Mit einer Fußbodenheizung sollte man doch auch das Gebäude kühlen können – oder was spricht dagegen?
Der Artikel wurde im August 2018 auf Aktualität überprüft.
In der großflächig verglasten BMW-Welt in München kommen in der Neuwagen-Ausstellung 7.300 m² kombinierte Kühl-/Heizböden zum Einsatz. Dieser Bereich im Erdgeschoss wird wesentlich natürlich be- und entlüftet, wozu die in den Fassaden-Randflächen befindlichen Glaslamellen geöffnet oder geschlossen werden (zu sehen im rechten Bereich der Abbildung). Zur Temperierung und zur kontrollierten Be- und Entlüftung der insgesamt 75.000 m² großen BMW-Welt (531.000 m³ umbauter Raum) stehen Lüftungsanlagen mit einer Leistung von 400.000 m³/h zur Verfügung. Die insgesamt installierte Kälteleistung beträgt 2,7 MW (Heizleistung 3,8 MW). (Abb. cci Dialog GmbH) Die thermische Leistung der temperierten Fläche steigt also sowohl mit größerer Temperaturdifferenz als auch mit größerer Raumluftgeschwindigkeit. Doch um im Raum die Behaglichkeitskriterien sicher einzuhalten, sind Grenzwerte zu beachten im Hinblick auf maximale/minimale Oberflächentemperaturen (Vermeidung von Strahlungs-Zugerscheinungen) und auf maximale Raumluftgeschwindigkeiten im Aufenthaltsbereich (Vermeidung von Strömungs-Zugerscheinungen). Zusammengefasst werden bei einer temperierten Fläche die Leistungsanteile durch Strahlung im aS-Wert und die Leistungsanteile durch Konvektion im αK-Wert. αS und αK ergeben dann den Gesamt-Wärmeübergangskoeffizienten αges.Der Wärmeübergang
Der Gesamt-Wärmeübergangskoeffizient αges ist bei einem Kühlboden mit αges = 7 W/m²K deutlich geringer als bei einer Kühldecke mit αges = 11 W/m²K. Dies liegt besonders am konvektiven αK-Wert, der bei einer Fußbodenkühlung recht niedrig ist – weil die kühle Luft am Boden einen nur geringen thermischen Auftrieb hat und erst bei Erwärmung langsam aufsteigt. Demgegenüber hat Luft, die sich an einer Kühldecke abgekühlt hat, das Bestreben, in den Raum abzuströmen – und dadurch steigen die freie Konvektion und der αk-Wert. 
Eines der größten Projekt mit einem Kühlboden weltweit ist der Flughafen in Bangkok mit 150.000 m² Kühlfläche. Der Kühlboden wird in Verbindung mit einer Quelllüftungs-Zuluftanlage (Zulufttemperatur 18 °C) betrieben, um Außenluft in die Hallen einzubringen und um die Feuchte zu kontrollieren. Aufgrund der Solareinstrahlung durch das Hallendach auf den Kühlboden kann dieser mit einer Kühlwasser-Vorlauftemperatur von 13 °C betrieben werden (Rücklauf 19 °C), woraus sich inklusive Berücksichtigung der Solarstrahlung eine Oberflächentemperatur von 21 °C ergibt. Die Kühlleistung des Bodens beträgt dann etwa 70 bis 80 W/m². (Abb. Bjarne Olesen)
Der Taupunkt
Wichtig ist die Kontrolle des Taupunkts des Raums, in dem ein Kühlboden betrieben wird, um eine Kondensation von Wasser aus der Raumluft am kühlen Boden sicher zu vermeiden. Durch ständige Regelung und Kontrolle der Kaltwasservorlauftemperatur, der Temperatur der Bodenoberfläche und der Raumluftfeuchte muss sichergestellt werden, dass es – auch bei einer möglichen Fensteröffnung – nicht zu einer Taupunktunterschreitung kommt. Um beim Einsatz von Kühlflächen die Raumluftfeuchte zu kontrollieren, wird meist eine ergänzende Lüftungsanlage betrieben. Diese bringt in Abhängigkeit vom aktuellen Betriebs- und Raumzustand trockene Zuluft in den Raum ein. Eine Alternative dazu ist der Einsatz eines Raumluftentfeuchters. Dabei ist bei einer Raumtemperatur von 26 °C und einer Raumluftfeuchte von etwa 60 bis 70 % ein Taupunkt von 17 bis 20 °C zu beachten. Daher sollte die Oberflächentemperatur des Kühlbodens stets um mindestens 1 bis 2 K über diesem Taupunktwert – also zwischen etwa 18 und 22 °C – liegen und daran auch die Vorlauftemperatur des Kühlwassers angepasst werden.
Temperatur und Leistung
Typische Betriebstemperaturen für kombinierte Kühl-/Heizböden liegen im Bereich von 20 bis 29 °C. Bei Kühl-/Heizdecken liegt dieses Temperaturspektrum zwischen 17 und 27 °C. In diesem Temperaturbereich können die Komfort- und Behaglichkeitsaspekte gut eingehalten werden. Die mit einem Kühlboden abführbare Wärmeleistung beträgt etwa 42 W/m². In großflächig verglasten Foren, Atrien oder Hallen, wo viel Sonnenstrahlung direkt auf den Boden trifft und dort sofort absorbiert wird, kann die Leistung des Kühlbodens auf bis 100 W/m² gesteigert werden. Zum Vergleich: Für die Deckenkühlung nennt Olesen einen Leistungswert von 99 W/m².Im Heizbetrieb drehen sich die Verhältnisse zwischen Decke und Fußboden um. Hierzu findet man folgende typische Leistungsdaten: Heizleistung des Fußbodens 99 W/m², Heizleistung der Heizdecke 42 W/m².
Quelle
Dieser Artikel basiert auf dem Beitrag „Radiant Floor Cooling Systems“ von Prof. Bjarne Olesen, Direktor des International Center for Indoor Environment and Energy an der TU Dänemark, der im amerikanischen Ashrae Journal im September 2008 erschien.
Artikelnummer: cci91029
Jede Art der Vervielfältigung, Verbreitung, öffentlichen Zugänglichmachung oder Bearbeitung, auch auszugsweise, ist nur mit gesonderter Genehmigung der cci Dialog GmbH gestattet.
Kapillrrohrmatten sind seit vielen Jahren bekannt (Uponor). Wichtig scheinen mir Daten zur Wasserdampfpermeation des Rohrmaterials. Da die Berechnung der erforderlichen Kühlleistung systemabhängig ist müssen für eine Auslegung solcher Systeme auch entsprechende Berechnungsprogramme zur Verfügung stehen. Für einen wechselseitigen Heiz-/Kühlbetrieb ist auch eine synchronisierte Berechnung für beide Betriebsarten notwendig. Stehen dafür entsprechende Berechnungsprogramme zur Verfügung?
Nachdem sich bei jüngsten Vergleichsmessungen deutliche Vorteile hinsichtlich Leistungsbedarf und Behaglichkeit für eine Flächenheizung/-kühlung über den Fußboden ergeben haben scheint mir die Anwendung der Kapillarrohrmatten für den Fußbodenbereich geeigneter. Für diesen Fall stehen auch bewährte Berechnungs-programme, wie vor genannt, zur Verfügung. Die speziell für eine Fußbodenkühlung möglichen spez. Leistungswerte von ca. 80 W/m² lassen sich dabei durch leicht zu integrierende Zusatzgeräte noch beliebig erhöhen.
Peter Behr 27.08.2012 (Kommentar ursprünglich in cci Branchenticker vom 27. August 2012)
In einem Fachaufsatz (Heizungsjournal Januar/Februar 2001) befasst sich der Autor, Bjarne W. Olesen, mit der Leistung von von Fußbodenkühlungen. Danach spielt die Luftbewegung im jeweiligen Raum eine wesentliche Rolle. Die Wärmeübergangskoeffizienten bewegen sich nach seinen Messungen zwischen 6,5 und 9,8 W/m2.K abhängig von der Luftbewegung und Luftführung im Raum. Eine Steigerung der spez. Leistung um 50% der Basiskühlleistung der Bodenfläche durch eine RLT-Anlage, kann bei der Auslegung einer Kühlfläche nicht unberücksichtigt bleiben. Die Richtigkeit dieser Vorgaben haben wir in ausgeführten Projekten bestätigt bekommen. Wir haben diese Einflussgrößen daher in unseren Berechnungspro-grammen berücksichtigt.
Die durch die Taupunktstemperatur vorgegebene Mindesttemperatur der kühlenden Oberflächen muss sich auch an der Oberflächen-temperatur der wasserführenden Rohre orientieren, da der Estrich keinen ausreichenden Diffusionswiderstand besitzt- Ausnahme Gussasphalt. Wir sehen deshalb bei Temperaturen, die auslegungsbedingt zu Unterschreitungen der Taupunktstemperatur führen können, unser patentiertes Verfahren mit einer Dampfsperre vor. Das heist immer dann, wenn die Kaltwassertemperatur zum Erreichen der erforderlichen Kühlleistung unter der Taupunktstem-peratur der Raumluft liegt.
Die über den Fußboden abzuführende spez. Wärmeleistung bewegt sich in Bereichen zwischen 30 … 49 W/m2 geringe Luftbewegung und 42 … 68 W/m2 bei erhöhter Luftbwegung (Rl=0.1 … 0) und Temperauren unter den Bodenbelag von 17 0C. Die zum Abführen der berechneten Wärmeleistung erforderlich Kühlleistung ist jedoch über 24 Stunden, mindestens in Stundenabständen, zu berechnen. Bei gleitenden Raumtemperaturen, z.B. 23 … 26 0C ist die Wärmespeicherfähigkeit der passiven Raumumschließungsflächen ebenfalls z.B. im Stundentakt zu berechnen. Diese wirkt sich dämpfend auf die Temperaturänderungen in Spitzenlastzeiten aus. In Schwachlastzeiten wirkt sich die Rückführung der Bauteiltemperaturen auf die Basistemperatur von z.B. 23 0C lasterhöhend aus. Daraus ergibt sich eine deutlich flachere Leistungskurve mit insgesamt geringerem Leistungsbedarf. Dies trifft bei Kühldecken nur in geringerem Maß zu, da die Decke als meist ergibigster passiver Wärmespeiher entfällt.
Zur Erhaltung der geforderten Raumtemperaturen muss daher die wirksame Kühlleistung einer Fußbodenkühlfläche um die Speicherfähigkeit der Raumumschließungsflächen erhöht werden. Bei einer korrekten Berechnung sind diese Zusammenhänge detailliert nachzuweisen.
Peter Behr, Ingenieurberatung