Betonkerntemperierung

Betonkerntemperierung BKT

Betonkerntemperierung BKT

Thermische Bauteil- bzw. Betonkernaktivierungen machen sich die natürliche Speicherfähigkeit des Betons zunutze. Bauteil- und Betonkerntemperierung dienen dabei zum Kühlen und auch zum Heizen. Beide Systeme sorgen für ein behagliches Klima, da keine Luftströmungen erzeugt werden.

Es gibt einige unterschiedliche Begriffe, die aber letztendlich alle das gleiche meinen.

• Betonkerntemperierung BKT
• Thermische Bauteilaktivierung (TBTA oder BTA)
• Thermoaktivedecke / Kühldecke
• Bauteilkonditionierung
• Thermisch aktives Bauteilsystem (TABS)

Während richtig dimensionierte Klimasysteme es ermöglichen, bei verschiedenen Umgebungs- und Nutzungsbedingungen, die Raumtemperatur über einen gewissen Zeitraum innerhalb der Behaglichkeitsgrenzen zu halten, so ist dies im allgemeinen mit einer Betonkerntemperierung allein nicht möglich.

Mit einer Betonkerntemperierung wird im wesentlichen die natürliche wärmetechnische Speicherfähigkeit eines Bauteils genutzt, insbesondere um Kühllasten aufzunehmen – zu speichern – zu verschieben oder sie wieder an Rückkühleinrichtungen abzugeben. In umgekehrter Weise kann einem Gebäude aber auch eine Grundwärme zugeführt werden, wodurch zusätzliche Heizeinrichtungen wesentlich kleiner dimensioniert werden können. Allein zu diesem Zweck werden vermehrt bereits bei der Herstellung eines Bauteils entsprechende Rohrregister eingebaut, durch die später Wasser als Wärmeträger fließt.

Betonkernaktivierung - Ingenieurbüro Böger D-48282 Emsdetten

Die Betonkernaktivierung kühlt angenehm

Die Speicherfähigkeit wird vom Bauteil selbst und seiner Lage im Gebäude sowie den Temperaturbedingungen und Grenzen  bestimmt. Die Anordnung der Rohrregister, der Durchmesser und deren Abstände zueinander, bestimmen in Verbindung mit dem Massenstrom und der Vorlauftemperatur den Wärmestrom im jeweiligen Bauteil. Die Decken eines Gebäudes haben dabei die größte Bedeutung, da hier die Integration von Rohrregistern am einfachsten ist.

 

Betonkernaktivierung ist eine Variante der Bauteilaktivierung

Betonkernaktivierung mit Wassersystemen - Ingenieurbüro Böger D-48282 Emsdetten

… und ist kostengünstig zu integrieren

Es gibt verschiedene Varianten der Bauteilaktivierung. Eine im Massivbau häufig eingesetzte Variante ist die Betonkernaktivierung. Dabei wird Kälte oder Wärme hauptsächlich mittels Strahlungsaustausch der sichtbaren Betonfläche und die Zuluft über Fensterlüftung oder Quellluftdurchlässe übertragen. Dies Methode wirkt angenehm auf den Benutzer und es entstehen keine Zugerscheinungen.

Die Kühlleistung und Regelfähigkeit als auch die Speicherwirkung sind bei der Betonkernaktivierung im wesentlichen von der Lage der Kühlregister im Beton abhängig. Bei einer mittleren Anordnung der Kühlregister lässt sich die Speicherfähigkeit des Betons am besten nutzen. Werden die Kühlregister bei der Betonkernaktivierung oberflächennah angebracht, so können höhere Leistungen erzielt werden.

Bei einer Betonkernaktivierung mittels Luft geschieht dies, indem Gebäudeteile mit großer Masse wie Betondecken oder gemauerte Wände gekühlt und so für die Aufnahme von Raumkühllasten konditioniert werden. Als Kühlmedium der Betonkernaktivierung dient bei dieser Variante die Außenluft. Eine Betonkernkühlung mittels Zuluft weist neben der Deckenkühlungnoch zwei weitere Merkmale auf. Die zugeführte Luft erneuert zusätzlich auch die Raumluft mit gefilterter, vortemperierter und im Sommer entfeuchteter Außenluft bei einer 2,5 bis 3 fachen Luftwechselrate pro Stunde.

Kühlung und Heizung durch Betonkerntemperierung mit Wassersystemen
Für die Funktion der Betonkerntemperierung ist es von grundlegender Bedeutung, dass die Rohrregister, durch die das Heiz- oder Kühlmedium fließt, in die Betondecke eingegossen werden. Je näher sich dabei die Rohrregister an der Oberfläche befinden, desto größer ist die zu erreichende Leistungen. Mit den Rohrregistern, die in der Nähe der neutralen Zone, also mittig des Bauteils angeordnet sind, werden Leistungen von ca. 35 W/m² erreicht. Diese Leistung reicht aber in den meisten Fällen nur zur Grundlastabdeckung aus. Um Lastspitzen abdecken zu können, sind zusätzliche Investitionen notwendig.

Bei Rohrregisten von ca. 10 mm Außendurchmesser oder auch bei der Verwendung von Kapillarrohrmatten, die unmittelbar an der Oberfläche eines Bauteils eingegossen werden, sind höhere Leistungen bei kleinen Reaktionszeiten bis zu 90 W/m² realisierbar.

Schema-Betonkernaktivierung - Ingenieurbüro Böger D-48282 Emsdetten

Schema einer Betonkernaktivierung mit mittig angeordnetem Rohrregsiern

Betonkerntemperierung

Schema-Betonkernaktivierung - Ingenieurbüro Böger D-48282 Emsdetten

Schema der Betonkernaktivierung mit oberflächennahem Rohrregistern

Betonkerntemperierung

Thermische Betonkerntemperierung Systeme

Artikel aus der Zeitschrift: IKZ Fachplaner
Jg.: 4, Nr.5, 2009 Seiten 14-17, Abb.,Tab.,Lit.
Standort in der IRB-Bibliothek: IRB Z 1376B
[Quelle: http://www.ikz.de]

RUD.OTTO MEYER-UMWELT-STIFTUNG

[Quelle: http://www.berndglueck.de]

Energieversorgungssysteme für Betonkerntemperierung mit Wassersystemen
Für die Heizung oder Kühlung der Betondecken mit Kunststoffrohrregistern eignen sich die bekannten Heiz- oder Kühlwassersysteme. Das verwendete Temperaturniveau erlaubt aber auch den Einsatz alternativer Energieerzeuger und der Wirkungsgrad einer  Kältemaschinen lässt sich durch den Betrieb in den Nachtstunden erheblich optimieren. Wärmepumpen mit Erdwärmetauscher oder Erdsonden, Geothermie und freie Kühlung über den Kühlturm lassen sich ebenso verwenden wie Solare Kühlung mittels Absorptionskältemaschinen.

Eine Bauteil- oder Betonkerntemperierung kann zu erheblichen Kostensenkung beitragen. Basierend auf der Speicherwirkung des Betons können insbesondere die Nachtstunden genutzt werden, um kleinere Wärme- oder auch Kälteerzeuger einzusetzen. Das eingesetzte Temperaturniveau gestattet den Einsatz alternativer Energieerzeuger bzw. Energiequellen. Gegenüber herkömmlichen Klimasystemen lassen sich die Betriebskosten nahezu um die Hälfte senken.

Energieversorgungssysteme für Betonkerntemperierung mittels Zuluftsystem
Für die Kühlung der Betondecken steht Außenluft über 6.000 Stunden pro Jahr mit weniger als 12°C kostenlos und uneingeschränkt zur Verfügung. In den restlichen Stunden kann die Luft über die bekannten Verfahren der Kälteerzeugung (z.B. Kältemaschine, Erdwärmetauscher, Kühlturm usw.) gekühlt werden. Die Erwärmung der Zuluft im Winter auf 12°C kann im wesentlichen über eine im Zentralgerät integrierte Wärmerückgewinnung erfolgen.

Funktionsweise der Betonkerntemperierung (BKT)

Aufbau und Funktion
Das System der Betonkerntemperierung hat sich aus der herkömmlichen Fußbodenheizung entwickelt. Hier wurden wasserdurchflossene Rohre in den Fußbodenaufbau oberhalb der Rohdecke integriert. Die Fußboden- Oberfläche dient damit als wärmeübertragende Heizfläche.

Der wesentlichste Unterschied bei einer Betonkerntemperierung liegt aber in der Lage der wasserführenden Rohrregister. Diese werden direkt innerhalb der Betondecke verlegt. Somit wird sowohl die Deckenober- und Unterseite zur Wärmeübertragung nutzbar gemacht. In Abhängigkeit der Wassertemperatur in den Rohrregistern kann die Rohdecke damit wahlweise zur Kühlung oder auch zur Beheizung genutzt werden.

Gebäudekühlung bei Einsatz der Betonkerntemperierung

Betonkerntemperierung BKT - Verlegung des Rohrleitungssystems

Betonkerntemperierung BKT – Verlegung des Rohrleitungssystems

Konkurrierende Systeme bei der Gebäudekühlung sind der Einsatz von abgehängten Kühldecken und physikalisch ist der Effekt einer Kühldecke mit der Betonkerntemperierung vergleichbar. Eine wasserdurchflossene „kalte“ Fläche nimmt die Umgebungswärme auf und führt sie ab. Leider sind hochwertige Kühldecken im Rahmen eines engen Kostenbudgets nicht immer realisierbar. In Wirtschaftlichkeitsberechnungen wurden die klaren Vorteile für die Betonkerntemperierung nachgewiesen.

Herkömmliche Klimaanlagen bewirken Gebäudeabkühlung durch einen permanenten Austausch der Innenraumluft. Damit können zwar sehr hohe Wärmelasten abgeführt werden, von Nachteil ist jedoch der hohe Aufwand und Platzbedarf für die Luftkanäle und Maschinentechnik. Des weiteren verursachen die hohen Luftbewegungen zudem die Aufwirbelung von Staub und allergenen Keimen sowie Geräusche und erhebliche Zugluft Erscheinung.

Mit einer Betonkerntemperierung kann in normalen Aufenthalts- und Büroarbeitsbereichen bei kontinuierlich anfallenden Wärmelasten auf herkömmliche Luft-Klimaanlagen verzichtet werden. Wo sehr hohe innere Wärmelasten abgeführt werden müssen wie beispielsweise in EDV-Räumen, oder eine Kühlwirkung nur für kurze Zeit benötigt wird (z.B. Versammlungsstätten) haben Luft- Klimaanlagen in Kombination mit der Betonkernaktivierungen durchaus noch ihre Berechtigung.

Mit Hilfe der Betonkerntemperierung wird dann die Grundlast abgedeckt, auftretende Lastspitzen können über wesentlich kleiner dimensionierte Lüftungs- bzw. Luft-Klimaanlagen abgeführt werden.

Gebäudeheizung bei Einsatz der Betonkerntemperierung
Die gleichen in der Betondecke verlegten Rohrregister können bei entsprechender technischer Planung auch für die Gebäudebeheizung genutzt werden. In der Praxis werden die Rohrregister in der Winterzeit dann mit warmen Wasser durchflossen. In der Sommerzeit erfolgt ein Wechsel des Mediums über entsprechende Regeltechnik.

Zusätzliche Einrichtungen zur Raumbeheizung können damit in warmen Ländern eingespart werden. In Deutschland sind die Wärmebedarfsspitzen jedoch so hoch, dass zur Verbesserung der Regelbarkeit meist eine Kombination von Betonkerntemperierung und herkömmlichen Heizkörpern oder Flächenheizungen zum Einsatz kommt.

Machbarkeit
Die Leistungsfähigkeit der Betonkerntemperierung ist durch die maximale Verlegungsdichte der Rohre und durch die maximal mögliche Temperaturdifferenz der Betondecke zum Raum begrenzt. Der durchschnittliche Abstand der Rohrregister in der Betondecke beträgt 10-15 cm. Es hat sich gezeigt, dass eine dichtere Verlegung, aufgrund der guten Wärmeübertragung vom Rohr zum Beton, keine wesentliche Leistungssteigerung erbringt.

Einen sehr großen Einfluss auf die Übertragungsleistung hat dagegen die Temperatur des in den Rohrregistern fließenden Wassers.

Bei der Gebäudekühlung muss zur Verhinderung von Bauschäden eine Kondensation der Umgebungsluft an der kalten Betondecke verhindert werden (Taupunkttemperatur). Das heißt in Abhängigkeit der Raumfeuchte und Raumtemperatur ist die Wassertemperatur in den Rohren und damit die Leistungsfähigkeit nach oben begrenzt.

Bei der Gebäudeheizung besteht bei Wahl einer zu hohen Wassertemperatur die Gefahr einer Überheizung.

Typische Auslegungswerte Kühlen / Heizen

Wassereintrittstemperatur 18°C26°C
Wasseraustrittstemperatur 22°C23°C
Raumtemperatur 26°C20°C
Leistung Decke 40 W/m²20 W/m²

Neben den Auslegungstemperaturen sind bei der Leistung auch einige bauliche Abhängigkeiten zu berücksichtigen. Diese sind im wesentlichen der Bodenbelag und die Höhenlage der Rohre in der Decke. Abgehängte Decken in den Bereichen mit Betonkerntemperierung wirken störend auf die Wärmeabgabe. Durch die Betonkerntemperierung werden jedoch Lüftungs- und Klimaanlagen weitestgehend ersetzt, auf kaschierende Deckenabhängungen kann dadurch weitgehend verzichtet werden.

Berechnung und Simulation von BKT-Systemen

Neben den zu erwartenden inneren Wärmelasten, den Einbezug von Echtwetterdaten, das Heiz-, Kühl- oder Klimatisierungskonzept, das Nutzerverhalten, die Baukonstruktion, sowie Temperaturgrenzen, gibt es noch eine Vielzahl weiterer wichtiger Systemparameter, die es bei der Auslegung und Planung einer Bauteilaktivierung zu beachten gilt.

• der Rohrabstand innerhalb der Rohrregister
• der Rohrdurchmesser
• die Lage der Rohrregister im Bauteil (Verlegetiefe)
• die Rohrleitungslänge
• die Strömungsgeschwindigkeit
• die Vor-/Rücklauftemperatur
• die Regelung

Allein dieser Auszug zeigt, dass selbst bei einer bereits festgelegten Konstruktion so viele weitere Parameter existieren, dass eine Berechnung des dynamischen Betriebszustandes, insbesondere der zu erwartenden Temperaturverläufe in den Räumen, ohne eine umfangreiche computergestützte Berechnung bzw. Simulation, nicht möglich ist. Nicht zuletzt aus diesem Grunde werden von uns typische Simulationsprogramme wie z.B. TRANSYS, aber auch selbst entwickelte Simulationsprogramme für die Gebäudesimulation eingesetzt.

Soll darüber hinaus auch Überschusswärme über Erdsonden oder Energiepfähle an das Erdreich abgeführt oder beispielsweise mittels Wärmepumpe wieder entzogen werden, ist eine Berechnung der zu erwartenden Temperaturverläufe und Energiemengen ohne ein Simulationsprogramm wie z.B. EEG (Earth Energy Designer) kaum mehr möglich.

Vielfach werden zunächst Probebohrungen und Messungen durchgeführt. Die Kosten einer präzisen Simulationsrechnung sind nicht unerheblich und nicht zuletzt aus diesem Grund stellt sich auch die Frage, ob nicht eine vereinfachte Simulationsrechnung bereits genügen um Funktion und Wirtschaftlichkeit einer Anlage zu bestätigen. In vielen Fällen reicht es bereits aus, nur die Spitzenbelastung zu simulieren, um Aussagen über die maximal zu erwartenden Raumtemperaturen treffen zu können.

Ein großer Vorteil einer thermischen Betonkerntemperierung liegt auch in ihrem Selbstregeleffekt. Die ausgeführten Bauvorhaben und die inzwischen vorliegenden Betriebserfahrungen haben uns gezeigt, dass thermische Bauteilaktivierung im Vergleich zu einer herkömmlichen Klimaanlage ein empfehlenswertes und kostengünstiges System ohne nennenswerte Folgekosten ist.

Planung und auch die Ausführung innovativer Gebäudekonzepte stellen zunehmend hohe Anforderungen an alle Beteiligten. Eine gewerkeübergreifende integrale Planung ist bei thermischer Betonkerntemperierung ein wesentlicher Bestandteil und daher unabdingbar. Das setzt ein hohes Maß an gewerkeübergreifendem Wissen, unter anderem über Statik, Betonbau, Estriche, Akustik, Bauphysik und Haustechnik voraus. Fehlentscheidungen, die bereits während des Planungsstadiums getroffen werden, lassen sich kaum noch oder nur mit hohem immensen Kostenaufwand beseitigen. Dies setzt auch die Akzeptanz und Respektierung einer thermischen Betonkerntemperierung und deren Grenzen bei allen beteiligten Gewerken voraus. So ist es zum Beispiel unabdingbar, die Anordnung der Rohrregister direkt in die Bewehrungspläne einfließen zu lassen. Es muss festgelegt werden, wo die Zuleitungen zu den einzelnen Kreisen verlaufen, welche Dimensionen sie aufweisen, ob und wie sie isoliert werden müssen und welche Materialien zu verwenden sind.

Die Planung des gesamten Konzeptes erfordert ein großes Know-how und viel Erfahrung auf diesem Gebiet. Während erfahrungsgemäß die Berechnung von Heiz- und Kühllastspitzen meist ohne Probleme möglich ist, bleibt die Speicherwirkung eines Gebäudes, der Wärmeübergang durch Strahlung und das dynamische Verhalten weitgehend unberücksichtigt. Die wärmetechnische Auslegung der Wärme- und Kälteerzeuger erfolgt nicht wie üblich nach den Lastspitzen, sondern die Speicherfähigkeit des Baukörpers ist zu berücksichtigen. Andernfalls ergibt sich schnell eine unwirtschaftliche und ineffiziente Überdimensionierung. Orientiert sich beispielsweise die hydraulische Auslegung an einem konventionellen Systemen aus der Heizungs- und Kältetechnik, so ist es sehr wahrscheinlich das sie hoffnungslos überdimensioniert und ineffizient wird.

Beispielsweise gilt es unbedingt zu prüfen, ob aufgrund unterschiedlicher Nutzung oder Nutzungszeiten, bzw. Position zu den jeweiligen Himmelsrichtungen und der damit verbundenen unterschiedlichen Sonneneinstrahlungen, separate Zonen erforderlich oder überhaupt sinnvoll sind. Dementsprechend sind aktive Bereiche, Rohrabstände und Lage der Rohrregister in den Decken und Bauteilen so zu planen, dass nur die Wärmemengen aufgenommen und abgegeben werden, die auch tatsächlich anfallen bzw. erforderlich sind.

Auch sollte unbedingt festgelegt werden, auf welche Weise und auch wohin die anfallende Wärme abgeführt wird, oder ob sie über eine entsprechende Wärmerückgewinnung anderweitig sinnvoll verwendet werden kann undwelche baulichen Besonderheiten dazu erforderlich sind.

Nutzung alternativer Energien
Auch der Einsatz alternativer bzw. regenerativer Energien zur Kühlung und Beheizung ist durchaus sinnvoll. Vorlauftemperaturen von +22°C reichen bereits aus um effektiv Wärme an Bauteile abzugeben und diese zu temperieren. Auch Wasser, das beispielsweise zu Kühlzwecken in Produktionsprozessen verwendet wird, hat häufig Temperaturen von 30°C und mehr. Während es bislang in Kühltürmen oder mit Kältemaschinen zurückgekühlt wird, ließe sich zumindest ein Teil dieser sonst verlorenen Energie für die Temperierung von Bauteilen verwenden. Auch der direkte Einsatz von Sonnenkollektoren oder von Wärmepumpen ist wegen der relativ geringen Vorlauftemperaturen besonders wirtschaftlich.

Montageablauf einer Betonkerntemperierung BKT

Sobald die Gebäudedecke eingeschalt ist, sollte bei manueller Verlegung unbedingt mit dem Einmessen und Anzeichnen der Rohrregister auf der Schalung oder den vorgefertigten Betonelementen begonnen werden. In der Regel wird für die Befestigung der Rohre eine weitere Lage Betonstahlmatten aufgelegt. Die Rohre können aber auch, entsprechend der Aufgabenstellung und je nach Kundenwunsch , direkt an der Oberseite der Unterbewehrung bBetonkerntemperierung-005efestigt werden.

Dieser Vorgang sollte unbedingt zügig voran gehen, da die Rohbaufirma bis zur Beendigung der Rohrinstallation zunächst nicht weiterarbeiten und somit bei einer entsprechenden Verzögerungen schnell eine Behinderung nach VOB melden kann kann. Nicht zuletzt aus diesem Grunde werden meist die Rohrregister werkseitig auf Betonstahlmatten vormontiert und können dann mit dem Baukran an die entsprechende Montagestelle verbracht werden, so dass dann nur noch die belegten Matten aneinander gelegt und untereinander bzw. mit den Zuleitungen verbunden werden müssen.

Nach Verlegung der Oberbewehrung werden die Rohrträgermatten von oben her mit entsprechenden Haken auf die vorgesehene Höhenlage gehoben und mit entsprechenden, systemabhängigen Befestigungsmitteln an der Oberbewehrung abgehängt.

Die Sammelleitungen könnenBetonkerntemperierung-006 unter Beachtung von Material und Ausdehnung unter gewissen Umständen auch direkt mit in den Beton eingegossen werden. Dazu gilt es aus Gründen des hydraulischen Abgleichs, gleich große Rohrkreise mit gleich großer Belastung zu bilden und nach dem „Tichelmann-System“ anzuschließen. Sie sind dabei immer gegen Aufschwimmen zu sichern und die ihre Lage ist mit dem Statiker unbedingt abzustimmen.

Eine weitere Methode die sich sehr bewährt hat, besteht darin, die Zuleitungen möglichst in Flurbereichen unterhalb der Decke zu verlegen. Damit können die Rohrregisterenden der einzelnen Bereiche aus der Decke heraus nach unten geführt werden, von wo aus sie an die Sammelleitungen angeschlossen werden und später auch zugänglich bleiben.

Fazit

Der Einsatz der Betonkerntemperierung (BKT) stellt eine durchaus kostengünstige und wirtschaftliche Variante der Gebäudekühlung und Gebäudeheizung dar. Durch den möglichen Entfall von Lüftungs- und Klimaanlagen sind abgehängte Decken überflüssig und störende Heizflächen werden weitestgehend reduziert. Dies bietet den Bauherren und Architekten eine wesentlich bessere Ausnutzung des Bauvolumens und auch einen größeren Gestaltungsfreiraum. Der tatsächliche Nutzungswert eines Gebäudes wird gesteigert, was die Vermietbarkeit und den Gebäudeertrag verbessert.

Die Planung einer Betonkerntemperierung erfordert neben der Beachtung der Nutzungsanforderungen die gute Kenntnisse auf diesem Gebiet und die Berücksichtigung der bauphysikalischen Besonderheiten dieser Technik. Aufgrund unserer Erfahrungen in den verschiedensten Gebäudetypen und aus verschiedenen Projekten können wir den Einsatz von der Betonkerntemperierung in vielen Fällen empfehlen.

Die zusätzlichen Investitionskosten bei der Gebäudeerstellung liegen bei nur ca. 3 % der Gesamtsumme. Damit wird aber eine wesentliche Verbesserung des Raumklimas, sowohl im Sommer- und Winterbetrieb erreicht. Die Betonkerntemperierung ist weitestgehend wartungsfrei und übersteigt andere Systeme der Gebäudekühlung im Preis-Leistungs-Verhältnis um ein vielfaches.

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