Heizen und Kühlen (Theorie)

Dieser Post ist Teil des Beitrags HVAC.

1. Motivation

Neben dem Lüftungssystem (Frischluftzufuhr und -abluft) wird ein weiteres System gebraucht, um die Lufttemperatur zu regeln. Das Erwärmen bzw. Kühlen der Räume hat natürlich ganz banale Gründe. In einem Tonstudio ist jedoch vor allem aber der Punkt des Kühlens wichtig, insb. bei zunehmender Personenzahl oder erhöhter körperlicher Aktivität wie bspw. beim Schlagzeugspielen, da wir einen hermetisch dichten und doppelten Wandaufbau haben, der nur geringe thermische Verluste zulässt. Außerdem ist neben der Luftfeuchte vor allem auch eine möglichst konstante Zimmertemperatur wichtig für empfindliche Geräte sowie Integrität und Stimmstabilität akustischer Instrumente, insb. der aus Holz.

2. Möglichkeiten

Es gibt viele verschiedene Heizsysteme am Markt. Die meisten sind in unserem Szenario jedoch nicht anwendbar bzw. kontraproduktiv aufgrund ihrer akustischen Eigenschaften. Exemplarisch werden daher im Folgenden unter 2.1 und 2.2. zwei dieser Systeme mit ihren spezifischen Problemen erläutert. In 2.3. geht es dann um ein System, welches im Bereich Tonstudio gerne verwendet wird und auch bei uns zum Einsatz kommt.

2.1 Klassische Heizkörper/Zentralheizung

Klassische Heizkörper sind weniger ratsam einzusetzen, da diese bei bestimmten Frequenzen (Resonanzfrequenz) akustisch angeregt werden und dadurch vibrieren und nachklingen können. Außerdem würde das zentrale Heizgerät die Räume mehr oder weniger direkt miteinander verbinden, welches sehr effektive (und damit fatale) Schallbrücken erzeugen würde. Man kennt dieses Phänomen vom Klopfen gegen Heizungsrohre. Der Schall wird durch Körperschall in Metall so effizient übertragen, dass man das Klopfen über mehrere Räume oder Stockwerke hinweg hören kann.

2.2 Fußbodenheizung

Eine Fußbodenheizung ist ebenfalls weniger ratsam, da diese durch ihr Rohrsystem im Boden Luft- und Wassereinschlüsse erlaubt, welche sich akustisch unvorteilhaft verhalten können. Außerdem entzieht das Einbringen der Elemente dem Boden wichtige Masse. Ein massiver Betonboden (bzw. ein massiver Estrich darauf) ist dem vorzuziehen, da dieser als eine gemeinsame Einheit und daher berechenbarer agiert. Das Phänomen der Körperschallübertragung aus 2.1 gilt auch hier, da die Rohrsysteme in jedem Raum an einer zentralen Heizeinheit zusammengeführt werden.

2.3 Split-Klimaanlage

Sucht man nach Systemen zum kühlen findet man schnell Split-Klimageräten. Diese können neben dem Kühlbetrieb überraschenderweise auch heizen. Und das, wegen des Luft-Luft-Wärmepumpenprinzips, sogar erstaunlich energieeffizient (z.B. deutlich effektiver als Elektrowärme wie von einem Heizlüfter). Durch ihre Heiz-Kühl-Kombination vereinen Split-Klimaanlagen somit zwei unserer Teilsysteme (Heizung, Kühlung) zu einem einzigen. Darüber hinaus können die Geräte sogar leicht Entfeuchten – ein weiterer Pluspunkt. In Kombination mit einer Lüftungsanlage ist somit alles vorhanden, um unsere Luft angemessen zu konditionieren.

Bei einer Split-Klimaanlage gibt es eine zentrale Außeneinheit. An dieser sind eine oder mehrere Inneneinheiten mittels Kupferleitungen angeschlossen. Durch diese fließt ein Kältemittel. Die Inneneinheiten gibt es in verschiedenen Ausführungen, z.B. als klassische Wandeinheit oder Deckenkasetten, Kanaleinbau- oder Truhengeräte. Detaillierte Informationen zur Funktionsweise möchte ich hier nicht weiter erläutern, findet man im Internet, z.B. -hier- oder -hier-. Ich möchte im Folgenden auf die akustisch relevanten Aspekte eingehen.

Wenn man jetzt denkt, dass auch dieses System ja feste Verbindungen zwischen inner und outer leaf herstellt und dadurch fatale Körperschallbrücken erzeugt, … der hat recht. Denn es stimmt. Mist. Aber halb so schlimm. Denn ganz los wird man dieses Konzept eh nicht, zumindest beim Kühlen. Prinzip-bedingt muss es nämlich immer einen Austausch zwischen Innen und Außen geben. Das ist übrigens auch der Grund wieso man mit einem offenen Kühlschrank nicht die Wohnung kühlen kann. Es gibt lediglich besser und schlechter handhabbare Varianten für unsere Zwecke. Die Kupferleitungen einer Split-Klimaanlage lassen sich nämlich gut im Zwischenleaf unterbringen und mit mehreren Windungen verlegen, was den Körperschall reduziert. Außerdem lassen sich die einzelnen Leaf-Durchbrüche so gut verteilen, sodass sie nicht genau gegenüber an derselben Stelle sind. Das dezentralisiert die Masse-Schwachstellen.

Neben den Kupferleitungen müssen außerdem Elektroleitungen verlegt werden, welche die Außeneinheit an das Stromnetz und die Inneneinheiten an die Außeneinheit anschließt. Diese stellen akustisch kein Probleme dar. Anders verhält es sich mit dem Kondensat. Dieses fällt nämlich während des Kühlbetriebs an den Inneneinheiten an. Dieses wird i.d.R. tröpfchenweise über einen Kondensatschlauch durch die Außenwand ins Freie geleitet und versickert meist irgendwo im Boden. In unserem Szenario wäre dies aber eine fatale Masselücke und somit Luftschallbrücke. Daher werden wir den Kondensatschlauch über viele Windungen (ähnlich dem Prinzip der Silencer für das Lüftungssystem) durch das inner leaf führen und in einem Abwasserrohr in der Bodenplatte münden lassen (Details dazu später in Planungs- und Umsetzungsposts).

Neben den Leistungsmerkmalen der Systeme (Heiz-/Kühlleistung) gibt es außerdem Rahmenbedingungen zur Verlegung und Aufstellung, welche es zu beachten gilt wie bswp. Maximallängen für die Kältemittelleitungen, maximale Installationshöhen, Wandabstände, Biegeradien, Rohrsteigung, etc. Diese variieren mit jedem Produkt und Hersteller.

Wichtig für unsere Anwendung ist natürlich auch die Lautstärke der Geräte. Mittlerweile sind jedoch viele Split-Klimaanlagen-Inneneinheiten bereits sehr leise (~20 db(A)). Die Außeneinheiten sind i.d.R. lauter, welches für uns aber weniger relevant ist.

Die Geräte sind außerdem mittels KNX-Gateways in das Hausnetzwerk integrierbar (siehe -Smarte Gebäudeverkabelung-). Sie lassen sich somit mittels diverser KNX Sensoren regulieren, z.B. Feuchtigkeits- und Temperaturfühler.