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Die Anforderungen der Flächenkühlung an die Regelungstechnik

Die Anforderungen der Flächenkühlung an die Regelungstechnik

Lesezeit: 6 Min

Wegen des hohen Komforts und der angenehmen Strahlungswärme ist die Flächenheizung über Fußboden, Wand oder Decke im Neubau die am meisten verwendete Art der Wärmeverteilung. Der Marktanteil wächst stetig weiter.

Auch der Bereich Raumkühlung befindet sich im Aufschwung. Eine Schätzung der Europäischen Kommission geht davon aus, dass die Nachfrage nach Gebäudeklimatisierungen in der EU bis 2030 um 70% ansteigen wird. [i]

Da für beide Märkte einzeln bereits ein weiteres Wachstum prognostiziert wird lässt sich ein großes Potential für das 2-in-1 System Flächenkühlung ableiten. Daher wird für die Flächenheizung der Anwendungsfall Kühlen und eine intelligente Umsetzung in Zukunft immer weiter an Bedeutung gewinnen.

 

Die Varianten der Raumkühlung
Klima vs. Flaechenkuehlung

2 Arten der Raumkühlung

Klassische Klimaanlage Flächenkühlung
Konvektion Strahlung
Raumluft gekühlt Oberfläche gekühlt
Energieträger Luft Energieträger Wasser

Vor- und Nachteile der beiden Varianten

Die unterschiedlichen Varianten der Raumkühlung haben natürlich verschiedene Vor- und Nachteile.

1) Die klassische Klimaanlage

  • +  Es lassen sich im Allgemeinen höhere Kühlleistungen erzielen
  • +  Schnellere Temperaturregulierung möglich
  • +  Manche Klimaanlagen können neben der Temperatur auch die Luftfeuchtigkeit mit steuern
  •   Die Konvektion erzeugt einen oft als störend wahrgenommenen Luftzug
  •   Hohe Betriebskosten
  •   Klimaanlage ist sichtbar und hörbar

2) Die Flächenkühlung:

  • 2-in-1 System: Die Infrastruktur der Flächenheizung wird mitverwendet
  • +  Energieeinsparung & Umweltfreundlichkeit: Durch die große Kühlfläche reicht eine deutlich niedrigere Temperaturdifferenz. Ein niedriges Temperaturniveau ist optimal für die Kombination mit regenerativen Energiequellen. Hierdurch sind bei der Gebäudekühlung 50 bis 90% Energie- und CO2-Einsparungen möglich [ii]
  • +  Strahlungseffekt: Für ein gleiches Wärmeempfinden kann die tatsächliche Raumlufttemperatur bei der Flächenkühlung bis zu 3°C höher sein als bei klassischen Klimaanlagen
  • Ästhetik: Wärmeverteilung im Raum praktisch unsichtbar
  •    Taupunktproblematik: die Raumtemperatur kann nicht ohne weiteres beliebig reduziert werden

 

Die Regelung einer Flächenkühlung

Wo die Vorteile der Flächenkühlung genutzt werden sollen, stellen sich einige zusätzliche Anforderungen an die Regelung.

Zunächst muss für den Kühlbetrieb die allgemeine Regellogik invertiert werden. Denn im Kühl-Modus soll ein Raum mit kaltem Wasser beliefert werden, wenn der Raum zu warm ist, und nicht wie im Heizmodus, wenn er zu kalt ist.

Wie bei der Flächenheizung ist auch für die Kühlanwendung eine Einzelraumregelung für maximalen Komfort und Effizienz sinnvoll. Ein Raum auf der sonnigen Südseite muss gegebenenfalls mehr gekühlt werden als ein schattiger Raum auf der Nordseite eines Hauses. Hinzu kommt, dass in vielen Fällen nicht alle Räume gekühlt werden sollen. Beispielsweise ist im Badezimmer eine Kühlung oft unerwünscht. Die Einzelraumregelung sollte dem Anwender daher eine zonenweise Freigabe des Kühlbetriebs ermöglichen.

Außerdem ist es wichtig, dass die Umschaltung von Heizen auf Kühlen im gesamten Heizsystem gleichzeitig erfolgt. Um unterschiedliche Betriebsmodi im System zu vermeiden empfiehlt sich daher eine Regellösung, die z.B. mit der Energiequelle kommuniziert. Wenn eine invertierbare Wärmepumpe als Energiequelle verwendet wird, ist eine gleichzeitige, zentrale Saisonumschaltung sinnvoll.

Für einen effizienten und bedarfsgerechten Betrieb ist auch im Kühl-Modus eine Anforderung der Energiequelle vorteilhaft. Auch hier muss die Regelung dafür ausgelegt sein aus der Heizanforderung eine Kühlanforderung zu machen.

 

Die Taupunktproblematik

Eine besondere Herausforderung bei der Flächenkühlung ist die Gefahr der Taubildung.

Tau (kondensiertes Wasser) entsteht, wenn warme und feuchte Raumluft auf kühle Bauteile trifft.

Es gibt also 3 Faktoren, deren Zusammenspiel entscheidend für eine Taubildung sind:

  1. 1. Raumtemperatur
  2. 2. Luftfeuchtigkeit
  3. 3. Oberflächentemperatur

Die Kombination dieser 3 Parameter, ab der es zur Taubildung kommen kann, wird auch Taupunkt genannt.
In neuen, gut gedämmten Gebäuden kann weniger Luftfeuchtigkeit durch die Wand nach außen diffundieren und es wird schneller eine hohe Luftfeuchtigkeit erreicht. In Kombination mit der kalten Oberfläche der Flächenkühlung kann dies schnell problematisch werden. Besonders wenn man zudem berücksichtigt, dass eine vergleichsweise höhere Raumtemperatur durch die Strahlung der Flächenkühlung komfortabel ist.

Um die Taubildung und die damit einhergehende Möglichkeit der Schimmelbildung zu verhindern können verschiedene Maßnahmen zur Erkennung und Vermeidung getroffen werden.

Taupunktkurve

Taupunktkurve

Taubildung erkennen

Die einfachste Möglichkeit ist, die Vorlauftemperatur beim Kühlen nicht kleiner als 16°C zu stellen. Dies ist jedoch nur ein allgemeiner Richtwert (25°C Luft + 58% relative Luftfeuchtigkeit) und diese Methode ist durch mögliche Schwankungen der Luftfeuchtigkeit äußerst problematisch und keineswegs sicher.

Eine Option zum Erkennen einer Taubildung ist der Einsatz eines Feuchtefühlers bzw. Feuchtewächters. Hierbei wird ein Feuchtigkeits-Sensor z.B. an einem Rohr eingesetzt um zu erkennen, wenn sich Tau bildet. Dies ist eine reaktive Möglichkeit eine Taupunktunterschreitung zu erkennen, nachdem sie erfolgt ist.

Eine proaktive und präventive Möglichkeit eine drohende Taupunktunterschreitung zu erkennen ermöglicht die „Taupunktüberwachung“.

Die Raumtemperatur [°C] und die relative Luftfeuchtigkeit [%] kann über Raumthermostate oder Raumsensoren gemessen werden. Zusätzlich wird die Temperatur [°C] der kalten Oberfläche benötigt. Diese kann zum Beispiel durch Flächenfühler gemessen werden. Eine andere Möglichkeit ist die Messung der Vorlauftemperatur. Hierdurch kann an einer zentralen Stell eine „Worst Case“ Betrachtung vorgenommen werden. Denn die gekühlte Oberfläche kann nicht kühler werden, als das kalte Wasser, das zur Kühlung verwendet wird.

Mit diesen Sensorwerten kann von der Regelung die aktuelle Position auf der Taupunktkurve (siehe Abbildung Taupunktkurve) berechnet werden. Hierdurch kann vorbeugend geprüft werden, ob sich bei den aktuellen Bedingungen Tau bilden kann.

Bei der Kombination mit einer Einzelraumregelung kann neben einer zentralen Messung auch eine raumweise Taupunktüberwachung umgesetzt werden. Hierfür wird in jedem Raum zusätzlich zur Raumtemperatur auch die relative Luftfeuchtigkeit gemessen, um die Lage des Taupunkts für jeden Raum separat zu berechnen. Hierdurch können auch unterschiedliche Bedingungen innerhalb einer Wohneinheit berücksichtigt werden. (In Räumen, indem sich Personen lange aufhalten, steigt die Luftfeuchtigkeit an. Ein Raum auf der sonnigen Südseite hat eine höhere Raumtemperatur als ein Raum auf der schattigen Nordseite.)

Raumweise Taupunktueberwachung

Taupunktüberwachung auf Raumbasis: unterschiedliche Raumbedingungen führen zu anderen Taupunkten

Taubildung vermeiden

Das Erkennen einer Taupunktunterschreitung allein verhindert die Taubildung natürlich noch nicht. Wichtig ist auch die richtige Reaktion darauf.

Zunächst kann durch die Isolierung des Verteilers und der Anbindeleitungen eine bauliche Maßnahme zur Vermeidung von Taubildung vorgenommen werden.

Eine recht einfach umsetzbare Reaktion auf das Erreichen des Taupunkts ist die Abschaltung der Kühlung. Hierdurch werden Schäden im Raum vermieden, dies geht jedoch mit einem Komfortverlust für den Bewohner einher.

Stattdessen kann auch eine „Taupunktkorrektur“ vorgenommen werden. Dabei wird eine Anpassung der Vorlauftemperatur unter Berücksichtigung der Taupunktkurve vorgenommen und es wird nur so stark gekühlt, wie es die aktuelle Situation ohne Taubildung zulässt. Diese Option erfordert eine Einflussnahme der Flächenkühlung auf die Vorlauftemperatur, z.B. über einen Mischer. Dies bietet jedoch einen großen Komfortgewinn, da so jederzeit ein möglichst effektiver und sicherer Kühlbetrieb gewährleistet wird.

°CALEONbox_Clima_System-Bsp

Systembeispiel für eine ganzheitlich geregelte Flächenkühlung

Die Bildung von Tau lässt sich auch durch die Beeinflussung der Luftfeuchtigkeit vermeiden. Das Prinzip ist ähnlich wie bei der „Taupunktkorrektur“, es wird lediglich ein anderer Faktor der Taubildung beeinflusst. Hierfür wird bei der Flächenkühlung ein separater Entfeuchter oder Lüfter benötigt. Bei dieser Lösung kann ebenfalls präventiv und ohne Komfortverlust gearbeitet werden, sie erfordert jedoch ein zusätzliches Gerät mit Kosten-, Platz- und Montagebedarf.

Hinzu kommt: damit ein Lüfter oder Entfeuchter aktiv für die Tauvermeidung genutzt werden kann muss die Regelung der Flächenkühlung diese mitregeln bzw. einen Einfluss auf das System nehmen können.

Zusammenfassung

Man kann davon ausgehen, dass die Bedeutung der Flächenkühlung in Zukunft zunehmen wird. Die Flächenkühlung bietet in Bezug auf Energieeffizienz, Umweltfreundlichkeit und Komfort viele Vorteile. Sie stellt allerdings auch erhöhte Anforderungen an die Regelung.

Eine Hürde auf dem Weg zum Erfolg der Flächenkühlung ist die Lösung der Tau-Problematik. Hierfür existieren bereits Lösungen (Taupunktüberwachung, Taupunktkorrektur, Entfeuchter), die einen schimmelfreien und komfortablen Kühlbetrieb ermöglichen. Wenn diese Lösungen in der Praxis konsequent umgesetzt werden lassen sich so die Vorteile der Flächenkühlung sicher umsetzen und die riesigen Potentiale, die der Wachstumsmarkt Flächenkühlung bietet, realisieren.

[i] https://www.erneuerbareenergien.de/nachhaltige-co2-freie-kaelte
[ii] https://www.zdf.de/nachrichten/heute/wie-klimafreundliche-kuehlung-aussehen-kann-100.html

Marvin Alexander Gellenthin

Über den Autor

Marvin Gellenthin hat nach abgeschlossenem Masterstudium im Wirtschaftsingenieurwesen zunächst Erfahrung im Maschinenbau gesammelt und widmet sich heute der Automatisierung von HVAC-Systemen.

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