Wie die Platzierung von Kältemaschinen und Pumpen das Design von Kältesystemen in Hochhäusern beeinflusst

In der Planung von Kühlsystemen für große Hochhäuser, insbesondere bei sehr hohen Gebäuden, stellt sich eine wichtige Frage: Wie wirken sich die verschiedenen Platzierungen von Kältemaschinen und Pumpen auf die Effizienz und die damit verbundenen Kosten aus? Die Platzierung von Kältemaschinen sowie die Anordnung der Kühlwasser- und Kondensatorwasserpumpen können nicht nur den Betrieb der Kälteanlagen, sondern auch den Druck auf Rohrleitungen und Geräte entscheidend beeinflussen. Dies wiederum wirkt sich auf die Anschaffungskosten für die Kühlanlagen und die gesamten Betriebskosten aus.

Ein solches System hat seine Vorteile, da der Wasserdurchfluss in den Kühlern konstant bleibt, was für die längere Lebensdauer der Geräte sorgt. Gleichzeitig sorgt es für eine gezielte Kontrolle der Kühlleistung in den verschiedenen Zonen eines Gebäudes. So kann es beispielsweise durch den Einsatz von zwei-Wege-Drosselventilen in der sekundären Verteilung notwendig werden, Bypass-Überbrückungen zu integrieren, um den Überschuss an Wasser, das bei geringer Last gepumpt wird, abzuleiten.

Die Entscheidung, auf welcher Etage Kältemaschinen und Pumpen installiert werden, hat jedoch auch Auswirkungen auf den Gesamtenergieverbrauch und die Kosten. Wenn sich die Kältemaschinen beispielsweise im Keller eines Gebäudes befinden, muss der Druck auf die Rohrleitungen und Ventile berücksichtigt werden. Die Verlegung der Kältemaschinen in höhere Etagen führt zu einer Erhöhung des hydrostatischen Drucks, der durch das Gewicht des Wassers in den Rohrleitungen erzeugt wird. Diese Veränderung erfordert eine genaue Kalkulation der maximalen Druckbelastung für jedes Gerät und jede Komponente im System.

Die Platzierung der Maschinen und Pumpen beeinflusst nicht nur den maximalen Betriebsdruck, sondern auch die Energieeffizienz des gesamten Systems. Um eine konstante Kühlleistung zu erzielen, müssen die Kältemaschinen unter Umständen sehr niedrige Temperaturen produzieren, was den Energieverbrauch erhöhen kann. Dies gilt insbesondere in sehr hohen Gebäuden, bei denen die Kühlwassertemperatur an den höchsten Etagen deutlich niedriger sein muss, um in den unteren Zonen die gewünschte Temperatur zu erreichen.

In einem 600 Meter hohen Gebäude beispielsweise sind für die vier Zonen des Gebäudes unterschiedliche Kühlwassertemperaturen erforderlich. Um 6°C kaltes Wasser auf der obersten Etage zu gewährleisten, muss das System in den unteren Zonen mit deutlich niedrigeren Temperaturen arbeiten. Dies hat zur Folge, dass die Kühlsysteme weniger effizient arbeiten und mehr Energie verbrauchen, um diese Temperaturen zu erreichen. In den unteren Zonen des Gebäudes ist der Druck und damit auch der Energiebedarf aufgrund des höheren hydrostatischen Drucks größer.

Die Entscheidung über die ideale Position der Kältemaschinen und Pumpen hat auch Auswirkungen auf die Kosten für die Pumpenleistung. Für ein Gebäude mit mehreren Zonen ist es beispielsweise erforderlich, für jede Zone eine eigene Pumpenleistung zu berechnen, die dem jeweiligen Wasserdurchfluss und dem hydrostatischen Druck entspricht. Dies führt zu einer kumulierten Pumpenleistung, die in einem großen Gebäude sehr hoch sein kann. So kann die Gesamtleistung für ein Hochhaus mit vier Zonen und unterschiedlichen Pumpenzonen mehrere Hundert Kilowatt betragen.

Die Druckanforderungen an die Kühlgeräte und Rohrleitungen beeinflussen auch die Konstruktion der Kältemaschinen selbst. In den meisten Fällen beträgt der Standardarbeitsdruck für die Kühlgeräte 2100 kPa (300 psi). Um die Kosten für die Kältemaschinen zu senken, könnte die Position der Pumpen so gewählt werden, dass der Druck auf die Kühlmaschinen reduziert wird. Dies kann durch die Wahl der richtigen Position der Pumpen auf der Auslassseite der Kältemaschine erreicht werden, wodurch der Druck auf das Kühlgerät verringert wird.

Darüber hinaus ist zu beachten, dass der Druck in den Rohrleitungen und Geräten nicht nur durch die Wahl der richtigen Höhe für die Kältemaschinen und Pumpen beeinflusst wird, sondern auch durch die Wahl der richtigen Rohrleitungsgröße und die richtigen Ventile. Diese Komponenten müssen so dimensioniert sein, dass sie dem maximalen Druck standhalten können, ohne dass es zu einem Versagen des Systems kommt. Hierbei spielt die Wahl der richtigen Materialien eine wichtige Rolle.

Zusätzlich ist es wichtig, zu verstehen, dass das Kühlsystem in einem hohen Gebäude oft mehr ist als nur ein einzelnes Gerät. Es handelt sich um ein komplexes Netzwerk von Pumpen, Kühlgeräten, Ventilen und Rohrleitungen, das in seiner Gesamtheit betrachtet werden muss. Die Auswahl der richtigen Komponenten und die korrekte Planung der Verteilung der Kältemaschinen und Pumpen kann die Effizienz und Lebensdauer des Systems erheblich steigern und gleichzeitig die Kosten minimieren.

Wie man Rauchkontrollsysteme in Hochhäusern effektiv implementiert

In Hochhäusern und Gebäuden mit mehreren Stockwerken ist die Rauchkontrolle von zentraler Bedeutung für die Sicherheit der Insassen im Falle eines Brandes. Die Methode zur Erzeugung eines negativen Drucks im Rauchbereich und eines positiven Drucks in den angrenzenden Stockwerken variiert je nach Art des im Projekt verwendeten Lüftungssystems. Die beiden Hauptalternativen sind zentrale Klimaanlagen- und Stockwerks-klimatisierungssysteme. Beide Ansätze bieten unterschiedliche Lösungen, die hier im Detail erläutert werden.

Rauchkontrolle mit zentralen Klimaanlagen-Systemen

Bei einem zentralen Klimaanlagen-System wird die klimatisierte Luft über große, zentralisierte Lüftungsanlagen an die besetzten Bereiche des Gebäudes geliefert. Diese Systeme versorgen mehrere Stockwerke und befinden sich in einem zentralen Maschinenraum. Im Kapitel 8 des vorliegenden Leitfadens wird empfohlen, in jedem Versorgungs- und Rückluftkanal jeweils eine zweistufige Drosselklappe (d.h. offen oder geschlossen) zu installieren, um die Luftzufuhr und -rückführung für jedes Stockwerk individuell zu regulieren. Diese Drosselklappen können über das Gebäudeverwaltungssystem ferngesteuert werden, um die Luftströme auf einem bestimmten Stockwerk zu steuern.

Der variable Frequenzumrichter (VFD) für die Zuluft- und Abluftventilatoren sorgt für eine präzise Steuerung der Luftbewegung. Es wird empfohlen, dass der Rückluftventilator mindestens 6 bis 8 Luftwechsel pro Stunde (ach) aus jedem Brandstockwerk entfernt. Dieses Szenario stellt nur einen möglichen Betriebsmodus dar, und je nach den Anforderungen des Brandschutzes und der Erfahrung des HVAC-Designers können auch andere Betriebsmodi angewendet werden.

Rauchkontrolle mit Stockwerks-Klimaanlagen-Systemen

Das System der Stockwerks-Klimaanlagen unterscheidet sich von der zentralen Lüftungsversorgung. Bei dieser Methode muss jedes Stockwerk mit einer eigenen Lüftungsanlage ausgestattet sein, die über einen Rauchabzugsschacht mit einem zentralen Lüfterraum verbunden ist. Dieser Schacht und der entsprechende Lüfter müssen so dimensioniert werden, dass sie zwischen 6 und 8 Luftwechsel pro Stunde für das größte Stockwerk in der vertikalen Reihenfolge gewährleisten. Jeder Luftkanal, der mit diesem Rauchabzugsschacht verbunden ist, muss eine zweistufige Drosselklappe enthalten, die im Brandfall geöffnet oder geschlossen werden kann.

Im Brandfall wird die Drosselklappe des betroffenen Stockwerks geöffnet, während alle anderen Drosselklappen geschlossen bleiben. Der Rauchabzugsventilator wird gestartet, und nur die Rückluft des Brandstockwerks wird abgeführt. Die Zuluft für das Brandstockwerk sowie die benachbarten Stockwerke wird mit 100 % Außenluft betrieben, um diese Stockwerke unter Druck zu setzen und Rauch zu verhindern, dass er in diese Bereiche eindringt. Wie im Beispiel des zentralen Lüftungssystems muss auch hier der Rückluftventilator in der Lage sein, mindestens 6 bis 8 ach aus jedem Brandstockwerk zu entfernen.

Rauchkontrolle in Atrien

Viele moderne Gebäude enthalten Atrien als architektonisches Highlight. Atrien stellen jedoch besondere Herausforderungen für die Rauchkontrolle dar, da sie offene Bereiche darstellen, in denen sich Rauch sammeln kann. In der Vergangenheit forderten die Brandschutzvorschriften in den USA eine Rauchabführung basierend auf der Anzahl der Luftwechsel pro Stunde über das gesamte Volumen des Atriums. Neuere Forschungen haben jedoch gezeigt, dass diese Methode nicht immer geeignet ist, insbesondere in Bezug auf die Sicherheit der Insassen.

Moderne Bauvorschriften, wie die Internationale Bauordnung (IBC) und NFPA 5000, fordern daher ein leistungsbasiertes Design, das speziell für Atrien entwickelt wurde, um sicherzustellen, dass Rauch oberhalb der Gehflächen auf einem sicheren Niveau gehalten wird. Hierbei wird typischerweise ein mechanisches Lüftungssystem mit leistungsstarken Lüftern eingesetzt, da eine natürliche Belüftung meist nicht ausreicht. Die Lüfter müssen so konzipiert sein, dass sie die Rauchschicht in der oberen Region des Atriums mindestens 3 Meter über den Fluchtwegen halten können.

Druckerhöhung in Treppenhäusern

In vielen Gebäuden wird auch verlangt, dass die Treppenhäuser im Brandfall unter Druck gesetzt werden, um sie rauchfrei zu halten. Dies ist wichtig, weil Treppenhäuser als Fluchtwege für Personen dienen, die das Gebäude verlassen müssen. Das Rauchen in diesen Bereichen könnte die Sicherheit der Evakuierung gefährden. Zudem müssen Feuerwehrleute in der Lage sein, die Treppenhäuser zu betreten und den Brand zu bekämpfen, ohne durch Rauch behindert zu werden.

Zusammengefasst lässt sich sagen, dass bei der Planung von Rauchkontrollsystemen eine Vielzahl von technischen und sicherheitsrelevanten Aspekten berücksichtigt werden müssen. Die Wahl des Systems hängt von der Art des Gebäudes, seiner Nutzung und den spezifischen Anforderungen der Brandschutzvorschriften ab. Wichtig ist auch, dass alle Systeme regelmäßig gewartet und überprüft werden, um im Brandfall optimal zu funktionieren.