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Ökologisch und ökonomisch: Nachhaltige Lösung für ganzjährige Behaglichkeit in Nichtwohngebäuden

Die gesetzlichen Vorschriften zur Energieeinsparung sind deutlich. Für den Klimaschutz und zur weiteren Senkung des CO2-Ausstoßes werden sich in den kommenden Jahren die Anforderungen an nachweisliche Energieverbrauchssenkungen weiter erhöhen. Ein wirksames Instrument: Die in den letzten Jahren erhebliche Verbesserung der Wärmestandards und damit ein deutlich gesunkener Jahresheizenergiebedarf.

In den Projekten am Kölner Rheinauhafen nutzen die repräsentativen Bürogebäude Kranhaus Süd (links) und Pier 15 (rechts) die ökologischen und ökonomischen Vorteile der Bauteilaktivierung auf allen Ebenen.

 

Aber gleichzeitig erhöht sich durch die stark verbesserte Wärmedämmung speziell in warmen Sommermonaten die Aufheizung von Gebäuden, da eine Entspeicherung lediglich stark reduziert stattfindet. Es ist aufgrund der modernen, offenen und mit großen Glasflächen versehenen Architektur vieler Büro- und Verwaltungsgebäude möglich, dass auch in kälteren Wintermonaten und in der Übergangzeit in bestimmten Räumlichkeiten Wärmelasten entstehen, die einen Kühlbedarf fordern. Gefragt sind dabei nachhaltige Systemlösungen, die sich in ihrer Gesamtheit durch geringe und kalkulierbare Betriebskosten für Heizung, Kühlung, Lüftung, Beleuchtung und Wartung auszeichnen. Das Ziel dabei: Ein ganzjährig behagliches Raumklima.

Das für die Bauteilaktivierung verwendete Rohr (hier PE-Xa) wird in den Beton eingegossen.

Aus der Sicht des Fachplaners bedeutet dies, alle TGA-Maßnahmen präzise aufeinander abgestimmt zu planen. Dazu gehören z.B. ein guter Wärme- und Sonnenschutz, eine ausreichende thermische Gebäudespeicherkapazität sowie eine Grundlüftung mit hygienisch notwendigem Luftwechsel bei einer vorhandenen luftdichten Gebäudehülle. Zusätzlich kann eine Wärmerückgewinnung ein zusätzlicher Bestandteil des Gesamtkonzepts sein.

Die in die Betondecke komplett integrierten PE-Xa-Rohre werden bei der Bauteilaktivierung sowohl zur Kühlung als auch zur Deckung von Heizlasten eingesetzt.

Von großem Interesse für das Heizen und Kühlen von modernen Büro- und Verwaltungsgebäuden sind Systeme zur thermischen Nutzung von Betonbauteilen. Hier ist insbesondere die Kombination von energetischen und wirtschaftlichen Aspekten von Interesse, bei denen es um Umweltenergie aus Erdreich, Grundwasser und Außenluft geht. Systemanbieter haben Lösungen entwickelt, die neben der Deckung von Grundlasten auch zum monovalenten Einsatz geeignet sind.

Thermisch aktiv: Die Funktion
Ein thermisch aktives Bauteilsystem (TABS) ist ein wasserführendes Rohrsys­tem, das in den Massivbauteilen von Gebäuden großflächig zur Verteilung von Kühl- oder auch Heizenergie eingesetzt wird. Zur Versorgung der Rohrregister mit Kälte (z.B. Vorlauf 16°C/Rücklauf 20°C) ist die Nutzung natürlicher Ressourcen, z.B. aus dem Erdreich oder der Umgebungsluft, möglich.

Die stille Kühlung der klassischen Bauteilaktivierung führt die Wärmelasten des Tages in der Nacht ab. Eine Wärmeaufschaukelung wird somit wirksam verhindert.

Für den Heizfall kann Regenerative Energie genutzt werden, z.B. durch den Einsatz einer Wärmepumpe. Typisch für den Betrieb der thermischen Bauteilaktivierung, z.B. mit Nutzung von Außenluft, ist die zeitlich versetzte Nutzung der Speicherkapazität der aktivierten Betonmasse. Die kühle Außenluft entzieht den Bauteilen Wärmeenergie mit der Folge, dass deren Temperatur sinkt. Tags darauf dienen sie als Temperaturpuffer des Raumes, wenn innere und äußere Lasten die Energiebilanz verschieben. Der Vorteil: Auf Basis der flächenmäßig großen, aktivierten Flächen ermöglichen Systeme für die Bauteilaktivierung bei bereits geringer Über- bzw. Untertemperatur eine wirksame Wärmezu- bzw. Wärmeabfuhr. Be- und Entladung erfolgen in einem kontinuierlichen Wechsel.

Präzise planbar: Die Systeme
Auf den architektonischen Entwurf und die Ausstattungswünsche für das geplante Gebäude folgt die Konzeption der Haustechnik. Diese erfolgt speziell unter den Aspekten der Energieeffizienz, der Qualität der eingesetzten Systeme, als auch der Gewährleistung von Behaglichkeit als ein Bestandteil für eine hohe Arbeitsplatzqualität. Ziel der Planung einer klassischen Bauteilaktivierung bzw. Betonkernaktivierung mit integrierten Rohrregistern in der Mitte der vorhandenen Betondecken ist die Nutzung der maximalen Wärmespeicherkapazität im Winter sowie der Einsatz von erzeugter Kälteenergie für den Kühlbetrieb in den warmen Sommermonaten.

Bei Bedarf kann die Systemergänzung einer thermischen Steckdose (von Uponor) Spitzenlasten durch den Anschluss von Deckensegeln mittels Adapterstecker wie im Pier 15 einfach decken und unterstützt somit die Kühlleistung der vorhandenen Bauteilativierung.

Je nach geplantem Gebäudekonzept, können diese thermisch aktiven Bauteilsysteme monovalent zur Kühlung eingesetzt oder als System zur Deckung von Grundlasten genutzt werden. Speziell für den Heizbetrieb wird aufgrund der systembedingten Trägheit der klassischen Bauteilaktivierung meist zusätzlich ein zügig regelbares Heizsystem geplant, um schneller auf Bedarfsspitzen reagieren zu können.

Weniger träge und zügig zu regeln: Dieses Bauteilaktivierungssystem wird oberflächennah eingesetzt.

Ergänzend zu den konventionellen Varianten der Bauteilaktivierung haben Systemanbieter Lösungen entwickelt, die aufgrund ihres Leistungsvermögens unter Berücksichtigung der bauphysikalischen Anforderungen und der geplanten Wärmeschutzmaßnahmen der Gebäudehülle auch monovalent einsetzbar sind. Dank eines oberflächennahen Einbaus der Rohrregister, nur wenige Zentimeter unter der Raumdeckenoberfläche, erweisen sich diese speziellen Systeme durch eine erhöhte Regelfähigkeit bzw. Reaktionsgeschwindigkeit zum Abdecken von Spitzenlasten bzw. durch eine höhere thermische Leis­tungsfähigkeit zum monovalenten Einsatz zum Heizen und Kühlen in Gebäuden.

Richtig konzipiert: Die Praxis
In der Planung der technischen Gebäudeausstattung von modernen Büroneubauten findet die Betonkernaktivierung immer häufiger ihren Einsatz. So auch in Neubauten des Kölner Rheinauhafens mit seinen Kranhäusern und weiteren architektonisch und planerisch interessanten Gebäuden. Bei der Planung und Berechnung der technischen Gebäudeausrüstung des Büroneubaus von Pier 15 wurde nach einer dynamischen Gebäudesimulation die Betonkernaktivierung unter Berücksichtigung von unter 150 Überhitzungsstunden als ausreichend für die Kühlung eingestuft. Dabei erreicht das konventionelle System der Betonkernaktivierung eine Kühlleistung von ca. 35 W/m². Die Beheizung des Piers 15 erfolgt ebenfalls über die Betonkernaktivierung, die bei Bedarf von flachen Konvektoren mit zusätzlicher Heizleis­tung unterstützt wird. Wie bei den meisten Neubauprojekten im Kölner Rheinauhafen wird im Pier 15 die Ener­gieerzeugung über Fernwärme geregelt. Das Temperaturniveau im Heizfall ist im Vorlauf/Rücklauf mit 30°C/27°C bei einer Lastabdeckung zum Heizen von 25 W/m² berechnet.

Stille Kühlung: Das Konzept
Im Rahmen der Ausführungsplanung wurde von der TGA-Planung für das Kranhaus Plus eine dynamische Gebäudesimulation zur verlässlichen Berechnung der Kühlleistung vorgenommen. Zur Spitzenlastkompensation und zur Sicherstellung eines angenehmen Temperaturniveaus in den warmen Sommermonaten mit Spitzen von maximal 26°C Raumtemperatur sowie definierten Überhitzungsstunden sorgen in den Büros zusätzlich raumindividuell regelbare Unterbodengebläse-Konvektoren für die Deckung der aufkommenden Kühllasten. Parallel wird die Frischluftversorgung im Kranhaus Plus über die im Boden integrierten Konvektoren mit Außenluftanteil in allen Räumen gedeckt.

In den Projekten am Rheinauhafen bot sich aufgrund der direkten Flußnähe die Nutzung von Brunnenwasser zur Kühlung in der Bauteilaktivierung an. Dabei wurden alle ökologischen Anforderungen durch die Planung berücksichtigt und auf Nachhaltigkeit untersucht.

Der Einsatz der Betonkernaktivierung verhindert in den hellen, großzügig verglasten Büroräumen auch bei länger andauernden Hitzeperioden eine unerwünschte Temperaturaufschaukelung. Die am Tage in den Räumen entstandene Wärme wird über das Kühlmedium im Inneren der Betondecken aufgenommen und schließlich abtransportiert. Diese Art der Kühlung gilt als stille Kühlung, da sie komplett geräuschlos und unsichtbar sowie ohne Zug­erscheinung wirkt.

Als monovalente Lösung zum Heizen und Kühlen ist eine Kombination von „Contec ON“ (Uponor) und thermischer Steckdose zum Heizen und Kühlen einsetzbar.

Die im Kranhaus Plus installierte thermische Bauteilaktivierung ist auf eine Kühlleistung von maximal 25 W/m² bei 80% belegter Fläche ausgelegt. Die stoffliche Trennung des zur Kühlung verwendeten Brunnenwassers und des Mediums Rohrsystem übernimmt ein Plattenwärmeübertrager. Somit wird eine chemische oder physikalische Beeinflussung des Kühlwassers sicher vermieden und unerwünschte Verunreinigungen aus eventuellen Rückständen des Brunnenwassers erreichen nicht das Innere der Kunststoffrohre.

Ökologisch sinnvoll: Die Energiequellen
Dank der direkten Lage am Rhein wird für die stille und zugfreie Kühlung mit Betonkernaktivierung im Bürohaus Pier 15 Grundwasser genutzt. Dieses wird nach Erteilung der notwendigen Genehmigungen der Stadt Köln direkt aus einem Kiesschüttbrunnen gewonnen. Das für die Förderung des Grundwassers notwendige Bohrloch liegt in einer Tiefe von rund 30m und hat ein Bohrlochdurchmesser von ca. 1100 mm. Für die Förderung selbst werden zwei Bohrlochpumpen mit einer Fördermenge von insgesamt 120 m³/h als Spitzenwert eingesetzt. Das Temperaturniveau des verwendeten Grundwassers liegt aufgrund der geothermischen Einflüsse je nach Jahreszeit zwischen 13°C und 15°C. Im Kühlfall wird für den Betrieb der Betonkernaktivierung ein Temperaturniveau von 18/21°C bei einer Brunnenwassertemperatur von 16°C geplant.

Mit dem Einsatz eines Plattenwärme­überträgers erfolgt im Pier 15 die stoffliche Trennung des Brunnenwassers vom Medium des Rohrsystems innerhalb der installierten Hausanlage. Damit ist aus ökologischen Gründen sichergestellt, dass eine ungewollte chemische oder physikalische Beeinflussung des Grundwassers ausgeschlossen ist. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens: Die installierten PE-Xa-Rohrleitungen sind vor unerwünschten Verunreinigungen durch im Brunnenwasser enthaltene Rückstände geschützt. Für den Fall, dass das geförderte Brunnenwasser zur Freikühlung nicht ausreichen sollte, ist die Unterstützung durch eine Kältemaschine geplant, die über das Brunnenwasser gekühlt wird.


Fazit
Bauvorhaben wie das Pier 15 oder auch das Kranhaus im Kölner Rheinauhafen zeigen den praktischen Nutzen der Betonkernaktivierung mit dem Schwerpunkt der deutlichen Reduzierung von Überhitzungsstunden im Sommer und der Deckung von Grundlasten in der kalten Jahreszeit. Dabei ist die Bauteilakti­vierung im Zusammenspiel mit unterschiedlichen, ergänzenden Maßnahmen wie Deckensegel ein wirksa­mes Kühlelement, um besonders in den heißen Sommermonaten ein angenehmes Arbeitsklima in modernen Nichtwohnimmobilien zu erreichen, ohne dabei hohe Ener­giekosten für die Mieter oder Besitzer zu produzieren.

Bilder: Uponor GmbH, Haßfurt

www.uponor.de

 


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