Moderne Gebäudeplanung muss sich heutzutage zahlreichen Herausforderungen stellen. Mit Blick auf den Klima- und Ressourcenschutz steigt die Bedeutung einer energieeffizienten und nachhaltigen Bauweise sowie sogenannter Green Buildings. Dabei gilt es, durch verminderten Verbrauch von Energie, Wasser und Material sowohl die Betriebskosten als auch die Umweltbelastungen zu reduzieren und parallel mit hoher Wärmedämmung und besserem Schallschutz einen Komfortgewinn zu erzielen.
Die Maßnahmen zur Steigerung der Gebäudequalität haben allerdings nicht nur positive Auswirkungen. Auf der einen Seite dichten den geltenden Wärmedämmstandards entsprechend Fenster und Fassadenmaterialien die Gebäudehülle effektiv ab und senken in den Wintermonaten den Heizenergiebedarf. Auf der anderen Seite erschweren sie jedoch die notwendige Luftzirkulation, was zur Steigerung der CO2-Konzentration sowie der relativen Luftfeuchte in den Räumen führt. Des Weiteren erhöhen die moderne, transparente Architektur mit immer größeren Fensterflächen sowie innere Wärmequellen, wie Personen, PCs und Beleuchtung, die Kühllasten im Gebäude. Die Folgen sind Unbehaglichkeit, Konzentrationsstörungen, Ermüdung oder gar Krankheiten sowie Bauschäden aufgrund von Feuchtigkeit und Schimmelbildung.
Systematik der Luftführungssysteme
Aus diesem Grund ist es notwendig, den Zustand der Raumluft hinsichtlich Temperatur, Feuchte und Reinheit innerhalb bestimmter Grenzen zu halten. Entsprechend der DIN EN 13779 sowie DIN EN 15251 soll die operative Raumtemperatur im Kühlfall nicht mehr als 24,5 °C betragen, während im Heizfall ein Wert von 22 °C anzustreben ist. Eine für den Menschen in Deutschland zuträgliche relative Luftfeuchte liegt zwischen 30 und 70%. Die DIN EN 13779 klassifiziert zudem die verschiedenen Luftarten und deren Qualität. Ist in einem Gebäude die Einhaltung eines gesundheitszuträglichen Raumluftzustandes mit Hilfe natürlicher Fensterlüftung nicht ausreichend oder störungsfrei möglich, kommen RLT-Anlagen zum Einsatz.
Luftführungssysteme werden in der Regel nach zwei Gesichtspunkten charakterisiert, dem Ort der Luftzufuhr und der Strömungsform. Die Luftzufuhr kann prinzipiell über alle Umschließungsflächen, also Decke, Boden, Wand und Fassade, in den Raum erfolgen. Die Strömungsart ist vom Turbulenzgrad bzw. der Ausblasgeschwindigkeit abhängig und wird zwischen Mischlüftung (ML), Quelllüftung (QL) und Misch-Quelllüftung (MQL) unterschieden.
Bei der Mischlüftung tritt die Zuluft mit hohem Impuls über Durchlässe im Decken-, Wand- oder Brüstungsbereich (Induktionsgeräte) ein und vermischt sich mit der Raumluft. Die Austrittsgeschwindigkeit liegt zwischen 2 und 5 m/s. Die Folgen einer derartigen Strömungsart sind eine konstante Temperatur sowie gleichmäßige Verdünnung der Schadstoffkonzentration im Raum.
Quelllüftung beeinflusst die Raumströmung durch thermischen Auftrieb, wodurch sie energetisch besonders günstig ist. Die Zuluft wird in Bodennähe eingeführt, wo sie sich großflächig verteilt. Anschließend strömt sie in Richtung Decke und verdrängt die warme und schadstoffbelastete Raumluft. Im Resultat ist die Lufttemperatur im Aufenthaltsbereich (ca. 1,1 m Höhe) niedriger als bei der Mischlüftung. Das zugluftfreie Ausblasen der Zuluft mit Geschwindigkeiten unter 0,2 m/s gewährleistet ein hohes Behaglichkeitsempfinden.
Eine Kombination der Vorteile beider Strömungsarten erfolgt mit der Misch-Quelllüftung. Die Zuluft steigt fassadenseitig mit einer Austrittsgeschwindigkeit zwischen 1 und 1,5 m/s senkrecht nach oben, vermischt sich mit der Raumluft und geht anschließend nach Abbau des Strahlimpulses in eine Quelllüftung über. Zu empfehlen ist eine derartige Lufteinbringung beispielsweise bei hohen Leistungsanforderungen in Verbindung mit Kühldeckensystemen. Im Gegensatz zu einer reinen Mischlüftung mit hohem Austrittsimpuls in Deckenrichtung wird bei der Misch-Quelllüftung eine zeitgleiche Leistungsreduzierung der Kühldecke wirksam vermieden.
RLT-Anlagen im Systemvergleich
Raumlufttechnische Anlagen werden zur Abfuhr thermischer Lasten und zur maschinellen Lüftung eingesetzt. Diese Aufgabenteilung ermöglicht eine getrennte Auslegung nach Raumtemperatur und Außenluftströmen sowie eine bedarfsorientierte Betriebsweise. Die Räume werden hierbei über die Trägermedien Luft, Wasser oder Kältemittel temperiert, während die Außenluftzufuhr entweder über Kanalsysteme mit zentraler Ansaugung oder dezentral direkt über die Fassade erfolgen kann. Auf dieser Basis lassen sich eine Vielzahl von unterschiedlichen Systemen zur Lüftung und Klimatisierung zusammenstellen. In der VDI-Richtlinie 3804 Raumlufttechnik für Bürogebäude (VDI-Lüftungsregeln), die bereits die neuen Grundlagennormen DIN EN 13779, DIN EN 15251 sowie die Hygienerichtlinie VDI 6022 berücksichtigt, werden die gängigsten Anlagentypen gegenübergestellt.
Verschiedene Anlagentypen
Bei Nur-Luft-Anlagen erfolgt die gesamte Raumklimatisierung über eine zentrale Anlage und das Medium Luft. Um die Heiz- und Kühllast im Gebäude abführen zu können, sind große Volumenströme notwendig, die wiederum mit hohem Energieaufwand und entsprechend hohen Betriebskosten verbunden sind. Die Luftverteilung erfolgt in der Regel über ein Kanalsystem im abgehängten Deckenbereich sowie Steigschächte, wobei in den jeweiligen Räumen Luftdurchlässe angebracht sind. Der Platzbedarf für ein entsprechend groß dimensioniertes Luftverteilersystem bringt weitere wirtschaftliche Nachteile mit sich, da weniger des umbauten Raumes genutzt oder vermietet werden kann. Nur-Luft-Anlagen eignen sich daher insbesondere für die Klimatisierung von größeren Räumlichkeiten, wie beispielsweise Fertigungshallen, Sälen, Auditorien, Theatern oder Versammlungsräumen.
Zentrale Luft-Wasser-Anlagen fördern über die Lüftungsanlage lediglich die hygienisch erforderliche Außenluftmenge. Die Deckung der fehlenden Heiz- und Kühllast erfolgt über dezentrale Sekundärlufteinheiten, die an ein zentral gespeistes Wassernetz angebunden sind. Eine derartige Aufgabenteilung hat wesentlich geringere Betriebskosten zur Folge, da hier einerseits die Luftvolumenströme kleiner ausfallen und andererseits beim Einsatz von Wasser als Transportmedium für die Wärme- bzw. Kälteabfuhr deutlich weniger Energie benötigt wird als bei luftgeführten Systemen. Gleichzeitig kann auf großvolumige Kanalsysteme mit hohem Platzbedarf verzichtet werden.
Bei den dezentralen Luft-Wasser-Anlagen erfolgt die Wärme- und Kältebereitstellung ebenfalls über ein zentral gespeistes Wassernetz, während die Außenluft dezentral direkt über die Fassade in die jeweiligen Räume angesaugt wird. Damit entfällt ein zentrales Luftführungskanalsystem gänzlich, wodurch bei gleicher Gebäudehöhe mehr Geschosse und damit mehr Nutzungs- und Vermietungsfläche möglich werden. Dezentrale Lüftungssysteme erlauben zudem eine raumbezogene Regelbarkeit der Leistungsstufe und Betriebsdauer sowie eine individuell auf jeden Raum bzw. Mieter ausgelegte Abrechnung der Energieverbrauchskosten.
Im Falle von Nur-Wasser-Anlagen findet der notwendige Luftaustausch mit Hilfe freier Lüftung statt. Dies kann über manuelles Fensteröffnen, motorisch gesteuerte Fensterflügel oder Außenluftdurchlässe geschehen. Eine geregelte Temperierung oder Volumenstrombestimmung der Zuluft ist hierbei nur bedingt möglich. Thermische Lasten werden über wassergebundene Systeme abgeführt.
Direktverdampfer-Anlagen oder kurz DX-Anlagen nutzen als Energieträgermedium ein Kältemittel, beispielsweise R 407C oder R 410A. Sie bestehen aus einer Inneneinheit (Verdampfer) und einer Außeneinheit (Kondensator). Der Einsatz drehzahlgeregelter Verdichter (Inverter) sowie elektronischer Einspritzventile (EEV) ermöglicht auch im Teillastbetrieb eine hohe Effizienz. Es wird zwischen Monosplit- und Multisplit- sowie VRF-Systemen (Variable Refrigerant Flow) unterschieden. Bei Monosplitanlagen wird jeweils nur ein Raum temperiert, während mit Multisplitanlagen die Versorgung von mehreren Räumen möglich ist. Jedes Innengerät ist einzeln mit der Außeneinheit, in der die Einspritzung stattfindet, verbunden. Im Falle der VRF-Systeme werden hingegen die Innengeräte, die mit eigenen elektronischen Einspritzventilen ausgestattet sind, über Abzweige von einer zentralen Kältemittelleitung versorgt. Bei DX-Anlagen ist eine Kombination sowohl mit maschineller als auch mit freier Lüftung möglich.
Energetisch sinnvolle Systemkombination
In der Branche wird das sogenannte hybride System eine Zusammenführung dezentraler Zuluft mit zentraler Abluft zunehmend favorisiert. Bei diesem Konzept erfolgt der notwendige Luftwechsel dezentral auf kürzestem Weg direkt über die Fassade, während die Abluft zentral in Sekundärbereichen abgeführt und für die Energierückgewinnung beispielsweise über eine Luft/Wasser-Wärmepumpe genutzt wird. Eine Belüftung der Nebenräume ergibt sich dabei durch Überströmung der bereits vortemperierten Zuluft. Nachts kann dieses Prinzip zudem zur Auskühlung der Räume genutzt werden. Damit zeichnet sich ein derartiges System durch besonders hohe energetische Gesamteffizienz aus und verfügt gleichzeitig über alle Vorteile der dezentralen Lüftungstechnik, wie dem Nettoraumgewinn aufgrund des Wegfalls von groß dimensionierten Kanalführungen im Zwischendeckenbereich oder der Möglichkeit einer individuellen, raumbezogenen Regelbarkeit des Innenraumklimas.
Dezentrale Komfortlösungen
Dezentrale Lüftungssysteme können objektbezogen die Funktionen Zu- und Abluft, Filtern, Heizen, Kühlen sowie Wärmerückgewinnung beinhalten. Als Einbauvariante kommen die Integration in die Fassade und die Aufstellung im Unterflurbereich oder als Brüstungsgerät, bei der als Verbindung zur Außenluft eine entsprechende Fassadenöffnung benötigt wird, in Betracht. Um Geräusche von außen wirksam abschirmen zu können, sollte bei der Auswahl des Systems sowohl auf eine gute Durchgangsdämpfung als auch ein ausreichendes Schalldämmmaß in Verbindung mit niedrigen Schallleistungspegeln geachtet werden. Da die Geräte ohne aufwendige Kanalsysteme auskommen, eignen sie sich zudem sehr gut für die Gebäudesanierung.
Aus energetischen Gründen empfiehlt sich, bereits in der Planungsphase darauf zu achten, dass die Ansaugöffnungen an den sonnenzugewandten Gebäudeseiten einige Zentimeter herausragen. Auf diese Weise wird ein Ansaugen aus der im Sommer wärmeren Fassadengrenzschicht und damit eine deutliche Erhöhung der abzuführenden Kühllast vermieden. Darüber hinaus sollte die Förderung der Volumenströme über EC-Ventilatoren erfolgen. Diese Motorentechnologie verfügt über eine stufenlose Drehzahlanpassung zum selbsttätigen Druckausgleich sowie hohe Wirkungsgrade sowohl im Volllast- als auch im Teillastbetrieb und ist damit besonders energieeffizient. Ein weiterer Vorteil liegt in der äußerst geringen Geräuschentwicklung.
Lüftungsgeräte für die Fassadenintegration
Die Basisvariante dieser Geräte funktioniert als rein passives Element mit manuell oder elektrisch verschließbarer Zuluftöffnung über die Druckdifferenz. Als zusätzliche Komponenten unterstützen Filter und Ventilatoren die für ein behagliches Raumklima notwendige Frischluftzufuhr. Je nach Produkttyp und Gebläseausrüstung sind dabei Luftvolumenströme deutlich über 120 m3/h möglich. Selbsttätige und über Federrücklauf schließende Verschlussklappen an der Gebäudeaußenseite verhindern bei Stillstand oder Stromausfall das Einströmen kalter Luft in die Fassade und verbessern die Wärmedämmeigenschaften der Geräte. Der flexible Einbau erfolgt nach architektonischen und planerischen Vorgaben wahlweise unterhalb der Fensterbank, oberhalb oder unterhalb von Fensterelementen, seitlich zwischen Blendrahmen und Mauerwerk, waagerecht oder senkrecht in der Fensterkonstruktion sowie sichtbar oder verdeckt. Baulänge und Bautiefe lassen sich dabei über die Mindestabmessungen hinaus nahezu beliebig an die jeweilige Fenster- und Fassadenkonstruktion anpassen.
Dezentrale Lüftungsgeräte mit Zu- und Abluftfunktion und integriertem Wärmerückgewinner, wie sie von Emco Bau- und Klimatechnik hergestellt werden, verringern deutlich den für die Raumtemperierung notwendigen Energieeinsatz. Dies geschieht, indem die in der Abluft enthaltene Wärme über einen Plattenwärmetauscher der Raumluft wieder zugeführt wird. Zusätzlich ist bei extremen Außentemperaturen oder zur Vorkühlung des Raumes bei Nacht eine Umgehung des Wärmerückgewinners mit Hilfe eines integrierten Bypasssystems möglich.
Lüftungsgeräte im Unterflurbereich
Dezentrale Lüftungsgeräte in Unterflurbauweise können genauso mit Heiz- und Kühlfunktionen ausgestattet werden. Die Raumluft wird dann über Wärmetauscher in 2-Leiter- oder 4-Leiter-Schaltungen angesaugt und im Winter aufgeheizt bzw. im Sommer abgekühlt. Aufgrund der Baugröße und Forderung, nach Möglichkeit lediglich den Mindestluftwechsel abzudecken, verfügen die Geräte allerdings über begrenzte Leistungsbereiche. Bei hohen Kühllasten können sie daher energetisch sinnvoll nur einen Teil davon aus dem Gebäude abführen. Aus diesem Grund ist ein zusätzliches Kühl system für das Erreichen einer thermischen Behaglichkeit in den Räumen erforderlich. Dabei empfiehlt sich eine Kombination mit weiteren wassergeführten Systemen, zu denen beispielsweise dezentrale Geräte im reinen Sekundärluftbetrieb oder Kühldecken und Kühlsegel gehören. Bei einigen Lüftungsgerätevarianten ist bereits eine integrierte Kombination mit Sekundärluft verfügbar.
Brüstungsgeräte
In Brüstungsgeräten lassen sich die Funktionen Zuluft, Sekundärluft, Abluft, Filterung, Wärmerückgewinnung sowie Kühlen und Heizen über Wärmetauscher in 2-Leiter- oder 4-Leiter-Schaltungen realisieren. Für den Ruhebetrieb ohne Lüftung sind die Geräte in der Regel mit einem per Motor ausschwenkbaren Wärmetauscher ausgestattet, der den Transmissionswärmebedarf des Raumes in natürlicher Konvektion ohne Energiebedarf durch den Ventilator abdeckt.
Eine aktive Raumkühlung direkt über die Außenluft und gänzlich unabhängig von mechanischer Kälteerzeugung ermöglicht die Kombination dezentraler Zu- und Ablufttechnik mit einem Latentwärmespeicher. Durch den Einsatz natürlicher Nachtkälte zur Temperierung und in Verbindung mit einer integrierten Wärmerückgewinnung ist das Gerät besonders umweltfreundlich und energieeffizient. Das Konzept nutzt die Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht zur Kühlung der Räume. Die Regeneration des PCM-La tentwärmespeichers (PCM = Phase Change Materials) erfolgt nachts, indem die tagsüber gespeicherte Wärme an die kühle Außenluft abgeführt wird und das Speichermedium dabei vom flüssigen in festen Zustand wechselt. Gleichzeitig wird der kühle Außenluftstrom über eine Ausblasvorrichtung in den Raum geleitet und sorgt dort für eine nächtliche Temperaturabsenkung. Tagsüber schaltet das PCM-Modul auf Sekundärluftbetrieb. Sobald die Innentemperatur den Grenzwert überschreitet, wird die warme Raumluft vom Querstromventilator angesaugt, über die regenerierten Speicherplatten geführt und abgekühlt wieder in den Raum eingebracht. Die Sicherstellung des notwendigen Luftwechsels erfolgt mit Hilfe eines über dem PCM-Modul angebrachten Lüftungsgerätes. Ein integrierter Wärmerückgewinner erhöht die Nutzungsdauer des PCM-Moduls, indem er die warme Außenluft bereits vorkühlt. -
Stefan Bauer
ist Leiter Project-Account bei der Emco Bau- und Klimatechnik in Lingen (Ems)
Bestimmungen für raumlufttechnische Anlagen
EnEV 2009 Energieeinsparverordnung vom 30. April 2009 (trat am 1. Oktober 2009 in Kraft)
DIN EN ISO 7730 Ergonomie der thermischen Umgebung Analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und des PPD-Indexes und Kriterien der lokalen thermischen Behaglichkeit (Behaglichkeitsnorm) vom Juni 2006
DIN EN 15251 Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik vom August 2007
DIN EN 13779 Lüftung von Nichtwohngebäuden Allgemeine Grundlagen und Anforderungen an Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme vom September 2007
VDI 6022 Hygiene-Anforderungen an Raumlufttechnische Anlagen und Geräte vom April 2006
VDI 3804 Raumlufttechnik für Bürogebäude (VDI-Lüftungsregeln) vom April 2008
Marktübersicht
Emco Bau- und Klimatechnik GmbH & Co. KG
befasst sich mit objektbezogenen Problemstellungen im Klimatisierungsbereich. Unterschiedliche Komponenten werden je nach Anforderung zu Systemlösungen kombiniert. Ansprechpartner: Martin Schomakers, Telefon (0591)9140-619 http://www.emco.de/klima
GEA Happel Klimatechnik GmbH
bietet Luftbehandlung an Ort und Stelle. Die Boden- sowie aktive und passive Kühlkonvektoren können überall dort, wo wohlige Wärme oder Kühlung mit schneller Anpassung an die Regelung und hoher Komfort verlangt wird, verwendet werden. Ansprechpartner: Jens Meßfeldt, Telefon (02325)468-563 http://www.gea-happel.de
LTG Aktiengesellschaft
Komponenten und Systeme für die Raumluft- und Prozesslufttechnik. Ansprechpartner: Udo Bergmann, Verkaufsleiter, Telefon (069) 94201912 http://www.ltg-ag.de
Schako Klima-Luft Ferdinand Schad KG
Von verschiedenartigen Konvektoren über Deckeninduk tions auslässe bis hin zu Kühldecken bietet der Hersteller verschiedene Möglichkeiten der dezentralen Klimatisierung. Ansprechpartner: Peter Hug, Produktmanager Luft-Wasser-Systeme, Telefon (07463) 980-160 https://schako.com/de/
Swegon GmbH
Das schwedische Unternehmen bietet wassergebundene Klimasysteme, Luftdurchlässe, Systeme für bedarfs ge - steuerte Lüftung und Akustikprodukte. Ansprechpartner: Horst Buschmann, Geschäftsführer und Leiter des Vertriebs, Telefon (02301) 946623 https://www.swegon.com/
Trox GmbH
entwickelt Luft-Wasser-Systeme für alle Einbausituationen in Decken, Brüstungen, Fassaden und Böden für Neu- und Sanierungsbauten. Ansprechpartner: Falk Schießer, Telefon (02845) 202225 http://www.trox.de
