Kühlung und Lüftung im Doppelpack

Bereits vor 20 Jahren hat die Firma Kiefer Klimatechnik die Betonkerntemperierung „Concretcool“ entwickelt. Eine Besonderheit des Systems ist, dass Außenluft – und nicht wie üblicherweise Wasser – als Wärmeträgermedium dient und ohne weiteren Energieaufwand zur direkten Kühlung der Betondecken genutzt wird. Ebenso deckt diese Außenluft den hygienischen Frischluftbedarf im Gebäudeinneren. Damit deckt das BTA-Lüftungssystem eine Doppelfunktion in der technischen Gebäudeausrüstung ab.

Die thermische Bauteilaktivierung bietet die Möglichkeit, die Gebäudemasse als Energiespeicher zu nutzen. Generell unterscheidet man dabei zwischen luft- und wasserbasierten Systemen. In beiden Fällen werden in Wänden, Decken oder Fußböden Rohrsysteme verlegt, durch die Luft oder Wasser strömt, die dem Bauteil Energie entziehen. Der Baustoff Beton eignet sich hierfür besonders gut, da er Wärme 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 ressourcenschonende Art gekühlt werden.

Mit der Betonkerntemperierung „Concretcool“ hat Kiefer eine Variante auf den Markt gebracht, bei der Zuluft als Energieträger dient, die aus hygienischen Gründen sowieso benötigt wird. Dies bringt zwei wesentliche Vorteile mit sich.

Energieeinsparung und Frischluft durch Freie Kühlung (Free Cooling)

Erster entscheidender Vorteil von Zuluft als Energieträger ist, dass sich die Außenluft ohne weiteren Energieaufwand zur Kühlung des Gebäudes verwenden lässt. Denn die jährliche Durchschnittstemperatur der Außenluft liegt in Deutschland je nach Region zwischen 8 und 11 °C, ein Wert der ausreichend ist, freie Kühlung (Free Cooling) an rund 70 % des Jahres zur direkten Kühlung von Betondecken zu nutzen.

Die Kühlleistung gewinnt vor allem vor dem Hintergrund an Bedeutung, dass moderne Bürogebäude praktisch ganzjährig gekühlt werden müssen. Wärmeverluste sind selbst im tiefsten Winter vernachlässigbar, da interne Wärmequellen wie Personen, Beleuchtung, etc. mehr Energie abgeben als durch die Gebäudehülle verloren geht.

Als zweiter, wichtiger Grund spricht für „Concretcool“, dass die Technik nicht nur Gebäude durch Bauteilaktivierung temperiert, sondern gleichzeitig ein Lüftungssystem ist, dass die hygienisch erforderliche Mindestluftmenge bereitstellt. Der Mindestaußenluftstrom ist nach DIN EN 16798 definiert und setzt sich zusammen aus einem Volumenstrom je Person und einem Volumenstrom je Quadratmeter Fläche, der die Schadstoffarmut des Gebäudes berücksichtigt. 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 instationär aufgrund des Speichervermögens der Decke, zeitlich begrenzt, durchaus die heute üblichen Kühllasten von 30 – 70 W/m² abgeführt werden.

Die Funktionsweise von „Concretcool“ – eine Art 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 Kühlpotenzial der Außenluft verwendet, wodurch bis zu 50 % des Energiebedarfs im Vergleich zu herkömmlichen Systemen mit Wasser als Energieträger eingespart werden können.

Die Funktionsweise erklärt sich wie folgt: Liegt die Temperatur der Zuluft zwischen 10 °C und 16 °C, kann sie im vollen Umfang für die Gebäudetemperierung genutzt werden. Dazu strömt die kalte Zuluft durch die Kühlrohre in der Betondecke, entzieht dieser Wärme und erwärmt sich dabei auf ca. 21 °C – ganz ohne Nacherhitzer. Bereits nach 6 bis 8 m im Kühlrohr hat sie nahezu Deckenkerntemperatur erreicht. Der Wärmeentzug stellt die Bauteilkühlung dar. 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.

Einfache Regulierung dank Low-Tech

Während manch andere Systeme sehr aufwendige Regulierungsstrategien haben, auch mit der Berücksichtigung der Wettervorhersage der nächsten Tage, hat Kiefer Klimatechnik „Concretcool“ bewusst als Lowtech-System mit einem einfachen Regulierungskonzept entwickelt. Dieses besteht darin, die im Bauteil eingespeicherte Energiemenge in einem 24-Stunden-Zyklus wieder abzuführen. Das heißt, liegt die Betonkerntemperatur zu Betriebsbeginn bei 22 °C, beträgt sie 24 Stunden später wieder annährend den gleichen Wert. Dadurch lässt sich das „Aufschaukeln“ der Betonkerntemperatur im Wochenverlauf vermeiden. Und auch die Kühlleistung regelt sich praktisch von selbst. Analog zum Selbstregeleffekt einer Fußbodenheizung nimmt bei ansteigender Raumtemperatur auch 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.

Gesamtwärmerückgewinnungsgrad von › 95 %

In Verbindung mit „Concretcool“ lässt sich der Wärmerückgewinn des Gesamtsystems, also RLT-Anlage und Gebäude, auf über 95 % steigern. Dieser Wert geht nicht nur weit über die Anforderungen des EEWärmeG hinaus, sondern sorgt auch dafür, dass das Haupteinsparpotenzial 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. In Verbindung mit Free Cooling spart man so also gleich doppelt.

Größe, Lage und Einbau der Aluminium-Kühlrohre

Kiefer Klimatechnik bietet die Kühlrohre aus 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. Das System eignet sich für Ortbetondecken ebenso wie für Filigran- und Fertigteildecken. Die Speicherkapazität beträgt bei üblichen Deckenstärken und Betonqualitäten ca. 165 – 200 Wh/(m² K). Aufgrund der Integration in die Betondecke, setzt das Betonkernaktivierungssystem „Concretcool“ ein integrales Verfahren schon in frühen Planungsphasen voraus.

„Concretcool“ – das Lüftungskonzept für Schul- und Verwaltungsbauten

In Neubauten, in denen ohnehin eine Lüftungsanlage benötigt wird oder gar vorgeschrieben ist, ist die Kühlung der Decke mit Zuluft wesentlich wirtschaftlicher und effektiver als Kühldecken mit Wasser. Ebenso spricht für eine Bauteilaktivierung mit Luft, dass wassergekühlte Decken ohne mechanische Lüftung nicht voll funktionsfähig sind. Denn gerade dann, wenn die Kühlung in Hitzeperioden am wichtigsten wäre, muss sie wegen Kondensationsgefahr abgeschaltet werden. Dies verstößt jedoch gegen die Arbeitsschutzrechtlinien, die eine stets gute Belüftung der Räume und eine Raumtemperatur nicht über 26 °C einfordern. Aufgrund hoher Emissionsbelastungen ist in Innenstadtlagen die hygienische Frischluftzufuhr über Fensterlüftung sowieso nicht sinnvoll.

Ferner spricht für das System, dass Bürogebäude heute hochtechnisiert sind und dass sowohl Bauherren als auch Planer es begrüßen, wenn Luft anstatt Wasser durch die 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 der Betonkernaktivierung, dass glatte Deckenansichten mit minimierter, möglichst unsichtbarer Technik realisierbar sind. Dabei lassen sich die flächenbündig in die Betondecken integrierten Luftauslässe auf das gestalterische Konzept des jeweiligen Bauvorhabens optisch anpassen.

Beispiele aus der Praxis

Im Juli 2001 wurde in Stuttgart erstmals ein Neubau mit dem BTA-Lüftungssystem „Concretcool“ in Betrieb genommen – das neue 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 Stararchitekt Helmut Jahn – das bislang größte Bauvorhaben mit „Concretcool“. Der 23 Stockwerke hohe Büroturm mit 44 000 m² Fläche ist Green Building zertifiziert und gilt unter TGA-Planern als Durchbruch für das BTA-Luft - System „Concretcool“ von Kiefer Klimatechnik.

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.

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