Thermische Bauteilaktivierung

Es gibt eine Fülle von unterschiedlichen Begriffen, die letztendlich alle das gleiche meinen.

• Betonkernaktivierung

• Thermische Bauteilaktivierung

• Thermodecke/Kühldecke

• Bauteilkonditionierung

Während richtig dimensionierte Klimasysteme es ermöglichen, bei unterschiedlichen Umgebungs- und Raumzuständen, die Raumtemperaturen innerhalb gewisser Zeiten in Behaglichkeitsgrenzen zu halten, ist dies im allgemeinen mit einer Bauteilaktivierung allein nicht möglich.

Bei der Bauteilaktivierung wird die wärmetechnische Speicherfähigkeit eines Bauteils genutzt, insbesondere um Kühllasten aufzunehmen, zu speichern, zu verschieben oder gleich oder später wieder an Rückkühleinrichtungen abzugeben. In umgekehrter Weise kann auch eine Grundwärmelast zugeführt werden, wodurch zusätzliche Heizeinrichtungen erheblich kleiner dimensioniert werden können. Zu diesem Zweck werden in der Regel bereits bei der Herstellung des Bauteils entsprechende Rohrregister mit eingebaut, durch die später Wasser für den Wärmetransport fließt.

Die Speicherfähigkeit wird vom Bauteil selbst und seiner Lage im Gebäude einerseits und den Temperaturbedingungen und Grenzen andererseits bestimmt. Die Lage der Rohre, deren Durchmesser und Abstände, bestimmen in Verbindung mit dem Massenstrom und den Temperaturen den Wärmestrom im Bauteil. Die Decken eines Gebäudes haben die größte Bedeutung, da hier die Installation der Rohrregister am Einfachsten ist.

Bauteilaktivierung wird überwiegend in großen Objekten angewendet. Die Hauptaufgabe liegt im Entzug überschüssiger Wärme, die von Personen, Geräten, Beleuchtung und unvermeidbarer Sonneneinstrahlung abgegeben wird. Diese Wärme lässt die Raumtemperatur über die Behaglichkeitsgrenzen ansteigen und schränkt die Arbeitsleistung bei den Mitarbeitern ein.

Verordnungen und das aktuelle Energie-Einsparungsgesetz bewirken eine stark verbesserte Wärmedämmung an der Gebäudehülle. Fremdwärme lässt die Raumtemperaturen schnell ansteigen. Dies wirkt sich besonders bei modernen Büro- und Verwaltungsgebäuden aus. Hier fällt die zu den Betriebszeiten auftretende innere Erwärmung mit den durch die Verglasung eintretenden äußeren Wärmelasten fast deckungsgleich zusammen.

Der damit verbundene Anstieg der Raumtemperaturen bedeutet für Personen eine Beeinträchtigung ihres Wohlbefindens und eine Reduzierung ihrer Leistungsfähigkeit. Eine darauf abgestellte sinnvolle Planung von Gebäude und Anlagentechnik ist heutzutage unerlässlich. Durch Berechnungen ist zunächst festzustellen, welche maximalen Wärmemengen zu welchen Zeiten anfallen. Dann sind Konzepte zu prüfen, welche Wärmemengen bei sinnvoller Investition abgeführt werden können und welche Auswirkungen dies auf den Verlauf der Innentemperaturen und die Behaglichkeit hat. Gegebenenfalls sind zusätzliche Einrichtungen erforderlich, die über die Möglichkeiten einer thermischen Bauteilaktivierung hinaus den jeweiligen Lastspitzen Rechnung tragen.

Es ist ferner zu prüfen, in wieweit raumbedingt unterschiedliche Wärmemengen anfallen, die eine Aufteilung der Rohrregister in bestimmte Zonen und ggfs. sogar unterschiedliche Regelkonzepte erfordern. Darüber hinaus ist sicherzustellen, dass der Heiz- und Kühlbetrieb, unter Einbezug der wärmetechnischen Trägheiten der Bauteile, so geregelt wird, dass keine Überschneidungen der Betriebszustände auftreten und somit keine Energie verloren geht.

Aktivspeichersysteme eignen sich insbesondere zur winterlichen Grundheizung bzw. sommerlichen Grundkühlung. Die Einhaltung bestimmter Raumtemperaturen kann in der Regel nicht garantiert werden. Dabei hat sich herausgestellt, dass Personen eher im Sommer eine Temperaturüberschreitung hinnehmen als eine unzureichende Wärmeversorgung im Winter.

Eine thermische Bauteilaktivierung, die im Sommer eine Grundkühlung und im Winter eine Grundheizung übernimmt, vermag bei angemessener Investition einen erheblichen Beitrag zur Senkung der jährlichen Energiekosten zu leisten. Unterstützende Systeme können kleiner und somit ebenfalls kostengünstiger ausfallen.

• Tätigkeit
• Kleidung
• Lufttemperatur
• Temperaturen der Umfassungsflächen
• Luftfeuchte
• Luftgeschwindigkeit

Sehr gebräuchlich sind zentrale oder dezentrale Klimaanlagen. Diese führen mit mehr oder weniger starker Strömungsgeschwindigkeit punktuell oder über ein geeignetes Verteilsystem kühle Luft zu.

Für das Behaglichkeitsempfinden sind die Lufttemperatur, die Temperaturen der Raumumfassungsflächen und die Luftgeschwindigkeit von besonderer Bedeutung. Will man eine Klimaanlage mit einer Luftgeschwindigkeit von 0,2m/s betreiben, dann ist bereits eine operative Temperatur von fast 25 °C erforderlich, um sich behaglich zu fühlen. 

Hier liegt die Chance für eine thermische Bauteilaktivierung. Über die eingebauten Rohrregister kann bestimmten Bauteilen Wärme entzogen aber auch Verschiebungen zu anderen Bauteilen sind ebenso möglich, wie Wärmeabfuhr ins Erdreich oder über Kühleinrichtungen, die z.B. nachts, bei niedrigeren Außentemperaturen, die Bauteile rückkühlen.

• den Oberflächentemperaturen

• den Strahlungseigenschaften der Oberflächen (Emissionsgrad und Reflexionsgrad)

• der gegenseitigen Lage der Flächen (Formfaktor und Oberflächenfaktor)

Der Wärmeübergang durch Konvektion wird von folgenden Faktoren bestimmt:

• Temperaturdifferenz zwischen Bauteiloberfläche und Raumluft

• Anströmgeschwindigkeit der Luft

• Art der Strömung (laminar, turbulent)

• Wärmestromrichtung (horizontal, vertikal nach oben, vertikal nach unten etc.)

• Oberflächenbeschaffenheit (Rauigkeit)

• Geometrie und Abmessungen des Bauteils

Für den Wärmeaustausch zwischen Wärmequelle und umschließenden Bauteilen kann mit einem kombinierten Wärmeübergangskoeffizienten a für Strahlung und Konvektion gerechnet werden. Bei horizontalen oder vertikal nach oben gerichteten Wärmeströmen beträgt dieser kombinierte Koeffizient 7 bis 8 W/(m²K); in runden Zahlen beträgt der Wärmeübergang zwischen Raumluft und Bauteil durch Konvektion 1,0 bis 3 W/(m²K), jener durch Strahlung zwischen Wärmequelle und Bauteil 5,5 W/(m²K). Das ergibt bei einem typischen Temperaturunterschied zwischen Bauteiloberfläche und Raumluft von 6 K einen (kombinierten) Wärmeübergang von rund 50 W/m². Diese Verhältnisse sind bei einer Bauteiloberflächentemperatur von 19 °C und einer Raumlufttemperatur von 25 °C gegeben. 

Wirkt eine Wärmeleistung von 50 W/m² während 24 Vollbetriebsstunden der Bauteilkonditionierung, so ergibt sich eine Wärmemenge von 1,2 kWh/m², die pro Tag abgeführt werden kann. Viele Planer verwenden einen kombinierten Wärmeübergangskoeffizienten von 11 W/m² K, wobei sie je 5,5 W/(m² .K) der Strahlung und der Konvektion zuordnen. Dieser Wert ist auch in den Protokollen einer Gruppe von Experten der Bauteilkonditionierung enthalten. 

Die Rohrregister weisen eine Fläche von 12 - 15 m² auf. Die Rohrabstände betragen 15 - 20 cm, die Durchmesser 20x2 mm. Der Massenstrom liegt bei 10 - 12 kg/(m² h). Eine darüber hinausgehende Erhöhung ist nicht wirtschaftlich. Es ist ferner zu berücksichtigen, dass eine Verdoppelung des Massenstromes eine Vervierfachung der Pumpenenergie bewirkt und zusätzliche Kosten für ein größer dimensioniertes Rohrnetz anfallen.

Folgende Betriebszustände können auftreten:

Massenstrom zu gering

Folge: Die Wassertemperatur bleibt ab einer bestimmten Rohrlänge konstant und ein Teil der Aktivierung bleibt ungenutzt.

Massenstrom optimal

Folge: Die zur Verfügung stehende Fläche wird optimal für den Wärmetausch genutzt und die Wassertemperatur liegt beim Rücklauf im Bereich der Umgebungstemperatur. 

Massenstrom zu hoch

Folge: Die Wassertemperatur liegt beim Rücklauf über (Bodenplatte) bzw. unter (Decke) der Umgebungstemperatur. Diese vereinfachte Betrachtung kann aber so nicht für das erstellte Modell übernommen werden. Da die Massenströme im System unter Umständen nicht gleich sind, kann nur für einzelne Bauteile eine Beurteilung getroffen werden.

Die Wärme-/Kühlleistung des Systems oder Teile davon hängt neben der Bauart und der Ausbildung der Rohrregister im Besonderen von den zugelassenen bzw. zulässigen Temperaturen ab. Für die Behaglichkeit sind dies die zu erwartenden Oberflächentemperaturen der Bauteile. Bei der Kühlung unter Umständen die zulässigen Kühlwassertemperaturen, bei denen in Verbindung mit der relativen Feuchte und der Temperatur der Luft sowohl am Bauteil, als auch am Rohrregister und dessen Zuleitungen keine Kondensatbildung auftreten darf.

Während zur Sommerzeit nur gekühlt wird, kann zu allen anderen Jahreszeiten sowohl ein Mischbetrieb oder im Winter ein reiner Heizbetrieb erforderlich sein.

Nach Möglichkeit möchte man die Rohrregister in der neutralen Zone, der Mitte einer Decke, anordnen. Unten und oben liegen die in der Statik festgelegten Bewehrungen in Form von Betonstahlmatten oder Eisenstäben, dazwischen Abstandshalter. Für die Befestigung der Rohrregister eignet sich in der Regel nur die Unterbewehrung, es sei denn, für die Befestigung sind zusätzliche Bauteile geplant. Die Oberbewehrung scheidet aus, weil die Rohre dann zu weit oben liegen und möglicherweise kaum mehr vom Beton überdeckt werden. Außerdem liegen sie dort an der wärmetechnisch ungünstigsten Stelle.  

Die Befestigung der Rohre auf der Unterbewehrung erfolgt häufig mit Kabelbindern der Elektriker. Es können aber auch Rohrbefestigungsschienen an der unteren Bewehrung befestigt werden. Sehr wichtig ist, dass die Rohre beim Einbau des Betons nicht aus ihrer Befestigung gerissen werden und dann aufschwimmen.

In der Arbeitsfolge muss der Betonbauer also immer zuerst die Unterbewehrung verlegt haben, bevor die Haustechnik mit der Rohrverlegung beginnen kann. Dieser Umstand hat dazu geführt, dass häufig mit bereits vorgefertigten Registern gearbeitet wird. Die Rohre werden bereits werkseitig nach Plan auf Stahlmatten befestigt und zur Baustelle geliefert. Das hat den Vorteil, dass ein ganzer Stapel vorgefertigter Register mit dem Baukran an der passenden Stelle abgelegt werden kann. Die Verteilung geht dann recht schnell.

Diese vorgefertigten Einheiten liegen dann zunächst miteinander verbunden auf der Unterbewehrung. Anschlüsse zu den Sammelleitungen werden im Pressverfahren hergestellt. Sobald eine gewisse Fläche ausgelegt ist, kann dort bereits mit dem Auflegen der Oberbewehrung begonnen werden. Der Betonbauer kann sofort weiterarbeiten.

Zuletzt wird die Rohrregisterebene von oben her mit Haken angehoben und in der vorgesehenen Höhenlage an der Oberbewehrung abgehängt. Das gesamte System wird gefüllt, abgedrückt. Während der Betonierarbeiten wird der Druck ständig überwacht.

Besonders interessant sind hier die Decken aus Massivbeton. Die Wärmespeicherkapazität von Beton beträgt bei einer Rohdichte von 2400 kg/m³ ca. 0,244Wh/(kgK). Somit kann eine 25cm dicke Betondecke bei einer Temperaturerhöhung von 1 K ca. 146,4 W/m² speichern. Die gesamte Speicherkapazität der Decke wird natürlich von den jeweils im Raum und in der Decke augenblicklich vorhandenen Temperaturen bestimmt.

Beträgt z.B. die Kühllast des Raumes z.B. 25 W/m², so kann sie sechs Stunden lang an die Betondecke abgeführt werden, wobei die Temperatur der Decke sich dann um nur 1 K erhöht. Wird die gespeicherte Wärme, z.B. nachts, wieder abgegeben und die Betontemperatur um 2 K gesenkt, so kann am Folgetag sogar die gesamte anfallende Kühllast wieder aufgenommen werden. Die Oberflächentemperatur der Decke sollte nicht unter 20 °C absinken, um im Falle eines Außentemperatursturzes eine Unterkühlung der Räume zu vermeiden.

Die im Kühlfall über die Betonkernaktivierung entzogene Wärme muss abgeführt werden.

Dies kann geschehen:

• zeitgleich

• intermittierend

• zeitlich versetzt (z.B. nachts)

Die günstigste Methode ist im Wesentlichen vom Anlagenkonzept und seiner Leistungsfähigkeit abhängig. Dabei spielt auch der Energieverbrauch der Pumpen und die damit anfallenden Kosten eine große Rolle.

Wärme kann abgeführt werden über:

• einen von Grundwasser durchströmten Wärmetauscher

• Rohrregister im Erdreich (Erdreichkollektor, Grabenkollektor, Slincy-Coils)

• Energiepfähle (Rohre in Fundamentpfählen)

• Erdwärmesonden (Rohre in Tiefenbohrungen 70 - 350 m)

• Energiekörbe (bis ca. 3 m)

• Wasser-Kühler mit Außenluft

Welches System zur Anwendung kommt ist auch hier wiederum von vielen Faktoren abhängig

• Genehmigungspflichten

• Geologischen Verhältnissen

• Zur Verfügung stehenden Flächen

• Nur kühlen oder auch heizen

Die wichtigste Entscheidung dürfte die Frage sein „nur kühlen oder auch heizen“. Somit ist zunächst der zeitliche Heizwärmebedarf des Gebäudes zu ermitteln und der Anteil zu berechnen, der über die Betonkernaktivierung abgedeckt werden kann.

Ferner ist zu ermitteln, ob sich bei geringer Vorlauftemperatur noch weitere Energie, z.B. für die Lüftung, einbringen lässt. Als Heizgerät bietet sich hier eine Wärmepumpe an, die auf der Verdampferseite ihre Energie aus dem Erdreich bezieht. Sie arbeitet besonders wirtschaftlich, da bei korrekter Planung im Erdreich ganzjährig Temperaturen von ca. 10 °C zu erwarten sind und die für eine Beheizung durch Betonkernaktivierung erforderlichen Temperaturen nur bis ca. 30 °C betragen müssen.

Es gibt aber auch einfachere Ansätze zur Regelung, die nur auf wenigen Parametern beruhen und deshalb noch recht überschaubar bleiben. Von besonderer Bedeutung ist der große Selbstregeleffekt. Ein Anstieg der Raumtemperatur führt im Kühlbetrieb automatisch zu einer größeren Wärmeabgabe an die großen kühlenden Flächen.

Eine raumweise Regelung der Raumtemperatur ist wegen der großen Trägheit über die Betonkernaktivierung nicht zu erzielen. Es lassen sich jedoch weiter Einrichtungen integrieren, so dass dies möglich wird. Wird zur Kühlung kaltes Wasser durch die Rohre geleitet, so kann sich bei zu niedriger Temperatur an der Oberfläche der Rohrleitungen Kondenswasser bilden.

Das ist grundsätzlich zu vermeiden und hat höchste Priorität. Sich bildendes Kondenswasser kann nicht nur von Rohrleitungen herabtropfen, sondern sich auch innerhalb der Verlegeebene der Rohre bilden und zunächst unbemerkt Bauwerksschäden verursachen.

Um dies zu vermeiden sind zu messen und zu regeln:

• Kühlwassertemperatur

• Umgebungstemperatur

• Relative Luftfeuchtigkeit der Umgebungstemperatur

Geht man von einer Raumtemperatur von 20°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 60 % aus, so müsste man zur Vermeidung von Kondenswasserbildung die Kühlwassertemperatur bereits oberhalb von 18 °C halten. Eine weit verbreitete Methode ist unter anderem die Überwachung der Kondensatbildung durch geeignete Fühler, die an bestimmten Referenzpunkten an der Rohroberfläche, z.B. einer Zuleitung, angebracht sind und bei Überschreiten einer örtlichen relativen Feuchte von ca. 80 % direkt auf die Regelung der Kühlwassertemperatur einwirken.

Die Referenzpunkte sind sehr sorgfältig auszuwählen. Maßgebend ist stets der ungünstigste Raum, in der Regel immer der mit der höchsten auftretenden Feuchte. In Räumen, die naturgemäß hohe Luftfeuchte aufweisen, wie Küchen, Bäder, sollte man generell auf Flächenkühlung verzichten.

Neben den zu erwartenden inneren Wärmelasten, den Einbezug von Wetterdaten, das Heiz-, Kühl- oder Klimatisierungskonzept, das Nutzerverhalten, die Baukonstruktion, sowie Temperaturgrenzen, gibt es noch eine Vielzahl weiterer wichtiger Systemparameter, die zu beachten sind.

• Rohrabstand

• Rohrdurchmesser

• Lage der Rohrregister im Bauteil (Verlegetiefe)

• Rohrkreislänge

• Strömungsgeschwindigkeit

• Vor-/Rücklauftemperatur

• Regelung

Diese Auflistung zeigt, dass selbst bei einer bereits festgelegten Konstruktion so viele Parameter existieren, dass eine Berechnung des dynamischen Betriebszustandes, insbesondere der zu erwartenden Temperaturverläufe in den Räumen, ohne eine umfangreiche computergestützte Berechnung, kaum möglich sein wird. Typische Simulationsprogramme für die Gebäudesimulation sind das DOE 2.1 E aus USA bzw. das TRENSYS Programm.

Soll Überschusswärme über Erdsonden oder Energiepfähle an das Erdreich abgeführt oder mittels Wärmepumpe wieder entzogen werden, ist eine Berechnung derzu erwartenden Temperaturverläufe und Energiemengen ohne ein Simulationsprogramm wie EEG (Earth Energy Designer) kaum möglich.

Vielfach werden sogar zunächst Probebohrungen angelegt und Messungen durchgeführt. Die Kosten einer präzisen Simulationsrechnung sind nicht unerheblich. Deshalb stellt sich auch die Frage, ob nicht sogar vereinfachte Simulationen bereits genügen.

Oft reicht es auch aus, nur die Spitzenbelastung durchzurechnen, um Aussagen über die max. zu erwartenden Raumtemperaturen machen zu können. Ein großer Vorteil der thermischen Bauteilaktivierung liegt u.a. in ihrem großen Selbstregeleffekt. Die ausgeführten Bauvorhaben und die inzwischen vorliegenden Betriebserfahrungen haben gezeigt, dass thermische Bauteilaktivierung im Vergleich zur reinen Klimaanlage ein vorzügliches und preiswertes System ohne nennenswerte Folgekosten ist.

• Gute Wärmedämmung

• Wärmedurchgangskoeffizienten der Fenster < 1,2 W/(m²K) 

• Heizlast: 20 - 30 W/m²

• Kühllast: 30 - 40 W/m²

• Außenliegender Sonnenschutz

Auch Wasser, das zur Kühlung in Produktionsprozessen verwendet wird, hat häufig Temperaturen von 30 °C und mehr. Während es bislang in Kühltürmen oder mit Kältemaschinen zurückgekühlt wird, ließe sich zumindest ein Teil dieser sonst verlorenen Energie für die Temperierung von Bauteilen verwenden. Selbst der direkte Einsatz von Sonnenkollektoren oder Wärmepumpen ist wegen der geringen Temperaturen besonders wirtschaftlich.

Das muss erfahrungsgemäß recht schnell gehen, da die Baufirma bis zur Beendigung der Rohrinstallation zunächst nicht weiterarbeiten kann. Deshalb wird häufig die Rohrverlegung bereits werkseitig auf Betonstahlmatten vorgenommen. Sie werden dann mit dem Baukran an die entsprechende Stelle gehoben, so dass dann nur noch die belegten Matten aneinander gelegt und untereinander bzw. mit den Zuleitungen verbunden werden müssen.

Nach Verlegung der Oberbewehrung werden die Rohrträgermatten von oben her mit Haken auf die vorgesehene Höhenlage gehoben und mit Haken oder speziellen Befestigungsmitteln an der Oberbewehrung abgehängt.

Die Sammelleitungen können unter Beachtung von Material und Ausdehnung unter gewissen Umständen auch direkt mit in den Beton eingegossen werden. Dazu werden in der Regel gleich große Rohrkreise mit gleich großer Belastung gebildet und im „Tichelmann-System“ angeschlossen. Sie sind gegen Aufschwimmen zu sichern und die Lage ist mit dem Statiker abzustimmen.

Eine weitere bewährte Methode besteht darin, die Zuleitungen möglichst in Flurbereichen unterhalb der Decke zu verlegen. Somit müssen die Rohrenden der einzelnen Register aus der Decke heraus nach unten geführt werden, von wo aus sie an die frei liegende Sammelleitung angeschlossen werden können und später zugänglich bleiben.

In der Praxis werden dazu spezielle Formstücke montiert oder Styroporblöcke von ca. 10x10x75 cm in Längsrichtung durchbohrt und an der entsprechenden Stelle auf der Deckenschalung befestigt. Das oder die Rohrende(n) werden hindurchgeschoben und zur Deckenoberseite hochgeführt. In diesem Zustand lassen sich die Kreise mit Wasser füllen und abdrücken.

Nach Fertigstellung der Betondecke werden die nach oben herausstehenden Rohrenden einfach abgeschnitten. Von der Unterseite her kann man nun den Styroporklotz aufschneiden und die Rohre nach unten herausführen. Die einbetonierten, nach oben führenden Rohrstücke verbleiben im Beton und lassen sich ggfs. noch als Durchführung für Kabel benutzen.

Sofern die Register unterschiedliche Längen aufweisen und unterschiedlich belastet sind, lassen sich an den Anschlussstellen zur Sammelleitung gleich entsprechende Drosselarmaturen einbauen.