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Wärmepumpe

Die Wärmepumpe „pumpt“ Wärme. Wasser fließt ohne Pumpe stets von oben nach unten, Wärme fließt stets von der höheren Temperatur zur niedrigeren Temperatur. Mit einer Wasserpumpe kann Wasser von einem niedrigen Energieniveau auf ein hohes Energieniveau gepumpt werden. Die Wärmepumpe entnimmt Wärme aus einem Medium niedriger Temperatur und gibt Wärme an ein Medium mit höherer Temperatur ab.

Hauptaggregate der Wärmepumpe:
2 Wärmeübertrager (Kondensator und Verdampfer), Kompressor und Entspannungsventil

Der aus diesen Komponenten bestehende Kältekreis ist mit einem Medium, dem Kältemittel gefüllt. Der Kältekreis erzeugt Kälte, damit Wärme aus der Umwelt am Verdampfer aufgenommen werden kann.

Auf der anderen Seite des Kreislaufs (Kondensator) gibt das Kältemittel diese Wärme an die Heizung ab, nachdem der Kompressor (auch Verdichter genannt) es auf Heiztemperaturniveau "gepumpt" hat (Luftpumpen-Effekt: Luft und Luftpumpe werden beim Zusammendrücken heiß).

Das Entspannungsventil mindert den Druck des Kältemittels, das sich dadurch abkühlt (Fahrradreifen-Effekt: Luft, die aus prall aufgepumptem Reifen pfeift, ist kalt). Der Kreislauf beginnt von vorn.

Verschiedene Hersteller bieten Elektro-Wärmepumpen mit Nennleistungen von 3 bis 500 kW an, bezogen auf eine Solevorlauftemperatur von 0°C und eine Heizkreisvorlauftemperatur von 35°C.

Wärmeübertrager

Im Science College wird für die Kühlung ein sogenannter Plattenwärmeübertrager eingesetzt. Die ist eine spezielle Bauform eines Wärmeübertragers. Es besteht aus geriffelten Platten, welche aufeinander gelegt und verlötet werden oder geklemmt bzw. verschraubt. Die Hohlräume werden abwechselnd vom Primär- und vom Sekundärkreislauf durchströmt. Wärmeübertrager in plattenbauweise sind sehr einfach zu erweitern und kompakt.

Betonkerntemperierung

Normale Heizkörper (Radiatoren) besitzen eine große innere Oberfläche, an der möglichst viel Luft erwärmt wird, die von unten einströmt und oben in den Raum abgegeben wird. Ein geringerer Teil gelangt auch als Wärmestrahlung in den Raum.

Reine Konvektoren erhitzen nur die Luft, ohne Wärmestrahlung bereitzustellen. Optimale Behaglichkeit wird mit großflächigen Heizplatten oder einer Fußbodenheizung erzielt.

Alle Heizkörper sollten so ausgelegt sein, dass die benötigte Heizleistung mit möglichst niedrigen Vorlauftemperaturen (< 40°C) bereitgestellt werden kann. Dies ist besonders wichtig, wenn eine Wärmepumpe als Wärmequelle eingesetzt wird.

Besonders niedrige Vorlauftemperaturen sind nötig, wenn eine Fußbodenheizung eingesetzt wird. Eine Weiterentwicklung der Fußbodenheizung ist die Betonkerntemperierung (BKT), die im Science College eingesetzt wurde. Bei der BKT werden die tragenden Deckenbauteile von Rohrschlangen durchzogen und so auf die notwendige Temperatur gebracht, um das Gebäude sowohl vom Fußboden als auch von der Decke her zu beheizen.

Im Heizungsfall bei einer Vorlauftemperatur von 28 °C sind demnach Heizleistungen von 18 W/m² auf der Fußbodenseite und 22 W/m² auf der Deckenseite möglich. Wegen der im Fußbodenaufbau notwendigen Trittschalldämmung ist am Fußboden der Wärmeübergang abgeschwächt. Als Konsequenz ist die Heizleistung etwas geringer als an der Deckenoberfläche.

Ein möglicher Nachteil der BKT besteht darin, dass das System sehr träge ist, d. h. man braucht einige Stunden, um den Wunsch nach einer erhöhten Raumtemperatur durch die Anhebung der Vorlauftemperatur zu erfüllen. Im Science College besteht unabhängig von der BKT die Möglichkeit, zusätzliche Heizleistung über das Vorwärmen der Zuluft in das Gebäude zu bringen.

Die BKT lässt sich auch effizient zur Kühlung des Gebäudes im Sommer einsetzen. Wenn Erdsonden oder Erdkollektoren zur Versorgung der Wärmepumpe eingesetzt werden, können diese ohne den Einsatz der Wärmepumpe als Kältequelle genutzt werden.

Erdsonden

Wärmepumpen können die unterschiedlichsten Wärmequellen nutzen. Im Science College wurden insgesamt 9 Erdsonden 80 m tief in das Erdreich verlegt. In dieser Tiefe sind Erdreich und Grundwasser das ganze Jahr über ca. 12 °C warm, eine ideale Temperatur zur Versorgung von Wärmepumpen, die zur Gebäudeheizung eingesetzt werden. Typischerweise können Erdsonden eine Wäremleistung von ca. 50 W pro Meter Erdsondenlänge bereitstellen.

Ohne Grundwasserströmung könnte durch den Wärmepumpenbetrieb das Erdreich auf Dauer abgekühlt werden. Das Science College wird aber über die Sonden im Sommer direkt (ohne Wärmepumpenbetrieb) gekühlt, wobei Wärme in das Erdreich gebracht wird.

Soldec

Entwickelt wurde dieses System für Flachdachgebäude. Dazu zählen unter anderem Schulen, Schwimmbäder, Sporthallen, öffentliche und private Gebäude. Ein SOLDEC RONDO ersetzt durch seinen Durchmesser von 2,80 m, die Lichtleistung von 14 bis 16 Oberlichtkuppeln. Auch im energetischen Bereich ist dieses System den konventionellen Oberlichtern überlegen. Alle Komponenten des SOLDEC RONDO sind isoliert und erreichen damit Passivhausstandard.

Die Regelungs-Strategie über die Gebäudeleittechnik wurde vom Solar-Institut Jülich entwickelt und mit der Firma GTAD erstmalig umgesetzt. Es werden 5 Strahlungsmesswerte und die Außentemperatur für die logische Verschaltung benötigt.

Triluxbeleuchtung

Je nach Bedarf kann manuell die gewünschte Lichtszene mithilfe der Fernbedienung oder der Wandtaster aufgerufen werden, um die oben genannten Effekte zu erzielen. Beispiel: Nach intensivem Arbeiten, oder wenn es im Raum zu unruhig wird, kann eine eher beruhigend wirkende Lichtszene eingeschaltet werden und auch via Fernbedienung entsprechend den Bedürfnissen gedimmt werden. Eine Dimmung ist auch über den An/Aus-Schalter durch gedrückt halten jederzeit möglich.

Die installierten Leuchten der Serie „BLUEmotion“ sind mit zwei Leuchtstofflampen mit kaltem Farbton (Skywhite 8000° Kelvin) bestückt, welche hauptsächlich indirekt abstrahlen. Dies erzeugt eine Deckenaufhellung, die mit dem natürlichen Tageslicht verwandt ist. Die prismatische Abdeckung wirkt „himmelblau“. Der mittlere Lichtaustritt mit UXP-Hochleistungs-Aluminiumraster mit Silberbeschichtung liefert eine bildschirmgerechte direkte Beleuchtung, welche dem direkten Sonnenlicht (Sonnenstrahlen) nachempfunden ist. Hier kommt eine Leuchtstofflampe mit warmweißer Lichtfarbe (2700 - 3000° Kelvin) zum Einsatz. Die unterschiedlichen Stimmungen lassen sich durch die entsprechende Einstellung der Intensitäten der beiden zuvor beschriebenen Lichtsysteme bewerkstelligen.

EControl

EControl® ist eine schaltbare Sonnenschutzverglasung, die es ermöglicht, die Licht- und Energiedurchlässigkeit als Funktion von elektrischen Steuersignalen zu variieren. Damit kann erstmals eine Verglasung an das vorhandene Sonnenenergieangebot und den Licht- bzw. Energiebedarf des Raumes angepasst werden.

Die Scheiben entsprechen in ihrem Standardaufbau dem von normalem Isolierglas: Dabei ist die äußere Scheibe das schaltbare EC-Verbundglaselement. Die Innenscheibe ist ein Floatglas, das eine Beschichtung zur Wärmedämmung trägt. Das EC-Verbundglas besteht aus teilvorgespanntem Glas und hat so eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit.

Die Regelungs-Strategie über die Gebäudeleittechnik wurde vom Solar-Institut Jülich entwickelt und mit der Firma GTAD erstmalig umgesetzt. Für das elektrochrome Glas stehen 5 Betriebsstufen zur Verfügung, wovon im Automatik-Modus 3 Stufen verwendet werden.

Im Automatik-Betrieb wird von der GLT über ein 0-10 V Analog-Signal das Gruppensteuergerät angesteuert. Dabei unterscheidet die Steuerung prinzipiell ob es sich um einen Sommer- oder Wintertag handelt. Dies geschieht über einen gleitenden Tagesmittelwert der Außentemperatur.

Handelt es sich um einen Sommertag und die Sonne scheint auf die Fassade, werden alle Scheiben auf dieser Seite auf Stufe 5 (maximale Verdunklungsstufe) geschaltet. Diese Funktion wird als "Sonnenschutz" bezeichnet.

An einem Wintertag werden die Scheiben auf Stufe 3 (mittlerer Verdunklungsgrad) gestellt. Dies wird als "Blendschutz" bezeichnet.

Bei Nacht oder an trüben kühlen Tagen werden die Scheiben auf Stufe 1 (ganz hell) gestellt. Dadurch wird der maximal mögliche solare Energieeintrag erzielt.

Zusätzlich kann in den Klassenräumen über ein Bedienteil, welches über einen Schlüsselschalter aktiviert wird, die Betriebsstufe manuell ausgewählt werden. Hier stehen dann alle 5 Stufen zur Verfügung.

Heizregister

Das Heizregister ist ein Luft-Wasser-Wärmeübertrager und wird in der Gebäudeklimatisierung eingesetzt. Diese sogenannten Rekuperatoren besitzen für die beiden Medien je einen getrennten Raum. In Lüftungs- und Klimaanlagen erhöht es zur Luftaufbereitung die Temperatur.