Raumkonditionierungskonzepte zum Kühlen und Heizen

Klimadesign als zentrale Planungsdisziplin −
Raumkonditionierungskonzepte zum Kühlen und Heizen
Geschäftsführer Fritz Nüßle, ZENT-FRENGER, Gesellschaft für Gebäudetechnik mbH, Heppenheim
Die Kosten des Energieverbrauchs von Gebäuden entwickelten sich in den letzten Jahren stark nach oben und
werden aufgrund der weltweiten Energieverknappung auch in der Zukunft weiter steigen. Diese Entwicklung kann
nicht spurlos an der Planung und Konzeption neuer Gebäude vorübergehen. Von der Immobilienbranche und den
Regierungen werden zunehmend technische Konzepte gefordert, die eine Senkung des Energieverbrauches in weit
stärkerem Maße als bisher zur Folge haben. Außer den bekannten Anstrengungen, die Dämmstandards zu erhöhen,
werden zunehmend Systeme nachgefragt, die eine völlige Unabhängigkeit von importierten Energieträgern ermöglichen. Gebäudetechnik und Bautechnik wachsen immer stärker zusammen. Nur mit ganzheitlichen gebäudetechnischen Konzeptionen ist es möglich, eine Antwort auf die heutigen und zukünftigen Anforderungen an Gebäuden zu finden.
geistige Leistungsfähigkeit in %
Spätestens nach dem heißen Sommer 2003 ist vielen Büronutzern klar geworden, dass in nicht temperierten
Räumen die Leistungsfähigkeit des Menschen bei anhaltenden Hitzeperioden stark absinkt und Betriebsprozesse
empfindlich gestört werden kann. Bereits bei Raumtemperaturen zwischen 28 und 30 °C beträgt die durchschnittliche
geistige Leistungsfähigkeit des Menschen nur noch 70 %. Bürogebäude mit üblicher Ausstattung können je nach
Fensterflächenanteil an 400 bis 800 Stunden pro Jahr Raumtemperaturen über 26 °C aufweisen. Die Performance
des Menschen ist während dieser Zeit deutlich reduziert und drückt sich wegen der gestörten Befindlichkeit in eingeschränkter Arbeitsleistung aus.
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Raumtemperatur in °C
Bild 1: Raumtemperatur und Performance
In der DIN 1946 Teil 2 (inzwischen durch eine europäische Norm ersetzt) ist abhängig von der Außentemperatur ein
Band von operativen Raumtemperaturen definiert, innerhalb dessen Behaglichkeitsbedingungen erwartet werden
können. Demnach ist bei Außenlufttemperaturen von 32 °C eine operative Raumtemperatur von 26 °C zulässig.
Besonders strahlungsaktive Kühl-/Heizsysteme leisten einen entscheidenden Beitrag für behagliche Bedingungen
am Arbeitsplatz, weil keine störenden Geräusche und keine Zuglufterscheinungen auftreten. Der Mensch kann seine
eigene Körperwärme im direkten Strahlungsaustausch an die gekühlten Flächen abgeben. Andererseits erwärmt die
im Winter mit Temperaturen um 30 °C beheizte Decke die Fassadenoberfläche und neutralisiert den Kaltstrahlungsanteil bei tiefen Außentemperaturen.
Bild 2: Behaglichkeitsbedingungen - operative Raumtemperatur
Raumkühl-/Heizflächen haben sich in den letzten Jahren als führende Temperiersysteme im Markt etabliert. Während
im Wohnungsbau überwiegend mit Fußboden-Heizungstechnik gearbeitet wird, dominieren Heiz-/Kühldecken
und/oder Betonkerntemperierung den Nichtwohungsbau. Das zum Heizen oder Kühlen benötigte Medium weist nur
geringe Über- bzw. Untertemperatur auf, weshalb Flächentemperierungssysteme besonders auch für den Einsatz
von erneuerbaren Energieformen geeignet sind. Verschiedenartige Gestaltungswünsche der Architektur haben in
den letzten Jahren technische Lösungen entstehen lassen, die mit Materialien, wie Stahlblech, Aluminium, Gips, etc.
höchst unterschiedliche Strahlungsoberflächen in Räumen ermöglichen. Der wesentliche Unterschied zwischen abgehängten Deckensystemen und Betonkerntemperierung ist der hohe thermische Speichereffekt bei Betonkerntemperierung der andererseits auch dazu führt, dass Betonkerntemperierung nur mit Zusatz-Heiz-/Kühltechnik sinnvoll ist.
Abgehängte Metall-Heiz-/Kühldecken haben besondere Vorteile in Bürogebäuden, die modular geteilt werden
können und die Option technische Nachrüstungen auch nachträglich im Deckenzwischenraumbereich zu ermöglichen. Sie sind leistungsstark, pflegeleicht und erfüllen neben der Heiz-/Kühlaufgabe auch raumakustische und lichttechnische Funktionen im Raum. Deckenplatten können leicht demontiert werden. Bei Änderung in der Raumaufteilung kann so das Kühlsystem den neuen Bedingungen angepasst werden.
Bild 3: Metallakustikdecke zum Kühlen und Heizen
Bild 4: Deckenverkleidung und Kühlsystem sind trennbar
Wegen der relativ geringen Investitionskosten hat sich das Betonkerntemperierungssystem in wenigen Jahren weit
verbreitet. In der Schalungsphase der Geschosstrenndecken werden in die neutrale Zone der Deckenkonstruktion
Kunststoffrohre eingelegt und mit Beton vergossen. Damit wird der Betonkörper zur thermischen Speichermasse und
Wärmeübertragungsfläche zum Raum. Als Ergänzung eignen sich Idealerweise Zusatzflächen, die fassadennah
unter der Rohdecke abgehängt werden. Aufgrund der geringen Trägheit dieser Konstruktionen besteht die Möglichkeit, eine individuelle Raumtemperaturregelung zu realisieren. Mit vielen sichtbaren Betonflächen, die auch zur
Raumtemperierung herangezogen werden, müssen für die Unterbringung von technischen Installationen neue Wege
gefunden werden, wie zum Beispiel Luftleitungen vom Raum aus unsichtbar integriert werden können. Das BATSO
air-System von Zent-Frenger wird ebenso wie die Betonkerntemperierung in der Betondecke verlegt und versorgt den
in Fassadennähe angeordneten Luftauslass mit frischer Zuluft. Auf diese Weise erhält jeder Raum die gewünschte
Luftmenge zur Aufrechterhaltung des hygienischen Standards.
Bild 5: Schnitt durch ein Randzonenelement mit Luftführung
Bild 6: Fassadennahe Deckenheizung mit Betonkerntemperierung
Die Hauptverwaltung der Entory AG in Ettlingen/Deutschland ist ein gutes Beispiel für ein ganzheitliches Energiekonzept für ein Bauobjekt mit hohem Glasflächenanteil, hellen, großzügigen Büroräumen und geforderten niedrigen
Energiekosten. Über die statisch erforderlichen Gründungspfähle wird der ein großer Anteil des Energiebedarfs des
Gebäudes gedeckt. Erdwärme, die mittels Wärmepumpe auf das für das betonkerntemperierte benötigte
Temperaturniveau von 26 bis 30 °C aufgeheizt wird. Im Sommer dient dasselbe System zur Raumkühlung, wobei die
Energiepfähle als Wärmesenke benutzt werden, um so dem Erdreich im Winter entzogene Wärmeenergie wieder
zuzuführen. Als regulatives Zusatzsystem für die individuelle Raumtemperatur sind in Fensternähe Heizkonvektoren
installiert. Nach inzwischen mehrjährigen Erfahrungen kann heute berichtet werden, dass diese Heizkörper nur selten
in Betrieb sind, weil die Beheizung über die Deckenfläche völlig ausreichend ist.
Bild 7: ENTORY AG Ettlingen
Die Kombination aus Betonkerntemperierung und zusätzlichen Heiz-/Kühlflächen ermöglicht die Aufteilung in so
genannte Tagverbraucher und Nachverbraucher. Damit kann die geothermische Anlage etwas kleiner ausgelegt
werden, weil ein Teil der erforderlichen Maschinenleistung während der Nacht zur Aufladung der Betondecken verwendet werden kann. Die Geothermieanlage muss daher nicht auf den Spitzenlastfall, sondern auf einen Mittelwert
aus Grundlast und Spitzenlast ausgelegt werden.
Geothermische Komplettsysteme bestehen im Wesentlichen aus 4 Bausteinen:
Geothermische Energiequelle (bestehend aus Erdsonden, Energiepfähle, Flachkollektoren etc.)
Energietransformation (Wärmepumpe, Energiezentrale)
Flächen-Heiz-/Kühlsysteme (Betonkerntemperierung oder Heiz-/Kühldecken)
MSR-Technik für das Gesamtsystem.
Die Energiezentrale ist ein Managementsystem integriert, das Angebot an Energie und Nachfrage ständig miteinander vergleicht und besonders in der Übergangszeit die Nutzung naturaler Kühlenergie aus dem
Temperaturpotential des Untergrundes ermöglicht. Erst, wenn das natürliche Kühlpotential des Untergrundes nicht
mehr ausreicht, wird die Wärmepumpe mechanisch/hydraulisch auf Kühlbetrieb umgeschaltet, um auf diese Weise
das Gebäude auch bei anhaltendem Sommerwetter und insbesondere am Ende einer Sommerzeit ausreichend mit
Kühlenergie versorgen zu können.
Bild 8: Geothermische Energiezentrale GEOZENT
Geothermieanlagen für gewerblich genutzte Gebäude sollten unbedingt im Heiz- und Kühlbetrieb gefahren werden.
Auf diese Weise wird die im Winter entzogene Wärmeenergie während der Sommerzeit dem Untergrund wieder
zugeführt. Das eigene Grundstück wird auf diese Weise zum saisonalen Energiespeicher, der unabhängig von Tagund Nachtzeit, Sonne oder Wind dem Gebäude zur Verfügung steht. Als Antriebsenergie ist lediglich elektrischer
Strom erforderlich, mit dem die Wärmepumpe angetrieben wird.
Bild 9: Saisonaler Thermospeicher im Untergrund
Bei der Konzeption eines geothermisch gestützten Energiekonzeptes sind einerseits das thermische Bedarfsprofil
des Gebäudes und andererseits die Verfügbarkeit aus der geothermischen Energiequelle gegenüberzustellen. ZentFrenger verwendet hier eine eigens entwickelte Software zur thermischen Simulation des Untergrundes, anhand
derer die langfristige Verfügbarkeit der erforderlichen Energie zum Heizen und zum Kühlen nachgewiesen werden
kann. Dieser Simulationsprozess ist ein unverzichtbarer Bestandteil einer seriösen Planungsleistung.
Als weiteres Praxisbeispiel dient der Neubau der Kreissparkasse Tübingen, die sich wie Entory für ein geothermisches gestütztes Energiekonzept entschieden hat. Energiepfähle, die aus statischen Gründen erforderlich
waren, sind die Energielieferanten für den Heiz- und Kühlbetrieb sämtlicher Büroflächen. Die Geothermiezentrale
Geozent versorgt ca. 8.000 m² Betonkerntemperierung und 2.500 m² Randstreifenelemente in einer AluminiumSandwich-Konstruktion. Das optisch ansprechende Bauobjekt mit raumhoher Verglasung ist seit 15 Monaten in Betrieb und verzeichnet sehr niedrige Energieverbrauchskosten, die Akzeptanz der Mitarbeiter ist außerordentlich hoch.
Nach Aussagen der Kreissparkasse ist das gewählte Konzept ein voller Erfolg.
Wegen der nicht vorhandenen Installationsflächen für Lüftungsleitungen wurden über 12.000 m Zuluftrohre zusammen mit den wasserführenden Rohren der Betonkerntemperierung in den Geschosstrenndecken verlegt, wobei
die Zuluftauslässe im Fußboden entlang der Fassade angeordnet sind.
Bild 10: Sparkasse Tübingen, Randstreifenelemente mit Betonkerntemperierung
Bild 11: Rathaus Weilheim
Bild 12: Rathaus Weilheim, Randstreifenelemente mit Betonkerntemperierung
Auch kommunale Bauherren entdecken zunehmend die Vorzüge ganzheitlicher Energiekonzepte. Am Beispiel Rathaus Weilheim (nähe Stuttgart) konnte ein solches Konzept ganzheitlich umgesetzt werden. Als Basis für die
Energieversorgung dienen Erdwärmesonden, die unterhalb der Bodenplatte des neuen Rathauses 100 m tief angelegt wurden und mittels einer Wärmepumpe die Wärme- und Kälteenergie im Gebäude bereitstellen. Als Wärmeübertragungsflächen dienen Betonkerntemperierung und Randstreifenelemente, über die die Raumtemperaturregelung vorgenommen werden kann.
Die Konzeption von Raumkonditionierungsanlagen schließt mehr und mehr die Bereitstellung von erneuerbaren
Energiequellen ein. Geothermie ist die einzige regenerative Energieform, die auf eigenem Grundstück unabhängig
vom Wetter und der Jahreszeit und unabhängig von Tag und Nacht kostenlos zur Verfügung steht und mit Hilfe einer
Wärmepumpe dem Gebäude zugeführt werden kann. Eine entscheidende Voraussetzung dazu ist ein interdisziplinärer Planungsprozess, über den in der frühen Phase des Gebäudeplanungsprozesses die Verfügbarkeit
geothermischer Energie geprüft werden muss. Die weiteren Planungsschritte stützen sich auf die daraus gewonnenen Erkenntnisse und folgend dem zwischen allen Beteiligten festgelegten Raumkonditionierungskonzept.
Fachleute, die am Bauvorhaben bisher weitgehend unabhängig voneinander mitgewirkt haben, müssen jetzt ihre
Arbeitsergebnisse stärker miteinander koordinieren.
Bild 13: Interdisziplinärer Planungsprozess
Zusammenfassend kann die oberflächennahe Geothermie als eine sichere und wirtschaftliche Versorgungsbasis für
Heiz-/ und Kühlenergie für Gebäude bezeichnet werden, die die verbrauchsgebundenen Kosten nachhaltig senkt und
einen wertvollen Beitrag zur Vermeidung von CO2 leistet. Auf der Gebäudeseite müssen geeignete
Raumtemperiersysteme installiert sein, um die niederwertige Umweltenergie verwenden zu können. Dazu haben sich
in besonderer Weise Heiz-/Kühldecken und weitere bauteilintegrierte Flächensysteme bewährt. Nur eine ganzheitliche Betrachtung des Gebäudes einschließlich der auf dem Grundstück befindlichen Energiequelle verschafft eine
sichere, dauerhafte und Kosten sparende Energieversorgung von Gebäuden.
Autor
Geschäftsführer Fritz Nüßle
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