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Wie Kiefer Klimatechnik Betonkerntemperierung mit Lüftungstechnik kombiniert

(30.10.2020) Anfang der 2000er-Jahre hat Kiefer Klimatechnik die Betonkerntemperierung Concretcool entwickelt – seitdem hat sich das Bauteilaktivierungs-Lüftungs­sys­tem mehrfach in der Praxis bewährt. Seine Besonderheit: Außenluft - und nicht wie üblicherweise Wasser - dient als Wärmeträgermedium und wird ohne weiteren Energieaufwand zur direkten Kühlung der Betondecken genutzt. Zugleich deckt die Außenluft den Frischluftbedarf im Gebäudeinneren ab. Damit bietet Concretcool eine Doppelfunktion in der Raumlufttechnik (RLT).

Foto © Kiefer Klimatechnik 

Zur Erinnerung: Die thermische Bauteilaktivierung (BTA) bietet die Möglichkeit, die Gebäudemasse als Energiespeicher zu nutzen. Generell unterscheidet man dabei zwischen luft- und wasserbasierten Systemen, wobei Concretcool ausschließlich mit Luft arbeitet. In beiden Fällen werden in Wänden, Decken oder Fußböden Rohrsysteme verlegt, durch die das Energie tragende Medium (Wasser oder Luft) strömt. Der Baustoff Beton eignet sich hierfür besonders gut, da er Wärme bzw. Kühle einerseits gut speichern und anderseits gut leiten kann. Die im Bauteil eingespeicherte Energie wird aufgrund der Trägheit der Masse zeitverzögert zu einem energetisch sinnvolleren Zeitpunkt aus den Räumen abgeführt. Mit einer Bauteilaktivierung können Gebäude also auf eine besonders ressourcenschonende Art gekühlt werden.

Energieeinsparung und Frischluft durch Freie Kühlung (Free Cooling)

Mit der Betonkerntemperierung Concretcool hat Kiefer eine Variante auf den Markt gebracht, bei der Zuluft als Energieträger dient, die zur Lüftung  ohnehin benötigt wird. Dies bringt zwei wesentliche Vorteile mit sich:

  1. Die Außenluft lässt sich ohne weiteren Energieaufwand zur Kühlung des Gebäudes verwenden, denn die jährliche Durchschnittstemperatur der Außenluft liegt in Deutschland je nach Region zwischen 8 bis 11°C - das reicht, um freie Kühlung (Free Cooling) an rund 250 Tagen eines Jahrs zur direkten Kühlung von Betondecken zu nutzen.
  2. Concretcool temperiert ein Gebäude nicht nur passiv über die Bauteilaktivierung mittels Strahlungswärme bzw. -kühle, sondern auch aktiv via Lüftungssystem, das ohnehin für den hygienischen Luftaustausch erforderlich ist.

Referenzprojekt: Gymnasium Grimmelshausen in Gelnhausen von hkr.architekten. Mit Concretcool sind glatte Deckenansichten möglich, die Kiefer-Luftauslässe werden flächenbündig in die Betondecken integriert. (Foto © Kiefer Klimatechnik) 

Der Mindestaußenluftstrom ist nach DIN EN 16798 definiert und ergibt sich aus dem Volumenstrom pro Person und einem Volumenstrom pro Quadratmeter Fläche. Entsprechend „dem vorausgesagten Prozentsatz Unzufriedener“ definiert die Norm vier Kategorien (I bis IV). Die Verwendung der besten Kategorie I ermöglicht einerseits eine hohe Luftqualität und damit verbunden eine hohe Nutzerakzeptanz und stellt andererseits eine ausreichende Luftmenge für das „Entladen“ der in der Betondecke eingespeicherten Wärmeenergie sicher. Obwohl die stationäre Kühlleistung von Concretcool üblicherweise nur im Bereich von 15-25 W/m² liegt, können damit zeitlich begrenzt aufgrund des Speichervermögens der Decke durchaus die heute üblichen Kühllasten von 30-70 W/m² abgeführt werden.

Modernes Hypokaustum

Die Funktionsweise des Lüftungssystems Concretcool ähnelt einem Hypokaustum, einer Warmluftheizung der alten Römer. Dabei werden massive Bauteile wie Wände, Fußböden oder Sitzbänke mit warmer Luft durchströmt. Während jedoch in der Antike außerhalb des Hauses liegende Brennöfen als Energiequelle dienten, wird bei Concretcool das Kühlpotential der Außenluft verwendet, wodurch bis zu 50% des Energiebedarfs im Vergleich zu herkömmlichen Systemen mit Wasser als Energieträger eingespart werden können. Dies funktioniert so:

Liegt die Temperatur der Zuluft zwischen 10 und 16°C, wird sie im vollen Umfang für die Gebäudetemperierung genutzt: Während die kalte Zuluft die Kühlrohre in der Betondecke durchströmt, entzieht sie dieser die Wärme und erwärmt sich dabei auf ca. 21°C - ganz ohne Nacherhitzer. Bereits nach 6 bis 8 m im Kühlrohr hat die Luft nahezu Deckenkerntemperatur erreicht.  Verantwortlich für die gute Energieübertragung sind wärmeleitende Aluminiumrohre:

Um einen Wärmeübertragungsgrad von 90% zu erreichen, sind ihre inneren Oberflächen durch Rippen nahezu vervierfacht. Aufgrund der großen Speicherkapazität der Betondecken reguliert sich dieser Vorgang von selbst, ohne größere Schwankungen der Zuluft-Temperatur.

Regulierung per Low-Tech

Das Regulierungskonzept das Concretcool besteht darin, die aktivierten Bauteile in einem 24-Stunden-Zyklus mit Energie aufzuladen und wieder zu entladen. Das heißt: liegt die Betonkerntemperatur zu Betriebsbeginn bei 22°C, beträgt sie 24 Stunden später wieder annährend 24°C. Dadurch lässt sich das „Aufschaukeln“ der Betonkerntemperatur im Wochenverlauf vermeiden - ein Effekt, den man in Hitzeperioden in den eigenen vier Wänden beobachten kann. Und auch die Kühlleistung regelt sich praktisch von selbst: Bei ansteigender Raumtemperatur nimmt die Kühlleistung der Betondecke ohne zeitliche Verzögerungen zu.

Betrieben wird die Anlage während der Nutzungszeit des Gebäudes. Wenn am Abend nach Ende der Nutzungszeit die im Tagesverlauf eingespeicherte Energie noch nicht komplett abgeführt wurde, wird die Anlage in den Morgenstunden vor Betriebsbeginn wieder angeschaltet und so die Restwärme aus der Decke abgeführt. Dies sichert die Nutzung des energetisch günstigsten Temperaturniveaus der Außenluft in den kühlen Morgenstunden.

Concretcool im 2009 fertiggestellten, 84 m hohen Skyline Tower bzw. „THE m.pire“ in München von Helmut Jahn (Foto © Kiefer Klimatechnik) 

Gesamtwärmerückgewinnungsgrad von > 95%

Der Wärmerückgewinnungsgrad des Gesamtsystems - also der RLT-Anlage und des Gebäude liegt bei über 95%. Das zeigt, dass das Haupteinsparpotential von Concretcool auf der Heizungsseite liegt. Die im Winter und in den Übergangszeiten auftretenden Wärmelasten werden nicht wie bei konventionellen Systemen direkt abgeführt, sondern wirken durch ihre Speicherung in der Decke einer unerwünschten Nachtauskühlung entgegen.

Größe, Lage und Einbau der Aluminium-Kühlrohre

Kiefer Klimatechnik bietet die Kühlrohre aus gut wärmeleitendem Aluminium mit Durchmessern von 60 und 80 mm an. Der Durchmesser von 80 mm bietet den Vorteil, dass die üblichen Mindestluftmengen problemlos achsweise ins Gebäude eingebracht werden können und gleichzeitig keine Probleme mit der Gebäudestatik entstehen.

Verlegt werden die Kühlrohre nach Absprache mit dem Statiker in der statisch neutralen Zone der Betondecken zwischen oberer und unterer Bewehrung. Von statisch relevanten Punkten wie Stützen, Pfeilern und tragenden Wänden muss ein ausreichender Abstand eingehalten werden. Befestigt sind die Kühlrohre, die auf Aluminiumstützen liegen, mit Kabelbindern an der unteren Bewehrung, wodurch sie beim Vergießen der Betondecke nicht aufschwimmen. Mit dem Rohrdurchmesser 80 mm eignet sich Concretcool ohne statische Einschränkungen für Deckenstärken ab ca. 24 cm. Bei geringeren Deckenstärken ab ca. 20 cm steht zusätzlich der Rohrdurchmesser 60 mm zur Verfügung.

Concretcool eignet sich für Ortbetondecken ebenso wie für Filigran- und Fertigteildecken. Die Speicherkapazität beträgt bei üblichen Deckenstärken und Betonqualitäten ca. 165 bis 200 Wh/m²K. Aufgrund der Integration in die Betondecke setzt das Betonkernaktivierungssystem Concretcool ein integrales Verfahren schon in frühen Planungsphasen voraus.

Ideal für Schul- und Verwaltungsbauten

Für eine Bauteilaktivierung mit Luft spricht u.a., dass wassergekühlte Decken ohne mechanische Lüftung nicht ihr volles Potential ausspielen können. Denn gerade dann, wenn die Kühlung in Hitzeperioden am wichtigsten wäre, muss sie möglicherweise wegen Kondensationsgefahr abgeschaltet werden. Zugleich steht eine kontrollierte mechanische Lüftung immer öfter im Pflichtenheft - erst recht nach der Corona-Krise.

Direkt darauf angesprochen, haben es Bauherren und Planer in der Regel lieber, wenn Luft anstatt Wasser durch ihre Decken strömt. Diesem Aspekt kommt bei Museen oder Bibliotheken eine noch höhere Bedeutung zu, da ein Wasserschaden in solchen Gebäuden maximale Schäden nach sich ziehen würde.

Nicht zuletzt schätzen insbesondere Architekten an Concretcool, dass mit dem BTA-Lüftungssystem glatte Deckenansichten mit minimierter, möglichst unsichtbarer Technik realisierbar sind. Dabei lassen sich die flächenbündig in die Betondecken integrierten Kiefer-Luftauslässe auf das gestalterische Konzept des jeweiligen Bauvorhabens optisch anpassen.

Fazit

Im Juli 2001 wurde in Stuttgart erstmals ein Neubau mit dem BTA-Lüftungssystem Concretcool in Betrieb genommen - und zwar in dem neuen Verwaltungsgebäude der F. Kirchhoff AG. 19 Jahre später gibt es mehr als 100 Referenzprojekte mit einer Gesamtfläche von weit mehr als 500.000 m². Darunter auch der 2009 fertiggestellte, 84 m hohe Skyline Tower bzw. THE m.pire in München von Helmut Jahn - das bislang größte Bauvorhaben mit Concretcool. Der 23 Stockwerke hohe Büroturm mit 44.000 m² Fläche ist als „Green Building“ zertifiziert und gilt unter TGA-Planern als Durchbruch für das BTA-Luft-System Concretcool von Kiefer Klimatechnik.

Concretcool in der 2009 fertiggestellten Bibliothek der Humboldt-Universität in Berlin von Architekt Max Dulder (Foto © Stefan Müller) 

In den letzten Jahren kamen immer mehr Schulprojekte hinzu, weil eine mechanische Lüftung für diesen Gebäudetypus mittlerweile Stand der Technik ist. So machen Schulgebäude mittlerweile einen Großteil der beauftragten Concretcool-Projekte bei Kiefer aus.

Weitere Informationen zu Concretcool können per E-Mail an Kiefer Klimatechnik angefordert werden - und siehe auch „Zweites Referenzbuch von Kiefer Klimatechnik: Im Einklang mit der Architektur!“ vom 27.10.2020.

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