Mit diesem Beitrag soll ein Einblick

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1 Baukerntemperierung Möglichkeiten und Grenzen Die thermische Aktivierung von Böden bzw. Decken in Bürogebäuden zur Kühlung und zur Beheizung solcher Bauwerke stößt in jüngster Zeit bei Architekten, Bauherren und Fachplanern auf Interesse. Die Ursachen liegen in erster Linie in dem großen Kostesparpotential und der Möglichkeit der energetisch besonders günstigen, nächtlichen Rückkühlung. Nach [1] werden bereits für ein Drittel aller Neubauten sogenannte Thermoaktive Decken vorgesehen. Prof. Dr.-Ing. Gerhard Hausladen, Dipl.-Ing. Ludwig Langer Ingenieurbüro Hausladen GmbH, Kirchheim Mit diesem Beitrag soll ein Einblick in die vielfältigen, mit dem System Thermoaktive Decke verbundenen Fragestellungen sowie deren Lösung gegeben werden. Eine intensive Auseinandersetzung mit dem Thema erscheint aufgrund der (noch) nicht existierenden Dimensionierungsregeln und der komplexen physikalischen Vorgänge dringend erforderlich. Nur auf diesem Weg können Planungsfehler vermieden werden. Dies ist wiederum Voraussetzung, um in der Öffentlichkeit ein positives Bild über das ökonomisch und ökologisch vielversprechende System Thermoaktive Decke entstehen zu lassen. Das Prinzip Die Beheizung und die Kühlung insbesondere von Bürogebäuden erfolgt in der Regel über seperate Systeme wie zum Beispiel Heizkörper und Kühldecke. Die Temperierung der Bauteile, insbesondere der Betondecke, ermöglicht es, beide Funktionen in einem System zusammenzuführen. Charakteristisch für eine solche Bauteilheizung bzw. Bauteilkühlung ist die Wärmeabgabe (Heizen) und -aufnahme (Kühlen) über die Fußboden- und die Deckenfläche. Die Temperierung des Deckenaufbaus erfolgt über im Bauteil verlegte, wasserdurchströmte Rohrschlangen. Diese können sowohl in der Betonplatte als auch im Estrich eingegossen sein. Bild 1: Thermoaktive Decke Rohrschlangen auf der Bodenplatte vor dem Eingießen in den Verbundestrich Einbausituation Da bei der Baukerntemperierung generell ein Wärmestrom von den wasserführenden Leitungen zur Fußboden- und Deckenoberfläche (Heizfall) bzw. in umgekehrter Richtung (Kühlfall) vorliegt, erweisen sich jegliche Schichten mit hohen Wärmedurchgangswiderständen als Einschränkung der Leistungsfähigkeit. Hohe Wärmedurchgangswiderstände resultieren aus abgehängten Decken, aus Teppich- oder Parkettböden oder auch aus der Trittschalldämmung. Der Deckenaufbau ist bezüglich der Wärmedurchgangswiderstände zu optimieren. Übernimmt ein gut dämpfender Bodenbelag wie ein Teppichboden den Trittschallschutz, kann u. U. auf eine zusätzliche Trittschalldämmung verzichtet werden. Eine akzeptable Raumakustik kann statt mit abgehängten Decken auch mit frei schwebenden Akustikpaneelen erreicht werden. Rechenmodell Für die Dimensionierung und die Regelung der Thermoaktiven Decke existieren heute noch keine allgemein gültigen Re TAB 6/2 55

2 geln wie beispielsweise für die Auslegung von Heizkörpern. Die Berechnung der thermischen Vorgänge in der Decke und im Raum werden mit dynamischen Simulationsprogrammen durchgeführt. Mit diesen können reale oder fiktive Wetterszenarien und Belegungsprofile des Gebäudes nachgefahren werden. Die Be- und Entladung der Speichermasse sowie die Wärmeabgabe an den Raum (Heizen) bzw. die Wärmeaufnahme aus dem Raum (Kühlen) lässt sich modellieren und berechnen. Ein spezielles Modul für die Berechnung der thermischen Abläufe im Bodenaufbau ermöglicht mit Hilfe eines Finite-Differenzen-Verfahrens die Abbildung der dreidimensionalen Wärmeleitvorgänge. Die Physik Die Auslegung einer Bauteilheizung bzw. einer Bauteilkühlung erfordert ein grundsätzliches Verständnis der physikalischen Vorgänge in dem temperierten Bauteil sowie im Gebäude. Die große Speichermasse und die damit verbundene thermische Trägheit solcher Systeme bergen ein nicht zu unterschätzendes Fehlerpotential. Die falsche Auslegung kann im Sommer zu Überhitzung sowie zu Behaglichtkeitsproblemen führen. In der Übergangszeit besteht die Gefahr, dass Räume mit geringen inneren oder solaren Lasten nicht ausreichend beheizt werden, während Räume mit hohen Lasten überhitzen. Die Speichermassen der Thermoaktiven Decke werden genutzt, um den Raum zu heizen und zu kühlen. Die Temperierung erfolgt über in der Bodenplatte oder im Estrich verlegte Rohrschlangen. Die Thermoaktive Decke unterscheidet sich von allen gängigen Heiz- und Kühlsystemen durch deren große thermische Trägheit. So benötigt die Decke bei schnellen Lastwechseln einige Stunden, bis sie auf die neuen Randbedingungen eingeschwungen ist. Beispielhaft für einen warmen Sommertag ist in Bild 2 das typische Temperaturverhalten eines mit der Thermoaktiven Decke ausgestatteten Büros aufgezeigt. Bild 2 zeigt dabei drei klare Tage mit hohen solaren Einstrahlungswerten. Die steigt deutlich über 3 C. Die Raumtemperatur in dem typischen Büroraum klettert im Laufe des Tages bis auf etwa 28 C. Sie liegt damit während der Belegung zwischen 2 und Wärmestrom [W] Temperatur [ C] Raumtemperatur innere Last Büro 2 m 2 innere Last 15 W/m 2 solare Last 25 W/m 2 Belegung 8 bis 18 Uhr Fensterlüftung Luftwechselraten während Belegung 1,5 1/h zusätzlich Infiltration,2 1/h Fensterflächenanteil 4 % Orientierung West außenliegender Sonnenschutz September 2. September Tabelle 1: Randbedingungen solare Last 3. September Bild 2: Thermoaktive Decke Raumtemperaturverlauf im Sommer 4 K unter der. Überschüssige Wärmemengen, hervorgerufen durch solare Einstrahlung und innere Lasten, werden in den Böden und Decken zwischengespeichert und bewirken einen Anstieg der mittleren Deckentemperatur. Mit diesem Temperaturanstieg erfolgt parallel der Anstieg der operativen Raumtemperatur, welcher jedoch durch die Speichermassen stark gedämpft wird. Der Abtransport der überschüssigen Wärmemenge erfolgt kontinuierlich rund um die Uhr. Es lässt sich feststellen, dass die Begrenzung der Raumtemperatur für die mit raumlufttechnischen Anlagen ausgestatteten Gebäude nach DIN 1946 Teil 2 geltende Maximaltemperatur von 26 C (bei en größer als 3 C : 27 C) mit dem System Thermoaktive Decke in der Regel nicht eingehalten werden kann. Die vorgefundene Situation, tagsüber Raumtemperaturen deutlich unter der Außenlufttemperatur vorzutreffen, wird vom Nutzer aber trotzdem noch als angenehm empfunden. Eine Raumtemperatur von bis zu 28 C erscheint akzeptabel. Anhand des in Bild 2 betrachteten Raumes sowie der entsprechenden Randbedingungen werden die Raumtemperaturen bei unterschiedlichen Kühlstrategien in Bild 3 gegenübergestellt: Ohne Kühlung steigen die Raumtemperaturen auf über 3 C, die vom Nutzer als unbehaglich empfunden werden. Das System Thermoaktive Decke ist in der Lage, die Raumtemperatur deutlich unter der Außenluft zu halten und damit noch behagliche Verhältnisse zu gewährleisten. Mit einer Vollklimatisierung lässt sich eine beliebige Raumtemperatur einstellen. Die maximale Leistung des Systems Thermoaktive Decke hängt u. a. von der jeweiligen Einbaulage der Rohrschlangen, vom Verlegeabstand, vom Durchsatz sowie von den Vorlauftemperaturen ab. Die angegebenen Zahlenwerte geben die Grenzen an, die bei Berücksichtigung allgemein gültiger technischer Regeln unter Einhaltung der Behaglichkeit erreicht werden können. Die Heizleistung der Thermoaktiven Decke reicht aus, um den Transmissionswärmebedarf nach heutigem Standard gedämmter Bürogebäude mit einem Fensterflächenanteil von bis etwa 7 % zu decken. Der Lüftungswärmebedarf kann beispielsweise von einer Lüftungsanlage aufgebracht werden. Die Regelung Aufgrund der großen thermischen Trägheit der Thermoaktiven Decke muss deren Temperierung eine speziell an die Charakteristik des Systems angepasste 56 TAB 6/

3 [W/m 2 ] Temperatur [ C] Raumtemperatur ohne Kühlung Raumtemperatur mit thermoaktiver Decke Raumtemperatur mit Vollklimatisierung solare Einstrahlung Fassade (West) September 2. September 3. September Bild 3: Vergleich von Kühlstrategien Thermoaktive Decke in Bereitschaft. Dieser Zustand wird im Flow-Chart in Bild 5 mit Aus beschrieben. Um auch in der Betriebsweise Aus die nötige Information über den Zustand der Thermoaktiven Decke zu erhalten und damit bei Bedarf zum Zustand Heizen oder Kühlen zurück zu gelangen, wird ein auf einem Bruchteil des Auslegungsmassenstroms reduzierter Durchsatz gefahren. Da die Durchströmungsgeschwindigkeit klein ist, nimmt das Wasser in den Rohren in diesem Betriebszustand nahezu die Temperatur der Decke an. Unterschreitet die Rücklauftemperatur t R = 21, C, so ist dies ein Indiz für eine notwendige Beheizung des Raumes, die maximale Leistung Kühlfall 3 4 W/m 2 Heizfall 25 3 W/m 2 Tabelle 2: Heiz- und Kühlleistungen -12 C +2 C heizen +32 C +26 C kühlen heizen Start. Aus m= 1 % +22 C +22 C Regelung übernehmen. Eine dem System nicht entsprechende Regelung kann aufgrund der großen Totzeiten nicht durch kurzfristiges Gegensteuern kompensiert werden. Eine vorausschauende oder prognosegesteuerte Regelung vermag zu starken Absinken oder Ansteigen der Raumtemperatur entgegenwirken. Wetterprognosen, aktuelle Wetterdaten und auch Belegungsdichten können zur Festlegung der Durchströmung und der gewählten Vorlauftemperaturen dienen. Diese Methode beinhaltet das Risiko, dass sich bei nicht korrekter Prognose die im Vorfeld berechneten Verhältnisse nicht einstellen, im schlimmsten Fall kann es zu zu niedrigen Raumtemperaturen oder zur Überhitzung des Raumes kommen. Eine alternative Methode ist, die Temperatur der Decke in einem Temperaturband von etwa 21 bis 23 C zu halten. Wird dieses Temperaturband eingehalten, so können plötzliche Lastwechsel keinen Schaden anrichten. Bleibt eine hohe Einstrahlung beispielsweise bei gleichzeitigem Abfallen der Außenlufttemperaturen aus, so ist die 22 C warme Decke in der Lage, ein Büro auf einer Raumtemperatur von 2 C zu halten. Die so temperierte Decke ist gleichzeitig in der Lage, einen Raum mit 26 C zu kühlen. Diese Fähigkeit, je nach Raumtemperatur die Funktionen Heizen oder Kühlen abdecken zu können, wird als Selbstregelungseffekt bezeichnet. Eine sehr einfache Methode, Aufschluss über die Temperatur der Thermoaktiven Decke zu erhalten und damit die Temperatur der Decke zu regeln, ist das Messen der Rücklauftemperatur. Die auf diese Methode aufbauende Regelung wird an dieser Stelle vorgestellt. Grundsätzlich existieren die Betriebsweise Heizen und Kühlen. Besteht weder Heiz- noch Kühlbedarf, so schaltet die t R < 21 C?. Heizen m= 1 % t R > 23,5 C? t R 23 C. Kühlen m= 1 % t R < 21,5 C? kühlen Bild 4: Thermoaktive Decke Heizen und Kühlen Bild 5: Thermoaktive Decke Regelung nach Rücklauftemperatur Thermoaktive Decke geht in die Betriebsweise Heizen. Erreicht die Rücklauftemperatur t R = 23, C, so wird die Betriebsweise Heizen wieder verlassen. Das Überschreiten der 23,5 C Grenze ist ein Indiz für zu hohe Kühllasten im Raum. Die Decke geht in die Betriebsweise Kühlen. Sinkt die Rücklauftemperatur t R auf unter 21,5 C ab, so wird die Kühlung abgeschaltet, der Betriebszustand Aus tritt in Kraft. In der hier vorgestellten Regelung ist ein TAB 6/2 57

4 Temperatur [ C] 23,5 23, 21,5 21, Aus Heizen Aus Kühlen Aus. m= 1 % m= 1 % Hystereseband von 2 K eingebaut. Das heißt ein im Zustand Heizen befindender Regelkreis, welcher bei einer Unterschreitung der Rücklauftemperatur von 21 C aktiviert wurde, verlässt erst bei einem Anstieg der Rücklauftemperatur auf über 23 C den Zustand Heizen. Analog wird der Zustand Kühlen, der bei einer Rücklauftemperatur von über 23,5 C aktiviert wurde, bei einem Absinken der Rücklauftemperatur auf unter 21,5 C ausgeschaltet. In Bild 6 ist ein exemplarischer Verlauf der Rücklauftemperatur mit dem jeweilig angesteuerten Betriebszustand dargestellt. Für den in Bild 2 betrachteten Fall sind in Bild 7 Vor- und Rücklauftemperatur sowie der Massenstrom der Thermoaktiven Decke dargestellt. Die Kühlung erfolgt hier mittels Grundwasser rund um die Uhr. Zu erkennen ist am 31. August ein [W/m 2 ] [ C] [kg/h] Temperatur [ C] m= 1 % Zeit Bild 6: Thermoaktive Decke Wechsel zwischen einzelnen Betriebsweisen Anstieg der Rücklauftemperatur bis auf 23,5 C. Bei diesem Wert geht die Kühlung in Betrieb. Am 4. September schaltet sie aufgrund der zu starken Abkühlung der Decke und damit der Rücklauftemperatur kurzfristig aus, geht jedoch wegen der weiterhin hohen Wärmelasten nach wenigen Stunden wieder an. Am Ende des 6. Septembers schaltet die Kühlung in Folge der zurückgehenden erneut ab. In Bild 8 ist für zwei mit unterschiedlichen Lasten beaufschlagte, identische Räume der Wärmestrom von Thermoaktiver Decke zum Raum (Heizen: positive Werte im Diagramm) bzw. in entgegengesetzter Richtung (Kühlen:negative Werte) dargestellt. Gewählt ist eine Periode der Übergangszeit von 3 Tagen. Am Ausschlag der Kurven ist zu erkennen, in Aug. 31. Aug. 1. Sept. 2. Sept. 3. Sept. 4. Sept. 5. Sept. 6. Sept. Vorlauftemperatur empfundene Raumtemperatur Massenstrom 7. Sept. solare Einstrahlung Fassade (West) welchem Betriebszustand sich die Thermoaktive Decke befindet: Im Raum ohne innere Lasten befindet sich die Regelung z. B. zu Beginn und am Ende der Periode im Zustand Heizen, dazwischen einige Tage im Zustand Aus. Der Raum mit inneren Lasten schaltet dagegen überhaupt nicht in den Zustand Heizen, bei en über etwa 15 C geht er in den Zustand Kühlen über. Insgesamt lässt sich für beide Räume ein stabiles Verhalten ohne häufiges Umschalten erkennen. Die individuell für jedes Gebäude zu wählenden Vorlauftemperaturen und Massenströme ergeben sich aus der jeweiligen Heiz- bzw. Kühllast. Sie sind so zu wählen, dass das System stabil läuft (kein häufiges Takten). Die Vorlauftemperaturen sollten sich im Bereich der Raumsolltemperaturen bewegen, damit der oben beschriebene Selbstregeleffekt erhalten bleibt. Liegt die Vorlauftemperatur beispielsweise über 3 C, so kann die Decke Temperaturen von 25 bis 3 C annehmen. Die Decke ist damit bei plötzlichen Lastwechseln nicht in der Lage, eine Kühlfunktion zu erfüllen. Analog dazu können zu niedrige Vorlauftemperaturen im Kühlfall zu zu niedrigen Bodentemperaturen führen und damit ein Unbehaglichkeitsempfinden beim Nutzer hervorrufen. Energetisches Verhalten von Gebäuden mit Baukerntemperierung Wie bereits oben beschrieben werden bei dem System Thermoaktive Decke sehr große Speichermassen thermisch aktiviert. Die große Trägheit bewirkt ein relativ langes Nachschwingen des Systems. Das Fahren exakter Raumtemperaturen gelingt beispielsweise im Heizfall nur mit zusätzlichen Heizkörpern. Darüber hinaus ist bei der Thermoaktiven Decke aufgrund der geringen Temperaturspreizungen mit einem höheren Massenstrom als beispielsweise bei Heizkörpern oder einer Kühldecke zu rechnen. Damit erhöht sich der Strombedarf für die Pumpen. Einsatzgebiete Thermoaktive Decke Die Thermoaktive Decke weist beim Einsatz als Heiz- und Kühlsystem im Vergleich zu konventionellen Systemen, wie Bild 7: Thermoaktive Decke Beispiel Regelung 58 TAB 6/

5 Bild 8: Verwaltungsgebäude der deutschen Messe AG, die thermoaktive Decke wird über ein auf dem Dach aufgestelltes Kühlwerk während der Nacht rückgekühlt das Beispiel in Tabelle 3 auf der folgenden Seite zeigt, deutlich geringere Investitionskosten auf. Auf der anderen Seite ergibt sich, wie oben aufgezeigt, ein höherer Pumpenstrombedarf. Rein ökonomisch betrachtet, schneidet die Thermoaktive Decke in der Regel bei der Betrachtung der Gesamtkosten inklusive der Betriebskosten deutlich besser ab als ein konventionelles Heiz-/Kühlsystem. Aus ökologischen Gründen sollte jedoch darauf geachtet werden, dass die Vorzüge des Systems genutzt werden, um den Primärenergiebedarf des Gebäudes durch das System Thermoaktive Decke so gering wie möglich und damit niedriger als bei konventionellen Heiz- und Kühlsystemen zu halten. Folgende Eigenschaften sollten hierzu genutzt werden: Im Heizfall kommt die Thermoaktive Decke mit Vorlauftemperaturen von unter 3 C aus. Es bietet sich somit besonders der Einsatz von Wärmepumpen an. Darüber hinaus wird die Nutzung von Abwärme, soweit vorhanden, durch das niedrige Temperaturniveau begünstigt. Die Be- und Entladung der Speichermassen kann kontinuierlich erfolgen. Damit entfallen hohe Lastspitzen. Kältemaschinen können wesentlich geringer dimensioniert werden bzw. bei der Kühlung mit Nachtkälte oder Grundwasser gänzlich entfallen TAB 6/2 59

6 [W/m 2 ] [ C] Wärmestrom [W] Di.3.Apr. Fr.6.Apr. Mo.9.Apr. Do.12.Apr. So.15.Apr. Mi.18.Apr. Sa.21.Apr. Di.24.Apr. Fr.27.Apr. Mo.3.Apr. Do.3.Mai Raum ohne innere Lasten Raum mit inneren Lasten Bild 9: Thermoaktive Decke Stabilität Regelung solare Einstrahlung Fassade (Süd) Tabelle 3 enthält die geschätzten Kosten zweier Systeme zur Beheizung und Kühlung von Gebäuden. Gegenübergestellt sind ein konventionelles System mit separaten Funktionen Heizen (Heizkörper) und Kühlen (Kühldecke) mit dem System Thermoaktive Decke, bei dem die Heizfunktion zur besseren Einzelraumregelung mit Heizkörpern unterstützt wird. Beide Systeme sind mit einer Lüftungsanlage ausgestattet, die auf einen hygienischen Mindestluftwechsel ausgelegt ist. Die Nutzung der Nachtkälte kann über Wasserrückkühlwerke realisiert werden. Die großen Speichermassen ermöglichen eine Zwischenspeicherung der überschüssigen Wärme während des Tages. Der Rückkühlvorgang erfolgt während der Nachtstunden. Bei Wasserrückkühlwerken stammt der größere Teil der Kühlenergie aus der Verdunstung des Kühlwassers selbst (offene Kühlwerke) bzw. aus der Verdunstung des aufgesprühten Wassers (geschlossene Kühlwerke). Die sensible Wärmeabgabe an die Außenluft macht den geringeren Anteil aus. konventionelles System System Thermoaktive Decke Heizkörper 6 DM/m 2 4 DM/m 2 Baukerntemperierung 13 DM/m 2 Kühldecke 4 DM/m 2 Lüftungsanlage 6 DM/m 2 6 DM/m 2 gesamt 52 DM/m 2 23 DM/m 2 Tabelle 3: Vergleich der Investitionskosten Fazit Die Baukerntemperierung stellt ein kostengünstiges System zur Beheizung und Kühlung von Gebäuden dar. Bei richtiger Planung und Nutzung der Besonderheiten des Systems kann der Primärenergiebedarf gegenüber einem konventionellen System deutlich reduziert werden. Bezüglich Behaglichkeit und Komfort sind geringfügige Abstriche in Kauf zu nehmen: das Fahren einer konstanten Raumtemperatur von 26 C im Sommer ist mit dem System nicht möglich, eine individuelle Einzelraumregelung in der Heizperiode kann ohne zusätzlich installierte, separat zu regelnde Heizflächen nicht erreicht werden. Insgesamt stellt das System eine interessante Alternative zur konventionellen Klimatisierung dar. Die Planung sollte jedoch von erfahrenen Teams durchgeführt werden. Dynamische Simulationswerkzeuge sind für die Auslegung zu empfehlen. Bild 1: Verwaltungsgebäude Dormagen: Außenansicht Architekt: ArlS Dipl.-Ing. B. Schuster + S. Blume, A. Brauser Planung: Ingenieurbüro Hausladen GmbH Die Thermoaktive Decke wird über Grundwasser rückgekühlt. Die Beheizung erfolgt über eine Grundwasser-Wärmepumpe Literatur [1] Zukunftstechnologie Aktivspeichersysteme, TAB 8/99, Dr.-Ing. Rudi Marek, HL Technik 6 TAB 6/