Themenbereich Kältetechnik

Der Einsatz von Freien Heizflächen für die Kühlung von Räumen unter sommerlichen Bedingungen ist derzeit eine in der Praxis kaum anzutreffende technische Lösung. Der nachfolgende Artikel von Dr. André Kremonke und Dr. Ralf Gritzki von der TU Dresden möchte den aktuellen Stand der praktischen und theoretischen Erkenntnisse hierzu zusammenfassen.

Der Beitrag ist zuerst in der GI 3/17 erschienen.

1. Motivation

Die Vorlesungen von Prof. Günther Kraft (Anmerkung der Redaktion: Prof. Dr.-Ing. habil. Günther Kraft, der gerade seinen 90. Geburtstag gefeiert hat, hat das Fachgebiet der Technischen Gebäudeausrüstung an der TU Dresden über viele Jahre maßgeblich geprägt. Ihm hat die GI-Redaktion die GI 3/17, ein Sonderheft zur DRESDNER SCHULE gewidmet.) waren stets von anschaulichen praktischen Bezügen geprägt. Im Kontext dieses Beitrages erinnern sich langjährige Mitarbeiter an die Vorlesung „Heizungstechnik“, in der Prof. Kraft auf die in Japan genutzte Möglichkeit der Kühlung über Freie Heizflächen verwiesen hat. Die Vorlesungen nahmen häufig auch auf Nebeneffekte des behandelten Themas Bezug, wodurch die Hörer zu einer erweiterten Betrachtungsweise motiviert wurden. Im Fall der kühlenden Heizflächen war es u.a. die Betrachtung einer möglichen Taupunktunterschreitung. Hier verwies Prof. Kraft auf die in Japan praktizierte pragmatische Lösung, die im Auffangen und Abführen des entstehenden Kondensates besteht.

Im europäischen Raum ist die Kühlung über Freie Heizflächen weitestgehend unbekannt. Obwohl für die sommerliche Raumkühlung die Nutzung einer ohnehin benötigten Heizungsanlage mit Hinblick auf die Investitions- und Betriebskosten besonders interessant erscheint, wird die Vorstellung einer solchen Lösung nicht selten ablehnend und mit einiger Skepsis betrachtet. Dabei wird auf die vergleichsweise geringe Kühlleistung der Freien Heizflächen und die „Gefahr“ der Kondensatbildung verwiesen. Praktische Untersuchungen wurden bisher nur in sehr begrenztem Umfang und eher unter laborähnlichen Bedingungen durchgeführt (vgl.[13]). Für Prof. Richter als Nachfolger im Amt des Lehrstuhlinhabers war es bezeichnend, unvoreingenommen auch solche Themen aufzugreifen, für die nicht gleich eine breite Zustimmung zu erwarten ist und dafür auch die erforderlichen Partner zu gewinnen. So wurden die Vorhaben zur sommerlichen Raumkühlung [12], [15], initiiert, in denen auch die Kühlung über Freie Heizflächen einer detaillierten Analyse zugeführt werden konnten. Hierzu zählen vor allem Untersuchungen zur Wirkung

• von Auftriebskräften auf die wasserseitige Durchströmung von Freien Heizflächen im Kühlfall,
• kühlender Freier Heizflächen auf die Raumluftströmung und
• kühlender Freier Heizflächen in Bezug auf die sich einstellende thermische Behaglichkeit.

Bei diesen Untersuchungen kamen die Methoden

• der gekoppelten Anlagen-, Gebäude- (TRNSYS-TUD [10]) und Strömungssimulation (ParallelNS [9]) in Verbindung mit der zusätzlich angebundenen
• Bauteilsimulation der Heizflächeninnenbereiche (Ansys Fluent [2])

zur Anwendung. Die Bestimmung der Übertragungsleistung basiert somit auf einer dreidimensionalen Nachbildung der Wärmeleitvorgänge innerhalb aller Übertragerflächen, der beidseitigen Simulation der Medienströmungen (Luft, Wasser) sowie einer hochaufgelösten Betrachtung der Wärmeübertragung durch Strahlung. Die verwendete Methodik wurde gegen die reale Heizkörperprüfung nach DIN EN 442 [3] bewertet. Dabei lagen die Abweichungen der übertragenen Wärmeströme bei maximal 3-5 %. Über die Ergebnisse wurde u.a. auch in [6] zusammenfassend berichtet.

2. Physikalische Effekte und deren Wirkungen

Aus der beschriebenen stringenten Vorgehensweise resultiert eine differenzierte Bewertung hinsichtlich der Wirkung der physikalischen Vorgänge. So zeigen die Untersuchungen, dass sich bei den üblichen Masseströmen im Kühlfall eine Kurzschlussströmung einstellen kann, welche insbesondere bei gleichseitigem Anschluss mit obenliegendem Vorlauf dazu führt, dass nur ein sehr kleiner Teil der Heizfläche gekühlt wird. Mit der gewählten Methodik kann aber auch gezeigt werden, dass beispielsweise eine deutliche Erhöhung des Massestromes (siehe Bild 1) oder die Wahl einer günstigeren Anschlusssituation zu einer deutlich besseren Kühlung der Heizfläche beitragen kann.

Bild 1: Oberflächentemperaturen eines Röhrenradiators im Kühlfall – Variation von Anschlussart und Durchflussmenge [15]. (Quelle: TU Dresden)

Die Analyse der physikalischen Wirkung gekühlter Freier Heizflächen im umschlossenen Testraum zeigt erwartungsgemäß deren begrenzte Leistung, aber auch die Ausbildung eines Kaltluftsees. Experimentelle Erfahrungen z.B. in [7] zeigen, dass solche Strömungsformen auch unter dem Einfluss von Störgrößen grundsätzlich stabil und reproduzierbar sind. Es kann daher davon ausgegangen werden, dass der Kaltluftsee zu einer örtlich begrenzten Kühlung von Wärmequellen beiträgt, indem sich an diesen eine kühlende Auftriebsströmung einstellt. Bild 2 zeigt die berechnete Verteilung der Raumlufttemperaturen bei Kühlung über eine für den Heizfall ausgelegte Heizfläche (oben rechts) im Vergleich zu einer Kühlung über den Fußboden (oben links).

Bild 2: Lufttemperaturen bei Fußbodenkühlung (links), Kühlung über einen Kühlkörper (rechts) und ungekühlter Vergleichsfall (unten, mit angepasster Temperaturskala) [15]. (Quelle: TU Dresden)

Bei einer üblichen, für den Winterfall vorgenommenen Auslegung der Freien Heizflächen führt deren Kühlung unter sommerlichen Bedingungen zu einer vergleichsweise geringen Wärmeaufnahme. Dies resultiert aus dem geringen Anteil der wärmeübertragenden Flächen, der geringen Untertemperatur des Kühlmediums und des allein auf Freier Konvektion beruhenden konvektiven Wärmeüberganges. Dennoch gehen die Autoren davon aus, dass die Kühlung über Freie Heizflächen, insbesondere bei modernen Heizungsanlagen mit niedrigeren Betriebstemperaturen und dementsprechend größeren Heizflächen, eine interessante Alternative zu konventionellen Möglichkeiten der sommerlichen Raumkühlung sein kann. Die Berechnungen in [15] zeigen, dass sich trotz der geringen Kühlleistungen, gegenüber dem ungekühlten Vergleichsfall, deutlich geringere Raumlufttemperaturen einstellen (siehe Bild 2). Dem Entwicklungsansatz sollten, insbesondere bei sehr hohen thermischen Belastungen, die Bedürfnisse hinsichtlich einer optimalen thermischen Behaglichkeit untergeordnet werden. Dieser Ansatz wird durch Bewertungsmaßstäbe der aktuellen Normung unterstützt. So lassen gegenwärtig alle relevanten Normungsvorhaben (ASHRAE 55 [1], DIN EN 16798 [5], DIN EN ISO 7730 [4]) in Abhängigkeit der gewählten Komfortkategorie verschiedene Toleranzbereiche der operativen Temperatur zu. Damit wird tendenziell den Erfahrungswerten hinsichtlich des tatsächlichen Wärmeempfindens und der Anpassungsfähigkeit der Nutzer Rechnung getragen, indem man gegenüber dem Winterfall für den Sommerfall auf höherem Niveau eine deutlich größere Varianz der operativen Temperatur zulässt.

Dies sichert vor allem die Planung und den Betrieb entsprechender Anlagen formal gegenüber überzogenen Erwartungshaltungen ab. Neuere Untersuchungen [11] weisen darauf hin, dass es offenbar weitere physiologische und psychologische Einflussgrößen gibt, welche dazu führen, dass Nutzer auch solche Raumtemperaturen akzeptabel finden, die deutlich über einem konventionell ermittelten Behaglichkeitsbereich liegen¹. Damit wird einerseits für den Sommerfall der konventionelle Behaglichkeitsbereich als Bewertungsgrundlage in Frage gestellt. Andererseits wird damit die Erfahrung bestätigt, dass bei einem hohen Temperaturniveau auch kleinere Verbesserungen der thermischen Behaglichkeit als sehr angenehm empfunden werden. Könnte dies bei der Anlagenauslegung Berücksichtigung finden, würde es zur Vermeidung von Anlagen mit hoher, aber selten genutzter Leistungsreserve führen.

¹In [16] werden abweichend zu den in der Literatur vorzufindenden stationären Aussagen zur thermischen Behaglichkeit Aspekte zur thermischen Behaglichkeit unter transienten Bedingungen dokumentiert, die ebenfalls eine Akzeptanz von Probanden oberhalb der eigentlichen Komforttemperatur ausweisen.