25. September 2013 Autor: Dr.-Ing. Manfred Stahl

Aus dem Inhalt

  • Grundlagen: So funktionieren passive Kühlbalken
Bewertung (1) starstarstarstarstar
Kommentare (0) frei für angemeldete Mitglieder

Grundlagen: So funktionieren passive Kühlbalken

Einleitung

Passive Kühlbalken gehören zu den sogenannten Luft-Wasser-Klimasystemen. Sie haben die Aufgabe, Büros im Sommer auf angenehme Temperaturen von zum Beispiel maximal 26 °C zu kühlen. Dazu sind passive Kühlbalken technisch recht einfach aufgebaut, können meist problemlos in Neu- und Bestandsbauten installiert werden, sind sehr geräuscharm und zudem vergleichsweise preisgünstig. Allerdings haben passive Kühlbalken im Vergleich zu vielen weiteren Luft-Wasser-Systemen zwei Nachteile: Sie fördern keine konditionierte Außenluft zur Sicherstellung einer Mindestluftqualität in den Raum, sondern kühlen den Raum ausschließlich mit Sekundärluft (Raumumluft) - ähnlich wie Ventilatorkonvektoren und Split-Raumklimageräte. Außerdem wird bei passiven Kühlbalkensystemen ein Kondensationsbetrieb vermieden, sodass die Geräte die Raumluft nicht entfeuchten können.

So funktionieren passive Kühlbalken

Abbildung 1: Ansicht eines typischen Kühlbalkens (Abb. Trox)Abbildung 1: Ansicht eines typischen Kühlbalkens (Abb. Trox) Abbildung 2: Die an die Raumdecke aufgestiegene warme Luft (rote Pfeile) strömt von oben in den von kühlem Wasser durchströmten Kühlbalken ein. Bei der Durchströmung des kalten Wärmeübertragers wird die Luft abgekühlt (blaue Pfeile) und strömt unten aus dem Kühlbalken senkrecht zurück in den Raum. (Abb. Swegon).Abbildung 2: Die an die Raumdecke aufgestiegene warme Luft (rote Pfeile) strömt von oben in den von kühlem Wasser durchströmten Kühlbalken ein. Bei der Durchströmung des kalten Wärmeübertragers wird die Luft abgekühlt (blaue Pfeile) und strömt unten aus dem Kühlbalken senkrecht zurück in den Raum. (Abb. Swegon). Passive Kühlbalken bestehen aus einem von kühlem Wasser durchströmten Luft-Wasser-Wärmeübertrager (Kupferrohre mit Aluminiumlamellen) und einem Gehäuse, das aus optischen Gründen meist mit einer unteren perforierten Abdeckung versehen ist (Abbildung 1).

Passive Kühlbalken werden einige Zentimeter unter der Raumdecke befestigt. Dieser Abstand ist sehr wichtig für das Funktionieren des Kühlbalkens, denn die an die Decke aufgestiegene warme Raumluft strömt von oben in den Kühlbalken ein und wird darin beim Durchströmen des kalten Wärmeübetragers abgekühlt. Durch diese Abkühlung wird sie schwerer als die warme Raumluft und strömt dann mit geringer Geschwindigkeit aus dem Kühlbalken nach unten zurück in den Raum (Abbildung 2).

Infolge dieser Vorgänge ergibt sich eine wie in Abbildung 3 dargestellte, ausschließlich auf thermischen Effekten basierende Raumluftbewegung.
Abbildung 3: Die sich beim Betrieb eines passiven Kühlbalkens einstellende typische Raumluftströmung. (Abb. Swegon) Abbildung 3: Die sich beim Betrieb eines passiven Kühlbalkens einstellende typische Raumluftströmung. (Abb. Swegon)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.Abbildung 4a und 4b: Ein multifunktionaler Kühlbalken mit verschiedenen integrierten Funktionen, zum Beispiel Beleuchtung. Bei dem dargestellten Kühlbalken strömt die warme Raumluft jeweils auf der linken und rechten Seite - den "Flügeln" des Kühlbalkens - ein und wird dort in den Wärmeübertragern gekühlt. (Abb. Trox)Abbildung 4a und 4b: Ein multifunktionaler Kühlbalken mit verschiedenen integrierten Funktionen, zum Beispiel Beleuchtung. Bei dem dargestellten Kühlbalken strömt die warme Raumluft jeweils auf der linken und rechten Seite - den "Flügeln" des Kühlbalkens - ein und wird dort in den Wärmeübertragern gekühlt. (Abb. Trox) Ausführungen von passiven Kühlbalken

Passive Kühlbalken werden in verschiedenen Ausführungen angeboten. Es gibt sie in unterschiedlichen Breiten (etwa 160 bis 600 mm) und Bauhöhen (etwa 70 bis 300 mm) in wählbaren Längen von etwa 1 m bis 5 m. Mehrere Anbieter liefern Kühlbalken auch in verschiedenen Farben. Darüber hinaus unterscheidet man Kühlbalken nach dem Einbauort: Es gibt sie in den Ausführungen "von der Decke abgehängt" und "in die Decke integriert" mit Abmessungen, die sich an den gängigen Deckenrastern orientieren. Zu beachten ist beim Einbau in die Decke aber, dass es in der Rasterdecke genügend freie Öffnungen geben muss, damit die zur Decke aufgestiegene warme Raumluft - wie zuvor beschrieben - auch in den Kühlbalken einströmen und dort gekühlt werden kann.

Von einigen Herstellern werden Kühlbalken auch als multifunktionale Systeme angeboten, in die zum Beispiel gemäß Kundenwünschen Beleuchtung, Rauchmelder, Sprinkler, Lautsprecher und Anwesenheitssensoren integriert werden können (Abbildung 4).

Leistungen von passiven Kühlbalken

Passive Kühlbalken können hohe Kühlleistungen erreichen. Die Kühlleistung ist von mehreren Faktoren abhängig:

  • von den Abmessungen des Kühlbalkens (Breite, Länge, Höhe) und dem Abstand von der Decke
  • von der Raumlufttemperatur (= in den Kühlbalken einströmende Luft)
  • von der Temperatur des in den Kühlbalken einströmenden Wassers.

Je höher die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Raumlufttemperatur und dem Kühlwasser im Wärmeübertrager ist, umso größer wird die Kühlleistung des Kühlbalkens. Es gilt aber, zwei wichtige Grenzen zu beachten:

  • Die Temperatur im Kaltwasserwärmeübertrager des Kühlbalkens sollte nicht so niedrig sein, dass aus der Raumluft Kondensat ausgeschieden wird. In fast allen Fällen werden passive Kühlbalken so betrieben und geregelt, dass Kondensat ausgeschlossen wird (Kaltwasser-Vorlauftemperatur > 16 °C).
  • Die aus dem Kühlbalken ausströmende Luft darf nicht zu stark abgekühlt werden, denn sonst kann deren Strömungsgeschwindigkeit zu groß werden und es können sich bei den im Raum anwesenden Personen Zugerscheinungen einstellen. Um diese unerwünschten Effekte auszuschließen, empfiehlt es sich, passive Kühlbalken nicht direkt über Schreibtischen, sondern eher etwas davon versetzt anzuordnen.

An diesen Faktoren orientiert sich auch die Regelung von passiven Kühlbalken. Diese erfolgt in Abhängigkeit von der gewünschten Leistung meist durch die Drosselung des den Kühlbalken durchströmenden Wassermassenstroms, seltener durch ein Anheben oder Absenken der Wassertemperatur. Besonders bei Gebäuden mit öffenbaren Fenstern ist als weiteres Regelorgan ein Feuchtefühler wichtig. Sobald dieser feststellt, dass die Raumluftfeuchte (zum Beispiel nach einer Fensteröffnung) angestiegen ist und eine Kondensation im Kühlbalken droht, muss dieser ein Signal aussenden, um den Kühlwasservorlauf in den Kühlbalken zu schließen oder zu verringern.

Da passive Kühlbalken mit Wasservorlauftemperaturen von mehr als 16 °C betrieben werden, können zur Kaltwasserversorgung hervorragend regenerative Kältesysteme eingesetzt werden, zum Beispiel Brunnen- und Grundwasser, Sole aus geothermischen Wärmepumpenanlagen oder Rücklaufwasser aus einer mechanischen Kälteanlage.

Bei passiven Kühlbalken wird die erzielbare Kühlleistung meist in Watt pro laufenden Meter Kühlbalken angegeben. Dabei reichen die Kühlleistungen, die auch stark von der Breite und der Höhe des Kühlbalkens abhängen, von etwa 100 bis 300 W/m (bei ΔT = 8 K).

Leistungsprüfungen von passiven Kühlbalken

Abbildung 5: Im Prüfraum werden die thermischen Lasten durch beheizte Dummys erzeugt. (Abb. Zehnder)Abbildung 5: Im Prüfraum werden die thermischen Lasten durch beheizte Dummys erzeugt. (Abb. Zehnder) Die Leistungen von passiven Kühlbalken werden auf Basis der DIN EN 14518 "Lüftung von Gebäuden. Kühlbalken – Prüfung und Bewertung von passiven Kühlbalken" bestimmt. Die Messungen sind in einem speziellen, beheizten Prüfraum bei verschiedenen exakt vorgeschriebenen Betriebsbedingungen (Wärmelasten) durchzuführen (Abbildung 5).

Dabei liegt die Raumlufttemperatur bei den Messungen zwischen 22 und 27 °C. Die Leistungsmessungen müssen für mindestens zwei den Kühlbalken durchströmende Wasservolumenströme qm durchgeführt werden: Erstens für den Nenn-Wasservolumenstrom und zweitens für 50 % des Nenn-Wasservolumenstroms. Bei allen eingestellten Wasservolumenströmen müssen die Leistungsmessungen bei mindestens drei Temperaturdifferenzen ΔT von 6 ± 1 K, 8 ± 1 K und 10 ± 1 K durchgeführt werden. Dabei ist ΔT die Temperaturdifferenz zwischen der mittleren Kühlwassertemperatur im Kühlbalken (Mittelwert zwischen Vorlauf Tw1 und Rücklauf Tw2) und der Referenztemperatur im Prüfraum (Temperatur der in den Kühlbalken einströmenden Raumluft). Auf Basis der Messungen ergibt sich die Kühlleistung P des Kühlbalkens für jeden gemessenen Betriebszustand zu

P = cp • qm • (Tw2 – Tw1)

P = Kühlleistung des Kühlbalkens (in W)
cp = spezifische Wärmekapazität des Kühlmediums (bei Wasser: cp = 4.187 J/kgK)
qm = Wassermassenstrom durch den Kühlbalken (in kg/s)
Tw2 = Wassertemperatur im Rücklauf aus dem Kühlbalken (in °C)
Tw1 = Wassertemperatur im Vorlauf in den Kühlbalken (in °C)

Abbildung 6: Beispiel für die Darstellung der Kühlleistung P (in W/m) von zwei passiven Kühlbalken mit Breiten von 430 und 570 mm (y-Achse) in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz ΔT (x-Achse) beim Nenn-Wasservolumenstrom. (Abb. Schako)Abbildung 6: Beispiel für die Darstellung der Kühlleistung P (in W/m) von zwei passiven Kühlbalken mit Breiten von 430 und 570 mm (y-Achse) in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz ΔT (x-Achse) beim Nenn-Wasservolumenstrom. (Abb. Schako) Tabelle: Beispiel für Kühlleistungen eines passiven Kühlbalkens bei verschiedenen Längen und Temperaturdifferenzen.Tabelle: Beispiel für Kühlleistungen eines passiven Kühlbalkens bei verschiedenen Längen und Temperaturdifferenzen. Aus den Ergebnissen der Messungen werden für die Produktprospekte der Hersteller Grafiken und Tabellen erstellt, die die Kühlleistung des Kühlbalkens in Abhängigkeit vom Wasserdurchfluss, der Wasser- und der Raumtemperatur darstellen. Beispiele dafür zeigen die Abbildung 6 (Seite 4) und die Tabelle.

Beispielrechnung zur Planung eines Kühlsystems mit passiven Kühlbalken

Ein 30 m² großer Büroraum (2 Personen) soll mit passiven Kühlbalken auf eine Temperatur von maximal 26 °C gekühlt werden. Die flächenbezogene Kühllast des Raums beträgt 40 W/m², also insgesamt 1.200 W. Der Kühlbalken soll mit einer mittleren Kaltwassertemperatur von minimal 17 °C betrieben werden, also einer Temperaturdifferenz zum Raum von maximal 9 K. Auf Basis der beiden Kühlbalkensysteme in Abbildung 6 ergeben sich für diese Aufgabe verschiedene Lösungen:

Kühlbalkenbreite 430 mm:
spezifische Leistung P bei ΔT = 9 K: 220 W/m
benötigte Länge: 5,45 m
Lösung: 2 Kühlbalken mit Längen von je 2,8 m

Kühlbalkenbreite 570 mm:
spezifische Leistung P bei ΔT = 9 K: 305 W/m
benötigte Länge: 3,93 m
Lösung: 1 Kühlbalken mit Länge 4,0 m oder 2 Kühlbalken mit Längen von je 2,0 m

Der Grundlagenbeitrag wurde für cci Wissensportal von Dr.-Ing. Manfred Stahl erstellt (Stand: August 2013).

/schlagworte/klimatechnik/klimageraet/raumklimageraet/kaltwassersystem/kuehlbalken/

© cci Dialog GmbH
Jede Art der Vervielfältigung, Verbreitung, öffentlichen Zugänglichmachung oder Bearbeitung, auch auszugsweise, ist nur mit gesonderter Genehmigung der cci Dialog GmbH gestattet.
 
Artikelnummer: cci25091
Zurück

Login

Passwort vergessen


Tel.: +49(0)721/565 14-88

Kontextwerbung zum Thema

Folgende Unternehmen liefern Produkte, Systeme oder Dienstleistungen zu den Inhalten des nebenstehenden Beitrags:
  • Kühlbalken

Ihr Ansprechpartner

rg.jpg





Rolf Grupp
Leitung cci Wissensportal
Fachwissen und
Erfahrungsaustausch online

Fon +49(0)721/565 14-17
mail_grau_rolf_grupp.gif

Was sagt mir die Ampel?

ampel_gruen_klein

Sie haben Zugriff auf den gesamten Inhalt des Artikels
ampel_gelb_klein

Sie haben Zugriff auf Teile des Artikels
ampel_rot_klein

Sie haben aktuell keinen Zugriff auf den Artikel

Angemeldete Benutzer sehen mehr „Grün“ als Gäste.
Und nur ein angemeldeter Benutzer kann gesperrte Artikel durch Kauf öffnen.
Mehr dazu …

Mitglied werden - Mitreden

Forum NetzwerkSpectral-Design - Fotolia.com

 

Als Mitglied von
cci Wissensportal können Sie nicht nur Fragen und Antworten einsehen, sondern auch mitmachen.
Registrieren Sie sich gleich!

Ratgeberreihe

cci Buch VDE Lüftung Klima