Hallenkühlung mit S-Klima: Kaltwassersätze, Freikühlung und Gebäudeautomation im Verbund

Energetische Herausforderungen bei der Hallenkühlung

Produktionsstätten, Montagehallen und Logistikzentren stellen TGA-Fachplaner vor erhebliche thermodynamische Aufgaben. Hohe interne Wärmelasten durch Maschinenparks, Transporttechnik, Beleuchtung und Personenaufkommen treffen auf teils schwach gedämmte Dach- und Wandflächen, über die im Sommer beträchtliche solare Strahlungswärme eingetragen wird. Da warme Luft nach dem thermischen Auftriebsprinzip unter das Hallendach steigt, bilden sich bei unzureichender Strömungsführung vertikale Temperaturschichtungen mit Gradienten von mehr als einem Kelvin pro Höhenmeter aus. Um stabile Arbeitsplatzbedingungen nach den Arbeitsstättenrichtlinien (ASR A3.5) und enge Fertigungstoleranzen einzuhalten, ist ein maßgeschneidertes Klimatisierungskonzept unabdingbar.

Das Spektrum reicht von der klassischen Vollklimatisierung bis hin zu zonierten Kühlinseln. Während kleine Gewerbeeinheiten häufig mit Direktverdampfungssystemen (DX) gekühlt werden, setzen Planer bei weitläufigen Objekten bevorzugt auf zentrale Kaltwassersysteme. Diese minimieren die Kältemittelfüllmenge im Innenraum, umgehen die strengen Auflagen der novellierten F-Gase-Verordnung (EU 2024/573) in Bezug auf Leckageüberwachungen in Arbeitsbereichen und ermöglichen über standardisierte Wassernetze eine hochflexible Anbindung unterschiedlicher Verbraucher – von Deckenluftkühlern über Zuluftregister in RLT-Zentralgeräten bis hin zur direkten Maschinenkühlung.

Thermodynamische Grundlagen der Kälteerzeugung und Kennzahlen

Die Bereitstellung von Kaltwasser für Hallen basiert primär auf dem linkslaufenden Dampfkompressionskreisprozess. Im Verdampfer nimmt das zirkulierende Kältemittel bei geringem Druck $p_0$ und niedriger Verdampfungstemperatur $T_0$ die thermische Energie des Hallenrücklaufwassers auf, wodurch das Kältemittel isobar verdampft und überhitzt wird. Der Verdichter saugt den Dampf an und hebt ihn polytrop auf das Verflüssigungsdruckniveau $p_c$. Nach der Wärmeabfuhr an die Außenluft im Verflüssiger wird das Kältemittel im elektronischen Expansionsventil (EEV) isenthalp entspannt, ehe der Kreislauf von Neuem beginnt.

Der theoretische Grenzwert des Prozesses wird über die reversible Carnot-Leistungszahl beschrieben: $$\text{EER}_{\text{Carnot}} = \frac{T_0}{T_c - T_0}$$ Jede Absenkung der Verflüssigungstemperatur $T_c$ oder Anhebung der Verdampfungstemperatur $T_0$ um lediglich ein Kelvin verbessert den Wirkungsgrad des Kältekreises in der Praxis um rund zwei bis drei Prozent. Dies unterstreicht die Notwendigkeit von großflächigen Plattenwärmetauschern sowie modulierenden DC-Inverter-Verdichtern, wie sie S-Klima in seinen Gewerbeserien einsetzt. Gemessen wird die Effizienz gemäß EN 14511 (EER für den Nennpunkt) und EN 14825 (SEER für die saisonale Kühleffizienz unter Berücksichtigung unterschiedlicher Teillastzustände bei 20, 25, 30 und 35 °C Außentemperatur).

Kaltwassersysteme von S-Klima: Technik der Serien SAL, SAX und SAY

Für gewerbliche Objekte und Industriehallen bietet der Klimatechnikspezialist S-Klima ein durchgängiges Portfolio luftgekühlter Kaltwassersätze und reversibler Luft-Wasser-Wärmepumpen. Im mittleren Leistungsbereich von 24,1 bis 80,2 kW deckt die Baureihe SAL breite Anforderungen für Gewerbeflächen und Bürotrakte ab. Steigen die Kühllasten signifikant an, rückt die Baureihe SAX (34,9 bis 85,1 kW je Einzelmodul) in den Fokus. Eine zentrale Eigenschaft der SAX-Geräte ist ihre modulare Skalierbarkeit: Bis zu 16 Außeneinheiten lassen sich über einen gemeinsamen Datenbus kaskadieren und hydraulisch verschalten, wodurch Gesamtkühlleistungen von bis zu 1.360 kW realisierbar sind.

Für absolute Großprojekte im industriellen Maßstab steht die Geräteserie SAY zur Verfügung. Mit Einzelmodulen zwischen 115 und 233 kW Kühlleistung und einer Kaskadierbarkeit von bis zu acht Einheiten stellt sie bis zu 1.864 kW Kühlleistung bereit. Sämtliche Einheiten setzen auf drehzahlvariable Inverter-Verdichter und EC-Ventilatoren, um die Kälteleistung exakt an die stark schwankenden Hallenkühllasten anzupassen. Ergänzend kommen die Serien SAS und SAX mit dem zukunftssicheren, natürlichen Kältemittel R290 (Propan, GWP = 0,02 nach IPCC AR6) zum Einsatz, was Betreibern langfristige Planungssicherheit ohne F-Gase-Phase-down-Restriktionen garantiert.

Systemvergleich der Kaltwasser-Kühlserien für Gewerbe und Industrie

| Modellreihe | Kälteleistungsbereich (kW) | Verdichtertechnologie | Kaskadierbarkeit | Besonderheiten / Kältemittel | | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | | S-Klima SAL | 24,1 – 80,2 kW | DC-Inverter Scroll | Stand-alone / Mehrfachkreis | Hohe Betriebssicherheit bei extremen Außentemperaturen, R32 | | S-Klima SAX | 34,9 – 85,1 kW | Modulierender Inverter | Bis zu 16 Einheiten (1.360 kW) | Optionales Freikühlregister integrierbar, Varianten mit R290 | | S-Klima SAY | 115,0 – 233,0 kW | Multi-Inverter Schraube/Scroll | Bis zu 8 Einheiten (1.864 kW) | Großleistung, Wärmerückgewinnung, optimiert für Industrieprojekte |

Freie Kühlung: Energetischer Hebel für Hallen mit Dauerlast

In vielen Industriehallen dominieren Prozesswärmelasten, die auch bei kühlen Außentemperaturen im Frühjahr, Herbst und Winter abgeführt werden müssen. Läuft hierbei ganzjährig der mechanische Verdichter, schnellen die Betriebskosten in die Höhe. Die Kaltwassersätze der SAX-Serie bieten die Option eines integrierten Freikühlregisters (Free Cooling).

Fällt die Außenlufttemperatur unter die Kaltwasserrücklauftemperatur der Halle (z. B. $T_{\text{RL}} = 16,^\circ\text{C}$), öffnet ein 3-Wege-Umschaltventil den Weg durch einen vorgeschalteten Luft-Wasser-Lamellenwärmetauscher. Liegt die Außentemperatur beispielsweise bei 8 °C, kann das Wasser vollständig über die kühle Umgebungsluft rückgekühlt werden, ohne dass der Kältemittelverdichter anlaufen muss. Es arbeitet lediglich der EC-Ventilator bei minimaler elektrischer Leistungsaufnahme. In Übergangszeiten ermöglicht der gemischte Freikühlbetrieb eine Teilabkühlung im Wasserregister, bevor der Kältemittelkreis nur noch die verbleibende Temperaturdifferenz deckt. Der saisonale Energieeffizienzwert (SEER) lässt sich durch dieses Verfahren in mitteleuropäischen Klimazonen mehr als verdoppeln.

Beispielrechnung: Kälteleistung und Freikühl-Einsparung

Für eine Fertigungshalle wird eine kontinuierliche Kühllast von $\dot{Q}_K = 120,\text{kW}$ bei einer Systemspreizung von 12/6 °C angesetzt. Der benötigte Kaltwasser-Massenstrom $\dot{m}$ berechnet sich über die spezifische Wärmekapazität von Wasser ($c_p \approx 4{,}18,\text{kJ}/(\text{kg}\cdot\text{K})$): $$\dot{m} = \frac{\dot{Q}_K}{c_p \cdot \Delta T} = \frac{120,\text{kW}}{4{,}18,\text{kJ}/(\text{kg}\cdot\text{K}) \cdot 6,\text{K}} \approx 4{,}78,\text{kg/s} ; (\approx 17{,}2,\text{m}^3/\text{h})$$

Bei rein mechanischer Kälteerzeugung mit einem durchschnittlichen Teillast-EER von 3,6 beträgt die elektrische Leistungsaufnahme des Verdichters: $$P_{\text{el, mech}} = \frac{120,\text{kW}}{3{,}6} \approx 33{,}33,\text{kW}$$

Im reinen Freikühlbetrieb bei Außentemperaturen unterhalb von 4 °C benötigt das System lediglich die elektrische Leistung der EC-Ventilatoren und der Kaltwasser-Umwälzpumpe (ca. $3{,}2,\text{kW}$ gesamt). Bei angenommenen 2.500 Freikühlstunden im Ganzjahresbetrieb ergibt sich folgende Stromeinsparung: $$\Delta W_{\text{el}} = (33{,}33,\text{kW} - 3{,}2,\text{kW}) \cdot 2.500,\text{h} = 75.325,\text{kWh}$$ Bei einem industriellen Strompreis von 0,22 €/kWh spart der Betreiber jährlich rund 16.570 Euro an reinen Betriebskosten ein – bei gleichzeitiger Entlastung und Standzeitverlängerung der Verdichtermechanik.

Ergänzende Konzepte: Indirekte adiabate Kühlung und Taupunktbegrenzung

Erfordert das Lüftungskonzept der Halle hohe Außenluftraten zur Einhaltung der MAK-Werte (Maximale Arbeitsplatz-Konzentration) oder zur Abfuhr von Schadstoffen, stellt die Kombination aus Kaltwassersatz und indirekter adiabater Verdunstungskühlung im Lüftungszentralgerät eine hocheffiziente Symbiose dar. Bei der indirekten Verdunstungskühlung wird Wasser in den Abluftstrom des Gebäudes verdüst. Durch die Enthalpieaufnahme bei der Wasserverdampfung sinkt die Ablufttemperatur entlang der Feuchtkugeltemperatur ab. Ein zwischengeschalteter Doppel-Plattenwärmetauscher kühlt die warme Außenluft vor, ohne dass Feuchtigkeit in die Zuluft übertragen wird.

Dadurch sinkt die Lufteintrittstemperatur am Kaltwasserregister um bis zu 10 bis 12 Kelvin. Der nachgeschaltete S-Klima Kaltwassersatz muss nur noch Spitzenlasten abfangen oder eine gezielte Entfeuchtung vornehmen. Um Bauschäden und Rutschgefahren auf Industrieböden zu verhindern, muss die Gebäudeautomation den Taupunkt der Hallenluft kontinuierlich über Raumtemperatur- und Feuchtefühler überwachen. Bei Flächentemperierungen oder offenen Kaltwasserleitungen darf die Vorlauftemperatur die Taupunkttemperatur zu keinem Zeitpunkt unterschreiten, sofern Kondensatbildung prozessbedingt ausgeschlossen werden muss.

Gebäudeautomation und hydraulische Regelungskonzepte

Eine hohe Effizienz der Kaltwasser-Komponenten verpufft, wenn das hydraulische und regelungstechnische Zusammenspiel nicht synchronisiert ist. Moderne S-Klima Kaltwassersysteme binden sich über Modbus-RTU, BACnet/IP oder KNX nahtlos in übergeordnete Gebäudeleitsysteme (GLS) ein.

• Drehzahlgeregelte Primär- und Sekundärpumpen: Elektronisch geregelte Hocheffizienzpumpen passen den Förderstrom über Differenzdruckmessungen kontinuierlich an den tatsächlichen Öffnungsgrad der Verbraucherventile an. Dynamische Druckverluste im Rohrnetz werden dadurch drastisch reduziert.
• Gleitende Vorlauftemperaturregelung: Anstatt das Kaltwassernetz starr auf 6 °C zu halten, hebt die Gebäudeautomation den Sollwert in Schwachlastphasen auf 10 bis 12 °C an. Wie oben dargelegt, spart jedes Kelvin Temperaturhub rund 2,5 % elektrische Verdichterleistung ein.
• Master-Slave-Kaskadenmanagement: Bei Multi-Modul-Anlagen der SAX- oder SAY-Serie schaltet der integrierte Controller nur so viele Verdichterstufen zu, wie zur Deckung der aktuellen Last zwingend erforderlich sind. Gleichzeitig rotiert die Steuerung die Betriebsstunden, um gleichmäßige Abnutzung sicherzustellen.
• Präsenz- und Zonensteuerung: Hallenbereiche mit wechselnder Belegung (z. B. Kommissionierzonen) werden zeitabhängig über variable Volumenstromregler (VAV) oder motorische Absperrklappen bedarfsgerecht konditioniert.

Praxisempfehlungen für Planung und Betrieb

Bei der Dimensionierung nach DIN EN 12831 und VDI 2078 empfiehlt sich stets eine differenzierte Kühllastberechnung unter Einbeziehung dynamischer Gebäudesimulationen. Pauschale Annahmen führen in Hallenbauten regelmäßig zu massiver Überdimensionierung, die im Teillastbetrieb ein unerwünschtes Takten der Verdichter hervorruft. Achten Sie auf strömungsoptimierte Quellluftauslässe oder Induktionsauslässe in Deckenhöhe, um Kaltluftimpulse zugfrei in den Aufenthaltsbereich der Mitarbeiter zu leiten.

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