Wie immer, wenn wir im SBZ Monteur ein solches Thema aufgreifen, gibt es allerlei erwähnenswertes Drumherum, das man wissen und verstehen kann. Schauen Sie sich also an, welche Zusammenhänge bestehen und welche Tipps man beachten sollte.
Ganz zum Schluss sind drei Auslegungen als Ablesebeispiel zu finden. Und wie bei Tiktok und Instagram bitte ich sie, bis zu diesen Beispielen dabei zu bleiben. Nicht, weil ich Zeit schinden will, um mit Ihrer längeren Verweildauer meine Kasse zu füllen. Vielmehr sind die drei Ablesebeispiele am Ende eine gedankliche Zusammenfassung und Sie können ewig auf dieses dann vertiefte Wissen zurückgreifen.
Heizlast vs. Kühllast
Zur Ermittlung einer Heizlast schaut man sich die tiefsten äußeren Temperaturen an und setzt den Baukörper, also das Haus, in einer Heizlastberechnung dieser Temperatur aus. Je nach Dämmung verlässt die Wärme über Außenwand und Fensterflächen die auf 20 °C zu beheizenden Räume.
Die Leute in dem Haus sollen nicht am eigenen Mief ersticken, also wird noch ein ordentlicher Luftwechsel in die Betrachtungen einbezogen. Außenluft von beispielsweise −10 °C strömt daher rechnerisch ins Haus und muss ebenso auf 20 °C erwärmt werden. Das Ergebnis ist im Wesentlichen die Heizlast.
Die Kühllastberechnung ist zwar eng verwandt mit der Heizlast, lebt aber von einigen anderen Ansätzen. Im Sommer bei glühend heißen 30 °C im Schatten will man einen Wohnraum für gewöhnlich nicht auf 20 °C herunterkühlen. Das wäre nicht nur sehr teuer, sondern auch abträglich für die Gesundheit der Bewohner. Das Gefühl eines solchen Temperatursturzes kann man nachempfinden, wenn man mal in seinem Hitzewahn die Klimaanlage eines sehr leistungsstarken Autos auf niedrigste Stufe stellt. Man kriegt beim Aussteigen, also dem Wechsel von 20 °C auf 30 °C, einen Kollaps.
Folglich arbeitet man sich im Sommer von oben an eine Wunschtemperatur heran. Meist sind es 26 °C, die gewünscht werden. In Abhängigkeit von den zu kühlenden Räumen ergeben sich dann wiederum die Wärmeströmungen an den Wänden und Fenstern nach außen, wobei die Temperaturdifferenzen schon deutlich kleiner sind als in der Heizphase:
20 °C − −12 °C = 32 K im Winter
aber
30 °C − 26 °C = 4 K im Sommer
Dann kann man noch feststellen, dass die Fenster im Sommer die Strahlungswärme der Sonne ins Haus lassen und die Bude kräftig aufheizen. Das passiert im Winter zwar auch, wird aber nicht von der Heizlast abgezogen. Der Grund dafür wird klar, wenn man sich den schlimmsten Fall vorstellt.
Im Winter will ich die Bude auch nachts warm kriegen, dann wenn keine solaren Gewinne meine Heizung unterstützen.
Im Sommer will ich vielleicht in der Mittagshitze meine Räume kühlen. Dann habe ich aber auch zeitgleich erhebliche solare Wärmeeinträge ins Gebäudeinnere und einen gegensätzlich gelagerten schlimmsten Fall.
Ersticken will man im Sommer auch nicht, also folgt wieder die Vorgabe eines Luftaustausches und so entstehen letztlich Kühllasten im Sommer, die man ebenso abbauen kann wie die Heizlasten im Winter.
Bild: Uponor
– Raumlufttemperatur 25 °C,
– relative Luftfeuchtigkeit 60 %,
– Taupunkttemperatur 16,8 °C
Strategien auf dem Prüfstand
Um eine Raumerwärmung zu erzielen, könnte man einen Eisenklotz per Flamme zum Glühen bringen und auf 800 °C erwärmen und in die Wohnung schieben. Bei einer Temperaturdifferenz von 780 °C zur gewünschten Raumtemperatur (denn: 800 °C − 20 °C = 780 K) würde ein Klotz mit Kantenlänge von 10 cm sicherlich ausreichen. Aber Sie merken schon, das hat sich nicht bewährt. Stattdessen installiert man einen Heizkörper und versucht mit möglichst geringer Wassertemperatur den Raum auf Temperatur zu bringen. Bei einer mittleren Temperatur von 55 °C ist die Differenz zur Raumtemperatur dann nur noch 35 K (denn: 55 °C − 20 °C = 35 K). Dafür ist der Heizkörper dann auch entsprechend größer als der eben beschriebene Zehn-Zentimeter-Würfel. Schaut man sich diese Logik für den Kühlfall an, wird es noch spannender. Um einen Raum abzukühlen, muss ich zwingend eine Grenze einhalten. Ich darf den Taupunkt nicht unterschreiten. Denn wenn ich diesen Taupunkt unterschreiten würde, dann müsste ich zwingend das entstehende Kondensat ableiten.
Zum Taupunkt wird gleich noch etwas geschrieben.
Nehmen wir aber mal für dieses Gedankenexperiment eine tiefste Temperatur von 16 °C an, um in der Sommerzeit einen Raum zu kühlen. Dann hätte man nur noch eine Differenz zwischen Raum und Kühlfläche von 10 K (denn: 26 °C − 16 °C = 10 K). Entsprechend groß müsste also die Fläche werden, die dann diese Kühlenergie liefert.
So kommt man von dem Beispiel des glühenden Würfels zum Standardheizkörper. Danach dann zur Kühlfläche, die dann riesig groß sein muss. Nur über den gesamten Fußboden verteilt, lässt sich mit der geringen Temperaturdifferenz überhaupt noch ein Kühleffekt im Raum erzielen.
Schlaues zum Taupunkt
Bei schwüler Sommerluft, die wir ja nun mal annehmen müssen als Worst Case für die Kühlung, wäre die Luft mit erheblichen Mengen an Feuchte unterwegs. Erkennbar wird das, wenn wir uns ein Glas mit sehr kühlem Wasser auf den sommerlich gedeckten Gartentisch stellen. Es beschlägt, oder anders gesagt, die Lufttemperatur unterschreitet in der Nähe des Glases den Taupunkt. Das Wasser taut aus und perlt außen am Glas herab.
Überträgt man diese Erkenntnis auf einen Fußboden im Wohnzimmer, in den man entsprechende Kühlschlangen verlegt hat, kann die Luft ja nicht anders reagieren. Sie unterscheidet natürlich nicht zwischen Glas und Fliese und taut aus, sobald …, ja sobald der Taupunkt unterschritten wird. Die Folge wäre ein nasser Fußboden. Und nicht nur die Rutschgefahr auf einer Fliese hält uns davon ab, diesen Taupunkt bei der Flächenkühlung zu unterschreiten. Die entstehende Feuchte würde auch die Basis schaffen für Schimmel und so noch Bauwerksschäden nach sich ziehen können.
Die eiserne Regel ist also: Meide den Taupunkt wie der Teufel das Weihwasser.
Will man dem Taupunkt auf die Schliche kommen, hilft einmal der gesunde Menschenverstand, also: „Je schwüler die Luft, desto höher der Taupunkt.“ Als fast schon wissenschaftliches Hilfsmittel dient das Mollierdiagramm, auch h-x-Diagramm genannt.
Und Hersteller von Systemen zur Flächenkühlung bieten reduzierte, sehr leicht ablesbare Diagramme an, die wir als Beispiel hier oben präsentieren.
Würde man also an einem Hygrometer den angegebenen Luftzustand von 60 % Luftfeuchte ablesen, und das Thermometer würde die Temperatur von 25 °C anzeigen, so könnte man den Taupunkt bei 16,8 °C annehmen. Unterschreitung bedeutet Tauwasserbildung und in letzter Konsequenz eine feuchte Schlinderbahn im Wohnzimmer mit Schimmelbewuchs unter den Schränken.
Bild: Uponor
Goldene Regeln zur Auslegung einer Flächenkühlung
Unter anderem aufgrund der vorgenannten Bedingungen können folgende Regeln gelten:
Die etwas ausführlichen Begründungen für die Punkte 1 bis 5 sind:
1. Geringer Verlegeabstand
Je geringer der Verlegabstand der kälteübertragenden Rohre gewählt wird, desto mehr Rohroberfläche wird dem Estrich angeboten, um die Kühle an den Raum weiterzugeben. Bei einem Abstand der Kühlleitungen zueinander von satten 30 Zentimetern wird zwischen den Rohren eine höhere Temperatur herrschen, als wenn man enge 10 Zentimeter gewählt hätte. Höhere Temperaturen bedeuten aber geringere Kühlleistung.
2. Geringe Kühlkreislängen
Schickt man kühles Wasser durch ein Rohr, welches durch einen warmen Raum geführt wird, so erwärmt sich dieses Wasser. Mit zunehmender Erwärmung nimmt natürlich die Kühlleistung stetig ab. Das bedeutet, dass die ersten zehn Meter einer solchen Kühlleitung vielleicht noch 17 °C haben die nächsten zehn Meter bereits 18 °C und nach voller Durchströmung von 80 Meter Rohr kommt das Wasser mit 25 °C zurück zum Verteiler. Dabei erbringen die letzten Meter nur noch eine geringe Kühlleistung. Dagegenhalten kann man nur, wenn man das Wasser ordentlich beschleunigt durch die Rohre jagen lässt. Das kostet aber Pumpenleistung, denn wer sonst will das Wasser beschleunigen.
Die bauliche Alternative hingegen sieht so aus, dass man ganz einfach die Länge von 80 Meter eines Kreises vermeidet und daher die Erwärmung des Rohres während des Kühlens des Raumes begrenzt. Man verlegt statt einmal 80 Meter zweimal 40 Meter. Nach 40 Meter zuckelt das Wasser noch mit kühlen 23 °C durch die Leitung und versammelt sich am Verteiler. Kurze Kreise haben also einen guten Einfluss auf die Pumpenleistung bei nach wie vor hoher Kühlleistungsausbeute.
3. Große Rohrdurchmesser
Jagt man das Kühlwasser in Rohren durch den Estrich, entstehen natürlich Druckverluste. Setzt man den Massenstrom als konstant voraus, beispielsweise bei 100 Kilogramm pro Stunde (kg/h), so werden unterschiedliche Rohrdimensionen natürlich auch unterschiedlich schnell durchströmt. Für 100 kg/h stellt sich beispielsweise für ein Rohr 14 x 2 mm eine Strömungsgeschwindigkeit von 0,35 Meter pro Sekunde (m/s) ein.
Bei gleichem Volumenstrom und einem Rohr mit den Maßen 17 x 2 mm fließt es nur noch mit einer Geschwindigkeit von 0,21 m/s. Das entspricht 60 Prozent des Wertes für das kleinere Rohr. Und letztlich geht die Geschwindigkeit quadratisch in den Druckverlust ein. Der Druckverlust in großen Rohren ist also, bei angenommenem konstanten Massenstrom, erheblich geringer und daher anzustreben.
4. Leitfähiger Oberboden
Würde man einen kühlen Fußboden haben, diesen aber mit sehr guter Wärmedämmung auslegen, würde der Raum weniger Wärme nach unten abgeben. Ein dicker Teppich in unseren Behausungen sorgt seit Jahrhunderten für relativ warme Fußböden. Unsere Vorfahren nutzten das Wissen also schon gegen Fußkälte. Will ich aber unbedingt Wärme abtransportieren, also Kühlen, dreht ein Teppich seine Eigenschaft natürlich nicht um. Klar ist, dass ein dicker Hochflor-Teppich auf dem kühlen Boden die eigentliche Kühlwirkung herabsetzt. Das gilt natürlich auch für den Beheizungsfall. Dicke Teppiche verzögern den Wärmedurchgang und mindern die Nutzleistung, unabhängig ob gekühlt oder erwärmt werden soll.
5. Geringe Estrichüberdeckung
Für diese Zielvorgabe sind wegen der notwendigen Stabilität natürlich enge Grenzen gesetzt. Eine Estrichdicke von einem Zentimeter würde sehr schnell brechen. Aber klar ist, dass man eine Kühlfunktion, die durch den Estrich an den Raum transportiert wird, natürlich sehr viel schneller regulieren kann, wenn diese Estrichschicht sehr dünn ist.
Habe ich das Gewicht von zwei Tonnen Estrich abgekühlt und möchte plötzlich gegensteuern, wird es schwierig, innerhalb von drei Minuten eine Reaktion auszulösen. Sind es jedoch nur 500 Kilogramm, ergibt sich zwangsläufig eine geringere Trägheit.
Ein Vergleich aus den Zeiten der Gussheizkörper, die dann durch Kompaktheizkörper abgelöst wurden, zeigt einen ähnlichen Effekt bei den Regeleigenschaften. Habe ich einen alten 200-Kilogramm-Guss-Heizkörper erwärmt, der dann 1500 Watt liefert, so ergibt sich eine andere Trägheit beim Schließen des Thermostatventils als bei einem 15-Kilogramm-Flach-Heizkörper mit gleicher Leistung.
Bild: Uponor
Auslegung nach Diagramm
Die Auslegung einer Flächenkühlung kann per Diagramm erfolgen, wird aber meistens am Rechner erstellt. Trotzdem liefert ein Diagramm die beste und schnellste Übersicht bezüglich der Zusammenhänge. Sehen Sie sich daher diese drei Beispiele bis zum Ende an.
Fallbeispiel 1
Ausgesprochen steht da:
Du möchtest also gemäß deiner Kühllastberechnung eine Kühlleistung von qc = 26 W/m² aus dem Raum abführen. Der Raum soll auf 26 °C gekühlt werden. Dein Oberboden hat glücklicherweise einen geringen Wärmeleitwiderstand von nur 0,05 W/m²K. Und du möchtest nun wissen, mit welcher kühlen Vorlauftemperatur das machbar ist.
Dein gewünschter Verlegeabstand liegt bei 15 cm und du akzeptierst eine Spreizung von 2 K.
Ermittlung Auslegungsvorlauftemperatur ϑV, Ausl.
Vorgabe:
qC = 26 W/m²
ϑi = 26 °C
Rλ,B = 0,05 m² K/W
Verlegeabstand = Vz 15
Auslegungsspreizung:
ϑV- ϑR = 2 K
Abgelesen:
ΔϑC = 8,4 K
ϑV, Ausl. = ϑi – ΔϑC – (ϑV- ϑR)/2
ϑV, Ausl. = 26 – 8,4 – 2/2 = 16,6
ϑV, Ausl. = 16,6 °C
Fallbeispiel 2
Der Kunde fährt Ihnen bei der nächsten Baubesprechung in die Parade. Er überlegt doch noch einen fußwarmen Oberboden statt der Fliesen in seinem Wohnzimmer verlegen zu lassen. Damit erhöht sich der Widerstand, die kühlende Wirkung an den Raum weiterzuleiten.
Im Diagramm steht dann ausgesprochen:
Du möchtest also weiterhin gemäß deiner Kühllastberechnung eine Kühlleistung von qc = 26 W/m² aus dem Raum abführen. Der Raum soll auf 26 °C gekühlt werden. Dein Oberboden hat leider einen relativ hohen Wärmeleitwiderstand von 0,10 W/m²K. Und du möchtest nun wissen, mit welcher kühlen Vorlauftemperatur das machbar ist.
Dein gewünschter Verlegeabstand liegt weiterhin bei 15 cm und du akzeptierst eine Spreizung von 2 K.
Ermittlung Auslegungsvorlauftemperatur ϑV, Ausl.
Vorgabe:
qC = 26 W/m²
ϑi = 26 °C
Rλ,B = 0,10 m² K/W
Verlegeabstand = Vz 15
Auslegungsspreizung:
ϑV- ϑR= 2 K
Abgelesen:
ΔϑC = 9,9 K
ϑV, Ausl. = ϑi – ΔϑC – (ϑV- ϑR)/2
ϑV, Ausl. = 26 – 9,9 – 2/2 = 15,1°C
Diese zweite Auslegung kann dann schon durchaus als kritisch angesehen werden. Die Vorlauftemperatur von geforderten 15,1 °C unterschreitet ja schon die Taupunktemperatur. Die Kühlleitung zum Verteiler könnte also schon schwitzen.
Eine Erkenntnis kann daher sein, dass statt einer Fliese (Rλ,B = 0,05 m² K/W) ein verlegter Teppich (Rλ,B = 0,10 m² K/W) die Auslegung erheblich verändert und zum effektiven Betrieb ungeeignet ist.
Wenn Sie jetzt noch Geduld haben und eine dritte Ablesung durchziehen, verstehen Sie das Diagramm für alle Zeiten deutlich besser.
Fallbeispiel 3
Natürlich akzeptieren Sie den Wunsch des Kunden, den fußwarmen Oberboden einziehen zu lassen. Ihre vorgeschlagene Maßnahme sieht daher vor, den Verlegeabstand zu reduzieren und vielleicht doch noch eine hohe Kühlleistung zu erreichen bei Vorlauftemperaturen, die nicht den Taupunkt unterschreiten.
Im Diagramm steht dann ausgesprochen:
Du möchtest also weiterhin eine Kühlleistung von qc = 26 W/m² aus dem Raum abführen. Der Raum soll auf 26 °C gekühlt werden. Dein Oberboden hat leider einen relativ hohen Wärmeleitwiderstand von 0,10 W/m²K. Und du möchtest nun wissen, mit welcher kühlen Vorlauftemperatur das machbar ist.
Dein gewünschter Verlegeabstand liegt bei relativ engen 10 cm und du akzeptierst eine Spreizung von 2 K.
Ermittlung Auslegungsvorlauftemperatur ϑV, Ausl.
Vorgabe:
qC = 26 W/m²
ϑi = 26 °C
Rλ,B = 0,10 m² K/W
Verlegeabstand = Vz 10
Auslegungsspreizung:
ϑV- ϑR= 2 K
Abgelesen:
ΔϑC = 9,0 K
ϑV, Ausl. = ϑi – ΔϑC – (ϑV- ϑR)/2
ϑV, Ausl. = 26 – 9,0 – 2/2 = 16,0
Wenn also der Kunde seinen Oberboden gewissermaßen mit einer dämmenden Wirkung ausstattet, dann verzögert sich der Wärme- beziehungsweise der Kältedurchgang. Gegensteuern lässt sich beispielsweise mit geringerem Verlegeabstand.
1 Heizlast und Kühllast sind berechenbare Größen. Sie ergeben letztlich die gesuchte Leistung zum Heizen oder Kühlen eines Raumes.
2 Kühllasten lassen sich aufgrund vieler Einflüsse schwieriger in den Griff kriegen als Heizlasten.
3 Bei der Heizlast lassen sich sehr hohe Wohlfühltemperaturen erreichen. Kühllasten sind bezogen auf Wunschtemperaturen stärker eingeschränkt
4 Ein wichtiger Knackpunkt beim Kühlen ist die Temperaturgrenze des Taupunktes.
5 Flächenkühlung wird verständlich bei Betrachtung eines Auslegungsdiagramms mit entsprechenden Ablesebeispielen. Die tatsächlich Auslegung erfolgt jedoch meist softwaregestützt.
Bild: DALL·E/Held/SBZ Monteur
Bild: Uponor/Held
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Golden-Chilling-Rules
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