Theoretische Untersuchungen zur thermischen Bauteilaktivierung
©2001
Diplomarbeit
145 Seiten
Zusammenfassung
Inhaltsangabe:Einleitung:
Entwicklung der Flächentemperierungssysteme:
Geschichte:
Das erste Flächentemperierungssystem stammt nachweislich von dem Römer Caius Sergius Orata ca. 100 v. Chr.. In der von ihm überlieferten Hypokaustenheizung leitete er die Rauchgase eines Feuers, dessen Feuerraum sich am Rand des Fundamentbereiches befand, durch einen Doppelboden und führte sie dann durch die in der Wand integrierten rechteckigen Ton-Rauchgasabzüge ab. Durch die Wärmeabgabe der Rauchgase an die Fußbodenplatte und somit an den darüberliegenden Raum wurde eine gute Heizwirkung erzielt.
Damit war die erste Flächenheizung geschaffen. Diese wies jedoch gravierende Mängel auf. Auf Grund der fehlenden modernen Rohrtechnik war es nicht möglich eine annährend gleichmäßige Wärmeverteilung zu realisieren. Die Durchlässigkeit der verwendeten Baustoffe und Bautechniken für Rauchgase und die damit verbundenen Rauchbelästigungen der im Raum befindlichen Personen sowie die hohe Kohlenmonoxid-Konzentration im Gebäude, verhinderten wahrscheinlich, dass sich diese Art der Beheizung durchsetzen konnte. Mit dem Untergang des Römischen Reiches geriet diese Technik weitgehend in Vergessenheit.
In der Folgezeit entwickelte man verschiedene weitergehende Systeme die aber durch fehlende Rohrtechniken und Pumpentechniken weiter auf das Medium Luft als Wärmeträger angewiesen waren und somit mit den gleichen Problemen zu kämpfen hatten. Beispielhaft sind hier die Kanalheizung, die Steinofenheizung ab dem 12. Jahrhundert und ab dem 18. Jahrhundert die Rauchröhrenheizung und Luftheizung aufzuführen.
Neue wissenschaftliche Erkenntnisse und die durch den technischen Fortschritt gegebenen neuen Möglichkeiten zu Beginn des 20. Jahrhunderts, eröffneten auch der Heizungsbranche den Weg zu Entwicklungen, die den Komfort in Bürogebäuden weiter verbesserten. 1907 meldet der Londoner Ingenieur A.H. Barker die erste Deckenheizung, die aus in der Betondecke integrierten Stahlrohrregistern bestand, zum Patent an. Durch die Hypokaustenheizung der Römer inspiriert, gilt er als der eigentliche Erfinder der wasserdurchströmten Aktivspeichersysteme. Er erschloss die Nutzung der Gebäudemasse als kostenloses Speichersystem. Schon ein Jahr später wurde die erste Geschossdeckenheizung nach diesem System durch die Firma Richard Crittall & Co. Ltd. in England ausgeführt. Das unter dem Namen Crittall-Decke bekannt gewordene System wird von 1925 an auch außerhalb Englands installiert. So wird […]
Entwicklung der Flächentemperierungssysteme:
Geschichte:
Das erste Flächentemperierungssystem stammt nachweislich von dem Römer Caius Sergius Orata ca. 100 v. Chr.. In der von ihm überlieferten Hypokaustenheizung leitete er die Rauchgase eines Feuers, dessen Feuerraum sich am Rand des Fundamentbereiches befand, durch einen Doppelboden und führte sie dann durch die in der Wand integrierten rechteckigen Ton-Rauchgasabzüge ab. Durch die Wärmeabgabe der Rauchgase an die Fußbodenplatte und somit an den darüberliegenden Raum wurde eine gute Heizwirkung erzielt.
Damit war die erste Flächenheizung geschaffen. Diese wies jedoch gravierende Mängel auf. Auf Grund der fehlenden modernen Rohrtechnik war es nicht möglich eine annährend gleichmäßige Wärmeverteilung zu realisieren. Die Durchlässigkeit der verwendeten Baustoffe und Bautechniken für Rauchgase und die damit verbundenen Rauchbelästigungen der im Raum befindlichen Personen sowie die hohe Kohlenmonoxid-Konzentration im Gebäude, verhinderten wahrscheinlich, dass sich diese Art der Beheizung durchsetzen konnte. Mit dem Untergang des Römischen Reiches geriet diese Technik weitgehend in Vergessenheit.
In der Folgezeit entwickelte man verschiedene weitergehende Systeme die aber durch fehlende Rohrtechniken und Pumpentechniken weiter auf das Medium Luft als Wärmeträger angewiesen waren und somit mit den gleichen Problemen zu kämpfen hatten. Beispielhaft sind hier die Kanalheizung, die Steinofenheizung ab dem 12. Jahrhundert und ab dem 18. Jahrhundert die Rauchröhrenheizung und Luftheizung aufzuführen.
Neue wissenschaftliche Erkenntnisse und die durch den technischen Fortschritt gegebenen neuen Möglichkeiten zu Beginn des 20. Jahrhunderts, eröffneten auch der Heizungsbranche den Weg zu Entwicklungen, die den Komfort in Bürogebäuden weiter verbesserten. 1907 meldet der Londoner Ingenieur A.H. Barker die erste Deckenheizung, die aus in der Betondecke integrierten Stahlrohrregistern bestand, zum Patent an. Durch die Hypokaustenheizung der Römer inspiriert, gilt er als der eigentliche Erfinder der wasserdurchströmten Aktivspeichersysteme. Er erschloss die Nutzung der Gebäudemasse als kostenloses Speichersystem. Schon ein Jahr später wurde die erste Geschossdeckenheizung nach diesem System durch die Firma Richard Crittall & Co. Ltd. in England ausgeführt. Das unter dem Namen Crittall-Decke bekannt gewordene System wird von 1925 an auch außerhalb Englands installiert. So wird […]
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
Heiko Humpal
Theoretische Untersuchungen zur thermischen Bauteilaktivierung
ISBN: 978-3-8366-3424-3
Herstellung: Diplomica® Verlag GmbH, Hamburg, 2009
Zugl. Fachhochschule für Technik und Wirtschaft Berlin, Berlin, Deutschland,
Diplomarbeit, 2001
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Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
... VI
Tabellenverzeichnis
... VII
Diagrammverzeichnis
... IX
1.
Einführung ... 1
1.1
Entwicklung der Flächentemperierungssysteme ... 1
1.1.1 Geschichte
... 1
1.1.2.
Schritte zur Betonkerntemperierung ... 3
1.2.
Die moderne Betonkerntemperierung ... 9
1.2.1. Aufbau
... 9
1.2.2. Wirkungsweise
... 10
1.2.3. Betriebsweise
... 13
1.2.4.
Integration in der Gebäudekonzeption ... 14
2.
Bewertung der Bauteiltemperierung und Vergleich
mit anderen Systemen ...
15
2.1.
Allgemeine Bewertung ... 15
2.2.
Vorteile gegenüber konventioneller Klimatechnik ... 17
2.3.
Vergleich der Bauteilaktivierung mit den Kühldeckensystemen ... 21
2.4. Anwendungsgebiete
der Bauteiltemperierung ... 26
3.
Bewertung der Literaturveröffentlichungen zum Umgang mit der
thermischen Bauteilaktivierung ...
30
3.1.
Auslegung und Berechnung ... 31
3.2. Anwendungsgebiete
... 33
3.3.
Der nötige Akzeptanzwillen ... 34
3.4.
Einsatz zur Abdeckung von Grundlasten ... 35
3.5.
Fensterlüftung contra Lüftungsanlage ... 36
3.6.
Leistungsausbeute und Strahlungsasymmetrie ... 37
3.7.
Zonierung / Randzonen ... 39
3.8.
Verzicht auf Heizkörper ... 39
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IV
3.9.
Zonierung von Gebäudebereichen ... 40
3.10.
Wärmetransfer zwischen Gebäudeteilen ... 40
3.11.
Der Speicher ... 41
3.12. Simulation
... 42
3.13. Regelung
... 43
3.14. Betriebsweise
... 44
3.15. Raumakustik
... 45
3.16. Widersprüche
... 46
3.17. Planungsrisiko
... 47
3.18.
Umweltdenken und Rückkühlungsmöglichkeiten ... 48
3.19.
Zusammenfassung der Literaturrecherche ... 49
4.
Thermodynamische Grundmechanismen der Wärmeübertragung
an und in thermisch aktivierten Bauteilen ...
52
4.1.
Die Flächenheizung / -kühlung ... 52
4.2.
Die drei Wege der Wärmeübertragung ... 53
4.2.1. Der
Wärmedurchgangskoeffizient k ... 53
4.2.2.
Die Wärmeleitfähigkeit
... 55
4.2.3.
Wärmeübertragung durch Wärmeleitung ... 56
4.2.4.
Wärmeübertragung durch Konvektion ... 57
4.2.4.1. Freie Konvektion an den Bauteilen ... 59
4.2.4.2. Erzwungene Konvektion an den Bauteilen ... 60
4.2.4.3. Der Grenzschichtprozess ... 63
4.2.5.
Wärmeübergang durch Strahlung ... 64
4.2.6.
Der kombinierte Wärmeübergangskoeffizient ... 67
5.
Thermodynamische Vorgänge im Bauteil ... 69
5.1.
Stationäres Verhalten von thermisch aktivierten Bauteilen
[Kühlfallbetrachtung] ...
70
5.1.1.
Randbedingungen / Ausgangswerte der Beispielrechnungen ... 74
5.1.2.
Darstellung und Diskussion der Ergebnisse der stationären
Berechnungen ...
75
5.1.2.1. Untersuchung der Temperaturverteilung in x-Richtung
(Rohrebene) des Bauteiles ...
75
5.1.2.2. Untersuchung der Temperaturverteilung in y-Richtung des Bauteiles ... 78
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5.1.2.3. Oberflächentemperaturen und Kühlleistung ... 81
5.1.2.4. Speicherwärme ... 87
5.1.2.5. Wärmeleitfähigkeit des Rohrmaterials ... 88
5.1.2.6. Einfluss der Wassergeschwindigkeit ... 90
5.1.2.7. Lage der Rohrregister im Bauteil ... 93
5.1.2.8. Auswirkungen von Boden- und Deckenbelägen ... 97
5.2. Dynamisches
Verhalten
von thermisch aktivierten Bauteilen ... 102
5.3.
Vergleich der Rohrregister ... 104
5.3.1.
Normalrohr oder Kapillarrohr ... 108
5.3.1.1. Das Kunststoff Kapillarrohr (PP-Rohr) ... 108
5.3.1.2. Das Kunststoff-Normalrohr (PE-X-Rohr) ... 109
6.
Thermodynamische Vorgänge im Raum ... 111
6.1.
Die Wärmequellen ... 112
6.1.1.
Innere Wärmequellen ... 113
6.1.2.
Äußere Wärmequellen ... 115
6.2.
Luft- und Raumtemperaturverlauf ... 117
6.2.1. Temperaturverlauf
im
Raum ... 117
6.2.2.
Anstieg der Luft- und Raumtemperatur ... 120
6.2.3. Kühlleistungsgrenze
... 123
6.3. Simulationsberechnung
... 124
6.3.1.
Darstellung eines typischen
realen Verlaufes der Lufttemperatur und
der operativen Raumtemperatur in betonkerntemperierten Räumen ...
125
7.
Entscheidungsbaum für den Planungsprozess ... 127
8.
Zusammenfassung ... 128
9.
Literaturverzeichnis ... 133
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VI
Abbildungsverzeichnis
1.1
Schematische Darstellung der Hypokaustenheizung ... 1
1.2
Aufbau der thermisch aktivierten Geschossdecke ... 9
1.3
Schematische Darstellung eines thermisch aktivierten Gebäudes ... 10
1.4 Grafische Darstellung von Heiz- und Kühlfall ... 11
4.1 Schematische Darstellung des Wärmeüberganges
an einer thermisch aktivierten Geschossdecke ...
58
4.2 Kombinierter Wärmeübergangskoeffizient an den Bauteilflächen ... 68
5.1
Darstellung der thermisch aktivierten Geschossdecke ... 70
6.1 Schematische Darstellung der inneren und äußeren Lasten ... 111
6.2 Schematische Darstellung des äußeren Lasteinfalles ... 116
6.3
Qualitative Darstellung des Temperaturverlaufes im Raum ... 118
6.4 Qualitativer
Temperaturverlauf ... 119
7.1 Entscheidungsbaum zur Überprüfung eines möglichen
Einsatzes der Betonkerntemperierung ...
127
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VII
Tabellenverzeichnis
2.1
Bewertung der Eigenschaften der Bauteiltemperierung
und der konventionellen Klimaanlage ...
20
2.2
Übersicht über die Vor- und Nachteile der
Bauteilaktivierung und der Kühldecke ...
24
2.3
Bewertung der Eigenschaften der Bauteiltemperierung
und der Kühldecke ...
25
2.4
Übersicht über die Anwendungsgebiete der Bauteilaktivierung ... 29
4.1 Wärmeleitfähigkeit von ausgesuchten Baustoffen ... 55
4.2 Konvektive
Wärmeübergangskoeffizienten an den Bauteilen ... 60
4.3 Strahlungszahl,
Absorptionsgrad und Emissionsgrad
verschiedener Stoffoberflächen ...
66
4.4 Kombinierter
Wärmeübergangskoeffizient nach Wärmestromrichtung ... 68
5.1
Ermittlung der theoretisch im Bauteil speicherbaren negativen
Wärmemenge ...
71
5.2
Temperaturverteilung in der Geschossdecke beim Einsatz eines
Normalrohrregisters mit einem Rohrabstand von l = 300 mm ...
80
5.3 Temperaturverteilung in der Geschossdecke beim Einsatz eines
Kapillarrohrregisters mit einem Rohrabstand von l = 20 mm ...
81
5.4
Wärmeübergangskoeffizienten an den Bauteiloberflächen ... 85
5.5
Rohroberfläche der Rohrregister ... 85
5.6
Lage der Rohrregister im Bauteil ... 94
5.7
Leistungsverhalten der thermisch aktivierten Geschossdecke
bei verschiedenen Decken- bzw. Fußbodenaufbauten ...
99
5.8 Ladevorgangszeit
... 103
5.9 Rohrregistervarianten
... 104
5.10 Vor- und Nachteile von Normalrohr und Kapillarrohr ... 110
6.1 Wärmeabgabe des Menschen in Abhängigkeit der Tätigkeit ... 113
6.2
Strahlungs- und Konvektionsanteile verschiedener Wärmequellen ... 114
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VIII
6.3
Leistungsabgabe, Wärmeabgabe und konvektiver Anteil
für einige typische Bürogeräte im aktiven Betrieb ...
114
6.4 Richtwerte für Strahlungs- und Konvektionsanteile
von äußeren Wärmequellen ...
116
6.5
Ermittlung der Kühllasten unter Berücksichtigung
des Wärmeabgabeverhaltens der Quellen ...
122
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IX
Diagrammverzeichnis
4.1 Darstellung der Reynoldszahl in Abhängigkeit der
Wassergeschwindigkeit ...
62
4.2 Darstellung des Wärmeübergangskoeffizienten in
Abhängigkeit der Wassergeschwindigkeit ...
63
5.1 Temperaturwelligkeit
in der Rohrebene (l = 300 mm) ... 76
5.2 Temperaturwelligkeit
in der Rohrebene (l = 200 mm) ... 76
5.3 Temperaturwelligkeit
in der Rohrebene (l = 150 mm) ... 76
5.4 Temperaturwelligkeit
in der Rohrebene (l = 100 mm) ... 76
5.5 Temperaturwelligkeit
in
der Rohrebene (l = 40 mm) ... 77
5.6 Temperaturwelligkeit
in
der Rohrebene (l = 30 mm) ... 77
5.7 Temperaturwelligkeit
in
der Rohrebene (l = 20 mm) ... 77
5.8 Temperaturwelligkeit in der Rohrebene in
Abhängigkeit des Rohrabstandes ...
78
5.9
Temperaturverlauf in der y-Richtung der Geschossdecke über einem
Normalrohr (d=20 x 2 mm) bei verschiedenen Rohrabständen ...
79
5.10 Temperaturverlauf in der y-Richtung der Geschossdecke über einem
Kapillarrohr (d=4,3 x 0,9 mm) bei verschiedenen Rohrabständen ...
79
5.11 Mittlere
Bauteiloberflächentemperaturen in
Abhängigkeit des Rohrabstandes ...
82
5.12 Stationäre
Gesamtkühlleistung in Abhängigkeit des Rohrabstandes ... 83
5.13 Stationäre Kühlleistung der Decke und des Fußbodens
in Abhängigkeit des Rohrabstandes ...
83
5.14 Wärmeübergangskoeffizient
an den Bauteiloberflächen
in Abhängigkeit des Rohrabstandes ...
84
5.15 Kühlleistung in Abhängigkeit der installierten Rohroberfläche ... 86
5.16 Negative Speicherwärmemenge im Bauteil in
Abhängigkeit des Rohrabstandes ...
87
5.17 Negative Speicherwärme im Bauteil in Abhängigkeit
der installierten Rohroberfläche im Bauteil ...
88
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X
5.18 stationäre Kühlleistung in Abhängigkeit der
Wärmeleitfähigkeit des Rohrmaterials ...
89
5.19 Speicherwärmemenge in Abhängigkeit der
Wärmeleitfähigkeit des Rohrmaterials ...
89
5.20 Stationäre
Kühlleistung in Abhängigkeit der
Wassergeschwindigkeit in Normalrohrregistern ...
90
5.21 Speicherwärmemenge im Bauteil in Abhängigkeit der
Wassergeschwindigkeit in Normalrohrregistern ...
90
5.22 Stationäre
Kühlleistung in Abhängigkeit der
Wassergeschwindigkeit in Kapillarrohrregistern ...
91
5.23 Speicherwärmemenge im Bauteil in Abhängigkeit der
Wassergeschwindigkeit in Kapillarrohrregistern ...
92
5.24 Stationäre Kühlleistung der Decke und des Fußbodens in
Abhängigkeit der Lage des Rohrregisters im Bauteil ...
95
5.25 Stationäre
Gesamtkühlleistung der Decke und des Fußbodens
in Abhängigkeit der Lage des Rohrregisters im Bauteil ...
96
5.26 Negative
Speicherwärmemenge
der Decke und des Fußbodens
in Abhängigkeit der Lage des Rohrregisters im Bauteil ...
97
5.27 Betrachtung der Ladezustände in Abhängigkeit der Ladezeit ... 103
5.28 Untersuchung verschiedener Rohrdimensionen in Bezug
auf die stationäre Kühlleistung der Geschossdecke ...
105
5.29 Untersuchung verschiedener Rohrdimensionen in Bezug auf
die speicherbare Wärmemenge in der Geschossdecke ...
105
5.30 Vergleich der stationären Kühlleistung verschiedener Rohrregister ... 106
5.31 Vergleich der negativen Speicherwärmemenge
verschiedener Rohrregister ...
107
6.1 Zulässige
Kühllasten
während eines 8 h Betriebes in Funktion
eines gewählten Lufttemperaturanstiegs ...
121
6.2 Zulässige
Kühllasten
während eines 8 h Betriebes in Funktion
eines gewählten Raumtemperaturanstiegs ...
121
6.3
Darstellung der Temperaturen im Tagesverlauf ... 125
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1. Einführung
1.1. Entwicklung der Flächentemperierungssysteme
1.1.1. Geschichte
Das erste Flächentemperierungssystem stammt nachweislich von dem Römer Caius
Sergius Orata ca. 100 v. Chr.. In der von ihm überlieferten ,,Hypokaustenheizung"
(Abbildung 1.1) leitete er die Rauchgase eines Feuers, dessen Feuerraum sich am
Rand des Fundamentbereiches befand, durch einen Doppelboden und führte sie
dann durch die in der Wand integrierten rechteckigen Ton-Rauchgasabzüge ab.
Durch die Wärmeabgabe der Rauchgase an die Fußbodenplatte und somit an den
darüberliegenden Raum wurde eine gute Heizwirkung erzielt.
Abbildung 1.1 Schematische Darstellung der Hypokaustenheizung (100 v. Chr.) [ 1 ]
Damit war die erste Flächenheizung geschaffen. Diese wies jedoch gravierende
Mängel auf. Auf Grund der fehlenden modernen Rohrtechnik war es nicht möglich
eine annährend gleichmäßige Wärmeverteilung zu realisieren. Die Durchlässigkeit
der verwendeten Baustoffe und Bautechniken für Rauchgase und die damit
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verbundenen Rauchbelästigungen der im Raum befindlichen Personen sowie die
hohe Kohlenmonoxid-Konzentration im Gebäude, verhinderten wahrscheinlich, dass
sich diese Art der Beheizung durchsetzen konnte. Mit dem Untergang des
Römischen Reiches geriet diese Technik weitgehend in Vergessenheit.
In der Folgezeit entwickelte man verschiedene weitergehende Systeme die aber
durch fehlende Rohrtechniken und Pumpentechniken weiter auf das Medium Luft als
Wärmeträger angewiesen waren und somit mit den gleichen Problemen zu kämpfen
hatten. Beispielhaft sind hier die Kanalheizung, die Steinofenheizung ab dem 12.
Jahrhundert und ab dem 18. Jahrhundert die Rauchröhrenheizung und Luftheizung
aufzuführen.
Neue wissenschaftliche Erkenntnisse und die durch den technischen Fortschritt
gegebenen neuen Möglichkeiten zu Beginn des 20. Jahrhunderts, eröffneten auch
der Heizungsbranche den Weg zu Entwicklungen, die den Komfort in Bürogebäuden
weiter verbesserten. 1907 meldet der Londoner Ingenieur A.H. Barker die erste
Deckenheizung, die aus in der Betondecke integrierten Stahlrohrregistern bestand,
zum Patent an
[ 2 ].
Durch die Hypokaustenheizung der Römer inspiriert, gilt er als
der eigentliche Erfinder der wasserdurchströmten Aktivspeichersysteme
[ 3 ]
. Er
erschloss die Nutzung der Gebäudemasse als ,,kostenloses" Speichersystem. Schon
ein Jahr später wurde die erste Geschossdeckenheizung nach diesem System durch
die Firma Richard Crittall & Co. Ltd. in England ausgeführt. Das unter dem Namen
,,Crittall-Decke" bekannt gewordene System wird von 1925 an auch außerhalb
Englands installiert. So wird z.B. 1930 die erste Deckenheizung in Deutschland in
einem Privathaus in Karlsruhe gebaut. Eine der größten Anlagen dieser Art wurde
1931 in der britischen Botschaft in Washington (USA) eingebaut. Die in der Decke
installierte Rohrlänge betrug rund 10.000 m
[ 4 ]
. Schon bald erkannte man auch die
Möglichkeit, die integrierten Rohrregister nicht nur zum Heizen im Winter zu
verwenden, sondern auch zum Kühlen im Sommer. 1936/1937 wurde in der Schweiz
ein Kaufhaus errichtet welches mit ,,Crittall-Decken" ausgestattet war, die als
Strahlungsheiz- und Kühldecken fungierten
[ 5 ]
. In der damaligen Zeit wurden viele
Untersuchungen durchgeführt, die zu einem lebhaften Meinungsaustausch über die
Funktion und Wirkungsweise von Flächenheiz- und Flächenkühlsystemen führten.
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Die wissenschaftliche Plattform für die Diskussionen und die Veröffentlichung der
Ergebnisse in Deutschland, war die Zeitschrift ,,Gesundheits-Ingenieur".
Der schlechte bauphysikalische Standard der damaligen Zeit, die auf metallische
Materialien beschränkte Rohrtechnik und eine fehlenden Taupunktregelung, ließen
die Deckenheizung /-kühlung jedoch schnell an ihre Grenzen stoßen.
Der mangelnde Wärmeschutz und der damit gegebene hohe spezifische
Wärmebedarf führten zu unzumutbaren Strahlungsasymmetrien. Technische Geräte,
die durch ihre Abwärme diesem hohen Wärmebedarf entgegensteuern konnten, gab
es in den damaligen Büros nicht. Als größter Schwachpunkt stellte sich jedoch das
verwendete Rohrmaterial heraus. In den schon jahrelang in Betrieb befindlichen
Stahlrohrregistern zeigte sich eine enorme Korrosionsanfälligkeit, die zu schweren
Schadensfällen führte und einem unzumutbaren Instandhaltungsaufwand mit sich
brachte.
Aufgrund dieser schlechten bauphysikalischen Randbedingungen der damaligen
Gebäude konnte sich die Crittall-Decke nicht durchsetzen und verschwand wenig
später völlig vom Markt.
Erst die Ölkrise Anfang der siebziger Jahre, weckte erneut das Interesse der
Industrie an Flächenheiz- und Flächenkühlsystemen. Diese Systeme sind in der
Lage mit geringen Temperaturen ein energetisch sparsames und behagliches
Heizen der Aufenthaltsbereiche in den Gebäuden zu ermöglichen. Mit neuen
Dämmstandard und Kupfer als Rohrmaterial hielt das von den Römern praktizierte
Prinzip der beheizten Fußbodenfläche wieder Einzug in der Heizungstechnik. Die
moderne Fußbodenheizung fand schnell Einsatz im privaten, sowie im öffentlichen
und industriellen Bereich. In den achtziger Jahren kam die wasserdurchflossene
Metallkühldecke als weiteres Flächensystem zur Gebäudetemperierung hinzu.
1.1.2. Schritte zur Betonkerntemperierung
In den neunziger Jahren begann man in der Schweiz und in Deutschland damit, das
Prinzip der ,,Crittall-Decke", diesmal unter der Bezeichnung ,,temperierte Bauteile",
wieder aufzunehmen.
Den Anstoß zur Wiederaufnahme, ebneten vier Wege, die im folgenden erläutert
werden.
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Erster Schritt
Durch die Schaffung von besseren bauphysikalischen Randbedingungen der
modernen Gebäude wird das Verfahren der Betonkerntemperierung zu einem
wirksamen Gebäudetemperierungssystem mit allen Vorteilen einer Strahlungs-
heizung- /kühlung.
Der
heute realisierbare Wärmedämmstandard der Gebäudeaußenhüllen sorgt für
einen geringen Wärmebedarf und ermöglicht so den Einsatz von Flächenheizungen,
die mit einer sehr geringen Übertemperatur arbeiten und somit vielen derzeitig auf
dem Mark befindlichen Systemen überlegen sind.
Der verbesserte bauliche Wärmeschutz, insbesondere im Bereich der transparenten
Bauteile, führt zu einer Abkopplung des Außenklimas und realisiert einen niedrigeren
Einfall von äußeren Wärmelasten in den Raum.
Die wichtigste Komponente die entscheidend dazu beigetragen hat, die in den
Bauteilen integrierten Rohrregister als ein funktionierendes System zu realisieren, ist
die Entwicklung der Kunststoffrohre. Sie ermöglichen eine schnelle und
unkomplizierte Montage und sind auf Grund ihrer hohen qualitativen Eigenschaften in
der Lage die Gebäudestandzeit zu überdauern.
Zweiter Schritt
Seit dem Erlass der Wärmeschutzverordnung im Jahre 1994 sinkt der Wärmebedarf
der Gebäude zunehmend. Mit der durch die Novellierung der EnEV 2000 noch zu
erwartenden Verbesserung des Wärmeschutzes der Gebäudehülle sind die
wichtigsten Voraussetzungen für die Wirksamkeit der Bauteiltemperierung gegeben.
Auch die DIN 1946 Teil 2 vom August 1991 mit der Festlegung auf geringere
Grenzwerte der Raumluftgeschwindigkeiten führte zum Wandel in der
Raumlufttechnik. Die einfache Lösung, z.B. bei steigenden Lasten den Luftwechsel
der Luftheizungs- bzw. Luftkühlsysteme zu erhöhen, stellt nun ein großes Problem
dar. Durch diese Einschränkung der Möglichkeiten von Luftsystemen, erhalten die
Flächentemperierungssysteme eine neue Chance. Eine große Zukunft erhält das
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System auch durch die Möglichkeit der Umweltenergienutzung. Geförderte Energien,
wie z.B. die Solarenergie kann nun auch zum Beheizen von Gebäuden genutzt
werden und nicht nur wie bisher zur Warmwasserbereitung. Auch geothermische
Energien und Wärmepumpen finden nun ein passendes System um zum
Temperieren von Räumen zu dienen. Das Bundesministerium für Verkehr, Bau- und
Wohnungswesen hat deshalb in seinem Leitfaden ,,Nachhaltiges Bauen"
[ 6 ]
die
Betonkerntemperierung ausdrücklich als zulässiges Gebäudetemperiersystem
aufgeführt.
Dritter Schritt
Die Vorteile eines isolierten Gebäudes bringen aber auch eine Nebenwirkung mit
sich. In Verbindung mit dem fortlaufenden Anstieg der EDV-Gerätedichte in den
Bürogebäuden, welche immer häufiger 24 h betriebsbereit zur Verfügung stehen
muss, übernimmt der Kühlfall bei der Gebäudetemperierung die dominante Rolle. Die
hohe Dichtigkeit der Gebäude lässt eine natürliche Nachtauskühlung kaum noch zu
und macht so gerade in der Übergangszeit eine Kühlung erforderlich.
Der häufige Wunsch von Investoren und Nutzern nach Büro- und Verwaltungs-
gebäuden ohne flächendeckende Klimatisierung ist auf die damit verbundenen
hohen Investitions- und Betriebskosten sowie ein zunehmendes ökologisches
Bewusstsein zurückzuführen [ 7 ]. Dieses Denken führte zu einer ,,Alles-oder-Nichts"
Entscheidung bei den Bauherren und Investoren und steht damit im Widerspruch zu
den Behaglichkeitsdefinitionen der DIN 1946 bzw. ISO EN 7730. Zusätzlich
erschwert der Trend zum Investorengebäude mit wechselnder Vermietung und zu
flexibleren Organisations- und Unternehmensstrukturen und damit verbundenen
hohen Anforderungen an die Variabilität der Raumstruktur von Bürogebäuden, die
Entscheidung für ein geeigneten Klimakonzept. Auch die Tatsache das Luft als
Wärmeträger große Volumenströme erfordert und deshalb keine preiswerten
Klimaanlagen auf dem Markt sind, spaltet die Konzeption von Gebäuden in zwei
Richtungen. Zum einen in hochwertige Gebäude, die über Kühl-/ Heizdecken oder
konventionelle Klimaanlagen verfügen und zum anderen in Gebäude in denen man
auf thermischen Komfort weitgehend verzichtet. Es muss daher gelingen, mit
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möglichst einfachen Mitteln, sowohl die Herstellung als auch den Betrieb betreffend,
die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Dabei sind Maßnahmen gefragt, mit denen
der jeweils gewünschte Komfort möglichst wirtschaftlich und umweltschonend
erreicht wird [ 7 ].
Hier tritt die Bauteiltemperierung als preiswert zu installierendes System, dass mit
geringen Betriebstemperaturen und Betriebskosten das Kühlen und das Beheizen
ermöglicht, mehr und mehr in den Mittelpunkt. Durch die Unsichtbarkeit des Systems
kommt die Bauteilaktivierung auch dem Wunsch der Architektur zu möglichst glatten
und unverkleideten Flächen entgegen. Durch die platzsparende Technik lassen sich
geringe Geschosshöhen realisieren und die technischen Aufstellräume klein halten.
Dies ist aus wirtschaftlicher Betrachtungsweise ein enormes Entscheidungskriterium
für die thermisch aktivierten Bauteile.
Dadurch hat die Betonkerntemperierung innerhalb einer relativ kurzen
Markteinführungsphase bei Architekten, Bauherren, Investoren und neuerdings auch
bei der öffentlichen Hand einen beachtlichen Stellenwert erreicht [ 8 ]. Mit der
Aktivierung der Gebäudemasse steht nun ein Temperierungssystem zu Verfügung,
dass für die Kühlaufgaben im Bürobereich vollkommen ausreicht.
Vierter Weg
Ein weiterer Grund für die Wiedereinführung temperierter Bauteile sind die großen
Mängel der herkömmlichen, konventionellen Klimatechniken bei Berücksichtigung
der höheren Anforderungen der Mitarbeiter an die Behaglichkeit am Arbeitsplatz. Die
in den vergangenen Jahren gewonnenen Erkenntnisse verdeutlichten, dass häufig zu
hohe Luftgeschwindigkeiten als Funktion der Temperatur für die Beschwerden von
Raumnutzern ursächlich sind, wobei auch der Turbulenzgrad der Strömung als
Einflussgröße erkannt wurde. Auch das ,,Sick Building Syndrom" ist zur Zeit auf die
Verwendung von Nur-Luft-Systemen zurückzuführen. Eines der größten Probleme ist
die Tatsache, dass in den isolierten Bauten die freie Nachtkühlung nur noch
eingeschränkt bzw. nicht mehr gegeben ist. Tagsüber entstehende Wärmeüber-
schüsse werden von massiven Bauteilen gespeichert, Die Temperaturamplituden
werden somit gedämpft. Die stark verringerte Auskühlung verhindert jedoch eine
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ausreichende Entladung der Bauteile bei Nacht. Will man die Nachtauskühlung
speicherfähiger Bauteile intensivieren, so kann dies z.B. über eine natürliche oder
eine mechanisch unterstützte Nachtlüftung erfolgen. Erheblich wirkungsvoller ist
jedoch die direkte Kühlung der Bauteile durch integrierte wasserführende Rohre.
[ 7 ]. Zugerscheinungen, Geräuschbelästigungen und ständige Staubaufwirbelungen
wie bei konventionellen Klimaanlagen gehören bei diesem System der
Vergangenheit an.
Vor allem von der energetischen und der umwelttechnischen Seite ist die
Bauteiltemperierung den markbeherrschenden Systemen weit überlegen. Zwar sind
bei der Weiterentwicklung der alten Systeme große Fortschritte im Punkto
Energieeffizienz erreicht worden, z.B. durch Wärmerückgewinnung, den
Umluftbetrieb bei Lüftungsanlagen und die Nutzung von Wasser als Trägermedium
bei Heiz- und Kühldecken, dennoch sind die energetischen Vorteile auf der Seite der
thermisch aktivierten Bauteile. Die nah an der Raumtemperatur arbeitenden
Betriebstemperaturen des Flächensystems erlauben ein kostengünstiges Betreiben
ohne allzu großen technischen Aufwand. Gerade das mitteleuropäische Klima, in
dem auch in sommerlichen Hitzeperioden die Nachttemperatur kurzfristig fast immer
unter 20 °C fällt, bietet gute Voraussetzung für die Gebäudekühlung durch in den
Betonkern integrierte, wasserdurchströmte Rohrregister.
Diese beschriebenen vier Schritte, die in der folgenden Ausarbeitung noch genauer
untersucht werden, haben der im Jahre 1907 entwickelten ,,Crittall-Decke" zum
Markdurchbruch verholfen.
Das heute schon von vielen Firmen häufig realisierte System wird von
Wissenschaftler und Herstellern heiß propagiert, diskutiert, untersucht und weiter
optimiert. Dabei taucht es bei Veröffentlichungen unter den unterschiedlichsten
Bezeichnungen auf.
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Einige der Begriffe sind im folgenden aufgelistet:
Betonkernaktivierung
Betonkerntemperierung
Betonteilkühlung
Bauteilkonditionierung
Betonkernheizung/- kühlung
Hüllflächen - Temperierung
Flächenkühlung
passive Kühlung
Aktivspeichersysteme
isotherme Gebäude
stille Kühlung
sanfte Kühlung
Klima-Doppeldecke
thermisch aktive Bauteile
3CH (Concrete Core Cooling/Heating)
Als objektive Systemcharakterisierung kann die Bezeichnung ,,thermische
Bauteilaktivierung zur passiven, umweltschonenden Unterstützung der Raum-
klimatisierung [ 9 ]" gelten.
Daher wird in der folgenden Ausarbeitung, vornehmlich der Begriff thermische
Bauteilaktivierung bzw. Betonkerntemperierung verwendet.
Eine Bezeichnung des Systems als Bauteilklimatisierung oder ähnlich, ist als falsch
anzusehen, da hier Architekten bzw. Bauherren ein falscher Begriff signalisiert wird.
Thermodynamisch handelt es sich um ein aktives Speichern und ein passives
Entladen.
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1.2. Die moderne Betonkerntemperierung
1.2.1. Aufbau
Die bisher praktizierten Flächensysteme bestehen aus wasserführenden Rohren,
vereinzelt auch aus Luftkanalsystemen, die unterhalb der Oberfläche in den
Bauteilen eingebracht sind. Weitverbreiteste Systeme sind Fußbodenheizungen mit
im Estrich eingelassenen Rohrschlagen und die Decken- und Wandsysteme, bei
denen die Rohre direkt unter dem Putz verlegt sind. Vom durchströmten
eingebrachten Rohr erfolgt ein direkter Wärmeübertrag zum Raum. Die vorhandene
Gebäudespeichermasse ist vom Raum abgekoppelt und spielt für die
Raumklimatisierung eine untergeordnete, teilweise sogar störende, Rolle. So verfügt
das Systems über ein geringes Trägheitsverhalten.
Ganz anders ist dies bei der Betonkerntemperierung. Dieser Spezialfall der
Flächensysteme setzt die Verlegung der Rohre im Beton voraus. In der Regel
werden die Rohrregister direkt in die ,,neutrale Zone" zwischen oberer und unterer
Bewehrung installiert, wie in der Abbildung 1.2 dargestellt.
Abbildung 1.2 Aufbau der thermisch aktivierten Geschossdecke [ 10 ]
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In den meisten Fällen wird die Geschossdecke für die Verlegung der Rohrregister
verwendet. Seltener kommt das Einbetonieren der Rohre in den Wänden vor. Der
wesentliche Unterschied zu den herkömmlichen Unterputzsystemen und der
Fußbodenheizung liegt darin, dass hier nicht die Abkopplung der vorhandenen
Speichermasse vom Raum erfolgt. Sie wird bewusst mit in die thermodynamischen
Vorgänge im Raum einbezogen. Damit ergibt sich ein Bauteiltemperierungssystem
mit einer großen Speicherkapazität.
Die Rohrmaterialien sind die gleichen wie bei Fußbodenheizsystemen: PE-X-Rohre
(vernetzter PE-Kunststoff) oder Mehrschichtverbundrohr aus PE und Aluminium
(VPE). Auch die verwendeten Rohrdurchmesser liegen im selben Bereich wie bei
üblichen Fußbodenheizungen. Es besteht auch die Möglichkeit der Verwendung von
Kapillarrohrmatten, wie sie auch bei Unterputzsystemen Anwendung finden.
1.2.2. Wirkungsweise
Die Betonteiltemperierung macht sich die Eigenschaft unverkleideter
Speichermassen eines Gebäudes zunutze. Die im Kern mit Rohrregistern
versehenen Betonbauteile werden dabei thermisch ,,aktiviert". Das heißt, die
Massivbauteile werden aktiv mit in den Wärmeaustausch zwischen dem Raum und
dem Heiz- bzw. Kühlmedium einbezogen.
Abbildung 1.3 Schematische Darstellung eines thermisch aktivierten Gebäudes
[ 11 ]
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Im Heizfall wird der Beton mit einer Übertemperatur beaufschlagt, so dass sich ein
Wärmestrom vom Wärmeträgermedium über das Bauteil in den Raum ergibt
(Abbildung 1.4). Beim Kühlfall verläuft der Wärmefluss umgekehrt. Die
überschüssige Wärme des Raumes fließt in das gekühlte Bauteil, ein
Temperaturgefälle vorausgesetzt, und wird dort zwischengespeichert, um dann über
das Trägermedium aus dem Beton abgeführt zu werden.
Abbildung 1.4 Grafische Darstellung von Heiz- und Kühlfall [ 12 ]
Die Wärmeabfuhr und -zufuhr der Bauteile erfolgt dabei über das in den Rohren
strömende Wasser, dessen Vorlauftemperatur je nach Aufgabenstellung
bereitgestellt wird. Im Kühlfall beträgt die Vorlauftemperatur etwa 17 ° - 20 °C und im
Heizfall ca. 26 ° - 30 °C. Der so auf ein definiertes Temperaturniveau ,,beladene"
Betonkern fungiert hier als Speichermedium mit einer äußerst hohen
Speicherkapazität und ist in der Lage die unerwünschte thermische Energie aus dem
Raum zu speichern und bei Bedarf, zeitlich verschoben, wieder abzugeben. Die
Speicherkapazität beträgt bei üblich verwendetem Stahlbeton rund 1050 J/(kg
.
K).
Zwischen der Rohroberfläche der wasserführenden Rohre und der wärme-
übertragenden Bauteiloberfläche existiert ein Temperaturgradient, der abhängig von
der operativen Raumtemperatur und der Einwirkzeit ist. Er bewegt sich in der Regel
zwischen 0,5 und 4 K. Dies bedeutet, dass sich die Oberflächentemperaturen der
thermisch aktiven Bauteile in einem schmalen Band zwischen 21 ° - 24 °C im Kühlfall
bewegen [ 8 ]. Dies ermöglicht je nach Raumtemperatur einen sogenannten
Selbstregeleffekt. Ein selbständiger Energieaustausch zwischen dem temperierten
Bauteil und dem Raum der stattfindet, wenn zum Beispiel bei einer
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Deckenoberflächentemperatur von ca. 20 °C ein noch unbelegter Raum am Morgen
eine Raumtemperatur von 18
°C aufweist. In diesem Fall wird der Raum
zwangsläufig beheizt. Steigt infolge innerer und äußerer thermischer Lasten die
Raumtemperatur im Laufe des Tages auf über 21 °C an, findet eine Kühlung des
Raumes statt [ 7 ].
So werden Lastspitzen durch die große Masse zwischen dem Raum und dem
leistungsaufnehmendem bzw. abgebenden Bauteil wirkungsvoll gedämpft. Rund
zwei Drittel der Energie lässt sich über die Deckenunterseite übertragen, den Rest
trägt der darüber liegende Boden bei. Diese Aufteilung garantiert einen guten
Komfort, sowohl beim Kühlbetrieb im Sommer als auch beim Heizen im Winter [ 13 ].
Da das System auf dem Prinzip der Flächenheizung-/kühlung beruht, also zum
größten Teil mit dem Wärmeübergang durch Strahlung arbeitet, ist die
entscheidende Komponente die Größe der Übertragungsfläche. Maßgebend ist die
operative Raumtemperatur, die die Wirkung der Raumlufttemperatur und der
Temperatur der Umschließungsflächen berücksichtigt. Dies gestattet dem System
der Betonkerntemperierung das Arbeiten mit geringen Über- bzw. Unter-
temperaturen. Deshalb wird diese Art der Gebäudetemperierung auch oftmals als
,,sanfte Klimatechnik" bezeichnet.
Das Einbeziehen der großen Gebäudespeichermasse in den Temperierungsvorgang
der Aufenthaltsräume ermöglicht eine zeitliche Verschiebung zwischen dem
Auftreten der Last im Raum und der Lastabfuhr im wasserführenden System im
Bauteil. Durch diesen zeitlichen Unterschied zwischen dem Bedarf und dem
exergetisch günstigsten Energieangebot erlaubt oftmals hohe Einsparungen an
Investitionen und Energie. Zum Beispiel kann die thermisch aktivierte Decke
tagsüber Wärmelasten aufnehmen und diese bis in die Nacht speichern. Das
Abführen und Wiederbeladen des Bauteilspeichers geschieht dann durch Kühlung
über Nacht [ 7 ]. Hierzu stehen viele herkömmliche, aber auch neue und innovative
Energiequellen zur Verfügung.
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1.2.3. Betriebsweise
Für den Betrieb stehen drei Regelstrategien zur Verfügung:
Das Konditionierungssystem ist während und außerhalb der Nutzung in
Betrieb.
Das System ist außerhalb der Nutzung in Betrieb.
Das System ist außerhalb der Nutzung außer Betrieb.
Das in den Betondecken zirkulierende Wasser präpariert den Betonspeicher für den
folgenden Tag, so dass je nach Raumtemperatur ein selbständiger Energieausgleich
mit dem Raum stattfinden kann.
Hauptsächliches Ziel der Betonkernaktivierung ist der Kühleinsatz. So kann die
aktivierte Geschossdecke im Sommer in den Morgenstunden wärmend und im Laufe
des Tages kühlend auf den Raum wirken. Auf Grund der großen, nicht regelbaren
Speichermasse ist eine individuelle, spontane, raumbezogene Temperaturregelung
wegen der großen Systemträgheit nicht möglich [
14
]. Eine Änderung der
Raumtemperatur macht sich zum Beispiel erst nach mehreren Stunden in der Mitte
einer 28 cm dicken Betondecke bemerkbar. Eine Änderung der Wassertemperatur
wirkt umgekehrt genauso langsam auf den Raum [ 7 ]. Daher reicht zu mindestens
im Kühlfall ein Betrieb außerhalb der Nutzung (d.h. in der Nacht) meistens aus. Die
Festlegung auf eine Regelungsstrategie sollte aber erst nach der Simulations-
berechnung erfolgen, die Grundvoraussetzung für eine optimale Auslegung der
Anlage ist.
Die Möglichkeit eines Wärmeaustausches durch Zirkulation zwischen den einzelnen
Gebäudebereichen auf Grund der Tatsache, dass die auf der Südseite des
Gebäudes anfallenden Solargewinne zeitgleich auf der Nordseite genutzt werden
können [ 15 ], ist kritisch zu betrachten.
Für das Be- und Entladen des Speichermediums lassen sich auch Kältemaschinen
einsetzen die tagsüber anderweitig benötigt werden, z.B. zur Kühlung von Luft für
RLT-Anlagen. Auf Grund der tieferen Außentemperaturen während der Nacht ist
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häufig sogar eine freie Kühlung über Rückkühlwerke, in der Regel mit Hilfe adiabater
Verdunstungskühlung, ausreichend.
Auf Grund der geringen Betriebstemperaturen ist dieses System geradezu
prädestiniert für die direkte Nutzung von Umweltenergien zum Heizen und Kühlen.
1.2.4. Integration in der Gebäudekonzeption
Die Bauteilkühlung ist ein Systemkonzept zur Temperierung von mehrgeschossigen
Gebäuden mit einem niedrigen Wärme- bzw. Kühlbedarf, z.B. Büro-, Schul-,
Verwaltungsgebäude und ähnliche. Sie ist vor allem für Neubauten geeignet, da hier
die Betonbauteile optimal ausgelegt werden können.
Da die Leistung von betonkerntemperierten Systemen begrenzt ist, eignen sie sich
nicht immer als alleiniges Gebäudetemperierungssystem. Es kann aber fast immer
dort eingesetzt werden, wo Grundlasten im Bereich Heizen und Kühlen abzudecken
sind. Zusätzlich können schnell regelbare Heiz- bzw. Kühlsysteme installiert werden,
um eine punktgenaue Klimatisierung zu gewährleisten oder um unzulässige, nicht
tolerierte Lastspitzen abzuführen.
Die Lüftungsanlage kann somit von der Kühl- bzw. Heizaufgabe weitgehend befreit
werden. Das Gebäudelüftungssystem kann daher sehr klein dimensioniert werden.
Es sollte zur Sicherstellung des hygienisch notwendigen Luftwechsels aber immer
vorhanden sein.
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2. Bewertung der Bauteiltemperierung und Vergleich mit
anderen Systemen
2.1. Allgemeine Bewertung
Ein großer Vorteil der Bauteiltemperierung besteht in der relativ kostengünstigen
Erstellung und Betreibung. Die hohen Investitions- und Betriebskosten für
herkömmliche Gebäudeklimatisierungsanlagen führten dazu, dass Investoren und
Bauherren zunehmend auf die Installation solcher Anlagen verzichten und so das
Ansteigen der sommerlichen Temperaturen im Raum oft bis zu einen unerträgliche
Maß, billigend in Kauf nehmen. Die Kühlmöglichkeiten der Aufenthaltsräume werden
so auf Lüftungsanlagen, wenn vorhanden, und auf die Möglichkeit einer
Fensterlüftung beschränkt.
Dies ist jedoch mit dem heutigen Wissen über die Bedeutung thermischer Behaglich-
keit von Personen und der damit korrespondierende Arbeitsproduktivität nicht immer
vereinbar.
Mit Hilfe der Bauteiltemperierung kann mit geringen Investitions- und Betriebskosten
ein System im Gebäude installiert werden, welches die Aufgaben einer Kühlung und
gegebenenfalls auch der Beheizung übernehmen kann.
Allerdings wird hier in die Technologie des Rohbauers eingegriffen, was ein
Umdenken hinsichtlich der Logistik und auch der Sicherung der Gewährleistungen
erfordert.
Das System arbeitet dabei nah an den Raumtemperaturen und trägt so zu einem
sehr behaglichen Raumklima bei. Der hohe Strahlungsanteil des Flächensysteme
ergibt eine Empfindungstemperatur, die etwa 1,5 bis 2,0 K unter bzw. über der
tatsächlichen Raumtemperatur liegt [ 16 ]. Insbesondere empfundene Temperaturen
über 27 °C treten in den bauteiltemperierten Räumen deutlich seltener auf [ 25 ].
Auch für Gebäude in denen herkömmliche Klimatisierungsanlagen vorgesehen sind
bietet sich die Betonkerntemperierung als Alternative an. Deutliche Vorteile liegen
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hier in der Freiheit bei der Gestaltung des Gebäudegrundrisses, da es sich für den
Betrachter als ein unsichtbares System darstellt. Dadurch ergeben sich oft
architektonische Vorteile, da die nutzbaren Stellflächen sich nicht verringern. Bei
thermisch aktiven Decken ergibt sich darüber hinaus die Möglichkeit, den Grundriss
ohne allzu großen technischen Installationsaufwand nachträglich zu ändern.
Im Gegensatz zur Kühldecke und zu konventionellen Klimaanlagen, muss jedoch bei
der Betonkerntemperierung die thermisch aktivierte Decke unverkleidet sein. Der
Vorteil einer abgehängten Decke, mit ihrer Möglichkeit zur Integration und
Nachinstallation von weiteren gebäudetechnischen Ausrüstungen, wie Beleuchtung,
Lüftung, Sprinkler, elektrische Leitungen etc., entfällt hier.
Gravierender Nachteil, besonders gegenüber den Luftsystemen, ist die große
Trägheit des Systems. Eine individuelle Raumtemperaturregelung ist so nicht
möglich und die Grenzwerte für die Raumlufttemperatur, z.B. nach DIN 1946 Teil 2,
können nicht gewährleistet werden. Die Entladung des Speichermediums geschieht
rein passiv, ohne Einflussnahme des Raumnutzers. Infolge der Nichtregelbarkeit
dieser Systeme ist stets eine gewisse ,,Energieverschwendung" mit deren Einsatz
verbunden [ 17 ].
Die Oberflächentemperaturen der aktivierten Bauteile von 20 ° - 24 °C sind für den
Raumnutzer sehr behaglich, aber auf Grund des geringen Temperaturgradienten zur
Raumlufttemperatur sind trotz der großen Übertragungsflächen der Decke und des
Fußbodens, die erreichbaren Heiz- und Kühlleistungen relativ eng begrenzt.
Dem in der gültigen Wärmeschutzverordnung ausgewiesenen zulässigen
Wärmebedarf von 40 W/m², steht nur eine Systemheizleistung von ca. 20 W/m²
gegenüber. Daher ist in normgedämmten Gebäuden im Heizfall ein zusätzliches
System erforderlich.
Bei großen abzuführenden Raumwärmelasten begrenzt diese Tatsache den Einsatz
der Betonkerntemperierung oft nur auf die Abdeckung von thermischen Grundlasten
in Verbindung mit einer reduzierten konventionellen Klimaanlage.
Durch die stark reduzierten Luftvolumenströme der Raumlüftung vergrößert sich der
Einfluss der Schadstoffbelastung durch ungeeignete Ausbaumaterialien auf die
Behaglichkeit in den Räumen. Dies erfordert zwingend, dass belastende Materialien
konsequent vermieden werden. Siehe hierzu den Entwurf zur EN 1752.
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Die unverkleidete, schallharte Deckenoberfläche kann in einigen Räumen zu
raumakustischen Problemen führen. Eine nicht schallabsorbierende Decke, kann die
Begrenzung der Nachhallzeit im Raum oft nicht mehr vornehmen. Es sei denn, es
gelingt die notwendigen schallabsorbierenden Flächen im Trennwandbereich oder
Fußboden anzuordnen. Schallabsorbierende Konstruktionen haben in der Regel eine
wärmedämmende und strahlungsmindernde Wirkung. Es kommt deshalb zu
Leistungseinbußen, wenn schallabsorbierende Flächen vor thermisch aktivierten
Bauteilen installiert werden [ 7 ]. Je nach Voraussetzung muss nun besonders
beachtet werden, dass der Raum über genügend schallschluckende Oberflächen
verfügt und über solche die für die thermische Ankopplung an die Gebäudemasse
zuständig sind. Dazu gibt es gegenwärtig noch keine optimale Lösung. Hier muss
praktisch immer ein geeigneter Kompromiss gefunden werden.
Für das Betreiben eines thermisch aktivierten Gebäudes mit mehreren,
unterschiedlichen Nutzern, stellt sich das Problem, dass eine Abrechenbarkeit der
Energiekosten oft nicht gegeben ist.
Ein nicht zu unterschätzender Vorteil wirkt bei der Erstellung der Gebäude. Durch die
volle Integration in den Zeitablauf der Deckenmontage durch vorgefertigte
Rohrregister, sogenannte Module, kann die Bauzeit zum schlüsselfertigem Gebäude
verkürzt werden. Hier ist jedoch eine gewissenhafte Abstimmung der Gewerke
(Hochbau, TGA) im Vorfeld erforderlich.
Die folgenden Vergleiche der Betonkerntemperierung mit anderen Systemen,
beschränken sich natürlich auf den sinnvollen Arbeitsbereich derselben.
2.2. Vorteile gegenüber konventioneller Klimatechnik
Bei dem Vergleich der beiden Systeme stehen sich zwei völlig verschiedene
Verfahren zur Raumtemperierung gegenüber. Die konventionellen Klimaanlagen sind
bestrebt, die anfallenden Lasten im Raum so schnell wie möglich, das heißt
zeitgleich, zu kompensieren. Dies geschieht durch hohe Energiepotenziale, die in der
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Regel durch Kältemaschinen geschaffen werden und mit Hilfe von Luftsystemen, die
durch einen hohen Raumluftwechsel die Wärmelast aus dem Gebäude abführen.
Die Investitionskosten des Systems werden vom Bauherren bzw. Investor erbracht.
Die hohen Betriebskosten bleiben jedoch dem Nutzer überlassen.
Das Prinzip der Betonkerntemperierung nutzt die Möglichkeit der Speicherung von
unerwünschten Wärmelasten in den unverkleideten Hüllflächen des Raumes. Die
Vorteile gegenüber der konventionellen Klimatechnik sind nachvollziehbar deutlich.
Das Bauteiltemperierungssystem arbeitet als Flächenheizsystem und -kühlsystem,
welches zum großen Teil nach dem physikalischen Prinzip der Strahlungswärme-
übertragung arbeitet. Es benötigt daher nur geringen Über- bzw. Untertemperaturen
der wärmeaustauschenden Oberflächen. So ist die Bauteiltemperierung das System,
dass sich am weitgehendsten den Anforderungen der günstigsten physiologischen
Entwärmung des Menschen anzupassen vermag. Es beeinflusst hauptsächlich die
mittlere Strahlungstemperatur der Raumumschließungsflächen. Die niedrigeren
Raumlufttemperaturen im Heizfall werden durch den Raumnutzer als angenehm
,,frisch" empfunden [ 15 ].
Bei konventioneller Klimatisierung fungiert die Raumlufttemperatur und nicht die
operative Raumtemperatur als Regelgröße. Das heißt, die Kühl-/Heizlast wird durch
Konvektion ab- bzw. zugeführt. Zu hohe Luftgeschwindigkeiten führen dann oft zu
Befindensbeschwerden in den klimatisierten Räumen [
18
]. Besonders Zug-
erscheinung und Geräuschbelästigungen sind hier als problematisch aufzuführen.
Hier besteht ein weiterer wichtiger Vorteil für die thermisch aktivierten Bauteile. Der
durch Strahlungsmechanismen übertragene Wärmestrom verursacht nur geringe
Bewegungen der Luft im Raum und kommt damit dem Wunsch nach Reduzierung
der Luftbewegung entgegen [ 19 ]. Dies ist auch ideal für Allergiker, da kaum
Staubaufwirbelungen und keinerlei Staubverschwelungen erzeugt werden [ 16 ].
Mögliche raumlufttechnische Anlagen reduzieren sich so auf die Mindestaußen-
luftmenge und gestalten sich daher sehr einfach und geräuscharm. Dank der stark
reduzierten Volumenströme und dem so gewonnenen Raum ermöglicht und
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rechtfertigt sich ein erhöhter, hygienisch begründeter Aufwand bei der Luftauf-
bereitung.
Die Tatsache, das keine negativen Auswirkungen auf die Gesundheit der Nutzer
bekannt sind, spricht eindeutig für die Anwendung von Flächensystemen wie der
Bauteiltemperierung.
Ein Investitionskostenvergleich von Aktivspeichersystemen mit der konventionellen
Klimatisierung fällt auf Grund des geringeren technischen Installationsaufwands, zu
Gunsten der Bauteiltemperierung aus.
Neben den geringeren Investitionskosten der Anlage, ist auch der drastisch
reduzierte Platzbedarf und die geringer ausfallenden Geschosshöhen durch die
platzsparende Technik als Vorteil zu beachten. Der Einsatz von großen, aufwendigen
und kostenintensiven Kanalführungen mit entsprechenden Luftaustrittsdüsen entfällt.
Ausschlaggebend für die große Wirtschaftlichkeit gegenüber den mit Luft
arbeitenden Klimatisierungssystemen ist die Verwendung von Wasser als Energie-
träger. Aufgrund der höheren spezifischen Wärmekapazität des Wassers lässt sich
mit einem Kilogramm Wasser rund 125 Mal mehr Energie transportieren als mit
einem Kilogramm Luft. Umweltseitig ist es vorteilhaft, dass es sich bei der
Bauteiltemperierung um eine Niedertemperaturheizung bzw. Hochtemperaturkühlung
handelt. Das Energieträgermedium Wasser muss nur um wenige Grad hoch bzw.
herunter transformiert werden. Dies reduziert den Primärenergieaufwand enorm und
kommt den Umweltschutzbestrebungen entgegen.
Hinzu kommt, dass durch die höheren Raumlufttemperaturen gegenüber den
konventionellen Systemen, die Energieverluste durch die Raumlüftung im Kühlfall
und im Heizfall wesentlich kleiner sind.
Wasser als Kältemittel besitzt entscheidende wirtschaftliche Vorteile. Der Vorteil der
mit luftarbeitenden Kühlsysteme liegt jedoch in den Möglichkeiten zur Be- und
Entfeuchtung der Raumluft und dem Austrag von Schadstoffen.
Im Gegensatz zum technischen Aufwand für die Regelung der Luft-
klimatisierungsanlagen ist der Aufwand bei der Betonteiltemperierung gering. Die
raumtemperaturnahen Betriebstemperaturen führen im Heiz- bzw. Kühlfall, zu einem
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weitgehend eigendynamischen Regelverhalten des Systems. Die selbständige
Wärmeübertragung zwischen den temperierten Bauteilen und dem Raum, macht
nahezu keinen Wartungsaufwand erforderlich. Zudem besteht eine längere
Systemstandzeit. Diese Eigenschaft senkt die Betriebs- und Wartungskosten
zusätzlich.
Wird ein breites Toleranzband für den Raumluftzustand zugelassen, so kann das
System der thermisch aktivierten Bauteile, unter den aufgezeigten Gesichtspunkten,
eine interessante Alternative zu den herkömmlichen Klimasystemen darstellen.
In der Tabelle 2.1 sind die praxisrelevanten Kriterien für die Bewertung eines
Raumtemperierungssystem aufgezeigt. Dabei werden die Bauteiltemperierungs-
systeme und die konventionellen Klimaanlagen gegenübergestellt.
Gegenüberstellung der Bauteiltemperierung mit konventionellen
Klimaanlagen
Bewertungskriterium
Bauteiltemperierung
konventionelle Klimaanlage
Kühlleistung
Heizleistung
Be- u.
Entfeuchtungsmöglichkeit
Systemträgheit
Behaglichkeit
Veränderungsmöglichkeit
bzw. Nachrüstung
regelungstech. Aufwand
planerischer Aufwand /
Planungsvorlauf
Energieverluste
Betriebskosten
Investitionskosten
Platzbedarf
Wartungsaufwand
Systemstandzeit
Umweltenergieeinsatz
Bewertung :
- sehr gut
- gut - mäßig - schlecht
- sehr schlecht
Tabelle 2.1
Bewertung der Eigenschaften der Bauteiltemperierung und der
konventionellen Klimaanlage
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2.3. Vergleich der Bauteilaktivierung mit den Kühldeckensystemen
Die Kühldecke ist wie die Bauteiltemperierung ein Flächensystem. Der Wärmeaus-
tausch mit dem Raum erfolgt hier, wie bei der Bauteiltemperierung, zum großen Teil
über die Strahlung. Beide Systeme sind für den Kühl- und Heizfall einsetzbar.
Die Oberflächentemperaturen der Kühldecke sind wie bei den meisten
Flächenystemen, auf Grund der Gefahr der Taupunktunterschreitung (Kühlfall) bzw.
durch die Gefahr einer auftretenden Strahlungsasymmetrie (Heizfall), eingeschränkt.
Der große Unterschied der beiden Systeme besteht in der Einbeziehung der
Gebäudespeichermasse in den Temperierungsvorgang des Raumes. Während bei
den Kühldeckensystemen eine strikte Abkopplung der Speichermasse angestrebt
wird, erfolgt bei der Betonkerntemperierung die bewusste Einbeziehung der
Betonbauteile in den Wärmeaustausch von Raum und Kühlmedium.
Durch die Aktivierung der Betonbauteile als Speicher, kann die am Tag anfallende
überschüssige Wärmeenergie zwischengespeichert werden. Der Raum selbst kann
in Abhängigkeit seiner Bauweise (leicht/schwer) hier bestimmte Lastspitzen durch
seine Speicherwirkung abbauen. In den kühleren Abend- bzw. Nachtstunden wird die
gespeicherte Wärme dann über die integrierten wasserdurchströmten Rohrregister
und gegebenenfalls über freie Nachtkühlung abgefahren. Diese zeitliche
Verschiebung bringt die Voraussetzung für einen energetisch vorteilhafteren Betrieb
gegenüber der Kühldecke.
Kühldeckensystem dagegen sind wie die konventionellen Klimaanlagen dafür
ausgelegt, die Raumkühllasten zeitgleich mit ihrem Auftreten, aus dem Raum
abzuführen. Dies geschieht über den Konvektion- und Strahlungsaustausch
zwischen der wasserdurchströmten Kühldeckenfläche und dem Raum. Die
Kühldecken werden während des Betriebes kontinuierlich mit Wasser durchströmt.
Der Temperaturgradient zwischen der Kühldeckenoberfläche und dem Kaltwasser
beträgt bei modernen Systemen
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Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Jahr
- 2001
- ISBN (eBook)
- 9783836634243
- DOI
- 10.3239/9783836634243
- Dateigröße
- 1 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin – Ingenieurwissenschaften I
- Erscheinungsdatum
- 2009 (August)
- Note
- 1,0
- Schlagworte
- bauteile betonkerntemperierung betonkernaktivierung bauteilkühlung flächenkühlung
