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Raumklimatisierung in Quartieren

Aufgrund steigender Komfortanforderungen und ausgeprägteren Hitzeperioden im Sommer wird in Zukunft ein stetig steigender Kältebedarf zur Raumklimatisierung erwartet.

Warum Raumklimatisierung?

Bei gewerblich genutzten Gebäuden, wie beispielsweise Bürogebäuden, ist die Installation von Anlagen zur Raumklimatisierung mehr und mehr zum Standard geworden. Insbesondere für Gewerbe mit Kundenkontakt ist die Raumklimatisierung ein zentraler Faktor zur Steigerung der Kundenzufriedenheit. So können Banken, Hotels oder Einkaufszentren auf Raumklimatisierung nicht mehr verzichten. Insbesondere Einkaufszentren weisen hohe interne Lasten auf, was zu erheblichen Kältelasten im Sommer aber auch in der Übergangszeit führt. Im Wohnbereich hingegen ist die Raumklimatisierung noch selten anzutreffen und wenn, dann wird sie häufig über dezentrale Mono-Splitgeräte realisiert. Mit immer häufiger werdenden und dazu ausgeprägten Hitzeperioden sowie einem gesteigerten Bedürfnis nach einem ansprechenden Wohnkomfort wird die Nachfrage nach Klimatisierungslösungen immer bedeutender. Große Glasfassaden in Neubauten erhöhen die Wärmelasten im Sommer zudem. Mit der Abkehr von fossilen Wärmeerzeugern (Gas- oder Ölkessel) hin zu Niedertemperaturlösungen, vor allem Wärmepumpen, bieten sich neue Synergieeffekte für die Bereitstellung von Wärme und Kälte im Wohnbereich.

Welche Technologien stehen für die Raumklimatisierung zur Verfügung?

In Gebäuden werden eine Reihe von verschiedenen Technologien für die Raumklimatisierung eingesetzt. Sehr verbreitet sind Mono- oder Multisplitgeräte. Diese funktionieren wie umgedrehte Wärmepumpen, das heißt Wärme wird im Innenraum auf ein Wärmeträgermedium übertragen, welches anschließend eine Kompression durchläuft. Durch die damit verbundene Temperaturerhöhung des Wärmeträgermediums kann in der Außeneinheit die Wärme an die Umgebung abgegeben werden. Anschließend wird das Wärmeträgermedium wieder entspannt wodurch sich seine Temperatur soweit reduziert, dass sie unterhalb der Temperatur des zu klimatisierenden Raumes liegt und dem Raum wieder Wärme entziehen kann. Mono-Splitgeräte haben dabei nur eine Inneneinheit (z. B. für einen Raum), die mit einer Außeneinheit gekoppelt ist. Bei Multisplitgeräten entziehen mehrere Inneneinheiten den Innenräumen Wärme. Das Wärmeträgermedium aus allen Inneneinheiten wird dann zu einer zentralen Außeneinheit geführt, wo die Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Für große zentrale Anlagen existieren oftmals eine oder mehrere Außeneinheiten (Rückkühler) die eine große Anzahl an Inneneinheiten mit Kälte versorgen. Die Inneneinheiten können beispielsweise als Wand-, Fassaden- oder Deckengeräte ausgeführt werden.

Wie wird der Bedarf an Klimakälte eines Gebäudes ermittelt?

Für die Berechnung des Klimakältebedarfs, werden wie bei der Raumwärmebedarfsberechnung alle Wärmeströme eines Gebäudes bilanziert:

  • \(Q_T\): Transmissionswärmeströme infolge Wärmeleitung (durch Wände oder Fenster)
  • \(Q_V\): Lüftungswärmeströme infolge Luftaustausch (durch Undichtigkeiten und Lüften)
  • \(Q_i\): Innere Wärmelasten (Betrieb elektrischer Geräte, Beleuchtung oder Körperwärme)
  • \(Q_s\): Solare Wärmeeinträge (Sonneneinstrahlung durch Fenster)

Anders als bei der Wärmebedarfsberechnung, erhöhen die inneren Wärmelasten und solaren Wärmeeinträge die Kühllast. Für Shopping-Center mit großen Glasfassaden und hoher Kundendichte ergeben sich daher besonders hohe Kältelasten. Die relevanten thermischen Flüsse eines Gebäudes können mit Hilfe von dynamischen Simulationsmodellen abgebildet werden. Alternativ können - analog zur Berechnung von Heizwärmebedarfen - auch vereinfachte Methoden verwendet werden, wie beispielsweise die Gradtagsmethode. Bei dieser Methodik wird ein linearer Zusammenhang zwischen dem Kühlbedarf und der Temperatur-Differenz zwischen Innenraum und Außenluft angenommen: $$Q_c \propto (T_a - T_i)$$ Dementsprechend tritt bei maximaler Außenlufttemperatur (Auslegungstemperatur) die maximale Kühllast auf. Die Kühllast eines Gebäudes wird meist in W/m² angegeben. Zur Berechnung des jährlichen Kältebedarfs können auch erfahrungsbasierte Vollbenutzungsstunden zu Grunde gelegt werden. Für Bürogebäude in Deutschland liegen diese bei rund 500-1000 h/a. Die Vollbenutzungsstunden der Klimatechnik \(\tau_V\) können dabei wie folgt ausgedrückt werden: $$\tau_V = Q_c^{tot} / Q_c^{max}$$ wobei \(Q_c^{tot}\) der Jahreskältebedarf in kWh ist und \(Q_c^{max}\) die maximale Kühllast in kW.

Kühlbedarf für verschiedene Raumtypen

Im nPro-Tool sind für eine Vielzahl von Gebäudetypen typische flächenspezifische Kältebedarfe hinterlegt.
Tabelle 1: Kühlbedarf für verschiedene Raumtypen aus [1]
Raumtyp Kühllast
Wohnräume 30-40 W/m³
Büroräume 50 W/m³
Verkaufsräume 50-60 W/m³
Glasanbauten 200 W/m³

In Tabelle 1 sind beispielhaft für 4 Raumtypen die volumenspezifischen Kühllasten aufgelistet. Während Wohnräume eine Kühllast von etwa 30-40 W/m³ aufweisen, liegt die Kühllast für Büroräume aufgrund der hohen internen Wärmelasten (IT-Infrastruktur, Beleuchtung, hohe Belegungsdichte) mit rund 50 W/m³ höher. Verkaufsräume weisen mit 50-60 W/m³ eine noch höhere Kühllast auf, da hier innere Wärmelasten einen großen Einfluss haben (Beleuchtung und hohe Personendichte) und oftmals auch große Glasfassaden verbaut sind. In Glasanbauten können Kühllasten von 200 W/m³ auftreten.

Quellen

  1. Planungshandbuch Wärmepumpen (Viessmann.de)
  2. Fachbuch: Recknagel - Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik 2017/2018

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