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Flächenheiz- und Kühlsysteme vs. Gebläsekonvektoren: Geringerer Energieverbrauch, weniger CO2-Emissionen  

Das Raumklima in Gebäuden steht in einem engen Zusammenhang mit dem Wohlbefinden, der Arbeitsleistung und sogar der Stimmung der Bewohner – besonders heute, wo die Menschen 75 Prozent ihrer Zeit in Innenräumen verbringen. Deshalb ist ein gesundes und gutes Klima sehr wichtig. Um einen Raum in den warmen Sommermonaten zu kühlen, wurden bisher meist konventionelle Klimaanlagen eingesetzt, wie Gebläse-Konvektoren oder Klima-Splitgeräte. Sie decken den thermischen Bedarf der Räumlichkeiten in Hinblick auf die Kühlung ab, können jedoch zu störenden Luftströmungen, Staubbewegungen und einer sehr geringen relativen Luftfeuchtigkeit von unter 40% führen, ganz zu schweigen von ihrem hohen Energieverbrauch. Aufgrund des Klimawandels haben zahlreiche Länder Vorschriften erlassen, alte Klimaanlagen durch energieeffiziente Modelle zu ersetzen. Klimatisierung mittels Strahlung bietet hier eine Lösung: Eingesetzt werden Flächenheiz- und Kühlsysteme, die Wasser als Wärmeträger nutzen.

Funktionsweise der Strahlungswärme

Ziel ist es, dem Raum durch Strahlung Wärme zuzuführen oder diese zu entziehen. Im Kühlmodus wird thermische Energie ausgetauscht, indem Strahlungswärme zwischen den vorhandenen Kühllasten und der gekühlten Oberfläche übertragen wird. Energie wird von Gegenständen, Menschen, Geräten und Lichtquellen abgestrahlt und von der kühlen Oberfläche absorbiert. Im Heizbetrieb ist das Gegenteil der Fall: Energie wird von der erhitzten Oberfläche übertragen und von Gegenständen und Menschen absorbiert. Wasser hat eine rund 4-fach höhere spezifische Wärmekapazität als Luft und benötigt aufgrund der vielfach höheren Dichte weniger Transportenergie. Somit gilt Wasser als ein besserer Wärmeträger als Luft. Aufgrund der sehr großen Kontaktfläche des Flächenheiz- und Kühlsystems wird ein gleichmäßiger Strahlungsaustausch zwischen Raum und Raumumschließungsflächen erzeugt, wodurch die Temperaturen im Kühlfall niedriger und im Heizfall höher empfunden werden, als die reine Lufttemperatur anzeigt (Begriff: operative Temperatur). Hinzu kommt, dass die Systemtemperaturen eines Flächenheiz- und Kühlsystems im Sommer höher und im Winter niedriger ausgelegt werden als die einer konventionellen Klimaanlage. Dies führt zu einer Reduzierung des Energieverbrauchs und der CO2-Emissionen. Darüber hinaus können dieselben Kreisläufe zum Heizen oder Kühlen verwendet werden.

Kombination mit Lüftungsanlagen

Das Raumklima wird durch folgende Faktoren bestimmt: Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Belüftung sowie Luftgeschwindigkeit. Wenn ein Flächenheiz- und Kühlsystem für die Abdeckung der sensiblen Lasten der Räumlichkeiten verantwortlich ist, ist eine Lüftungsanlage unerlässlich, um die latente Belastung durch Feuchtigkeit im Raum und von den Menschen auszugleichen und eine angemessene Luftqualität zu gewährleisten.

Im Bereich der Kühlung herrscht nach wie vor Skepsis gegenüber Flächenkühlsystemen, vor allem in feuchteren Klimazonen. Die ständige Kontrolle der spezifischen Luftfeuchtigkeit in einem Flächenkühlsystem stellt sicher, dass die Oberflächentemperatur immer über dem Taupunkt liegt, wodurch Kondensation an Wänden, Decken und Böden vermieden wird. Eine gute Auslegung und die Kontrolle der Anlage bilden die Basis für einen reibungslosen Einsatz. Durch die Kombination eines Flächenheiz- und Kühlsystems mit einer kontrollierten Lüftungsanlage wird der Luftvolumenstrom, der in dem zu klimatisierenden Raum zirkuliert, erheblich reduziert. Dies führt zu einer Verringerung der Luftgeschwindigkeit. Unangenehme Zugluft, Lärm und Staub werden reduziert und der Komfort für die Menschen erhöht. Die geringere Luftgeschwindigkeit ermöglicht außerdem den Einsatz kleinerer Lüftungskanäle. Die Höhe der abgehängten Decken kann dadurch verringert werden. Dies hat positive Auswirkungen auf die Planung des Gebäudekörpers.

Ideal für erneuerbare Energien geeignet

Einer der großen Vorteile eines Flächenheiz- und Kühlsystems ist seine Energieeffizienz und seine einfache Anwendung mit erneuerbaren Energien. Darüber hinaus sinken der Energieverbrauch und die CO2-Emissionen dank der reduzierten Vorlauftemperatur beim Heizen (35 °C) und der hohen Temperatur beim Kühlen (> 15 °C). Dies ermöglicht die Verwendung einer Mehrzweckwärmepumpe, die gleichzeitig Wärme und Kälte erzeugen kann. Die Installation von zwei verschiedenen Maschinen (Kessel und Kühlanlage) kann vermieden und somit Kosten bei der Installation gespart werden.

Beispiel:

Im folgenden Beispiel werden zwei wasserführende Systeme gegenübergestellt: Gebläsekonvektoren und ein Flächenheiz- und Kühlsystem. Durch kleine Änderungen der Betriebstemperaturen können beim Flächenheiz- und Kühlsystem bis zu 31% der jährlichen Energie und 30,2% der CO2-Emissionen eingespart werden. Für die Berechnung gehen wir von einem Heizbedarf von 210 kWt und einem Kühlbedarf von 230 kWt des Gebäudes aus (in beiden Fällen sensible Heizlast).

Die Betriebstemperaturen für beide Systeme betragen: 

Vor jeder Berechnung müssen die Betriebsparameter der Wärmepumpe ausgewählt werden (Wärmepumpenmodell WSHN-XSC3 von Clivet). Die Wärmepumpe muss den ungünstigsten Fall abdecken können, in diesem Fall im Kühlmodus 230 kWt.

In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten Daten zusammengefasst:

 

Wie aus den Tabellen hervorgeht, erhöht eine Änderung der Betriebstemperatur nicht nur die Leistung der Wärmepumpe, sondern ermöglicht auch die Auswahl eines kleineren Wärmepumpenmodells (Modell 70.4 anstelle von Modell 75.4).

 

Der jährliche Stromverbrauch der Wärmepumpe beträgt:

gesamte Energie (kWh) = elektrische Energie des Kompressors x Betriebsstunden

Gebläsekonvektoren Heizung = 60,27 kWe x 4000 h = 241.080 kWh

Gebläsekonvektoren Kühlung = 45,21 kWe x 2000 h = 90.420 kWh

Flächenheiz- und Kühlsystem Heizung = 39,7 kWe x 4000 h = 158.800 kWh

Flächenheiz- und Kühlsystem Kühlung = 36,16 kWe x 2000 h = 72.320 kWh

Gesamte Energie Gebläsekonvektoren = 241.080 + 90.420 = 331.500 kWh / Jahr

Gesamte Energie Flächenheiz- und Kühlsystem = 158.800 + 72.320 = 231.120 kWh / Jahr

___________________________________

Jährliche Energieeinsparung = 30,2%

 

 

Damit lässt sich der CO2-Ausstoss berechnen:

CO2-Emissionen (Gebläsekonvektoren) = 331.500 kWh * 0,75 = 248.625 kg CO2

CO2-Emissionen (Flächenheiz- und Kühlsystem) = 231.120 kWh * 0,75 = 173.340 kg CO2

___________________________________

Jährliche CO2-Reduktion = 30,2%

 

 

Fazit:

Der Einsatz eines Flächenheiz- und Kühlsystems führt nicht nur zu einer Verringerung der CO2-Bilanz, sondern bringt auch wirtschaftliche Einsparungspotentiale mit sich. Bei der Wärmepumpe kann ein Modell mit einer geringeren Größe eingesetzt werden. Darüber hinaus bietet ein Flächenheiz- und Kühlsystem vielfältige weitere Vorteile:

 

  • mehr Komfort, da unangenehme Zugluft, Lärm und Staub vermieden werden
  • Energieeinsparung durch effizientere Betriebstemperaturen
  • Reduzierung der CO2-Emissionen aufgrund von Energieeinsparungen
  • geringere Betriebskosten
  • absolute Gestaltungsfreiheit der Innenräume, da die Installation unter der Oberfläche erfolgt
  • langlebig
  • fast wartungsfrei

 

 

Anmerkungen:

In diesem Beispiel wurde das Flächenheiz- und Kühlsystem aquatherm black system mit einem modernen, effizienten Gebläsekonvektoren-System verglichen. Wenn andere Klimaanlagen verwendet werden oder es sich um eine Gebäudesanierung handelt, erhöht sich die Energie-Einsparung des Flächenheiz- und Kühlsystems noch mehr, da die klassischen Klimageräte bei höheren Vorlauftemperaturen im Heizmodus und bei niedrigeren im Kühlmodus arbeiten.

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