Case study | Heiz-, Kühldecke nachrüsten im bezogenen Bestand – ohne Büroräumung

Bauherr | Junk & Reich Architekten BDA

Energieberater: immergo.de

Installationsbetrieb: kaeppler-haustechnik.de

Einleitung

Einleitung

Mit diesem Artikel teilen wir in einer Case Study, eine bestehende Bürofläche mit voller Besetzung zügig auf eine bessere raumklimatische Qualität gebracht haben. Und das ohne, dass die Büros geräumt und Mitarbeiter über längere Zeit Ihren Platz verlassen mussten.

Das Team von interpanel ist spezialisiert auf den Bereich Gewerbeimmobilien. Optimale Resultate in Energieeffizienz und Komfort erzielten wir sowohl im Neubau, als auch in der Sanierung von bestehenden Flächen. Für die Möglichkeit Heiz- und Kühldecken nachrüsten zu können, eignet sich das interpanel-System aufgrund der einzigartigen Leistung, der modularen Vorfertigung und Unabhängigkeit von der Taupunkttemperatur perfekt. Anders als bei Klimaanlagen entsteht keine Zugluft und die natürliche Fensterlüftung kann erhalten bleiben.

In diesem Artikel gehen wir den Prozess vom Start an durch.

Bestandsanalyse

Die verwendeten Baustoffe und Bauteilaufbauten in Bestandsobjekten können unbekannt sein, auch die Luftdichtheit der Gebäudehülle kann über die Jahre nachlassen.

Die Vorab-Betrachtung umfasste daher:

  • Bisherige Erfahrungen im Winter und Sommer -Klima, Komfortniveau
  • Digitale Erfassung der Gebäudedaten für die Projektierung und möglicher Varianten
  • Analyse der Raumklimaanforderungen
  • Analyse der vorhandenen Gebäudetechnik

Bisherige Erfahrungen im Winter und Sommerklima

In einem Termin Vor-Ort wurden die bisherigen Herausforderungen mit dem thermischen und visuellen Komfort der Mitarbeiter geklärt und entsprechend der Bedarf am Heizen und Kühlen ermittelt. Wenn wir bei interpanel mit Bestandsobjekten arbeiten, wird auf die Betrachtung des IST-Zustandes ein besonderes Augenmerk gelegt. Je nach Projekt kann der aktuelle Zustand maßgeblich vom späteren Nutzungszweck abweichen. Im Zuge der Ertüchtigung kann auch eine erhöhte Flexibilität der neuen Räume erreicht werden, und das ohne klassische Klimaanlage.

Im Winter kam es durch die umlaufenden Glasfassaden mit 2-Scheiben Isolierverglasung an den Fenstern häufiger zu kälteren Ecken und Zugluft. Der Raum fühlte sich in den betroffenen Bereichen zu kühl an, es fehlte den Mitarbeitern an Wärme und so an einem Klima, dass einer gesunden Arbeitsumgebung entspricht. Dieser bei sehr kühlen Außentemperaturen auftretende Effekt kann durch zusätzliche auftreffende Wärmestrahlung aus z.B. Deckenheizsystemen maßgeblich verringert werden.

Im Sommer sind die vorhandenen offenen Betondecken vorteilhaft. Als direkt wirkende thermische Speichermasse bewirken diese eine Verzögerung der Temperaturerhöhung durch hohe Wärmelasten im Sommer und tragen so mittelbar zu Kühlung bzw. zur Kühlleistung bei. Sobald die Betondecken aber aufgeheizt sind, bleiben diese auch relativ lange warm und wirken sich somit auf das Raumklima aus. Eine Auskühlung über kühle Luft in der Nacht kommt aus verschiedenen Gründen nicht infrage. Der außenliegende Sonnenschutz wird manuell im Sommer bedient, und hält einen Großteil der Diffus- und Direktstrahlung aus dem Gebäude.

Digitale Erfassung der Gebäudedaten für die Projektierung

Für die Planung werden die Daten des Vorhabens konsequent digital erfasst. Standardisierte und moderne Planungstools und -Verfahren ermöglichen es, den instationären Temperaturverlauf abzubilden und die thermische Masse mit einzubeziehen. Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass Vorgänge wie z.B. Fensterlüftung, Sonneneinstrahlung und veränderliche Lufttemperaturen Zeitschrittgenau (Sekunden, oder Minuten) für den Vergleich berücksichtigt werden können.

Bei komplexeren Vorhaben empfiehlt sich eine 3D-Erfassung und Abbildung der Gebäude in einem gängigen BIM/CAD Programm. Das digitale Abbild ermöglicht komplexe bauphysikalische Parameterstudien für die späteren Planungsentscheidungen.

image 1024x514 - Heiz-, Kühldecken nachrüsten im Büro - Junk und Reich Architekten
Modell der thermischen Simulation für die Kühllast, Heizlast, Luftfeuchte und CO₂ Berechnung, Parameterstudien und weiterer Faktoren

Modell der thermischen Simulation für die Kühllast, Heizlast, Luftfeuchte und CO₂ Berechnung, Parameterstudien, aller Wände, Decken, Rohre und weiterer Faktoren (gesamt und pro Quadratmeter).

Die digitale Erfassung der Gebäudedaten, Raum für Raum, bildet die Grundlage für die passende Projektierung der Anlage in u.A. folgenden Aspekten:

  1. Erfassung der Wand, Boden, Decken, Fassaden und Sonnenschutzkonstruktionen und Eigenschaften sowie des Regelverhaltens der Systeme
  2. instationäre bauphysikalische Raumklimaberechnungen
  3. Behaglichkeit mit nat. Fensterlüftung unter Einhaltung der max. Raumtemperatur, CO2-Level und rel. Luftfeuchte der Raumluft
  4. Berücksichtigung der Technik des Sonnenschutzes und Regelverhaltens
  5. Visualisierung der Verbesserung der Temperaturniveaus und Behaglichkeit im Jahresverlauf mit Berücksichtigung des lokalen Klimas
  6. Massenströme und hydraulische Daten der Anlage
  7. photometrische Berechnung für arbeitsstättenkonforme HCL-Beleuchtung
  8. Definieren der optimalen Position der Deckenheizung und Deckenkühlung, sowie der Schnittstellen für den Installateur

Der Grundriss und Vor-Ort Besuch bildeten daher die Grundlage für die Erfassung und Erstellung der Gebäudedaten und System-Simulation.

Analyse der Raumklimaanforderungen

Die hochwertigen Büros sollten sowohl den Raumklimaanforderungen der ASR (Arbeitsstättenrichtlinie) als auch dem individuellen Komfortempfinden der Mitarbeiter mehr entgegenkommen sowie eventuelle Störfaktoren wie Zugluft ausschließen. Dabei spielte nicht nur das Empfinden der Temperatur eine Rolle, sondern auch das von Zugluft, Kälte, Heizung und anderen Faktoren. Klimaanlagen waren nicht installiert.

Konkrete Messwerte gab es nicht. Erfahrungsgemäß war die Hitze im jeweiligen Raum während längerer Wärmeperioden regelmäßig bei über 26 Grad Celsius (°C).

Konkrete einzuhaltende Temperaturgrenzwerte wurden in diesem Projekt nicht definiert. Verschiedene maßgebliche Einflussfaktoren, wie die natürliche Fensterlüftung und Abhängigkeiten der Regelungs- und Steuerungstechnik hatten im vorliegenden Fall einen zu hohen Einfluss.

Als Zielwert im Sommer für die Planung und Umsetzung wurde eine maximale Raumtemperatur von 26 °C im Sommer vorgesehen, um ein angenehmes Raumklima zu gewährleisten.

Der Heizfall wird mit der bestehenden Heizungsanlage aus energetischer Sicht erfüllt. Eine minimale Temperatur von 20 °C im Raum sollte eingehalten werden. Besonderes Augenmerk fiel auf die Verbesserung der Komfortsituation durch die Strahlungswärme durch die Deckenheizung bei den Arbeitsplätzen an der Fensterfront.

Eine Deckenheizung, bzw. Infrarotheizung wirkt am stärksten auf der kühlsten Fläche. Folglich wird die auf das beschichtete Fensterglas treffende Wärmestrahlung zum Großteil direkt zur Person vor der kalten Scheibe reflektiert und steigert so die Behaglichkeit.

Für die natürliche Fensterlüftung mit Kühldecke werden max. 750ppm angesetzt. Dann wird bis ca. 400ppm einmal durchgelüftet.

Analyse der vorhandenen Gebäudetechnik

Die vorhandene Gebäudetechnik zum Heizen besteht aus zwei Geräten einer Sole-Wasser-Wärmepumpe in einer Kaskade. Damit dem Bohrloch optimal die Wärme entzogen wird und die Betriebsstunden sich ausgleichen, wird die erste Wärmepumpe abwechselnd mit der zweiten betrieben. Die installierte maximale Heizleistung des Gebäudes beträgt ca. 30 kW, mit 15 kW pro Wärmepumpe.

Die Systemeffizienz des vorhandenen Heizsystems ist aufgrund der relativ hohen Vorlauftemperaturen von ca. 60 °C negativ beeinträchtigt. Bisher sorgten ausschließlich Konvektionsheizkörper für die Regulierung der Raumtemperatur im Büro. Ein höherer Anteil an Niedertemperatur-Infrarotwärme von der Decke lässt sich nach der Heizflächenvergrößerung über die Deckenheizung ideal realisieren.

Für den Betrieb der stillen Kühlung ist es vorgesehen, die Sole über einen Wärmetauscher minimal mit ca. 10 °C durch die jeweilige Kühldecke zu leiten. Die niedrige vorhandene Temperatur der Sole macht im Optimalfall das nahezu klimaneutrale Kühlen der Büros möglich.

Für den Heiz- und Kühlfall wird im Laufe des Betriebes der Flächenkühlung die jeweilige Kurve der Anlage optimiert.

Planung und thermische Simulation

Die Planung und bauphysikalische Simulation ist eine Grundlage für die Dimensionierung der technischen Anlage, ergänzt durch ingenieurtechnisch passende Annahmen für unbekannte Werte.

  • bauphysikalische Daten – auf Basis der ersten Erfassung werden die Maße, Materialdaten und ermittelten spezifischen Parameter strukturiert erfasst.
  • Regelzonen und Steuerung – bevor mit der Planung der einzelnen Segelgruppen begonnen wird, werden die gewünschten Regelzonen definiert. Typischerweise werden mehrere Elemente der Deckenheizung bzw. Deckenkühlung zu einer thermischen Regelzone zusammengefasst.
  • Eingabe der Lasten – die klimatischen Daten, Wärme- und Feuchtelasten, CO2 – Emissionen der Personen im jeweiligen Raum werden definiert.
  • Simulation und Auswertung – dieser Schritt ist die eigentliche Parameterstudie und Simulation. Anschließend werden hier alle Optimierungen vorgenommen.

Im Zuge der zeitabhängigen (instationären) Simulation wurden für dieses Projekt nicht nur die Einflussgrößen ermittelt und der IST-Zustand “nachsimuliert”, sondern auch die Belegung und Betriebsführung der zukünftigen ergänzenden Heiz-, Kühlanlage in verschiedenen Szenarien optimiert.

Beispiel 2. OG mit Glasfassade

Auf Basis der ermittelten Daten wurden Simulationen angelegt. Die Software bildet dabei den ganzen Jahresverlauf mit realen Klimadaten ab. In der Abbildung ist die Straßenseite mit der Glasfassade zu sehen. Die Fensterfront wurde als ein Bauteil zusammengefasst. Also etwas “wärmedurchlässiger” gerechnet als real vorhanden. Vorteil ist, dass sich die Simulation so wesentlich schneller rechnen lässt und einen zusätzlichen Sicherheitspuffer gibt.

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Bauphysikalische Daten

Für eine realitätsnahe physikalische Simulation werden noch zahlreiche weitere Faktoren, wie Strahlungsdaten, Bewölkung, einbezogen.

Der Klimadatensatz für den Standort Erfurt/Weimar zeigt folgende Lufttemperaturen über den Jahresverlauf:

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Die Trockenkugeltemperatur der Luft im Jahresverlauf für den Erfurt.
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Die relative Luftfeuchte aus dem Klimadatensatz für den Standort.
Auch im Sommer werden zeitweise relativ hohe relative Luftfeuchten erreicht.

Auch im Sommer werden zeitweise relativ hohe relative Luftfeuchten erreicht.

Der Materialaufbau für die Decke, Wand und Boden, Fenster und weitere Bauteile (Türen) werden ebenfalls in die Simulation eingegeben und berücksichtigt.

Regelzonen und Steuerung

Da der betrachtete Bereich einer Regelzone entspricht, wurden für die bauteilspezifischen Oberflächentemperaturen keine lokalen Temperaturen berücksichtigt.

Die Soll-Temperatur für ein angenehmes Raumklima im Winter beträgt 20 °C, im Sommer sollen unter 26 °C gehalten werden. Ab 23 °C der Luft wird mit der Kühlung begonnen. Die Vorlauftemperatur von der Sole liegt mit ca. 10 °C konstant an.

Eingabe der Lasten

Die wesentlichen Wärmelasten im gesamten System entstehen durch die solaren Einträge, die Personen, die Wärme der Geräte im Raum und die Abwärme der Beleuchtung.

Simulation und Auswertung von Heizen und Kühlen

EErgebnis ohne Kühlfunktion – Im folgenden Bild sind die simulierten Raumtemperaturen unter Berücksichtigung der thermischen Masse, der Wärmelasten, des Lüftungsverhaltens und weiterer Faktoren abgebildet. Während maßgeblicher Zeiten über den Jahresverlauf ist ohne Kühlen mit Wärme über 26 °C, aber auch mit Hitze über 30 °C zu rechnen.

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Simulierter IST-Zustand der Temperatur im Büro an Glasfassade mit realen Klimadaten

Ergebnis mit Kühlfunktion – Während maßgeblicher Zeiten über den Jahresverlauf werden mit Kühlung die Temperaturen unter 26 °C mit Deckenkühlung gehalten. Die stille Kühlung per Kühldecke im Sommer hält die Temperaturgrenze von 26 °C trotz Fensterlüftung ein.

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Die stille Kühlung im Sommer hält die Temperaturgrenze von 26 °C trotz Fensterlüftung ein.

Der CO2-Gehalt der Raumluft schwankt zwischen 750 und 400 ppm. Ab 750 ppm wird bis 400ppm über die Fenster frische Luft eingebracht. Im Sommer kann die relative Luftfeuchte partiell bis auf ca. 55-60 % steigen.

Weiterhin zeigte sich in der Simulation ein Vergleich der bestehenden Situation im Sommerklima mit und ohne Kühlung, einen wesentlichen Unterschied markiert.

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Der CO2-Gehalt der Raumluft schwankt zwischen 750 und 400 ppm. Ab 750 ppm wird bis 400ppm über die Fenster gelüftet. Im Sommer kann die relative Luftfeuchte partiell bis auf ca. 55-60 % steigen.

Mit den vorliegenden Berechnungen und unter Berücksichtigung evtl. zusätzlicher Einflussgrößen und deren Schwankungsbreite kann mit der Umsetzung der Maßnahme begonnen werden. Auf Basis der Simulation konnte sowohl die Anzahl der Deckensegel optimiert und die SOLL-Betriebsführung der Deckensegel ermittelt werden.

Umsetzung und Inbetriebnahme der Heiz-, Kühldecke

Folgende wesentliche Schritte wurden durchgeführt:

  • Anpassung der vorhandenen Anlagentechnik und Systeme
  • Installieren der Rohre für die Warm- und Kaltwasserleitung
  • Montage der Deckensegel
  • Abnahme

Anpassung der vorhandenen Gebäudetechnik

Vorbereitend zur Montage der Deckenheizung bzw. Deckenkühlung wurde die bestehende Anlagentechnik entsprechend umgebaut und ergänzt. Im Bestand lagen keine Installationen von Klimaanlagen vor.

Der neue Heiz-, Kühlkreis wird mit den Deckensegeln im System verknüpft. Über einen Wärmetauscher wird die Sole vom Kaltwassernetz hydraulisch getrennt.

Das neue hydraulische Netz ist sauerstoffdiffusionsoffen und daher korrossionsfest ausgebildet. Mit der korrekten Befüllung und Spülung der technischen Anlage wird so eine Verschlammung ausgeschlossen. Die minimale Betriebstemperatur beträgt ca. 10 °C im Vorlauf.

Über eine Hocheffizienzpumpe wird das Heiz-, Kühlwasser umgepumpt.

Je nach Bedarf schaltet sich der Heizkreis auf den Kreislauf der neuen Deckensegel als Alternative auf.

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Die Leitungsführung und Steuerung der bestehenden Anlage wurde entsprechend angepasst.

Installation von Warm-, Kaltwasserleitungen

Die Durchdringung der Warm-, Kaltwasserleitungen durch die Decke aus Beton löst die lokale Versorgung der Kühldecke mit Kaltwasser auf eine elegante Weise. Für die Bohrungen mussten die Arbeitsplätze kurz verlassen werden. Der Vorgang stellte in diesem Bauvorhaben den größten Eingriff in die Bausubstanz dar.

Eine Alternative wäre es gewesen, die Leitungen unter der Decke zu verlegen. Das kann blank als schwarzes Rohr, oder versteckt in einem Kabelkanal erfolgen.

Die kaltwasserführenden Leitungen sind gegen Tauwasser wasserdampfdiffusionsdicht gedämmt. Diese Dämmung wird später ebenfalls an die Deckenheizung bzw. Deckenkühlung (Klimapanels und Klimaleuchte) rückseitig diffusionsdicht geklebt.

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Die Anschlüsse der Kaltwasserleitungen im 1. OG wurden durch die Betondecke und unter den Hohlboden im 2. OG geführt. Dadurch sind die hydraulischen Leitungen nicht mehr sichtbar.

Die Anschlüsse der Kaltwasserleitungen im 1. OG wurden durch die Betondecke und unter den Hohlboden im 2. OG geführt. Dadurch sind die hydraulischen Leitungen nicht mehr sichtbar

Montage der Heiz-Kühldeckensegel

Die Montage der vorgefertigten akustisch wirksamen Deckenheizung bzw. Deckenkühlung und Inbetriebnahme der Beleuchtung erfolgte auf beiden Etagen in ca. fünf Arbeitstagen. Durch die vorgefertigten Segel und die geringe Anzahl an Abhängepunkten war die Staub- und Geräuschbelastung minimal. Beispielsweise benötigt ein Deckenfeld mit 3 Panels 8 Abhängepunkte an der Decke, auch im Trockenbau.

Großer Vorteil ist die komplett trockene Montage der Deckensegel. Staub- oder Schmutzarbeiten oder Veränderungen an der Wand werden so auf nahezu null reduziert. Der Installation folgt direkt die Inbetriebnahme der Flächenkühlung bzw. -Heizung, da keine Trockenzeiten zu berücksichtigen sind.

Abnahme

Für die Abnahme wurde die gesamte Anlage der neuen Flächenkühlung eingehend überprüft. Konkret werden bei einer Abnahme mindestens folgende Punkte beachtet:

  • die Druckhaltung im hydraulischen Netz und die Wasserqualität
  • die Temperaturen und der hydraulische Abgleich der Zonen
  • korrekte Funktion der mechanischen Bauteile (z.B. Stellventile und Pumpen)
  • korrekte Entlüftung des Wassernetzes für eine gleichmäßige Wärmeverteilung
  • die Programmierung der Beleuchtung
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Im Bild zu sehen ist die gleichmäßige Verteilung der mit Wasser durchströmten Kühldecke zu sehen.

Für die Betriebsprüfung war eine Vorlauftemperatur von ca. 19,5 °C vorhanden.

Im Spitzenlastfall beim Kühlen wird die Kühlfläche mit ca. 12-13 °C Strahlungsungstemperatur betrieben.

Beim Heizen werden ca. 33-25 °C erreicht. Durch die Teilbelegung kann bei Bedarf eine etwas höhere Vorlauftemperatur zum Heizen genutzt werden, um die jeweilige Raumtemperatur optimal zu erreichen.

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Die Programmierung der Klimaleuchten an der Decke über den Arbeitsplätzen und in den Seminarräumen wurde auf die individuellen Nutzeranforderungen eingestellt.

In diesem Vorhaben ist eine HCL-Steuerung mit Farbtemperaturen von 3000 K – 6500 K, Präsenz- und Bewegungsmelder, Dimmung, Tageslichtabgleich und Automatik-, aber auch individuellem Betrieb möglich.

Im Regelfall werden die verwendeten Taster auf einen Auto-An, Aus und Dimmung eingestellt. Diese Einstellungen lassen sich im Betrieb leicht durch den Nutzer individuell anpassen.

Zusammenfassung

Das Projekt gibt einen Überblick von zahlreichen Punkten, die mit einer erfolgreichen Umsetzung der Maßnahme verknüpft sind. Während der Grundlagenermittlung zur Maßnahme ist es wichtig, alle relevanten Informationen verfügbar zu haben, um so eine strukturierte Planung und Umsetzung zu ermöglichen. interpanel unterstützt Sie und Ihren Planer strukturiert mit unseren Erfahrungen und Checklisten für einen optimalen Projektablauf und zügigem Installieren der Flächenkühlung.

Durch eine fachgerechte Projektierung unter Berücksichtigung der anforderungs- und nutzerspezifischen Gegebenheiten an die Kühldecke, wird ein guter Bauablauf und effiziente Abwicklung sichergestellt. Eine enge Abstimmung mit dem Fachbetrieb für die Heizungs- und Kälteinstallation während der Projektierungsphase ist ebenfalls wichtig, um eine optimale Gesamtlösung zu finden.

Die Projektierung sollte mindestens folgende Daten umfassen:

  • Planung der elektrischen und hydraulischen Systeme und Anschlüsse
  • passende Heiz-, bzw. Kühllastplanung und vorgesehene Regelung
  • fotometrische Berechnung, Einweisung und Übergabe der Beleuchtung
  • Werkplanung mit Deckenspiegel und Montagezeichnungen
  • Dokumentation der Abnahme, Wartung und Inbetriebnahme der verbauten Komponenten

Flächenkühlung an der Decke statt Klimaanlage

Für die Auswahl eines neuen Raumklimasystems spielen nicht nur technische, sondern auch wirtschaftliche, organisatorische und psychologische Aspekte eine wichtige Rolle. Ein gutes System zur Aufrechterhaltung eines angenehmen Raumklimas ist eine langfristige Investition, die sich nicht nur über direkte Energiekosten, sondern auch über Personalkosten bzw. höhere Mietrenditen amortisiert. Eine gesteigerte Produktivität und Zufriedenheit der Mitarbeiter und Mieter wirkt sich direkt auf einen erfolgreichen Geschäftsbetrieb aus. Eine multifunktionale Deckenheizung und Kühldecke, wie die interpanel Klimaleuchte und das Klimapanel sind speziell für die Nachrüstung und den Neubau von Bürogebäuden entwickelt und arbeiten effizienter und angenehmer als Konvektionsheizkörper und Klimaanlagen. Neben den attraktiven Förderkonditionen kann so nicht nur ein wirtschaftliches, sondern auch multifunktional und gesundes Raumklimasystem auf einfache Weise umgesetzt werden.

Quellen

Zuletzt abgerufen am: 23.08.21

Förderübersicht BEG

Häufige Fragen zum BEG

BAFA Heizungsförderung nach dem 01.01.2020

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