Fußbodenkühlung im Flughafen Hannover-Langenhagen

Dipl.-Ing. Hermann Reif*

Die Entwicklung des Flughafens Hannover-Langenhagen zu einem zukunftsorientierten Drehkreuz des Nordens bedarf auch modernster Methoden in der Gebäudetechnik. Für die Beheizung und Kühlung des Terminals C wurden Produkte eingesetzt, die ein optimales Maß an Behaglichkeit gewährleisten und für den Gebäudebetreiber enormes Einsparpotential bei den Betriebskosten bieten.

Damals und heute

Bereits beim Wiederaufbau nach dem Zweiten Weltkrieg gingen die Planer einen unkonventionellen Weg. Auf dem ehemaligen, durch das NS-Regime im Zuge der Aufrüstung als streng geheim eingestuften und offiziell auf keiner Landkarte existierenden Fliegerhorst Evershorst entstand ein Flughafen mit einer Grundkonzeption, die sich bis heute bewährte und der Region eine rasche Entwicklung ermöglichte. Antriebsfaktoren für die Realisierung der Entwürfe waren u.a. die Handelsmessen, die Öffnung neuer Einzugsgebiete und nicht zuletzt die bevorstehende Weltausstellung Expo 2000. Des weiteren mußte der stetigen Entwicklung der steigenden Fluggastzahlen im Bereich der Urlaubs- und Charterflüge Rechnung getragen werden, was die Erweiterung der Kapazitäten mit dem Terminal C auf 8 Millionen Fluggäste pro Jahr zur Folge hatte. Das neue Terminal C wurde dem Erscheinungsbild der beiden bestehenden mit der Dreiecksform angeglichen, jedoch größer dimensioniert (Bild 1).

Bild 1: Luftbildaufnahme zeigt die architektonische Besonderheit der Dreiecksform des neuen Terminals C. Links im Bild der Verbindungsbau zu den Terminals A und B.

Die Beheizung geschieht mit einer Fußbodenheizung

Um für die Nutzer des Gebäudes den Aufenthalt so angenehm wie möglich zu gestalten, müssen die Temperaturen innerhalb des Behaglichkeitsbereiches sowohl im Winterbetrieb als auch in der Sommersaison gehalten werden. Es stellte sich die Frage, wie eine Terminalhalle über zwei Ebenen kostengünstig und energiesparend "klimatisiert" werden kann.

Bild 2: Verlegung der Rautherm-S-Rohre 17 x 2,0 aus vernetztem Polyethylen (PE-Xa) mit Abrollvorrichtung.

Für den Heizfall stellt die große Höhe und die enorme Raumtiefe eine Herausforderung an das Heizsystem dar, bei der eine normale, konvektive Radiatorheizung gänzlich versagen würde. Eine Fußbodenheizung kann bei einem derartigen Anwendungsfall alle Vorteile bezüglich der Behaglichkeit und insbesondere der architektonischen Freiheit ausspielen. Der Einsatz einer Rohrfußbodenheizung ist damit unumstritten die bestmögliche Entscheidung. Zur Deckung der Heizleistung von 156 kW für den Terminal C wurden auf einer gesamten Heizfläche von 2920 m² insgesamt 17.000 Meter des vernetzten Polyethylenrohres (PE-Xa) Rautherm S der Dimension 17 x 2,0, verteilt auf 158 Heizkreise, verlegt (Bild 2). Als Haltesystem wurde die Rohrträgermatte gewählt und in Verbindung mit einer Wärme- & Trittschalldämmung PSTK 32/30 verbaut. Um die benötigte Wärmemenge decken zu können, reichen Vorlauftemperaturen von 40°C, bei einer resultierenden Rücklauftemperatur von 32°C. Damit ergibt sich für den Heizfall ein Massenstrom von 15,6 m³/h.

Auch die Kühlung erfolgt über den Fußboden

Bei einem Gebäude mit sehr hohen Fremdwärmeeinflüssen wie direkter Sonneneinstrahlung, Beleuchtungsanlagen, allerlei Maschinen und Telekommunikationsanlagen und - zu einem entscheidenden Maße - durch die Versammlung vieler Personen, stellt jedoch heute die Kühlung die größere und interessantere Problemstellung dar.

Von den für die Realisierung des Projektes Terminal C verantwortlichen Planern der Planungsgesellschaft Obermeyer Planen + Beraten wurde von der herkömmlichen Kühlung eines Raumes mittels einer reinen Lüftungs- bzw. Klimaanlage mit der Einbeziehung des Baukörpers abgewichen. Denn das bereits im Fußboden integrierte Rohrsystem der Fußbodenheizung kann neben der Heizfunktion zugleich Kühlaufgaben übernehmen. Hierzu ist das Heizungssystem mit einer Kälteanlage kombiniert, deren Aufgabe es ist, anstelle von Heizwasser gekühltes Medium zur Verfügung zu stellen. Je nach Witterungsverhältnissen schaltet das System zwischen der Heizung und der Kühlung selbsttätig um. Ein und das selbe Rohrsystem bedient damit zwei Grundfunktionen!

Für die Kühlung werden die massiven Bauteile des Gebäudes mit einbezogen. Sie absorbieren (aufnehmen) und speichern die tagsüber eingestrahlte Wärme. Mit einer Phasenverschiebung von rund acht Stunden findet in den Nachtzeiten, unterstützt auch durch die Technik, eine Entwärmung der Speichermasse gegenüber einem kühleren Temperaturumfeld statt. Der Fußboden gibt seine gespeicherte Wärme zum einen an die kühlere Nachtluft direkt über freie Kühlung ab, und zum zweiten arbeitet die Kälteanlage bei einem geringeren Temperaturniveau.

Bei der maximal erforderlichen Kälteleistung, die über den Fußboden abgeführt werden sollte, wurde von den Planern bei diesem Projekt von ca. 35 W/m² ausgegangen. Durch das Fußbodenkühlungssystem, das in der Lage ist, maximale Kühlleistungen von ca. 50 W/m² bei optimalen Bedingungen abzuführen, konnte diese Forderung leicht erfüllt werden.

Die Lüftungsanlage deckt die Zusatzkühlung

Aus Gründen der Lufthygiene - Gewährleistung der Luftqualität - kann jedoch auf eine Lüftungsanlage nicht gänzlich verzichtet werden. Bei der Kombination beider Systeme übernimmt in der Regel die Fußbodenkühlung, d.h. die thermische Aktivierung des Bauteils, die Grundlastkühlung und die Lüftungs- bzw. Klimaanlage übernimmt die variable Zusatzkühlung sowie die Sicherung des notwendigen Luftaustausches. Großer Vorteil ist hierbei, daß der Luftvolumenstrom der Lüftungsanlage auf die hygienisch notwendigen Mindestanforderungen von 25 m³/(Pers. · h) bzw. 10 m³/(h · m²) reduziert werden kann. Die damit automatisch verbundene Energieeinsparung ist auf die weitaus höhere Wärmekapazität von Wasser und dem Puffereffekt des massiven Bauteils zurückzuführen.

Bild 3: Innenaufnahme der Abfertigungshalle nach Fertigstellung der Fußbodenheizung und Fußbodenkühlung.

Bei der Verlegung der Rohrreihen war darauf zu achten, daß der Verlegeabstand maximal 20 cm betragen darf. In den Randzonen, d.h. im Bereich der großen bis zum Boden reichenden Fensterfronten, sind höhere Kühlleistungen erforderlich, so daß dort ein geringerer Verlegeabstand notwendig wurde. Um dort die anfallende Wärme sicher abführen zu können, ergab sich nach der Auslegung ein Verlegeabstand von 10 cm. Denn bei den großen Fensterflächen des Terminalgebäudes sind durch die reine Sonneneinstrahlung Fußbodenoberflächentemperaturen von 25 - 30°C keine Seltenheit (Bild 3).

Die Wasservorlauftemperatur der Kühlfunktion - normalerweise zwischen 14°C und 18°C - wurde für dieses Objekt bei einer gesamten Kühlleistung von 89 kW auf 14°C ausgelegt. Dies entspricht einem Massenstrom von ca. 16,1 m³/h. Die Oberflächentemperaturen liegen hier bei 20°C, und für die resultierende Raumlufttemperatur in der Abfertigungshalle ergeben sich ca. 23,5°C. Die Zahlenwerte zeigen, daß mit der Fußbodenkühlung die normativ vorgegebenen Grenzen der Behaglichkeit ohne Probleme eingehalten werden können.

Taupunktunterschreitung - Thema im täglichen Betrieb?

An der Fußbodenoberfläche kann es zur Ausscheidung von Luftfeuchtigkeit kommen, falls die dem Luftzustand entsprechende Taupunkttemperatur durch die Oberflächentemperatur der Fußbodenkühlfläche unterschritten wird. Aus Sicht der Bauphysik muß dies vermieden werden.

Aus Gründen der Behaglichkeit sind die Oberflächentemperaturen auf +19°C bis +20°C zu begrenzen. Nach dem h,x-Diagramm ergibt sich bei einer absoluten Luftfeuchte von 14 g je kg trockener Luft für eine Temperatur von +26°C eine relative Feuchte von 68%. Ein Feuchtefühler, meist ein Lithiumchloridfühler, übernimmt die Aufgabe des Taupunktwächters, der bei einer absoluten Luftfeuchtigkeit von mehr als 14 g/kg trockener Luft eine Abschaltung der Fußbodenkühlung veranlaßt. Der vorgenannte, den Außenluftzustand nach einem Sommergewitter repräsentierende Luftzustand tritt statistisch betrachtet äußerst selten auf und ist somit von untergeordneter Bedeutung. Der rasche Feuchteanstieg in der Außenluft wirkt sich jedoch durch die geringen Luftwechselraten auf den Raumluftzustand in einem Gebäude mit großem Raumvolumen nur unwesentlich aus.

Die maßgebliche Feuchtebelastung wird durch die Personen - bei leichter Tätigkeit und einer Raumtemperatur von +26°C ca. 65 g Wasserdampf pro h und pro Person - eingebracht. Diese allmählich abgegebene Feuchte wird durch Lüftung (lüftungstechnische Geräte oder auch Fensterlüftung) abgeführt.

Wird zusätzlich zur reinen Kühlung eine Entfeuchtung der Raumluft (mit einer Lüftungs- bzw. Klimaanlage) vorgenommen, kann die Raumluft insgesamt noch stärker gekühlt und die Wahrscheinlichkeit, in den kritischen Bereich relativer Luftfeuchte zu kommen, minimiert werden. Die Problematik der Tauwasserbildung stellt sich in diesem Anwendungsfall somit nicht.

Bild 4: Insgesamt 17.000 Meter Rautherm-S-Rohr auf Rohrträgermatte verlegt. Deutlich zu sehen sind die Markierungen (violett) zur Abgrenzung der Estrichfelder und Anzeigen der Bewegungsfugen.

Der Fußbodenaufbau: Nichts alltägliches

Die besondere Architektur des Gebäudes hatte enorme Auswirkungen auf die Ausgestaltung der Heizfelder und demzufolge den Bewegungsfugen. Die Begrenzung der maximalen Estrichfeldgröße, entsprechend der DIN 18560 auf 40 m², die dreieckige Architektur mit einer Vielzahl an Versprüngen und die Forderung der Ausbildung spezieller Randzonen, auch im Hinblick auf die Kühlung, machte eine enorme Anzahl aufwendiger Dehnungsfugen notwendig (Bild 4). Um den architektonischen Gesamteindruck, gepaart mit der Einbringung eines Natursteinbodens, nicht mit einer Fülle an Dehnungsfugen zu zerstören, wurde die Ausführung des Fußbodenaufbaus gemäß Bauart C nach DIN 18560 Teil 2 gewählt.

Bild 5: Betonierung der einzelnen Heizestrichfelder.

Danach sind die Heizrohre in einem Ausgleichsestrich eingebettet und die notwendigen Bewegungsfugen normgerecht ausgeführt. Getrennt durch eine Gleitschicht aus PE-Folie wird die eigentliche Lastverteilungsschicht aufgebracht. Die Ausdehnungsfugen für die zweite Estrichschicht können bei dieser Aufbauvariante an das Fliesenraster und den architektonischen Gegebenheiten angepaßt werden (Bild 5).

Als weitere Herausforderung galten die planungstechnisch notwendigen Verziehungen der Medienrohre unterhalb bzw. innerhalb der abgehängten Decke. Für die Montage der Rohre kam die Rohr-Cliphalbschale zum Einsatz, mit der eine Durchbiegung verhindert und die Längenausdehnung der Rohre um bis zu 80% reduziert wird.

Bild 6: Behagliche Wärme im Winter und Kühle im Sommer: Selbstverständliches im Flughafen Hannover-Langenhagen.

Fazit

Die Entlastung in ökologischer und finanzieller Hinsicht hängt nicht zuletzt mit der Nutzung natürlicher Ressourcen zusammen, die praktisch kostenlos zur Verfügung stehen. So erlauben etwa die Bauteiltemperierung und die damit mögliche Dämpfung der Kühllast sowie die Verteilung auf 24 Stunden Betriebszeit einen hohen Anteil des Kühlbedarfs direkt der kühlen Nachtluft zu entnehmen. Ökologisch positiv schlägt ferner die Tatsache zu Buche, daß durch die Verwendung von Wasser statt Luft als Kühl- und Transportmedium ein Großteil der Transportenergie eingespart wird.

Das neue Kühlkonzept beinhaltet im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren erhebliche Sparpotentiale, die eine Anwendung bei weiteren Großobjekten sowohl aus ökologischer als auch wirtschaftlicher Sicht nahelegen (Bild 6).

*) Dipl.-Ing. Hermann Reif, REHAU AG + Co., Abt. Haus- und Gebäudetechnik, Erlangen

B i l d e r : REHAU AG + Co., 91018 Erlangen

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