Kühldecke

Die Kühldecke gehört zur Gruppe der Flächenheiz-/kühlsysteme. Als Kühldecke gilt eine Raumdecke, deren Temperatur unterhalb der Raumlufttemperatur gebracht und gehalten wird. Dies geschieht durch geschlossene Kreisläufe von gekühltem Wasser. Da letzteres eine gewisse Temperatur nicht unterschreiten darf (etwa 16°C, um eine Bildung von Tauwasser zu vermeiden), können idealerweise natürliche Ressourcen wie das Erdreich oder Grundwasser zur Vorkühlung verwendet werden.

Arbeitsweise

Trotz des Namens geben Kühldecken keine Kälte ab, sondern entziehen dem Raum Wärme.

Kühldecken oder -elemente arbeiten auch bei Kühlwassertemperaturen unter 16°C, falls eine vorhandene Lüftungsanlage als Zentral- oder Dezentralgerät die eingeblasene Zuluft vorentfeuchtet hat, oder die Feuchtelast durch Stoßlüftung über Fenster abgeführt wird. Im Gegensatz zum Heizen kann beim Kühlen die Wassertemperatur nicht beliebig tief gefahren werden, da ansonsten die Gefahr der Taubildung besteht. Dies liegt daran, dass die Luft in Abhängigkeit der Temperatur nur eine bestimmte Menge an Wasserdampf aufnehmen kann. Je höher die Lufttemperatur ist, umso mehr Wasserdampf kann sie aufnehmen. Ist die Sättigungsgrenze überschritten, fällt der Wasserdampf in Form von Wasser aus. Diese Zusammenhänge sind im sogenannten h-x-Diagramm dargestellt. Wenn z.B. eine 25-grädige Luft mit einer relativen Luftfeuchte von 58 % auf etwa 16 °C abgekühlt wird, tritt eine Betauung auf. In jedem Fall sollte ein Taupunktwächter die Vorlauftemperatur der Taupunkttemperatur anpassen, d.h. diese anheben.

Grundsätzlich können Kühldecken in die beiden Gruppen Strahlungsdecken und Konvektionsdecken unterteilt werden.

Strahlungskühldecken

Strahlungsdecken haben eine zumeist geschlossene Oberfläche. Die Wärmeübertragung erfolgt vorwiegend durch Strahlung (mindestens 60 %). Ihr Platzbedarf ist in der Regel nicht größer als der für die Konstruktion der Decke ohne Kühlung. Der Vorteil der Strahlungsdecke liegt im Einfluss auf die Raumtemperatur. Die empfundene Raumtemperatur hängt von der Raumlufttemperatur und der Temperatur der Raumumschließungsflächen ab. Hohe Differenzen zwischen empfundener Temperatur und Raumtemperatur von 1,5 – 2 K werden nur von Kühlsystemen mit hohem Strahlungsanteil realisiert. So entsteht ein behagliches Raumklima. Ein hoher Strahlungsanteil hängt nicht nur von der Kühldeckenbauweise selbst, sondern auch von einer großen gekühlten Fläche ab, wobei diese Fläche im Strahlungsaustausch mit den Wärme abgebenden Personen und Gegenständen stehen muss (Sichtkontakt). Mit Strahlungskühldecken werden Kühlleistungen bis ca. 100 W/m² erreicht.

Konvektionskühldecken

Bei den Konvektionskühldecken überwiegt der konvektive Teil (mindestens 60 %) beim Wärmeaustausch. Diese abgehängten Decken sind offene Konstruktionen, dadurch wird die Konvektion und somit die Kühlleistung erhöht. Es werden Kühlleistungen bis zu 200 W/m² erreicht.

Behaglichkeit

Die Kühldecke bietet gegenüber üblichen RLT-Anlagen Vorzüge aufgrund mehrerer Faktoren: Zum einen führen die geringeren Zuluftströme, die jetzt durch den Mindestluftwechsel und nicht durch die Kühllast bestimmt werden, zu geringeren Raumluftgeschwindigkeiten. Des Weiteren entspricht die empfundene Raumtemperatur etwa dem Mittelwert aus mittlerer Raumlufttemperatur und mittlerer Oberflächentemperatur der Umschließungsfläche. Eine Kühldecke ist in der Lage, ein weitgehend gleichmäßiges vertikales Temperaturprofil im Raum aufzubauen. Bei Kühldecken mit hohem Strahlungsanteil liegt die empfundene Raumtemperatur um 1,5 – 2 K unterhalb der Raumlufttemperatur, was sich auf den Komfort positiv auswirkt. Nicht zuletzt gibt der Mensch seine überschüssige Wärme zu ca. 50 % durch Strahlung auf umliegende Flächen ab. Somit kommt ein Kühldeckensystem auf der Basis der Strahlungskühlung der physiologischen Wärmeabgabe des Menschen entgegen.

Bauweisen

Einhängedecke mit Mineralwolle in PE-Folie

Bandrasterkühldecke

Kühldeckensegel

Kühldecke als Betonkernaktivierung (TABS)

Die Betonkernaktivierung oder auch Betonkerntemperierung ist eine kostengünstige Methode zum Kühlen und Erwärmen von Gebäuden. Sie nutzt die Fähigkeit der Decken und Wände im Gebäude, thermische Energie zu speichern und damit Räume zu heizen oder zu kühlen. In die Betonbauteile (meist Decken, aber auch Pfeiler oder ggf. Wände) werden vorgefertigte Rohrsysteme, so genannte „Rohrregister“, innerhalb der Bewehrungslagen eingebaut. In den Rohren zirkuliert Wasser, das je nach Temperatur Wärme aus der Decke aufnimmt (Kühleffekt) oder an die Decke abgibt(Heizen). Für die Temperierung des Wassers im Kreislauf lassen sich z.B. Energiepfähle oder Energiesonden im Erdreich einsetzen. Im Kühlbetrieb kann während ca. 80 % der Nutzungszeit die Kühlenergie direkt aus der geothermischen Quelle bezogen werden. Da die Leistung einer Betonkernaktivierung durch abhängende Decken gesenkt wird, gibt es spezielle Deckensegel, die auf Basis der Betonkernaktivierung arbeiten und nur einen geringen Heiz-/Kühleistungsverlust erzeugen. Vorteile eines solchen Segels sind die verbesserte Optik und Erhöhung der Schallabsorbtion.

Eingeputzte Kühldecken

Hier werden Kapillarrohrmatten aus Kunststoff in den Deckenputz eingelegt und überputzt. Damit unterscheiden sich diese Decken nicht von herkömmlich Putzdecken. Vorsicht ist bei der Montage von Lampen geboten, da die Kapillaren beschädigt werden können. Um das zu vermeiden, ist eine sorgfältige Planung der vorgesehenen Deckeneinbauten im Vorfeld der Installation unbeding zu empfehlen. Kunststoff als Rohrmaterial ist sehr kostengünstig und zudem auch langlebig. Erfahrungen aus der Anwendung von Kunststoffrohren in Fußbodenheizungssystemen belegen diese Vorzüge.

Alternativ kommen dünnwandige Kupferrohre zum Einsatz.

Abgehängte Kühldecken

Abgehängte Kühldecken können genauso wie herkömmliche abgehängte Decken ausgeführt werden. Sie bestehen meist aus einer Unterkonstruktion und einer Decklage, wie z.B. Kassetten, Langfeldplatten, Paneelen, Lamellen oder Deckensegeln. Vom Kaltwasser durchströmte Kupfer- oder Kunststoffrohre geben die Kälte an aufgepresste Wärmeleitprofile meist aus Aluminium ab. Alternativ können auch Kapillarrohrmatten aus Kunststoff sehr kostengünstig eingesetzt werden. Bei Verwendung von Kapillarrohrmatten werden keine Wärmeleitbleche eingesetzt. Jedoch sollten die Kapillarrohrmatten aufgeklebt oder zumindest gut wärmeleitend aufgebracht sein. Dann gewährleistetet der dichte Verlegungabestand der einzelenen Kapillarrohre zueinander von etwa 10 Millimeter einen guten Wärmeübergang und damit eine gute Kühlleistung. Den Abschluss zum Raum bilden höherverdichtete Gipskartonplatten (GK-Klimaplatten), graphitmodifizierte Gipsplatten oder beschichtete Metallflächen. Einen kritischen Punkt zur Funktionsfähigkeit der Kühldecke bildet die Verbindung der Wärmeleitprofile mit der gewählten Deckenuntersicht (GK oder Metall). Hier muss eine dauerhaft wärmeleitende Verbindung sichergestellt sein. Es ist zu beachten, dass bei akustisch wirksamen abgehängten gelochten Decken Wärmeleitprofile einen Teil der Lochung verdecken und damit Einfluss auf die akustische Dämpfung haben.

Geschlossene Kühldeckensysteme

Geschlossene Kühldecken zählen zu den Strahlungsdecken und arbeiten überwiegend nach dem Strahlungsprinzip.

Fugenlose Kühldecken

Fugenlose Decken weisen eine glatte Unterseite ohne sichtbare Tragprofile oder systembedingte Fugen auf. Einzelne Deckenelemente sind nicht erkennbar. Die Beschichtung der Oberfläche erfolgt nach der Montage der einzelnen Platten. Wahlweise können die Platten aus verschiedenen Materialien bestehen (z. B. Gipskarton, Metall, FMA)

Metallkühldecken

Metallkühldecken werden geschlossen von der Rohbetondecke abgehängt. Vom Kaltwasser durchströmte Kupfer- oder Kunststoffrohre geben die Kälte über aufgepresste Wärmeleitprofile (meist aus Aluminium) oder bei Verwendung von Kapillarrohrmatten direkt an die Metallkassette ab. Es gibt mehrere Plattentypen zur Auswahl (z.B. Langfeldplatten, Kassetten). Diese Systeme ermöglichen eine hohe Revisionierbarkeit und eine Vielfalt an Einsatzmöglichkeiten. Zusätzlich können Bandrasterkühldecken als schalllängsgedämmte Kühldecken ausgeführt werden, um die Schallübertragung von Raum zu Raum zu minimieren. So kann der Deckenhohlraum für Installationen genutzt werden und es wird eine beliebige und flexible Trennwandstellung möglich.

Offene Kühldeckensysteme

Offene Kühldecken zählen zu den Konvektionsdecken und arbeiten überwiegend nach dem Konvektionsprinzip

Lamellen Kühldecken

Bei Lamellenkühldecken werden einzelne Lamellenmodule mit variablen Achsabständen von der Decke abgehängt. Die Lamellen können aus einem stahlblechummantelten Wärmeleitprofil bestehen oder aus einer Aluminiumlamelle, die gleichzeitig das Wärmeleitprofil darstellt. Zusätzlich können bei Bedarf Mineralwolleinlagen eingesetzt werden, um eine höhere Schallabsorbtion zu gewährleisten. Entsprechende Abstände und Abhänghöhen gewährleisten eine Konvektion bzw. "Luftumspülung". Verschiedene Ausbildungen und variable Achsabstände der Lamellen beeinflussen Optik und Kühlleistung sowie die Schallabsorbtion. Der Raum zwischen den Lamellen lässt sich zur Integration von Leuchten, Sprinklern oder Lüftungssystemen nutzen. Diese Systeme eignen sich für Flughäfen und sonstige Gebäude mit strengen Brandschutzverordnungen.

Kühldeckensegel

Bei Kühldeckensegeln werden Teile der Deckenfläche abgehängt und als Kühldecke ausgeführt. Damit sind ästhetisch ansprechende Lösungen möglich. Durch die höhere Konvektion, welche durch ein aktives Deckensegel gegeben ist, weisen diese eine höhere spezifische Kühlleistung als geschlossene Kühldecken auf. Zu beachten sind die entsprechenden Abstände und Abhänghöhen, um die Konvektion bzw. "Luftumspülung" zu gewährleisten.

Leistungsermittlung

Die Leistungsermittlung hat nach DIN EN 14240 in einem genormten Prüfraum zu erfolgen. Für Kühldecken mit glatter Oberfläche und eingegossenen bzw. eingeputzten Rohrregistern (homogene Systeme) kann mit sehr gutem Ergebnis ein allgemeingültiges Berechnungsverfahren auch auf der Basis des Algorithmus von FAXEN verwendet werden, das für alle Rohrabmessungen und Rohrabstände anwendbar ist. Die Ergebnisse sind an Messwerten verifiziert worden und haben sich auch bei der Leistungsermittlung von Fußbodenheizungen bewährt. Für Konstruktionen mit Kontaktflächen zwischen den Rohren und der Deckenplatte (heterogene Systeme) sind spezielle, konstruktionsbezogene Berechnungsverfahren entwickelt worden. Da die Simulation der Leistung bedeutend kostengünstiger als die Normprüfung ist, haben die Simulationsverfahren große Bedeutung bei der Komponentenentwicklung erlangt. Somit sind nur noch abschließende Normprüfungen nach DIN EN 14240 erforderlich. Sehr kompliziert gestaltet sich die Leistungsbestimmung von Kühldecken mit PCM-Anteil, da sich während des Betriebes ein Phasenwandel im Material vollzieht, wodurch Wärmespeichereffekte auftreten. Hierfür ist das Normprüfverfahren nicht anwendbar und experimentelle Untersuchungen sind wegen der zeitlich unterschiedlichen Randbedingungen außerordentlich aufwendig. Aus diesem Grund sind Berechnungsalgorithemen zur wärmetechnischen Simulation dieser Bauteile entwickelt worden. Die genannten Simulationsmodelle sind kostenlos downloadbar. ^[1].

Wichtig beim Vergleich der einzelnen Kühldeckensystemleistungen sind die einzelnen Prüfverfahren. Es gibt die verschiedensten Anwendungen, wie z. B. eine Decke mit offener Fuge von ca. 100 mm, wobei die Decke dann nicht als geschlossene Decke betrachtet werden kann.

Die "alte" Kühlleistungsprüfung nach DIN 4715-1 wurde bei einer Normuntertemperatur von 10 °K durchgeführt. Es wird jedoch beim Vergleich der beiden Normen oft vergessen, dass bei 10 °K Untertemperatur es schon zu einer Taupunktunterschreitung kommen kann. Beispielsweise benötigt man bei gewünschten 26 °C Raumtemperatur und 10 °K Untertemperatur eine Vorlauftemperatur unter 16 °C, welche in den meisten Fällen nicht durchführbar ist.

Die neue Norm nach DIN EN 14240 berücksichtigt diese Problematik und wird bei einer Untertemperatur von 8 °K gemessen, was in der Realität besser zutrifft.

Jedoch muss man dann von der "alten" Norm mit einem speziellen Verfahren auf die neue Norm umrechnen, damit man die Werte richtig vergleichen kann. Hier können des öfteren bewusst oder unbewusst Fehler auftreten und so verschiedene Systeme untereinander nicht richtig verglichen werden.

Berechnung aktive Heiz-/Kühlfläche

Die Berechnung der aktiven Heiz-/Kühlfläche ist ausschlaggebend für die Leistungsermittlung. Diese Leistung wird immer in Watt/m² aktive Fläche angegeben. Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Leistung zu ermitteln. Je nach Kriterium werden folgende DIN Normen bei der Berechnung berücksichtigt:

Berechnung nach DIN 4715 Plattenlänge x Plattenbreite

Berechnung nach DIN EN 14240 alt Wärmeleitprofillänge x Achsabstand x Stabanzahl

Berechnung nach DIN EN 14240 neu Registerlänge x Achsabstand x Stabanzahl

Berechnung nach DIN Certco Registerlänge x Registerbreite

Schallabsorbtion mit Kühldecken

Zur Verbesserung der Schallabsorbtion werden bei den meisten Kühldeckensystemen Einlagen eingesetzt. Hierbei handelt es sich meistens um Akustikvliese oder Mineralwolle, die in das System integriert werden. Das Vlies dient zusätzlich als Rieselschutz bei Mineralwolleinlagen. Hierzu wird die Mineralwolle in PE-Folie geschweißt. Dies ist besonders wichtig, da durch den Temperaturunterschied zwischen dem Deckenhohlraum und dem Raum eine Luftzirkulation entsteht, die die einzelnen Fasern der Mineralwolle aufwirbelt und in den Raum transportiert.

Kühldeckenhydraulik

Ein Kühlfeld besteht aus einem oder mehreren aktiven Kühldeckenelementen, die in Reihe zusammengeschlossen werden (z. B. durch edelstahlumflochtene Kunststoffschläuche). Dies ist Voraussetzung für eine gleichmäßige Durchströmung. Die Anzahl der aktiven Kühldecken ist so zu wählen, dass sich ein gewisser Druckverlust einstellt. Der Druckverlust nimmt Einfluss auf die spezifische Heiz- bzw. Kühlleistung. Ab einer kritischen Strömungsgeschwindigkeit wird aus der laminaren Strömung die turbulente Strömung, dies wird beeinflusst durch die Größe des Rohrquerschnitts. Für eine optimale Wärmeaufnahme des Mediums ist eine turbulente Strömungsform erforderlich, die durch den gewissen Druckverlust entsteht.

Eine Regelzone besteht aus einem oder mehreren Kühlfeldern, die parallel an eine Verteilerleitung angeschlossen sind. Die Regelzonen sind vorwiegend raumweise oder achsweise gewählt. Die Größe der Regelzonen wird durch die Regelgruppe begrenzt. Mit dieser Regelgruppe wird der gesamte Kühlvorgang gesteuert.

Hydraulische Komponenten für Kühldecken

Die einwandfreie Funktion einer Kühldecke hängt auch stark von den hydraulischen Komponenten ab. Zu den wichtigsten zwei Punkten zählen die Verbindungstechnik der einzelnen Verrohrungen und die Regelgruppe, mit der der gesamte Heiz-/Kühlvorgang gesteuert wird.

Anschluss- und Verbindungsschläuche

Bei der Anschluss- und Verbindungstechnik werden verschiedene Schlaucharten verwendet. Die Wahl der Schlaucharten hängt von Einsatzgebiet und von der Belastung ab, der die Schläuche ausgeliefert sind. Häufig verwendet werden z. B. edelstahlumflochtene Kunststoffschläuche, Ringwellschläuche oder einfache Kunststoffschläuche (sauerstoffdiffusionsdicht nach DIN 4726)

Multifunktionsregelgruppe

Für jede Regelzone wird eine Regelgruppe zur Durchgangsregelung, zum Einregulieren, zum Absperren und zum Befüllen/Entleeren benötigt. Ein großer Vorteil von Regelgruppen ist, dass in verschiedene Räumen unabhängig voneinander unterschiedliche Temperaturen erzeugt werden können, da jeder Raum seine eigene Regelgruppe besitzt. Diese Raumregelfunktion kann man mit der einer Bodenheizung vergleichen.

Vorteile einer Kühldecke

Herkömmliche Klimasysteme, welche die Kühlung der Räumlichkeiten mit einer Zufuhr von gekühlter Luft erzielen, verursachen oft einen unangenehmen Luftzug. Nicht so die Kühldecke, was sich positiv auf den Komfort auswirkt. Außerdem liegt die empfundene Raumtemperatur meist leicht unterhalb der Raumlufttemperatur, was einen weiteren Zuwachs an Behaglichkeit und Energieeinsparungen bedeutet.

Einzelnachweise

1. ↑ [1] Bernd Glück: Teilbericht "Innovative Wärmeübertragung und Wärmespeicherung" des vom PTJ betreuten Forschungsverbundkomplexes LowEx, 2008