Büro- und Gewerbegebäude werden heute ganzjährig und meist mit einem Flächentemperiersystem temperiert. Weitverbreitet sind industriell vorgefertigte Klimadeckensysteme, die im Winter heizen und im Sommer kühlen. Anders als herkömmliche, rein luftgeführte Klimaanlagen nutzen Klimadecken Wasser als Wärmeträger, temperieren den Raum vorwiegend durch Abgabe oder Aufnahme von Infrarotstrahlung und arbeiten geräuschlos und nahezu ohne Luftbewegung. Sie zeichnensich im Vergleich zu luftbasierten Systemen durch einen erheblich geringeren Platzbedarf aus und bewirken eine große thermische Behaglichkeit. Generell erreichen Klimadecken eine höhere Energieeffizienz als rein luftgeführte Klimaanlagen. Wie leistungsfähig und energieeffizient jedoch eine Klimadecke im Einzelfall ist, hängt von ihrer Konstruktion und den verbauten Werkstoffen ab.
Bessere Wärmeverteilung durch Graphitwerkstoffe
Letztlich entscheidet der Wärmetransport innerhalb des gesamten Klimadeckensystems also in den aktiven Elementen sowie in der Beplankung oder in den Kassettenabdeckungen über die spezifische Leistung der Klimadecke. Günstig wirkt sich aus, wenn sich an der raumseitigen Oberfläche der Deckenelemente innerhalb möglichst kurzer Zeit eine homogene Oberflächentemperatur einstellt. Im Kühlfall soll die aus dem Raum aufgenommene Wärme möglichst schnell und vollständig von der raumzugewandten Deckenoberfläche in das Temperierwasser übergehen; im Heizfall soll der Wärmetransport möglichst ungehindert in umgekehrter Richtung erfolgen, also vom Wasser in den Innenraum.
Gewöhnliche mineralische Baustoffe begrenzen infolge ihrer niedrigen Wärmeleitfähigkeit die spezifische Leistung des Klimadeckensystems. Aus diesem Grund können etwa Standard-Gipskartonplatten nur begrenzt zur Beplankung der aktiven Heiz- und Kühlelemente einer Klimadecke verwendet werden. In herkömmlichen Klimadeckensystemen werden Wärmeleitbleche eingesetzt, um die Verteilung der Wärme zu verbessern. Hierbei müssen Nachteile in Kauf genommen werden. So erhöht sich zum Beispiel der Montageaufwand; im Falle einer perforierten raumseitigen Abdeckung der Elemente verringern die Bleche den positiven Effekt auf die Raumakustik, der mit einer solchen Abdeckung prinzipiell möglich ist. Hinzu kommt, dass die Wärmeleitbleche das Deckengewicht erhöhen, was in der Statik der Unterkonstruktion berücksichtigt werden muss. Abhilfe schaffen Werkstoffe aus expandiertem Naturgraphit, die unter dem Markennamen Ecophit (Hersteller: SGL Lindner) erhältlich sind. In Klimadecken unterstützen diese Werkstoffe eine schnelle und gleichmäßige Verteilung der Wärme.
Ausgangsmaterial von Ecophit ist Naturgraphit, der in einem mehrstufigen Prozess zu anwendungstauglichen Graphitwerkstoffen verarbeitet wird. So wird der zunächst in Form voluminöser, würmchenartiger Flocken anfallende expandierte Graphit ohne Bindemittelzusatz beispielsweise zu selbsttragenden Leichtbauplatten komprimiert. Diese zeichnen sich bereits bei niedriger Rohdichte durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit parallel zur Plattenoberfläche aus. Zudem sind die Leichtbauplatten kompressibel und passen sich gut an feste Oberflächen an. Daher können etwa Rohrmäander vollständig eingepresst werden, wobei Rohr und Graphitplatte einen festen und dauerhaften Verbund bilden. In diesem Verbund ist der Wärmeübergang zwischen dem Wärmeträgermedium Wasser und der Graphitplatte nahezu perfekt; auch koppelt eine Graphitplatte thermisch gut an die Deckenelemente an und kühlt oder erwärmt diese gleichmäßig über die gesamte Fläche.
Das Graphit-Expandat kann auch ohne Bindemittelzusatz zu Folien verarbeitet werden. Ein Mahlgut solcher Folien ein Granulat aus Ecophit eignet sich als Additiv zur Modifizierung anderer Materialien. So fertigt die Saint-Gobain Rigips GmbH Gipskartonplatten, deren Gipskern ein solches Graphitgranulat enthält. Ohne die guten Grundeigenschaften der Gipskartonplatten zu verschlechtern, verbessert dieser Zusatz die Wärmeleitfähigkeit der Platten um den Faktor 3. Diese graphitmodifizierten Gipsplatten (Rigips Climafit) eignen sich (unter anderem) gut zur Beplankung der aktiven Elemente von Klimadecken.
Führende Anbieter aus der Klimatechnik-Branche haben leistungsfähige Klimadeckensysteme entwickelt und auf den Markt gebracht, in denen Graphitplatten-Kupferrohr-Verbundsysteme als aktive Elemente genutzt werden (Bild 1). Bei unverändertem Rohrabstand erreichen diese Elemente eine höhere spezifische Leistung und eine größere Dynamik, als die in herkömmlicher Bauweise hergestellten Heiz- und Kühlelemente. Hinsichtlich der Energieeffizienz resultieren daraus zwei Vorteile: Erstens können mit Ecophit ausgestattete Systeme bei moderaten Vorlauftemperaturen betrieben werden, was die Nutzung regenerativer Energiequellen erleichtert und die Betriebskosten reduziert. Zweitens lassen sich die Klimadecken sehr schnell bedarfsgerecht regeln: Die gewünschte operative Raumtemperatur stellt sich innerhalb kürzester Zeit ein der Raum braucht nicht fortwährend auf einem bestimmten Temperaturniveau gehalten zu werden.
Aktuelle Studie zum Nachweisder Effizienzsteigerung
In einer gemeinsam durchgeführten wissenschaftlichen Studie bestätigen das Ingenieurbüro Hausladen GmbH, Kirchheim bei München, und das Ingenieurbüro Prof. Dr. Hauser GmbH, Kassel, die positive Wirkung von Ecophit. Anhand einer thermischen Gebäudesimulation untersuchten die Autoren die Leistungsfähigkeit einer fugenlosen Gipskartonplatten-Klimadecke, deren Kühlelemente aus Graphit-Leichtbauplatten mit integrierten Kupferrohren bestanden und die mit einer graphitmodifizierten Gipskartonplatte verkleidet wurde. Als Referenz-Klimadeckediente eine fugenlose Gipskartonplatten-Klimadecke mit Aluminiumleitprofilen und eingepressten Kupferrohren, die mit einer in der Wärmeleitfähigkeit verbesserten Gipskartonplatte verkleidet wurde.
Bilder 2 + 3 zeigen schematisch den Aufbau der untersuchten Klimadecken. In der mit Ecophit ausgestatteten Klimadecke wurden Graphitplatten-Kupferrohr-Kühlelemente verbaut, deren Graphit-Leichtbauplatten parallel zur Plattenebene eine Wärmeleitfähigkeit von 18,0 W/(Km) und senkrecht zur Plattenebene eine Wärmeleitfähigkeit von 7,0 W/(Km) aufwiesen. Die Kühl- und Heizelemente lagen auf graphitmodifizierten Gipskartonplatten [Wärmeleitfähigkeit 0,52 W/(Km)] auf und wurden durch die Metallprofile der Deckenunterkonstruktion auf die Gipskartonplatten gedrückt. Bei der Referenz-Klimadecke lagen Wärmeleitbleche mit eingepressten Kupferrohrenauf Gipskartonplatten hoher Rohdichte Wärmeleitfähigkeit 0,3 W/(Km)] auf, die zwischen den aktiven Elementen an Halteschienen verschraubt waren.
Die mit der Software TRNSYS 17.1 durchgeführte dynamische Simulation basiert auf dem Modell eines typischen Bürogebäudes, das aus drei Raumtypen aufgebaut wurde. Die Räume hatten identische Grundflächen, identische Fensterflächenanteile und identische außenliegende Wärmedämmungen, unterschieden sich aber in ihrer Ausrichtung und zum Teil hinsichtlich ihrer Nutzung (Großraumbüro West, Großraumbüro Ost und Besprechungsraum West). Die Randbedingungen der Simulation wurden an die einschlägigen Normen angelehnt. Als Wetterrandbedingungen dienten die Klimadaten der Norddeutschen Tiefebene für ein durchschnittliches Testreferenzjahr und für ein Testreferenzjahr mit extrem warmem Sommer.
Die Studie betrachtete die Temperaturverläufe und den Verlauf des Energiebedarfs für die Kühlung über ein Jahr, wobei mehrere Varianten gerechnet wurden. Neben dem Klimadeckentyp, dem Testreferenzjahr und dem Raumtyp wurden noch die hygienisch notwendige Mindestlüftung (mechanische versus natürliche Lüftung) sowie im Falle des mit Ecophit ausgestatteten Systems zusätzlich die Belegungsdichte (der Anteil der Deckenfläche, die mit thermisch aktivierten Elementen belegt ist) und die Vorlauftemperatur des Kühlwassers variiert. Ausgangspunkte waren eine Belegungsdichte von 70 Prozent und eine Vorlauftemperatur von 16 °C.
Ergebnisse der Gebäudesimulation
Unter den gewählten Randbedingungen wird der thermische Komfort in den untersuchten Räumen in erster Linie von der operativen Raumtemperatur bestimmt: Je seltener vorgegebene Soll-Raumtemperaturen im Jahresverlauf überschritten werden, desto behaglicher empfinden Personen den Aufenthalt in den Räumen. Als Maß für den erzielten thermischen Komfort zogen die Autoren der Studie daher die Häufigkeit und die Höhe der Übertemperaturstunden heran.
Für die Kälteerzeugung gingen die Autoren von einer Kältemaschine mit Scroll-Verdichter aus. Berechnet wurden der Bedarf an elektrischer Energie, der zum Betrieb der Kältemaschine notwendig ist, sowie die energetische Effizienz der Kältemaschine anhand der Nennkälteleistungszahl (EER) und der Jahreskälteleistungszahl (SEER). Im Falle der mit Ecophit ausgestatteten Klimadecke variierten die Autoren bei der Effizienzberechnung auch die Vorlauftemperatur des Kühlwassers. Für die Kälteerzeugung wurden die Ergebnisse der thermischen Simulation auf ein fiktives Bürogebäude hochgerechnet, das 45 Prozent westorientierte Büroräume, fünf Prozent westorientierte Besprechungsräume und 50 Prozent ostorientierte Büros auf insgesamt 5000 m² Nutzfläche enthält.
Die zentralen Ergebnisse der Studie
Graphitbaustoffe steigern den thermischen Komfort. Bei der Simulation des Temperaturverlaufs zeigte sich, dass die Häufigkeit und die Höhe der Solltemperatur-Überschreitungen bei dem Klimadeckensystem, das mit Ecophit ausgestattet ist, kleiner als beim Referenzsystem sind. Bei gleicher Belegungsdichte sorgt das System mit den Graphit-Kupferrohr-Elementen besser als das Referenzsystem dafür, dass der Raum im Sommer angenehm temperiert bleibt. So ist die Anzahl der Stunden, in denen die empfundene Raumtemperatur 26 °C übersteigt, beim Ecophit-System sowohl beim normalen (Bild 4) als auch beim Extremsommer erheblich niedriger (Bild 5) als beim Referenzsystem der sommerliche Komfort ist somit höher.
Niedrigere Investitionskosten und größere Gestaltungsfreiheit mit Graphitbaustoffen. Die Klimadecke mit Ecophit bietet bei einer um rund 15 Prozent geringeren Belegungsdichte den gleichen sommerlichen Komfort wie die Referenz-Klimadecke, in der 70 Prozent der Deckenfläche mit Kühlelementen ausgestattet sind (Bild 6). Dies kann zu niedrigeren Investitionskosten führen, da ein größerer Anteil der Deckenfläche passiv bleiben kann. Auch ergibt sich so eine größere Freiheit für die architektonische Deckengestaltung und für eine Belegung der Decke mit anderer Technik.
Graphitbaustoffe erhöhen die Energieeffizienz. Klimadecken mit Graphit-Leichtbauplatten können im Kühlfall bei höherer Vorlauftemperatur betrieben werden als herkömmliche Klimadecken und erzielen dabei den gleichen thermischen Komfort. In der Simulationsvariante durchschnittlicher Sommerund natürliche Lüftung etwa konnte die Vorlauftemperatur bei der Klimadecke mit Ecophit um 2,5 K auf 18,5 K erhöht werden, ohne dass dadurch mehr Übertemperatur-Stunden verursacht wurden (Bild 7). Die höhere Vorlauftemperatur steigert die Energieeffizienz der Kälteerzeugung um fünf bis acht Prozent (Bild 8) und verringert die Gefahr, dass der Taupunkt unterschritten wird.
Fazit
Mit ihrer exzellenten thermischen Leitfähigkeit optimieren die als Ecophit kommerziell erhältlichen Graphitwerkstoffe den Wärmetransport in Klimadecken. Sie erschließen erstens das Energie- und damit das Betriebskosten-Einsparpotenzial, das Klimadecken prinzipiell bieten, sich aber mit herkömmlichen Werkstoffen nur begrenzt nutzen lässt. Sie ermöglichen zweitens einen besonders hohen thermischen Komfort und erweitern drittens den architektonischen Gestaltungsspielraum. In der Praxis bewähren sich mit Ecophit ausgestattete Klimadecken seit Jahren weltweit in diversen kommerziellen Projekten. Jetzt liefert die von den renommierten Ingenieurbüros Hausladen und Hauser erarbeitete Studie einen wissenschaftlich fundierten Beleg für die Vorteile, die sich durch den Einsatz von Graphitwerkstoffen ergeben. -
