Raumklima nach VDI 3804 – Teil 1

Integrales Planen nach VDI 3804

Der Verein der Deutschen Ingenieure hat auf diese Entwicklung reagiert und die VDI-Richtlinie 3804 „Raumlufttechnik für Bürogebäude (VDI-Lüftungsregeln)“ überarbeitet. In der aktuellen Fassung werden gängige Lüftungs- und Klimakonzepte von der einfachen Fensterlüftung über klassische zentrale Systeme bis hin zur dezentralen Raumklimatisierung vergleichend betrachtet. Bei den ausgewählten sechs Beispielkonfigurationen handelt es sich um ein System mit zentraler Lüftung mit Kühlung und dezentraler Heiztechnik (A), zwei Systeme mit zentraler Lüftung und dezentraler Temperierung (B und C), ein System mit vollständig dezentraler Raumklimatisierung (D) sowie zwei Systeme mit manueller Lüftung und dezentraler Heiz- und Kühltechnik (E und F).

Die VDI 3804 erhebt dabei keineswegs den Anspruch auf Vollständigkeit. Ziel der Richtlinie ist es vielmehr, das breite Spektrum möglicher Kombinationen auf ein übersichtliches Maß zu reduzieren und Planern oder Anlagenbauern eine praktische Hilfestellung bei der Auswahl maßgeschneiderter Konzepte zu geben. Obwohl die VDI 3804 speziell für Bürogebäude entwickelt wurde, lassen sich die hier vorgestellten Systeme durchaus auch in anderen Bereichen – jedoch stets unter Beachtung etwaiger weiterer Vorschriften – einsetzen.

Systeme mit zentraler Lüftung

Die Richtlinie teilt die Hauptfunktionen eines Systems in Temperierung und maschinelle Lüftung. Dies ermöglicht eine getrennte Auslegung nach der Raumtemperatur und den Außenluftvolumenströmen sowie eine bedarfsorientierte Betriebsweise. Kern der in diesem Teil vorgestellten Beispielsysteme A bis C ist eine zentrale Lüftungsanlage, die die jeweiligen Räume und Zonen im Gebäude über ein Kanalnetz mit Primärluft versorgt und zeitgleich die belastete Raumluft abführt. Dadurch ergeben sich einerseits längere Verteilungswege, andererseits werden aufgrund der geringen Geräte- und Komponentenanzahl die Wartung und Instandsetzung der Anlage vereinfacht. Aufgrund ihrer Wärmerückgewinnungsgrade von über 80 % erzielen zentrale Lüftungsanlagen zudem besonders hohe Energieeinsparpotentiale. Zu ihren weiteren Vorteilen gehört die Einsatzmöglichkeit spezieller Filtereinheiten – beispielsweise eines Aktiv-Kohle-Filters für besondere hygienische Anforderungen – die eine dauerhaft hohe Raumluftqualität sicherstellen.

Darüber hinaus können zentrale Anlagen die Außenluft zusätzlich aufbereiten, so dass diese bereits erwärmt oder gekühlt sowie be- oder entfeuchtet in die Räume geleitet wird. Allerdings sind hier eine individuelle Raumtemperaturanpassung sowie eine raumweise Abschaltung – beispielsweise bei Nichtnutzung – in bestimmten Zeiträumen nur eingeschränkt bzw. mit hohem Aufwand möglich. Auch der benötigte Flächenbedarf für die Luftverteilung gehört zu den Nachteilen zentraler Anlagen. Fachleute schätzen, dass hierfür eine Nutzfläche benötigt wird, die etwa jedem siebten Geschoss in einem Neubau entspricht. Bei Modernisierungen ist zudem eine nachträgliche Installation einer zentralen Anlage sowie des notwendigen Kanalsystems aufgrund baulicher Gegebenheiten – wie beispielsweise geringer Raumhöhen und fehlenden Platzangebotes – oft gar nicht möglich.

Beispielsystem A – zentrale maschinelle Lüftung mit Kühlung, statische Heizung

Bei diesem traditionellen System erfolgt sowohl die Primärluftversorgung als auch die Kühlung zentral über die Steuerung des Luftvolumenstroms. Die notwendige, in erster Linie aus dem sich ändernden Kühlbedarf resultierende Luftmenge wird dabei über elektronische Volumenstromregler variabel an den jeweiligen Bedarf angepasst und dem Raum über Luftdurchlässe zugeführt. Bei der Entscheidung für dieses System ist zu berücksichtigen, dass der Einsatz von Luft zur Kühlung vergleichsweise große Volumenströme benötigt, die auch mit einem höheren Energieaufwand und entsprechenden Betriebskosten verbunden sind.

Aufgrund der größeren Volumenströme und der abzuführenden Kühllasten von bis zu 100 W/m² wird für dieses System die turbulente Mischlüftung empfohlen. Hier tritt die Zuluft mit hohem Impuls vorzugsweise über Deckenluftdurchlässe ein und vermischt sich mit der Raumluft. Die Austrittgeschwindigkeit liegt in etwa zwischen 2 und 5 m/s. Die Folgen einer derartigen Strömungsart sind eine relativ konstante Temperatur sowie gleichmäßige Verdünnung der Schadstoffkonzentration auch in größeren Räumen. Um ein zu schnelles Sinken der kalten Luft und die damit verbundenen Zugerscheinungen zu vermeiden, sollte die Temperaturdifferenz zwischen Zu- und Raumluft (ΔT) 8 K nicht überschreiten. Daher wirken sich größere Änderungen des Kühlbedarfs bei diesem System stets auf die Luftmenge aus. Der Kühlbedarf bildet dabei die obere, die Sicherstellung der Luftqualität die untere Volumenstromgrenze.

Für das Einbringen der gekühlten Zuluft bietet der Markt eine breite Auswahl an Drall-, Schlitz-, Rundrohr- oder hochinduktiven Deckenluftdurchlässen, die hinsichtlich ihres Designs und der Abmessun­gen sowohl in Standardausführungen als auch nach individuellen Vorgaben gefertigt erhältlich sind. Damit lassen sich die Produkte je nach Wunsch entweder dezent oder als sichtbares Gestaltungselement in das bauliche Umfeld integrieren. Die Abluftabfuhr erfolgt in der Regel ebenfalls über Deckenluftdurchlässe, die Raum- und die Ablufttemperatur sind aufgrund der Mischlüftung nahezu identisch.

Für die Erwärmung der Raum­luft sieht das System A ei­ne statische, vorzugsweise was­ser­geführte Heizung vor. Hier­bei kann es sich um den klas­si­schen Radiator oder auch einen Konvektor handeln, bei dem die Luftumwälzung nach dem Prinzip der freien Konvektion durch vorhandene Thermik erfolgt. Die Luftbewegung findet dabei in einem nicht spürbaren Geschwindigkeitsbereich statt und unterstützt eine gute Raumluftdurchmischung. Insbesondere Bodenkonvektoren stellen in modernen Gebäuden, die durch raumhohe Fensterflächen, Glasfassaden und transparente Trennwände gekennzeichnet sind, häufig die einzige Systemalternative für die Vollraumheizung dar. Ihr bodenebener Einbau gewährleistet eine freie Sicht auf und durch die Glaselemente sowie eine uneingeschränkte Nutzung der Nettoraumfläche. Dank des inzwischen sehr breiten Leistungsspektrums und der flexiblen Bauweise gibt es hier für nahezu jedes Gebäudekonzept eine passende Konvektoralternative.

Beispielsystem B – zentrale maschinelle Lüftung, Kühl­decke, statische Heizung

Im Unterschied zu System A wird hier der Luftvolumenstrom ledig­lich aufgrund der hygienisch erforderlichen Außenluftmenge bemessen und bleibt daher konstant. Die Temperierung der Raumluft erfolgt hingegen über wasserführende Komponenten. Eine derartige Aufgabenteilung hat wesentlich geringere Be­triebs­kosten zur Folge, da hier einerseits die Luftvolumenströme kleiner ausfallen und andererseits für die Temperierung weniger Energie benötigt wird als bei luftgeführten Sys­temen. Gleichzeitig kann auf großvolumige Kanäle mit hohem Platzbedarf verzichtet werden. Durch die Entkoppelung der Primärluftzufuhr und der Kühlfunktion entfällt des Weiteren die für einige Lüftungssysteme schwierige Aufgabe der zugfreien Kühlung bei hohen Raumlasten.

Die Abfuhr der Kühllasten übernimmt in dieser Konfigu­ra­tion eine Kühldecke. Aktive, wasserdurchflossene Kühldeckensysteme erfüllen hohe Be­haglichkeitskriterien und zeichnen sich neben dem gerin­gen Transportenergiebedarf durch energetisch günstige Vorlauftemperaturen aus. Sie ermöglichen vollkommene Gestaltungsfreiheit, indem sie einerseits als Putz-, Gipskarton- oder Metalldecke unauffällig in den Raum integriert oder andererseits beispielsweise als Kühlsegel mit gewellter Form oder farblicher Akzentuierung gezielt zum architektonischen Gestaltungselement werden.

Kühldecken lassen sich prinzipiell mit allen vorhandenen Lüf­tungssystemen kombinieren. Aufgrund des Bedarfs an kleineren Luftmengen und der durch das Kühldeckensystem bedingten geringeren Untertemperaturen ist bei diesem System eine Quelllüftung möglich. Dabei wird die Zuluft vorzugsweise in Bodennähe über entsprechende Quellluftdurchlässe eingeführt, wo sie sich großflächig verteilt. Anschließend strömt sie Richtung Decke und verdrängt so die warme und schadstoffbelastete Raumluft. Im Resultat ist die Luftqualität im Aufenthaltsbereich (ca. 1,1 m Höhe) besser als bei der im System A eingesetzten Mischlüftung. Das langsame, zugluftfreie Ausblasen der Zuluft mit einer Geschwindigkeit von weniger als 0,2 m/s gewährleistet zudem ein hohes Behaglichkeitsempfinden.

Die Abluftabsaugung erfolgt wie im System A ebenfalls im Deckenbereich. Wird mit der Zuluft auch die Heizfunktion unterstützt, ist der Einsatz einer Quelllüftung in Bodennähe im Hinblick auf eine optimale Lüftungseffektivität zu überprüfen. Eine Alternative, die sich auf dem Markt auch aus wirtschaftlichen Gründen immer mehr durchsetzt, bieten kombinierte Zu- und Abluftdurchlässe (Kombidurchlässe). Sie sind häufig lediglich zuluftseitig an ein Kanalsystem angeschlossen, während die Abluft über Verdrängungsströmung in Sekundärbereiche abgeführt und von dort aus zentral aus dem Gebäude abgesaugt wird. Bei der Wahl eines Kombidurchlasses ist darauf zu achten, dass dieser eventuelle Schallübertragung von Raum zu Raum unterbindet. Des Weiteren sollten die Kombidurchlässe so positioniert werden, dass bei der Einbringung gekühlter Zuluft und gleichzeitigem Einsatz der Kühldecke keine gegenläufigen Effekte entstehen.

Auch bei dieser Beispielkonfiguration wird in der VDI 3804 die statische Heizung empfohlen. Da moderne Gebäude in der Regel nur noch einen relativ geringen Wärmebedarf benötigen, bietet es sich hier an, die bereits aktivierte Deckenfläche ebenfalls zum Heizen zu nutzen. Hierbei sollte allerdings unbedingt auf die vertikale Temperaturschichtung im Raum, auf die Strahlungstemperatur-Asymmetrie durch die warme Decke und eine kalte Fassade sowie auf den Kaltluftabfall an der Fassa­de mit den daraus resultierenden Zugerscheinungen geachtet werden. Der Einsatz einer Klimadecke zum Heizen ist auch bei einer Systemtemperatur von 30 °C (Mittelwert Vorlauf/Rücklauf Wasser) kritisch zu prüfen.

Hier empfiehlt sich beispielsweise eine Kombination mit Konvektoren, die die Restwärmeabdeckung übernehmen und gleichzeitig dem Kaltluftstrom an der Fassade bzw. der Fensterfläche entgegenwirken.

Beispielsystem C – zentrale maschinelle Lüftung, Induktionsgeräte

Auch bei diesem System werden die Luftmengen lediglich entsprechend des Lüftungsbedarfes bemessen, so dass der Volumenstrom konstant bleibt. Die Temperierung der Raumluft erfolgt über das Induktionsgerät. Bei Induktionsgeräten handelt es sich um eine Kombination aus Luftdurchlass und wassergeführtem Heiz- bzw. Kühlsystem. Die Primärluft wird mit hoher Geschwindigkeit durch Düsen ausgeblasen und dadurch die Sekundärluft aus dem Raum angesaugt und anschließend erwärmt oder gekühlt. Das Induktionsverhältnis zwischen Sekundärluft und Primärluft kann in einem Bereich zwischen 1 und 8 liegen, so dass trotz relativ geringer Primärluftmengen vergleichsweise hohe Leistungen erreicht werden.

Daher eignen sich Induktionsgeräte insbesondere für Räume mit hohen Kühllasten und geringen bis mittleren Luftwechselraten. Zu ihren Nachteilen zählen jedoch relativ hohe Schallleistungspegel. Mit Blick auf die Einhaltung akustischer Komfortkriterien empfiehlt sich der Einsatz ventilatorgestützter Sekundärluftgeräte mit integriertem Primärluftanschluss. Bei der Wahl sollte darauf geachtet werden, dass das Gerät mit EC-Gebläsetechnologie ausgestattet ist. Diese zeichnet sich nicht nur durch eine geringe Geräuschentwicklung, sondern verglichen mit den Induktionsgeräten ebenfalls durch einen bis zu einem Drittel geringeren Energieverbrauch aus.

Damit trotz erheblicher Leistungen ein hoher Klimakomfort erzielt wird, sollten Geräte in Unterflurbauweise nach dem Misch-Quellluft-Prinzip arbeiten. Hier steigt die Zuluft mit einer Austrittgeschwindigkeit zwischen 1 und 1,5 m/s fassadenseitig senkrecht nach oben, vermischt sich mit der Raumluft und geht anschließend nach Abbau des Strahlimpulses in eine Quelllüftung über. Die Zulufteinbringung sollte mit einem Mindestabstand von 1 m vom Aufenthaltsbereich der Nutzer erfolgen. Bei einem Deckeneinbau ist hingegen die Mischlüftung zu bevorzugen.

Die Wahl der Abluftführung spielt in diesem System eine eher untergeordnete Rolle. In den meisten Fällen reicht der Einsatz einfacher Überströmelemente, durch die die Abluft über Verdrängungsströmung in Sekundärbereiche abgeführt und von dort aus zentral aus dem Gebäude abgesaugt wird.

Fazit und Ausblick

Um die in diesem Teil vorgestellten Systeme insbesondere im Hinblick auf Energieeffizienz und Nutzerkomfort optimal umsetzen zu können, bedarf es neben guten Einzelkomponenten auch einer definierten Abstimmung zu einem ganzheitlichen Konzept. Fachplaner müssen hierfür die Funktionsweise, die Leistungen und die Einbau-Randbedingungen von Produkten unterschiedlicher Hersteller kennen und verschiedene Beurteilungsmaßstäbe und Kriterien berücksichtigen. Von Vorteil ist, wenn schon auf der Herstellerseite die zentrale Lüftungstechnik und die einzelnen Komponenten im Raum detailliert aufeinander abgestimmt werden. So unterstützen etwa die Unternehmen AL-KO und Emco Klima die Fachingenieure im Rahmen einer Kooperation, indem sie gemeinsam bereits in der Planungsphase das Klimatisierungskonzept ganzheitlich betrachten und daraus eine auf das Gebäude zugeschnittene, herstellerübergreifende Systemlösung ableiten.

Die Entscheidung für oder gegen ein auf zentraler Lüftung ba­sierendes System sollte dabei stets unter Berücksichtigung objekt­bezogener Rahmenbedingungen getroffen werden. Die Systeme A bis C stellen etwa insbesondere für die Gebäude eine geeignete Alternative dar, in denen keine flexible Raumnutzung vorgesehen ist, besondere Vorgaben hinsichtlich Luftfeuchte- und -reinheit bestehen, sich ein Luftansaug- bzw. -ausblaspunkt thermisch und wetterbedingt unkritisch lediglich an einer zentralen Stelle platzieren lässt oder aus Gründen des Denkmalschutzes eine dezentrale Fassadenlüftung nicht möglich ist.

Welche Vorteile die in der VDI-Richtlinie 3804 beschriebenen dezentralen Lüftungs- und Klimatisierungssysteme D bis F bieten, mit welchen Komponenten sie sich umsetzen lassen und für welche Einsatzbereiche sie besonders geeignet sind, erläutert der zweite Teil des Beitrags in der nächsten tab-Ausgabe.