Raumtemperierung mit Unterflursystemen

Unterflursysteme eignen sich optimal zur wirksamen Abschirmung des Kalt- beziehungsweise Warmlufteinfalls an Glasfassaden und bodentiefen Fenstern.

Die Geräte zeichnen sich durch eine schnelle Reaktionszeit aus, bieten hohen Komfort auch bei höheren Lasten und lassen sich optisch ansprechend in das Gebäudekonzept integrieren. Der Markt stellt hier ein breites Variantenspektrum zur Verfügung, das vom Standardmodell zum Heizen bis zum Hochleistungsgerät mit Heiz-, Kühl- und Lüftungsfunktion reicht. Zur Sicherstellung der Behaglichkeitskriterien sollten bei der Planung und Auslegung allerdings nicht nur die jeweiligen Rahmenbedingungen im Raum, sondern ebenfalls die Gerätequalität und die Berechnungsgrundlage für die Leistungsdaten berücksichtigt werden.

Unterflursysteme stellen überall dort eine elegante Lösung dar, wo thermische Behaglichkeit realisiert werden soll und gleichzeitig konventionelle Heizkörper nicht einsetzbar und/oder Einschränkungen der individuellen Raumnutzung unerwünscht sind. Ihre Vorteile spielen die Systeme vor allem in modernen Gebäuden aus, die durch Fassaden mit einem hohen Glasanteil und bodentiefe Fenster gekennzeichnet sind. Im Gegensatz zu gängigen Heizkörpern gewährleisten die in den Boden eingelassenen Geräte stets eine ungehinderte Aussicht und uneingeschränkte Nutzung der Nettoraumfläche.

Bürogebäude von außen.
Quelle: Kampmann GmbH
Unterflursysteme spielen ihre Vorteile vor allem in modernen Gebäuden aus, die durch Fassaden mit einem hohen Glasanteil und bodentiefen Fenstern gekennzeichnet sind.

Dank der großen Variantenvielfalt lassen sich die kompakten Systeme in jedes Gebäudekonzept integrieren. Die Möglichkeit, durch flexible Bauweise objektspezifische Modifikationen vorzunehmen, gehört heute genauso zum Angebotsspektrum der Hersteller wie Rostabdeckungen in unterschiedlichen Designausführungen. Sogar eine optisch ansprechende Anpassung an gebogene Fassaden ist heutzutage problemlos realisierbar.

Gleichzeitig bieten Unterflurgeräte eine technisch anspruchsvolle Lösung zur wirksamen Abschirmung von Kalt- beziehungsweise Warmlufteintritt an großen Fensterflächen.

Die Raumluft wird zur Aufbereitung über einen wassergeführten Wärmeübertrager geleitet und anschließend nach dem Prinzip der natürlichen Konvektion oder mithilfe von Ventilatoren umgewälzt. Dadurch reagiert das System im Gegensatz zu Heiz- und Kühldecken oder der Betonkernaktivierung auch schneller auf veränderte Anforderungen und gewährleistet einen hohen Komfort in Räumen mit individuellem Temperierungsbedarf.

Je nach Einsatzbereich stellt der Markt unterschiedliche Systemvarianten zur Verfügung. Das Spektrum reicht dabei vom Standardmodell zum Heizen bis hin zum Hochleistungsgerät mit Heiz-, Kühl- und Lüftungsfunktion. Varianten mit Elektroheizregistern, die sich in erster Linie zur Nachrüstung in Gebäuden ohne Anschlussmöglichkeit an einen entsprechenden Wasserkreislauf eignen, stehen ebenfalls zur Verfügung.

Unterflursystem in einem Büro.
Quelle: Kampmann GmbH
Zur Abfuhr höherer Lasten wurden Hochleistungskonvektoren entwickelt, die flexibel die Temperaturschichtung und Luftbewegung im Raum beeinflussen und ganzjährig behagliche Temperaturen sicherstellen können.

Generell ist allerdings zu beachten, dass in größeren Räumen zur Sicherstellung eines Wohlfühlklimas der Einsatz zusätzlicher Komponenten – wie etwa Heiz- und Kühldecken oder Deckenkühlgeräten – notwendig sein kann.

Kaltluftabschirmung mit natürlicher Konvektion

Bei natürlicher Konvektion strömt die kühlere Raumluft am Wärmeübertrager vorbei, erwärmt sich und steigt anschließend aufgrund des thermischen Auftriebsverhaltens nach oben. Auf diese Weise entsteht eine Raumluftwalze, die für ein homogenes Temperaturprofil sorgt. Die Luftbewegung findet dabei in einem nicht spürbaren Geschwindigkeitsbereich statt und unterstützt eine gute Raumluftdurchmischung. Da die Systeme ausschließlich passiv, also ohne jegliche Ventilatorunterstützung arbeiten, kommen sie bevorzugt in Räumen mit relativ statischen Heizanforderungen – etwa in Flurbereichen oder Hotellobbys – zum Einsatz. Aufgrund der geringen technischen Komplexität zeichnen sich derartige Bodenkanalheizungen durch geräuschfreie Betriebsweise, einfache Installation sowie vergleichsweise günstige Anschaffungskosten aus.

Konvektor eines Unterflursystems in einem Büro.
Quelle: Kampmann GmbH
Im Gegensatz zu gängigen Heizkörpern gewährleisten die in den Boden eingelassenen Geräte stets eine ungehinderte Aussicht und uneingeschränkte Nutzung der Nettoraumfläche.

Durch ihre besonderen Eigenschaften eignen sich die Geräte optimal zur wirksamen Abschirmung von Kaltlufteinfall an großen Fensterflächen. Der Warmluftstrom aus dem Boden wirkt dem Kaltluftstrom, der infolge der Abkühlung der Luft an der kalten Außenbeziehungsweise Fensterfläche entsteht, entgegen. Auf diese Weise wird nicht nur ein Zugempfinden durch den Kaltlufteinfall, sondern auch das Beschlagen der verglasten Flächen vermieden. Neben der Kaltluftabschirmung können Systeme mit natürlicher Konvektion auch die Restwärmeabdeckung übernehmen. Ein Einsatz zur Vollraumbeheizung ist bei passender Normheizlast ebenfalls realisierbar. Lediglich zum Kühlen sind die Geräte aufgrund der fehlenden Ventilatorunterstützung nicht geeignet.

Bedarfsorientiertes Temperieren

Räume hingegen, in denen sich Personen aufhalten sowie weitere Wärmequellen wie etwa EDV vorhanden sind, stellen komplexere Rahmenbedingungen an den Einsatz von Unterflursystemen. Vor allem in Büro- und Verwaltungsgebäuden müssen immer höhere Lasten bedarfsorientiert abgeführt werden, was ein entsprechendes Leistungsspektrum von den Geräten fordert. Zudem gilt es, die Anzahl und Sitzposition der Mitarbeiter sowie den Standort der Schreibtische und technischen Geräte in Bezug auf die Luftzirkulation zu berücksichtigen. Für diese besonderen Anforderungen wurden Hochleistungskonvektoren entwickelt, die flexibel die Temperaturschichtung und Luftbewegung im Raum beeinflussen und ganzjährig behagliche Temperaturen sicherstellen können.

Die Raumluft wird hier mit Ventilatorunterstützung über den Wärmeübertrager geführt und je nach Geräteausführung im Winter aufgeheizt beziehungsweise im Sommer abgekühlt. Die Leistungsabgabe lässt sich direkt über die Ventilatordrehzahl beeinflussen. Die gekühlte beziehungsweise erwärmte Luft steigt dann fassadenseitig mit einem entsprechenden Austrittimpuls senkrecht nach oben und vermischt sich mit der Raumluft. Dabei wird trotz beträchtlicher Leistungen ein hoher thermischer Komfort erzielt.

Das Angebotsspektrum umfasst sowohl Zwei- als auch Vier-Leiter-Systeme. Letztgenannte kommen vor allem in Objekten zum Einsatz, in denen in Übergangszeiten auf der einen Gebäudeseite noch gekühlt, auf der anderen jedoch bereits geheizt werden muss.

Komfortlösungen für steigenden Kühlbedarf

Vor dem Hintergrund der aktuellen gesetzlichen Wärmedämmvorgaben, des modernen Baustils mit hohem Glasanteil an der Fassade sowie des erhöhten Komfortempfindens der Menschen erhält die Kühlung bei der Temperierung von Gebäuden beziehungsweise Räumen einen immer höheren Stellenwert. Demzufolge steigt auch die Nachfrage nach Systemen, die eine Abfuhr hoher Kühllasten unter Einhaltung der thermischen Behaglichkeit optimal realisieren können. Zu den Herausforderungen bei der Entwicklung eines entsprechenden Unterflursystems zählt, dass kühle Luft aufgrund ihrer Dichte nach unten sinkt und dadurch bei zu niedrigem Austrittimpuls am Boden verbleibt.

Eine hohe Ventilatorleistung schafft hier zwar Abhilfe, ist jedoch in der Regel gleichzeitig mit unbehaglichen Luftgeschwindigkeiten und störenden Schallemissionen verbunden.

Eine Lösungsalternative bieten Geräte, die durch gezielte Luftlenkung die Fassade als Luftträger nutzen. Dabei kommt der sogenannte Coanda-Effekt zum Tragen – die Eigenschaft strömender Medien, sich an ebenen Oberflächen anzulegen. Die gekühlte Luft steigt entlang der Fensterfläche auch mit verringertem Volumenstrom bis zur Decke auf und strömt von dort zugfrei in den Raum. Zu beachten ist hierbei, dass das gewünschte Strömungsbild nicht durch hervorstehende Elemente an den Fensterflächen – beispielsweise Querbalken – verändert und dadurch ein ausreichend hohes senkrechtes Aufsteigen der gekühlten Luft verhindert wird.

Darüber hinaus gilt es, den sogenannten Kurzschlussanteil zu minimieren. Dieser entsteht, wenn die gekühlte Luft aufgrund zu geringer kinetischer Energie wieder zu Boden sinkt und in einen Kreislauf zwischen Luftaustritt und Luftansaugung gerät. Dadurch wird dem Raum nur ein kleiner Teil der Kühlleistung zur Verfügung gestellt.

Hersteller hochwertiger Systeme, wie etwa Kampmann, haben zur Unterbindung dieses Effekts speziell konstruierte, kurzschlussoptimierte Geräte entwickelt. Mit diesen steigt die Luft im Kühlbetrieb bei gleicher Drehzahl deutlich höher an der Fassade auf, wo sie sich vermischt und mit höherer Temperatur tiefer in den Raum eindringt. Auf diese Weise werden eine gleichmäßigere Temperaturverteilung und Behaglichkeit in der Aufenthaltszone sichergestellt.

Vergleich zweier Luftströmungsprofile: bei nicht kurzschlussoptimiertem Luftaustritt und bei kurzschlussoptimiertem Luftaustritt.
Quelle: Kampmann GmbH
Unterflursysteme mit einem hohen Kurzschlussanteil im Kühlbetrieb stellen dem Raum nur einen geringen Teil der Leistung zur Verfügung (oben), während kurzschlussoptimierte Geräte bei gleicher Drehzahl die Luft deutlich höher an der Fassade steigen, sich vermischen und mit höherer Temperatur tiefer in den Raum eindringen lassen.

Behaglichkeit durch geringe Schallemissionen

Zu den weiteren wichtigen Behaglichkeitskriterien von Unterflursystemen zählen geringe Geräuschemissionen. Generell wird empfohlen, die Geräte unter der Berücksichtigung des jeweils zulässigen Schalldruckpegels im Raum auszulegen. Positiv wirkt sich hierfür bereits aus, dass die Systeme in der Regel unmittelbar an der Fassade und damit in einer gewissen Entfernung zu den Arbeitsplätzen beziehungsweise Aufenthaltsbereichen positioniert sind. Einen weiteren Einfluss auf die Auslegung hat die Raumnutzung. Während in einem Großraumbüro höhere Schallemissionen eher akzeptiert werden, sollten die Geräte zum Beispiel in Einzelbüros oder Konferenz- und Besprechungsräumen möglichst leise arbeiten.

Die Geräuschentwicklung hängt dabei wesentlich von der eingesetzten Ventilatortechnik ab. Die meisten Hersteller verwenden heutzutage die ebenso leisen wie energieeffizienten EC-Querstromventilatoren. Diese können auch bei geringen Luftleistungen mit intelligenter, integrierter Leistungselektronik stufenlos in einem niedrigen Drehzahlbereich bedarfsgerecht und somit energieeffizient betrieben werden. Aber auch bei höheren Drehzahlen liegen die Schallemissionen aufgrund der innovativen Motoren und ausgereiften Mechanik in einem zufriedenstellenden Bereich.

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Anspruchsvolle Anforderungen

Um die Behaglichkeitskriterien hinsichtlich Temperaturschichtung, Luftbewegung und Schallemissionen für ein bedarfsorientiertes Heizen und Kühlen erfüllen zu können, sollte bei der Auswahl der Geräte grundsätzlich auf hohe Qualitätsstandards und ein umfangreiches technische Know-how seitens des Herstellers geachtet werden. Der vom Unternehmen Kampmann entwickelte "Katherm HK" etwa verfügt bei sehr geringen Abmessungen durch ein abgestimmtes Zusammenspiel des Hochleistungs-Wärmeübertragers und des EC-Querstromventilators über eine Heizleistung von bis zu 14,3 kW und eine Kühlleistung von bis zu 2,7 kW. Ein optimierter Luftaustritt minimiert hierbei den Kurzschlussanteil soweit wie technisch möglich. Das Gerät erreicht bei niedrigen Drehzahlen einen Schallleistungspegel von weniger als 28 dB(A) und befindet sich damit außerhalb des üblichen Mess- und Hörbereiches.

Unterflurkonvektor
Quelle: Kampmann GmbH
Der kurzschlussoptimierte "Katherm HK" von Kampmann erreicht bei sehr geringen Abmessungen durch das optimale Zusammenspiel des Hochleistungs-Wärmeübertragers und des EC-Querstromventilators eine Heizleistung von bis zu 14,3 kW und eine Kühlleistung von bis zu 2,7 kW.

Durch den energieeffizienten EC-Querstromventilator mit geräuschoptimierter Kommutierungselektronik wird ein höherer Wirkungsgrad erzielt, der zu deutlichen Energieeinsparungen gegenüber herkömmlichen Ventilatoren führt. Strömungsoptimierte Walzenlaufräder sorgen für Laufruhe und garantieren eine gleichmäßige Durchströmung des Konvektors auf der ganzen Länge. Darüber hinaus kann das Unterflurgerät mit optionalen Zuluftmodulen ausgestattet werden, welche jeweils die Einbringung von bis zu 60 m³/h Primärluft ermöglichen. Auf diese Weise lassen sich die Funktionen Kühlen, Heizen und Lüften in einer kompakten Einheit kombinieren.

Komplexere Rahmenbedingungen für eine bedarfsorientierte Raumtemperierung erfordern ebenfalls ein entsprechendes Regelungskonzept. Die Unterflurgeräte des Unternehmens aus Lingen lassen sich mit der intelligenten Raumautomation "KaControl" ausstatten. Das System verfügt über Design-Raumbediengeräte mit intuitiver Handhabung und kann mit steckbaren Kommunikationsschnittstellen für den Einzelraumregelbetrieb oder auch für die Aufschaltung auf übergeordnete Leitsysteme – BACnet, CANbus, LON, KNX und Modbus – aufgerüstet werden. Alternativ ist eine direkte Ansteuerung über ein aktives 0-10 V-Signal einer bauseitigen Gebäudeleittechnik möglich. Die parametrierbaren Regler bieten vielfältige Funktionen, zu denen unter anderem manuell einstellbare Lüfterstufen, ein Zeitschaltprogramm oder Motorüberwachung mit Störmeldeverarbeitung gehören. Darüber hinaus steht für sämtliche Geräte ebenfalls eine einfache, elektromechanische Regelungsvariante mit zugehörigem Raumthermostat zur Verfügung.

Leistungsvergleich und Datentransparenz

Nicht zuletzt ist bei der Planung und Auslegung auf die Berechnungsgrundlage der Wärme- und Kühlleistungen zu achten. So kommt es auch heute noch vor, dass in technischen Unterlagen Werte angegeben sind, die nach der europäischen Heizkörpernorm DIN EN 442 ermittelt wurden. Dabei gibt es bereits seit 2015 mit der DIN EN 16430 eine eigene Richtlinie für gebläseunterstützte Heizkörper, Konvektoren und Unterflurkonvektoren, die einen belastbaren Vergleich gleichartiger Geräte ermöglicht. Die hiernach durchgeführten Leistungsmessungen in einem Normraum mit standardisierten Bedingungen und Temperaturen haben sich zudem als besonders nah am realen Anwendungsfall erwiesen. Die Angaben zu Schallemissionen sollen sich dabei auf den Betrieb mit höchster, mittlerer und niedrigster Drehzahl beziehen.

In der Richtlinie werden auch die speziellen Anforderungen für den Kühlbetrieb berücksichtigt. Maßstab für die Kühlleistung ist die Bezugslufttemperatur, die in der Prüfraummitte in 2 m Abstand von der Fassade und in 0,75 m Höhe gemessen wird.

Diese kann je nach Kurzschlussanteil deutlich von der Lufteintrittstemperatur abweichen. Für den Nutzer ist jedoch letztendlich die Temperatur in der Aufenthaltszone entscheidend. Wenn nun fälschlicherweise Raumtemperatur beziehungsweise Bezugslufttemperatur und Lufteintrittstemperatur gleichgesetzt werden, können sich bei der Berechnung zum Teil erhebliche Unterschiede für die Kühlleistungen ergeben.

Ein wichtiges Kriterium für die Auswahl von Unterflurgeräten sind deshalb des Weiteren eine möglichst hohe Datentransparenz sowie fachkompetente Unterstützung bei der Planung und Auslegung. Ein informativer Internetauftritt mit vielfältigen Berechnungs- und Konfigurationsmöglichkeiten sowie umfassende BDH- und BIM-Datensätze sollten daher inzwischen zum Standardangebot der Hersteller gehören. Führende Unternehmen wie Kampmann gehen hier noch einen Schritt weiter.

Am Stammsitz in Lingen befindet sich das moderne, ca. 1.200 m² große Forschung & Entwicklung Center (FEC), das ein Raumluftströmungs-, ein Mehrzweck- sowie ein Schallmesslabor beinhaltet. Zu der technisch anspruchsvollen Ausstattung gehören ein Kammerprüfstand, zwei Klimasimulationsanlagen und eine Klimakammer.

Das Forschung & Entwicklung Center von Kampmann.
Quelle: Kampmann GmbH
Im unternehmenseigenen Forschung & Entwicklung Center (FEC) von Kampmann lassen sich auch bei komplexen Projekten mit simulierten Arbeitsplätzen und Wärmequellen nahezu jegliche Rahmenbedingungen realitätsnah nachstellen und die Leistungsfähigkeit und Funktionalität der Systeme normgerecht prüfen.

Gerade bei komplexen und von der Norm abweichenden Projekten lassen sich hier mit simulierten Arbeitsplätzen und Wärmequellen nahezu jegliche Rahmenbedingungen realitätsnah nachstellen und sowohl Standardgeräte als auch individuelle Sonderlösungen hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit und Funktionalität unter Einhaltung der geforderten Kriterien detailliert überprüfen.

Mittwoch, 24.04.2019