Eine neue Bauweise ermöglicht eine leistungsstarke Bauteilaktivierung

Die klassische Bauteilaktivierung ist eine seit ca. 20 Jahren bekannte und leistungsfähige Methode zum Kühlen und Heizen von Gebäuden. Heutzutage werden die meisten der Nichtwohngebäude mit thermoaktiven Deckenelementen ausgeführt. Bereits zu Beginn im Zusammenhang mit der Kühlung von Bürogebäuden hat man erkannt, dass die große freie Oberfläche der Decke die Wärme aus dem Raum aufnimmt, an die große Betonmasse abgibt und speichert, um dann über die eingelegten Rohrleitungen die Wärme (wegen der Trägheit der Masse) zeitversetzt abgeführt wird. Die bei Flachdecken verfügbare große Betonmasse hat sich als exzellenter Speicher für Wärme (Wärmespeicherkapazität c= 0,88 KJ/kgK ) erwiesen. Da die Masse bei Decken so oder so vorhanden ist, lässt sich die Eigenschaft der Wärmespeicherung gleichzeitig optimal zum Kühlen und auch erfolgreich zum Heizen nutzen. Allerdings stand bislang und steht weiterhin bei dieser Anwendung und Nutzung der Focus auf den Prozessen des Beladen, des Speichern und des Entladen der Speichermasse.

Denn im Gegensatz zu einer konventionellen Raumklimatechnik, die aktiv mit nachgeführter Energie eingreift, um die Raumtemperatur zu verändern, reagiert die Bauteilaktivierung aufgrund der großen Betonmasse sehr träge und zudem passiv ausschließlich auf die jeweilige Temperaturdifferenz zwischen Betondecke und Raum. Von großem Vorteil erweist sich der Selbstregeleffekt des Systems. Die träge Masse des Systems beharrt bei einer nahezu gleichbleibenden Temperatur der Decke, während die Raumtemperatur im Verlauf des Tages sich infolge der internen und externen Lasten verändert. Entsprechend der steigenden bzw. fallenden Temperaturdifferenz zwischen Decke und Raumtemperatur verändert sich die Leistung selbsttätig, ohne dass ein Eingriff von außen stattfindet.

Dank der Speichermasse wird Zeit versetzt be- und entladen, was häufig auch dazu genutzt wird, eine so genannte Nachtauskühlung bei günstigeren Energiekosten vorzusehen. Mit der Fixierung auf die Speicherung der Energie mittels der Betonmasse, hat man die Trägheit des Systems und die damit verbundene geringe Leistungsfähigkeit (ca. 33 W/m2)  bewusst in Kauf genommen. So betrachtet man die klassische Bauteilaktivierung auch ausschließlich zur Deckung einer Grundlast. Spitzenlasten müssen dann mit zusätzlichen Gerätschaften abgedeckt werden. Zudem war bei diesem trägen System an eine Einzelraumregelung überhaupt nicht zu denken. Mit diesen Einschränkungen sind die Grenzen der klassischen Bauteilaktivierung markiert.

Aus wirtschaftlichen und energetischen Gründen bleibt bei der Ausführung von Bürogebäuden die Bauteilaktivierung als Klimatechnik wegen der Nutzung der Niedrigtemperatursysteme bevorzugt. Dennoch wünscht man sich aber eine höhere verfügbare Leistung, um anstelle einer bislang nur ergänzenden, zukünftig die alleinige Raumheizung bzw. Kühlung sicherzustellen. Unter diesem Aspekt muss man sich jedoch von der bisherigen Betrachtungsweise, Beton mit großer Masse als Speicher zu nutzen, verabschieden.

Deshalb müssen die Massen der Decke reduziert und der bisherige Vollquerschnitt auflöst werden in einen Sandwichquerschnitt mit einem die beiden Äußeren tragenden Schalen trennenden Hohlraum in Form einer Dämmschicht. Aus statischer Sicht ist der Sandwichquerschnitt dem Vollquerschnitt beim Biegewiderstand gleich zu setzen. Die die beiden Schalen verbindenden Stege können je nach Materialausführung auch bei kleinsten Abmessungen den geforderten Schubwiderstand gewährleisten. Die Abmessungen der beiden Schalen werden bei den heutigen Betonfestigkeiten nur durch konstruktive Randbedingungen bestimmt und können somit so gering wie nur möglich gehalten werden.

Deren geringe Masse verbunden mit der aus geometrischen Gründen notwendigen Anordnung der Rohrregister nahe der Oberfläche führt zu einer positiven Veränderung der Leistung und der Reaktionsgeschwindigkeit, die sich deutlich von der bisherigen klassischen Bauteilaktivierung unterscheidet.

Die neu gewählte Konstruktion mit den geringen Abmessungen entspricht nahezu den Formen und der Geometrie einer klassischen Kühldecke bzw. einer Deckenstrahlheizung. Die oberflächennahe Anordnung der Rohrleitungen bei kleinsten Schalenabmessungen führt nun zu einem aktiven Klimasystem, mit dem unmittelbar geheizt oder gekühlt wird. Somit führt eine Betondeckenkonstruktion mit einem Sandwichquerschnitt zu folgenden thermischen Verbesserungen:

• Leistungssteigerung ( ca. 50 – 70 W/m2)
• Schnelle Reaktionszeit

Die Ausführung einer Flachdecke mit Sandwichquerschnitt lässt sich jedoch nur mit Hilfe von Betonfertigteilen umsetzen. Denn nur im Fertigteilwerk lassen sich die beiden Schichten nacheinander herstellen, um dann über nur wenige tragende Stege miteinander verbunden zu werden. Die einzelnen Plattenelemente müssen dann vor Ort zusammengesetzt, und über verbindende Gurtstreifen monolithisch zu einer Flachdecke verbunden werden. Der Anordnung und der Ausbildung der Gurtsteifen kommt aus statischer Sicht die entscheidende Bedeutung zu. Denn aus den vorgefertigten einachsig gespannten Elementplatten mit Sandwichquerschnitt wird nur mit Hilfe des deckengleichen Gurtstreifens die zweiachsig wirksame Flachdecke.

Die Ausbildung des Gurtstreifens kann auch bereits im Werk erfolgen, indem die obere Schale gegenüber der unteren zurückbleibt und die erforderlichen Bewehrungselemente (z.B. die Bügel) werkseitig auf der unteren Platte angeordnet sind. Eine vorausschauende Planung ermöglicht die Detailierung der individuellen Elemente, die sich dann über die geplanten Schnittstellen zusammenfügen.

Dank dem über den Sandwichquerschnitt veränderten thermischen Leistungsniveaus und nur dank den achsenbezogenen Abmessungen der vorgefertigten Elemente wird eine Einzelraumregelung überhaupt erst möglich. Die pro Platte im Achsraster angeordneten Register lassen sich nun individuell ansteuern und somit auch individuell regeln. Damit ist die Voraussetzung für die kleinteilige Raumklimatisierung gegeben und darüber hinaus auch die Grundlage geschaffen, einzelne Räume unabhängig voneinander in einem gleichzeitigen Betrieb zu Kühlen bzw. zu Heizen. Diese Option muss bei den großen Bürogebäuden insbesondere in den Übergangszeiten wie Frühjahr und Herbst in Anspruch genommen werden, um abgestimmt auf die jeweiligen internen und externen Energielasten gezielt und aktiv reagieren zu können. Diese individuelle Anpassung wird dann erforderlich, wenn die Bauteilaktivierung zur alleinigen Raumheizung bzw. Kühlung genutzt wird. Die Regelung der einzelnen Register erfolgt über die jedem Kreislauf zugeordnete Ventile bzw. Stellmotoren, die entweder direkt am Abgang zu der Hauptringleitung angeordnet werden, oder über lokal in der Decke angeordnete dezentrale Verteilerelemente angesteuert werden. Dank der Vorfertigung lassen sich die Steuer- und Regelelemente auch bereits im Werk in Form von Einbauteilen in den jeweiligen Plattenelementen anordnen, so dass deren einzelne Leitungen nur noch vor Ort zu einem zusammenhängenden Strang verbunden werden müssen.

Ein weiterer Vorteil der Vorfabrikation besteht zudem in der präzisen Anordnung von kleinformatigen Aussparungen für den nachträglichen Einbau von metallischen Absorberstreifen.

Damit wird ein weiterer Nachteil der klassischen Bauteilaktivierung, die schallharte Deckenoberfläche, kompensiert. Dank dem Einsatz von metallischen Absorberstreifen wird die thermische Leistung der Decke nicht berührt. Aber die akustischen Eigenschaften der Betonoberfläche werden spürbar verbessert, so dass neben der mit der Deckenstrahlung verbundenen thermischen Behaglichkeit zugleich eine angenehme Geräuschkulisse vermittelt wird. Sowohl die positive Eigenschaft der Deckenstrahlung als auch die geringe Nachhallzeit führt zu dem Wohlfühlklima, um die Leistungsfähigkeit der in Bürogebäuden arbeitenden Personen auf konstantem Niveau sicher zu stellen.

Die bislang bekannten positiven Aspekte einer Bauteilaktivierung werden mit der neuartigen Deckenkonstruktion mit Sandwichquerschnitt erweitert. Während die klassische Bauteilaktivierung nur als ergänzende Raumheizung bzw. Kühlung zur Anwendung kam, deckt die neue Art der Bauteilaktivierung die alleinige Versorgung ab. Das wird durch die höhere Kühl- und Heizleistung und durch die dank der Fertigteilbauweise realisierbare Einzelraumregelung erreicht.