Zentrale und dezentrale Klimatisierungskonzepte

Eine Fallentscheidung

Die oft gestellte Frage, ob zentrale oder dezentrale Lösungen zur Gebäudeklimatisierung vorzuziehen sind, ist nicht pauschal zu beantworten. Architektonische Gegebenheiten, die Art der Gebäudenutzung, ökologische sowie wirtschaftliche Aspekte und vieles mehr sprechen für das eine oder andere System – oder sogar eine Mischung aus beiden.

Steigende Komfortansprüche sind einer der Gründe, dass Lüftungs- und Klimatisierungskonzepte für Restaurants, Hotels, Veranstaltungshallen und Bürogebäude heute stärker denn je gefordert werden. Neben dem Komfortplus sprechen aber auch harte Faktoren für das Kühlen von Gebäuden: Zum Beispiel hat die Behaglichkeit am Arbeitsplatz wesentlichen Einfluss auf das Wohlbefinden und das Leistungsvermögen der Mitarbeiter. Sie wird charakterisiert unter anderem durch Parameter wie die Temperatur, Feuchte, Luftgeschwindigkeit und Sauerstoffgehalt.

Gute Gründe für die Klimatisierung

Temperaturen von 30°C und mehr führen nicht nur zu Unzufriedenheit bei den Mitarbeitern, sondern beeinträchtigen auch das Leistungsvermögen. Einer Untersuchung zufolge besitzt ein sommerlich leicht bekleideter Mensch bei einer sitzenden Tätigkeit sein Leistungsmaximum bei einer Raumtemperatur von 23°C. Bei 28°C sinkt seine Leistungsfähigkeit bereits um ein Viertel.

Ein Mensch, der seine Arbeit in Bewegung verrichtet, wird 23 °C wiederum als warm empfinden. „Amortisationsrechnungen für eine Klimatisierung sollten daher berücksichtigen, bei welchen physikalischen Luftparametern die optimale Leistungsfähigkeit der Mitarbeiter zu erwarten ist“.
Die Auswahl eines geeigneten Lüftungs- und Klimasystems orientiert sich also in erster Linie an Bedürfnissen der Nutzer sowie an den architektonischen Randbedingungen (besonders bei der Sanierung), Investitions-, Wartungs- und Betriebskosten und an speziellen Aufgaben. Zu den besonderen Aufgaben zählt unter anderem das Herstellen einer bestimmten Luftqualität oder –Temperatur in der Industrie. Beispielsweise um bei mechanischen Messungen oder der hochgenauen Metallbearbeitung die geforderte Präzision zu gewährleisten.

Nutzungsdauerkosten als Grundlage

Wozu ganzheitliche Planung schon immer verpflichtete, was aber erst angesichts deutlich steigender Energiekosten starken Auftrieb bekommt, ist die Berücksichtigung der Nutzungsdauerkosten bei der Systemauswahl. Sie setzen sich aus den Investitions-, Betriebs-, Wartungs- und Reparaturkosten während der gesamten Nutzungsdauer und schließlich der Entsorgung zusammen. Sind Bauherr und Nutzer nicht dieselbe (juristische) Person, entsteht so das erste Spannungsfeld. Während der Bauherr Investitionen gering halten möchte, sind Nutzer, Mieter oder Käufer einer Immobilie eher an niedrigen Betriebs- und Wartungskosten interessiert.

Auch das Thema Energieverbrauch gewinnt vor dem Hintergrund der heute üblichen Architektur an Bedeutung. Zum Beispiel führt der großzügige Einsatz repräsentativer Glaselemente zu höheren Wärme- und Kühllasten als die eher „verschlossene“ Bauweise älterer Zweckgebäude. Ebenfalls zu beachten ist die geringere Wärme-/Kälte-Speicherfähigkeit vieler moderner Gebäude.

Kühllast stieg in den letzten Jahren

Für die Dimensionierung von Klimaanlagen ist außerdem die Raumbelegungsdichte von Belang, die heutzutage höher ist als früher. Bei typischen Bürotätigkeiten gibt eine Person bei 23°C Raumlufttemperatur etwa 120 W Wärmeleistung (VDI 2078, 1996) ab. Bei einer üblichen Raumbelegungsdichte tragen Mitarbeiter damit zu rund einem Fünftel zur Kühllast in einem Büro bei, in Sitzungssälen sogar bis zu zwei Drittel. Was sich im Winter als Vorteil erweist, wird so im Sommer zur Last, die aus dem Raum abgeführt werden muss.
Enormen Kühlbedarf fordert die Bürotechnik: Fast die Hälfte der Kühllast wird durch EDV-Geräte verursacht. So schlägt heute jeder PC inklusive Monitor im Betrieb mit 85 bis 190 W zu Buche, ein Kopierer beispielsweise mit sogar 300 bis 500 W, im Stand-by-Betrieb noch mit 80 bis 200 W.

Anwender können Kühllast senken

Ein erster Ansatz zum Energiesparen liegt also bei den „elektronischen Verbrauchern“: TFT-Monitore kommen mit etwa drei Viertel weniger Strom als ihre Röhren-Pendants aus, Terminals und Thin Clients produzieren weniger Wärme als ein für Office-Aufgaben meist überdimensionierter Durchschnitts-PC. Auch die Anwender haben Einfluss auf den Kühlbedarf, denn sie können nicht benutzte Geräte vollständig abschalten oder manuell zu bedienende Verschattungssysteme verwenden, um die Sonneneinstrahlung zu minimieren. Jedoch neigen die Nutzer eines klimatisierten Gebäudes dazu, eher mehr Leistung von der Klimaanlage zu fordern, statt Verschattungssysteme zu nutzen.

Deshalb sollte die Auslegung der Klimatechnik im Interesse eines verbrauchsoptimalen Verhaltens auch keine großen Reserven haben. Eine Ausnahme bilden Objekte wie Hotels, bei denen ein gewisser Klimakomfort vorausgesetzt wird und bei denen von den Besuchern nicht erwartet werden kann, dass sie selbst Maßnahmen ergreifen, um die Kühllast zu reduzieren. Eine entsprechend (Über) Dimensionierung der raumbezogenen Kühlleistung ermöglicht außerdem, flexibel auf Buchungen einzugehen, ohne stets vortemperierte Zimmer vorhalten zu müssen. Bei einer intelligenten Verknüpfung von Buchungssystem und Regelungstechnik kann so trotzdem der Energieverbrauch reduziert werden.

Passive Maßnahmen zum Kühlen

Zur Bewältigung der Basisheiz- oder – kühllast können auch passive Systeme beitragen, zum Beispiel die Betonkernaktivierung, was aufgrund der moderaten Vorlauftemperaturen zur Effizienz der Gesamtanlage beiträgt. Die energiesparende Bereitstellung eines Teilbedarfs an Kälte und/oder Wärme kann auch durch Erdwärmesonden geschehen.

Eine weitere Maßnahme, die ein energieminimiertes Kühlen des Gebäudes ermöglicht, ist die Nachtauskühlung. Dazu sind in der Regel lüftungstechnische Anlagen notwendig, die bei geeigneten Außentemperaturen in den Abend- und Nachtstunden kühle Luft in die Räume leiten. Bei Abwesenheit des Personals kann dies wirkungsvoll mit höchster Lüfterstufe geschehen. Der Regeneration der thermisch aktiven Gebäudemasse sind jedoch auch witterungsbedingte Grenzen gesetzt. Insbesondere in Innenstadtlagen ist dann an mehreren Tagen im Jahr die Nachtauskühlung alleine nicht ausreichend. Bei den meisten Nutzungsarten sind die genannten passiven Maßnahmen nicht geeignet, um eine Wunschtemperatur oder ein schmales Temperaturband im Gebäude unter allen Lastbedingungen einzuhalten. Sie eignen sich aber, um einen Grundbedarf zu decken. Zu beachten ist die in der Regel träge Reaktion der Systeme, was aber auch gezielt ausgenutzt wird. Ergänzend oder als alleinige Lösung sind daher aktive Komponenten gefordert. Spätestens jetzt beginnt die Diskussion zwischen Architekt, Planer, Bauherr und/oder Generalunternehmer über zentrale oder dezentrale Technik.

Ein Universalrezept gibt es allerdings nicht. Nur wenn alle Beteiligten gemeinsam am Tisch sitzen, kann die projektspezifisch beste Lösung gefunden werden, denn neben den Nutzungsdauerkosten stehen Architektur und Gebäudetechnik in enger Wechselwirkung und viele Konzepte setzen bestimmte architektonische Randbedingungen voraus. Neben den Kosten sind auch lokale, nutzungsspezifische und verordnungsrechtliche Faktoren zu berücksichtigen.

Zentrale und dezentrale Lösungen

Bezüglich der Lüftungs- und Klimatisierungsanlagen ist grob zu unterscheiden zwischen zentralen Raumluftanlagen, dezentralen fassadenorientierten Lösungen sowie Direktverdampfersysteme (Split- oder VRF-Multisplitsysteme, VTF: Variable Refrigerant Flow, variabler Kältemittelstrom). Zentrale Systeme, die eine Lüftung und/oder Klimatisierung vornehmen, können das ganze Gebäude erfassen und stellen einen homogenen Luftzustand her. Die Konzentration der Technik an wenigen Punkten vereinfacht Wartungsarbeiten und oftmals auch die Regelung des Systems. Außerdem ist eine einfache und effektive Energierückgewinnung möglich. Allerdings benötigen zentrale Lüftungs- und Klimaanlagen ein Kanalsystem, um die aufbereitete Luft im Gebäude zu verteilen.

Komplett dezentrale Lüftungslösungen vermeiden hingegen den „Lufttourismus“, aber hier sind mehrere, stark verteilte Einheiten zu warten, und die Mess- und Regelungstechnik fällt meistens in der Gesamtsumme aufwendiger aus, profitiert allerdings von „Wiederholungen“. Dafür ist eine raumbezogene Regelung technisch einfacher zu realisieren und die Nutzer haben direkt auf den Energieeinsatz Einfluss. Bei kleinen Mieteinheiten kann dies von Vorteil sein, zumal die verursachergerechte Abrechnung der Energiekosten möglich ist.

Die dezentral abgegebene Energiemenge lässt sich bei wasserbasierten sowie bei Split- und Multisplitsystemen raum- oder gerätebezogen erfassen, so dass die verbrauchsabhängige Abrechnung mehrteilig vermieteter Flächen möglich ist. Aber auch die für eine zentrale Luftaufbereitung sowie den Transport benötigten Betriebsaufwendungen lassen sich, beispielsweise mit dem „Reales Verbrauchskostenabrechnungssystem für lufttechnische Anlagen“ (RVASL), nutzerspezifisch erfassen und aufschlüsseln.

Problemfaktor Luftansaugung

Bei einer zentralen Lüftungstechnik ist eine optimale Luftansaugung weitgehend unproblematisch zu lösen. Leicht findet sich ein Platz, an dem Regen keinerlei Eintrittsmöglichkeit hat und „saubere“ Luft angesaugt werden kann. Dezentrale Systeme sind von den Gegebenheiten an der Fassade abhängig, müssen also beispielsweise im Sommer auf der Südseite warme Luft ansaugen. Besonders problematisch ist dieses, wenn die Außenluft aus der „am Gebäude haftenden Grenzschicht“ entnommen wird. Hier ist die lokale Temperatur oft deutlich höher als die normale Außenlufttemperatur. Zudem können bei dezentralen Systemen Außenluftfilter leichter feucht werden und dann hygienische Probleme verursachen.

Auch die Wandstärke und –richtung haben bei dezentralen Systemen mehr Einfluss auf das Raumklima. Geeignete Öffnungen in der Fassade oder architektonisch ausgeklügelte Ansaugstrecken können dieses Problem mindern. Doch besteht auch das Risiko des „Luftkurzschlusses“, dass also die verbrauchte Fortluft (teilweise) wieder in den Raum gesogen wird. Was fassadenorientierte Geräte nur unzureichend können, ist die Versorgung innen liegender Räume, etwa von fensterlosen Treppenhäusern, Lager- und Serverräumen oder Teeküchen. Hier sind zusätzliche (zentrale) Lösungen erforderlich. Befürworter dezentraler Lösungen argumentieren häufig, dass die Kanäle zentraler Lüftungsanlagen schwierig zu reinigen sind. Das ist zwar richtig, bei durchdachten Konstruktionen und einer geeigneten Anzahl von Wartungsklappen bleibt der Aufwand aber in einem vertretbaren Rahmen. Denn bei optimalen hygienischen Bedingungen im Zentrallüftungsgerät beschränkt sich das Reinigen der Lüftungskanäle auf ein Minimum.

Bei beiden Systemen zu beachten ist der Brandschutz. Während für zentrale Lüftungsanlagen standardisierte Komponenten zur Verfügung stehen, ist bei Fassadenlösungen in der Regel eher eine projektspezifische Lösung erforderlich, beispielsweise um den Brandüberschlag über die Fassade(nöffnung) zu verhindern.

Kühlen und Heizen auf vielen Wege

War bisher vorrangig von der Lüftung die Rede, steht nun das Heizen und Kühlen von Räumen im Fokus. Bei einer Befragung von ca. 4 600 Personen, wünschen sich rund 85% der Befragten den direkten Einfluss auf das Raumklima, also eine Einzelraumregelung. Die Wunschtemperatur individuell frei wählen zu können, muss also als Grundvoraussetzung für die Akzeptanz der Klimalösung angesehen werden. Es können etwa 21°C im Winter und maximal 25 bis 26°C im Sommer als allgemein akzeptierte Werte gelten, wenn es um das Klimatisieren beispielsweise von Großraumbüros geht.

Das Kühlen oder das Heizen von innen liegenden Räumen ist mit „Fassadengeräten“ nicht gut möglich, weswegen sie bei konzentrierten inneren Lasten, wie Serverräumen, keine Lösung darstellen. Hier bieten sich aber dezentrale Split- oder Multisplitsysteme an. Bei dieser Technik existieren zudem besondere Systemlösungen, die eine Wärmeverschiebung im Gebäude vornehmen können, wenn in der Überganszeit teils Heizen, teilweise Kühlen erforderlich ist. Für Kühlen auf Basis von Kältemitteln sprechen der geringe Leitungsquerschnitt im Vergleich zu wasserbasierten Anlagen sowie die relativ hohe Leistungsdichte der Direktverdampfer. Dagegen stehen die im Gebäude zirkulierende Kältemittelmenge und das Risiko schwierig zu ortender Leckagen im Gebäude.
Wasserbasierte Systeme beziehen ihre Energie in der Regel von zentralen Anlagen (Zentralheizung und Kaltwassererzeuger) und sind sowohl mit Fassadenlüftung als auch mit der zentralen Lüftung kombinierbar. Sie erlauben die individuelle Raumtemperaturregelung, erreichen allerdings nicht die Leistungsdichte der Direktverdampfersysteme.

Mehr Komfort durch Kombination

Besonderen Komfort verspricht die Kombination aus zentraler Lüftung und dezentraler Klimatisierung mit Umluftgeräten. Eine Luft-Wasser-Anlage, das heißt die Kombination aus RLT-Zentralanlage und thermischer Nachbehandlung mittels Wasser führender Sekundärsysteme, wie Kühldecken, Kühlwaffeln oder Fan Coil Units (Gebläsekonvektoren), die die Raumkühlung ohne Kondensation herbeiführen, stellt die nach derzeitigem Stand der Technik komfortabelste Klimaanlage dar.
Mit Strahlung oder im Umluftbetrieb arbeitende (Raum-)Geräte stellen dabei die vom Nutzer bevorzugte Temperatur her. Über die Regelung lässt sich der einstellbare Temperaturbereich begrenzen und auch mit der Anwesenheit verknüpfen. Die erforderlichen Luftgeschwindigkeiten sind meistens gering, so dass weder Zugerscheinungen noch Geräuschbelästigungen zu befürchten sind.
Gerne genommen werden Splitsysteme, wenn hohe Leistungsdichten erforderlich sind sowie bei der Nachrüstung. Denn dann spielen die kleinen, flexibel zu verlegenden Kältemittelleitungen und der Verzicht auf Lüftungskanäle eine große Rolle. Häufig ergänzen die Geräte dann eine bestehende Heizungsanlage und werden nur zum Kühlen verwendet. Bei Neubauten dominieren nach wie vor Systeme mit Zentrallüftung. Und wenn es auf höchsten Komfort ankommt: Die nobelsten Hotels setzen auf eine Kombination von Zentrallüftung und dezentraler Klimatisierung.

Fazit: Wer für ein bestimmtes Anforderungsprofil die beste Lösung finden will, der muss stets eine Fallentscheidung treffen.