Theoretische Untersuchungen zur thermischen Bauteilaktivierung

Diplomarbeit von Heiko Humpal

Einleitung:

Entwicklung der Flächentemperierungssysteme:

Geschichte:

Das erste Flächentemperierungssystem stammt nachweislich von dem Römer Caius Sergius Orata ca. 100 v. Chr.. In der von ihm überlieferten ‘Hypokaustenheizung’ leitete er die Rauchgase eines Feuers, dessen Feuerraum sich am Rand des Fundamentbereiches befand, durch einen Doppelboden und führte sie dann durch die in der Wand integrierten rechteckigen Ton-Rauchgasabzüge ab. Durch die Wärmeabgabe der Rauchgase an die Fußbodenplatte und somit an den darüberliegenden Raum wurde eine gute Heizwirkung erzielt.

Damit war die erste Flächenheizung geschaffen. Diese wies jedoch gravierende Mängel auf. Auf Grund der fehlenden modernen Rohrtechnik war es nicht möglich eine annährend gleichmäßige Wärmeverteilung zu realisieren. Die Durchlässigkeit der verwendeten Baustoffe und Bautechniken für Rauchgase und die damit verbundenen Rauchbelästigungen der im Raum befindlichen Personen sowie die hohe Kohlenmonoxid-Konzentration im Gebäude, verhinderten wahrscheinlich, dass sich diese Art der Beheizung durchsetzen konnte. Mit dem Untergang des Römischen Reiches geriet diese Technik weitgehend in Vergessenheit.

In der Folgezeit entwickelte man verschiedene weitergehende Systeme die aber durch fehlende Rohrtechniken und Pumpentechniken weiter auf das Medium Luft als Wärmeträger angewiesen waren und somit mit den gleichen Problemen zu kämpfen hatten. Beispielhaft sind hier die Kanalheizung, die Steinofenheizung ab dem 12. Jahrhundert und ab dem 18. Jahrhundert die Rauchröhrenheizung und Luftheizung aufzuführen.

Neue wissenschaftliche Erkenntnisse und die durch den technischen Fortschritt gegebenen neuen Möglichkeiten zu Beginn des 20. Jahrhunderts, eröffneten auch der Heizungsbranche den Weg zu Entwicklungen, die den Komfort in Bürogebäuden weiter verbesserten. 1907 meldet der Londoner Ingenieur A.H. Barker die erste Deckenheizung, die aus in der Betondecke integrierten Stahlrohrregistern bestand, zum Patent an. Durch die Hypokaustenheizung der Römer inspiriert, gilt er als der eigentliche Erfinder der wasserdurchströmten Aktivspeichersysteme. Er erschloss die Nutzung der Gebäudemasse als ‘kostenloses’ Speichersystem. Schon ein Jahr später wurde die erste Geschossdeckenheizung nach diesem System durch die Firma Richard Crittall & Co. Ltd. in England ausgeführt. Das unter dem Namen ‘Crittall-Decke’ bekannt gewordene System wird von 1925 an auch außerhalb Englands installiert. So wird z.B. 1930 die erste Deckenheizung in Deutschland in einem Privathaus in Karlsruhe gebaut. Eine der größten Anlagen dieser Art wurde 1931 in der britischen Botschaft in Washington (USA) eingebaut. Die in der Decke installierte Rohrlänge betrug rund 10.000 m. Schon bald erkannte man auch die Möglichkeit, die integrierten Rohrregister nicht nur zum Heizen im Winter zu verwenden, sondern auch zum Kühlen im Sommer. 1936/1937 wurde in der Schweiz ein Kaufhaus errichtet welches mit ‘Crittall-Decken’ ausgestattet war, die als Strahlungsheiz- und Kühldecken fungierten. In der damaligen Zeit wurden viele Untersuchungen durchgeführt, die zu einem lebhaften Meinungsaustausch über die Funktion und Wirkungsweise von Flächenheiz- und Flächenkühlsystemen führten. Die wissenschaftliche Plattform für die Diskussionen und die Veröffentlichung der Ergebnisse in Deutschland, war die Zeitschrift ‘Gesundheits-Ingenieur’.

Der schlechte bauphysikalische Standard der damaligen Zeit, die auf metallische Materialien beschränkte Rohrtechnik und eine fehlenden Taupunktregelung, ließen die Deckenheizung /-kühlung jedoch schnell an ihre Grenzen stoßen.

Der mangelnde Wärmeschutz und der damit gegebene hohe spezifische Wärmebedarf führten zu unzumutbaren Strahlungsasymmetrien. Technische Geräte, die durch ihre Abwärme diesem hohen Wärmebedarf entgegensteuern konnten, gab es in den damaligen Büros nicht. Als größter Schwachpunkt stellte sich jedoch das verwendete Rohrmaterial heraus. In den schon jahrelang in Betrieb befindlichen Stahlrohrregistern zeigte sich eine enorme Korrosionsanfälligkeit, die zu schweren Schadensfällen führte und einem unzumutbaren Instandhaltungsaufwand mit sich brachte.

Aufgrund dieser schlechten bauphysikalischen Randbedingungen der damaligen Gebäude konnte sich die Crittall-Decke nicht durchsetzen und verschwand wenig später völlig vom Markt.

Erst die Ölkrise Anfang der siebziger Jahre, weckte erneut das Interesse der Industrie an Flächenheiz- und Flächenkühlsystemen. Diese Systeme sind in der Lage mit geringen Temperaturen ein energetisch sparsames und behagliches Heizen der Aufenthaltsbereiche in den Gebäuden zu ermöglichen. Mit neuen Dämmstandard und Kupfer als Rohrmaterial hielt das von den Römern praktizierte Prinzip der beheizten Fußbodenfläche wieder Einzug in der Heizungstechnik. Die moderne Fußbodenheizung fand schnell Einsatz im privaten, sowie im öffentlichen und industriellen Bereich. In den achtziger Jahren kam die wasserdurchflossene Metallkühldecke als weiteres Flächensystem zur Gebäudetemperierung hinzu.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 2, Bewertung der Bauteiltemperierung und Vergleich mit anderen Systemen:

Allgemeine Bewertung:

Ein großer Vorteil der Bauteiltemperierung besteht in der relativ kostengünstigen Erstellung und Betreibung. Die hohen Investitions- und Betriebskosten für herkömmliche Gebäudeklimatisierungsanlagen führten dazu, dass Investoren und Bauherren zunehmend auf die Installation solcher Anlagen verzichten und so das Ansteigen der sommerlichen Temperaturen im Raum oft bis zu einen unerträgliche Maß, billigend in Kauf nehmen. Die Kühlmöglichkeiten der Aufenthaltsräume werden so auf Lüftungsanlagen, wenn vorhanden, und auf die Möglichkeit einer Fensterlüftung beschränkt.

Dies ist jedoch mit dem heutigen Wissen über die Bedeutung thermischer Behaglichkeit von Personen und der damit korrespondierende Arbeitsproduktivität nicht immer vereinbar.

Mit Hilfe der Bauteiltemperierung kann mit geringen Investitions- und Betriebskosten ein System im Gebäude installiert werden, welches die Aufgaben einer Kühlung und gegebenenfalls auch der Beheizung übernehmen kann.

Allerdings wird hier in die Technologie des Rohbauers eingegriffen, was ein Umdenken hinsichtlich der Logistik und auch der Sicherung der Gewährleistungen erfordert.

Das System arbeitet dabei nah an den Raumtemperaturen und trägt so zu einem sehr behaglichen Raumklima bei. Der hohe Strahlungsanteil des Flächensysteme ergibt eine Empfindungstemperatur, die etwa 1,5 bis 2,0 K unter bzw. über der tatsächlichen Raumtemperatur liegt. Insbesondere empfundene Temperaturen über 27° C treten in den bauteiltemperierten Räumen deutlich seltener auf.

Auch für Gebäude in denen herkömmliche Klimatisierungsanlagen vorgesehen sind bietet sich die Betonkerntemperierung als Alternative an. Deutliche Vorteile liegen hier in der Freiheit bei der Gestaltung des Gebäudegrundrisses, da es sich für den Betrachter als ein unsichtbares System darstellt. Dadurch ergeben sich oft architektonische Vorteile, da die nutzbaren Stellflächen sich nicht verringern. Bei thermisch aktiven Decken ergibt sich darüber hinaus die Möglichkeit, den Grundriss ohne allzu großen technischen Installationsaufwand nachträglich zu ändern.

Im Gegensatz zur Kühldecke und zu konventionellen Klimaanlagen, muss jedoch bei der Betonkerntemperierung die thermisch aktivierte Decke unverkleidet sein. Der Vorteil einer abgehängten Decke, mit ihrer Möglichkeit zur Integration und Nachinstallation von weiteren gebäudetechnischen Ausrüstungen, wie Beleuchtung, Lüftung, Sprinkler, elektrische Leitungen etc., entfällt hier.

Gravierender Nachteil, besonders gegenüber den Luftsystemen, ist die große Trägheit des Systems. Eine individuelle Raumtemperaturregelung ist so nicht möglich und die Grenzwerte für die Raumlufttemperatur, z.B. nach DIN 1946 Teil 2, können nicht gewährleistet werden. Die Entladung des Speichermediums geschieht rein passiv, ohne Einflussnahme des Raumnutzers. Infolge der Nichtregelbarkeit dieser Systeme ist stets eine gewisse ‘Energieverschwendung’ mit deren Einsatz verbunden.

Die Oberflächentemperaturen der aktivierten Bauteile von 20 - 24 C sind für den Raumnutzer sehr behaglich, aber auf Grund des geringen Temperaturgradienten zur Raumlufttemperatur sind trotz der großen Übertragungsflächen der Decke und des Fußbodens, die erreichbaren Heiz- und Kühlleistungen relativ eng begrenzt.

Dem in der gültigen Wärmeschutzverordnung ausgewiesenen zulässigen Wärmebedarf von 40 W/m², steht nur eine Systemheizleistung von ca. 20 W/m² gegenüber. Daher ist in normgedämmten Gebäuden im Heizfall ein zusätzliches System erforderlich.

Bei großen abzuführenden Raumwärmelasten begrenzt diese Tatsache den Einsatz der Betonkerntemperierung oft nur auf die Abdeckung von thermischen Grundlasten in Verbindung mit einer reduzierten konventionellen Klimaanlage.

Durch die stark reduzierten Luftvolumenströme der Raumlüftung vergrößert sich der Einfluss der Schadstoffbelastung durch ungeeignete Ausbaumaterialien auf die Behaglichkeit in den Räumen. Dies erfordert zwingend, dass belastende Materialien konsequent vermieden werden. Siehe hierzu den Entwurf zur EN 1752.

Die unverkleidete, schallharte Deckenoberfläche kann in einigen Räumen zu raumakustischen Problemen führen. Eine nicht schallabsorbierende Decke, kann die Begrenzung der Nachhallzeit im Raum oft nicht mehr vornehmen. Es sei denn, es gelingt die notwendigen schallabsorbierenden Flächen im Trennwandbereich oder Fußboden anzuordnen. Schallabsorbierende Konstruktionen haben in der Regel eine wärmedämmende und strahlungsmindernde Wirkung. Es kommt deshalb zu Leistungseinbußen, wenn schallabsorbierende Flächen vor thermisch aktivierten Bauteilen installiert werden. Je nach Voraussetzung muss nun besonders beachtet werden, dass der Raum über genügend schallschluckende Oberflächen verfügt und über solche die für die thermische Ankopplung an die Gebäudemasse zuständig sind. Dazu gibt es gegenwärtig noch keine optimale Lösung. Hier muss praktisch immer ein geeigneter Kompromiss gefunden werden.

Für das Betreiben eines thermisch aktivierten Gebäudes mit mehreren, unterschiedlichen Nutzern, stellt sich das Problem, dass eine Abrechenbarkeit der Energiekosten oft nicht gegeben ist.

Ein nicht zu unterschätzender Vorteil wirkt bei der Erstellung der Gebäude. Durch die volle Integration in den Zeitablauf der Deckenmontage durch vorgefertigte Rohrregister, sogenannte Module, kann die Bauzeit zum schlüsselfertigem Gebäude verkürzt werden. Hier ist jedoch eine gewissenhafte Abstimmung der Gewerke (Hochbau, TGA) im Vorfeld erforderlich.

Die folgenden Vergleiche der Betonkerntemperierung mit anderen Systemen, beschränken sich natürlich auf den sinnvollen Arbeitsbereich derselben.