Nutzen des Speichervermögens von Betonbauteilen für die wirtschaftliche Klimatisierung von Gebäude - Teil 5a: Optimierung des Deckenquerschnitts mit Mehrfachfunktion
Die Bauteilaktivierung hat sich ihren Platz in der Bürowelt erobert. Verantwortlich für diese Entwicklung ist die heutige Notwendigkeit, die Büroräume nicht mehr nur zu heizen sondern aufgrund der wärmeren Sommermonate auch zu kühlen. Um diese Anforderungen optimal zu erfüllen, erfolgt die Klimatisierung über die Fläche, bevorzugt über die Decke. Denn nur mit diesem Bauteil gelingt eine effiziente Klimatisierung sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen. Gegenüber dem Fußboden und der Wand ist die Decke eindeutig bei diesen Bedürfnissen im Vorteil. Zudem steht die gesamte Fläche der Decke uneingeschränkt für die Übertragung der Wärmeenergie zur Verfügung, was bei dem Fußboden beziehungsweise der Wand nicht zutrifft.
Grenzen der klassischen Bauteilaktivierung
Aktuell werden bereits circa 33% der neu erstellten Büroflächen mit einer Bauteilaktivierung ausgestattet und weitere 36% setzen auf eine Kühldecke.
Der Anteil der Klimatisierung über die Deckenfläche beträgt somit ungefähr 70%. Anhand dieser Zahlen erkennt man sowohl die Beliebtheit der Bauteilaktivierung als effizientes Klimatisierungssystem, als auch deren Dilemma in Bezug auf die thermische Leistung und die Reaktionsfähigkeit. Denn nur so lässt sich der große Anteil der Kühldecke in den Büroneubauten erklären. Während die Bauteilaktivierung mit nur bescheidenen thermischen Leistungen und einer trägen Reaktionszeit aufwartet, überzeugt die Kühldecke mit gegenteiligen Eigenschaften. Allerdings ist die Kühldecke gemäß Ihrer Bezeichnung vorwiegend zum Kühlen geeignet. Die thermische Leistung, um die Räume zu beheizen bleibt gering und stellt damit keine sinnvolle Anwendung dar. Zudem ist die Steuerung der Kühldecke aufwendig, insbesondere wenn es um die Einzelraumregelung geht. Wie zuletzt berichtet, stehen bedingt leistungsfähige Alterativen in Form von Betondecke und abgehängten, vereinzelten Deckensegel zur Verfügung (siehe Teil-4: Ergänzungen zur Bauteilaktivierung zur Steigerung der Behaglichkeit).
Auch die in den letzten Jahren vermehrte Verwendung der oberflächennahen thermischen Aktivierung lässt die Notwendigkeit erkennen, die beliebte Bauteilaktivierung leistungsfähiger zu machen. Dieses Ziel wird zudem von den aktuellen Bedürfnissen der Nutzer bestimmt, die ein ausgesprochenes Wohlfühlklima in den Bürowelten benötigen, um die Motivation langfristig zu erhalten. Die thermische Aktivierung der ohnehin vorhandenen Bauteile ist und bleibt eine effiziente und ressourcenschonende Bauweise aufgrund der gleichzeitigen Verwendung vorhandener erneuerbarer Energien. Diese Technologie ist zudem auch außerordentlich wirtschaftlich, was sich bereits beim Kühlprozess nachvollziehen lässt. Denn die in wenigen Metern unter der Erdoberfläche konstante Temperatur von circa 10°C wird ohne weitere Aufbereitung nur über einen Wärmetauscher in dem Kühlkreislauf verwendet. Lediglich der Aufwand für die Pumpen ist erforderlich, um die durch das Erdreich abgekühlte Kühlflüssigkeit umzuwälzen. Die Beliebtheit der Baueilaktivierung lässt sich noch weiter steigern, wenn es gelingt, mit geeigneten Technologien die thermische Leistung zu steigern und die Trägheit des Systems zu überwinden.
Modifikation des Betonquerschnitts für eine leistungsfährige Bauteilaktivierung
Unabhängig von den bisherigen Alternativen zur Leistungssteigerung lässt sich auch ein Betonquerschnitt so modifizieren, dass eine höhere thermische Leistung möglich ist und die Reaktionsfähigkeit deutlich gesteigert wird. Anleihen für diese neue Entwicklung liefern die Erkenntnisse mit der oberflächennahen Bauteilaktivierung und die Erfahrungen mit abgehängten Segeln. Die große träge Masse des Betonquerschnitts und die Lage der Rohrleitungen in der Mitte des Querschnitts sind für das träge Reaktionsverhalten und die geringe thermische Leistung der klassischen Bauteilaktivierung verantwortlich. Durch die Auflösung des Vollquerschnitts in einen Sandwichquerschnitt gelingt es nicht nur die träge Betonmasse zu verringern, sondern auch die verbleibenden Massen voneinander zu entkoppeln. Schlussendlich verbleibt ein deutlich reduzierter Querschnitt für die Integration der Rohrleitungen übrig.
Denn ein Sandwichquerschnitt besteht aus zwei getrennten dünnen Schalen und nur wenigen diese Schalen verbindende Rippen. Aus statischer Sicht weist der Sandwichquerschnitt nahezu gleiche Eigenschaften wie der Vollquerschnitt auf. Die untere Schale wird für die Integration der Rohrleitungen genutzt. Die geringe die Rohrleitungen umgebende Masse und die oberflächennahe Anordnung der Rohrleitungen führen nunmehr zu der gewünschten Steigerung der thermischen Leistung und zur deutlichen Verbesserung der Reaktionszeiten. Der Hohlraum zwischen den beiden Schalen dient zugleich als Isolierung der getrennten Massen des Querschnitts, so dass keinerlei thermische Leistung an den oberen Rand des Querschnitts gelangt. Die Wärmeenergie bleibt dort wo sie gebraucht wird, am unteren Deckenrand, um die angeschlossenen Räume sowohl zu kühlen als auch zu heizen. Die Beschäftigung mit dem Sandwichquerschnitt, dessen statische Verwendung und die zugehörige und gezielte Anordnung der Rohrleitungen hat zu der Entwicklung eines leistungsfähigen Produkts geführt, welches unter der Bezeichnung Ceiltec firmiert.
Vergleich der Systeme der Bauteilaktivierung
Zur Verdeutlichung der jeweiligen Eigenschaften lohnt der Vergleich der drei aus dem Werkstoff Beton erstellten
Querschnitte und die zugehörige Anordnung der Rohrleitungen:
– Vollquerschnitt mit mittig angeordneten Rohrleitungen (klassische Bauteilaktivierung)
– Vollquerschnitt mit oberflächennaher Anordnung der Rohrleitungen
– Sandwichquerschnitt mit in der unteren Schaleangeordneten Rohrleitungen (Ceiltec)
Die zeitlichen Kurven für die thermische Leistung der drei Systeme zeigen den deutlichen Unterschied was die maximale Leistung betrifft, aber auch die Reaktionsgeschwindigkeit. Der Unterschied in der Reaktionszeit wird noch markanter. wenn die Leistungen der drei einzelnen Systeme auf den maximal möglichen Wert bezogen werden. Die beiden Systeme, die oberflächennahe Bauteilaktivierung und Ceiltec verhalten sich nahezu identisch. Der große Unterschied zu der klassischen Bauteilaktivierung ist unverkennbar. Ceiltec bietet eine attraktive Alternative zu den bislang bekannten Systemen der Bauteilaktivierung und weitere darüber hinaus gehende Vorteile insbesondere was die Steuerung angelangt. Aufgrund der hohen Leistungen und der schnellen Reaktionszeit ist nunmehr eine Einzelraumregelung überhaupt erst möglich. Zudem lassen sich die einzelnen Register parallel mit kaltem und warmem Wasser versorgen, was die Möglichkeit erlaubt, gleichzeitig zonenweise entweder zu kühlen oder zu heizen. Diese Optionen steigern die Leistungsfähigkeit der Bauteilaktivierung und verbessern somit schlussendlich den Komfort in den modernen Bürowelten.
Abgrenzung von Ceiltec zur Kühldecke
Ein Vergleich der drei Systeme mit Betonquerschnitt in Bezug auf die abgehängte Kühldecke ermöglicht eine weitere Einordnung der klassischen, der oberflächennahen und der Ceiltec-Bauteilaktivierung. Der Vergleich beinhaltet die Größe der thermischen Leistung, die Reaktionsfähigkeit sowie die Speicherfähigkeit. Eine Untersuchung an einer Betondecke mit einer im Hochbau üblichen Gesamthöhe von 0,30m und einer oberseitigen Isolierung mit gedämmtem Estrich wurde für die drei Systeme durchgeführt. Untersucht wurde das Kühlen eines Raums mit einer Temperatur von anfänglich 26°C. Die Kühlenergie wurde über den Zeitraum von 12 Stunden über die mit kaltem Wasser gefüllten Rohrleitungen dem Querschnitt beziehungsweise dem Kühlsegel zugeführt. Die Temperatur im Rohr beträgt 18°C. Anschließend verbleibt der Raum über einen Zeitraum von weiteren 12 Stunden ohne die weitere Zufuhr von Kühlenergie. Dabei erfolgt die Kühlung ausschließlich über die im Querschnitt gespeicherte Energie. Bei diesem Vergleich lassen sich die beiden relevanten Parameter, die Reaktionsgeschwindigkeit und die Speicherfähigkeit des Systems sehr deutlich aufzeigen.
Die folgenden Diagramme zeigen die Eigenschaften der vier Systeme:
– klassische Bauteilaktivierung
– oberflächennahe Bauteilaktivierung
– Ceiltec-Bauteilaktivierung mit Sandwichquerschnitt
– Kühldecke
Die Kühldecke zeigt die höchsten thermischen Leistungen beim Beladen mit Kühlenergie gefolgt von den beiden Systemen Oberflächennahe BKT und Cieltec. Die klassische Bauteilaktivierung zeigt nicht nur eine geringere thermische Leistung, sondern auch einen ausgeprägt trägen Verlauf bei der Geschwindigkeit. Auffallend ist auch der Leistungsverlauf der Systeme, wenn nur noch auf die gespeicherte Energie zurückgegriffen wird. Da die Kühldecke keine Speichermasse aufweist, fällt die Leistung sofort ab. Die anderen an die Betonmasse angekoppelten Systeme sind in der Lage, auch über einen Zeitraum von weiteren 12 Stunden Energie an den Raum abzugeben. Entsprechend der Masse fällt diese Abgabe mehr oder weniger stark aus. Diese Einschätzung lässt sich auch über die Oberflächentemperatur vornehmen bei sonst gleich bleibender Temperatur der Flüssigkeit im Rohr von 18°C. Bei der Kühldecke ist die Oberflächentemperatur identisch mit der Temperatur im Rohr, während bei der oberflächennahen Bauteilaktivierung die Temperatur circa 2°C höher ausfällt und bei der klassischen Bauteilaktivierung die Differenz um weitere 2°C höher beträgt. Das hat auch Auswirkungen auf die Tauwasserbildung bei zu geringen Temperaturen. Die Betonoberflächen sind entsprechend gutmütiger beziehungsweise robust, da die Temperatur an der Oberfläche immer höher ist als diejenige im Rohr.
Entsprechend niedrig kann die Vorlauftemperatur in den Rohrleitungen mit Betonumgebung ausfallen, um die thermische Leistung weiter zu steigern. Bei der ersichtlichen Temperaturdifferenz von 2° C lässt sich die Leistung um circa 20 Q/m2 steigern, wodurch die Gesamtleistung von Ceiltec Bauteiaktivierung derjenigen der Kühldecke entspricht. Somit sind mit dem modifizierten Betonquerschnitt in Form des Sandwichs Leistungen wie bei der Kühldecke möglich.
Nutzen der Speichermasse
Vielfach wird über die Speicherfähigkeit der Betonmasse für thermische Energie diskutiert. Dabei ist in den Gebäuden immer davon auszugehen, dass der Betonquerschnitt einer Decke oder Wand nur einseitig isoliert (Außendämmung, oder Estrich) ist, und die gegenüberliegende Seite ohne jegliche Isolierung für den Transfer der thermischen Energie in den Raum genutzt wird. Somit ist die Betrachtung der gesamten Energieströme auch von der Geschwindigkeit der gleichzeitigen Energieabgabe in den Raum bestimmt. Die Speicherfähigkeit und die Reaktionsfähigkeit der jeweiligen Systeme sind immer gemeinsam und in Summe zu betrachten. Setzt man die Werte für die Energieaufnahme, für die Energiespeicherung und für die Energieabgabe von einem üblichen Betonquerschnitt in Bezug zu den Werten der klassischen Bauteilaktivierung ergibt sich folgendes Bild. Das System Ceiltec mit dem Sandwichquerschnitt und den reduzierten Massen kann gegenüber dem Vollquerschnitt insgesamt circa 17% weniger Gesamtenergie aufnehmen. Ein Teil der aufgenommenen Energie wird direkt über die freie Seite an den Raum abgegeben. Dieser Anteil ist bei Ceiltec-Bauteilaktivierung am größten und liegt circa 70% über dem Wert der klassischen Bauteilaktivierung. Die Steuerung des Raumklimas erfolgt über Ceiltec-Bauteilaktivierung direkt und schnell in Verbindung mit der Zufuhr der Energie. Dadurch kann auch weniger Energie eingespeichert werden. Dieser Anteil beträgt nur circa 60% von demjenigen der klassischen Bauteilaktivierung. Anhand dieser Werte wird deutlich dass das Raumklima über die klassische Bauteilaktivierung nur sehr schwer zu steuern sein wird. Eine Regelung über die direkte Zufuhr der Energie in Form der Wasser gefüllten Rohrleitungen kann nicht greifen, da diese Energie mehrheitlich zuerst eingespeichert wird. Die Abgabe aus dem Speicher erfolgt mit einer zeitlichen Verzögerung von mehr als 6 Stunden, verglichen mit den beiden anderen Systemen der Bauteilaktivierung.
Schlussendlich bleibt primär die Wahl, ob eine rasche Reaktionszeit gewünscht wird, oder mehr Wert auf die Einspeicherung von thermischer Energie gelegt wird. Die deutlich schnelle Reaktionszeit bei Ceiltec-Bauteilaktivierung wiegt den Kompromiss bei der Speicherfähigkeit mehr als auf. Denn die Qualität des Wohlfühlklimas in modernen Bürowelten wird eindeutig über die Leistung und die Reaktionszeit der Klimatisierung bestimmt. Der Focus auf die Speicherfähigkeit stellt sich nicht bei Bürobauten, sondern eher bei Wohngebäuden. Wohnbauten kommen meist mit geringer Leistung aus und die Reaktionszeiten haben nicht die Bedeutung wie bei Büroräumen. Dagegen ist das Speichervermögen gefragt, insbesondere wenn es um das Heizen geht. Soll beispielsweise die frei zur Verfügung stehende Sonnenenergie für eine spätere Verwendung gespeichert werden, bieten sich massive Betonbauteile an. Zudem sollte dann auch dafür gesorgt werden, dass die Bauteile beidseitig gedämmt werden. Idealerweise gehören dazu die Bodenplatte und allenfalls noch die Kellerwände.
Fazit
Die Beliebtheit der thermischen Bauteilaktivierung lässt sich weiter steigern, indem der Betonquerschnitt durch eine Modifikation mehr Leistung bei gleichzeitig schneller Reaktionsgeschwindigkeit abgibt. Zu diesem Zweck ist der sonst übliche Vollbetonquerschnitt durch einen Sandwichquerschnitt zu ersetzen. Die derart reduzierten Betonmassen in Verbindung mit der oberflächennahen Anordnung der Rohrleitungen führen zu einer Leistungssteigerung und zu einer beschleunigten Reaktionsgeschwindigkeit. Mit dieser Veränderung dringt die Ceiltec-Bauteilaktivierung in Leistungsbereiche vor, die bislang nur der Kühldecke vorbehalten waren. Bei dem Entscheid für welches System, übernehmen die folgenden Parameter wie die Speicherfähigkeit, die Leistung, die Reaktionsgeschwindigkeit aber auch der Einfluss auf die Tragfähigkeit einen gewichtigen Anteil. Anhand einer Übersicht mit der entsprechenden Gewichtung der jeweiligen Eigenschaften kann sich der Planer rasch über die vielfältigen Möglichkeiten informieren.