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29. August 2012 Autor: Dr.-Ing. Manfred Stahl

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Grundlagen: Leistung temperierter Flächen – die Fußbodenkühlung

Mit einer Fußbodenheizung sollte man doch auch das Gebäude kühlen können – oder was spricht dagegen?

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Die Leistung temperierter Flächen

Die Leistung einer temperierten Fläche zur Beheizung oder Kühlung eines Raums wird nach der Gleichung q = αges x ΔT (in W/m²) berechnet. Somit ist die thermische Leistung von zwei Faktoren abhängig:
1. Von der Temperaturdifferenz ΔT [K] zwischen der temperierten Oberfläche und den übrigen Wänden, Fenstern und Gegenständen im Raum (Wärmeabgabe durch Strahlung).
2. Von der Temperaturdifferenz zwischen Decke und Raumluft und von der Raumluftgeschwindigkeit (Wärmeabgabe durch Konvektion), die im α-Wert [W/m²K] berücksichtigt werden.
 
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)  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.
 
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Artikelnummer: cci15481

Kommentare (4):

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
Peter Behr 08.09.2012
Es wird Zeit dass ganzheitliche Betrachtungen vorgenommen und nicht nur Kennzahlen einzelner Systeme verglichen werden.
Ein kühler Boden entspricht einem normalen Zustand in der Natur. Im Gegensatz zu einer Kühldecke bietet eine Fußbodenkühlung in Verbindung mit einer Quelllüftung einen Frischluftsee in Bodennähe aus, aus dem Wärmequellen entsprechend der Leistung Luft ansaugen und über Thermik unter die Decke befördern. Die
Wärmeabgabe bestimmt die Temperatur unterhalb der Decke die abhängig von der Last zwischen 22 bis 30°C liegen kann.
Dies interessiert den Nutzer nicht, sehr wohl aber eine Kühldecke. Diese muss die Spitzenleistung abführen um die Raumtemperatur zu halten. Das System mit Fußbodenkühlung benötigt daher eine geringere Spitzenlast weil die natürlichen Speichermassen von Decken mit einer Kühlleistung von etwa 25 W/m²K hinzu addiert werden können. In Bereichen mit abgehängten Decken ist der Effekt nicht so ausgeprägt. In Verbindung mit Zuluftführung über Deckenluftauslässen mit hoher Induktion wird der Vorteil eliminiert, die warme verbrauchte Luft wird mit der kühlen Zuluft vermischt und zurück in den Aufenthaltsbereich geführt.

Herbert Haser, Klima Becker S.A., Luxemburg
10.09.2012
Bei Gebäuden bei denen die Kühllast sehr gering ist (Wohngebäude) oder einfach gesagt, fast nicht gekühlt werden muss, ist ein Kühlfußboden denkbar. Bei Büro- und Verwaltungsgebäuden ist mittlerweile die Kühllast meist höher als die Heizlast. Die Heizlast beträgt meist 50 bis 65 W/m² Bürofläche. Bei dem Wärmeübergang von 7 W/m²K, der Kühllast von 60 W/m² Bürofläche und einer Raumtemperatur von 26 °C müsste der Boden 17,5 °C kalt sein. Da kann man nur sagen, „viel Spaß mit kalten Füßen, Schnupfen bei normalem Schuhwerk im Sommer und die Nicht-Beachtung der Behaglichkeitskriterien nach DIN EN ISO 7730 (Qualitätskategorie B, Fußbodentemperatur mind. 19 °C bis max. 29 °C, vertikaler Temperaturunterschied von kleiner 2 K).
Der Fußboden darf also max. 19 °C kalt sein, woraus sich max. 50 W/m² bei einer Raumtemperatur von 26 °C (7K) ergeben.
Behaglichkeitsuntersuchungen und Umfragen in meiner Diplomarbeit beim Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme haben jedoch schon bei einer Bodentemperatur von 20 °C aufgezeigt, dass nicht nur weibliche Personen ein Unbehagen an den Füßen und Beinen spürten.

Florian Schmid, Produktmanagement - Heiz- und Kühldeckensysteme, ZENT-FRENGER Gesellschaft für Gebäudetechnik mbH
10.09.2012
Die Erfahrungen mit unserer Kühldecke lassen durchaus den Schluss zu, dass wir Kühlleistungen über 100 W/m² erreicht haben. Wir fahren unsere Kühldecke konstant mit einer Vorlauftemperatur von 14,9 °C (bis maximal 85 % r.F.). Dies hätte im vergangenen Sommer maximal zu ca. 110 W/m² Leistung geführt (bei alpha = 11). Sollte das Thema im nächsten Jahr noch aktuell sein, könnten wir sicher genauere Überprüfungen im nächsten Sommer mit unserer Kühldecke machen.

Hanns T. Roggenkamp, Trane Klima- und Kältetechnisches Büro GmbH, Krailling
02.10.2012

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