25 neutrale Zone Bild 5.3 Idealisierter Temperaturverlauf im Erdreich 0 m 9 10 11 Temperatur 12 13 14 15 °C 16 Standort III 10 I Aus den bisherigen Betrachtungen folgen: • Grundwasser kann üblicherweise ganzjährig die Kaltwasserbereitstellung für Kühldecken oder für die Massivdeckenkühlung übernehmen. • Die Nutzung des Grundwassers durch Förder- und Schluckbrunnen (Sickerbrunnen) zur Bauteilkühlung ist in der Regel ideal möglich, wenn diese nahe am Bauobjekt liegen. Die Förder- und Rückführaufwendungen bei der Wasserentnahme aus tiefen Schichten sind unbedingt zu berücksichtigen. Ein Verpressen des entnommenen Wassers ist in der Regel unwirtschaftlich. • Die thermische Nutzung des Grundwassers setzt eine umfangreiche hydrologische Untersuchung der Lage der wasserführenden Schichten und der Ergiebigkeit unter Belastung voraus. Auf evtl. Anomalien ist besonders zu achten! • Eine wasserrechtliche Genehmigung zur Nutzung von Grundwasser ist Voraussetzung. Tiefe II IV 20 Bild 5.4 Bereiche von Grundwassertemperaturen im Zeitraum Januar bis Oktober 1991 für ausgewählte Standorte im Raum Berlin: I Randgebiet II geringe Siedlungsdichte III hohe Siedlungsdichte IV Industriegebiet 30 Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 53 5.3 Erdreich Die Temperatur des Erdreichs bis zur sogenannten neutralen Zone wurde bereits im vorherigen Abschnitt behandelt, sie ist bei Vorhandensein von Grundwasser mit der Grundwassertemperatur identisch. Bei größeren Tiefen wirkt die Erdwärme, wobei man mit einer Temperaturzunahme von etwa 3 K / 100 m rechnen kann. Über die Wärmenutzung des Erdreichs liegen hauptsächlich Ergebnisse für den Wärmeentzug zur Beheizung von Gebäuden mittels Wärmepumpen vor. Dazu gibt es konstruktiv zwei unterschiedliche Formen: Erdwärmekollektor (horizontal angeordnete Kunststoffrohrregister, Tiefe 1,2 ... 1,5 m, maximal 3 m) Erdwärmesonden - "Energiepfähle" - (vertikale Bohrungen mit U-förmig durchflossenen Kunststoffrohren, Tiefe 50 ... 250 m). Die spezifischen Entzugsleistungen sind in starkem Maße von der Bodenbeschaffenheit abhängig. Als Anhaltswerte gelten nach [5] und VDI 4640: Erdwärmekollektor 8 ... 40 W/m²; Damit ergeben sich die Feststellungen: • Bei der Nutzung des Erdreichs als Wärmesenke kann man sich bezüglich der Leistung zunächst an den genannten Entzugsleistungen bei der Nutzung als Wärmequelle orientieren. • Aus den Leistungen ist erkennbar, dass die "Erdkältenutzung" in der Regel nur ergänzend sein kann, da der Bedarf von größeren Bauten keinesfalls wirtschaftlich abdeckbar ist. • Der Einsatz von tiefgehenden Erdsonden ist thermisch ungünstiger als kürzere Sonden bzw. als Erdkollektoren beispielsweise in einer Tiefe von 8 m (vgl. Bild 5.3), da die Temperatur in 200 m Tiefe durch den Erdwärmefluss z. B. 17 °C beträgt. Dies ist bei Wärmepumpennutzung ein Vorteil, bei "Erdkältenutzung" jedoch nachteilig. Setzte man noch die technisch erforderliche Grädigkeit an, so würde die verfügbare Vorlauftemperatur etwa 20 °C betragen. Die Bauteilkühlung hätte jedoch den Vorteil, dass sie ganztägig betrieben werden könnte. • Die Lösung mit Erdsonden erscheint aus Gründen der hohen Investitionskosten nicht sinnvoll, es sei denn, dass diese mit einer statisch erforderlichen Pfahlgründung kombiniert wird. Die Regenerationsmöglichkeit des Erdreichs muss genau untersucht werden. Eine aktive Ladung ist in vielen Fällen zweckmäßig! Erdwärmesonden 20 ... 70 W/m. Um die möglichen Potenziale der atmosphärischen Luft für Kühlzwecke beurteilen zu können. ist allerorts möglich. Die DIN 4710 gibt für zahlreiche deutsche Städte die Lufttemperatur t in °C und die absolute Feuchte x in gW/kgtL sowie die Häufigkeiten in 0.5 Atmosphärische Luft als Wärmesenke Die Luftatmosphäre als Wärmesenke zu verwenden. Solarkollektoren können effizienter und über einen längeren Zeitraum zum Heizen Verwendung finden.5 Wirkungsgradzuwachs und erweiterte Nutzungsbereiche bei Solarkollektoren durch niedrigere Heizmedientemperaturen 5. Raumseitige Hochleistungswärmeübertragerflächen gestatten eine verstärkte Nutzung der Umweltenergie. Da die Lufttemperaturen nur zeitweise für eine direkte Gebäudekühlung nutzbar sind.1 Stunden an. 100 % 80 Warmwasserbereitung erw. Bild 5. Zur Erschließung der Wärmesenke Luft gibt es drei unterschiedliche Systeme: • • • Trockenkühler Nasskühler (Kühlturm) Hybridkühler. .Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 54 5. der Kollektorwirkungsgrad um ca. B. müssen die Außenluftzustände und die Häufigkeiten ihres Auftretens bekannt sein. Bereich 11% übliche Heizung Prozesswärme Wirkungsgrad 60 40 20 0 Fla c Vaku um hko l l ek to r -Röhr e nkolle ktor . Der Datenbezug auf DIN 4710 ist bedeutend genauer als die Angaben der Testreferenzjahre [6.5 zeigt.4 Solarenergie als Wärmequelle Der Einsatz von Solarkollektoren ist hinreichend bekannt. QS = 1000 W/m² A r be or bs 0 20 40 60 80 K 100 Temperaturdifferenz zwischen Wärmeträger und Umgebung Bild 5. 23]. da dort die Bereiche der Extremwerte (Temperaturen und Feuchten) nicht exakt wiedergegeben sind. werden in der Regel Kältemaschinen zur Kaltwassererzeugung zwischen der Wärmesenke und dem Kaltwasserverbraucher geschaltet. dass durch niedrigere Heizmedientemperaturen z. 10 % steigt. . Mit Hilfe eines erstellten Rechenprogramms konnten dann auch die Korrelation zwischen Feuchtkugeltemperatur und Lufttemperatur sowie ihre Häufigkeitsverteilung ermittelt werden.7 für die beiden Standorte Berlin und München ermittelt werden.7. tags Jahresstunden für ≥ t 4000 3500 3000 2500 Berlin 12 h. tags -10 Feuchtkugeltemperatur tf 0 10 20 °C 30 Bild 5.6 und 5.. 4500 Berlin 12 h. 1800 h 1500 1297 h 1000 942 h 500 0 -30 -20 atmosphärische Lufttemperatur t -10 0 10 20 30 °C 40 Bild 5. 940 h 500 . dann wird bei Einsatz eines Trockenkühlers eine Lufttemperatur von höchstens t = 13 °C und bei Verwenden eines Kühlturmes eine Feuchtkugeltemperatur von höchstens tf = 13 °C nutzbar sein. tags München 12 h..Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 55 Im Ergebnis der Auswertung der Datenbasis nach DIN 4710 können die Häufigkeiten der Luftzustände am Tage und in der Nacht ermittelt werden. nachts München 12 h.7 Summe der Jahresstunden einer Feuchtkugeltemperatur ≥ tf für die Wetterstationen Berlin-Tempelhof und München-Riem für die Messzeiträume 700 .2 die Einsatzbereiche für verschiedene Raumkühlsysteme (weitere Detaillierungen in [3]). 600 h Berlin 12 h. . nachts 2000 ca. Setzt man für die moderne Raumkühlung die erforderliche Wassertemperatur mit tKW = 18 °C an. Nasskühler von jeweils 5 K folgen in den Tabellen 5.. 600 Uhr Für eine Grädigkeit im Trocken.. 600 Uhr 4500 4000 Jahresstunden für ≥ tf 3500 3000 2500 Berlin 12 h. Die Endergebnisse finden sich in den Bildern 5. 1800 Uhr und 1900 . Die entsprechenden Nutzungsstunden können aus den Bilden 5. nachts München 12 h.6 und 5..1 und 5. 1800 Uhr und 1900 . nachts 2000 1500 1000 500 0 -20 ca.6 Summe der Jahresstunden einer Lufttemperatur ≥ t für die Wetterstationen BerlinTempelhof und München-Riem für die Messzeiträume 700 .bzw... tags München 12 h... 1 Jahreszeiträume zur Nutzung eines Trockenkühlers zur Kaltwasserbereitstellung markante Anwendungsfälle tKW °C Luftkonditionierung Kühldecke Betonkühlung Kombinationssysteme 6 16 18 20 t tags °C 1 11 13 15 h/a 713 2259 2556 2897 % 16 52 58 66 Berlin nachts h/a 867 2695 3083 3493 % 20 62 70 80 h/a 868 2301 2617 2979 München tags nachts % 20 53 60 68 h/a 1132 3015 3438 3824 % 26 69 78 87 Tabelle 5.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 56 Tabelle 5.. Sie können für die Wirtschaftlichkeitsberechnungen genutzt werden.. Für ihn gelten die nachfolgenden Beispiele: ⇒ Die Kühldeckennutzung – die am Tage erfolgen muss – könnte beispielsweise zu 67 . • Die Überlegenheit des Nasskühlers ist offenkundig. 80 % eine Nutzungsmöglichkeit. Für eine Nachkühlung am Tage besteht zu ca. ⇒ Für Zweiflächenbauteilaktivierungen (Decke plus Brüstung oder Decke plus Fußbodenstreifen gemäß Abschnitt 6). ⇒ Die Betonkühlung kann zu 86 % bis 88 % der jährlichen Nachtstunden genutzt werden. . die als Kombinationssysteme in den Tabellen bezeichnet sind. 89 % möglich.2 Jahreszeiträume zur Nutzung eines Nasskühlers zur Kaltwasserbereitstellung markante Anwendungsfälle tKW °C Luftkonditionierung Kühldecke Betonkühlung Kombinationssysteme 6 16 18 20 tf tags °C 1 11 13 15 h/a 1085 3029 3502 3914 % 25 69 80 89 Berlin nachts h/a 1233 3328 3786 4095 % 28 76 86 93 h/a 1151 2944 3391 3803 tags München nachts % 26 67 77 87 h/a 1424 3381 3857 4128 % 33 77 88 94 • Diese interessanten Erkenntnisse zeigen das Nutzungspotenzial sehr deutlich. ist eine Tagnutzung von 87 ... Die Zweiflächenbauteilaktivierung ist aus Sicht der Umweltenergienutzung bei Kühlturmeinsatz der nächtlichen Betonkühlung ebenbürtig. 69 % des Jahres erfolgen. Bewertung in der Planungsphase • Kunststoffrohr • Kapillarrohrmatten ⇒ thermisch aktive Putze er Mat Ne iken echnulationen ue T im n ialie S Blick in die Zukunft gen runitektur de ch Ar Historische Entwicklung Technikbasis Fortschreibung r Fo ue werte Ne enz Gr • Vollglasfassaden ⇒ Heiz-/Kühlflächengestaltung Anforderungen Behaglichkeit Energieeffizienz • Wärmephysiologie. direkt oder zeitverzögert.oder Verfahrensentwicklung in einem lebendigen Markt. . hierbei bereits Unterlassungen zu begehen. Luftgeschwindigkeit • Luftqualität • Energiesparverordnungen Bild 6. In welche Richtung sich die Entwicklung vollzieht. ist grundsätzlich schwer vorauszusagen. selbst auf die große Gefahr hin. Dabei muss sich natürlich auf markante Merkmale beschränkt werden. wird sich die Büroklimatisierung natürlich auch weiterentwickeln. die es zu erkennen gilt. Da zahlreiche Bürogebäude neu errichtet werden und zukünftig vermehrt zu sanieren sind.1 Mögliche Einflüsse auf die Entwicklung der Klimatisierungssysteme • Zunächst sind die Anforderungen an das System zu definieren. Gemäß Bild 6.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 57 6 Quo vadis Büroklimatisierung? . aber dennoch sei er nachfolgend gewagt. Die Analyse ist in den Abschnitten 2 und 3 umfassend erfolgt. 6. ist von den bekannten Tatsachen auszugehen und die zukünftigen Anforderungen sowie Entwicklungsmöglichkeiten sind für einen überschaubaren Zeitrahmen abzuschätzen. Es muss dem Raumnutzer wärmephysiologische Behaglichkeit bringen und hat durch Energieeffizienz die Umwelt zu schonen. Generell folgt die Entwicklung aber auch objektiv wirkenden Grundströmungen.1 Grundüberlegungen für den Blick in die Zukunft Um einen kleinen Blick in die nebulöse Zukunft tun zu können. denn der Entwicklungsgang wird stets von Sprüngen – beispielsweise durch Erfindungen bewirkt – und von irrationalen Modetrends überlagert.1 seien nachfolgende Aspekte ohne jeglichen Anspruch auf Vollständigkeit herausgegriffen.Zweiflächen-Bauteilaktivierung Es gibt keine abgeschlossene Produkt. Der vorausschauende Blick der vermuteten Entwicklung ist selbstverständlich subjektiv. Besonders wichtig ist es. Gleiches gilt für Energiesparverordnungen usw.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 58 • Zu beachten ist auch die historische Entwicklung.und Kühlflächen im Raum. So hatte das erste Automobil das Aussehen einer Pferdekutsche und die ersten Kühldecken. In der Regel erfolgt bei wesentlichen Konstruktionselementen eine Fortschreibung selbst bei revolutionären Brüchen. bereits im Planungsstadium die neuen Lösungen zu bewerten. Sie sei in Stichpunkten mit dem Ziel erläutert. So stellte in der Vergangenheit beispielsweise die Reduzierung der zulässigen Luftgeschwindigkeit eine entscheidende Weiche in der Entwicklung der Klimatechnik. Vollglasfassaden haben selbstverständlich Auswirkungen auf die Gestaltung der Heiz. wobei jedoch das früher übliche Stahlrohrregister durch das zwischenzeitlich entwickelte und bewährte Kunststoffrohr substituiert wurde.2 die Entwicklung der Büroklimatisierung vor allem aus der Sicht der Kühllastabfuhr. 6. zu beachten. • Weiterhin sind neue Forderungen bezüglich der Grenzwerte und Vorschriften zu beachten. Um den Blick in die Zukunft zu fokussieren. denn die neue Technik basiert auf der bisherigen. ständig verbesserten Simulationstechniken besteht heute die Möglichkeit. • Bedeutenden Einfluss nimmt auch die zeitgenössische Architektur auf die Klimatisierungssysteme. Mit Hilfe der neuen. Beispielsweise entsprach die Bauteilaktivierung in der Neuen Messe in Zürich (Inbetriebnahme 1998) im Aufbau völlig einer Crittallheizdecke der 30-er bis 50-er Jahre. entsprachen beispielsweise Kassettenheizdecken der 60-er Jahre. Dies ist beispielsweise mit einem baukastenförmigen Aufbau möglich. die möglicherweise zukünftig wirken werden. Wenn man heute mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten thermisch aktive Putze mit geringer Dicke realisieren kann. • Neue Techniken und verfügbare Materialien müssen Berücksichtigung finden. die möglichen Entwick- . Man möchte flexibel anpassbare Systeme hinsichtlich der Leistung und der bautechnischen Realisierung. dann ist diese Lösung selbstverständlich auch in die zukünftige Betrachtung mit einzubeziehen. die 1990 gebaut wurden. sind weiterhin die Randbedingungen. Der Planungsaufwand sollte minimal sein.2 Geschichtlicher Rückblick und Entwicklungstrend In sehr groben Stufen zeigt Bild 6. dass mit einem installierten System das Kühlen und Heizen erfolgen kann. Die Energie zur Lastkompensation war hoch.2 Grobstufen der Entwicklungsphasen der Büroklimatisierung aus der Sicht der Kühllastabfuhr mit qualitativer Kennzeichnung ■ Bei den ersten Klimaanlagen handelte es sich um Nur-Luft-Systeme. da man mit einer Kaltwasservorlauftemperatur von 6 °C arbeitete. Historische Entwicklung Nur-LuftKlimaanlagen bei kleinen Lasten (Ursprungsstandard) Nur-Luft-Klimaanlagen bei hohen Lasten Energie zur Lastkompensation hoch Transportenergie Platzbedarf Behaglichkeit Individualität hoch mittel ausreichend Bereichsregelung sehr hoch sehr hoch hoch schlecht (Zug. Geräusche) Bereichsregelung Induktionsklimaanlagen bei hohen Lasten sehr hoch niedrig mittel schlecht individuelle Regelung mittel niedrig klein sehr gut individuelle Regelung Bauteilaktivierung ohne Zusatzsysteme (Originalstandard) ZweiflächenBauteilaktivierung niedrig niedrig bis mittel niedrig klein mäßig keine Regelung klein ausgezeichnet individuelle Regelung hoch sehr hoch niedrig hoch mittel / hoch mittel Investitionen Kühldecke niedrig Bild 6. der . da kostengünstige Individualregelungen noch nicht verfügbar waren. Selbstverständlich ist dem Verfasser bekannt. die Transportenergie lag ebenfalls hoch. die Behaglichkeit war ausreichend im Verhältnis zur unklimatisierten Raumnutzung. die relativ kleine Lasten abzuführen hatten. Damit stiegen die Energieaufwendungen zur Lastkompensation und für den Lufttransport auf sehr hohe Werte an. der Platzbedarf gestaltete sich mittelgroß aufgrund der Leistungsbegrenzung. man arbeitete mit Bereichsregelungen.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 59 lungsursachen zu erkennen und eventuell in die Zukunft zu extrapolieren. da Luft zum Wärmetransport Verwendung fand. wobei das Konstruktionsprinzip (Nur-Luft-Klimaanlagen) beibehalten wurde. dass es zahlreiche Detailentwicklungen gab und gibt und dass die Anlagen auch größtenteils eine zeitliche Parallelentwicklung erfuhren. ■ Die Kühllasten stiegen und erforderten nunmehr zwingend eine Büroklimatisierung. die Investitionskosten werden als mittelgroß veranschlagt. sodass sich der Platzbedarf insgesamt mittelgroß gestaltete. ■ Die hohen Transportkosten. die Investitionen gestalteten sich hoch. die Behaglichkeit mit heutigen Maßstäben betrachtet war schlecht. denn es gab beispielsweise 1990 noch keine Hochleistungskühldecke als Massenprodukt. denn große Kanalquerschnitte durchzogen die Gebäude. da die Strahlungstemperatur infolge der Flächenkühlung erstmalig sank. da Wassersysteme beibehalten wurden. denn bei den nunmehr 30 bis 40 Jahre alten Anlagen traten weiterhin Zugerscheinungen und Geräusche auf und die Strahlungstemperaturen in den Räumen lagen wie bei allen konvektiv arbeitenden Luftkühlsystemen hoch. hohe Strahlungstemperaturen in den Räumen. die Transportenergie für die Lastkompensation sank auf ein niedriges Niveau. der große Platzbedarf und die fehlende individuelle Regelung lieferten die Ursache für den Einsatz der Induktionsklimaanlagen. wodurch sich ab etwa 1998 sehr rasch die thermische Bauteilaktivierung mittels Massivspeicherdecken durchsetzen konnte. die individuelle Regelung war gewährleistet. die Transportenergie lag weiterhin niedrig. Die Anlagenkosten waren hoch. Damit sank der Energieaufwand zur Lastkompensation beträchtlich. die wärmephysiologische Behaglichkeit verbesserte sich enorm. Der Energieaufwand zur Lastkompensation reduzierte sich gegenüber den Kühldecken weiter. da man weiterhin mit einer Kaltwassertemperatur von 6 °C arbeitete. hohe zulässige und realisierte Luftgeschwindigkeiten verursachten Zug und Geräusche. denn es wurden nur noch Primärluftsysteme eingebaut. Die Behaglichkeit wird als schlecht eingestuft. bei extensi- . der Platzbedarf reduzierte sich im Gebäude drastisch. Diese waren zunächst durch die zahlreichen Entwicklungsaktivitäten bedingt. wodurch zeitweise die freie Kühlung möglich wurde und die Kältemaschinen effizienter arbeiteten.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 60 Platzbedarf wuchs ebenfalls stark. Mitunter dürfte die Neueinführung des Systems aber auch unzulässig ausgenützt worden sein. die die hygienisch notwendige Luftversorgung sicherte. da die erforderliche Kaltwassertemperatur auf 18 °C ansteigen konnte. ■ Die sehr hohen Kosten zur Energiekompensation und die Behaglichkeitsdefizite der bisherigen Systeme führten zur Anwendung von Kühldecken in Verbindung mit einer Klimaanlage. Der Energieaufwand zur Lastkompensation blieb sehr hoch. da Kaltwasser anstelle von Luft eingesetzt wurde. der Platzbedarf reduzierte sich stark. Die Investitionskosten lagen jedoch sehr hoch. die Bereichsregelung fand weiterhin Anwendung. Der energetische Aufwand für den Wassertransport blieb niedrig. da die Kaltwassertemperatur jetzt 16 °C betragen konnte. ■ Die sehr hohen Investitionen bei der Kühldecke akzeptierten die Bauherren auf Dauer nicht. allerdings beanspruchten die Induktionsgeräte Platz in den Büroräumen. Damit und wegen der nächtlichen Nutzung erweiterte sich der Einsatz der freien Kühlung beträchtlich. Vorteilhaft war allerdings die individuelle Regelungsmöglichkeit. Diese fortwährende Entwicklung dürfte in nächster Zeit nicht umkehrbar sein. deshalb muss eine ganzheitliche Lösung entwickelt werden. Die bisherige Entwicklung (Bild 6. dessen Arbeitsweise unterschiedliche Prioritäten setzen könnte: ● Eine instationär arbeitende Massivspeicherdecke. Zusätzliche Heizsysteme sind üblich. werde durch eine aktive.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 61 ver Nutzung kann er etwas ansteigen. zusätzliche Kühlsysteme werden vielfach diskutiert und auch eingebaut. der Platzbedarf ist klein. Die Anlageninvestitionen sind niedrig. Nach der Vorstellung des Verfassers könnte dies eine sogenannte Zweiflächen-Bauteilaktivierung in Baukastenform sein. regelbare Fußbodenfläche ergänzt. woraus aus heutiger Sicht folgende Forderungen resultieren: ● Einsatz großer Wärmeübertragerflächen integriert in die Raumumfassungen (⇒ umfangreiche Umweltenergienutzung.2) zeigte Kontinuität zu ständig niedrigeren Energieaufwendungen zur Lastkompensation und zum Wärmeträgertransport sowie zu stets abnehmenden Platzansprüchen für die zu installierende Technik. . Es wird eingeschätzt. und 85 % der Raumnutzer wünschen nach [7] eine individuelle Einflussmöglichkeit auf das Raumklima. Das Bild 6. wobei ein einheitliches Wassersystem alle Aktivflächen beaufschlagt. wärmephysiologische Behaglichkeit) ● Einsatz von Wassersystemen (⇒ niedrige Transportenergie). Der Wechsel stellt sich von den konventionellen Klimatisierungssystemen (Nur-Luft-Anlagen bzw. ■ Die derzeitigen Forderungen zielen auf die Einhaltung der wärmephysiologischen Grenzwerte ab. Induktionsklimaanlagen) zu den Kühldeckensystemen und dann wieder zu Speicherkühldecken besonders drastisch dar. eine individuelle Regelung ist überhaupt nicht möglich. Deshalb werden zur thermischen Bauteilaktivierung vermehrt Zusatzsysteme installiert. Diese Lösungen verkörpern jedoch kostenintensives "Stückwerk". die bevorzugt mit nächtlicher Umweltenergiebeladung betrieben wird. die dem Kühlen und Heizen dienen. Die Behaglichkeit werde als "mäßig" eingestuft. Als Lösung sind nur solche Systeme akzeptabel. dass diese Pendelbewegung – wie für viele Entwicklungen typisch – zukünftig eine Dämpfung erfährt. geringer Platzbedarf.2 zeigt aber auch eine Pendelbewegung zwischen der erreichten Behaglichkeit plus individueller Regelung sowie den Anlageninvestitionen. denn nicht gewährleistbare Raumtemperaturen werden ebenso wenig akzeptiert wie sehr hohe Investitionen. sodass ohne Zusatzsysteme die Forderungen der DIN 1946/02 nicht einhaltbar sind. ● Die Deckenunterseite und die Brüstungsfläche oder statt dessen – beispielsweise bei Vollglasfassaden – ein fassadennaher Fußbodenstreifen werden als thermisch aktive Flächen ausgebildet und hauptsächlich stationär betrieben. wenn man die Tatsache bedenkt.... zusammen..... tritt eine starke Rückströmung von oben nach unten auf......... Dies wird im Einzelnen noch demonstriert. und ein aktives Fußbodensystem. die beispielsweise nachts vorwiegend mit Umweltenergie beladen wird und sich am Tage passiv entlädt.. das in der Leistung regelbar ist.. dass die Stofflasten – die im Raum auftreten – abführbar sind. werde in einer einstellbaren.. wobei die Luft in einer Klimaanlage so aufbereitet wird.... Allen bisherigen Negierungen durch Fachkollegen zum Trotz...Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 62 Es konnte nachgewiesen werden.. Bild 6. Auch wenn als Lüftungsprinzip sich die Quelllüftung durchgesetzt und bewährt hat...... Eine Auswahl zeigt Bild 6. Dabei kann der Aktivfußboden prinzipiell im Nassverfahren oder im Trockenverfahren erstellt werden. 6..3 Zweiflächen-Bauteilaktivierung passiv/aktiv Die vollständige Lastkompensation durch ein träges Passivsystem (Speicherdecke) und eine aktive...3 Prinzipaufbau einer Zweiflächen-Bauteilaktivierung passiv/aktiv Es wirken eine Speicherkühldecke. ... Weiterhin sollte noch eine hygienisch bedingte Luftzufuhr erfolgen..... .4...... Die Lüftungseffektivität bezogen auf den Raumnutzer ist noch zu verbessern.... regelbare Fußbodenfläche ist im Bild 6. dass beispielsweise eine Person einen thermischen Auftriebsstrom von 150 m³/h bewirkt und ihr gemäß Anlagenauslegung 40 m³/h "zugeteilt" werden..... Neuere konstruktive Lösungen gestatten auch die Aktivierung von Hohlraumböden oder Doppelböden. arbeitsplatznahen Luftzuführung (modifizierte Pultlüftung) ein zukunftsorientiertes System gesehen.... Speicherkühldecke passiv arbeitend Kühlboden aktiv arbeitend oberflächennahes Rohrsystem Kaltwasser aus einer Kälteanlage Regelung Bestandteil der Klimaregelung Rohrregister zur nächtlichen Bauteilkühlung Wasser aus freier Kühlung (Kühlturm) Beladung prognosegesteuert ....3 dargestellt.. . dass die genannten Systeme alle für Büros typischen Lasten bei sehr guter Behaglichkeit energetisch effizient kompensieren können. sieht der Verfasser eine Weiterentwicklung für erforderlich an.... Berlin) Die Ausführung kann in Nass.und Trittschalldämmung Decke Sanierungsvariante: Aktivierung auf Holzfußboden Randdämmstreifen flexible Vergussmasse (Kleber) Trockenbauplatte Parkett Sanierungsvariante: Aktivierung auf Estrich Randdämmstreifen FOLIMAT Fliesen Teppich Fließ.sowie Trockenverlegung gestaltet werden (Lösungen mit FOLIMAT von Fa. Clina. Doppelboden oder als direkt auf der Decke aufliegendes System mit Kapillarrohrmatten 4. . Raumtechnik. Ochtrup). Die im unteren Bildbereich dargestellten Lösungen stellen spezielle Sanierungsbeispiele dar. Fellbach).Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten Fußleiste Kleber Belag Estrich FOLIMAT Belag OPTIMAT Belag Kleber 63 Decke Decke Decke OPTIMAT Estrich Belag Kleber Belag FOLIMAT Trockenbauplatte Decke Wärme. FOLIMAT (Produkte der Fa.und Trittschalldämmung Betondecke Bild 6.4 Varianten des aktiven Fußbodensystems als Hohlraumboden.3×0.8 mm vom Typ OPTIMAT bzw. Polytherm.und Nivelliermasse Parkett FOLIMAT Fliesen Teppich Parkett Estrich Wärme. Eine Spezialkonstruktion ermöglicht das Einbringen der Matte direkt in die Bodenplatte (Fa. 2 W/m². d. um 1500 Uhr z. Rohrsystem im Beton: Polyactiv 20.21 W/(m K).5 Gesamtkühlleistungen des Beispiels 1 (Konstruktion ist im Diagramm eingetragen) Rohrsystem im Estrich: OPTIMAT 4.6. λRohr = 0. λBeton = 1. RA = 20 mm.6. Die Übersicht im Bild 6.4 ausgetauscht werden. 80 W/m² 70 60 Kühlleistung OPTIMAT RA 20 mm Fließestrichdicke 35 mm Unterlage 15 mm 50 kein Bodenbelag Kunststoffbelag Teppichboden Hohlraum Beton 150 300 50 40 30 20 10 Polyactiv RA 150 kti Boden ina v Uhrzeit Bild 6.5. 0 00 18 48 800 1200 1800 72 . Wärmeleitfähigkeit 0.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 64 Beispiel 1 Massivspeicherdecke mit System "Polyaktiv" und Hohlraumboden mit Fließestrich und Kapillarrohrmatte "OPTIMAT" im Estrich Der konstruktive Aufbau und die Berechnungsergebnisse finden sich im Bild 6.5 W/m². • • Die Leistungen sind sehr stark vom Fußbodenbelag abhängig. da die Trägheiten des Systems klein sind.4 W/(m K). Das aktive Hohlraumbodensystem kann selbstverständlich auch durch ein analoges System gemäß Bild 6. wären noch kleinere Trägheiten zu erwarten. Das Zuschalten des Hohlraumbodensystems um 1200 Uhr bewirkt einen raschen Leistungsanstieg. es wird ein typischer Geschossbau betrachtet. Es gelten die Feststellungen: • • Würde das Fußbodensystem nicht betrieben. λEstrich = 1. bei 36.2 W/(m K).35 W/(m K). λRohr = 0. h.und Rücklauf) entsprechen dem Bild 6. B. Die Ursache dafür liegt im kleinen Rohrabstand von 20 mm und in der geringen Estrichdicke.0×2. RA = 150 mm. Betriebsweise nach Bild 6.5 gibt jeweils die Gesamtkühlleistung beider Systeme in der Überlagerung ihrer Wirkungen – also für den unteren und oberen Raum – an.. läge die Kühlleistung während der Hauptnutzungszeit zwischen 35 W/m² und 39 W/m². Die Betriebszeiten und die mittleren Wassertemperaturen (Mittelwert aus Vor. Würde man das System FOLIMAT unter Weglassen der Estrichschicht verwenden.8 mm.3×0.07 W/(m K)) ergibt sich um 1500 Uhr eine Gesamtkühlleistung von 50.5 mm. Bei einem Teppichbelag (Dicke 10 mm. 5) für die Variante Teppichbelag Interessant ist auch die Aufteilung der Kühlleistung. Sie ist aus Bild 6.1999 Uhrzeit 60 W/m² 50 45 40 Kühlleistung Teppichboden 50 47 53 36 28 20 9 1000 1200 1500 30 20 10 0 00 62 8 Decke Fußboden 22 Uhrzeit 72 1800 Bild 6. dann beträgt zum Betrachtungszeitpunkt 1500 Uhr der Leistungszuwachs 73 %. Wärmeleitfähigkeit 0. Vergleicht man die Variante des aktivierten Hohlraumbodens mit Kunststoffbelag mit dem Fall des alleinigen Betriebs der Speicherdecke.2..36 W/(m K)) folgt um 1500 Uhr eine Gesamtkühlleistung von 63. .7 ersichtlich. 24 W/m² ergänzt. Der letztgenannte Bereich gewährleistet wärmephysiologisch behagliche Bedingungen.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 65 • • • Bei Annahme eines Kunststoffbelages (Dicke 8 mm.. Damit ist ein großer Planungsspielraum gegeben. Die erforderliche Heizleistung kann bei geringen Übertemperaturen des Warmwassers problemlos erbracht werden. 29 W/m² auf.6 Angenommener Raumtemperaturverlauf sowie Betriebszeiten der Kaltwasserbeaufschlagung und Wassertemperaturen in den Rohrregistern BILD6 | 20.. Das theoretische Entwicklungspotenzial wird durch die Kurve "kein Bodenbelag" mit ca. 68 W/m² um 1500 Uhr begrenzt.3 W/m². Die Deckenunterseite nimmt während der Hauptnutzzeit einen nahezu konstant bleibenden Betrag von 28 .. 27 °C 26 25 24 Temperaturverlauf im unteren und oberen Raum Temperatur 23 22 21 20 19 18 17 1800 2000 2200 2400 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Mittlere Kaltwassertemperatur im Rohrregister Polyactiv in der Betondecke Mittlere Kaltwassertemperatur im Rohrregister OPTIMAT im Estrich Bild 6.7 Detaillierte Leistungsverläufe des Beispiels 1 (Gesamtdarstellung im Bild 6. Er wird durch die Kühlleistung des Fußbodens von 20 . 9 42.005 mm Betondecke: λBeton = 2. 30 °C Raumtemp.015 mm 0.1 W/(m K) Stationäre Leistungen für den Kühl.2 2. Textilbelag: λB = 0.8 20.21 W/(m K) 40 10 57.07 W/(m K) Heizestrich DIN 18560 mit Kapillarrohrmatte: λE = 1. Da diese interessante Lösung ebenfalls zur Zweiflächen-Bauteilaktivierung gehört.040 W/(m K) 4. werde sie nachfolgend kurz besprochen.8 mm λR = 0. Im unteren Teil des Bildes sind die Leistungen für den stationären Betrieb beider Systeme angegeben.3 3.und Heizfall bei einzeln betriebenen Systemen und deren näherungsweise Superposition bei Kombinationsbetrieb für spezielle mittlere Wassertemperaturen und Raumtemperaturen Einzelbetrieb Massivdecke unterer oberer Raum Raum 32.7 4.1 W/(m K) 20 80 tWasser λDämmung = 0.1 37.5 64.2 W/(m K) ∆i = 0.2 Heizfall Bild 6. 28 °C Raumtemp.0 28.9 Kombinationsbetrieb unterer + oberer Raum Alle Leistungen in W/m².3 3.020 m RA 20 mm 0.3×0. sodass eine getrennte Betrachtung der Wirkungen mit anschließender Superposition bei nur kleinem Fehler möglich ist.5 25.1 2. 22 °C 280 Ausgleichsbeton mit Kunststoff-Kapillarrohrmatte: λBeton = 2. 20 °C Wassertemp.4 3.1 21.8 Konstruktiver Aufbau des Beispiels 2 mit einem nachträglich aufgebrachten System zum Betreiben eines Massivdeckenspeichers und eines aktiven Fußbodensystems Das System wurde nach [8] zur Sanierung von Bürobauten konzipiert. . Kühlfall Wassertemp.5 Einzelbetrieb Fußboden unterer oberer Raum Raum 3.8 70.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 66 Beispiel 2 Massivspeicherdecke mit nachträglich aufgebrachtem Rohrregister zur Massivdeckenbeladung in Kombination mit einem aktiven Fußbodensystem mit Fließestrich und Kapillarrohrmatte "OPTIMAT" Diese Variante eignet sich besonders für den Sanierungsfall. 26 °C Wassertemp. 26 °C Wassertemp.020 m ∆a = 0. 17 °C Raumtemp.8 4.5 36. Der konstruktive Aufbau eines speziellen Bauvorhabens ist im Bild 6.8 dargestellt. Die zwischenliegende Wärmedämmung entkoppelt die beiden Systeme thermisch weitestgehend. 18 °C Raumtemp.7 33. Der Raumtemperaturverlauf ist dabei von 1200 Uhr bis 1800 Uhr konstant mit 26 °C angenommen worden. Die Zweiflächen-Bauteilaktivierung mit einer passiv und einer aktiv arbeitenden Komponente bietet ein hohes Leistungspotenzial für die Raumkühlung. unterschreitet aber 30 W/m² nicht. ist eine nächtliche Beladung anzustreben.1 W/(m K) 28 24 22 20 18 7200 18 Raumtemperatur Wassertemperatur 52 5400 56 24 58 60 62 64 800 66 00 68 12 70 0 4800 50 18 Bild 6. Die Massivkühldecke erbringt damit einen maßgeblichen Anteil der Kühlleistung. Die Simulation betrachtet eine Beladung von 2000 Uhr bis 800 Uhr mit einer mittleren Kaltwassertemperatur von 18 °C. ist die sehr hohe Kühlleistung von etwa 40 W/m² realisierbar.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 67 Bild 6. Die hohe Wärmeleitfähigkeit des Betons und der Teppichbelag auf dem Fußboden bewirken nicht erwartete Leistungsrelationen. . Das Ergebnis findet sich im Bild 6.8 beinhaltet eine Zusammenstellung der stationären Leistungen beider Teilsysteme. • Da die Raumtemperatur um 1200 Uhr bereits 26 °C beträgt.Achse Temperatur Kühlleistung im unteren Raum λBeton = 2.1 W/(m K) Sondervariante: λBeton = 1. • Der restliche Kühlbedarf kann durch das Fußbodensystem erbracht werden.4 W/(m K) 34 32 30 °C 26 y . Im Heizfall könnte das Fußbodensystem die erforderliche Leistung allein erbringen. eine Deckengrundlast bewirkt jedoch niedrige Warmwassertemperaturen. Die regelbare Kühlleistung des Bodens wird nur aus wärmephysiologischen Gründen begrenzt. • Wird die Raumtemperatur durch ein regelbares Zusatzkühlsystem auf 26 °C konstant gehalten. W/m² 45 40 35 30 25 20 15 10 5 36 Gesamtkühlleistung (Massivdecke) λBeton = 2. Um möglichst viel Umweltenergie zu nutzen. • Im praktischen Betrieb dürfte damit bis 1200 Uhr die Speicherkälte der Decke – die vorwiegend aus Umweltkälte stammt – zur Kühlung der Büros ausreichend sein.9.9 Kühlleistungsverläufe der Massivspeicherdecke bei einer nächtlichen Beladung von 2000 Uhr bis 800 Uhr und einem Raumtemperaturverlauf mit einer Konstantphase von 1200 Uhr bis 1800 Uhr Die Wärmeleitfähigkeit des Betons wurde zusätzlich variiert.1 W/(m K) auf 1.4 W/(m K) verringert sich die Kühlleistung um etwa 15 %. Kühlleistung Uhrzeit • Bei der stark reduzierten Wärmeleitfähigkeit von λ = 2. sinkt die Kühlleistung ab. ..... Betondecke Decke + Fußbodenstreifen Die konstruktiven Möglichkeiten gestalten sich vielfältig. . Berlin....... Mauerwerk oder Gipskarton – Dicke ca. Für aktive Bodenflächen gelten die im Bild 6. Es arbeitet hochdynamisch und primärenergetisch günstig mit raumnahen Temperaturen.10 Vorgeschlagene Kombinationen von Aktivflächen im Raum Vorzugsweise werden die Decke und die Brüstung aktiviert. Für Decken.4 gezeigten Varianten.... 2 mm FOLIMAT Tapete oder Anstrich Bild 6.. thermisch aktive Flächen: ..........Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 68 6.11 Varianten aktiver Decken..und Wandflächen finden sich im Bild 6. Bild 6.. bei Vollglasfassaden bildet ein Fußbodenstreifen die zweite Aktivfläche. • • Die Kombination kompensiert alle thermischen Lasten in Büros bei bester Behaglichkeit....... thermisch aktive Flächen: . Polytherm.......... 13 mm Mauerwerk Putz Kapillarrohrmatte Putz Kapillarrohrmatte bauvariante im Bild 6.... Decke + Brüstung .... .12)....11 geeignete Lösungen (rationelle TrockenPutz auf Beton.. Die Grundidee ist im Bild 6.... Sie weist nachfolgende Merkmale auf: • Das Kühlen und Heizen erfolgt mit einem konstruktiv einfachen System.... Damit ist dieses System auch unter dem Gesichtspunkt der Investitionskosten interessant...... Damit sind beide Wärmeübertragerflächen im Raum direkt regelbar...4 Zweiflächen-Bauteilaktivierung aktiv/aktiv Anstelle des trägen nicht regelbaren Passivsystems (Speicherdecke) kann unter Beibehaltung der Deckenkühlfunktion diese auch aktiv betrieben werden. Ochtrup .und Wandflächen auf beliebigen Putzträgern mit integrierten Kunststoff-Kapillarrohrmatten der Fa.. Putz Putz Kapillarrohrmatte Gipskarton Trockenbauvariante: Profilfolie mit werkseitig integrierter Kapillarrohrmatte auf Putzträger gespachtelt – Dicke ca...... 7 mm Betondecke Profilfolie Putz ca..... das nur durch ein Wassernetz mit einem Regelkreis pro Raum versorgt wird....... Lösungen mit FOLIMAT von Fa... Clina.. sodass in großem Umfang Umweltenergie einsetzbar ist...........10 dargestellt.. 13 zusammengestellt. noch ein erhebliches Entwicklungspotenzial. Einfluss nehmen: Putzdicke Mit Einführung der Tapezierfolie konnten die Putzdicken drastisch reduziert werden.2×51 = 72 W/m² Decke Normalputz 60 60 40 40 37 =4 1W +0 /m² . Für den thermisch aktiven Fußboden ist von der wärmetechnisch ungünstigsten Variante Teppichbelag ausgegangen worden. Spezialputz Wand Akustikputz 62 + 0.25 ×28 =4 7W /m² 100 100 W/m² 100 W/m² Wand Decke Kühlleistung Heizleistung 80 80 80 80 34 + 40 40 93 W/m² 89 W/m² 62 + 0. die die voll aktivierte Deckenfläche (≡ Raumgrundfläche) plus eine aktive Brüstungsfläche von 20 % der Raumgrundfläche oder einem aktiven Fußbodenstreifen mit 25 % der Raumgrundfläche zugrunde legen. Während im Normalputz integrierte Kapillarrohrmatten mit einer Gesamtdicke von etwa 13 mm ausgeführt werden.2 × Fußboden.13 Kühl.25×28 = 69 W/m² 18 8 20 6 2 4 60 60 40 0.und Heizleistungen in Abhängigkeit der Unter.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 69 Wand FOLIMAT Putz Sockelleiste Wand FOLIMAT Putz Vorteil: G-Matte nur ein Stamm pro Seite Aussparung Decke Decke Blende Putz FOLIMAT FOLIMAT Putz Blende Trennwand Bild 6. Übertemperatur für ausgewählte Aktivsysteme zur überschlägigen Berechnung der realisierbaren Raumlastkompensation Beispielhaft sind Flächenkombinationen betrachtet. wie neuere Untersuchungen bereits ansatzweise zeigten. die selbstverständlich konstruktionsabhängig noch einer Detaillierung bedürfen.12 Detaillierte Konstruktionsbeispiele mit FOLIMAT zur thermischen Bauteilaktivierung Die Leistungen der aktiven Flächensysteme sind als Übersicht im Bild 6. Generell sei zu den Kühlleistungen der thermisch aktiven Flächen angemerkt: • Die Putze besitzen. . Textilbelag 20 20 14 16 12 10 Untertemperatur K 20 20 25 5 Fußboden Textilbelag Übertemperatur 30 10 K 35 15 Bild 6. erreicht man mit FOLIMAT Gesamtdicken um 7 mm.bzw. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 70 Die Deckschichten betragen teilweise nur 2 . B.11 W/(m²K)). nicht nur um große Kühllasten kompensieren zu können (in diesem Falle würde man die Entwicklungsanstrengungen falsch verstehen). Der Strahlungsfluss vergrößert sich aber nur geringfügig. Hier ist aber noch ein Optimum zwischen thermischer und akustischer Wirkung zu suchen. sondern um übliche Raumkühllasten bei besonders hohen Kaltwassertemperaturen abzuführen. sondern im Gegenteil zur Erreichung einer Dämmwirkung sogar besonders schlechte Wärmeleiter – wie porige Zuschläge beispielsweise Perlit – beigemischt. 3 mm bei strukturierter Oberfläche. • Selbst bei Einsatz von Akustikputz sind Normkühlleistungen ≥ 70 W/m² erreicht worden. Dies liegt am besseren Wärmeübergangskoeffizienten beim Wärmestrom von unten nach oben (α ≈ 10.. • Generell sind hohe Leistungswerte bedeutungsvoll. 3 mm bei glatter Oberfläche und ca. • Die Kühlleistungen von Putzkühldecken sind stets höher als die der Putzkühlwände mit gleichem Aufbau.2). Wären warme und kalte Flächen gegenüberliegend angeordnet. • Die Normkühlleistung von Decken mit üblichem Maschinenputz MP 75 beträgt ca. Dies bringt große energetische Vorteile. • • Aus wärmephysiologischer Sicht sind Kühldecken stets positiv zu bewerten (Abschnitt 4). als beim horizontalen Wärmefluss (α ≈ 8 W/(m²K)). Rauheit der Putzoberfläche (Strukturierung) Die Vergrößerung der Oberfläche erhöht den konvektiven Wärmeübergang fast linear...28). da durch die Rauheit eine teilweise Verschattung auftritt (siehe auch Abschnitt 10.. Durch optimales Zusammenwirken der oben genannten Verbesserungsmöglichkeiten (Basis FOLIMAT) ergaben erste Messungen Normkühlleistungen bis ca. dann ist eine genaue Überprüfung der Behaglichkeit erforderlich. Wärmeleitfähigkeit der Beimischungen Bei der bisherigen Entwicklung der Putze wurde auf eine gute Wärmeleitfähigkeit kein Wert gelegt. Bei niedrig temperierten Oberflächen muss zusätzlich auch der Kaltluftabfall beachtet werden. 80 W/m². 95 W/m² (Bild 10. wie in den Abschnitten 2 und 5. Die Abfuhr der Kühllasten nur über Wandkühlungen allein kann aus Gründen der Wärmephysiologie problematisch sein. Befinden sich die Kühlflächen im gleichen Strahlungshalbraum wie die Flächen hoher Temperatur (z. dann ist eine intensive Wandkühlung möglich. Fensterflächen).5 festgestellt wurde. . . was aber in üblichen Räumen bedeutungslos ist.) sowie vom Belag beeinflusst. • Diese Größenordnung dürfte auch für die Gebäudesanierung zutreffen. Die hier zugrunde gelegten Daten sind als Normalwerte für die neuartigen Konstruktionen zu betrachten. 35 W/m² sowie bei Lasteinbringung in Sitzhöhe zu ca. Rohrabstand usw. 40 W/m²). Wird die Kühlleistung kompensiert. B... hinter Glasfassaden – können sehr große Kühlleistungen realisiert werden. dass 90 % der stationären Leistung innerhalb von 30 . Verbesserung der Fassade gehört. • Die Deckenheizung allein wäre aus wärmephysiologischen Gründen (Strahlungsasymmetrie und Kaltluftabfall an der Fassade) ungünstiger als die Kombinationen temperierter Deckenund Brüstungsflächen. Die maximale Kühlleistung des Fußbodens ergibt sich für einen vertikalen Lufttemperaturgradienten von 2 K/m nach [9] bei bodennaher Lasteinbringung zu ca. Die zusätzliche Aktivierung der Decke erlaubt es. • Die Kühlleistungen von Fußböden werden sehr stark vom konstruktiven Aufbau (Estrichdicke. Untersuchungen zum Aufheizverhalten und zwischenzeitlich durchgeführte Messungen ergaben. Im Sonderfall der direkten Besonnung des Fußbodens – z. • Alle praktisch erforderlichen Heizleistungen sind mit Fußbodensystemen bei guten wärmephysiologischen Bedingungen erfüllbar. nur einen Fußbodenstreifen längs der Fassade zu beheizen und dennoch kleine Heizwassertemperaturen zu erzielen. Anmerkungen zur Heizleistung der thermisch aktiven Flächen: • Die Heizleistung ist in Bürobauten von untergeordneter Bedeutung (Transmissionswärmelasten derzeit etwa 20 . ist die erforderliche Heizleistung mit der gleichen Aktivflächenkombination im Raum in der Regel zu erbringen. . 20 W/m². • Besonders hervorzuheben ist die hohe Leistungsdynamik..1 und 10.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 71 • Kombinationen von Kühldecken und Wandkühlflächen ermöglichen besonders hohe Wassertemperaturen und ergeben positive wärmephysiologische Effekte. da in der Regel zu solchen Baumaßnahmen auch die energetische Erneuerung bzw.35). Das Entwicklungspotenzial liegt in der Verringerung der Estrichdicke (Einsatz von FOLIMAT). 60 Minuten erreichbar sind (siehe Bilder 1. • Das Nutzen von hohen Kühlleistungen ist bei Fußböden aus wärmephysiologischen Gründen begrenzt. Normalputz Heizbrüstung. Die überschlägigen Berechnungsergebnisse folgen direkt aus Bild 6. Normalputz Belegung Vollbelegung 20 % der Grundfläche 72 W/m² 93 W/m² 8K 10 K Gesamtleistung System arbeitet mit einer mittleren Wasseruntertemperatur von Aktivfläche Kühldecke. Normalputz Belegung Vollbelegung 20 % der Grundfläche 41 W/m² 49 W/m² 6K 7K Gesamtleistung .Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 72 Beispiel 3 Deckenkühlsystem in Kombination mit einer thermisch aktiven Brüstung oder eines Fußbodenstreifens analog Bild 6. da als Belag ein Teppich mit einem hohen Wärmeleitwiderstand (Dicke 10 mm. dass alle relevanten Kühllasten in Büros mit dem Kombinationssystem abführbar sind. Normalputz Kühlboden. 35 mm angenommen. Für die Aktivflächen gelten: Decke Vollbelegung.13 (links). Im Falle eines aktivierten Fußbodenstreifens sei gemäß Bild 6.13) noch nicht genutzt worden. System arbeitet mit einer mittleren Wasserübertemperatur von Aktivfläche Heizdecke.07 W/(m K)) zur Anwendung kommt. Teppichbelag Belegung Vollbelegung 25 % der Grundfläche 8K 10 K Gesamtleistung 69 W/m² 89 W/m² Dies zeigt. Beide sind wärmetechnisch näherungsweise gleichwertig. Aktivflächen mit System "FOLIMAT" Der konstruktive Aufbau entspricht bezüglich der Aktivdecke und im Falle der aktivierten Brüstung der im Bild 6. Normalputz Kühlbrüstung.11 dargestellten Trockenbauvariante mit Putzauflage. Beispiel 4 Deckenheizsystem in Kombination mit einer thermisch aktiven Brüstung oder eines Fußbodenstreifens gemäß Beispiel 3 Die näherungsweisen Ergebnisse sind Bild 6.10.13 (rechts) entnehmbar. Dabei ist das Entwicklungspotenzial des Putzes (vgl. System arbeitet mit einer mittleren Wasseruntertemperatur von Aktivfläche Kühldecke.4 eine Trockenbaukonstruktion ohne Estrich oder eine Nassverlegeart mit einer Estrichdicke von ca. Interessanterweise ergeben sich für beide Flächenkombinationen etwa gleiche Gesamtleistungen. Wärmeleitfähigkeit 0. Brüstung 20 % der Raumgrundfläche. Fußbodenstreifen 25% der Raumgrundfläche. Bild 6. . Nach Anhang C sind zur Raumkühlung (90 . als zukunftsrelevant angesehene System sind zu nennen: ● Hohe Kühl.. ● Beste wärmephysiologische Bedingungen nach DIN 1946/02 und ISO 7730 sind selbstverständlich bei Gewährleistung der zulässigen Raumtemperaturen gegeben. ● Niedrige Betriebskosten durch Einsatz eines Wassersystems zum Wärmetransport und umfangreiche Nutzung der freien Kühlung zu über 80 % des Jahres (siehe Tabelle 5. Anhang C zeigt.0 . dass der wärmetechnische und wärmephysiologische Extremfall – Eckraum mit zwei Fensterbändern oder sogar Vollglasfassaden – ohne Tangieren von Grenzwerten im ... 20.6 .5 Gesamtbewertung der Zweiflächen-Bauteilaktivierung Die konstruktive Entwicklung thermisch aktiver Flächen beinhaltet wegen zahlreicher Vorteile ein großes Anwendungspotenzial. 28. ● Senkung der Investitionskosten durch Nutzung von Massenprodukten mit hohem Vorfertigungsgrad Anwenden einfacher Bautechnologien vorwiegend im Trockenbauverfahren Einsatz eines einzigen Wassersystems zur Versorgung aller thermisch aktiven Flächen Installation einer einfachen konventionellen Regelung Vermeiden von Stellflächenverlusten im Raum (maximale Mietfläche erreichbar) minimalsten Platzbedarf im Gebäude. dass die Kompensation der Heizlasten in Büros mit der vorgeschlagenen Zweiflächen-Bauteilaktivierung völlig unproblematisch realisierbar ist. 6.. Teppichbelag Belegung Vollbelegung 25 % der Grundfläche 40 W/m² 47 W/m² 6K 7K 73 Gesamtleistung Die Ergebnisse bestätigen.2). ● Einfache Planung durch Nutzung des baukastenförmigen Systemaufbaus. Normalputz Heizboden.8 °C und zur Raumheizung Warmwassertemperaturen von 26.. Als wichtigste Vorteile für das neue. wenn der Kühlfall beherrscht wird.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten System arbeitet mit einer mittleren Wasserübertemperatur von Aktivfläche Heizdecke. 50 W/m²) Kaltwassertemperaturen im Bereich 16.6 °C ausreichend.und Heizleistungen bei raumnahen Wassertemperaturen. Die erforderlichen Warmwassertemperaturen sind außerordentlich niedrig. 16 und 6. W ert: ≤8K 5 H E IZFA L L ∆ t S.m ax = 3.6 K K Ü H L FA L L ∆t S.8 m hohen Brüstungen bei sehr guten Behaglichkeitsbedingungen.3 W/(m²K).Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 74 Sommer und Winter beherrscht wird.14 Verteilung der Strahlungstemperatur der Umgebung (Bild links) und der Strahlungstemperatur-Asymmetrie (Bild rechts) über dem Raumgrundriss (10 m × 5 m) eines Eckraumes mit zwei Fensterbändern im Kühlfall bei einer flächenbezogenen Kühllast von 70 W/m² (Raumtemperatur 25 °C. Luftvolumenstrom 6 m³/(m²h)) Die Heizung erfolgt durch die gesamte Deckenfläche und die 0.7 °C 5 K 4 3 2 1 0 Fe ∆t S.5 K 22 -4 ns t er n ba dm it B rü s tu n g 10 0 -4 ns t er b d an m r it B üs tu n g 10 Fensterband mit Brüstung Fensterband mit Brüstung Bild 6. Quellluft 20 °C.m ax = 23.9 °C zul.15 für einen Eckraum mit zwei Fensterbändern mit idealen Ergebnissen und die Bilder 6.0 °C 23 22 21 20 F 5 K 4 3 2 1 0 Fe 20 -4 s en t er ba n i dm t ü Br s tu ng 10 0 -4 ns t er n ba d t mi Br üs tu n g 1 Fensterband m it B rüstung Fensterband m it B rüstung Bild 6. Die Verteilungen der Strahlungstemperatur der Umgebung und der Strahlungstemperatur-Asymmetrie im Sommer und Winter zeigen die Bilder 6.6 K Umgebungstemperatur Strahlungsasymmetrie 25 °C 24 t U . 25 zul.8 m hohen Brüstungen bei sehr guten Behaglichkeitsbedingungen. Außentemperatur -15 °C.max = 3. Raumtemperatur 22 °C. .4 °C zul.m in = 2.m in = 1.min = 24.max = 25.m in = 22.17 für einen Eckraum mit zwei Vollglasfassaden mit sehr guten bzw.15 Verteilung der Strahlungstemperatur der Umgebung (Bild links) und der Strahlungstemperatur-Asymmetrie (Bild rechts) über dem Raumgrundriss (10 m × 5 m) eines Eckraumes mit zwei Fensterbändern im Heizfall bei einer flächenbezogenen Heizlast von 33 W/m² (kFenster = 1. W ert: ≤ 14 K 5 Umgebungstemperatur 25 24 23 22 Fe Strahlungsasymmetrie 27 °C 26 t U. W ert: ≤ 28 °C KÜHLFALL t U. 27 zul.3 K ∆ t S. Luftvolumenstrom 6 m³/(m²h)) Die Kühlung erfolgt durch die gesamte Deckenfläche und die 0.14 und 6. guten Ergebnissen. Quellluft 22 °C. W ert: ≥ 20 °C H E IZFA L L t U . Die Untersuchungen sind beispielsweise bis zu einer sommerlichen Kühllast von 90 W/m² und bis zu einer winterlichen Außentemperatur von – 15 °C geführt worden. max = 26.3 K Umgebungstemperatur Strahlungsasymmetrie 25 °C 24 t U.min = 24.5 m breiten Fußbodenstreifen in Winkelform bei guten Behaglichkeitsbedingungen.17 Verteilung der Strahlungstemperatur der Umgebung (Bild links) und der Strahlungstemperatur-Asymmetrie (Bild rechts) über dem Raumgrundriss (10 m × 5 m) eines Eckraumes mit zwei Vollglasfassaden im Heizfall bei einer flächenbezogenen Heizlast von 46 W/m² (kFenster = 1.max = 5. Raumtemperatur 22 °C.16 Verteilung der Strahlungstemperatur der Umgebung (Bild links) und der Strahlungstemperatur-Asymmetrie (Bild rechts) über dem Raumgrundriss (10 m × 5 m) eines Eckraumes mit zwei Vollglasfassaden im Kühlfall bei einer flächenbezogenen Kühllast von 90 W/m² (Raumtemperatur 25 °C. . Außentemperatur -15 °C.8 K ∆tS.min = 21.3 W/(m²K).5 K 7 K 6 5 4 3 2 2 -4 d s sa e 10 Gl a s sfa sa de 10 Glasfassade Glasfassade Bild 6.7 °C 23 22 21 20 20 -4 Gl as as f s ad e 6 K 5 4 3 2 1 1 -4 G fa la s s sa de 10 10 Glasfassade Glasfassade Bild 6.max = 6.5 °C tU.6 °C zul.7 °C zul.min = 2. Quellluft 22 °C.min = 3. Luftvolumenstrom 6 m³/(m²h)) Die Heizung erfolgt durch die gesamte Deckenfläche und einem 1. Wert: ≤8K HEIZFALL ∆tS.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 75 27 zul.7 K ∆tS. Wert: ≥ 20 °C HEIZFALL tU. Wert: ≤ 14 K KÜHLFALL ∆tS. Quellluft 20 °C. Luftvolumenstrom 6 m³/(m²h)) Die Kühlung erfolgt durch die gesamte Deckenfläche und einem 1. Wert: ≤ 28 °C 7 Umgebungstemperatur Strahlungsasymmetrie 27 °C 26 25 24 23 22 22 -4 Gl a sfa KÜHLFALL tU. 25 6 zul.max = 23.5 m breiten Fußbodenstreifen in Winkelform bei sehr guten Behaglichkeitsbedingungen. technologischer Entwicklungen durch die Fa.2 (letzte Zeile) erscheint beim derzeitigen Erkenntnisstand als schlüssig.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 76 Die Zweiflächen-Bauteilaktivierung wird zur Anwendung und Weiterentwicklung empfohlen. Weitere Detaillierungen zur thermischen Bauteilaktivierung aktiv/aktiv im Anhang C: "Kombination verschiedener Flächenkühlsysteme im Raum und ihre Einflüsse auf die Behaglichkeit und die Kaltwassertemperatur (ClinaBaukasten)" (104 Seiten) Kurzbericht als Firmenpräsentation im Anhang D: "Universeller Clina-Baukasten – Kühl. Das Einfügen in den Entwicklungsgang nach Bild 6. Clina und wissenschaftlicher Optimierungen mit messtechnischer Verifikation an der Westsächsischen Hochschule Zwickau. Die speziellen Leistungswerte sind Ergebnisse umfangreicher theoretischer Untersuchungen des F+E TGA.und Strahlungstemperatur-Asymmetrie über dem Raumgrundriss im Anhang E: "Clina-Baukasten – Messetafeln" (6 Seiten) Bericht im Anhang F: "Quo vadis Büroklimatisierung? – Zweiflächen-Bauteilaktivierung?" (30 Seiten) .und Heizflächen – für alle Leistungsbereiche" (14 Seiten) Messetafeln als Firmenpräsentation mit Darstellung der räumlichen Strahlungstemperatur. vor allem durch flexiblere Systeme der technischen Gebäudeausrüstung gesenkt werden. 7. trägt sie doch zur Entlastung der Umwelt und der Ressourcenschonung bei. um das anvisierte Ziel zu erreichen.oder Flächenheizung? Von der Praxis ist diese Frage offenbar bereits zugunsten der Luftheizung beantwortet worden. Der gegenläufige Einfluss der Wärmedämmmaßnahmen ist somit zu beachten. Es sei aber ausdrücklich angemerkt. das Vermeiden von Wärmebrücken. In diesen Fällen muss der Gesamtenergiebedarf durch komplexere bautechnische Lösungen. Die technische Lösung erforderte einen sehr guten Wärmeschutz. den Einsatz von transparenten Flächen mit niedrigen Wärmedurchgangskoeffizienten aber hohen Energiedurchlassgraden und den Einbau einer mechanischen Lüftung mit sehr gutem Wärmerückgewinnungsgrad. dass man diese Maßnahmen nicht uneingeschränkt auf Gebäude mit großen inneren Wärmelasten – beispielsweise Bürogebäude – übertragen darf. dass niedrige Baukosten allein den Ausschlag gaben. 7.1 Grundanliegen der Wohnhäuser mit niedrigem Heizenergiebedarf Um den großen Heizenergieverbrauch von Wohnbauten der bisherigen Bauweise zu senken. musste bedeutend "wärmedichter" und damit auch "luftdichter" gebaut werden.2 Derzeitige Konsequenz für die Heizungstechnik Die wirkungsvolle Gebäudedämmung und ergänzende Konstruktionen. So reduziert die wirkungsvolle Dämmung vor allem die Wärmeabfuhr in der Übergangszeit. die aber quasi eindimensional wirken. Im vorliegenden Fall besteht die Vermutung.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 77 7 Heizphilosophie für Gebäude mit niedrigem Heizwärmebedarf Die Hauptfrage besteht in der "richtigen" Wahl des Heizungssystems: Luft. Damit ist zwar ein ganzes Bündel von Maßnahmen erfolgt. Die geschilderte Entwicklung wird für den Wohnungsbau als sehr positiv eingeschätzt. Selbstverständlich stellen alle technischen Entscheidungen Kompromisslösungen dar. Deshalb sollen einige weitere technische Unterscheidungsmerkmale dargestellt werden. Dennoch bestehen beträchtliche Zweifel an der Richtigkeit der Antwort. Dies fand seinen Niederschlag in der Realisierung von sogenannten Niedrigenergiehäusern bis hin zu den Passivhäusern. wie beispielsweise • • Dreifachverglasung der Fenster Dachdämmung 400 mm . da dann der Kühlbedarf stark ansteigt und zum dominierenden Energieverbrauch wird. wobei üblicherweise viele Aspekte in die Wertung einbezogen werden sollten. 7. machen sie unmöglich.2b) erfüllt sind. Somit ist von vornherein eine große Akzeptanz vorhanden. Solche Darstellungen belasten eine objektive Diskussion sehr bzw. Um die Kosten nicht zu stark ansteigen zu lassen. die sich bewusst diese energiesparende Bauweise wünscht. in sachlich nüchterner Weise auf mögliche Schwachpunkte des derzeit praktizierten Systems "Luftheizung" zu verweisen. wie in [11] geschehen.beispielsweise in [12] aufgezeigt . und mitunter neigt das Verhalten – gemäß einer zutiefst menschlichen Empfindung – sogar zur Beschönigung des realen Komforts. wovon einige .und Strahlungstemperatur der Umgebung werden klein sein. Bei Passivhäusern wird in [10] eine Heizlast < 10 W/m² genannt. Begünstigend kommt hinzu. Die Wärmeverteilung im Gebäude stellt dennoch eine Schwachstelle dar.verfolgen eine effiziente Wärmebereitstellung mit Wärmepumpen. wird an der technischen Gebäudeausrüstung gespart.3 Generelle Nutzungsanforderungen und mögliche Defizite Es gelten die wärmephysiologischen Grundforderungen gemäß Abschnitt 3. Der hohe Dämmstandard bietet im Heizfall grundsätzlich sehr gute Voraussetzungen für wärmephysiologisch behagliche Verhältnisse. Dennoch sieht es der Autor als seine Pflicht an. Die Rechtfertigung – vom Kostendruck geprägt – geht von der Kleinheit der Heizlast aus. Das Heizsystem wird enorm minimiert oder entfällt ganz. • Die Unterschiede zwischen Luft. haben ihren Preis. dass es sich bei dem Nutzerkreis um eine Klientel handelt.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 78 • • luftdichte Ausführung Erdkanäle zur Luftvorwärmung usw. sodass die Forderungen der ISO 7730 (FANGERsche Behaglichkeitsdiagramme gemäß Bild 3. da die Wärmezufuhr an die Räume lediglich über die Zuluft ohne ein technisch hochwertiges Lüftungssystem erfolgt. • Die Strahlungstemperaturasymmetrien und der vertikale Lufttemperaturgradient überschreiten in der Regel die zulässigen Grenzwerte nicht. die als Wärmequelle die Abluft nach der rekuperativen Wärmerückgewinnung verwendet. Einige Entwicklungen . Teilweise werden die "Vorteile der Elektroheizung" sehr unkorrekt dargestellt und indirekt der konventionellen Wasserheizung ein "gesundes Wohnklima" abgesprochen. Die ohnehin notwendige Lüftungsanlage ist in der Regel sehr einfach gestaltet und um eine elektrische Nachheizung ergänzt. Bad und WC erfolgt die Abluftführung. In der Regel bevorzugt man eine schwere Bauweise mit großem transparenten Anteil. fragliche Reinigungsmöglichkeiten) nicht unumstritten. oftmals nur nach dem Pilotraumprinzip. die meistens positiv als hohe Thermostabilität des Raumes angepriesen wird. gibt es diese Probleme nicht in dem Maße. allerdings leidet darunter die Effizienz der Speicherung der eingestrahlten Energie. Bei einer leichten Bauweise. Die Ursache liegt in dem technisch sehr einfachen Lüftungssystem mit meistens primitiven Luftdurchlässen ohne automatische Regelungsmöglichkeit und dem sehr geringen Zuluftstrom begründet. • Die Luftmenge kann nur relativ grob eingeregelt werden. Die Bauweise der Häuser mit niedrigem Heizbedarf geht von unterschiedlichen Philosophien aus. Dadurch ist eine beachtliche Trägheit vorhanden. z. Die an Klimaanlagen gestellten und in letzter Zeit verschärften Bedingungen sind mit den derzeitigen Konstruktionen nicht erfüllbar. um eine große Energiespeicherung in den Raumumfassungen zu bewirken.vor allem die Lufttemperatur . mit sehr gut gedämmten Holzumfassungen. • Die Luftvorwärmung über Erdkanäle ist aus hygienischen Gründen (Kondenswasserbildung bei verschiedenen Betriebszuständen. . • Die Raumtemperatur lässt sich nicht so ideal konstant halten. Die Luftzufuhr wird nur in die Aufenthaltsräume vorgenommen über Küche. B.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 79 trotz der vorgenannten Voraussetzungen auch bereits von Nutzern beklagt wurden. wie dies bei guten. konventionellen Systemen gegeben ist.ist keineswegs homogen. Die Nachwärmung erfolgt in Stufenschaltungen. Das Verändern der gewünschten Raumtemperaturen bereitet bei reinen Luftsystemen dann ziemliche Schwierigkeiten. • Der Raumluftzustand . Maßnahmen zur umweltschonenden Kühlung der Räume im Sommer sind bei diesen Bauten unerlässlich. Dies ist im Abschnitt 2 umfassend erläutert worden.2 ist in vollem Umfang gültig. der Trägheit des Raumes und der behaglichkeitsentscheidenden Raumtemperatur (Empfindungstemperatur) zu betrachten. • Veränderte thermische Randbedingungen. sondern ein kombiniertes Heiz-Kühl-System zum Einsatz kommen. innere Laständerungen hervorgerufen werden. • Mit der enormen Verbesserung der Gebäudehülle sollte nicht mehr allein eine Heizung mit minimiertem Bedarf. beispielsweise solare Lasten eine stärkere Auswirkung als herkömmlich üblich zeigen. Zu diesem Zweck ist die Wärmeverschiebung zwischen den Räumen verschiedener Himmelsrichtungen. dass eine Fensterlüftung durchführbar und nutzbar ist und dass danach ein Aufheizen des Raumes in endlicher Zeit erreicht werden kann.4 Anlagentechnische Anforderungen und vorhandene Defizite Bei einem wärmetechnisch sehr gut gebauten Haus besteht auch ein berechtigter Anspruch an ein Heizungssystem besonders hoher Güte: • Der Anlagenbetrieb sollte mit einem Minimum an Exergieeinsatz erfolgen.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 80 • Es gehört zum Grundanspruch. Dies bedeutet keine elektrische Direktheizung und Verwirklichung niedrigster Heizmedientemperaturen. . sollten eine schnelle Kompensation erfahren. Bei Kinderzimmern besteht zudem die Forderung nach behaglichen Fußbodentemperaturen. Dabei ist die entsprechende raumweise Leistungsanpassung im Zusammenspiel der Dynamik des Heizsystems. ausgeschlossen bleiben. die aber dennoch zu einer merklichen Energiesenkung führt. Weiterhin sollte die verbesserte Bautechnik auch mit einem erhöhten thermischen Komfort einhergehen.und Jugendzimmer typisch. 7. da aufgrund der guten Dämmung äußere. Die Aussage der Tabelle 2. • Ein Grundanspruch des Wohlbefindens ist es auch. diese nachts als Schlafraum bei abgesenkter Temperatur und tags als Aufenthaltsraum zu nutzen. Auch "Frischluftfanatiker" dürfen nicht von der Nutzung der Gebäude. So ist es für Kinder. unterschiedlicher Geschosse und/oder mit differenzierten inneren Lasten anzuwenden. die Räume auch einer Umnutzung im Tagesgang unterziehen zu können. Dies wird als notwendig erachtet. die durch die Nutzer gewollt sind (Einstellung einer neuen Raumtemperatur) oder durch äußere bzw. die besonders wärmedicht gebaut sind. wodurch eine relativ hohe Dynamik vom Heizungssystem gefordert wird. 5 Wärmetechnisches Verhalten eines Raumes in einem Passivhaus 7.5. da dies die Grundvoraussetzung für umfassenden Umweltenergieeinsatz bildet: nach Bild 5.1 Grobskizze des zu untersuchenden Raumes in einem Passivhaus mit den wichtigsten geometrischen und wärmetechnischen Angaben Es gilt die Außentemperatur 0 °C. tL. Die Unterschiede wurden bereits im Abschnitt "Nutzungsanforderungen" gegenübergestellt. speziell der Passivhäuser sind die besonders niedrigen Wärmedurchgangskoeffizienten der Raumumfassungen. Es handelt sich um ein Wohnzimmer mit einer geschosshohen Vollglasfassade und mit zwei seitlichen Außenwänden. 24 °C.1 Raumdaten und Untersuchungsmethodik Die Geometrie für einen ausgewählten Raum ist Bild 7.14 W/(m²K) 200 mm Kalksandstein 275 mm Polystyrol-Hartschaum Bild 7. Qi = 100 W 4 m 1/3 Strahlung 2/3 Konvektion Innenwand 240 mm Ziegel Glasfassade k = 0.1 zu entnehmen. Bei einer Raumtemperatur von 24 °C ist auch eine Quelllüftung mit 22 °C denkbar. die sich wärmetechnisch passiv verhalten und zwei Wärmequellen mit einer Gesamtleistung von 100 W. nach [13] Kühlung mittels Erdkollektoren oder Fundament-Erdreichspeichern. Alle weiteren Raumumfassungen grenzen an andere Räume. Mit den derzeit eingesetzten Luftsystemen sind diese Forderungen nicht – im Sonderfall nur näherungsweise – erfüllbar. Sehr unterschiedlich kann die Schwere der Gebäude sein.14 W/(m²K Außenwand k = 0.Zu = 30 °C 30 m3/h Decke und Fußboden adiabat und nicht speichernd 2. Die Raumtemperatur beträgt wahlweise 20 °C bzw.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 81 • Es sind große Wärmeübertragerflächen einzusetzen.7 W/(m²K) Außenwand k = 0.5 verstärkte Nutzung der Solarenergie. Die Lüftung erfolgt mit der Zulufttemperatur von 30 °C. Für die weiteren Untersuchungen ist eine mittlere Konstruktion ausgewählt worden.4 m er n tL ativ .Zu = Qu 22 e elll ° uf t C Alt 8m tR = 20 °C / 24 °C . Im Raum befinden sich zwei Tische. Kennzeichnend für die Gebäude mit sehr geringen Heizlasten. 7. Die beiden Außenwände bestehen aus 200 mm Kalksandstein und . Der Teilwärmedurchgangskoeffizient bezieht sich auf den Wärmefluss von der raumseitigen Oberfläche bis zum Wasser im Rohrregister. 24 °C. Außer der Luftheizung werden auch eine Fußbodenheizung und eine Deckenheizung betrachtet. z.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 82 275 mm Polystyrol. Bei einer schweren Bauweise wären die Decke sowie der Fußboden ebenfalls massiv und gut wärmeleitend. κDecke = 20 W/(m²K).1. der anschließende Raum unterliegt den gleichen Temperatur. deren Oberflächentemperaturen sich ebenfalls wie die der Decke und des Fußbodens passiv den thermischen Umgebungsbedingungen anpassen. d. Raumtemperatur 20 °C bzw. bei den Flächenheizungen wird die Anpassung durch eine gezielte Änderung der mittleren Heizmedientemperatur bewirkt.. B. Für die wärmetechnische Charakteristik der Flächenheizungen gelten relativ geringe Teilwärmedurchgangskoeffizienten: κFußboden = 11 W/(m²K) bzw. Die Bausteine beinhalten unterschiedliche Approximationsstufen von einfachen Näherungen bis hin zu exakten Lösungen. Vorhandene Innen. Die Untersuchung wird mit dem in [2] entwickelten "Wärmetechnischen Raummodell" durchgeführt (Beschreibung auch im Anhang B). die natürlich nur bei 24 °C Raumtemperatur qualitätsgerecht arbeitet. bei der der Fassade gegenüberliegenden Innenwand handelt es sich um eine 240 mm dicke Ziegelwand und Fußboden sowie Decke seien nicht wärmespeichernd. Die Belüftung erfolgt mit einem Zuluftstrom von 30 m³/h der Temperatur tL. Die wärmetechnisch relevanten Detaildaten finden sich ebenfalls im Bild 7. Alternativ dazu wird auch eine Quellluftvariante mit gleichem Luftvolumenstrom bei einer Zulufttemperatur von 22 °C betrachtet.39 h-1 gewährleistet. wobei 1/3 als Strahlungswärmestrom an die Umgebungsflächen und 2/3 als konvektiver Wärmestrom an die Luft abgegeben werden. Die Decke und der Fußboden gelten als adiabat. ausgeführt. h. Das Raummodell arbeitet mit einem bausteinförmigen Programmaufbau und einer offenen.und Strahlungsbedingungen wie der betrachtete Wohnraum. Für zwei innere Wärmequellen seien gesamt 100 W angenommen. Sie würden die Trägheit wesentlich erhöhen. Bezüglich der gemauerten Innenwand werde thermische Symmetrie angenommen. Die Leistungsanpassung zum Erreichen der gewünschten Empfindungstemperatur erfolgt bei der Luftheizung durch eine zusätzliche konvektiv wirkende Wärmequelle im Raum. erweiterbaren Struktur. Als Temperaturannahmen gelten: Außentemperatur 0 °C.Zu = 30 °C. Im Raum befinden sich zwei Tische. Damit ist ein Luftwechsel von 0. Die . mit Fliesenbelag.und Außenputze sind hierbei vernachlässigt worden. min (Der Untersuchungsbereich erstreckt sich über eine Fläche parallel zum Boden.max und tR. konnte auch das instationäre Speicherverhalten der Außen. der von der Zuluft an den Raum übertragen wird & Q K. was natürlich entsprechende Fachkenntnisse beim Anwender voraussetzt. die jeweils 0.1 beschriebenen Randbedingungen wahlweise die operativen Raumtemperaturen (Empfindungstemperaturen) tR = 20 °C und 24 °C gelten.und Ablufttemperatur tL. der von den inneren Wärmequellen an den Raum übertragen wird & Q Sum Gesamtwärmestrom an den Raum.und Strahlungstemperatur der Umgebung tL. Des Weiteren sind die Luft.Ab tH mittlere Heizmedientemperatur bei Einsatz einer Flächenheizung & Q L. Für den stationären Heizfall der Systeme Luftheizung. um eine ausgeglichene Wärmebilanz zu erhalten • • • & Q F. Aus der Vielzahl der Ergebnisse des Rechnerausdrucks werden nachfolgende Größen für die Gegenüberstellung der Varianten ausgewählt: • mittlere Raumtemperatur tR (≡ mittlere Empfindungstemperatur) mit den örtlichen Extremwerten tR.8 m von den Wänden entfernt ist.04 m über dem Grundriss • • • • Zu. der von einer Flächenheizung an den Raum übertragen wird & Q Inter Wärmestrom. der dem Raum zusätzlich zu übertragen ist.Zu Wärmestrom. .1. Die bestehende Bausteinreihe ist von jedermann ergänzbar.Zu Wärmestrom.Ref jeweils in Referenzhöhe von 1.2 eingetragen. Fußbodenheizung und Deckenheizung finden sich die Ergebnisse in Tabelle 7. Diesen Vorteil nutzend.5. 7.2 Stationärer Betrieb Für die zu untersuchenden stationären Betriebsfälle sollen ergänzend zu den in Verbindung mit Bild 7.und Innenwände bezogen auf den vorliegenden Modellfall nachgebildet werden.An konvektiver Anpasswärmestrom.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 83 Zusammenstellung hat problemorientiert zu erfolgen.Zu und tL.Ref und tU.) • Luft.und Strahlungstemperaturen der Umgebung im Bild 7. 4 24.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 84 Tabelle 7. aus wärmephysiologischer Sicht erfüllen alle Systeme die Anforderungen.8 tL.9 23.2 21.1 24.max tR.8 19.4 21.1 K und -0.2 K sehr klein.1 24.und Luftheizungen bei stationären Betriebsbedingungen und Raumtemperaturen von 20 °C bzw.1 20.9 23. h.8 23.An Q F. 24 °C Diskussion der Ergebnisse: • Die geforderten Empfindungstemperaturen sind in allen Fällen erreicht worden.10 20 °C 18 20 tR = 24 °C 22 24 26 Lufttemperatur tL.1 24..9 tL. einer Fußboden.b 28 °C 30 Bild 7.25 m/s 0.2b mit den eingetragenen Ergebnissen der berechneten Varianten Decken-. Fußboden.15 0.0 25.20 0.20 0.15 0.Zu Q K.9 19. .5 25.1 24.0 & & & & Q L. ihr Schwankungsbereich über dem Grundriss ist mit einer maximalen Abweichung von +0.6 20.1 20.1 °C 19.8 19.6 26.8 tH °C 20.9 23.und einer Deckenheizung tR °C 20 20 20 24 24 24 24 tR.1 24.8 23.75 clo tL tR= tE≡ = tU 1.2 Behaglichkeitsdiagramm gemäß Bild 3. D.4 19.5 25.9 23.0 clo wL= 0.2 24.Ref °C 20.Ref °C 19.0 25.1 24.3 23.2 20.1 tU.0 met zg enh nhzg ck D e bo d e u n g ß Fu ftheiz Lu Fußbodenheizung mit Quellluft 0.Zu °C 30 30 30 30 30 30 22 tL.Ab °C 21.8 23.b 30 °C 28 26 24 22 20 1.1 Ergebnisse der stationären Berechnung zur Raumheizung bei tR = 20 °C und 24 °C sowie bei Einsatz einer Luft-.7 24.8 21.Zu Q Inter W 84 86 83 44 49 45 -28 W 133 239 W 150 154 250 256 314 W 100 100 100 100 100 100 100 & Q Sum W 317 336 337 383 399 401 386 Luftheizung bei tR = 20 °C Fußbodenheizung bei tR = 20 °C Deckenheizung bei tR = 20 °C Luftheizung bei tR = 24 °C Fußbodenheizung bei tR = 24 °C Deckenheizung bei tR = 24 °C Fußbodenheizung bei tR = 24 °C mit Quelllüftung 22 °C Umgebungstemperatur tU.min °C 20.5 25. und Umgebungstemperaturen sehr nahe beieinander liegen. Bei den Flächenheizungen sind die mittleren Heizmedientemperaturen in Tabelle 7. Letztere wird einheitlich mit tQ = 10 °C (Grundwassernutzung) angenommen. Der Carnot-Faktor kennzeichnet den Umwandlungsgrad bei einer reversiblen Prozessführung. Bei den Flächenheizungen kann dies durch eine erhöhte Heizmedientemperatur ausgeglichen werden.Zul = 30 °C sei tH = 40 °C angesetzt. Hierzu müssen zunächst einige Annahmen getroffen werden. .4 K. sodass für die Wärmepumpe die elektrische Antriebsleistung (≡ Exergiestrom) TQ & 1 & PWP = E Heizung = 1 − Q H T ζ WP H erforderlich ist.6 K über der Raumtemperatur liegen.5 angenommen. Bei der Luftheizung betragen die Unterschiede bis 1. (2.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 85 • Bei den Flächenheizsystemen wird deutlich. dennoch betragen sie für innovative Lösungen beispielsweise κ = 11 W/(m²K). Infolge des besseren Wärmeübergangskoeffizienten (Wärmestrom von unten nach oben) liegen die Wassertemperaturen in der gleichen Größe wie bei der Deckenheizung. • Von besonderem Interesse ist der Vergleich der exergetischen Aufwendungen für die einzelnen Heizsysteme. Obwohl für die Heizdecke lediglich ein Teilwärmedurchgangskoeffizient κ = 20 W/(m²K) zugrunde gelegt wurde. Der exergetische Wirkungsgrad wird einheitlich mit ζWP = 0.4 K. Wegen der kleinen Spreizungen wird vereinfachend der CARNOT-Faktor mit den jeweils mittleren Medientemperaturen auf der Verbraucher. dass die Luft. bei den Luftheizungen mit tL. ergeben sich mittlere Wassertemperaturen.1 ausgewiesen.3) zu berücksichtigen. Bei den Fußbodensystemen sind konstruktionsbedingt die Teilwärmedurchgangskoeffizienten geringer. Im realen Betriebsfall eines irreversiblen Kreisprozesses ist noch der exergetische Wirkungsgrad nach Gl. Die zusätzliche konvektive Nachheizung bei den Luftsystemen steigt entsprechend an (133 W bzw. 239 W). die nur 1 K bis 1.und der Quellenseite berechnet. Sie unterscheiden sich um maximal 0. • Die Ablufttemperaturen sind erwartungsgemäß bei der Deckenheizung etwas höher als bei der Fußbodenheizung. • Logischerweise geht die Wärmezufuhr durch die Zuluft mit ansteigender Raumtemperatur zurück. Dies wirkt zugunsten der Luftheizung. externe Luftaufheizung erfolgt nicht (Nachteil für die Flächenheizung).2 Exergetische Aufwendungen bei stationärer Raumheizung für tR = 20 °C und 24 °C sowie bei Einsatz einer Luft. wobei nur der Betrag für die Raumwärmezufuhr in Ansatz gebracht wird. Im Falle der mit * gekennzeichneten Lösung würde auch der Anteil der Lufterwärmung. Zu °C Luftheizung 20 20 20 Fußbodenheizung Luftheizung 20 24 24 24 Fußbodenheizung Fußbodenheizung mit Quellluft 22 °C 24 24 W 84* 16 16 16 44* 8 8 8 0! Art der Ergänzungsheizung Elektroheizung Elektroheizung Wärmepumpe mit tL. Es gelten somit die exergetischen Aufwendungen für die Luft.Zu = 30 °C Wasserheizung. Die dazu nötige Exergiezufuhr erbringt die Fußbodenheizung. dass die Zuluft mittels Wärmepumpe erwärmt werde. ein Abzug für die verringerte. die aufgrund der niedrigen Heizmedientemperatur entsteht. In diesem Fall wird die Luft im Raum zusätzlich aufgeheizt (-28 W). Fußboden Elektroheizung Elektroheizung Wärmepumpe mit tL. Fußboden Wasserheizung.und die Fußbodenheizung gemäß Tabelle 7. wobei nur die Raumwärmenutzung in Ansatz gebracht wird.2. System & tR E L.und einer Fußbodenheizung Die Zulufterwärmung erfolgt mit einer Wärmepumpe. Die Ergebnisse zeigen deutlich die Überlegenheit der Flächenheizungen. die der Raumheizung dient. Des Weiteren sind unterschiedliche Verfahrensweisen für die Bereitstellung des erforderlichen Ergänzungswärmestromes beim Luftheizsystem zu betrachten. Beim Einsatz von Flächenheizungen ergeben sich folgende Exergieersparnisse: . Tabelle 7.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 86 Es soll weiterhin generell gelten.Zu = 30 °C Wasserheizung. da bei der Fußbodenheizung auch eine Quellluftvariante mit der niedrigeren Lufteintrittstemperatur von 22 °C sinnvoll wäre. elektrisch vorgenommen. was vorteilhaft für die Luftheizung ist. Fußboden & & E Zusatz Exergiestrom E ges W 133 133 26 11 239 239 46 26 34 W 217 149 42 27 283 247 54 34 34 Die Variante Deckenheizung ist exergetisch mit der Fußbodenheizung praktisch deckungsgleich. 1 und 10. 37 %.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 87 ● Wenn die Luftheizung auch im Falle der Restwärmedeckung mit einer Wärmepumpe arbeitet. für Fußbodenheizung nicht zu. Ähnlich liegen die Verhältnisse bei Wandheizungen [13]. folgen Ersparnisse von 36 .. Die Heizsysteme werden idealisiert mit einer völlig trägheitsfreien Arbeitsweise betrachtet. die durch große Rohrabstände und dicke Estrichschichten gekennzeichnet sind. B. Die späteren Untersuchungen zeigen. die während des instationären Aufheizens entstehen können. Um ein Gefühl für die thermischen Raumzustände zu erhalten. dass man die Empfindungstemperaturen der verschiedenen Räume und natürlich auch deren tageszeitlichen Verlauf subjektiv wählen kann. wobei innovative Systeme nur noch 1/6 der üblichen Aufheizzeiten benötigen (Bild 1... Es bietet den Vorteil.. Dies trifft in der Realität z. d.35). berechnet sich für die Flächenheizung eine Ersparnis von 82 . kleinen Leistung von 500 W Aufheizung mit einer konstanten. h.2). werde ein Aufheizvorgang von tR = 20 °C auf 24 °C betrachtet. In den vorliegenden Fällen wird von einer Lüftung mit 30 m³/h bei einer Zulufttemperatur von 30 °C – gleich dem des stationären Falles – ausgegangen. großen Leistung von 1000 W. ● Erfolgt bei Einsatz einer Luftheizung die Restwärmedeckung mit einer elektrischen Widerstandsheizung. Die Ergebnisse der umfangreichen instationären Berechnung werden der besseren Übersichtlichkeit in Diagrammen vorgestellt und schrittweise diskutiert. läge die Ersparnis bei der Fußbodenheizung bei etwa 88 %.3 Instationärer Betrieb Es gehört zum unbedingten Wohnkomfort.Zu = 22 °C betrachtet. den notwendigen Exergiestrom bei Einsatz von Flächenheizungen weiter absenken zu können. Bei einer Raumtemperatur von 24 °C trägt dieses System den Charakter eines Quellluftsystems. Da dieser Vorgang verschiedenartig ablaufen kann. seien nachfolgende Varianten untersucht: • • • Aufheizung nach linearem Temperaturprofil dtR/dτ = 2 K/h. 86 ● %. bezüglich ihrer Dynamik nicht mehr vergleichbar sind.5. Würde die Luftheizung vollelektrisch vorgenommen. . innerhalb von 2 Stunden Aufheizung mit einer konstanten. dass moderne Fußbodenheizungen mit herkömmlichen Systemen. Die Aufheizzeiten sind bis auf 1/20 reduziert (Bilder 1. Bei der Variante Fußbodenheizung mit linearer Temperaturzunahme sei zusätzlich der Einsatz eines Lüftungssystems mit niedrig temperierter Zuluft von tL. 7. .5 Raum°C temperaturverlauf bei einer Raum24 aufheizung mit einer Luft. kleiner Leistung von 500 W Stunden nach der Parameteränderung Bild 7. 380.oder Fußbodenheizung bei konstanter..Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 88 Gesamtwärmestrom an den Raum 1200 W 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 0 Leistung bei Fußbodenheizung Leistung bei Luftheizung ca. 320.400 W 20 24 Bild 7.4 Raumtemperaturverlauf bei einer Raumaufheizung mit einer Luft.340 W 4 8 ca..oder 23 Fußbodenheizung mit konstanter Leistung von 1000 22 Fußbodenheizung mit tW gleitend W Nach Erreichen bei tR = 24 °C der neuen RaumLuftheizung mit Leistungsstufen von 500 W 21 solltemperatur von Zuschaltung bei tR < 24 °C 24 °C erfolgt die Abschaltung bei tR > 24 °C Leistungregelung 20 0 1 2 3 4 5 der FußbodenheiStunden nach der Parameteränderung zung durch die Wassertemperatur und die der Luftheizung durch eine Stufenschaltung von 500 W in Abständen von 6 min. 25 Raumtemperatur ..3 Erforderlicher Gesamtwärmestrom an den Raum bei einer linearen Raumtemperaturerhöhung (Aufheizzeit 2 Stunden) bei Einsatz einer Luftoder Fußbodenheizung 12 16 Stunden nach der Parameteränderung 25 Raumtemperatur °C 24 Luftheizung 23 22 Fußbodenheizung 21 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Bild 7. bewirkt dieser nur eine sehr langsame Raumtemperaturerhöhung (Bild 7. Dies ist ein deutliches Zeichen dafür. 1200 W an. Die Fußbodenheizung liefert erstmals nach etwa 1. Der anschließend durchgeführte.6 Verlauf der mittleren Wassertemperatur für die Fußbodenheizung während der Raumaufheizung nach unterschiedlichen Betriebsregimes 25 30 35 40 Stunden nach der Parameteränderung Diskussion der Ergebnisse: • Bild 7. sodass die mittlere Raumtemperatur von 24 °C erst nach etwa 5 Stunden erreicht wird.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 89 mittlere Wassertemperatur 32 °C 30 28 26 24 22 20 0 linearer Raumtemperaturanstieg 2 K/h Zulufttemperatur 22 °C ⇒ Quellluft linearer Raumtemperaturanstieg 2 K/h Zulufttemperatur 30 °C (stationärer Zustand) 25. • Da ein konstanter Aufheizstrom von 500 W relativ klein ist. ist der erforderliche Wärmestrom für die Fußbodenheizung zunächst größer. . Nach 10 Stunden sind erst etwa 22. liefert die Flächenheizung hierbei stets etwas niedrigere Raumtemperaturen.5 Stunden die gewünschte Raumtemperatur. steigt der erforderliche Wärmestrom fortlaufend von 317 W bzw. Das Abschalten einer Leistungsstufe von 500 W führt aber sofort zu einem starken Abfall der Raumtemperatur um fast 2 K.8 °C erreicht. steigen die Raumtemperaturen schnell an (Bild 7. Aufgrund des intensiveren Wärmeübergangs an die Wände. Die Ursache bildet das zeitverzögerte Aufheizen der Massivwände. 336 W auf 1100 W bzw. Aus bereits genannten Gründen erreicht die Luftheizung bereits nach ca.3 zeigt den Anstieg des erforderlichen Gesamtwärmestromes eines trägheitsfrei arbeitenden Heizsystems an den Raum mittlerer Wärmespeicherkapazität. dass die Wandtemperaturen noch sehr niedrig sind.8 °C (stationärer Zustand) 5 10 15 20 Bild 7.5 °C Leistungsbegrenzung der Fußbodenheizung 1000 W 20. hält sie dann aber wegen der guten Regelbarkeit konstant. Da dieses beim Wirken einer Flächenheizung schneller erfolgt als bei einer Luftheizung. 3/4 Stunden die neue Raumtemperatur. Obwohl die geforderte Raumtemperaturzunahme konstant 2 K/h ist.4).5). • Wird dem Raum von Beginn an ein konstant hoher Wärmestrom von 1000 W zugeführt. intermittierende Betrieb zwischen 500 W und 1000 W bewirkt einen Leistungsausfall. zu = 22 °C ß Fu en od b h ng izu e ng eizu h 2h tR = 24 °C t Luf 19 20 20 °C 22 24 Lufttemperatur tL 26 °C 28 Bild 7.7 und 7.bzw. wie die Verläufe in den Bildern 7.. wie die Quellluftvariante verdeutlicht.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 90 • Interessanterweise unterscheiden sich gemäß Bild 7. Maximal werden etwa 30 °C erforderlich.10 1. nur wenn die Luft mit 22 °C einströmt. • Insgesamt wird der neue stationäre Zustand erst nach sehr langen Zeiträumen erreicht. Bei der Fußbodenheizung ist außerdem noch die Variante mit einer Zulufttemperatur von 22 °C betrachtet. h. D.15 0. Dies gilt fast unabhängig vom Aufheizregime.6 verdeutlichen.8 gegeben. Hierin liegt aus wärmephysiologischer Sicht der entscheidende . Dies erfolgt umso intensiver.3 und 7. Entsprechende Darstellungen sind in den Bildern 7.6 die Heizmedientemperaturen für die Fußbodenheizung nur relativ wenig in Abhängigkeit des Aufheizregimes.7 zeigt.7 Aufheizvorgang des Raumes mit einer Luft.0 clo h 10 2h 23 22 21 20 Variante Quelllüftung tL. von einer konstanten Heizleistung mit 500 W aus. auch wenn die neue geforderte Raumtemperatur beispielsweise schon nach 2 Stunden realisiert ist.0 met 0. ● Bild 7. lineare Temperatursteigerung 2 K/h Zusatzheizung 500 W stationäre Endpunkte h 40 h 20 h 10 25 °C wL= 0. Fußbodenheizung im Behaglichkeitsdiagramm Das Betriebsregime geht von einer linearen Raumtemperaturerhöhung um 2 K/h bzw. muss die mittlere Wassertemperatur bis auf maximal 31 °C ansteigen. je größer der Anteil der Fußbodenheizung an der Gesamtwärmezufuhr ist. dass bei der Fußbodenheizung die Lufttemperatur tL und die Strahlungstemperatur der Umgebung tU näherungsweise linear zwischen dem alten und neuen Raumzustand verlaufen. Sehr aufschlussreich ist das Beobachten des Aufheizvorganges im Behaglichkeitsdiagramm.20 m/s Umgebungstemperatur tU 24 1. die Strahlungstemperatur wird von Beginn des instationären Aufheizens "mitgenommen". Die Luftheizung schaltet nach Überschreiten der Raumtemperatur von 24 °C auf die Heizstufe 500 W und bei Unterschreiten von 24 °C wieder auf 1000 W.7). .10 23 . Erfolgt die Aufheizung mit einer kleinen Leistung (500 W).15 24 1.5. Fußbodenheizung im Behaglichkeitsdiagramm Dem Betriebsregime liegt eine konstante Heizleistung von 1000 W zugrunde.7 von 2 Stunden bis über 40 Stunden die Raumtemperatur zwar auf der geforderten Empfindungstemperaturgeraden von 24 °C.5 h 1 . ohne jedoch den stationären Endzustand erreicht zu haben.bzw. Dieses wird in der Regel aber nicht verwendet. wodurch eine gleichmäßigere Änderung der Umgebungstemperatur auftritt (Bild 7. ● Als sehr problematisch erweist sich in der Praxis die Bestimmung der Raumtemperatur.5 1 stationäre Endpunkte h 10 sng h g ku rc n an du altu hw ch h Sc erei ensc b tuf S ng izu he en od ßb Fu 20 °C 22 ung heiz Luft tR = 0. Umgebungstemperatur tU 25 wL= 0.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 91 Vorteil der Flächenheizungen.7 h t R = 22 . dauert der Vorgang ohnehin viel länger.5 24 °C 26 °C 28 24 Lufttemperatur tL °C Bild 7.8 Aufheizvorgang des Raumes mit einer Luft.6 23 22 21 20 19 20 °C h 5 h.4) gemessen werden. So bewegt sich nach Bild 7. ● Bei der Luftheizung wird in der Regel die gewünschte Empfindungstemperatur schneller erreicht. die Anpassung der Umgebungstemperatur dauert aber außerordentlich lange.8 dargestellten Verhältnisse zu erwarten. Sie entsprechen dem Vorgang gemäß Bild 7. Bei der Fußbodenheizung wird nach Erreichen der neuen Raumtemperatur von 24 °C die Wassertemperatur geregelt.0 clo 0. sind die im Bild 7.20 m/s °C 1. sondern eine reine Lufttemperaturmessung findet Anwendung. wobei die operative Raumtemperatur in die aussagekräftigen Anteile Lufttemperatur und Strahlungstemperatur der Umgebung gesplittet ist. In guter Näherung kann sie mit dem Globethermometer (Abschnitt 3. ● Wird eine Schnellaufheizung durch Einsatz eines großen Wärmestromes vorgenommen.0 met 0. kann durch die Stufenschaltung wieder ein beträchtlicher Abfall auftreten. wie Bild 7. Im stationären Fall sind die Abweichungen geringer. Die damit verbundenen Kostenaufwendungen und die Reduzierung der Nutzfläche wurden in Kauf genommen.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 92 Tut man dies während der Aufheizung.6 Fazit und Empfehlungen zur Weiterentwicklung der Heizungstechnik Um den Heizwärmebedarf drastisch senken zu können. Die gleichmäßige Luftverteilung im Raum bei niedrigen Geschwindigkeiten. Die Technik für die Restbeheizung dieser Gebäude "blieb jedoch auf der Strecke". Damit reagiert der Raum schneller als in der Realität mit umfangreichem Interieur. die Erfül- . Luftheizungen mit einfachen Verteilsystemen bieten dennoch keinen dem sehr guten Dämmstandard adäquaten Wohnkomfort. 7. Dämmdicken bis zu 400 mm werden realisiert. Die modellierte Dynamik des Raumes ist nur durch die Trägheiten der wärmespeichernden Außenwände und einer Innenwand gebildet worden. Selbst wenn bereits die Solltemperatur erreicht wurde. sodass die Trägheit weiter ansteigt. der die Behaglichkeitsforderungen der ISO 7730 erfüllt.8 auch wieder zu merkbaren Fehlinterpretationen führen. Deshalb kam es zum Einsatz immer dickerer Dämmschichten. Bei Flächenheizungen ist die Abweichung zwischen Lufttemperatur und Umgebungstemperatur nicht so groß.2 bereits zeigte. entsteht ein beachtlicher Fehler bei der Luftheizung. Selbstverständlich kann mit einer Luftheizung in gut gedämmten Gebäuden ein Raumzustand erreicht werden. wodurch die Fehlmessung geringere Folgen hat. Danach könnte man Sollwerte für die Lufttemperatur ableiten. um so eine gewisse Korrektur zu bewirken.6 °C vor. In der Praxis wird häufig zudem bewusst eine schwere Bauweise gewählt. In der Folge würde die höhere Heizstufe nicht einschalten. wurde vor Jahren bereits die Entwicklung von Dämmstoffen mit bedeutend kleinerer Wärmeleitfähigkeit gefordert. Leider ging die Entwicklung der "Vakuumisolierung" und die praktische Umsetzung nicht so rasch wie gewünscht. Die Minimierung der Leistung nutzte man lediglich als willkommenes Einsparpotenzial bezüglich der Anlagentechnik. Würde man bei der Fußbodenheizung während des Aufheizens nach einer Lufttemperatur von 24 °C regeln. läge zunächst eine Empfindungstemperatur von 23.5 °C vor. Es wäre tatsächlich zu kalt. Bei einer Lufttemperatur von 24 °C läge in Realität beispielsweise eine Empfindungstemperatur von nur 22. Während des Aufheizvorganges mit Luftheizungssystemen würde dies aber nach Bild 7. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 93 lung eines sehr niedrigen Geräuschpegels. Wände. Die exergetischen Aufwendungen zur Luftaufheizung sind höher als bei Flächenheizungen. • Die Komplettsysteme zum Heizen und Kühlen sollten folgende Zusatzvarianten anbieten: .Einsatz von umschaltbaren Wärmepumpen. das im Ganzjahresbetrieb wirkungsvoll optimale Nutzungsbedingungen schafft. Es sollte die Umweltenergienutzung präferieren aber dennoch keine Behaglichkeitsminderungen hervorrufen. die individuelle Temperaturregelung nach der Empfindungstemperatur in jedem Raum. Als charakteristische Merkmale seien genannt: • Es sind große Flächenheiz. • Diese Flächenheiz.effektive Umweltenergienutzung durch den Einsatz von Solarkollektoren und von Erdreichkollektoren oder von Fundament-Erdreichspeichern über lange Zeiträume bei raumnahen Wassertemperaturen und kleinen Spreizungen . Andererseits sollte nicht ein konventionelles Heizsystem mit örtlichen Raumheizkörpern – beispielsweise mit Radiatoren vor der Verglasung stehend – oder eine traditionelle Fußbodenheizung mit jeweils relativ hohen Wassertemperaturen zum Einsatz kommen. Decke) sind neuartige Hochleistungswärmeübertragerflächen zu integrieren. Die Luftqualität bei Erdkanaldurchströmung wird skeptisch beurteilt. Bericht im Anhang G: "Luftheizung oder wasserbeaufschlagte Flächenheizung in Gebäuden mit niedrigem Heizwärmebedarf?" (27 Seiten) .und Kühlsysteme sind infolge raumnaher Wassertemperaturen exergetisch bedeutend günstiger als elektrisch arbeitende Luftsysteme. • In den Raumumfassungen (z.Wärmeverschiebung zwischen den Räumen unterschiedlicher Himmelsrichtung.und Kühlsysteme wegen ihrer wärmephysiologischen Vorteile einzusetzen. da sie während des instationären Aufheizens Vorteile bieten und im sommerlichen Kühlfall die Strahlungstemperatur der Umgebung wirkungsvoll reduzieren. B. das Aufheizverhalten nach subjektiven Solltemperaturänderungen oder infolge von geänderten inneren und/oder äußeren Lasten lassen mitunter Wünsche offen. Geschosse und Nutzung . Fußboden. Empfohlen wird ein innovatives Heiz-Kühl-System. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 94 8 Zwischenfazit Die bisher vorgestellten • • Gedanken zum Einsatz von Kunststoff-Kapillarrohrmatten (Abschnitt 1) Gedanken zur Systemgestaltung ⇒ wärmephysiologische Bewertung verschiedener Raumkühlsysteme (Abschnitt 4) ⇒ Quo vadis Büroklimatisierung? – Zweiflächen-Bauteilaktivierung (Abschnitt 6) ⇒ Heizphilosophie für Gebäude mit niedrigem Heizwärmebedarf (Abschnitt 7) basieren auf den während der Bearbeitung des Forschungsthemas gesammelten Erkenntnissen, die in enger Wechselwirkung mit der Komponentenentwicklung, ihrer Optimierung und Verifizierung stehen. D. h., die getrennte Darstellung ist lediglich als Ordnungsprinzip gewählt worden. Die untersuchten allgemeinen Anforderungen an die Raumheiz- und Raumkühlsysteme sowie die energetischen Gegebenheiten • • • minimaler Exergie- bzw. Primärenergiebedarf (Abschnitt 2) optimale wärmephysiologische Bedingungen im Raum (Abschnitt 3) das praktisch nutzbare Umweltenergiepotenzial (Abschnitt 5) stellen die zu beachtenden Randbedingungen dar. Die vollzogenen Systembetrachtungen und die definierten Randbedingungen bestätigen die Zweckmäßigkeit – ja sogar die Notwendigkeit – der Entwicklung und der Optimierung nachfolgender Komponenten mit integrierten Kunststoff-Kapillarrohrmatten als multivalent einsetzbare Wärmeübertrager: • • beheizbare und kühlbare Baukörper (z. B. in Betonbauteilen) beheizbare und kühlbare Wärmeübertragerflächen am Baukörper (z. B. untergehängte Decken, Fußböden, Kühlsegel) • • flexible Kühlflächen Kühl- und Heizschächte. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 95 9 9.1 Thermisch aktive Baukörper Aufbau und charakteristische Merkmale Die neuzeitliche thermische Bauteilaktivierung setzt wasserdurchflossene Rohrsysteme in Speicherbauteilen ein, die gleichzeitig eine Raumbegrenzung darstellen. Damit können die in den Abschnitten 2 bis 5 genannten Empfehlungen sehr gut genutzt werden. Die Oberflächentemperaturen schwanken zwischen 21 °C und 24 °C. Wegen der geringen Temperaturunterschiede zum Raum ist eine gute Selbstregulierung zu erwarten. Selbst das "Umschalten" von Heizen auf Kühlen ergibt sich automatisch: tDecke < tRaum ⇒ Kühlfall tDecke > tRaum ⇒ Heizfall. Die hauptsächliche Nutzung der thermisch aktiven Decke wird derzeit im Kühlen gesehen. Die konstruktiven Möglichkeiten und angestrebten Zielstellungen sind im Bild 9.1 gezeigt. Zunächst wurden Rohrsysteme mit im Fußbodenheizungsbau üblichen Durchmessern 26×2,5 mm, 20×2 mm und 17×2 mm - eingesetzt. In der "Neuen Messe Zürich" und in anderen Bauwerken sind Rohrabstände von 300 mm realisiert worden. Entsprechend der Weiterentwicklung werden jetzt meistens Abstände von 150 mm verwendet. Fall A Fall B Fall C Bild 9.1 Üblicherweise werden Betondecken bevorzugt zur Raumkühlung herangezogen. Im Kern sind Rohrsysteme auf einer Trägermatte gegen Aufschwimmen während des Betonierens fixiert. Im Fall A sind der obere und der untere Raum wärmetechnisch gut an das Bauteil angekoppelt. Der Wärmefluss von oben an die Decke wird aber auch bei gleichen Raumtemperaturen geringer als von unten sein, da der Wärmeübergangskoeffizient kleiner ist und außerdem bildet der Belag einen Wärmeleitwiderstand. Der Fall B ist bauphysikalisch richtiger, da ein schwimmender Estrich auf einer Trittschalldämmung angeordnet ist. Die Intensität der thermischen Kopplung an den oberen Raum sinkt hierbei jedoch. Fall C zeigt die üblichen Zielstellungen. Aus bautechnischen Gründen möchte man die Rohrsysteme möglichst außerhalb der Bewehrung anordnen, aus thermodynamischen Gründen (hohe Speicherkapazität) wird eine enge Rohrteilung angestrebt. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 96 In Versuchen mit herkömmlichen Systemen wurden Kühlleistungen von 35 ... 40 W/m² bei täglich 10-stündigem Betrieb unter sommerlichen Bedingungen nachgewiesen. Als neue Technologie wird für den Einsatz in Betonbauteilen eine Spezialbetonmatte mit den Abmessungen 4,3×0,9 mm als Kunststoff-Kapillarrohrmatte aus PP von der Fa. Clina angeboten. Der Röhrchenabstand sollte vorzugsweise 30 mm betragen. Die kleinen Rohrabstände bewirken eine nahezu homogene Temperaturverteilung, wie im Bild 1.4 gezeigt wird. Die Temperaturverteilung in der Speicherdecke ist eine Funktion des eingesetzten Rohrsystems. Untersucht man diesen Zusammenhang für stationäre Verhältnisse und die konstruktiven Varianten I und II gemäß Bild 9.2, so erhält man die im Bild 1.7 vermerkten Werte für die gespeicherte "Kälte". Dabei gelten: Raumtemperaturen ti = ta = 24 °C, mittlere Wassertemperatur im Rohrsystem 18 °C. αa RA = 300...150 mm Belag R = 0,143 m²K/W qa . ta Variante I y Decke aus Stahlbeton ∆ a= 150 mm t rohr 20...17×2 mm ∆ i = 150 mm x RA/2 Kunststoff- t min αi t max t mittel q . . ti i αa RA = 30 mm Belag R = 0,143 m²K/W qa ta Variante II y x Decke aus Stahlbeton ∆ a= 150 mm kapillarrohr Kunststoff- 4,3×0,9 mm RA/2 ∆ i = 150 mm ti α t min t max t mittel i qi . Bild 9.2 Deckenkonstruktionen mit unterschiedlichen Rohrregistern bei sonst gleichem Aufbau und Umgebungsbedingungen Index i ⇒ Raum unten Index a ⇒ Raum oben 9.2 Kühlleistung der Speicherdecken Für die Auslegung interessiert die Kühlleistung. Sie ist in erster Linie als Tagesverlauf wichtig, andererseits ist mitunter auch eine hohe nächtliche Kühlleistung sehr vorteilhaft. Letzteres trifft Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 97 dann zu, wenn auch das Interieur intensiv gekühlt und somit in den Speichervorgang einbezogen werden kann. Diese Möglichkeit ist bei Bürobauten aber auch in Einkaufszentren mit einer hohen Warendichte durchaus gegeben. Problematisch sind die Festlegungen der thermischen Randbedingungen, für die der zeitliche Leistungsverlauf zu bestimmen ist. Er wird für die einzelnen Nutzungsbereiche sehr unterschiedlich sein. Da noch keinerlei normierte Werte oder Normprüfverfahren vorhanden sind, wird für die Leistungsermittlung und für die Bewertung der Varianten der im Bild 9.3 gezeigte Verlauf zugrunde gelegt. 27 °C 26 26 25 25 24 24 23 23 22 22 21 21 20 20 19 19 18 18 17 °C Temperaturverlauf im unteren und oberen Raum Temperatur Temperaturverlauf des Kaltwassers (Mittelwert zwischen Vor- und Rücklauf) 18.00 20 BILD6 | 20.2.1999 22 24 2 4 6 8 10 12 14 Bild 9.3 Vorgabe der Temperaturverläufe (Raumtemperatur und mittlere Wassertemperatur) für die dynamische Untersuchung zum Leis16 18.00 tungsverhalten der Decke Uhrzeit Die Dynamik ist über drei Tage berechnet worden. Bei herkömmlichen Rohrsystemen ist nach zwei Tagen, bei Kapillarrohrmatten nach einem Tag der Einschwingvorgang beendet. Bild 9.4 vergleicht die Kühlleistungen der derzeitigen Realvarianten. 50 W m² 42,8 W/m² Kapillarrohre 4,3×0,9 mm, RA = 30 mm 38,7 40 30 20 3 1 ,3 Kühlleistung Mittelwert Nutzzeitraum 10 Normalrohre 17×2 mm, RA = 150 mm 20×2 mm, RA = 300 mm 0 48 18.00 8.00 Bild 9.4 Vergleich der Kühlleistungen der derzeit realen Systeme bei Vorgabe der Tempera72 18.00 turverläufe nach Bild 9.3 Uhrzeit . allerdings ist ein deutlicher Qualitätssprung bleibend vorhanden.2). w = 0. 9.1 Stationärer Betrieb einer Betondecke bei unterschiedlichen Raumtemperaturen In Bürobauten und Einkaufszentren könnte bei ganztägiger Verfügbarkeit von kaltem Wasser aus Umweltsenken als Grenzfall auch eine stationäre Betriebsweise erfolgen.21 W/(m K).3×0. Die in Versuchen mit herkömmlichen Systemen ermittelten Kühlleistungen von 35 . t a= t i ∆ a= 140 mm Kunststoffrohr 17×2 mm λ = 1. w = 0.2. 40 W/m² bei täglich 10-stündigem Betrieb unter sommerlichen Bedingungen werden durch die Berechnungen sehr gut bestätigt. αa RA = 150 mm RA = 30 mm Decke aus Stahlbeton Fußboden R = 0.5 Angenommener Deckenaufbau mit einem konventionellen Rohrregister und mit einer Kapillarrohrmatte für die Untersuchung des stationären Kühlbetriebs Die Ergebnisse der stationären Zustandsberechnung sind in der Tabelle 9. Es werden die Oberflächentemperaturen an der Deckenunterseite und die Kühlleistungen ausgewertet.3 m²K/W qa .4 W/(m K) t RA/2 λ = 0. auch Bild 1. ● Die konventionellen Systeme liegen um 10 % bis 27 % unter dem Wert mit Kapillarrohrmatten. ● Bei Einsatz von Kapillarrohrmatten tritt auch eine deutliche Materialeinsparung auf (⇒ vgl.1 zusammengestellt.2 dargestellten Konstruktionsvarianten zeigten durch die Änderung der Rohrabstände (herkömmliche Rohrregister von 300 mm auf 150 mm und Kapillarrohrmatten von theoretisch 15 mm auf 30 mm ⇒ vgl. Tabelle 1.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 98 Beide im Bild 9.8 mm λ = 0. Um das Leistungsvermögen beurteilen zu können. Bild 9. wird eine Decke mit zwei unterschiedlichen Rohrregistern nach Bild 9.. Kapillarrohr 4.5 betrachtet.7) eine Annäherung.5 m/s bzw.2 m/s ∆ i = 140 mm ti i t min αi t max t mittel q ..35 W/(m K). 7 RR 22.7 11. umweltschonenden Unterstützung der .1.mittel.0 19. wenn Aussagen zur erforderlichen Wassertemperatur oder aber zur Taupunktproblematik gefordert werden.5 tRaum bzw.46 tWasser.1 26.mittel = 2. Kapillarrohrmatte 6. • Da der vollaufgeladene Zustand einem stationären Vorgang entspricht und der Wärmeübergangskoeffizient nur geringfügig von der Untertemperatur abhängt.3 Grundprinzipien zur Anwendung der thermisch aktiven Baukörper Dieses relativ neue Wirkprinzip wird in seinen Möglichkeiten oftmals unrichtig eingeschätzt und auch falsch genutzt.17 tDecke .7 24 °C 19 °C KM 21. • • Ab einer Temperaturdifferenz von 5 K sind bereits beachtliche Leistungen realisierbar.1 42.9 37.3 11.17 tRaum.3 W/(m²K) bzw.mittel bzw.0 RR 23.6 12. tDecke = 0.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 99 Tabelle 9.8 22 °C 19 °C KM 20.2 27. Im umgekehrten Schluss sind bei Vorgabe der Raumtemperatur und der Deckenoberflächentemperatur die Wassertemperaturen berechenbar: tWasser.8 9. (9.6 tRaum + 0.mittel = 2. dass der Ruf der thermischen Bauteilaktivierung unabhängig vom Rohrsystem Schaden nimmt.. Nachfolgende Gesichtspunkte sind zu beachten: • Die thermische Bauteilaktivierung dient der passiven.1 7.4 tWasser. 13 % höher als bei Verwendung von konventionellen Rohrregistern.9 30.5 mit Rohrregister RR bzw.6 7.9 4.7 26 °C 19 °C KM 22..5 4.7 22. & Die spezifischen Leistungen q / ∆t betragen im Mittel: Rohrregister 5.9 31.1 Temperaturen und Kühlleistungen einer Betondecke nach Bild 9. können folgende einfache Näherungen für die Deckenoberflächentemperatur aus den Ergebnissen gewonnen werden: tDecke = 0.5 Diskussion der Ergebnisse: • Die Leistungen bei Einsatz von Kunststoff-Kapillarrohrmatten sind um 12 .2 15. Dadurch besteht die Gefahr.7 17.54 tRaum + 0. tWasser.0 W/(m²K).1) Diese Beziehungen sind hilfreich. 9.5 tDecke .1. Kapillarrohrmatte KM im stationären Betrieb Raumtemperatur mittlere Wassertemperatur Deckentemperatur unten Leistung unten Leistung oben Leistung gesamt °C °C RR °C W/m² W/m² W/m² 20. ob eine Gefährdung durch Unterschreiten der Taupunkttemperatur auftreten kann.∆x : Deckentemperatur kritische Außenluftfeuchte °C gW/kgtL 22 14 23 15 24 16 °C gW/kgtL 22 17 23 18 24 19 . Das Raumvolumen pro Person betrage 25 m³.17 kg / m ³ = 2. Zu Abschätzung. Als kleiner Zuschlag werde eine Erhöhung auf ∆x = 3 gW/kgtL vorgenommen. Pflanzen) berücksichtigt worden.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 100 Raumklimatisierung! Kapillarrohrmatten als Rohrregister bewirken eine besonders effiziente Speicherung im Bauteil. denn bei Kondensationsgefahr (Wetteränderung) ist im Gegensatz zu üblichen Kühldecken oder -segeln infolge der großen Systemträgheit das Absperren des Wasserkreises wirkungslos. Die Wasserdampfabgabe des Menschen ist temperaturabhängig: 22 °C 47 g/h 24 °C 58 g/h 26 °C 70 g/h 28 °C 85 g/h 30 °C 98 g/h Damit ergibt sich im Mittel eine Erhöhung der Luftfeuchte durch die geplanten Raumnutzer: ∆x = 70 g / h 25 m ³ / h ⋅1. Hierbei sind keine Besucher und keine weiteren Feuchtequellen (z. Notwendige Bestandteile zur umfassenden Funktionstüchtigkeit sind eine Lüftungsanlage zur Sicherung des hygienisch bedingten Außenluftbedarfs und zur Regelung der Feuchte. seien nachfolgende Überlegungen skizziert: Feuchtezunahme im Raum Es wird von einem einfachen Luftwechsel pro Stunde ausgegangen.4 gWasser/kgtrockene Luft. • • Die Bezeichnung Bauteilklimatisierung ist falsch. B. Sättigungsfeuchte Die zur Deckentemperatur zugehörige Sättigungsfeuchte xS beträgt: Deckentemperatur Sättigungsfeuchte Kritische Außenluftzustände Ausgehend von der Deckentemperatur ergeben sich somit die kritischen Außenluftzustände bei einer absoluten Feuchte von xAL = xS . Bei Fensterlüftung muss bei hohen Außenluftfeuchten die Wassertemperatur angehoben werden (→ Kühlpotenzial bleibt ungenutzt). Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 101 Im Rheingraben ist die Luftfeuchte im Sommer relativ hoch. Es sind Prognosen zum Last.7 25 17.5 26 16 17. Außerdem ist die Wirkung der Kühlund/oder Heizfunktion geschossübergreifend gewünscht.und Witterungsverlauf (Einfluss auf äußere Last sowie Kühlmöglichkeit) zu stellen.1 10.5 18. Im "Normalfall" wird die gesamte Deckenfläche ohne Rücksicht auf spätere Raumaufteilungen mitunter sogar über unterschiedliche Nutzer.3 0. Besonders ungünstig wirkt sich die ungleiche Raumnutzung aus.3 ≥ 16 1. Im Tagesgang können Raumtemperaturabweichungen von den Normwerten auftreten und die in den Raum eingetragenen Lasten sind bei anhaltender Hitzeperiode möglicherweise auch in einer 24-Stundenperiode nicht kompensierbar (Vertragsgestaltung beachten!). Mietbereiche hinweg mit Rohrregistern eines steuerbaren Wasserkreises belegt.5 20.8 24 19. • Wichtigstes Argument ist die Nutzung von Umweltenergie direkt oder mit geringer Transformationsenergie und die weitest gehende Vermeidung von elektrisch erzeugter Kälte. Die Entladung des Speichers erfolgt rein passiv ohne Einflussnahme des Raumnutzers.9 ≥ 15 5.1) die minimal zulässige Wassertemperatur zu (Die Kühlleistung ist für beide Rohrsysteme gleich!): Raumtemperatur minimale mittlere Wassertemperatur Rohrregister Kapillarrohrmatte °C °C °C 22 22 22 23 20.7 2. Eine Leistungsbeeinflussung ist nur durch die Steuerung der Aufladung gegeben. . Nach DIN 4710 gilt für Mannheim: Außenluftfeuchte xAL jährliche mittlere Stundenzahl jährliche mittlere Stundenzahl während 7 bis 18 Uhr gW/kgtL h h ≥ 14 22. müsste man bei Außenluftfeuchten ≥ 14 gW/kgtL die Wassertemperatur auf minimal 22 °C begrenzen. • Die thermische Bauteilaktivierung verkörpert ein Passivsystem mit großer Trägheit. • Eine Abrechenbarkeit der verbrauchten Energie ist bei kleinen Mietbereichen meistens nicht gegeben. Sie sind dringend zu empfehlen. Räume mit geringer Wärmelast und/oder hoher Feuchtelast sind besonders gefährdet.5 Im kritischsten Fall der Taupunktunterschreitung bei tDecke = 22 °C folgt nach Gl. (9.0 19. • Die Gewährleistung der Raumtemperatur ist nur bei Vorhandensein von regelbarem Zusatzsystem möglich.3 Wollte man absolut sicher gehen.bzw. Indizien für den Ladezustand sind die Rücklauftemperatur und die Spreizung. • Bei installierten Zusatzsystemen ist das gleichzeitige Heizen und Kühlen durch "Energienullband". . liegen optimale Bedingungen für den Einsatz der thermischen Bauteilaktivierung vor. um unterschiedliche Elektroenergietarife beim Antrieb von Kältemaschinen/Wärmepumpen zu nutzen. • Wenn kostengünstige Energie nur zeitlich begrenzt zur Verfügung steht (z. ist in der Regel (Bürobetrieb) nicht gerechtfertigt.und Wärmebereitstellung sowie auf die meisten geothermischen Nutzungen zu. darf verschwendet werden. Der Speicher ist zu optimieren. Nur was nichts kostet und die Umwelt nicht belastet. ist es aus umweltrelevanten und kostenmäßigen Gesichtspunkten vorteilhaft. kann aber auch durch falsche Ladestrategie und falsche Prognosen hervorgerufen werden. infolge Temperaturtagesgang). Witterung) und zeitlichem Temperaturangebot der Quelle ist zu optimieren. Wird die Luft als Wärmesenke eingesetzt. • Kann die Energie ohne Mengenbegrenzung und Mehrkosten während der Nutzungszeit bereitgestellt werden. diese Energie bis zur Bedarfsanforderung zwischenzuspeichern. auszuschließen. • Die Steuerung der Beladung nach Prognose (Bedarf. Deshalb sind mittels Kapillarrohrmatten effizient genutzte Speicherbauteile besonders vorteilhaft. Dies trifft auf die konventionelle Kälte. wobei die Geometrie des Rohrsystems eine maßgebliche Größe darstellt. • Es sind nicht nur die Extremfälle – Sommer und Winter – zu betrachten. h. dann stehen weitere mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten bestückte Komponenten gemäß der Abschnitte 10 und 11 in Konkurrenz. um die Maschinen zur Investitionskostenersparnis kleiner gestalten zu können. Es ist eine genaue Lastsimulation durchzuführen. Die Wirtschaftlichkeitsberechnung kann auf Basis der Tabelle 5. Gleiches gilt für den nächtlichen Betrieb der Kältemaschinen. Wenn die Masse des Baukörpers ohnehin verfügbar ist – d. in dem weder geheizt noch gekühlt wird. • Die Energiespeicherung in Bauteilen mit passiver Entladung zu realisieren. sondern vor allem auch die Übergangsbedingungen. Effiziente Speicherbauteile mit Kapillarrohrmatten erbringen dann besonders großen Nutzen.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 102 • Energiemehrverbrauch ist teilweise durch den Selbstreguliereffekt (Deckenspeicher verkörpert "direktwirkenden Proportionalregler") bedingt.2 erfolgen. dann ist die thermische Bauteilaktivierung in der Regel nicht wirtschaftlich einsetzbar. B. die Geschossdecken massiv in einer Dicke von etwa 300 mm ausgeführt sind –. .4 0.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 103 9.7 zeigt den Leistungsverlauf bei der plötzlichen Beaufschlagung der Register mit kaltem Wasser (18 °C) bei homogenem Deckenzustand (24 °C) und konstanter Raumtemperatur von 24 °C. Bei mittiger Registereinordnung sind nicht nur die Leistungen ungenügend.6 Lösungsvorschlag zur vollwertigen Lastkompensation durch Einsatz eines passiv und eines aktiv arbeitenden Systems Das Bild 9. 4× = 300 mm R oh Rohr 20×2 mm. die in dieser Zeit vom Bauteil aufgenommen wurde Kühlleistung Abkühlzeit Im Ergebnis ist festzustellen: • • Nur bei oberflächennahen Rohrregistern ist ein Spitzenlastmanagement möglich. Bild 9. Die Dicke der Betondecke beträgt 300 mm. 1. sondern die nach der Inbetriebnahme vom Beton aufgenommene "Kälte" ist auch viel zu groß.5 5 m 4 r 3.6 zeigt eine entsprechende Lösung mit zwei hydraulisch und thermisch trennbaren Systemen. Auf der Oberseite befindet sich ein Textilbelag. System: Passivsystem als Hochleistungssystem Rohrregister zur nächtlichen Bauteilkühlung Wasser aus freier Kühlung (Kühlturm) Beladung prognosegesteuert 2. System: Aktivsystem zur Spitzenlastkompensation oberflächennahes Rohrsystem (Kapillarrohrmatten) Kaltwasser aus einer Kälteanlage Regelung ist integraler Bestandteil der Klimaregelung Bild 9.4 Vollwertiges System zur Lastkompensation Dies wäre durch eine Kombination eines trägen Passivsystems und eines trägheitsarmen Aktivsystems möglich.5 mm oberflächennahe Rohrlage im Beton QS 211 Wh m² 40 40 „Speicherkälte“ Kühlleistung (Decke + Fußboden) undsymmetrische Rohrlage im Beton 30 30 bei oberflächennaher Rohrlage im Beton 20 20 18 640 mm = 15 .55 mm RA = 15 mm Überdeckung 4. Kühlleistung (Decke + Fußboden) und „Speicherkälte“ 60 60 W 50 m² Rohr 3.7 Verlauf der Kühlleistungen bei unterschiedlichen Rohrregisteranordnungen in der Decke in Abhängigkeit der Abkühlzeit mit Angabe der "Speicherkälte". RA 178 00 0 1 2 3 h 0 2 3 1 Bild 9. RA m 10 10 0 . Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 104 9.5 Neuartige thermisch aktive Deckenkonstruktion Die sehr großen wärmephysiologischen, energetischen und ökologischen Vorteile sowie die niedrigeren Investitionskosten als bei konventioneller Vollklimatisierung waren die Ursachen für die schnelle Anwendung der thermischen Bauteilaktivierung in den letzten Jahren. In sehr vielen Fällen wird die thermische Bauteilaktivierung aber nur eingesetzt, weil die niedrigeren Investitionskosten dazu "verlocken". Die betriebstechnischen und nutzungsbezogenen Nachteile – im Abschnitt 9.3. behandelt – werden oftmals weniger deutlich angesprochen. Drei Nachteile beim Einsatz der vorgestellten thermischen Bauteilaktivierung seien nochmals hervorgehoben: • Den Hauptnachteil stellt die aufwendige Fertigung dar, denn der übliche Bauablauf der Deckenfertigung muss infolge des Einbringens und Fixierens des Rohrregisters unterbrochen werden, und das Betonieren muss besonders sorgfältig erfolgen, damit keine Beschädigung des Rohrregisters erfolgt. Zur Kontrolle ist das Rohrregister unter Überdruck zu setzen und dieser Überdruck ist auch kontrolliert aufrecht zu erhalten. Hierzu bedarf es aufwendiger Druckhalte- und Kontrollsysteme. • • Es sind relativ dicke Ortbetondecken erforderlich. Die bautechnische Lösung ist in erster Linie zur Kälte- und Wärmespeicherung in der Decke und zur zeitverschobenen passiven, stark trägheitsbehafteten Lastkompensation im Raum geeignet. Eine rasche, bedarfsangepasste Lastkompensation ist mit dieser Konstruktion nicht möglich. 9.5.1 Vorschlag zur Vermeidung der üblichen Nachteile In eine vorgefertigte Deckenplatte – eine sogenannte Filigrandecke – wird bei der Herstellung im Betonwerk eine Kunststoff-Kapillarrohrmatte integriert. Diese Filigrandecken sind 4 bis 7 cm – in der Regel 5 cm – dick und an der Unterseite glatt. Sie dienen als verlorene Schalung für die zu errichtende Geschossdecke, die durch eine Ortbetonschicht auf die gewünschte Dicke gebracht wird. Die Filigrandecken enthalten bereits die untere Bewehrungslage für die Geschossdecken. Ein teilweise einbetonierter Gitterträger, der die Schubspannungen aufnimmt, ist in der Höhe nach der Fertigdecke bemessen. Die Deckenkonstruktion ist im Bild 9.8 gezeigt. Die Fertigteilabmessungen betragen 2,4 m bis 3 m Breite und bis zu 10 m Länge. Sie richten sich nach den benötigten Spannweiten und den möglichen Transportmaßen. In der Regel liegen die Filigrandecken auf Wänden oder Betonbalken auf. Sie werden bei größeren Spannweiten durch zusätzliche Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 105 Joche während der Deckenfertigstellung abgestützt. Wegen der geringen Dicke des Filigranelementes kann nur eine Kunststoff-Kapillarrohrmatte – beispielsweise die sogenannte "Betonmatte" der Fa. Clina, Berlin mit den Röhrchenabmessungen 4,3×0,8...0,9 mm und einem Rohrabstand von 30 mm – eingegossen werden. Ortbeton Filigrandecke Bewehrung in der Filigrandecke Kapillarrohrmatte Detail: Filigrandecke Kapillarrohr Verteiler Bewehrung Anschlussmuffe +Abdeckung Bild 9.8 Schnitt durch eine Geschossdecke bestehend aus einer Filigrandecke mit integrierter Kunststoff-Kapillarrohrmatte und Ortbeton Der Anschluss der Kapillarrohrmatte wird bei der vorgestellten Detaillösung deckenbündig mit einer Muffe und einer Schutzkappe abgeschlossen. Die Hauptvorteile liegen auf der bautechnischen Seite: • einfache und präzise Einbringung der Kapillarrohrmatte in die Filigrandecke unter genau definierten und reproduzierbaren Bedingungen im Betonwerk • mit der Fertigung der Filigrandecke sind bereits die gesamten Bauaufwendungen der thermischen Bauteilaktivierung realisiert • kurze Montagezeiten auf der Baustelle (keine Unterbrechung der üblichen Deckenfertigung, kein Abdrücken des Rohrregisters auf der Baustelle, Wegfall von zusätzlichen Kontrollen bei der Ortbetoneinbringung). Die Lage der Kunststoff-Kapillarrohrmatte kann unterhalb oder oberhalb der Bewehrung eingeordnet werden. Liegt sie unterhalb, ist die Dynamik der thermischen Lastkompensation besser und der Speichereffekt reduziert. Wird die Kunststoff-Kapillarrohrmatte oberhalb der Bewehrung eingeordnet, so ergeben sich umgekehrte Verhältnisse. Damit kann durch die höhenmäßige Einordnung der Kapillarrohrmatte die thermische Eigenschaft der Decke gezielt beeinflusst werden. Bei mehreren Bewehrungslagen ist selbstverständlich auch eine dazwischenliegende Kapillarrohrmatte möglich. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 106 Der Anschluss wird deckenbündig an die Unterseite der Filigrandecke geführt und beispielsweise durch eine abnehmbare Schutzkappe oder einen entfernbaren Stopfen bis zum endgültigen Anschluss des Installationssystems verschlossen. Zum universellen Anschluss der Kapillarrohrmatte kann die Anschlussleitung auch in vorgegebener Länge aus dem Deckenelement nach unten herausgeführt werden. Die Anschlussleitung ist in diesem Fall während des Transportes der Filigrandeckenelemente besonders zu schützen. In Abwandlung der Konstruktion ist auch ein oberer oder ein kombinierter Anschluss (unten und oben) möglich. Bei oberem Anschluss ist die Weiterführung der Leitung vor der Herstellung des Ortbetons vorzunehmen. Sie kann beispielsweise im Ortbeton direkt erfolgen oder in zu erstellenden Aussparungen vorläufig enden. 9.5.2 Grundsätze zur Bewertung der thermodynamischen Eigenschaften Für die Untersuchungen gelten die gleichen thermischen Randbedingungen wie im Bild 9.3 formuliert. Von 800 Uhr ... 1800 Uhr ist der Wasserkreislauf nicht in Betrieb. Beispielhaft werde zunächst die im Bild 9.9 dargestellte Deckenkonstruktion untersucht. Die geometrischen und wärmetechnischen Daten sind in der Bildunterschrift vermerkt. Im Gegensatz zu den meist üblichen Betrachtungen ist in diesem Fall eine dünne Decke mit 180 mm Massivbeton sowie ein Fußbodenaufbau mit Trittschalldämmung und schwimmendem Estrich gewählt worden. Damit stellt diese Decke nicht den wärmetechnischen Optimalfall dar, da die thermische Ankopplung an den oberen Raum durch den Fußbodenaufbau begrenzt ist und die Deckendicke nur 180 mm beträgt. Bild 9.9 Decke mit Rohrregister in der Deckenmitte und Fußbodenaufbau Deckenbeton: δ = 180 mm, λ = 1,4 W/(m K), c = 1050 J/(kg K), ρ = 2400 kg/m³ Fußboden: δDämmung = 30 mm λ Dämmung = 0,04 W/(m K) δschwimmender Estrich = 45 mm λ schwimmender Estrich = 1,4 W/(m K) δtextiler Belag = 10 mm λ textiler Belag = 0,07 W/(m K) Rohrsysteme: Kapillarrohrmatte: 4,3×0,8 mm, λR = 0,21 W/(m K), αF = 1000 W/(m²K) oder Rohrregister (Mäander): 17×2 mm, λR = 0,35 W/(m K), αF = 2400 W/(m²K) RA qa . Belag schwimmender Estrich Dämmung ta Decke aus Stahlbeton a ∆a t RA/2 verschiedene Rohrsysteme δ ∆i t max t min q . ti i Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 107 Diese Konstruktion ist für Gebäude mit kleinen Deckenspannweiten interessant. Variiert werden die Rohrregister. Sie liegen stets in der Mitte, bestehen aber aus unterschiedlichem Rohrmaterial: konventionelle Rohrmäander 17×2 mm, Rohrabstand RA = 150 mm Kapillarrohrmatten 4,3×0,8 mm, Rohrabstand RA = 30 mm. Die Kühlleistungen über einen Tag sind für den eingeschwungenen Zustand im Bild 9.10 dargestellt. Die Leistungskurven sind gestrichelt gezeichnet: Kapillarrohrmatten (blau), konventionelle Rohrmäander (schwarz). Vergleichsweise wird das maximale Leistungsvermögen der Decke bei einer Betondicke von 300 mm, wobei der Fußboden nur aus dem textilen Belag besteht (schwimmender Estrich und Dämmung fehlen), gegenübergestellt (Werte sind identisch mit dem Bild 9.4). Die Leistungskurven bei mittiger Registereinordnung sind als durchgezogene Linien gezeichnet: Kapillarrohrmatten (blau), konventionelle Rohrmäander (schwarz). Die Ergebnisse zeigen wiederum, dass integrierte Kunststoff-Kapillarrohrmatten stets die höheren Leistungen liefern. Der Leistungsabfall am Ende der Betriebszeit bei den dünneren Decken ergibt sich durch das geringere Speichervermögen. Dieser kann sich noch stärker auswirken, wenn man die im Bild 6.10 deutlich werdende, größere nächtliche Kühlleistung bei der dünnen Decke wegen zu großer Raumauskühlung durch verkürzte Ladezeiten begrenzen muss. 50 W/m2 40 Rohr 17×2 mm Rohrabstand 150 mm Decke 300 mm Decke 180 mm Decke 180 mm Decke 300 mm Rohr 4,3×0,8 mm Rohrabstand 30 mm Kühlleistung 30 20 10 0 48 18 20 22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 72 18 Uhrzeit Bild 9.10 Kühlleistungen der Decke (Summe von unten an die Decke und von oben an den Fußboden) bei thermischen Verhältnissen nach Bild 9.3 für Kapillarrohrmatten (blau) und konventionelle Rohrmäander (schwarz) bei mittiger Registereinordnung Der Deckenaufbau bei der Dicke δ = 180 mm entspricht dem Bild 9.9. Die Ergebniskurven sind gestrichelt. Dargestellt wird vergleichsweise das maximale Leistungsvermögen der Decke bei einer Betondicke von δ = 300 mm, wobei der Fußboden nur aus dem Belag (ohne schwimmenden Estrich und Dämmung) besteht. Die Leistungskurven sind als durchgezogene Linien dargestellt. zu einer ab 1000 Uhr erhöhten Raumtemperatur. RA 30 mm (unten + oben) 30 °C 28 y .3 und die Leistungen dem Bild 9.Achse Temperatur Kühlleistung 40 30 20 10 0 48 20 18 Wassertemperatur 22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 26 24 Raumtemperatur 22 20 72 18 18 60 W/m2 50 Uhrzeit Rohr 17×2 mm.11 Vergleich der Kühlleistungsverläufe (Summe: unten plus oben) für eine Deckenkonstruktion nach Bild 9. RA 150 mm Kühlleistung Kühlleistung KM 4.3×0.3×0. 60 W/m2 50 Rohr 17×2 mm.11 dargestellten Charakteristiken verdeutlichen.8 mm. . RA 150 mm Kühlleistung KM 4. RA 30 mm (unten + oben) 30 °C 28 26 24 Kühlleistung 40 30 20 10 0 48 20 18 Wassertemperatur 22 0 2 4 Raumtemperatur 22 20 72 18 18 Uhrzeit 6 8 10 12 14 16 Bild 9.und Betriebszeitkorrekturen.10. Diese Annahmen und die Kühlleistung als Ergebnis sind im Bild 9.8 mm.und Wassertemperaturverläufen Deutlich werden die bedeutenden Leistungsänderungen bei nur geringen Temperatur.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 108 Eine verkürzte Ladezeit – beispielsweise von 000 Uhr bis 800 Uhr mit einer mittleren Kaltwassertemperatur von 18 °C – reduziert die nächtliche Auskühlung und führt z. dass die Ermittlungen der Kühlleistungsverläufe sowie die oftmals üblichen Berechnungen des Raumtemperaturverlaufs nur vergleichende Aussagen liefern können. Die im Bild 9. B.11 gezeigt.Achse Temperatur y .9 bei unterschiedlichen Raum. Deutlich werden der steile Leistungsanstieg zu Mittag und der anschließende große Abfall. Im oberen Bild entsprechen die Temperaturen dem Bild 9. und mittleren Wassertemperaturverläufe nach Bild 9. ta= ti 180 mm Decke aus Stahlbeton 30 mm l/2 δB Filigranelement mit integrierter Kapillarrohrmatte δF Überdeckung . q ti i Bild 9. qa Belag schwimmender Estrich Dämmung . cB = 1050 J/(kg K). Ortbeton und Fußbodenaufbau mit Angabe der geometrischen Abmessungen sowie Kennzeichnung der relevanten wärmetechnischen Größen Filigrandecke: δF = 50 mm. λB = 1. ρF = 2400 kg/m³ Deckenbeton: δB = 130 mm. λ textiler Belag = 0.5.04 W/(m K) δschwimmender Estrich = 45 mm.3 Spezielle Untersuchung der thermodynamischen Eigenschaften der Filigrandecke mit integrierter Kapillarrohrmatte Es wird im Weiteren die im Bild 9. cF = 1050 J/(kg K).12 dargestellte Konstruktion mit den in der Bildunterschrift vermerkten geometrischen und wärmetechnischen Eigenschaften betrachtet. 9. Die Ergebnisse sind im Bild 9. Die im Bild 9.3×0. dass die im gesamten Gebäude wirkende thermische Bauteilaktivierung in der Realität abschnittsweise sehr differenzierte Temperatur.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 109 So hat beispielsweise die Änderung der Raumtemperatur einen eminenten Einfluss auf die Leistung und damit auch auf das Speicherverhalten der Decke. αF = 1000 W/(m²K) Fußboden: δDämmung = 30 mm.21 W/(m K).13 vergleichend zu den Werten bei mittiger Registereinordnung gezeigt. Dies bedeutet. λR = 0.und Leistungsverläufe zeigen wird. λF = 1. . ρB = 2400 kg/m³ Kapillarrohrmatte: 4.4 W/(m K) δtextiler Belag = 10 mm. λ Dämmung = 0.3 zugrunde.8 mm. Variiert wird die Überdeckung der Kapillarrohrmatte zwischen 9 mm und 35 mm.4 W/(m K). λ schwimmender Estrich = 1.4 W/(m K).11 gezeigte Raumtemperaturerhöhung ab 1000 Uhr könnte durch die Wirkung der inneren Wärmequellen entstanden sein.07 W/(m K) Vergleichende Leistungsbetrachtung der neuen und der bisherigen Konstruktion Der ersten Untersuchung liegen die Raum.12 Deckenkonstruktion bestehend aus Filigranelement mit integrierter KunststoffKapillar-rohrmatte. Die Lage im vorgefertigten Deckenelement (Filigrandecke) ist von relativ geringem Einfluss. Anfahrverhalten der neuen Konstruktion Die mit Kapillarrohrmatten bestückte Filigrandecke steht konstruktiv den üblichen Kühldecken sehr nahe und es interessiert deshalb auch in besonderem Maße die Dynamik bei einer bedarfs- . h. wodurch auch die eingespeicherte "Kälte" sinkt und sich die Kühlleistung während der Nutzzeit reduziert.. D.8 m.3×0. Die sehr starke nächtliche Kühlung ist nicht in allen Gebäudebereichen und nicht zu allen Zeiten praktikabel.13 Kühlleistungen der Decke (Summe von unten an die Decke und von oben an den Fußboden) bei thermischen Verhältnissen nach Bild 9. Sie liegen zwischen den Varianten mit Kapillarrohrmatten und Rohrmäandern.12.8 mm Rohrabstand 30 mm de r Dec 9 mm 20 mm 35 mm Überdeckung 0 48 18 20 22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 72 18 Uhrzeit Bild 9. Die "Zacken" in den Leistungskurven resultieren aus den Raumtemperaturverläufen und vor allem aus den Temperaturänderungen und Schaltstufen bei der Kühlwasserbereitstellung.9 bzw. da dann das Interieur des Raumes in den instationären Speichervorgang einbezogen wird. Die sehr hohen Wärmeaufnahmen vom Raum werden zu einer stärkeren Unterkühlung führen.13 dargestellten roten Kurven sind nicht in allen Fällen realisierbar. Die weiteren Ergebnisse (rote Kurven) gelten für die Einordnung der Kapillarrohrmatte nach Bild 9.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 110 50 W/m2 40 Rohr 4. Sie deuten auf eine "reaktionsschnelle" Leistungsanpassung hin. Darüber hinausgehend erfolgt aber eine zu starke Abkühlung des Raumes.12 bei verschiedenen Überdeckungen. die im Bild 9.3 Der Deckenaufbau (Dicke 180 mm) entspricht Bild 9. Die Leistungskurven bei mittiger Registereinordnung (Bild 9. Bild 9.3×0. Bis zu einer gewissen Leistung ist dies vorteilhaft. Rohrabstand 30 mm in der Filigrandecke Kühlleistung 30 20 mitt i g in ke Rohr 17×2 mm Rohrabstand 150 mm 10 Rohr 4. Sehr bedeutsam ist aber der Verlauf der Kühlleistung nachts während der Ladephase. Diese Kurven sind mit denen im Bild 9. Während des Nutzzeitraumes von 800 Uhr bis 1800 Uhr weichen die Leistungen nur relativ gering von der mittigen Lage ab. konventionelle Rohrmäander (schwarz).10 identisch. sodass man in den folgenden Nächten die Kühlung vermindern wird.9) sind gestrichelt dargestellt: Kapillarrohrmatten (blau). wie gesonderte Berechnungen mit einem speziellen Rechenprogramm nach [13] zeigten. Die Endwerte nach "unendlich langer" Zeit entsprechen den Leistungswerten bei stationärem Betrieb.3×0. konventionelle Rohrmäander (schwarz).Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 111 gerechten Nachkühlung am Tage mit dem Ziel.9 bzw. eine Spitzenlastkompensation vorzunehmen. Rohrabstand 30 mm in der Filigrandecke Kühlleistung 30 20 mitt ig i n der D Rohr 17×2 mm Rohrabstand 150 mm 10 Rohr 4.3×0. Damit ist keine bedarfsgerechte Lastkompensation möglich. Bild 9. Die Leistungskurven bei mittiger Registereinordnung (Bild 9.12.14. Zum Zeitpunkt 0 springt die mittlere Kaltwassertemperatur ohne Zeitverzögerung auf 18 °C und bleibt konstant.14 Inbetriebnahmeverhalten (Kühlleistungen) der Decke (Summe von unten an die Decke und von oben an den Fußboden) bei der Raumtemperatur von 24 °C Zu Beginn lag eine homogene Deckentemperatur von 24 °C vor. sodass eine aktive Leistungsanpassung realisierbar ist.8 mm Rohrabstand 30 mm ecke 9 mm 20 mm 35 mm Überdeckung 0 48 18 20 22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 72 18 Uhrzeit Bild 9. Die Leistungen der Kapillarrohrmatten in der vorgefertigten Decke (rote Kurven) betragen nach einer Stunde bereits über 30 W/m². 50 W/m2 40 Rohr 4. Diese Möglichkeit besteht bei mittiger Einordnung nicht. Die Konstruktion mit der Filigrandecke zeigt. Vergleichend sind die Ergebnisse bei mittiger Rohrregisteranordnung (konventionelle Mäander und Kapillarrohrmatten) vermerkt. Dass die roten Kurven nach dem raschen Anstieg sehr langsam den hohen Endwert der Kühlleistung erreichen. Die Leistungen liegen nach 2 h Betriebszeit um etwa 15 W/m².9) haben einen kleinen Anstieg und die Endwerte sind auch gering: Kapillarrohrmatten (blau). Es wird deshalb das Inbetriebnahmeverhalten ausgehend von dem sehr ungünstigen Zustand einer homogenen Deckentemperatur von 24 °C bei einer konstanten Raumtemperatur von 24 °C mit einer mittleren Wassertemperatur von 18 °C untersucht. Die Ergebnisse finden sich grafisch aufbereitet im Bild 9. Der Deckenaufbau (Dicke 180 mm) entspricht Bild 9. liegt an der oberflächennahen Lage der Kapillarrohrmatten.8 m. dass bereits nach einer Stunde über 30 W/m² verfügbar sind (rote Kurven). Damit ist eine aktive Leistungsanpassung an den Kühlbedarf des Raumes realisierbar. wodurch es länger dauert bis der gesamte Beton abgekühlt ist. . sie sinkt bis um 1800 Uhr auf 32 W/m² ab. Damit liegt eine gute Charakteristik vor. Die Kühlleistung wird wegen der oberflächennahen Anordnung der Kapillarrohrmatte unmittelbar von dieser Betriebszeit beeinflusst.15 Kühlleistung der Massivdecke mit Kapillarrohrmatte im Filigranelement Die Raumtemperatur beträgt um 800 Uhr 21 °C. Die Charakteristik während der Nutzzeit entspricht gut der Anforderung. Die Leistungscharakteristik zeigt bereits durch die geringe Variation des Raumtemperaturverlaufs ein stark verändertes Bild. die Kaltwasserbeaufschlagung erfolgt aber nur nachts von 000 Uhr bis 800 Uhr.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 112 Variationen der Betriebsweise für die neue Konstruktion Da die Kurvenverläufe im Bild 9. Weiterhin wird für die nachfolgenden Betrachtungen eine etwa mittige Lage der Kapillarrohrmatte im Filigranelement angenommen. RA 30 mm 28 y . . 50 W/m2 40 30 Kühlleistung (unten + oben) °C KM 4.3 ausgegangen. Er steigt vormittags rasch an und bleibt ab 1200 Uhr mit 26 °C konstant.13 wegen der hohen nächtlichen Kühlung nicht immer praktikabel sind.15 wird von dem Raumtemperaturverlauf nach Bild 9.8 mm. Die im Bild 9. Die nächtliche Kühlleistung ist sehr hoch. Die Kühlleistung erreicht während der Nutzzeit um 1000 Uhr das Maximum 37 W/m². werden unterschiedliche Betriebsverhältnisse betrachtet. Die Betriebsbedingungen des Kaltwasserkreises gelten wie im Vorgängerbeispiel unverändert. denen allen eine verkürzte nächtliche Kühlung eigen ist.16 dargestellten Verhältnisse gehen von einem gering veränderten Raumtemperaturverlauf aus.Achse Temperatur Kühlleistung 30 20 10 0 48 20 18 Wassertemperatur 22 0 2 4 26 24 Raumtemperatur 22 20 72 18 18 Uhrzeit 6 8 10 12 14 16 Bild 9. Im Bild 9. um 1000 Uhr 24 °C und erreicht um 1800 Uhr 26 °C. Der Wasserkreis arbeitet mit 18 °C zwischen 000 Uhr und 800 Uhr.3×0. wenn die intensive nächtliche Kühlung am Morgen nicht zu einer zu niedrigen Raumtemperatur führt. . sodass auch eine vorgegebene Raumtemperatur gewährleistet werden kann. Die Kühlleistung erreicht während der Nutzzeit um 1200 Uhr das Maximum 46 W/m². Diese Eigenschaft der Decke soll im Weiteren für eine Nachkühlung der Decke am Nachmittag genutzt werden. um 1000 Uhr 24 °C und ab 1200 Uhr 26 °C.Achse Temperatur Kühlleistung 30 20 10 0 48 20 18 Wassertemperatur 22 0 2 4 Raumtemperatur 22 20 72 18 18 Uhrzeit 6 8 10 12 14 16 Bild 9.16 Kühlleistung der Massivdecke mit integrierter Kapillarrohrmatte im Filigranelement Die Raumtemperatur beträgt um 800 Uhr 21 °C.16 werde nunmehr außer der nächtlichen Kühlung in der Zeit von 1200 Uhr bis 1700 Uhr ebenfalls der Wasserkreis mit der mittleren Temperatur von 18 °C betrieben.17 aufgezeichnet. Der Wasserkreis arbeitet mit 18 °C zwischen 000 Uhr und 800 Uhr. indem die Kaltwassertemperatur und die Betriebszeit variiert werden. Die Charakteristik während der Nutzzeit entspricht in der Regel nicht den Anforderungen. Die Leistungscharakteristik wird in den meisten Fällen die Anforderung am Nachmittag nicht erfüllen. Infolge der Nachkühlung kann nachmittags eine Leistung bis 68 W/m² von der Decke aufgenommen werden. sodass ein Raumtemperaturanstieg auftreten wird. Die nächtliche Kühlleistung ist sehr hoch. Die oberflächennahe Rohrlage an der Deckenunterseite ergab gemäß Bild 9. Das Ergebnis ist im Bild 9. Für dieses letzte Beispiel wurden weiterhin die Temperaturverhältnisse an den Bauteiloberflächen und im Inneren des Bauteiles detailliert untersucht. Damit ist eine ideale Leistungsanpassung an den Bedarf möglich.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 113 50 W/m2 40 Kühlleistung (unten + oben) KM 4. Die Ergebnisse finden sich im Bild 9. Die Kühlleistung erreicht während der Nutzzeit um 1200 Uhr den Wert 48 W/m² aufgrund der im Bauteil eingespeicherten "Kälte". Die Leistungscharakteristik während dieser Direktkühlung ist fast völlig frei gestaltbar. RA 30 mm 30 °C 28 26 24 y . sodass nachmittags ein Anstieg der Raumtemperatur folgen wird. Der Verlauf der Kühlleistung zeigt eine enorme Veränderung. Unter Beibehaltung des Raumtemperaturverlaufs wie im Bild 9.18. sie sinkt bis um 1800 Uhr relativ stark auf 29 W/m² ab.14 ein sehr gutes dynamisches Verhalten.3×0.8 mm. 8 mm. der Kühlmedientemperatur.18 Zeitliche Verläufe der Raumtemperatur. Wasser aus einem Kaltwassersatz verwendet. d. Es wird beispielsweise Wasser aus dem Kühlturm verwendet. Die nächtliche Kühlleistung ist beachtlich.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 114 70 W/m2 60 Kühlleistung (unten + oben) KM 4. Rohrabstand 30 mm °C 27 Überdeckung 20 mm 26 25 Raumtemperatur 24 tFußboden 23 tDeckenunterseite Betontemperatur 22 179 mm 119 mm 21 20 19 58 mm Wassertemperatur 18 48 20 22 0 2 72 18 4 6 8 10 12 14 16 18 Temperatur Uhrzeit Bild 9. Außerdem wird der Kaltwasserkreis ebenfalls mit 18 °C zwischen 1200 Uhr und 1700 Uhr betrieben.17 vorgestellten Betriebsfall. die Leistung kann dem Kühlbedarf des Raumes angepasst werden.Achse Temperatur Kühlleistung 50 40 30 20 10 0 48 20 18 Wassertemperatur 22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 22 20 18 72 18 Uhrzeit Bild 9. Die Charakteristik am Nachmittag entspricht der einer Kühldecke. Diskussion zum Bild 9. 28 Decke 180 mm.18: • Die Fußbodentemperatur (lang gestrichelte schwarze Kurve) folgt wegen der relativ geringen .8 mm. um 1000 Uhr 24 °C und ab 1200 Uhr 26 °C. B. RA 30 mm 30 °C 28 26 24 Raumtemperatur y . Der Wasserkreis arbeitet mit 18 °C zwischen 000 Uhr und 800 Uhr. Rohr 4. h. der Oberflächentemperaturen und ausgewählter Betontemperaturen im Deckeninneren (Tiefe von der Deckenunterseite aus gerechnet) für den im Bild 9.3×0.17 Kühlleistung der Massivdecke mit Kapillarrohrmatte im Filigranelement bei Nutzung von zwei Betriebsintervallen Die Raumtemperatur beträgt um 800 Uhr 21 °C. Hierbei werde z.3×0. Dies sind weniger als 9 %.4 -778 67. . Zeit tR tW qS1) 1) 2) 1200 °C °C Wh/m² W/m² 1300 1400 18 1500 26 1600 1700 1800 - & q 2) -708 48.7 -795 68.7 Speicherwärme in der Decke (< 0 bedeutet "eingelagerte Kälte") bezogen auf die Raumtemperatur Kühlleistung der Decke und des Fußbodens Im Zeitraum von 1200 Uhr bis 1800 Uhr ist somit eine Wärme von ca.5.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 115 Kühlleistung des Bodens (verursacht durch den Fußbodenaufbau) recht genau der Raumtemperatur.3 -762 65.4 Fazit Die im Abschnitt 9...8 °C. 5. • Der Speichervorgang mit seinen charakteristischen Werten wird durch die nachfolgende Aufstellung deutlich. 9.2 . wo ein hoher Vorfertigungsgrad zu realisieren ist.2 -741 53. • • die niedrige Investitionskosten anstreben. • Die Betontemperaturen (rote Kurven mit Symbolen) ändern sich im mittleren und oberen Bereich wegen der Entfernung zur Rohrschicht relativ wenig.3. Die Kühlleistung des Bodens beträgt 1. 387 Wh/m² aus dem Raum aufgenommen und 33 Wh/m² sind im Bauteil zusätzlich gespeichert worden. Insgesamt liegen die ausgewählten Betontemperaturen stets zwischen 19.0 °C und 21. im rohrnahen Bereich stärker. • Die Deckentemperatur (kurz gestrichelte schwarze Kurve) wird durch die Wassertemperatur mit relativ geringer Verzögerung beeinflusst. Während der Nachkühlzeit kommt die durch das Kaltwasser eingebrachte Kühlleistung vornehmlich dem Raum zugute. vorgestellte Philosophie zur "idealen" thermischen Bauteilaktivierung ist für die Bauten zu überdenken. • wo eine Bedarfskühlung am Tage zur Komfortverbesserung und Leistungsanpassung vorgesehen ist.5 W/m².1 -788 67. • die relativ dünne Decken einsetzen und in denen die nachts verfügbare "Umweltkälte" dennoch genutzt werden soll.0 -801 68. • Bei dieser vereinfachten Lösung ist ein vergrößerter Nutzerkreis erschließbar. so beispielsweise auch im Bereich des komfortablen und energiebewussten Eigenheimbaues. • Die Reaktion auf die Inbetriebnahme des Kaltwasserkreislaufs ist im Gegensatz zur Anordnung der Rohrregister in Bauteilmitte sehr flink. da eine gute Regelungsmöglichkeit existiert. • • Die Investitionskosten sind gering. Es wurden die thermodynamischen Eigenschaften dieser Decke unter verschiedenen Betriebsbedingungen untersucht und Vergleiche zur bisherigen thermischen Bauteilaktivierung gezogen.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 116 Unter den genannten Bedingungen erscheint die im Bild 9. sodass eine ideale Spitzenlastkompensation ohne zusätzliches. • Die Vorfertigung ermöglicht eine präzise. • Die bedarfsgerechte Nachkühlung am Tage bewirkt im eingeschwungenen Zustand nur eine relativ geringe Bauteilspeicherung. reproduzierbare Herstellung des Bauteiles mit dem Rohrsystem. kann zumindest teilweise nutzbringend eingesetzt werden. Probefertigungen mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten in Betonfertigteilen sind in verschiedenen Betonwerken erfolgreich durchgeführt worden. eingebautes Kühlsystem im Raum möglich wird. er ist bedeutend einfacher als bei der bisher üblichen thermischen Bauteilaktivierung. da das Einformen des wasserführenden Rohrregisters im Betonwerk erfolgt. • Eine auf unterschiedliche Nutzungsbereiche bezogene Temperaturregelung ist bei entsprechender Gestaltung der Filigrandecken und der Anschlussverrohrung lösbar. Bericht im Anhang H: "Thermische Bauteilaktivierung mit Filigrandecken und integrierten Kapillarrohrmatten" (21 Seiten) . Der Bauablauf wird gegenüber der traditionellen Geschossdeckenfertigung nicht verändert. Die oberflächennahe Einordnung der Kunststoff-Kapillarrohrmatte hat nachfolgende wärmetechnische und bautechnische Merkmale: • Die Umweltenergienutzung. die bei dünnen Decken ohnehin eingeschränkt ist. • Die zusätzlichen Energieaufwendungen bei der Nachkühlung mit einer Kälteanlage sind geringer. sodass Beschädigungen der Rohre praktisch ausgeschlossen sind.8 dargestellte Deckenkonstruktion mit einer integrierten Kapillarrohrmatte in der Filigrandecke und der bauseitigen Ergänzung der darüber liegenden Ortbetonschicht als optimaler Kompromiss. der Wärmeleitfähigkeit des Betons auf die Kühlleistung usw. Die Vorteile der neuen Lösung sind technologisch begründet. Es erscheinen stets neue Lösungen auf dem Markt. wobei zwei mäanderförmige Rohrleitungen rechtwinklig zueinander in zwei Lagen angeordnet werden. wobei der Rohrquerschnitt in der Betrachtungsebene liegt. dreidimensionalen Vorgänge bei der thermischen Bauteilaktivierung Die bisher vorgestellten Untersuchungsergebnisse sind mit den in [13] vorgestellten Algorithmen und daraus abgeleiteten beziehungsweise ergänzten Programmbausteinen ermittelt worden. Es ist deshalb wichtig zu wissen.6 mm aus dem Bereich der Installationstechnik Register von etwa 13 m² gefertigt.6 Neue Simulationsmethodik für die instationären. wodurch die unterschiedlichsten Angaben in die Diskussion gebracht wurden. Polytherm geht von einer kreuzweisen Verlegung aus.2 × 2. seltener auch spiralförmige Rohrschlangen eingesetzt.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 117 9. . die hauptsächlich mit der Zielstellung einer schnelleren und kostengünstigeren Verlegung konzipiert werden.2 sollte für eine Konstruktion nach Bild 9. Es handelte sich sowohl bei den stationären als auch bei den instationären Untersuchungen stets um eine zweidimensionale Betrachtung des Massivbauteils. die infolge der Verlegestruktur und der Rohrsteifigkeit ohne zusätzliche Stahlmatte transportiert und in den Bewehrungskorb eingebracht und mit Beton vergossen werden können. Bild 9. Bild 9. – tauchten auf und waren zu klären. zum Patent angemeldeter Konstruktionsvorschlag der Fa. wie sich die geschilderte neuartige Konstruktion leistungsmäßig tatsächlich einordnet. Für konventionelle Rohrverlegungen werden bevorzugt mäanderförmige. und ob die bisherige kühlleistungsbezogene Spitzenstellung von Betondecken mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten gefährdet wird.19 zeigt die Gegenüberstellung der bisherigen und der neuen Konstruktion. Es wurde deshalb ein umfassender Algorithmus zur dreidimensionalen Untersuchung entwickelt. Ein neuer. Die thermische Bauteilaktivierung befindet sich aber immer noch in einer intensiven Entwicklungsphase. Eine Vergleichsrechnung zu den bisherigen Varianten gemäß Bild 9.19 Gegenüberstellung einer mäanderförmigen Rohrverlegung und einer kreuzweisen Verlegung mit doppeltem Rohrabstand Weitere spezielle Fragen – wie beispielsweise zum Einfluss der Bewehrung. Es werden aus relativ dickem Rohr 20. Die Kühlleistungen und Speicherwärmen solcher Konstruktionen waren nicht berechenbar.20 erfolgen. Ausgefeilte Methoden gestatten rationelle Lösungen hinsichtlich Speicherplatz und Rechengeschwindigkeit. Aus diesem Grund wird im Weiteren . Selbstverständlich kann der betrachtete Körper aus mehreren unterschiedlichen räumlichen Gebieten. Polytherm großen Anteil hatte. ρ Dichte und c spezifische Wärmekapazität der homogenen Schicht. Wichtig ist hierbei stets das Konvergenzverhalten.2) mit der Temperaturleitfähigkeit a= λ ρc zu lösen. Zur Lösung der anstehenden Aufgabe wird jedoch zunächst nur eine einzelne Platte mit integrierten Rohrregistern betrachtet.6.und Anfangsbedingungen sowie die komplizierten Körperformen – verursacht durch die im Beton eingeformten Rohre – empfehlen den Einsatz eines numerischen Lösungsverfahrens. instationären Temperaturverteilung in homogenen.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 118 an dessen Entstehen auch die Fa.41 W/(m K) 150 mm Stahlbetondecke λBeton = 1. heterogenen Rand.4 W/(m K) 30 0 m m 300 mm Bild 9. ein Verfahren vorzustellen. das quasi von jedermann an die spezielle Problematik angepasst werden kann. isotropen Körpern ist die FOURIERsche Differentialgleichung in dreidimensionaler Form ∂t ∂2t ∂2t ∂2t =a + + ∂x 2 ∂y 2 ∂z 2 ∂τ (9. Es bedeuten: λ Wärmeleitfähigkeit.1 Algorithmus Zur Berechnung der dreidimensionalen.143 m²K/W 150 mm Verbundrohr 20×2.5 mm λRohr = 0.20 Ausschnitt aus einer Betondecke – hier beispielsweise ein Würfel – mit einem im Quadrat verlegten Rohrregister und Anordnung eines zusätzlichen Fußbodenbelages mit Angabe der Daten für die zu untersuchende Grundvariante 9. Die komplizierten. Bodenbelag Rλ = 0. jeweils homogenen Gebieten bestehen. Ziel der vorliegenden Untersuchung ist es. können dabei in anschaulicher Weise in den numerischen Algorithmus integriert werden. k zum Zeitpunkt "Zeit".Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 119 ein sehr einfaches.2). Die eingetragenen Schnittebenen gelten für Bild 9. j . Berechnungsgebiet Horizontalschnittebene Vertikalschnittebene i k j Bild 9. Bild 9. Basisalgorithmus Als Laufvariable gelten i. ∆y und ∆z sowie eine bestimmte Zeitschrittweite ∆τ zugrunde.22.22 ersichtlich.21 zeigt einen Quader mit dem Grundriss des Rohrquadrates. sofort verständliches Verfahren benutzt. die das instationäre Temperaturfeld allgemeingültig beschreibt.k.22. die für das grafische Verfahren an den Bauteilrändern entwickelt wurden. Für die Temperatur ergibt sich somit: ti.3) Der Differenzenquotient ∆t/∆τ ist bei gleicher Ortskoordinate und die Differenzenquotienten ∆t/∆x. ∆t/∆y und ∆t/∆z sind bei gleicher Zeitkoordinate zu bilden. Die besonderen Approximationen. Dem Algorithmus liegt dabei eine fest definierte Gittergestaltung mit den Abständen ∆x.Zeit °C Temperatur des Bauteils an der Stelle i . wird in Vorbereitung auf eine numerische Lösung als Differenzengleichung geschrieben: ∆t =a ∆τ ∆ ∆t ∆ ∆t ∆ ∆t + + ∆x ∆x ∆y ∆y ∆z ∆z (9. Die eingetragenen Schnittebenen gelten für Bild 9. Die Begrenzungsflächen sind angedeutet. j und k. Die Differentialgleichung (9.j.21 Ausschnitt aus der Massivdecke in der Größe eines Quaders mit dem Grundriss des Rohrquadrates Das Simulationsgebiet (Berechnungsgebiet) bezieht sich auf ein Viertel des ursprünglichen Quaders. Die Gittergestaltung und die Zuordnung der Größen sind aus Bild 9. Aus Symmetriegründen ist nur ein Viertel davon zu simulieren. . Zeit +1 − t i . j. Zeit ∆x 2 t i . j. k .4) . j. k .21) für die dynamische. Bild 9. Zeit t . j. j. Zeit +a + ∆y 2 − 2 t i . k . j−1. k . j. k +1. Zeit + t i −1. dreidimensionale Berechnung des Temperaturfeldes im Bauteil nach einem numerischen Verfahren mit Darstellung der verwendeten Approximationen für die Rohre und Bauteilbegrenzungen t i . k . Zeit ∆τ − 2 t i . j 1. j. k . Zeit t = a i +1.22 Gitter in zwei Schnittebenen (vgl. k . Zeit + t i . k . k . k −1. j. + a i . j. Zeit − 2 t i . Zeit + t i .Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 120 Horizontalschnitt halber Rohrabstand der Rohre k halber Rohrabstand k = kmax Symmetrieachse des Rohres k Symmetrieachse des Bauteils zwischen zwei Rohren des Registers in j-Richtung ∆z ∆y Symmetrieachse des Bauteils zwischen zwei Rohren des Registers in k-Richtung k k = kRjmax jRkmax k = kRjmin = 0 Rohr j Symmetrieachse des Rohres j Raum außen (oben) Symmetrieachse des Rohres k halber Rohrabstand der Rohre k Vertikalschnitt i = imax Außenoberfläche jRkmax jRkmin = 0 jmax ∆y j=0 j k=0 i = iRkmax i = iRkmin i = iRjmax Rohr j i = iRjmin i Innenoberfläche j=0 Raum innen (unten) jmax i= 0 j Bild 9. Zeit ∆z 2 Dicke der Decke Rohr k ∆x Symmetrieachse des Bauteils zwischen zwei Rohren des Registers in k-Richtung halber Rohrabstand der Rohre j Rohr k (9. Zeit = ti. • Das Rohr k besitzt eine Symmetrielinie zwischen den j-Gitterlinien j = 0 und j = 1.j.j.k.Zeit = ti.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 121 Das Verfahren arbeitet rein explizit im Zeitschritt. weshalb aus Stabilitätsgründen eine Beschränkung für den Zeitschritt ∆τ < 1 1 1 1 2a 2 + 2 + 2 ∆x ∆y ∆z (9.j=0. h.Zeit . (9.Zeit ) ∆x 2 a ∆τ (ti.6) Als Besonderheiten werden bei der Algorithmusgestaltung berücksichtigt (vgl.8) ti. Zeit + a ∆τ (ti +1. j. + ∆z 2 (9.Zeit . Ausgehend von einer bekannten Temperaturverteilung zum Zeitpunkt "Zeit". sowie für alle i.Zeit − 2 ti. Das Rohr j hat eine Symmetrielinie zwischen den k-Gitterlinien k = 0 und k = 1. k . die geometrischen Diskretisierungen ∆x. j.jmax. • ti.k..k. j.k −1.k.Zeit ) + ∆y 2 a ∆τ (ti. h. j.Zeit − 2 ti. die . d. folgt die explizite Darstellung der Temperaturen an jedem Punkt i. k ti. j−1. k .und Deckenunterseite) liegen jeweils auf einer Symmetrielinie zwischen zwei i-Gitterlinien. j. ∆y und ∆z nehmen direkt Einfluss auf die zulässige Größe des Zeitschrittes ∆τ.Zeit = ti. j.h.Zeit (9.5) gilt.k. abgeleitet aus den vier Symmetriebedingungen. j ti. k betrachtet. d.Zeit + ti.Zeit − 2 ti. (9.k.k. j..jmax-1.22): • Es wird stets ein Bauteilabschnitt von Rohrmitte bis zur Symmetrieachse zwischen zwei Rohren der gleichen Rohrregisterrichtung j bzw.Zeit + ti. Die äußere und die innere Bauteiloberfläche (beispielsweise die Deckenober.j.Zeit = ti. die Zusammenhänge zu jeder Zeit und für alle i.k =1. D. j.kmax.k=0.7) Das Rohr wird als Quader.k.kmax-1. Zeit+1 = t i . j.k. • • Die Rohrquerschnitte werden aus minimal vier Gitterpunkten aufgespannt.j=1. k am Ende des Zeitintervalls ∆τ – also zum Zeitpunkt "Zeit+1" – sofort aus Gl.k.j. mit rechteckigem Querschnitt – vorzugsweise als Quadrat – approximiert.k +1.Zeit ) .Zeit + ti −1. j+1. j.Zeit . Bild 9.4) zu: t i .k. Damit gelten für die Temperaturen. j.Zeit λ/κο imax-2 Da der Anstieg der Tangente an die Temperaturkurve in Elementmitte gut mit der Sekante – auf- ∆x timax-1.Zeit ∆x/2 ∆x tDo.λ dt = αa (tDo .j. Dadurch wird die Genauigkeit bei Randbedingungen 3.k.k.Zeit timax.k. (9. (9.j. da außer dem Wärmeübergangskoeffizient zum oberen Raum αRo auch noch ein Belag oder sogar ein aufwändiger Fußbodenaufbau mit mehreren Schichten vorhanden ist.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 122 begrenzenden Gitterlinien i = 0 und i = imax liegen um eine halbe Schichtdicke außerhalb des Bauteils. Randbedingung dritter Art (Wärmeübergangskoeffizient) an den Bauteiloberflächen Der Wärmestrom.Zeit+1 Gitterlinie t imax.tRo).k.23. Art (Wärmeübergangsbedingung) erhöht.10). lautet unter der Bedingung gleicher Temperatur tRo auf der Raumseite in x-Richtung (Richtung der Laufvariablen i) für jeden Zeitpunkt & qa = .k.k. der durch die Bauteilbegrenzung an der Deckenoberseite mit der Oberflächentemperatur tDo nach außen (oben) tritt.10) oberer (äußerer) Raum tRo.Zeit+1 außerhalb des Bauteils imax tDo. Zeit Bild 9.Zeit+1 timax-1.k.j. Damit gilt im Weiteren die Identität: 1 δSchicht αa ≡ κo = + α Ro λ Schichten Schicht ∑ −1 . .j. Der Wärmeübergangskoeffizient αa stellt im vorliegenden Anwendungsfall eigentlich einen Teilwärmedurchgangskoeffizienten κo – bezogen auf den oberen Deckenaufbau – dar.k.9) Die Umsetzung in die Differenzenform veranschaulicht das Bild 9. k Anstelle von αa steht bei einem Fußbodenaufbau κo nach Gl. dx (9. Es wird darauf noch separat eingegangen.Zeit+1 Fläche Aa αa ≡ κo Bauteil imax-1 tRo.23 Temperaturverhältnisse zu den Zeitschritten "Zeit" und "Zeit+1" beim Übergang von der Deckenoberseite an den oberen Raum (Richtung i) für eine Randbedingung dritter Art an jeder Stelle j.j.j.j. k. j. Da sie zeitunabhängig gilt. j. Zeit +1 − t Ru .Zeit+1 = 0. Zeit +1 = t1. d2. k . Zeit +1 − ( t1. Zeit − t i max. k .5 ∆x + κo ∆x . k . j.5) ∆z + 2 (iRjmax . k . k . (9.14) Randbedingung erster Art (konstante Temperatur) am Rohrumfang Die Rohroberflächentemperatur sei als Randbedingung 1. i = 1) gilt mit tRu und αRu analog: t 0.Zeit+1 + timax. j. j. λR) aus der gegebenen Wassertemperatur tW bestimmt wird. j. Zeit − t Ro.k.5 (timax-1. kann die Oberflächentemperatur auch für jeden neuen Zeitschritt sofort bestimmt werden: tDo. j. Zeit t Do. (9.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 123 gespannt durch die Temperaturen an den Elementgrenzen – übereinstimmt.5 ∆x + λ α Ru .j. Aja ln Aji (9. λ κo (9. Es gelten beispielhaft pro 1 m für das Rohr j: • approximierte Rohraußenfläche Aji = 4 (kRjmax . Zeit +1 ) ∆x 0.0. Damit folgt: t i max −1.j. Zeit = ∆x . q Rohrk im vorhergehenden Zeitschritt "Zeit-1" berechnet und dann die Oberflä- chentemperatur für das reale Rohr (d1. k .13) An der Deckenunterseite (i = 0.j. (9.15) Es werden zunächst die Produkte aus der Wärmeleitfähigkeit des Betons λ und der Gradienten .k. k .iRjmin + 2) ∆x • logarithmisches Flächenmittel der Umhüllung um das Rohr ARjm = Aja − Aji . k . wird bei Randbedingungen dritter Art die Bauteiloberfläche auf die Elementmitte gelegt. j. Zeit +1 − t Ro. j. j. Zeit +1 = t i max −1. Zeit +1 − ( t i max −1. k . j.12) Daraus folgt dann die Temperatur auf der außerhalb liegenden Elementgrenze zum neuen Zeitpunkt "Zeit+1" zu: t i max. k .iRjmin) ∆x • Hüllfläche des Rohres im Abstand der Gitterschrittweite Aja = 4 (kRjmax + 0. j. Art angenommen. k .11) Diese Beziehung ist im Bild 9.23 grafisch veranschaulicht. Zeit +1 ) λ 0.5) ∆z + 2 (iRjmax . Ihre Größe wird den realen Verhältnissen angepasst. k . indem der Wärmestrom vom Rohr j und vom Rohr k an den Be& & ton q Rohrj bzw.Zeit+1). dem Rohraußendurchmesser d2 und der Wärmeleitfähigkeit der Rohrwand λR der Teilwärmedurchgangskoeffizient 1 d1 d2 κR = α + 2 λ ln d R 1 F −1 (9.tiRjmin-1.j. Raumseitige Wärmeübergangskoeffizienten Die Wärmeübergangskoeffizienten (Konvektion und Strahlung) vom Bauteil zum unteren und oberen Raum αRu bzw. dem Rohrinnendurchmesser d1. • Wärmestrom nach unten (9. woraus mit der Wassertemperatur tW.kRjmax+1.j.1 in W/(m²K) .Zeit − & q Rohrj π d1 κ R .Zeit-1 .Zeit-1) / ∆x λ (tiRjmax.k. (9. Es gelten folgende praxisrelevante Angaben mit ϑ α • K W/(m²K) Übertemperatur der Bauteiloberfläche gegenüber dem Raum Wärmeübergangskoeffizient (gesamt): Wärmestrom nach oben Für Bauteile mit einem Wärmestrom von unten nach oben (Fußbodenheizungen.18) Bei Sprüngen der Wassertemperatur ist eine Dämpfung eingebaut. da entsprechend der Eigenart von Differenzenverfahren zunächst sehr große Wärmestromdichten entstehen könnten.Zeit-1 .16) Für das reale Rohr j kann mit dem wasserseitigen Wärmeübergangskoeffizienten αF.Zeit-1) / ∆x λ (ti. αRo können beliebig formuliert werden.k.j.tiRjmax+1.Zeit ≡ tW(τ) die Rohrtemperatur zum Zeitpunkt "Zeit" folgt: t Rj.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 124 zwischen dem Rohrgitter und dem Gitter der Hüllfläche λ (tiRjmin.19) Gemäß spezieller Berechnungen mit dem Raummodell [2] folgt als statistisches Mittel: .kRjmax.k.92 |ϑ|0. (9.Zeit-1 .k.k.Zeit = t W .j.Zeit-1)/∆z für alle k = 1 bis kRjmax und j = 0 bis jmax für alle k = 1 bis kRjmax und j = 0 bis jmax für alle i = iRjmin bis iRjmax und j = 0 bis jmax gebildet und arithmetisch zu qRj gemittelt und mit der mittleren Gitterfläche ARjm multipliziert: & q Rohrj = qRj ARjm .17) gebildet werden.ti.k. Kühldecken) gilt nach DIN EN 1264 T2 die sogenannte "Basiskennlinie" α = 8. 23). k .. dx (9. Es gilt für die Speicherwärme in einem Element: qS = ρ c ∆x ∆y ∆z (ti. Bilder 9. α Ro λ a1 λ a 2 −1 .22 und 9. (9.10) in Teilwärmedurchgangskoeffizienten κ zusammengefasst: 1 δ δ κo = + a1 + a 2 + . werden für den rechnerischen "Normvergleich" die Verläufe nach Bild 9.Zeit . Um die dynamische Leistungsfähigkeit der Systeme unter praxisnahen Bedingungen vergleichen zu können. k . schlecht wärmeleitende Schichten auf den Bauteilaußenseiten werden vereinfachend analog Gl. Zeit − t 0. (9.20) α = 6.Zeit = tRu(τ) bezogen wird. j. Wärmedämmungen bzw. wird das Bauteil auch im Rohrbereich näherungsweise als homogen (Beton) betrachtet. woraus beispielsweise folgt: & qu = λ t1.k. in denen kein Durchfluss erfolgt (passiv).Zeit). (9.21) Wärmestromdichten in die Räume Die Wärmeströme in die angrenzenden Räume (unten und oben) ergeben sich aus der Beziehung für den Wärmetransport durch Leitung im Festkörper mit x der Koordinate in i-Richtung & q = −λ dt ... tRo können als Zeitfunktionen vorgegeben und in Unterprogrammen formuliert werden. (9..tRBezug. Zeit ∆x . j. wobei von 800 .j. wobei auf die Raumtemperatur des unteren Raumes tRBezug.7 W/(m²K). In den Zeiträumen. Bei Durchfluss der Rohre werden die Gitterpunkte im jeweiligen Rohrquerschnitt mit den Temperaturen der Rohroberfläche gefüllt.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 125 (9.23) Speicherwärme Die im Bauteil gespeicherte Wärme wird für die Übertemperatur eines jeden Gitterpunktes berechnet.24) Zeitliche Verläufe der Wassertemperatur und der Raumtemperatur Die Wassertemperatur tW und die Temperaturen des unteren sowie des oberen Raumes tRu bzw. .22) Zur Genauigkeitsverbesserung an Bauteiloberflächen liegen die Bauteilberandungen innerhalb des Gitters (vgl.3 verwendet. 1800 Uhr der Wasserkreislauf nicht in Betrieb ist. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 126 9. 9.5 mm des Rohrabstandes 300 mm.6.2 Testrechnungen Abschnittsweise Überprüfungen. mittig angeordnetem Rohrregister 20×2. Durch die Flexibilität des Programms dürfte dieses auch für zukünftige Konstruktionen verwendbar bzw. Einflussreich bei diesen Berechnungen kann die Wahl des Gitters sein. Deshalb erfolgt ein Vergleich mit dem Berechnungsmodell nach FAXÉN. Deshalb wurden Berechnungen mit einem groben Gitter ∆x = ∆y = ∆z = 15 mm und mit einem feinen Gitter ∆x = ∆y = 5 mm. leicht anpassbar sein. Der Verlauf der Speicherladung ist im Bild 9. Einfachmäander. Matten) flexible Gestaltung der Geometrie .24 dargestellt. Wh/m² 00 600 grobes Gitter feines Gitter 300 stationäre Berechnung 0 0 24 Abkühlzeit 48 h 72 Bild 9. Betrachtet wurde jeweils eine Betondecke mit 300 mm Dicke und einfachem. ∆z = 75 mm (bei fehlendem Rohr j ist ∆z bedeutungslos) durchgeführt.6. Plausibilitätskontrollen und ein umfassender Programmtest wurden durchgeführt.3 Fazit zum Simulationsprogramm Mit dem neu entwickelten Rechenprogramm können alle derzeitigen Konstruktionen leistungsmäßig bewertet werden. dass der vorgeschlagene Algorithmus sehr leistungsfähig ist und auch das grobe Gitter gute Ergebnisse liefert. dreidimensionalen Wärmeleitproblems speziell für homogene Platten mit integrierten Rohrregistern (Kreuzmäander. Am Ende dieses Zeitraumes sind stationäre Bedingungen erreicht. das in [13] programmtechnisch hinterlegt ist. Im letzten Fall ist nur ein Rohr k in mittlerer Lage implementiert und eine Rechnung ausgehend von der Deckentemperatur 24 °C unter konstanten Randbedingungen tRu(τ) = tRo(τ) = 24 °C sowie tW(τ) = 18 °C über den Zeitraum von 72 h betrachtet worden. Die sehr gute asymptotische Annäherung der dynamischen Berechnungsergebnisse an den stationären Endwert zeigt. Es zeichnet sich durch nachfolgende Eigenschaften aus: • • Speicherkälte numerische Lösung des instationären.24 Verlauf der Speicherladung mit "Kälte" in Abhängigkeit der Abkühlzeit unter Variation der verwendeten Gittergeometrie Vergleichsweise ist außerdem die Speicherkälte bei stationärer Berechnung eingetragen. 25. Bei der Auswertung wird nur der jeweils dritte Betriebstag. 45 W/m² 40 Kreuzmäander RA = 240 mm 35 Kühlleistung 30 25 20 15 10 5 0 00 0 18 Einfachmäander RA = 150 mm Kreuzmäander RA = 300 mm (Grundvariante) 2400 800 1200 24 1800 Bild 9. Dies ist sehr vorteilhaft für eine erfolgreiche Kühlung beispielsweise von Büroräumen. Es handelt sich hierbei um den • • • Kreuzmäander mit RA = 300 mm (Grundvariante) Einfachmäander mit RA = 150 mm Kreuzmäander mit RA = 240 mm.3 Tageszeit Feststellungen: • Die Kühlleistungen steigen im Tagesgang an bzw.7 Vergleich verschiedener Rohrregister mit konventionellen Rohren Alle Untersuchungen sind über einen Zeitraum von drei Tagen (72 h) geführt worden.20 vermerkten Daten. halten sich näherungsweise konstant. Fußbodenbelag Rλ = 0. 40 W/m² sehr hoch.3. Die thermischen Randbedingungen entsprechen den Temperaturverläufen im Bild 9. . bei den thermischen Randbedingungen nach Bild 9. betrachtet. wobei alle Mäander mittig in der Decke (300 mm. 9.143 m²K/W) liegen.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 127 • • austauschbare Programmteile zur Approximation der Wärmeübergangsbedingungen frei programmierbare thermische Randbedingungen (Zeitverläufe der Temperaturen). Zuerst werden die Unterschiede der konventionellen Rohrregister betrachtet. gerechnet von 1800 Uhr bis wiederum 1800 Uhr. Es gelten weiterhin die im Bild 9. Die Kühlleistungsverläufe zeigt das Bild 9.25 Kühlleistungsverläufe für drei unterschiedliche Rohrmäanderkonstruktionen. die mittig in einer 300 mm dicken Decke eingebettet sind. • Die Kühlleistungen sind am Nachmittag mit ca. Es liegt somit ein thermodynamisch eingeschwungener Zustandsverlauf vor. 3×0. 9. Die Leistungsberechnung erfolgte bereits früher mit einem Rechenprogramm nach [13].Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 128 • Die konstruktionsabhängige Kühlleistung stellt sich um 1400 Uhr folgendermaßen dar: Einfachmäander RA = 150 mm Kreuzmäander RA = 300 mm Kreuzmäander RA = 240 mm 41.03 % In erster Näherung sind unter praktischen Gesichtspunkten die Kühlleistungen der drei Varianten gleichwertig (± 3 %). Die Kühlleistungen für die Kapillarrohrmatte ist mit der Berechnung für den zweidimensionalen Fall identisch. Clina ausgewählt (Rohrabmessung 4. Die verringerte Rohrteilung bringt nur einen verhältnismäßig kleinen Leistungsgewinn.3 bei Einsatz einer Kapillarrohrmatte 4.8 mm und bei Integration von drei unterschiedlichen Rohrmäanderkonstruktionen (Kreuzmäander.3 W/m² 100 % 97 % 1. Alle Kühlleistungsverläufe sind für den eingeschwungenen Zustand im Bild 9. Nunmehr wird diese nochmals mit dem neu erarbeiteten Programm unter Weglassen der Rohrreihe j untersucht.8 mm RA = 30 mm).8 Vergleich von konventionellen Rohrregistern mit Kapillarrohrmatten Die zeitlichen Kühlleistungsverläufe.3×0. 50 W/m² 45 Kapillarrohrmatte Kreuzmäander RA = 240 mm Einfachmäander RA = 150 mm 40 35 30 25 20 15 10 5 0 00 0 18 2400 800 Kreuzmäander RA = 300 mm 1200 24 1800 Tageszeit Bild 9. die mit Rohrregistern (Einfachmäander und Kreuzmäander) erreichbar sind.25.26 dargestellt.0 W/m² 39.8 W/m² 42. werden den Ergebnissen bei Einsatz von Kunststoff-Kapillarrohrmatten gegenübergestellt werden. Die Leistungen der Mäanderlösungen entsprechen der Darstellung im Bild 9. obwohl der Rohreinsatz um 25 % zunimmt. Einfachmäander). Als Kapillarrohrmatte wird "OPTIMAT" der Fa. 3 mm Maschenweite sehr fein gewählt. Der Zeitschritt beträgt 3 s. die alle mittig im Deckenquerschnitt eingebettet sind Kühlleistung . Das Gitter ist mit ca.26 Kühlleistungsverläufe einer 300 mm dicken Speicherkühldecke unter den thermischen Randbedingungen nach Bild 9. 09 % • Die mittlere Kühlleistung über den Nutzungszeitraum (Leistungsdaten von 900 Uhr bis 1800 Uhr gemittelt) ergibt die nachfolgenden Werte: Einfachmäander RA = 150 mm Kreuzmäander RA = 300 mm Kreuzmäander RA = 240 mm Kapillarrohrmatte RA = 30 mm*) 39.6 W/m² 38..6 W/m² 100 % 97 % 1.62 dm³/m² 0.09 dm³/m² 2.03 % 1.09 dm³/m² 2.04 % 1.3 W/m² 44.03 % 1. • Von Interesse kann auch die Größe der "Speicherkälte" am Ende des Nutzungszeitraumes um 1800 Uhr sein: Einfachmäander RA = 150 mm Kreuzmäander RA = 300 mm Kreuzmäander RA = 240 mm Kapillarrohrmatte RA = 30 mm 904. 45 W/m² sehr hoch.4 W/m² 41.5 Wh/m² 885. Die konstruktionsabhängige Kühlleistung stellt sich um 1400 Uhr folgendermaßen dar: Einfachmäander RA = 150 mm Kreuzmäander RA = 300 mm Kreuzmäander RA = 240 mm Kapillarrohrmatte RA = 30 mm 41.07 % • Die verschiedenen Rohrregister bewirken eine unterschiedliche Schwächung des Bauteils: Einfachmäander RA = 150 mm Kreuzmäander RA = 300 mm Kreuzmäander RA = 240 mm Kapillarrohrmatte RA = 30 mm 2.09 % *) Der geringe Leistungsunterschied zum Bild 9.8 W/m² 42.3 W/m² 100 % 97 % 1. • • Die Kühlleistungen sind am Nachmittag mit ca..5 Wh/m² 100 % 98 % 1.4 resultiert aus dem Unterschied der Wanddicke der Kapillarröhrchen.8 mm. Von 1000 Uhr bis 1800 Uhr zeichnet sie sich durch eine hohe Konstanz aus.2 Wh/m² 966.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 129 Feststellungen: • Die Kühlleistung der mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten bestückten Massivdecke ist allen anderen untersuchten Systemen zu jeder Zeit im Tagesgang überlegen.0 W/m² 39. Die optimierte Matte hat eine Wanddicke von 0.0 W/m² 43. 44 .0 Wh/m² 927.48 dm³/m² 100 % 100 % 125 % 23 % Die angegebene Größe stellt das Volumen des Rohres (Außendurchmesser) pro 1 m² De- . 6 150 mm Ebene i = 80 oberste Schicht 20.20 jeweils um 600 Uhr links: Kreuzmäander RA = 300 mm. • Einen interessanten Einblick zum Verständnis der thermodynamischen Unterschiede zwischen den einzelnen Varianten offenbart die Temperaturverteilung im Beton.7 30 0 m m 21.27 werden für den Zeitpunkt um 600 Uhr die Temperaturverteilungen einer Kreuzmäandervariante (RA = 300 mm) und einer Lösung mit Kapillarrohrmatte (RA = 30 mm) in drei ausgewählten Ebenen der Decke gegenübergestellt.1 18.0 18.29 dm³/m² 100 % 100 % 125 % 32 % Die angegebene Größe stellt das Volumen der Rohrwandung pro 1 m² Deckenfläche dar.7 18 °C 21.8 20. rechts: Kapillarrohrmatte RA = 30 mm Die Rohrabstände sind nicht maßstäblich! .1 18.7 20.1 150 mm 20.7 Ebene i = 1 unterste 20. Damit besteht ein markanter Sprung bei Einsatz von Kapillarrohrmatten. beispielsweise kurz vor dem Ende der Abkühlungsphase.3×0.1 300 mm 21.27 Temperaturverteilungen in einer Betondecke nach Bild 9.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 130 ckenfläche dar.7 20.8 18. Der Materialeinsatz für Kunststoff-Kapillarrohrmatten ist bedeutend geringer.8 20.7 21.1 20.6 20.92 dm³/m² 1.7 20.1 Schicht 18.0 21. Ebene i = 20 oberste Schicht 20.0 30 0 20.1 18.7 20.1 21.6 20.0 20.1 20.6 20.7 18.7 Schicht 18.5 mm und für die Kapillarrohrmattenvariante das Rohr 4.6 19.1 20.7 Ebene i = 1 unterste 21.2 18.0 19.92 dm³/m² 0.7 18.8 18.7 18 20. • Der Materialeinsatz an Kunststoff im Bauteil ist ebenfalls sehr unterschiedlich: Einfachmäander RA = 150 mm Kreuzmäander RA = 300 mm Kreuzmäander RA = 240 mm Kapillarrohrmatte RA = 30 mm 0.6 20.1 20.5 19.7 20.7 20.7 Ebene i = 40/41 Mitte °C 19.7 30 mm Bild 9.1 m m 20.7 18. Für Mäanderlösungen wird das Rohr 20×2.15 dm³/m² 0.1 20. Im Bild 9.7 20.7 20.7 150 mm 20.0 21.0 Ebene i = 10/11 Mitte 150 mm ° 18 C ° 18 C 18.8 mm ohne Verteilleitungen betrachtet.0 21. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 131 Bei den kleinen Rohrabständen der Kapillarrohrmatten sind die Temperaturen in den drei betrachteten Ebenen bedeutend ausgeglichener und im Betrag niedriger. 300 mm. Für Kunststoff-Kapillarrohrmatten wird das Fabrikat "OPTIMAT" der Fa.9.42 W/(m K) und der wasserseitige Wärmeübergangskoeffizient 2400 W/(m²K) angenommen.9 Einflüsse der Wärmeleitfähigkeit des Betons und der Bewehrung Bei der Diskussion um die Leistungsfähigkeit der thermisch aktiven Bauteile – vorwiegend Decken – spielen sehr häufig auch die Wärmeleitfähigkeit des Betons und die Wirkung der Bewehrung in den Decken eine Rolle.3×0. Einfachmäandern und Kapillarrohrmatten" (119 Seiten) 9. Die Rohrabstände betragen 150 mm bzw. Für die konventionellen Rohre werden in den Berechnungen die Abmessung 20×2. dreidimensionalen Vorgänge bei der thermischen Bauteilaktivierung mit Rohrregistern in Betondecken – Gegenüberstellung von Kreuzmäandern. größeres Speichervermögen) der mit Kapillarrohrmatten bestückten Betondecken begründet. Clina mit den Abmessungen der Rohre 4.5 mm. Hierin liegt die Ursache für die thermodynamischen Vorteile (höhere Leistung. Als Rohrregister kommen in Betracht: • • Einfach.8 mm. Die Vorteile der Kunststoff-Kapillarrohrmatten sind in allen betrachteten Punkten deutlich sichtbar! Bericht im Anhang I: "Neue Simulationsmethodik der instationären.oder Kreuzmäander mit konventionellen Rohrdurchmessern Kapillarrohrmattensystem. der Wärmeleitfähigkeit des Rohrmaterials 0. 9.21 W/(m K). dem . Auch wenn man diese Diskussionen oftmals nur unter den Gesichtspunkten von Wettbewerbsvorteilen führt. sollen anschließend die genannten Einflüsse quantitativ bei unterschiedlicher Rohrregisterwahl bewertet werden. die Wärmeleitfähigkeit des Rohres 0.1 Modellierung In allen weiteren Modellierungen wird von einer Betondecke ohne Hohlräume und Latentspeichereffekte mit integriertem Rohrregister ausgegangen. oder Splittbeton bewehrt oder unbewehrt Kiesbeton Beton 2200 1900 . Die Stoffwerte – speziell die Wärmeleitfähigkeit – für Beton bzw. Dies ist aber nicht im Sinne einer "sicheren" Kühlleistungsermittlung für dynamisch arbeitende Speicherdecken..63 1. TGL 28706/4 (ungültig.1 spez.. d. 2500 1. Esdorn: Raumklimatechnik.40 1. Aufl.2 Stoffwerte für Schwerbeton nach einigen Literaturangaben Baustoff Dichte kg/m³ Kies. Die Tabelle 9. Wärmekapazität J/(kg K) Quelle Bemerkungen 2400 DIN 4108/4 Schwerbeton Schwerbeton (Ortbeton) bewehrt unbewehrt Betonfertigteile aus Schwerbeton 2200 .. rohrführenden Querschnittsanteil aus homogenem Beton besteht und der untere Deckenabschnitt mit der Hauptbewehrung in den Stoffwerten verändert in . Stahlbeton schwanken.65 1000 2400 2200 2350 1. 3.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 132 wasserseitigen Wärmeübergangskoeffizienten 1000 W/(m²K) und dem Rohrabstand 30 mm verwendet.. Tabelle 9. wobei die Wärmeleitfähigkeit des Betons variiert wird. Sie sind in besonderem Maße abhängig von der Dichte und dem Feuchtegehalt. wobei die Betondecke über den größten. Grigull: Wärmeübertragung. Aus Sicht einer "sicheren" Berechnung wird man maximal mögliche Wärmeleitfähigkeiten ansetzen. Die Werte in DIN 4108 Teil 4 gelten für den rechnerischen Nachweis des Wärmeschutzes.40 879 880 Gröber. im Regelfall von seitlich aufliegenden Decken ist dies der untere Bereich.. 2. h. Erk. Auflage Rietschel. Dort bieten niedrige Wärmeleitfähigkeiten die Voraussetzung für eine sichere Leistungsprognose. • Die zweite Modellierung berücksichtigt einen Schichtenaufbau der Decke.80 .. Auflage Kraft: TGA-Handbuch.. • Der erste Modellierungsansatz geht von einer homogenen Betondecke aus. 16. Grundlagen..47 1050 1050 1050 Der Stahlbeton ist nicht homogen. 2300 1. aber sehr detaillierte Angaben) Wärmeleitfähigkeit W/(m K) 2. 1.. 1.28 .28 0.2 gibt einen Überblick über Literaturwerte. da die Bewehrungsstähle nach statischen Gesichtspunkten im Zugbereich angeordnet werden. 2 folgende Werte abgeleitet: • • • Dichte Wärmeleitfähigkeit spezifische Wärmekapazität ρ = 2400 kg/m³ λ = 1. da die genaue Modellierung des Bewehrungskorbes theoretisch zwar möglich ist. Die Dichte. .4 W/(m K) c = 1050 J/(kg K). Annahmen für Modell 2: Bei der zweischichtigen Platte gelte für den oberen Teil: • • • Dichte Wärmeleitfähigkeit spezifische Wärmekapazität ρ = 2400 kg/m³ λ = 1. Homogene Betonschicht mit Kapillarrohrmatten oder Rohrmäandern Modell 1 d = 300 mm Zweilagige Betonschicht oben: Beton mit Kapillarrohrmatten oder Rohrmäandern unten: Beton mit Bewehrungsstählen Modell 2 d = 300 mm dS = 52.5 mm Bild 2.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 133 Ansatz gebracht wird.4 W/(m K) c = 1050 J/(kg K) (ungünstigster Wert) Zur Ermittlung des möglichen Einflusses der Wärmeleitfähigkeit λ auf das dynamische Deckenverhalten wird für die homogene Betonplatte λ zwischen den Grenzwerten 1.28 Skizzenhafte Darstellung der beiden Berechnungsmodelle Annahmen für Modell 1: Für die Stoffwerte des Normalbetons werden aus Tabelle 9.1 W/(m K) variiert. die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärmekapazität werden aus den Daten für den reinen Beton und der Stahlbewehrung gemittelt und dann wiederum als homogen betrachtet.28 skizziert und deren Dickenabmessungen angegeben. aber kaum eine Verallgemeinerung der Aussage zulässt. • Die Modelle sind im Bild 9. Diese Modellierung ist insofern realistisch.4 W/(m K) und 2. Das zweite Modell ist damit durch eine gut wärmeleitende Schicht an der Deckenunterseite gekennzeichnet. 039 ⋅ 7850 ⋅ 460 + 0. Als Bewehrung sind modellgemäß jeweils im Abstand a von 150 mm Zugstäbe mit einem Durchmesser von 18 mm und Querstäbe mit dem Durchmesser 8 mm vorhanden. wobei für die Schichtdicken die Annahmen nach Bild 9.039 ⋅ 7850 + 0.2 Algorithmus Es wurde auf die in [13] vorgestellten Algorithmen aufgebaut und ein spezielles Programm für zweischichtige Platten (Modell 2) geschrieben. Alle Programme wurden mittels Grenzfallberechnungen verifiziert. Damit ergeben sich: • die Raumanteile VStahl VSchicht 1 1 π 2 2 (d Z + dQ ) 0. Das Rechenprogramm gilt für eine zweidimensionale Betrachtungen der Wärmeleitung mit Einfachmäandern oder Kapillarrohrmatten.039 ⋅ 50 + 0.0182 + 0.961 • die mittlere Dichte ρ = rStahl ρStahl + rBeton ρBeton = (0.961⋅ 2400 ⋅1050) J /(kg K ) = 981 J /(kg K ) 2613 Die Mittelung der Werte erfolgte für die Dichte sowie für die Wärmeleitfähigkeit mit den Raumanteilen r und für die spezifische Wärmekapazität mit den Masseanteilen r ρ.961 ⋅ 2400) kg/m³ = 2613 kg/m³ • die mittlere Wärmeleitfähigkeit λ = rStahl λStahl + rBeton λBeton = (0.0082 ) 4 = a 4 = = 0. 9.0525 rStahl = r Beton = 0. Modell 1 kann mit dem Ursprungsprogramm oder mit dem im Abschnitt 9.3 W/(m K) • c= = die mittlere spezifische Wärmekapazität (rStahl ρStahl c Stahl + rBeton ρ Beton c Beton ) ρ 0. .28 gelten. neuartigen Algorithmus für eine dreidimensionale Betrachtung untersucht werden.9.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 134 Für den unteren Teil der Betondecke werden die Stoffwerte aus den Baustoffen Beton und Stahl gemittelt.039 dS 0.4) W/(m K) = 3.961 ⋅ 1. Letztere Variante ist für Kreuzmäander notwendig.150 π (0.6 vorgestellten. 9 % 12.1 / q λ =1.8 44.2 14.0 32. Variante Wärmeleitfähigkeit λ = 1.3 . Tabelle 9.3 mittlere Leistung W/m² 44.5 .30 und 9.3 Gesamtkühlleistungen der Decke (oben und unten) um 1400 Uhr und im Mittel über den Nutzungszeitraum von 800 Uhr bis 1800 Uhr für unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten λ Bei den Rohrregistern handelt es sich um Rohr 20×2..4 43.5 mm mit dem Rohrabstand RA in mm. λ = 0. Die Rohrregister liegen jeweils mittig in der Decke bzw. 13.. Die Decke besteht aus 300 mm Beton plus einem Belag auf der Oberseite (δ = 10 mm. bei Kreuzmäandern annähernd symmetrisch zur Deckenmitte. Als charakteristische Leistungsmerkmale werden die Gesamtleistungen der Decke (unten und oben) pro 1 m² um 1400 Uhr und die mittlere Kühlleistung über den Nutzungszeitraum von 800 Uhr bis 1800 Uhr verglichen.2 39.8 12.3 Leistung 1400 Uhr W/m² 45. Sie sind in Tabelle 9...9 49.4 Die grafische Darstellung des täglichen Leistungsverlaufs im eingeschwungenen Zustand ist im Bild 9.8 44.3 nimmt auf beide Vergleichswerte Bezug.3×0.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 135 9.3 zusammengestellt.6 13.1 W/(m K) Leistung 1400 Uhr W/m² Einfachmäander RA = 150 Einfachmäander RA = 300 Kreuzmäander RA = 300 Kapillarrohrmatte RA = 30 41.6 mittlere Leistung W/m² 39.8 mm und RA = 30 mm. Die Bilder 9.5 48.0 % 12.1 10.5 38.31 stellen den Verlauf während des Nutzzeitraumes vergrößert dar.4 14.9 36. . zusätzlich wird der aus beiden Daten gemittelte Wert angegeben..8 . 10.07 W/(m K)).7 Leistungszuwachs & & q λ = 2. Die Kapillarrohrmatte "OPTIMAT" hat die Rohrabmessungen 4. werden unterschiedliche Varianten untersucht. 14. Der Leistungszuwachs in Tabelle 9..3 Einfluss der Wärmeleitfähigkeit von homogenen Platten auf die Kühlleistung Um eine möglichst repräsentative Aussage zu ermöglichen.5 35.0 .9..4 W/(m K) λ = 2.6 30. 12..3 10.0 43.29 gezeigt. RA = 150 mm Einfachmäander 20×2.1 W/(m λ = 1.4 W/(m K) K)) λ = 2. RA = 300 mm 12.00 8.8 mm. 2.8 mm RA = 30 mm Einfachmäander 20×2.3×0.4 Beton homogen: W/(m K) bzw.00 0 Kapillarrohrmatten 4.3 für Massivdecken mit verschiedenen Rohrregistern und zwei verschieNutzzeitraum denen Wärmeleitfähigkeiten des Betons (1.00 Bild 9.29 50 W 45 m² 40 Kühlleistung 35 30 25 20 15 10 5 14 8.00 mäander .31 Kühlleistungsverläufe im täglichen Nutzzeitraum von 800 bis 1800 Uhr unter Beton homogen: den gleichen Bedingunλ = 1.4 W/(m K) gen wie im Bild 9.1 W/(m K) Die Decke wird als homogene Konstruktion 24 Uhrzeit 18.00 (Modell 1) betrachtet.00 Bild 9.29 λ = 2.5 mm.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 136 50 W 45 m² Kapillarrohrmatten 4.4 W/(m K) λ = 2.3×0.00 Uhrzeit 24 18.5 mm. RA = 30 mm Einfachmäander 20×2.5 mm RA = 150 mm 40 Kühlleistung 35 30 25 20 15 10 5 Einfachmäander 20×2.5 mm. 50 W 45 m² 40 Kühlleistung 35 30 25 20 15 10 5 14 8.00 Bild 9. RA = 300 mm 0 0 18.5 mm.00 0 Kreuzmäander 20×2.1 W/(m K) jedoch für einen Kreuz24 Uhrzeit 18.29 Kühlleistungsverläufe im Tagesgang unter den Randbedingungen des Bildes 9. RA = 300 mm Beton homogen: λ = 1.1 W/(m K) 12.30 Kühlleistungsverläufe im täglichen Nutzzeitraum von 800 bis 1800 Uhr unter den gleichen Bedingungen wie im Bild 9. 9.4 Einfluss der Bewehrung im unteren Plattenbereich auf die Kühlleistung Für drei sehr unterschiedliche Rohrabstände wird die Untersuchung vorgenommen. Dies sind Rohrregister mit großen Rohrabständen. und Bild 9. nahm die Kühlleistung nur 11 % bis 15 % zu. Auf der Oberschicht ist wiederum ein Belag (δ = 10 mm. Der Schwankungsbereich von 11 % bis 15 % ist aber relativ klein. Die Abmessung und die zugehörigen Ergebnisse sind in Tabelle 9.9.4 W/(m K)) und der Unterschicht von ca. • Die größten Zunahmen sind erwartungsgemäß bei den Konstruktionen mit den kleinsten Leistungen vorhanden. . dass mit steigender Wärmeleitfähigkeit die Kühlleistungen der Massivkühldecken mit nächtlicher Einspeicherung steigen.3 und in den Bildern 9.3 W/(m K)). 247 mm Beton (λ = 1.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 137 Aussagen: • Die Ergebnisgegenüberstellungen in Tabelle 9.4 W/(m K) gegeben. Damit ist eine Vergleichbarkeit zu den homogenen Decken mit der Wärmeleitfähigkeit λ = 1.4 gibt beide Vergleichswerte sowie den gemittelten Wert an. Die Decke besteht aus der Oberschicht von ca. • Obwohl die Wärmeleitfähigkeit im betrachteten Bereich um 50 % anstieg.33 gibt eine Vergrößerung im Nutzungszeitraum wieder. Die Rohrregister liegen jeweils mittig in der Decke. Das Bild 9. Als charakteristische Leistungsmerkmale werden wiederum die Gesamtleistungen der Decke (unten und oben) pro 1 m² um 1400 Uhr und die mittlere Kühlleistung über den Nutzungszeitraum von 800 Uhr bis 1800 Uhr betrachtet.29 bis 9. 53 mm Beton mit integrierter Bewehrung (λ = 3.4 wiedergegeben. λ = 0. Der Leistungszuwachs in Tabelle 9. Die hauptsächlichste Verbesserung wird also durch die vergrößerte Wärmeleitung in vertikaler Richtung bewirkt.07 W/(m K)) vorhanden.32 zeigt die Leistungsverläufe einer Tagesschwingung auf.31 zeigen deutlich. 4 W/(m K).3 47.8 mittlere Leistung W/m² 41.5 zweischichtige Platte λ = 1.7 5.4 / 3.5 mm mit dem Rohrabstand RA in mm..6 43.00 .4 .8 mm. RA = 30 mm Einfachmäander 20×2.. Die Kapillarrohrmatte "OPTIMAT" hat die Rohrabmessungen 4.32 Kühlleistungsverläufe im Tagesgang unter den Randbedingungen des Bildes 9.6 30.7 32.5 mm RA = 150 mm 40 Kühlleistung 35 30 25 20 15 10 Nutzzeitraum Beton homogen Beton mit Bewehrungsschicht 5 Einfachmäander 20×2. zweischichtige Decke (Modell 2) λBeton = 1.9 % 5. RA = 300 mm Bild 9.00 8.2 33.5 mm.00 Uhrzeit 24 18.0 Leistungszuwachs & & q zweiPl / q hom Pl Kapillarrohrmatte RA = 30 50 W 45 m² 44.33 Kühlleistungsverläufe im täglichen Nutzzeitraum von 800 bis 1800 Uhr unter den gleichen Bedingungen wie im Bild 9..3×0.00 Bild 9.3×0. RA = 300 mm 0 0 18. RA = 150 mm Einfachmäander 20×2..6 .4 Gesamtkühlleistungen der Decke (oben und unten) um 1400 Uhr und im Mittel über den Nutzungszeitraum von 800 Uhr bis 1800 Uhr für unterschiedliche Plattenkonstuktionen (homogene Platte und Zweischichtplatte) Bei den Rohrregistern handelt es sich um Rohr 20×2..3 W/(m K).2 mittlere Leistung W/m² 39.0 32.8 mm RA = 30 mm Einfachmäander 20×2.1 45..3 W/(m K) Leistung 1400 Uhr W/m² 43. 5.4 W/(m K).6 Kapillarrohrmatten 4.0 % 5.3 5. 50 W 45 m² 40 Kühlleistung 35 30 25 20 15 10 5 14 8.4 5. 5.4 W/(m K) Leistung 1400 Uhr W/m² Einfachmäander RA = 150 Einfachmäander RA = 300 41.5 mm.00 Uhrzeit 24 18.5 5.5 mm.0 .00 0 Beton homogen Beton mit Bewehrungsschicht Kapillarrohrmatten 4. 4.8 mm und RA = 30 mm. Variante Wärmeleitfähigkeit homogene Platte λ = 1. λBeton+Stahl = 3.3 für Massivdecken mit verschiedenen Rohrregistern Wärmeleitfähigkeiten: homogene Decke (Modell 1) λBeton = 1.3×0.32 12.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 138 Tabelle 9. Die untersuchten Einflüsse sind in erster Näherung bei konventionellen Rohrregistern und Kunststoff-Kapillarrohrmatten gleich groß! Bericht im Anhang J: "Einfluss der Wärmeleitfähigkeit und der Bewehrung von Massivspeicherdecken auf die Kühlleistung" (25 Seiten) . Einfluss Bewehrungsstahl maximal 6 %.) Es wird empfohlen. dass beide Einflüsse in den Fachdiskussionen oftmals überschätzt werden (Einfluss Wärmeleitfähigkeit des Betons maximal 15 %. Dies kann damit erklärt werden. Die Ergebnisse verdeutlichen. die Wärmeleitfähigkeit des Betons möglichst exakt zu ermitteln und die Kühlleistung für eine homogene Betondecke zu simulieren.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 139 Aussagen: • Die Leistungsverbesserung bei Vorhandensein der gut wärmeleitenden Unterschicht ist mit 5 % bis 6 % relativ gering und in erster Näherung nicht vom Rohrabstand abhängig. Den zusätzlichen Leistungsvorteil durch das Vorhandensein der Bewehrungsstähle sollte man als Sicherheit gegenüber den Schwankungen der zahlreichen Randbedingungen betrachten. • Der Leistungsvorteil ist hauptsächlich durch die verbesserte Wärmeleitung zum unteren Raum begründet. dass diese Schicht zu weit vom Rohrregister entfernt liegt. 19 RA Rohrabstand di.9 -34. In [14] wurde ein Extremfall einer solchen Verlegung untersucht.80 18.3 -33. VL & Q Rohr.6 -26. Die Wärmestromdichten längs der Schleife können teilweise sehr unterschiedlich sein. die nach Bild 9.00 2. da Rohrinnen-.85 18.19 & Q Rohr.3 -30.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 140 9.10 18.9 -34.1 -32.107 1. am Scheitel der Haarnadel schlussstelle zu den Verteilleitungen (Anfang der Haarnadel) & & Q Rohr.95 8.153 1.035 1. Tabelle 9.13 2.9 -34.7 -35.34 Lges m 120 RA mm 300 di mm 16 da mm 20 tVL °C 16 17 15 120 120 60 150 150 150 16 13 13 20 17 17 16 17 16 17 16 17 tRL °C 20 19 21 20 19 20 19 20 19 & q Anf & q End & & q Anf / q End 1.19 18.20 18.0 -24. Die Rohrbelegung geht über mehrere Räume hinweg.0 -23.033 1.68 1.40 6.3 2.5 -21.und an die Rücklaufsammelleitung angeschlossen.5 Beispielhafte Ergebnisse für eine Verlegung nach Bild 9.1 -29.033 Strömung turbulent turbulent laminar turbulent turbulent turbulent turbulent laminar turbulent tF. .34 jeweils separat an die Verteilleitungen angeschlossen sind.11 19.RL Verhältnis der Rohrwärmeabgaben bzw. V R V R V R V R Raum 1 60 m Lges = 120 m Raum n Bild 9.34 Sonderfall einer Rohrverlegung in Schleifenform (Haarnadelprinzip) Jede Schleife wird an die Vorlaufverteil. Das Rohrregister besteht dabei ausschließlich aus einzelnen Schleifen (Haarnadelprinzip).085 1.7 -34. -aufnahmen des Vor.161 1.73 18.und des Rücklaufs an der An- Außer der Hauptaussage über die ortsabhängige Verteilung der Wärmestromdichte kann auch der Rohreinsatz bezüglich seiner Effizienz eingeschätzt werden.62 3.34 mitgeteilt.47 18.019 1. RL W/m² W/m² -26.und Rücklauf auf.2 -27. In Tabelle 9.4 -29.VL/ Q Rohr. Rohraußendurchmesser tVL.4 -33.7 -27.5 sind auszugsweise Ergebnisse für den Verlegungsfall nach Bild 9.Scheitel °C 18.10 Verteilung der Wärmestromdichte längs der Rohrregister Bei Rohrmäandern tritt eine Beeinflussung zwischen Vor.9 2. tRL Vor-.09 5. Rücklauftemperatur & & q Anf. deren Größe von der Intensität der Wärmeleitung zwischen beiden nebeneinander liegenden Rohren bestimmt ist. q End Wärmestromdichte am Anfang der Haarnadel.140 1. Letzteres zeigt die ungleiche Effizienz der Wärmeleistung des Vor. die stark vom Idealwert (Rohrverlegung ohne gegensei& & tige Beeinflussung) abweicht. Wegen der günstigeren Vorlauftemperatur kann in der Regel auch ein höherer Anteil Umweltenergie genutzt werden. Kleinere Stromkreislängen gepaart mit kleinen Spreizungen stellen einen optimalen Kompromiss bezüglich Wärmestromdichten und Druckverlusten dar. die Ungleichförmigkeiten dagegen nicht. 9 % auf 16 % und & & Q Rohr . VL / Q Rohr . Dies ergibt weitere Freiheitsgrade bei der Planung der Systeme. von 15 % auf 3%. • • Generell ist eine kleine Temperaturspreizung anzustreben. RL von etwa 3 auf 8 an.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 141 • & Ein hoher Ungleichförmigkeitsgrad q Anf / q End ist erwartungsgemäß mit einer Temperatur im Scheitelpunkt tF. Diese Forderung ist umso notwendiger zu erfüllen. • Die Verwendung eines kleineren Rohrdurchmessers reduziert bei sonst gleichen Parametern die Leistung und die Ungleichförmigkeit gering. und an ein großes Verhältnis Q Rohr . B. Die Ungleichförmigkeit sinkt z. VL / Q Rohr . wie der Übergang von RA = 300 mm zu 150 mm zeigt.und Rücklaufes besonders deutlich. Bericht im Anhang K: "Ortsbezogene Kühlleistung von Massivbauteilen mit integrierten Rohrregistern in Abhängigkeit der Rohrverlegung" (56 Seiten) . Halbiert man beispielsweise die Stromkreislänge und die Spreizung. Beim Einsatz von Kunststoff-Kapillarrohrmatten mit Paralleldurchströmung können derartige Ungleichförmigkeiten nicht auftreten. • Bei kleinen Wasserdurchsätzen infolge hoher Spreizungen und/oder kurzen Rohrlängen treten oftmals laminare Strömungsverhältnisse auf. Die Pumparbeit für die Registerdurchströmung ändert sich in erster Näherung nicht. Bei einer Spreizung von 4 K steigt die Ungleichförmigkeit beispielsweise von ca.Scheitel gepaart. so bleiben der Massestrom und der spezifische Druckverlust im Rohrregister gleich. je besser die Wärmeleitung zwischen beiden Rohren ist. Sie reduzieren die Wärmestromdichten deutlich. die örtlichen Wärmestromunterschiede reduzieren sich jedoch beträchtlich. RL gekop- pelt. Die Leistung.und Raumheizlasten trägheitsarm. in Paneelzahnprofile eingedrückt werden. d. Damit sind die Kapillarrohrmatten für alle Anwendungsfälle geeignet und nach den Abschnitten 1 und 2 auch aus thermodynamischer. Ziel der Forschungs. verbessert wird. Seit 1990 sind etwa 1. Zukünftig wird ein aktiver Fußboden verstärkt auch zu Kühlung genutzt.. h. Zunehmend werden diese Installationen aber auch zum Heizen verwendet. Wände und Fußböden als thermisch aktive Flächen installiert werden. die Montagefreundlichkeit und der Preis stellen die entscheidenden Auswahlkriterien dar. sobald sie von Kalt. Sie arbeiten in der Regel stationär.oder Warmwasser durchflossen werden. eine gutwärmeleitende Verbindung zwischen dem Paneel und dem Rohrregister herzustellen und somit eine große Kühlbzw. • Kunststoff-Kapillarrohrmatten Sie können sowohl in homogene Stoffe eingeformt als auch auf Paneele aufgeklebt bzw. Die vielfältigen Produkte auf dem Markt gliedern sich hauptsächlich in zwei Gruppen: • Rohrregister aus Metall In der Regel werden Kupferrohrmäander eingesetzt. Die Vorteile zeigt der Abschnitt 7. ausgehend von den traditionellen Einsatzgebieten . m² Kühldecken mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten installiert worden. deren Kontakt zum Paneel meistens durch Wärmeleitprofile aus Aluminium hergestellt bzw. Haupteinsatzgebiete: ● Die hauptsächliche Nutzung der thermisch aktiven Flächen erfolgte bisher zum Kühlen von gewerblich genutzten.und Entwicklungsaktivitäten ist es. diese Systeme kompensieren die Raumkühl. klimatisierten Bauten in Form von Kühldecken. die Flexibilität des Produktes hinsichtlich Geometrie und Design. Die Konstruktionen sind sehr gut regelbar. wie aus Abschnitt 6 hervorgeht.5 Mill. Jede thermisch aktive Flächenkonstruktion hat das Problem zu lösen. hydraulischer sowie energetischer Sicht vorteilhaft.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 142 10 Thermisch aktive Flächen am Baukörper Grundsätzlich können am Baukörper im Rohbauzustand Decken. ● Die zweite Entwicklungsrichtung ging in Richtung Heizung von nichtklimatisierten Bauten – beispielsweise Wohnbauten – durch Einsatz von Fußbodenheizungen. Heizleistung zu realisieren. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 143 • • • die vorhandenen Konstruktionen (Komponenten) zu optimieren und neue Komponenten zu entwickeln. Sie können bestehen aus: • • • • Gipskartonplatten (oder Fermacellplatten) mit aufgeklebten Kapillarrohrmatten Gipskartonplatten (oder Fermacellplatten) mit unterseitig tapezierten Kapillarrohrmatten Blähglasplatten (evtl.oder Lamellendecken. Die weitere Betrachtung erfolgt differenziert beginnend bei den derzeitigen Haupteinsatzgebieten. Die Konstruktionsmöglichkeiten für untergehängte Kühldecken sind in den Bildern 10. mit eingeklebten oder mit Magnetbändern angedrückten .1 Untergehängte Kühldecken Die Kapillarrohrmatten werden am Baukörper oberflächennah eingesetzt.1 bis 10. Blechkassetten oder Blechlangfeldplatten auf die Alustrangpressprofile mit angeformten Kanälen und eingedrückten Kapillarrohrmatten aufgeklebt oder aufgelegt sind • freigespannte Kapillarrohrmatten oberhalb von offenen Raster. auch Gipsplatten) mit eingeformten Kapillarrohrmatten Blechkassetten (auch perforiert mit allen denkbaren Lochmustern) mit eingeklebten oder mit Magnetbändern angedrückten Kapillarrohrmatten • Blechlangfeldplatten Kapillarrohrmatten • • Metallkassetten oder Langfeldplatten mit eingeschäumten Kapillarrohrmatten Alustrangpressprofile mit angeformten Kanälen auf der Rückseite und eingedrückten Kapillarrohrmatten • • Dekorglasplatten mit eingeklebten Kapillarrohrmatten Gipskartonplatten.4 beispielhaft gezeigt. wobei stets der universelle Einsatz zum Kühlen und Heizen angestrebt wird. damit die Kühlung dem Raum unmittelbar zugute kommt. 10. optischer Adapter (Schattenfuge) . sind integrierbar. mit aufgeklebten. Luftdurchlässe. so beispielsweise durch Einfügen eines Luftdurchlasselementes oder einer Schattenfuge. Blech usw. Dekorglasplatte Metalldecke (Kassette oder Langfeldplatte mit/ohne Perforation) offene Metalldecke (Langfeldpaneele) Bild 10. Clina (Neu-entwicklung) bestehend aus einem Aluminiumstrangpressprofil mit angeformten.2 Das Aluminiumstrangpressprofil kann auf eine Platte (Gipskarton.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 144 Blähglas Kapillarrohrmatten-System Gipskartonplatte Bild 10. Sprinklersysteme usw. Eine Gestaltung der Unterseiten ist durch beliebige Formgebung (siehe Detail) möglich. Diese Variante ist leistungsmäßig besonders günstig. hinterschnit-tenen Kanälen und eingedrückten Kapillar-rohrmatten Feder Gestaltungselement Luftdurchlasselement Akustikelement Bild 10. Die Kühlleistung steigt bei Hinterlüftung der Paneele. Rauchmeldeeinrichtungen. mit von Magnetbändern gehaltenen oder mit eingeschäumten Kapillarrohrmatten Leuchten.3 Kühldecken auf der Basis des Wärmeleitpaneels nach Bild 10.) aufgeklebt oder angedrückt werden aber auch in freier Gestaltung in Kombination mit anderen Elementen die Kühldecke selbst bilden.1 Untergehängte Kühldecken mit eingeformten.2 Wärmeleitpaneel der Fa. Sie ist auch als Nachrüstvariante geeignet. die Kapillarrohrmatten werden durch entsprechende Konfektionierung angepasst.1 und 10.4 Freigespannte Kapillarrohrmatten über offenen Paneelbzw. sind ohne weiteres integrierbar. Akustikpaneele usw. 10. Es wurden nachfolgende Forschungs. Rauchmeldeeinrichtungen. Rasterdecken Die aus optischen Gründen angeordneten Decken können somit eine beachtliche Kühlleistung übernehmen. Luftdurchlässe. Sprinklersysteme. Es wird stets eine gute Wärmeleitung von der Unterseite der Kühldecke bis zum . • Beliebige Anordnungen von Öffnungen sind möglich in Form von Revisionsöffnungen oder als abklappbare Aktivelemente. Langfeldplatten.3 dargestellten Lösungen sind prinzipiell auch als Wandkonstruktionen möglich. • Leuchten. Alle genannten Lösungen können ausgeführt werden als geschlossene Decken oder als offene Decken – beispielsweise mit Luftspalten – zwischen den Paneelen.1 und 10.3 gezeigten Decken sind architektonisch vielfältig gestaltbar. Kapillarrohrmatte Rasterdecke Wichtige Hinweise: • Die in den Bildern 10. • Die im Bild 10.und Entwicklungsaktivitäten zu Kühldecken durchgeführt.1.1 Algorithmus zur Bewertung und Optimierung von Metall-Kühldecken mit aufgeklebten Kapillarrohrmatten Blechkassetten-Kühldecken mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten werden in großem Umfang angewendet. • Die in den Bildern 10. ist frei wählbar. Architektonisch besonders attraktiv könnten beispielsweise in Einkaufszentren vertikal angeordnete gekühlte Dekorglasvarianten in Verbindung mit den Rückwänden der Vitrinen oder als Werbeträger sein.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 145 Kapillarrohrmatte Bild 10.4 gezeigte Lösung ist besonders kostengünstig. Gipskartonflächen usw. • Die Geometrie der Kassetten. Dies ist in mehreren Veröffentlichungen dargelegt und durch wissenschaftliche Untersuchungen [15] sowie durch Verifikation mit Prüfstandsergebnissen [2.1) & q tmi tF spezifische Leistung (Wärmestromdichte) mittlere Deckentemperatur (Unterseite) mittlere Fluidtemperatur (Wassertemperatur) in den Rohren. Die entscheidenden konstruktiven Einflussparameter auf den Teilwärmedurchgangskoef& fizienten κ und damit auf die Leistung q (Wärmestromdichte) sind • • der Rohrabstand die Intensität der Verbindung zwischen Rohr und Paneel (Blechkassette).und Heizflächen [2] bewährt. Seite 320] auch gut bestätigt worden. Q t1 t0 Vlies Blechkassette ti Der Wärmetransport werde nachfolgend beschrieben: • Bild 10.5 zeigt den Aufbau der zu untersuchenden Kühldecke und relevante wärmetechnisch interessierende Größen. Als charakteristischen Parameter hat der Verfasser deshalb einen Teilwärmedurchgangskoeffizienten definiert κ= & |q| | t mi − t F | (10.5 Kühldecke mit KunststoffKapillarrohrmatten in einer Blechkassette mit Vlies und Kennzeichnung der wichtigsten geometrischen und wärmetechnischen Parameter Die Wärme strömt aus dem Raum mit der operativen Temperatur (Empfindungstemperatur) ti an die Deckenunterseite mit der Temperatur tmi. Dämmung tF B Kunststoff-Kapillarrohr Kleber Wärmestrom. den Wärmeübergang vom Raum an die Unterseite von Kühldecken durch die Basiskennlinie für Fußbodenheizungen gemäß DIN EN 1264 zu beschreiben. Das Bild 10. tm dichte q . Damit gilt . Es hat sich bewährt. da die gleichen physikalischen Bedingungen (Wärmestrom von unten nach oben) wirken. Er hat sich als Qualitätsmaßstab und Komponentenkennwert für Kühl.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 146 Kühlwasser angestrebt. da ti > tmi gilt. Bei perforierten Blechen ist der Lochanteil durch Umrechnung in eine äquivalente Blechdicke zu berücksichtigen.ti|0. t1 > t0 ist die thermi- sche Voraussetzung für diesen Vorgang. relevanten Algorithmen.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 147 (10. • Die Anordnung des Vlieses kann außerdem unterschiedlich sein (Bilder 10. • & Schließlich muss der Wärmestrom Q dann über die Rohrwand an das Wasser übertragen werden.. umso ungünstiger ist dies für den Wärmetransportvorgang. h. d.ti|1.6 Geometrische und wärmetechnische Größen der Kühldeckenkonstruktion mit Akustikvlies auf der Blechlamelle und völlig von der Dämmung umhülltem Rohr Durch die vollkommene Dämmung entstehen keine störenden Effekte. αi = 8.7). • Nach [16] ist eine geschlossene Kühldecke auf der Oberseite zu dämmen. Das aufliegende Vlies ist an diesem Wärmetransport zwischen den Rohren praktisch nicht beteiligt. Wegen der relativ kleinen Kontaktfläche ist der Wärmefluss in der Rohrwand als zweidimensionale Wärmeleitung zu berechnen.2) & q i = 8. die für diese Untersuchung benötigt werden. Alle grundlegenden.1 in W/(m²K).92 |tmi . Als Transportfläche für den Wärmestrom ist die Breite B/2 maßgebend. d. Dämmung tF αF r2 r1 ϕ 0 λR Kunststoff-Kapillarrohr Kleber λV λL δV δL δS.1 in W/m² • bzw. Die Zusammenhänge des Wärmetransports in der Rohrwand basieren auf [18].92 |tmi . Je kleiner die Kontaktfläche zwischen dem Rohr und dem Vlies ist. sodass der Wärmetransport genau berechnet werden kann.. h.6 und 10. je kleiner B ist. sind in [17] ausführlich dargestellt. λS tm αi. Die Wärme strömt im Blech der Kassette zur Rohrberührungsfläche mit der Rippenfußtemperatur t1 < tm. Bild 10. Bezüglich der Wärmedämmung sind grundsätzlich zwei unterschiedliche Arten möglich (Bilder 10.6 und 10. • Der gesamte in einer Symmetriehälfte zwischen zwei Rohren aufgenommene Wärmestrom & & Q = q i RA / 2 muss dann durch das Vlies transportiert werden. tmi= tm RA/2 t0 t1 B Vlies Blechkassette ti .7). Für die Berechnung der Wärmeleitung im Kassettenblech ist eine eindimensionale Wärmeleitung anzusetzen. da λVlies << λStahl gilt. d2 ⋅ RA).7 Geometrische und wärmetechnische Größen der Kühldeckenkonstruktion mit Akustikvlies unter der Blechla-melle und aufliegender Dämmung Die Dämmung auf den Rohren bildet einen Hohlraum.. Variiert wurde auch die Art der Dämmung nach Bild 10. welcher die halbe Breite der Berührungsfläche zwischen Kapillarrohr und Kassette angibt.8. Die Ergebnisse zeigt das Bild 10. Im letztgenannten Fall erfolgte weiterhin eine Variation des Hohlraums (Rohrfläche d2/2 ⋅ RA bzw.. Danach werden die gemessenen Kühlleistungen für • • aufliegende Kapillarrohrmatten bei einem Berührungswinkel ϕ0 = 2° . Kapillarrohrmatten in Kassetten mit Mikropor-Beschichtung Diese Konstruktion ist am Hermann-Rietschel-Institut der TU Berlin mit den Normleistungen • • 58.SP gemessen worden. große Winkel (beispielsweise 25°) bilden eine Klebevariante nach.7. Der Winkel ϕ0.SP und 96002. Der Einfluss der unterschiedlichen Modellierungen – einhüllende Rohrdämmung und aufliegende Dämmung mit verschiedener Hohlraumhöhe – ist nur von untergeordneter Bedeutung.6 und 10. tmi RA/2 t0 t1= t0 B ti Blechkassette λB Vliesbelag auf der Unterseite Bild 10.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 148 Dämmung r2 λR Kunststoff-Kapillarrohr Kleber λL δL δB δS. Die einzelnen Elemente des Wärmetransportes vom Raum bis zum Kaltwasser sind in einem Rechenprogramm verknüpft worden. . 4° geklebte Kapillarrohrmatten bei ϕ0 = 24° . Schließlich muss bei vergleichenden Rechnungen mit Messwerten der genaue Belegungsgrad der Kassetten mit Kapillarrohrmatten ermittelt werden. λS Hohlraum αa ta tF αF r1 ϕ 0 tm αi. Diese Konstruktion wurde mit dem aufgestellten Rechenprogramm nachgerechnet...7 W/m² 75. Es werden Grenzbetrachtungen mit unterschiedlichen Hohlraumgrößen durchge- • führt. Kleine Winkel (beispielsweise 5°) entsprechen einer Konstruktion mit aufliegenden Matten. Es wurde durch Plausibilitätskontrollen und Messungen verifiziert. ist variiert worden.2 W/m² (eingelegte Matten) (eingeklebte Matten) gemäß der Prüfberichte 96001. Die Wärmeströme sind sehr von der Geometrie und Oberfläche des Dämmmaterials abhängig. 27° erreicht. 1111 mit einer Normleistung • 83. Die wärmetechnischen Simulationen ergaben. Kapillarrohrmatten in Kassetten mit innenliegendem Vlies Diese Konstruktion ist an der Prüfstelle der Universität Stuttgart für die Variante – Matten eingeklebt – gemäß Prüfbericht VR95 K27.5 W/m² (eingeklebte Matten) gemessen worden. 84 W/m². Damit sind der Algorithmus und das aufgestellte Rechenprogramm auch durch die Übereinstimmung mit praktischen Messungen sehr gut verifiziert.. . dass diese Variante leistungsmäßig ungünstiger als bei außenliegendem Vlies ist. Der Kleber dringt in das Vlies ein.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 80 W/m² 75 149 Kühlleistung 70 65 60 55 50 0 5 10 15 aufliegende Dämmung kleiner Hohlraum großer Hohlraum rohrumhüllende Dämmung Berührungswinkel ϕ0 20 25 30 Bild 10. Unter diesen Bedingungen ergibt sich eine Normleistung von ca. 50 %. erhöht seine Wärmeleitfähigkeit und bewirkt eine Verfestigung des Vlieses. • Der Klebevorgang bewirkt eine Veränderung der Wärmeleitung im Vlies.2 mm bei aufliegenden Kapillarrohrmatten 1. da der gesamte Wärmestrom durch das Vlies im Bereich der Rohrberührung treten muss.4 mm bei geklebten Kapillarrohrmatten.. 51 W/m² (ϕ0 = 10°) sehr klein. • Die Leistung bei aufliegenden Kapillarrohrmatten ist mit 39 W/m² (ϕ0 = 4°) bzw.8 Kühlleistung der Kassettenkühldecke mit Mikropor35 ° 40 Beschichtung nach den Ergebnissen des Rechenprogramms Die ermittelten Berührungswinkel entsprechen der Realität mit Berührungsbreiten der Röhrchen: • • 0. Damit haben eingelegte Kapillarrohrmatten gegenüber geklebten Varianten eine Minderleistung von etwa 40 % . Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 150 Trends und Schlussfolgerung Zusammenstellung der prozentualen Leistungsveränderungen bei unterschiedlicher Verbindung Matte/Kassette und bei verschiedenen Kassettengestaltungen Mattenverbindung Kassettengestaltung MikroporBeschichtung Vlies 0. Die Platten werden üblicherweise in Dicken von 15 mm und 20 mm gefertigt. ● Innenliegende Vliese bewirken eine größere Wärmedämmung (höhere Isolierwirkung) als außenliegende Beschichtungen. die auf der Basis von schlecht wärmeleitenden Mineralfasermaterial hergestellt sind. ● Bei speziellen Klebevarianten kann dies jedoch gerade umgekehrt sein.3 mm innenliegend ohne Vlies und Beschichtung (nackte Kassette) eingelegt -22 % eingeklebt -40 % bis -50 % -30 % bis -40 % ● Kunststoff-Kapillarrohrmatten sollten in Kassetten stets eingeklebt werden. Bericht im Anhang L: "Optimierung des Wärmetransports in Blechkassetten-Kühldecken mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten in Abhängigkeit der Einbringung" (24 Seiten) 10.2 Entwicklungspotenzial für konventionelle Deckenpaneele zu Kühldecken durch Integration von Kapillarrohrmatten Einen großen Marktumfang haben Deckenplatten. aufgeklebten oder angedrückten Rohrregistern oder Wärmeleitprofilen aus. da verschiedene Kleber das innenliegende Vlies durchtränken und damit die Wärmeleitfähigkeit im Klebebereich stark erhöhen sowie eine Verbreiterung des "Klebefußes" (B) ermöglichen. Wegen des damit verbundenen hohen Wärmedurchgangswiderstandes scheiden Konstruktionen mit aufgelegten.1. Wärmetechnisch kennzeichnend ist die sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit von etwa λ = 0. um die üblicherweise vorhandenen Raum-Kühlleistungen decken und um mit den marktüblichen PreisLeistungs-Verhältnissen konkurrieren zu können.06 W/(m K). . Wasser: 16 °C.07 W/(m K) Nachfolgende Konstruktionsparameter und Teile der Konstruktion werden schrittweise variiert: • • • • • • Plattendicke Abstand der Rohrachse von der Unterseite Rohrabstand Wärmeleitfähigkeit der Platte zusätzlicher Einbau einer Aluminiumlamelle Alukaschierung an der Plattenunterseite.4 W/(m K) δtextiler Belag = 10 mm. Um das Leistungspotenzial im Kühlfall abschätzen zu können. wählt. ta Bei der Platte wird von einem homogenen Material sowie von einer festen und spaltfreien Einordnung der Kapillar- 180 mm Decke aus Stahlbeton rohrmatten ausgegangen.04 W/(m K) Fußboden: δschwimmender Estrich = 45 mm. λ Dämmung = 0.17 W/(m K) ← Äquivalenzwert für den realen Luftraum Luftraum: mit zusätzlicher Folie oder Dämmung Deckenbeton: δ = 180 mm. Kunststoff-Kapillarrohrmatten stellen wegen des engen Rohrabstandes die beste Lösung dar.9 Deckenkonstruktion bestehend aus Deckenplatten mit integrierter KunststoffKapillarrohrmatte. in Betracht. λB = 1.06 W/(m K) δ = 100 mm. λ schwimmender Estrich = 1. Raum: 26 °C). i ti Bild 10. Luftraum. λ = 0. Die Berechnung legt als thermische Randbedingungen die Werte wie bei einer Normprüfung nach DIN 4715 zugrunde (mittlere Temperaturdifferenz: 10 K. mit zusätzlicher zwischenliegender Folie oder mit Dämmschicht an der Unterseite der Massivdecke Luftraum Deckenplatte mit integrierter Kapillarrohrmatte δ ∆i q . wird ein Algorithmus mit Rechenprogramm nach [13] benutzt. Ortbeton und Fußbodenaufbau mit Angabe der geometrischen Abmessungen sowie Kennzeichnung der relevanten wärmetechnischen Größen Platte: δ = 15 mm. λ textiler Belag = 0.4 W/(m K) δDämmung = 30 mm. λ = 0. Als Deckenaufbau wird eine Konstruktion nach Bild 10. die möglichst nahe an der Unterseite der Platte liegen. .9 geqa Belag schwimmender Estrich Dämmung .Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 151 Als Konstruktionsprinzip kommen nur integrierte Rohrsysteme. • Der Einsatz dickerer Kapillarrohrmatten bringt nur eine sehr geringe Leistungssteigerung und ist somit aus wärmetechnischer Sicht nicht gerechtfertigt.5 Verhältnis % 100 77.4×0.7 77. Bei einer Vergrößerung des Abstandes von 10 mm auf 15 mm tritt eine Leistungsminderung bis 11 % ein.7 70.55 4.4×0.90 Rohrabstand mm 10 10 15 15 10 10 15 15 10 & qi W/m² 61.1 51.2 4.5 5. 22 %.3×0. Dies könnte auch unter Zusammensetzen von zwei Platten kleinerer Dicke erfolgen.4×0.1 & q gesamt W/m² 66.1 46.6 46.4 42. • Einen Abstand der Rohrachsebene von der Deckenunterseite von ∆i = 4 mm sollte man nicht überschreiten. Steigt er von 4 mm auf 7 mm an.4 58.0 65.7 4.55 3.4×0. da sie nur Einfluss auf die ohnehin sehr geringe Kühlleistung des Raumes über der Kühlplatte (oberer Raum) hat.55 3.8 68. ∆i Abstand der Rohrachse von unten) Variante 1 2 3 4 5 6 7 8 9 δ mm 15 15 15 15 20 20 20 20 15 ∆i mm 4 7 4 7 4 7 4 7 4 Rohr mm 3.1 4.4 4.3 61.4 & qa W/m² 4.1 99. • Die Abstände der Kapillarröhrchen untereinander sollten klein sein.4×0.55 3.0 71.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 152 Die Simulationsergebnisse sind in Tabelle 10.4 63.55 3.4×0. Denkbare Varianten der Rohreinbringung wären: • Das Fräsen von Nuten und das anschließende Einkleben der Kunststoff-Kapillarrohrmatten.8 103.55 3.3 54.7 4. & Tabelle 10.55 3.1 aufgeführt und leistungsmäßig bewertet.2 58.8 47. so ergibt sich eine Leistungsminderung von ca.9 5. • Die Plattendicke ist nahezu bedeutungslos.1 Kühlleistung q gesamt einer homogenen Mineralwolleplatte mit integrierter Kunststoff-Kapillarrohrmatte (δ Plattendicke.9 51. .1 46.4 42.4×0.4×0.5 88.9 4.55 3.3 54. vorzugsweise 10 mm.6 Aussagen: • Die Kapillarrohre müssen so weit wie fertigungstechnisch möglich nahe an der Deckenunterseite eingebracht werden.8 89. 8 mm gezogene Sicke Kleber Kapillarrohr Bild 10. Der Kleber sollte eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzen und die Rohre vollflächig umschließen. B. Platte gefräste Nut Kleber Aluminiumplatte 0. Platte gefräste Nut Kleber Kapillarrohr Deckplatte Platte Deckplatte gefräste Nut Kleber Kapillarrohr Platte z. Beide Möglichkeiten wurden untersucht. • Einbringen von zusätzlichen Wärmeleitlamellen Diese Lösung ist bei konventionellen Rohrgeometrien (z. In diese Sicken würden dann die Kapillarrohre eingeklebt.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 153 • Das Einbringen von Sicken bei der Fließfertigung der Platten.11 Konstruktive Variante zur Einbringung der Kapillarrohrmatte in Deckenplatten mit unterer Aluminiumkaschierung . ob durch Beimengen von Zusatzstoffen mit guten Wärmeleiteigenschaften eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit wirtschaftlich vertretbar ist. Die Ergebnisse sind in Tabelle 10. So werden bei Fußbodenheizungen im Trockenverlegeverfahren beispielsweise Aluminiumlamellen zur Verbesserung des Wärmetransports zwischen den Rohren angeordnet.2 aufgeführt.5 mm oder Kaschierung Kapillarrohr Bild 10. B. bei Rohrmäandern) üblich.10 Konstruktive Varianten zur Einbringung der Kapillarrohrmatten in die Deckenplatten Zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit der Platte gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten: • Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit des Materials Es ist zu untersuchen. 1 & qa W/m² 4. so tritt keine Leistungssteigerung ein.4 4.11).9 Basiskonstruktion plus zusätzliche Alulamelle aufliegend auf der Platte: Dicke 0. • Eine aufliegende Alulamelle bringt überhaupt keine Leistungsverbesserung.5 mm ⇒ Bild 10.4×0.08 W/(m K) 10 15 4 3.55 3.3 128.9 & q gesamt W/m² 66.4×0.55 10 15 61.06 W/(m K) 1 Veränderte Wärmeleitfähigkeit der Platten: λ = 0.55 10 68.9 4.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 154 & Tabelle 10.90 10 10 20 79.4 84.8 100. . Dies liegt an dem zu großen Abstand vom Rohr und an der ohnehin sehr günstigen Rohrteilung bei Kunststoff-Kapillarrohrmatten (10 mm bzw.2 70.9 Aussagen: • Bereits eine geringe Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit des Plattenmaterials (0.0 100.4×0.5 mm 11 12 15 15 4 4 3.7 61.9 4.2 75.6 66.0 89.3×0.4×0.55 3. Bei diesen Konstruktionen besteht in Abhängigkeit der technologischen Machbarkeit noch Optimierungsbedarf.06 W/(m²K) ⇒ 0. ergibt sich eine Steigerung der Kühlleistung um 28 %. Belässt man allerdings die Tiefe der Rohrachsen bei 4 mm – wie bei der Basisvariante –.2 Kühlleistung q gesamt von Konstruktionen mit verbesserter Wärmeleitung zwischen den Rohren der integrierten Kunststoff-Kapillarrohrmatte (δ Plattendicke.0 73. wenn damit eine Verringerung von ∆i entstünde (Bild 10.4×0.3 110.08 W/(m²K) ) bewirkt eine beachtliche Leistungssteigerung von etwa 11 %.11 13 14 15 15 15 20 2 4 2 3. Eine Leistungserhöhung könnte jedoch bei einem extrem gut wärmeleitenden Anschluss der Kapillarrohrmatten an das Alublech erreicht werden.9 4. Bei Einsatz einer dicken Matte mit dem großen Rohrabstand von 20 mm erbringt die Reduzierung der Verlegetiefe eine Leistungssteigerung um 14 % bezogen auf die Basisvariante.4×0.3 5.4 66.55 Rohrabstand mm 10 & qi W/m² 61.1 54.0 Basiskonstruktion plus zusätzliche Alulamelle als untere Kaschierung: Dicke 0. Wird beispielsweise ein Abstand von 2 mm realisiert. ∆i Abstand der Rohrachse von unten) Variante δ mm 15 ∆i mm 4 Rohr mm 3.55 4.9 4. • Eine Aluminiumlamelle unter der Platte könnte dagegen sehr vorteilhaft sein.2 113.1 58. 15 mm).1 Verhältnis % 100 Basisrechnung: λ = 0. 7 Die Dicke der Deckenplatte von 6 mm unter der rohrführenden Schicht reduziert die Kühlleistung der Gesamtkonstruktion gegenüber der Basisvariante um ca.12 mit integrierter Kunststoff-Kapillarrohrmatte (δ Dicke der Kleberschicht. wird ein Wert von 0. Die Kühlleistung ist in Tabelle 10.1 Verhältnis % 100 Basisrechnung: λ = 0. Die Ergebnisse in Tabelle 10. ist noch eine sehr hohe Leistung (128 % gegenüber der Basisvariante) möglich. 10.4 verdeutlichen. Selbstverständlich sollte dann in der rohrführenden Schicht ein Kleber mit guter Wärmeleitfähigkeit – beispielsweise λ = 1 W/(m K) – Verwendung finden.15 W/(m K) für Kiefer.3 Entwicklungspotenzial für Holzpaneele zu Kühldecken durch Integration von Kapillarrohrmatten Analog zu den Mineralwolleplatten mit gefrästen Rillen oder zur Sandwichkonstruktion ist auch der Einsatz in geleimten Holzplatten denkbar. . könnte mit zwei dünnen Platten (6 mm) eine Sandwichkonstruktion nach Bild 10. λ = 1 W/(m K) ⇒ Bild 10.12 Sandwichkonstruktion bestehend aus zwei dünnen Platten und einer Kleberschicht & Tabelle 10.55 10 48.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 155 Wollte man die Fräsung bzw. Selbst wenn der Verlegeabstand aus technologischen Gründen auf ∆i = 6 mm gesteigert werden muss.06 W/(m K) 1 Sandwichkonstruktion: Plattendicken je 6 mm. dass aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des Holzes und des kleinen Rohrabstandes sehr große Kühlleistungen erreichbar sind.2 W/(m K) für die Berechnung angenommen.1.9 5.12 16 8 4 3. Fichte.12 aufgebaut werden.4×0.1 & qa W/m² 4.3 enthalten. 18 %.1 54.3 Kühlleistung q gesamt einer Sandwichkonstruktion nach Bild 10.24 W/(m K) für Sperrholz liegt. Lärche und λ = 0.55 Rohrabstand mm 10 & qi W/m² 61.4×0.0 81. λ = 1 W/(m K)) Variante δ mm 15 ∆i mm 4 Rohr mm 3. Deckplatte Deckenplatte Kleber Kapillarrohr Bild 10. Da die Wärmeleitfähigkeit von Holz zwischen λ = 0. beispielsweise nach Bild 10. die Herstellung einer gezogenen Sicke vermeiden.13.9 & q gesamt W/m² 66. 0 84. Würde man die Kapillarrohrmatten in einer Tiefe von ∆i = 5 .7 139.55 3.8 79.4 Entwicklungspotenzial für Perlit.4×0.4×0.9 106.09 W/(m K).5 & Kühlleistung q gesamt einer Blähglasplatte mit integrierter KunststoffKapillarrohr-matte (δ Plattendicke.13 Sandwichkonstruktion bestehend aus einem Holzpaneel mit eingefrästen Rillen zur Einbringung von Kapillarrohrmatten mit Kleber und einer Deckplatte aus Holz (verleimt) Die Gesamtdicke der Konstruktion wird mit 15 mm und der Abstand vom unteren Rand bis zur Rohrachsebene mit 4 mm angenommen.2 5.6 60.8 99.06 W/(m K) 1 Blähglaspaneel: λ = 0..und Blähglasplatten zu Kühldecken durch Integration von Kapillarrohrmatten Kunststoff-Kapillarrohrmatten sind ohne weiteres in Blähglasplatten integrierbar.1 4.1 10.55 3.9 4.55 10 61.9 & q gesamt W/m² 66.13 17 18 15 15 4 6 3.4×0.7 . Damit entsprechen die Maße der Basisvariante.4×0. Tabelle 10. ∆i Abstand der Rohrachse von unten) Variante δ mm ∆i mm Rohr mm Rohrabstand mm & qi W/m² & qa W/m² & q gesamt W/m² Verhältnis % Basisrechnung: λ = 0.4 Kühlleistung q gesamt einer verleimten Holzkonstruktion nach Bild 10.55 10 10 65.13 mit integrierter Kunststoff-Kapillarrohrmatte (δ Plattendicke.5. Die Wärmeleitfähigkeit von Blähglas beträgt λ = 0.1 Verhältnis % 100 Basisrechnung: λ = 0.9 5.06 W/(m K) 1 15 4 3.09 W/(m K) 19 20 20 20 5 6 3.2 128. 6 mm einbringen.4×0. & Tabelle 10.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 156 Deckplatte Holzpaneel gefräste Nut Kleber Kapillarrohr Bild 10.9 66. ∆i Abstand der Rohrachse von unten) Variante δ mm 15 ∆i mm 4 Rohr mm 3.0 70.55 10 10 86..4 5.1 100 Holzpaneel: λ = 0. so ergeben sich die Werte gemäß Tabelle 10.2 92.1.1 & qa W/m² 4.20 W/(m K) ⇒ Bild 10.4×0.55 Rohrabstand mm 10 & qi W/m² 61.6 65. 5 Entwicklung und Optimierung eines Wärmeleitpaneels Es wurden Wärmeleitpaneele aus Aluminiumstrangpressprofilen mit einklipsbaren Kapillarrohrmatten verschiedener Durchmesser nach den Bildern 10.1. Üblicherweise werden ca.14 sind verschiedenartige Decken zugeordnet worden. 15 PC für maximal 30 Schüler bzw.6 Entwicklung und Optimierung einer Lamellenkühldecke Eine sehr leistungsstarke und zugleich kostengünstige Kühldecke ist im Bild 10. . Die Wärmeleitfähigkeit von Perlit ist nicht bekannt.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 157 Die Kühlleistung für Blähglasplatten nach Tabelle 10. sodass RLT-Anlagen mit Kühlfunktion erforderlich sind. die gut mit Messwerten korrespondieren. Die spezifische innere Kühllast liegt bei etwa 100 W/m². Bild 10.3 entwickelt und optimiert. Einem Grundsystem gemäß Bild 10.5 ergibt je nach Einbettungstiefe Werte. Studenten bereitgehalten.2 und 10.3 mm) pro Paneel gegeben. 10.4 gezeigt. Sie wurde in verschiedenen Variationen experimentell untersucht und in einem Sanierungsbauvorhaben an der Westsächsischen Hochschule Zwickau (FH) zur besten Zufriedenheit der Nutzer in einem Rechnerpool realisiert [19]. Bericht im Anhang M: " Thermodynamische Voruntersuchung zum Einsatz von KunststoffKapillarrohrmatten in Deckensystemen von OWA für Kühlzwecke " (71 Seiten) 10.4 mm oder 4.14 Clina-Wärmeleitpaneele als thermisch aktives Grundsystem installiert im Prüfraum nach DIN 4715 an der Westsächsischen Hochschule Zwickau (FH) Eine ideale Leistungsanpassung ist durch die Dichte der Paneele und die Anzahl der Röhrchen (Durchmesser 3.1. dürfte aber etwa in der Größenordnung des Blähglases liegen. Für die freie Aufhängung von Kapillarrohrmatten (da = 3. Die Vorteile dieses Kühldeckensystems sind: • 60 50 geringe spezifische Kosten für die Kühldecke . Die Nutzer klagten häufig über Zugerscheinungen und über zu laute Geräusche durch den Betrieb der Klimatruhen.15) wurde in einem Prüfraum eine Norm-Kühlleistung von 89 W/m² – bezogen auf die aktive Fläche – bei optimalen Behaglichkeitsparametern gemessen. Decke Kapillarrohrmatten frei hängend Lamellendecke Lamellenbreite 85 mm 15 mm Spalt Bild 10. auch um die Funktion der Kombination Kühldecke-Quellluft in diesem speziellen Einsatzfall messtechnisch zu erfassen und zu bewerten.16 Rechnerpool während der Montage und im fertiggestellten Zustand mit Quellluftsystem und einem Abluftgitter in der Deckenmitte Die Hängungen für die Paneeldecke tragen auch die Kapillarrohrmatten.4 mm. Die Einrichtung eines weiteren Rechnerpools an der Hochschule bot die Gelegenheit zur Erprobung des Systems Kapillarrohrmatte über Paneeldecke.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 158 In den vergangenen Jahren wurden diese Rechnerpools in der Regel mit einer horizontalen Strahllüftung über Lüftungsgitter zur Deckung des hygienisch notwendigen Außenluftanteils und mit Kühltruhen ausgestattet. Die zentral aufbereitete Zuluft wird über ein Quellluftsystem eingebracht. RA = 10 mm) über einer Paneeldecke (Bild 10. Die Kapillarrohrmatten werden mit 16 °C-Kaltwasser aus dem vorhandenen Netz über eine vorgefertigte Wärmeübertragerstation beaufschlagt. zusätzliche Befestigungen waren nicht erforderlich.15 Anordnung der Kapillarrohrmatten über der Paneeldecke Bild 10. 2 Kühldecken und Kühlwände direkt am Baukörper Die Kühlfläche mit Kapillarrohrmatten kann an den Baukörper auch direkt angebracht werden.17. Den Aufbau einer solchen Konstruktion zeigt Bild 10. Sprinklersysteme usw.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 159 • • • • hohe Leistung der Kühldecke bei optimaler Behaglichkeit nachträgliche Installationen im Deckenbereich jederzeit möglich einfachste Montage der Kapillarrohrmatten am Hängungssystem der Paneeldecke minimale Abstimmung der Gewerke. • Beliebige Anordnungen der Öffnungen sind möglich. die Kapillarrohrmatten werden durch entsprechende Konfektionierung angepasst. einer gestrichenen Decke. Die Oberfläche entspricht einer geputzten oder tapezierten bzw. . Rauchmeldeeinrichtungen. können berücksichtigt werden. Oberfläche Kunststoffputz oder nach Verspachtelung Anstrich Öffnungen für Kabeldurchgänge. die Oberfläche erhält einen Kunststoffputz oder einen Anstrich. 10. die am Baukörper "tapeziert" und verspachtelt werden.17 Kühlfläche direkt an der Decke oder an der Wand angebracht (Putz oder Profilfolie mit integrierten Kapillarrohrmatten). Die Weiterentwicklung der normalen Putzdecken mit integrierter Kapillarrohrmatte ist in mehreren Richtungen möglich: ● ● ● ● Einsatz der Profilfolie Verwenden von Rauputzen Putze mit einer veränderten Wärmeleitfähigkeit Einsatz von Akustikputz für Kühldecken. Der Aufbau besteht aus: • • Putz mit integrierten Kapillarrohrmatten Profilfolie mit integrierten Kapillarrohrmatten. • Die Geometrie der Kühlfläche ist frei wählbar. Betondecke (Tragkonstruktion) Putz Putz Kapillarrohrmatten-System Betondecke (Tragkonstruktion) Profilfolie Kapillarrohrmatten-System Profilfolie Putz Anstrich Bild 10. Alle vier Möglichkeiten sind bezüglich ihres Entwicklungspotenzials abgeschätzt und experimentell überprüft worden. Aufgaben: • • • Ermittlung der Oberflächenvergrößerung aus einem Putzprofil mit einfachen Mitteln Modellierung der Wärmetransportvorgänge für die in der Folie integrierte Kapillarrohrmatte Auswirkung der Oberflächenvergrößerung und Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit auf die Kühlleistung aller Putzsysteme.1 Oberfläche von Rauputzen Für eine Spritzputzfläche gibt es – im Gegensatz zu Ziehputzgestaltungen – keine bevorzugte Richtung. Knauf MP 75 Akustik-Spritzputz der Fa. wird dieses durch zwei Dreiecke approximiert. Bild 10. aufgenommen. aus einem linearen Schnitt ausreichende Informationen über die Oberflächenstruktur zu erhalten.. wodurch sich die Oberfläche zum Raum größer als die Projektionsfläche – die Deckenfläche – ergibt.20). Um die Größe eines Raumflächenelementes zu bestimmen.19 beinhaltet einen Beispielverlauf mit 11 Stützstellen für das Höhenprofil längs der x-Achse. Der Algorithmus zur Flächenermittlung basiert auf der Vektorrechnung. um später ein entsprechendes Flächenquadrat nachzubilden.22 zeigt.10 W/(m K). die zu einem Grundquadrat gehören. wie das Bild 10. xmax) abgelegt. Die x-Gitterpunkte beginnen bei 0 und enden bei der beliebigen Zahl xmax. Die Berechnung der Dreiecksflächen wird für beide Faltungsvarianten durchgeführt und jeweils die Flächensumme gebildet.18 zeigt wie aus einer Putzfläche eine Achsrichtung ausgewählt wird. 10. Diese vier Punkte spannen im allgemeinen Fall eine räumlich gekrümmte Fläche auf (Bild 10. Das Ergebnis wird unter h(x = 0 . Dabei gibt es zwei Möglichkeiten.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 160 Die Wärmeleitfähigkeit für Putze beträgt nach Firmenangaben: • • Normalputz der Fa. da seine Oberfläche relativ rau ist. Für den Wärmeübergang erweist sich die Struktur des Akustikputzes aber vorteilhaft. STO λ = 0. welches später der Abstand eines quadratischen Gitters verkörpert. Die x-Koordinate ist dabei ganzzahlig.2. Mittels Zufallsgenerator wird ein Gebirge mit der gleichen Verteilung der Höhen – wie auf der Achse x vorhanden – erzeugt (Bild 10. . herausgegriffen.35 W/(m K) λ = 0. Das Bild 10. Die niedrige Wärmeleitfähigkeit des Akustikputzes gründet sich vor allem auf den hohen Porengehalt.. Somit ist es möglich.21). Entlang einer Achse x wird das Höhenprofil des Putzes in konstantem Abstand ∆G. Der Größtwert findet bei der Gesamtflächenermittlung Verwendung. Zur Ermittlung der Oberfläche werden jeweils vier Punkte einer Deckfläche. 19 Der Verlauf im Bild 10. y+1) z(x.21 Fläche im Raum als Teil des Gebirges. y+1) ∆G z(x+1. y) z(x+1.18 Putzfläche mit einem zu simulierenden Auswahlgebiet und einer Achse entlang derer das Höhenprofil aufgenommen wird Bild 10. y+1) z(x+1. y) z(x+1. y) Bild 10. wobei die Projektionsfläche ein Quadrat bildet z(x+1.19 entspricht dem gemessenen Höhenverlauf an der Stelle y = 0.22 Möglichkeiten der Approximation der von vier Punkten aufgespannten Raumfläche durch zwei Dreiecke bei unterschiedlicher Annahme der Faltung . z(x. verallgemeinertes Höhenprofil 2 0 10 8 6 4 y z 2 0 0 2 2 4 6 8 10 Höhenverlauf gemessener x Bild 10. y) ∆G z(x. y) Bild 10. y+1) 2. Wec z(x. y) z(x. die durch vier Punkte aufgespannt wird. y+1) 1. Wec ieck hseldre reieck z(x+1. y+1) z(x. Dreieck ei Dr e ck 2.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 161 Putzfläche 2 h (x) ausgewähltes Untersuchungsgebiet 1 0 0 1 2 ∆G 3 4 5 6 7 8 9 10 x x=0 xmax Bild 10.20 Mathematisch ermitteltes "Gebirge" aus den Grunddaten des Bildes 10. hseld 1.19 Höhenverlauf der Putzoberfläche entlang der x-Achse mathematisch erzeugtes. 75 . 1.3) bzw.80 .82 ca.83 f = 1. Bei sehr kleinen Abständen könnte man sich in die Theorie der Fraktale von MANDELBROT begeben.23 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Faktor f und der relativen Rauheit.452 r)-1 2 für r = 0 ..039 – 0.9 1 relative Rauheit r Bild 10. Beispiele: 10×10 Gittereinheiten2 54×54 Gittereinheiten2 109×109 Gittereinheiten2 f = 1.6 1.23 Zusammenhang zwischen der Flächenvergrößerung f und der relativen Rauheit r Für die relative Rauheit von 1 gilt der Verlauf nach Bild 10. Pr ojektionsfläche ≡ Grundfläche Zugehörig zu der eindimensionalen Rauheitsverteilung nach Bild 10.. 1.81 ..19 gleich 1 gesetzt.5 0. Damit sind grundsätzlich gute Approximationsmöglichkeiten für die Ermittlung und zur theoretischen Darstellung der Oberfläche von Rauputzen gegeben.4 0..Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 162 Die Flächenvergrößerung gegenüber der Projektionsfläche wird als Quotient f angegeben: f= berechnete Oberfläche des Deckgebirges .1 0.3 0. .8 0. Die Vergrößerung der Wärmeübertragerfläche wirkt auf die Anteile Konvektion und Strahlung sehr unterschiedlich.2 0... Die Dezimalen stellen die entsprechenden Teile der Höhen dar.90 f = 1.491 r)-1 für r = 0.21) wird ∆G ≈ 1 mm gewählt.4 f 1. 1. mit dem richtigen Wert für r = 0 f = (1 – 0.19 und Bild 10... 9 % ca. 1.19 sind die Berechnungsergebnisse der Flächenvergrößerung f von der Gebietsgröße abhängig.01 .7 0.2 f* 1 0 0. Die Zusammenhänge seien an dem detaillierten Höhenverlauf erläutert.7 % ca. 1. Für eine reziproke Achsteilung f und eine lineare Teilung für die relative Rauheit r ergibt sich nahezu eine Gerade: f* = (1. (10.6 % Das Bild 10. technisch realistisch zu bleiben.. 1 (10..19. Der Gitterabstand (Bild 10.6 0. um praktikabel in der Durchführung bzw.8 1. Letztere ist für den Verlauf gemäß Bild 10.4) f 1. 0. B. (10..Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 163 Die kleinen Poren im Akustikputz sind zwar mit Luft gefüllt. h.20). wird vorgeschlagen.973 – 0. Der Strahlungsflächenfaktor s – bezogen auf die ebene (grüne) Grundfläche AG – ist im Bild 10. als Folge der Rauheit führt nur zu einer relativ geringen Strahlungszunahme an die Umgebung. Ursache dafür ist die mit der Rauheit wachsende Eigenverschattung.5) Eine große Oberflächenvergrößerung. Die mathematische Approximation im Bereich f = 1 . Der Gitterabstand ∆G ist so zu wählen. werden aber nicht von ihr durchspült. sodass hierfür keine Konvektion angenommen wird. Da für übliche Baumaterialien ε = 0. die durch die Öffnung nach außen tritt. die in den Raum an Wände. . zum Boden usw. Nach einem Vorschlag von KAST wird sie durch ein höheres Emissionsverhältnis ε' > ε erfasst [20]. aber es tritt infolge der gegenseitigen Verschattung (Eigenbestrahlung) eine Behinderung der Strahlung auf. Für spezielle Geomet- rien der Vertiefungen liegen Berechnungsgleichungen für ε' vor. Die reale Oberfläche ist größer als die grün angedeutete Ebene.24 in Abhängigkeit der Oberflächenvergrößerung f dargestellt. Die detaillierten Betrachtungen wurden mit einem eigens dafür entwickelten Rechenprogramm für unterschiedliche Rauheiten durchgeführt. Sie ist höher als die Eigenemission... Inhalt der Untersuchung ist das Feststellen der Strahlung der rauen Oberfläche. Dieser Ansatz werde für die Poren im Putz verwendet. Für ein bereits hohes Emissionsvermögen ist die Steigerung relativ gering. Wände oder Fußboden) wie dies bei einer glatten Oberfläche der Fall wäre. beispielsweise folgt für ε = 0.93 gilt.01 f + 0. die Strahlung eines jeden Oberflächenteilchens des Deckenputzes in den Halbraum trifft nicht zwangsläufig die übrigen Raumumfassungen (z. Aus der Sicht des Hohlraumes handelt es sich um die Flächenhelligkeit.95 zu rechnen. Die Vertiefungen wirken bezüglich der Strahlung wie Öffnungen von Hohlkörpern. Für die makroskopische Rauheit des Putzes – P o re n im P u tz R a u h e it d e r P u tz o b e rflä c h e Vertiefungen hinter der grünen Linie – sollen die Strahlungsvorgänge detaillierter betrachtet werden.037 f 2. dass nur der violette Verlauf betrachtet wird. gelangt. Diese sichtbare Oberflächenvergrößerung findet dagegen volle Beachtung (Bild 10. für sehr poröse Putze mit einem leicht erhöhten Wert ε = 0.95. 2 lautet: s = 0.9 im praxisrelevanten Bereich maximal ε' = 0. D. Aus ihnen treten außer der normalen Strahlung (Eigenemission) der Oberfläche noch die im Inneren des Hohlraumes wirkenden reflektierten Anteile hinzu. 02 1 1 Approximation nach Gl. (10.5) Ergebnisse der Programmberechnung 1.5 α = 4. b Einzelheiten über die Substitution von αS = ε σ b und über b finden sich beispielsweise in [21].67⋅10-8 W/(m2K4)) Temperaturfaktor (für Kühldecken gilt b ≈ 1⋅108 K3).04 1.1 W/(m²K).6 1.24 Strahlungsflächenfaktor s in Abhängigkeit der Oberflächenvergrößerung f nach Rechenwerten und einer Approximation Oberflächenvergrößerung f Der Wärmestrom an eine Kühldecke durch Konvektion und Strahlung ergibt sich mit der zugehörigen Temperaturdifferenz zu: & & Q = q AG = (αK AG f + αS AG s) (tRaum – tKD) & & Q = q AG = (αK f + ε σ b s) AG (tRaum – tKD) (10.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 164 1.55.45 zu 0.j Ai / Σ Ai) Emissionskoeffizient der rauen Fläche (Normalputz ε = 0. (10.08 1.6) für die Wärmestromdichte . Nach Gl. (10.2) gilt für den Gesamtwärmeübergangskoeffizienten an Kühldecken: α = 8.92 ∆t0.06 1.4 1.46 ∆t0.1 Strahlungsflächenfaktor s 1.1 W/(m²K).8) Es folgt nach Substitutionen in Gl. sodass stark vereinfachend gesetzt werden kann: αK ≈ αS ≈ 0.6) mit den Größen & Q & q Gesamtwärmestrom Wärmestromdichte ebene Grundfläche (Fläche in der Gitterebene ≡ Projektionsfläche des Deckgebirges) Flächenvergrößerungsfaktor infolge der Rauheit (Oberfläche des Deckgebirges / AG) Strahlungsflächenfaktor infolge der Rauheit (Σ Φi.(10.8 2 Bild 10.95) AG f s ε σ Strahlungskonstante (5.93.7) Bei Normprüfbedingungen beträgt das Verhältnis Konvektion zu Strahlung etwa 0.2 1. (10. Putz mit hohem Porenanteil ε = 0. 165 f 2) (tRaum – tKD)0.46 (f + s) (tRaum – tKD)0.8 2 ν = αrau / α 16 15 1.4 1.415 f + 0. α (10.6 Temperaturdifferenz tRaum – tKD = 10 K 8K 7K 6K αrau 14 13 12 11 10 9 8 1 1.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 165 & q = (αK f + αS s) (tRaum – tKD) = 4.1 W/(m²K).26 Erhöhungsfaktor ν nach Gl.3 1. Bericht im Anhang N: "Untersuchung der Kühlleistung von Decken mit KunststoffKapillarrohrmatten und Rauputz bzw.34 + 4.11) Er ist im Bild10.5) αrau = (4.2 1. woraus sich der Gesamtwärmeübergangskoeffizient für raue Flächen αrau ableitet: αrau = 4.2 1. 18 W 17 m²K 1.1.46 (f + s) (tRaum – tKD)1. die für Fußbodenheizungen und glatte Kühldecken gilt. Insgesamt ist festzustellen.4 1. dass die Vergrößerung des Wärmeübergangskoeffizienten infolge der rauen Putzoberfläche beachtlich ist.11) für den Wärmeübergangskoeffizienten infolge der Rauheit der Oberfläche im Verhältnis zum Wert bei einer glatten Oberfläche gemäß Basiskennlinie Bezogen auf den Wärmeübergangskoeffizienten α für glatte Kühldecken folgt ein Erhöhungsfaktor ν= α rau .8 2 3K 4K 5K 1K 2K Oberflächenvergrößerung f Oberflächenvergrößerung f Bild 10.6 1.6 1.9) Im Fortgang ergibt sich mit Gl.25 Gesamtwärmeübergangskoeffizient (Konvektion plus Strahlung) für raue Putzdecken im Kühlbetrieb bei verschiedenen Temperaturdifferenzen in Abhängigkeit der Oberflächenvergrößerung Für f = 1 entspricht der Wert der Basiskennlinie nach DIN EN 1264/2.4 1.2 1. (10. (10.1 W/(m²K). Bild 10.26 dargestellt und gilt unabhängig von der Temperaturdifferenz.10) Die Erhöhung des Strahlungsanteiles durch die hohe Porenoberfläche wurde in dieser Berechnung nicht berücksichtigt. Akustikputz unterschiedlicher Geometrie" (80 Seiten) . (10. (10.5 1.1 1 1 1. Gipskarton Spachtelmasse Glattstrich oder Putz ca. die aus den vorgenannten Einzelaussagen zusammengestellt wurde. • Bei der bisherigen Putzkühldecke ergab sich bei Normuntertemperatur eine Leistung von 79.und Rauputz zugeschnittenes Modell entwickelt.. Das Simulationsmodell ist am genormten Berechnungsverfahren der DIN EN 1264/2 verifiziert worden [13]. Die Leistungsberechnung wird für den Einbaufall in einem Normprüfraum vorgenommen. homogene Rippe. Den zugehörigen Deckenaufbau zeigt das Bild 10.. 8 mm Bild 10.2 Berechnungsmodell für heterogene Putzkühldecken mit Kapillarrohrmatten In [13] ist ein Berechnungsmodell für ein Trockenfußbodenheizungssystem mit einer Profilfolie und integrierten Kapillarrohrmatten aufgestellt worden.2. Dies entspräche einem Leistungszuwachs von ca. Sie sind für homogene und heterogene Putzdecken im Anhang N detailliert aufgelistet. 20 %.2. Bei gleicher Wärmeleitfähigkeit des Putzes von λ = 0.3 W/m²) überein. 10. zusätzlicher Akustikputz ca. Die Ergebnisse sind im Anhang N zusammengestellt.35 W/(m K) folgt nunmehr eine Wärmestromdichte von 94. Auf dieser Grundlage wurde ein spezielles für eine Kühldecke mit Glatt. aufgebrachte Zusatzputz ist modellgemäß an der horizontalen Wärmeleitung nicht beteiligt.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 166 10. Zwischen den Rohren bilden beide Komponenten eine äquivalente.27 Aufbau und Geometrie der heterogen aufgebauten Putzkühldecke Bei der wärmetechnischen Simulation werden die Folie und der Glattstrich unter dem Rohr als zwei wärmeleitende Rippen um das Rohr betrachtet.27. . 4 .8 W/m².1 W/m².3 Kühlleistung bei Vergrößerung der Oberfläche und der Wärmeleitfähigkeit Die Simulation der Kühlleistung von Putzdecken mit integrierten Kapillarrohrmatten ergab umfassende Ansatzpunkte zur Leistungssteigerung. 2 . Hauptaussagen: • Der heterogene Deckenaufbau verspricht bei sehr guter Ausführung (keine Luftspalte bei exakter Verspachtelung) infolge der dünnen Putzschichten große Leistungen.6.. Der evtl.5 mm Profilfolie ca. Die Tabelle 10. 4 mm 12. ermöglicht einen schnellen Überblick über die erreichbaren Größenordnungen. Dieser Wert stimmte sehr gut mit der vorliegenden Normprüfung (80.8 mm Kunststoff-Kapillarrohrmatte da/di RA evtl.. 0. er stellt somit einen normalen Wärmeleitwiderstand zum Raum dar. .5 ⇒ 1. 0% ⇒ 20 % 7% +5 % 0% ⇒ 40 % +13 % +9 % 0. Die Variationen der Dicke und der Wärmeleitfähigkeit des Glattstriches ergaben nur sehr kleine Leistungsveränderungen (< 2 %).3 +49 % +13 % +21 % 0.2 +27 % 0. 6 %.0 +4 . Tabelle 10.1 ⇒ 0. gut wärmeleitende "Stützgerüste" im Putz denkbar.6 Matrix von Beeinflussungsmöglichkeiten bei thermisch aktiven Putzen Rohrabstand 15 mm ⇒ 10 mm Oberflächenvergr. • • Die Vergrößerung der Oberfläche bewirkt eine große Leistungssteigerung (f = 1. Eine Erhöhung der Oberfläche des Akustikputzes bewirkt nur einen sehr geringen Zuwachs.1 ⇒ 0..3 +40 % Bericht im Anhang N: "Untersuchung der Kühlleistung von Decken mit KunststoffKapillarrohrmatten und Rauputz bzw.1 W/(m K)) eine starke Leistungsminderung.0 0.35 ⇒ 1. Geringere Dicke und größere Wärmeleitfähigkeit des Akustikputzes können zu merklichen Verbesserungen der Leistung führen. Akustikputz unterschiedlicher Geometrie" Wärmeleitfähigkeit W/(m K) Diverses homogene Putzdecke Normalputz Akustikputz Normalputz +4 % +7 % +20 % oberflächennahe Verlegung +28 % dicker Putz 4 mm und hohe Wärmeleitfähigkeit +7% dünner Akustikputz 8 mm ⇒ 4 mm +29 % heterogene Putzdecke (80 Seiten) . 5 % Akustikputz +5 .Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 167 • Die Variation von Putzdicke und Wärmeleitfähigkeit führt zu Leistungsunterschieden bis 7 %.1 ⇒ 0. 6 % 20 % ⇒ 40 % 4% 0. Als Realisierungsmöglichkeiten sind Beimengungen mit guten Wärmeleiteigenschaften bzw...2 bis 13 %). • • • Verringerte Rohrabstände (15 mm ⇒ 10 mm) führten zu Leistungssteigerungen von ca. Ein zusätzlicher Akustikputz ergibt wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit (λP = 0. Die Ergebnisse sind ohne weitere Detaillierung im Bild 10. schwerpunktmäßig über den Wärmequellen angeordnete Kühlflächen bezeichnet. Ihre architektonische Gestaltungsvielfalt ist besonders groß (glatte oder beliebig geschwungene Flächen mit gerader oder krummliniger Berandung). Von besonderem Interesse sind Multifunktionselemente mit integrierten • • Leuchten Luftdurchlasselementen Muster 9 .Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 168 Weiterhin wurden zahlreiche Putzaufbauten und Zusammensetzungen hergestellt und vergleichenden Messungen im Prüfraum der Westsächsischen Hochschule Zwickau (FH) unterzogen. 100 spez. d. das Putzkühldecken mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten besitzen. Gipskarton.3 Kühlsegel und flexible Kühlflächen Als Kühlsegel werden freihängende. Aluminiumstrangpressprofile. "Normkühlleistung" in W/m² 80 60 40 20 Muster 1 Muster 2 Muster 3 Muster 4 Muster 5 Muster 6 Muster 7 0 Muster 8 Bild 10. Einen Teil davon haben neue Entwicklungen bereits erschlossen (siehe auch Bild 6.1 geeignet. h. Streckmetall usw. 10.. Blechpaneele. wird sehr deutlich.28 Ergebnisse von vergleichenden Leistungsmessungen bei Normuntertemperatur 10 K in einem Normprüfraum für Musterelemente (keine Deckenvollbelegung) mit unterschiedlichen Putzaufbauten. Putzzusammensetzungen und Oberflächenstrukturierungen Aussage: Das mögliche Entwicklungspotenzial. Als Materialien sind alle Varianten wie bei untergehängten Decken gemäß Abschnitt 10.28 dargestellt.13). Die Befestigung erfolgt mittels Zugseilen analog wie bei Zeltplanen.4). fest installiert sein. da die kalte Luft am Boden verbleibt. 10. Leistungsdaten werden in der Tabelle 10. die auch als Werbeträger nutzbar sind Beide Systeme arbeiten trägheitslos – sobald sie vom Kaltwasser durchflossen werden – und sind somit sehr gut regelbar. diese bis zu einem gewissen Grad verschiebbar anzuordnen. Clina gelten die Kennlinien nach den Bildern 10.30 sowie 10. auch mit flexiblen Kühlflächen zu arbeiten (Bild 10.29).8 genannt. inwieweit durch eine veränderte Materialwahl die UV-Strahlung zugelassen werden kann. Prinzipiell gibt es zwei Konstruktionsvarianten: • freihängende Kapillarrohrmatten Eine direkte Besonnung der Matten darf nicht auftreten bzw. Weiterhin gibt es zahlreiche Möglichkeiten. • Stoffsegel mit integrierten Kapillarrohrmatten Die Matten sind von Stoffbahnen aus einem Glasseidengewebe eingehüllt. Abschnitt 6. Verschiedene Entwicklungen sind im Rahmen des Forschungsthemas – vor allem aus technologischer Sicht in Verbindung mit Aluminium-Schichtenplatten – erfolgt.4 Kühlleistungen von Raumkühlflächen mit Kapillarrohrmatten Zur Kühlung wird in der Regel Kaltwasser mit einer Temperatur von 16 °C verwendet. Die Farbgebung oder Beschichtung – beispielsweise Aluminium Foliebeschichtung – des Gewebes ist beliebig.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 169 • • Rauchmeldeeinrichtungen Sprinklerköpfen usw. Die Kühlleistung des Bodens wird bei Komfortbauten durch die Mindestlufttemperatur von 21 °C und den zulässigen vertikalen Lufttemperaturgradienten von 2 K/m begrenzt vgl. Sie können dauerhaft. Zudem ist der Wärmeübergangskoeffizient niedrig. es muss abgestimmt werden.29 Flexible Kühlflächen in beliebiger ebener oder gekrümmter Anordnung in Form der freihängenden Kapillarrohrmatte oder umhüllt von beliebig gestalteten Stoffen – vor-zugsweise von Glasseidengeweben –. Für Produkte mit Kapillarrohrmatten der Fa.7. Die Leistungen sind nach DIN 4715 messtechnisch zu ermitteln (Normleistung für eine mittlere Untertemperatur von 10 K).31 und die Normkühlleistungen nach Tabelle 10. . wobei die Leistungen für die speziellen Einsatzbedingungen vom Hersteller zu bestätigen sind. aber es ist auch denkbar. Bild 10. Clina Die Leistungen offener.30 Kühlleistungen von Decken und Wänden in Funktion der Raumübertemperatur von Erzeugnissen der Fa.3 ..tW (Raumtemperatur .mittlere Wassertemperatur) 4 6 8 10 12 K 14 Bild 10. Dicke 35 mm geschlossene Kühldecke geschlossene Kühldecke geschlossene Kühldecke 70.4×0.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 170 160 W/m² Kühlleistung qi .4×0.55 mm. Clina in Funktion der Raumübertemperatur Tabelle 10.4×0. RA 10 mm.mittlere Wassertemperatur) Bild 10.8 mm.0 . RA 10 mm.tW (Raumtemperatur . 300 W/m² 250 Kapillarrohre horizontal 3.7 77.90 mm.55 mm.55 mm..31 Kühlleistungen für freihängende Kapillarrohrmatten der Fa. RA 20 mm. RA 15 mm oder 4.55 mm. (94) Putzkühldecke mit eingeputzter Kapillarrohrmatte geschlossene Kühldecke 3. untergehängter Decken liegen je nach Öffnungsverhältnis zwischen den Leistungen der geschlossenen Decken und den Kühlsegeln.3×0.55 mm.4×0.55 mm. Dicke 12. Dicke 10 mm Blähglaskühldecke mit eingeformter Kapillarrohrmatte 3. MP 75 der Dicke 9 mm oder mit gespachtelter Profilfolie Gipskartonkühldecke mit aufgeklebter Kapillarrohrmatte 3. RA 10 mm.3×0.7 Normkühlleistungen (Untertemperatur von 10 K) von konventionellen und neuentwickelten Erzeugnissen mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten der Fa.5 mm Fermacellkühldecke mit aufgeklebter Kapillarrohrmatte 3. Clina Konstruktionsart Einsatzvariante Kühlleistung W/m² 80. freihängendes Kühlsegel Blechkassette mit Vlies geschlossene Decke Langfeldplatte ohne Vlies mit Luftspalt 140 120 100 80 60 40 20 4 Form C Form A Form A* e ngs utz klu für P ic al tw En tenzi po Form B Putz che liesen Kunststoffputz auf einem Putzträger lflä F dküh Wan 5 6 7 8 9 10 11 12 K 13 14 ti . s = 20 mm Kühlleistung 200 150 100 50 0 2 Kapillarrohre vertikal 3.3 70. s = 10 mm 4.4×0.4×0. s = 15 mm ti . Als charakteristische Merkmale gelten die Formen der Rohrregister.4×0. Verlegetiefe 35 mm 4K 19 Kühlleistung in W/m² 6K 28 8K 37 10.30 mm.3×0.9 mm. auch perforiert offene Kühldecke.55 mm.. 70 .oder Rasterdecke mit freigespannter Kapillarrohrmatte 4.4×0. sehr gut bewährte Konstruktionen werden modernen Lösungen..5 Konstruktionsart Einsatzvariante Stahlblechkassettenkühldecke mit Vlies und aufgeklebter geschlossene Kühldecke Kapillarrohrmatte 3...9 mm und einer Wärmeleitfähigkeit λR = 0.55 mm.8 mm ) Kühldecke mit Fugen 95.. Kassette lackiert Stahlblechpaneelkühldecke mit vollflächig verklebter Kapillarrohrmatte 3..55 mm oder 4..4×0.35 W/(m K) ausgewählt.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 171 Kühlleistung W/m² 83. RA 10 mm. 80 100 ..5 Fußbodenheizungen mit Kapillarrohrmatten Klassische. 185 Leistung auf Projektionsfläche der Matte bezogen Tabelle 10.4×0...3×0. aber deren Marktanteil noch sehr gering ist. gegenübergestellt. Die Röhrchenabstände betragen RA = 20 mm und RA = 30 mm.55 mm. die Estrichdicken sowie die Arten der Fußbodenbeläge..8 Rechnerische Kühlleistung des Bodens als Funktion der Untertemperatur Konstruktionsart Betonestrich mit Fliesen.3×0. 135 90 . 90 .. 1001) ca. Matten freihängend Kühlsegel frei angeordnet Matten freihängend ca. Für schwimmende Estriche und Heizestriche gelten die Anforderungen nach DIN 18560/02 mit .4×0.0 Kühldecke seitlich offen und evtl.21 W/(m K). Die Rohrabstände betragen RA = 150 mm und RA = 300 mm.55 mm sehr stark konstruktionsabhängig Paneel. RA 10 . horizontale textile Kühlsegel mit Kapillarrohrmatte 3. die zwar erprobt sind. eingegossene Kapillarrohrmatte 4. RA 10 mm Freihängende Kapillarrohrmatten 3. Paneel lackiert Kühlsegel mit Kapillarrohrmatte 3.3×0. RA 20 mm. Clina aus PP mit den Abmessungen 4.8 mm. Die markantesten Unterschiede bestehen in der Form der Rohrregister: • Für die klassische Bauart wird aus der Vielzahl der Varianten ein vernetztes PE-Rohr mit den Abmessungen 17×2 mm und einer Wärmeleitfähigkeit λR = 0. • Grundlage für die neuzeitlichen Konstruktionen bildet eine spezielle Kunststoff-Kapillarrohrmatte der Fa. RA 20. 20 mm Belegungsgrad der Matte unterschiedlich Freihängende. Nach DIN 18560/02 sind Abweichungen der Estrichnenndicke bei den Bauarten A1 und A3 auf dE = dR. Gegenüber den üblichen Einsatzbedingungen sind nachfolgende Änderungen kennzeichnend: Die Heizwassertemperatur liegt unter 40 °C (Obergrenze bei Heizestrichen sind 60 °C).außen + 30 mm zulässig.2 W/(m K)) betrachtet. Für die Estrichnenndicke gilt dE = dR. können nach unten aber nachgeben..010 0.15 mm Bauart A2 Heizestrich >15 mm Bei den klassischen Varianten werden meistens die Bauarten A1 und A2 eingesetzt. • Bei den neuen Konstruktionen soll die Bauart A3.002 0.2 1. Für alle Heizestriche betrage nach DIN EN 1264 die Wärmeleitfähigkeit λE = 1. Die Fußbodenheizflächen sind jeweils mit Parkett oder mit Fliesen belegt: Belag Parkett Parkett Kleber Fliesen Fliesen Kleber Dicke m 0.4 Wärmeleitwiderstand m²K/W 0. Für die weiteren Berechnungen gilt eine Estrichdicke von 40 mm.2 W/(m K). wenn dies entsprechende Eignungsprüfungen nachweisen. h.050 0. Diese Schicht liegt auf einem Trockenestrich der Dicke 25 mm (λTE = 0. 15 mm betragen.008 0. Gewählt werden eine Estrichnenndicke von 67 mm und eine Dicke der Unterschicht von ca. Für die weiteren Betrachtungen bildet die Bauart A2 die Grundlage.außen + 50 mm.. 5 mm. • Um das Entwicklungspotenzial von Fußbodenheizungen mit Kapillarrohrmatten im Nassverlegesystem abschätzen zu können..Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 172 Bauart A3 den Bauarten: • Heizestrich Bauart A1 Heizestrich 5. wird als Vergleichsvariante eine Einbettung der Kapillarrohrmatten in einer Kleberschicht von 10 mm Dicke (λK = 1.3 mm könnten somit Estrichdicken von 35 mm realisiert werden. d..0 1. Bei einem Röhrchen-Außendurchmesser von 4. die Matten schwimmen bis zu einer oberen Lagearretierung auf.014 .. Die Estrichschicht unter dem Rohr darf 5 . Die nach DIN 18560 Teil 2 aus technologischen Gründen geforderte Überdeckungshöhe des Estrichs über den Heizelementen von mindestens 25 mm bzw. etwa dem Dreifachen des Größtkorns des Zuschlages ist in dem Fall zu überdenken. Die im Estrich eingelegten Kapillarrohrmatten sind durch eine besondere Technologie (Gebrauchsmuster-Anmeldung der Fa.2 0. in Sonderfällen A1 Anwendung finden.005 Wärmeleitfähigkeit W/(m K) 0. Clina) während der Estricheinbringung beweglich.21 W/(m K)). 1 = 0.0 W/(m K) δi.1 = 0.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 173 Die Deckenaufbauten sind selbstverständlich für alle Varianten einheitlich gewählt: Bauelement Wärmedämmung Deckenkonstruktion Dicke mm 50 150 Wärmeleitfähigkeit W/(m K) 0.2= 0.2 = 1.020 m x x l = 0.1 = 0.020 m ∆a = 0.1 W/(m K) y Bild 10.oder Fliesenbelag Bild 10.21 W/(m K) Kapillarrohrmatte: d2/d1= 4.050 m λa.34 dargestellt.010 m λi.04 W/(m K) Betondecke: δa.150 m λa.21 W/(m K) Dämmung: δa.und Deckenaufbauten und die wärmetechnischen Größen der verwendeten Schichten sind in den Bildern 10.3 = 2. 0.005 m λi.1 = 0.2 W/(m K) Fliesen mit Kleber: δi.4 W/(m K) ti = 20 °C tW.1 Die Fußboden.050 m λa.030 m λR = 0.005 m λi.04 W/(m K) Betondecke: δa.1 = 0.150 m λa.2 = 1.030 m λR = 0. Abstand 20 mm und 30 mm) in einer Kleberschicht auf einer Trockenestrichplatte und geklebtem Parkett.04 W/(m K) Betondecke: δa.1 = 0.040 2.5 mm. Abstand 150 mm und 300 mm) im Estrich und geklebtem Parkett.2 W/(m K) ∆i = 0.2 = 1.1 = 1.1 = 0. l = 0.010 m λi.0 W/(m K) δi.2 W/(m K) Fliesen mit Kleber: δi.1 = 0.2 = 2.013 m tW.33 Neuzeitliche Fußbodenheizung mit einer Kapillarrohrmatte (Rohr 4.3×0.025 m λa.21 W/(m K) Dämmung: δa.34 Sonderlösung einer Fußbodenheizung mit einer Kapillarrohrmatte (Rohr 4.1 W/(m K) Kapillarrohrmatte: d2/d1= 4.2 W/(m K) ∆i = 0.150m . w = 0.5 m/s λ = 1. Parkett mit Kleber: δi.2 = 0.1 W/(m K) y ta = 15 °C y ta = 15 °C Bild 10.1 m/s λ = 1.150 m λa.1 = 0.9 mm.35 W/(m K) oder Parkett mit Kleber: δi.3 = 0.5 mm.2 = 0.2 = 0. w = 0. w = 0.32 bis 10.3/2.005 m λi.0 W/(m K) δi.4 W/(m K) oder ti = 20 °C tW.1 = 0.1 = 0..1 = 1.010 m λi.1 = 0.050 m λa.oder Fliesenbelag ta = 15 °C .4 W/(m K) ti = 20 °C Rohr d2/d1= 17/13 mm λR = 0.1 = 0.2 = 2.2 = 0.3×0.oder Fliesenbelag Parkett mit Kleber: δi.1 = 0.010 m λi.300 m Dämmung: δa.005 m oder x Trockenestrichplatte: δa.32 Konventionelle Fußbodenheizung mit einem Rohrregister (Rohr 17×2 mm.1 = 0.010 m λi. l = 0.2 W/(m K) Fliesen mit Kleber: δi.2 W/(m K) ∆i = 0.3/2.2= 0.054 m ∆a = 0.9 mm.2= 0.005 m ∆a = 0.1 = 1.1 m/s λ = 1. Die Höhenlage der Kapillarrohrmatten wird zusätzlich variiert.010 m λi.. Abstand 20 mm und 30 mm) im Estrich und geklebtem Parkett. mittlere Wassertemperatur ist von grundlegendem Interesse.5. Eine Berechnung mit realen Größen zeigte jedoch die Kleinheit des Fehlers (bezogen auf die Übertemperatur nur ca. 0.9 zeigt die Ergebnisse in zusammengefasster Form. ta = 15 °C. Sie werden ermittelt. . Die Raumtemperaturen betragen: ti = 20 °C. 9 K niedriger. • Die Temperaturwelligkeit reduziert sich von ca.4 K ⇒ bei kleinerem Rohrabstand (20 mm statt 30 mm) ca. des Trockenestrichs unterhalb der Kleberschicht und bezogen auf den Parkettbelag. • Die erforderliche. 3 K bei der konventionellen Konstruktion mit RA = 300 mm bei Einsatz von Kapillarrohrmatten auf 0 K. • & Die vergleichenden Berechnungen werden für eine raumseitige Heizleistung q i = 50 W/m² vorgenommen.1 Stationäre Leistungsberechnung Vereinfachend wird in allen Varianten nur in der rohrführenden Schicht die Wärmeleitung zweidimensional betrachtet. Dies ist eine gute Näherung bezogen auf die Dämmschicht unterhalb des Heizestrichs bzw. • Nach DIN EN 1264/02 sind die maximalen Oberflächentemperaturen (senkrecht über dem Rohrscheitel) auf 29 °C begrenzt. 0. 0. • Die mögliche Absenkung der mittleren Heizwassertemperatur innerhalb der Variantenreihe der Kapillarrohrmatten beträgt: ⇒ bei verringerter Verlegetiefe (10 mm statt 20 mm) ca.6 K. da deren Wärmeleitfähigkeiten viel kleiner sind als die Wärmeleitfähigkeit der rohrführenden Schicht. um die exergetische Bewertung der Systeme nach Abschnitt 2 vornehmen und um anschließend das dynamische Aufheizverhalten untersuchen zu können.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 174 10. Es ist eine weniger gute Näherung bei Vorhandensein eines Fliesenbelages. Alle anderen Schichten unterhalb und oberhalb der rohrführenden Schicht leisten somit rechnerisch keinen Anteil am horizontalen Wärmetransport.4 K ⇒ bei Ausschöpfung des Entwicklungspotenzials (Trockenestrich) ca. Schlussfolgerungen aus der stationären Berechnung: • Die mittleren Heizwassertemperaturen liegen bei den neuzeitlichen Fußbodenheizungen ge- genüber der konventionellen Konstruktion mit RA = 300 mm Rohrabstand um ca. 1 %). Die konventionellen Verlegevarianten sind aufgrund der großen Rohrabstände am meisten benachteiligt. Tabelle 10. 2 Neuzeitliche Fußbodenheizung Bild 10.7 24.6 30 (10) 24.8 27.8 24.5 300 (54) 23. 0.8 24.8 26.9 20 (30) 24.3 20 (10) 24.2 30 (10) 24.8 29. • Die Zeitschrittweite beträgt bei den Kapillarrohrmatten ∆τ = 0.1 20 (30) 24.8 24.5 s gewählt.8 24.3 38.8 30 (20) 24.8 24.8 24.0 30 (20) 24.3 150 (54) Fliesen 24.6 25.8 24.33 20 (35) Parkett 24.7 24.8 24.8 24.8 27.0 26.9 Ergebnisse der stationären Berechnung für q i = 50 W/m² und ti = 20 °C Rohrabstand Belag Oberflächentemperatur mittlere Wassertemperatur (Rohrtiefe) min. 14 und bei den üblichen Fußbodenrohren aus 22 Gitterpunkten.8 27.5.7 26.8 24.8 27.8 24.8 24.5 s bzw.8 20 (35) Fliesen 24.4 20 (10) 24.5 30 (35) 24.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 175 & Tabelle 10.8 27.8 29.0 Neuzeitliche Fußbodenheizung (Entwicklungspotenzial) mit Trockenestrichplatte Bild 10. .8 24.4 30 (30) 24. vorzugsweise als Quadrat approximiert.0 32.6 30 (35) 24.8 28. • Die Untersuchung erfolgt für die konstanten Raumtemperaturen ti = 20 °C und ta = 15 °C.2 Instationäres Verhalten (Aufheizvorgang) Die Untersuchung erfolgt mit einem Algorithmus nach [13] mit folgenden Besonderheiten: • Das Rohr wird als Rechteck.8 28.8 24.8 29.8 29.7 25. °C mm Konventionelle Fußbodenheizung Bild 10.6 36.8 Konstruktion 10.8 28.8 24.8 29.4 300 (54) 23.8 24. λR) aus der gegebenen Wassertemperatur bestimmt wird.8 27.9 20 (20) 24.7 20 (20) 24.4 s.2 30 (30) 24. indem der Wärmestrom vom Rohr an das Bauteil im vorhergehenden Zeitschritt berechnet und für das reale Rohr (di/da.8 28.32 150 (54) Parkett 24. °C max.5 26. Es besteht bei den Kapillarrohren aus 12 bzw.9 26.9 28. bei den konventionellen Rohren wurde ∆τ = 2.34 20 (10) Parkett 24.8 24. • Die Rohroberflächentemperatur wird den realen Verhältnissen angepasst.4 30 (10) 24.7 20 (10) Fliesen 24.6 25.0 30.8 28.4 30 (10) 24. zwischen den .0 min 400 h Aufheizzeit bis 90 % 6. • Bei mittiger Mattenlage im Estrich und RA = 30 mm ergibt sich gegenüber der konventionellen Systeme mit RA = 300 mm eine Reduzierung der Aufheizzeit auf 15 % (Parkett) bzw. 22 % (Fliesen). dann reduziert sich die Aufheizzeit der Kapillarrohrvariante auf ein Viertel bzw.3×0. Kapillarrohrmatte 4. für konventionelle und neuzeitliche Bodenheizungen (ti = 20 °C) Schlussfolgerungen aus der instationären Berechnung: • Fußbodenheizungen mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten zeichnen sich infolge der geringeren Trägheit durch bedeutend kürzere Aufheizzeiten aus als konventionelle Systeme. Rohrsysteme W/m² im Kleber im Estrich 17×2 mm im Estrich 67 mm 50 100 % 90 % RA = 300 mm 40 RA = 150 mm 30 20 10 0 0 1.9 mm konvent. Dadurch vollzieht sich auch in horizontaler Richtung. auf ein Drittel.2 spez.0100 h 100 200 300 500 600 60 Heizleistung Heizleistung W/m² Kapillarrohrmatte 4.8 500 600 700 80 200 4. Wärmekapazität J/(kg K) 1000 Als signifikante Ergebnisse werden die Aufheizzeiten τ90% bis zum Erreichen der Heizleistungen & q i = 45 W/m² betrachtet.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 176 • Die mittlere Wassertemperatur tW springt zur Zeit τ = 0 auf den Wert.9 mm konvent.3×0. • Für die instationären Berechnungen gelten die ergänzenden Annahmen: Baustoff Estrich. h. • Der Fliesenbelag wurde bei der instationären Berechnung in die zweidimensionale Betrachtung einbezogen. d.3300 h min 80 400 500 600 700 6. Rohrsysteme 17×2 mm im Estrich 67 mm im Estrich 50 im Kleber 100 % 90 % RA = 300 mm 40 RA = 150 mm 60 30 mm Matte mittig im Estrich 40 mm Aufheizzeit 700 min 30 20 10 0 0 1. Eine Dämpfung bei Temperatursprün- gen ist eingebaut. Die Bauteiltemperatur entspricht zu Beginn der Raumtemperatur 20 °C. der im stationären & Berechnungsfall die Heizleistung q i = 50 W/m² ergibt.5 100 30 mm Matte mittig im Estrich 40 mm Aufheizzeit 200 300 500 600 700 min 200 h300 4. die eine Endleistung von 50 W/m² ergibt.7 h Aufheizzeit bis 90 % Bild 10.35 ersichtlich. Kleber oder Estrich plus Fliesenbelag Dichte kg/m³ 2100 Wärmeleitfähigkeit W/(m K) 1. Bei den Kapillar- rohrmatten sind jeweils nur der ungünstigste und der günstigste Verlauf dargestellt. Die Aufheizverläufe sind aus Bild 10.5 h 0.35 Heizleistung in Funktion der Aufheizzeit bei mittlerer Wassertemperatur. Wählt man als Bezugswert das konventionelle System mit RA = 150 mm. 35 deutlich. analytisch nach [21] oder mittels FEM.6 Leistungsermittlung von geschlossenen.und Konvektionsverhältnisse ergeben sich im Normalfall durch bekannte thermodynamische Raumverhältnisse. Außerdem ist es sinnvoll. Geschlossene Wärmeübertragerflächen sind nicht hinterlüftet. wodurch die vergrößerte Speicherfähigkeit und die damit verbundene verlängerte Aufheizzeit teilweise kompensiert wird. Diese bewirkt bei großen Rohrabständen eine Verkürzung der Aufheizzeit. Die Wirkung zeigt Bild 10.1! Bericht im Anhang O: "Untersuchung der Anheizvorgänge in Fußbodenheizungen mit Estrichverlegung" (22 Seiten) plus zugehörige Rechnerausdrucke beim Verfasser 10. Kühlflächen auch zur Raumheizung einzusetzen. Die Wärmeleitung innerhalb des Elementes kann mit wärmetechnischen Simulationsmodellen mathematisch sehr gut nachgebildet werden.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 177 Rohren eine verstärkte Wärmeleitung. Damit lassen sich die Wärmetransportvorgänge mit theoretischen Mitteln eindeutig erfassen. Die Strahlungs. B. thermisch aktiven Flächen – Normung Die rasante Entwicklung der thermisch aktiven Flächen zur Raumkühlung – beispielsweise der Decken und Wände – führte zu einer Vielzahl von Lösungen. Für die Wärmestromrichtung von oben nach unten hat sich nach [2] der Gesamtwärmeübergangskoeffizient α = 6. Er folgt aus der sogenannten Basiskennlinie der DIN EN 1264/02. Bei der Planung dieser variantenreichen Systeme. • Im Gegensatz dazu wird die Leistung von Fußbodenheizflächen durch eine genormte Berechnung nach DIN EN 1264/02 bestimmt. • Das Entwicklungspotenzial bezüglich kürzerer Aufheizzeiten ist bei Einsatz von Kapillarrohrmatten in einer Kleberschicht auf einer Trockenestrichplatte besonders groß. • Die Leistungsprüfung von Raumkühlflächen hat nach der DIN 4715/01 durch Messung in einer genormten Prüfkabine zu erfolgen. Eine Zusammenfassung der stationären und instationären Ergebnisse zeigt das Bild 1. die zudem mit sehr unterschiedlichen Oberflächendesigns versehen werden. Für Kühldecken ist beispielsweise in Analogie zur Fußbodenheizung wegen der gleichen Wärmestromrichtung von unten nach oben der Gesamtwärmeübergangskoeffizient übernehmbar.7 W/(m²K) bewährt. . z. kann die Frage nach den Normleistungen kaum noch beantwortet werden. 36 gezeigten Putzkühldecke mit der Kapillarrohrmatte 3. Für die gleiche Decke ergeben sich die im Bild 10.7 mm) Punkte der Normkennlinie Messungen nach DIN 4715/01 Kühlleistung 70 60 50 40 30 Temperatur für Normleistung 20 Kapillarrohrmatte 4.4×0. Gipskarton 12. Clina bei einer Raumtemperatur von 26 °C in Abhängigkeit der mittleren Wassertemperatur für zwei unterschiedliche Mattentypen sowie der Vergleich mit Messwerten einer Normprüfung Für Heizdecken existiert kein Normprüfverfahren.37 verdeutlichen die sehr gute Übereinstimmung (Simulation: 1. Im Bild ist beispielsweise eine Kapillarrohrmatte 4. Die Ergebnisse im Bild 10.0 mm) 10 14 16 18 20 22 °C 24 mittlere Wassertemperatur Bild 10.36 Geometrie der Putzkühldecke mit Kennzeichnung der einflussreichen Variationsparameter Kapillarrohrmatte 3.55 mm wurde gemessen und mittels Simulation überprüft. der auf einer Lösung der LAPLACEschen Differentialgleichung für zweidimensionale Temperaturverteilung nach FAXÉN basiert [13] (siehe auch Anhang P).37 Kühlleistungen einer Putzdecke mit KunststoffKapillarrohrmatten der Fa. ∆i = 9. dass auch veränderte Konstruktionen leistungsmäßig simuliert werden dürfen. wenn Messwerte zur Verifikation verfügbar sind und mit dem geprüften Modell lediglich Parametervariationen erfolgen. RA = 20 mm (∆a = 4.5 % Minderleistung).38 dargestellten Wärmestromdichten.3×0. ∆i = 10.8 mm. Es ist gut vorstellbar.8 mm. die bewährte Simulationsmethode auch hierfür einzusetzen. Zur Leistungsbestimmung von Putzkühldecken mit Kapillarrohrmatten existiert ein Algorithmus. Die Leistung der im Bild 10.3×0. RA = 15 mm (∆a = 2.8 mm eingetragen.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 178 Damit kann man die "Ermittlung der Normleistung" aus einem definierten Wärmeübergangskoeffizienten der thermisch aktiven Flächen zum Raum und der Nachbildung der Wärmeleitung im Paneel "zusammensetzen". .4×0. Damit ist die Sicherheit gegeben.5 mm.5 mm ∆a ∆i Putz 100 90 W/m² 80 RA Kunststoff-Kapillarrohrmatte da×δ Bild 10.55 mm. Die Randbedingungen der Simulation bezüglich des Wärmestromes zum oberen Raum sind angelehnt an die Prüfkabine nach DIN 4715/01 zu formulieren. Eine zusätzliche Sicherheit ist gegeben. RA = 20 mm temperatur für zwei unterschiedliche (∆a = 4. Hierfür wurde der modifizierte Algorithmus auch bereits verifiziert [13. RA = 15 mm (∆a = 2. Clina bei einer Raumtemperatur von 20 °C in Abhängigkeit der mittleren WasserKapillarrohrmatte 4.38 Simulierte Heizleistungen einer Putzdecke mit KunststoffKapillarrohrmatten der Fa.5 mm.3×0.8 mm. ∆i = 9. da die DIN EN 1264/02 die Bestimmung der Heizleistung von Fußbodenheizungen wegen der Geometrie der Kapillarrohre und den daraus folgenden konstruktiven Abmessungen ausschließt.und Kühlleistungen für Fußbodensysteme mit Kapillarrohrmatten berechnet werden. • • Das Modell kann bei Berücksichtigung der veränderten thermodynamischen Bedingungen auch zur Bestimmung der Heizleistung von Decken Anwendung finden. 21]. Dies ist zwingend notwendig gewesen.8 mm. In analoger Weise können damit auch die Heiz. Bericht im Anhang P: "Untersuchung der Kühlleistung von Putzdecken mit integrierten Kunststoff-Kapillarrohrmatten verschiedener Geometrie" (57 Seiten) Bericht im Anhang Q: "Vorschlag und Beispiel für eine erweiterte Normleistungsbestimmung geschlossener Kühl.4×0.0 mm) Mattentypen 27 29 31 33 °C 35 mittlere Wassertemperatur Aussagen: • Das Simulationsmodell ist durch die Verifikation mit Messungen nach DIN 4715/01 zur Ermittlung der Leistungen von geschlossenen Kühldecken mit integrierten Kapillarrohrmatten geeignet. Ihr Geltungsbereich ist für mehrere Parameter überschritten. ∆i = 10.55 mm.und Heizflächen mit integrierten Rohrregistern" (18 Seiten) .7 mm) Heizleistung Bild 10.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 179 100 W/m² 90 80 70 60 50 40 30 20 10 25 Kapillarrohrmatte 3. gezielt zu entfeuchten. besteht auch die kostengünstige Möglichkeit. wobei das Kondensat zu sammeln und abzuführen ist.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 180 11 Kühlschächte mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten Um die Lufttemperatur und die Luftfeuchte im Raum auf den erforderlichen Wert zu bringen und zu halten.2 Schacht mit vertikal gespannten Kapillarrohrmatten zur Luftkühlung mittels Kaltwasser und nachgeschaltetem Kühlsegel Der Betrieb des Kühlschachtes und des Kühlsegels kann auch jeweils allein erfolgen. dass auch im Komfortbereich der Einsatz von Kühlschächten oder -säulen wärmephysiologisch vertretbar ist. Die Kaltwasserversorgung erfolgt durch ein Kunststoff-Rohrsystem mit festen oder langzeitbewährten flexiblen Anschlüssen.3 und 11.2 zeigen prinzipielle Anordnungen der Kühlschächte und mögliche direkte Verbindungen zu Raumkühlflächen.4 sind konstruktive Lösungen grundsätzlicher Art angegeben. Bei entsprechender Auslegung kann diese Schaltung "eigensicher" gegenüber Kondensatanfall am Kühlsegel sein. In den Bildern 11.1 und 11. Besonders günstig ist die Kombination mit Raumkühlflächen. Die Anordnung der Luftkühlsäulen ist beliebig. .1 Schacht mit vertikal gespannten Kapillarrohrmatten zur Luftkühlung mittels Kaltwasser links: Umluftkühler rechts: Außenluftkühler Kühlsegel Kühlschacht Bild 11. Bild 11. Die Bilder 11. durch konvektiv arbeitende Kühlkörper im Raum die Luft abzukühlen und evtl. Die Ergebnisse von Abschnitt 4 zeigen. • Die Luftkühler in Schrankform können wie üblich an Wänden aufgestellt werden oder gleichzeitig als Raumteiler dienen. Hotelzimmern usw. Ihre Anordnung erfolgt verteilt über den Grundriss beispielsweise in Großraumbüros. die sehr flexibel den gestalterischen Vorgaben angepasst werden können. Selbstverständlich sind auch Schachtausbildungen hinter Schrankmöbeln möglich.4 Kühlsäule verschiedener Formen: links: Zylindersäule mit gewickelten Kapillarrohrmatten rechts: Massivsäule des Gebäudes mit einer schachtbildenden Verkleidung und vertikal angeordneten Kapillarrohrmatten. Werkstätten usw.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 181 Luft (warm) Eintritt Luft (kalt) Austritt Bild 11. Der Einsatz ist in Büroräumen. gewickelte Kapillarrohrmatten Bild 11. in Atrien kann diese Konstruktion sogar über mehrere Etagen geführt werden. • Die Luftkühler in Säulenform können mit viereckigem oder rundem Querschnitt ausgeführt werden.oder quergespannt werden. Anmerkungen: • Alle vorgestellten Lösungen sind lediglich Grundkonzepte. . gegeben. Verkaufsbereichen. Praxen.3 Kühlschächte in verschiedenen Formen: Schrank in die Raummöblierung integrierbar oder fahrbare rechteckige Säule Bei beiden Konstruktionen können die Matten vertikal. Dies kann z. Algorithmus zur Leistungsberechnung der Kühlschächte 11. Er wird auch als "Schwerkraftumtriebsdruck" oder "Auftriebsdruck" bezeichnet. zweckmäßig sein. Kreuzgegenstrom vom Kaltwasser durchflossen. Sie ist in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit relativ genau berechenbar. bei dem der Auftriebsdruck und der Druckverlust beim Durchströmen des Schachtes sich das Gleichgewicht halten.1 Im vorliegenden Fall werden in einem Schacht mit oberer Lufteintrittsöffnung und unterer Luftaustrittsöffnung hängend Kapillarrohrmatten angeordnet und im Gegenstrom. Die Luft im Schacht kühlt sich dadurch ab. Ein weiteres Einsatzgebiet wird in Gewerberäumen. • Unsicher ist einerseits die Ermittlung des Strömungswiderstandes.bzw. So ist beispielsweise die Lage der Verteilleitungen bezüglich des Strömungswiderstandes nicht genau erfassbar. da die Einordnung der Ka- pillarrohrmatten nicht nach einer ganz strengen Geometrie erfolgt. sodass ein positiver thermodynamischer Umtriebsdruck entsteht. Architektonisch sehr attraktiv können vor allem die freistehenden Säulen gestaltet werden. die Kapillarrohre sind nicht exakt gerade und die Abstandshalter innerhalb der Matten wirken als kaum erfassbare Einzelwiderstände. Für das Kondensat sind im Boden der Schränke oder Säulen Sammelbehälter anzuordnen. Es stellt sich ein Luftvolumenstrom ein. ihre Dichte steigt gegenüber der Raumluft an. Golfraum) gesehen. • • Beliebige Anordnung von Öffnungen ist möglich (Revisions.und Austritte abhängig. • Der Volumenstrom durch den Schacht und damit die Strömungsgeschwindigkeit im freien Schachtquerschnitt ist vom Dichteunterschied zwischen der Luft im Schacht und der Raumluft sowie vom Strömungswiderstand im Schacht einschließlich der Ein.und Reinigungsöffnungen). . • Die Geometrie der Schächte (Schränke und Säulen) ist nahezu frei wählbar. Folgende Gegebenheiten sind relevant: • Die Strömung im Schacht bewirkt eine erzwungene Konvektion. wenn platzsparende Konstruktionen eingesetzt werden sollen oder wenn man mit möglichst hohen Kaltwassertemperaturen arbeiten möchte.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 182 • Zur Leistungssteigerung können kleine Ventilatoren in die Schränke oder Säulen eingebaut und zeitweise zugeschaltet werden. B. bei Fensterlüftung – angezeigt.bzw. B. Werkstätten sowie allgemein in Bauten südlicher Ländern (Mittelmeer. die Kapillarrohrmatten werden durch entsprechende Konfektionierung angepasst. • Die Betriebsweise mit Kondensatbildung ist in Räumen ohne Luftklimatisierung – z. 55 mm • Wärmeleitfähigkeit λ = 0. Die experimentale Untersuchung überprüft stets nur die Kühlleistung als integrale Summe aller denkbaren Einflüsse.1. 11.1 Wärmetechnische Modellierung der Kapillarrohrmatten im Schacht Zu untersuchen sind die beiden in den Bildern 11. ST Schranktiefe HSoben tLe freier Querschnitt SAQe (Eintritt) Kapillarrohrmatten horizontal gespannt Verlauf der Lufttemperatur Gradient gLT Raumlufttemperatur in 1. die im Rahmen der Optimierung zu bestimmen sind. Diese wirkt sich auf die Dichteverteilung und damit auf den Schwerkraftumtriebsdruck aus. auszugehen.21 W/(m K) Variable Werte: • • Schranktiefe Größe der Schranköffnungen (oben und unten) .1 m tR tWe freier Querschnitt SAQa (Austritt) HSunten tLa wLa ±0 Bild 11.1 m tR tWe freier Querschnitt SAQa (Austritt) HSunten tLa wLa ±0 ST Schranktiefe HSoben tLe freier Querschnitt SAQe (Eintritt) Verlauf der Lufttemperatur Gradient gLT Raumlufttemperatur in 1. Es gelten: Festwerte: • Rohrdurchmesser 3.6 dargestellten Formen von Kapillarrohrmatten.5 Schematischer Aufbau eines Kühlschachtes mit vertikal hängenden Kapillarrohrmatten Kapillarrohrmatten Bild 11. Damit ist eine Verifizierung der Einzeleinflüsse nicht möglich. • Des Weiteren ist zwischen der Anordnung der Kunststoff-Kapillarrohrmatten mit vertikalen oder horizontalen Rohren zu unterscheiden. • Die Modellierungen vor allem der Einzelwiderstände können sehr unterschiedlich erfolgen.5 und 11.6 Schematischer Aufbau eines Kühlschachtes mit horizontal angeordneten Kapillarrohrmatten Bei der wärmetechnischen Untersuchung ist von fest vorgegebenen Daten und von variablen Daten.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 183 • Andererseits ist die Temperaturverteilung im Schacht sehr von der eingebrachten Wärmeü- bertragerfläche abhängig.4×0. 55 10 0..6 PrLm 0 . wobei die Größen gelten wLm lÜ νLm r KL NuL αL da λWand Geschwindigkeit im Schacht Überströmlänge (≡ lR) kinematische Viskosität bei Lufttemperatur Zylinderradius (≡ da /2) Krümmungsparameter Nußeltzahl konvektiver Wärmeübergangskoeffizient Außendurchmesser als charakteristische Länge Wärmeleitfähigkeit bei Wandtemperatur tWand .441 Re L PrLm + 0 .95 + K 0 .Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 184 • • • • Schrankhöhe (es interessiert nur der Höhenabstand zwischen den Öffnungen) Anzahl der Kapillarrohre Wassereintrittstemperatur Wasserdurchsatz. Bei Queranströmung gelten: 2 Re1.027 Re −0.1 L L αL = NuL λWand / da .4) Geltungsbereich (10 < ReL < 106) ReL = wLRB lÜ / νLm lÜ = π da / 2 .3) NuL = 2 0. (11.5) (11.1) Geltungsbereich KL = 0. 667 L NuL0 = 0.6) Als Rohrhöhenunterschied von nebeneinanderliegenden Kapillarrohren wird generell angenommen..001 .3 + 0.5 (11.5 9 K 0. Bei Längsanströmung erfolgt die Berechnung gemäß [24] in nachfolgenden Schritten: KL = ν Lm l Ü r 2 w Lm (11.2) (11. .027 + 66.1 (PrLm − 1) L [ ] 2 0. 10000 (11. Konvektiver Wärmeübergang an den Kapillarrohrmatten Der luftseitige Wärmeübergang an den Kapillarrohrmatten im Schacht wird als erzwungene Strömung betrachtet. 667 27. dass nebeneinanderliegende Kapillarrohre um den halben Rohrabstand (sR/2) versetzt sind. (11. dass die "Sicht" von einer Wandung auf die gegenüberliegende verstellt ist. ist die Einstrahlzahl auf die Gesamtheit der Mattenoberfläche ΦSW_M = 1. dass der Schacht stets so mit Kapillarrohrmatten gefüllt ist. (11. Daraus folgt nach der Reziprozitätsbeziehung ΦSW_M ASW = ΦM_SW AM für die Einstrahlzahl Matte Schachtwand: .8) Ableitung folgt aus der Kontinuitätsgleichung (x ≡ 2 Mattenabstände): wLm d2 x da − π a 4 wLm x = wLRB da da d2 da − π a wLRB 4x wLm = wLRB x da Die Berücksichtigung der Rohrreihenanzahl und der Anordnung ergibt die endgültige Nußeltzahl 2 da 1 1 − .7) woraus die Luftgeschwindigkeit im Rohrbündel ausgehend von der Luftgeschwindigkeit im freien Schachtquerschnitt bei mittlerer Lufttemperatur – berechnet als arithmetisches Mittel aus Einund Austrittstemperatur – folgt: wLRB = w Lm . Als Approximationen werden die Angaben in [22] verwendet.3) gelten alle Stoffwerte bei mittlerer Lufttemperatur im Schacht. so dass für das Höhenmaß gilt: sh = sR / 2. (11. Sie gilt aber auch nR → ∞ und wird deshalb allgemeingültig verwendet. π da 1− 4 x (11.10) Bis auf Gl. wenn AM > ASW gilt. Strahlungswärmeübergang an den Kapillarrohrmatten Die Einstrahlzahl an die Schachtwände bezogen auf die Mattenoberfläche ist nur bei Kenntnis der genauen Geometrie zu ermitteln. werden näherungsweise folgende Vorschläge unterbreitet: • Im ersten Fall sei angenommen.9) NuL = NuL0 1 + 3 sh n R wobei diese Gleichung für Reihenzahlen nR < 10 nach GNIELINSKI eingesetzt werden sollte. Da der Strahlungswärmeübergang gegenüber der Konvektion aber in diesem Fall von untergeordneter Bedeutung ist. (11. h.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 185 Dies erfolgt wechselseitig nach oben und unten. Beachte: Bei Versatz der Rohrreihen ist die Anzahl doppelt so groß wie die Rohrzahl pro Matte! Schließlich folgt: αL = NuL λLm / lÜ . D. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 186 (11.12) Der Gesamtwärmestrom ergibt sich zu & Q = π ( d a l R n R + 2 D a L V ) Matten k ∆t mittel (11.11) ΦM_SW = • A SW .bzw. näherungsweise Aufteilungen zu treffen: ΦSW1_M = 1 ΦSW2_M = 1 A ΦM_SW1 = SW1 AM A ΦM_SW2 = SW 2 AM ΦM_SW1 = 0.13) mit den Größen da lR sR nR Matten Da Außendurchmesser der Kapillarrohre Länge der Kapillarrohre Abstand der Kapillarrohre an der Verteilleitung Anzahl der Kapillarrohre Anzahl der Matten Außendurchmesser der Verteil. Sammelleitung .9 angenommen. Bei zwei unterschiedlichen Schachtwänden ASW1 und ASW2 sind entsprechende.9 wenn AM > ASW1 + ASW2 A SW1 A SW1 + A SW 2 A SW 2 ΦM_SW2 = 0.9 A SW1 + A SW 2 AM ΦSW1_M = 0. Der Temperaturfaktor werde um lange Iterationen zu vermeiden b = 1⋅ 108 gesetzt. A SW1 + A SW 2 wenn AM ≤ ASW1 + ASW2 Im Programm wird für die Mattenfläche AM die gesamte Rohroberfläche AR substituiert. der Strahlungskonstanten σ und dem Temperaturfaktor b berechnet sich der Wärmeübergangskoeffizient infolge Strahlung zu αS = Φ εSW εR σ b .9 A SW1 + A SW 2 AM ΦSW2_M = 0. Mit dem Emissionsgrad der Rohre εR sowie der Schachtwand εSW. AM Ansonsten sei ΦM_SW = 0.9 . Wärmestrom (11. • (11.16) Betriebscharakteristik P = P (NTU. R 2 = 2 .17) Für den reinen Gegenstrom-Wärmeübertrager wird die Betriebscharakteristik für die Stoffströme i = 1 oder i = 2 durch die bekannten Zusammenhänge beschrieben: Pi = 1 − exp [ ( R i − 1)NTU i ] . Sammelleitung (≡ nR sR) Wärmedurchgangskoeffizient bezogen auf da mittlere Temperaturdifferenz. wor& aus die charakteristische Größe k A / C W folgt. woraus die Austrittstemperaturen für Wasser und Luft folgen.18) P= NTU . wenn R1 = 1. (Sie wird in der neueren. wenn R1 ≠ 1 1 − R i exp [ ( R i − 1)NTU i ] (11.19) • Der Kreuz-Gegenstrom-Wärmeübertrager wird nach einer neuartigen Untersuchung [23] ap- . (0 ≤ Pi ≤ 1) ′ 2 ′ 2 t1 − t ′ t1 − t ′ (11. NTU 2 = & . R). Aus luft. & & C C 2 1 (11. (0 ≤ R i ≤ ∞ ) .Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 187 LV k ∆tmittel Länge der Verteil. (0 ≤ NTU i ≤ ∞ ) C1 C2 Wärmekapazitätsstromverhältnisse & & C C R 1 = 1 .15) (11.bzw. amerikanischen Litera- tur NTU genannt.mittlere Temperaturdifferenz Die Wärmeübertragung zwischen dem Luft. ebenso der Wasserdurchsatz und damit der Wärmekapazitätsstrom.und dem Wasserstrom wird mit Hilfe der Betriebscharakteristik nach BOŠNJAKOVIĆ für reinen Gegenstrom bei den vertikal gespannten Matten und für Kreuz-Gegenstrom bei den horizontal angeordneten Matten vorgenommen. P2 = 2 2 . Betriebscharakteristik .) Mit dem Verhältnis der Wärmekapazitätsströme R berechnet sich dann die Betriebscharakteristik P.14) Anzahl der Übertragungseinheiten (Number of Transfer Units) kA kA NTU1 = & . Die Wärmeübertragerfäche (Kapillarrohroberfläche) ist bekannt.und wasserseitigem Wärmeübergangskoeffizient folgt unter Beachten des Rohrwärmeleitwiderstandes der Wärmedurchgangskoeffizient. 1 + NTU (11. Es gelten: dimensionslose Temperaturänderungen der Stoffströme ≡ Betriebscharakteristik P1 = ′ ′ t1 − t1′ t′′ − t′ . die gegensinnig zum Luftstrom geschaltet sind.8 erfasst werden. Sie sind in Abhängigkeit von NTU und R sehr unterschiedlich. Wärmestrom der Schachtwände Das wärmetechnische Verhalten der Schrankwände kann näherungsweise mit Hilfe des Modells nach Bild 11.exp (11. Ihr Maximum tritt für NTU = const stets bei R = 1 auf. . Seine Betriebscharakteristik sei Pg genannt. Es gelten: fg = 1 reiner Gegenstrom fg = 0 Kreuzgegenstrom. Bild 11. der den "Gegenstromanteil" angibt. Pk = 1 − + 1 − exp mit y = 1 . Es folgt eine Kurzdarstellung: Die ideale Stromführung stellt der reine Gegenströmer dar. Der unter heutigen Bedingungen eingesetzte. Der Faktor fg ist ein Wichtungsfaktor. (11. schlechteste Wärmeübertrager sei ein Kreuzgegenströmer mit zwei Rohrreihen und zwei Durchgängen.21) Eine Iteration über die Annahme der Austrittstemperaturen schließt diesen wärmetechnischen Berechnungskomplex ab. 2 Rohrreihen.7 Variationsbereiche der Betriebscharakteristika für Wärmeübertrager im Gegenstrom und im Kreuzgegenstrom mit zwei Rohrreihen sowie gegensinnig geschalteten Durchgängen Die Betriebscharakteristik für einen realen Wärmeübertrager folgt näherungsweise dem Ansatz P=Pg f g +Pk (1 − f g ). Nach [24] gilt für die Betriebscharakteristik y 2 y − R 1 NTU 1 y . deutlich.20) 2 2 2 R 1 Es wird von dem pragmatischen Ansatz ausgegangen. 2 Durchgänge. Bild (11.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 188 proximiert. Spezielle Werte für fg sind [23] oder dem Anhang R zu entnehmen.7) zeigt die PBereiche. gegensinnig. dass alle heute real üblichen Hoch−1 leistungswärmeübertrager zwischen diesen beiden Apparaten liegen. die sich zwischen Pg und Pk ergeben. tSW) = κSW ASW (tR .8 Schematische Darstellung der Wärmeströme an der Schachtwand Die Wärmeströme werden an der inneren Oberfläche der Schachtwand bilanziert: Strahlungswärmestrom & Q S = αS ASW (tSW .7 W/(m²K)) Dicke und Wärmeleitfähigkeit der Schachtwand Teilwärmedurchgangskoeffizient der Schrankwand Temperatur der Schachtwand auf der Innenseite Temperatur der Oberfläche der Kapillarrohrmatten Raumtemperatur mittlere Lufttemperatur im Schacht Fläche der Schachtwand.tLm) (11.22) Konvektionswärmestrom & Q K = αK ASW (tSW .tSW) (11. Aus der Bilanzgleichung lässt sich die Temperatur der Schrankwand ermitteln: tSW = α S t Wand + α K t Lm + κ SW t R α S + α K + κ SW (11.24). (11.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 189 tWand Kapillarrohrmatten tSW Strahlungswärmestrom Wärmestrom vom Raum Konvektionswärmestrom tLm tR Bild 11.12) Wärmeübergangskoeffizient infolge Konvektion (αK ≈ αL.23) Raumwärmestrom 1 δ SW & Q Raum = α + λ SW R −1 ASW (tR . grobe Näherung) Gesamtwärmeübergangskoeffizient auf der Raumseite (αR ≈ 7.25) Es gelten die Einzelgrößen: αS αK αR δSW.26) Mit dieser wird dann der Wärmestrom bestimmt.24) Bilanz & & & Q S + Q K = Q Raum . beispielsweise nach Gl. λSW κSW tSW tWand tR tLm ASW Wärmeübergangskoeffizient infolge Strahlung nach Gl. (11. . (11.tWand) (11. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 190 11. 2 ∆pLa = ζa ρ La wLa2 2 (11.27) Druckverlust in der Säule ρ l ∆pLS = λ Schacht + ζ i Lm wLm2 2 dh (11.1. beim Durchströmen sowie bei der Ausströmung und die Berechnung des Auftriebes infolge des Dichteunterschiedes zwischen innen und außen.6 auszugehen. der Gitterform beispielsweise nach [25] zu bestimmen. Für die zu untersuchenden Geometrien ist wiederum von den Bildern 11. lSchacht Durchströmlänge des Schachtes Die Einzelwiderstandsbeiwerte beim Lufteintritt und beim Luftaustritt sind in Abhängigkeit der Öffnungsgeometrie bzw.2 Strömungstechnische Modellierung der Kapillarrohrmatten im Schacht Die strömungstechnische Modellierung hat den Luftmassestrom durch den Schacht zu ermitteln. . Die Simulation beinhaltet deshalb die Berechnung des luftseitigen Druckverlustes bestehend aus den Teilen Druckverlust bei der Einströmung.28) mit den Einzelgrößen ρLe ρLa ρLm ζa ζe ζi λ dh wLe wLa wLm Dichte der Luft am Eintritt Dichte der Luft am Austritt mittlere Dichte des Luftstromes in der Säule Einzelwiderstandsbeiwert beim Luftaustritt Einzelwiderstandsbeiwert beim Lufteintritt Einzelwiderstandsbeiwert beim Luftdurchtritt durch die Säule Rohrreibungsbeiwert für die Schachtdurchströmung hydraulischer Durchmesser des Schachtes unter Beachtung des Rohrbündels Luftgeschwindigkeit am Eintritt Luftgeschwindigkeit am Austritt mittlere Luftgeschwindigkeit in der Säule. am Luftaustritt ∆pLe = ζe ρ Le wLe2 . Er stellt sich als Gleichgewicht zwischen Druckverlust und thermodynamischem Umtriebsdruck ein. Es gelten: Druckverlust am Lufteintritt bzw.5 und 11. Luftseitiger Druckverlust Bei der Ermittlung des Druckverlustes werden für die drei Abschnitte unterschiedliche Dichten und Geschwindigkeiten zugrunde gelegt. In [25] ist ein sogenanntes "Screen" – bestehend aus einem Drahtgeflecht – definiert. Sammelsystemen nahe.31) (11. Vertikale Kapillarrohrmatten Der Rohrreibungsbeiwert bei der Schachtdurchströmung berechnet sich in den Schritten: Hydraulischer Durchmesser dh = 4 A / U A U freier Querschnitt benetzter Umfang (11. Bezüglich der Geometrie kommt diese Form den Mattenhalterungen und den Verteil.und Sammelrohre im Strömungsquerschnitt und die Halterung der Kapillarrohre. Hierbei ist zwischen vertikal und horizontal gespannten KunststoffKapillarrohrmatten zu unterscheiden. Angaben für Querschnittsverengungen sind in [26] allgemeingültig aus der Blendendurchströmung abgeleitet. Der Einzelwiderstandsbeiwert wird durch Einbauten.2 ⋅ 64 / Re 1 = − 2 lg λ ε 2. Section VIII.34) Screen nach Idel’chik [25.32) Rohrreibungsbeiwert für den rechteckigen Schacht λ = 1.51 ε + Re λ 3. Es gelten für den Widerstand X mit der charakteristischen Abmessung dX die Berechnungsschritte: ReLS = wLm dX / νLm qu = freier Querschnitt des Screens gesamter Anströmquerschnitt (11. dies sind die Verteil.71 d h absolute Rauigkeit.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 191 Problematisch gestaltet sich die Ermittlung des Rohrreibungsbeiwertes λ und des Einzelwiderstandes ζ i. 8-6] wL m dx . weshalb die Angaben in [25] (Messwerte sowie Korrelationen) verwendet werden.33) (11.30) (11.29) Reynoldszahl Re = wLm dh /νLm νLm kinematische Viskosität der Luft im Schacht für Re ≤ 2320 für Re > 2320 (11. verursacht.bzw. Erste experimentelle Untersuchungen bestätigten diesen Ansatz für den vorliegenden Fall nicht. zusammengefasst. (11.002293E-11 Re 4 . Der charakteristische Parameter dX ist dann mit da identisch. (11.08 Für diesen Zusammenhang wurde die Approximation ermittelt: kRe = 1.33) bis (11.9.24 150 1.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 2 1 ζ X = 1.162182E-3 ReLS + 4. Die Simulationsergebnisse fanden eine gute experimentelle Bestätigung.3 (1 . .031995E-7 Re 3 + 9.8 .32) bestimmt. LS LS LS (11.qu) + −1 kRe. (11.38) gebildet bzw.39) Einzelwiderstandsbeiwert Der Einzelwiderstand wird bei horizontalen Kapillarrohren aus den Rohrreihen selbst nach den Gln.4846E-5 Re 2 -1. Es gelten: Hydraulischer Durchmesser Der in der Gl. (11. Der Druckverlust im Schacht wird deshalb wiederum nach Gl.01 (11. qu 2 1 1.36) ReLS kRe 50 1. 25] sind bei Kapillarrohrmatteneinsatz (Geometrie.3 (1 .03 400 1. (11.13 200 1.37) Die Berechnung hat für alle Widerstände X = 1 bis X = n zu erfolgen. (11.29) dargestellte.qu) + −1 .38) Horizontale Kapillarrohrmatten Die Ausführungen für Rohrbündelwärmeübertrager in [24. Reynoldszahlbereich) nicht anwendbar.31) und (11.44 100 1. übliche Zusammenhang dh = 4 A / U wird wegen der diffusen Geometrie der Kapillarrohrmatten-Register mit waagerecht verlaufenden Röhrchen und senkrechten Verteilerrohren volumenbezogen gebildet. woraus dann der Einzelwiderstandsbeiwert für das Rohrbündel folgt: n ζi = ∑ζ X =1 X . dh = VL AO 4 A H Re gister 4 VL = U H Re gister AO Luftvolumen im Schacht benetzte Oberfläche im gesamten Schachtvolumen ohne obere und untere Deckflächen.28) unter Verwendung der Gln.35) wenn ReLS < 400 300 1. ζX = qu 192 wenn ReLS ≥ 400 (11. 15) linear zur Höhe angesetzt werden.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 193 Thermodynamischer Umtriebsdruck Die Grundlage der Berechnung für den "Auftriebsdruck" bildet ∆pA = g ∆H ∆ρ g ∆H ∆ρ Erdbeschleunigung Höhenunterschied Dichteunterschied zwischen der Luft im Schacht und außerhalb des Schachtes. in zehn gleiche Teile. In [21] ist der Verlauf der Heiz. (11.Le & Wa C 1− & L CW 1 1 − & − & k A* C L CW 1 − e & & für C L ≠ C W (11.43) tL = tLe .40) Zur genaueren Ergebnisermittlung wird die Höhe des Schachtes in mehrere Abschnitte unterteilt. z. Unter der Voraussetzung. (11. Er lautet für das Heizmedium – im vorliegenden Fall ist dies die Luft tL – bei Gegenstrom t −t tL = tLe .(t Le − t La ) mit tLe tWa & CL & CW k A* A* A & & für C L = C W (11. Mit den im Abschnitt 11. dass die Wärmeübertragerfläche homogen über die Höhe verteilt ist.(t Le − t La ) wobei bedeuten: RW NTU* NTU * W NTU W & & für C L = C W .42) Lufteintrittstemperatur Wasseraustrittstemperatur Wärmekapazitätsstrom der Luft Wärmekapazitätsstrom des Wassers Wärmedurchgangskoeffizient Heizfläche als laufende Variable von 0 bis A. kann NTU nach Gl. (11.41) tL = tLe . Für die Mitte eines jeden Abschnittes werden die Temperaturen sowie die Dichten der Luft in . B.und Kühlmedientemperatur längs der Wärmeübertragerfläche angegeben.1.44) Wärmekapazitätsstromverhältnis Wasser zu Luft Anzahl der Übertragungseinheiten bezogen auf den Wasserkapazitätsstrom als Laufvariable.1 definierten Größen kann die Gleichung vereinfacht werden tL = tLe * t Le − t Wa 1 − e (1 − R W ) NTU W 1 1− RW [ ] & & für C L ≠ C W (11. wobei jedoch die berechnete Luftaustrittstemperatur tLa nicht unterschritten wird.500 m Kapillarrohre pro Matte: 43 Stück. 145 mm lang 400 mm 496 mm 0. Dies ist sinnvoll.1 m Höhe die Referenztemperatur tR gilt.500 m Kapillarrohre pro Matte: 145 Stück.5 mm lang Matten 1. Der Algorithmus wurde programmtechnisch umgesetzt. wobei in 1. • Das Rohrregister bei horizontal gespannten Matten kann mehrgängig ausgebildet sein (siehe Skizze ⇒).400 m × 1.9 Quadratische Säulen mit horizontal.17 m² Mittelteil: 15. • Der Wärmestrom über die Schachtwände kann zwei unterschiedliche Typen berücksichtigen. Das Berechnungsverfahren wird auch für Kreuz-Gegenstrom näherungsweise benutzt.3 Verifikation Für die im Bild 11. 8 oder 6 Matten G10 Rohrbündel(Nennmaß): 0.9 dargestellten quadratischen Säulen wurden zahlreiche experimentelle Untersuchungen [27] vorgenommen.40) ausgewertet.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 194 und außerhalb des Schachtes gebildet und Gl.04257 m² = 0.2 m 496 mm Unterteil: freier Querschnitt vierseitig 4 × 0. Kreuzgegenstrom 2 Durchgänge 4 Durchgänge 11. Der Iterationszyklus umschließt auch das wärmetechnische Modell. die Frontplatte des Schachtes einen anderen Aufbau zeigt. wenn z.1.10 gezeigt. Die Lufttemperatur im Raum wird linear mit dem Gradienten gLT gebildet. Ein kleiner Auszug der Ergebnisse ist im Bild 11.9 m Matten 400 mm Mittelteil: 8 Matten G10 Rohrbündel(Nennmaß): 0. Es gelten die Besonderheiten: • Die Kondensation des Wasserdampfes an den kalten Rohrbündeln bleibt beim vorliegenden Rechengang zunächst unberücksichtigt. 36.17 m² Bild 11. Eine Iteration über die Annahme des Luftmassestromes schließt diesen strömungstechnischen Berechnungskomplex ab. B.400 m × 1. (11.und vertikalgespannten Matten . Haube: freier Querschnitt vierseitig 4 × 0.04257 m² = 0. mit Haube Kühlleistung in W 800 600 400 200 0 0 • Messwerte Rechenergebnisse 2 4 6 8 10 12 14 16 log. der einer Feinoptimierung zu unterziehen war. Wasserstrom ≈ 0. ohne Haube 16 2 4 6 8 10 12 14 log.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 1000 195 Kühlleistung in W 800 Rechenergebnisse 1 600 400 200 0 0 Rechenergebnisse 2 bei veränderten Raumtemperaturverhältnissen • Messwerte Bild 11.12).tWasser) in K 1000 15 Kapillarrohrmatten. mit Haube Von der Fa. Übertemperatur (tRaum . Wasserstrom ≈ 0. eingängig.1 m³/h. horizontalgespannt. Wasserstrom ≈ 0.10 Gegenüberstellung der Rechenergebnisse und der Messwerte für die Varianten: 15 Kapillarrohrmatten. Übertemperatur (tRaum . Als Extremfall sei angenommen. Clina wurde ein Kühlschacht mit einer sogenannten gespreizten Matte entwickelt (Bild 11. Die Messwerte sind [27] entnommen (Bild 11.11). Die Berechnung der verschiedenen Kühlschachtvarianten erfolgt mit einem leicht verbesserten Programm.2 m³/h. fünfgängig. Übertemperatur (tRaum . . horizontalgespannt. vertikalgespannt.2 m³/h. Im Weiteren wird geprüft.tWasser) in K 1000 Kühlleistung in W 800 600 400 200 0 0 • Messwerte Rechenergebnisse 2 4 6 8 10 12 14 16 log. Bei der Leistungsprüfung wurde bisher eine Prüfkabine nach DIN 4715 eingesetzt. dass die gesamte Wärme über die Wände in den Raum gelangt. inwieweit sich eine veränderte wärmetechnische Konstellation auf die Leistung des Kühlschachtes auswirkt. indem der vertikale Lufttemperaturgradient lastabhängig gestaltet ist.tWasser) in K 8 Kapillarrohrmatten. Die Wärme wird dabei durch Dummys eingebracht. fünfgängig. 940 m² = 0.200 × 0. Nach den messtechnischen Untersuchungen des Prototyps wurden im Rahmen der Produktoptimierung weitere Messungen mit einer Vielzahl von Frontplatten vorgenommen [27]. • Der vertikale Lufttemperaturgradient ist bei der Simulation leistungsabhängig anzusetzen. Dies ist logisch erklärbar.188 m² 800 Messwerte Wandheizung Kühlleistung in W 1. Rauchversuche zeigten. Übertemperatur (tRaum . Clina mit rechteckigem Querschnitt der Breite von 1 m (lichte Schachtbreite 940 mm) Bild 11. 1810 mm lang 600 Matten Bezug der Temperaturdifferenz auf die Lufttemperatur kleiner Wasserstrom mittlerer Wasserstrom großer Wasserstrom mittlerer Wasserstrom Messwerte Dummyheizung 400 Rechenergebnisse 190 mm 0. Die übrigen Varianten zeigten Simulationsergebnisse.200 × 0.150 m × 0. die sehr gut mit den Messungen übereinstimmten (siehe Anhang R).1 m Höhe gebildet wird.12 Gegenüberstellung der Rechenergebnisse für einen lastabhängigen Lufttemperaturgradienten und von Messwerten bei zwei verschiedenen Lasteinbringungsarten (Wandheizung. • Die Simulationsergebnisse korrelieren mit den Messwerten bedeutend besser.188 m² 0 0 Wasserstrom 135 l/h 185 l/h 240 l/h 405 l/h 2 4 6 8 10 12 14 16 log.850 m × 1. Bild 11.1 m 200 freier Querschnitt 0.bzw. 400 mm – ausbildete. .850 m Kapillarrohre pro Matte: 85 Stück.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 196 freier Querschnitt 0. Dummyheizung) mit der Lufttemperatur in 1.940 m² = 0. der Luftaustritt im Bereich von etwa 1/5 der Höhe – hier sind dies ca. wenn die Raumübertemperatur mit der Lufttemperatur in 1. dass fast unabhängig vom Öffnungsgrad sich der Luftein.tWasser) in K Bild 11. wenn die Teilung der Öffnungen in der Frontplatte im unteren Bereich kleiner als im Mittel war (Anstau der kalten Luft bei den Varianten 8 und 11). da der Kühlschacht vornehmlich die Wärme aus dem Raum konvektiv aufnimmt.8 m Mittelteil: 4 Matten G10 Rohrbündel (Nennmaß): 0.13 zeigt einen Ausschnitt der Palette der Variationen für die Gestaltung der Frontplatte. Diese Beobachtung traf nicht zu.11 Schematischer Aufbau des Prototyps eines Kühlschachtes der Fa.1 m Höhe als Bezugstemperatur Aussagen: • Die Übereinstimmung der rechnerischen Ergebnisse mit den Messwerten ist für alle betrachteten Kühlschachtprototypen sehr gut. • Eine vergrößerte Schachttiefe bei gleichbleibender Mattenzahl führt in den üblichen Geometriebereichen + 30 ..5 m führt zu einer Leistungseinbuße von 27. eine Reduzierung um 0.2 Produktoptimierung mittels Simulation Anhand von 17 unterschiedlichen Varianten erfolgte die leistungsbezogene Optimierung des Kühlschachtes auf der Grundlage des Prototyps gemäß Bild 11. Öffnungen gleichmäßig 50 % gleichmäßig 50 % ungleichm. • Die Leistung stellt in erster Näherung eine lineare Funktion der Höhe dar.5 m höherer Schacht bewirkt eine Leistungssteigerung von 28. Es gelten die Aussagen: • Der Einfluss des freien Gitterquerschnittes ist bedeutungsvoll. . Öffnungen hor.11 mittels Simulation. 50 % 499 W 468 W 560 W 500 W 477 W 454 W Variante 9 Lochblech (grob / fein) Variante 10 Front offen Variante 11 oben offen Lochblech (fein) Variante 12 Lochblech (grob / fein) Bild 11. Öffnungen hor. Bei 75 % Lochanteil ergibt sich eine Leistungsreduzierung von ca. Ein 0.13 Beispiele für experimentell überprüfte Frontgestaltungen mit Angabe der Normkühlleistung (gültig für eine logarithmische Übertemperatur des Raumes von 10 K) 11.6 %. bei 37 % Lochanteil sogar von 27 %.3 %...Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 197 457 W 410 W 330 W 482 W Variante 1 Front gedämmt Variante 2 68 % offen Variante 3 37 % offen Variante 4 Folie 492 W 534 W 510 W 486 W Variante 5 Folie Tiefe 220 mm Variante 7 Variante 6 Variante 8 vert. 60 mm zu einer Leistungszunahme von 6 . 8 %.. 6 %. 11 % 8 ..0 1. 5 %). Der Lochanteil des Gitters ist bedeutungsvoller als die Öffnungsgröße.5 3.5 2.0 25% Turbulenzgrad 20% 15% 10% 5% 0% 0.14 Änderung des Luftzustandes nach dem Austritt aus dem Kühlschacht Bemerkenswert ist der schnelle Anstieg der Lufttemperatur nach dem Verlassen des Schachtes.5 2.10 0. • Begrenzend wirken die zulässige Luftaustrittstemperatur und die Luftaustrittsgeschwindigkeit.5 1.0 2. 3 Matten ⇒ -10 %. • Der Einfluss der Öffnungsgröße ist ab einem Grenzwert von untergeordneter Bedeutung (Vergrößerung von 200 mm auf 300 mm ⇒ +4 .. 5 Matten ⇒ +4 %.5 4.5 4.0 0.40 0...0 Abstand vom Luftaustritt in m 4 cm 10 cm 15 cm .Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 198 • Bezüglich der Mattenanzahl gibt es ein deutliches Optimum. • Der Wasserdurchfluss nimmt großen Einfluss auf die Kühlleistung des Schachtes.0 1. Schachtaustritt Dummy Temperatur baut sich schnell ab Stömungsgeschwindigkeitsprofil vor Luftschacht 0. da dieser eine große Änderung der ζ.0 3.00 w baut sich langsam ab Bild 11.30 0.Werte bewirkt.0 2. Der Abbau der Luftgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Lauflänge erfolgt dagegen relativ langsam. Sehr vorteilhaft ist der niedrige Turbulenzgrad.0 Entfernung vom Luftaustritt in m 4 cm 10 cm 15 cm Tu ist klein 0. Schachttiefe 190 mm: 4 Kapillarrohrmatten sind eine sehr gute Lösung.. Wasserdurchsatz +50 % ⇒ Wasserdurchsatz -50 % ⇒ Leistungszunahme Leistungsabnahme 4 .5 3.14 gibt eine Situation bei einer Schwerkraftkühlung wieder [27].20 0.60 17 Luftgeschwindigkeit in m/s 0. Bild 11. 18 %. 30%0..50 0.5 1.0 3. Clina (Baulänge 1m) Die Leistungen sind rechnerisch ermittelt und durch Messungen punktuell bestätigt worden.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 199 11. wobei die gesamte Heizlast oder eine gut regelbare Ergänzungslast zu decken ist.und Heizeinrichtungen ausgegangen werden.15 Kühlleistungen von verschiedenen Schachtkonstruktionen der Fa.19 m 1 2 3 4 Geometrie: Höhe 2. die Kühlschächte auch zum Heizen zu verwenden.1 sind die Charakteristika zusammengestellt.3 Kühlleistungen von optimierten Kühlschächten Die Kühlleistungen der Clina-Schächte sind in sehr großem Maße von der Geometrie abhängig.Wassereintrittstemperatur in K 16 1000 14 12 10 8 6 Raumtemperatur .Wassereintrittstemperatur in K 16 2000 14 12 10 8 6 Kühlleistung in W Kühlleistung in W 800 600 400 200 0 10 Temperaturspreizung (tWaus . Gegenstrom Gleichstrom Bild 12.4 m 5 6 7 8 Raumtemperatur 26 °C 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Wassereintrittstemperatur in °C 0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Wassereintrittstemperatur in °C Bild 11.1 Durchströmungsrichtungen der Luft in Abhängigkeit des Betriebsfalls und übliche Richtung des Wasserstromes .und mit Kapillarrohrmatten der mit Kapillarrohrmatten bestückKühlfall Heizfall ten Schächte als Kühl. In der Regel sollte von der wechselseitigen Nutzung der wechselseitigen Nutzung bestückten Schächte als Kühl.tWein) in K 1600 1200 800 400 Temperaturspreizung (tWaus . Raumtemperatur .0 m Tiefe 0.tWein) in K 1 2 3 4 5 6 7 8 Raumtemperatur 26 °C Geometrie: Höhe 2. Bericht im Anhang R: "Grundlagen zum Wärmeübergang bei Kapillarrohrmatten" (260 Seiten) 12 Heizschächte mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten Vielfach besteht der Wunsch.5 m Tiefe 0. Im Bild 12. Die Höhe der Schächte und die Ansaugtemperaturen haben weiterhin sehr großen Einfluss. Damit ergeben sich aus wärmetechnischer Sicht realistische Umgebungsbedingungen.und Rücklauf erforderlich. sind zwei Wände als Kühlwände gestaltet worden. wird an der Oberfläche der Kapillarrohrmatten erwärmt und steigt im Schacht auf.11 dargestellte Kühl-/ Heizschacht im Prüfraum nach DIN 4715. Deshalb ist es selbstverständlich. Unter den genannten Bedingungen wurde im zweiten Teil die Heizleistung des gleichen Schachtes ohne Veränderungen der Wasseranschlüsse bestimmt [28]. Wollte man auch im Heizfall die thermodynamisch beste Übertragungsform – den Gegenstrom – realisieren. Wasser strömt in den Kapillarrohrmatten von unten nach oben sowie die oben eintretende Luft kühlt sich im Schacht ab und fließt infolge der Schwerkraftwirkung im exakten Gegenstrom nach unten. was thermodynamisch zwar ungünstiger. Um an die Prüfung angepasst zu verfahren. vorgesehen. kalte Luft unten in die Säule ein. . beispielsweise wird aus thermodynamischen Gründen der Einsatz möglichst hoher Kaltwassertemperaturen gewünscht und in vielen Fällen ist Kondenswasserbildung zu vermeiden.1 Experimentelle Untersuchungen Untersucht wurde der im Bild 11. Das bestehende Rechenprogramm muss unbedingt um diese Strömungsart ergänzt werden und bedarf selbstverständlich auch einer neuen Verifizierung anhand der Messwerte. Behält man die für den Kühlfall günstige Verrohrung auch im Heizfall bei.und dem Luftstrom zu realisieren. Bei kombiniert genutzten Kühl. so beispielsweise bei der Prüfung von Strahlplatten nach DIN V 4706. Dieser Prüfraum ist normalerweise zur Leistungsmessung an Kühldecken. wie sie beispielsweise in einem Eckraum mit zwei Außenfassaden vorliegen. dann müsste der Wassereintritt oben erfolgen. die erforderlichen Kühllasten werden durch eine Kühlung der Umfassungen realisiert. Gegenstrom zwischen dem Wasser. Bei einigen Anlagen könnte dies sicherlich zentral realisiert werden. aber meistens problemlos umsetzbar ist. aber in den meisten Fällen besteht diese Möglichkeit nicht. 12.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 200 Im Kühlfall liegen die schwierigsten Arbeitsbedingungen vor. Der Armaturen.und Verrohrungsaufwand führte aber in der Regel zu höherem Platzbedarf und verursacht vermehrte Installationskosten.. Im Heizfall tritt die bodennahe.und Heizeinrichtungen wäre eine Umschaltung zwischen Vor. D. Damit sind bei einer bestimmten Leistungsanforderung höhere Wassertemperaturen erforderlich. Kühlwänden u. h. Damit bliebe nur die aufwändige Umschaltung vor Ort. dann bedeutet dies Gleichstrombetrieb. Prüfräume zur Bestimmung der Heizleistung weisen die gleichen Abmessungen auf. Zur Kühlleistungsmessung werden die erforderlichen Wärmelasten durch spezielle Dummys eingebracht.ä. 75 + 0.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 201 12.0015133 Q 400 500 600 Heizleistung W 700 . Die Ermittlung der Medienaustrittstemperaturen für Gleichstrom erfolgt auf der Grundlage der bekannten Berechnung der Betriebscharakteristik.1 m ⇒ gLt = 0.5 K/m. Zur Leistungsermittlung von Heizschächten wurde der vorhandene Algorithmus in nachfolgenden Punkten ergänzt: • • Steuerung für Gleich.und Austrittstemperaturen) bestimmt. Es gelten für die Höhe bis 1. Im Falle des Gleichstromes wird die Rohroberflächentemperatur mit den mittleren Medientemperaturen. • Die Annahme für den vertikalen Lufttemperaturgradient gLt wurde wiederum gesplittet in einen unteren und einen oberen Bereich.0068927 Q Lufttemperaturgradient 3 2 1 0 200 300 . bestimmt.2 Algorithmus zur Leistungsberechnung von kombiniert genutzten Schächten Der im Abschnitt 11 vorgestellte Algorithmus zur Kühlleistungsermittlung wurde geringfügig verändert: • Aus praktischen Gründen wird die Kühlleistung auf die Temperaturdifferenz Raumtemperatur – Wassereintrittstemperatur bezogen. gLt. die bei der halben Heizflächengröße vorliegen.unten = 0. • Die Stoffwerte und die Wärmeübergangskoeffizienten werden stets für die arithmetisch gemittelten Medientemperaturen (Ein. siehe Skizze ⇒ 4 K/m . • Die Toleranzgrenzen für die Iterationsbeendigungen wurden verringert. Gleiches gilt auch für die Ermittlung der äußeren Wandtemperatur der Kapillarröhrchen bei Gegenstrom. da sich sonst in den Leistungskurven Schwankungen zeigen. gLt.oben = -0. Die Schätzung der Anfangstemperaturen für Wasseraustritt und Luftaustritt wurden geändert.oder Gegenstrom eingeführt. Die beste Korrelation lieferte der Zusammenhang: vertikaler Lufttemperaturgradient = f (Heizleistung des Schachtes).1 m ⇒ gLt = 3 K/m und über 1. • • Der Lufteintritt liegt im Heizfall stets unten. • Die Annahme für den vertikalen Lufttemperaturgradient gLt wurde höhenabhängig gesplittet. Man kann sich sehr stark vereinfacht vorstellen.unten = -0. die durch die weiter oben liegenden Heizflächenabschnitte nicht unterstützt werden.61 + 0. Beim Gegenstrom verändern sich die Temperaturdifferenzen mit der Schachthöhe nur relativ wenig. Dies führt zu großen Konvektionsbewegungen. Die maximalen Kennlinienabweichungen im Kühlfall ergeben sich bei Temperaturdifferen- Schachthöhe Temperatur tionsströmungen.3134 (tWe – tR) 2 gLt.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 202 Aus Gründen der einfachen. überlagert wird (Skizze).2. Diese stark turbulenten Auftriebsströmungen – analog der typischen Quellluftbewegungen im Freien – verursachen eine innere Reibung. da am Heizflächeneintritt die größte Temperaturdifferenz die höchste Wärmestromdichte bewirkt. 12. iterationsfreien Handhabung wird jedoch der Zusammenhang vertikaler Lufttemperaturgradient = f (Temperaturdifferenz Wassereintritt – Raumtemperatur) nach nebenstehender Skizze implementiert. wodurch die Wärmestromdichten in erster Näherung gleich sind. Aussagen: • • Die Übereinstimmung der rechnerisch ermittelten und der gemessenen Leistungen ist sehr gut.oben = -1.3.214 + 0. 4 K/m Lufttemperaturgradient 3 gLt. und 12. dass die erzwungene Grundströmung durch die Dichteunterschiede (Schachtluft – Raumluft) von KonvekSchachthöhe tensität an der Heizfläche entstehen. die mit unterschiedlicher In- .3 Verifikation und Leistungen Temperatur Die Gegenüberstellung der Simulationsergebnisse und der Messwerte erfolgt in den Bildern 12.06996 (tWe – tR) 1 0 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 K 17 Wassereintrittstemperatur – Raumtemperatur • Die Auswertung der experimentellen Ergebnisse [28] führte zu einer weiteren halbempirisch begründeten Ergänzung. Beim Gleichstrom liegen völlig andere Verhältnisse vor. Gegenüberstellung der Simulationsergebnisse des ergänzten Rechenprogramms und der Messreihe 1 Wasserstrom 165.172 kg/h Messreihe 2 Wasserstrom 81.3 Heizleistung des Schachtes gemäß Bild 12. 800 700 600 W Gegenstrom: berechnete Kühlleistungen bei Wasserstrom 182 kg/h bei Wasserstrom 90 kg/h Kühlleistung 500 400 300 200 100 0 6 7 8 9 Untertemperatur |tWassereintritt – tRaum| Bild 12.4 gezeigt.1. .188 kg/h onsergebnisse und der MesswerMessreihe 2 Wasserstrom 87. Im unteren Leistungsbereich besteht praktisch völlige Übereinstimmung zwischen Rechnung und Messung.. Dies stellt eine zusätzliche Verifikation des Algorithmus dar. In diesem Fall wird es in der Regel zur Kondenswasserbildung kommen. Der unterschiedlich angenommene Lufttemperaturgradient entspricht typischen Quelllüftungen und ist somit wirklichkeitsnah..87 kg/h Messwerte für zwei unterschiedK 15 20 25 liche Wasserströme Der direkte Vergleich der Kühlleistung bei Gegenstrombetrieb und der Heizleistung bei Gleichstrombetrieb unter Verwendung des selben Schachtes und Rohrbündels bei stets gleicher Wasserdurchsatzmenge sowie Strömungsrichtung ist im Bild 12. Gegenüberstellung der SimulatiMessreihe 1 Wasserstrom 173.. • Damit kann das ergänzte Rechenprogramm für Nutzrechnungen empfohlen werden..96 kg/h te für zwei unterschiedliche 10 11 12 13 14 15 K 16 Wasserströme 1400 W 1200 1000 Gleichstrom: berechnete Heizleistungen bei Wasserstrom 168 kg/h bei Wasserstrom 84 kg/h Heizleistung 800 600 400 200 5 10 Übertemperatur (tWassereintritt – tRaum) Bild 12.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 203 zen um etwa 14 K. sodass die ermittelten Leistungen ohnehin eine Veränderung erfahren. Starken Einfluss auf die Kühlleistung nimmt das vertikale Lufttemperaturprofil im Raum.2 Kühlleistung des Schachtes gemäß Bild 12.1..... dann kann bei gleichem Wasserstrom die |Heizleistung| = |Kühlleistung| erreicht werden. • Bei größeren Temperaturdifferenzen als 16 K muss die Heizleistung separat bestimmt werden.4 Vergleich der Kühlleistung mit der Heizleistung des Schachtes gemäß Bild 12. Bericht im Anhang S: "Untersuchung der Heizleistung von wechselweise genutzten Kühl-/Heizschächten mit vertikalgespannten Kunststoff-Kapillarrohrmatten" (40 Seiten) .Heizfall 9 10 11 12 13 14 15 Unter-/ Übertemperatur |tWasserentritt – tRaum| Bild 12. Das zugehörige Rechenprogramm (Anhang S) ist zur Ermittlung geeignet. • Bei Heizen im Gegenstrombetrieb kann in erster Näherung die |Heizleistung| gleich der |Kühlleistung| bei gleichem Wasserstrom und gleicher Differenz von |Wassereintrittstemperatur – Raumtemperatur| gesetzt werden. • Ist die Kühlleistung bekannt.Kühlfall 500 400 300 200 8 Gleichstrom .Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 204 700 W 600 Kühl-/ Heizleistung Gegenstrom .Raum| um etwa 1 K vergrößert wird. wenn die Temperaturdifferenz von |Wassereintritt .1 bei stets gleichen Wasseranschlüssen (Wassereintritt unten) und einem Wasserdurchsatz 16 K 17 von ca. Ursache dafür ist die thermodynamisch ungünstigere Strömungsform (Gleichstrom statt Gegenstrom).180 kg/h Aussagen: • Die Heizleistung ist bezogen auf die absolute Differenz zwischen Wassereintrittstemperatur und Raumtemperatur bei gleichbleibender Wasserdurchströmung kleiner als die Kühlleistung. Obwohl die Temperatur der Wärmequelle TQ • zwischen der technisch erforderlichen Heizmedienvorlauftemperatur TH. h.∆t/2 ∆t/2 Kühlfläche im Raum Nutzungsbereich des Verfahrens tH Raumtemperatur tR tK ∆t/2 Raumtemperatur tR Wärmequellentemperatur tQ Heizfläche im Raum ∆t/2 tK. Die beabsichtigten Nutzungsbereiche hinsichtlich des Temperaturpotenzials sind im Bild 13. dass im Heizfall die Temperatur an dieser Stelle über der Temperatur des unbeheizten Bauteiles oder im Kühlfall unter der Temperatur des ungekühlten Bauteiles an dieser Stelle liegt. der Außenwand) so eingeordnet. dem Raum zuzuführende Heiz. Dort wo Bild 2.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 205 13 Thermoaktive Dämmung Direkt aus den Überlegungen des Abschnitts 2.V und der Umgebungstemperatur TU liegt (TH. Absorptionsapparat usw.. Die thermoaktive Schicht ist vorzugsweise äquidistant zu den Bauteiloberflächen einzuordnen und als wärmeträgerführendes System eine Kapillarrohrmatte (Abschnitt 1) zu integrieren.R = tH .1 dargestellt. d.1 Temperaturschaubilder beim Heizen (links) und beim Kühlen (rechts) mit Kennzeichnung der Nutzungsbereiche des Verfahrens Um die gestellte Aufgabe zu lösen.∆t/2 Vorlauftemperatur tK. Nutzungsbereich des Verfahrens Wärmesenkentemperatur tQ .1 wird eine unkonventionelle Idee abgeleitet. die vorhandene.oder Kühlleistung soll durch direkte Nutzung dieser Wärmequelle gesenkt werden. Zusatzkessel usw. ein Teil der Raumkühlleistung übernommen werden.∆t/2 < TQ < TU). Vorlauftemperatur tH. die mit dem verfügbaren Heiz.V = tK .V = TH + ∆t/2 > TQ > TU). soll ohne Einsatz einer Wärmepumpe. wird eine thermoaktive Schicht. soll ohne Einsatz einer Kältemaschine. ein Teil der Raumheizleistung • zwischen der technisch erforderlichen Kühlmedienvorlauftemperatur TK.oder Kühlmedienstrom der Temperatur TQ beaufschlagt wird. B. Senke erfolgen.R = tK + ∆t/2 Rücklauftemperatur Bild 13. soll nunmehr die direkte Nutzung der Quelle bzw.V = tH + ∆t/2 ∆t/2 Rücklauftemperatur tH.V und der Umgebungstemperatur TU liegt (TK. in die äußere Raumumfassung (z.V = TK .2 einen erforderlichen Temperaturhub ausweist. Erdreich). Rücklaufauskühlung usw.3) mit der Antriebsenergie für die Wärmepumpe PWP vom Temperaturniveau der Quelle TQ auf TH bereitzustellen .und der Umgebungstemperatur. möglich. Abgas-.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 206 Bild 13.2 Temperaturverlauf in einer einschichtigen Wand (links) und in einer Wand mit thermoaktiver Schicht (rechts) im Heizfall Die mittlere Temperatur in der thermoaktiven Schicht tRSch > tSch liegt zwischen der Raum.1) Da bei Einbau der thermoaktiven Schicht der Temperaturgradient (-dtn/dx)Kurve b kleiner als im ursprünglichen Fall (-dt/dx)Kurve a ist. dx (13. was bedeutet. Der in der Wand übertragene Wärmestrom ist aber geringerer Qualität. Der erforderliche Aufwand ist dabei stark unterschiedlich. Der Temperaturgradient (-dtn/dx)Kurve c ist jedoch größer als im Ausgangszustand (-dt/dx)Kurve a. Grundwasser. muss im Raum weniger Heizenergie zugeführt werden. Weiterhin sind Abwasser-. (2. Als energetischer/exergetischer Aufwand ist nur die Transportenergie für den Wärmeträger erforderlich.R < Q H nach Gl. Die Bereitstellung kann nach unterschiedlichen Varianten erfolgen. Die Wärmestromdichte berechnet sich nach dem FOURIERschen Erfahrungsgesetz zu & q = −λ dt . tR Wand tR Wand Kurve b tn Rohrregister außen tU tRSch Raum Raum Kurve a t außen Kurve a t tSch thermoaktive Schicht Kurve c tn tSch t x tU t x Bild 13. Es werden nachfolgend drei mögliche Varianten für den Heizfall diskutiert: Variante 1 Der Wärmestrom ist beispielsweise aus der Umwelt direkt entnehmbar (Solaranlage im Winter. Somit ist nur der & & reduzierte Wärmestrom für die Raumheizung Q H . dass insgesamt ein größerer Wärmestrom an die Umgebung fließt. Sie wird bei der weiteren Betrachtung vereinfachend vernachlässigt.2 zeigt im Heizfall die Temperaturverläufe in einer normalen Außenwand t und bei Einordnung einer thermoaktiven Schicht tn. wie dies bei Nutzung geothermischer Quellen denkbar ist. Aussagen: • • Wärmestrom für die Raumheizung bzw.1 H W WP .R bei TW TQ & TQ & 1 1 . 2 (13. der in der thermoaktiven Schicht zu.Q H . PWP = 1 − Q H . der verfügbare Massestrom würde aber weiter ausgekühlt werden.R + Q H . Die Exergiezufuhr (Antriebsenergie) ist ein Minimum. den Rücklauf aus der Raumheizfläche zur weiteren Abkühlung in das Rohrregister der thermoaktiven Schicht zu & & & leiten.W ζ ζ WP. dass die mittlere Temperatur des Heizmediums in diesem Betriebsfall kleiner als bei alleiniger Raumheizung ist (TH* < TH). Theoretisch wäre diese Schaltung auch bei Betrieb mit einer Wärmepumpe denkbar.R + Q H . für die Raumkühlung verringert sich Wärmestrom.R < Q H bei TH und der Beheizung der thermoakti& & & ven Schicht mit dem Wärmestrom Q H . Für die Antriebsleistung würde gelten TQ & 1 & .W > Q H .bzw. bietet sich an. Der Wärmestrom wäre dann in der Summe größer ( Q H .3) Variante 3 Würde die Heizenergie in der richtigen Temperatur TH verfügbar aber der Massestrom begrenzt sein. Die Temperaturanpassung kann aber im Jahresgang nicht immer optimal gewährleistet werden. PWP = 1 − * (Q H .R ζ WP TH Variante 2 Würde auch die Heizenergie für die thermoaktive Schicht mittels Wärmepumpe bereitgestellt werden müssen. dann sollten die beiden benötigten Temperaturniveaus (Raumheizung mit TH und Wandheizung mit TW) getrennt erzeugt werden (Zweistufenbetrieb).Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 207 (13. Die Antriebsenergie sinkt dadurch. Die Antriebsenergie ergibt sich als Summe aus der Versorgung der Raum& & heizung mit dem reduzierten Wärmestrom Q H . aus dem Raum .R T T Q H . ist größer als die Reduzierung des Wärmestromes in bzw.2) TQ & 1 .W ) T ζ WP H (13.W > Q H ). abgeführt werden muss. + 1 − PWP = 1 − Q H . wenn die Temperaturen der Transformation exakt den Anforderungen entsprechen.4) Die angegebenen Zusammenhänge gelten analog für die Raumkühlung. aber in der Regel kaum wirtschaftlich. h. der der erforderlichen Wärmezufuhr im Raum direkt proportional ist . wie unterschiedlich die raumseitig erforderlichen Wärmeströme sind. Temperatur der Wärmequelle TQ) in starkem Maße von der Einordnung der thermoaktiven Schicht im Bauteil abhängig. energetischer und/oder wirtschaftlicher Art sein. wo muss die thermoaktive Schicht eingeordnet werden. Die Wärmeströme betragen: außen tU tRSch Bild 13.W zugeführt werden. Im Heizfall reduziert sich der im Raum zuzuführende Wärmestrom dann in besonders großem Maße.3 Auswirkung unterschiedlicher Einordnung der thermoaktiven Schicht auf den Temperaturverlauf in der Wand und den Temperaturgradienten der Kurve b. 13..2) wird durch die Realisierbarkeit der Schichtbeheizung diktiert sein. Je weiter die thermoaktive Schicht nach außen verlegt wird. Die verschiedenen Möglichkeiten werden nachfolgend erörtert: Variante 1 Ist der aus der Umwelt mit TQ direkt einsetzbare Wärmestrom beliebig groß. An Hand der Temperaturgradienten der Kurven b lässt sich bei gleicher Temperatur in der Rohrschicht tRSch erkennen. (13.1 Optimierungsaufgaben Der Nutzen des Verfahrens ist außer von den gegebenen Randbedingungen (z. In der Regel wird primär die Frage zu beantworten sein. Kältemaschine) verringert sich bei entsprechender Einordnung der thermoaktiven Schicht. um die vorhandene Wärmequelle überhaupt nutzen zu können. B.W . Es liegt praktisch ein Randoptimum vor. das Minimum des Exergiestromes für die Raumbeheizung gemäß Gl. d. Als zweites wird die Auswirkung der Lageveränderung auf den energetischen/exergetischen Aufwand untersucht. dann ist man bestrebt. wobei es eine technische Begrenzung gibt. umso grö& ßer ist Q H . Bild 13.3 zeigt den Einfluss der Lage der thermoaktiven Schicht mit dem integrierten Rohrregister im Heizfall sehr deutlich. In der Wand muss & Q H . die thermoaktive Schicht möglichst weit nach außen zu legen. tR Wand tn Kurve b tR tRSch Wand Kurve b tn Raum außen Raum Kurve a t Kurve a t Kurve c tn thermoaktive Schicht Kurve c tn ∆i ∆a tU thermoaktive Schicht ∆i ∆a Die Zielstellungen der Optimierung können technischer.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 208 • exergetische Gesamtaufwendungen (Elektroantrieb für die Wärmepumpe bzw. − t RSch ) ζ WP. B. 2 (13. tRSch). ζ WP (13. (13. Da weiterhin die Dicke der Wand vorgegeben ist. α λ i −1 (t R − t RSch ) A .6) angegebenen Wärmeströme gelten auch in diesem Fall.1 1 ∆i α + λ i −1 −1 1 ∆a (t RSch − t U ) − + λ αa (t R A . wird bestätigt.W 1 ∆ = + a α λ a −1 (t RSch 1 ∆ + i A. (13.3). Nur wenn .R = α + λ i −1 (t R − t RSch ) A − tU ) & Q H . (13. Dies ist ein Auslegungsproblem der beiden gekoppelten Wärmeübertrager.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 209 (13. Die Variablen sind: Einordnung der thermoaktiven Schicht (∆i bzw. Variante 3 Bei Nutzung des Heizwärmestromes in der Raumheizfläche und in der nachgeschalteten thermoaktiven Schicht geht es in der Regel um die Minimierung des Massestromes (z. Beide in den Gln. Damit ist eine zweidimensionale Optimierung gegeben.8) Zwischen der mittleren Heizmedientemperatur TW für die Beheizung der thermoaktiven Schicht und der mittleren Temperatur in der Schicht tRSch besteht wiederum eine funktionelle Verknüpfung.5) 1 ∆i & Q H . folgt dann PWP TQ 1 ∆i = 1 − T α + λ H i TQ + 1 − TW −1 (t R − t RSch ) A ζ WP. geothermische Nutzung). Die bereits diskutierte Aussage. dann ist eine echte Extremwertaufgabe zu lösen. der hauptsächlich von der Geometrie des Rohrregisters und den wärmetechnischen Einflussfaktoren (Wärmeübergang im Rohr. dass ein Randoptimum bei großem ∆i existiert.7) Zwischen TQ und der mittleren Temperatur tRSch besteht ein funktioneller Zusammenhang. Mit Ausnahme von ∆i sind alle in Gl.6) Damit errechnet sich die Leistung der Wärmepumpe zu PWP TQ 1 ∆i = 1 − T α + λ H i −1 (t R − t RSch ) A . Variante 2 Werden die Raumheizfläche und die thermoaktive Schicht von Wärmepumpen mit Heizenergie versorgt.3) eingesetzt.5) und (13. Allerdings muss tRSch in einer konstanten Relation zu TQ stehen.7) verwendeten Größen direkt oder indirekt vorgegeben. ∆a) und Schichttemperatur (TW bzw. In Gl. muss mit zunehmendem ∆i die Restdicke ∆a sinken (Bild 13. Wärmeleitfähigkeit und Dicke der Schicht) beeinflusst wird. (13. wenngleich man sich an den Gedanken einer beheizten und gekühlten Dämmung sicherlich erst gewöhnen muss. Der hauptsächliche Variationsparameter ist hierbei die Lage der Schicht bezogen auf den Temperaturverlauf im Bauteil ohne das Rohrregister. Da der Temperaturgradient in den Dämmschichten der äußeren Raumbegrenzungen am größten ist. In der Dämmung ist die thermoaktive Schicht integriert. 13. λ = 1 W/(m K)) und einer äußeren Dämmschicht (δD = 100 mm. Wand tR tn Kurve b ∆i ∆a thermoaktive Schicht tRSch Kurve c t Raum Kurve a tn tSch tU Mauerwerk Dämmung Wie bei den Varianten 1 und 2 festgestellt wurde. hat die Einordnung der thermoaktiven Schicht nach dem Temperaturangebot der Wärme.04 W/(m K)). Dies ist aus Bild 13.4 Wand bestehend aus Mauerwerk und einer Dämmschicht mit thermoaktiver Schicht Eine Wand nach Bild 13.4 besteht aus Mauerwerk (δ = 240 mm. Im Raum herrscht eine Temperatur tR = . Alle beschriebenen Heizvarianten treffen in völliger Analogie auch auf den Kühlfall zu. Beispiel zu Variante 1 außen Bild 13. Einschäumen usw.4 qualitativ sofort erkennbar. empfiehlt sich die Einordnung der thermoaktiven Schicht besonders in der Dämmung.4 dargestellt.2 Erweiterung des Verfahrens Eine aus Mauerwerk und Dämmung zusammengesetzte Wand ist im Bild 13. Einkleben. ist eine energetische/exergetische Optimierung relevant. Dies könnte durch Einformen. erfolgen. Konstruktive Lösungen.oder Kältequelle so zu erfolgen.oder Kühlleistung im Raum auftritt. die zu einer Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit im rohrnahen Dämmgebiet führen. wenn das Rohrregister direkt in die Dämmschicht integriert wird. Eine konstruktive Vereinfachung ist denkbar.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 210 eine Temperaturtransformation vorgeschaltet werden muss. dass eine möglichst große Einsparung an Heiz. sind thermodynamisch besonders vorteilhaft. λD = 0. . die Außentemperatur (Umgebungstemperatur) betrage ta = -10 °C.5 mm.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 211 20 °C. 43 °C. Zur Bereitstellung des Heizmedienstromes wird eine Wärmepumpe (ζWP = 0. Clina mit da/di = 4. Zur Beheizung des Raumes dient ein Heizsystem im Raum mit der mittleren Heizmedientemperatur 20 − t a tH = 20 + 25 ⋅ 34 0 .5 = const) eingesetzt.7) bezogen auf die Wandfläche 2. Die Lage des Rohrregisters bezüglich ∆i sowie ∆a und das Rohrmaterial werden variiert.9) D. bei ta = -10 °C gelten ca. Hierbei erfolgt keine 50 60 70 80 90 100 Bewertung der Enermm Verlegeabstand ∆i gie. (13.1 W/m² • Temperaturverteilung in der Dämmschicht bei Betrieb des Rohrregisters wird als zweidimensionales Wärmeleitproblem behandelt • • Rechenprogramm nach [13] liefert die Wärmeströme nach innen und außen Ermittlung des reduzierten Exergiestroms bei Betrieb des Rohrregisters (Antriebsleistung der Wärmepumpe) nach Gl.3 W/m² Exergiezufuhr für den Wärmepumpenantrieb im Normalfall nach Gl.5 Einsparungen an Antriebsenergie für die Wärmepumpe (≡ Wärmestromersparnis für die Raumheizung) in Abhängigkeit der Anordnung der Einsparung an Rohrschicht innerhalb Antriebsenergie für die der Dämmung Wärmepumpe Gleichfalls sind die zur Raumheizung Mehraufwendungen an kalorischer Energie als Rohrregister RA = 150 mm Summe dargestellt. Mehraufwand an Wärmeenergie (Summe) . Rohrabstand 150 mm. Fall A: Kapillarrohrmatten der Fa. Die mittlere Heizmedientemperatur im Register tW entspricht vereinfachend der Temperatur der Wärmequelle tQ.3 mm / 2. (13. (13. Ergebnisermittlung: • • & Wärmestrom durch die Wand im Normalfall (keine thermoaktive Schicht) q 0 = 10. Rohrabstand 10 mm Fall B: Kunststoffrohrregister da/di = 10 mm / 8 mm. h. Die Wärmequelle hat die Temperatur tQ = 10 °C. bei der Auslegungstemperatur ta = -14 °C beträgt die mittlere Heizwassertemperatur 45 °C. 75 in °C.7). 1 00 ∆i Raum außen Einsparung an Antriebsenergie Mehraufwand an Wärmeenergie % 80 60 Kapillarrohrmatte RA = 10 mm 40 20 0 20 30 40 Bild 13. liegt daran. dass die Schichttemperatur bei der Übertragung großer Wärmeströme (Rohrregister liegt weit außen) gegenüber der Wassertemperatur stärker abfällt als bei geringen Wärmeströmen. • Bei der Diskussion der Gl.4 W/m². (13.1 W/m² 15.7) wurde festgestellt. umso höher sind die Exergieeinsparungen. dass ein Randoptimum vorliegt. minderwertige. Zusätzlich ist der Exergiestrom (Antriebsleistung für die Wärmepumpe) zur Bereitstellung der Heizenergie für den Raumheizkörper aus der verfügbaren Wärmequelle (tQ = 10 °C) vermerkt.5): • Bei Einsatz von Kapillarrohrmatten (Rohrabstand 10 mm) sind die Einsparungen an Antriebsenergie (Exergiestrom) mehr als doppelt so groß. Dabei reduziert sich der hochwertige. h.7 % erforderlich. wie bei Einsatz von Rohrregister mit einem Rohrabstand von 150 mm. D. Bild 13. 9.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 212 Aussagen zum Ergebnis (Bild 13.6 verdeutlicht dies anschaulich.1 W/m². Dieser Effekt ist bei enger Rohrteilung nicht relevant.4 %.4 W/m² tR= 20 °C Energie aus der Wärmequelle Exergiestrom = 0 Rohrregister tW = tQ = 10 °C tR= 20 °C Heizkörper außen Heizkörper transformierte Energie aus der Wärmequelle Exergiestrom = 2. . Um dies zu erreichen. je weiter die Rohrschicht nach außen rückt. Dass im Gegensatz dazu bei Rohrregistern mit großen Rohrabständen ein deutliches Maximum bei ∆i = 70 mm existiert.6 Wärmeströme bei konventioneller Raumheizung (links) und bei zusätzlichem Einsatz einer thermoaktiven Schicht gemäß Beispiel bei mittiger Anordnung der Kapillarrohrmatte (rechts) Die Dicke der Pfeile ist ein Maß für den Wärmestrom.1 W/m² 10. • Bei einer mittigen Anordnung der Rohre in der Dämmschicht ergibt sich für eine mittlere Wassertemperatur von 10 °C bei Kapillarrohrmatten eine Exergieeinsparung von 40.3 W/m² Raum Exergiestrom tU= -10 °C = 1.3 W/m² Raum außen Mauerwerk Dämmung transformierte Energie aus der Wärmequelle 6. Die Temperaturverläufe tragen nur qualitativen Charakter.. im Raum zuzuführende Wärmestrom (Heizungsanlage) von 10. aus der Wärmequelle direkt entnommene Wärmestrom beträgt 9.5 W/m² tU= -10 °C Mauerwerk Dämmung Bild 13. ist allerdings eine Erhöhung des Wärmestromes um 50. also auf 59 %. Die Kurve für die Kapillarrohrmatten bestätigt dies auch. Der in der Wand zuzuführende.3 W/m² auf 6. 7 Einsparungen an Antriebsenergie für die Wärmepumpen in Abhängigkeit der Anordnung der Rohrschicht innerhalb der Dämmung und der gewählten mittleren Wassertemperatur im Rohrregister in der Wand Aussagen zum Ergebnis (Bild 13.1 % Einsparung an 40. Im Gegensatz zu Variante 1 werde nunmehr auch die Wassertemperatur.7): • Die Form der Sattelfläche verdeutlicht. mit der das Rohrregister in der Wand beaufschlagt werden soll. Die Einsparung an Antriebsenergie ist von der Lage der Rohrschicht und der gewählten Wassertemperatur abhängig. dass es sich um eine zweidimensionale Optimierung handelt.9 % % 45.. variiert. gie Antriebsener 41. (13. es werden zwei unterschiedliche Temperaturniveaus durch Wärmepumpen bereitgestellt. die mittlere Heiztemperatur tH für den Raumheizkörper und die mittlere Wassertemperatur tW für das Rohrregister in der Dämmung. h. 13 °C . D. Das Anheben der Wassertemperatur für die Wandbeheizung ausgehend von tQ bedarf auch einer Exergiezufuhr.4 % 50 mm Wa s für sertem das Wa peratu r ndr egi in °C ster nd sta b ea m eg in m rl Ve ∆ i Bild 13. Ergebnisermittlung: • • Berechnung der Temperaturverteilung in der Wand und die Ermittlung der erforderlichen Wärmeströme werden wie im vorherigen Beispiel vorgenommen Exergiezufuhr für den Wärmepumpenbetrieb nach Gl. Die Gesamtantriebsleistung ist dann ins Verhältnis zu setzen zur Leistung bei alleiniger Raumheizung nach konventioneller Art.8).Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 213 Beispiel zu Variante 2 Es wird das vorhergehende Beispiel mit Kapillarrohrmatten als Rohrregister bei sonst gleicher Konstruktion und gleichen thermischen Verhältnissen erneut aufgegriffen. 1 103.4 30 33.1 686.7 11 42. Zugehörig entsteht ein relativer Mehrverbrauch an Wärmeenergie δQ.1 73.0 15 43. unter der Raumtemperatur Wärmeübertragerflächen im Raum durchströmen. da dies die Temperatur der kostenlos verfügbaren Wärmequelle ist. • Es wird zur Energieeinsparung nach Wegen gesucht.4 60 70 43. indem Stoffströme mit Temperaturen über bzw.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 214 • Liegt die Kapillarrohrmatte mittig in der Dämmschicht (∆i = 50 mm).9 88. Es sei gestattet.9 96.4 50.6 90 -1. dann ergibt sich bei der Wassertemperatur von 13 °C eine maximale relative Einsparung an Wärmepumpenleistung δP.und Klimatisierungskonzepte bestehen darin Heiz.9 58.8 111.9 81. diese Lasten möglichst gar nicht erst im Raum entstehen zu lassen bzw. • Verfolgt man den Verlauf bei tW = 13 °C = const. 13.1 45.4 65.3 δQ % Die Verlegung bei ∆i = 60 mm wäre aus exergetischer Sicht zweckmäßig. So können beispielsweise in der Wetterschale (Außenhaut der Gebäude) Wärmeübertrager .1 50 45.3 12 44. zu kompensieren. Der erforderliche Wärmestrom würde jedoch mehr als das Doppelte betragen. an die der Verfasser momentan gar nicht denkt. • Die zweidimensionale Optimierung eröffnet einen sehr interessanten Spielraum für die technische Realisierung.5 16 41.6 45.9 13 14 44. zu verringern.4 δQ % Der Wert δP für tW = 10 °C entspricht dem Beispiel 1. Vielleicht liegen die zukunftsträchtigen Anwendungen auch in Bereichen. ergibt sich in Abhängigkeit der Verlegetiefe der Zusammenhang: ∆i δP mm % 20 18.1 24. & & 40 % bei einem Gesamtwärmestrom von ca.9 80 32.0 115. indem bereits im Außenbauteil bei umweltnahen Temperaturen eine Kompensation vorgenommen wird.4 18 35.4 Q H und bei 3 Q H möglich. So ist beispielsweise eine Einsparung an Antriebsenergie von ca.3 Mögliche Anwendungen Es wurde eine Idee vorgestellt. das Grundanliegen nochmals ganz simpel zu formulieren: • Die typischen Heiz.8 316.8 9.oder Kühllasten. die durch Transmission im Raum auftreten.0 17 39. Der detaillierte Verlauf lautet: tW δP °C % 10 40.1 73. 1. die zur Diskussion anregen soll.8 40 41.0 183.7 46. Bei üblicher Technik sind die niedrigen Kollektortemperaturen nicht direkt nutzbar. seien noch einige Beispiele – auch für weiterführende Forschungen und Entwicklungen geeignet – angeführt. die kostengünstig herstellbar. wenn Wandschichten an genau bestimmten Stellen beheizt werden.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 215 integriert werden. . Entscheidend für die Bewertung der vorgeschlagenen Systeme ist die Temperatur der Wärmequelle und ihre Korrelation zur Umgebungstemperatur. auf die Schattenseiten der Gebäude geführt oder in Erdreichspeicher geleitet (Bild 13. Es wäre deshalb sinnvoll. die die solaren Lasten abführen. Nutzung von Solarkollektoren im Niedertemperaturbereich Im Beispiel zu Variante 1 sind hohe exergetische Einsparungen bei ta = -10 °C. Die Verbindung zur Bionik ist im Abschnitt 1.8). Die Wärmeströme werden z. In analoger Weise kann mit Wärme aus dem Erdreich oder Grundwasser ohne Temperaturtransformation ein Teil der Wärmeverlustströme von Räumen vermieden werden. flexibel einsetzbar sowie umweltverträglich sein müssen und außerdem gute thermodynamische sowie hydraulische Eigenschaften (geringe Grädigkeiten und Druckverluste) besitzen sollen. Bild 13. Während der Übergangszeit kann beispielsweise die innere Wärmelast an der Außenhaut abgegeben werden. sodass diese das Rauminnere überhaupt nicht erreichen. mit steigenden Außentemperaturen eine Solaranlage zuzuschalten. • Diese großflächigen Wärmeübertrager. um die Raumbelastung zu reduzieren. liegen mit den Kunststoff-Kapillarrohrmatten des derzeitigen Entwicklungsstandes variantenreich vor. Wand mit Rohrregister in der Wetterschale und an der inneren Wandoberfläche außen innen r che gesteuerte direkte gesteuerte direkte pei S Verschiebung Verschiebung Süd <> Nord innen<> außen gesteuerte indirekte Verschiebung innen<> außen über Speicher Spitzenlastsenkung bei besonnten Flächen Energieeinsparung während der Übergangszeit Energieeinsparung über lange Zeiträume Erhöhung der Behaglichkeit Um die Ingenieurphantasie weiter anzuregen. Dies wäre über lange Zeiträume des Jahres äußerst effizient. wobei durch Zwischenschalten eines Erdreichoder Fundamentspeichers die Nutzungszeit erweiterbar ist.7 dargestellt worden.8 Außenwand mit zwei integrierten Kapillarrohrsystemen zur zeitweisen "Umgehung" der Wanddämmung Bei Besonnung der Südfassade kann der nichtgewollte Wärmestrom an die Außenschicht der Nordfassade geleitet werden. Dieses Sparpotenzial sinkt mit steigenden Außentemperaturen und ist bei ta > 0 °C nicht mehr existent. einer verfügbaren mittleren Wassertemperatur von 10 °C und bei mittiger Anordnung der Kapillarrohrmatten festgestellt worden. sobald diese mittlere Wärmeträgertemperaturen größer (tR + ta)/2 liefern kann. B. Kompaktfassade . Der Wärmeeintrag in ein klimatisiertes Gebäude lässt sich an Hand des Temperaturverlaufes erahnen.Vierfachverglasung (z.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 216 Einsatz von Fassadenkühlsystemen Fassadenkühlsysteme dürften energetisch noch interessanter als Heizsysteme sein. B.Kapillarrohrmatten eingepresst oder geklebt Bild 13. Glaskonstruktion 4 Scheiben Glaskonstruktion 2 Scheiben + Dämmung Fenster . Eine besondere Herausforderung stellt bei der zeitgemäßen Glasarchitektur die Integration von Kapillarrohrmatten dar.öffenbares Fenster . die Kühlung der Dächer von Werkhallen oder Kühlhäusern. Mit Wasser von 30 °C – an der Küste vorhanden – könnte bereits eine sehr wirksame Aufnahme der Transmissionswärme vor Erreichen des Raumes bewirkt werden.Zweifachverglasung (mit transparenter Dämmung) . 3 m Tiefe nach Messungen Wassertemperaturen von 18 . wobei mit Wasser aus freier Kühlung gearbeitet werden könnte. so z. Anwendungsgebiete wären auch in Deutschland vorstellbar.10 Ideenskizzen für transparente Fassaden mit integrierten Kunststoff-Kapillarrohrmatten Fenster .1999 Bild 13. der Wände hinter VollglasDoppelfassaden usw.öffenbares Fenster . 65 °C 60 55 Sonnen-Luft-Temperatur Temperaturadditiv zur Lufttemperatur durch direkte und diffuse Sonnenstrahlung Temperaturen 50 45 40 35 30 0 4 8 Lufttemperatur Uhrzeit als wahre Ortszeit 12 16 20 h 24 BILD1 | 5.10 gegeben.3.Kompaktfassade . 20 °C verfügbar..ein Scheibenpaar mit Kleber und Kapillarrohrmatten . Lösungsideen sind im Bild 13..9 Tagesverlauf der SonnenLuft-Temperatur auf eine Ostwand im Sommer am Golf von Oman Eine besonders wirksame Kühlung ist bei einigen Mittelmeeranrainern denkbar. B..9 zeigt den sommerlichen Verlauf der Sonnen-Luft-Temperatur für eine Ostwand eines Bauwerkes am Golf von Oman. 2 × mit Gasfüllung) . An der tunesischen Küste sind beispielsweise auch im August in ca. Bild 13. Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 217 Fazit • Mit dem Vorschlag einer thermoaktiven Dämmung soll eine Alternative zum bisherigen Weg immer dickerer Dämmungen vorgestellt werden. die die Wärmeübertragerflächen im Raum und in Reihe nachgeschaltet die Fassaden-Rohrregister beaufschlagen. -minderung und die verstärkte Umweltenergienutzung durch das TGA-Gewerk. B.bzw. die thermoaktive Dämmung lässt den Anschluss von "intelligenten" Systemen zu. Erdreichspeicher) gesteuert vergrößert werden. Dies ist beispielsweise der Fall.3) zur Aufnahme von zwei unterschiedlichen Typen von Kapillarrohrmatten . Übliche Phasenverschiebungen zwischen Ursache und Wirkung können verkleinert oder ausgeschaltet aber auch durch Zwischenspeicher (z. In der hydraulischen Analogie ist dies mit dem Übergang einer festen Drosselblende zum dynamischen Volumenstromregler zu vergleichen. Fluss. durch Fundament. • Die Kapillarrohrmatten bieten eine sehr gute Möglichkeit. beispielsweise im Beton • Entwicklung von Strangpressprofilen aus Aluminium als universell einsetzbares Wärmeleitpaneel (Bild 10. • Besonders vorteilhaft ist die Nutzung von "Einweg-Wärmeträgern". Die übliche dicke Dämmung ist in ihrer Wirkung "starr". nachfolgend genannte Arbeiten im Rahmen des F/EThemas erfolgreich durchgeführt: • Entwicklung und Optimierung der "dicken" Kapillarrohrmatte (Außendurchmesser 4. wenn Brunnen-.sowie Meerwasser zum Kühlen oder geothermische Energie oder Wärme aus saisonalen Speichern zum Heizen genutzt werden. die vorgestellte Idee zu realisieren. Bericht im Anhang T: "Möglichkeiten des Energieeinsatzes mit niedrigem Exergiepotenzial zum Heizen und Kühlen von Räumen" (22 Seiten) 14 Weitere Entwicklungen und Untersuchungen Auf dem Gebiet der technologischen Entwicklung der Kunststoff-Kapillarrohrmatten und ihrer praktischen Anwendung wurden weitere. • Hauptziele sind die Lastvermeidung bzw.3 mm) mit den zugehörigen Einbautechnologien. Säulen mit unterschiedlichsten Mattengeometrien und Herstellungstechnologien) Im Rahmen des F/E-Themas sind noch weitere. Wand.und Deckenflächen • • Entwicklung und Optimierung von starren und flexiblen Kühlsegeln Entwicklung verschiedener Putze (Rau. die sich für zukünftige. nicht detailliert aufgeführte theoretische und experimentelle Untersuchungen durchgeführt worden. .und Akustikputze) mit integrierten Kapillarrohrmatten und Optimierung hinsichtlich der Kühlleistungen • • Entwicklung einer Steckverbindung zur Kostensenkung und Reduzierung der Montagezeit Entwicklung und Optimierung zahlreicher konvektiv arbeitender Wärmeübertrager (Kühlund Heizschächte.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 218 • Entwicklung von mehreren Profilfolien für die werksseitige Bestückung mit Kapillarrohrmatten zur rationellen Herstellung thermisch aktiver Fußboden-. geschäumte Wandpaneele für Klimakammern und Kühlzellen mit integrierten Kunststoff-Kapillarrohrmatten. vertiefende Forschungen und Entwicklungen empfehlen: • • • • Überlegungen zur Steuerung von thermisch aktiven Massivspeicherbauteilen Überlegung zur Gestaltung von Kunsteisbahnen mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten Wärmeübertrager für Meerwasser – Kaltwasser mit Kapillarrohrmatten Wärmetechnische Besonderheiten bei Einsatz von Kunststoff-Kapillarrohrmatten in Latentwärmespeichern • Experimentelle Untersuchungen zum Einsatz von Binäreis in Verbindung mit KunststoffKapillarrohrmatten (homogene Durchströmung der Matten ist möglich) • Einbau von Kunststoff-Kapillarrohrmatten als Erdkollektor mit zugehöriger Messtechnik für Feldmessungen nach Inbetriebnahme der neuen Versuchs.und Laborhalle an der Westsächsischen Hochschule Zwickau (FH) • Experimentelle Untersuchungen zum Kondensationsverhalten von Kühlschächten unterschiedlicher Geometrie [29] • Experimentelle und technologische Untersuchungen für thermisch aktive. Die Randbedingungen der Untersuchung sind in Tabelle 15.und Trockenkühler sowohl bei Nutzung in der Nacht als auch am Tage betrachtet worden. Als Hauptaussage diente die Schätzung des Jahresenergiebedarfs. Es sind Nass.1 Blick in das untersuchte Einkaufszentrum mit Kennzeichnung möglicher Kühlflächen im Bereich der Verkaufsstraße . Wegen der allgemeinen Verfügbarkeit wurde die atmosphärische Luft als Wärmesenke verwendet. Weiterhin ist auch zwischen Nacht. die auf ein Kaltwassernetz mit konventionellem Temperaturniveau (RLT-Versorgung) und auf ein zweites Netz mit höherem Temperaturniveau (Flächenkühlsysteme) arbeiten.und Tagbetrieb – je nach Verwendungszweck – unterschieden worden.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 219 15 Mögliche Energieeinsparungen bei umfassendem Einsatz von Kunststoff-Kapillarrohrmatten in Einkaufszentren In einer umfassenden Arbeit wurden die Einsatzmöglichkeiten von Kunststoff-Kapillarrohrmatten zur effektiven Kühlung von Einkaufszentren (Bild 15.1 und die Einsparpotenziale in Tabelle 15. Die objektbezogenen Untersuchungen sind sehr verzweigt geführt worden: ■ Variation des Luftaufbereitungsprozesses in der Teilklimaanlage potenzielle Kühlsegelflächen ■ Reduzierung des Luftvolumenstromes durch zusätzlichen Einsatz von • Speicherdecken • Kühldecken • kombinierten Speicher-Kühldecken potenzielle Kühlflächen ■ Die Kälteversorgung der Zusatzsysteme erfolgt vorrangig mit Kälte aus der Umwelt. ■ Die ergänzende Kälteversorgung erfolgt durch Kältemaschinen.2 aufgeführt.1) betrachtet. Bild 15. B.1 Grundlegende Annahmen für die Untersuchung zur Energieeinsparung in Einkaufszentren durch veränderte Lüftung und umfassenden Einsatz der Kapillarrohrtechnik Raumklima in Ver. B.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 220 Tabelle 15. Kühldecke) nächtliche Kühlung durch Nutzung der Luft als Wärmesenke Kaltwasser aus der Umwelt (z. B.Nasskühler sind für die nächtliche "Kältebeladung" der Speicherdecken bevorzugt einzusetzen ⇒ jährliche Nutzungszeit ca. bei positiver Erfahrung ist auch LW = 3 h-1 diskussionsfähig absolute Zuluftfeuchte < 9 gW/kgtL.Kühlflächen am Baukörper (z. textile Kühlsegel) und Konvektionskühler (z.Kühlflächen im Baukörper integriert (z. bei Kühldecken stets kleiner 14 K Luftwechsel kann aus hygienischer Sicht bei 3 m Raumhöhe von LW = 6 h-1 auf LW = 4 h-1 gesenkt werden. B. da niedrigere Transportenergie als bei Luftkühlsystemen Einsatz von Flächenkühlsystemen mit hohen Kühlmedientemperaturen getrennte Kälteerzeugung für unterschiedliche Temperaturniveaus (RLTAnlage bzw.. wenn nur Feuchteeintrag durch Personen erfolgt Luftqualität wird bei niedrigerer Enthalpie subjektiv besser bewertet Einsatz von Wassersystemen.24 °C Anstieg bis auf 26 °C zulässig Strahlungsasymmetrie bedenkenlos. sinnvolle Nutzung nur über Nasskühler (Kühltürme) oder Hybridkühler möglich . Kühldecken und -segel) . Grundwasser) vorrangig nutzen atmosphärische Luft als Wärmesenke überall verfügbar.flexible Kühlflächen (z. Speicherdecke) .• kaufsräumen Raumtemperatur im Normalfall 22. 68 % Grundsätzliche Anforderungen an Kühlflächen in Einkaufszentren und Einsatzvorschläge • • • • • Energetische • Grundstrategien zur effizienten Raum• kühlung • • • Qualität natürlicher Wärmesenken • • • • • • • • große spezifische Leistungen bei hohen Kaltwassertemperaturen wartungsfreie Konstruktionen flexibel anpassbare Geometrien kein Stellflächenverlust niedriges Preis-Leistungsverhältnis Gestaltungsfreiheit für den Mieter Einsatzvorschläge zur Erfüllung der obigen Forderungen: . B. 87 % . Kühlschächte) Konstruktionen mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten haben deutliche thermodynamische und hydraulische Vorteile ..Nasskühler eignen sich gut zur Kaltwasserbereitstellung für Kühldecken am Tage ⇒ jährliche Nutzungszeit ca. denn Schaltungen und Energiemanagement gestatten umfassendere Lösungen als bei Vorhandensein von Einzelanlagen.. 185 W/m² freihängende textile Kühlsegel mit integrierten Kapillarrohrmatten ⇒ Normleistung: 70 .. Abluft 800 Pa Prämissen für die Auslegung der Zentralanlage ⇒ Für den Gesamtbilanzkreis Einkaufszentrum ist eine Zentralanlage energetisch stets effizienter zu betreiben..Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 221 Kühlflächen im Baukörper • Ortbetondecken mit 280 . Gipskarton.und temperaturabhängig: ⇒ geschlossene Decken 70 .. Langfeldplatten. bestehend aus einer Filigrandecke mit integrierter Kapillarrohrmatte und ergänzender Ortbetonschicht ⇒ kein Montage. 300 mm Dicke und mittig eingeordnete Rohrregister bilden die Grundform der Speicherdecken Die Leistungen sind von der Beladung (Zeitdauer. Blechkassetten. Kaltwassertemperatur)...oder Säulenform Leistungen stark konstruktions. 30 W/m² ⇒ Leistungsregelung ist nicht möglich.. Kühlböden ⇒ Leistung bei 6 K: 28 W/m² freihängende Kapillarrohrmatten ⇒ Normleistung: 100 .. 135 W/m² ⇒ Leistungsregelung ist sehr gut möglich Kühlflächen am Baukörper • • • Flexible Kühlflächen Kühlwände sind mit gleichen Konstruktionen realisierbar Die Leistungen sind etwas geringer als bei vergleichbaren Kühldecken. Lastannahmen für • Einkaufszentren und Grundsätze zur Auslegung der zentralen Teilklimaanlage • . Aluminiumstrangpressprofile. freigespannte Kapillarrohrmatten über offenen Rasterdecken) Die Normleistungen sind stark konstruktions.. vom Tagesgang der Raumtemperatur und vom Fußbodenaufbau stark abhängig: ⇒ Planungsgrundlage: 20 . 80 W/m² Leistungsregelung ist bei allen Systemen sehr gut möglich! • • Kühlschächte • konvektive Luftkühler in Schrank. B. 95 W/m² ⇒ offene Decken und Segel ..und temperaturabhängig ⇒ Leistungssteigerung durch Einsatz eines Lüfters ⇒ Leistungsregelung ist sehr gut möglich allgemeine Literaturauswertung und Planungsangaben ⇒ Kühllast in den Shopbereichen 60 W/m² ⇒ Luftwechsel in den Standardshops 6 h-1 ⇒ Abluftanteil 80 % des Zuluftvolumenstromes ⇒ Enthalpierückgewinnung mit 75 % ⇒ Anlagendruckverluste: Zuluft 1400 Pa.und Kontrollaufwand für das Rohrregister auf der Baustelle ⇒ nächtliche Einlagerung von "Umweltkälte" möglich ⇒ geregelte Nachkühlung am Tage bei hoher Dynamik untergehängte Kühldecken in vielfältiger Konstruktion und beliebigem Design (z. Dekorglasplatten. da passive Entladung • kombinierte Speicher-Kühldecke mit beispielsweise 180 mm Dicke... .Luftaufbereitungsprozess wird beibehalten . bedeutend höheren Lasten auch tatsächlich durch eine ergänzende Umluftanlage abführt oder aber. Einsparpotenzial: 0% 27 % • Reduzierung des Luftvolumenstromes plus thermische Bauteilaktivierung (Speicherdecke) .2 angegebene Bereich der Elektroenergieeinsparung bezieht sich auf unterschiedlich dimensionierte Kanalnetze.fehlende Kühlleistung des Luftstromes wird durch die Speicherdecke kompensiert (20 W/m² bei LW = 4 h-1 und 30 W/m² bei LW = 3 h-1) Einsparpotenzial bei LW = 4 h-1: 28.51 % Einsparpotenzial bei LW = 3 h-1: 43. Der in Tabelle 15.2 nur die jeweils effektivsten Lösungen aufgeführt. Tabelle 15. annähernd ausgeglichene Temperaturverhältnisse im gesamten Einkaufs-zentrum zu erhalten und die geplanten Luftströme ohne Störungen durch örtlich auftretende Thermikeinflüsse zu führen. dass die örtlich nicht kompensierten Lasten die Gesamtanlage doch indirekt belasten. Grundlagen der Anlagenmodellierung • Erarbeitung eines Rechenprogramms zur Ermittlung des spezifischen Energiebedarfs – speziell des Kältebedarfs – für die RLT-Anlage zur Versorgung der Standardshops Beispielrechnungen für zwei verschiedene Standorte und unterschiedliche Betriebsweisen der Enthalpierückgewinnung Näherungsvergleich mit Literaturangaben (Messwerte von Einkaufszentren lagen leider nicht vor) Analyse des vorhandenen Kältebedarfs nach der Modellrechnung und Berechnung des Energiebedarfs für den Lufttransport Untersuchungen verschiedener Systemvarianten • • Vorschläge für Systeme mit geringerem Energiebedarf • • Alle Berechnungen werden auf den Betriebszeitraum 1/2 Tag (4380 h/a) bezogen. ⇒ Bei einer Unterversorgung durch die Zentralanlage gibt es keine Gewähr dafür. da die Einsparungen stets nur in Relationen zum modellhaften Istzustand der konventionellen RLT-Anlage dargestellt werden. Von den zahlreichen untersuchten Varianten sind in Tabelle 15.68 % 28 % 43 % .Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 222 ⇒ Nur Zentralanlagen mit einer hohen Kühllastkompensation ermöglichen es. Die genaue Realzeit ist bedeutungslos.. dass der Shopbetreiber seine evtl.2 Energieeinsparpotenziale in Einkaufszentren durch veränderte Lüftung und umfassenden Einsatz der Kapillarrohrtechnik Systemvariante Einsparpotenziale Elektro Kälte • Veränderungen am Luftaufbereitungsprozess Aus energetischer Sicht wäre der Einbau einer Befeuchtungssektion vorteilhaft... bzw.Kühlleistung der Kühldecke 40 W/m² bei jeweils LW = 4 h-1 und LW = 3 h-1 Einsparpotenzial bei LW = 4 h-1: 24..48 % 42. • Bei sichtbaren Betondecken (beispielsweise in den Supermarktbereichen) sind kombinierte Speicher-Kühldecken. Da Kostendegressionen stets an hohe Fertigungsmengen gekoppelt sind.46 % 40.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 223 Einsparpotenziale Elektro Kälte Systemvariante • Reduzierung des Luftvolumenstromes plus Kühldecke . dass durch Anwenden der KunststoffKapillarrohrmatten in modernen Kühlflächen erhebliche Einsparpotenziale erzielbar sind.66 % 38 % 33 % Aussagen: • Für die Standardshops werde vorerst ein 4-facher Luftwechsel pro Stunde vorgeschlagen. .Kühlleistung der Kühldecke 40 W/m² bzw. ist der Umsatz der Kapillarrohrmatten durch eine Vergrößerung des Marktes unerlässlich.. Es ist auch zu prüfen.Luftaufbereitungsprozess wird modifiziert . Sie resultieren aus der Nutzung der Umweltenergie aber in sehr großem Umfang auch aus der veränderten Klimatisierungsstrategie durch Abkehr von großen Luftvolumenströmen. zu realisierende Kühlleistung von 40 W/m² ist auf die Verkaufsfläche bezogen........ Die vorgeschlagene.65 % 22 % 16 % 26 % 27 % • Reduzierung des Luftvolumenstromes plus kombinierte Speicher-Kühldecke .. • Außer den gestalterischen Aspekten entscheiden der Belegungsgrad mit aktiven Kühlflächen und die Auslegungstemperaturen über die Kühldecken.. 50 W/m² bei jeweils LW = 4 h-1 und LW = 3 h-1 Einsparpotenzial bei Kühldeckenleistung 40 W/m² und LW = 4 h-1: Einsparpotenzial bei Kühldeckenleistung 40 W/m² und LW = 3 h-1: Einsparpotenzial bei Kühldeckenleistung 50 W/m² und LW = 4 h-1: Einsparpotenzial bei Kühldeckenleistung 50 W/m² und LW = 3 h-1: 25.Luftaufbereitungsprozess wird modifiziert . Die komplexe Untersuchung zeigte sehr deutlich.67 % 23. Kühlsegelkonstruktionen. inwieweit Wandflächen – beispielsweise in den oberen Bereichen der Verkaufsstraßen – als Kühlflächen ausgebildet werden. in den Bereichen mit unbedingter Anwendung von untergehängten Decken wären Kühldecken zu präferieren.. Diese Veränderung ist nur durch kostengünstige und effizient arbeitende Kühlflächen möglich. Die Dimensionierung der RLT-Anlage einschließlich der Kanalnetze ist hinsichtlich der Druckverluste zu optimieren.47 % Einsparpotenzial bei LW = 3 h-1: 41. Umsetzung der Erkenntnisse in eine erweiterte Produktpalette und Markteinführung Die Abschnitte 4. Grundlagenuntersuchungen für spezielle Gebiete Die bei der Bearbeitung erkannten und teilweise bereits vorbereiteten Forschungs. Um das Potenzial zu nutzen. die als Wärmeträger Binäreis nutzen • Nutzerabhängige Optimierung von Erdkollektoren bestehend aus Kunststoff-Kapillarrohrmatten und experimentelle Langzeiterprobung eines bereits verlegten Systems (Laborhalle) • Theoretische und experimentelle Untersuchungen zum Kondensationsverhalten von Kühlschächten und -säulen unterschiedlicher Geometrie. sind Systemanbieter mit einem entsprechenden Vertriebssystem einzubeziehen. Die bei der Themenbearbeitung durchgeführten Untersuchungen und Entwicklungen lassen aus momentaner Sicht zwei wichtige Arbeitsgebiete erkennen: I. II. Sie verfügen über leistungsfähige Fertigungsstätten und fachlich kompetente deutschlandweite bis weltweite Vertriebssysteme.und Entwicklungsgebiete sind: • Entwicklung von hocheffizienten Wärmeübertragern Wasser/Wasser mit KunststoffKapillar-rohrmatten beispielsweise für die Kühlung mit Meerwasser oder zur thermischen Abwassernutzung • Entwicklung einer neuen Generation von Wärmeübertragern Wasser/Luft mit KunststoffKapillarrohrmatten • Entwicklung von Latentwärmespeichern mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten beispielsweise in Putzen mit Latentspeicheranteilen (Paraffinbasis) oder in reinen Latentspeichern • Entwicklung von Komponenten mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 224 16 Empfehlungen für die Weiterführung der Kapillarrohrtechnik Aufgrund der Analogie der Kapillarrohrmatten zum natürlichen Vorbild und der bisher gesammelten Erkenntnisse wird dem Einsatz von Kunststoff-Kapillarrohrmatten noch ein hohes Entwicklungspotenzial vorausgesagt. die entsprechendes Interesse an einer Mitarbeit zeigten. Aus diesem Zweck wurden bereits zahlreiche Vorträge mit entsprechenden Produktvorstellungen bei verschiedenen Firmen durchgeführt. 6 und 7 zeigen die sehr breiten Einsatzmöglichkeiten der entwickelten Systeme und Komponenten bei der Gebäudekühlung und -heizung. Konkrete Verbindungen ergaben sich daraus zu acht Firmen. Die Liste der Firmen und ihre Interessenslagen werden im Erfolgskontrollbericht mitgeteilt. . Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 225 Literaturverzeichnis [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] GLÜCK, B.: Hydrodynamische und gasdynamische Rohrströmung - Druckverluste (Reihe: Bausteine der Heizungstechnik). Berlin: Verlag für Bauwesen 1988 (ISBN 3-345-00222-1) GLÜCK, B.: Wärmetechnisches Raummodell - Gekoppelte Berechnungen und wärmephysiologische Untersuchungen. Heidelberg: C. F. Müller Verlag 1997 (ISBN 3-7880-7615-1) GLÜCK, B.: Atmosphärische Luft als Wärmesenke für die thermische Bauteilaktivierung, ki Luft- und Kältetechnik (2002) Heft 6 Länderarbeitsgemeinschaft Wasser, Stand 1984 REUß, M.; SANNER, B.: Auslegung von Wärmequellenanlagen erdgekoppelter Wärmepumpen. Heizung-Lüftung-Haustechnik (2000) Heft 4 GLÜCK, B.: Testreferenzjahr - ein Vorschlag zur Neudefinition und Ergänzung, Gesundheits-Ingenieur (1995) Heft 5 RUDOLF, H.: Psychosoziale Faktoren Hauptursache für Beschwerden in klimatisierten Gebäuden, TAB Technik am Bau (2002) H. 3 GLÜCK, B.: Thermische Bauteilaktivierung: Möglichkeit auch bei Bauwerkssanierungen, ki Luft- und Kältetechnik (2002) H. 4 DANIEL, T.; GRÄFF, B.: Leistungsbestimmung von Kühlböden. DKV-Tagung 1996 [10] FEIST, W.: Vom Niedrigenergiehaus zum Passivhaus - Erfahrungen mit Gebäuden ohne Heizung. Institut für Wohnen und Umwelt, Darmstadt. Internet [11] STRUBELT, O.: Niedrigenergiehaus - Strom der verkannte Allrounder. Heizung-Lüftung/ Klima-Haustechnik (2000) Heft 12, S. 48 bis 50 [12] UNBEKANNT: Innovative Technik im 1-Liter-Solarhaus. Heizung-Lüftung/Klima-Haustechnik (2001) Heft 1, S. 12 [13] GLÜCK, B.: Thermische Bauteilaktivierung - Nutzen von Umweltenergie und Kapillarrohren. Heidelberg: C. F. Müller Verlag 1999 (ISBN 3-7880-7674-7) [14] GLÜCK, B.: Ortsabhängige Kühlleistung von Massivbauteilen mit integrierten Rohrregistern in Abhängigkeit der Rohrverlegung. Heizung-Lüftung-Haustechnik (2001) Heft 5 [15] KÜLPMANN, R.: Untersuchungen zum Raumklimatisierungskonzept Deckenkühlung in Verbindung mit aufwärtsgerichteter Luftführung. Diss. TU Berlin, 1991 [16] GLÜCK, B.: Einfluss einer wärmespeichernden Massivdecke auf die dynamische Leistungsaufnahme einer untergehängten Kühldecke, Heizung-Lüftung-Haustechnik (1992) Heft 7, S. 365 bis 369 [17] GLÜCK, B.: Strahlungsheizung - Theorie und Praxis. Berlin: Verlag für Bauwesen; Karlsruhe: C. F. Müller Verlag 1982 (ISBN 3-7880-7157-5) Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 226 [18] WINDISCH, K.: Spezielle Lösungen der zweidimensionalen stationären Wärmeleitgleichung und ihre Anwendung zur Klärung des Wärmeübertragungsmechanismus bei Strahlplatten. Diss. TU Dresden, 1969 [19] ILLING, B.: Kühldeckensysteme - Frei gehängte Kapillarrohrmatten über Paneeldecke, CCI (2002) Nr. 10 [20] KAST, W.: Die Erhöhung der Wärmeabgabe durch Strahlung bei Mehrfachreflexionen zwischen strahlenden Flächen. VDI Fortschritts-Bericht 6, 1965 [21] GLÜCK, B.: Wärmeübertragung, Wärmeabgabe von Raumheizflächen und Rohren, 2. Auflage. Berlin: Verlag für Bauwesen 1990 (ISBN 3-345-00515-8) [22] GLÜCK, B.: Zustands- und Stoffwerte (Wasser, Dampf, Luft), 2. Auflage. Berlin: Verlag für Bauwesen 1991 (ISBN 3-345-00487-9) [23] GLÜCK, B.: Vergleichsprozesse der Klimatechnik. Heidelberg: C. F. Müller Verlag 1998 (ISBN 3-7880-7643-7) [24] VDI-Wärmeatlas. 8. Auflage. Düsseldorf: VDI Verlag 1997 [25] IDEL’CHIK, I. E.: Handbook of Hydraulic Resistance – Coefficients of Local Resistance and of Friction. Moskau: Gosudarstvennoe Energeticheskoe Izdatelstvo 1960, Translation Jerusalem 1966 [26] ESDORN, H.: Rietschel – Raumklimatechnik I. Grundlagen. 16. Auflage. Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokyo, Hong Kong, Barcelona, Budapest: SpringerVerlag 1994 [27] ILLING, B.; STEIN, D.; SCHMIDT, M.: Versuchsberichte zur Messung der Kühlleistungen an Kapillarrohrmatten. Westsächsische Hochschule Zwickau (FH), Fachbereich Versorgungsund Umwelttechnik Bericht 1 vom Feb. 2000: Bericht 2 vom Juli 2000: Bericht 3 vom Juni 2000: Untersuchung einer Kühlsäule mit Kapillarrohrmatten Untersuchung eines Kühlschachtes mit Kapillarrohrmatten Untersuchung der Kühlleistungen von freihängenden Kapillarrohrmatten bei der Lasteinbringung über die Wandflächen Untersuchung der Kühlleistungen von freihängenden Kapillarrohrmatten bei der Lasteinbringung durch Dummys Bericht 4 vom Aug. 2000: [28] ILLING, B.; STEIN, D.: Kurzbericht Kühl- und Heizschacht vom Dezember 2001 der Westsächsischen Hochschule Zwickau (FH), Fachbereich Versorgungs- und Umwelttechnik [29] ILLING, B.; KORNDÖRFER, S; STEIN, D.; SCHMIDT, M.: Versuchsbericht zur Messung der Kühlleistungen mit gleichzeitiger Feuchtekondensation in Kühlschächten mit Kapillarrohrmatten. Westsächsische Hochschule Zwickau (FH), Fachbereich Versorgungs- und Umwelttechnik, Bericht vom 1.5.2002 Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 227 Zeitschriftenveröffentlichungen mit Bezug auf das bearbeitete F/E-Thema 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Thermische Bauteilaktivierung – Stand und Entwicklungsmöglichkeiten, ki Luft- und Kältetechnik H. 3/00 Wärmeübertragung durch raumbegrenzende Heiz- und Kühlflächen mit geringem Exergieverlust - Lehren aus der BIONIK, Gesundheits-Ingenieur H. 4/00 Wassertemperaturen und Aufheizzeiten von Fußbodenheizungen mit Estrichverlegung, Heizung-Lüftung-Haustechnik H. 6/00 Wärmephysiologische Bewertung von Kühlsystemen zur Raumklimatisierung – Randbedingungen und Simulationsmodelle, Heizung-Lüftung-Haustechnik H. 9/00 Wärmephysiologische Bewertung von Kühlsystemen zur Raumklimatisierung - Lastmodellierung, Anlagenvariationen und Schlussfolgerungen, Heizung-Lüftung-Haustechnik H. 11/00 Wird die thermische Bauteilaktivierung kaputt aktiviert? CCI Nr. 13/00 Filigrandecken mit integrierter thermischer Bauteilaktivierung, TAB Technik am Bau H. 1/01 Möglichkeiten des Energieeinsatzes mit niedrigem Exergiepotenzial zum Heizen und Kühlen von Räumen, Gesundheits-Ingenieur H. 1/01 Luftheizung oder wasserbeaufschlagte Flächenheizung in Gebäuden mit niedrigem Heizwärmebedarf, Gesundheits-Ingenieur H. 4/01 10. Ortsabhängige Kühlleistung von Massivbauten mit integrierten Rohrregistern, Heizung-Lüftung-Haustechnik H. 5/01 11. Einfluss der Wärmeleitfähigkeit des Betons und der Bewehrung bei der thermischen Bauteilaktivierung, Heizung-Lüftung-Haustechnik H. 2/02 12. Basisüberlegungen zur Steuerung bei der Beladung von thermisch aktivierbaren Massivspeicherbauteilen, Heizung-Lüftung-Haustechnik H. 3/02 13. Vorschlag und Beispiel für eine erweiterte Normleistungsbestimmung für geschlossene Kühl- und Heizflächen mit integrierten Rohrregistern, Gesundheits-Ingenieur H. 1/02 14. Thermische Bauteilaktivierung mit kreuzmäanderförmigen Rohrregistern, TAB Technik am Bau H. 3/02 15. Kombination verschiedener Aktivflächensysteme im Raum und ihre Einflüsse auf die Behaglichkeit und die erforderlichen Wassertemperaturen, Heizung-Lüftung-Haustechnik H. 4/02 16. Atmosphärische Luft als Wärmesenke für die thermische Bauteilaktivierung, ki Luft- und Kältetechnik H. 6/02 17. Thermische Bauteilaktivierung auch bei Bauwerkssanierungen, ki Luft- und Kältetechnik H. 4/02 18. Die Zweiflächenbauteilaktivierung – Neue Wege für die Büroklimatisierung (Teil 1), TAB Technik am Bau H. 8/02 19. Die Zweiflächenbauteilaktivierung – Neue Wege für die Büroklimatisierung (Teil 2), TAB Technik am Bau H. 9/02 20. Kühldeckensysteme - Frei gehängte Kapillarrohrmatten über Paneeldecke, CCI 10/2002 Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 228 Anhänge auf CD-ROM (nur für Teilnehmer an der F/E-Bearbeitung) Anhang A: "Mehrdimensionale Optimierung für raumbegrenzende Heiz- und Kühlflächen mit geringem Exergie- und Druckverlust – Lehren aus der Bionik" (21 Seiten) Anhang B: "Wärmephysiologisches Empfinden des Menschen beim Einsatz großflächiger, thermisch aktiver Raumumfassungen und konvektiv arbeitender Wärmeübertragerelemente im Raum mit geringen Temperaturdifferenzen zum Aufenthaltsbereich" (227 Seiten) Weitere 476 Seiten Rechnerausdrucke liegen bei F+E TGA vor. Anhang C: "Kombination verschiedener Flächenkühlsysteme im Raum und ihre Einflüsse auf die Behaglichkeit und die Kaltwassertemperatur (Clina-Baukasten)" (104 Seiten) Anhang D: "Universeller Clina-Baukasten – Kühl- und Heizflächen – für alle Leistungsbereiche" (Kurzbericht als Firmenpräsentation) (14 Seiten) Anhang E: "Clina-Baukasten – Messetafeln mit Darstellung der räumlichen Strahlungstemperatur- und Strahlungstemperatur-Asymmetrie über dem Raumgrundriss " (Messeinformation als Firmenpräsentation) (6 Seiten) Anhang F: "Quo vadis Büroklimatisierung? – Zweiflächen-Bauteilaktivierung?" (30 Seiten) Anhang G: "Luftheizung oder wasserbeaufschlagte Flächenheizung in Gebäuden mit niedrigem Heizwärmebedarf?" (27 Seiten) Anhang H: "Thermische Bauteilaktivierung mit Filigrandecken und integrierten Kapillarrohrmatten" (21 Seiten) Anhang I: "Neue Simulationsmethodik der instationären, dreidimensionalen Vorgänge bei der thermischen Bauteilaktivierung mit Rohrregistern in Betondecken – Gegenüberstellung von Kreuzmäandern, Einfachmäandern und Kapillarrohrmatten" (119 Seiten) Anhang J: "Einfluss der Wärmeleitfähigkeit und der Bewehrung von Massivspeicherdecken auf die Akustikputz unterschiedlicher Geometrie" (80 Seiten) Anhang O: "Untersuchung der Anheizvorgänge in Fußbodenheizungen mit Estrichverlegung" (22 Seiten) plus zugehörige Rechnerausdrucke beim Verfasser Anhang P: "Untersuchung der Kühlleistung von Putzdecken mit integrierten Kunststoff-Kapillarrohrmatten verschiedener Geometrie" (57 Seiten) Anhang Q: "Vorschlag und Beispiel für eine erweiterte Normleistungsbestimmung geschlossener Kühl.Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten 229 Kühlleistung" (25 Seiten) Anhang K: "Ortsbezogene Kühlleistung von Massivbauteilen mit integrierten Rohrregistern in Abhängigkeit der Rohrverlegung" (56 Seiten) Anhang L: "Optimierung des Wärmetransports in Blechkassetten-Kühldecken mit KunststoffKapillarrohrmatten in Abhängigkeit der Einbringung" (24 Seiten) Anhang M: " Thermodynamische Voruntersuchung zum Einsatz von Kunststoff-Kapillarrohrmatten in Deckensystemen von OWA für Kühlzwecke " (71 Seiten) Anhang N: "Untersuchung der Kühlleistung von Decken mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten und Rauputz bzw.und Heizflächen mit integrierten Rohrregistern" (18 Seiten) Anhang R: "Grundlagen zum Wärmeübergang bei Kapillarrohrmatten" (260 Seiten) Anhang S: "Untersuchung der Heizleistung von wechselweise genutzten Kühl-/Heizschächten mit vertikalgespannten Kunststoff-Kapillarrohrmatten" (40 Seiten) Anhang T: "Möglichkeiten des Energieeinsatzes mit niedrigem Exergiepotenzial zum Heizen und Kühlen von Räumen" (22 Seiten) Gesamtseitenzahl Anhänge: 1244 .