HEIZUNG/LÜFTUNG/ELEKTRIZITÄT Energietechnik im Gebäude     BAU & ENERGIE

6.1 Klimakältebedarf

Ausgewählte Firmen der Kälte- und Klimatechnik

6.1 Klimakältebedarf
6.2 Kälteerzeugung
6.3 Kälteabgabe
6.4 Kühlanlagen

6.1.1 Kriterien zur Wahl von Klimaanlagen

6.1.1 Kriterien zur Wahl von Klimaanlagen – 6.1.2 Kühlleistungs- und energiebedarf – 6.1.3 Bedarfsnachweis für Klimaanlagen

Klimaanlagen sind Lüftungsanlagen, bei denen die Raumluftkonditionen (wie Temperatur, Feuchtigkeit, Reinheit) während des ganzen Jahres innerhalb de­fi­nier­ter Grenzen gewährleistet werden können. Aufwand und Betriebskosten entsprechen den ge­stell­ten Anforderungen.

Grenzen von klimatechnischen Einrichtungen:

  • Raumtemperaturen –30 bis 100 °C
  • Raum­la­sten bis 1500 W/m2
  • Raumfeuchte von 20 bis 95 %
  • Luftmengen bis 1500 m3/h m2
  • Reinheit bis unter 10 Partikel pro m3

Klimaanlagen müssen dort eingesetzt werden, wo die gesetzlich geforderten Raum­zu­stände, die Gesundheit der Menschen und Tiere oder die Pro­duk­ti­on von Gütern bei abweichenden Raum­zu­stän­den nicht mehr gewährleistet sind. Grosse interne Wärmelasten in Dienstleistungsbetrieben oder spezifische Vorgaben für industrielle Prozesse sind oft nur mit einer Klimaanlage zu bewältigen. In Rechenzentren, Operations­sälen, Labors oder Pro­duk­tions­räu­men (Fleisch, Blumen, Con­fi­se­rie) sind die Raum­luf­tan­for­de­run­gen durch die Nutzung gegeben und er­for­dern meistens eine Klimaanlage ggf. mit Be- und Entfeuchtung.

Andererseits gibt es aber sehr viele Si­tua­tio­nen, in denen kurzzeitige Überschreitungen der ge­for­der­ten Raum­zustände ohne Beeinträchtigung der Lei­stungs­fä­hi­g­keit durch­aus tolerierbar sind. Häufig werden «über­triebene» Raumluftkonditionen (Som­mer < 26 °C) gefordert, die unnötig sind und nur durch eine Kli­ma­an­la­ge erfüllt werden können. Es gilt vor­erst zu definieren, ab welchen Raumkonditionen gekühlt so­wie be- und ent­feuch­tet werden darf. Im Weiteren soll berechnet werden, ob und unter welchen Bedingun­gen diese Gren­zen nicht über­schrit­ten werden.

6.1.2 Kühlleistungs- und energiebedarf

6.1.1 Kriterien zur Wahl von Klimaanlagen – 6.1.2 Kühlleistungs- und energiebedarf – 6.1.3 Bedarfsnachweis für Klimaanlagen

Die hauptsächlichen Einflüsse auf den Kühlbedarf gehen aus Bild 6.1 hervor. Die Berechnung des Leistungsbedarfs und des Energiebedarfs sollte bei grösserem Bedarf mit einem dynamischen Simulationsprogramm erfolgen. Die Berechnung erfolgt im Stundenschritt für einen ortstypischen Aussenklimazustand [SIA 2028]. Auf diese Weise werden die instationären Speichervorgänge angemessen berücksichtigt. Weiter sind eine Menge Informationen zu den internen Lasten erforderlich, wie die sensible Wärmeabgabe von Personen, Angaben zu Beleuchtung und Geräten, Lastprofile, Nutzungszeiten usw. [SIA 2024]. Es stehen mehrere dynamische Verfahren bzw. Programme zur Verfügung, beispielsweise:

  • Verfahren nach [SIA 382/2] [SIA 2044] und SIA-Tec-Tool, basierend auf [EN ISO 13790],
  • Programm DOE-2, entwickelt am Lawrence Berkeley National Laboratory, USA [DOE].

Aussenklima

Einstrahlung,
Temperatur, Feuchtigkeit

Gebäudehülle (externe Lasten)

Orientierung und Sonnenschutz der transparenten Bauteile
U-Werte der Raumumschliessungsflächen

Innenausbau

freiliegende Gebäudemasse

Interne Lasten

Personenbelegung
künstliche Beleuchtung
installierte Maschinen und Apparate

Benutzer/Prozesse

Bedienung des Sonnenschutzes (manuell, automatisiert)
Komfortanforderungen an Raumtemperatur und Feuchte
Reinheitsgrad der Raumluft (Luftwechsel)
Bild 6.1 Einflussgrössen auf die Raumkühllast

Bild 6.2 zeigt den Soll-Betriebsbereich der Raumtemperatur ausserhalb der Heizperiode. Für natürlich und mechanisch belüftete Räume wird die Raumtemperatur verschieden beurteilt. Wird bei mechanisch belüfteten Räumen die Grenzkurve b während mehr als 100 h/a überschritten, ist eine Kühlung erforderlich. Bei einer Überschreitung bis zu 100 h/a ist eine Kühlung erwünscht, ohne Überschreitung ist keine Kühlung nötig. In mechanisch belüfteten Wohnräumen ist eine etwas länger dauernde Überschreitung zu tolerieren. Die Anwendung solcher Programme ist mit beachtlichem Aufwand verbunden. Ob sie überhaupt eingesetzt werden müssen, kann jedoch mit einfachen Abschätzungen festgestellt werden.

Bereich der Raumlufttemperatur je nach Aussentemperatur und für angepasste Bekleidung [SIA 382/1]
Bild 6.2 Zulässige Bereiche der empfundenen Temperatur. a: Untergrenze; b: Obergrenze, während der Raum konditioniert wird; c: Obergrenze bei natürlich belüftetem Raum, während dieser weder gekühlt noch beheizt wird [SIA 180][SIA 382/1]

Wärmespeicherfähigkeit

Damit bei gekühlten Räumen die Wärmespeicherfähigkeit der Baumasse ausgenützt werden kann, ist eine schwere Bauweise erforderlich. Ist in einem Raum eine Betondecke überwiegend frei, so ist die Speicherkapazität ausreichend.

Beschattung

Sämtliche Fensterflächen müssen über einen wirksamen Sonnenschutz oder eine entsprechende Beschattungseinrichtung verfügen. Der Gesamtenergiedurchlassgrad (Glas und Sonnenschutz) g muss genügend klein sein.
Die Beschattungseinrichtung ist so auszuwählen, dass genügend Tageslicht in Fensternähe vorhanden ist.

Beleuchtung

Durch ein geeignetes Beleuchtungskonzept und eine intensive Tageslichtnutzung kann bei normaler Büronutzung die Abwärme der Beleuchtung im Sommer klein gehalten werden. Die installierte Beleuchtungsleistung sollte 10 W/m2 (Büro, Restaurant) nicht überschreiten.

Wärmeschutz

Selbstverständlich muss der sommerliche und winterliche Wärmeschutz den Vorschriften genügen.

Unterschiedliche Nutzung

Durch bauliche, technische und betriebliche Massnahmen sollen die zu kühlenden Bereiche möglichst klein gehalten werden.
Bild 6.3 Bauliche Anforderungen

6.1.3 Bedarfsnachweis für Klimaanlagen

6.1.1 Kriterien zur Wahl von Klimaanlagen – 6.1.2 Kühlleistungs- und energiebedarf – 6.1.3 Bedarfsnachweis für Klimaanlagen

Bauliche Voraussetzungen

Der Bedarf für eine Klimaanlage ist gegeben, wenn alle zumutbaren ar­chi­tek­to­ni­schen, bautech­ni­schen und kon­zep­tio­nel­len Mass­nah­men (Reduktion der in­ter­nen und externen Lasten sowie Nacht­lüf­tung) ausgeschöpft sind und eine einfache Lüf­tungs­an­la­ge zur Einhaltung kom­forta­bler Raum­luft­zu­stän­de nicht mehr genügt (Bild 6.4). Das grösste Risiko für den sommerlichen Wärmeschutz ist ein grosser Glasanteil (Bilder 6.3, 6.5). Selbst an der Nordfassade braucht es eine Beschattung. Der Glasanteil fg ist das Verhältnis der lichtdurchlässigen Glasfläche zur Brutto-Fassadenfläche des betrachteten Raums. Bei grossem Glasanteil ist eine Automatisierung des Sonnenschutzes dringend zu empfehlen. Letzterer sollte bei einer Globalstrahlung von etwa 150 W/m2 auf die betreffende Fassade betätigt werden.

Anforderungen an den g-Wert von Fassadenfenstern (Glas und Sonnenschutz) je nach Glasanteil und Orientierung
Bild 6.4 Anforderungen an den g-Wert von Fassadenfenstern (Glas und Sonnenschutz) je nach Glasanteil und Orientierung [SIA 180]

Anforderungen an den g-Wert  von Dachfenstern (Glas und Sonnenschutz)
Bild 6.5 Anforderungen an den g-Wert von Dachfenstern (Glas und Sonnenschutz) [SIA 180]
Beurteilung des Bedarfs

Im Allgemeinen kann die Notwendigkeit einer Kühlung anhand der internen Wärmequellen und den Möglichkeiten der Fensterlüftung beurteilt werden (Bild 6.6). Bei der Bestimmung der internen Wärmequellen sind die tatsächlichen Wärmeabgaben der Personen, Geräte und Beleuchtung zu verwenden (nicht Typenschildangaben). Als Bezugsfläche dient die Nettogeschossfläche der betrachteten Nutzung. Eine etwas differenziertere Handrechenmethode unter Berücksichtigung der internen und externen Lasten ist in [SIA 2021] zu finden.

Beurteilung des Bedarfs einer Kühlung, wenn die baulichen Anforderungen eingehalten sind
Bild 6.6 Beurteilung des Bedarfs einer Kühlung, wenn die baulichen Anforderungen eingehalten sind [SIA 382/1]
Energierechtliche Bewilligungspflicht

Für den Einbau von Anlagen zur Kühlung und/oder Befeuchtung ist in der Schweiz ein Bedarfsnachweis zu erbringen. Es besteht hingegen keine Bewilligungspflicht in folgenden Fällen:

  • wenn die Kälteleistung weniger als 20 kW beträgt,
  • wenn die Kälteleistung mit erneuerbaren Energien erbracht wird,
  • wenn die elektrische Leistung für Kälteerzeugung und Medienförderung 5 W/m2 gekühlter Energiebezugsfläche nicht übersteigt,
  • wenn die für eine Befeuchtung notwendige Heizleistung weniger als 20 kW beträgt.