Klimatisierung in Veranstaltungshallen

Bei der Planung und Auslegung von Kli­matisierungssystemen in Veranstaltungshallen stehen vor allem Behaglichkeit und Raumluftqualität im Vordergrund. Generell hat sich in Deutschland als üblicher Qualitätsanspruch an das Raumklima die Kategorie II (mittlere Qualitätsstufe) durchgesetzt. Entsprechend der DIN EN 16789 (Energieeffizienz von Gebäuden) bedeutet das, dass bei angemessener Bekleidung und normaler körperlicher Aktivität die operative Raumlufttemperatur im Winter zwischen 20 und 24 °C sowie im Sommer zwischen 23 und 26 °C liegen sollte. Dabei gilt es, zu hohe Strahlungsasymmetrien zu vermeiden. „Gerade im Winter kommt es vor allem in großen Veranstaltungshallen häufig zu einer energetisch ungünstigen Temperaturschichtung“, erläutert Dr.-Ing. Bernd Boiting, Professor am Fachbereich Energie – Gebäude – Umwelt an der Fachhochschule Münster. „Die erwärmte Luft steigt nach oben unter das Hallendach, wodurch im Aufenthaltsbereich das Temperaturniveau deutlich sinkt. Die Folge sind hohe Transmissionswärmeverluste und thermische Unbehaglichkeit.“

Darüber hinaus wird die Qualität des Raumklimas durch eine ausreichende Belüftung bestimmt. Die einzubringende Außenluftrate richtet sich laut DIN EN 16798 unter anderem nach der Anzahl der Personen in der Halle, der Raumfläche und den Schad­stoff­emis­sio­nen des Gebäudes. Zur Erreichung einer CO₂-Konzentration unter 1.000 ppm in der Aufenthaltszone hat sich ein Wert von etwa 40 m³/h Außenluft pro Person bewährt. Demzufolge sind insbesondere bei hohem Publikumsaufkommen – etwa in Messehallen oder Konzertsälen – entsprechend große Volumenströme erforderlich. Aus wirtschaftlichen Gründen empfiehlt sich hier, die dafür notwendige Lüftungstechnik und Kanalführung gleichzeitig auch zur Abfuhr der thermischen Lasten zu nutzen.

Homogene Raumluftkonditionen durch Mischlüftung

Als am besten untersucht und am weitesten verbreitet gelten Lüftungskonzepte mit Mischströmung. Die Zuluft tritt bei diesem Konzept im Deckenbereich mit hohem Impuls ein und reißt über die gesamte Eindringtiefe das bis zu Zehnfache an belasteter Raumluft mit. Die Folge ist eine rasche Durchmischung, die in der gesamten Halle ein weitgehend homogenes Temperaturfeld und eine gleichmäßige Verdünnung der CO₂-Konzentration erzeugt. Aufgrund der hohen Induktionswirkung nimmt die anfängliche Strömungsgeschwindigkeit der Zuluft so weit ab, dass sie im Aufenthaltsbereich zugfrei zugeführt werden kann.

In großen Hallen müssen allerdings ausreichend hohe Impulse und Volumenströme sichergestellt sein, um eine komplette Raumdurchmischung zu erreichen. So verfügt etwa der für Volumenströme von bis zu 6.000 m³/h konzipierte Wirbelkammer-Drallluftdurchlass „emcoair WKD“ von emco Klima über eine zusätzlich integrierte Weitwurfdüse, die auch bei Hallenhöhen von 20 m eine Warmlufteinbringung bis in den Bodenbereich gewährleistet. Die Strahlrichtung und Eindringtiefe lassen sich zudem stufenlos an die jeweiligen thermischen Raumlasten anpassen.

Bedarfsorientierte Betriebsweise

Eine stufenlose Verstellbarkeit der Luftdurchlässe ist dabei sowohl für die Behaglichkeit als auch für die Energieeffizienz von Bedeutung. „Große Eindringtiefen werden vor allem dann benötigt, wenn eine Halle vor einer Veranstaltung schnell und effektiv aufgeheizt werden muss“, erklärt Dr. Daniel Bruns, Leiter Produktmanagement bei emco Klima. „Doch mit steigender Raumlufttemperatur erhöht sich auch die Strömungsgeschwindigkeit der warmen Zuluft, wodurch eine Einbringung mit unverändert hohem Impuls im Aufenthaltsbereich Zugerscheinungen verursachen kann. Ist die Halle dann voll besetzt, erhöhen sich die Wärmelasten durch das Personenaufkommen zusätzlich, so dass im Laufe der Veranstaltung sogar vom Heiz- in den Kühlbetrieb gewechselt werden muss. Daher ist es unerlässlich, Strahlrichtung und Eindringtiefe der Zuluft an die jeweiligen Rahmenbedingungen variabel anpassen zu können.“

Umsetzen lässt sich das am besten durch die Integration einer „intelligenten“ MSR-Technik. Hier werden veränderte Rahmenbedingungen automatisch erkannt und die Lenkkomponenten der Luftdurchlässe nachfolgend entsprechend ausgerichtet, was ebenfalls deutlich zur Senkung des Primärenergieverbrauchs beiträgt. Von Vorteil ist, wenn Lüftungs- und Regelungstechnik aus einer Hand angeboten werden. Hinter der zum Beispiel vom Spezialisten aus Lingen entwickelten „emcoMFR“ stehen langjährige Branchenerfahrung sowie detaillierte Produktkenntnisse, die dafür sorgen, dass die Lüftungstechnik unter Beachtung situationsspezifischer Parameter energetisch sinnvoll arbeitet. Die Wirbelkammer-Drallluftdurchlässe etwa sind mit einer Temperaturdifferenzregelung koppelbar, die eine vollautomatische Steuerung von mehreren Komponenten im Parallelbetrieb ermöglicht. Ein weiterer Vorteil herstellereigener Regelungstechnik liegt darin, dass die Unternehmen damit für die eigenen Produkte die Einhaltung der ausgewiesenen Leistungsdaten und Schallemissionswerte garantieren können. Unvorhergesehene akustische Beeinträchtigungen während einer Veranstaltung sind dadurch beispielsweise ausgeschlossen.

„Eine besonders energiesparende wie leise Möglichkeit zur Steuerung von Luftdurchlässen bieten sogenannte Thermoverstelleinheiten“, ergänzt Prof. Bernd Boiting. „Sie ermöglichen die stufenlose Verstellung der Lenkkomponenten mithilfe rein thermisch erzeugter Kräfte und gänzlich ohne Einsatz elektrischer Antriebsenergie. Wesentlicher Bestandteil ist ein direkt im Zuluftstrom platzierter und mit einem thermostatisch wirkenden Dehnstoffelement ausgestatteter Stellzylinder. Das Volumen des Dehnstoffelements verändert sich in Abhängigkeit von der Zulufttemperatur und bewegt daraufhin einen Kolben, der wiederum die dem Heiz- oder Kühlfall entsprechende Einstellung der Lenkkomponenten einleitet.“ Thermoverstelleinheiten werden üblicherweise in konstruktiv einfacheren Luftdurchlässen, wie etwa dem „emcoair LDI“, eingesetzt. Der speziell für die anspruchsvolle Klimatisierung hoher Räume entwickelte und in Form eines düsenförmigen Rohrkörpers mit radial breit auslaufendem Rand ausgeführte Drallluftdurchlass eignet sich für Volumenströme von bis zu 8.500 m³/h und Eindringtiefen von bis zu 12 m.

Architektonisch ansprechend im Sichtbereich

Luftdurchlässe sind dabei nicht nur in unterschiedlichen Grunddesigns und Nenngrößen erhältlich, sondern ebenfalls in der Farbgebung, ihren Abmessungen sowie den Anschlussmöglichkeiten an die jeweiligen architektonischen Vorgaben anpassbar. Meistens eignen sie sich sowohl für geschlossene Deckensysteme als auch für offene Installationen. Häufig wird die Lüftungstechnik auch ganz bewusst im Sichtbereich belassen, um sie gleichzeitig als gestalterisches Industriedesignelement zu nutzen. „Eine ausgesprochen attraktive Alternative bieten hierfür Rundrohrsysteme“, fügt Dr. Daniel Bruns hinzu. „Bevorzugt kommt diese Lösung beispielsweise in Schulaulas, Mehrzweckhallen oder auch Einkaufszentren zum Einsatz. Das Rundrohrsystem verläuft in der Regel in einer Höhe von etwa 4 m entlang der Wand, eine frei hängende Montage ist jedoch ebenfalls möglich.“

Für sein System stellt der Hersteller einen elektromotorisch verstellbaren Rohrdurchlass zur Verfügung, der für einen erhöhten Heiz- und Kühlkomfort auch mit einer Temperaturdifferenzregelung erweitert werden kann. Da im Sichtbereich zur Beeinflussung der Druckverhältnisse innerhalb eines Stranges Reduzierungen oder eine variierende Schlitzanzahl in den Rohrdurchlässen aus ästhetischen Gründen nicht gewünscht sind, erfolgt dies durch Verwendung definierter Festwiderstände. Dies berechnet eine speziell entwickelte Auslegungssoftware, mit der das Unternehmen erstmals in der Branche einen detaillierten Nachweis für abgeglichene Luftvolumenströme im geplanten Rundrohrsystem als Dienstleistung anbietet.

Quelllüftung bei aufsteigender Bestuhlung

Ist der Einbau von Luftdurchlässen im Bodenbereich möglich, empfiehlt sich zur Lastabfuhr von bis zu 50 W/m² der Einsatz einer Quelllüftung. Dieses Luftführungsprinzip beeinflusst die Raumströmung durch thermischen Auftrieb, wodurch besondere energetische Vorteile entstehen. Die Zuluft wird mit einer geringen Untertemperatur von 1 bis 3 K in Bodennähe eingeführt, verteilt sich hier großflächig, strömt anschließend in Richtung Decke und verdrängt so die warme und belastete Raumluft. Der langsame, zugluftfreie Austrittimpuls mit einer Geschwindigkeit von weniger als 0,2 m/s gewährleistet dabei mit relativ geringen Luftmengen ein hohes thermisches und akustisches Behaglichkeitsempfinden. Zusätzlich trägt eine sich im Kühlfall einstellende Temperaturschichtung zur Senkung der Wärmelasten bei, die zudem in den Sommermonaten lediglich durch Nutzung der freien Kühlung abgefahren werden können. Damit ist die Quelllüftung nochmals deutlich energieeffizienter als die Mischlüftung.

„Am einfachsten lässt sich dieses Lüftungskonzept in Hallen mit aufsteigender Bestuhlung, wie sie beispielsweise bevorzugt in Theatern, Kinos sowie Hör- und Konzertsälen vorkommt, umsetzen,“ schildert Prof. Bernd Boiting. „Die jeweiligen Stufenkonstruktionen bieten in der Regel genügend Raum für Luftdurchlässe und notwendige Kanalführung. Auch in bestehenden Veranstaltungshallen, in denen im Bodenbereich bisher die Abführung der Abluft erfolgte, lässt sich ein Wechsel von der Misch- zur Quelllüftung ohne großen Aufwand realisieren.“

Das Einbringen der Zuluft in den Raum übernehmen spezielle Quellluftdurchlässe. Zu den gängigsten Einbauvarianten zählt die Integration der Luftdurchlässe in die Stufen des Bestuhlungsaufbaus. Dabei handelt es sich fast immer um projektspezifische Sonderanfertigungen, die individuell auf die jeweiligen Stufenkonstruktionen abgestimmt werden. Aus diesem Grund kommen hierfür nur Hersteller in Frage, die bei der Lösungsfindung entsprechend flexibel und kompetent auf die Gegebenheiten vor Ort reagieren können. Das Unternehmen aus Lingen etwa verfügt über langjähriges Know-how in der Klimatisierung großer Räume und Hallen, das in Kombination mit der flexiblen Fertigungstechnik auch bei schwierigen Rahmenbedingungen eine optimale Lüftungslösung ermöglicht. Mit dem Stuhlfußluftdurchlass „emcoair Inducto“ bietet der Spezialist zudem eine weitere Einbaualternative, die entweder bis zu 200 kg tragend als Standsäule der Bestuhlung oder frei unter dem Stuhl stehend eingesetzt wird.

Umfassende Planungsunterstützung

Bei der Konzeption und Umsetzung von Luftführungssystemen in Veranstaltungshallen kann es sich je nach Hallengröße, Nutzungsart und Personenaufkommen um eine äußerst komplexe Aufgabe handeln. Entsprechend spezialisierte Hersteller bieten hier umfassende Planungsunterstützung. „Für Mischlüftungskonzepte in großen Hallen haben wir in unserem Klimatechnischen Labor empirische Berechnungsgleichungen entwickelt“, betont Dr. Daniel Bruns. „Damit stellen wir sicher, dass Lüftungssysteme im Kühlfall zugfrei und im Heizfall mit ausreichendend senkrechter Eindringtiefe ausgelegt werden.“ Darüber hinaus arbeitet das Unternehmen derzeit an BIM-Datensätzen zur Integration der Lüftungstechnik in Planungssoftwares.

Das klimatechnische Labor verfügt u.a. über einen 200 m² großen und 12 m hohen Bereich, der Einbaubedingungen und Versuchsanordnungen zur Beobachtung von Strömungsverhalten im Maßstab 1 : 1 ermöglicht. Bei besonders anspruchsvollen Projekten führt der Hersteller in Kooperation mit dem Fachbereich Energie – Gebäude – Umwelt der Fachhochschule Münster zudem dreidimensionale Raumströmungssimulationen (CFD-Untersuchungen) durch, bei denen die zu erwartenden Lufttemperaturen und ‑geschwindigkeiten während einer Veranstaltung visualisiert werden. In Verbindung mit einer ebenfalls im Labor befindlichen Mechanikwerkstatt ist so auch die Entwicklung, Anfertigung und Prüfung individueller Sonderlösungen – etwa im Bereich der Quelllüftung – in enger Abstimmung mit den Fachplanern realisierbar. Auf diese Weise entsteht für jeden Anwendungsfall ein optimales Lüftungskonzept.