DAHMIT Garagen- und Fertigbau GmbH Am Grünberg Neumarkt-Pölling

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1 DAHMIT Garagen- und Fertigbau GmbH Am Grünberg Neumarkt-Pölling Vorhaben: Entwicklung kapillarrohrbasierter Beton-Massivabsorber mit Doppelnutzen zur Umweltenergienutzung Abschlussbericht über ein FuE-Projekt, gefördert unter dem Aktenzeichen AZ von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt vorgelegt von: Josef Ludwig Brandl Nico Schlewitt Dr. Lutz Rautenberg Prof. Dr.-Ing. Frank U. Vogdt Prof. Dr.-Ing. Martin Kriegel Neumarkt-Pölling, den

2 06/02 Projektkennblatt der Deutschen Bundesstiftung Umwelt Az Referat 24/2 Fördersumme Antragstitel Stichworte Entwicklung kapillarrohrbasierter Beton-Massivabsorber mit Doppelnutzen zur Umweltenergienutzung (Phase 1) Massivabsorbertechnologie zur Nutzung in Wärmepumpensystemen Laufzeit Projektbeginn Projektende Projektphase(n) 6,5 (20,5) Monate (2) Zwischenberichte alle 6 Monate Kurzberichte Bewilligungsempfänger Dahmit Garagen- und Fertigbau GmbH Tel: 09181/ Am Grünberg 1 Fax 09181/ Neumarkt-Pölling Projektleitung Herr Josef Ludwig Brandl Bearbeiter Herr Josef Ludwig Brandl Kooperationspartner BeKa Heiz- und Kühlmatten GmbH, Pankstraße 8-10, Berlin Zielsetzung und Anlass des Vorhabens TU Berlin, Institut für Werkstoffwissenschaften und technologien, Polymertechnik (PTK), Straße des 17.Juni 135, Berlin TU Berlin, Institut für Bauingenieurwesen (Bauphysik), Gustav-Meyer-Allee 25, Berlin TU Berlin, Hermann-Rietschel-Institut (HRI), Marchstraße 4, Berlin Im Rahmen des Gesamtprojekts soll eine hocheffiziente Massivabsorbertechnologie zur Nutzung in Wärmepumpensystemen entwickelt und demonstriert werden, die in dünnwandigen Fertiggaragen aus Beton realisiert werden kann. Sie wirken als Wärmetauscher zu Umgebungsenergie und zugleich als Tag/Nacht Wärmespeicher (Doppelnutzen). Kapillarrohrmatten aus Kunststoff sind wesentlich billiger und von der Wärmeübertragung aus dem Betonvolumen besser geeignet als bisherige teuer montierte Rohrleitungen. Defizite in der Beständigkeit gegen Temperaturwechsel und gegen Medien im Herstellungsprozess (Frostschutz, Betonzusätze...) sowie in der Robustheit zu der rauen Behandlung auf Baustellen hemmen den breiten Einsatz. Durch einen geeigneten Kunststoff für die Kapillarrohrmatten sollen diese Probleme wesentlich entspannt werden (TU Berlin). Außerdem sind die Durchmesser der Sammelrohrleitungen noch zu groß und Abstandshalter sowie Deckleisten an den Abstandshaltern, die die Kapillarrohrmatte möglichst plan ausbilden, sind ungeeignet für Anwendungen in Wänden von Betonfertiggaragen. Diese müssen als Massenprodukt in Betonwandstärken von 6cm 12cm herstellbar (BeKa) und als Massivabsorber für Wärmepumpen funktional integrierbar sein (Dahmit). Durch optimierte Materialauswahl und Gestaltung der Betriebsweise soll die vermehrte Bildung von Grünalgen weitgehend unterdrückt werden. Das System soll auch zur Kühlung verwendbar sein, was insbesondere für Passivhäuser im Sommer und für Häuser in heißen Gegenden interessant ist. Durch Kombination mit einem Wärmespeicher im Boden der Garage hat man weitere Freiheitsgrade in der Speicherung von Tageswärme für die kältere Nacht und für das gezielte Aufheizen der Wände zur Entfernung von Feuchtigkeit. In der 1. Phase wurden im Rahmen von Voruntersuchungen, begleitet durch eine Literaturrecherche, zunächst die naheliegenden Lösungsansätze getestet und die entscheidenden Problemfelder untersucht: Grünalgenbildung und systemische Bewertung nach technischen und wirtschaftlichen Gesichtpunkten. 2

3 Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden 1. Arbeitspaket: Patent- und Technologierecherche (Dahmit, Beka, PTK) Theoretische Bewertungen von Lösungsoptionen (Bauphysik) Theoretische Vorbewertung von Alternativen (HRI) 2. Arbeitspaket: Voruntersuchungen, Tests (Alle Partner) 3. Arbeitspaket: Pflichtenheft Stop-or-Go (Alle Partner) Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau Osnabrück Tel 0541/ Fax 0541/ Ergebnisse und Diskussion Aus den Voruntersuchungen der DAHMIT Garagen- und Fertigbau GmbH resultierte, dass Fertiggaragen aus Beton vor dem Hintergrund einer kapillarrohrbasierten Massivabsorbertechnologie entwickelt werden können. Auch die Voruntersuchungen der BeKa Heiz- und Kühlmatten GmbH waren positiv. In Bezug auf die Anschlusstechnik müssten in der folgenden Phase des vorliegenden Projekts additive Untersuchungen durchgeführt werden. Nach Voruntersuchungen des Instituts für Werkstoffwissenschaften und technologien, Polymertechnik (PTK) der TU Berlin kann festgestellt werden, dass unter den Versuchsbedingungen der Kapillarenwerkstoff und auch die Kapillaren selber keinen Schaden genommen haben. Für die weiteren Arbeiten sind aber die mechanischen Beanspruchungen durch den fließenden Beton näher zu untersuchen. Die Anordnung der Kapillarmatten in einer Betonkonstruktion ist ebenfalls zu überlegen. Nach diesen Ergebnissen wäre der Einsatz von PP-R im Massivabsorber möglich, auf die Lage der Matten im Bauteil und den Abstand zwischen den Kapillaren muss aber noch näher eingegangen werden. Aus den Voruntersuchungen des Instituts f. Bauingenieurwesen (Bauphysik) der TU Berlin resultierte, dass geeignete Varianten existieren (Anwendung von Dickputz, Anwendung von IR- Anstrich, Anwendung von PCM-Putz, Anwendung von Konservierungsstoffhaltige als Beschichtung der Außenwandoberfläche), die in der folgenden Phase des vorliegenden Projekts additiv untersucht werden müssten. Die Voruntersuchungen des Hermann-Rietschel-Instituts (HRI) der TU Berlin zeigen, dass der Massivabsorber eine etwas geringere Jahresarbeitszahl im Vergleich zur Erdwärmepumpe und zur Luftwärmepumpe hat. Die Energiegarage hat Vorteile durch den Doppelnutzen, durch die Integration in die Garage und durch vermiedene Nachteile großer Erdabsorberflächen (eingeschränkte Bodennutzung, verzögerte Vegetation) bzw. gegenüber Nachteilen von Luftwärmepumpen (Lärm, Eisbildung, Platzbedarf). In Bezug auf die primärenergetische Betrachtung fallen alle betrachteten Systeme geringer aus als die Betrachtung mit Gas als Primärenergiequelle. Mit weiterer Senkung des Primärenergiefaktors durch vermehrten Einsatz von erneuerbarer Energie wird der Vorteil gegenüber konventionellen Heizsystemen noch deutlicher ausfallen. Das bedeutet, dass auch in fortführenden Simulationen unter Einbeziehung der Hilfsenergie mit besseren Primärenergiewerten des Massivabsorbersystems in Vergleich zur Primärenergie des Gassystems zu rechnen ist. Wird die Betrachtung auf eine Verflüssigungstemperatur von 40 C projiziert, dann fallen die Wärmepumpensysteme bei einem Primärenergiefaktor von 2,8 noch deutlicher unter die Primärenergie bei Anwendung von Gas als Primärenergiequelle, was nicht anders zu erwarten war. Wirtschaftlich ergeben sich bereits heute nach Abschätzungen der Fa. Waterkotte potenzielle Vorteile. Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation Bisher wurden keine Rechercheergebnisse oder Forschungsergebnisse veröffentlicht. Wir gehen davon aus, das noch weitere Arbeiten und Innovationen notwendig sind, um das Projekt in ein bis zwei Jahren marktgerecht vorstellen zu können. Im ersten Step der Öffentlichkeitsarbeit würden wir gerne in Fachzeitschriften für Bauwesen und Gebäudeausrüstung über unsere Ergebnisse berichten. Im zweiten Step würden wir das Produkt den Betonanwendern vorstellen. Es könnten Messen und Ausstellungen, die mit dem Thema regenerative Energien, Umweltenergie zu tun haben, besucht werden. Auch könnte im Musterhauspark für Fertigbau in Poing bei München eine Musteranlage aufgestellt werden. Dies könnte dann in anderen großen Städten fortgesetzt werden. Fazit Auch wenn in einer folgenden Phase des vorliegenden Projekts additive Untersuchungen notwendig wären, resultiert, vor dem Hintergrund dieser positiven technologischen Ergebnisse, aber auch der positiven Ergebnisse der in dem vorliegenden Abschlussbericht dargestellten ökonomischen und ökologischen Bewertung, ein positives Gesamtergebnis, so dass eine Chance, im Rahmen einer folgenden Phase, eine Fertiggarage aus Beton vor dem Hintergrund einer kapillarrohrbasierten Massivabsorbertechnologie zu entwickeln existiert. Dies führte zu einer Go -Entscheidung. Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau Osnabrück Tel 0541/ Fax 0541/

4 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis... 4 Abbildungsverzeichnis... 6 Tabellenverzeichnis... 8 Begriffs- und Definitionsverzeichnis Zusammenfassung Einleitung Arbeitsschritte DAHMIT Garagen- und Fertigbau GmbH AP 1: Patent und Technologierecherche AP 2: Voruntersuchungen, Tests AP 3: Pflichtenheft, Stop-or-Go BeKa Heiz- und Kühlmatten GmbH AP 1: Patent- und Technologierecherche AP 2: Voruntersuchungen AP 3: Pflichtenheft, Stop-or-Go TU Berlin, Institut für Werkstoffwissenschaften u. technologien, Polymertechnik (PTK) AP 1: Patent- und Technologierecherche AP 2: Voruntersuchungen AP 3: Pflichtenheft, Stop-or-Go TU Berlin, Institut für Bauingenieurwesen (Bauphysik) AP 1: Theoretische Bewertung von Lösungsoptionen AP 2: Voruntersuchungen AP 3: Pflichtenheft, Stop-or-Go TU Berlin, Hermann-Rietschel-Institut (HRI) AP 1: Theoretische Vorbewertung von Alternativen AP 2: Voruntersuchungen AP 3: Pflichtenheft, Stop-or-Go Ergebnisse und Diskussion DAHMIT Garagen- und Fertigbau GmbH Fließfähigkeit des Betons Entmischung Festigkeit Voruntersuchung zur Einbringung der Kapillarrohrmatten hinsichtlich der Sieblinie Konsistenz / Steifigkeit Betondeckung / Wandstärke Verhalten während Beheizung Schnittstelle zur Wärmepumpe Anschlussmöglichkeiten Anbringung der Armierung Pflichtenheft, Stop-or-Go BeKa Heiz- und Kühlmatten GmbH Extrudertechnik

5 Kapillarrohrschweißmaschinentechnik Eigenschaften der Kapillarrohrmatte Ermittlung und Prüfung der Anschlusstechnik Untersuchung verschiedener Kühlmittel Fixierung Tests zu neuen Materialien Pflichtenheft, Stop-or-Go TU Berlin, Institut für Werkstoffwissenschaften und technologien, Polymertechnik (PTK) FTIR-Analyse DSC-Analyse Zugprüfung Mikroskopische Charakterisierung Dichtigkeitsmessung Farbmessung Analyse und Diskussion der Ergebnisse Pflichtenheft, Stop-or-Go TU Berlin, Institut f. Bauingenieurwesen (Bauphysik) Zusammenfassung Start-Up-Simulation Ergebnisse Pflichtenheft, Stop-or-Go TU Berlin, Hermann-Rietschel-Institut (HRI) Definition der Vergleichs- und Randbedingungen Temperaturen Entzugsleistung Leistungszahl / Jahresarbeitszahl Variationsrechnungen Variation der Massivabsorberfläche: Massivabsorber mit zusätzlichem Pufferspeicher: Änderung der mittleren Geschwindigkeit in der Kapillare: Änderung der Verflüssigungstemperaturen mit und ohne Trinkwasser Primärenergetische Betrachtung Pflichtenheft, Stop-or-Go Ökologische, technologische und ökonomische Bewertung Maßnahmen zur Verbreitung der Vorhabensergebnisse Fazit Literaturverzeichnis Anhänge...68 Anhang 1: Simulation der Wärmepumpenheizung mit WP-OPT

6 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Schema der Heizung mit Massivabsorber [Pri95] Abbildung 2: Wärmespeicherfähigkeit und Leitfähigkeit in Abhängigkeit der Rohdichte für verschiedene Stoffe/Baustoffe. Beton weist für beides gute Werte auf [Pri95]) Abbildung 3: Zaunelement als Massivabsorber (18 cm Bauteilstärke ermöglicht beidseitigen Umweltwärmeentzug, folglich 10m² Absorberfläche pro Element) Abbildung 4: Herstellung eines Betonmassivabsorber im Betonwerk [Pri95] Abbildung 5: Siebliniendiagramm Größtkorn 16 mm Abbildung 6: Wandaufbau/Bewehrungsführung Seitenwand-Dach Abbildung 7: Bewehrung mit Abhebeanker für Kranmontage und Absorbermatte Abbildung 8: Bewehrung mit Abhebeanker Übersicht Abbildung 9: Kapillarrohrmatte nach dem probemäßigen Erhitzen an Stahlschalung Abbildung 10: Eingeführtes Sammelrohr in Übergabedose mit magnetischem Stöpsel zur Befestigung an der Schalungswand aus Stahl Abbildung 11: Übergabedose mit eingeführtem Sammelrohr an der Schalungswand aus Stahl befestigt Abbildung 12: Mögliche Verschraubungen für die Übergabepunkte Absorbermatte Rohrverbindungen zur Wärmepumpe Abbildung 13: Befestigung der Absorbermatte mittels Kabelbinder Abbildung 14: Kapillarrohrmatte an Bewehrung befestigt inkl. Kunststoff- Abstandhalter Abbildung 15: Kunststoff-Abstandhalter unterschiedlicher Größe zum zielsicheren Erreichen der Betondeckung Abbildung 16: Kapillarrohr mit Vierkantprofil Abbildung 17: Zugversuch Abbildung 18: flexibles Anschlussrohr Abbildung 19:FTIR-Spektrum von der Referenzprobe aus Polypropylen PP RA130E von Borealis Abbildung 20: FTIR-Spektrum von der Probe PP-70-4W-Woerment Abbildung 21: DSC-Analyse der Referenzprobe Abbildung 22: Kurvenverlauf der Zugprüfung der Probe PP-20-1W-Mischöl Abbildung 23: E-Modulwerte der verschiedenen Proben, die Fehlerbalken fehlen Abbildung 24: Untersuchung mit LM bei A) PP-Referenzprobe B) PP-70-4W- Mischung C) PP-70-4W-Festbeton Abbildung 25: Untersuchung mit LM bei A) PP-Stein Kalk-Drucktest B) PP- Steinmischung-Drucktest C) PPFrischbeton-Drucktest D) PP-Fließbeton- Schlagprüfung Abbildung 26: Untersuchung mit REM bei A) PP-Referenzprobe B) PP-70-4W- Glenium C) PP-70-4W-Mischöl D) PP-70-4W-Mischung E) PP-70-4W-Viscoguard F) PP-70-4W-Woerment Abbildung 27: REM-Untersuchung mit EDX für A) Referenzprobe B) PP-70-4W- Woerment C) PP-70-4W-Mischung Abbildung 28: Prüfkörper der Dichtprüfung von der Probe PP-70-4W-Festbeton Abbildung 29: Temperaturverlauf und relative Feuchte mit und ohne Absorber der Ostwand Abbildung 30: absoluter Wassergehalt mit und ohne Absorber in der Ostwand Abbildung 31: Temperaturverlauf und relative Feuchte mit und ohne Absorber der Südwand Abbildung 32: absoluter Wassergehalt mit und ohne Absorber in der Südwand

7 Abbildung 33: Temperaturverlauf und relative Feuchte mit und ohne Absorber der Westwand Abbildung 34: absoluter Wassergehalt mit und ohne Absorber in der Westwand Abbildung 35:Abmessung und Ausrichtung des Massivabsorbers Abbildung 36:Kapillarrohrmatte Quelle: BEKA Abbildung 37: Abbildung 38: Vergleich der Jahresarbeitszahl bei variierender Massivabsorberfläche Abbildung 39: Vergleich der Jahresarbeitszahl bei Integration von Pufferspeicher.. 57 Abbildung 40:Vergleich der Jahresarbeitszahl bei doppelter Kapillargeschwindigkeit Abbildung 41:Vergleich der Jahresarbeitszahl bei Änderung der Verflüssigungstemperatur mit und ohne Trinkwasserbedarf Abbildung 42:Primärenergieverlauf bei Änderung des Primärenergiefaktors (50 C Verflüssigungstemperatur) Abbildung 43:Primärenergieverlauf bei Änderung des Primärenergiefaktors (40 C Verflüssigungstemperatur) Abbildung 44: Betriebskostenvergleich Abbildung 45: Wirtschaftlichkeitsvergleich

8 Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Proben zur FTIR-Untersuchung Tabelle 2:Proben zur DSC-Untersuchung Tabelle 3:Zusammenfassung der DSC-Parameter Tabelle 4:Prüfparameter der Zugprüfung Tabelle 5: Proben zur mikroskopischen Charakterisierung Tabelle 6: Ergebnisse der REM-Untersuchung mit EDX zur Elementzusammensetzung von PP-Referenz; PP-70-4WMischung und PP-70-4W- Woerment an den verschiedenen Messpunkten aus Abbildung Tabelle 7: Ergebnisse der Farbmessung Tabelle 8: Übersicht der Flächen nach Orientierung und Anzahl integrierter Kapillarrohrmatten Tabelle 9: Tabelle 10: Ergebnisse der Berechnung der Jahresarbeitszahl Tabelle 11: Bruttoinvestitionskosten des Systems Wärmepumpe mit Massivabsorber Tabelle 12: Primärenergieeinsparung, abgeleitet aus WP-Opt-Berechnungen von Waterkotte (ohne Hilfsenergie der Wärmepumpe) Tabelle 13: Primärenergieeinsparung, abgeleitet aus WP-Opt-Berechnungen von Waterkotte (mit Hilfsenergie der Wärmepumpe) Tabelle 14: Primärenergieeinsparung (HRI) (ohne Hilfsenergie der Wärmepumpe) 63 8

9 Begriffs- und Definitionsverzeichnis DSC-Analyse EDX-Analyse EnEV Erd-WP EWG FTIR-Analyse IR-Anstrich LM Luft-WP PA PB PCM PE PET PO PP PP-R PVC PWG REM WUFI Thermische Analyse von Polymeren energiedispersive Röntgenmikroanalyse Energieeinsparverordnung Erdwärmepumpe Ethylen-Glykol-Wasser entspricht Infrarotspektroskopie Anstriche mit abgesenktem langwelligen Emissionsgrad Lichtmikroskopie Luftwärmepumpe Polyamid Polybuten Latentwärmespeicher Polyethylen Polyethylenterephthalat Propylenoxid Polypropylen Polypropylen-Random-Copolymer = Polymermaterial eines Zulieferers der Fa. BeKa Heiz- und Kühlmatten Polyvinylchlorid Propylen-Glykol-Wasser Rasterelektronenmikroskopie Programm des Fraunhofer IBP (Fraunhofer Institut für Bauphysik), mit dem im Rahmen des vorliegenden Projekts die Möglichkeit zur Modellierung des Massivabsorbers als Bestandteil der Außenwandbauteile erarbeitet wurde 9

10 1. Zusammenfassung Im Rahmen des Gesamtprojekts soll eine hocheffiziente Massivabsorbertechnologie zur Nutzung in Wärmepumpensystemen entwickelt und demonstriert werden, die in dünnwandigen Fertiggaragen aus Beton realisiert werden kann. Sie wirken als Wärmetauscher zu Umgebungsenergie und zugleich als Tag/Nacht Wärmespeicher (Doppelnutzen). Kapillarrohrmatten aus Kunststoff sind wesentlich billiger und von der Wärmeübertragung aus dem Betonvolumen besser geeignet als bisherige teuer montierte Rohrleitungen. Defizite in der Beständigkeit gegen Temperaturwechsel und gegen Medien im Herstellungsprozess (Frostschutz, Betonzusätze...) sowie in der Robustheit zu der rauen Behandlung auf Baustellen hemmen den breiten Einsatz. Durch einen geeigneten Kunststoff für die Kapillarrohrmatten sollen diese Probleme wesentlich entspannt werden (TU Berlin). Außerdem sind die Durchmesser der Sammelrohrleitungen noch zu groß und Abstandshalter sowie Deckleisten an den Abstandshaltern, die die Kapillarrohrmatte möglichst plan ausbilden, sind ungeeignet für Anwendungen in Wänden von Betonfertiggaragen. Diese müssen als Massenprodukt in Betonwandstärken von 6cm 12cm herstellbar (BeKa) und als Massivabsorber für Wärmepumpen funktional integrierbar sein (Dahmit). Durch optimierte Materialauswahl und Gestaltung der Betriebsweise soll die vermehrte Bildung von Grünalgen weitgehend unterdrückt werden. Das System soll auch zur Kühlung verwendbar sein, was insbesondere für Passivhäuser im Sommer und für Häuser in heißen Gegenden interessant ist. Durch Kombination mit einem Wärmespeicher im Boden der Garage hat man weitere Freiheitsgrade in der Speicherung von Tageswärme für die kältere Nacht und für das gezielte Aufheizen der Wände zur Entfernung von Feuchtigkeit. In der 1. Phase wurden im Rahmen von Voruntersuchungen, begleitet durch eine Literaturrecherche, zunächst die naheliegenden Lösungsansätze getestet und die entscheidenden Problemfelder untersucht werden: Grünalgenbildung und systemische Bewertung nach technischen und wirtschaftlichen Gesichtpunkten. Vor dem Hintergrund der positiven Ergebnisse, mündete dies dann in die Entscheidung Go über die Fortsetzung und Ausgestaltung des weiteren Projekts. In der 2. Phase sollten das Systemkonzept erarbeitet und optimiert, Umsetzungskonzepte erstellt, Werkstoffe, Konstruktionen und Fertigungstechnologien erarbeitet und in ersten Mustern realisiert werden. Dann sollte eine Testphase zur Optimierung folgen. Im Anschluss daran sollte ein Prototyp aufgebaut und getestet werden, abgerundet durch eine Optimierung. Parallel sollte das HRI eine Regelungsstrategie entwickeln. Zum Schluss sollte eine Phase der Feinoptimierung und Projektdokumentation mit Überarbeitung des Pflichtenheftes und Festlegung ggfs. noch offener Entwicklungsinhalte erfolgen. Diese Phase des vorliegenden Projekts wurde von der DAHMIT Garagen- und Fertigbau GmbH, der BeKa Heiz- und Kühlmatten GmbH, dem Institut für Werkstoffwissenschaften und technologien, Polymertechnik (PTK) der TU Berlin, dem Institut f. Bauingenieurwesen (Bauphysik) der TU Berlin und dem Hermann- Rietschel-Institut (HRI) der TU Berlin durchgeführt und von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt gefördert (Az: 29406). Für diese Förderung bedanken sich die Kooperationspartner des vorliegenden Projekts. 10

11 2. Einleitung Pro Jahr werden in Deutschland ca Betonfertiggaragen hergestellt. Wenn diese alle mit Massivabsorbern ausgestattet werden, würden nach erster grober Schätzung mindestens die Hälfte des Bedarfs an konventionellem Brennstoff eingespart werden können, also ca l Heizöl p.a. pro Garage, also ca. 49 Mio. Liter Heizöläquivalent p.a. Beim deutschen Strommix (575 g CO2/kWh) könnten bei einer Arbeitszahl von 4 CO2-Emissionen von Tonnen pro Jahr eingespart werden ( t bei 100% regenerativ). Durch Technologieexport kann allein europaweit ein Zehnfaches dieses Effektes erzielt werden. Da der Markt für die Fertiggaragen regional ist, wird Dahmit selbst nur einen kleineren Teil abdecken können. Wenn sich wie erwartet der Erfolg regional einstellt, wird das mit Sicherheit Schule machen und die Landschaft in Deutschland und Europa verändern. Massivabsorber sind massive Außenbauteile aus Beton, die innen mit Zirkulationsrohren durchzogen sind und mit der Umgebungsluft oder mit dem Erdreich bzw. dem Grundwasser im Wärmeaustausch stehen. Das Funktionsschema einer Wärmepumpenheizung mit Massivabsorbern zeigt Abbildung 1. Oberirdisch fungieren vorgefertigte, sich vertikal erstreckende Betonbauteile als Luft-, Regenwasser- und Strahlungsabsorber. Im Erdreich befinden sich horizontal ausgerichtete Betonabsorber als Massivspeicher, die dem Erdreich eingespeicherte Solarenergie entziehen. Der Wärmetransport bzw. -austausch erfolgt über eine in den einbetonierten Rohren zirkulierende Wärmeträgerflüssigkeit bzw. Sole (Wasser- Glykol-Gemisch). Diese bleibt auch bei sehr tiefen Temperaturen unter 0 C funktionstüchtig und steht mittels einer Umwälzpumpe im Wärmeaustausch mit dem Verdampfer der Wärmepumpe. Die Massivabsorbertechnik nutzt das hohe Wärmespeichervermögen und die gute Wärmeleitfähigkeit des Baustoffs Beton (Abbildung 2). In Wärmepumpenstillstandszeiten wird der Absorber aus der Luft mit Umweltenergie schnell wieder aufgeladen, so dass sich der Massivabsorber zügig regeneriert und erneut Umweltenergie zu Verfügung stellt. Abbildung 1: Schema der Heizung mit Massivabsorber [Pri95] 11

12 Abbildung 2: Wärmespeicherfähigkeit und Leitfähigkeit in Abhängigkeit der Rohdichte für verschiedene Stoffe/Baustoffe. Beton weist für beides gute Werte auf [Pri95]) Es existieren Massivabsorber als Carport-Wände, Energiezäune, Energiewände, Balkone, Energiesterne oder Energiestapel sowie als vorgehängte oder integrierte Fassadenelemente. Als besonderer Vorteil des Massivabsorbers gegenüber Luft- Sole-Wärmetauschern wird hervorgehoben, dass durch den Energiespeichereffekt des Betons ein Strombezug zu Hochtarifzeiten vermieden und mehr in Richtung Niedrigtarif geschoben werden kann. Oberirdische Betonbauteile wurden güteüberwacht im Herstellerwerk flach liegend produziert. Das erleichtert die Befüllung (Abbildung 4). Übliche werkgefertigte Massivabsorber haben eine Flächenausdehnung von 10m² und beinhalten 70 bis 80m Zirkulationsrohre (Abbildung 3, Abbildung 4). Die Rohre werden in Form einer Endlosschleife wie bei einer Fußbodenheizung auf den Bewehrungsmatten des Betonbauteils fixiert (Abb. 9 oben) und mit der Bewehrung in die Schalung eingelegt. Ein kleines Rohrstück von ca. 50 cm ragt sowohl als Vorlauf- als auch als Rücklaufleitung aus dem Fertigteil heraus. Abbildung 3: Zaunelement als Massivabsorber (18 cm Bauteilstärke ermöglicht beidseitigen Umweltwärmeentzug, folglich 10m² Absorberfläche pro Element) 12

13 Abbildung 4: Herstellung eines Betonmassivabsorber im Betonwerk [Pri95] Das oben beschriebene Herstellungsverfahren ist arbeitsintensiv und damit insbesondere für die Serienfertigung von Fertiggaragen zu teuer. Die Struktur dieser Rohrleitungen muss bis dato für jeden Absorber entsprechend aufgebaut (geschweißt, verschraubt) und mit Beton in eine Form eingegossen werden. Bei Fertiggaragen kommt hinzu, dass die Wände mit den Absorberleitungen senkrecht verfüllt werden, wodurch eine hohe mechanische Belastung auf die Rohrleitungen ausgeübt wird. Dies wird verschärft durch die geringe Wanddicke. Folglich gibt es bislang keine Fertiggaragen als Massivabsorber. Außerdem wird ein schnell härtender Beton eingesetzt. Im Rahmen des Gesamtprojekts soll eine hocheffiziente Massivabsorbertechnologie zur Nutzung in Wärmepumpensystemen entwickelt und demonstriert werden, die in dünnwandigen Fertiggaragen aus Beton realisiert werden kann. Sie wirken als Wärmetauscher zu Umgebungsenergie und zugleich als Tag/Nacht Wärmespeicher (Doppelnutzen). Kapillarrohrmatten aus Kunststoff sind wesentlich billiger und von der Wärmeübertragung aus dem Betonvolumen besser geeignet als bisherige teuer montierte Rohrleitungen. Defizite in der Beständigkeit gegen Temperaturwechsel und gegen Medien im Herstellungsprozess (Frostschutz, Betonzusätze...) sowie in der Robustheit zu der rauen Behandlung auf Baustellen hemmen den breiten Einsatz. Durch einen geeigneten Kunststoff für die Kapillarrohrmatten sollen diese Probleme wesentlich entspannt werden (TU Berlin). Außerdem sind die Durchmesser der Sammelrohrleitungen noch zu groß und Abstandshalter sowie Deckleisten an den Abstandshaltern, die die Kapillarrohrmatte möglichst plan ausbilden, sind ungeeignet 13

14 für Anwendungen in Wänden von Betonfertiggaragen. Diese müssen als Massenprodukt in Betonwandstärken von 6cm 12cm herstellbar (BeKa) und als Massivabsorber für Wärmepumpen funktional integrierbar sein (Dahmit). Durch optimierte Materialauswahl und Gestaltung der Betriebsweise soll die vermehrte Bildung von Grünalgen weitgehend unterdrückt werden. Das System soll auch zur Kühlung verwendbar sein, was insbesondere für Passivhäuser im Sommer und für Häuser in heißen Gegenden interessant ist. Durch Kombination mit einem Wärmespeicher im Boden der Garage hat man weitere Freiheitsgrade in der Speicherung von Tageswärme für die kältere Nacht und für das gezielte Aufheizen der Wände zur Entfernung von Feuchtigkeit. In der 1. Phase sollten innerhalb von 3 Monaten im Rahmen von Voruntersuchungen, begleitet durch eine Literaturrecherche, zunächst die naheliegenden Lösungsansätze getestet und die entscheidenden Problemfelder untersucht werden: Grünalgenbildung und systemische Bewertung nach technischen und wirtschaftlichen Gesichtpunkten. Dies mündet dann in einen Entscheidungspunkt über die Fortsetzung und Ausgestaltung des weiteren Projekts. Einige Partner konnten durch Personalbindung in anderen Projekten erst verzögert beginnen. Deshalb wurde eine Verlängerung der Phase 1 vom auf den nötig. 14

15 3. Arbeitsschritte 3.1. DAHMIT Garagen- und Fertigbau GmbH AP 1: Patent und Technologierecherche Erfassung Stand der Technik hinsichtlich Betonarten, Betoneigenschaften im Zusammenhang mit Energieaufladung o Wärmeübertragung (Aufnahme /Abgabe) o Speicherverhalten o Zwischenspeicherverhalten Übertragbarkeit auf andere Applikationen (Grundstücksmauer, Böden, etc.) Recherchen zu Lager- / Transport- und Montagetechnik Recherchen zu tragenden Rohrsystemen im Beton Durchführung Patentrecherche Auswertung und Aufbereitung der Rechercheergebnisse AP 2: Voruntersuchungen, Tests Produktionstechnische Anforderungen hinsichtlich der Betonverarbeitung o Fließfähigkeit o Entmischung o Festigkeit Voruntersuchungen zur Einbringung der Kapillarrohrmatten hinsichtlich o Sieblinie o Konsistenz o Steifigkeit Vorversuche Betonverhalten mit eingebrachter konventioneller Matte o Füllverhalten o Verhalten während Beheizung o Betonzusatzmittel Schnittstelle zur Wärmepumpe Anschlussmöglichkeiten Anbringung Armierung AP 3: Pflichtenheft, Stop-or-Go Erstellen eines gemeinsamen Pflichtenheftes 3.2. BeKa Heiz- und Kühlmatten GmbH AP 1: Patent- und Technologierecherche Erfassung Stand der Technik hinsichtlich: o Kapillarrohrsysteme / Massivabsorber o Herstellungsverfahren (mit oder ohne Nadel- und Kernstange) Erfassen der Einsatzbedingungen Schnittstellendefinition Weiterführende Literatur-, Normen- und Patentrecherche Auswertung der Recherchen 15

16 AP 2: Voruntersuchungen Welche Dimensionen/Geometrien von Halbwerkzeugen/Kapillaren können mit den Werkzeugen an den Extrudern realisiert werden? Voruntersuchungen zu Herstellungsverfahren und Fertigungsmaschinen (z.b. welche Maschinentechnik für stärkere Verschweißungen - mit oder ohne Nadelund Kernstange) Ermittlung und Prüfung der An-schlusstechnik o Lösung mittels Schweißen o Verbindung durch Schnellkupplung o Lösung mittels Pressen o Lösung mittels Schneidringverschraubung o Welche Anschluss- und Verbindungsmöglichkeiten sind für die Anwendung am besten geeignet? o Welche Eigenschaften müssen für die optimale Übertragungsleistung und dass Speicherverhalten erfüllt sein (Durchmesser des Kapillarrohres, Abstand zwischen den Kapillarrohren, Oberfläche, Einbau oberflächennah oder mittig, Design) Untersuchung verschiedener Kühlmittel Anforderungen aus den Verarbeitungsbedingungen im Beton (Umwelteinflüsse) Welche weiteren Komponenten werden benötigt? z.b. Positioniermittel zur Fixierung der Kapillarrohrmatte im Beton Stabilisatoren, Montagehilfen und Werkzeuge Vortests neuer Materialien AP 3: Pflichtenheft, Stop-or-Go Erstellen eines gemeinsamen Pflichtenheftes 3.3. TU Berlin, Institut für Werkstoffwissenschaften u. technologien, Polymertechnik (PTK) AP 1: Patent- und Technologierecherche Einsatz von Polymeren im Bereich der Wärmeübertragung o Beispiele Fußbodenheizung, Wärmetauscher o Langzeiterfahrungen, z.b. Schwimmbäder Stand der Technik: o Polypropylen in Verbindung mit Beton o Belastbarkeit von Polypropylen o Schläuchen/Kapillaren o Eigenschaften des Werkstoffes Polypropylen o Verhalten und Lebensdauer von Polypropylenschläuchen gegebenen Einsatzbedingungen Weiterführende Literatur- und Patentrecherche Markt- und Wettbewerbsrecherche Auswertung der Recherchen unter den AP 2: Voruntersuchungen Werkstoffanalyse- und Auswahl o Prüfen, ob bisher angewendeter Werkstoff eingesetzt werden kann o Prüfung des Einflusses der Temperatur (Temperaturbereich ist wesentlich breiter als in der Anwendung als Kühlmatte) 16

17 o Prüfung der Medienbeständigkeit gegen Beton und chem. Betonzusatzstoffe (ph) o Prüfung der Beständigkeit gegen Wärmeträgerflüssigkeit bei versch. Temperaturen Prinzipielle Prüfungen an vorhandenen Kapillaren o Einbetten von Kapillaren in Beton o Prüfung mechanisches Verhalten wie : o Verdichten des Betons durch Schwingungen, Rütteln, scharfkantige Zuschlagstoffe o Kontaktfläche Kapillare/ Beton, Wärmeübergang o Auswirkungen von Temperaturwechsel auf Kontakt o Einfluss verschied. Ausdehnungskoeffizient o Einfluss Betriebsdruck Materialanalyse und Werkstoffcharakterisierung der verwendeten Kunststoffe o Thermische und mechanische Analyse o Chemische und rheologische Analyse o Oberflächen Analyse, optische Analyse o Mikroskopische Analyse, weitere Analysen Konstruktionsanalyse o Geometrie, Biege- & Zugverhalten, Schweißverbindung, mechanische Einflüsse, innere Spannungen Eruieren produktionsbedingter Materialschäden und Schadensparameter (Druckstellen, Mikrorisse, abgeknickte Kapillare) Einfluss / WW Beton (Analyse Betonproben) AP 3: Pflichtenheft, Stop-or-Go Erstellen eines gemeinsamen Pflichtenheftes 3.4. TU Berlin, Institut für Bauingenieurwesen (Bauphysik) AP 1: Theoretische Bewertung von Lösungsoptionen Ermittlung der Rand- und Umweltbedingungen für biologischen Bewuchs an Bauteilen Erfassung des Stands der Wissenschaft bezüglich der Vermeidung von biologischem Bewuchs an Außenbauteilen o baukonstruktive Lösungen o bauphysikalische Lösungen o Schutzsysteme für Bauwerksoberflächen Vorläufige Problembewertung und Ermittlung von Lösungsoptionen Auswertung der Recherche AP 2: Voruntersuchungen Erste Simulationen zur Bewertung Ermittlung der bauphysikalischen Parameter der Lösungsstrategien o Feuchte o Temperaturen/ Oberflächentemperatur o Orientierung o Sonneneinstrahlung (Albedowerte) Vorläufige Problembewertung und Ermittlung von Lösungsoptionen 17

18 AP 3: Pflichtenheft, Stop-or-Go Erstellen eines gemeinsamen Pflichtenheftes 3.5. TU Berlin, Hermann-Rietschel-Institut (HRI) AP 1: Theoretische Vorbewertung von Alternativen Vertiefte Literaturrecherche Screening von Optionen Definition Vergleichsbedingungen / Anwendungsfällen Selektion von Alternativen AP 2: Voruntersuchungen Gebäude- / Anlagensimulationen zur systemtechnischen Bewertung o Tagesgangsimulationen o limitierende und typische Fälle Orientierende Jahressimulationen für verschiedene o Sonneneinstrahlungen, o Luftaustausch o lokales Klima o Bodenbeschaffenheiten o Bedarf / Nutzungsverhalten wirtschaftliche Abschätzung AP 3: Pflichtenheft, Stop-or-Go Erstellen eines gemeinsamen Pflichtenheftes 4. Ergebnisse und Diskussion 4.1. DAHMIT Garagen- und Fertigbau GmbH Um das Produkt wirtschaftlich herstellen zu können, ist es erforderlich, dass bewährte Standardprodukte als Träger genutzt werden können. Somit ergibt sich, dass der Beton konform mit der DIN EN DIN hergestellt werden soll. Die Rohdichte der verwendeten Betone hängt bekanntlich sehr stark von der Region ab, in der das Betonwerk angesiedelt ist. Die Rohdichten für Normalbeton schwanken in üblichen Bereichen von 2,1 kg/dm³ bis 2,3 kg/dm³. Bei diesen Rohdichten liegen die Wärmespeicherkapazität und die Wärmeleitfähigkeit relativ nahe bei einander. In unserem Betonwerk haben wir auch die Möglichkeit, Betone mit einer Rohdichte von minimal 1,8 kg/dm³ herzustellen. Diese Betone haben aber den Nachteil, dass die meist statisch geforderte Festigkeitsklasse von C30/37 nicht mehr erreicht werden kann. Die Aushärtezeit verlängert sich gravierend. Die Statik der Garagen müsste abgeändert werden. Zudem gelten andere Regeln im Brandverhalten. Die Wandstärken müssten im Bedarfsfall nochmals vergrößert werden. Zudem haben diese Betone ein erhöhtes Schwindverhalten. Dies führt zu vermehrten Rissen. Weiterhin sind diese Betone nicht frostfest herzustellen, was wiederum negativen Einfluss auf die Dauerhaftigkeit der Garage hat. Wir raten deshalb dringend davon ab, diese Betone großtechnisch zu verwenden, auch wenn dies zunächst anhand der Wärmeleitfähigkeit und Wärmespeicherkapazität naheliegend zu sein scheint. Bei genauerer Betrachtung, welche Betonteile für den 18

19 Einsatz als Massivabsorber im privaten Hausbereich geeignet sind, kommt lt. vorangegangenen Recherchen nur die Fertiggarage infrage. Der Einsatz als Gartenmauer oder Energiestein dürfte nicht flächendeckend realisierbar sein Fließfähigkeit des Betons Um Beton in Fertiggaragenschalungen (sehr dünne, stark bewehrte Wände) einzubringen ist es erforderlich, das Größtkorn der Betonsorte auf 16mm zu beschränken. Der Beton muss mindestens die Konsistenzklasse F5 (= fließfähig, Ausbreitmaß von 560 mm 620 mm) erfüllen. Im Idealfall sollte der Beton jedoch die Konsistenzklasse F6 (Ausbreitmaß >620 mm) besitzen. Unser Ansatz zur Verbesserung der Fließfähigkeit wäre, Kies als Zuschlag zu verwenden, da die runden Steine leichter und homogener fließen. Als Zementgehalt schlagen wir 380 kg/m³ vor. Der Einsatz eines Hochleistungsfließmittels bringt die notwendige Fließfähigkeit und dient als Erhärtungsbeschleuniger. Die Hochleistungsfließmittel lassen bei einer Betontemperatur von 15 C ca. 30 Minuten Verarbeitungszeit bis zum Ansteifen des Betons Entmischung Um Entmischung zu vermeiden empfehlen wir eine Rohdichteklasse von 2,3 kg/dm³. Bei dieser Mischung sind die Rohdichten der einzelnen Fraktionen sehr nahe bei einander und müssen nicht gesondert stabilisiert werden. Bei dieser Betonzusammensetzung handelt es sich um eine sehr gutmütige, leicht zu verarbeitende und sichere Rezeptur Festigkeit Gemäß Typenstatik ist eine Betonfestigkeit von C30/37 gefordert. Dies bedeutet eine Serienfestigkeit von 41 N/mm², ermittelt am Probewürfel. Die Produktion von Fertiggaragen wird fließbandähnlich durchgeführt. Hierbei ist es üblich, dass die Fertiggaragenschalungen mehrmals täglich belegt werden. Dies ist jedoch nur dadurch erreichbar, dass schnell reagierende, hochwertige Zemente zum Einsatz kommen. Um eine möglichst schnelle Frühfestigkeit zu erhalten werden die Zementsorten sehr fein aufgemahlen. Je kleiner die Zementteilchen sind, desto mehr Reaktionsfläche besitzen diese und umso schneller können sie untereinander eine Bindung erreichen, woraus ein schnelleres Erhärten des Betons resultiert. Diese Reaktionszeit kann durch Wärmezufuhr noch deutlich verkürzt werden. Da in Fertigteilwerken eine hohe Frühfestigkeit benötigt wird um kurze Ausschalzeiten zu erreichen, werden erhöhte Mengen Zement zugegeben. Diese erhöhten Zementmengen führen zu Überfestigkeiten. Diese haben den angenehmen Nebeneffekt, dass die Teile qualitativ sehr hochwertig werden. Somit ist dagegen aus unserer Sicht nichts einzuwenden. Sollten die Endfestigkeiten auf über 80 N/mm² ansteigen, so sind sie durch Zugabe von Luftporen nach oben zu begrenzen. Denn zu hohe Festigkeiten führen zu einem Verspröden der Betone. Schon kleine Bewegungen führen zu Haarrissen. 19

20 Voruntersuchung zur Einbringung der Kapillarrohrmatten hinsichtlich der Sieblinie Die Sieblinie zeigt auf, wie sich die Fraktion (Mehlkorn/Sand, Kies 4/8, Kies 8/16) in Gewichtsanteilen aufteilen. Nach der relevanten Norm sind 450 kg Mehlkorngehalt zulässig. Bei der von uns vorgeschlagenen Kies-Betonmischung sind 420 kg Mehlkorn vorhanden. Die Sieblinie wird gemäß Diagramm gewählt Abbildung 5: Siebliniendiagramm Größtkorn 16 mm Durch unsere langjährige Erfahrung gehen wir davon aus, dass diese Mischung aufgrund des vorliegenden Zementanteils die Kapillarrohrmatten sicher und sauber umhüllt und das wenige Lufteinschlüsse vorhanden sind Konsistenz / Steifigkeit Als Konsistenzklasse wird F6 gewählt. Diese Konsistenzklasse gewährleistet eine schnelle und verstopfungsfreie Betonage bei gleichzeitig guter Entlüftung Betondeckung / Wandstärke Beim Vorversuch, eine Kapillarrohrmatte probemäßig auf eine Standardbewehrung einer Fertiggarage aufzubringen wurde festgestellt, dass die 80mm-starken Wände zu dünn sind. Die Massivabsorber-Matten tragen ca. 20 mm auf. 20

21 Abbildung 6: Wandaufbau/Bewehrungsführung Seitenwand-Dach Würde man bei der üblichen Wandstärke von 80mm bleiben, führt dies zwangsläufig dazu, dass die Sammelleitungen sehr nahe an der Oberfläche der späteren Betonaußenwand liegen. Dies mag zwar bzgl. der geforderten Betondeckung nach DIN 1045 durchaus noch in Ordnung sein, dauerhaft ist diese Lösung jedoch nicht voranzutreiben. Wir würden bei einem späteren Versuch Garagen mit einer Wandstärke von 100 mm wählen. Auch bei einer Wandstärke von 100 mm kann es noch Probleme im Bereich der späteren Verankerungsbereiche der Abhebeanker für eine Autokranmontage geben. Hier behindern vermutlich 25 mm dicke Baustahlstangen, dass eine durchgehende Massivabsorbermatte der Größe 5,80 m x 2,40 m eingebaut werden kann. 21

22 Abbildung 7: Bewehrung mit Abhebeanker für Kranmontage und Absorbermatte Abbildung 8: Bewehrung mit Abhebeanker Übersicht Verhalten während Beheizung Bei unseren Vorversuchen haben wir ein Stück einer Massivabsorber-Matte auf einer Wärmeplatte auf 70 C erwärmt. Dieser Temperatur hielt das Material mühelos stand. Wir gehen davon aus, dass die Kapillarrohrmatte beim Einsatz in unseren auf 55 C aufgeheizten Garagenschalungen keinen Schaden nimmt. 22

23 Abbildung 9: Kapillarrohrmatte nach dem probemäßigen Erhitzen an Stahlschalung Schnittstelle zur Wärmepumpe Wir haben uns verschieden Ausführungen überlegt. Produktionstechnisch sind wir zu dem Ergebnis gekommen, dass die Massivabsorbersammelleitungen in bewährte Verteilerdosen, die eigentlich für Strom gedacht waren, eingeführt werden. Von dort aus können Verbindungsstücke/Eckwinkel auf die Sammelleitungen aufgesteckt werden. Diese Leitungen können dann in einem Kabelkanal optimal isoliert zur Wärmepumpe, die flexibel in der Garage oder im Keller des Hauses aufgestellt wird, geführt werden. Abbildung 10: Eingeführtes Sammelrohr in Übergabedose mit magnetischem Stöpsel zur Befestigung an der Schalungswand aus Stahl 23

24 Abbildung 11: Übergabedose mit eingeführtem Sammelrohr an der Schalungswand aus Stahl befestigt Anschlussmöglichkeiten Abbildung 12: Mögliche Verschraubungen für die Übergabepunkte Absorbermatte Rohrverbindungen zur Wärmepumpe 24

25 Anbringung der Armierung Die Bewehrung wurde bei uns wie üblich an der zentralen Bewehrungsfertigung vorgefertigt. Die Kapillarrohrmatte wurde anschließend mittels Kabelbinder an der Bewehrungsmatte festgezurrt. Wir haben diese Art der Befestigung gewählt, damit wir sichergehen können, dass die dünnen Kapillarmatten nicht durch Betonbindedrähte beschädigt werden. Abbildung 13: Befestigung der Absorbermatte mittels Kabelbinder Abbildung 14: Kapillarrohrmatte an Bewehrung befestigt inkl. Kunststoff-Abstandhalter 25

26 Abbildung 15: Kunststoff-Abstandhalter unterschiedlicher Größe zum zielsicheren Erreichen der Betondeckung Pflichtenheft, Stop-or-Go Während der ersten Phase des vorliegenden Projekts leitete die DAHMIT Garagenund Fertigbau GmbH kontinuierlich Anforderungen für ein Pflichtenheft ab. Das Projekt Fertiggarage als Massivabsorber ist nach weiteren Entwicklungsarbeiten zu Kapillarrohrmatten, Fertiggaragenbau mit Doppelnutzen und systemtechnischen Entwicklungen technisch und wirtschaftlich umsetzbar. Die technischen Möglichkeiten in einem auf die Produktion von Fertiggaragen spezialisierten Betonwerk wie dem von Dahmit lassen den Einbau nach einigen Tests und Modifikationen zielsicher zu. Weder die Betontechnologie, noch die Einbauvarianten oder die Montagetechnik verhindern dies. Mit der Firma Waterkotte, einem Wärmepumpen-Systemhaus, wurde ein Partner gefunden, der Dahmit und BeKa bei der Gesamtlösung komplettiert. Hieraus resultiert eine Go -Entscheidung BeKa Heiz- und Kühlmatten GmbH Die Kapillarrohrtechnik ist weit verbreitet und erprobt. Sie ist im Bereich der Flächentemperierung Stand der Technik. Auch innenliegende Betonfertigteile und Ortbetondecken, die keinen Umwelteinflüssen unterliegen, wurden erfolgreich mit Kapillarrohrmatten gefertigt und eingesetzt. Ebenso erfolgreich ist die Anwendung von Kapillarrohrmatten als Erdabsorber. Die Nutzung von Kapillarrohrmatten unter den im Projekt beschriebenen Bedingungen wurde bisher weder von BeKa noch von anderen Kapillarrohrmattenherstellern erprobt oder untersucht. Daraus ergibt sich ein technisches Restrisiko Eine grundsätzliche Eignung lässt sich allerdings aus den verschiedenen bisherigen Einsatzgebieten ableiten. Auch Beton-Fertiggaragen und Massivabsorbersysteme gehören zum Stand der Technik. Dabei wurden bei den bisher umgesetzten Bauprojekten Erfahrungen gemacht, welche eine Vielzahl an Vorteilen widerspiegeln aber auch genügend Aufgabenstellungen, die bisher ungeklärt sind, bereitstellen. Problemstellungen: 26

27 klares energetisches Konzept der Massivabsorbergarage zur Einbindung in ein Gesamtsystem (Nutzungsbereich, Voraussetzungen etc.) auch unter Berücksichtigung monovalenter Energieversorgung Vereisen des Absorbers Grünalgenbildung Vorteile: Kombinierbar mit Erdwärmesonden, Erdregistern und Solarkollektoren Auch für Heizen und Kühlen realisierbar bei hohen Rohrbelegungsdichten im Betonabsorber kann eine höhere spezifische Leistung gemessen werden. (Vorteil Kapillarrohrsystem) bei jedem Wetter, quasi überall verfügbar keine Brennstofflagerung, kein Gas, kein Schornstein Massivabsorbersysteme sind demnach zwar Stand der Technik jedoch basieren die vorhandenen Daten auf Messwerten von vor 15 Jahren. Es gibt einen erheblichen Bedarf diese Technologie mit dem aktuellen Stand der Technik aufzuarbeiten, nutzbar zu machen und Sie einem breiten Publikum zur Anwendung bereit zu stellen. Betonteile werden in großen Mengen sowieso hergestellt und haben somit erhebliches energetisches Potenzial. In Deutschland wird dieses Potenzial bisher nur geringfügig genutzt. Es besteht ein großer Handlungs- und Forschungsbedarf Extrudertechnik Bei BEKA werden Rohre und Kapillaren aus Polypropylen (PP-R) extrudiert. Es werden Dimensionen mit Außendurchmesser 3,30 25 mm realisiert. Kleinere Dimensionen sind fertigungsbedingt möglich. Ob die Maßhaltigkeit und Produktqualität bei Außendurchmessern <3,30 mm unverändert bleibt ist fraglich. Zusätzliche qualitätssichernde Maßnahmen sind wahrscheinlich. Die Grundsätzlich umsetzbaren Rohrdimensionen liegen zwischen 2 und 45 mm. Neben runden Geometrien (Rohre) ist auch die Extrusion von Profilen möglich. Hierfür müsste dementsprechend ein Anpassung und Erweiterung der Extruderanlage erfolgen. Grundsätzlich kommen für die Extrusion bei BEKA nur Thermoplaste in Frage. Die Extrusion von Elastomeren oder gar Duroplasten erfordert veränderte Anlagen, da das Extrudat überwiegend durch Wärmebehandlung vernetzt (vulkanisiert) wird. Die Verwendung anderer Thermoplaste verlangt nach veränderten Schneckengeometrien. Ein Austausch und damit auch der Einsatz anderer Thermoplasten ist möglich. (Details siehe Auswahl zu Materialien) Die Herstellung der Halbzeuge für Kapillarohrmatten für die Massivabsorber-Garage ist innerhalb des beschriebenen Rahmens möglich Kapillarrohrschweißmaschinentechnik Die Kapillarrohrschweißtechnik ist die Schlüsseltechnologie und steht an erster Stelle in der Wertschöpfungskette bei der Herstellung von Kapillarrohrmatten. Bisher werden Sammelrohre mit 10 oder 20 mm Außendurchmesser mit Kapillarrohren 3,35 mm und 4,5 mm Außendurchmesser verschweißt. Diese Abmaße sind 27

28 maschinentechnisch maßgeblich durch 3 Werkzeuge, welche an den Maschinen austauschbar sind, definiert. Die Sammelrohrheizung, die Kapillarrohrheizung und die Klemmbacken. Hinzu kommen Zusammenhänge zwischen Schweißtemperatur und Schweißmasse, welche die Dimensionierung der Halbzeuge nach unten begrenzen. Geometrisch sind für die Sammler verschiedene Formen denkbar. Allerdings sind Rohre die idealen Halbzeuge für Druckführende Leitungen und daher, soweit keine anderen zutreffenden Gründe vorliegen, zu bevorzugen. Probeschweißungen mit Vierkantrohren in den Dimensionen 16 x 10 mm haben gezeigt, dass auch andere Geometrien grundsätzlich verschweißbar sind (Abbildung 16). Abbildung 16: Kapillarrohr mit Vierkantprofil Die Verschweißung anderer Materialien wie Polypropylen darf als kritisch betrachtet werden. Polypropylen hat gegenüber anderen Materialien einen ganz entscheidenden Vorteil des Aufquellens bei definierter Wärmeeinwirkung. Dieser Effekt wird bei dem heutigen Fertigungsverfahren der Kapillarrohrmatten ausgenutzt. Für die Nutzung der gleichen Schweißtechnik kommen nur wenige ausgewählte Kunststoffe in Frage. Andernfalls muss die bisherige Schweißtechnik vollkommen neue konzipiert werden. Dies wäre ein Innovationssprung. Allerdings gibt es heute auch einige technische Polypropylene die im Rahmen weiterer Versuche und in Zusammenarbeit mit dem Institut für Polymerforschung zu untersuchen sind Eigenschaften der Kapillarrohrmatte Die Anforderungen an die Kapillarrohrmatten wurden in AP 1 beschreiben. Soweit wie möglich, wurden Voruntersuchungen durchgeführt, um die Erfüllung von Anforderungen abzusichern. In Zusammenarbeit mit dem Fachgebiet Polymertechnik der TU Berlin wurden dazu verschiedenen Zug- Schlag und Druckversuche durchgeführt. Mit äußerst positiven Ergebnissen, was die Widerstandsfähigkeit der Kapillarrohre und die der gesamten Matte betrifft. Im Zugversuch konnte eine Abreißkraft je Kapillar von ca. 18 kg ermittelt werden (Abbildung 17). Nach Interpolation verschiedener Testreihen ergibt sich eine hohe Zugfestigkeit der Kapillarrohrmatte. In einem zweiten Testverfahren wurden Kapillarrohrmatten mit bis zu 250 kg gespannt und Längenausdehnung gemessen. Es wurde eine geringe Dehnung, ausschließlich im elastischen Bereich festgestellt. Die Druckfestigkeit 28

29 entsprechend der DIN 8078 ist bereits in vielen Tests bestätigt worden und stellt keinerlei Gefährdung für das Projekt da. Abbildung 17: Zugversuch Die Schlagzähigkeit ist differenzierter zu Betrachten. Bei 20 C Umgebungstemperatur liegt diese mit 20KJ/m² in einem Bereich, indem Verletzungen, auch durch grobe Betonzuschlagsstoffe, kaum zu erwarten sind. Dies ändert sich mit sinkenden Temperaturen, bis bei 0 C eine Schlagzähigkeit von 3,5 KJ/m² erreicht wird. In diesem Zustand ist das Polypropylen der Kapillarrohrmatte spröde und anfällig für Schlagverletzungen. Aufgrund des Wissens um die Verarbeitungsbedingungen im Betonwerk DAHMIT sollten die Montagetemperaturen 10 C nicht unterschreiten bzw. keine schlagenden Einflüsse auf die Kapillarrohre ausgeübt werden. Für das Eingießen in Betonschalungen ist die Kapillarrohrmatte der Serie-P grundsätzlich gut geeignet Ermittlung und Prüfung der Anschlusstechnik Die bisherige Anschlusstechnik muss teilweise grundlegend überdacht und nach den Anforderungen des Fertigungsprozesses ausgerichtet werden. Diese Anforderungen sind: Schnelle und einfache Verarbeitung bei der Montage (auch von nicht Fachleuten) Sicherheit (keine Beschädigung durch Druck oder Beton) Flexibilität Gut Positionierbar Die Statik nicht beeinflussend Aus den bisherigen Erfahrungen haben sich Steckkupplungen als ideale Lösung für eine schnelle Montage herausgestellt. Ihr dauerhafter Einsatz in Beton ist allerdings fraglich, da die Dichtungen in den Kupplungen stark durch das Alkaliklima im Beton beschädigt werden können. Zudem sind Steckkupplungen oft platzintensiv und starr 29