IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 15/2004, Seite 60 ff.

KLIMATECHNIK

Überschlägige Bestimmung der Kühllast

zur Auswahl von Einzelklimageräten

Dipl.-Ing. Claus Ihle

Schon seit Jahren zeichnet sich ab, dass in vielen (auch in großen Gebäuden) die dezentrale Klimatisierung auf Kosten von Zentralanlagen zugenommen hat, insbesondere in Büro-, Hotel- und Verkaufsräumen, gewerblichen Räumen, Praxen, Labors u.a. Der Beitrag folgt diesem Trend und zeigt auf, wie man annähernd die Geräteleistung (Kühlleistung) anhand eines Auslegungsbogens bestimmen kann.

Damit die einzelnen Kühllastanteile etwas differenzierter und genauer ermittelt werden können, wurden jeweils wesentliche Erläuterungen angefügt. Eigentlich müssten die einzelnen Zahlenwerte mit einer bestimmten Bandbreite angegeben werden, da die jeweiligen Einflussgrößen z.T. sehr stark objekt- und nutzungsabhängig sind.

 

Bild 1: Übersicht über Einzelklimageräte.

Angaben zum klimatisierenden Büroraum (Raum 1):

  1. Raum 2 und 3 sowie die über Raum 1 liegenden Aufenthaltsräume sind nicht klimatisiert.
  2. Die Raumtemperatur soll etwa 26 - 27°C betragen, bei einer Außentemperatur von etwa 32°C. Die relative Feuchte kann innen mit = 50% und außen mit 40% angesetzt werden (Lüftungsbedarf).
  3. Die Raummaße sind in Bild 2 eingetragen, die lichte Höhe beträgt 2,6 m.
  4. Umfassung: Fenster jeweils 2 m x 1,4 m, Balkontür 0,9 m x 2,1 m, Außenjalousie; Außenwand: Massivbauweise ohne Wärmedämmung; Innenwände Leichtbauweise nicht gedämmt.
  5. Annahmen für Beleuchtung 15 W/m2, für einen PC 150 W.
  6. Personenzahl schwankt zwischen 3 und 5 Personen (Mittelwert annehmen).

 

Bild 2: Klimatisierung eines Büroraumes.

Hinweise zum Formular und zu den Ergebnissen:

Zu 1) Je nach Himmelsrichtung werden alle Fenster, verglaste Außentüren und horizontale Oberlichter in Abhängigkeit von Himmelsrichtung und Sonnenschutz berücksichtigt. Nur der höchste Wert (Produkt) wird eingetragen, während die anderen Werte - entsprechend reduziert - in Punkt 2 berücksichtigt werden. Liegen Fenster unmittelbar in zwei benachbarten Himmelsrichtungen beieinander (z.B. Süd und Südwest) sollen beide Werte berücksichtigt werden. Entscheidend sind auch der effektive Glasanteil, die Qualität und Bedienung der Sonnenschutzeinrichtungen sowie die vorhandenen Beschattungen.

Zu 2) Hier sind alle übrigen Glasflächen einzusetzen, die unter 1 nicht berücksichtigt wurden. Es sind dann in der Regel Glasflächen, bei denen im Wesentlichen nur die diffuse Sonnenstrahlung berücksichtigt wird.

 

Bild 3: Ermittlung des Außenluftvolumenstroms (Lüftung) aufgrund einer Kühllast- bzw. Kühlleistungsangabe je Person (siehe Beispiel unter Punkt 6).

Zu 3) Hier handelt es sich um die Außenflächen (Wände), die dieselbe Himmelsrichtung aufweisen wie die bei den unter 1 erfassten Glasflächen. Mit der Bauweise (massiv, leicht) soll vor allem die Speicherwirkung und deren Auswirkungen, wie Dämpfung und zeitliche Verzögerung, berücksichtigt werden. In der Regel werden die Maximalwerte erst viele Stunden später (u.U. erst Nachts) im Raum wirksam. Die Zahlenwerte bei Außenwänden machen deutlich, dass die Kühllast - vor allem bei der Massivbauweise - nicht entscheidend beeinflusst wird. Zu beachten sind allerdings die hohen Werte bei Dächern (siehe Punkt 5). Wegen den zahlreichen Einflussgrößen der Bauteile wie z.B. Dichte, Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität, Abmessungen, Anordnung der Wärmedämmung, Hinterlüftung u.a. kann es sich nur um pauschale Anhaltswerte handeln.

Zu 4) Bei diesen nicht der Sonne ausgesetzten Außenflächen gelten im Prinzip die Anmerkungen unter Punkt 3. Hier wird im Wesentlichen nur die diffuse Sonnenstrahlung berücksichtigt.

 

Tabelle 1: Formular zur Bestimmung der überschlägigen Kühllastberechnung bzw. Geräteleistung mit Beispiel für Raum entsprechend Bild 2.

Zu 5) Durch den völlig anderen Sonneneinfluss (Einfallswinkel, Einstrahldauer, Strahlungsintensität) sind bei Dächern wesentlich größere Werte als bei den Außenwänden anzusetzen. Bei Decken zu angrenzenden nicht ausgebauten Dachgeschossen hängen die Werte vor allem davon ab, ob der Dachraum durch Öffnungen belüftet wird oder nicht. Der Fußboden über Kellerräumen oder an das Erdreich angrenzende Flächen werden nicht berücksichtigt. In der Regel liegt hier sogar ein "Kältegewinn" mit Temperaturdifferenzen von -4 bis -6 K vor. Auch Flächen zu klimatisierten Nebenräumen werden nicht berücksichtigt.

Zu 6) Bei diesem Faktor muss man unterscheiden, ob nur die Gesamtwärmeabgabe je Person (sensibel und latent) oder ob zusätzlich noch ein Lüftungsbedarf berücksichtigt werden soll. In beiden Fällen handelt es sich nicht mehr nur um eine Wärmelast (sensible Wärme), sondern auch um eine Entfeuchtungslast (latente Wärme), die beide ebenfalls vom Kühler abzuführen sind ("Kältebedarf" je Person).

Aufgrund der im Formular angegebenen Kühllast pro Person kann man den zugrunde gelegten Außenluftvolumenstrom und den außenluftbezogenen Luftwechsel bestimmen. Vergleicht man die Angabe im Formular (hier 150 W mit der Angabe nach Tabelle 3 mit 115 W) verbleiben für die Lüftung (sensibel und latent) 35 W.

Nach Bild 3 gilt dann:

Wollte man eine Mindestluftrate von 25 m3/(h · Pers.) mit einem Lüftungsgerät zugrunde legen, müsste man anstatt 150 W etwa 200 W einsetzen. Diesen Wert (sogar etwas höher) müsste man auch annehmen bei leichter körperlicher Arbeit und ohne Berücksichtigung der Lüftung (Außenluftzufuhr). Ausgehend von den 10,7 m3/(h · Pers) ist das, bezogen auf die 4 Personen und 104 m3 Rauminhalt, ein auf die Außenluft bezogener Luftwechsel von 10,7 · 4/104 = 0,4 h -1, ein geringer, aber noch akzeptabler Wert.

Bezieht man die 150 - 115 = 35 W auf die Grundfläche, erhält man 35 W/Pers · 4 Pers./40 m2 = 3,5 W/m2, ein Wert, der in manchen Formblättern 2-3 mal höher angesetzt wird und der in manchen Räumen (Versammlungsräumen, Konferenzräumen u.a.) auch berechtigt ist.

Ein Luftaustausch durch offene Türen zu Nebenräumen hängt von der Druckdifferenz zwischen beiden Räumen ab.

Zu 7) Hier handelt es sich um die Aufnahmeleistung aller elektrisch betriebenen Einrichtungen, wie z.B. Leuchten, EDV-Geräte, Motoren von Maschinen, Apparate u.a. Diese Wärmegewinne werden - je nach Intension - sehr unterschiedlich beurteilt. Grundsätzlich zeigen jedoch die Wärmeleistungen bei Geräten eine fallende Tendenz, sodass hierfür Werte von 10 W/m2 in Büroräumen oft unterschritten werden. Keinesfalls darf man bei Maschinen oder EDV-Technik die installierte Leistung zugrunde legen. Hier müssen nämlich einige Reduktionsfaktoren berücksichtigt werden, wie z.B. Gleichzeitigkeitsfaktor, Effektivfaktor (Nennleistung stimmt mit der effektiven Leistung nicht überein), Restwärmefaktor (Anteil der im Aufenthaltsbereich frei wird) und Abwesenheitsfaktor der Mitarbeiter. Nimmt man bei Letzterem 0,8 und bei den übrigen 0,7 an, dann wäre es z.B. bei 400 W Installationsleistung nur eine effektive Kühllast von 109,6 W.

 

Bild 4: Kühlleistung bei verschiedenen Innen- und Außentemperaturen.

Anhaltswerte für PC: bei 150 W und 14 m2/Person etwa 10...12 W/m2. Auch bei der Beleuchtung konnte durch moderne Lampen/Leuchtentechnik die Kühllast reduziert werden. Anhaltswerte: 10...15 W/m2; vor 20 Jahren hatte man noch den 3 - 4fachen Wert zugrunde gelegt. In VDI 2078 bzw. DIN 5036 werden Leistungsangaben in Abhängigkeit der Beleuchtungsstätte (lux), Gleichzeitigkeit, Lampenart usw. angegeben, erfahrungsgemäß vielfach zu hoch.

Zu 8) Dieser Zahlenwert (Summe der Pos. 1 bis 8) ist die Grundlage für jede Geräteauswahl. Dabei handelt es sich nicht um die sensible Kühllast, sondern um die Kälteleistung der zu wählenden Geräte, da - wie unter Punkt 6 erläutert - bei den Personen sowohl auch die latente Wärme (Entfeuchtung) und der Kühlbedarf für die Lüftung berücksichtigt wird.

Falls andere Temperaturen zugrunde gelegt werden als = 35°C, = 27°C (nach ISO 5151), kann die dadurch veränderte Kühlleistung anhand Bild 4 ermittelt werden. Beispiel: bei = 32°C und = 26°C wäre eine Übereinstimmung und bei = 25°C nur ca. 95% der Kühlleistung erforderlich.

Erfahrungsgemäß kann die Summe aller Kühllastanteile um 10-25% reduziert werden, je nach der Laufzeit der Geräte, Speichervermögen der Umfassungsflächen, Gleichzeitigkeit (z.B. maximaler innerer Kühllastanteil fällt nicht mit maximaler Außentemperatur zusammen oder die Werte für Dach- und Wände nicht mit denen der Geräte usw.), Beschattung durch Nachbargebäude, Bäume, Nutzerfrequenz u.a. Der stärkste Einfluss auf den Prozentsatz wird durch die Laufzeit des Gerätes und Einbeziehung des Speichervermögens der Umfassungsflächen, durch das gleichzeitige Zusammentreffen der Kühllastanteile und durch die Anwesenheit der Personen bewirkt. Bei der Geräteauswahl sollte dies grundsätzlich berücksichtigt werden.

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