Ganzheitliche Systemplanung - Dezentrale Klimatisierung und Bedarfslüftung für ein behagliches Raumklima

Eine wirksame Verknüpfung beider Kriterien miteinander ist daher unerlässlich. Dabei steht eine ganzheitliche Planung im Mittelpunkt, die ein hohes Behaglichkeitsempfinden bei maximaler Energieeffizienz zum Ziel hat. Hierfür sollten die Bemessung des Luftvolumenstroms lediglich aufgrund der hygienisch erforderlichen Primärluftmenge, die Abfuhr der Wärme- und Kühllasten hingegen über wasserführende Komponenten erfolgen. Zuvor müssen jedoch stets die Bedingungen vor Ort sorgfältig analysiert und der tatsächliche Bedarf in den jeweiligen Nutzungszonen berücksichtigt werden.

Kriterien der Behaglichkeit

Ausschlaggebend für die Planung ganzheitlicher lüftungs- und klimatechnischer Systeme sind die Kriterien der Behaglichkeit. Als wichtigste Norm gilt hier die DIN EN ISO 7730, die die drei Kategorien A (hoch), B (mittel) und C (mäßig) für das Raumklima definiert. Diese werden nach dem thermischen Zustand des Körpers, der durch die operative Temperatur, den Aktivitätsgrad und die Bekleidung bestimmt ist, sowie unterschiedlichen lokalen Einflussfaktoren bewertet. An erster Stelle kann hier das von der Lufttemperatur, der Luftgeschwindigkeit und dem Turbulenzgrad der Luftströmung abhängige Zugluftrisiko (DR) genannt werden. Darüber hinaus hat auch die Strahlungsasymmetrie (?ts) einen großen Einfluss auf die Behaglichkeit. Sie ist ein Maß für die Unterschiede der örtlichen Verteilung der Strahlungswärmeabgabe im Raum und entsteht, wenn die einzelnen Oberflächentemperaturen von Wänden, Decken oder Böden erheblich von der mittleren Strahlungstemperatur der Umgebung abweichen. Des Weiteren zählen der vertikale Temperaturgradient, der die Temperaturschichtung im Aufenthaltsbereich bezeichnet, sowie die Fußbodentemperatur zu den lokalen Einflussfaktoren.
Zu beachten ist hierbei, dass die Anforderungen an eine bestimme Raumluftkategorie nur dann erfüllt werden, wenn sämtliche Kriterien diesen Anforderungen auch einzeln betrachtet entsprechen. Sollte beispielsweise eines der Parameter die Kategorie A nicht erreichen, würde die Gesamtbewertung entsprechend dieser schlechteren Kategorie ausfallen. Dies ist insbesondere deshalb von Bedeutung, da mittlerweile immer mehr Bauherren, Architekten und Planer den Nachweis einer bestimmten Raumluftkategorie fordern und diese explizit in den Leistungsverzeichnissen ausschreiben. Behaglichkeit ist somit nicht mehr lediglich ein subjektives Empfinden, sondern beruht auf eindeutig definierten und messtechnisch erfassbaren Kriterien, deren Nichteinhaltung zu einem Qualitätsmangel mit direkten wirtschaftlichen Auswirkungen führen kann.
Nicht Bestandteil der Kriterien der DIN EN ISO 7730, jedoch ebenfalls wichtig für die Beurteilung der Behaglichkeit ist die Raumakustik. Denn ein zu hoher Schalldruckpegel im Aufenthaltsbereich stellt eine erhebliche Belastung für die sich dort befindenden Personen dar. Ein weiteres wichtiges Behaglichkeitskriterium ist die Raumluftqualität. Die DIN EN 13779 definiert in diesem Zusammenhang verschiedene Luftarten für Nichtwohngebäude (Außenluft: ODA, Raumluft: IDA, Abluft: ETA, Fortluft: EHA, Umluft: SEC). Die Innenluft wird etwa in vier Kategorien unterteilt - von IDA 1 (hohe Qualität, CO₂-Konzentration von 350 ppm) bis IDA 4 (niedrige Qualität, CO₂-Konzentration von 1200 ppm).

Arten der Luftführung

Für die Einhaltung der Behaglichkeitskriterien ist insbesondere die Art der Lufteinbringung relevant, die nach dem Ort der Luftzufuhr sowie der Strömungsart charakterisiert wird. Die Strömungsart ist vom Turbulenzgrad bzw. der Ausblasgeschwindigkeit abhängig und wird zwischen Misch
lüftung (ML), Quelllüftung (QL) und Misch-Quelllüftung (MQL) unterschieden. Bei der Mischlüftung tritt die Zuluft mit hoher Induktionswirkung meist im Deckenbereich in den Raum ein. Eine Austrittgeschwindigkeit zwischen 2 und 5 m/s bedingt eine schnelle Durchmischung mit der Raumluft, wodurch anschließend die Strömungsgeschwindigkeit abnimmt. Die Mischlüftung führt zu einem homogenen Raumklima mit einer gleichmäßigen Verdünnung der Schadstoffkonzentration.
Bei der Quelllüftung wird die Zuluft mit einer geringen Untertemperatur von 1 bis 3 K und einer Austrittsgeschwindigkeit von ca. 0,2 m/s im Bodenbereich eingebracht. Daraufhin breitet sie sich großflächig aus, bildet den sogenannten "Kaltluftsee" und strömt aufgrund der thermischen Auftriebskräfte an Personen oder Gegenständen in den Deckenbereich. Auf diese Weise werden Wärme und Schadstoffe direkt dort abgeführt, wo sie entstehen und nicht im ganzen Raum verteilt. Hier kann ein hohes Behaglichkeitsempfinden mit relativ geringen Luftmengen erzielt werden.
Eine Kombination der Vorteile beider Strömungsarten erfolgt mit der Misch-Quelllüftung. Die Zuluft steigt fassadenseitig mit einer Austrittgeschwindigkeit 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. Aufgrund des niedrigen Turbulenzgrades erfüllen sowohl die Misch-Quelllüftung als auch die Quelllüftung die Anforderungen der Raumluftkategorie A, während mit der Mischlüftung ein Erreichen dieser Kategorie grundsätzlich nicht möglich ist.

Möglichkeiten zur Energieeinsparung

Da der Energieaufwand zum Transport thermischer Leistung mittels Luft deutlich höher ist als mittels Wasser wird in modernen Systemen über dezentrale, wassergeführte Komponenten temperiert. Luftgeführt erfolgt hingegen lediglich die Versorgung der Räume mit der hygienisch erforderlichen Primärluftmenge. Insbesondere in Büro- und Verwaltungsgebäuden gibt es jedoch Nutzungsbereiche, wie etwa Besprechungs-, Konferenz- oder Seminarräume, die aufgrund variierender Personenbelegung nicht durchgehend mit gleich hohen Zuluftmengen versorgt werden müssen. Deutliche Energieeinsparpotenziale bieten hier zentrale wie dezentrale Systeme, die den Luftvolumenstrom kontrolliert über Luftqualitätssensoren und/oder Präsenzmelder an den tatsächlich benötigten Bedarf anpassen (Bedarfslüftung). Als Richtlinie für eine Abschätzung der Energieeinsparung dient die Faustformel, dass bei einer Halbierung des Volumenstroms der Druck auf ein Viertel und die elektrische Leistungsaufnahme durch den Ventilator auf lediglich ein Achtel des ursprünglichen Bedarfs sinken.
Darüber hinaus ist es sinnvoll, wenn zur Förderung der Volumenströme Ventilatoren mit EC-Technologie zum Einsatz kommen. Diese Motorentechnologie verfügt über eine stufenlose Drehzahlanpassung zum selbsttätigen Druckausgleich sowie hohe Wirkungsgrade im Voll- und Teillastbetrieb und ist damit besonders energieeffizient. Weitere deutliche Energieeinsparungen lassen sich durch den Einsatz einer Wärmerückgewinnung (WRG) erzielen. Durch die Übertragung thermischer Energie aus der wärmeren oder kühleren Abluft auf die Zuluft kann diese Energie anteilsmäßig wieder genutzt werden. Die WRG weist insbesondere im Heizfall Wirkungsgrade bei zentralen Lüftungsanlagen von bis zu 80 und bei dezentralen Geräten von bis zu 60 % auf.
Viele zentrale Anlagen, die mit variablen Luftvolumenströmen betrieben werden, arbeiten jedoch bei einem konstanten Kanaldruck. Die bedarfsorientierte Luftmenge wird erst durch im Kanalsystem eingebaute Volumenstromregler eingestellt. Hier bietet das sogenannte Kanaldruckmanagement weitere Energieeinsparpotenziale. Kern des Kanaldruckmanagements ist die kontinuierliche Erfassung aller Bedarfsanforderungen, die durch den übermittelten prozentualen Klappenwinkel der einzelnen Volumenstromregler gekennzeichnet sind. Dabei wird der aktuell größte Klappenwinkel ermittelt und als Regelgröße herangezogen. Auf diese Weise kann die zentrale Lüftungsanlage so weit heruntergefahren werden, bis die Druckverluste an den Volumenstromreglern minimal sind und gleichzeitig eine bedarfsgerechte Belüftung aller Nutzungszonen sichergestellt ist.

Einsatzbereiche und -grenzen

Ganzheitliche Konzepte, die ein behagliches Raumklima mit hoher Energieeffizienz verbinden sollen, benötigen individuelle, aufeinander abgestimmte Systemlösungen. Angesichts der Vielzahl der auf dem Markt verfügbaren lüftungs- und klimatechnischen Komponenten kann die Planung und Realisierung eines optimalen Konzeptes zu einer komplexen Herausforderung werden. Erfahrungen zeigen, dass sich für gängige Raumnutzungen im Objektbereich – etwa für Einzelbüros, Konferenzräume oder Großraumbüros – bestimmte Systemkonfigurationen besonders gut bewährt haben.
Einzelbüros sind durch eine konstante Personenanzahl und Raumaufteilung charakterisiert und benötigen für einen ausreichenden Luftaustausch kleine Volumenströme von 30 bis 45 m³/h. Hier ist die Quelllüftung zur Sicherstellung einer hohen Luftqualität im Aufenthaltsbereich gut geeignet. Eine optisch wie wirtschaftlich attraktive Alternative bieten aufgrund der geringen Luftmenge auch kombinierte Zu- und Abluftdurchlässe mit variabler Zuluftstrahllenkung für unterschiedliche Strömungsformen. Die Quelllüftung empfiehlt sich zudem für Besprechungs- und Seminarräume, die sich durch eine variierende Personenbelegung auszeichnen. Da Quellluftdurchlässe im Gegensatz zu Luftdurchlässen für das Mischluftprinzip keinen Mindestaustrittsimpuls benötigen, können mit ihnen sehr kleine Volumenstrommengen gefahren und dadurch eine energetisch sinnvolle Betriebsweise auch bei geringer Personenanzahl oder gar bei Nichtnutzung gewährleistet werden.
In Großraumbüros variiert hingegen häufig die Raum- und Arbeitsplatzaufteilung. Die Einbringung der Zuluft erfolgt hier optimalerweise über eine turbulente Mischlüftung im Deckenbereich, die auch in größeren Räumen für eine gleichmäßige Luftqualität sorgt. Besonders gut geeignet für Anforderungen in Großraumbüros sind multifunktionale Deckenluftdurchlässe, die durch einen modularen Aufbau mit unterschiedlichen Strömungsvarianten hohe Flexibilität bei der Luftlenkung – auch nachträglich bei geänderter Raumaufteilung – ermöglichen.
Dezentrale Lüftungsgeräte, die für einen kontrollierten, schallgedämmten und gefilterten Luftwechsel auf kurzem Weg direkt über eine entsprechende Fassadenöffnung sorgen, eignen sich vorwiegend für Bestandsgebäude. Hier ist die nachträgliche Installation einer zentralen Lüftungsanlage sowie des notwendigen Kanalsystems angesichts baulicher Gegebenheiten (geringe Raumhöhen, fehlendes Platzangebot) oft gar nicht möglich. Doch auch in Neubauten finden dezentrale Lüftungssysteme wegen ihrer flexiblen und kompakten Einbaumöglichkeit, der individuellen Regelbarkeit, des geringen Montageaufwands sowie der hohen Redundanz durch mehrere Geräte in einem Raum inzwischen einen vermehrten Einsatz.
Zur Temperierung im Objektbereich haben sich weitgehend Kühl- und Heizdeckensysteme bewährt, die mit geringer Strahlungsasymmetrie und einer äußerst leisen Betriebsweise hohe Behaglichkeit garantieren. In Räumen mit stark variierendem Kühl- bzw. Heizbedarf (Besprechungs- und Seminarräume) oder generell höheren Lasten (raumhohe Fensterflächen ohne Sonnenschutz) wird häufig ein kombinierter Betrieb mit Sekundärluftgeräten – etwa Unterflurkonvektoren – favorisiert. Die Konvektoren sollten dabei nach dem Prinzip der Misch-Quelllüftung arbeiten, mit dem im Gegensatz zu einer reinen Mischlüftung mit hohem Austrittsimpuls in Richtung Decke eine zeitgleiche Leistungsreduzierung der Kühldecke vermieden wird.

Planungshinweis: Ganzheitlichen Ansatz verfolgen

Die Wahl eines lüftungs- und klimatechnischen Systems erfolgt unter der Berücksichtigung und Gewichtung unterschiedlicher Aspekte (Kosten, Nutzung, Brandschutz, Fassaden- und Innenraumgestaltung). Vorrangige Zielsetzung ist hierbei stets die Verknüpfung eines möglichst behaglichen Raumklimas mit hoher Energieeffizienz. Eine sinnvolle, den Anforderungen des Gebäudes und ihrer Nutzer optimal entsprechende Systemlösung kann daher nur über einen ganzheitlichen Ansatz erfolgen, der bereits möglichst frühzeitig in der Entwurfs- bzw. Planungsphase unter Beteiligung aller relevanten Gewerke stattfindet.
Dabei ist besonders wichtig, dass die gewählten Komponenten nicht nur einzeln, sondern vor allem in Kombination miteinander die geforderten Zielvorstellungen erfüllen. Einen wichtigen Baustein hierzu bildet ein integrales Regelungskonzept, welches die Leistungsanforderungen an die unterschiedlichen Systemkomponenten abstimmt und damit das Zusammenspiel von Bedarfslüftung und Temperierung im Raum energetisch sinnvoll steuert. Vor diesem Hintergrund ist es empfehlenswert, hier einen Partner zur Seite zu haben, der nicht nur zu sämtlichen Systemkonfigurationen beraten, sondern vorzugsweise auch alle benötigten Komponenten inkl. der übergeordneten Regelungstechnik aus einer Hand liefern sowie von der Planung bis in die Ausführung, Montage und Inbetriebnahme hinein fachkompetente Unterstützung leisten kann.

Fazit

Bedarfslüftung in Kombination mit dezentraler Heiz- und Kühllastabfuhr über wassergeführte Komponenten führt zu einem angenehmen Raumklima in sämtlichen Nutzungszonen ebenso wie zu einer hohen Energieeffizienz sowie den daraus resultierenden niedrigen Betriebskosten. Für ein ganzheitliches Konzept ist allerdings eine sorgfältige Analyse der Bedingungen vor Ort unter Berücksichtigung der Behaglichkeitskriterien sowie des tatsächlichen Bedarfs in den jeweiligen Räumen und Bereichen unerlässlich. Darauf basierend erfolgen dann die Verknüpfung der unterschiedlichen Anforderungen zu einem Gesamtsystem, die Auswahl der benötigten Geräte und Komponenten sowie deren optimale Abstimmung untereinander im Hinblick auf das raumbezogene, energieeffiziente Lastmanagement und die damit verbundene übergreifende Regelungstechnik.