Recknagel

Effiziente Flächenkühlung im Krankenhaus

Ein Beitrag von Albrecht Bauke (BeKa Heiz- und Kühlmatten GmbH) und Dirk Erbarth (Hyder Consulting) aus der GI 5/14.

Für den Neubau des Bettenhauses des Städtischen Klinikums Brandenburg wurde der Spagat zwischen Patientenkomfort und Wirtschaftlichkeit mit einer Kapillarrohr-Kühldecke und einem Kälte-aus-Wärme-Konzept gelöst. Bei überschaubaren Investitions- und Betriebskosten für das Krankenhaus profitieren die Patienten insbesondere an sehr warmen Sommertagen von einer stillen, zugluftfreien Kühlung.

1. Ausgangslage

Krankenhäuser dienen in erster Linie dazu, Krankheiten zu heilen und Leiden zu lindern. Dass das allgemeine Wohlbefinden des Patienten in besonderer Weise zur Genesung beiträgt, ist unstrittig. Dieses Wohlbefinden wird auch maßgeblich durch die klimatischen Verhältnisse im Patientenzimmer beeinflusst. Kleine Zimmer, niedrige Deckenhöhen, große Fensterflächen und nicht zuletzt umfangreiche medizinische Apparaturen können die Temperaturen in manchen Krankenhäusern jedoch schnell in unangenehme Bereiche anheben. Patienten können so kaum noch Behaglichkeit empfinden – und dies nicht nur an wenigen Hitzetagen im Jahr.

Vor dem Hintergrund einer viel zitierten Unterfinanzierung im Gesundheitswesen erscheinen Mehrinvestitionen in entsprechende Gebäudetechnik sehr schwierig. In der Folge wird ein Großteil der Patientenzimmer in Deutschland nicht gekühlt. In einigen Kliniken versucht man diesen Spagat durch die Installation von Fancoils in ausgewählten Patientenbereichen zu lösen – eine aus energetischen, wie gesundheitlichen Gründen suboptimale Lösung. Schließlich ist jede luftbasierte Kühlung mit hohem energetischen Aufwand, unangenehmen Zuglufterscheinungen und einer erhöhten Gefahr der Keimausbreitung verbunden.

 

 

Gibt es hier nicht eine raumklimatische Lösung, die sowohl effizient und finanzierbar für das Krankenhaus als auch angenehm für den Patienten ist? Vor dieser Frage standen das Städtische Klinikum Brandenburg als Bauherr und die Hyder Consulting GmbH Deutschland als Planungsbüro für die technische Gebäudeausstattung, als der Neubau des Bettenhauses anstand (Bild 1).

Bild 1: Neugebautes Bettenhaus des Städtischen Klinikums Brandenburg mit Kapillarrohr-Kühldecken in allen Patientenzimmern. (Quelle: BEKA)

Zum Leitbild des Städtischen Klinikum Brandenburg gehört es, alle Leistungen auf das gesundheitliche, geistige und seelische Wohlbefinden der Patienten auszurichten. Ebenso fühlt sich das Klinikum dem Grundsatz der Wirtschaftlichkeit und dem Umweltschutz verpflichtet, die u.a. durch Energieeinsparung und den sinnvollen Einsatz von Ressourcen verwirklicht werden. Vor diesem Hintergrund fiel der Entschluss, den ergänzenden Neubau Ost mit einer effizienten Flächenkühlung auszustatten.

Ursprünglich plante der Bauherr, lediglich in einem kleinen Teilbereich von 300 m² eine Kühldecke einzubauen. Der Rest hätte ungekühlt bleiben müssen. Gute Angebote für Rohbau und andere ausgeschriebene Bauleistungen machten es jedoch möglich, den Patientenkomfort zu erhöhen und alle 152 Patientenzimmer des Neubaus mit insgesamt 4.000 m² Kühldecken auszustatten.

2. Projektplanung und Realisierung

2.1 Kapillarrohrsystem

„Von der Natur lernen“ lautet der Grundgedanke der Kapillarrohrtechnik. Angelehnt an die Wärmeregulierung von Lebewesen mit ihrem Netz aus feinen Adern fungieren die Kapillarrohrmatten im Gebäude als flächige Wärmetauscher.

Kapillarrohrmatten sind Rohrregister aus dünnen Kunststoffrohren (Polypropylen) mit einem Durchmesser von 3 bis 5 mm. Die einzelnen Kapillarrohre liegen in Abständen von 10 bis 20 mm dicht an dicht nebeneinander. Die Kapillarröhrchen werden direkt unter der Oberfläche von Fußboden, Decke oder Wand verlegt und mit kühlem oder warmem Wasser durchströmt. Ähnlich wie bei den Adern unter der Haut werden die vielen Kapillarrohre parallel durchströmt. Dadurch ist eine schnelle Reaktion des Systems mit wenig Energieverlust möglich. Über Wärmestrahlung verteilen sich die Temperaturen gleichmäßig im Raum – ohne Zugluft oder Geräusche. Ein Kapillarrohrsystem benötigt lediglich moderate Vorlauftemperaturen, die nur wenige Grad entfernt von der gewünschten Raumtemperatur liegen. Dieses geringe Delta T sorgt für einen geringen Energieverbrauch der Kühldecke, die dennoch hohe Kühlleistungen von bis zu 90 W/m² erbringt. Im Vergleich zu einer luftbasierten Kühlung verbraucht eine Putzkühldecke mit Kapillarrohrmatten beispielsweise 30 % weniger Energie. Installationskosten und Platzbedarf der Putzkühldecke sind ebenfalls geringer, da sich große Luftkanäle erübrigen.

Kapillarrohrmatten können an allen Raumflächen (Decke, Wand, Fußboden) installiert werden, wobei sich die Decke aus mehreren Gründen als geeignetste Fläche zur Zimmertemperierung empfiehlt. Zum einen steigt die Wärme im Kühlbetrieb auf und kann so direkt von der Kühldecke abgeführt werden. Auch das Heizen durch natürliche Wärmestrahlung von oben kennen wir von der Sonne als angenehm. Zum anderen hat die Decke den bautechnischen Vorteil, dass sie in der Regel bis auf wenige Beleuchtungs- oder Brandschutzeinbauten frei ist und damit groß genug, um den gesamten Raum ungehindert zu temperieren. Durch ihre Flexibilität passen sich die Kapillarrohrmatten an unterschiedlichste Oberflächenstrukturen wie Wölbungen, Dachschrägen oder Deckenauslässe an. Sie bieten somit gestalterischen Freiraum bei allen gängigen Deckenkonstruktionen, egal ob Putz, Metallkassette oder Trockenbau.

2.2 Aufbau

In den ursprünglichen Planungen für das Bettenhaus des Städtischen Klinikums Brandenburg war die Kühldecke nicht vorgesehen. Sie wurde als Komfort-Ausstattung im Rahmen eines Planungsnachtrages eingearbeitet. Zu diesem Zeitpunkt hatte die Architektur wichtige Randgrößen wie die Geschosshöhe bereits festgezurrt. Eine konventionelle Unterhangdeckenlösung war somit nicht mehr möglich und es musste ein System mit besonders niedriger Aufbauhöhe gefunden werden, eben eine Putzkühldecke mit Kapillarrohrmatten. Zudem haben eingeputzte Systeme den Vorteil, dass die vorhandenen Speichermassen des Gebäudes nicht versiegelt werden und eine recht hohe spezifische Leistung bei verhältnismäßig niedrigen Gesamtkosten erzielt wird.

Den Zuschlag für die Ausführung der Kühldecken erhielt die Firma INTEC Versorgungstechnik aus Neubrandenburg, die bereits über Erfahrung mit dem Bau von Kapillarrohrkühldecken verfügt und eine solche beispielsweise im Deutschen Herzzentrum Berlin einbaute.

In den Kühldecken im Städtischen Klinikum Brandenburg kommen BEKA-Kapillarrohrmatten vom Typ K.S15 zum Einsatz. Sie bestehen aus Kapillarrohren mit einer Aufbauhöhe von 3,35 mm, im Abstand von 15 mm. Die Kapillarröhrchen sind mit Verteiler- und Sammlerrohren von 20 mm Durchmesser verschweißt, über die der Zu- und Ablauf erfolgt.

Für eine zügige und einfache Installation wurden die Kapillarrohrmatten vorkonfektioniert und raumspezifisch sortiert auf die Baustelle geliefert. Die just-in-time-Produktion der Matten ermöglicht schnelle Abläufe auf der Baustelle. Mit Einschlagdübeln an der Rohbetondecke fixiert, wurden die Matten mit einer dünnen Putzschicht von etwa 15 mm verputzt.

 

 

 

Bild 2: Die dünnen, eng beieinander liegenden Röhrchen der Kapillarrohrmatte liegen dicht unter der Oberfläche und bewirken eine gleichmäßige Temperaturverteilung. (Quelle: BEKA)

Dadurch liegen die dünnen Röhrchen dicht unter der Oberfläche und können ihre thermische Wirkung direkt entfalten. Der geringe Abstand der Kapillarrohre bewirkt, dass sich die Temperaturen gleichmäßig an der Oberfläche und damit im Raum verteilen (Bild 2). Dies wirkt sich nicht nur positiv auf das Raumklima sondern auch auf den Energieverbrauch aus.

Die Verteiler- und Sammlerrohre, die sich bei der K.S15 auf derselben Mattenseite befinden, sind lediglich aus Brandschutzgründen verputzt. Sie verlaufen im Bereich der Zwischenwände und sind damit gut versteckt.

Bild 3: Montierte Kapillarrohrmatte vor dem Verputzen; mit flexibler, bauseitiger Aussparung für Rauchmelder. (Quelle: INTEC)

Durch die Flexibilität der Matten konnten kleine Aussparungen für die Rauchmelder direkt während der Montage vorgenommen werden, indem einzelne Kapillarrohre ein wenig auseinandergeschoben wurden (Bild 3).

2.3 Kälte aus Wärme – das Energiekonzept

Für die Kältezufuhr schlug das beratende Ingenieurbüro Hyder Consulting eine Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung vor, also einen Verbund aus BHKW zur kombinierten Wärme- und Stromerzeugung und Absorptionskältemaschine, um aus der im Sommerfall nicht benötigten Wärme Kälte zu erzeugen. Der Entwurf beinhaltete auch, diese Anlage als Contracting-Leistung von einem Dritten übernehmen zu lassen und so die Investitionskosten zu senken. Diesem Vorschlag ist der Bauherr gefolgt und hat die Leistung nach einem harten Wettbewerb an die Stadtwerke der Stadt Brandenburg vergeben. Die Stadtwerke haben zu diesem Zweck angrenzend an das Bettenhaus ein eigenes Gebäude mit zwei Absorptionskältemaschinen errichtet. Die Wärme hierfür kommt als Durchleitung aus dem lokalen Fernwärmenetz und damit letztlich aus dem bisher eher schlecht ausgelasteten städtischen (BHKW-)Kraftwerk.

Somit wird Fernwärme, die die Stadtwerke für einige Krankenhausfunktionen ohnehin zur Verfügung stellen müssen, nun auch zur Kühlung im Sommer verwendet. Diese Lösung hat Vorteile für beide Seiten. Die Stadtwerke Brandenburg erzielen eine bessere Wärmeabnahme, das Klinikum profitiert durch einen Sonderpreis von verhältnismäßig günstiger Kälte. Wärme, die das Klinikum zur Kälteerzeugung abnimmt, wird nur mit 40 % der Wärmekosten berechnet.

 

 

 

Bild 4: Kälte-aus-Wärme: Zwei Absorptionskältemaschinen liefern die Kälte für die Kapillarrohr-Kühldecken. (Quelle: BEKA)

Zwei große Absorptionskältemaschinen (Bild 4) mit jeweils 568 KW wandeln das 95 °C heiße Fernwärmewasser in 6 °C kaltes Kühlwasser um. Je nach Bedarf sind eine oder beide Kältemaschinen in Betrieb. Ein nachfolgender Pufferspeicher mit 5.000 l Nenninhalt kann hier einen Teil der Kälte zwischenspeichern. Die Rückkühlung erfolgt über adiabate Rückkühler.

 

 

Bild 5: Jeweils vier Patientenzimmer werden pro Ebene über einen geschlossenen Kreislauf mit Kälte versorgt. (Quelle: BEKA)

An diesen Primärkreislauf schließt sich mit einem zwischengeschalteten Plattenwärmetauscher ein Sekundärkreislauf an, der zu den Kühldecken führt. Ausgehend von der Gebäudestruktur ist die Kühldeckenanlage in 19 Module mit je acht Zimmern unterteilt. Jeweils vier Zimmer werden zusammen über einen Tertiärkreislauf versorgt (Bild 5). Für hohe Anlagensicherheit und Langlebigkeit wurde pro Strang eine Systemtrennung eingeführt. Das heißt, nach den Plattenwärmetauschern werden nur nicht-korrosive Materialien (Polypropylen) verwendet. Dadurch werden Korrosion und Verunreinigung im diffusionsoffenen System verhindert und die Anlage kann mit herkömmlichem Trinkwasser befüllt werden. Weitere Wasserzusätze sind nicht erforderlich.

Die Kühlleistung allein der Kühldecken beträgt etwa 154 kW. Zusammen mit den Umluftkühlern (für Räume mit höherem Kühlleistungsbedarf wie Behandlungs- und Technikräume) und der Raumlufttechnik ergibt sich eine Gesamtkühlleistung des Klinikums von ca. 1,5 MW.

Das Kühldeckensystem ist für Vorlauftemperaturen von 15 °C und Rücklauftemperaturen von 19 °C ausgelegt, bei einer Raumtemperatur von 26 °C. Die zentrale Versorgung läuft mit einer Spreizung von 14/18 °C, da mit diesen Temperaturen ein nicht kondensierender Betrieb der Umluftkühler möglich ist, die mit den Kühldecken an einem gemeinsamen Kreis hängen.

2.4 Regelung, Betrieb

Das Erreichen des Taupunkts muss verhindert werden, um sicherzugehen, dass sich kein Kondensat an der Decke bilden kann. Da im Haustechnikkonzept keine Luftentfeuchtung vorgesehen war, arbeitet die Regelung mit einem geschobenen Sollwert. Die Vorlauftemperatur stellt sich automatisch in Abhängigkeit zum errechneten Taupunkt ein, wobei die Vorlauftemperatur immer um zwei Kelvin höher liegt als die Temperatur, bei der der Taupunkt erreicht würde. Mit dieser Taupunkt geführten Sollwert-Vorregelung wird die Kühlleistung optimiert und ein alternatives (frühes) Abschalten bei Erreichen des Taupunkts und damit ein Ausfall der Kühldecke verhindert.

Die Kühldeckenanlage muss nicht zu einem bestimmten Stichtag an- und wieder ausgeschaltet werden, sondern richtet sich nach der Außentemperatur. Ab einer Außentemperatur von 19 °C wird die Kühldecke automatisch für den bestimmungsgemäßen Betrieb freigegeben, kann also kühlen, sofern an einem der Einzelraumregler die eingestellte, d.h. vom Patienten gewünschte Raumtemperatur überschritten wird. Elektrische Stellantriebe an den Heizkörpern verhindern hier gleichzeitiges Heizen und Kühlen.

Je Patientenzimmer werden 100 m³/h konditionierte Außenluft zugeführt. Selbst in einem Dreibettzimmer reicht dies theoretisch aus, um die Fenster geschlossen zu halten. Eine automatische Blockierung der Kühldecke bei geöffnetem Fenster wurde auf Wunsch des Bauherrn jedoch nicht eingebaut. Sollte durch geöffnete Fenster doch der Taupunkt erreicht werden, so schalten die Taupunktwächter die Kühldecke vorübergehend ab.

3. Fazit und Ausblick

 

 

Bild 6: Putzkühldecken sorgen in allen Patientenzimmern für Behaglichkeit. (Quelle: BEKA)

Im dritten Jahr seit Inbetriebnahme der Kühldecken zeigt sich der Betreiber zufrieden. Die Ausführung der Kühldecken durch die Fachfirma INTEC Versorgungstechnik erfolgte mangelfrei und innerhalb des vertraglich vereinbarten Zeit- und Kostenrahmens. Die Kühldeckenanlage funktioniert seither zuverlässig und nahezu wartungsfrei. Die unsichtbare Kühlung überzeugt auch optisch (Bild 6).

Der Bauherr schätzt insbesondere die zugluftfreie, gleichmäßige Temperierung, die dem Wohle der Patienten dient. Einen Einsatz der Kapillarrohrtechnik insbesondere im Krankenhausbereich kann der Bauherr aus eigener Erfahrung weiterempfehlen und plant hier bereits Veranstaltungen mit anderen Klinikverantwortlichen. Der Energieverbrauch der Kühldeckenanlage selbst kann aus messtechnischen Gründen nicht genau beziffert werden, da auch andere Kälteabnehmer über den gleichen Versorgungskreis laufen. Aufgrund der optimal ausgelegten und eingestellten Deckenkühlung benötigt das Städtische Klinikum Brandenburg insgesamt jedoch weniger Kälte (für Kühldecken und andere Funktionen), als ursprünglich kalkuliert.

Heizen und Kühlen mit einem System

Das Anlagenkonzept aus Absorptionskältemaschinen und Kapillarrohr-Kühldecke zahlt sich für das Klinikum Brandenburg in zweifacher Hinsicht aus. Zum einen sorgen die Kapillarrohr-Kühldecken für eine angenehme, zugluftfreie und hygienische Kühlung der Patientenzimmer. Zum anderen ergeben sich aufgrund der energiesparenden Kapillarrohrtechnik in Kombination mit dem Kälte-aus-Wärme-Konzept Kostenvorteile.

In diesem Objekt werden die Kapillarrohrmatten auf Wunsch des Bauherrn ausschließlich zum Kühlen eingesetzt. Das Heizen erfolgt über konventionelle Heizkörper. Technisch möglich und zunehmend praktiziert wird das Kühlen und Heizen über dieselbe Kapillarrohrdecke. Insbesondere im Ausland, wo es keine traditionelle Gewerketrennung zwischen Heiz- und Kühltechnik gibt, fungiert die Kapillarrohrdecke zunehmend als kombinierte Heiz-Kühldecke. Das spart doppelte Installationskosten und erhöht den Komfort der Nutzer. Beispiele hierfür im Krankenhausbereich sind das Hôpital de Lagny in Marne-la-Vallée (Frankreich), das Hospital de la Santa Creu in Vic (Spanien) sowie das Children and Women’s Mental Health Hospital in Vancouver (Kanada).

Projekt: Städtisches Klinikum Brandenburg, Neubau Ost (Bettenhaus)               

Auftraggeber: Städtisches Klinikum Brandenburg GmbH, Brandenburg an der Havel          

Baukosten: 68 Mio. Euro, davon 22 Mio. Euro Haustechnik

Bauzeit: 2008 – 2012

Architekten: Heinle, Wischer und Partner Freie Architekten GbR, Berlin             

Fachplanung: Hyder Consulting GmbH Deutschland, Niederlassung Halle (Saale) (Leistungsphase 3 bis 8)       

Kühldecke: INTEC Versorgungstechnik GmbH & Co KG, Neubrandenburg       

Kapillarrohrmatten: BeKa Heiz- und Kühlmatten GmbH, Berlin

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