Die thermische Bauteilaktivierung bietet die Möglichkeit, die Gebäudemasse als Energiespeicher zu nutzen. Generell unterscheidet man dabei zwischen luft- und wasserbasierten Systemen, wobei Concretcool ausschließlich mit Luft arbeitet. In beiden Fällen werden in Wänden, Decken oder Fußböden Rohrsysteme verlegt, durch die Luft oder Wasser strömt, die dem Bauteil Energie entziehen. Der Baustoff Beton eignet sich hierfür besonders gut, da er Wärme einerseits gut speichern und anderseits gut leiten kann.
Die im Bauteil eingespeicherte Energie wird aufgrund der Trägheit der Masse zeitverzögert zu einem energetisch sinnvolleren Zeitpunkt aus den Räumen abgeführt. Mit einer Bauteilaktivierung können Gebäude also auf eine besonders ressourcenschonende Art gekühlt werden.
Bild: Kiefer
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Zwei Vorteile
Mit der Betonkerntemperierung Concretcool besteht eine Variante, bei der Zuluft als Energieträger dient, die aus hygienischen Gründen sowieso benötigt wird. Erster Vorteil dieser Lösung ist, dass sich die Außenluft ohne weiteren Energieaufwand zur Kühlung des Gebäudes verwenden lässt. Denn die jährliche Durchschnittstemperatur der Außenluft liegt in Deutschland je nach Region zwischen 8 und 11 °C, ein Wert der ausreichend ist, freie Kühlung (Free Cooling) an rund 70 Prozent des Jahres zur direkten Kühlung von Betondecken zu nutzen.
Diese Kühlleistung gewinnt vor allem vor dem Hintergrund an Bedeutung, dass moderne Bürogebäude praktisch ganzjährig gekühlt werden müssen. Gültige Vorschriften wie EnEV und DIN 4108-7 können nur mit hohen Dämmwerten und dichten Gebäudehüllen eingehalten werden. Wärmeverluste sind selbst im tiefsten Winter vernachlässigbar, da interne Wärmequellen wie Personen, Beleuchtung, etc. mehr Energie abgeben als durch die Gebäudehülle verloren geht.
Als zweiter Grund spricht für Concretcool, dass die Technik nicht nur Gebäude durch Bauteilaktivierung temperiert, sondern gleichzeitig ein Lüftungssystem ist, dass die hygienisch erforderliche Mindestluftmenge bereitstellt.
Der Mindestaußenluftstrom ist nach DIN EN 16798 definiert und setzt sich zusammen aus einem Volumenstrom je Person und einem Volumenstrom je Quadratmeter Fläche, der die Schadstoffarmut des Gebäudes berücksichtigt. Entsprechend „dem vorausgesagten Prozentsatz Unzufriedener“ definiert die Norm vier Kategorien (I bis IV).
Die Verwendung der besten Kategorie I ermöglicht einerseits eine hohe Luftqualität und damit verbunden eine hohe Nutzerakzeptanz und stellt andererseits eine ausreichende Luftmenge für das „Entladen“ der in der Betondecke eingespeicherten Wärmeenergie sicher. Obwohl die stationäre Kühlleistung der Betonkerntemperierung üblicherweise nur im Bereich von 15 bis 25 W/m² liegt, können damit instationär aufgrund des Speichervermögens der Decke, zeitlich begrenzt, durchaus die heute üblichen Kühllasten von 30 bis 70 W/m² abgeführt werden.
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Funktionsweise ähnelt römischem Hypokaustum
Die Funktionsweise des Lüftungssystems ähnelt einem Hypokaustum, einer Warmluftheizung der alten Römer. Dabei werden massive Bauteile wie Wände, Fußböden oder Sitzbänke mit warmer Luft durchströmt. Während jedoch in der Antike außerhalb des Hauses liegende Brennöfen als Energiequelle dienten, wird hier das Kühlpotential der Außenluft verwendet, wodurch bis zu 50 Prozent des Energiebedarfs im Vergleich zu herkömmlichen Systemen mit Wasser als Energieträger eingespart werden können.
Liegt die Temperatur der Zuluft zwischen 10 °C und 16 °C, kann sie mit Concretcool im vollen Umfang für die Gebäudetemperierung genutzt werden. Die Funktionsweise ist einfach: Während die kalte Zuluft die Kühlrohre in der Betondecke durchströmt, entzieht sie dieser die Wärme und erwärmt sich dabei auf ca. 21 °C – ganz ohne Nacherhitzer. Bereits nach 6 bis 8 m im Kühlrohr hat sie nahezu Deckenkerntemperatur erreicht.
Der Wärmeentzug stellt die Bauteilkühlung dar. Verantwortlich für die gute Energieübertragung sind wärmeleitende Aluminiumrohre. Um einen Wärmeübertragungsgrad von 90 Prozent zu erreichen, sind ihre inneren Oberflächen durch Rippen nahezu vervierfacht. Aufgrund der großen Speicherkapazität der Betondecken reguliert sich dieser Vorgang von selbst, ohne größere Schwankungen der Zuluft-Temperatur.
Einfache Regulierung
Während andere Systeme aufwendige Regulierungsstrategien nutzen, auch mit der Berücksichtigung der Wettervorhersage der nächsten Tage, ist Concretcool ein Low-Tech-System mit einem einfachen Regulierungskonzept. Dieses besteht darin, die im Bauteil eingespeicherte Energiemenge in einem 24 h-Zyklus wieder abzuführen. Das heißt, liegt die Betonkerntemperatur zu Betriebsbeginn bei 22 °C, erreicht sie 24 h später wieder annährend den gleichen Wert. Dadurch lässt sich das „Aufschaukeln“ der Betonkerntemperatur im Wochenverlauf vermeiden, ein Effekt, der von Hitzeperioden in der eigenen Wohnung bekannt ist.
Und auch die Kühlleistung regelt sich nahezu von selbst. Analog zum Selbstregeleffekt einer Fußbodenheizung nimmt bei ansteigender Raumtemperatur auch die Kühlleistung der Betondecke ohne
zeitliche Verzögerungen zu. Betrieben wird die Anlage während der Nutzungszeit des Gebäudes. Wenn am Abend nach Ende der Nutzungszeit die im Tagesverlauf eingespeicherte Energie noch nicht komplett abgeführt wurde, wird die Anlage in den Morgenstunden vor Betriebsbeginn wieder eingeschaltet und so die Restwärme aus der Decke abgeführt. Dies sichert die Nutzung des energetisch günstigsten Temperaturniveaus der Außenluft in den kühlen Morgenstunden. Ein weiterer positiver Effekt der Betonkerntemperierung sind die niedrigen Betriebskosten durch hohe Energieeinsparung.
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Hoher Gesamtwärme-Rückgewinnungsgrad
In Verbindung mit dem System Concretcool lässt sich der Wärmerückgewinn des Gesamtsystems, also RLT-Anlage und Gebäude, auf über 95 Prozent steigern. Diese Werte gehen nicht nur deutlich
über die Anforderungen des EEWärmeG hinaus, sondern bewirken auch, dass das Haupteinsparpotential auf der Heizungsseite liegt. Die im Winter und in den Übergangszeiten auftretenden Wärmelasten werden nicht wie bei konventionellen Systemen direkt abgeführt, sondern wirken durch ihre Speicherung in der Decke einer unerwünschten Nachtauskühlung entgegen. In Verbindung mit Free Cooling spart man so also doppelt.
Größe, Lage und Einbau der Aluminium-Kühlrohre
Die Concretcool-Kühlrohre aus gut wärmeleitendem Aluminium gibt es mit Durchmessern von 60 und 80 mm. Der Durchmesser von 80 mm hat den Vorteil, dass die üblichen Mindestluftmengen achsweise ins Gebäude eingebracht werden können und gleichzeitig keine Probleme mit der Gebäudestatik entstehen. Verlegt werden die Kühlrohre nach Absprache mit dem Statiker in der statisch neutralen Zone der Betondecken zwischen oberer und unterer Bewehrung. Von statisch relevanten Punkten wie Stützen, Pfeilern und tragenden Wänden muss ein ausreichender Abstand eingehalten werden.
Befestigt sind die Kühlrohre, die auf Aluminiumstützen liegen, mit Kabelbindern an der unteren Bewehrung, wodurch sie beim Vergießen der Betondecke nicht aufschwimmen. Mit dem Rohrdurchmesser 80 mm eignet sich das System ohne statische Einschränkungen für Deckenstärken ab ca. 24 cm. Bei geringeren Deckenstärken ab ca. 20 cm steht zusätzlich der Rohrdurchmesser 60 mm zur Verfügung.
Concretcool eignet sich für Ortbetondecken ebenso wie für Filigran- und Fertigteildecken. Die Speicherkapazität beträgt bei üblichen Deckenstärken und Betonqualitäten ca. 165 bis 200 W/m²K. Aufgrund der Integration in die Betondecke setzt das Betonkernaktivierungssystem ein integrales Verfahren schon in frühen Planungsphasen voraus.
Lüftungskonzept für Schul- und Verwaltungsbauten
In Neubauten, in denen ohnehin eine Lüftungsanlage benötigt wird oder gar vorgeschrieben ist, ist die Kühlung der Decke mit Zuluft deutlich wirtschaftlicher und effektiver als Kühldecken mit Wasser. Ebenso spricht für eine Bauteilaktivierung mit Luft, dass wassergekühlte Decken ohne mechanische Lüftung nicht voll funktionsfähig sind. Denn gerade dann, wenn die Kühlung in Hitzeperioden am wichtigsten wäre, muss sie wegen Kondensationsgefahr abgeschaltet werden. Dies verstößt jedoch gegen die Arbeitsschutzrechtlinien, die eine stets gute Belüftung der Räume und eine Raumtemperatur nicht über 26 ° C einfordern. Aufgrund hoher Emissionsbelastungen ist in Innenstadtlagen die hygienische Frischluftzufuhr über Fensterlüftung sowieso nicht sinnvoll.
Ferner spricht für das System Concretcool, dass Bürogebäude heute hochtechnisiert sind und daher sowohl Bauherren als auch Planer wünschen, dass Luft anstatt Wasser durch die Decken strömt.
Diesem Aspekt kommt bei Museen oder Bibliotheken eine noch höhere Bedeutung zu, da ein Wasserschaden in solchen Gebäuden maximale Schäden nach sich ziehen würde.
Nicht zuletzt schätzen insbesondere Architekten, dass mit dem BTA-Lüftungssystem glatte Deckenansichten mit minimierter, möglichst unsichtbarer Technik realisierbar sind. Dabei lassen sich die flächenbündig in die Betondecken integrierten Luftauslässe des Herstellers auf das gestalterische Konzept des jeweiligen Bauvorhabens optisch anpassen.
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Bild: Kiefer / Kranich
