Gebäudetechnik
_ von Klaus Daniels
I. Gebäudetechnik – geschichtliche Entwicklung
Heizung
Bereits um das Jahr 1750 wurde in England die Dampfheizung entwickelt, die mit einem Dampfdruck von zunächst 1-2 bar Überdruck arbeitete. Zur Wärmeübertragung wurden Heizkörper in Form von Rohren (Rippenrohren oder Rohrschlangen) benutzt. Seit etwa 1870 wurden in den USA gusseiserne Kessel entwickelt, die zur Erzeugung von Niederdruckdampf dienten. Ab. 1880 folgten in den USA zudem gusseiserne Radiatoren, die noch heute in vielen Baudenkmälern vorhanden sind. Gliederkessel mit höhere Leistung wurden erstmals durch den Ingenieur Strebel ca. 1895 auf den Markt gebracht, wobei gleichzeitig eine Verbesserung der Heizung durch Feuerungsregler, Regelventile, Koksfeuerungen etc. erfolgte.
Ca. 1850 wurde alternativ zur Dampfheizung die Warmwasserheizung erfunden, bei der Heizwasser durch Schwerkraft umläuft. Diese Schwerkraftheizungen wurden zu Beginn des 20. Jahrhunderts zunehmend durch Pumpen-Warmwasser-Heizungsanlagen verdrängt. Pumpen-Warmwasser-Heizungen wurden somit normale Heizungen für Wohnungen, Bürohäuser etc., Dampfheizungen wurden primär nur noch in Fabriken eingesetzt.
Um 1925 entstanden in Deutschland die ersten Heißwasser-Fernheizungen mit Umformern und Beimischungen. Durch diese Entwicklung sollten die Anlagen- und Betriebskosten verringert werden. In diesem Zusammenhang wurden die gusseisernen Heizkörper zu Konvektoren, Flächenheizkörpern, Sockelheizkörpern, Strahlplatten und Fußbodenheizungen weiterentwickelt.
Ab ca. 1930 erfolgte zudem eine fortlaufende Verbesserung der Heizkessel, insbesondere hin zu Stahlkesseln für schnelleres Aufheizen, höheren Wirkungsgraden und leichterer Bedienung. Seit diesem Zeitraum hat sich die Heiztechnik stürmisch weiterentwickelt bis hin zu den heute bekannten und genutzten Systemen, wobei im Vordergrund stand:
- vermehrte Anwendungen automatischer Regelungen
- verbesserte Ausnutzung von Brennstoffen in den Heizkesseln
- Heizung mit geringeren Heizwassertemperaturen bis hin zu Niedertemperaturheizungen
- Wärmerückgewinnungssysteme
- verbesserte Verfahren der Abgasreinigung und schadstoffarmen Verbrennung
- Ausbau der Fernwärmeversorgung
- Heizung durch Wärmepumpen, alternative Energien, Brennstoffzellen, Biogas usw.
Lüftungs- und Klimatechnik
Während die Aufgabe der Heizungsanlage im Wesentlichen darauf beschränkt ist, Räume im Winter zu heizen, hat die Lüftungs- und Klimatechnik das umfassendere Ziel, den Zustand der Raumluft hinsichtlich Reinheit, Temperatur, Feuchte und Luftbewegung innerhalb bestimmter Grenzen zu halten. Die Anforderungen, die an den Zustand der Raumluft gestellt werden, sind je nach Art der Räume sehr verschieden voneinander. Während Wohnräume im Regelfall lediglich eine einfache Fensterlüftung erhalten, müssen z.B. in industriellen Betrieben (Chip-, Textil-, Tabakindustrie usw.) vollautomatische Klimaanlagen arbeiten, die jeden gewünschten Raumluftzustand mit großer Genauigkeit einzuhalten in der Lage sind. Zwischen diesen beiden Extremen gibt es zahllose Zwischenstufen mit mehr oder weniger weitergehender Luftbehandlung. Mit steigendem Lebensstandard und Energiebewusstsein werden mehr und mehr Raumlufttechnische Anlagen speziell entsprechend den Anforderungen entwickelt.
Steinofen-Luftheizungen sind die ersten Lüftungsanlagen, Bild 1, die Mitte des 19. Jahrhunderts entstanden. Als mit dem Beginn des industriellen Zeitalters ein wachsender Bedarf an Versammlungsgebäuden, Theatern, Kasernen und Krankenhäusern entstand, wuchs auch das Interesse an geeigneten, wirksameren Lüftungstechniken. Gegen Ende des 18. Jahrhunderts stellten dann auch die Luftversorgung von Bergwerken oder die Abfuhr von Schadgasen industrieller Prozesse weitere Herausforderungen dar.
Eine Reihe von ausgeklügelten Konzepten zur Verbesserung der Wirkungsweise natürlicher Lüftungssysteme wurden zu Beginn des 19. Jahrhunderts erfunden. Besonders gut dokumentiert ist die Lüftung des House of Commons in London, die vom Chemiker David Boswell Reid in den Jahren 1835 bis 1845 verwirklicht wurde (Bild 2).
Ende des 19. Jahrhunderts erfolgten erhebliche Fortschritte durch die Begründung der wissenschaftlichen Hygiene (Max von Pettenkofer). Untersuchungen über Luftwechsel, Luftfeuchte, Luftreinheit, Gasgehalt der Luft (Kohlensäure-Maßstab) förderten die Entwicklung der Lüftungstechnik. Mit Aufschwung der Elektrotechnik und Einsatz elektrisch getriebener Ventilatoren mit Gleichstrommotoren zur Lüftung und Luftheizung großer Gebäude sowie der Einsatz der Lufterwärmung durch gusseiserne Rippenrohre und Röhren-Lufterhitzer wurde die Raumlufttechnik weiter befördert. In dieser Zeit kamen auch erstmals Filter in Form von Tuchfiltern und Koks-Schicht-Filtern zur Reinigung der Luft zum Einsatz. Um 1890 folgten die ersten Luftbefeuchtungs-Einrichtungen durch dampfbeheizte Wasserwannen, später die Zerstäubung von Wasser mittels Düsen. Zur damaligen Zeit wurden Außenluftmengen zur Belüftung von Gebäuden primär in gemauerten Kammern aufbereitet.
Ein besonders reizvolles Beispiel aus diesem Zeitraum ist der Reichstag in Berlin. Pläne des historischen Reichstages (Architekt Paul Wallot, Beratender Ingenieur David Grove) zeigen die Bilder 3.1-3.5 (Planungszustand bzw. Ausbauzustand in der Zeit von 1884 bis 1894). Die ursprünglich zentral angelegte Raumlufttechnik des Reichstages ähnelte der einer Hypocaustenheizung mit jedoch sehr fortschrittlichen und heute noch beachtenswerten Bauelementen zur sparsamen Energieverwendung. Kernstück waren die unter dem Plenarsaal angeordneten fünf Druck- und Sauggebläse, die Luft über große gemauerte und begehbare Gänge in alle Bereiche des Reichstagsgebäudes brachten, um von dort direkt oder über individuell regelbare Nachheizkammern die Aufenthaltsräume zu versorgen. Die von den Kellergängen nach oben führenden gemauerten Warm- und Kaltluftschächte ähnelten dem Typ einer Zweikanalanlage. Die Räume waren wahlweise an den Kaltluftkanal, den temperierbaren Warmluftkanal oder an beide angeschlossen. Hierdurch konnte den unterschiedlichsten Lüftungsansprüchen in den Räumen Rechnung getragen werden, ohne dass nachteilige Mischungsverluste in Kauf genommen werden mussten. Heute übliche Blechkanäle waren nicht vorhanden, was den Vorteil einer sommerlichen Luftkühlung über die großen Mauerwerksmassen hatte. Für außen liegende Räume mit Transmissions-Wärmebedarf gab es eine Warmwasserheizung, die als Grundbeheizung des Gebäudes diente. Es existierten somit alle Bauelemente, die für eine schnelle und individuelle Regelbarkeit der Räume sorgen. Wegen der aufwändigen Holzverkleidungen und Möbel wurde die Außenluft nach der zentralen Vorwärmung befeuchtet. Unterstützt wurden diese Maßnahmen, die Rissbildung in den Holzmaterialien verhindern sollte, indem in großem Umfang Sperrholz Verwendung fand.
Die Dimensionen der damaligen Raumlufttechnik werden an einigen Abmessungen deutlich:
- 2 Vorwärmkammern mit einer Breite von 6,5 m und einer Höhe von 7,5 m,
- Anströmfläche für Taschenfilter 48 m²,
- Durchmesser der vier großen Axialgebläse 2 m,
- Druckboden unter dem Plenarsaal zur Belüftung von unten nach oben (nur Nachtlüftung) mit einer Raumhöhe von 2,5 m.
Weiterhin war die zentrale Frischluftansaugung über zwei offene Ecktürme auf der Westseite bemerkenswert und die Fortluftführung über zwei weitere Ecktürme auf der Ostseite, wodurch bei den üblichen Windrichtungen (vornehmlich Westwinde) eine Vermischung von Fortluft und Außenluft vermieden wurde. Die Ankopplung des Lüftungssystems an die großen Speichermassen des Gebäudes war ein herausragender Vorteil zur Reduzierung von Energiekosten. Gleichermaßen von Vorteil waren die groß bemessenen Lüftungskanäle, die infolge geringer Durchströmungsgeschwindigkeiten und somit geringer Reibungsverluste die elektrischen Förderkosten gering hielten. Zudem wurde die Luftförderung im Winterbetrieb durch die Thermik-Effekte aus den Nachheizkammern unterstützt. Die Luftführung im alten Plenarsaal war mit einer von der Hauptanlage getrennten Anlagentechnik ein weiterer Eckpfeiler der damaligen Ingenieurkunst und der Zusammenarbeit mit dem Architekten. Im voll besetzten Plenarsaal wurde die Zuluft mit ca. 18°C oder mit dem durch das Gebäude aufgeprägten sommerlichen Luftzustand (Speichereffekt) von oben eingebracht und unter den Stühlen des Plenums und der Besuchergalerie abgesaugt. Der leere Plenarsaal konnte zur Abfuhr der Schadstoffe und zur Vorkühlung (Nachtkühlung) durch Umschaltung der Luftwege auch von unten belüftet werden; die Abluft wurde über die große Kuppel oberhalb der Glasdecke auf natürlichem Wege ins Freie geführt und trug somit zur Kühlung des aufgeheizten Glaskuppelraumes bei.
Die Energiezentralen des historischen Reichstagsgebäudes waren im Gegensatz zu heute nicht im Gebäude selbst untergebracht, sondern in einem Maschinenhaus hinter dem Reichstag. Über einen Verbindungsgang wurden Dampf- und Elektroleitungen verlegt. Im Maschinenhaus erzeugten 8 Kesselanlagen nicht nur Niederdruckdampf, sondern auch elektrische Energie, so dass bereits eine Kraft-Wärme-Kopplung realisiert war. Im Keller des Reichtagsgebäudes waren an die Dampfleitungen nicht nur über 100 Luftheizungskammern direkt angeschlossen, sondern auch Dampfumformer, die Warmwasser und Heizwasser für die Schwerkraftheizung erzeugten. Durch eine doppelt verlegte Rücklaufleitung der Schwerkraftheizung konnten zwei unterschiedliche Heizkreise betrieben werden. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass es dem Ingenieur David Grove mit seinem Wettbewerbsentwurf hervorragend gelang, die damals noch nicht vorhandene Temperaturregelung der Heizungs- und Lüftungstechnik durch ein ausgefeiltes Anlagenkonzept zu ersetzen, um so einen sparsamen Betrieb sicherzustellen. Die notwendige Zusammenarbeit mit dem Architekten wurde dank der positiven Einstellung von Paul Wallot in vorbildlicher Weise betrieben: Er musste umfangreiche Mauerwerkskanäle und den gesamten Kellerbereich zur Unterbringung der technischen Ansprüche in sein Baukonzept integrieren. Bei der Eröffnungsfeier des Reichstages am 7. Dezember 1894 führte Paul Wallot, angesprochen auf die Schwesternkünste der Architektur, Malerei und Bildhauerei aus:
„Man hat heute von den drei Schwesterkünsten gesprochen. Aber in unserer Zeit ist eine Vierte noch hinzugekommen, die Ingenieurkunst. Eine Dampfmaschine ist für mich insofern das höchste Kunsterzeugnis, als der Zweck und die Mittel in einem richtigen Verhältnis zueinander stehen, und wenn ich ein Zusammenwirken aller Künste erstrebe, so schließe ich die Ingenieurkunst mit ein. Ich trinke auf die Verschmelzung aller vier Künste, auf ihre Einheit.“
Anfang des 20. Jahrhunderts wurden die ersten Klimageräte in Blechgehäusen mit Vorwärmern, Befeuchtern und Nacherhitzern durch die Firma Carrier entwickelt. In diesem Zusammenhang entstanden auch die ersten Temperatur- und Feuchteregelungen in pneumatischer und elektrischer Form.
Nach 1920 entstand ein großer Aufschwung in der Klimatechnik durch die Verwendung zentraler Klimaanlagen für Theater, Kinos, Bürohäuser und Versammlungsräume sowie industrielle Anlagen.
Ab ca. 1930 entwickelte sich der Bau von Klimageräten, in denen alle zur Luftaufbereitung erforderlichen Teile wie Kältemaschinen, Ventilatoren, Erhitzer usw. eingebaut waren. Zudem wurden im Zusammenhang mit den ersten Hochhäusern in den Vereinigten Staaten die Vielraum-Klimaanlagen entwickelt. Bei ihnen handelt es sich um eine klimatechnische Systemlösunge, die eine Vielzahl von einzelnen Räumen belüften, heizen oder kühlen (Vielraum-Gebäude). Zu Vielraum-Gebäuden zählt man üblicherweise große Bürokomplexe, Hochhäuser und ähnliche Bauten, die eine Vielzahl gleicher oder ähnlicher Räume besitzen, die jedoch alle einzeln durch die Nutzer geregelt werden sollen-. Ergänzend Klimageräte gibt es in Form von Induktionsgeräten, fan coil units usw. Fan coil units sind Ventilator-Wärmetauscher-Einheiten, d.h. im deutschen Sprachgebrauch Klimakonvektorgeräte, die in einem Gehäuse einen Ventilator sowie einen Wärmetauscher aufnehmen, über den ein einzelner Raum oder sogar eine einzelne Achse (Modul) belüftet, gekühlt oder geheizt werden kann.. In diesem Zusammenhang entstanden auch neue Anlagenformen wie z.B. Hochdruck-Klimaanlagen, Zweikanalanlagen mit konstantem oder variablem Volumenstrom. Die zu dieser Zeit entwickelten Klimaanlagen sind heute noch wesentlicher Bestandteil der Klimatechnik.
Ab ca. 1970 wurden die ersten Wärmerückgewinnungs-Systeme und danach vor allem verbesserte Regelungs- und Leittechniksysteme eingesetzt. Auf diesem Sektor gab es in den letzten Jahren die innovativsten Weiterentwicklungen, die heute im Wesentlichen verwendet werden.
Kältetechnik
Fast alle Klimaanlagen benötigen außer einem Heizmittel zur Erwärmung der Luft im Winter auch ein Kühlmittel zur Kühlung und Entfeuchtung der Luft im Sommer. Während um das Jahr 1890 im Wesentlichen Eis, Leitungs- oder Brunnenwasser zur Kühlung von Luft herangezogen wurde, entwickelten sich die auch heute im Wesentlichen noch zum Einsatz kommenden Kältemaschinen ab ca. 1920 in verschiedensten Formen. Neben den elektromotorisch betriebenen Kältemaschinen (Kompressionsmaschinen) wurden Dampfstrahl-Kältemaschinen, Absorptions-Kältemaschinen und andere verfahrenstechnische Prozesse wie z.B. Desorptionsanlagen angeboten. Die thermoelektrische Kälteerzeugung (Peltier-Elemente) ist zurzeit noch in der Entwicklung und nicht gängige Technik. Bei einem Peltier-Element handelt es sich um zwei Halbleiter-Elemente, die durch Kupferbrücken miteinander zu einem Peltier-Element verbunden werden. Wird eine Gleichspannung an einen Stromkreis gelegt, der aus zwei unterschiedlichen metallischen Leitern (Halbleitern) besteht, so kühlt sich eine Kontaktstelle ab, während sich die andere erwärmt, d.h. die Metalle als Leiter entwickeln eine Thermokraft.
Wasser / Abwasser
Parallel zur Entwicklung der Heizungstechnik verlief auch die Entwicklung der Wasser- und Abwassertechnik. Aus ursprünglich vorhandenen Einzelzapfstellen (Brunnen) wurden zunehmend Wasserverteilsysteme bis in Häuser und von hier aus bis zu den einzelnen Zapfstellen aufgebaut. Vor allem aus hygienischen und praktischen Gründen entstanden zudem anstelle von offenen Abwassersysteme und Rinnen Abwasserkanäle (Unterflur), die die Abwasserentsorgung von Stadtteilen und Stadträumen gewährleisteten. Zur Schonung der Umwelt wurden ab dem Zeitraum 1930 zunehmend Abwasseraufbereitungsanlagen (Kläranlagen) gebaut und weiterentwickelt.
Elektrotechnik
Die Mitte des 19. Jahrhunderts beginnende Elektrifizierung hat sich parallel zur Entwicklung anderer gebäudetechnischer Anlagen eingestellt und die wohl stürmischste Ausbreitung genommen. Ein Leben ohne elektrische Energie ist uns zum heutigen Zeitpunkt kaum noch vorstellbar. Neben der Weiterentwicklung und Verbesserung der Kraftwerkstechnik bei Umstellung auf verschiedenste Energieträger (Kohle, Gas, Öl, Abfälle, Biogas) ist eingeschlossen auch die Entwicklung europaweiter vernetzter Strukturen zur sicheren Versorgung aller Stromverbraucher. In den letzten 20 Jahren hat neben der zentralen elektrischen Energieversorgung das Feld der dezentralen elektrischen Energieversorgung mehr und mehr an Bedeutung gewonnen aufgetan – heute bekannt unter den Stichworten Blockheizkraftwerke, Photovoltaikanlagen, Notstromdiesel bis hin zur Brennstoffzellentechnik. Im Zuge der Notwendigkeit, insbesondere auch alternative Energieträger zur Stromerzeugung einzusetzen, wird auf dem Sektor weiter entwickelt, wobei am Ende letztlich die Wassertechnologie stehen dürfte.
II. Konservatorische Ansprüche
Eine komplexe Aufgabe ergibt sich bei sehr hochwertigen Baudenkmälern aus dem gesteigerten Anspruch an Objektoberflächen als Zeugnisebenen, somit die Aufgabe des Bewahrens mit einer geringst möglichen Verfälschung der Oberflächen. Statt der früher üblichen Stabilisierung der Oberflächen mit Hilfe von Konservierungsstoffen wird heute eine größtmögliche Optimierung des Objektumfeldes (raumpräventive Konservierung) angestrebt. Diese Optimierung muss nicht nur der Zerbrechlichkeit eines Einzelobjektes Rechnung tragen, sondern auch verschiedensten Objektarten und Materialien, die zusammen in einem Raum auftreten.
Einzig eine Optimierung der raumklimatischen Bedingungen verhindert, dass immer wieder konservatorische Eingriffe notwendig werden. Zu beachten ist dabei, dass diese Bedingungen nicht für den Mittelwert der Raumluft gelten, sondern direkt am Objekt eingehalten werden müssen (Objektoberfläche) – das klimatische Umfeld besitzt auf den Erhalt der Baustruktur und deren Ausstattung einen starken Einfluss.
Zur Verzögerung der natürlichen Alterung der baulichen Substanz sind optimale raumklimatische Bedingungen bei hoher Luftreinheit notwendig. Es geht bei der Bewahrung hochwertiger Bauten darum, physikalische Klimaschäden (Temperaturwechsel, Materialspannungen) und chemische Korrosionen durch Luftschadstoffe zu vermeiden (Stäube, Ruß, chemisch belastete Aerosole). Zudem sind die raumklimatischen Parameter zu beachten, die aus den Bedürfnissen von Nutzern nach Behaglichkeit und Hygiene abgeleitet sind. Die Stabilisierung der relativen Raumluftfeuchte begünstigt eine konstante, im Gleichgewicht dazustehende Materialfeuchte, wodurch Spannungen in Materialgefügen von Oberflächen vermieden werden. Niedrige Luftströmungsgeschwindigkeiten reduzieren die Verschmutzung der Objektoberflächen.
Somit ist es Aufgabe der Klimatechnik, geeignete Feuchte- und Temperaturwerte bei einem bedarfsabhängigen Luftaustausch in z.B. museal genutzten Räumen einzustellen. Kurzzeitschwankungen des Raumklimas sind vorrangig zu verhindern und in ihrer Bedeutung wichtiger als die absolute Einhaltung des Raumklimas.
III. Der Mensch und seine Ansprüche
III.1. Thermische Behaglichkeit
Die thermische Behaglichkeit drückt Behaglichkeitsbereiche aus, innerhalb derer sich der Mensch am wohlsten fühlt. In diesem Bereich ist das thermische Gleichgewicht des Körpers bei verschiedenen physikalischen Umwelteinflüssen gegeben.
Da eine große Anzahl verschiedenartiger Faktoren Einfluss nehmen, können strenge Grenzen der Behaglichkeit nicht angegeben werden. Vielmehr macht das Wechselspiel sich beeinflussender Faktoren einen als behaglichen empfundenen Zustand aus – oder auch nicht. Hierzu gehören u.a.:
- Geschlecht
- Gesundheitszustand
- Nahrungsaufnahme
- Alter
- Jahreszeit
- Art der Arbeit.
Weitere Einflussgrößen, die z.T. durch die bauliche Ausbildung sowie Belüftung und Temperierung des Raumes bestimmt werden, sind nachfolgend dargestellt:
- Raumlufttemperatur
- Umgebungstemperaturen
- Luftfeuchte
- Luftbewegung
- Bekleidung.
Die Raumlufttemperatur soll sich idealerweise im Bereich zwischen 20-24°C bewegen, wobei hier bereits die entsprechende Bekleidung in Abhängigkeit von den Außentemperaturen berücksichtigt ist. Raumtemperaturen von 24°C im Sommer bedeuten jedoch hohe Investitionen zur Kühlung von Räumen, so dass die obere Grenztemperatur eher bei 27-28°C gezogen wird unter gleichzeitiger Inkaufnahme gering abfallender Leistungen. Wie Bild 4 zeigt, steigen die Raumtemperaturen ab ca. 26°C Außentemperatur.
Neben der Raumtemperatur spielt die mittlere Temperatur der umgebenden Flächen (einschließlich Heizflächen) über die mittlere Strahlungstemperatur eine nicht unwesentliche Rolle, da sich der Körper auch mittels Strahlung entwärmt. Die mittlere Strahlungstemperatur tR errechnet sich aus:
A = Oberfläche
t = Oberflächentemperatur
tR = Strahlungstemperatur
n = Anzahl der verschiedenen Flächen.
A bezeichnet die einzelnen Flächen, (Wände, Heizkörper, Fenster usw.), t die dazugehörigen Temperaturen. Sinkt z. B. die mittlere Wandtemperatur um 1K, so ist dies beim ruhenden Menschen gleichwertig mit einer Absenkung der Lufttemperatur um 1K. Luft- und Wandtemperaturen haben somit auf die Entwärmung des menschlichen Körpers einen gleichgroßen Einfluss. In Bezug auf die thermische Behaglichkeit wird somit nicht nur von Raumlufttemperaturen sondern gleichermaßen von mittleren Strahlungstemperaturen gesprochen, die gemeinsam eine optimale „operative“ Temperatur bilden sollen. Anstatt des Ausdrucks „operative Temperaturen“ wurde bisher der Begriff der „empfundenen Temperatur“ eingeführt, der jedoch keine Temperaturabsenkungen durch Zugluft erfasst. Bild 5 zeigt optimale operative Temperaturen (empfundene) in Abhängigkeit der Aktivität und des Isolationswertes der Kleidung (PMV = 7 Punkte-Bewertung des Empfindens, Skala von -3 bis +3). Eine weitere Hilfsgröße bei der Beurteilung einer entsprechenden thermischen Behaglichkeit zeigt Bild 6, das Behaglichkeitsfeld nach Grandje an.
Die Darstellung weist aus, dass nur ein sehr kleines Feld von Umgebungs- und Raumtemperaturen zu behaglichen Zuständen führt. Gerade im Fensterbereich sind erhebliche Aufwändungen zu betreiben, um entsprechend günstige Oberflächentemperaturen zu erzielen, wie Bild 7 ausweist.
III.2. Hygienische Behaglichkeit
Die Qualität der Raumluft hinsichtlich Staub- und Geruchsfreiheit wird neben vielen anderen Faktoren durch die Qualität der Zuluft (Außenluft) einerseits und durch nutzungs- und raumbedingte Verunreinigungen andererseits bestimmt. Die Zuluft besteht heute primär aus Außenluft, gegebenenfalls und in seltenen Fällen aus Umluft, deren Qualität berücksichtigt werden muss. Umluft sollte grundsätzlich soweit wie möglich vermieden werden und nur in Situationen mit geringen Verunreinigungen im Rahmen von Arbeitsprozessen zum Einsatz kommen oder wenn dies durch hohe thermische Lasten erforderlich ist. Der Außenluftstrom ist so zu bemessen, dass ein ausreichendes Abführen der Verunreinigungen sichergestellt wird. Dies kann einmal durch natürliche Lüftung dann erfolgen, wenn es für die entsprechenden Räume im Winter zu keinen zu hohen Wärmeverlusten bzw. im Sommer zu keinen zu hohen Wärmeeinträgen kommt. Für die üblichen Betriebszeiten in Mitteleuropa zeigt Bild 8 in etwa die Häufigkeit der unterstützenden Lüftung und Kühlung (gegebenenfalls Befeuchtung), Bild 9 stellt zudem den notwendigen Abbau des C02-Gehaltes in besetzten Räumen bei unterschiedlichen Luftwechseln dar, Bild 10 weist Außenluftraten pro Person bei verschiedenen zulässigen C02-Konzentrationen aus. Der Kohlensäuremaßstab (nach Pettenkofer) gibt die Zunahme ausgeatmeten C02 in geschlossenen Räumen an und wäre an sich ohne wesentliche Bedeutung, wenn nicht der Kohlensäuregehalt das Maß für die Verschlechterung der Raumluft (Geruchsstoffe, Ausdünstungen) bilden würde. Steigt der C02-Gehalt über 0,1% an, so spricht man bereits von schlechter Luft (0,1% = 1.000 ppm). Schädliche Auswirkungen des C02 treten bei Gehalten von mehr als 2,5% auf. Bei stark besetzten und schlecht gelüfteten Räumen kann dieser C02-Gehalt bereits nach relativ kurzer Zeit eintreten, und es ist eine Durchlüftung mit möglichst hohem Luftwechsel durchzuführen. Bei einem Dauerluftwechsel (ca. vierfach) pendelt sich der C02-Gehalt in dicht besetzten Räumen bei 0,14% ein, was zwar subjektiv als Luftverschlechterung empfunden wird, objektiv aber noch zu keiner echten Beeinträchtigung führt. Die in Bild 10 ausgewiesenen Außenluftraten pro Person bei verschiedenen zulässigen C02-Konzentrationen und verschiedenen Wärmeabgaben infolge von Tätigkeiten zeigen Grenzwerte, wobei der Grenzwert 3 (MAK-Wert) die maximale Arbeitsplatzkonzentration beschreibt, die in keinem Fall überschritten werden darf. Der MAK-Wert ist der Wert, den z.B. ein Gas oder andere luftfremde Stoffe in einem Aufenthaltsbereich von Menschen annehmen darf (maximale Arbeitsplatzkonzentration), bevor es zu gesundheitsschädigenden Folgen kommt. So soll z.B. der CO2-Gehalt der Luft üblicherweise 0,1 Vol.% betragen, der MAK-Wert kann jedoch 9,1 g/m³ Luft erreichen. Sonstige Verunreinigungen der Luft können durch Stoffprozesse (Produktionsprozesse) aus unbelebten Stoffen und lebenden Organismen erwachsen wie:
- Gase und Dämpfe (CO, C02, S02, NOx, 03, Radon, Formaldehyd, Kohlenwasserstoffe)
- Geruchsstoffe (z.B. mikrobielle Abbauprodukte von organischem Material, menschliche, tierische und pflanzliche Geruchsstoffe,
Ausdünstungen von Baumaterialien, Arbeitsprozesse)
- Aerosole (z.B. organische Stäube wie Fasern und Schwermetalle, organische Stäube wie Kohlenwasserstoffverbindungen und Pollen)
- Viren
- Bakterien und ihre Sporen (Legionellen, Gasbranderreger)
- Pilze und Pilzsporen (z. B. Erreger des Befeuchterfiebers, Erreger der Aspergillose)
Grundsätzlich soll die Zuluft von Räumen Außenluftqualität aufweisen, sofern die Außenluft nicht durch außergewöhnliche Belastungen verunreinigt ist. Um hygienische Raumluftzustände zu erreichen, kann es ausreichen, die Fenster entweder dauernd oder zeitweise so weit zu öffnen, dass ein intensiver Luftaustausch entsteht (wenn möglich ohne Verlust von Wärme- oder Kälteenergie). Durch diesen Austausch infolge natürlicher Lüftung oder Zuführung von Zuluft durch eine Lüftungsanlage können Austausch und Transport von Verunreinigungen und Geruchsstoffen gesichert werden. Ein natürlich belüfteter Raum oder ein Lüftungssystem führt umso wirkungsvoller Verunreinigungen ab, je größer die Lüftungseffektivität ist:
- Ideale Mischströmung: Lüftungseffektivität < 1
- intensive natürliche Lüftung über zu öffnende Fensterelemente: Lüftungseffektivität ca.1
- Verdrängungsströmung (Belüftung von unten nach oben): Lüftungseffektivität > 1
Bei der Erstellung oder dem Umbau von baulichen Strukturen ist darauf zu achten, dass beständige Quellen für Schadstoffemissionen aus Bauteilen, Dichtmassen, Anstrichen usw. absolut sicher vermieden werden. Hierbei handelt es sich insbesondere um:
- Isolieranstriche
- Klebstoffe aller Art
- Bodenbeläge
- Deckenaufbauten
- Dichtmassen
- Dämmstoffe
- Montagestoffe
- Holzschutzmittel
Neben den zuvor aufgeführten Gefahrstoffen spielt die Einbautechnik insofern eine erhebliche Rolle, als Isolier- und Schallschutzmaßnahmen aus künstlichen Mineralfasern unbekannte oder zum Teil bekannte Risiken bergen. Bedenkliche Faserkonzentrationen durch künstliche Mineralfasern treten hauptsächlich dann auf, wenn unsachgemäß gearbeitet wird. Eine Gefährdung muss generell da gesehen werden, wo Faserpartikel in Lüftungskanäle gelangen oder wo Bauteile – wie im Bereich abgehängter Decken, leichter Trennwände, schwimmender Estriche – zeitweise leicht schwingen.
III.3. Visuelle Behaglichkeit
Visuelle Behaglichkeit entsteht dann, wenn der Wahrnehmungsvorgang im menschlichen Gehirn ungestört ablaufen kann. Falsche Leuchtdichteverteilungen im Raum, Blendungen, unrichtige Farbwiedergaben, nicht angepasste Raumgestaltung usw. schränken den Wahrnehmungsablauf ein. Bei ungestörtem Wahrnehmungsablauf werden dagegen die Grundempfindungen des Auges wie Sehleistung, Wahrnehmungsgeschwindigkeit und Unterschiedsempfindlichkeit optimiert. Ein Maximum der Arbeitsfähigkeit ist dann erreicht, wenn bei Arbeitsabläufen die Leuchtdichteverhältnisse in der Umgebung des Arbeitsguts (Umfeld-Leuchtdichte) den Leuchtdichteverhältnissen am Arbeitsplatz (Infeld-Leuchtdichte) richtig angepasst werden. Bei Arbeitsplätzen mit hoher Sehaufgabe wie z.B. Arbeiten am Computer muss die Unterschiedsempfindlichkeit als Kriterium für einen stabilen Wahrnehmungsbereich herangezogen werden (Bilder 11/12). Die visuelle Behaglichkeit hängt auch davon ab, ob eine ausreichende Beleuchtungsstärke im Bereich der Sehaufgabe besteht und ob Blendungserscheinungen wie Direktblendungen, Indirektblendungen oder Blendungen durch Tageslicht vermieden werden. Weitere Kriterien sind die Lichtfarben und Farbtemperaturen von Lichtsystemen, die Räume beleuchten. Zudem sollen beleuchtete Räume ausreichende Schattenwirkungen besitzen, um die Plastizität von Körpern und Gegenständen zu verstärken. Ein letztes, wesentliches Merkmal der visuellen Behaglichkeit ist der Sichtkontakt zur Außenwelt, gegebenenfalls auch der Einblick von außen nach innen.
IV. Zustandsveränderungen im h,x-Diagramm
Das h,x-Diagramm (Mollier-Diagramm) dient als Grundlage für die Berechnung und Darstellung von Zustandsänderungen mit feuchter Luft. Es ist von außerordentlicher Wichtigkeit nicht nur für den Klimaingenieur, der wesentliche Teile seiner Anlagenauslegung mit Hilfe der h,x-Diagramme vornimmt, sondern auch im Sinne der Bauphysik, da durch dieses Diagramm Taupunkte der Luft, Veränderungen der relativen Feuchte usw. dargestellt werden können. Das schiefwinklige Koordinatensystem zeigt einmal den x-Wert (den Wassergehalt in g/kg) sowie weiter den Wert der Enthalpie (h) und die Trockenkugeltemperatur t. Die Enthalpie beschreibt eine Zustandsgröße, die nur von der Temperatur abhängig ist. Sie wird in technischen Rechnungen eingesetzt, bei denen es um Temperatur- und Feuchteveränderungen geht, d.h. Enthalpie-Differenzen. Die Enthalpie (innere Energie) beträgt bei 0° C ebenfalls 0 und kann für unterschiedliche Werte der Enthalpie aus Temperaturtabellen und Diagrammen entnommen werden. Die Trockenkugeltemperatur ist die Temperatur, die man mit einem trockenen Thermometer misst – somit einem Thermometer, wie es uns allen geläufig ist. Im Gegensatz zur Trockenkugeltemperatur wird über ein Assmannsches Aspirationspsychrometer auch eine Feuchtkugeltemperatur gemessen, wobei beide Messungen dazu dienen, innerhalb eines h,x-Diagramms einen Zustandspunkt genau zu definieren (Schnittpunkt zwischen Trockenkugeltemperatur und Feuchtkugeltemperatur). Bild 13 zeigt ein h,x-Diagramm für feuchte Luft. In das Diagramm ist die Sättigungskurve (relative Feuchte j = 100%) bei 1,013bar eingetragen. Oberhalb der Feuchtelinie von 100% ist das Gebiet ungesättigter Luft, unterhalb das Gebiet übersättigter Luft (Nebelgebiet) ausgewiesen. Die Linien konstanter Temperaturen (Isothermen) sind im ungesättigten Gebiet schwach ansteigende Geraden, die an der Sättigungskurve nach rechts unten umknicken (Nebelisothermen).
In Bild 14 sind verschiedene Zustandsänderungen dargestellt, die ausgehend von Punkt 1 (Trockenkugeltemperatur 20°C/rel. Feuchte 50%) folgende Zustandsänderungen beschreiben: Zustandsänderung 1 – 2
(Trockene Erwärmung der Luft)
Trockene Temperatur steigt an, relative Feuchte fällt, absolute Feuchte bleibt konstant.
Zustandsänderung 1 – 3
(Zuführung von Dampf)
Temperatur, relative Feuchte und absolute Feuchte der Luft steigen an.
Zustandsänderung 1 – 4
(Befeuchtung/Zuführung von kaltem Wasser in ungesättigte Luft)
Temperatur fällt, relative und absolute Feuchte steigt.
Zustandsänderung 1 – 5 – τ
(Trockene Kühlung ohne Entfeuchtung)
Temperatur fällt, absolute Feuchte konstant, relative Feuchte steigt an.
Wird die Temperatur so stark abgesenkt, dass sie über den Punkt 5 bis über die Sättigungslinie hinausläuft, so tritt Wasser aus der Luft aus (Kondensatbildung).
Zustandsänderung 1 – 6 – 7
(Zustandsänderung bei Kühlen und Entfeuchten)
Temperatur und absolute Feuchte fallen, relative Feuchte steigt.
Im h,x-Diagramm Bild 14 sind weitere Parameter dargestellt, wie die Feuchtkugeltemperatur (Temperaturangaben an der Sättigungslinie) sowie der für die Luftbefeuchtung nützliche Randmaßstab.
Mit dem h,x-Diagramm lässt sich auch feststellen, bei welcher Temperatur und Feuchte z.B. einer Glasscheibe, Rahmenkonstruktion oder Stahlkonstruktion im Winter eine Schwitzwasserbildung (Kondensat) erreicht wird. Geht man davon aus, dass wie in Bild 14 ein Raumzustand von 20°C bei einer relativen Feuchte von 50% (Punkt 1) herrscht, und geht man weiterhin davon aus, dass eine Scheibenoberflächentemperatur (Trockenkugeltemperatur) von 8°C besteht, so kann man feststellen, dass die Taupunkttemperatur entsprechend 8°C Trockenkugeltemperatur um 1,5°C tiefer liegt als die Taupunkttemperatur des Raumzustandes gemäß 1. Liegt die Oberflächentemperatur eines betrachteten Gegenstandes unter der Raumtaupunkttemperatur, so tritt Kondenswasser auf.
V. Heizung
V.1. Arten der Raumheizungen
Die Heizkörper und Heizflächen unterscheiden sich durch verschiedene Bauarten (z.B. Radiatoren, Konvektoren, Flächen-, Decken-, Fußboden- und Wandheizungen) und das verwendete Material (z.B. Guss, Stahl, Kupfer, Aluminium, Kunststoff). Sie dienen der Aufrechterhaltung des thermischen Gleichgewichtes im Raum (Bild 15).
Je nach Lage der Heizkörper im Raum oder der Art der Beheizung ergibt sich eine unterschiedliche Wärmeabgabe der Personen. Bild 16 weist aus, dass sich die menschliche Wärmeabgabe je nach Art des beheizten Raumes (Lage der Heizkörper) und dem Standort des Menschen im Raum verändert. Befindet sich der Heizkörper an der Innenwand und der Mensch dicht vor dem Fenster an der Außenwand, so wird die Wärmeabstrahlung nach außen immer ein Gefühl der Unbehaglichkeit verursachen („Strahlungszug“). Außerdem verursacht die am Fenster herabfallende Kaltluft Zugerscheinungen. Wird dagegen die Raumwärme durch Radiatoren unterhalb der gesamten Fensterfront geliefert, so wird der Einfluss der kalten Außenwand und Fensterfläche durch die Wärmestrahlung vom Heizkörper her ausgeglichen. Je nach Abstand vom Fenster verändert sich das Verhältnis von Zustrahlung und Abstrahlung. Die zugestrahlte Wärmeenergie kann unter Umständen auch zu groß sein und ebenfalls zu Unbehaglichkeiten führen. Dann wird der Mensch vom Heizkörper mehr abrücken. In beiden Fällen ist eine unsymmetrische thermische Belastung des Körpers vorhanden, die sich ungünstig auswirkt. Unterschiede von 20 bis 30W/m2 sind bereits deutlich spürbar, und eine unsymmetrische Entwärmung des Körpers, zum Beispiel des Kopfes um mehr als 40W/m2 bewirkt Unbehaglichkeit.
Zusätzliche Belastungen können durch besonders große Wärmestrahlungen erzielt werden, wie sie in Bild 17 dargestellt sind. Wärmestrahlungen von mehr als 300W/m2 auf mehr als die Hälfte des Körpers (z.B. in Großküchen, vor Öfen usw.), erzwingen Schutzvorrichtungen, die den Körper vor diesem Einfluss schützen. Das Gleiche gilt auch bei Sonneneinstrahlung durch Fenster, wo sich Belastungen ohne Sonnenschutz von 350 bis 450W/m2 ohne weiteres ergeben können.
Gleichermaßen ungünstig wirken sich Fußbodenheizungen dann aus, wenn bei Daueraufenthalt eine Oberflächentemperatur von mehr als 27°C erreicht wird. In nicht begangenen Randzonen können ohne weiteres Temperaturen von 35°C angestrebt werden, um die Aufenthaltszonen zu entlasten. Andererseits sollen Fußbodentemperaturen nicht unter 17-18°C absinken, da hier wiederum der Mensch infolge der Anhäufung von Wärmepunkten im Knöchelbereich empfindlich reagiert.
Bei Deckenstrahlungsheizungen soll die Zustrahlung von Wärme auf den Kopf des Menschen bei 20°C Raumlufttemperatur maximal 12 W/m2 betragen, um eine Unbehaglichkeit zu vermeiden. Dabei ist zu beachten, dass, je niedriger der Raum, desto niedriger die Deckentemperatur sein muss.
Abschließend zeigt Bild 18 die Temperaturschichtungen im Aufenthaltsbereich des Menschen bei verschiedenen Arten der Wärmezufuhr. Zum Vergleich ist die „ideale Heizung“ angegeben.
V.2. Heizsysteme
Heizsysteme unterscheiden sich nach der Lage der Wärmeerzeuger
- Einzel-, Zentral- und Fernheizungen
- nach Energieart (Art des Primärenergieträgers)
- Kohle-, Gas-, Öl-, elektrische, Solar- und Wärmepumpenheizungen
- nach dem Wärmeträger
- Warmwasser-, Heißwasser-, Dampf- und Luftheizungen
- nach Art der Wärmeübergabe
- Konvektions-, Strahlungs-, Luft- und kombinierte Heizungsanlagen
Bei der Instandsetzung von Baudenkmälern – insbesondere des Zeitraums von 1870 bis 1970 – dürfte es im Regelfall eher keine Frage sein, ob ausreichende Technikräume zur Unterbringung einer zentralen Heizungsanlage vorhanden sind, sondern vielmehr, ob diese in kleinstmöglicher Bauart und vor allem ohne Vergrößerung von Kaminen einbaufähig ist. Insofern sollte, soweit als möglich, auf einen Fernwärmeanschluss zurückgegriffen werden, da dieser keine Nachinstallationen bezüglich Kamine oder Energiebevorratungen (Tanks, Silos o.a.) nach sich zieht.
V.3. Wärmeerzeugung
Die Erzeugung von Wärmeenergie erfolgt heute im Regelfall über Zentralheizungen. Denkbar ist, dass bei der Instandsetzung von Baudenkmälern vorhandene Kamine, Kachelöfen, Warmluft-Kachelöfen und in geringem Umfang elektrisch betriebene Raumheizgeräte weiter verwendet werden.
Beim Einbau einer Wärmeerzeugungsanlage erfolgt die Bereitstellung der Wärmeenergie in fester, flüssiger oder gasförmiger Form. Alternativ stehen Fernwärme sowie elektrische Energie als auch gegebenenfalls Umweltenergien zur Verfügung. Bild 19 gibt einen Überblick über die Wärmeerzeugung und deren Auswirkungen.
Wie bereits festgestellt, ist der Einsatz von Fernwärme im Regelfall ideal, da anstatt eines Kessels mit Kamin und Bevorratung lediglich ein Plattenwärmetauscher zum Einsatz kommt. Entsprechende Plattenwärmetauscher haben geringe bauliche Abmessungen, im Regelfall eine große Betriebssicherheit und erzeugen Raumersparnisse infolge des Fortfalls einer größeren Heizzentrale mit Brennstoffraum sowie Schornstein. Der Bedienungs- und Wartungsaufwand ist im Regelfall gering, gleichermaßen der Schadstoffausstoß. Ein weiterer interessanter Ansatz liegt auch im erhöhten Brandschutz für das beheizte Gebäude, d.h. innerhalb des Gebäudes besteht keine Brennstelle.
Beim Einsatz von Kesselanlagen ist vor allem darauf zu achten, ob eine Bevorratung von Primärbrennstoffen notwendig wird und hierfür der notwendige Platz vorhanden ist. Insofern bietet sich bei nachträglichem Einbau oder Umbau primär an, eine gasbefeuerte Kesselanlage zum Einsatz zu bringen, um sich einen Öl-Tankraum oder eine Kohlebevorratung (alternativ Holzschnitzelbevorratung) zu ersparen.
Ein entsprechender Heizkessel oder eine Heizkesselanlage kann auch als Zweistoff-Kesselanlage ausgelegt werden, wobei als primärer Energieträger Gas und als sekundärer Energieträger Öl zum Einsatz kommen kann. Hierdurch lässt sich die Ölbevorratung verringern. Bei Einsatz von Gaskesseln bietet sich insbesondere eine Brennwert-Kesselanlage an, alternativ bei kleineren Leistungen eine Brennwert-Gastherme (z.B. wandhängend), um den Schadstoffausstoß zu verringern.
Elektrisch betriebene Kesselanlagen gehören in den mitteleuropäischen Ländern eher der Vergangenheit an, da elektrische Energie als Heizenergie zu wertvoll ist (auch zu teuer). Nur in Sonderfällen sollte elektrische Energie zur Beheizung von baulichen Strukturen tatsächlich verwendet werden.
Neben den bekannten, konventionellen Wärmeerzeugungseinrichtungen können auch solche zum Einsatz kommen, die die Umweltenergie nutzen. Hierzu gehören Solarabsorber, Flachplattenkollektoren oder Vakuum-Flachkollektoren. Alle diese Systeme müssen jedoch mit größeren Speicheranlagen kombiniert werden, um einen möglichst hohen Nutzungszeitraum zu erreichen. Eine weitere Alternative der Wärmeerzeugung sind Wärmepumpen, die sinnvollerweise Umweltenergien zur Beheizung nutzen (hier insbesondere Grundwasser oder Erdwärme). Bei Wärmepumpen ist zu beachten, dass diese ausschließlich Wärme im Niedertemperaturbereich liefern, d.h. Warmwasser-Vorlauftemperaturen bis max. ca. 50°C.
Der Einsatz eines Blockheizkraftwerks (Kraftwärmekopplung) ist nur dann sinnvoll, wenn entweder ein hoher, stetiger Wärmebedarf oder alternativ ein hoher, stetiger Elektroenergiebedarf besteht. Idealerweise fallen beide Verbrauche annähernd zur gleichen Zeit an, d.h. Wärme und Strom werden gleichermaßen abgenommen. Beim Einsatz einer Blockheizkraftwerk-Anlage ist jedoch zu beachten, dass hierdurch ein erheblicher Schallleistungspegel im Gebäude entsteht, den es zu dämpfen gilt.
Die zukunftsweisende Technologie, Brennstoffzelle, steht zwar vor ihrem Durchbuch, ist jedoch heute im Wesentlichen nur für kleine Leistungen mit Standardgeräten verfügbar (Leistungen bis ca. 3kW Heizleistung). Bei der Brennstoffzelle muss Gas zugeführt werden, wobei diese gleichzeitig Strom und Wärme liefert.
Sollte in einem denkmalgeschützten Gebäude ein ehemaliger Kohlebunker bestehen, bietet sich hier u.U. an, diesen erneut zu nutzen (moderne Kohleverfeuerung) oder den entsprechenden Bunker zur Lagerung von Holzschnitzeln oder Holzpellets heranzuziehen, um eine Holzschnitzel-Feuerungsanlage zum Einsatz zu bringen.
V.4. Wärmeenergieverteilung
Bei der Wärmeenergieverteilung unterscheidet man nach:
- Zwei-Rohrsystem mit unterer Verteilung und senkrechten Steigesträngen
- Zwei-Rohrsystem mit oberer Verteilung und senkrechten Steigesträngen
- Zwei-Rohrsystem mit horizontaler Verteilung in den Geschossen
- Ein-Rohrsysteme
- Etagenheizungen
Zwei-Rohrsysteme mit unterer Verteilung bedeutet, dass die Hauptverteilung der Wärmeenergie in Kellerräumen erfolgt und von hier aus in einzelnen Steigeleitungen nach oben steigt, um diverseste Geschosse und Räume zu bedienen.
Beim Zwei-Rohrsystem mit oberer Verteilung erfolgt die Wärmeenergieverteilung z.B. in einem Dachgeschoss, selbst wenn die Wärmeerzeugungsanlage im Keller steht. In diesem Fall wird die Wärmeenergie über eine zentrale Vor- und Rücklaufleitung anfänglich in das Dach gefördert und hier in einem Ring so verteilt, dass wiederum nach unten fallende Vorlaufleitungen bzw. von unten nach oben aufsteigende Rücklaufleitungen an die Hauptverteilung angebunden werden.
Sollte in dem zur Betrachtung stehenden Gebäude eine ausreichende Aufbauhöhe im Fußbodenbereich möglich sein (ca. 20 cm), so kann auch jedes Geschoss einzeln, ausgehend von einer zentralen vertikalen Ver- und Entsorgung, horizontal angebunden werden, d.h. ein Vorlauf und ein Rücklauf (z.B. Tichelmann-System) bindet eine Vielzahl von Heizflächen an, wobei die Regelung derselben jeweils vor Ort erfolgt.
Sollte die Unterbringung eines Heizungsvorlaufs und -rücklaufs nur schwer möglich sein, so kann gegebenenfalls auf eine Ein-Rohrheizung (Ein-Rohrheizsystem) zurückgegriffen werden. Beim Ein-Rohrheizsystem erfolgt die Versorgung der Heizkörper mit Heizwasser nur über ein Rohr, d.h. sowohl Vor- als auch Rücklaufwasser werden über eine gemeinsame Rohrleitung gefördert. Dies hat jedoch zur Folge, dass die einzelnen Heizkörper mit Heizwasser versorgt werden, deren Temperatur von Heizkörper zu Heizkörper durch das jeweils beigemischte kältere Rücklaufwasser abnimmt. Um die Leistung der Heizkörper anzupassen, ist entweder eine entsprechende Heizflächenvergrößerung notwendig oder die über die Heizkörper fließende Wassermenge muss zur konstanten Beibehaltung der mittleren Heizflächentemperatur entsprechend vergrößert werden. Bild 20 zeigt beispielhaft eine vertikale Ein-Rohrheizanlage, bei der im linken Bildteil eine obere Verteilung und im rechten Bildteil eine untere Verteilung je Geschoss erfolgt.
Besteht keine Möglichkeit, in einem zentralen Raum eine größere Kesselanlage zur Aufstellung zu bringen oder aber Hauptleitungen in Schächten zu führen, ist es auch denkbar, Etagenheizungen einzusetzen, d.h. je Geschoss wird im Regelfall ein Gas-Wasser-Heizgerät aufgestellt und versorgt die innerhalb der Etage vorhandenen Heizflächen.
V.5. Wärmeübergabe
Die Übertragung von Wärmeenergie auf Räume kann sowohl per Luft als auch per Wasser erfolgen. In jedem Fall wird in unseren Breiten eine Wärmeübertragung in Räume auf Wasserbasis vorgezogen, es sei denn, dass aus anderen Gründen eine raumlufttechnische Anlage vorhanden sein muss. Wenn dies nicht der Fall ist, so bieten sich verschiedenste Heizflächenarten an:
- Radiatoren (Gussradiator/Stahlradiator/Aluminiumradiator/Kunststoffradiator)
- Röhrenradiatoren
- Flächenheizkörper
- Strahlplatten
- Konvektoren
Alle vorgenannten Einbauten zur Übertragung von Wärmeenergie sind bekannt und treten bei Einbau optisch auf. Röhrenradiatoren können gegebenenfalls als Trennelement innerhalb eines Raumes zur Aufstellung kommen, alle weiteren Heizflächen lassen sich u.U. in Wandnischen unterbringen. Die am geringsten „auftragenden“ Heizkörper sind Konvektoren, die u.U. als Sockelkonvektoren zum Einsatz kommen können (Fußleistenkonvektor).
Verträgt ein Raum keinen Aufbau von sichtbaren Heizkörpern oder Heizflächen, so bieten sich u.U. Flächenheizungen an:
- Fußbodenheizung
- Deckenheizungen
- Wandheizungen
- Fassaden-Sprossen-Heizungen
Wie aus der vorgehenden Aufstellung ablesbar, bieten sich sämtliche raumumschließenden Flächen letztendlich zur Beheizung des Raumes an. Die Frage hierbei stellt sich lediglich, wo und in welchem Umfang an welchen Flächen Heizleitungen mit flächiger Verteilung untergebracht werden können.
Bei Fußbodenheizungen wird im Regelfall ein Bodenaufbau in der Größenordnung von ca. 8-12 cm notwendig. Die entsprechenden Heizleitungen werden auf einer Isolierschicht, die auch gleichzeitig Trittschalldämmung sein kann, in ein Estrichbett eingelegt, auf dem wiederum jedes Fußbodenmaterial aufgebracht werden kann. Bei Deckenheizungen mit Lamellenheizdecken oder mit einer Gipskassettendecke werden ähnliche Aufbauhöhen notwendig. Hier ist jedoch unbedingt darauf zu achten, dass die Oberflächentemperaturen der Decke in keinem Fall 27-28°C übersteigen, um Unbehaglichkeiten auszuschließen.
Flächige Wandheizungen liegen im Regelfall vor einer gemauerten oder betonierten Wand und benötigen eine Gesamteinbautiefe von ca. 10 cm. Die auf den Heizleitungen liegenden flächigen Verkleidungen können aus unterschiedlichem Material bestehen, wobei dieses möglichst gut wärmeleitend sein sollte.
Sprossenheizungen im Fassadenbereich können u.U. eine adäquate Lösung dann darstellen, wenn alle anderen Heizflächen nicht zum Einsatz kommen können. Entsprechende Sprossen können, abgelöst von Fensterprofilen, einen Fensterrahmen umschließen und arbeiten ebenfalls auf Niedertemperaturbasis.
VI. Lüftung
Im Gegensatz zu mechanisch belüfteten oder klimatisierten Räumen, in denen der Luftwechsel sowie die Zustandsgrößen der Raumluft über die Anlagenart festgelegt und regelbar ist, gestaltet sich die Planung natürlich zu belüftender Räumlichkeiten etwas schwieriger.
Die Antriebsmechanismen des natürlichen Luftaustausches sind neben thermisch bedingten und höhenabhängigen Auftriebseffekten vor allem die oftmals stark zeitabhängigen, windinduzierten Druckdifferenzen an der Gebäudehülle. Jeder der genannten Einflüsse ist für sich allein betrachtet bereits relativ komplex. In vielen Fällen erreichen thermische und aerodynamische Wirkungen die gleiche Größenordnung, so dass sie stets gemeinsam berücksichtigt werden müssen. Wie Bild 21 zeigt, spielt neben den physikalischen Einflüssen die Bauart des Gebäudes und die angewandte Fassadentechnik sowie die Dichtheit der verwendeten Bauelemente eine wesentliche Rolle, hier insbesondere die Art des verwendeten Fensters. Inwieweit Fenster durch Raumnutzer geöffnet werden und auf welche Art sie die Innenströmung im Raum und damit die Innendurchströmungen beeinflussen, hat entscheidenden Einfluss auf die Lüftungseffektivität. Die Geruchs- und Schadstoffemissionen an der Gebäudehülle, die bei mangelnder Auslegung und Anordnung auch in der gebäudeeigenen Abluft-, Heizungs- oder Klimaanlage ihre Ursache haben können, sind ebenso ein weiterer Einflussfaktor wie die Emissionen im betrachteten Innenraum selbst.
Zurückkommend auf das in Bild 3 gezeigte Reichstagsgebäude in Berlin soll das vorher Gesagte kurz erläutert werden. Bild 22 zeigt eine Windstatistik des Standorts Berlin mit mittleren jährlichen Windgeschwindigkeiten und Windrichtungsverteilungen. In das Diagramm eingetragen ist jeweils verkleinert der Grundriss des Reichstags.
Aufgrund der sich üblicherweise einstellenden Windgeschwindigkeiten und Windrichtungen ergeben sich an der Gebäudehülle Druckverteilungen mit Überdrücken (+cp) und Unterdrücken (-cp = Druckbeiwerte), die eine Belüftung von außen in das Gebäude bzw. eine Entlüftung aus dem Gebäude nach außen verursachen. In Bild 24 ist die Umströmung und Durchströmung des Gebäudes infolge der sich einstellenden Über- und Unterdrücke dargestellt. Das Bild verdeutlicht, wie das Gebäude infolge geöffneter Fenster und Dachelemente durchlüftet werden kann (Basis Entwurf Santiago Calatrava – Vals, Zürich).
Eine entscheidende Grundlage zur Ermittlung brauchbarer Vorhersagen über sich einstellende Über- und Unterdrücke bei verschiedenen Windrichtungen und Windstärken ist die richtige Vorgabe der äußeren Randbedingungen. Während die Temperaturverteilung durch Anwendung moderner thermischer Raumsimulationsverfahren mithilfe des Computers in Abhängigkeit von Lage und Gebäudestandort, Tages- und Jahreszeit sowie Bauart und angewandter Fassadentechnik hinreichend genau festgestellt werden kann, bedeutet die Ermittlung der äußeren Drücke oder Konzentrationen oft einen erheblichen Aufwand. Ursache ist die Komplexität der gebäudenahen Strömungsverhältnisse. Neben der Gebäudegeometrie selbst spielen die Art der Umgebungsbebauungen und die vom regionalen Gebäudestandort abhängigen, statistischen Häufigkeitsverteilungen eine große Rolle. Um diese hinreichend genau erfassen zu können, wird es oft notwendig, einen Modellversuch im Windkanal durchzuführen, d.h. bei verschiedensten Windrichtungen und Windgeschwindigkeiten die tatsächlichen Drücke im Modell (Maßstab 1:200 bis 1:300) zu messen.
Besitzt ein Gebäude einen erhöhten Anspruch an Raumlufttemperaturen im Sommer und im Winter, Staub- und Geruchsfreiheit, Anspruch an relative Feuchte usw., so ist der Einsatz von raumlufttechnischen Anlagen unumgänglich. Neben der notwendigerweise durchzuführenden Wärmebedarfsberechnung zur Auslegung von Heizsystemen wird nunmehr eine Kühllastberechnung für jeden einzelnen Raum durchgeführt, um die bestimmenden Größen der Kühlleistung und Luftmengen festzustellen. Dabei kann und muss von vornherein unterschieden werden, ob Kühllasten (sommerliche Wärmegewinne) aus dem Gebäude ausschließlich per Luft oder über eine Kombination Raumlufttechnik und Kühlflächen ausgetragen wird. Die notwendigen Luftraten, d.h. die Bestimmung des stündlichen Außenluftwechsels zur Erreichung eines hygienischen Raumklimas, hängt von seiner Belastung einerseits sowie dem notwendigen Schadstoffaustrag zusammen. Dabei ist die Art der Zuluftführung in den Raum sowie seine Höhe von erheblichem Einfluss.
Die Austauschraten der Luft, üblicherweise angegeben in Luftwechselzahlen, ergeben sich aus:
- zuzuführende Luftmenge (m3/h) infolge notwendiger Kühllastkompensation
- notwendige Zuluftmenge zur Erreichung hygienischer Raumluftzustände
- Zuluftmenge aufgrund fabrikationstechnischer Gründe (Schadstoffemissionen, Staubfreiheit usw.)
VI.1. Arten der Raumluftsysteme (RLT-Anlagen)
Raumlufttechnische Anlagen (RLT-Anlagen) haben die Aufgabe, aus Räumen die nachfolgend dargestellten Belastungen abzuführen:
- Luftverunreinigungen (Geruchs-, Schad- Ballaststoffe)
- sensible Wärmelasten (Kühllasten)
- latente Wärmelasten (Stofflasten beim Entfeuchten oder Befeuchten).
Sie haben weiterhin die Aufgabe, die Raumlufttechnik so zu gestalten, dass ein hygienisches und behagliches Nutzen von Räumen möglich ist.
Klassifizierung
Die Klassifizierung der RLT-Anlagen erfolgt nach den thermodynamischen Luftbehandlungsfunktionen. Danach unterscheidet man grundsätzlich: – Lüftungsanlagen (einfacher Art) – Lüftungsanlagen mit zusätzlicher Luftaufbereitung – Klimaanlagen. Die Tabelle 1 weist die Klassifikation nach thermodynamischen Luftbehandlungs- und Lüftungsfunktionen aus. Bild 25 gibt zusätzlich den Geräteaufbau bei den verschiedenen thermodynamischen Luftbehandlungsfunktionen an.
Eine weitere Unterteilung der RLT-Anlagen kann auch danach erfolgen, in welcher Form die notwendigen Energien zur Lastkompensation dem Raum zugeführt werden (per Luft/per Luft und Wasser/per Wasser). Danach kann man unterscheiden nach:
- Nur-Luft-Systeme
- Luft-Wasser-Systeme
- Wasser-Systeme
- (Kühldeckensysteme).
In Tabelle 2 und Bild 26 sind die gängigsten Klimasysteme dargestellt. Die Tabelle gibt eine Übersicht des Einsatzes und weiterer Anlagenparameter und kann zur ersten Bestimmung einzusetzender Systemlösungen dienen.
VI.2. Luftaufbereitung
Die Aufbereitung von Außenluft, gegebenenfalls Umluft (aus Räumen rückgeführte Luft), erfolgt heute im Wesentlichen in Klimageräten mit Stahlblechgehäusen, die entweder im Ganzen angeliefert und eingebracht werden oder vor Ort aus Einzelteilen zusammengebaut werden. Die Klimageräte beinhalten im Wesentlichen
- Luftfilter
- Wärmerückgewinnungssysteme
- Lufterhitzer
- Luftkühler (und Entfeuchter)
- Befeuchtungseinrichtungen
- Ventilatoren und Schalldämpfer
Über diese Elemente werden Außenluftströme erwärmt, gekühlt, befeuchtet, entfeuchtet und gereinigt. Je nach Luftaufbereitung beinhalten entsprechende Klimageräte einen oder mehrere Filter, einen oder mehrere Lufterhitzer bzw. Kühler, einen oder mehrere Ventilatoren.
Bei Vielraum-Gebäuden werden je nach Klimasystem u.U. Nachbehandlungsgeräte in Form von fan coil units, Induktionsgeräten, Volumenstromreglern usw. notwendig, die in den jeweiligen Räumen eingesetzt werden.
Da Raumlufttechnische Anlagen ein Mehrfaches an Platz benötigen wie alle anderen technischen Einrichtungen, sollte grundsätzlich versucht werden, mit geringsten Luftmengen auszukommen, d.h. die Luftmengen auf das hygienisch notwendige Maß zu beschränken. Hierdurch lassen sich nicht nur die notwendigen Technikräume, sondern vor allem auch Kanalquerschnitte zur Verteilung von Luft verringern.
VI.3. Luftverteilung
Die in Lüftungs- und Klimazentralen aufbereiteten Luftmengen werden im Regelfall durch Kanäle aus verzinktem Stahlblech zu den einzelnen Räumen verteilt. Wie bei der Heizung erfolgt häufig eine untere oder obere Verteilung mit Vertikalschächten, die die Luftströme in die einzelnen Geschosse oder Räume führen. Dabei ist zu beachten, dass Abzweige in Geschosse jeweils durch Feuerschutzklappen gegenüber dem Vertikalschacht abgetrennt werden müssen, um Brandausbreitungen zu vermeiden. Hierin liegt eine besondere Schwierigkeit, da Feuerschutzklappen nicht mit hohen Luftgeschwindigkeiten durchströmt werden können, will man Geräuschentwicklungen vermeiden.
VI.4. Lufteintrag in Räume
Der Eintrag von Luft in Räume kann praktisch von allen Seiten her erfolgen (vgl. Bild 26). So kann die Zuluft für Räume im Deckenbereich ausgebracht werden (mittig oder tangential), über flächige Wandauslässe ausströmen oder auch über Bodenauslässe (Druckboden) an den Raum mitgeteilt werden. Es bieten sich somit verschiedenste Raumumschließungsbereiche an, über die Zuluft eingeführt und Abluft abgesaugt wird. Bei entsprechenden Aufrüstungen, Umnutzungen oder Neuinstallationen ist jeweils darauf zu achten, welche Form der Zuluftzuführung das Baudenkmal am wenigsten tangiert.
VII. Kühlung
VII.1. Arten der Raumkühlung
Die Kühlung von Räumen erfolgt entweder ausschließlich per Luft, wie bereits beschrieben, über stille Kühlsystems oder in einer Kombination Raumlufttechnik und stille Kühlsysteme.
VII.2. Stille Kühlsysteme
Unter dem Begriff der „stillen Kühlung“ in der Klimatechnik versteht man Systemlösungen, bei denen die Kühlung auf natürlichem Wege, d.h. durch Dichteunterschiede oder Strahlungsaustausch erfolgt und Kühlenergie zur Lastkompensation nicht zwangsweise durch Raumlufttechnische Anlagen in Räume eingeführt wird.
Vor etwa 40 Jahren wurde in den nordischen Ländern eine Systemtechnik verfolgt, die sich aus der Kenntnis der Wirkungsweise von Flächenheizungen ergibt (Deckenstrahlungsheizungen) und den Vorteil der Energiezuführung per Wasser in Räume berücksichtigte. Stille Kühlsysteme bieten insbesondere dort Vorteile, wo punktuelle Nachrüstungen notwendig werden und dem zeitlich steigenden Bedarf an Kälteenergie infolge zunehmender innerer Kühllasten Rechnung zu tragen ist. Hinzukommt, dass eine Vielzahl von Altbauten aufgrund zunehmender Umweltbelastungen mehr und mehr auf natürliche Belüftung verzichten mussten und müssen, so dass nunmehr auch in diesen Gebäuden eine Lastkompensation im Sommer notwendig wird. Stille Kühlungen haben somit im Wesentlichen folgende Aufgaben:
- Reduzierung der Zuluftmenge auf ein hygienisch bedingtes Mindestmaß
- Verkleinerung der Raumluftgeschwindigkeit und des Turbulenzgrades (niedrigere Beschwerderate/höhere Akzeptanz)
- Minimierung des Temperaturgradienten zwischen Fußboden und Aufenthaltsbereich
- Minimierung des Temperaturgradienten zwischen Fußboden und Aufenthaltsbereich
- Reduzierung des Energieaufwandes zur Kühlung
- Nutzung der freien Kühlung durch Kaltwassererzeugung über Kühltürme
- Verringerung von Schacht- und Technikflächen.
Der Bereich der stillen Kühlsysteme umfasst:
- Reduzierung des Energieaufwandes zur Kühlung
- Kühldecken in Form von Deckensystemen
- Fallstromkühlung als Decken- oder Schachtkühlung
- Bauteilkühlung Kombination verschiedener Kühlsysteme.
Die Hauptgruppen der Kühlsysteme sind in Bild 27 dargestellt. In dieser Darstellung sind das Arbeitsprinzip, das Kühlmedium, die architektonischen Belange und die Art der Kälteerzeugung ausgewiesen. Die Bilder 28 zeigen die Wirkungsweise der stillen Kühlung, bei unterschiedlichem Strahlungs- und Konvektionsanteil. Grundsätzlich vorauszuschicken ist, dass der Einsatz von Kühldecken oder Bauteilkühlungen dann eingeschränkt ist, wenn:
- Kaltwassertemperaturen zu Kühlzwecken unterhalb des Lufttaupunktes liegen;
- Decken- oder Wandoberflächentemperaturen in Bereichen liegen, die eine zu starke Entwärmung des Körpers verursachen (vgl. Behaglichkeit);
- gestalterische Belange gegen den Einsatz einer stillen Kühlung sprechen.
Beim Einsatz von Kühlelementen im Raum ist in jedem Fall zu vermeiden, dass diese Kühlelemente von außen eintretende Luft (natürliche Lüftung) entfeuchten, d.h. Wasserdampf an ihren Oberflächen ausscheiden. Die Kaltwassertemperaturen müssen für die verschiedenen Systemlösungen so geregelt werden, dass sie oberhalb des zugehörigen Lufttaupunktes liegen, was eine Verringerung der Kühlleistung bewirken kann. Sollen Kühldeckensysteme bei ausschließlich natürlicher Lüftung der Räume eingesetzt werden, so ist gegebenenfalls in Kauf zu nehmen, dass infolge der Anhebung der Kaltwassertemperaturen eine gewünschte Raumtemperatur nicht immer erreicht wird (Kaltwassertemperaturen 16-21°C).
VII.3. Bauteilkühlung
Bei der Bauteilkühlung kann man entweder per Wasser oder per Luft speichernde Massen so weit auskühlen, dass ein großer Teil der Kühllastkompensation durch diese erfolgt. Als Systemlösung unterscheidet man in Beton eingelegte oder auf Beton aufgeputzte Rohrsysteme unterschiedlicher Dimensionen und spezieller Kälteleistungen. In Bild 29 sind diese dargestellt. Es handelt es sich um ein der Fußbodenheizung ähnliches Konzept, bei dem durch Kapillarrohre aus Kunststoff (Durchmesser 1,2 mm) Kaltwasser fließt, um Deckenteile zu kühlen und somit Wärmeenergie zu kompensieren. Bild 30 zeigt eine Deckeninstallation mit Kapillarrohren vor dem Einputzen. Wie bei den Kühldecken gilt hier, dass Schwitzwasser zu vermeiden ist und die Oberflächentemperaturen nicht außerhalb des Behaglichkeitsfeldes liegen sollen. Eine Bauteilkühlung durch Luft wurde u.a. vor Jahren bei einem Bauvorhaben der Europäischen Investitionsbank in Luxemburg durchgeführt. Bei diesem Objekt wird während der Nacht durch Betonhohldecken kalte Außenluft hindurchgeführt (zonengeregelt), die die Betonmassen auf 18°C abkühlen. Die Auskühlung erfolgt nur dann, wenn die Außentemperaturen unterhalb der Raumtemperaturen liegen (19 bis 6 Uhr).
VII.4. Kühl-, Kaltwasseraufbereitung
Lüftungsanlagen mit zusätzlicher Kühlung und Klimaanlagen sowie stille Kühlsysteme benötigen neben einem Heizmittel zur Erwärmung der Luft ein Kühlmittel zur Kühlung und z.T. Entfeuchtung der Luft im Sommer oder Kühlung ohne Entfeuchtung. Zur Bereitstellung der notwendigen Kälteenergie in Gebäudetechnischen Anlagen und z.T. prozesstechnischen Anlagen werden vornehmlich Kältemaschinen mit Rückkühlwerken benutzt, die Kaltwasser oder Kühlwasser erzeugen für:
- Kühlung von Luft und Entfeuchtung, Kaltwasser 6/12°C
- extrem tiefe Kühlung bei sehr niedrigen, gewünschten Raumluftfeuchten, Sole (Frostschutz-Wassergemisch, 0 °C/5°C)
Bei kleineren Anlagen kann u.U. auch direkt über Kältemittel (Verdampferkühlung) ein Außenluftstrom gekühlt und entfeuchtet werden, ohne dass Kaltwasser als Zwischenträger zum Einsatz kommt. Bei Kühlprozessen ohne Entfeuchtung bzw. Vorkühlungsprozessen bieten sich an:
- Kühlwasser aus Flach- oder Tiefensonden, 16/20°C
- Brunnenwasser, 15/20°C
- „Freie Kühlung über Rückkühlwerke“, 16/25°C
Die Art des Kälteträgers und seine Menge ergibt sich aus dem Kälteenergiebedarf (Leistungsbilanz) sowie der Art der eingesetzten Wärmetauscher.
Bei sehr großen Bauobjekten oder zu kühlenden Gebäuden in unmittelbarer Nachbarschaft wird es u.U. sinnvoll und interessant, eine zentrale Kälteanlage aufzubauen, um dann die einzelnen Objekte über Fernkälte zu versorgen.
Zur Erzeugung von Kälteenergie (Kaltwasser/Sole) werden heute im Wesentlichen eingesetzt:
- Kompressions-Kältemaschinen mit Spiralverdichtern
- Kompressions-Kältemaschinen mit Kolbenverdichtern
- Kompressions-Kältemaschinen mit Turboverdichtern
- Kompressions-Kältemaschinen mit Schraubenverdichtern
Die prinzipielle Wirkungsweise einer Kältemaschine mit Kompressor veranschaulicht das Bild 31: Ein Kompressor saugt das Kältemittel als Kaltdampf an und verdichtet es. Dadurch wird das Kältemittel überhitzt und als überhitzter Kältemitteldampf durch eine Leitung, in der ein Ölabscheider eingesetzt ist, der die vom Kompressor herrührenden Ölrückstände abscheidet, zum Kondensator gedrückt. Im Kondensator wird der überhitzte Kältemitteldampf kondensiert, weil das Kältemittel im Gegenstrom mit Kühlwasser oder Luft gekühlt und somit dem Kältemittel Wärme entzogen wird. Nach dem Austritt aus dem Kondensator wird das kondensierte Kältemittel durch einen Trockner, der Wasser ausscheidet und durch ein Expansionsventil geleitet. Dabei verdampft bereits ein Teil des Kältemittels bei gleichbleibendem Wärmeinhalt. Im Verdampfer nimmt das Kältemittel Wärme aus dem zu kühlenden Medium (z.B. Wasser) auf, damit es vollständig verdampfen kann.
Neben den elektrisch betriebenen Kältemaschinen, wie vorbeschrieben, können dann zunehmend Absorptionskältemaschinen zum Einsatz kommen, wenn die Möglichkeit besteht, im Sommer Wärmeenergie zu nutzen. Im Kreisprozess der Absorptionskältemaschine wird zum Betrieb im Austreiber Dampf oder Heißwasser benötigt. Dampf oder Heißwasser ist hierbei die treibende Energie, um den Absorptionsprozess zu erhalten. Die notwendige Wärmeenergie (ca. 95-120°C) kann geliefert werden durch Fernheizung, Abwärme eines Blockheizkraftwerks, Solarenergie oder Prozesswärme. Die Absorptionskältemaschinen haben gegenüber den elektrisch betriebenen Kältemaschinen den großen Vorteil, dass sie einerseits nur ca. 10% der elektrischen Energie benötigen und ihr Betrieb ohne Geräuschentwicklung erfolgt, jedoch andererseits den Nachteil, dass sie außerordentlich große Rückkühlleistungen (Rückkühlwerke) benötigen.
Erfolgt die Kühlung insbesondere im Raum und somit zwangsläufig ohne Entfeuchtung, so werden Kühlwasserströme notwendig, die minimale Vorlauftemperaturen um ca. +16°C besitzen. Hierdurch bietet sich der Einsatz von Brunnenwasser und Erdsonden an.
Während Brunnenkühlungen in der Vergangenheit gang und gäbe waren, erfahren sie zurzeit wieder eine Renaissance im Zusammenhang mit dem Bestreben, Elektroenergie einzusparen. Insofern ist von Fall zu Fall zu prüfen, ob eine ausreichende Kühlung durch Brunnenwasser möglich ist, da der Einsatz desselben eine Reihe erheblicher Probleme löst. Kältemaschinen und Rückkühlwerk können u.U. entfallen oder umgekehrt der Einbau insbesondere eines Rückkühlwerks in ein denkmalgeschütztes Gebäude ist praktisch nicht möglich.
Der Einsatz von Erdsonden zur Erzeugung von Kälteenergie auf direktem Wege (Abkühlung erwärmten Wassers im Erdreich auf tiefere Temperaturen) ist als Systemlösung interessant. Dabei ist zu beachten, dass die Vorlauftemperaturen entsprechender Kühlkreisläufe nicht wesentlich unter +16°C liegen sollten, die Rücklauftemperaturen nicht über 22°C. Nutzung der Erdkälte bedeutet, dass die Abwärme aus dem Gebäude in das Erdreich abgeführt wird. Es gilt somit zu beachten, dass der Jahresgang der Energieflüsse ausgeglichen ist, d.h. dass die über das Sommerhalbjahr dem Erdreich zugeführte Wärmeenergie über das Winterhalbjahr wieder ausgeglichen wird. Unter der Annahme, dass im Erdreich ein räumlicher Wärmeenergiefluss von ca. 0,065W/m2 fließt, ist bei Einhaltung eines durchschnittlichen Sondenabstandes von 6 m eine Sondenleistung von ca. 30 W/m Sondenlänge zu erreichen. Die maximale Sondentiefe sollte etwa 100 m nicht überschreiten, da sich ansonsten zu hohe Investitionsaufwendungen ergeben. Bild 32 zeigt das Prinzipschema eines Kühlkreislaufes selbst, Bilder 33/34 wesentliche Einflussgrößen bei der Auslegung.
Neben den vorbeschriebenen Wasserkreisläufen gibt es die Möglichkeit, Außenluft im Sommer vor Einleitung in ein Gebäude direkt durch das Erdreich abzukühlen bzw. im Winter vorzuheizen. Es bietet sich u.U. an, die Außenluft durch im Erdreich verlegte Rohre anzusaugen oder durch ein unter dem Gebäude liegendes, betoniertes Thermolabyrinth hindurch zu führen bzw. ungedämmte Kellerräume zum Wärmeaustausch heran zu ziehen.
Thermokanal (Erdrohr)
Bei kleineren Luftmengen für die Belüftung von Gebäuden können u.U. Rohrleitungen, kleinerer Dimension (z.B. Tonrohre, Betonrohre, Kunststoffrohre) ins Erdreich verlegt werden, die einen Effekt erzeugen wie in Bild 35 dargestellt. Bei diesem Beispiel handelt es sich um in 3 m Tiefe verlegte Rohre mit einem Durchmesser von 130 mm und einer geförderten Luftmenge je Rohr von 140m3/h. Wie gut erkennbar, erwärmt sich im Winter die Luft nach einer Strecke von 45 m um ca. 15K und kühlt sich im Sommer um ca. 8K ab. Bei Thermolabyrinthen handelt es sich im Prinzip um die gleiche Thematik, nur dass anstatt der Erdrohre betonierte Kanäle gegen Erdreich aufgebaut werden, durch die größere Luftströme gefördert werden. Der Effekt ist im Prinzip der gleiche wie vor beschrieben.
Weitere Kühl- und Entfeuchtungsprozesse lassen sich innerhalb klimatechnischer Anlagen einsetzen, um die zu erzeugende Kälteleistung zu minimieren oder ganz zu eliminieren. Hierzu gehören die Luftentfeuchtung durch Sorptionsgeneratoren und die Luftkühlung mittels absorptiver Entfeuchtung mit adiabater Kühlung, sorptionsgestütze Klimatisierung mit Salzlösungen, Hybridluftentfeuchter und letztendlich Dampfstrahl-Kältemaschinen.
Die eingangs beschriebenen Kompressions-Kältemaschinen können zudem auch als Wärmepumpen herangezogen werden, um im Winter Niedertemperaturwärme zu liefern. Hierbei muss der Verdampfer seine Kühlenergie gegen Grundwasser oder Erdwärme austauschen können, d.h. deren Energiepotenzial wird durch die Kältemaschine auf ein höheres Temperaturniveau gepumpt. Somit ergänzt eine u.U. notwendige Kältemaschine im Winterbetrieb die notwendige Wärmeenergieerzeugung bzw. reduziert deren Leistung.
Ein weiterer verfahrenstechnischer Ansatz zur Reduzierung von Kälteleistungen kann darin liegen, Eisspeichersysteme einzusetzen, bei denen während der Nacht Eis produziert wird, das während des darauffolgenden Tages abgeschmolzen wird und zusammen mit der Kältemaschine die notwendige Kälteenergie liefert (Bild 36).
VII.5. Kaltwasserverteilung
Die Verteilung der Kühlenergie, d.h. Kaltwasser im Temperaturbereich zwischen 6 °C bis ca. 14°C, Sole im Temperaturbereich um 0°C, erfolgt durch Rohrleitungen, die nach Vorlauf und Rücklauf zu unterscheiden sind. Der Umfang der Verteilung ergibt sich aus der Anzahl der zu versorgenden Kühler, den Unterschieden in den Kaltwasservor- und -rücklauftemperaturen sowie u.U. durch Unterschiede von Netzdrücken. Im Regelfall wird das von einer Kältemaschine erzeugte Kaltwasser auf einen Verteiler gegeben, von dem aus verschiedene Rohrsysteme zu den einzelnen Verbrauchern abgehen und in denen die entsprechenden Soll-Kaltwassertemperaturen eingestellt werden. Die besondere Schwierigkeit bei Kaltwassernetzen liegt in ihrer Anfälligkeit auf Kondensatbildung. Dies bedeutet, dass alle Kaltwassernetze unbedingt dampfdicht zu isolieren sind, was einen entsprechenden Aufwand nach sich zieht und vor allem auch die notwendige Bewegungsfreiheit, entsprechende Isolationen aufzubringen.
Kühlwassernetze werden ähnlich verlegt wie Kaltwassernetze, d.h. im Wesentlichen aus nahtlosen Stahlrohren mit entsprechender Isolierung, die jedoch nunmehr nicht unbedingt dampfdicht sein muss, da die Kühlwassertemperaturen die Taupunkttemperaturen der umliegenden Räume nicht unterschreiten. Wie bei der Heizung können Kalt- und Kühlwassersysteme im unteren Bereich oder im oberen Bereich eines Gebäudes verteilt werden (untere oder obere Verteilung) und verbinden über den Verteiler/Sammler einerseits die Kältemaschine und andererseits die Verbraucher (Luftkühler, stille Kühlsysteme, Umluftkühler).
VII.6. Rückkühlung von Kälteanlagen
Wie bereits dargestellt (Bild 31), besitzt jede Kälteanlage ein Rückkühlwerk. Das Rückkühlwerk dient dazu, die Kondensatorwärme der Kältemaschinen an die Umgebung abzugeben. Offene Rückkühlwerke (Wasser-Rückkühlwerke) arbeiten grundsätzlich nach dem Prinzip, dass das aus dem Kondensator kommende Wasser über Füllkörper rieselnd mit Luft in Berührung gebracht wird, wodurch es je nach Temperatur und Feuchte der Außenluft mehr oder weniger abgekühlt wird. Offene Rückkühlwerke sind im Regelfall dadurch gut erkennbar, dass sie in der Übergangszeit Wasserdampfschwaden nach außen abgeben. Um dies zu vermeiden, können Rückkühlwerke mit geschlossenen Kreisläufen eingesetzt werden, d.h. das Kühlwasser wird nur indirekt mit der kühlen Außenluft in Verbindung gebracht. Die Rückkühlleistung geschlossener Rückkühlwerke ist im Regelfall kleiner, kann jedoch dadurch verbessert werden, dass die Kühlwasser beinhaltenden Rohre von außen zusätzlich besprüht werden. Rückkühlwerke können in der Überganszeit auch in den Kühlprozess direkt einbezogen werden (freie Kühlung).
Rückkühlwerke für freie Kühlung
Freie Kühlung (auch oft als Winterkühlung bezeichnet) erfolgt dann, wenn in den kühlen Jahreszeiten infolge hoher Wärmegewinne in Räumen eine Kühlung erforderlich ist. In diesem Zeitraum liegt es nahe, zur Einsparung an Energie die Kältemaschinen abzuschalten und mit kalter Außenluft direkt oder indirekt zu kühlen. Die freie Kühlung kann in der Weise erfolgen, dass das Kühlwasser entweder durch einen Kühler im Bereich der lufttechnischen Anlagen (Außenluftdurchströmung) oder aber über Rückkühlwerke geführt wird, wodurch zusätzliche Wasserberieselung des Kühlers die Kühlleistung infolge Wasserverdunstung erhöht wird. Der Beginn der freien Kühlung liegt in etwa bei Außentemperaturen von 8 bis 10°C und darunter.
Bild 37 zeigt den schematischen Aufbau einer freien Kühlung für die Kühlung eines Gebäudes, sowie ein analoges Rückkühlwerk.
Gerade bei der Instandsetzung sowie Umnutzung von Baudenkmälern ist der nachträgliche Einbau von Rückkühlwerken im Regelfall ein erhebliches Problem, da diese nicht unerhebliche Abmessungen bei gleichzeitig hoher Geräuschentwicklung besitzen. Insofern ist dieser Thematik von Anfang an ein hohes Maß an Aufmerksamkeit zu schenken und vor allem alles daran zu setzen, die Kühl- und Rückkühlleistungen zu minimieren.
VIII. Wasser- und Abwassersysteme, Feuerlöschanlagen
VIII.1. Kaltwasser
Mit Zunahme der sanitären Einrichtungen und der Komfortansprüche ist ein stetig steigender Wasserkonsum in den letzten Jahren entstanden. Diesem versucht man in letzter Zeit z.T. dadurch zu begegnen, dass Regenwässer von Dachstrukturen (nicht Höfen und Straßenräumen) in Zisternen gesammelt, gereinigt und als Brauchwasser zur Toilettenspülung oder zur Bewässerung von Grünanlagen genutzt werden.
Üblicherweise werden in Stadträumen ausreichende Wassermengen durch Stadtwassernetze angeboten, die in die Gebäude eingespeist werden. Innerhalb eines Gebäudes wird das Stadtwasser u.U. gefiltert oder nachbehandelt, will man besonders weiches Wasser (z.B. 7°dH) anbieten. In einem entsprechenden Sanitärraum oder Übergaberaum erfolgt auch die Wasserzählung und Verteilung über Rohrsysteme aus gute verformbaren – duktilen – Gussleitungen, Stahl, Kupfer oder Kupferlegierungen. Denkbar ist auch der Einsatz von Kunststoffleitungen, die sich u.U. gerade in denkmalgeschützten Bauten leichter verlegen lassen. Die Kaltwasserleitungen sind zu dämmen, um sie vor Korrosion von außen zu schützen. Weiterhin sind sie vom Gebäude so abzukoppeln, dass keine Fließgeräusche übertragen werden.
Handelt es sich bei dem zu versorgenden Gebäude um ein solches mit einer Höhe von mehr als 20 m, so ist ein Teil der Frischwasserzuleitung über ein Druckerhöhungsanlage einzuspeisen, damit an jeder Zapfstelle ein ausreichender Fließdruck von ca. 2 bar besteht. Je nach Nutzung der Frischwassermengen werden Dosierungs- oder Enthärtungsanlagen notwendig, um eine spezielle Wasserqualität darzustellen. Neben der Kaltwasserversorgung kann u.U. eine zentrale Warmwasserversorgung parallel aufgebaut werden, wenn ein erhöhter Warmwasserbedarf besteht. In diesem Fall wird ein Teil des Kaltwassers auf einen Boiler gegeben, in dem das Kaltwasser mit einer üblichen Temperatur um ca. 12°C auf mehr als 60°C erwärmt wird (Legionellenschutz). Das Warmwasser wird parallel zu den Kaltwasserleitungen verlegt, wobei eine zusätzliche Zirkulationsleitung im Regelfall notwendig wird, um das Warmwasser laufend umzuwälzen. Während die Verlegung von Kalt- und Warmwassersystemen im Regelfall keine erhöhten Schwierigkeiten nach sich zieht, entstehen durch die Gebäudeentwässerung häufiger dadurch größere Probleme, dass neben größeren Dimensionen vor allem alle wesentlichen Leitungen mit Gefälle zu verlegen sind.
Im Entwässerungssystem werden sämtliche Schmutzabwässer von Sanitärapparaten sowie z.T. Regenabwässer von Dächern etc. dem öffentlichen Kanal zugeführt, wobei die Selbstreinigung des Systems bei normaler Benutzung und richtiger Installation gewährleistet ist. Das Entwässerungssystem muss Sicherheit bieten gegen:
- Austritt von Kanalgasen
- Undichtheit von Wasser- und Gasleitungen
- Leersaugen von Geruchsverschlüssen
- Durchstoßen von Geruchsverschlüssen durch Überdruck in Leitungen
- Verstopfungen der Leitungen, insbesondere gegen den Rückstau des öffentlichen Kanalnetzes
- Benützung des Abwassersystems unter Normalbedingungen bei mechanischer und chemischer Belastung
Für säurehaltige, alkalische oder giftige Stoffe oder Flüssigkeiten sowie Stoffe, die schädliche oder belästigende Ausdünstungen verbreiten oder solche, die in Entwässerungseinrichtungen eingreifen, sind entsprechende separate Installationen mit Behandlungsanlagen einzurichten, um derartige Abwässer zu neutralisieren (biologische, mechanische Aufbereitung usw.).
Regen- und Schmutzabwässer müssen heute grundsätzlich getrennt aus dem Gebäude abgeleitet werden und dürfen nur außerhalb des Gebäudes zusammengeführt werden, wenn im zu planenden Gebäude oder Gebiet ein Mischsystem besteht (Regelfall).
Die Abwässer innerhalb eines Geschosses werden im Regelfall mit einem Gefälle von 2% verlegt und über Fallleitungen zusammengefasst. Die Fallleitungen werden im Untergeschossbereich bzw. unterhalb des Gebäudes in Grundleitungen eingeleitet, die ein Gefälle von 1% aufweisen müssen. Bei ausgedehnten Grundleitungen sind entsprechende Kontrollschächte einzurichten, um bei Verstopfungen gezielt eingreifen zu können.
Regenwässer und Sickerwässer werden innerhalb des Gebäudes oder am Gebäude direkt in jedem Fall separat geführt und erst außerhalb des Gebäudes mit Schmutzwasser vereinigt.
Je nach Art des anfallenden Schmutzwassers und seiner Belastung sind u.U. zusätzliche Abscheider einzurichten, wie z.B.:
- Sandfang
- Ölabscheider
- Fettabscheider
- Stärkeabscheidery
- separate Abscheider hochbelasteter Abwässer
Liegen Entwässerungspunkte innerhalb eines Gebäudes unterhalb der Rückstauebene (im Regelfall Straßenniveau), so sind diese Abwässer separat über eine Hebeanlage oberhalb Rückstauebene anzuheben und in die allgemeine Entwässerung einzuleiten. Die Rohrleitungen entsprechender Abwassersysteme können bestehen aus Guss, Steinzeug, Polyester hart und anderen geeigneten Kunststoffleitungen.
Wie bereits angesprochen, liegt die besondere Schwierigkeit bei Abwassersystemen in deren Gefälleleitungen. Hier muss von vornherein bei der Umnutzung/Planung geprüft werden, welche maximalen Gefällehöhen möglich sind, um u.U. Entwässerungspunkte so einzurichten, dass die Verlegung der Gefälleleitung noch in vernünftigem Rahmen möglich ist. Zur Reduzierung der Wasserverbräuche und somit auch Abwassermengen werden heute vornehmlich Wasserspararmaturen eingesetzt. Neben der Be- und Entwässerung von Gebäuden kann es u.U. notwendig werden, entsprechende Feuerlöscheinrichtungen zu installieren. Die einfachste Form der Feuerlöscheinrichtungen sind gegebenenfalls Feuerlöschsysteme mit Wandhydranten in Treppenhäusern, u.U. in Kombination mit Verbraucheranschlüssen. Weitere Feuerlöschsysteme können u.U. Sprinkleranlagen sein, um brandgefährdete Raumbereiche oder Fluchtwegbereiche zu schützen. Bei konventionellen Sprinkleranlagen werden neben den notwendigen Rohrverteilsystemen (nasse oder trockene Systeme) größere Druckkesselanlagen und u.U. eine Wasserbevorratung (unerschöpfliche Wasserquelle) notwendig, was größere Einbauten nach sich zieht. In jüngster Zeit wird durch die Firma Minimax eine Systemlösung Minifog angeboten, durch die die Wasserschäden bei Besprühung deutlich herabgesetzt werden. Feinst zerstäubte Wassertröpfchen sinken ähnlich einem Kaltnebel in den Brandherdbereich ein und verhindern somit im Regelfall eine Brandausbreitung.
Besonders zu schützende Raumbereiche oder besonders hochwertiges Gefahrengut muss u.U. durch C02-Feuerlöschanlagen oder Löschanlagen mit inaktiven – sogenannten inerten – Gasen gelöscht werden. Feuerlöschanlagen dieser Art werden auch dort eingesetzt, wo sich Brände mit Wasser nicht löschen lassen oder wo Wasser nicht einsetzbar ist, da die Folgeschäden am Gebäude oder den Einrichtungen zu groß würden. Die Löschwirkung sowohl der C02-Feuerlöschanlagen als auch der inerten Gase beruht auf dem Ersticken des Feuers durch Abschirmung des Sauerstoffs vom Brandherd. Entsprechende Gas-Löschanlagen unterscheiden im Regelfall zwischen Raumschutz und Objektschutz. Raumschutz wird nur dann gewählt, wenn ganze Räume zu schützen sind. Im Brandfall müssen die Räume automatisch geschlossen werden, gleichzeitig muss gezielt über Überströmöffnungen die Raumluft entweichen können (C02-Verdrängung).
Objektschutz wird im Regelfall dann eingesetzt, wenn nur ein spezielles Objekt in einem Raum eine Brandquelle bilden kann und wenn ein zusätzlicher, gezielter Schutz besonders gefährdeter Einrichtungen erreicht werden soll.
Die Gas-Löschanlagen bestehen im Regelfall aus Flaschen- oder Tank-Vorratsbehältern, einer Verteilstation sowie dem Rohrnetz mit Spezialdüsen. Die Löschmittelmengen errechnen sich in Abhängigkeit der zu löschenden Räume sowie der Brandbelastung. Der Löschvorgang wird in entsprechenden Räumen durch Rauchmelder oder lonisationsfeuermelder ausgelöst, die bei Ansprechen gleichzeitig einen Alarm auslösen, um die Nutzer zu warnen und fliehen zu lassen. Inertgas-Feuerlöschanlagen eignen sich insbesondere dort, wo es auf einen schnellen Löscherfolg ankommt und Folgeschäden, verursacht durch Löschmittel, unbedingt verhindert werden müssen. Ein weiterer besonderer Vorteil für die Löschung mit Inertgasen gegenüber C02 liegt darin, dass durch die gasförmige Löschmittelbereitstellung beim Ausströmvorgang keine Verdampfung eintritt und damit praktisch keine Abkühlung des Flutungsbereiches erfolgt. Der bei C02-Löschanlagen auftretende „Kälteschock“ an empfindlichen Einrichtungen durch Trockeneisbildung stellt sich somit nicht ein.
IX. Starkstromversorgung
Elektrische Energieversorgung Die Stromverteilung erfolgt innerhalb der Städte auf Mittelspannungsebene wiederum zu Transformatoren, die entweder bei Großverbrauchern in den Gebäuden aufgestellt werden können oder als Elektroversorgungunternehmens (EVU)-Stationen außerhalb von Gebäuden stehen. In diesen Transformatoren erfolgt eine Herabsetzung der Spannung von 10-30 kV auf 50 bis 1.000 Volt, in Mitteleuropa vornehmlich 230/400 Volt.
Kleinspannungen (Spannungen unter 50V) werden ausschließlich örtlich durch weiteres Heruntertransformieren erzeugt und dienen im Wesentlichen der Versorgung von Melde- und Informationssystemen sowie speziellen Beleuchtungssystemen. Bild 38 zeigt die übergeordnete elektrische Energieversorgung außerhalb von Gebäuden.
IX.1. Einspeisung elektrischer Energie
Die Einspeisung elektrischer Energie in ein Gebäude erfolgt entweder mittelspannungs- oder niederspannungsseitig, d.h. auf der Ebene 10 bis 30 kV oder 400 V.
Eine niederspannungsseitige Versorgung wird im Regelfall dann vorgenommen, wenn der gleichzeitige, maximale elektrische Energiebedarf eines Gebäudes unter 300 bis 350 kW liegt (entspricht ca. 6.000 bis 8.000 m2 Nutzfläche). Ob eine niederspannungsseitige Versorgung möglich ist, muss durch eine genaue Berechnung der Leistungsbilanz geklärt werden. Bei der niederspannungsseitigen Versorgung wird die elektrische Energie auf Niederspannungsniveau in einen Hausübergaberaum oder Zählerraum eingeleitet, in dem neben einem Hauptzähler gegebenenfalls Unterzähler für Raumbereiche oder einzeln zu vermietende Bereich installiert werden. In diesem Raum erfolgt gleichzeitig auch der Potenzialausgleich mit Potenzialausgleichsschiene, die an einen Fundamenterder angeschlossen wird.
Liegt die gleichzeitig aufgenommene, elektrische Leistung deutlich über 350 kW (Höchstwert), so erfolgt im Regelfall eine mittelspannungsseitige Einspeisung, die erhebliche technische Aufbauten im Erdgeschoss oder ersten Untergeschoss eines Gebäudes nach sich zieht. Hierbei ist besonders darauf zu achten, dass der EVU an die zentralen Einrichtungen der Mittelspannungs-Schaltanlage und die Transformatoren jederzeit und unbehindert gelangen kann. Die zentralen Einrichtungen der Starkstromversorgung bei Einspeisung auf Mittelspannungsebene umfassen somit einen speziellen Raum für die Mittelspannungs-Schaltanlagen, einen solchen für die Transformatoren (bei Einsatz von Gießharztransformatoren), im Regelfall einen speziellen Raum für eine Batterieanlage (Notstromversorgung) und u.U. einen weiteren speziellen Raumbereich zur Unterbringung einer Notstrom-Versorgungsanlage (Notstromdiesel/Blockheizkraftwerk-Anlage).
Erhält ein Gebäude eine eigene Mittelspannungs- und Transformatorenanlage ist zudem zu beachten, dass in diesen Raumbereichen nicht unerhebliche Wärmemengen (ca. 2-5% der eingespeisten Leistungen) auftreten, die auf möglichst natürliche Weise abzuführen sind. Insofern wird im Regelfall der gesamte Raumbereich an einen Außenschacht direkt angeschlossen, über den diese Räume natürlich durchlüftet und entwärmt werden. Bei Einsatz einer Notstromanlage wird zudem die freie Ansaugung von Kühl- und Verbrennungsluft notwendig, wodurch sich eine Vergrößerung des Lichtschachtes ergibt. Bild 39 weist schematisch den Aufbau einer entsprechenden Schaltanlage aus.
IX.2. Verteilung elektrischer Energie (Versorgungssysteme)
Hauptstrom-Versorgungssysteme nehmen je nach Gebäudeart und Verbraucherleistung in Abhängigkeit von der Größe und dem Anspruch auf Versorgungssicherheit unterschiedliche Formen an. Dabei erfolgt die Zuführung der elektrischen Energie entweder über Kabel oder über Stromschienensysteme. Bild 40 zeigt einen Vergleich von Versorgungssystemen für Gebäude mit den ausgewiesenen Vor- und Nachteilen sowie der Versorgungssicherheit.
Bei kleineren Objekten ist die Stich- und Gruppenversorgung die übliche Form der Installation, während in großen Objekten, wo ein hohes Maß an Versorgungssicherheit erforderlich ist, sehr häufig die Ringversorgung zum Einsatz kommt. Eine Doppelversorgung ist typisch für Betriebe mit hohem Sicherheitsanspruch und hohen Leistungen (verschiedene Lastschwerpunkte). Ob der Einsatz von Kabeln oder Schienen sinnvoll ist, kann sich auch aus dem Anspruch einer festen bzw. flexiblen Installation ergeben. Eine Festinstallation erfolgt in der Regel über Kabel, eine flexible Installation geht in der Regel mit einem Stromschienensystem einher.
Bei kleineren Bauvorhaben erfolgt in der Regel eine Installation per Kabel, ausgehend von zentralen Verteilerkästen (innerhalb von Nutzungsbereichen) bis hin zu einzelnen Verbrauchsstellen (Schalter, Steckdosen, Auslässe usw.). Aus Gründen der Sicherheit und besseren Auffindbarkeit werden Kabel und Leitungen grundsätzlich parallel zu Raumkanten verlegt. Unsichtbar verlegte Leitungen sollen prinzipiell in bestimmten Zonen verlegt werden, um bei späteren Montagen im Wand- und Deckenbereich Beschädigungen von elektrischen Kabeln und Leitungen sowie Unfälle zu vermeiden (VDE-Vorschriften sowie DIN 18015, Teil 1/3).
Bei größeren Bauvorhaben mit einer hohen Gerätebestückung und großen Anschlussleistungen werden Kabel aufgrund ihrer Dimensionen auf Kabelpritschen verlegt. Diese sind so aufgebaut, dass sie jederzeit eine Nachinstallation zulassen und werden im Regelfall an Decken aufgehängt bzw. an vertikalen Schachtwänden montiert. Stromschienensysteme werden in der Regel aus sicherheitstechnischen Überlegungen oder aus Gründen der flexiblen Installation und zur Übertragung hoher Ströme eingesetzt. Stromschienensysteme haben gegenüber Kabelanlagen eine höhere Strombelastbarkeit bei gleichem Kupferquerschnitt, und die Energieabnahme erfolgt im Regelfall and fabrikmäßig vorgefertigten Abnahmestellen. Ein großer Vorteil der Schienensysteme ist die sehr geringe Brandlast aufgrund weniger brennbarer Konstruktionsteile und die Verringerung des notwendigen Installationsraumes. Nachteilig jedoch sind die höheren Investitionskosten, insbesondere bei kurzen Übertragungswegen.
Bussystem
Mit den höheren Anforderungen der letzten Jahre wurden die Kabelnetze in Gebäuden, selbst im Wohnungsbau, immer umfangreicher und leider auch unübersichtlicher. Eine Vielzahl von Funktionen sollen erfüllt werden, eine Vielzahl von Geräten tragen dazu bei. Die Funktionsansprüche an ein modern ausgerüstetes Gebäude sind in Bild 41 plakativ dargestellt. Ausgehend von dieser Situation lässt sich feststellen, dass es durch höhere Anforderungen an Flexibilität und Komfort der Elektroinstallation, verbunden mit dem Wunsch nach Minimierung des Energiebedarfs, zur Entwicklung einer neuen Gebäudesystemtechnik kommen musste, die die gesamte Elektroinstallation in Gebäuden total revolutionieren wird – die Bustechnik.
Der verwendeten Bustechnik liegt ein gemeinsames europäisches Konzept zugrunde, der Europäische Installationsbus (EIB). Dadurch können auch Geräte verschiedener Hersteller in ein und derselben EIB-Anlage betrieben werden. Bei der herkömmlichen Elektroinstallation benötigt jede Funktion eine eigene Leitung und jedes Steuerungssystem ein separates Netz. Im Gegensatz dazu lassen sich mit z.B. instabus EIB alle betriebstechnischen Funktionen und Abläufe über eine gemeinsame Leitung steuern, überwachen und melden. Dadurch kann die Energiezuleitung ohne Umwege direkt zu den Verbrauchern geführt werden. Außer dem Einsparen von Leitungen resultieren daraus weitere Vorteile: Die Installation in einem Gebäude lässt sich wesentlich einfacher realisieren, später problemlos erweitern und ändern. Bei Nutzungsänderungen oder Änderung der Raumaufteilungen erfolgt eine schnelle und problemlose Anpassung des Bussystems durch einfache Neuzuordnung (Umparametrierung) der Busteilnehmer, ohne dass Leitungen neu verlegt werden müssen. Diese Umparametrierung wird z.B. mit Hilfe eines am instabus EIB-System angeschlossenen PC und der darauf installierten Projektierungs- und Inbetriebnahme-Software ETS (EIB Tool Software) durchgeführt, die bereits für die Erstinbetriebnahme benötigt wird. Bild 42 zeigt ein Prinzipbild der Funktion. Über einen gemeinsamen Übertragungsweg, den Bus, können alle angeschlossenen Busteilnehmer Informationen austauschen. Die Datenübertragung erfolgt seriell und nach exakt festgelegten Regeln (Busprotokoll). Dabei wird die zu übertragende Information in ein Telegramm „verpackt“ und über den Bus von einem Sensor (Befehlsgeber) zu einem oder mehreren Aktoren (Befehlsempfänger) transportiert.
Bei der Renovierung von Altbauten ist die Übertragung der Bus-Signale über die Starkstromleitung eine interessante Alternative. Nur die Schalter und Relais müssen gegen intelligente EIB-Komponenten ausgetauscht werden. Somit lässt sich der Schmutz bei der Verlegung neuer Leitungen vermeiden. Weil der instabus ein dezentrales System ist, bei dem die Intelligenz auf die Aktoren und Sensoren verteilt ist, bleiben sowohl das Gesamtsystem als auch die angeschlossenen Geräte weiter in Funktion, wenn bei einer Einzelkomponente eine Störung auftritt.
IX.3. Übergabe elektrischer Energie an Verbraucher
Die Verteilung der elektrischen Energie innerhalb eines Geschosses kann auf verschiedene Arten erfolgen:
- Unterflur-Elektroinstallationen
- Brüstungsinstallationen
- Deckeninstallationen
- Wandinstallationen
Bei den Unterflurinstallationen bieten sich diverse Möglichkeiten an:
- In-Beton-Kanalinstallationen
- Estrichbündige Kanäle
- Estrichüberdeckte Kanäle
- Offene Kanäle
- Hohlraumbodenstrukturen
- Doppelbodenstrukturen
Bild 43 zeigt verschiedenste Installationsarten mit zur Verfügung stehenden Einbau- (Estrich-) Höhen von Unterflursystemen. Die entsprechenden Stark- und Schwachstromanschlüsse werden gemäß den Beispielen entweder über im Boden eingebaute Tanks oder auf dem Boden aufgesetzte Tanks angeboten. Bei Brüstungsinstallationen verlaufen entsprechende Kabelpritschen mit Auslässen entlag der Wand, bei Deckeninstallationen liegen alle Anschlussdosen im Deckenbereich respektive abgehängten Deckenbereich.
X. Schwachstromanlagen
Schwachstromanlagen umfassen alle informationstechnischen und Überwachungsanlagen für Gebäudestrukturen in moderner Ausführung. Zu den informationstechnischen Anlagen, die dem schnellen Erfassen und reibungslosen Austausch von Daten jeglicher Art dienen, gehören
- Fernsprechanlagen
- Datenleitungsnetze
- Telex- und Telefaxanlagen
- Videokonferenzanlagen
- Uhrenanlagen
- Sprechanlagen
- Personensuchanlagen
- Antennenanlagen
- Beschallungsanlagen
- Funktelefone
Der Überwachung von baulichen Strukturen dienen:
- Einbruchmeldeanlagen
- Brandmeldeanlagen
- Fernsehüberwachungsanlagen
- Automatische Parksysteme
- Türüberwachungsanlagen
- Störmeldeanlagen
- Ausweisleser (Gleitzeiterfassungsanlagen)
Neben den voraufgeführten Informationstechnischen- und Überwachungsanlagen werden heute im Regelfall bei größeren Bauobjekten Gebäudeautomationsanlagen (zentrale Leittechnik) installiert, die der Sicherstellung des gesamten integrierten Betriebsablaufs aller gebäudetechnischen Anlagen und der Minimierung der Betriebskosten dienen. Die einzelnen, voraufgeführten Anlagenstrukturen werden im Regelfall in separaten Räumen aufgestellt. Die Kabelnetze zwischen Zentraleinrichtungen und Endgeräten werden parallel zu den Starkstromanlagen (Kabelnetzen), jedoch separat verlegt und sind gleichermaßen zu schützen wie die Starkstromsysteme. Die Brandlasten entsprechender schwachstromtechnischer Anlagen können relativ hoch sein, und daher werden u.U. diese Bereiche zumindest in den einzelnen Geschossen überwacht und gegebenenfalls durch Gas-Löschanlagen gelöscht.
XI. Technikzentralen
Die Technikzentralen für entsprechende Gebäude benötigen mehr oder weniger große Flächen und Höhen und können im Regelfall in unterschiedlichen Geschossen untergebracht werden. Für eine erste grobe Abschätzung der notwendigen zentralen Flächen dienen die nachfolgenden Werte, die sich auf die Nutzflächen (Hauptnutzflächen und Nebennutzflächen) beziehen. Je nach Art des Gebäudes können die Abweichungen jedoch erheblich sein, insbesondere wenn es um hoch personenbelastete Räume geht (z.B. Kinos, Theater etc.) oder besondere Ansprüche an unüblich hohe Luftmengen, Kälteleistungen oder Elektroleistungen notwendig werden. Im Regelfall können jedoch die nachfolgend aufgeführten Werte angesetzt werden:
- Heizzentrale ca. 0,3-0,4% der Nutzflächen
- Kältezentrale ca. 0,4-0,5% der Nutzflächen
- Rückkühlwerke ca. 0,5-0,7% der Nutzflächen
- Sanitärzentralen ca. 0,2-0,3% der Nutzflächen
- Feuerlöschzentralen ca. 0,2% der Nutzflächen
- Starkstromzentralen ca. 0,3-0,45% der Nutzflächen
- Raumlufttechnik ca. 4-6% der Nutzflächen
Die notwendigen lichten Raumhöhen entsprechender Technikzentralen liegen bei:
- Technikzentralen < 100 m2 ca. 3 m Höhe
- Technikzentralen 100-500 m2 ca. 3,5-4 m Höhe
- Technikzentralen 500-1.000 m2 ca. 4-4,5 m Höhe
- Technikzentralen 1.000-2.000 m2 ca. 5-5,5 m Höhe
- Technikzentralen über 2.000 m2 ca. 6-7 m Höhe
Schächte
Die notwendigen Schachtflächen entwickeln sich analog wie die Technikzentralen-Flächen und können grob angesetzt werden mit 4-5% der Technikflächen (Beispiel Technikfläche 1.000 m2, Schachtfläche 50 m2).
Bei der Elektroinstallation ist zu beachten, dass u.U. innerhalb großer Geschosse neben den Schächten zusätzliche Unterverteilräume (in der Regel ca. 5-6 m2) notwendig werden, um Zusatzinstallationen unterzubringen. Schächte für wasserführende Leitungen und raumlufttechnische Anlagen können zusammengefasst werden, Schächte für elektrotechnische Anlagen sind in jedem Fall zu separieren. Große Schächte sollen begehbar sein, um jederzeit Reparaturen und Nachrüstungen durchführen zu können.
Horizontalinstallationen
Horizontalinstallationen sind grundsätzlich danach zu unterscheiden, ob sie Hauptverteilungen oder lediglich Unterverteilungen (je Geschoss) aufnehmen.
Hauptverteilungen, z.B. in Kellerräumen oder auf Dachgeschossen, bewegen sich in ihren lichten Höhen zwischen ca. 0,3-1,5 m je nach Installationsdichte und insbesondere zu verteilenden Luftmengen. Horizontalinstallationen in Geschossen nehmen insgesamt in der Regel ca. 50-60 cm Raumbedarf ein, wobei ein Teil hiervon im Bodenbereich sein kann (hohe Doppelbodenstrukturen ca. 30 cm / Deckenhohlräume, insbesondere in Flurbereichen, ca. 30 cm).