Strahlungsaustausch im Kühlbetrieb

Quelle: Arbeitsgemeinschaft Ziegeldecke im Güteschutz Ziegelmontagebau e. V.

Aufbau einer Kühldecke mit PCM
Quelle: Ilkazell Isoliertechnik GmbH
Kühldeckenelement

Quelle: STULZ GmbH

Kühlsegel

Quelle: YIT Germany GmbH KRANTZ KOMPONENTEN

Behaglichkeit bei Deckenkühlung
Grundsätzlich können Kühldecken in Strahlungsdecken und Konvektionsdecken unterteilt werden. Wobei es auch Systeme gibt, die einen fließenden Übergang von der reinen Strahlungsdecke zur reinen Konvektionsdecke darstellen.
Für alle Deckenkonstruktionen gibt es passende Kühlsysteme aus den Werkstoffen Stahl, Kupfer, Aluminium oder Kunststoff. Deckenkühlung kann direkt mit dem Deckenputz an der Rohbetondecke, in Verbindung mit einer abgehängten Gipskartondecke, als abgehängte Metallpaneeldecke oder einer offenen Rasterdecke realisiert werden. Eine verputzte glatte Deckenuntersicht ist ebenso möglich wie beliebig geometrische Formen bei Metalldecken. Beleuchtung, Luftdurchlässe usw. lassen sich problemlos in die Decke integrieren.
Konvektionsdecken
Bei den Konvektionsdecken überwiegt der die Übertragung der Wärme durch die Luftbewegung. Die abgehängte Decke hat Öffnungen, für die zur Erhöhung der Kühlleistung notwendige Luftzirkulation. Durch dem Raum zugewandte Rippen kann die Leistung weiter erhöht werden.
Strahlungsdecken
Strahlungsdecken haben eine geschlossene Oberfläche. Die Wärmeübertragung erfolgt vorwiegend durch Strahlung (ca. 60 %). Sie werden als Putzdecken oder als abgehängte Decken ausgeführt. In der Regel ist der Platzbedarf nicht größer als der für die Konstruktion der Decke ohne Kühlung.
Kühlflächenanordnung
 Die Kühlelemente sollten möglichst großflächig auf die ganze Deckenfläche verteilt werden. Die Beleuchtungseinrichtung, Lautsprecher, Sprinklerdüsen und das Lüftungssystem haben einen Eifluss auf die Anordnung. Durch großflächige Anwendungen ergeben sich Vorteile. Zum einen werden Kühlelemente mit geringerer spezifischer Kühlleistung eingesetzt oder auf der anderen Seite können hohe Gesamtkühllasten aufgenommen werden. Außerdem können die Vorlauftemperaturen höher angesetzt werden und dadurch Kondensationsrisiken weiter minimiert werden.
Behaglichkeit

Die Kühldecke bietet gegenüber einer RLT-Anlagen die Vorzüge einer größeren Behaglichkeit aufgrund mehrerer Faktoren.

  • Die geringeren Zuluftströme, die jetzt durch den Mindestluftwechsel und nicht durch die Kühllast bestimmt werden, führen zu geringeren Raumluftgeschwindigkeiten.
  • Die empfundene Raumtemperatur entspricht etwa dem Mittelwert aus mittlerer Raumlufttemperatur und mittlerer Oberflächentemperatur der Umschließungsfläche.
Eine Kühldecke baut ein weitgehend gleichmäßiges vertikales Temperaturprofil im Raum auf. 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. Dadurch kommt ein Kühldeckensystem auf der Basis der Strahlungskühlung der physiologischen Wärmeabgabe des Menschen entgegen.
Flächenkühlung mit natürlichen "Kältequellen"
Flächenkühlungssysteme arbeiten mitwasserdurchflossenen Rohrregistern, die in den Bauteilflächen verlegt sind und geben die Wärme indirekt in den Raum ab. Diese Systeme können zur Kühllastabfuhr sowohl mit einer Lüftungsanlage alsauch als allein stehendes Kühlsystem ausgeführt werden.
Folgende Bauteilflächen können zur Kühlung herangezogen werden:
  • Betondecken und -wände mittels Betonkernaktivierung
  • Fußbodenflächen
  • Kühldecken und Kühlsegel
Die Kälte kann über Erdkollektoren, Wärmesonden oder das Grundwasser aus Brunnen in das System eingespeist werden. Da nur der geringe Energiebedarf für die Umwälzpumpen und Förderpumpen anfällt, sind solche Systeme kostengünstig und energieeffizient.

Plafotherm® Heiz- und Kühldeckensegel, Metalldeckensegel - Lindner Group KG

Micronal® PCM stellt die Grundlage für viele intelligente und energieeffizient Systemlösungen dar. Ein Beispiel sind die fertig integrierten Kühldeckenelemente der Firma Ilkazell aus Zwickau. Abgeleitet aus der Sandwichtechnologie (Metalloberfläche / PURHartschaum-Dämmung / Metalloberfläche) wurden hocheffiziente Kühldeckensegel entwickelt, die im einfachen Plug-and-Play an bestehende Wasser-Kühlkreisläufe angeschlossen werden können. Dabei wurde eine Metalloberfläche durch eine PCM Gipsbauplatte ersetzt. Kapillarrohrmatten befinden sich auf der Rückseite der zum Raum hin orientierten PCM Schicht. Somit wird Wasser als Wärmeträger verwendet. Man wird hierdurch unabhängig von Lufttemperaturen und die Entladeleistung steigt erheblich. Über Strahlungsaustausch mit dem darunter befindlichen Raum wird überschüssige Wärme entzogen – bei höchstem Komfort. Die Kombination mit PCM in der Decke eröffnet die Möglichkeit auf regenerative Kälte zurückzugreifen, die nicht immer dann zur Verfügung steht, wenn die Kühlung gerade gebraucht wird. Die zeitliche Entkopplung von Wärmeanfall und Wärmebehandlung wird dabei vom PCM geleistet.
Kühldeckenelement mit PCM-Gipsbauplatte
Frei hängende Kühldecken-Segel / Wärmebild der aktiven Kühldecke
Quelle: Ilkazell Isoliertechnik GmbH
Die Kühlelemente sind relativ leicht und können sowohl im Neubau als auch in der Sanierung eingesetzt werden. Dort können sie u. U. eine Betonkernaktivierung ersetzen. Sie können deckenintegriert oder frei hängend montiert werden.
Die IR-Thermografie zeigt die Funktion der Kühlflächen. Ca. 50 W/m² werden dem Raum entzogen. Dies ist ausreichend für die üblichen Lastfälle in Büroanwendung. Gerade wenn man in Betracht zieht, dass Energieeffizienz auch Reduktion von thermischen Lasten mit ins Konzept einschließen muss, sind bisher übliche 70 W/m² - und mehr - nicht mehr zeitgemäß. Der Anteil an PCM in den raumseitigen PCM-Gipsbauplatten reicht theoretisch für 2 Stunden Volllast ohne Kühlungsunterstützung. Liegt nur eine Teillast an, reicht die Wärmespeicherkapazität der Kühldecke entsprechend länger. Damit sind die Ilkazell-Kühldeckenelemente herkömmlichen Metallkühldecken ohne Speicherfähigkeit deutlich überlegen – denn diese müssen immer “just-in-time” kühlen. Selbst eine Art "Notlaufeigenschaft" im Leichtbau lässt sich realisieren.
An vielen Tagen im Jahr kann die Kühlung damit komplett entfallen, da das PCM die anfallende Wärme aufnimmt und in die Nacht verschiebt. Die nächtliche automatische Fensteröffnung sorgt dann für eine Entladung des PCM und des restlichen Gebäudekörpers. Jede kWh, die nicht mit Kühleinrichtungen behandelt werden muss, ist reale Einsparung und CO2-Reduktion. Im diesem Fall resultiert ein "vollklimatisiertes" Bürogebäude mit einem Primärenergieverbrauch von nur 54 kWh/m²a. Ein klarer Beweis, dass sich integrierte Konzepte schlussendlich rechnen. Quelle: BASF SE
PCM zur passiven Klimatisierung
Dieses PCM funktioniert wie ein Wärmespeicher. Das Speichermaterial besteht aus Salzhydrate, die im Gegensatz zu Paraffinen nicht brennbar sind. Sie sind somit ideal für den Einsatz in Gebäuden mit höheren vorbeugenden Brandschutzanforderungen.
Wenn dem Material (Deckenpaneele) Wärme zugeführt wird, ändert sich bei Erreichen der Schmelztemperatur der Aggregatzustand von fest zu flüssig. Im umgekehrten Phasenwechsel wird die gespeicherte Wärme wieder abgegeben. So lassen sich Temperaturschwankungen glätten und Wärmespitzen verhindern, ohne dass Energie zum Kühlen eingesetzt werden muss.
DELTA®-COOL Board - Dörken GmbH & Co. KG
DELTA®-COOL Board
Quelle: Dörken GmbH & Co. KG
Deckenheizung
Strahlungsaustausch im Heizbetrieb

Quelle: Arbeitsgemeinschaft Ziegeldecke im Güteschutz Ziegelmontagebau e. V.

Die Deckenheizung ist in Wohn- und Büroräumen eine Niedertemperatur-Strahlungsheizung, die ihre Wärme über großflächige Heizflächen abgibt. Aus wärmephysiologischen Gründen bleiben die Oberflächentemperaturen unter 30 °C. Diese Wärmeabgabe erfolgt dabei überwiegend durch Strahlung und mit einem kleinen Anteil von Konvektion. Als Wärmeträger wird hauptsächlich Warmwasser genutzt. Auch die Bauteilaktivierung wird als Deckenheizung betrieben.
In Räumen mit einer Decken- und Fußbodenheizung kann die Raumlufttemperatur bei gleicher Behaglichkeit um 2 - 3 K niedriger sein, als in Räumen mit herkömmlichen Konvektions- bzw. Luftheizungen. Hier rechnet man durch die niedrigeren Transmissionsverluste mit einer Energiekostensenkung um 15 - 20 %.
Deckenheizungen in hohen Räumen (z.B. Werkstätten, Werkhallen, Lagerräume) werden auch mit höheren Wärmeträgertemperaturen (bis 90 °C) gefahren. Eine besondere Art von Deckenheizungen sind Infrarot-Strahler, die mit Gas oder Strom betrieben werden.
Nasssysteme
Die Rohrdeckenheizung ist dadurch gekennzeichnet, dass nahtlose Rohre (Kunststoff, Verbundrohr) in der Decke verlegt werden, wobei wiederum zwei Ausführungsarten möglich sind:
Vollbetondecken
Rohre im Beton
Bei Vollbetondecken oder Decken mit unterm Tragbeton werden die Rohre direkt in der Betonschicht eingebettet. Dies ist die älteste Ausführung (Crittall- Decke).
Bei anderen Deckenkonstruktionen, z.B. Hohlsteindecken, wird eine besondere, etwa 6 bis 7 cm starke Betonheizdecke aufgehängt, in der die Heizrohre liegen. Auf dieser Heizdecke liegt dann die eigentliche Tragdecke. In jedem Fall muß die Verlegung der Heizrohre gleichzeitig mit der Deckenherstellung erfolgen. Die Heizregister werden vor der Betonfüllung auf der Holzschalung über der Stahlbewehrung verlegt, wobei zwischen Schalung und Rohren durch untergelegte Distanzstücke ein Zwischenraum von etwa 2 cm bleibt.
 
 

Heizrohre und Kapillarohrmatten im Deckenputz
Bei der Verlegung der Heizrohre im Deckenputz wird erst die Decke hergestellt und danach das Rohrregister an der Decke aufgehängt. Der Verputz, der dann in mehreren Schichten aufgetragen wird, ist ein Kalkzementmörtel mit einigen besonderen Beigaben, wie Jutegewebe u.a. um den unterschiedlichen Wärmeausdehnungszahlen Rechnung zu tragen. Der Putzträger (Streckmetallgewebe) wird meist unterhalb der Rohre angebracht. Die gesamte Schicht hat eine Dicke von etwa 5 bis 6 cm.
Besonders einfach wird die Montage der Heizflächen bei Verwendung von Kupferrohren an Stelle von Stahlrohren. Der Putz besteht dabei aus Gips mit Kalkzusatz und hat eine Dicke von etwa 3 cm.

Heiz- und Kühldecken sowie Deckensegel mit Kapillarrohrmatten bieten eine gleichmäßige Oberflächentemperatur.
Aufgrund des geringen Eigengewichts (gefüllt 500 g/m2) ist die Kapillarrohrmatte in alle Deckenkonstruktionen einsetzbar. Die Matten sind flexibel und können direkt auf die Rohdecke oder auf abgehängte Putzträgerplatten montiert und eingeputzt werden. Die geringe Putz- oder Spachtelschicht ermöglicht eine Reaktionszeit der Kühldecke von unter 15 Minuten. Die Putzkühldecke oder Deckenheizung eignet sich für eine angenehme und stille Raumklimatisierung in jedem Gebäudetyp.

 

 

Quelle: BeKa Heiz- und Kühlmatten GmbH
Rohre im Deckenputz

Bei der Planung und dem Einbau von Kapillarrohrsystemen (Heizung und Kühlung) muss besonders auf das richtige Füllwasser (VE-Wasser, VS-Mittel) und die verwendeten Bauteile (Pumpen, MAG's, Armaturen, Flexschläuche) geachtet werden. So müssen die Anlagen mit einer Systemtrennung und korrosionsbeständigen Bauteilen (Edelstahl, Rotguss, Kunststoff) gebaut werden. Auch die flexiblen Heizflächenanbindungen sollten aus dem geeignetem Material bestehen, weil hier immer wieder Undichtigkeitsprobleme zu beobachten sind.

Schlauchprobleme

Trockensysteme
Zent-Frenger-Decke

Quelle: ZENT-FRENGER Gesellschaft für Gebäudetechnik mbH

Die Zent-Frenger Decke verwendet perforierte oder nicht perforierte thermolackierte Aluminiumbleche ohne Gipsplatten von 625 x 625 mm Größe und 0,75 mm Dicke. Die Heizrohre werden unter der Decke aufgehängt und die Platten dann von unten mittels Stahlklammern an den Rohren befestigt. Platten an der Oberseite mit Isoliermatten abgedeckt, wodurch gleichzeitig eine Schalldämmung erreicht wird. Ein Teil der Lochung sowie 1,5 mm breiter Schlitze zwischen den Platten können auch zur Lüftung verwendet werden. An den Wänden sind besondere Randleisten erforderlich. Die Heizwassertemperatur ist wie bei Radiatoren. Es gibt verschiedene Möglichkeiten der Anordnung der Heizregister.
Eine alternative Ausführung mit 85 mm breiten Aluminiumstreifen ist eine ballwurffeste Streifendecke. Verlegebreite 100 mm. Wärmeabgabe dabei jedoch geringer als die Zent-Frenger Decke.
Hohlraumdeckenheizung
Hohlraumdeckenheizung

Quelle: ZENT-FRENGER Gesellschaft für Gebäudetechnik mbH

Bei der Hohlraumdeckenheizung sind die Heizrohre in dem Zwischenraum zwischen Tragdecke und Zwischendecke verlegt. Unterseite Tragdecke isoliert. Wärmeabgabe von den Heizrohren durch Strahlung und Konvektion. Heizmittel kann beliebig warm sein, Warmwasser 90/70 °C, Heißwasser oder Dampf. Zwischendecke wird als Putzdecke, Plattendecke oder Metalldecke ausgeführt. Auch Verwendung von Lochdecken, wobei gleichzeitig Lüftung und Schalldämmung möglich sind. Vorteilhaft ist die Möglichkeit nachträglichen Einbaues sowie nachträgliche Änderungen.
 
 
Deckenstrahlplatten
Deckenstrahlplatten sind Raumheizkörper, die waagerecht oder schräg unter der Decke aufgehängt werden und ihre Wärme überwiegend durch Strahlung abgeben. Die Platten selbst bestehen meist aus Stahlblechen, an denen die Rohre mittels Schellen oder durch Schweißung befestigt sind. Die Platten werden entweder als langgestrecktes Band oder in einzelnen Stücken an der Decke angeordnet. Die Oberseite ist zur Begrenzung der Wärmeabgabe nach oben meist mit einer Wärmedämmung versehen.

Quelle: Zehnder Group Deutschland GmbH

Die Decken-Kühl und -Heizplatte besteht aus einem 1 mm dicken Aluminium-Strahlblech, in dem nahtlose Kupferrohre (Ø 15 x 1 mm) formschlüssig verpresst sind. Das Blech umschließt dadurch ca. 85 % des Rohres und ermöglicht so einen idealen Wärmeübergang. Die Platten-Oberseite ist mit einer 40 mm dicken Wärmedämmung ausgelegt. Diese dient der Wärmedämmung und der Schallabsorption in Verbindung mit einem gelochten Strahlblech. Seitliche U-Profile steifen die Platte aus, was die Anzahl der notwendigen Befestigungspunkte reduziert. Gleichzeitig verfügen sie über Innengewinde zur Montage der Platte an der Decke.
 
Deckenstrahlplatten - Zehnder Group Deutschland GmbH

 

 

Behaglichkeit (Thermische Behaglichkeit)

Für das Wohlbefinden in Räumen mit Deckenstrahlungsheizung ist die mittlere Oberflächentemperatur der Deckenheizfläche ein wesentlicher Faktor. Ein Gefühl der Behaglichkeit liegt meist dann vor, wenn der Heizvorgang vom Raumbenutzer thermisch nicht wahrgenommen wird. Als ungefähre Richtgröße ist, dass bei einer Oberflächentemperatur von 30 °C die Wärmeabgabe etwa 95 W/m2 und bei 40 °C etwa 180 W/m2 beträgt. Die hierbei zulässige Oberflächentemperatur hängt von der Deckenhöhe über Kopf eines stehenden Menschen und von der Einstrahlzahl ab.
Die Luftbewegung im Raum wird von der Deckenstrahlplatte praktisch nicht beeinflusst, so daß unnötige Staubaufwirbelungen vermieden werden. Durch die gleichmäßige Erwärmung des Raumes kommt es nicht zu Zugerscheinungen, was wesentlich zur Steigerung des Wohlbefindens beiträgt.
THERMODYNcool
Quelle: DIMMOBAU AG
 

Eine Alternative ist der patentiertes Klimabrunnen (Kühlbrunnen).
Das System THERMODYNcool benötigt keine  Luft umwälzenden Klimageräte, um eine Raumluftkühlung und -entfeuchtung zu erreichen. Ein gekühlter Wasserfilm, der über eine Fläche fließt, steht in direktem Kontakt mit der Raumluft. Das kühlt sie erstens ab und senkt zweitens die Strahlung, die Personen und Gegenstände im Raum erwärmt. Dabei wird die in der Raumluft enthaltene Flüssigkeit auskondensiert und kalte, trockene Luft zum Boden transportiert.
Am unteren Ende des "Kühlbrunnens" (Klimabrunnen), der
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