Kühlbalken neu erfunden: Leistung in einer Welt mit variablem Luftvolumen

Seit Jahrzehnten gehört Einfachheit zu den stärksten Verkaufsargumenten von gekühlten Balken. Ohne Ventilatoren, ohne Entwässerungspumpen und ohne mechanische bewegliche Teile haben sich gekühlte Balken einen Ruf als zuverlässig, wartungsarm und langlebig erarbeitet. Dieses passive Design hat sie zu einer bewährten Lösung in Gebäuden weltweit gemacht. Doch mit der Weiterentwicklung von Lüftungsstrategien muss auch die dahinterstehende Technologie Schritt halten. Unser Experte Tobias Nordström, Product Manager Chilled Beams bei Swegon, erläutert wie.

Es gibt einige Gründe, warum gekühlte Balken so gut funktionieren: Ihre Leistung basiert auf zwei wesentlichen physikalischen Phänomenen: Induktion und dem Coanda-Effekt. Die Zuluft wird durch die Düsen der gekühlten Balken mit relativ hoher Geschwindigkeit geliefert, erzeugt durch eine Druckdifferenz zwischen dem Kanal und dem Raum, typischerweise zwischen 50–120 Pa.

Dieser Druck erzeugt:

• Induktion: Die hohe Luftgeschwindigkeit aus den Düsen erzeugt einen Unterdruck oberhalb des Wärmetauschers, der Raumluft in den gekühlten Balken zieht. Wenn die Raumluft den Wärmetauscher durchströmt, wird sie gekühlt/erhitzt, bevor sie mit der Zuluft gemischt und in den Raum zurückgegeben wird. Dies ermöglicht eine hohe Kühl-/Heizkapazität ohne Ventilatoren.
• Der Coanda-Effekt: Die Zuluft haftet an der Decke, wodurch sie sich im Raum verteilen und verlangsamen kann, bevor sie die besetzte Zone erreicht. Dadurch bleiben die Luftgeschwindigkeiten unter ca. 0,2 m/s, was Zugluft verhindert und den Komfort aufrechterhält.

Zusammen bieten diese Prinzipien eine effiziente, ruhige und komfortable Raumklimasteuerung.

Die Herausforderung: Systeme mit variablem Luftvolumen

Die Einfachheit gekühlter Balken passt hervorragend zu Lösungen mit konstantem Luftvolumen (CAV). Moderne Gebäude müssen jedoch oft strengere Energievorschriften erfüllen und sehen sich mit höheren Erwartungen an ein gutes Raumklima konfrontiert. Deshalb setzen Gebäude häufiger auf variable Luftmengen (VAV) und bedarfsgeführte Lüftung (DCV).

Diese Systeme passen den Luftstrom kontinuierlich basierend auf Belegung, CO₂-Werten und/oder Temperatur an, was zu reduziertem Energieverbrauch bei aufrechterhaltenen Komfort führt. Traditionell wurde der Luftstrom in solchen Systemen durch den Einsatz eines VAV-Stellglieds vor dem gekühlten Balken gesteuert.

Was passiert, wenn der Luftstrom reduziert wird?

Gekühlte Balken sind typischerweise für Spitzenbedingungen ausgelegt, d.h. Luftstrom und Kühl- und Heizanforderungen auf maximalem Niveau. Betrachtet man ein vereinfachtes Beispiel eines gekühlten Balkens mit festen Düsen und einem vorgelagerten Stellglied:

Unter Auslegungsbedingungen:

• • Luftstrom = 288 m³/h
  • Druckverlust = 70 Pa
  • k-Faktor am gekühlten Balken = 9,6

Bei reduziertem Luftstrom mit einem vorgelagerten Stellglied:

• Bei 144 m³/h → Druck fällt auf ca. 17 Pa am gekühlten Balken
• Bei 72 m³/h → Druck fällt auf ca. 4 Pa am gekühlten Balken

Diese Druckreduzierung hat direkte Auswirkungen:

• • Geringere Induktion → reduzierte Kühl-/Heizkapazität
  • Schwächerer Coanda-Effekt → erhöhtes Zugluftrisiko und schlechte Luftverteilung

In der Praxis bedeutet dies, dass das System den Luftstrom erhöhen muss, um die Leistung aufrechtzuerhalten, was die beabsichtigte Energiereduzierung negativ beeinflusst.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, besteht der identifizierte Bedarf, den Luftstrom zu variieren, ohne die Druckbedingungen im System zu beeinträchtigen. Die Lösung könnte das Düsendesign überdenken und beispielsweise ermöglichen, dass sich die Düse in ihrer Grösse verändert. Der Bedarf für vorgelagerte Stellglieder und deren zugehörige Druckverluste würde dann entfallen.

Am gleichen Beispiel könnte dies in der Praxis so aussehen:

• • 288 m³/h → k-Faktor = 9,6 bei Druckabfall 70 Pa
  • 144 m³/h → k-Faktor passt sich auf ca. 4,8 an, hält 70 Pa Systemauslegungsdruck
  • 72 m³/h → k-Faktor passt sich auf ca. 2,4 an, hält 70 Pa Systemauslegungsdruck

Hier wird statt Druckverlust durch das vorgelagerte Stellglied der k-Faktor angepasst, um den gewünschten Luftstrom aufrechtzuerhalten.

Mehr als Leistung: Ein benutzerfreundliches System

Dieser Ansatz würde nicht nur die Leistung verbessern, sondern auch den gesamten Systemdesign- und Installationsprozess vereinfachen.

Reduzierte Systemkomplexität

In VAV- und DCV-Systemen wäre kein separates vorgelagertes VAV-Stellglied erforderlich. Der Luftstrom wird stattdessen direkt im gekühlten Balken gesteuert, was reduziert:

• • Komponenten im Kanalsystem
  • Installationszeit
  • Kosten

Intelligentere CAV-Installation

In CAV-Systemen fungiert diese integrierte Funktionalität als eingebauter Inbetriebnahmedämpfer. Das bedeutet:

• • Für die meisten Anwendungen wäre kein zusätzlicher Ausgleichsdämpfer erforderlich
  • Die Inbetriebnahme wäre schneller und einfacher
  • Es müssten weniger Komponenten installiert und gewartet werden

(Hinweis: In Systemen mit sehr hohem Kanaldruck 200Pa+ kann noch eine zusätzliche Dämpfung erforderlich sein, um den Druck vor dem gekühlten Balken zu reduzieren, um keinen Schall im besetzten Bereich zu erzeugen; dies kann mit unserer kostenlosen Auswahlsoftware berechnet werden.)

Das Ergebnis: konsistente Leistung bei jedem Luftstrom

Durch die Aufrechterhaltung des Drucks über den Düsen würde diese Art von Düsenfunktionalität sicherstellen:

• • Hohe Induktion → anhaltende Kühl-/Heizkapazität, auch bei geringem Luftstrom
  • Starker Coanda-Effekt → stabile Luftverteilung und reduziertes Zugluftrisiko
  • Geringerer erforderlicher Luftstrom zur Bereitstellung der Kühl-/Heizkapazität → verbesserte Energieeffizienz

Flow Control - die Lösung

Bei Swegon lassen wir dies nicht nur eine Idee oder ein Beispiel sein , wir haben Flow Control entwickelt, das durch Anpassung der Düsengeometrie den k-Faktor aktiv steuert. Dadurch kann der Luftstrom reguliert werden, während ein stabiler Systemdruckverlust aufrechterhalten wird. Die oben genannten zusätzlichen Installations-, Inbetriebnahme- und Wartungsvorteile sind alle in dieser Lösung enthalten.

Weiterhin fügen die integrierten Steuerungsoptionen von Swegon  REACT, AWC oder WISE  den Vorteil einer druckunabhängigen Luftstromsteuerung hinzu, die sicherstellt, dass der gewünschte Luftstrom auch bei schwankenden Kanaldrücken aufrechterhalten wird. Dies verbessert die Systemstabilität und -leistung.

In realen Anwendungen bedeutet dies, dass ein gekühlter Balken mit Flow Control den gleichen Komfort mit weniger Luft liefern kann, verglichen mit herkömmlichen Lösungen mit vorgelagerten Stellgliedern.

Nachfolgend ein Beispiel, das den Unterschied in der Kühlkapazität zwischen einer alten Pacific-Einheit mit einem vorgelagerten VAV-Stellglied und einem REACT Pacific mit integriertem Flow Control zeigt.

Von passiv zu adaptiv

Das Fehlen beweglicher Teile war lange ein entscheidender Vorteil gekühlter Balken und ist es in vielen Anwendungen immer noch. Doch da Gebäude intelligenter und dynamischer werden, müssen sich Lösungen weiterentwickeln. Durch die Integration intelligenter Luftstromsteuerung, die für langfristige Zuverlässigkeit ausgelegt und getestet ist, kombinieren moderne gekühlte Balken das Beste aus beiden Welten:

• • Die Zuverlässigkeit und Einfachheit passiver Systeme
  • Die Leistung und Effizienz adaptiver, bedarfsgeführter Steuerung

Ausblick

Kühlbalken sind nicht mehr nur passive Komponenten einer Raumklimalösung, sondern tragen zunehmend aktiv zur Verbesserung der Gebäudeeffizienz bei. Innovationen wie „Flow Control“ sorgen dafür, dass Gebäude so ausgestattet sind, dass sie den Anforderungen moderner Gebäude gerecht werden und folgende Parameter erfüllen: Komfort, Energieeffizienz und Leistung. Dabei werden Vorschriften wie die EPBD eingehalten und gleichzeitig sichergestellt, dass sich die Menschen im Gebäude wohlfühlen.