Raumklima nach VDI 3804 – Teil 2

So ist zum Beispiel bei der Modernisierung von Ge­bäu­den häufig von Beginn an die nachträgliche Installation einer zentralen Anlage sowie des notwendigen Kanalsystems aufgrund baulicher Gegebenheiten – wie etwa geringer Raumhöhen und fehlenden Platzangebotes – oft gar nicht möglich.

In diesen Fällen bieten sich Lösungen mit dezentralen Geräten an. Die VDI 3804 stellt in diesem Bereich ein System mit vollständiger dezentraler Raumklimatisierung (D) sowie zwei Systeme mit natürlicher Lüftung und dezentraler Heiz- und Kühltechnik (E und F) vor.

Systeme mit dezentraler Lüftung

Bei dezentralen Lüftungssystemen wird die Außenluft im Gegensatz zu den bereits im ersten Teil des Berichtes beschriebenen Beispielkonfigurationen A bis C nicht zentral angesaugt und aufbereitet sowie über ein weit­ver­zweigtes Kanalnetz in die jeweiligen Räume eingebracht, sondern direkt vor Ort über entsprechende Fassadenöffnungen zugeführt. Dezentrale Lösungen können problemlos den Lüftungs­bedarf von 30 bis 60 m³/h pro Person abdecken. Geräte in Brüs­tungs- und Unterflurbauweise verfügen neben der Funktion der Frisch­luftversorgung durch die Fassade auch über Heiz- bzw. Kühl­funktionen mit Hilfe von Wärmeübertragern in 2-Leiter- oder 4-Leiter-Schaltungen. Ein dezentrales Gerät – üblicherweise ein Gerät pro Raumachsmaß – wird jedoch in der Regel nicht den kompletten Kühlbedarf decken können. In einem nach Süden ausgerichteten, durchschnittlichen Büroraum summieren sich die Kühllasten im Sommer ohne außen liegenden Sonnenschutz schnell auf 80 bis 100 W/m². Mit dezentralen Lüftungsgeräten können gemäß VDI-Richtlinie 6035 Kühlleistungen von maximal 50 W/m² erzielt werden. Aus diesem Grund ist ein zusätzliches Kühlsystem für das Erreichen einer thermischen Behaglichkeit in den Räumen erforderlich.

Erschwerend kommt hinzu, dass die angegebenen Leistungsdaten bei dezentralen Lüftungsgeräten häufig nicht der Nutzleistung entsprechen. So würde ein Gerät, das laut Herstellerangaben über eine Leistung von 800 W verfügt und einen Bedarf von 50 W/m² abdecken soll, rechnerisch für 16 m²  reichen. In der Praxis erzielt ein solches Gerät jedoch oft nur die Hälfte dieser Kühlleistung, da ein Großteil davon bereits alleine für die Abkühlung der heißen Außenluft auf Raumtemperaturniveau benötigt wird. Daher ist es empfehlenswert, bereits in der Planungsphase darauf zu achten, dass die Ansaugöffnungen insbesondere an den sonnenzugewandten Gebäudeseiten einige Zentimeter herausragen. Auf diese Weise wird ein Ansaugen aus der im Sommer wärmeren Fassadengrenzschicht – in der Temperaturen von bis zu 40 °C vorherrschen können – und damit eine deutliche Erhöhung der abzuführenden Kühllast vermieden.

Die Bemessung des Luftvolumenstroms sollte aus energetischen Gründen stets lediglich entsprechend des notwendigen Außenluftbedarfs erfolgen. Aufgrund der kompakten Bauweise der Geräte sowie der nach der VDI-Richtlinie 6022 vorgeschriebenen Filterklasse F7 werden bei höheren Luftvolumenströmen außerdem rasch akustisch unangenehme Lautstärkepegel erreicht. In der Regel sollte der Schalldruckpegel im Raum zur Einhaltung der Behaglichkeitskriterien 33 dB(A) nicht überschreiten. Moderne Geräte sind so konzipiert, dass sie diesen Wert insbesondere im unteren Drehzahlbereich, der üblicherweise zur Deckung des Mindestluftwechsels ausreicht, einhalten. In diesem Zusammenhang sollte zudem berücksichtigt werden, dass bereits eine Erhöhung des Volumenstroms von 60 auf 90 m³/h eine Anhebung des Schallleistungspegels um 4 bis 5 dB(A) zur Folge haben kann. Um Geräusche von außen wirksam abschirmen zu können, sollte bei der Auswahl der Komponenten des Weiteren auf eine gute Durchgangsdämpfung und ein ausreichendes Schalldämmmaß in Verbindung mit niedrigen Schallleistungspegeln geachtet werden.

Auf eine kontrollierte Be- und Entfeuchtung der Außenluft sollte, wie in der VDI-Richtlinie 6035 empfohlen, beim Einsatz dezentraler Lüftungsgeräte aufgrund des hohen Aufwandes verzichtet werden. Darüber hinaus ist es sinnvoll, wenn die Förderung der Volumenströme über EC-Ventilatoren erfolgt. Diese Motorentechnologie verfügt über eine stufenlose Drehzahlanpassung zum selbsttätigen Druckausgleich sowie hohe Wirkungsgrade sowohl im Volllast- als auch im Teillastbetrieb und ist damit besonders energieeffizient. Ein weiterer Vorteil liegt in der äußerst geringen Geräuschentwicklung.

Beispielsystem D – dezentrale maschinelle Lüftung, Bauteilaktivierung

Dezentrale Lüftungstechnik im Beispielsystem D sorgt für einen kontrollierten, schallgedämmten und gefilterten Luftwechsel direkt über die Fassade und bietet für moderne Gebäude ein breites Einsatzspektrum. Als mögliche Varianten kommen die Integration in die Fassade, die Montage im Doppelboden oder die Aufstellung als Brüstungsgerät in Betracht. Die Geräte sind dabei für Luftvolumenströme von bis zu 180 m³/h ausgelegt. Insbesondere Brüstungs- und Unterflurlösungen können die Außenluft zudem bereits vortemperiert dem Raum zuführen. Dezentrale Geräte in Unterflurbauweise sollten dabei nach dem Misch-Quellluft-Prinzip arbeiten. Die Zuluft steigt hier fassadenseitig mit einer Austrittsgeschwindigkeit zwischen 1 und 1,5 m/s senkrecht nach oben, vermischt sich mit der Raum­luft und geht nach Abbau des Strahlungsimpulses in eine Quell­lüftung über.

Aufgrund der begrenzten Kühl­leistungen der dezentralen Lüf­tungsgeräte wird für die Bei­spiel­konfiguration D eine Kom­bination mit weiteren was­ser­geführten Komponenten – insbesondere ei­ner Bauteilakti­vie­rung bzw. einer Kühldecke – empfohlen. Lüf­tungsgeräte in Unterflurbauweise eignen sich aufgrund ihrer Einbauart, ihrer Abmessungen und hinsichtlich der Funktiona­li­tät auch sehr gut für einen ge­mein­samen Sys­tembetrieb mit Se­kundärluft­einheiten zum Heizen bzw. Kühlen. Bei einigen Lüftungsge­räte­varianten ist bereits eine inte­grierte Kombination mit einer Sekundärluftfunktion verfügbar. Aufgrund der internen Wärmequellen sowie der dichten Bauweise sollte zudem mitberücksichtigt werden, dass dezentrale Lüftungsgeräte insbesondere in den sich durch geringe Temperaturunterschiede zwischen der Raum- und der Außen­luft kennzeichnenden Übergangszeiten den Heizungsbedarf unter Umständen vollständig decken können.

Die Abluft wird beim System D ebenfalls über das dezentrale Lüftungsgerät abgeführt. Ein inte­grierter Wärmerückgewinner verringert dabei deutlich den für die Raumtemperierung notwendigen Energieeinsatz. Dies geschieht, indem die in der Abluft enthaltene Wärme (Winterbetrieb) über einen Wärme­tauscher der Raumluft wieder zugeführt wird. Zusätzlich ist bei extremen Außentemperaturen oder zur Vorkühlung des Raumes bei Nacht eine Umgehung des Wärmerückgewinners mit Hilfe eines integrierten Bypasssystems möglich. Dezentrale Lüftungs­geräte können heutzutage Wär­me­rückgewinnungsgrade von bis zu 60 %erreichen.

Beispielsystem E – Fensterlüftung, Ventilatorkonvektor

Bei diesem System wird der notwendige Luftwechsel über eine natürliche Fensterlüftung durch­geführt. Der Nachteil hierbei besteht darin, dass die Außenluft gänzlich ungeregelt und ohne jegliche Filterfunktion in den Raum gelangt. Eine ausreichende Belüftung ist demzufolge stark vom jeweiligen Nutzerempfinden und -verhalten abhängig.

Die Außenluftströme können dabei so gut wie gar nicht beeinflusst werden, so dass es schnell zu Zugerscheinungen oder auch einer unzureichenden Luftzufuhr kommen kann. Liegt das Gebäude an einem stark frequentierten Standort oder einer viel befahrenen Straße, so findet zudem eine ungefilterte Übertragung der daraus resultierenden Geräusche statt. Daher ist eine natürliche Fensterlüftung angesichts der Schadstoffbelastungen in der Außenluft, der hohen Lärm­belästigung oder auch des Ein­bruchschutzes häufig nicht empfehlenswert. Eine vorteilhafte Alternative bieten dezentrale Fensterlüftungsgeräte, die in die Fassade integriert werden. Die Basisvariante dieser Geräte funktioniert als rein passives Element mit manuell oder elektrisch verschließbarer Zuluftöffnung über die Druckdifferenz.

Als zusätzliche Komponenten unterstützen Filter und Ventilatoren die für ein behagliches Raumklima notwendige Außenluftzufuhr. Je nach Produkttyp und Gebläseausrüstung sind dabei Luftvolumenströme deutlich über 120 m³/h möglich. Selbsttätige und über Federrücklauf schließende Verschlussklappen an der Gebäudeaußenseite verhindern bei Stillstand oder Stromausfall das Einströmen kalter Luft in die Fassade und verbessern die Wärmedämmeigenschaften der Geräte.

Der flexible Einbau erfolgt wahlweise unterhalb der Fenster­bank, oberhalb oder unterhalb von Fensterelementen, seit­lich zwischen Blendrahmen und Mauerwerk, waagerecht oder senkrecht in der Fensterkonstruktion sowie sichtbar oder ver­deckt. Baulänge und Bautiefe lassen sich dabei über die Min­dest­ab­messungen hinaus nahezu beliebig an die jeweilige Fens­ter- und Fassadenkonstruktion anpassen.

Die komplette Temperierung übernimmt im Beispielsystem F ein ventilatorgestützter Sekundärluftkonvektor. Je nach Einsatz­bereich stehen dem Planer hier zahlreiche Ausführungen, Leistungsgrößen und Funktionsvarianten zur Verfügung. Zum Angebotsspektrum gehören Brüstungs- oder Bodenkonvektoren, die üblicherweise an den Raumaußenwänden und unter den Fenstern angeordnet werden. Grundsätzlich ist jeder Konvektortyp für eine Vollraumheizung geeignet. Die Entwicklung in den letzten Jahren hat insbesondere bei den Kühlkonvektoren erhebliche Fortschritte verzeichnen können. Vor allem im Büro- und Verwaltungsbereich gilt es, immer höhere Kühllasten abzuführen, was ein entsprechendes Leistungsspektrum von den Geräten fordert. Hierfür wurden spezielle Hochleistungskonvektoren entwickelt, die auch in solchen Räumen ganzjährig angenehme Temperaturen sicherstellen. Die Kühlleistung der Geräte beginnt bei 200 W/m und reicht bis rund 1000 W/m bei einer mittleren Untertemperatur von 10 K. Die Heizleistung erstreckt sich von 900 bis 4500 W/m bei 50 K mittlerer Übertemperatur.

Beispielsystem F – Fensterlüftung, DX-Anlage

Direktverdampfer-Anlagen oder kurz DX-Anlagen nutzen als Energie­trägermedium ein Kältemittel. Sie bestehen aus einer Innen­einheit (Verdampfer) und einer Außeneinheit (Kondensator). Der Einsatz drehzahlgeregelter Verdichter (Inverter) sowie elek­tronischer Einspritzventile (EEV) ermöglicht auch im Teil­last­betrieb hohe Leistungen. Es wird zwischen Monosplit- und Multi­split- sowie VRF-Systemen (Variable Refrigerant Flow) unterschieden. Bei Monosplitanlagen wird jeweils nur ein Raum temperiert, während mit Multisplitanlagen die Versorgung von mehreren Räumen möglich ist. Jedes Innengerät ist einzeln mit der Außeneinheit, in der die Einspritzung stattfindet, verbunden. Im Falle der VRF-Systeme werden hingegen die Innengeräte, die mit eigenen elektronischen Einspritzventilen ausgestattet sind, über Abzweige von einer zentralen Kältemittelleitung versorgt. Die Lüftung erfolgt in der Beispielkonfiguration F analog zum System E.

Übergeordnetes Regelungskonzept

Den wichtigsten Baustein und damit die Basis bei der Zusammen­führung von Einzelkomponenten zu einem energieeffizienten System bildet ein übergeordnetes Regelungskonzept. Dieses sorgt dafür, dass das Gesamtsystem energetisch sinnvoll arbeitet und sämtliche Überwachungsfunktionen exakt auf die Komponenten­anforderungen abgestimmt sind.

Als Beispiel kann hier das gemeinsame Regelungskonzept für den im System D beschriebenen kombinierten Betrieb eines dezentralen Lüftungsgerätes mit einem Sekundärluftkonvektor genannt werden. Ziel dabei ist die Deckung des Außenluftbedarfes und der Grundheiz- bzw. -kühllast durch das dezentrale Lüftungsgerät mit gezielter Zuschaltung der Sekundärluftkomponenten zur Deckung der Spitzenlasten. Im Fokus dieser Optimierung steht ein energiesparender Betrieb bei gleichzeitig hohem thermischen wie akustischen Komfort für den Nutzer.

Eine entsprechende komponentenübergreifende Regelung – wie sie etwa der Lüftung- und Klimatechnikspezialist Emco Klima aus Lingen entwickelt hat – erhöht zudem die Flexibilität in der Umsetzung von Sonderlösungen ohne ständige Anpassung der Hardware. Darüber hinaus lässt sie vielfache Möglichkeiten zur Schaffung von Schnittstellen zu anderen Regelsystemen – wie etwa LON, BACnet oder Ethernet – zu.

Dezentrale Komponenten als Teil eines Systems erlauben dabei nicht nur eine raumbezogene Regelbarkeit der Leistungsstufe und Betriebsdauer, sondern auch eine individuell auf jeden Raum bzw. Mieter ausgelegte Abrechnung der Energieverbrauchskosten. Dies gilt auch bei flexiblen Raumaufteilungen, wie sie insbesondere in Büro- und Verwaltungs­gebäuden bevorzugt werden. Jedes einzelne Gerät kann über die Ein­bindung in die Gebäudeleittechnik unkompliziert neuen Raumkonstellationen zugeordnet und gleichzeitig über das gemeinsame Regelungskonzept auf eine optimale Betriebsweise im System abgestimmt werden.

Fazit

Ganzheitliche Konzepte, die ein behagliches Raumklima mit hoher Energieeffizienz verbinden sollen, benötigen individuelle, aufeinander abgestimmte Systemlösungen. Die VDI-Richtlinie 3804 stellt besonders typische Beispielkonfigurationen für die Klimatisierung von Nichtwohngebäuden vor und definiert damit in diesem Anwendungsbereich erstmals den Stand der Technik.

Um ein für das jeweilige Objekt optimales System auszuwählen, müssen Fachplaner alle diese Konfigurationen und deren Zusammenspiel im Detail beherrschen und gleichzeitig auch den Überblick über aktuelle Entwicklungen haben. Angesichts der Vielzahl der auf dem Markt verfügbaren lüftungs- und klimatechnischen Komponenten kann dies zu einer komplexen Herausforderung werden.

Daher benötigen Fachplaner auch einen umfassend kompetenten Partner auf der Herstellerseite. Dieser muss nicht nur zu sämtlichen Systemkonfigurationen beraten können, sondern sollte vorzugsweise auch alle benötigten Komponenten aus einer Hand liefern und von der Planung bis in die Ausführung, Montage und Inbetriebnahme hinein fachkompetente Unterstützung leisten.

Denn auch wenn die Richtlinie Hilfestellung bei ersten planerischen Ansätzen leistet, so bleibt aufgrund des komplexen Themenfeldes der Lüftungs- und Klimatechnik nach wie vor un­bestritten, dass jedes Objekt und jeder Raum unter Berücksich­tigung und Gewichtung der wesentlichen Abwägungsfelder wie Energie, Kosten, Gebäude, Nutzung und Auslegung indivi­duell geplant und realisiert werden muss.