Heizen und Kühlen mit Strahlung

Heizen und Kühlen über Bauteile wie Fußboden oder Wand gewinnt stetig an Bedeutung für den Wohnbereich und im Bürogebäude. Bei Neubauten kommt heute fast immer eine Fußbodenheizung zum Einsatz. Die Vorteile der verfügbaren Systeme liegen klar auf der Hand: Niedrige Vorlauftemperaturen in den Heizleitungen ermöglichen eine homogene und angenehme Erwärmung des Bodens – und das kostensparend, da Wärmeerzeuger wie Wärmepumpe oder Brennwertkessel im energieeffizientesten Temperaturbereich betrieben werden.

Allerdings ist es nicht immer möglich oder gewünscht, die Heizlast über die Fußbodenheizung abzubilden. Dies ist zum Beispiel dann der Fall, wenn sich über den Fußboden im Rahmen einer Modernisierung nicht die nötige Aufbauhöhe realisieren lässt oder dieser gar nicht verändert werden soll. In solchen Fällen bieten sich Wand oder Raumdecke zum Einbau einer Flächenheizung oder Flächenkühlung an. Im Rahmen einer umfassenden Sanierung können damit Bestandsbauten mit einem optimalen Raumklima und zuguns­ten eines besseren Wohnkomforts ausgestattet werden.
Haupteinsatzgebiete für Heiz- und Kühldecken sind heute Büro- und Verwaltungsgebäude. Doch auch im Wohnbau werden zunehmend mehr Niedrigenergiehäuser mit dem Ziel der behaglichen Temperierung gebaut – insbesondere in Leichtbauweise. Das Lüften und Entfeuchten von Gebäuden muss in jedem Fall zusätzlich vorgesehen werden. An die Grenzen stößt eine Deckenkühlung nur in Bereichen mit sehr hoher Luftfeuchtigkeit, z. B. Küchen. Bei Bädern kommt es praktisch nie zu Problemen, da erhöhte Temperaturen hier durchaus gewünscht sind und nur in Ausnahmefällen eine Kühlung sinnvoll ist.
Eine Kombination von Deckenheizungen bzw. -kühlungen mit anderen Systemen wie Fußbodenheizungen, Heizkörpern oder Lüftungsanlagen ist grundsätzlich möglich. Dabei sollte die Grundlast idealerweise über Niedertemperaturheizflächen wie die Flächenheizung abgedeckt werden.

Alternative Kühlung über die Decke
Der Einbau in der Decke bietet vor allem für die passive Kühlung über das großflächige und homogene Bauteil systemische Vorteile: Anders als bei herkömmlichen Klimaanlagen, die die Wärme konvektiv mithilfe des Luftaustausches aus dem Raum entziehen, führen Kühldecken die Kühllast überwiegend mittels Strahlung aus dem Raum ab. Zuglufterscheinungen sind durch diesen Prozess ausgeschlossen und die gefühlte Behaglichkeit im Raum nimmt zu. Im Heizfall erfolgt die Wärme­übertragung fast ausschließlich durch Wärmestrahlung mit dem gewünschten Effekt einer hohen Behaglichkeit für den Nutzer.

Leistungsfähigkeit und Behaglichkeit
Die Behaglichkeit ist ein wesentliches Argument für den Einsatz einer Heiz- und Kühldecke. Für den Menschen schafft sie ein subjektives Wohlgefühl, das bei jedem Bewohner sehr individuell ausfällt und von den Faktoren Temperatur, Feuchte und Luftgeschwindigkeit bestimmt wird. Darüber hinaus hat die Empfindungstemperatur einen besonderen Stellenwert. Sie setzt sich zusammen aus dem Mittelwert der Oberflächentemperatur der raumumschließenden Bauteile (also Wände, Boden und Decke) und der Raumlufttemperatur. Ist nun eine Kühldecke verbaut, wird die Oberflächentemperatur der Decke gegenüber der Lufttemperatur leicht abgesenkt. Bei gleicher empfundener Temperatur kann durch den Einsatz einer Kühldecke die Raumlufttemperatur jedoch bis zu 3 K höher ausfallen als beim Einsatz von Nur-Luft-Kühlanlagen. Und dies, ohne dass die geistige Leistungsfähigkeit der Nutzer abnimmt.
In wissenschaftlichen Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass die Konzentrations- und Leistungsfähigkeit sehr stark von der Raumtemperatur abhängt. Kühldeckensysteme können also ein Raumklima schaffen, welches subjektiv das Wohlbefinden steigert und objektiv die Leistungsfähigkeit unterstützt. Beim Einsatz einer Deckenkühlung gibt es zudem keine Wartungskosten, wie sie bei Klimaanlagen zur Sicherstellung der Lufthygiene anfallen.

Verwandtschaft mit der Flächenheizung
Das Funktionsprinzip einer Kühldecke ähnelt dem einer Fußbodenheizung. Sie besteht ebenfalls aus einem Rohrsystem, das jedoch in oder unter der Rohdecke verlegt wird. Je nach Ausführung werden die wasserführenden Rohre an der Oberfläche mit einem vollflächigen Deckenputz versehen, der die Wärme – bzw. bei einer Kühldecke die Kälte – im Raum verteilt.
Ein weiteres Prinzip ist die Verlegung im Trockenbau. Verbaut werden hier meist Systeme, die aus den wasserführenden Komponenten sowie darauf abgestimmte Oberflächen aus Gipskarton bestehen. Darüber hinaus kommen vor allem in Bürobauten Produkte zum Einsatz, bei denen die Kühlrohre auf Metallbleche appliziert sind und die in ein vorgegebenes Deckenraster eingebaut werden.
Grundsätzlich unterscheiden sich die genannten Konstruktionen kaum in ihrem Funktionsprinzip. Allen gemein ist, dass die Rohre von Wasser mit einer Temperatur von ca. 16 °C durchflossen werden. Die Oberflächentemperatur der Decke liegt damit stets wenige Grad unter der Raumlufttemperatur. Alle wärmeren Flächen wie Wände, Fenster, wärmeabstrahlende Elektrogeräte, aber auch Personen im Raum, geben Wärme an die Kühlfläche ab. Allein ein im Raum ruhig sitzender Mensch gibt je nach Konstitution und Körpergewicht zwischen 60 und 100 W Wärmeleistung ab. Der Wärmeanfall wird über die Decke vom Wasser aufgenommen und abgeleitet.

Wärme- und Kälteerzeuger
Als Wärmeerzeuger stehen Brennwertgeräte, Wärmepumpen oder Hybridanlagen zur Wahl. Für die Kälteerzeugung sind Wärmepumpen ideal. Zum einen bietet der Markt Sole/Wasser-Wärmepumpen, deren Wärmequelle (Erdreich) im Sommer zur „Kältequelle“ wird. Und zum anderen gibt es reversible Luft/Wasser-Wärmepumpen: Bei ihnen ist der Kältekreislauf umkehrbar, sodass sie im Sommer das Gebäude kühlen können. Bei der Gebäudekühlung mit Wärmepumpen wird zwischen passiver und aktiver Kühlung unterschieden. Den Hauptunterschied beider Systeme stellt dabei der Betrieb mit (aktiv) bzw. ohne (passiv) Verdichter der Wärmepumpe dar.
Die Vorlauftemperaturen im Heizfall liegen im Allgemeinen bei maximal 35 °C. Im Kühlfall sollten die Vorlauftemperaturen 17 – 15 °C nicht unterschreiten. Die max. Oberflächentemperatur bei Heizdecken richtet sich nach energetischer, ergonomischer, normativer und aus technischer Sicht nach den relevanten Normen. Daraus geht eine maximale Oberflächentemperatur von 29 °C hervor, die im Wesentlichen aus Behaglichkeitsaspekten resultiert. Beispielsweise könnten die Systemtemperaturen bei 35/28 °C liegen. Zwischen Wasser, Metall und Oberfläche ist dann aufgrund des Wärmeübergangswiderstands eine Temperaturminderung zu erwarten, sodass die normativ geforderte maximale Oberflächentemperatur von 29 °C eingehalten werden kann.

Bestimmung der Heiz- und Kühlleistung
Die Heizleistung in W/m2 wird nach DIN EN 14 037 bestimmt, die Kühlleistung nach DIN EN 14 240. Mögliche Heiz- und Kühlleis­tungen unterscheiden sich dabei stark je nach der gewählten Konstruktionsart. Nach DIN EN 14037 liegt die Heizleistung bei flächigen Systemen zwischen 60 und 110 Watt/m2, bei konvektiven Systemen wie Lamellendecken zwischen ca. 100 und deutlich über 150 W/m2. Die Auslegung von Heiz- und Kühldecken wird vor allem durch die VDI 6034 und die DIN EN 1264 beschrieben.
Nach DIN EN 14240 liegt die Kühlleis­tung meist leicht unter den oben genannten Werten für die Heizleistung. Beide Leis­tungsdaten beziehen sich auf die reine Kühlregisterfläche, nicht auf die Raumgrundfläche.

Montageunterstützung
Bei der Montage von Heiz- und Kühldecken sind die Herstellerrichtlinien genau zu beachten. Es empfiehlt sich die Zusammenarbeit mit dem technischen Service des Herstellers oder auch die Beauftragung eines spezialisierten Montage­­unternehmens im Rahmen des Gesamtauftrages. Die Abstimmung mit anderen Gewerken wird in der Schnittstellenkoordination des BVF (Bundesverband Flächenheizungen und Flächenkühlungen) auch für Deckensysteme ausführlich behandelt und ist beim Verband erhältlich.

Effektivität in der Wärmeableitung
Die wesentlichen Unterschiede der Systeme im Trockenbau, als Nass-System im Deckenputz oder als Metallkühldecke liegen vor allem in der Effektivität bei der Wärmeableitung. So führen Metallkühldecken mehr Wärme ab als ein System im Trockenbau: Die metallische Oberfläche ermöglicht höhere Kühlleistungen als eine Gipskarton- oder Putzoberfläche, denn die Leitfähigkeit von Metall ist höher als die von Gips oder Kalkzementputz. Dies kann z. B. bei öffentlichen Gebäuden oder Bürogebäuden mit erhöhter Kühllast hilfreich sein.
Um eine möglichst hohe Kühlleistung zu erreichen, werden seitens der Systemhersteller konstruktive Besonderheiten, z. B. ein D-Rohr oder spezielle Wärmeleitprofile, eingebracht. Ein nach dem Prinzip D-Rohr abgeflachtes Kupferrohr, aufge­bracht auf der Metalldeckenplatte, erhöht zum Beispiel die Auflagefläche des Rohres und damit die effektive Oberfläche zur Wärmeableitung. Wärmeleitprofile verbessern und steuern die Wärmeleitfähigkeit der Systeme, manche Systeme vergrößern darüber hinaus die nutzbare Oberfläche.
Die Raumdecke für die Kühlung zu nutzen, entbindet aber nicht von den Regeln und Vorgaben der DIN. Für den Einbau der Systeme gelten ähnliche Bedingungen wie bei einer Fußbodentemperierung. Die DIN EN 1264 regelt dabei sowohl die Nass- als auch die Trocken­bausysteme für Decke und Wand. Der BVF stellt in seinen Informationsschriften zur Installation von Flächenheizungen und Flächenkühlungen in Bestandsgebäuden und Neubauten sowie in den Broschüren zur Schnittstellenkoordination alle Anforderungen heraus und gibt zahlreiche Hinweise zur korrekten Planung und Ausführung. Hersteller und System lassen sich unabhängig vom vorhandenen oder gewünschten Deckenaufbau wählen.

Fazit
Noch finden konventionelle Kühlsysteme auf der Basis von Konvektion und Wärmeentzug durch den Luftaustausch breite Anwendung im Wohn- und Gewerbebereich. Doch ist die Kühlung über die Decke, vor allem im Bestand und bei der ergänzenden Kühlung in warmen Sommermonaten, eine Alternative dazu. Die spürbare Verbesserung des Wohlbefindens und die nachgewiesene Unterstützung der geistigen Leistungsfähigkeit sowie das Fehlen von Zugluft sprechen für ein Deckenheiz- und -kühlsystem. Der BVF und seine Mitglieder bieten daher für Planer und Verarbeiter Informationen zu den Vorteilen und Einsatzmöglichkeiten von Heiz- und Kühlsystemen an Boden, Wand und Decke.

Autoren:
Axel Grimm, Geschäftsführer des BVF (Bundesverband Flächenheizungen und Flächenkühlungen), Hagen
Christoph van Wüllen,Vertriebs- und Projektmanager bei Lindner Group, Arnstorf

Bilder: BVF