Neu gedachte Arbeitsplatzklimatisierung mit Mikro-Environments

Status quo Gebäudeklimatisierung

Die Kühlung von Aufenthalts- und Arbeitsbereichen kann in modernen Gebäuden gut erreicht werden, vorausgesetzt, die Architektur ist an Raumnutzung und -lage angepasst. Zur Minimierung innerer und äußerer Kühllasten bedarf es eines abgestimmten Zusammenspiels von Fassadengestaltung, Verglasungs- und Verschattungseigenschaften, Beleuchtungsregimen usw., verbunden mit dem Einsatz effizienter Kühl- und Klimatisierungssysteme bis hin zu einer geeigneten Regelung und Steuerung der Anlagen inkl. der Erfassung der notwendigen Messgrößen.

Als probates Mittel haben sich so genannte Luft-Wasser-basierte Klimatisierungsstrategien bewährt. Energieeffiziente zentrale Lüftungs- bzw. Klimaanlagen sorgen für den hygienischen Mindestluftwechsel und kompensieren anteilig Kühllasten. Der verbleibende Kühllastanteil wird durch statische Kühlflächen (Kühlsegel oder Kühldecken), und/oder eine thermische Bauteilaktivierung (Grundlast) kompensiert.

Diese Klimatisierungsstrategie ist für die Klimatisierung und die Behaglichkeit des „potenziellen“ Aufenthaltsbereiches nach Definitionen der DIN 16798-3 technisch gut beherrschbar. Der hier definierte Aufenthaltsbereich umfasst in horizontaler Ausbreitung typischerweise den Raumbereich bis zu einem Abstand von 0,5 m von den Wänden und in vertikaler Ausbreitung den Bereich zwischen 0,2 m und 1,8 m über dem Fußboden. Der guten Funktionalität und Beherrschbarkeit des beschriebenen Konzeptes steht eine sehr komplexe Steuerung und ein hoher anlagentechnischer Aufwand für die Einhaltung des thermischen Komforts in der gesamten Aufenthaltszone gegenüber.

Variabilität von Gebäude und Technik im Kontext der Nutzung

In der Vergangenheit verliefen Planung und Errichtung eines Gebäudes einschließlich der gebäudetechnischen Ausrüstung für eine definierte Nutzung üblicherweise nach eher statischem Muster. Dem stehen heute zunehmend Ansprüche an mehr Flexibilität im Hinblick auf die Gebäude- und Raumnutzung gegenüber. Immer häufiger ändern sich innerhalb des Lebenszyklus einer Klimaanlage von ca. 15–20 Jahren oder eines Gebäudes (50 Jahre) die Nutzungen kurz- und mittelfristig. Damit ändern sich auch Art, Größenordnung und Position der Kühllasten in den Räumen sowie die Anforderungen an die Gebäude insgesamt. Beispielweise steigt der Anteil sehr variabel und oft nur kurzfristig genutzter Coworking-Spaces. Nach Angaben des Bundesverbandes Coworking Spaces Deutschland e. V. wuchs er von 2020 auf 2023 um 41,5 % /2/. Auf der Internetseite www.coworking-spaces.info sind für Deutschland 476 Objekte aufgelistet, bei denen die Anzahl der Arbeitsplätze angegeben wird. Für diese Objekte ergibt sich eine geschätzte Anzahl von 15.000 Arbeitsplätzen mit einem durchschnittlichen Mietpreis von 300 €/Monat.

Vor diesem Hintergrund stellen sich folgende Fragen:

• Ist der Aufwand (Planung, Errichtung, Betrieb) für die eingangs beschriebene komplexe klimatechnische Ausrüstung eines Raumes für eine festgeschriebene Nutzung angebracht, obwohl absehbar ist, dass die Häufigkeit von Nutzungsänderungen zunimmt und folglich Anlagen noch vor Erreichen ihres Lebensendes umgeplant, umgebaut oder ersetzt werden müssen?
• Ist eine vollständige Klimatisierung der gesamten Aufenthaltszone nach DIN16798-3 noch grundsätzlich notwendig und zweckdienlich, wenn sich Personen mitunter nur lokal und vereinzelt im Aufenthaltsbereich aufhalten? oder
• Ist eine lokale, an eine variable Nutzung adaptiv anpassbare angemessene Klimatisierung durch so genannte Mikro-Environments nicht zielgerichteter, effektiver und folglich besser geeignet?

Der nachfolgende Konzeptvergleich für den gesamten Aufenthaltsbereich vs. lokale Klimatisierung mittels Mikro-Environments geht diesen Fragen auf den Grund.

Zwei Konzepte zur Arbeitsplatzklimatisierung

Szenario I: Zentrale Klimaanlage, statische Kühlflächen, Klimatisierung der gesamten Aufenthaltszone

Bild 1 zeigt das Konzept der zentralen Klimatisierung der gesamten Aufenthaltszone: Die Hülle des Raumes (1) ist mit transparenten Flächen (2) versehen, die zu thermischen Lasten in Abhängigkeit der äußeren Bedingungen führen. Im Raum sind Arbeitsplätze (3, 4) mit verschiedenen Ansprüchen an Umgebungsbedingungen wie Temperaturen und unterschiedliche innere Lasten vorhanden. Heizlasten werden im Wesentlichen über die statischen Heizflächen (5) abgefangen. Die Klimaanlage (6) mit den Zuluftöffnungen (7) und der Ablufterfassung (8) dient der Erfassung stofflicher Lasten und kann entsprechend der Bedürfnisse die Zuluft vortemperieren. Die Anpassung an die gewünschten oder benötigten Luftzustände der Arbeitsplätze wird durch die Nachtemperiereinheiten (9, 10) ermöglicht. Im Sinne einer besseren Behaglichkeit wird ein Teil der sommerlichen Kühllast über die Kühldecken (11) abgeführt. Für die Heizung und Kühlung ist in diesem Fall eine komplexe reversible Wärmepumpe mit freier Kühlfunktion (12) eingesetzt.

Szenario II: Dezentrale zielgerichtete Klimatisierung von Mikroenvironments und Rumpf-Klimaanlage

Um mit einfachen technischen Möglichkeiten ohne Verlust der energetischen Performance eine Flexibilität zu erreichen, können so genannte Mikro-Environments eingesetzt werden. Mit solchen Mikro-Environments kann ein kleiner definierter Bereich entsprechend der Anforderungen klimatisiert werden.

Mit Hilfe dieser lokal und zeitlich variabel aufgestellten und an neue Nutzungsszenarien leicht anpassbaren Geräte kann die technische Komplexität deutlich reduziert werden (Bild 2). Die Komponenten 9, 10 und 11 können entfallen; dafür werden die dezentralen Mikro-Environments (13) eingesetzt. Diese Mikro-Environments werden standardisierte Baugruppen sein, die für ihren Bereich jeweils flexibel agieren können.

2 - Beispielhafter Aufbau eines mit zwei Mikroenvironments ausgerüsteten Raumes und zentraler Anlage zur Abführung der Lasten. Die Farbe im Raum symbolisiert die Temperatur. Bild: ILK Dresden

Vorteil dieser Herangehensweise sind die reduzierten Anforderungen an Temperaturniveau, Lasterfassung und Genauigkeit im allgemeinen Arbeitsbereich außerhalb der definierten Klimazonen. Die Einhaltung der Anforderung im unmittelbaren Bereich des Arbeitsplatzes wird durch die MikroEnvironments sichergestellt. Aufgrund der niedrigeren allgemeinen Anforderungen können die Zentralanlage kleiner dimensioniert und energetische Einsparungen erreicht werden. Bei guter Auslegung übersteigen die Einsparungen die zusätzlichen Aufwendungen für die Mikro-Environments.

Die Gestaltung der dezentralen Lösung kann nach unterschiedlichsten Belangen erfolgen. Mögliche Ausführungen sind in Bild 3 und 4 dargestellt.

3 - Vereinfachte Darstellung eines Konzeptes für eine individuelle Kühllösung (Mikroenvironment) im industriellen Umfeld Bild: ILK Dresden

4 - Vorschlag einer individuellen Lüftungs- und Kühllösung in einem Büro Bild: Graft-Architekten

Energetischer Vergleich der Konzepte

Für die energetische Betrachtung wird ein beispielhaftes Gebäude (Bild 5) ausgewertet. Das Gebäude misst 24 × 16 × 4 m (L × B × H). Die Außentemperatur liegt bei 30 °C und die Sonne bestrahlt die Außenwände ungefähr zur Mittagszeit. Das Dach ist begrünt; nach Süden, Osten und Westen besitzt das Gebäude transparente Flächen.

5 - Beispielhaftes Gebäude für die Betrachtung der Kühllasten und Darstellung der Szenarien I (einheitliche Innenraumtemperatur) und II (lokale Kühlung) Bild: ILK Dresden

Es sind 30 Arbeitsplätze vorhanden, die jeweils mit einer Person besetzt sind. Je Arbeitsplatz werden 70 W durch Personen und 100 W über die Technik abgegeben. Pro Person werden 40 m³/h Außenluft zugeführt.

Die Rückkühlung erfolgt über einen Kältesatz und die Zuluft ist 5 K kälter als die Raumluft. Zur Einhaltung der Feuchte wird auf den Taupunkt geregelt und die Luft nacherhitzt.

Die Konzepte unterscheiden sich durch folgende Randbedingungen:

Szenario I: Die zentrale Anlage führt die Lasten so ab, dass im Gebäude eine gleichmäßige Temperatur von 24 °C bei 57 % Luftfeuchte herrscht.

Szenario II: Die zentrale Anlage temperiert das Gebäude auf 28 °C bei 45 % Luftfeuchte und die lokal aufgestellten dezentralen Anlagen kühlen nur den lokalen Arbeitsbereich gut abgeschirmt auf 24 °C.

Im Szenario I beträgt die Kühllast des Gebäudes 10,7 kW. Aufgrund der Lastabfuhr über die Luft und der Kühlung des Außenluftanteils wird eine Kälteleistung von 11,6 kW benötigt. Ein beispielhaft ausgelegter Kältesatz besitzt bei 14 °C Verdampfungstemperatur und 35 °C Kondensationstemperatur ein EER von 7,58. Der elektrische Leistungsbedarf liegt daher bei 1,5 kW. Eine Zusammenstellung der Daten kann der Tabelle 1 entnommen werden.

Bild: Huss-Medien

In Szenario II beträgt die Kühllast aufgrund der höheren (Innen-)Temperatur 10 kW. Hier sind die entstehenden Lasten durch die dezentralen Anlagen noch nicht berücksichtigt. Wird bei Einsatz einer Mikro-Environment ein EER von 6 erreicht und eine lokale Kühlleistung von 5,1 kW benötigt, ergibt sich eine gesamte Kühllast von 10,8 kW. Das EER von 6ist technisch erreichbar, bedarf jedoch einer herausfordernden ingenieurtechnischen Entwicklung.

Mit dem gleichen Kältesatz wie in Szenario I wird ein EER von 9,2 bei einer Leistungsaufnahme von 1,2 kW erreicht, wenn die Verdampfungstemperatur 18 °C und die Kondensationstemperatur 35 °C beträgt. Zusätzlich werden in diesem Fall die Lasten durch die Kühlung der dezentralen Geräte abgeführt. Somit werden insgesamt 2,1 kW elektrische Leistung benötigt.

Neben der energetischen Betrachtung muss der zu installierenden Leistung Aufmerksamkeit gewidmet werden. Das obige Beispiel gilt, wenn die im Auslegungsfall vorhandenen Lasten gleichzeitig abgeführt werden müssen. Gelänge es, eine Verschiebung der Lasten in eine Zeit zu erreichen, in der die zentrale Kälteanlage aufgrund niedrigerer Außentemperaturen effizienter laufen kann, wird sowohl der Energiebedarf reduziert, als auch die Leistung der Anlage kleiner. Beide Effekte zusammen können Kosten sparen und den CO₂-Fußabdruck reduzieren.

Zusammenfassung und Fazit

Der Einsatz einer lokalen Klimatisierung eröffnet die Möglichkeit, traditionelle Bauweisen neu zu überdenken und eine Modularisierung von Geräten anzugehen. Die zentrale Lüftung bleibt dabei ein essenzieller Baustein der Gebäudetechnik, der für die Lastabfuhr (thermisch und stofflich) notwendig ist. In Kombination mit der Reduktion der Komplexität der gebäudetechnischen Ausrüstung, der Modularisierung der dezentralen Lösung und der Flexibilität bei Nutzungsänderungen können sich unter Berücksichtigung der Nachhaltigkeit finanzielle Einsparmöglichkeiten ergeben.

Auf der energetischen Seite können Einsparungen schwieriger erreicht werden. Zwar kann die Kühllast bei größerer Innenraumtemperatur reduziert werden, gleichzeitig werden aber aufgrund der schlechteren Koeffizienten bei den kleinen dezentralen Lösungen diese wieder egalisiert. Vorteilhaft kann die Möglichkeit der Lastverschiebung sein und die Chance, Teillastsituationen bei der Nutzung der Räumlichkeiten besser ausregeln zu können.

Damit dies erfolgreich umgesetzt werden kann, sind jedoch weitere Entwicklungen im Bereich geeigneter Klein-Kälte-Konzepte, der thermischen Speicherung und damit verbundenen Potenzialnutzung der Lastverschiebung sowie in der Umsetzung von strahlungsaktiven Wirkprinzipien notwendig. Können diese sich am Markt behaupten, sind vielfältige weitere Vorteile und Anwendungen absehbar.

Literaturhinweise

• /1/ Andrews et al.: Implications for workability and survivability in populations exposed to extreme heat under climate change: a modelling study, Lancet Planet Health 2018; 2: e540–47

• /2/ https://www.coworkingdeutschland.de/