Thermische Bauteilaktivierung

Für die Bauteilaktivierung werden hauptsächlich Systeme mit wasserdurchströmten Rohren verwendet, eingesetzt in der Regel zur thermischen Aktivierung von Massivdecken und dort meist in den Bauteilkern einbetoniert. Weniger häufig kommt es zum Einsatz von Luftsystemen. In Deutschland wurde der Anteil gewerblicher Neubauten, bei denen Systeme zur thermischen Bauteilaktivierung geplant und realisiert werden, bereits vor einigen Jahren auf etwa ein Drittel geschätzt, mit seither steigender Tendenz.

Je nach Anwendungsfall wird von »Betonkernaktivierung«, »Betonkerntemperierung (BKT)«, »thermischer Bauteilaktivierung«, »thermoaktiven Decken«, »Bauteilheizung« oder »Bauteilkühlung« gesprochen. Das Anfang 2007 erschienene BINE-Themeninfoheft »Thermoaktive Bauteilsysteme« enthält eine erfreuliche Systematik, in der »Thermoaktive Bauteilsysteme (TABS)« als Oberbegriff eingeführt ist. Die bekannte Fußbodenheizung bzw. -kühlung im gegen die Roh­decke gedämmten Estrich, ist dann ein Spezialfall thermoaktiver Bauteilsysteme. BKT beschreibt grundsätzlich Systeme mit in den Kern von Betonbauteilen einbetonierten Rohren.

In der Praxis wird zwischen verschiedenen Systemkombinationen unterschieden:


Thermische Bauteilaktivierung, Wassersystem
  • BKT als reine Bauteilkühlung, kombiniert mit konventionellen Heizsystemen – z.B. Heizkörpern – sowie natürlicher oder mechanischer Lüftung. Die Beuteilaktivierung ersetzt dabei lediglich ein herkömmliches Kühlsystem.
  • BKT als einzige Heiz- und Kühlfläche im Raum, kombiniert mit einer mechanischen Lüftung. Beim oben erwähnten System mit isothermer Lüftung und konstanter Luftmenge ist die Raumtemperierung auf die thermische Bauteilaktivierung beschränkt. Eine Erweiterungsmöglichkeit dieser Systemkombination ist z. B. eine Lüftungsanlage mit variablem Volumenstrom, wobei der Volumenstrom in jedem Raum individuell einstellbar ist oder automatisch geregelt wird. Eine andere Möglichkeit ist die Versorgung der BKT mit einem Drei-Leiter-System, welches zwei verschiedene Vorlauftemperaturen zur Verfügung stellt, sodass auf unterschiedliche Anforderungen in verschiedenen Räumen flexibler reagiert werden kann.
  • BKT als Grundlastsystem für Heizung und Kühlung, ergänzt um ein Zusatzsystem im Raum. Die einfachste Lösung hierfür sind Heizkörper an der Fassade (Konvektoren, Unterflurkonvektoren, Radiatoren), allerdings um den Preis eines doppelten Heizsystems mit voneinander abweichenden Systemtemperaturen. Alternativen dazu sind fassadennahe Streifen einer Fußbodenheizung und ggf. auch -kühlung, untergehängte Heizdecken bzw. Heiz-Kühldecken sowie die zusätzliche thermische Aktivierung eines Deckenabschnittes in einer deckennahen Schicht, etwa mit Kapillarrohrmatten oder als so genannte Randstreifenelemente.

Zusatzsysteme

Thermische Bauteilaktivierung, Luftsystem

Dass neben der Betonkerntemperierung häufig noch Zusatzsysteme zum Einsatz kommen, liegt insbesondere an der begrenzten Leistungsfähigkeit der BKT und eingeschränkten individuellen Regelungsmöglichkeiten. Im Heizbetrieb können Leistungsdichten von 25 bis 30 W/m2 erreicht werden, bei der Kühlung sind Werte von 30 bis 40 W/m2 möglich. Grund hierfür ist, dass – vor allem bei Bodenaufbauten mit Trittschalldämmung – mehr als die Hälfte der Leistungsabgabe über die Decke nach unten erfolgt und eine Deckenkühlung einen besseren Wärmeübergang an den Raum aufweist als eine Deckenheizung. Die erreichbaren dynamischen Spitzenleistungen liegen zwar meist höher, trotzdem bleiben Heiz- und Kühlleistung bei der BKT auf die angegebene Größenordnung begrenzt. Sind darüber hinaus höhere Leistungen erforderlich, müssen diese von Zusatzsystemen erbracht werden.

Mit einer BKT können Raumtemperaturen in gewünschten Grenzen gehalten werden ­ (z.B. Einhaltung eines Mindestwerts im Heizfall), eine Regelung im eigentlichen Sinne und damit eine punktgenaue Einstellung der Raumtemperatur ist aufgrund der thermischen Trägheit jedoch nicht möglich.


BKT-gerechte Bauphysik

Soll eine BKT die Kühlung- und/oder Heizung eines Gebäudes alleine bewerkstelligen oder zumindest einen wesentlichen Anteil daran erbringen, dann muss das Gebäude folgenden Anforderungen genügen:

Deckenanschluss Rohrleitungen BKT
  • Begrenzung der Kühllast im Sommer: Baulich bedeutet dies, dass die solaren Wärmeeinträge durch die Fassade in die Räume zu minimieren sind. Dies ist durch einen maßvollen Fensterflächenanteil, begrenzte Gesamtenergiedurchlassgrade der Verglasung sowie einen außen liegenden Sonnenschutz zu erreichen. Ein niedriger ­U-Wert der gesamten Fassade sowie des Dachs hilft darüber hinaus, sommerliche Wärmeeinträge zu reduzieren.
  • Begrenzung der Heizlast im Winter: Voraussetzung hierfür sind niedrige U-Werte der gesamten Hüllfläche. Wenn keine fassadennahen Zusatzheizflächen vorgesehen sind, erhöhen sich die Anforderungen an die Fassade hinsichtlich U-Wert und Luftdichtheit, um Kaltluftabfall zu vermeiden. Kritische Situationen wie z. B. Eck­räume bedürfen im Heizfall – und ggf. auch im Kühlfall – besonderer Beachtung.
  • Geschossdecken in Massivbauweise: Die Geschossdecken müssen möglichst viel Wärme und Kälte speichern können, was zu thermisch »schweren« Gebäuden führt. Dies erfordert Baustoffe mit gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität wie Beton.
  • Freie Deckenoberflächen: Der Einsatz von durchgehend abgehängten Decken mit dämmenden Elementen zur Gestaltung der Raumakustik (Nachhallzeit, Schallverteilung) ist in Räumen mit thermischer Bauteilaktivierung nicht möglich bzw. in der Fläche und Anordnung stark eingeschränkt. Die raum­akustische Planung muss in diesem Fall auf andere Elemente zurückgreifen, wie spezielle, kleinflächige Deckensegel, Wandverkleidungen oder das Mobiliar.
  • Schallschutz im Gebäude: Der erforderliche Luftschallschutz ist bei schweren Massivdecken in der Regel ohne Zusatzmaßnahmen ohnehin gegeben, während für den Trittschallschutz meist Trittschalldämmungen eingesetzt werden, welche den Wärmetransport in der Decke nach oben behindern. Für eine optimale thermische Wirkung der BKT sind deshalb Lösungen ohne Trittschalldämmung anzustreben, wie sie sich in verschiedenen Projekten bereits bewährt haben.

Energieeinsparungen

Deckenanschluss Rohrleitungen BKT

Ein wesentliches Charakteristikum von TABS, und vor allem von BKT-Systemen, ist die Nutzung der aktivierten Massivbauteile als thermischer Speicher. Der Betrieb gliedert sich in die Phasen »Laden«, »Speichern« und »Entladen«. Dies bedeutet, dass die Einlagerung von Kälte- oder Wärme im Bauteil stets in einem Zeitversatz von Stunden zur deren Abgabe als Nutzenergie an den Raum steht. Da der benötigte Energiebedarf im Raum aber nicht exakt vorhergesehen werden kann, sind, um bestimmte Temperaturgrenzen einzuhalten (z. B. Mindesttemperatur im Heizfall), »Ladereserven« nötig. Damit benötigt eine BKT, zumindest in Verbindung mit einer konventionellen, nicht angepassten Energiebereitstellung, zunächst mehr Energie für eine bestimmte Heiz- oder Kühlaufgabe als ein exakt und schnell regelbares Heizsystem.

Trotzdem kann mit TABS und insbesondere auch BKT-Systemen Energie eingespart werden, indem man ihre Eigenschaften mit Hilfe einer angepassten Systemtechnik nützt:

  • Die benötigten Vorlauftemperaturen, mit denen die Bauteile beladen werden, liegen mit maximal 27 bis 29 °C im Heizbetrieb und minimal 18 bis 20 °C für die Kühlung näher an der gewünschten Raumtemperatur als bei anderen Raumheizungs- und     -kühlsystemen. Damit sind für BKT (und im Prinzip für alle TABS) solche Versorgungssysteme besonders geeignet, die bei derartigen Betriebstemperaturen energetische Vorteile aufweisen. Für die Heizung sind dies z. B. Wärmepumpen und andere regenerative Energiequellen. Im Kühlfall kann zudem der Betriebsbereich der freien Kühlung über Rückkühlwerke deutlich ausgeweitet werden. Bei einigen Projekten wurde eine ausschließliche freie Kühlung über Hybridkühltürme realisiert (vor allem Nachtbetrieb). ­Energetisch und betriebstechnisch besonders günstig ist die direkte geothermische Kühlung. Diese wird häufig in Kombination mit einer Wärmepumpe für die Heizung eingesetzt – oder auch mit einer umschaltbaren Wärmepumpe/Kältemaschine, wenn das Potenzial der direkten Kühlung nicht ausreicht.
  • Große Effizienzpotenziale bietet auch der zwangsläufige Speicherbetrieb. In vielen überwiegend tagsüber genutzten Gebäuden (Bürogebäude, Schulen usw.) wird die BKT ausschließlich oder zumindest überwiegend nachts geladen. Damit können Lastverläufe geglättet und Leistungsanforderungen teilweise zeitlich verschoben werden. Dies erlaubt zunächst Einsparungen bei der installierten Leistung der Versorgungsanlagen, jedoch ohne Gewinn an Energieeffizienz. Energiekosten und Umweltbelastung werden dann reduziert, wenn mit der Lastverschiebung der Einsatzbereich energetisch günstiger Versorgungssysteme und Betriebsweisen (z. B. Nutzung der Nachtkühle) erweitert wird.

TABS in Planung, Bau und Betrieb

Wie vorstehende Ausführungen zeigen, lässt sich aus thermoaktiven Bauteilsystemen dann ein maximaler Nutzen ziehen, wenn TABS, Baukonstruktion, Bauphysik, Technische Gebäudeausrüstung und Energieversorgung in einem ganzheitlichen, Gewerke übergreifenden Planungsprozess von Beginn an aufeinander abgestimmt sind.

Anfangs existierende Bedenken und Unsicherheiten hinsichtlich der Qualitätssicherung im Bauablauf lassen sich inzwischen durch entsprechendes Vorgehen ausräumen. Die verwendeten Materialien (sauerstoffdiffusionsdichte Rohre aus PE-Xa) haben sich bewährt, erfahrene Firmen haben den Bauablauf und die Qualitätssicherung bei der Erstellung von Massivbauteilen mit integrierten TABS im Griff. In Objektplanung, Ausschreibung, Ausführung und Inbetriebnahme zu beachten sind allerdings die Schnittstellen zwischen den beteiligten Gewerken. Häufig liefert heute der Rohbauer die mit Rohren versehenen Massivbauteile, an welche die ausführenden Firmen der Technischen Gebäudeausrüstung anschließen, deren Arbeit am Ende von der Gebäudeautomation komplettiert wird. Die Funktion von TABS hängt jedoch von allen Gewerken ab: »Rohre im Beton«, hydraulisch korrekte Anbindung und Versorgung derselben sowie korrekte Regelung und Betriebsführung. Zusätzlich müssen die Gebäudehülle und der raumbildende Ausbau den o. g. Anforderungen entsprechen.

Die bisherigen Praxiserfahrungen zeigen, dass die Funktion der Raumkühlung von TABS durchweg positiv zu bewerten ist. Bei üblicher Büronutzung und sogar in Klassenzimmern mit voller Rechnerausstattung überschreiten die sommerlichen Raumtemperaturen in der Regel kaum 25 bis 27 °C. Bei korrekt entworfenen und ausgeführten Systemen stellt auch der Heizfall kein Problem dar. Da dort Sollwert-Abweichungen der Raumtemperatur weniger toleriert werden als im Kühlfall, ist die Einregulierung der Anlage und ihrer Regelung für den Winterfall üblicherweise mit einer Lernphase verbunden, bei der vor allem Übergangszeiten und plötzliche Wetterumschwünge Herausforderungen darstellen. Bei ansonsten korrekter Planung und Ausführung des Systems lassen sich derartige Anfangsprobleme in der Regel durch Optimierung der Regelparameter bzw. Fehlerbehebung in der Programmierung beheben. Untersuchungen des tatsächlichen Energieverbrauchs für Heizung und Kühlung von Gebäuden mit TABS zeigen, dass die diesbezüglichen Erwartungen zwar häufig erfüllt werden, manche Gebäude die Ziele aber auch deutlich verfehlen. Derartige Probleme sind allerdings nicht den TABS selbst anzulasten, sondern vielmehr Planungs- und Ausführungsfehlern in anderen Bereichen oder einer Überforderung der TABS. Die Tatsache, dass TABS hohe Anforderungen an die Planungs- und Ausführungsqualität stellen, lässt häufig auch Mängel in der »konventionellen« Technik, mitunter auch in der Gebäudehülle, zu Tage treten, die bei herkömmlichen Systemen nicht oder »nur« durch einen erhöhten Energieverbrauch aufgefallen wären.


Autor: Roland Koenigsdorff

 

Den vollständigen Beitrag finden Sie in Opens external link in new windowDETAIL 6/2007 Energieeffiziente Architektur

 

Literaturtipp: BINE Onformationsdienst, Bonn (Hrsg.): Opens external link in new windowThermoaktive Bauteilsysteme

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