FWU Ingenieurbüro GmbH
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FWU Ingenieurbüro GmbH – Fachthemen

:: Quelllüftung und Strahlungsheizung – die ideale Kombination für Hallen und große Räume

Auf dem Campus Jahnallee gegenüber dem Leipziger Zentralstadion ist die sportwissen­schaftliche Fakultät mit Sporthallen, Instituten und einem Schwimmhallen­komplex untergebracht. Ein Großteil der Gebäude ist in den 50er Jahren als Deutsche Hochschule für Körperkultur errichtet worden und steht unter Denkmalschutz. Unter der Leitung des SIB Leipzig wurde in den letzten Jahren ein umfassendes Sanierungsprogramm durchgeführt. In 2009 bis Anfang 2011 wurde FWU mit der energieeffizienten Sanierung einer Reihe von Sporthallen beauftragt.

Im Bestand waren die Hallen mit Lüftungsanlagen ausgerüstet, welche im Wesentlichen der Heizung dienten. Hierfür wurden große Luftmengen benötigt. Trennt man Heizungs- und Lüftungsfunktion, ist die Beschränkung auf den physiologisch erforderlichen Luftwechsel möglich. Wird die Luft über Fußboden laminar und isotherm zugeführt, bildet sich eine ziemlich stabile, bodennahe Frischluftschicht aus, welche erst durch Wärmequellen (Sportler, Heizflächen in Fußbodennähe) in eine vertikale Strömung übergeht. Bei dieser als Quelllüftung bezeichneten Lüftungsart wird ausschließlich der Aufenthaltsbereiches temperiert oder klimatisiert. Die Luft oberhalb des Aufenthalts­bereiches wird nicht mehr konditioniert.

Wird der Transmissionswärmebedarf durch eine Strahlungsheizung gedeckt, tragen weitere Kriterien zur effizienten Energieanwendung bei:

  • Steiles vertikales Temperaturprofil mit wenig Übertemperatur an der Hallendecke
  • Höhere Empfindungstemperatur der Strahlungswärme (1 bis 2 K über herkömmlichen Heizflächen mit Konvektionsanteil).

Beide Techniken ergänzen sich unserer Auffassung nach ideal.

Mischlüftung 1

Mischlüftung und Luftheizung vor der Sanierung

Mischlüftung 2

Quelllüftung und Deckenstrahlheizung nach der Sanierung

:: Deckenstrahlheizung im Hörsaal?

In Bezug auf unser vorangegangenes Beispiel stellte sich die Frage, ob die energieeffiziente Strahlungsheizung auch in einem Hörsaal von den Nutzern als behaglich empfunden wird. D.h., entsprechend DIN EN ISO 7735¹ war zu klären, ob die Temperaturunterschiede der Halbräume oberhalb und unterhalb der „Kopfebene“ eine Überschreitung des Wertes von 5 K erwarten lässt. Dieser Grenzwert wurde durch systematische Untersuchungen ermittelt. Oberhalb wird die strahlende Fläche als störend empfunden. Das Problem ist aber, dass mit der uns bekannten Auslegungssoftware für Heizflächen keine Untersuchungen zur Strahlungsasymmetrie durchgeführt werden können. Wir waren auf der Suche nach einem entsprechenden Simulationsmodell und wurden im „Dynamischen Raummodell zur wärmetechnischen und wärmephysiologischen Bewertung“ von Prof. Bernd Glück² fündig. Es können alle bauliche Umschließungsflächen, Fenster, Türen, aktive Heizflächen und auch die Wärmeabgabe von Personen oder Geräten detailliert berücksichtigt werden. Es wurden mehrfach die Eingangsbedingungen variiert und letztendlich die Anordnung mit zwei zusätzlichen Wandheizflächen vorgesehen. Die Beurteilung der Strahlungsverhältnisse erfolgt mittels der Prüfmodellebene (h = 0,8 m) im festgelegten Raster, siehe Abbildung.

Deckenstrahlheizung

Die maximale Strahlungsasymmetrie wurde im Auslegungsfall mit 4 K ermittelt, so dass die Deckenstrahlheizung - entsprechend modifiziert - so geplant werden kann. Die nicht ganz leicht handhabbaren Excel-Tools lassen umfangreiche Untersuchungen zu - bis hin zur Abbildung von instationären Vorgängen.

¹ Ergonomie der thermischen Umgebung - Analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und des PPD-Indexes und Kriterien der lokalen thermischen Behaglichkeit (ISO 7730:2005); Deutsche Fassung EN ISO 7730:2005

² http://berndglueck.de/raummodell.php

:: Hörsaal Süd der Universität Leipzig Camps Jahnallee mit Deckenstrahlheizung

Genau die in der vorangegangenen Mittelung theoretisch untersuchten Zusammenhänge durften wir im Auftrag des SIB Leipzig II auch praktisch "ausprobieren".

Der Bestandshörsaal wurde in zwei, multivalent nutzbare Hörsäle unterteilt. Bei der Beheizung kam eine Deckenpaneelheizung zum Einsatz. In die denkmalgeschützte Holzrasterdecke wurden graphitgebettete Hochleistungs- Heizpaneelelemente eingesetzt, welche die Strahlungswärme besonders günstig emittieren. Die Behaglichkeit wurde mit einer im Rahmen der Vorplanung erstellten Simulationsrechnung nachgewiesen. Die Raumlufttechnische Anlage wurde auf Quelllüftung umgerüstet. Die Zuführung in Bodennähe erhöht die Behaglichkeit im Sommer durch natürliche Befeuchtungs­kühlung und unterstützt im Winter ideal die Deckenstrahlheizung. Durch die höhere Effizienz der Quelllüftung konnten die Volumenströme am RLT-Zentralgerät gesenkt werden.

Deckenstrahlheizung und die modifizierte Lüftungsanlagen funktionieren seit 2012 zur vollsten Zufriedenheit des Nutzers.

Hörsaal Süd

:: Simulationsrechnung sommerlicher Wärmeschutz

Auf dem Campus Jahnallee halten neben der Fakultät Sportwissenschaften die Erziehungswissenschaften Einzug. Für die Komplettsanierung Haus 3 wurde die detaillierte Beurteilung des sommerlichen Wärmeschutzes im Rahmen der Vorplanung erforderlich. Das Gebäude wurde im Ensemble der ehemaligen DHFK in den 50er Jahren errichtet und steht unter Denkmalsschutz. Es hat eine große Front zur verkehrsreichen Jahnallee und eine große Südfront. Es wurde eine dynamisch- thermische Simulationsrechnung nach dem Übertemperaturgradstunden- Verfahren entsprechend DIN 4108-2 durchgeführt. Zur Ermittlung der operativen Raumtemperaturen wurden stündliche Klimadaten des Testreferenzjahres 2011 für den Standort herangezogen. Bei der Ermittlung der Wärmelasten wurden unter anderem differenzierte Betriebs- und Nutzungszeiten, reale Belegungsprofile und anlagenspezifische Details, wie z.B. RLT- Anlagenbetrieb mit Freier Nachtlüftung berücksichtigt.

Kriterium für den sommerlichen Wärmeschutz ist die Anzahl der Nutzungsstunden oberhalb einer Raumtemperatur von 26°C, welche raumweise ermittelt worden.

Mit der Simulation konnten wichtige Fragen geklärt werden, z.B. "Ist eine ausschließliche adiabate Befeuchtungskühlung zur Einstellung der Behaglichkeitsgrenzwerte ausreichend?" oder "Was passiert, wenn man auf der Nordseite auf eine Kühlung verzichtet?"

Aus unserer Sicht ist der Nutzen bei der Erstellung von Gebäudekonzepten und der Gebäudeplanung sowohl für den Bauherrn als auch für den Planer sehr hoch und es lassen sich praxisrelevante Details frühzeitig klären.

Temperaturstatistik

Temperaturstatistik eines Raumes