Beton – temperiert gut

Ganz gleich, ob es zu warm oder zu kalt ist – mit konventioneller Raumklimatechnik muss jeweils aktiv gegengesteuert, d. h. gekühlt oder geheizt, werden. Nicht so bei der Betonkerntemperierung: Hier wird die Gebäudestruktur dazu genutzt, thermische Energie zu speichern, um sie bei Bedarf wieder freizusetzen.

Zum besseren Verständnis der Betonkerntemperierung (BKT) unterscheidet man modellhaft die Phasen „Laden“, „Speichern“ und „Entladen“:

Laden: Die Geschossdecken werden mit Wärme- oder Kälteenergie beladen, indem warmes oder kaltesWasser durch die im Bauteil integrierten Rohrregister zirkuliert. Der Wasserstrom gibt bei der Durchströmung des Rohrsystems je nach Wassertemperatur Heiz- oder Kühlleistung an die Decke ab und erwärmt bzw. kühlt diese. Der Vorgang kann durch Variation von Vorlauftemperatur, Massenstrom und Ladezeit aktiv gesteuert werden. Aufgrund der Trägheit des Systems besteht die besondere Herausforderung darin, ausreichend Wärme- bzw. Kälteenergie für die am folgenden Tag zu erwartenden thermischen Lasten im Bauteil einzulagern. Da der benötigte Wärme- bzw. Kältebedarf eines Raumes aber nicht exakt vorhersehbar ist, kommt es systembedingt zu Ladereserven und damit zu einem erhöhten Energieeinsatz. Ideal ist der Betrieb der BKT mit einem geeigneten Speichermanagement, um thermischen Mehraufwand sowie Überhitzung oder Unterkühlung der Räume zu vermeiden.

Speichern: Wie jeder thermische Speicher überbrückt die thermisch aktivierte Decke die zeitliche Differenz zwischen Energieangebot und Energiebedarf und bewirkt eine teilweise Verschiebung der thermischen Lasten in die Nachtstunden. Überschüssige Wärme, hervorgerufen durch solare Einstrahlung und Personen und Geräteabwärme (innere Lasten), werden in der Decke zwischengespeichert und bewirken einen Anstieg der mittleren Bauteiltemperatur. Mit diesem Temperaturanstieg erfolgt parallel der Anstieg der operativen Raumtemperatur, welcher jedoch durch die Speichermassen stark gedämpft wird. Ein Beispiel: Wird eine 14 cm starke Betonschicht um 2 K erwärmt oder gekühlt, so entspricht dies einer Wärme- bzw. Kältespeicherung von ca. 190 Wh/m² oder einer Leistung von 23 W/m², die 8 Stunden lang zur Verfügung steht.

Entladen: Die  Raumkonditionierung erfolgt bei der BKT durch zwei parallel ablaufende Effekte: Die im Betonkern eingelagerte Wärme oder Kälte wird zu 60% über Strahlung und zu 40% über Konvektion an den Raum abgegeben. Wegen der großen Systemträgheit ist eine raumbezogene, schnelle Temperaturregelung nicht möglich. Die Entladung findet somit ohne direkte Einflussmöglichkeit des Raumnutzers vollkommen passiv statt.

Die große, Wärme übertragende Fläche der Decke ermöglicht es, bei bereits geringen Über- bzw. Untertemperaturen nennenswerte Leistungen an den Raum abzugeben. Daher können BKT-Systeme selbst die vergleichsweise geringe Temperaturdifferenz natürlicher Wärmesenken (Sommer) bzw. Wärmequellen (Winter) gegenüber der Raumtemperatur effektiv nutzen: Erdreich, Grundwasser, Außenluft. Im stationären Zustand werden Kühlleistungen von 30 bis 40 W/m² erreicht. Nach oben ist die Kühlleistung durch den Taupunkt der Raumlufttemperatur begrenzt, da sich  andernfalls Tauwasser an der Decke bildet. Der Taupunkt liegt bei etwa 15°C für 26°C Raumlufttemperatur und 50% relative Luftfeuchte. Daher muss vor allem der Eintrag solarer Lasten durch einen wirksamen Sonnenschutz gemindert werden. Aufgrund der relativ „hohen“ Vorlauftemperaturen natürlicher Wärmesenken ist eine Unterschreitung des Taupunktes fast nie gegeben. Im Heizfall können Leistungsdichten von 25 bis 30 W/m² erreicht werden.

Aufbau des Betonkerns

Die Rohrregister werden direkt in den Betonkern der Decken bzw. Fußböden in mäander- oder spiralförmiger Rohrschlangenführung eingegossen. Als Rohrschlangen werden Kunststoffrohre oder Mehrschichtverbundrohre aus PE und Aluminium eingesetzt. Sie haben
einen Durchmesser von 15 bis 20 mm. In Abständen von 10 bis 30 cm liegen die Rohre in mittlerer Höhe meist innerhalb der statisch neutralen Zone der Betondecke. Da die wesentliche Wärmeabgabe über die Decke (etwa 2/3) und nicht über den Boden (1/3) erfolgt, können die Rohrleitungen auch näher an den wärmewirksamen Deckenoberflächen fixiert werden, solange dies aus Gründen der Gebäudestatik machbar ist. Mit der Anordnung der Rohrschlangen und der Einbaulage im Betondeckenaufbau können unterschiedliche
Wärmeleistungen zu unterschiedlichen Zeiten gewählt werden. Da bei der BKT generell Wärme von den wasserführenden Leitungen in Richtung der Deckenoberfläche (Heizfall) bzw. in umgekehrter Richtung (Kühlfall) fließt, vermindern alle Schichten mit hohem Wärmedurchgangswiderstand die Leistungsfähigkeit, so z. B. Putze oder abgehängte Decken.

Die Bauphysik fordert …

Wenn das Gebäude ausschließlich mittels Betonkerntemperierung beheizt und gekühlt werden soll, dann müssen Architektur und Gebäudetechnik bestimmten Anforderungen genügen. Denn die Leistung der BKT ist aufgrund der geringen Temperaturdifferenz zwischen dem Heiz- oder Kühlmedium und der Raumtemperatur begrenzt – trotz der großen Wärme übertragenden Flächen. Die Anforderungen im Einzelnen:

1. Zur Begrenzung der Kühllast im Sommer: Die im Raum wirksamen thermischen Lasten sind auf ein Minimum zu beschränken. In energieoptimierten Bürogebäuden wird der effektive Gesamtenergiedurchlassgrad der Fassade verringert, um den solaren Wärmeeintrag in die Räume zu reduzieren. Dies wird erreicht durch einen maßvollen Fensterflächenanteil, einen reduzierten g-Wert der Fenster und einen außen liegenden Sonnenschutz. Die solare Absorption auf den opaken Flächen der Fassade ist nicht zu vernachlässigen. Daher ist ein niedriger U-Wert der gesamten Fassade auch im Sommer von Vorteil. Oftmals kritisch sind Eckräume, weil sie auch bei gutem Sonnenschutz höhere solare Lasten haben. Durch eine konsequente Tageslichtnutzung, eine bedarfsgerechte Kunstlichtsteuerung und energiesparende Bürogeräte lassen sich die internen Lasten weiter reduzieren.
2. Zur Begrenzung der Heizlast im Winter: Der Heizwärmebedarf kann reduziert werden durch eine sehr gute Wärmedämmung der Fassade, mit Wärmerückgewinnung aus der Abluft und mit passiver Solarenergienutzung. Fehlende Randstreifenelemente im Fensterbereich erhöhen die Anforderungen an die Fassade, denn der Kaltluftabfall soll vermieden werden. Eine  besonders sorgfältige Planung ist notwendig für Räume mit erhöhten Transmissionswärmeverlusten im Dach- und Erdgeschoss sowie Eckräume, speziell wenn die Fassade große Glasflächen hat.
3. Geschossdecken in Massivbauweise: Die Geschossdecken müssen viel Wärme und Kälte speichern können. Folglich kann die Betonkerntemperierung nur in thermisch „schweren“ Gebäuden eingesetzt werden. Das erfordert Baustoffe mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit und guter Wärmespeicherkapazität (Beton).
4. Freie Deckenoberflächen: Abgehängte Decken oder Deckenverkleidungen mindern sowohl die Wärmeübertragung per Konvektion als auch den direkten Strahlungsaustausch deutlich und sind daher nicht mit der BKT zu vereinbaren. Für die BKT werden möglichst freie Deckenoberflächen (Sichtbeton) benötigt. Weil unverkleidete Betondecken akustisch „hart“ sind, muss auf die Nachhallzeit geachtet werden – meist sind Schall absorbierende Konstruktionen notwendig. Diese haben aber in der Regel auch eine wärmedämmende und strahlungsmindernde Wirkung und sollten möglichst nicht vor die thermisch aktivierten Flächen montiert werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Schall absorbierenden Flächen vorteilhaft auf Trennwänden oder Büromöbel platziert werden können.

Gut geplant

Für die BKT kann das Gebäude in Zonen unterteilt werden, um die verschiedenen Bereiche je nach Anforderung temperieren zu können. Die Zonen werden nach Orientierung, Geschoss, Nutzung oder Fassadenkonzeption eingerichtet und je nach Bedarf mit unterschiedlichenVorlauftemperaturen (3-Leiter System) und zu verschiedenen Beladezeiten versorgt. Der entsprechenden Zone wird eine Registergröße zugeordnet, ähnlich der Festlegung der Heizkörpergröße für einen Raum. Allerdings ist der Spielraum eng, weil die zur Verfügung stehende Deckenfläche beschränkt ist und der Rohrabstand in den Registern aus produktionstechnischen Gründen nicht kleiner als 10 cm sein darf. Kann die Wärme im Sommer in einzelnen Räumen nicht abgeführt werden, sind ergänzende Maßnahmen, wiezum Beispiel schnell reagierende und dezentral regelbare Kühlsegel, erforderlich.

Für die Konzeptphase gibt es zwar Planungshandbücher und einfache Auslegungshilfsmittel – doch die thermische Gebäude- und Anlagensimulation ist das wichtigste Planungsinstrument. Auf Basis der Lastverläufe für Heizung und Kühlung des Gebäudes erhält man die notwendigen Vor- und Rücklauftemperaturen und die Gesamtmassenströme an den Hauptverteilern der BKT. Parallel dazu wird erzeugungsseitig die Wärmesenke/Wärmequelle, die Anlagenhydraulik und ein einfaches Regelkonzept kalkuliert. Schließlich können mit der Simulation die Energiebilanz und der Energieverbrauch des Gebäudes in Zusammenspiel mit der Wärmesenke/Wärmequelle für unterschiedliche Varianten bzw. spezielle Planungsentscheidungen bewertet und optimiert werden.

Bei der Planung sind besonders zu beachten:

1. Die Planer benötigen spezielle Planungstools: Die für die Auslegung von Kühldecken und Fußbodenheizungen bekannten Rechenverfahren, hydraulische Schaltungen und Regelungskonzepte sind für die Dimensionierung und den Betrieb der BKT aufgrund deren Trägheit nicht ausreichend.
2. Der Einsatz der BKT kann die bislang üblichen Erwartungen an eine Klimaanlage nur begrenzt erfüllen. Bauherr, ggf. Nutzer und Planer müssen die Anforderungen an den thermischen Komfort klar definieren. Dazu liefert die aktuelle Normung (prEN 15251 oder ASHRAE 55) entsprechende Kriterien.
3. Vorgaben zur Regelung und Betriebsführung müssen klar definiert werden. Dies umfasst viele Bereiche der Gebäudetechnik – von Sonnenschutz bis Pumpensteuerung.

So wird gebaut

Im Gegensatz zur Fußbodenheizung und -kühlung muss die Verlegung der Rohrleitungen bei der Betonkerntemperierung in den Ablauf der Schalungs-, Bewehrungs- und Betonierarbeiten integriert werden. Dies erfordert eine sorgfältige Planung und intensive Abstimmung mit der Tragwerksplanung, um statisch besonders hoch beanspruchte Bereiche im Umfeld von Stützen und Schächten nicht zu schwächen. Vor der Einbettung erfolgt eine Überprüfung auf Undichtheiten der Rohre mittels Sichtabnahme und Druckprüfung. Es ist auf eine sorgfältige Verlegung der Rohre zu achten, da Schäden an den Rohrregistern später nicht mehr repariert werden können. Die bisherigen Erfahrungen zeigen, dass sich Verzögerungen im Bauablauf durch das Vorhandensein routinierter Systemanbieter und entsprechende logistische Maßnahmen vermeiden lassen.

Temperieren und Lüften

Die Betonkerntemperierung als Heiz- und Kühlsystem dient dazu, den thermischen Komfort im Gebäude sicherzustellen. Das System leistet keinen Beitrag zur Verbesserung der Raumluftqualität oder zur Regulierung der Raumluftfeuchte. In der Regel werden die Bürogebäude mit BKT zur Sicherung des hygienischen Mindestluftwechsels während der Anwesenheit der Nutzer mechanisch be- und entlüftet, wobei die Zuluft über ein Erd-Luft-Register oder ein Erdwärmesonden-Register vorgewärmt bzw. vorgekühlt werden kann. Die Zu- und Abluftanlagen sind mit einer Wärmerückgewinnung ausgestattet, um die Lüftungswärmeverluste bzw. zusätzliche Nachheizung der Zuluft im Winter zu reduzieren.
Parallel zur Lüftungsanlage sind in der Regel öffenbare Fenster zur individuellen Fensterlüftung vorhanden. In Abhängigkeit von den klimatischen Bedingungen und der Feuchtebildung in den betreffenden Räumen kann auf eine „aktive“ Entfeuchtung der zugeführten Außenluft in der Regel ganzjährig verzichtet werden.