Wie funktionieren Bodenkühlsysteme und Verdrängungsbelüftung bei hohen Wärmelasten?

Bodenkühlsysteme besitzen die Fähigkeit, Räume mit hohen Wärmelasten zu bewältigen, die deutlich über denen liegen, die reine Verdrängungssysteme handhaben können. Während Verdrängungssysteme typischerweise mit etwa 12,6 Btu/h/ft² (~40 W/m²) auskommen, können Bodensysteme Wärmelasten von bis zu 31,69 Btu/h/ft² (>100 W/m²) aufnehmen. Dabei entstehen jedoch Zonen unmittelbarer Unbehaglichkeit im Umkreis von etwa 1 bis 1,5 Metern um die Luftauslässe, weshalb diese Bereiche nicht in der Nähe von sitzenden Personen liegen sollten. Die Volumenströme pro Auslass sind vergleichsweise gering, was im Gegensatz zu Hochpunkt-Diffusoren steht, die oft eine höhere Anzahl von Auslässen erfordern. Mit zunehmender Raumhöhe verbessert sich die Leistungsfähigkeit der Bodensysteme. Bei einer Deckenhöhe von etwa drei Metern ist die maximale sensible Kühlleistung auf ca. 12,6 Btu/h/ft² begrenzt, wobei höhere Lasten bei größeren Raumhöhen besser bewältigt werden können. Besonders kritisch sind Raumhöhen unter drei Metern, da in solchen Fällen die höheren Temperaturen an der Decke zu unangenehmen Strahlungseffekten führen können, vor allem wenn die maximale Temperatur 30 °C (86 °F) überschreitet.

Die Rückgewinnung von Abluftwärme sollte in Betracht gezogen werden, da die Rezirkulation von Raumluft vermieden werden muss: Diese Luft ist bereits erwärmt, verbraucht und besitzt eine höhere spezifische Enthalpie als Außenluft. Die Effektivität des Systems wird zudem stark durch Störungen der Luftströmung beeinträchtigt, wie sie etwa durch Bewegung der Personen oder hohe Luftinfiltration entstehen. Verdrängungsbelüftung ist als Heizsystem ungeeignet, da die langsam strömende, erwärmte Luft eine effiziente Verteilung erschwert. Ein separates Perimeterheizsystem ist deshalb notwendig.

Die Auswahl der Luftauslässe sollte darauf basieren, den Bereich der Unbehaglichkeit so klein wie möglich zu halten, was kleinere Auslässe begünstigt. Die Geometrie der Auslässe spielt eine weniger entscheidende Rolle als bei konventionellen Mischsystemen mit Diffusoren. Das Luftvolumen wird dem Volumenstrom der von internen Wärmequellen erzeugten Luftsäulen angepasst, die sich in einer sogenannten Grenzschicht formieren. Wird zu viel Luft zugeführt, verlagert sich diese Grenzschicht nach oben, zu wenig Luft hingegen lässt sie absinken.

Im Vergleich zu herkömmlichen Mischsystemen verbessert die Verdrängungsbelüftung die Luftqualität durch die Reduktion von Vermischung und senkt gleichzeitig den Energiebedarf der Ventilatoren, da die Lüftungseffektivität erhöht wird. Höhere Zulufttemperaturen ermöglichen zudem eine größere Nutzung der kostenfreien Außenluftkühlung. Die Wirksamkeit dieses Systems ist jedoch von der Deckenhöhe abhängig und wird durch Störungen wie Bewegungen der Nutzer oder externe Kühlquellen stark beeinträchtigt. Für präzise Temperatur- und Feuchtebedingungen ist Verdrängungsbelüftung weniger geeignet. Deshalb finden sich diese Systeme vor allem in Räumen mit hohen Decken, wie Industriehallen, Auditorien oder großen Büros, wo höhere Temperaturunterschiede zwischen Zuluft und Abluft toleriert werden können.

Neben der Luftqualität trägt das Verständnis der Luftströmungsmuster und der thermischen Zonierung im Raum entscheidend zum optimalen Betrieb bei. Die genaue Abstimmung von Luftvolumenströmen und Wärmequellen ist essentiell, um eine stabile Grenzschicht zu gewährleisten und unangenehme Temperaturunterschiede sowie Schadstoffansammlungen zu vermeiden. Ebenso sollte die Installation auf potenzielle Störungen der Luftströme achten, die durch den alltäglichen Gebrauch und externe Faktoren entstehen.

Warum müssen wir bei der Planung von Hochhäusern die Umweltaspekte und zukünftige Flexibilität stärker berücksichtigen?

Die Aufgaben der Ingenieure und Architekten bleiben grundsätzlich dieselben: Sie müssen Lösungen finden, wie das Gebäude in Bezug auf Raumaufteilung, Belüftung, Heizung und Kühlung optimiert werden kann. Hochhäuser benötigen nach wie vor enorme Energiemengen, um die Bewohner effizient zu bewegen, die von den Nutzern erzeugte Wärme abzuführen und ein angenehmes Raumklima zu gewährleisten. Besonders die Systeme zur Aufrechterhaltung einer luftdichten Gebäudehülle und die Druckverhältnisse, die durch den Aufzugbetrieb entstehen, stellen eine große Herausforderung dar. Doch viele der heute noch bestehenden Hochhäuser wurden nach alten Standards gebaut – Gebäude, die von außen mit Glas verkleidet und rund um die Uhr klimatisiert werden, wobei sie den technologischen Fortschritt nicht widerspiegeln.

Diese Problematik ist besonders bei Gebäuden, die in den 1950er Jahren nach dem damaligen Standard errichtet wurden, offensichtlich. Ein Beispiel hierfür ist das Union Carbide/JP Morgan Chase Gebäude in New York, das nach fast 60 Jahren Betriebsdauer trotz zahlreicher Modernisierungen nun abgerissen wird. Es ist eine bittere Erkenntnis, dass selbst Gebäude, die mehrfach modernisiert wurden, letztlich den aktuellen Anforderungen nicht mehr gerecht werden können. Um dies zu verhindern, müssen wir von Anfang an nachhaltiger und flexibler planen.

In diesem Zusammenhang sind die neuesten Entwicklungen in der Fassaden- und Gebäudetechnologie von entscheidender Bedeutung. Es gibt viele innovative Ansätze, die natürliche Umwelteinflüsse besser nutzen, anstatt sie zu widerstehen. Hierzu gehören operable Fassaden, dynamische Fassaden oder energieerzeugende Fassaden, die sich den äußeren Bedingungen anpassen. Besonders bei hohen Gebäuden muss das Design dynamischer und differenzierter werden. Es ist längst klar, dass das einfache Kopieren von Techniken aus niedrigen Gebäuden keine Lösung ist.

Ein besonders interessantes Konzept für Hochhäuser ist die Berücksichtigung der klimatischen Schichtung, die mit der Höhe eines Gebäudes zunimmt. Mit extremen Höhen, wie sie heutzutage erreicht werden, gestaltet ein Hochhaus quasi mehrere Klimazonen in einem einzigen Gebäude. Die Temperaturunterschiede zwischen der Spitze eines Hochhauses und dem Erdgeschoss sind signifikant, und es gibt zahlreiche Möglichkeiten, diese natürlichen Unterschiede für die Energieeffizienz zu nutzen. Doch die meisten Gebäude setzen weiterhin auf ein energieintensives, vakuumversiegeltes Fassadensystem, das über Hunderte von Metern extrudiert wird.

Ein innovativer Ansatz, der seit über 20 Jahren erfolgreich eingesetzt wird, ist die Doppelverglasung. Das Commerzbank Hochhaus in Frankfurt, das 1997 mit dieser Technologie ausgestattet wurde, nutzt eine Doppelhülle, die für natürliche Belüftung sorgt und gleichzeitig die Innenraumtemperatur stabil hält. Weitere Projekte wie der Shanghai Tower oder der Bosco Verticale in Mailand nehmen diese Ideen auf und integrieren soziale Elemente wie Gemeinschaftsgärten und andere grüne Räume. Diese neuen Konzepte bieten nicht nur funktionale Vorteile, sondern tragen auch zur psychischen und physischen Gesundheit der Bewohner bei und reduzieren gleichzeitig die Belastung mechanischer Systeme.

Grüne Wände sind ein weiteres innovatives Konzept, das zunehmend in Hochhäusern verwendet wird. Sie verbessern nicht nur die Energieeffizienz und die Ästhetik eines Gebäudes, sondern tragen auch zur Verringerung des städtischen Wärmeinseleffekts bei. In Städten wie Sydney, Singapur und Mailand gibt es mittlerweile Hochhäuser, die vertikale Gärten in ihre Fassaden integrieren, um die Umgebungstemperatur zu senken und den Energiebedarf zu reduzieren. Diese Technologien sind jedoch keine einfache Extrusion von Elementen nach oben, sondern müssen geschickt an die spezifischen Bedürfnisse des jeweiligen Gebäudes und Standortes angepasst werden.

Ein weiterer bemerkenswerter Fortschritt der letzten Jahre ist die Verwendung von sogenannten „Schwitz“-Technologien, wie sie im NBF Osaki Gebäude in Tokio eingesetzt werden. Hier werden keramische Rohre genutzt, die mit Regenwasser gefüllt sind, um Wärme abzugeben und so das Mikroklima zu verbessern. Diese Technologien bieten enorme Potenziale, insbesondere im Hinblick auf die Verringerung des städtischen Wärmeinseleffekts.

Obwohl die bautechnischen Errungenschaften in Bezug auf die Höhe und Stabilität von Hochhäusern beeindruckend sind, haben sie im Bereich der MEP-Systeme (Mechanik, Elektrik und Sanitär) noch nicht ihr volles Potenzial erreicht. Es ist jedoch von entscheidender Bedeutung, dass in der Planung von Hochhäusern die MEP-Aspekte genauso innovativ und nachhaltig berücksichtigt werden, wie die strukturellen und gestalterischen Elemente. Nur so können wir sicherstellen, dass diese Gebäude nicht nur als technische Meisterwerke der Gegenwart, sondern auch als nachhaltige, zukunftsfähige Baustrukturen in die Geschichte eingehen.

Wie kann das Smart Grid die Effizienz von Gebäuden und Energieversorgungssystemen optimieren?

Das Smart Grid ermöglicht eine neue Art der Laststeuerung, bei der sowohl Lasten als auch Erzeugung mit der gleichen Sichtbarkeit des realen Wertes von Elektrizität in Echtzeit agieren. Diese Entwicklung, die Automatisierung und andere Technologien umfasst, erlaubt es selbst kleinen Verbrauchern, ihre Lasten gemäß dem aktuellen Wert von Energie zu steuern. Ein wesentliches Ziel dieser Strategie ist die Verbesserung der Integrationen von erneuerbaren Energiequellen, was nicht nur die Zuverlässigkeit und Resilienz des Netzes erhöht, sondern auch eine stabilere und umweltfreundlichere Energieversorgung gewährleistet.

Die Relevanz dieser Entwicklung für die Planung von Gebäudetechnologien ist beträchtlich. Angesichts der fortschreitenden Entwicklung des Smart Grids wird es für Gebäude notwendig, über Kommunikationssysteme mit dem Stromnetz zu verfügen, um über den Zustand des Netzes informiert zu sein und zu wissen, wie darauf reagiert werden kann. Eine proaktive Steuerung von Lasten und Energiespeichern kann dazu beitragen, die Betriebskosten zu senken und gleichzeitig die Netzstabilität zu unterstützen. Gebäude sollten so ausgelegt werden, dass sie in einer Umgebung funktionieren, in der der Strompreis in Echtzeit schwankt, was eine flexible Lastverschiebung ermöglicht.

Ein praktisches Beispiel für ein solches Lastmanagement ist das Open Automated Demand Response (OpenADR™)-System. Es ermöglicht eine Kommunikation von Signalen, die Geräte automatisch abschalten, wenn die elektrische Nachfrage hoch ist, und so zur Stabilisierung des Netzes beitragen. Bei der Planung von Gebäuden sollte daher auch berücksichtigt werden, wie Lasten verschoben oder abgeschaltet und wie thermische Energiespeicher sowie Systeme zur Nutzung erneuerbarer Energiequellen integriert werden können.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Entwicklung von Mikrogrid-Systemen, die nicht nur auf erneuerbare Energiequellen setzen, sondern auch die Möglichkeit bieten, fossile Brennstoffe wie Brennstoffzellen oder Dieselgeneratoren als dezentrale Energieerzeugungseinheiten zu integrieren. Zudem ist eine verlässliche Speichertechnologie von entscheidender Bedeutung, um das schwankende Angebot von erneuerbaren Energien auszugleichen und eine gleichmäßige Stromversorgung zu gewährleisten.

Die dynamische Preisgestaltung von Elektrizität wird in der Zukunft eine zunehmend zentrale Rolle spielen. Daher wird es für Gebäude und Einrichtungen entscheidend sein, ihre Energieeffizienz zu optimieren, um die steigenden Energiekosten abzufedern. Ein umfassender Plan für das Energiemanagement, der auf den Grundlagen der Energieeffizienz basiert, stellt den ersten Schritt in dieser Richtung dar. Solche Strategien zur Entwicklung maßgeschneiderter Energiekonzepte werden auch in den EPA ENERGY STAR Richtlinien beschrieben.

Wichtig ist, dass die Implementierung von Smart-Grid-Technologien nicht nur Vorteile für Versorgungsunternehmen bietet, sondern auch für die Gebäudeinhaber und -manager. Ein effektives Lastmanagement ermöglicht eine signifikante Reduktion der Betriebskosten, da die Gebäude in der Lage sind, ihre Energieverbrauchsmuster an die tageszeitlich variierenden Preise anzupassen. Umso wichtiger wird es, dass Gebäude von Anfang an für eine solche flexible und dynamische Nutzung von Energie ausgelegt sind, um die besten Ergebnisse aus den Möglichkeiten des Smart Grids zu ziehen.