Graphitmodifizierte Kühldecken

Eine vergleichende Bewertung zur Leistungsfähigkeit

Die Verwendung graphitmodifizierter Baustoffe  erhöht in den meisten Fällen deren Wärmeleitfähigkeit. In Kühldeckensystemen wird hierdurch eine höhere Wärmeauf­nahme als bei herkömmlichen Kühldeckensystemen erreicht. Die sich daraus ergebenden Vorteile werden aufgezeigt. Dazu werden sowohl Simulationen zur Bestimmung der thermischen Behaglichkeit als auch zur Quantifizierung der Auswirkungen auf den Strombedarf für die Kälteerzeugung durchgeführt. Es zeigt sich, dass sich die höhere Kühlleistung der graphitmodifizierten Kühldecke „Ecophit“ positiv auf den Betrieb auswirkt.

Graphit ist ein hoch wärme­leitender Stoff, der in vielen Produkten zum Einsatz kommt. So wurde von der SGL Carbon GmbH ein Verfahren entwickelt, um Graphitplatten herzustellen, die in der Ebene Leitfähigkeitswerte von Aluminium übertreffen können, aber gleichzeitig senkrecht zur Plattenebene die Leitfähigkeit von Ton haben. Dadurch wird die Wärme in der Fläche sehr schnell und gleichmäßig verteilt. Daher lag es nahe, diese Plat­ten, die unter dem Namen „Eco­phit“ vertrieben werden, für Kühldecken einzusetzen. Ziel der im Folgenden vorgestellten Stu­die ist die Gegen­überstellung der...
Graphit ist ein hoch wärme­leitender Stoff, der in vielen Produkten zum Einsatz kommt. So wurde von der SGL Carbon GmbH ein Verfahren entwickelt, um Graphitplatten herzustellen, die in der Ebene Leitfähigkeitswerte von Aluminium übertreffen können, aber gleichzeitig senkrecht zur Plattenebene die Leitfähigkeit von Ton haben. Dadurch wird die Wärme in der Fläche sehr schnell und gleichmäßig verteilt. Daher lag es nahe, diese Plat­ten, die unter dem Namen „Eco­phit“ vertrieben werden, für Kühldecken einzusetzen. Ziel der im Folgenden vorgestellten Stu­die ist die Gegen­überstellung der „Ecophit“-Kühldecke und einer herkömm­lichen Kühldecke.


Beschreibung der „Ecophit“- und der Referenzkühldecke

Bei Kühldecken wird im Sommer die Wärme an der Decke ab­sor­biert und über wasserdurchströmte Rohre abgeführt. Die Kühl­leis­tung ist umso höher, je besser der Wärmetransport von der Fläche zu den Rohren ist. Bei konventionellen Systemen dienen dazu Wär­me­leitbleche. Bei der „Ecophit“-Kühldecke übernimmt diese Auf­gabe das Graphit.


a) Die „Ecophit“-Kühldecke

Untersuchungsgegenstand ist eine fugenlose Gips-Kühldecke. Raumseitig wird sie von einer graphitmodifizierten Gipskartonplatte abgeschlossen. Darüber befindet sich eine Graphitleichtbauplatte mit integrierten Kupfer­rohren. Bild 1 zeigt einen schematischen Schnitt der unter­suchten „Ecophit“-Kühldecke.

Für die Kühldecke liegt ein Prüfbericht über die Ermittlung der Kühlleistung einer Raumkühldecke nach DIN EN 14 240 [1] vor. Der Untersuchungsgegenstand ist aus folgenden Bestandteilen aufgebaut:

Als Kühlelement dient die Graphitleichtbauplatte „Ecophit L“ von SGL Carbon GmbH aus expandiertem Naturgraphit. Diese hat eine Wärmeleitfähigkeit von 18,0 W/(m K) (horizontal) bzw. 7,0 W/(m K) (vertikal).
In die Graphitplatte sind mittig zwei parallele Rohre (Außen­durchmesser 12 mm) eingearbeitet. Der Achsabstand zwischen den Kupferrohren beträgt 125 mm. Der Abstand der Rohre zur Oberfläche der Graphitleichtbauplatte beträgt ca. 7 mm.
Die Kühlelemente liegen auf der ungelochten, graphitmodifizierten Gipskartonplatte „Rigips Climafit“ (Dicke 10 mm) auf. Durch Graphiteinschlüsse erreicht diese Platte horizon­tal und vertikal eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit von 0,52 W/(m K).
Durch darüber liegende Metallprofile der Deckenunterkonstruktion werden die Kühlelemente auf die Gipskartonplatten gedrückt.


b) Die Referenzkühldecke

Für die Untersuchung wird als Referenzkühldecke eine Kühldecke mit Thermoplatte und Wärmeleitblechen betrachtet. Der Aufbau ist schematisch in Bild 2 dargestellt.

Die Kühldecke besteht aus Wärmeleitblechen mit eingepressten Kupferrohren, welche auf glatten Gipskartonplatten lose aufliegen und mit Halteschienen fixiert sind. Ein Prüfbericht nach DIN EN 14 240 liegt vor. Die Bestandteile der Referenzkühldecke sind nachfolgend beschrieben:

Ausgeführt werden die Wärmeleitbleche als Aluminium-Strangpressprofile, in die Kupferrohre (Außendurchmesser 12 mm) eingepresst sind. Der Achsabstand zwischen den Kupferrohren beträgt 130 mm.
Die Wärmeleitprofile sind auf einer 10 mm dicken, glatten Gipskartonplatte („Thermoplatte“ der Fa. Knauf) lose auf­gelegt und mit Halteschienen fixiert. Aufgrund einer vergleichsweise hohen Rohdichte liegt die Wärmeleitfähigkeit dieser Gipskartonplatte mit 0,3 W/(mK) über der von konventionellen Gipskartonplatten.
Die Gipskartonplatten sind zwischen den Elementen an Halte­schienen angeschraubt, die an der Raumdecke befes­tigt sind.

Die für die Untersuchung relevanten technischen Daten der „Ecophit“- und der Referenzkühldecke sind in Tabelle 2 zusammengefasst.


Thermische Simulation

a) Vorgehensweise, Randbedingungen

Die Temperaturverläufe und Energiebedarfswerte werden für ein Jahr dynamisch mit Hilfe von thermischen Simulationen ermittelt. Hierfür werden drei repräsentative Räume eines Bürogebäudes eingegeben: Großraumbüro West, Großraumbüro Ost und Besprechungsraum West. Als Wetterrandbedingungen werden die Daten des aktuellen Referenzklimas für Deutschland nach EnEV 2013 (TRY-Region 4, Nordostdeutsches Tiefland, Repräsentanzstation Potsdam [2]) verwendet. Es werden sowohl das durchschnittliche als auch das Testreferenzjahr mit extrem warmem Sommer betrachtet.

Die drei untersuchten Räume sind hinsichtlich ihrer Geometrie identisch. Die Grundfläche beträgt 44 m². Bei einer lichten Höhe von 2,8 m ergibt sich ein Raumvolumen von 123,2 m³. Die Außenwand ist massiv mit außenliegender Wärmedämmung (U = 0,28 W/(m²K)), die Innenwände sind leichte Trockenbaukonstruktionen. Die Böden haben einen Kunststoff-Bodenbelag, Zementestrich und Trittschalldämmung. Die Fensterfläche beträgt 15,68 m², was einem Fensterflächenanteil von 70 % entspricht. Die Fenster sind mit einer Zweischeiben-Wärmeschutzverglasung (Uw = 1,3 W/(m²K), g = 0,61) mit 30 % Rahmenanteil ausgestattet. Außerdem wird ein außenliegender Sonnenschutz (FC = 0,2) berücksichtigt, der automatisch geschlossen wird, wenn die Gesamtstrahlung (Summe aus Direkt- und Diffusstrahlung) auf der betreffenden Fassade über 200 W/m² steigt. Es wird davon ausgegangen, dass bei geschlossenem Sonnenschutz ausreichend Tageslicht in den Raum gelangt, um kein Kunstlicht zu benötigen. 

Die internen Wärmelasten sowie die Infiltration aufgrund von Undichtheiten und der hygienische Mindestluftwechsel (über natürliche bzw. mechanische Lüftung) werden in Anlehnung an DIN V 18 599-10 [3] bzw. DIN 4108-2 [4] angesetzt (Tabelle 1). Eine zusätzliche natürliche Lüftung zur Abfuhr von Wärmelasten oder eine Nachtlüftung erfolgt nicht. Bei den Varianten mit mechanischer Lüftungsanlage ist diese nur während der Nutzungszeiten in Betrieb, um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten. Die Zulufttemperatur beträgt konstant 20 °C, zudem wird aus Behaglichkeitsgründen die Zuluft auf eine maximale absolute Feuchte von 10 g/kg entfeuchtet. Für die Heizung wird eine ideale Heizung des Raumes auf 20 °C mit 50 % radiativem Anteil (z.B. Plattenheizkörper) angesetzt, die aktiv sein kann, wenn das 48 h-Mittel der Außen­temperatur kleiner 12 °C ist.


b) Eingabe der Kühldecken

Die Leistungsdaten einer Kühldecke können auf unterschiedliche Arten und auf Basis unterschiedlicher Normen ermittelt werden. DIN 4715-1 [5] wurde zurückgezogen und durch DIN EN 14 240 ersetzt. Daher liegen für die beiden untersuchten Kühldecken Prüfberichte gemäß DIN EN 14 240 vor. Da für die Simulationssoftware „TRNSYS 17.1“ jedoch technische Daten gemäß DIN 4715-1 benötigt werden, erfolgt eine Umrechnung mit Berücksichtigung der abweichen­den Flächen- und Tempe­ra­tur­bezüge der beiden Normen (Tabelle 2). Zudem werden die Gleichungen von Koschenz [6], die für thermoaktive Bauteile gelten, sinngemäß angewendet, um die Wärmedurchgangskoef­fi­zienten vom Wasser in die horizontale Plattenebenen Uwrx zu berechnen.

Die Kühldecken werden mit einer Belegungsdichte von 70 % (Ausgangsfall) bzw. 60 % (reduzierte Größe) angesetzt. Diese Belegungsdichte beschreibt das Verhältnis von der Plattenfläche zur gesamten Deckenfläche des Raumes. Somit ist bei einer Grundfläche der untersuchten Räume von 44 m² die Kühldecke im Ausgangsfall 30,8 m² (aktive Fläche gemäß DIN 4715-1) groß, bei den Varianten mit reduzierter Größe 26,4 m².

Im Ausgangsfall beträgt die Vorlauftemperatur 16 °C, mindestens jedoch 1 K über der Taupunkttemperatur im Raum (Taupunktwächter). Wird nicht die volle Leistung benötigt, wird der Massestrom reduziert (Regelung über P-Regler).


c) Simulationsvarianten

Es werden die folgenden Parameter einzeln sowie in Kombination miteinander als Varianten simuliert:

Raumtyp (Büro West, Büro Ost, Besprechung West),
Kühldeckentyp (Referenzsystem, „Ecophit“-System),
Testreferenzjahr (durchschnittliches Jahr, extrem warmer Sommer),
Lüftung (natürliche Lüftung, mechanische Lüftung),
Größe der „Ecophit“-Kühldecke (70 % Belegungsdichte, 60 % Belegungsdichte),
Vorlauftemperatur der „Ecophit“-Kühldecke (16 °C, 18,5 °C).

In dieser Studie ist nur eine Auswahl der untersuchten Varianten dargestellt.


Simulationsergebnisse

Ziel der Simulation ist die Ermittlung des jährlichen Verlaufs des Kühlenergiebedarfs für alle Varianten. Zur Bewertung des thermischen Komforts wird zudem die operative Temperatur (Raumtemperatur) ausgewertet. Diese setzt sich bei Luftgeschwindigkeiten bis 0,2 m/s je zur Hälfte aus der Lufttemperatur und der Strahlungstemperatur der umgebenden Flächen zusammen. Hiermit wird eine Temperatur angegeben, die speziell bei Einsatz von Flächenkühlsystemen der gefühlten Temperatur näher kommt als lediglich die Lufttemperatur.

Bild 3 zeigt beispielhaft die Simulationsergebnisse der Variante des Westbüros mit natürlicher Lüftung und extremem Sommer in einer Woche im Sommer. Es wird deutlich, dass aufgrund der Strahlungskühlung und der natürlichen Lüftung bei hohen Außentemperaturen die Raumlufttemperatur (rot) über die operative Temperatur (grün) steigt. Auch zeigt sich, dass die Leistung der Kühldecke nicht ausreichend ist, um die Raumtemperatur jederzeit unter 26 °C zu halten. An drei Tagen ist es erforderlich, die Vorlauftemperatur (lila) auf über 16 °C zu erhöhen, um eine Unterschreitung der Taupunkt­tem­peratur an der Kühldecke zu verhindern (Taupunktwäch­ter). Die spezifische Kühlleistung (braun) bezieht sich auf die Kühldeckenfläche. Sie kann aufgrund des zeitweise reduzierten Massestroms und aufgrund von abweichenden Randbedingungen gegenüber der Prüfraumsituation geringer oder höher sein als die Nenn-Kühlleistung.

Um eine Aussage über die Häufigkeit und Höhe der Überschreitung der Soll-Raumtemperaturen treffen zu können, werden die Übertemperaturstunden ausgewertet. Wie in den Bildern 4 und 5 deutlich wird, fallen sie mit dem „Ecophit“-System aufgrund dessen höherer Kühlleistung geringer aus als mit dem Referenzsystem. Dies bedeutet einen höheren thermischen Komfort in den Räumen mit „Ecophit“-Kühldecke bei ansonsten gleichen Randbedingungen.

Bei den Varianten mit mechanischer Lüftung wird die Zuluft mit konstant 20 °C eingebracht. Hierdurch reduzieren sich die Übertemperaturen stark gegenüber den Varianten mit natürlicher Lüftung. Zusätzlich wird untersucht, wie weit die Vorlauftemperatur bei dem „Ecophit“-System angehoben werden kann, um einen thermischen Komfort zu erzielen, der dem des Referenzsystems entspricht. Hierbei wird iterativ vorgegangen: die Vorlauftemperatur wird bei den Varianten mit dem „Ecophit“-System erhöht, bis die Übertemperaturstunden annähernd identisch mit den jeweiligen Varianten des Referenzsystems mit einer Vorlauftemperatur von 16 °C sind. Das Ergebnis ist eine Vorlauftemperatur des „Ecophit“-Systems von 18,5 °C, wie es bei­spielhaft in Bild 6 deutlich wird.

Durch die höhere Vorlauftemperatur wird eine erhöhte Effizienz der Kälteerzeugung erreicht (siehe unter „Ergebnisse Energie­effizienz“). Neben den energetischen Vorteilen bedeutet eine erhöhte Vorlauftemperatur außerdem, dass der Taupunktwächter seltener benötigt wird. Der Taupunktwächter wird eingesetzt, um an der Kühldecke eine Unterschreitung der Taupunkttemperatur zu vermeiden, indem raumweise bzw. je Regelkreis über ein Mischventil die Vorlauftemperatur erhöht wird. Liegt die Auslegungstemperatur bei 16 °C muss sie häufiger angehoben werden als wenn sie bei 18,5 °C liegt. 

Die Häufigkeit der Aktivierung des Taupunktwächters hängt sehr stark von den individuellen Randbedingungen, z. B. Infiltration, Zuluftfeuchte und internen Feuchtelasten, ab. Bei den Randbedingungen, wie sie bei dieser Simulation angesetzt werden, wird bei dem „Ecophit“-System mit einer Auslegungstemperatur von 18,5 °C der Taupunktwächter bei Einsatz einer mechanischen Lüftung sehr selten aktiviert (Bild 7). Um dies auch bei dem Referenzsystem zu erreichen, müsste die Raumluftfeuchte deutlich niedriger sein. Dies wäre durch eine geringere Zuluftfeuchte erreichbar, was mit einem höheren Energiebedarf für die Entfeuchtung einherginge.

Wie Bild 8 zeigt, ist für das natürlich belüftete Gebäude der Taupunktwächter dagegen auch bei dem „Ecophit“-System erforderlich, da keine Entfeuchtung erfolgt. In dem Westbüro ist mit dem Referenzsystem zu 47 % der Zeiten mit Kühldeckenbetrieb eine Anhebung der Vorlauftemperatur erforderlich. Mit dem „Ecophit“-System dagegen ist dies nur zu 19 % der Betriebszeiten der Fall.

Weiterhin wird ebenfalls auf iterativem Weg ermittelt, dass die Belegungsdichte des „Ecophit“-Systems von 70 % auf 60 % verringert werden kann, um einen annähernd identischen thermischen Komfort zu erreichen wie das Referenzsystem (Bild 9). Die reduzierte Kühldeckenfläche kann zu einer Reduktion der Investitionskos­ten führen. Außerdem erhöht sich der Gestaltungsspielraum der Decke, da mehr Platz für die Integration von Leuchten oder anderen Einbauten bleibt.


Energieeffizienz in der Kälte­erzeugung

a) Vorgehensweise und Randbedingungen

Wie die thermischen Simulationen gezeigt haben, kann mit einer „Ecophit“-Kühldecke mit einer Vorlauftemperatur von 18,5 °C die gleiche Behaglichkeit wie bei einer Referenzkühldecke mit 16 °C erreicht werden. Durch die erhöhte Vorlauftemperatur steigert sich die Effizienz der Kälteerzeugung. Ziel ist, die daraus resultierende Stromeinsparung zu berechnen.

Voraussetzung für die Effizienzsteigerung der Kältemaschine ist, dass die Kältemaschine tatsächlich auf die Vorlauftemperatur der Kühldecke ausgelegt wird. Falls die Kältemaschine ein geringes Temperaturniveau erzeugen und die Vorlauftemperatur für die Kühldecke nur hochgemischt werden würde, wäre keine Energieeinsparung bei der Kälteerzeugung möglich. Das bedeutet auch, dass für den Fall, dass andere Verbraucher vorhanden sind, die ein niedrigeres Temperaturniveau benötigen (z. B. RLT mit Zuluftentfeuchtung), diese über eine andere Kältemaschine versorgt werden müssen.

Als Grundlage dieser Untersuchung wird eine Kompakt-Kompressionskältemaschine betrachtet, da diese ein häufig eingesetztes, kostengünstiges Standardsystem ist. Bei einer Kompressionskältemaschine durch­läuft ein Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf verschiedene Aggregatszustände: Verdichtung am Kompressor, Verflüssigung am Kondensator durch Wärmeabgabe an ein wasser-, luft- oder verdunstungsgekühltes Rückkühlsystem, Entspannung am Expansionsventil und Verdampfung an einem Wärmetauscher (Verdampfer), wodurch das Kaltwasser zur Kühlung des Gebäudes erzeugt wird.

Die Energieeffizienz lässt sich durch die bei Kompressionskältemaschinen als EER (Energy Efficiency Ratio) bezeichnete Leistungszahl beschreiben. Der EER entspricht dem Quotienten aus der Kälteleistung (Nutzen) und der elektrischen Leistungsaufnahme der Kompressionskältemaschine (Aufwand). Typische Werte für den EER im Auslegungsfall sind abhängig vom Verdichtertyp, dem Kältemittel und der Kaltwasseraustrittstemperatur, wie in DIN V 18 599-7:2011-12 [7] angegeben. Diese Werte berücksichtigen bei luftgekühlten Kältemaschinen neben Kompressor und Pumpen auch die elektrische Hilfsenergie der Ventilatoren zur Rückkühlung.

Im Jahresverlauf ändert sich die Effizienz der Kälteerzeugung abhängig von der Außentemperatur und dem Teillastfaktor. Bezogen auf das ganze Jahr spricht man vom SEER (Saisonal Energy Efficiency Ratio). Dies ist das Verhältnis aus Jahreskälteerzeugung und dem jährlichen Strombedarf für die Kälteerzeugung. Der SEER berücksichtigt sowohl das reale Verhalten der Kältemaschine unter Teillastbedingungen als auch variable Außenlufttemperaturen.

Für die Untersuchung wird davon ausgegangen, dass bei der Kälte­maschine ein Freikühlbetrieb möglich ist. Fällt die Außentem­pe­ra­tur unter die Vorlauftempe­ratur, kann hierdurch das Gebäu­de­kühlwasser direkt über die Rück­kühleinrichtung gekühlt werden. Da die Kühlung ohne Betrieb des Kompressors erfolgt, wird im Freikühlbetrieb nur Strom für Rückkühlventilatoren und Pumpen benötigt. Daher ist der Strombedarf geringer.

Die Ergebnisse der thermischen Simulationen werden auf ein fiktives Bürogebäude mit ca. 5000 m² Nutzfläche hochgerechnet. Es wird davon ausgegangen, dass sich das Bürogebäude folgendermaßen zusammensetzt: 45 % westorientierte Büros, 5 % westorientierte Besprechungsräume, 50 % ostorientierte Büros. Auf diese Weise lässt sich ein realen Verhältnissen entsprechender ausgeglichener Lastgang abbilden.

Es wird ein Berechnungstool entwickelt, mit dem die Berechnung der Effizienz der Kälteerzeugung auf Stundenbasis möglich ist. Das Tool basiert auf den Berechnungsvorschriften der DIN V 18 599-7. Für den Freikühlbetrieb werden darüber hinausgehende eigene Berechnungsalgorithmen entwickelt. Das Tool errechnet den stündlichen EER in Abhängigkeit des Betriebsmodus. Sofern ein Kältebedarf besteht, wird der Betriebs­modus in Abhängigkeit der Außentemperatur, Vorlauf- und Rücklauftemperatur festgelegt. Mögliche Betriebsmodi sind mechanische Kühlung (MC), Kühlung im Freikühlbetrieb (FC) oder Mischbetrieb (MC/FC).

Für die Untersuchung werden die technischen Daten einer luftgekühlten Kompakt-Kompressionskältemaschine mit Freikühlbetrieb und einer Nennkälteleistung von 250 kW angesetzt. Als Kompressor dient ein Scrollverdichter. Das Kältemittel ist R407C. Zwischen der außenaufgestellten Kompakt-Kompressionskältemaschine und dem Rohrleitungssystem des Gebäudes ist ein Wärmetauscher mit einer Grädigkeit von 1 K zwischengeschaltet. Das heißt, die Kältemaschine muss um 1 K niedrigere Kaltwasseraustrittstemperaturen erzeugen, als die Vorlauftemperaturen des Gebäudekühlwassers betragen.

In Tabelle 3 ist der EER für unterschiedliche Auslegungstemperaturen für die gewählte Kältemaschine aufgezeigt. Zusätzlich ist die Kaltwasservorlauftemperatur im Gebäude angegeben. In DIN V 18 599-7 sind EER-Standardwerte für 6 und 14 °C Kaltwasseraustrittstemperatur angegeben. Im Tool werden diese Werte extrapoliert. In den Bildern 10 und 11 sind die sich unter den gewählten Randbedingungen mit dem Berechnungstool ergebenden Energy Efficiency Ratio (EER) in Abhängigkeit des Teillastverhältnisses und der Außentemperatur dargestellt. Die Kaltwasseraustritts- und -eintrittsstemperaturen wurden entsprechend der Simulations­vor- bzw. -rücklauftemperaturen unter Berücksichtigung der Grädigkeit des Wärmetauschers gewählt.

Es lässt sich erkennen, dass mit steigender Außentemperatur der EER sinkt. Bei den Kurven mit 17,5 °C Kaltwasseraustrittstemperatur ergibt sich im Vergleich zu 15 °C Kaltwasseraustrittstemperatur ein leicht höherer EER bei gleichen Außentemperaturen (vgl. auch Tabelle 3 Auslegungsfall). Auch ein Freikühlbetrieb ist noch bei höheren Außentemperaturen möglich. Generell nimmt die Effizienz der Kältemaschine im Freikühlbetrieb mit fallendem Teillastverhältnis ab. Im Mischbetrieb kann die Effizienz bei geringer Teillast auch unter die Effizienz der Kältemaschine fallen. Bei mechanischer Kühlung spielt das Teillastverhältnis eine unter­geordnete Rolle. Beim Be­rech­nungstool wird davon aus­gegangen, dass die Kompakt-Kom­pressionskältemaschine nur bis zu einer minimalen Teillast von 20 % betrieben wird. Fällt die Teillast unter diesen Bereich erfolgt die Kälteversorgung über einen Pufferspeicher.

b) Ergebnisse Energieeffizienz

Mit Hilfe des entwickelten Be­rech­nungstools kann für die stun­denweisen Simulationser­geb­nisse der zugehörige Strombedarf ermittelt werden. Die Aus­wertung erfolgt jeweils für die Varianten Referenz- und „Ecophit“-System mit einer Vorlauftemperatur von 16 °C und bei dem „Ecophit“-System auch mit einer Vorlauftemperatur von 18,5 °C. Weiterhin werden die Varianten für den durchschnittlichen Sommer und extremen Sommer sowie für natürliche Lüftung bzw. mechanische Lüftung untersucht. Die Ergebnisse für den Kälte- und Strombedarf sind in den Bildern 12 und 13 bezogen auf die Gebäudenutzfläche dargestellt. Der sich aus der Simulation ergebende spezifische Jahres-Kältebedarf liegt bei der Referenz-Variante bei normalem Sommer und mit natürlicher Lüftung bei 16,70 kWh/(m² a), der Strombedarf für die Kälteerzeugung bei 3,87 kWh/(m² a). Weil die „Ecophit“-Kühldecke eine höhere Kühlleistung hat, kann diese einen höheren Kühlbedarf decken. Daher ist der Kühl- und Strombedarf der „Ecophit“-Variante mit 16,85 kWh/(m² a) Kälte- und 3,94 kWh/(m² a) Strombedarf etwas höher. Da die „Ecophit“-Variante (18,5 °C Vorlauftemperatur) so festgelegt ist, dass sie den gleichen Komfort wie die Referenz-Variante aufweist, ist auch der Kältebedarf annähernd gleich hoch. Der Kälteerzeugungsstrombedarf sinkt auf 3,67 kWh/(m² a). Somit bestätigt sich die Erwartung, dass durch die höhere Vorlauftemperatur die Effizienz der Kälteerzeugung gesteigert werden kann. Dies zeigt sich auch bei der Variante für den extremen Sommer, bei der der Kältebedarf generell höher liegt. Bei der „Ecophit“-Variante (18,5 °C Vorlauftemperatur) reduziert sich durch die Effizienzsteigerung der Kältemaschine der Strombedarf um 6 %. Bei den Varianten mit mechanischer Kühlung (Bild 13) ist zu beachten, dass der Kälte­bedarf nur die Kühlung im Raum (d.h. die Kühlung über die Kühldecke) berücksichtigt. Der Energiebedarf für die Kühlung der Zuluft in der RLT-Anlage ist nicht enthalten.

Bei der Variante mit mechanischer Lüftung und durchschnittlichem Sommer liegt der spezifische Kältebedarf und damit der Strombedarf deutlich über dem der Variante mit natürlicher Lüftung. Dies lässt sich dadurch erklären, dass die Zuluft immer mit 20 °C eingeblasen wird und dadurch das Kühlpotential der Außenluft bei der natürlichen Lüftung entfällt. Durch die Effizienzsteigerung der Kältemaschine kann beim mechanisch belüfteten Gebäude der Strombedarf um 8 % (normaler Sommer) bzw. 7 % (extremer Sommer) reduziert werden.

Die Diagramme in den Bildern 14 und 15 zeigen die Aufteilung der Kälteerzeugung auf Erzeugung im Freikühlbetrieb und Kältemaschinenbetrieb. Die Summe der beiden Säulenbestandteile entspricht jeweils dem Kältebedarf. Da bei den Varianten mit mechanischer Lüftung schon bei niedrigeren Außentemperaturen ein Kühlbedarf besteht, kann hier ein deutlich höherer Freikühlanteil erzielt werden.

Wie erwartet, kann bei den „Ecophit“-Varianten mit erhöhter Vorlauftemperatur der Freikühlanteil gesteigert werden: Im Vergleich zur Referenzvariante erhöht sich der Freikühlanteil bei natürlicher Lüftung von 12 % auf 15 % (normaler Sommer) bzw. von 8 % auf 10 % (extremer Sommer), bei mechanischer Lüftung sogar von 31 % auf 37 % (normaler Sommer) bzw. von 21 % auf 25 % (extremer Sommer). Zusätzlich zeigen die Bilder 16 und 17 die energetische Effizienz der untersuchten Varianten auf. Angegeben wird der EER unter Auslegungsbedingungen (siehe auch Tabelle 3) sowie der SEER (Jahreskälteleistungszahl), die auch die Teillastzustände und die zugehörigen Außentemperaturen berücksichtigt. Entsprechend der Strombedarfsreduzierung liegt die Effizienzsteigerung durch die erhöhte Vorlauftemperatur zwischen 6 % und 8 %.


Fazit

Die Studie zeigt, dass sich durch die erhöhte Leistung der „Ecophit“-Kühldecke folgende Vorteile ergeben:

Bei gleicher Belegung der Decke (70 %) kann mit dem „Ecophit“-System ein höherer sommerlicher Komfort als mit dem Referenzsystem erzielt werden.
Bei einem Belegungsgrad von 60 % der Decke mit „Ecophit“ kann der gleiche thermische Komfort erreicht werden wie bei der Referenzkühldecke mit 70 % Belegungsgrad.
Die Vorlauftemperatur kann bei „Ecophit“ gegenüber der Referenz bei gleicher Kühldeckengröße von 16 °C auf 18,5 °C erhöht werden, um den gleichen sommerlichen Komfort zu erreichen. Durch die höhere Vorlauftemperatur kann die Effizienz der Kältemaschine um 6 % beim natürlich belüfteten Gebäude und um 7 bis 8 % beim mechanisch belüfteten Gebäude gesteigert werden. Zudem sinkt die Häufigkeit des Einsatzes eines Taupunktwächters.


Literatur

[1] DIN EN 14 240:2004-04: Lüftung von Gebäuden – Kühldecken – Prüfung und Bewertung [2] Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung: Aktualisierte und erweitere Testreferenzjahre (TRY) von Deutschland für mittlere und extreme Witterungsverhältnisse. Zugriff 10. Juni 2011, http://www.bbsr.bund.de/cln_032/nn_117864/BBSR/DE/FP/ZB/Auftragsforschung/5EnergieKlimaBauen/2008/Testreferenzjahre/03__ergebnisse.html [3] DIN V 18 599-10:2011-12: Energetische Bewertung von Gebäuden –Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung; Teil 10: Nutzungsrandbedingungen, Klimadaten [4] DIN 4108-2:2003-07: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden; Teil 2: Mindestanforderungen an den Wärmeschutz [5] DIN 4715-1:1994-07: Raumkühlflächen; Teil 1: Leistungsmessung bei freier Strömung, Prüfregeln [6] Koschenz, M., Lehmann, B: Thermoaktive Bauteilsysteme tabs, EMPA, Dübendorf 2000 [7] DIN V 18 599-7:2011-12: Energetische Bewertung von Gebäuden –Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung; Teil 7: Endenergiebedarf von Raumlufttechnik- und Klimakältesystemen für den Nichtwohnungsbau

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