Klimatisierung aus
dem Boden

Bürogebäude effizient
heizen, kühlen und lüften

Sofern gute Wärmeschutzverglasungen,Ver­schattungen und andere bauliche Maßnah­men geplant und verbaut wurden, sind die Heiz- und Kühllasten eines Bürogebäudes mit großzügiger Glasfassade vergleichbar mit denen einer massiven Lochfassade. Doch um den Heizbedarf oder die Kühllast zu decken, sind hier Systeme gefragt, die sich optisch ins Gebäude integrieren und dennoch die Anforderungen an eine gute Lüftung und Klimatisierung erfüllen.

Anforderungen an das Raumklima

Für Bürogebäude ab einer bestimmten Größe empfiehlt sich eine mechanische Lüftung, denn die Fensterlüftung wird selten energetisch sinnvoll genutzt und es ist damit zu rechnen, dass beim Lüften über das Fenster Wärme bzw. Klimakälte verloren geht, während bei einer mechanischen Lüftung bis zu 80 % der thermischen Energie zurück gewonnen werden können. Darüber hinaus filtert eine Zentralanlage die Zuluft und hält somit Schmutzpartikel und Pollen zurück; die Luftqualität steigt und Allergiker können sorglos durchatmen. Die einschlägigen Normen (DIN EN 12251 und 13779) liefern Empfehlungen für Auslegungsparameter in Abhängigkeit von Nutzung, Raumluftanforderungen und Gebäudeausführung. Für die ausreichende Frischluftversorgung der Nutzer werden für Büros beispielsweise Standardwerte für die Außenluftrate von 4-5 m³/h·m² angegeben, in Besprechungsräumen sollte sie größer sein.

Maßgeblich für das Wohlbefinden der Mitarbeiter ist zudem die Temperatur. Sie sollte bei einer sitzenden Tätigkeit 20 °C nicht unterschreiten. Im Sommer sollte man die Klimatisierung nicht übertreiben. An heißen Tagen darf die Raumtemperatur auch schon einmal 26 °C betragen, was einerseits Energie spart und andererseits extreme Temperaturdifferenzen zwischen drinnen und draußen vermeidet. Bei noch höheren Temperaturen leidet allerdings die Konzentrationsfähigkeit sehr, daher sind 26 °C als Obergrenze anzusehen.

Ebenfalls von Belang ist die relative Luftfeuchte; hier gilt ein Wert von etwa 60 % als ideal. Das Be- oder Entfeuchten wird in der Regel von der Zentrallüftung übernommen. Diese temperiert die Luft auch, eine individuelle Wunschtemperatur stellen aber normalerweise Raumgeräte her.

Zugluft

Ein weiteres Kriterium für die Behaglichkeit: es darf nicht ziehen. Damit keine Zugerscheinungen auftreten, sollte die Luftgeschwindigkeit im Aufenthaltsbereich maximal 0,2 m/s betragen. Auch die Abschirmung kalter Flächen fällt ins Gewicht, denn die umgebenden Wände und Fenster sollten auch im Winter nicht kälter als etwa 17 °C sein, weil ansonsten zuviel Wärme (auch des menschlichen Körpers) an die kalten Oberflächen abgegeben wird. Aufgrund der üblichen Dämmung stellen Wände diesbezüglich kein Problem dar, wohl aber die Fensterfront. Eine Klimatisierungslösung für voll verglaste Fassaden sollte also

– konditionierte Zuluft in den Raum bringen,

– die Abluft entsorgen,

– die Heiz- und Kühllast decken

– und kühle Zugluft von der Fensterseite abschirmen.

Weil bei Glasfassaden konventionelle, statische Heizkörper in der Regel aus optischen Gründen ausgeschlossen werden können und Fußbodenheizungen den Kaltluftabfall am Fenster nicht wirkungsvoll unterbinden, werden oft Bodenkonvektoren für das Temperieren von Büros genutzt. Diese heißen so, weil sie im Boden montiert werden, meist finden die Geräte in den heute in Büros verbreiteten Doppelböden Platz. Diese Art der nicht sichtbaren Platzierung lässt Räume größer wirken.

Auswahl/Dimensionierung

Es gibt passive Bodenkonvektoren, die zum Heizen dienen und die natürliche Konvektion ausnutzen, sowie aktive Geräte (Zwangskonvektion). Die Aktiven gliedern sich in Geräte mit Luftzufuhr (von der Zentrallüftung) und Modelle für den Umluftbetrieb mit einer Gebläseunterstützung. Weil die Luft aktiv eingeblasen wird, ist mit diesen Bodenkonvektoren auch ein wirkungsvolles Kühlen des Raumes möglich, denn die kühle Luft kann entgegen der natürlichen Konvektion nach oben ausgeblasen werden. Im Gegensatz zu passiven Konvektoren, bei denen im Heizbetrieb kalte Luft am Fenster in die Konvektorwanne fällt, aufgeheizt wird und als warme Luft schräg Richtung Raum aufsteigt, blasen aktive Geräte typischerweise die Luft schräg nach oben Richtung Fenster. Dadurch lässt sich der Coanda˘-Effekt ausnutzen: Die Luft schmiegt sich an die Scheibe an und steigt an ihr bis zur Decke auf. Das wirkt einem Kaltluftabfall entgegen und schirmt die kühle Fensterfläche ab. Im Sommer wird so auch ein Wärmestau hinter der Scheibe verhindert. Da die Raumluft bzw. Sekundärluft von der Innenseite des Konvektors angesaugt wird, bildet sich im An­saugbereich kein pneumatischer „Kurzschluss“.

Die an der Fensterfront hoch geblasene Luft wird an der Decke in Richtung Raum umgelenkt, so dass sich eine Raumwalze ausbildet. Die Luftgeschwindigkeit an der Scheibe und der Decke ist hoch, etwa einen halben Meter von der Fassade entfernt ist die Luftbewegung jedoch sehr gering. Dank der Raum­walze durchmischt sich die Luft gleichmäßig und langsam und im Aufenthaltsbereich entstehen nur niedrige Luftgeschwindigkeiten.

Weil das Coanda˘-Prinzip auch mit kühler Luft funktioniert, ist das Klimatisieren ohne Zugerscheinungen ebenso möglich. Ähnlich wie bei einer Kühldecke sinkt die gekühlte Luft langsam von der Decke herab und durchmischt sich mit der Raumluft. Bodenkonvektoren können bei typischen Büroraumtiefen die komplette Heiz und Kühllast decken. Sie bieten beispielsweise bis 750 W/m Heizleistung bei mittlerer Gebläsestufe und üblichen Vor-/Rücklauftemperaturen (70/55 °C). Auch für den Betrieb in Niedertemperaturkreisläufen sind Bodenkonvektoren geeignet. Die Kühlleistung fällt meist geringer aus, weil die Geräte oft in „trockener Kühlung“ betrieben werden, das heißt ohne Kondensatanfall. Bei unseren klima­tischen Bedingungen ist dies bei Vorlauftemperaturen ab etwa 16 °C gegeben. Der Vorteil der trockenen Kühlung liegt darin, dass kein baulicher Aufwand zur Kondensatabfuhr notwendig ist. Außerdem klebt Staub nicht so leicht im Gerät fest wie in einem feuchten Milieu. Dank Gebläseunterstützung erfolgt das Aufheizen (oder Kühlen) des Raums zum Beispiel nach dem Wochenende schnell auf der höchsten Lüfterstufe – für den Dauerbetrieb sind zugunsten des leisen Laufs mittlere bis niedrige Lüfterstufen vorzusehen. Hinsichtlich Geschwindigkeit und der Breite des Regelbereiches unterscheiden sich Bodenkonvektoren deutlich von trägeren Systemen wie Fußbodenheizung und Kühldecke. Ihre Reaktionsgeschwindigkeit verdanken Bodenkonvektoren nicht zuletzt ihrer geringen Masse und dem minimalen Wasserinhalt der Wärme­tauscher. Ist beispielsweise die Solltemperatur im Raum erreicht und ein Nachheizen nicht erforderlich, hören die Geräte kurz nach dem Schließen der Ventile auf zu heizen.

Bei der Geräteauswahl sollten neben der Luftmenge und der Heiz- und Kühlleistung weitere Faktoren berücksichtigt werden. Zum Einen sind Bodenkonvektoren möglichst immer über die volle Fensterbreite zu montieren, um Kaltluft wirkungsvoll abzuschirmen (Rahmen sind dabei einzubeziehen). Aus dem gleichen Grund sollten auch die Abstände der Konvektoren untereinander möglichst klein sein. Von Vorteil ist, dass die Geräte durch den entlang der Fassade orientierten, gestreckten Einbau wenig Platz in der Tiefe benötigen. Außerdem ist es sinnvoll, andere Nutzungsarten der Räume nicht auszuschließen. So sollte die Primärluftmenge je Achse ausreichen, um aus größeren Büros später Einzel- oder Zweierbüros zu bilden oder eventuell ein Besprechungszimmer einrichten zu können.

Minimierung der Energieverluste

Die Geräte mit Primärluftanschluss – also Anschluss an die Zentrallüftung – gestatten es, den erforderlichen Luftwechsel herzustellen. Die Zuluft gelangt über im Doppelboden verlegte Schläuche zu den Geräten. Die Abluft kann über unauffällig installierte Schlitze oder Schattenfugen abgesaugt werden. Zugleich temperieren die Geräte die Raumluft. Dazu saugt die aus Düsen austretende Primärluft Raumluft (Sekundärluft) an. Diese Sekundärluft strömt zunächst über den Wärmetauscher des Geräts, vermischt sich dann mit dem Primärluftstrom und wird dann an der Glasfassade nach oben ausgeblasen. Meist ist die Primärluftmenge vorgegeben, die Heiz- oder Kühlwirkung variiert abhängig von der Ventilstellung am Wärmetauscher.

Weil bei Geräten mit Primärluftanschluss aufgrund der Induktion auf ein Teil Primärluft etwa drei Teile Sekundärluft kommen, also viel „im Kreis geführte“ Raumluft über den Wärmetauscher streicht, sind die Geräte Energie sparend. Würden die Geräte nur mit Primärluft arbeiten, wäre mit ihnen keine individuelle Regelung der Temperatur möglich und zudem ginge mit jedem Kubikmeter Zuluft Energie verloren, denn die gleiche Menge Luft würde ja den Raum verlassen müssen. Trotz Energierückgewinnung ist es energetisch optimal, den Luftwechsel auf das erforderliche bzw. vorgeschriebene Maß zu senken. Die Primärluftmenge lässt sich durch die geeignete Geräteauswahl so vorgeben, dass sie für den Mindestluftwechsel genügt, die erwünschte hohe Heiz- oder Kühllast bietet das Gerät ja dank des Einbeziehens der Sekundärluft oder durch die Kombination mit Umluftgeräten.

Solche Umluftgeräte sind beispielsweise Modelle mit leisen Querstromgebläsen. Durch die Kombination von Induktionsgeräten und Gebläseunterstützten lassen sich die Zufuhr frischer Luft sowie die Heiz- oder Kühlleistungen an die jeweiligen Bedürfnisse anpassen. Für ein harmonisches Zusammenfügen verfügen die Geräte einer Familie typischerweise über gleiche Gerätetiefen und die Hersteller bieten meistens eine übergreifende Zubehörpalette – angefangen vom Montagezubehör bis hin zu Abdeckrosten, Eckmodulen etc.

Resümee

Aktive Bodenkonvektoren bieten eine optisch ansprechende und funktionelle Lösung für das Temperieren von Büroräumen mit großflächigen Glasfassaden. Sie verlangen keine fensterseitige Abdeckung wie normale Heizkörper, bieten eine für normale Räume ausreichende Heizleistung und können außerdem kühlen bzw. – je nach Modell – Zuluft einbringen. Zugleich verhindern sie im Winter kalte Zugluft an den Füßen und im Sommer einen Wärmestau hinter der Scheibe. Im Vergleich zu Flächenlösungen heizen sie den Raum schneller auf, bzw. kühlen ihn schneller, und reagieren spontaner auf geänderte Regelungsvorgaben. Bodenkonvektoren eignen sich daher für „gläserne Bauten“ als alleinige Raumgeräte zum Heizen oder Kühlen oder können – zum Beispiel bei besonders tiefen Räumen wie Kantinen – andere Systeme wirkungsvoll ergänzen.