Hauptinhalt:
Betonkerntemperierung
Inhalt
- Prinzip Betonkerntemperierung
- Wärmesenken / Wärmequellen
- Systemvarianten
- Planungsaspekte
- Energieeffizienz
- Kosten und Wirtschaftlichkeit
- Komfort
- Fazit
- Weitere Informationen
Diese Analyse geht auf folgende Fragen ein: Wie flexibel bleibt bei dem Einsatz von Betonkerntemperierung die Nutzung dieser Gebäude? Wie energieeffizient sind die thermisch trägen Flächenkühl- und –heizsysteme? Unter welchen Voraussetzungen ist das Konzept wirtschaftlich anwendbar? Welches Komfortniveau wird tatsächlich erreicht? Die Analyse bezieht sich hierbei auf eine wissenschaftliche Untersuchung verschiedener EnBau-Modellprojekte, bei denen die Gebäude-Performance jeweils im realen Gebäudebetrieb in einem mehrjährigen Monitoring detailliert ausgewertet wurde.
1. Prinzip Betonkerntemperierung
Ganz gleich, ob es zu warm oder zu kalt ist – mit konventioneller Raumklimatechnik muss jeweils aktiv gegengesteuert, d. h. gekühlt oder geheizt werden. Nicht so bei der Betonkerntemperierung: Hier wird die Gebäudestruktur dazu genutzt, thermische Energie zu speichern, um sie bei Bedarf wieder freizusetzen.
Die Geschossdecken werden mit Wärme- oder Kälteenergie beladen, indem warmes oder kaltes Wasser durch die im Bauteil integrierten Rohrregister zirkuliert (Abb. 1). Der Wasserstrom gibt bei der Durchströmung des Rohrsystems je nach Wassertemperatur Heiz- oder Kühlleistung an die Decke ab und erwärmt bzw. kühlt diese. Die im Betonkern eingelagerte Wärme oder Kälte wird über mehrere Stunden an den Raum abgegeben – zu 60% über Strahlung und zu 40% über Konvektion.
Die große, Wärme übertragende Fläche der Decke ermöglicht es, bei bereits geringen Über- bzw. Untertemperaturen nennenswerte Leistungen an den Raum abzugeben (Abb. 4). Mit diesem System werden selbst die vergleichsweise geringen Temperaturdifferenzen natürlicher Wärmesenken (Sommer) bzw. Wärmequellen (Winter) gegenüber der Raumtemperatur effektiv genutzt: Erdreich, Grundwasser, Außenluft.
2. Wärmesenken / Wärmequellen
Es kommen je nach den örtlichen Gegebenheiten unterschiedliche Wärmesenken in Frage:
# Erdsonden
Übliche Wärmesenken sind Erdsonden, die in ein 50 bis 100 m tiefes Bohrloch eingelassen werden.
# Energiepfähle
Das sind Gründungspfähle von Gebäuden, die als Erdwärmesonden genutzt werden.
# Bodenplatte
Auch über eine geeignete Verrohrung der Bodenplatte kann in bestimmtem Umfang Wärme an das Erdreich abgeführt werden.
# Rückkühlwerk
Wärme kann auch über ein Rückkühlwerk an die Außenluft abgegeben werden. Hierfür sind Trocken- und Nasskühltürme geeignet. Im Unterschied zum Erdreich kommt hier die Außenluft im Winter nicht als Wärmequelle in Frage.
3. Systemvarianten
Die Betonkernaktivierung ist in erster Linie dazu geeignet im Sommer Wärmelasten abzuführen (Kühlung, keine Entfeuchtung). Im Winter kann mit dem System auch geheizt werden, dies gilt insbesondere für Gebäude mit sehr niedrigem Wärmebedarf. Hier gibt es jedoch Einschränkungen bezüglich der Regelbarkeit. Aus wirtschaftlichen Gründen lohnt sich die Betonkernaktivierung nur, wenn damit auch gekühlt werden soll.
Die Betonkernaktivierung kann in verschiedenen Konfigurationen eingesetzt werden:
A) als reine Bauteilkühlung, die mit einem konventionellen Heizsystem kombiniert wird, ergänzt mit einer natürlichen oder mechanischen Lüftung.
B) die Betonkerntemperierung kann die alleinige Heiz- und Kühlfläche im Raum bzw. im Gebäude sein, sofern die Kühl- und Wärmelasten entsprechend begrenzt werden.
C) Die Betonkernaktivierung temperiert, d. h. sie übernimmt die Grundlast beim Heizen und Kühlen, wird jedoch um Zusatzsysteme ergänzt, die eine individuelle und bedarfsgerechte Temperaturregelung ermöglichen.
4. Planungsaspekte
# Planungstools
Für die Konzeptphase gibt es zwar Planungshandbücher und einfache Auslegungshilfsmittel – doch die thermische Gebäude- und Anlagensimulation ist das wichtigste Planungsinstrument. Die für die Auslegung von Kühldecken und Fußbodenheizungen bekannten Rechenverfahren, hydraulische Schaltungen und Regelungskonzepte sind für die Dimensionierung und den Betrieb der Betonkerntemperierung aufgrund deren Trägheit nicht ausreichend. Auf Basis der Lastverläufe für Heizung und Kühlung erhält man die notwendigen Vor- und Rücklauftemperaturen und die Gesamtmassenströme an den Hauptverteilern. Parallel dazu wird erzeugungsseitig die Wärmesenke/Wärmequelle, die Anlagenhydraulik und ein einfaches Regelkonzept kalkuliert. Schließlich können mit der Simulation die Energiebilanz und der Energieverbrauch des Gebäudes in Zusammenspiel mit der Wärmesenke/Wärmequelle für unterschiedliche Varianten bzw. spezielle Planungsentscheidungen bewertet und optimiert werden.
# Regelung
Zur Regelung und Betriebsführung des Systems müssen eindeutige Vorgaben für die gesamte Gebäudetechnik gemacht werden – dies umfasst viele Bereiche der Gebäudetechnik vom Sonnenschutz bis zur Pumpensteuerung.
# Ergänzende Systeme
Kann die Wärme im Sommer in einzelnen Räumen nicht abgeführt werden, sind ergänzende Maßnahmen, wie zum Beispiel schnell reagierende und dezentral regelbare Kühlsegel erforderlich.
# Nutzerkomfort
Mit der Betonkerntemperierung können die bislang üblichen Erwartungen an eine Klimaanlage nur mit Einschränkungen erfüllt werden. Bauherr, ggf. Nutzer und Planer müssen die Anforderungen an den thermischen Komfort klar definieren. Dazu liefert die aktuelle Normung (prEN 15251 oder ASHRAE 55) entsprechende Kriterien (vgl. Abb. 10).
# Zonierung
Das Gebäude kann in Zonen unterteilt werden (Abb. 2), um verschiedene Bereiche je nach Anforderung temperieren zu können. Die Zonen werden nach Orientierung, Geschoss, Nutzung oder Fassadenkonzeption eingerichtet und je nach Bedarf mit unterschiedlichen Vorlauftemperaturen und zu verschiedenen Beladezeiten versorgt. Aufgrund dieser Festlegungen sind die Grundrisse bei einem späteren Umbau nur eingeschränkt veränderbar.
# Freie Deckenoberflächen
Abgehängte Decken oder Deckenverkleidungen mindern sowohl die Wärmeübertragung per Konvektion als auch den direkten Strahlungsaustausch deutlich und sind daher nicht mit der Betonkerntemperierung zu vereinbaren. Es werden möglichst freie Deckenoberflächen (Sichtbeton) benötigt. Weil unverkleidete Betondecken akustisch „hart“ sind, muss auf die Nachhallzeit geachtet werden – meist sind Schall absorbierende Konstruktionen notwendig.
# Kühlleistung und Taupunkt
Nach oben ist die Kühlleistung durch den Taupunkt der Raumlufttemperatur begrenzt, da sich andernfalls Tauwasser an der Decke bildet. Der Taupunkt liegt bei etwa 15°C für 26°C Raumlufttemperatur und 50% relative Luftfeuchte. Daher muss vor allem der Eintrag solarer Lasten durch einen wirksamen Sonnenschutz gemindert werden. Aufgrund der relativ „hohen“ Vorlauftemperaturen natürlicher Wärmesenken ist eine Unterschreitung des Taupunktes fast nie gegeben.
# Leckagen
Die Verlegung der eigentlichen Betonkerntemperierung erfolgt in der Regel nach dem Einbringen der unteren Bewehrungslage. Zur Vermeidung von Leckagen während der Bauausführung werden nach der Verlegung der oberen Bewehrungslage die erste Sichtabnahme und die Druckprüfung des Rohrleitungssystems durchgeführt. Nach dem Betoniervorgang erfolgt eine zweite Sichtabnahme und Druckprüfung. Sollten Leckagen festgestellt wird die defekte Stelle mit Fittingen verpresst.
In Abhängigkeit von der Höhenlage des Rohrleitungssystems in der Betondecke muss die Bohrtiefe für die Befestigung von Innenausbauten (Trennwände, Beleuchtung, etc.) begrenzt werden.
5. Energieeffizienz
Pro: Weil natürliche, regenerative Wärmequellen und Wärmesenken genutzt werden, mit geringen Temperaturdifferenzen zur Außentemperatur, handelt es sich um Niedrig-Exergie-Systeme, die grundsätzlich mit deutlich geringerem Primärenergieaufwand zum Kühlen und unter bestimmten Voraussetzungen auch zum energieeffizienten Heizen eingesetzt werden können. Der thermische Speicher kann zudem über einen längeren Zeitraum und auch nachts beladen werden, was eine hohe Effizienz des Niedrig-Exergie-Systems garantiert. Zudem ist der Hilfsenergieeinsatz für die Wärme- und Kälteverteilung bei wassergeführten Systemen geringer als bei luftgeführten Systemen. Eine Energiebilanz zeigt beispielhaft Abb. 9.
Contra: Aufgrund der thermischen Trägheit des Systems kann es zu Verlusten in der Wärmeverteilung kommen. Da der benötigte Wärme- bzw. Kältebedarf eines Raumes nicht exakt vorhersehbar ist, kommt es systembedingt zu Ladereserven und damit zu einem erhöhten Energieeinsatz. Die Betonkerntemperierung sollte also mit einem geeigneten Speichermanagement kombiniert werden, damit möglichst wenig Wärme unnötig im den Decken verpufft und eine Überhitzung oder Unterkühlung der Räume vermieden wird.
6. Kosten und Wirtschaftlichkeit
Die Investitionskosten für die Betonkernaktivierung liegen bei günstigen 40 bis 50 Euro pro Quadratmeter. Allerdings werden aufgrund der geringen Temperaturdifferenzen große Flächen benötigt, so dass die auf die Leistung bezogenen Kosten mit etwa 1 bis 1,50 Euro pro Watt oft höher liegen als beispielsweise bei dem Einsatz von Kühlsegeln. Der Einsatz von Betonkerntemperierung ist also nicht immer die kostengünstigste Lösung. Besonders kostengünstig ist die Betonkerntemperierung als alleiniges System für Heizen und Kühlen. Der Effekt wird noch gesteigert dadurch, dass in dem Falle das Lüftungssystem auf das hygienisch erforderliche Maß reduziert wird, was i. A. kleinere Kanalquerschnitte erlaubt mit daraus resultierenden Kosten- und Energieeinsparungen.
Energiekosten: Aufgrund des geringen Energieaufwands (s. o.) sind die Energiekosten gering. Eine verbrauchsabhängige Verteilung der Kosten für Heizen und Kühlen ist nur bei größeren Mietparteien mit einer geeigneten Zonierung analog der Büroaufteilung möglich, wobei die Grundrisse dann nicht mehr verändert werden können. Die Zonierung ist sprichwörtlich in Beton gegossen.
7. Komfort
In Kombination mit natürlichen Wärmesenken liegen die Vorlauftemperaturen bei minimal 18°C und maximal 29°C, sodass die Deckenoberflächentemperaturen nahe an der Raumtemperatur liegen – beim Gebäude Energon in Ulm z. B. bewegten sich die Deckenoberflächentemperaturen in 2005 innerhalb eines Temperaturbands von 20,5 bis 25,0°C (Abb. 6+7). Aufgrund der geringen Strahlungsasymmetrie ist das Raumklima voll im Behaglichkeitsbereich.
Die detaillierten Auswertungen zu den Gebäuden Energon in Ulm (Abb. 5) und BOB in Aachen (Abb. 8) zeigen, dass durch Kühlung mit Betonkerntemperierung die geforderten Raumtemperaturen unter Berücksichtigung des Nutzerverhaltens (fast) immer eingehalten werden können – eine konsequente Reduzierung solarer und interner Wärmelasten vorausgesetzt. Auch im Winter kann die Betonkerntemperierung den thermischen Komfort ohne zusätzliche statische Heizflächen in diesen Gebäuden gewährleisten (Abb. 10).
Da die Lüftung in Zusammenhang mit einer Betonkerntemperierung nur eine hygienische und keine konditionierende Aufgabe übernimmt, kann die Luftmenge auf den hygienisch bedingten Mindestluftwechsel begrenzt werden. Die aus dem reduzierten Luftvolumenstrom resultierenden geringen Luftgeschwindigkeiten und die Geräuschreduktion erhöhen ebenfalls den Komfort.
8. Fazit
Der Verzicht auf aktives Kühlen im Sommer zu Gunsten der passiven Kühlung ist nur möglich, wenn Gebäude sorgfältig geplant werden, so dass Architektur, Baukonstruktion, Nutzeranforderungen und Gebäudetechnik in einem integralen Gesamtkonzept aufeinander abgestimmt werden.
Die Betonkerntemperierung wird häufig eingesetzt, um in Gebäuden mit erhöhten (internen) Wärmelasten das Raumklima im Sommer mit regenerativer Kälte deutlich zu verbessern. Das System ist zudem auch für das Heizen geeignet, unter bestimmten Voraussetzungen auch als alleiniges Heizsystem, allerdings können dann die Raumtemperaturen nur sehr bedingt individuell geregelt und die Heizkosten nicht ohne Weiteres auf verschiedene Nutzungseinheiten aufgeschlüsselt werden. Die Betonkerntemperierung ist für die Sanierung nicht geeignet. Für Gebäude ohne Kühlungsbedarf gibt es – speziell für Gebäude mit sehr gutem Wärmeschutz – deutlich preiswertere Heizsysteme.
9. Weitere Informationen
- Betonkerntemperierung – Fakten auf einen Blick (2 Seiten, PDF, 38 kB)
- BINE-Themen-Info I/2007 „Thermoaktive Bauteilsysteme"
- Buch „Bürogebäude mit Zukunft“, Verlag Solarpraxis, 2. Auflage 2006
- Bernd Glück: Wird die Bauteilaktivierung kaputt aktiviert? In CCI Nr. 13/2000
- Bernd Glück: RAL Gütesicherung für Systeme der Thermischen Bauteilaktivierung. In HLH Nr. 5/2004
