Die Folgen der Optimierung des Deckenquerschnitts auf die Steuerung des Raumklimas

Die bekanntesten Möglichkeiten zur individuellen Steuerung einzelner Zonen bietet die Fußbodenheizung für Wohngebäude. Die einzelnen Räume sind nicht zu groß, so dass pro Raum ein Kreislauf angeordnet wird. Jedes Register wird dann über eine Verlängerung der Rohrleitungen bis zu einem zentral angeordneten Heizverteiler geführt. Über die Ventile an dem Verteiler lassen sich dann der jeweilige Volumenstrom und damit die jeweilige Menge an thermischer Energie einstellen.

Die Beschränkung der Rohrlängen für ein Register auf ca. 100lfm ergibt sich aus den dann noch beherrschbaren Druckverlusten. Bei einem gegenseitigen Abstand der Rohrleitungen von 0,20m ergibt sich auf die Fläche bezogen eine Rohrlänge von 5 lfm/m2. Bei einer maximalen Beschränkung der Gesamtlänge resultieren daraus Flächen mit einer Größe von ca. 20m2, die mit einem Register abzudecken sind. I.d.R. sind die einzelnen Räume der Wohnbauten kleiner als diese Begrenzung. Für größere Räume sind dann entsprechend mehrere Register anzuordnen.

Allerdings müssen alle Rohrregister bis zu einer zentralen Stelle verlängert werden, was zu einer Konzentration von Leitungen innerhalb dieses zentralen Bereichs vor dem Verteiler führt. Oftmals handelt es sich um den Flurbereich, so dass dieser von den jeweiligen Zonen thermisch mit versorgt wird.

Alternativ dazu lassen sich die einzelnen Register über je eine Ringleitung für den Vorlauf bzw. Rücklauf ansteuern. Um eine gleichmäßige Versorgung aller Abgänge mit derselben thermischen Energie sicher zu stellen, wird diese Ringleitung nach dem Tichelman-Prinzip ausgeführt. Die Ringleitungen für den Vorlauf und für den Rücklauf sind so aufgebaut, dass das Register mit dem ersten Anschluss für den Vorlauf als letzter beim Rücklauf angeschlossen wird. Eine gleichmäßige Verteilung der thermischen Energie in allen Räumen ist gegeben und die sonst übliche Konzentration von Leitungen im Bereich des zentralen Verteilers bleibt aus. Bei diesem Prinzip braucht es keine Verteiler mehr, denn der Durchfluss wird entsprechend den geometrischen Randbedingungen des  Registers einmalig eingestellt. Größeren Komfort verspricht ein Ventil bei jedem Registerabgang in der Vorlaufleitung, welches den Volumenstrom und damit die thermische Leistung regelt. Die weitere Regelung erfolgt dann über das Thermostat und den zugehörigen elektrischen Impuls.

Die Trägheit des Systems wird bei allen vorgestellten Steuerungen in Kauf genommen.

Bei den Bürogebäuden orientiert sich eine mögliche Raumeinteilung an dem von der Planung vorgegebenen Achsraster und der Raumtiefe. Es geht somit nicht mehr um einzelne fest definierte Räume wie bei den Wohnbauten, sondern um die kleinste Einheit, das Achsraster. Einzelne Achsen werden je nach Bedarf zu einer größeren Einheit zusammengefasst. I.d.R. sollte sich die dann gebildete Einheit auch individuell regeln lassen. Veränderungen der Raumeinheiten durch Verschieben der Achsen müssen jederzeit möglich sein. Aufgrund dieser Vorgaben muss die einem Achsraster zugeordnete Fläche individuell regelbar sein.

Eine Regelung der thermischen Energiezufuhr macht nur dann Sinn, wenn die Veränderung auch rasch spürbar wird. Reagiert das System zu träge, bleibt der Wirkung der Regelung aus. Somit verbleibt die klassische Bauteilaktivierung ohne Regelung und deren thermische Leistung dient i.d.R. als eine Art Grundversorgung für die Räume. Soll die Raumtemperatur einer einzelnen Achse veränderbar sein, müssen zusätzliche Gerätschaften wie Heizkörper oder Kühlsegel vorgesehen werden. Allenfalls können einzelne Zonen bestehend aus mehreren Registern individuell geregelt werden, insbesondere wenn es darum geht, zonenweise zu Kühlen bzw. zu Heizen.

Die klassische Bauteilaktivierung (BKT) ist bekannt für ihr sehr träges Reaktionsverhalten und die geringe thermische Leistung. Aus diesem Grund scheidet eine individuelle Regulierbarkeit aus. Das Gegenteil ist derzeit der Fall, indem in Abhängigkeit von der Wettervorhersage zumindest versucht wird, die thermische Leistung an das zukünftige Wetter anzupassen. Derzeit sucht man nach Strategien, die Leistung einem Wetterumsturz anzupassen, um das träge Verhalten des Betonspeichers zu umgehen. Da das Wetter sich kurzfristig verändert, muss auch die Einflussnahme auf die Klimatisierung sehr rasch erfolgen.

Dabei ist man dann noch sehr weit von einer filigranen Steuerung entfernt. So ist es auch nicht sonderlich erstaunlich, dass die Anordnung der Rohrregister nach einem groben Layout erfolgt und deren Anschlüsse und Verbindungen sich ausschließlich an den technischen Bedingungen orientieren. Der Komfort bleibt dabei aussen vor.

Vorgefertigte auf einer leichten Bewehrungsmatte befestigte Rohrregister werden derart innerhalb der Deckenfläche verlegt, dass eine möglichst große Fläche abgedeckt wird. Aus Gründen der Handhabung weisen die vorgefertigten Einheiten geringe Abmessungen auf. Somit werden mehrere Einheiten zu einer Zone verbunden unter Beachtung der maximalen Rohrlänge. Der Anschluss der Register bzw. der Zonen erfolgt auf zwei Arten. Jede einzelne Zone wird über den Vor- und Rücklauf verlängert und bis zur Übergabe am Schacht geführt. Nachteilig wirkt sich die Konzentration der Leitungen in der Gasse zum Schacht aus. Auf diese Thematik wurde bereits bei der Verlegung der Rohrleitungen bei den Wohngebäuden hingewiesen. Am Schacht erfolgt die Zusammenführung aller Leitungen über einen Verteiler, der i.d.R. unterhalb der Decke angeordnet wird. Sofern gewünscht, ließen sich dann über Ventile zumindest die einzelnen Zonen in geringem Umfang regeln.

Alternativ lässt sich jedes Register nach dem Prinzip von Tichelmann anschließen. Die zugehörigen Ringleitungen können entweder in der Deckenkonstruktion oder auch innerhalb der späteren Flurzone unterhalb der Decke angeordnet werden. Dazu ist dann jeder Abgang aus der Decke nach unten zu führen. Bei dieser Ausführung kann zudem jeder Abgang mit einem Ventil versehen werden, um in begrenztem Umfang die thermischen Leistungen zu regeln. Diese Regelung ist bei der Anordnung der Leitungen innerhalb des Deckenquerschnitts nicht möglich, da die Ventile nur mit großem Aufwand in der Decke angeordnet werden können.

Dank der schnellen Reaktionszeit des Systems Ceiltec® eröffnen sich gänzlich neue Anwendungsmöglichkeiten für thermisch aktivierte Bauteile, um insbesondere die Bedürfnisse der Nutzer an moderne Bürogebäude abzudecken. Mit dieser Entwicklung  ist es möglich, die Abmessungen der einzelnen Rohrregister an das Achsraster anzupassen. Dank der Ausführung als Fertigteilelement, orientieren sich die Plattenabmessungen ebenfalls an dem Ausbauraster. Die jeweiligen auf die Achse bezogenen Register werden zur optimalen Steuerung an dezentrale Verteiler angeschlossen. Die Verteilerbalken werden in der Decke innerhalb einer Aussparungskiste angeordnet. Sobald die einzelnen Platten verlegt sind, werden die beiden Anschlüsse der Register bis zum Verteiler verlängert. Die jeweiligen Zuleitungen liegen innerhalb des Deckenhohlraums des Sandwichquerschnitts. Über die Ventile am Verteiler lässt sich nun jedes einzelne Register individuell steuern. Mithilfe einer im Aussparungskasten angeordneten Steuereinheit, werden die einzelnen Kreise je nach der Anordnung von mehreren Achsen zusammengeschlossen und dann als eine Einheit  gesamthaft angesteuert. Eine Veränderung der verbundenen Kreise kann jederzeit im Nachhinein über die Schalt- und Steuereinheit vorgenommen werden. Die Schalteinheit ist über einen Anschluss an das übergeordnete Netz der Gebäudeautomatisation angeschlossen.

Die verschiedenen in der Geschossfläche angeordneten dezentralen Verteiler werden über je zwei Zuleitungen vom Schacht aus versorgt. Mit Vorteil werden die vielen Zuleitungen vor der Übergabe an die Steigleitungen im Schacht über einen Sammelverteiler (vergleichbar mit einem Industrieverteiler mit großen Volumenströmen) gebündelt. Damit reduziert sich die Schnittstelle bei Schacht auf nur wenige Leitungen. Pro Schacht sind dann je nach Komfort nur zwei bzw. vier Leitungen anzuschließen.

Die Anordnung eines Sammelverteilers hat zudem den großen Vorteil, an dieser Stelle die Option für die Umschaltung von Heizen auf Kühlen anzuordnen. Bei der Vorhaltung von je zwei Verteilerbalken für das Kühlen und das Heizen, erfolgt hier die Umschaltung, so dass die einzelnen dezentralen Verteiler entweder mit kalten oder mit warmem Wasser versorgt werden. Bei der Planung sind somit bereits einzelne Zonen mit den zugehörigen Registern festzulegen, die unabhängig von den übrigen Zonen mit der ausgewählten thermischen Energie versorgt werden können. I.d.R. orientiert sich die Planung der Zonen an der Nord- Südausrichtung des Gebäudes.

Im Parallelbetrieb wird somit Heizen und Kühlen möglich, ohne dass jeder einzelne Verteiler mit einem Vierleitersystem angeschlossen wird. Der Vor- und der Rücklauf der umschaltbaren Sammelverteiler weist je zwei Verteilerbalken auf, um sowohl Kälte als auch Wärme bereitzustellen. Sofern nun ein dezentraler Verteiler entweder Kälte oder Wärme anfordert, erfolgt die jeweilige Zuteilung am Sammelverteiler. Mit dieser technischen Umsetzung wird auf sehr wirtschaftliche Weise die Option für den parallelen Betrieb von Heizen bzw. Kühlen realisiert. Eine noch größere Flexibilität, indem jedes einzelne Register unabhängig von den übrigen von Kälte auf Wärme umschaltbar bleibt, kann über die Ausstattung der dezentralen Verteiler realisiert werden. Zu diesem Zweck müssten dann jeder der dezentralen Verteiler mit jeweils vier anstelle von zwei Verteilerbalken analog der Anordnung im umschaltbaren Sammelverteiler ausgestattet werden. Diese mit hohen Kosten erkaufte Flexibilität macht jedoch aus praktischer Sicht wenig Sinn, denn niemand beabsichtigt, eine Achse kühlen und die direkt daneben liegende heizen wollen. In Anbetracht dieser Argumentation ist die gewählte Lösung mit einem umschaltbaren Sammelverteiler sehr wirtschaftlich und auch Praxis nahe. Der mit dieser Technik erzielbare Komfort entspricht den Bedürfnissen moderner Bürogebäude.

In Abstimmung mit der Gebäudetechnik kann nunmehr jede Achse einzeln gesteuert werden, indem über die Ventile am Verteiler mehr oder weniger Volumenstrom aktiviert wird. Ergänzend dazu kann die jeweilige Zone bestehend aus mehreren Registern in den Achsen entweder Kühlen oder Heizen. Die Montage und Inbetriebnahme der gesamten Klimatechnik innerhalb eines Geschosses gestaltet sich einfach und übersichtlich. Zudem sind alle Vorgänge durch ein hohes Qualitätsbewusstsein geprägt. Die einzelnen Register werden bereits im Werk auf Dichtigkeit geprüft. Eine Beschädigung der Rohrleitungen ist während der Montage nicht mehr möglich, da die Leitungen bereits einbetoniert sind. Mit der Verlängerung von Vor- und Rücklauf der einzelnen Kreisläufe und deren Anschluss an die dezentralen Verteiler kann erneut eine gesamte Zone auf Dichtigkeit geprüft werden, indem am Verteilerbalken der Druck für alle Leitungen angelegt wird. Konsequent erfolgt dann die Prüfung der Dichtigkeit für das Geschoss, nachdem alle dezentralen Verteiler am Sammelverteiler angeschlossen sind. Der Druck zur Prüfung der Dichtigkeit aller Leitungen wird auch während dem Betonieren der Decken aufrechterhalten. Darüberhinaus kann das gesamte Leitungsnetz über die gesamte Bauphase bis zum Anschluss an die Steigleitungen im Schacht unter Druck bleiben. Allfällige Beschädigungen werden dann sofort registriert.

Die thermische Aktivierung von tragenden Betonbauteilen bietet gesamthaft einen großen Vorteil. Über die freien Oberflächen der Räume erfolgt eine sanfte Klimatisierung ohne dass große Mengen an Luft umgewälzt werden. Die Wärmeübertragung infolge Strahlung anstelle Konvektion bedeutet einen hohen Komfort für den Benutzer aber auch eine hohe Wirtschaftlichkeit sowohl bei der Herstellung als auch im Betrieb. Die Vorzüge konnten bislang nur eingeschränkt genutzt werden, da mit der klassischen Bauteilaktivierung nur geringe Leistungen möglich waren und die Reaktionszeiten außerordentlich träge ausfallen. An die bei Klimaanlagen übliche individuelle Steuerung war unter diesen Eigenschaften nicht zu denken.

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Das wurde schlagartig mit dem System Ceiltec® verändert. Neu bietet dieses System hohe thermische Leistungen und eine sehr schnelle Reaktionszeit. Damit waren die Voraussetzungen für eine passende Steuerung gegeben. Die Basis für die weiteren Überlegungen zur Steuerung liefert die achsbezogene Anordnung der Register. Deren Anschluss an dezentrale Verteiler ermöglicht, jede Achse individuell zu regeln, aber auch über dem Verteiler zugehörige Steuerungseinheiten, mehrere Achsen zusammen zu fassen und nach Bedarf wieder zu verändern. Die konsequente Anbindung der einzelnen Verteiler an einen Sammelverteiler bietet weitere Vorzüge wie im parallelen Betrieb zu Heizen und zu Kühlen. Zudem wird die Schnittstelle gegenüber der Anbindung des Leitungsnetzes am Schacht vereinfacht.

Damit steht ein leistungsfähiges Klimasystem für die Anwendung in Wohn- und insbesondere in Nichtwohngebäuden zur Verfügung. Die Vorzüge der thermischen Aktivierung werden erweitert um eine höchst komfortable und individuelle Regelung.