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Gebäudekühlung mit Flächensystemen |
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Schon bei der
Planung von Bürogebäuden sollte besonderer Wert auf Ergonomie und Ökonomie
gelegt werden. In d. R. spielen nicht nur die Erstellungs-, sondern auch
die Betriebs- und Energiekosten eine entscheidende Rolle.
Energieoptimierte geplante
Gebäude, halten bei den Energiekosten keine Überraschungen bereit. Die Höhe der zu erwartenden
Kosten lässt sich ziemlich genau berechnen.
So lohnt sich mit Blick auf die
Verteilung der Gesamtkosten, auf Investitions- und Betriebskosten, der
Einbau energiesparender Systeme in jedem Fall.
Zur Kühlung werden in
zunehmendem Maße flächenhafte Systeme eingesetzt. Der
Einsatz ist vielfältig, denn neben den funktionalen Aufgaben müssen auch architektonische Aspekte berücksichtigt werden.
Vielfältig sind auch die Systeme, die Wasser und/ oder Luft zur Kühlung
nutzen. Dazu gehören sowohl die Komponenten und Systeme als auch die mit dem
Gebäude verbundene Betonkernaktivierung.
Einsatzbereiche
Flächenhafte Systeme
mit Funktionen zur Kühlung werden sowohl im Büro- als auch im
Versammlungsbereich eingesetzt. Je nach System lassen sich unterschiedliche
Effekte erreichen:
- Kühlung
- Kühlung und Lüftung
- Zusätzliche
Heizfunktion.
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Die Lüftung übernimmt
dabei z. T. die Funktion des Wärmetransportes und erhöht die Leistung der
Kühlung. Zudem versorgt sie die Räume mit der nötigen Frischluft.
Wenn Wasser als
Energieträger fungiert, so ist der Aufwand für den Energietransport etwa 30-fach
geringer als bei der Luft – bei gleichzeitig geringerem Platzbedarf.
Kühlsysteme
Die Systeme sind
flexibel und können auf die Nutzung der Gebäude angepasst werden. So sind
vollflächige, teilflächige und punktförmige Systeme zur
Kühlung möglich.
Vollflächige Systeme
zur
Kühlung (z. B. über gesamte Decke oder Fußboden eines Raumes) ermöglichen einen hohen Strahlungsanteil und reduzieren auf diese Weise
die Gefahr der thermischen Unbehaglichkeit. Dazu gehören sowohl Komponenten als
auch diverse Formen der Bauteilaktivierung.
Teilflächige Systeme
wie
z. B. Kühlsegel, belegen nur Teilflächen. Sie zeichnen sich durch
relativ hohe Kühlleistungsdichten aus und benötigen eine Abstimmung mit den
Aufenthaltsbereichen der Räume.
Punktförmigen Systemen
Z. B.
Deckenkühlkonvektoren, dienen der
Kühlung von Räumen im Komfortbereich, in Gewerbe und Industrie.
Eignung für die Kühlung mit einem Wassersystem ohne mechanische
Lüftungsanlage (Alternative zu Kühldecken). Allerdings wird hier keine Wärme
durch Strahlung abgeführt. |
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Fußbodenkühlung/Fußbodenheizung |
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Im Sommer kann eine
mit Wasser betriebene Fußbodenheizung auch kühlen. Für eine
Fußbodenkühlung sind nur wenige zusätzliche oder funktionserweiterte
Regelkomponenten nötig.
Kälteerzeugung
Die Kälte der
Fußbodenkühlung kann über ein Kälteaggregat oder alternative Energieträger wie
Erdwärmetauscher oder umstellbare (reversible) Wärmepumpen erzeugt werden.
Vorteile
Zugluftfreier
Wärmeaustausch
Die Flächenkühlung
(z. B. Fußbodenkühlung) gestaltet den Wärmeaustausch zwischen Personen und
großen Kühlflächen zugluftfrei und überwiegend durch Strahlung.
Angenehmes
Raumklima ohne Luftverwirbelung
Es entsteht auch
bei heißen Temperaturen ein angenehmes Raumklima.
Im Gegensatz zur
Klimaanlage kühlt die Flächenkühlung still und ohne Luftverwirbelungen
(positiv für Allergikern).
Für den menschlichen Körper ist es
angenehm, wenn er mindestens die Hälfte seiner Wärmeabgabe über die Strahlung
regulieren kann.
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Beste
Kühlwirkung über den Fußboden
Eine Flächenkühlung funktioniert auch über
die Wände oder die Decke. Da aber der größte Teil der Sonneneinstrahlung in
einem Raum auf den Fußboden trifft, wirkt die Flächenkühlung als
Fußbodenkühlung am besten.
Damit der Fußboden auch barfuss
betreten werden kann, sollte die Oberflächentemperatur bei der Fußbodenkühlung
mindestens bei 19°C liegen.
Kühlsysteme
Bei der Fußbodenkühlung
unterscheidet man zwischen Trocken- und Nasssystemen.
Nasssysteme
Bei Nasssystemen der
Fußbodenkühlung werden die Rohre auf dem Wärmeschutz über dem Rohbeton verlegt
und mit Estrich vergossen.
Trockensysteme
Bei Trockensystemen
liegen die Rohre in Systemplatten, die meist auch die untere Wärmedämmung
bilden. Auf diese
Systemplatten werden danach Trockenestrichplatten gelegt.
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Problem bei gut gedämmten Gebäuden im
Sommer |
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Die Energieeinsparverordnung (EnEV)
hat die Anforderungen an die Dämmung von Alt- und Neubauten weiter verschärft.
So bleibt die Wohnung im Winter
warm.
Leider bleibt sie auch im Sommer warm, wenn nicht entsprechende Vorsorge
getroffen wurde.
Die Wärme lässt sich nicht so
einfach nach draußen befördern ( u. a. durch geringe
Speicherfähigkeit der Dämmstoffe).
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Zusätzlich aufgeheizt wird die
Wohnung durch:
- Abwärme von Waschen, Baden oder Duschen,
- Innere Wärmelasten
von Beleuchtung und anderen elektrischen
Geräten (Fernseher, Computer, Kühlschrank).
- großen Glasflächen
moderner Baustile.
Folgen: Raumklima leidet und man
fühlt sich in der Wohnung unbehaglich.
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Betonkernaktivierung |
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Es gibt verschiedene
Varianten der Bauteilaktivierung. Eine im Massivbau oftmals eingesetzte
Variante ist die Betonkernaktivierung.
Bei der
Betonkernaktivierung wird die Wärme hauptsächlich über Strahlung der
sichtbaren Betonfläche und die Zuluft über Fenster oder Quellluftdurchlässe
übertragen. Dies wirkt auf den Menschen angenehm, zudem gibt es in diesem
Raumklima keinen Zug.
Betonkernaktivierung mit Wasser
Bei der
Betonkernaktivierung mit Wasser werden die Rohre, in denen das Arbeitsmedium
zirkuliert, in der Betondecke angeordnet.
Kühlleistung,
Regelfähigkeit und die Speicherwirkung sind bei der Betonkernaktivierung
abhängig von der Lage der Kühlmodule im Beton.
Bei mittlerer
Anordnung der Kühlmodule lässt sich die Speicherfähigkeit des Betons gut
nutzen. Werden bei der
Betonkernaktivierung die Module in der Nähe der Oberfläche angebracht, so
werden noch höhere Leistungen erzielt. |
Betonkernaktivierung mit Luft
Die
Betonkernaktivierung mit Luft geschieht, indem Gebäudeteile mit großer Masse
wie Betondecken oder gemauerte Wände gekühlt und so für die Aufnahme von
Raumkühllasten vorbereitet werden.
Als Kühlmedium dient die Außenluft.
Die
Betonkernkühlung mit Zuluft weist neben der Deckenkühlung zwei weitere
Merkmale auf. Die Zuluft erneuert zusätzlich auch die Raumluft mit einem
Raumluftwechsel von 2,5 – 3 pro Stunde mit gefilterter, vortemperierter und im
Sommer entfeuchteter Außenluft.
Betriebskosten
Die
Bauteilaktivierung kann erheblich zur Kostensenkung beitragen.
Aufgrund der
Speicherwirkung des Betons können die Nachtstunden genutzt werden, um kleinere
Wärme- bzw. Kälteerzeuger einzusetzen.
Das eingesetzte
Temperaturniveau gestattet die Verwendung alternativer Energieerzeuger. Gegenüber
herkömmlichen Systemen lassen sich die Betriebskosten um fast die Hälfte
senken.
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Kühlung und Heizung durch Betonkernaktivierung mit Wassersystemen |
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Funktion
Grundlegend für das
Funktionieren der Betonkernaktivierung ist, dass die Kunststoffrohre, durch
die das Heiz- und/oder Kühlmedium fließt, in der Betondecke eingegossen
werden.
Bei der
Betonkernaktivierung wird die Speicherwirkung der Betonbauteile genutzt.
Je näher sich die
Kunststoffrohre an der Oberfläche befinden, desto größer sind die erreichbaren
Leistungen.
Kühlleistungen
Mit den Rohren, die in der Nähe der
neutralen Zone des Bauteils angeordnet sind, werden Leistungen von etwa 35
W/m² erreicht. Oft reicht dies nur zur
Grundlastabdeckung aus.
Um Spitzen abdecken zu können, sind zusätzliche
Investitionen notwendig.
Mit Rohren von ca. 10 mm
Außendurchmesser oder Kapillarrohrmatten, die unmittelbar an der
Bauteiloberfläche im Beton eingegossen werden, sind Leistungen bei kleinen
Reaktionszeiten bis nahezu 90 W/m² realisierbar. |
Energieversorgungssysteme für Betonkernaktivierung mit Wassersystemen
Für die Heizung oder
Kühlung und/oder Kühlung der Betondecken mittels Kunststoffrohren eignen sich
alle bekannten Heiz- oder Kühlwassersysteme.
Das verwendete
Temperaturniveau erlaubt den Einsatz alternativer Energieerzeuger und der
Wirkungsgrad der Kältemaschinen lässt sich durch den Betrieb in den
Nachtstunden optimieren.
Wärmepumpen mit
Erdwärmetauscher, Geothermie und freie Kühlung über den Kühlturm helfen ebenso
wie Solaranlagen, Kosten zu sparen.
Systemtemperaturen (Beispiel)
Sommer (Kältefall)
VL 16
°C, RL 19 °C, Raumtemperatur 26 °C, Außentemperatur 32 °C.
(bei > 32 °C steigt Raumtemperatur mit Differenz von 6 K
zwischen innen und außen gleitend an.
Winter
VL 36
°C, RL 33 °C, Raumtemperatur 22 °C. |
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Kühlung durch Betonkernaktivierung mit Zuluft |
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Kühlleistungen
Bei der
Betonkernaktivierung mit Zuluft lassen sich Kühlleistungen zwischen 60
und 80 W/m² erreichen.
Das hat mehrere
Gründe:
Zunächst einmal
herrscht mit etwa 9 K keine große Temperaturdifferenz zwischen Decke und
Zuluft, zudem hat die große Oberfläche der innen berippten Aluminiumrohre und
auch die Betriebszeit der Lüftungsanlage große Bedeutung.
Der Betrieb während
der Tagesstunden bewirkt eine um etwa 1-2 K niedrigere Raumtemperatur als bei
der Bauteilkühlung mit Wasser. |
Energieversorgungssysteme für Betonkernaktivierung mit Zuluft
Für die Kühlung der
Betondecken steht Außenluft über 6000 h/a mit weniger als 12°C kostenlos zur
Verfügung.
In den restlichen
Stunden kann die Luft über alle bekannten Arten der Kälteerzeugung (z.B.
Kältemaschine, Erdwärmetauscher, Kühlturm usw.) gekühlt werden.
Die Erwärmung der
Zuluft im Winter auf 12°C erfolgt weitestgehend über eine im Zentralgerät
integrierte Wärmerückgewinnung. |
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Kühldecken |
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Arten |
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Putz-Kühldecke
Das System der Putz-Kühldecken verwendet eingeputzte
Rohrsysteme.
Die Überdeckung beträgt zwischen 10 und 15 mm.
Das System der Kühldecken lässt sich sowohl direkt an der
Betondecke, an der Rohdecke (Ziegel) oder an der abgehängten
Gipskartondecke anbringen.
Kühldecken können in allen Gebäudearten eingesetzt werden, auch
bei Freiformdecken und niedrigen Bauhöhen. Bei einem Betonuntergrund können
Kühldecken unter bestimmten Voraussetzungen die Speicherwirkung ausnutzen.
Gipskarton-Kühldecke
Die Gipskartonkühldecke bietet dem Architekten eine Fülle von
Gestaltungsmöglichkeiten (Akustik, Kombination mit anderen Deckenmaterialien)
und Einbaumöglichkeiten.
Technik und Design lassen sich so in harmonischen Einklang
bringen.
Das System eignet sich für Altbausanierung und für
Neubau, wenn ein ausreichender Deckenhohlraum zur Verfügung steht.
Zwischen den Elementen der Tragekonstruktion der
Gipskartondecke befinden sich die Kühlmodule.
Geschlossene Metall-Kühldecke
Abgehängte Metalldecken werden häufig zu Zwecken
innenarchitektonischer, raumakustischer und lichttechnischer Funktionen und
zur Verkleidung von technischen Installationen im Deckenhohlraum eingesetzt. |
Die Anordnung der von Wasser durchflossen Rohrsysteme, verwandeln auf der Oberseite mit geringem Aufwand die geschlossene
Metalldecke in aktive Kühl- und Heizflächen.
Die Rohrelemente können entweder als tragendes Teil der
Deckenkonstruktion oder vollkommen separat ausgeführt werden.
Der thermische Kontakt zwischen Rohrsystem und Deckenplatten,
der die Leistungsfähigkeit beeinflusst, wird durch eine Auflage, als
Eigengewicht oder zusätzliche Beschwerung, als Klebung, Klemmung oder Magnet
hergestellt.
Offene Metall-Kühldecke
Diese werden für Komfortanlagen (Bürogebäude, Flughäfen,
Einkaufszentren, Studios etc.) eingesetzt und können ebenso in gewerblichen
bzw. industriellen Räumen eingesetzt werden.
Sie nutzen durch ihre Profilgestaltung auch die dem Raum
abgewandte Seite zur Kühlung.
Daraus ergibt sich eine etwa doppelt so hohe Kühlleistung
gegenüber geschlossenen Kühldecken.
Das Grundelement ist ein Kupferrohrmäander, das von Profilen
zur Wärmeübertragung umschlossen wird. Diese Profile bestehen aus Aluminium
und sind in verschiedenen Formen erhältlich. |
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Planungsdaten |
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Behaglichkeit von Kühldecken
Die Kälte- und/oder Wärmeübertragung der Kühldecken geschieht
hauptsächlich über Strahlung. Die
erforderliche Zuluft gelangt über Fenstern oder Quellluftdurchlässen in den
Raum.
Kühldecken wirken ausgesprochen behaglich und das Raumklima
wird durch keinerlei Zugerscheinungen beeinträchtigt.
Thermische Leistung von Kühldecken
Bei der Putzdecke mit Kapillarrohrmatte werden die
Kapillarrohrmatten, durch die das Heiz- oder Kühlmedium fließt, an der
Basisdecke aus Beton oder an einer abgehängten Gipskartondecke zum Raum hin
angeordnet.
Dort werden sie mit minimaler Deckung überputzt.
Putz-Kühldecke
Kühlleistungen von ca.
80 W/m²
Gipskarton-Kühldecke
Kühlleistungen ca. 65 W/m²
Geschlossene Metall-Kühldecke
Kühlleistungen von ca. 80 W/m². |
Offene Metall-Kühldecke
für hochbelastete Gebäude wie
Bürobauten ideal. Kühlleistung bis zu 200 W/m².
Im Heizbetrieb dürfen die möglichen Leistungen nicht ausgereizt
werden, da sonst die Behaglichkeit leidet.
Transmissionswärmebedarf
der Nutzungseinheit sollte unter
35 W/m² bleiben
Maximale Oberflächentemperatur
sollte
nicht über 35°C liegen.
Maximal zulässige Leistung
ist durch Kriterien der
thermischen Behaglichkeit auf ca. 50 W/m² im Heizbetrieb begrenzt.
Systemtemperaturen (Beispiel)
Sommer (Kältefall)
VL 16
°C, RL 19 °C, Raumtemperatur 26 °C, Außentemperatur 32 °C.
(bei > 32 °C steigt Raumtemperatur mit Differenz von 6 K
zwischen innen und außen gleitend an.
Winter
VL 35
°C, RL 32 °C, Raumtemperatur 22 °C. |
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Energieversorgungssysteme |
Betriebskosten |
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Für die Heizung oder Kühlung der Putzdecken durch die
Kapillarrohrmatten eignen sich alle bekannten Heiz- oder Kühlwassersysteme.
Das verwendete Temperaturniveau erlaubt den Einsatz
alternativer Energieerzeuger und der Wirkungsgrad der Kältemaschinen lässt
sich durch den Betrieb in den Nachtstunden optimieren.
Wärmepumpen mit Erdwärmetauscher, Geothermie und freie Kühlung
über den Kühlturm helfen ebenso wie Solaranlagen, Kosten zu sparen. |
Wegen schneller Reaktionszeiten, der hohen Leistung und
Strahlungswirkung lassen sich niedrige Betriebskosten erzielen.
Das
Temperaturniveau erlaubt die Verwendung alternativer Energieerzeuger.
Die Betriebskosten lassen sich so gegenüber herkömmlichen
Systemen bis auf ca. 65% senken. |
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Kühlsegel – Wasserkühlung an der Decke |
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Kühlsegel bestehen aus abgehängten Teilbereichen der Decken,
die mit Wasser kühlen.
Die Restdeckenflächen lassen sich mit einem abgehängten
Deckensystem ergänzen, oder sie bleiben als Rohdecke mit farbiger Gestaltung
sichtbar.
Weil die vollflächigen Zwischendecken entfallen, lassen sich
die Geschosshöhen reduzieren. Evtl. können so mehr Stockwerke bei gleicher
Gebäudehöhe untergebracht werden.
In höher belasteten Räumen lässt sich die Bauteilaktivierung
mit einem Kühlsegel kombinieren.
Zudem ist es möglich, Beleuchtung, Sprinkler, Rauchmelder,
Lautsprecher und andere Kommunikationselemente mit einem Kühlsegel gemeinsam
unterzubringen. |
Weil auf abgehängte Decken verzichtet werden kann, bieten
Kühlsegel die Möglichkeit, mehrere Funktionen zu erfüllen:
Sie können nicht nur kühlen, sondern auch in Kombination mit
einem geeigneten Luftdurchlass die Raumluft erneuern.
Kühlsegel-Systeme, die mit der Außenluft kühlen, helfen beim
Energiesparen, da die Temperatur der Außenluft in Deutschland im Jahresmittel
zwischen 8°C und 10°C beträgt.
Sie kann somit direkt zur freien Kühlung genutzt werden. Durch
die Kombination der Kühlmedien Luft und Wasser sind sehr hohe Kühlleistungen
möglich. |
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Raumkühlung durch Luftumwälzung |
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Kühlkonvektoren |
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Passive Kühlkonvektoren an der Decke
Deckenkühlkonvektoren kühlen Räume aller Gebäudearten. Sie eignen sich dazu, hohe Kühllasten mit einem Wassersystem
abzuführen.
Allerdings arbeiten sie ohne mechanische Lüftungsanlage und
führen Wärme nicht durch Strahlung ab. Passive Kühlkonvektoren arbeiten alleine mit der freien
Luftumwälzung.
Die Qualität der Raumluft muss allerdings durch eine separate
mechanische Lüftung oder Fensterlüftung gesichert werden.
Aufgrund der Abkühlung im Luft-Wasser-Wärmeaustauscher und der
Schachtwirkung des Gehäuses strömt Raumluft zur Kühlung von oben in die
Kühlkonvektoren der Decke ein.
Deshalb muss ein Abstand zur Decke eingehalten werden.
Aktive Kühlkonvektoren an der Decke
Bei den aktiven Deckenkühlkonvektoren ist die Versorgung mit
Primärluft enthalten.
Sie sind in zwei Varianten
erhältlich: Die eine Variante bläst einseitig, die andere
beidseitig aus.
Einseitig ausblasende Kühlkonvektoren
an der Decke sind für den Einbau parallel zur Fassade
entwickelt worden. Meistens werden sie in eine abgehängte Bandrasterdecke
integriert. |
Hier sollte die an der Scheibe hochsteigende, warme
Konvektionsluft direkt in den Wärmetauscher einströmen.
So steigt die Differenz zwischen der mittleren Wassertemperatur
und der Lufttemperatur und kühlt auf diese Weise.
Beidseitig ausblasenden Kühlkonvektoren
an der Decke entspricht den klassischen Kühlbalken, die
senkrecht zur Fassade, in der Mitte einer Fassadenachse, verlaufen.
Diese Kühlkonvektoren können entweder in der abgehängten Decke
oder als freie Installation eingebaut werden.
Kühlkonvektoren an der Wand
Wandkühlkonvektoren finden sich vor allem im Komfortbereich
aller Gebäudearten.
Kühlkonvektoren an der Wand führen hohe Wärmelasten als
Wassersystem mit Wärmeabfuhr durch Konvektion ab.
Mit Wandkühlkonvektoren können durch einen nachgeschalteten
Fallschacht (z. B. Schränke oder Wandvorsatzschalen), hohe Kühlleistungen
erzielt werden.
Die nötige Frischluftversorgung für dieses System der
Kühlkonvektoren lässt sich in den Fallschacht integrieren. |
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Lüftungs- und Kühldecken |
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Rasterlüftungsdecke
Eine Rasterlüftungsdecke mit Kühl-, Heiz- und Lüftungsfunktion
führt Zuluft großflächig über eine senkrechte Perforation in den Raum.
Die Rasterlüftungsdecke ist eine besondere Ausführung der
Lüftungsdecke mit freiem Zugang zum Deckenhohlraum.
Lüftungsdecke
Bei der Lüftungsdecke wird die Zuluft für den Raum großflächig
über eine Perforation geführt.
Vor der perforierten Fläche befindet sich ein Deckenhohlraum
oder eine Kammer, in der die Kühlluft auf Zulufttemperatur vorgewärmt wird.
Die erforderliche thermische Energie wird dem Raum vollständig
entzogen.
Bei optimaler Luftführung im Inneren der vorgeschalteten Kammer
kommt die Lüftungsdecke mit sehr niedriger Primärlufttemperatur aus. |
Das Maß bei dieser Konstruktion ist die thermische
Behaglichkeit, das nicht überschritten wird.
Trotz der niedrigen Temperatur unterbleibt bei der
Lüftungsdecke die Kondensatbildung.
Luft-Wasser-Kühldecke
Kombination von klassischer geschlossener Metallkühldecke mit
der reinen Luftkühldecke.
Im Gegensatz zur reinen Wasserkühldecke kann auch der aus
hygienischen Gründen erforderliche Außenluftanteil mit demselben
System in den Raum geleitet werden.
Mit Kontaktprofilen aus Aluminium wird ein Kupferrohrmäander auf die gelochte
Metalldeckenplatte aufgeklebt.
Die Zuluft wird in den Deckenhohlraum geführt und tritt durch
die Löcher der Deckenplatten in den Raum ein.
Die Kühlung des Raumes stellt sich somit über die gekühlte
Zuluft und das gekühlte Wasser in den Kupferrohren ein. |
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Für
wesentlich mehr Informationen stehen wir Ihnen mit einer persönlichen
Fachberatung jederzeit gerne zur Verfügung. |
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