Was ist ein Fan-Coil? Unterschiede zwischen 2-Rohr- und 4-Rohr-Fan-Coil-Systemen

Ein Fan-Coil ist ein Endgerät zum Heizen und Kühlen, bestehend aus einem Wasserregister, einem Ventilator, einem Filter, einer Kondensatwanne und einem Gehäuse. Das in der Zentrale erzeugte Kalt- oder Warmwasser gelangt über Rohrleitungen zum Gerät und zirkuliert im Register; der Ventilator führt die Raumluft durch den Filter und über das Register. Beim Kontakt mit dem Register gibt die Luft Wärme an das Wasser ab oder nimmt sie von ihm auf und wird in den Raum geblasen.

Die Kette besteht aus vier Gliedern. Das erste Glied ist die Quelle: beim Kühlen der Wasserkaltsatz, beim Heizen der Heizkessel oder die Wärmepumpe. Das zweite Glied ist die Verteilung: Umwälzpumpe, Verteiler, Hauptsteigleitungen und Strangregulierventile. Das dritte Glied ist das Endgerät, also der Fan-Coil. Das vierte Glied ist die Regelung: Raumthermostat und Ventil am Register. Wird eines dieser Glieder falsch gewählt, stimmt der Raumkomfort nicht, selbst wenn die übrigen drei richtig sind.

Im Kühlbetrieb sinkt die Oberflächentemperatur des Registers unter den Taupunkt der Raumluft. Deshalb bildet sich am Register Kondensat; die Wassertropfen sammeln sich in der Wanne und werden über die Entwässerungsleitung abgeführt. Im Heizbetrieb entsteht kein Kondensat. Zur allgemeinen Systemarchitektur und zur Stellung der Endgeräte in der Klimatisierung können Sie sich unsere Produktgruppe Lüftung ansehen. (Details: Lüftung)

Ein Fan-Coil ist für sich genommen kein Lüftungsgerät. Es wälzt die Raumluft um; Außenluft bringt es nicht ein. Der Außenluftbedarf wird über ein separates hygienisches Klimazentralgerät (RLT-Gerät), ein Primärluftgerät oder ein Lüftungsgerät mit Wärmerückgewinnung gedeckt. Wird diese Trennung übersehen, ist das die häufigste Ursache dafür, dass der CO₂-Gehalt in Büros über 1.200 ppm steigt. (Details: HRV-Systeme (Wärmerückgewinnung))

Fan-Coil-Typen unterscheiden sich nach der Montageart: Kassettengerät, Unterdeckengerät (verdeckt), Wandgerät, Brüstungs- bzw. Truhengerät und vertikales verdecktes Gerät. Drei Dinge bestimmen die Auswahl: ob eine abgehängte Decke vorhanden ist, welche Geometrie der Raum hat und in wie viele Richtungen ausgeblasen werden soll. Die Leistung folgt erst an zweiter Stelle, da jeder Typ in einem breiten Leistungsbereich gefertigt wird.

Ein Kassettengerät wird in die abgehängte Decke eingelassen und bläst über sein dekoratives Paneel in 2 oder 4 Richtungen aus. Das Standardmaß passt in die modulare Deckenkassette von 600x600 mm; Gehäuse von 840x840 mm und 1.200x600 mm sind ebenfalls verbreitet. Ein 4-Wege-Kassettengerät ist in Räumen mit quadratischem Grundriss, in denen es mittig platziert werden kann, die Lösung mit der gleichmäßigsten Luftverteilung. Der Leistungsbereich variiert je nach Baureihe, liegt typischerweise aber bei 2–14 kW.

Ein Unterdeckengerät (verdeckt) wird waagerecht in der abgehängten Decke verborgen und führt die Luftverteilung über Kanäle und Lüftungsgitter. Da es mit Kanälen arbeitet, kann es mehrere Lüftungsgitter von einem einzigen Gerät aus versorgen, die Ansaugung an einer separaten Stelle vornehmen und außerhalb des Raums platziert werden, zum Beispiel in der Flurdecke. Im Gegenzug muss der Ventilator den Kanalwiderstand überwinden; deshalb ist die Wahl des statischen Drucks entscheidend.

Ein Wandgerät, ähnlich dem Innengerät eines Split-Klimageräts, wird in Räumen ohne abgehängte Decke hoch an der Wand montiert. Es kommt bei Umbauten von Hotelzimmern und in Wohnungen zum Einsatz. Ein Brüstungs- bzw. Truhengerät dagegen wird unter dem Fenster an der Position des Heizkörpers aufgestellt; es kann als Gerät mit Verkleidung sichtbar bleiben oder mit seinem Gehäuse in die Wand eingelassen werden. In Räumen mit hohen Verglasungen ist es überlegen, weil es den von der kalten Glasfläche herabfallenden Luftstrom bricht.

• Kassettengerät — Abgehängte Decke erforderlich, Ausblasen in 2 oder 4 Richtungen, keine Kanäle, typischer Schallpegel 28–46 dB(A), Standardlösung in Großraumbüros und Ladengeschäften
• Unterdeckengerät (verdeckt) — Abgehängte Decke erforderlich, mit Kanälen, Optionen mit 30–200 Pa statischem Druck, überlegen in Hotelzimmern und bei unterteilten Grundrissen
• Wandgerät — Keine abgehängte Decke erforderlich, Ausblasen in eine Richtung, schnellster Montagetyp, bevorzugt bei Umbauprojekten
• Brüstungs- bzw. Truhengerät — Montage unter dem Fenster, bricht den Kaltglaseffekt, überlegen in überwiegend beheizten Räumen und in Sälen mit hohen Verglasungen
• Vertikales verdecktes Gerät — Wird in einer Schachtnische oder in einem Schrank verborgen, Ausblasen über Kanäle, kommt in Wohnbauprojekten zum Einsatz, in denen die Architektur das Gerät nicht sehen will

Auch der Ventilator selbst ist ein Unterscheidungsmerkmal. Geräte mit Niederdruckventilator erzeugen für Anwendungen ohne Kanal oder mit sehr kurzem Kanal 10–30 Pa externen statischen Druck. Geräte mit Hochdruckventilator erreichen 120–200 Pa und können lange Kanalstrecken, Schalldämpfer und hocheffiziente Filter bewältigen. Wer die falsche Seite wählt, erhält entweder keine Luft am Lüftungsgitter oder unnötige Geräusche und unnötigen Stromverbrauch.

Ein 2-Rohr-Fan-Coil ist ein System mit nur einem Register im Gerät, dem je nach Jahreszeit entweder Kaltwasser oder Warmwasser zugeführt wird. Zum Gerät führen ein Vorlauf und ein Rücklauf, also insgesamt zwei Rohre. Dasselbe Register arbeitet im Sommer mit Kaltwasser von 7/12 °C und im Winter mit Heizwasser von 45/40 °C. Die Umschaltung erfolgt nicht am Gerät, sondern in der Zentrale.

Die Einschränkung ist eindeutig: Das Gebäude heizt oder kühlt zu einem gegebenen Zeitpunkt jeweils nur. Wurde die Zentrale auf Kühlung geschaltet, können alle Geräte im Gebäude nur kühlen. Ein Raum mit Nordausrichtung, im Schatten und mit vielen Außenwänden, der an diesem Tag Wärme braucht, bekommt sie nicht. In einem Gebäude, in dem gleichzeitig an der Südfassade Kühlbedarf und an der Nordfassade Heizbedarf besteht, wird diese Einschränkung zu einem echten Komfortproblem.

Das Problem heißt Übergangszeitproblem. In Istanbul liegt die Außentemperatur im April–Mai und im Oktober–November tagsüber bei 20–24 °C und nachts bei 10–13 °C. Schaltet die Gebäudeverwaltung die Zentrale auf Kühlung, kommen morgens Beschwerden; lässt sie sie auf Heizung, kommen nachmittags Beschwerden von der Südseite. Die Umschaltentscheidung liegt bei einer einzigen Person, und jede der beiden Entscheidungen lässt eine Nutzergruppe unzufrieden zurück. Auch die zentrale Umschaltzeit ist nicht kostenlos: Weil bei 2 Rohren der gesamte Wasserinhalt des Rohrnetzes ausgetauscht werden muss, tritt bei einem typischen Steigstrang eines Mehrfamilienhauses eine Verzögerung von mehreren Stunden auf.

Es gibt eine weitere technische Einschränkung: Weil nur ein Register vorhanden ist, erfüllt die Rohrreihenzahl zwei Aufgaben zugleich. Ein auf Kühlung optimiertes 3-reihiges Register liefert beim Heizen mit 45 °C Eintrittswasser mehr Leistung als nötig; soll auf der Heizseite mit niedriger Wassertemperatur gefahren werden, muss die Registerfläche größer gewählt werden, als es der Kühlbedarf verlangt. Eine korrekte Auslegung von Ventilen und Abgleich hält dieses Gleichgewicht. (Details: Ventile & Armaturen)

Ein 4-Rohr-Fan-Coil ist ein System mit zwei unabhängigen Registern im Gerät, von denen eines fürs Kühlen und eines fürs Heizen vorgesehen ist und zu denen jeweils eine eigene Vorlauf- und Rücklaufleitung geführt wird. Zum Gerät kommen insgesamt vier Rohre: Kühlvorlauf, Kühlrücklauf, Heizvorlauf, Heizrücklauf. Während im gesamten Gebäude Kaltwasser und Warmwasser gleichzeitig bereitstehen, wählt so jeder Raum seinen eigenen Bedarf.

Der Gewinn ist die Gleichzeitigkeit. Während ein Besprechungsraum auf derselben Etage mit 20 Personen belegt ist und Kühlung verlangt, kann das nach Norden ausgerichtete Büro am Flurende Heizung verlangen. Beides wird gleichzeitig bedient. Einen Entscheidungspunkt „Jahreszeitenwechsel“ gibt es nicht mehr; die Gebäudeverwaltung muss keinen zentralen Schalter umlegen, die Regelung liegt vollständig beim Raumthermostat.

Der zweite Gewinn ist die Regelgenauigkeit. Das Heizregister wird für das Heizen, das Kühlregister für das Kühlen jeweils getrennt dimensioniert. Das Heizregister ist in der Regel 1- oder 2-reihig und kann mit niedriger Wassertemperatur arbeiten; das steigert die Effizienz von Brennwertkessel und Wärmepumpe. Das Kühlregister wird 3- bis 4-reihig gewählt, und seine Entfeuchtungsleistung wird unabhängig optimiert.

Der Preis sind Mengen und Schacht. Die Anzahl von Rohren, Dämmung, Aufhängungen, Schweißnähten und Ventilen verdoppelt sich ungefähr. Der Schachtquerschnitt wächst, das belegte Volumen in der abgehängten Decke nimmt zu, und der Bedarf an Geschosshöhe steigt. Außerdem bedeutet der gleichzeitige Betrieb von Kaltwasser- und Warmwassererzeugung, dass in der Zentrale zwei getrennte Systeme parallel betrieben werden. Deshalb tritt der 4-Rohr-Fan-Coil in Büros, Hotels, Krankenhäusern, Einkaufszentren und Gebäuden mit tiefem Grundriss in den Vordergrund, der 2-Rohr-Fan-Coil in Wohngebäuden und kleinen Gewerbegebäuden.

In der Architektur mit vier Rohren ist es zwingend, den Heiz- und den Kühlkreis unabhängig voneinander abzugleichen. Weil beide Kreise im selben Steigleitungsschacht nebeneinander verlaufen, fällt ein Volumenstromfehler in dem einen im anderen nicht auf, und die Beschwerde taucht auf einer anderen Etage auf. Druckunabhängige Strangregulier- und Regelventile beseitigen dieses Risiko weitgehend. (Details: Was ist ein Danfoss-Strangregulierventil und warum wird es in Heiz- und Kühlsystemen eingesetzt?)

Der Unterschied zwischen 2-Rohr- und 4-Rohr-Fan-Coil lässt sich in einem Satz zusammenfassen: Beim 2-Rohr-System macht das Gebäude zu einem Zeitpunkt nur eine Sache, beim 4-Rohr-System trifft jeder Raum seine eigene Entscheidung. Dieser Unterschied wirkt sich unmittelbar auf Investitionsposten, Schachtfläche, Betriebsflexibilität und die Zahl der Komfortbeschwerden aus. Die beiden folgenden Listen zeigen dieselbe Entscheidung aus zwei verschiedenen Blickwinkeln.

Die erste Liste vergleicht die technischen Parameter.

• Anzahl der Register — Beim 2-Rohr-System 1 gemeinsames Register, beim 4-Rohr-System 2 Register, nämlich 1 Kühl- und 1 Heizregister
• Rohre pro Gerät — Beim 2-Rohr-System 2 Leitungen, beim 4-Rohr-System 4 Leitungen; der Rohrquerschnitt im Steigleitungsschacht steigt auf etwa das 2-Fache
• Gleichzeitiges Heizen und Kühlen — Beim 2-Rohr-System nicht möglich, beim 4-Rohr-System möglich
• Jahreszeitenwechsel — Beim 2-Rohr-System ist eine zentrale Entscheidung erforderlich, und der Austausch des Leitungswassers dauert Stunden; beim 4-Rohr-System ist keine Entscheidung erforderlich
• Regelventil — Beim 2-Rohr-System 1 Stück 2-Wege- oder 3-Wege-Ventil pro Register, beim 4-Rohr-System je ein Ventil pro Register, insgesamt 2 Stück
• Heizwassertemperatur — Beim 2-Rohr-System wegen des gemeinsamen Registers typischerweise 45–55 °C, beim 4-Rohr-System kann man wegen des separat dimensionierten Heizregisters bis in den Bereich 40–45 °C heruntergehen
• Anzahl der Automationspunkte — Beim 2-Rohr-System 1 Ventilausgang pro Raum, beim 4-Rohr-System 2 Ventilausgänge pro Raum und eine Heiz-/Kühl-Verriegelung

Die zweite Liste vergleicht dieselben beiden Systeme unter Betriebs- und Projektgesichtspunkten.

• Geeigneter Gebäudetyp — 2-Rohr-Fan-Coil: Wohngebäude, kleine Büros, Gebäude mit nur einer Fassade oder flachem Grundriss; 4-Rohr-Fan-Coil: Hotel, Krankenhaus, Büro mit tiefem Grundriss, Einkaufszentrum
• Montageaufwand — Wird der Aufwand an Schweißarbeiten und Aufhängungen beim 2-Rohr-System als Referenz genommen, liegt er beim 4-Rohr-System bei etwa dem 1,8- bis 2,0-Fachen
• Dämmposition — Beim 2-Rohr-System Dämmung einer einzelnen Leitung, beim 4-Rohr-System dampfdiffusionsdichte Dämmung an der Kaltleitung und eine abweichende Dicke an der Warmleitung, also zwei getrennte Details
• Bedarf an Höhe der abgehängten Decke — Beim 2-Rohr-System typischerweise 25–35 cm, beim 4-Rohr-System wegen der Rohrlage typischerweise 35–45 cm
• Risiko von Nutzerbeschwerden — Beim 2-Rohr-System in den Übergangszeiten gehäuft, beim 4-Rohr-System entfallen fassadenabhängige Beschwerden in der Praxis
• Energieverhalten — Beim 2-Rohr-System arbeitet eine Quelle, beim 4-Rohr-System arbeiten zwei Quellen parallel; dagegen wird beim 4-Rohr-System Verschwendung wie erst übermäßiges Kühlen und dann Heizen durch eine korrekte Verriegelung verhindert
• Inbetriebnahmedauer — Beim 2-Rohr-System kürzer, beim 4-Rohr-System wegen des getrennten Abgleichs zweier Kreise etwa das 1,5-Fache

Welche Lösung passt zu wem? Das klare Urteil: Entsteht im Gebäude gleichzeitig Heiz- und Kühlbedarf, wird 4-Rohr gewählt; hier beginnt die Diskussion, und hier endet sie. Entsteht kein gleichzeitiger Bedarf, bedeutet 4-Rohr unnötige Mengen und unnötigen Schacht. Bei Wohnblöcken mit einer Fassade ist 2-Rohr, bei Büros und Hotels mit tiefem Grundriss und hohem Wärmegewinn in der Innenzone 4-Rohr die richtige Entscheidung. Zum allgemeinen HLK-Rahmen, der die Systemwahl speist, siehe außerdem (Details: Was ist HVAC?)

2 Rohre plus elektrisches Heizregister bedeutet, in einem 2-Rohr-System auf der Ausblasseite des Geräts einen elektrischen Heizstab anzuordnen, um auch in der Kühlsaison lokal heizen zu können. Wenn die Zentrale auf Kühlung steht und ein nach Norden ausgerichteter oder gering belasteter Raum Wärme verlangt, schaltet sich der Heizstab zu. Die Rohrarchitektur bleibt 2-Rohr, eine dritte und vierte Leitung wird nicht gezogen.

Diese Lösung ist in einem bestimmten Rahmen sinnvoll. Es gibt drei Kriterien: Das elektrische Heizregister darf nur in wenigen Räumen vorhanden sein, es darf nur in den Übergangszeiten und kurzzeitig zugeschaltet werden, und seine Leistung muss nicht den gesamten Wärmeverlust des Raums decken, sondern nur den Ausgleichsanteil. Typischerweise genügen 0,5–2,0 kW Heizstab pro Gerät.

Die Falle ist, dass diese Lösung zur eigentlichen Heizmethode wird. Der Primärenergiewirkungsgrad beim Heizen mit Strom ist um ein Vielfaches niedriger als bei der Erzeugung derselben Wärme mit einer Wärmepumpe. Während eine Wärmepumpe mit einem COP von 3,5 aus 1 kWh Strom 3,5 kWh Wärme erzeugt, erzeugt der Heizstab 1 kWh. Ein Heizstab mit 2,0 kW kommt bei 4 Stunden Betrieb pro Tag in der Übergangssaison in 60 Tagen auf 480 kWh; dieselbe Wärme wird mit einer Wärmepumpe mit etwa 140 kWh gedeckt.

Auch die elektrische Infrastruktur wird leicht übersehen. Auf einer Etage mit 40 Geräten bedeuten 2 kW Heizstab pro Gerät allein schon 80 kW zusätzliche Anschlussleistung. Diese Last betrifft unmittelbar den Etagenverteiler, die Steigleitung und die Transformatorleistung; selbst bei einem Gleichzeitigkeitsfaktor von 0,5 müssen 40 kW zusätzliche Leistung eingerechnet werden. Beim Fan-Coil mit Heizstab sind eine Verriegelung zwischen Ventilator und Heizstab sowie ein thermischer Sicherheitsschalter zwingend; wird der Heizstab beim Stillstand des Ventilators nicht abgeschaltet, steigt die Gehäusetemperatur rasch an.

Die Entscheidungsregel lautet: Entsteht der Heizbedarf nur in einem kleinen Teil des Gebäudes und nur in einem kurzen Teil des Jahres, ist 2 Rohre plus elektrisches Heizregister mit geringeren Mengen und weniger Schacht als bei 4 Rohren eine akzeptable Lösung. Ist der Heizbedarf verbreitet und dauerhaft, wird 4-Rohr gewählt; das elektrische Heizregister ist dann keine Lösung, sondern eine Verschiebung des Problems. Zur Alternative mit Wärmepumpenerzeugung (Details: Wärmepumpen)

Die Leistungsauswahl beim Fan-Coil beginnt mit der Heizlastberechnung für den Raum und liefert zwei getrennte Zahlen: die sensible Kühllast und die gesamte Kühllast. Die sensible Last ist der Teil, der erforderlich ist, um die Lufttemperatur zu senken; die latente Last dagegen ist der Teil, der erforderlich ist, um die Feuchte in der Luft zu kondensieren. Die Gesamtlast ist die Summe aus beiden und der Wert, den das Register tatsächlich decken muss.

Das Verhältnis beider zueinander heißt sensibles Wärmeverhältnis. SHR gleich sensible Last geteilt durch Gesamtlast. Bei Büro- und Wohnanwendungen liegt der SHR-Wert von Fan-Coil-Registern bei einer Eintrittsluftbedingung von 27 °C Trockenkugeltemperatur und 19 °C Feuchtkugeltemperatur typischerweise im Bereich 0,70–0,78. Das heißt, ein Gerät mit 5,0 kW Gesamtkühlleistung liefert etwa 3,5–3,9 kW sensible Kühlleistung.

Hieraus entsteht ein häufiger Fehler. Die sensible Last des Raums wird mit 3,5 kW berechnet, aus dem Katalog wird ein Gerät mit der Angabe 3,5 kW gewählt; die 3,5 kW im Katalog sind jedoch die Gesamtleistung, und ihr sensibles Gegenstück beträgt nur etwa 2,5 kW. Dem Gerät fehlen 1,0 kW. Das richtige Vorgehen ist, in der Katalogtabelle die Zeile zu lesen, in der sensible und gesamte Leistung in getrennten Spalten angegeben sind, und die Auswahl anhand der sensiblen Last zu überprüfen.

Katalogwerte werden bei einer bestimmten Referenzbedingung angegeben: in der Regel Wasser 7/12 °C, Eintrittsluft 27 °C Trockenkugel- und 19 °C Feuchtkugeltemperatur, hohe Ventilatorstufe. Weicht das tatsächliche Projekt von dieser Bedingung ab, wird ein Korrekturfaktor angewendet. Liegt das Eintrittswasser bei 9 °C statt 7 °C, sinkt die Kühlleistung typischerweise um 10–15 Prozent. Soll der Ventilator in der mittleren Stufe laufen, sinkt der Luftvolumenstrom typischerweise um 20–25 Prozent und die Leistung um 12–18 Prozent. Die Auswahl muss in der tatsächlichen Stufe erfolgen, die im Betrieb genutzt wird.

Beispielrechnung: Großraumbüro mit 30 m², 6 Personen, 8 m² Fassadenverglasung, Beleuchtung und Ausstattung 45 W/m². Nach TS EN 12831 und der Raumlastberechnung seien als sensible Last 3,2 kW, als latente Last 0,9 kW und als Gesamtlast 4,1 kW ermittelt worden. SHR gleich 3,2 geteilt durch 4,1 gleich 0,78. Aus dem Katalog wird ein Gerät gewählt, das in der mittleren Ventilatorstufe insgesamt 4,3 kW und sensibel 3,3 kW liefert. Die Auswahl in der mittleren statt in der hohen Stufe schont das Schallbudget und lässt Reserve.

Die Heizseite wird zusätzlich überprüft. Mit Wasser von 45/40 °C fällt die Heizleistung desselben Geräts in der Regel um das 1,2- bis 1,5-Fache höher aus als die Kühlleistung; das genügt in den meisten Projekten. Bei einer Auslegung für Niedertemperaturheizung, zum Beispiel in einem Wärmepumpenkreis mit 40/35 °C, wird die Heizleistung jedoch gesondert geprüft. Zur Aufteilung bei Hybridkonzepten mit Fußbodenheizung (Details: Wie funktioniert eine Fußbodenheizung? Auswahl von Verteiler, Pumpe und Thermostat)

Als Eintrittswassertemperatur des Fan-Coils gelten beim Kühlen standardmäßig 7 °C Vorlauf und 12 °C Rücklauf, beim Heizen 45–55 °C Vorlauf. 7 °C liegen deutlich unter dem Taupunkt der Raumluft und ermöglichen die Feuchtekondensation an der Registeroberfläche; so findet die Entfeuchtung statt. Das ΔT von 5 K hält den Wasservolumenstrom vernünftig sowie Rohrdurchmesser und Pumpenenergie akzeptabel.

Der Wasservolumenstrom wird mit folgender Beziehung berechnet: Q gleich 1,163 mal V mal ΔT. Dabei sind Q in kW, V in m³/h und ΔT in K. Für ein Gerät mit 4,3 kW Gesamtkühlleistung ergibt sich bei 7/12 °C, also ΔT gleich 5 K: V gleich 4,3 geteilt durch (1,163 mal 5) gleich 0,74 m³/h, also sind etwa 740 l/h Wasservolumenstrom erforderlich.

Die Heizseite desselben Geräts: Bei 5,4 kW Heizleistung und 45/40 °C, also ΔT gleich 5 K, ergibt sich V gleich 5,4 geteilt durch (1,163 mal 5) gleich 0,93 m³/h, etwa 930 l/h. In einem 2-Rohr-System werden Kvs-Wert des Ventils und Abgleicheinstellung nach dem größeren dieser beiden Volumenströme vorgenommen; erfolgt dies nach dem kleineren, reicht der Volumenstrom in der Heizperiode nicht aus.

Beim Heizen dagegen wirkt die umgekehrte Richtung als Gewinn. Das Absenken des Heizwassers von 55 °C auf 45 °C steigert den Wirkungsgrad des Brennwertkessels und erhöht den COP-Wert der Wärmepumpe um etwa 0,4–0,6 Punkte. Im Gegenzug sinkt die Registerleistung; wird eine niedrige Temperatur angestrebt, wird das Gerät deshalb von vornherein für diese Bedingung gewählt. Zur Auswahl von Rohr und Armatur auf der Wasserseite (Details: Installationstechnik)

Die Berechnung des Luftvolumenstroms beim Fan-Coil erfolgt aus der sensiblen Kühllast und der Temperaturdifferenz zwischen Ausblas- und Ansaugluft. Die verwendete Beziehung lautet: Q_sensibel gleich 0,335 mal V mal ΔT. Dabei ist Q_sensibel in W, V der Luftvolumenstrom in m³/h und ΔT die Temperaturdifferenz zwischen Ansaug- und Ausblasluft in K. Der Beiwert ergibt sich aus Dichte und spezifischer Wärme der Luft.

Schritt-für-Schritt-Beispiel: sensible Last 3.300 W, Raumluft 26 °C, Ausblasluft 13 °C, also ΔT gleich 13 K. V gleich 3.300 geteilt durch (0,335 mal 13) gleich 3.300 geteilt durch 4,355 gleich 758 m³/h. Liefert das Gerät in der mittleren Stufe etwa 760 m³/h, passt die Auswahl. Die hohe Stufe eines Geräts mit diesem Wert liegt typischerweise bei etwa 950–1.000 m³/h und bleibt als Reserve bestehen.

Die Wahl von ΔT ist unter Komfortgesichtspunkten begrenzt. Sinkt die Ausblastemperatur unter 12 °C, erzeugt die aus dem Deckengitter austretende Luft ein Gefühl von Kaltluftzug; steigt sie über 16 °C, wächst der erforderliche Luftvolumenstrom rasch, und das Ventilatorgeräusch nimmt zu. Bei Deckenausblasung von Kassettengeräten liefert in der Praxis der Bereich 11–14 K, bei kanalisierten Unterdeckengeräten der Bereich 10–13 K das richtige Ergebnis.

Die Wahl der Ventilatorstufe ist eine Planungsentscheidung, keine Nutzerpräferenz. Wird das Gerät in der hohen Stufe ausgewählt, bleibt im Betrieb keine Reserve, und der Nutzer kann an einem heißen Tag die Leistung nicht erhöhen. Die Auswahl in der mittleren Stufe schont das Schallbudget und hält die hohe Stufe für die Spitzenlast bereit. Bei Geräten mit AC-Motor gibt es drei Stufen; bei Geräten mit EC-Motor entfällt diese Einschränkung, da sich der Volumenstrom stufenlos verändern lässt.

Die Antwort auf die Frage, wie viel dB(A) ein Fan-Coil macht, hängt von Ventilatorstufe, Gerätetyp und Messbedingung ab. Bei Messungen nach EN 1397 liefern Kassettengeräte in der niedrigen Stufe typischerweise 28–33 dB(A), in der mittleren Stufe 34–40 dB(A) und in der hohen Stufe 42–48 dB(A) Schalldruckpegel. Unterdeckengeräte können durch die Dämpfung von Kanal und Lüftungsgitter im Raum um 3–6 dB(A) leiser wahrgenommen werden.

Bevor man Katalogwerte vergleicht, muss man die Messbedingung lesen. Manche Hersteller geben den Schalldruck in einem Referenzraum bei 1,5 m Abstand und 100 m³ Volumen mit 8 dB Dämpfung an; andere veröffentlichen den Schallleistungspegel als LwA. Zwischen LwA und Lp liegen typischerweise 8–14 dB Unterschied. Die Kataloge zweier verschiedener Marken nebeneinanderzulegen, die eine mit Lw, die andere mit Lp, führt zu einem falschen Ergebnis.

Die Raumziele lauten wie folgt: für Schlafzimmer und Hotelzimmer NR 25–30, also etwa 30–35 dB(A); für Großraumbüros NR 35, etwa 40 dB(A); für Besprechungsräume NR 30, etwa 35 dB(A); für Ladengeschäfte und Restaurants NR 40–45. Der Wert des Geräts in der gewählten Stufe muss mindestens 3 dB(A) unter diesem Ziel liegen, da Kanal-, Lüftungsgitter- und Raumeinflüsse die Messung nach oben verschieben.

Der Zusammenhang zwischen Schall und statischem Druck folgt aus den Ventilatorgesetzen. Bei konstantem Volumenstrom erfordert eine Erhöhung des externen statischen Drucks eine höhere Ventilatordrehzahl, und der Schallleistungspegel steigt ungefähr mit der fünften Potenz der Drehzahl. Das praktische Ergebnis: Eine Erhöhung des Kanalwiderstands von 50 Pa auf 120 Pa bedeutet bei gleichem Volumenstrom typischerweise 4–7 dB(A) zusätzlichen Schall. Den Kanaldurchmesser um eine Größe zu vergrößern, ist günstiger und leiser, als das Gerät durch eines mit Hochdruckventilator zu ersetzen.

Bei der Auswahl eines kanalisierten Unterdeckengeräts ist der externe statische Druck der Druck, den das Gerät zur Überwindung des Kanalsystems bereitstellen muss, und er wird in Pa angegeben. Der Gesamtwiderstand setzt sich aus drei Posten zusammen: Reibung im geraden Kanal, Verluste in Formteilen und Bögen sowie Verluste in Endelementen. Druckverluste von Filter, Schalldämpfer und Lüftungsgitter werden gesondert hinzugerechnet.

Schritt-für-Schritt-Beispielrechnung: 18 m gerader verzinkter Kanal, Auslegungsreibung 0,8 Pa/m, ergibt 14,4 Pa. Vier Bögen mit 90 Grad, jeweils 4 Pa, ergeben 16 Pa. Zwei Klappen mit 6 Pa ergeben 12 Pa. Ausblasgitter 25 Pa, Ansauggitter 15 Pa. Zuschlag für verschmutzten Filter 25 Pa. Summe gleich 14,4 plus 16 plus 12 plus 25 plus 15 plus 25 gleich 107,4 Pa.

Auf diesen Wert wird ein Sicherheitszuschlag von 15 Prozent aufgeschlagen: 107,4 mal 1,15 gleich etwa 124 Pa. Das auszuwählende Gerät muss also beim angestrebten Luftvolumenstrom mindestens 124 Pa externen statischen Druck liefern können. Ein Gerät mit der Katalogangabe 120 Pa liegt an der Grenze; ein Gerät der Klasse 150 Pa ist die richtige Auswahl. Es ist wichtig, den Sicherheitszuschlag getrennt vom Zuschlag für die Filterverschmutzung zu halten, da beide unterschiedliche Unsicherheiten abdecken.

• Niederdruckventilator — 10–30 Pa externer statischer Druck, ohne Kanal oder kurzer Kanal bis höchstens 2–3 m, Kassettenanwendungen mit Plenumbox
• Mitteldruckventilator — 50–100 Pa externer statischer Druck, 8–15 m Kanal und 2–3 Lüftungsgitter für einen einzelnen Raum
• Hochdruckventilator — 120–200 Pa externer statischer Druck, Kanal über 15 m, Strecke mit Schalldämpfer, Filter der Klasse F7 oder Verteilung mit mehreren Lüftungsgittern
• Zuschlag für Filterverschmutzung — Für die Klasse G4 werden 20–30 Pa, für die Klasse F7 80–120 Pa zusätzlicher Widerstand veranschlagt
• Sicherheitszuschlag — 10–15 Prozent auf den berechneten Gesamtwiderstand; darüber hinaus zu gehen, dimensioniert den Ventilator unnötig groß und erhöht den Schall

Das Gefälle der Entwässerungsleitung beim Fan-Coil ist das kritischste Montagedetail, das dafür sorgt, dass das Kondensat dem Gerät per Schwerkraft entzogen wird. Das Mindestgefälle beträgt 1 Prozent, also 1 cm pro Meter; auf der Baustelle gilt als sicherer Wert 2 Prozent, also 2 cm pro Meter. Jede Stelle, an der das Gefälle verloren geht, bedeutet, dass sich dort Wasser sammelt und die Leitung mit der Zeit verstopft.

Die Kondensatmenge ist größer, als man annimmt. An einem feuchten Sommertag beträgt die latente Leistung eines Geräts mit 4 kW Gesamtleistung und 3 kW sensibler Leistung 1 kW. Da die Verdampfungswärme von Wasser etwa 2.450 kJ/kg beträgt, ergibt sich die je Stunde kondensierende Wassermasse zu 1 mal 3.600 geteilt durch 2.450 gleich etwa 1,47 kg/h, also etwa 1,5 Liter pro Stunde. An einem Tag mit zehn Betriebsstunden sind das 15 Liter; für ein einzelnes Gerät.

Die Kondensatwanne muss den Bereich unter dem Gerät vollständig abdecken und auch die Zone einschließen, in der das Register überläuft. Die Wanne muss gedämmt sein; an der Außenfläche einer ungedämmten Wanne bildet sich ebenfalls Kondensat, und die abgehängte Decke wird fleckig. Der Rohrdurchmesser darf nicht kleiner sein als der Geräteanschluss; typischerweise werden DN25–DN32 verwendet. Die Dämmung der Leitung ist zwingend, da ein nacktes Rohr, durch das Wasser mit 10–14 °C strömt, in der abgehängten Decke schwitzt.

Ein Siphon ist auf der Seite mit Unterdruck zwingend. Auf der Ansaugseite erzeugt der Ventilator in der Wanne ein Vakuum; ohne Siphon wird Luft aus der Wanne zurückgesaugt, das Wasser läuft nicht ab, und die Wanne läuft über. Faustregel für die Siphontiefe: Der statische Druck des Geräts wird in mmWS angesetzt und mit 25 mm aufgeschlagen. Da 100 Pa etwa 10 mmWS entsprechen, muss die Siphontiefe bei einem Gerät mit 100 Pa mindestens 35 mm betragen; auf der Baustelle werden 50 mm ausgeführt.

Am Ende der Leitung wird die Entwässerung nicht direkt an die Schmutzwasserleitung angeschlossen; es wird ein Anschluss mit Luftspalt oder eine separate Kondensatsammelleitung verwendet. Ein direkter Anschluss birgt das Risiko von Geruch und Rückfluss. Bei der Inbetriebnahme wird die Leitung getestet, indem 1–2 Liter Wasser in die Wanne gegossen werden; wenn das Wasser nicht innerhalb von 30 Sekunden abläuft, liegt ein Problem mit dem Gefälle oder eine Verstopfung vor, und es wird behoben, bevor die abgehängte Decke geschlossen wird.

Eine Entwässerungspumpe ist eine Entleerungspumpe mit kleiner Leistung, die zum Einsatz kommt, wenn das Kondensat nicht per Schwerkraft abgeführt werden kann. Für die Notwendigkeit gibt es nur ein Kriterium: Gibt es zwischen Geräteausgang und Sammelleitung einen Höhenunterschied, der 1 Prozent Gefälle ermöglicht? Wenn nicht, ist eine Pumpe erforderlich. Dieser Fall tritt häufig bei Umbauprojekten mit einem Hohlraum der abgehängten Decke von unter 20 cm und bei Geräten im Kellergeschoss auf.

Die Auswahl erfolgt anhand zweier Werte: Volumenstrom und Förderhöhe. Der Volumenstrom wird mindestens 2-mal so groß gewählt wie die aus der latenten Leistung des Geräts berechnete Kondensatmenge. Im obigen Beispiel mit 1,5 l/h erscheinen zwar 3 l/h ausreichend, doch handelsübliche Mini-Entwässerungspumpen haben ohnehin eine Leistung von 10–20 l/h; entscheidend ist die Förderhöhe. Typische Mini-Pumpen fördern 8–15 m, Pumpen mit Behälter 4–6 m.

Ein Sicherheitskontakt ist zwingend. Fällt die Entwässerungspumpe aus oder steigt der Pegel, muss der Alarmkontakt an der Pumpe das Fan-Coil-Ventil schließen oder das Gerät stoppen. Wird diese Verriegelung nicht eingerichtet, läuft das Gerät weiter, Kondensat sammelt sich an, und die abgehängte Decke stürzt ein. Ein wesentlicher Teil der Wasserschäden, die wir vor Ort sehen, stammt von Geräten, die eine Pumpe haben, deren Alarmkontakt aber nicht angeschlossen ist.

Am Pumpenausgang müssen ein Rückflussverhinderer und am höchsten Punkt der Leitung ein Entlüftungsdetail vorhanden sein. Das Pumpenausgangsrohr steigt zuerst senkrecht an und führt dann mit 1–2 Prozent Gefälle in die Sammelleitung. Die Länge des steigenden Teils darf 70 Prozent der Förderhöhe der gewählten Pumpe nicht überschreiten. Zur allgemeinen Auswahllogik von Entwässerungs- und Entleerungspumpen (Details: Auswahl von Entwässerungspumpen)

Die Antwort auf die Frage, wie ein Fan-Coil-Thermostat angeschlossen wird, hat drei Bestandteile: Das Thermostat misst die Raumtemperatur, steuert die Ventilatorstufe und betätigt das Motorventil am Register. Das gängigste Konzept ist, dass das Thermostat über seinen Ein-/Aus-Ausgang einen thermischen oder motorischen Ventilantrieb mit 230 V ansteuert und über getrennte Ausgänge eine der drei Stufen des Ventilators wählt.

Wichtig ist, ein für Fan-Coils hergestelltes Thermostat zu verwenden. Siemens RDG100 und Siemens RDF340 sind Raumthermostate, die mit Ausgängen für Ventilatorstufen, Heiz-/Kühl-Umschaltung sowie 2-Rohr- und 4-Rohr-Modus für die Fan-Coil-Anwendung ausgelegt sind. Ein Standard-Thermostat für Kombithermen liefert lediglich einen einzigen potentialfreien Kontakt; Ventilatorstufenverwaltung und Betriebsartumschaltung kann es nicht leisten. Zum Vergleich von Raumthermostaten (Details: Welcher ist der beste Raumthermostat? Danfoss, Siemens, Resideo und ECA im Vergleich)

Die Ventilauswahl ist eine hydraulische Entscheidung. Schließt ein 2-Wege-Ventil, kommt der Volumenstrom durch den Kreis zum Stillstand; das System wird zum System mit variablem Volumenstrom, und die Pumpe spart Energie, indem sie den Volumenstrom per Frequenzumrichter absenkt. Schließt ein 3-Wege-Ventil, umgeht das Wasser das Register und fließt über die Bypassleitung weiter; das System bleibt ein System mit konstantem Volumenstrom, und die Pumpe läuft weiter mit demselben Volumenstrom.

• 2-Wege-Ventil — System mit variablem Volumenstrom, deutliche Einsparung bei der Pumpenenergie, Pumpe mit Frequenzumrichter zwingend, Differenzdruckregelung erforderlich
• 3-Wege-Ventil — System mit konstantem Volumenstrom, hydraulischer Ausgleich einfach, keine Einsparung bei der Pumpenenergie, Bypassleitung und Abgleichelement erforderlich
• Druckunabhängiges Regelventil — Lösung vom Typ Danfoss AB-QM; Volumenstrombegrenzung und Regelung in einem Gehäuse, der Abgleich gerät bei Laständerung nicht aus dem Lot
• Thermischer Stellantrieb — Leise, günstig, Auf-/Zu-Zeit 2–4 Minuten, nur Ein-/Aus-Regelung; in kleinen Wohnanwendungen ausreichend
• Motorischer modulierender Stellantrieb — 0–10 V oder 3-Punkt-Regelung, kann in Teilöffnung arbeiten, senkt die Schwankung der Raumtemperatur auf unter 1 K

Beim 2-Wege-Konzept mit variablem Volumenstrom muss auch die Pumpe passend gewählt werden. Elektronisch geregelte Umwälzpumpen wie Grundfos MAGNA3 und Wilo Stratos MAXO senken, wenn die Ventile schließen, im Betrieb mit konstantem oder variablem Differenzdruck die Drehzahl und verringern so den Verbrauch. Die Kombination aus einer Pumpe mit konstanter Drehzahl und 2-Wege-Ventil erhöht, wenn die Ventile schließen, den Leitungsdruck und erzeugt Ventilgeräusche. Zum Vergleich der Stellantriebstypen (Details: Danfoss, Siemens oder Belimo? Motorventile und Stellantriebe im Vergleich)

Beim 4-Rohr-Konzept gibt es zwei Ventile und zwei Ausgänge; das Thermostat muss so verriegelt sein, dass es nicht gleichzeitig das Heiz- und das Kühlventil öffnet. Ohne Verriegelung heizt das Gerät mit dem einen Register und kühlt gleichzeitig mit dem anderen und verschwendet beide Quellen auf einmal. Zu Einzelheiten der Entscheidung über Anzahl und Typ der Ventile (Details: 2-Wege-Ventil oder 3-Wege-Ventil? Welches wird wo eingesetzt?)

Ein Fan-Coil mit EC-Motor ist ein Gerät mit einem permanentmagneterregten, elektronisch kommutierten Gleichstrommotor; ein Gerät mit AC-Motor dagegen verwendet einen klassischen Asynchronmotor mit Wicklung und verändert die Drehzahl über einen Stufentransformator. Der Unterschied konzentriert sich auf zwei Stellen: Motorwirkungsgrad und Verhalten im Teillastbetrieb. Ein EC-Motor arbeitet bei Volllast typischerweise mit 70–85 Prozent Wirkungsgrad, während kleine AC-Motoren im Bereich 25–40 Prozent bleiben.

Der eigentliche Verlust des AC-Motors tritt beim Herunterschalten der Stufe auf. Wird die Drehzahl über den Stufentransformator abgesenkt, sinkt zwar der Volumenstrom, aber auch der Motorwirkungsgrad; in der unteren Stufe nimmt die Leistungsaufnahme des Motors nicht proportional ab. Beim EC-Motor dagegen wird die Drehzahl unmittelbar elektronisch eingestellt, und es gilt das Ventilatorgesetz: Die Leistung ändert sich mit der dritten Potenz der Drehzahl. Eine Drehzahlreduzierung um 20 Prozent senkt die Leistung um etwa 49 Prozent.

• Typische Leistung in der mittleren Stufe, Gerät der Klasse 800 m³/h — AC-Motor etwa 85–100 W, EC-Motor etwa 30–40 W
• Typische Leistung in der niedrigen Stufe — AC-Motor etwa 55–70 W, EC-Motor etwa 12–18 W
• Anzahl der Stufen — Beim AC-Motor 3 feste Stufen, beim EC-Motor stufenlose Einstellung von 0–100
• Verhalten im Teillastbetrieb — Beim AC-Motor sinkt der Wirkungsgrad, beim EC-Motor nimmt die Leistung wegen des Ventilatorgesetzes mit der dritten Potenz der Drehzahl ab
• Schall — Bei gleichem Volumenstrom ist das Gerät mit EC-Motor typischerweise 2–4 dB(A) leiser; bei niedrigen Drehzahlen steigt der Unterschied auf 6 dB(A)
• Regelung — Beim AC-Motor Stufenwahl über Relais, beim EC-Motor stufenlose Regelung über 0–10 V oder Modbus und Einbindung in die Automation
• Investitionsposten — Das Gerät mit EC-Motor hat höhere Gehäusekosten; der Gewinn fließt über den Betriebsstrom zurück

Die Berechnung der Einsparung erfolgt Schritt für Schritt. Angenommen, auf einer Bürofläche mit 40 Geräten laufen die Geräte 2.500 Stunden pro Jahr in der mittleren Stufe. Bei einem AC-Motor mit 90 W beträgt der Jahresverbrauch pro Gerät 90 mal 2.500 geteilt durch 1.000 gleich 225 kWh. Bei einem EC-Motor mit 35 W sind es 35 mal 2.500 geteilt durch 1.000 gleich 87,5 kWh. Der Unterschied pro Gerät beträgt 137,5 kWh/Jahr.

Etagensumme: 137,5 mal 40 gleich 5.500 kWh/Jahr. Hinzu kommt der indirekte Gewinn auf der Registerseite: Weil der EC-Motor weniger Motorwärme in den Raum abgibt, sinkt auch die Kühllast ein Stück, typischerweise um etwa 80 Prozent der Differenz der Motorleistung. Das bedeutet jährlich einige hundert kWh weniger Verbrauch des Kaltwassersatzes. Zum Ansatz der Energieeffizienz im Gesamtsystem (Details: Energieeffizienz in mechanischen Anlagen)

Das klare Urteil: Liegt die Gerätezahl über 20 und überschreitet die tägliche Betriebszeit 6 Stunden, wird ein Fan-Coil mit EC-Motor gewählt. Bei geringer Gerätezahl, kurzer Betriebszeit und ohne Anforderung an die Einbindung in die Automation ist ein AC-Motor akzeptabel. In jedem Projekt, das an die Automation angebunden wird, ist ein EC-Motor in der Praxis zwingend, da ohne stufenlose Volumenstromregelung keine raumbezogene Optimierung möglich ist.

Die Antwort auf die Frage, wie der Filter eines Fan-Coils gewartet wird, ist einfach, betrifft aber den am häufigsten vernachlässigten Wartungsposten: Der Filter wird aus dem Gerät genommen, der grobe Staub wird im Freien ausgeschüttelt, der Filter wird mit lauwarmem Wasser und neutralem Reinigungsmittel gewaschen und nach vollständigem Trocknen wieder eingesetzt. Ein nasser Filter wird niemals eingesetzt; Feuchtigkeit löst auf dem Register mikrobiologisches Wachstum aus.

Das Intervall richtet sich nach der Verschmutzung des Raums. In Büros und Wohnungen wird alle 3 Monate, in Restaurants und Ladengeschäften einmal im Monat, in Werkstätten und Industrieräumen alle 2 Wochen kontrolliert. Standard-Fan-Coil-Filter gehören in der Regel zur Klasse G3 oder G4; wird eine höhere Filtration gewünscht, muss der statische Druck des Geräts entsprechend gewählt werden, da ein F7-Filter 80–120 Pa zusätzlichen Widerstand mitbringt.

Die Kosten eines verschmutzten Filters sind messbar. Ein verstopfter Filter senkt den Luftvolumenstrom um 20–30 Prozent; sinkt der Volumenstrom, verringert sich die Registerleistung um 15–25 Prozent, und der Raum hält die Solltemperatur nicht. Der Nutzer stellt das Thermostat auf einen niedrigeren Wert, das Gerät läuft dauerhaft, und sowohl der Stromverbrauch als auch der Verbrauch des Kaltwassersatzes steigen.

Neben dem Filter gibt es zwei weitere Wartungsposten. Die Registerlamellen werden einmal im Jahr mit Druckluft oder Wasser mit niedrigem Druck gereinigt; verbogene Lamellen werden mit dem Lamellenkamm gerichtet. Kondensatwanne und Entwässerungsleitung werden vor jeder Kühlsaison kontrolliert, der Biofilm in der Wanne wird entfernt, und die Leitung wird getestet, indem Wasser eingegossen wird. Werden diese beiden Arbeiten nicht ausgeführt, stellt die Filterwartung allein die Leistung nicht wieder her.

Auch auf der Wasserseite gibt es eine jährliche Kontrolle: Das Sieb des Schmutzfängers an den Registeranschlüssen wird gereinigt, und durch Öffnen der Entlüftungsschraube wird das Register entlüftet. Verbleibt Luft im Register, sinkt die Leistung, und aus dem Gerät sind Wasserströmungsgeräusche zu hören. Zu Wartungsprogramm und Praxis der Inbetriebnahme können Sie sich unseren Rahmen aus Produkten und Service ansehen. (Details: Heizung)

Fan-Coil, VRF und Split-Systeme beantworten denselben Bedarf mit drei verschiedenen Architekturen. Der Fan-Coil transportiert die Wärme mit Wasser; VRF transportiert sie mit Kältemittel; Split dagegen richtet für jeden Raum einen eigenständigen Kältemittelkreis ein. Die Auswahl richtet sich nach Gebäudegröße, dem Bedarf an gleichzeitigem Heizen und Kühlen, der vorhandenen Wärmequelle und der Wartungsorganisation.

VRF-Systeme, zum Beispiel die Baureihe Mitsubishi Electric City Multi, können im Konzept mit Wärmerückgewinnung gleichzeitig einen Raum heizen und einen anderen kühlen, und zwar mit einem einzigen Außengerät. Im Teillastbetrieb ist ihr Wirkungsgrad hoch, und sie machen Posten wie Wasserrohr, Pumpe und Ausdehnungsgefäß überflüssig. Dagegen befindet sich in den Räumen Kältemittel, und die Grenze für die Kältemittelmenge je Volumen muss berechnet werden.

Das klare Urteil: In Gebäuden mit zentraler Wassererzeugung, mit mehr als 20 Räumen und gleichzeitigem Heiz- und Kühlbedarf ist der 4-Rohr-Fan-Coil die richtige Wahl; in mittelgroßen Bürogebäuden ohne zentrale Wassererzeugung VRF; an Orten mit weniger als 10 Räumen und verstreuter Nutzung Split. Zum Vergleich des Produktangebots der Marken (Details: unsere Markenseite)