Handbuch Betonkernaktivierung

Planung, Bau, Betrieb

Thomas Giel, Alper Baydogan, Ali Dönmez

• Publisher: Verlag Bau+Technik
• Year: 2018
• eBook ISBN: 9783764007287
• Topic: Technology & Engineering
• Subtopic: Civil Engineering
• Index: Technology & Engineering

Die Betonkernaktivierung wird als innovative und kostengünstige Methode zur Temperaturregelung von Gebäuden immer interessanter. Mit relativ geringem Energieaufwand nutzt sie die Fähigkeit von Wänden und Decken im Gebäude, thermische Energie zu speichern und damit die Räume zu heizen oder zu kühlen. Mittlerweile ist diese Methode häufiger Bestandteil der modernen innovativen Architektur. Vor allem in Büro- und Verwaltungsgebäuden, Schulen oder Krankenhäusern gehört sie heute schon zum Standard. Was sich genau hinter dem Begriff "Betonkernaktivierung" verbirgt und wie das ganze System funktioniert, zeigt dieses neue Handbuch. Es soll zunächst alle wichtigen Grundlagen, Definitionen und Hintergrundinformationen, die zum Verständnis des Gesamtsystems erforderlich sind, vermitteln und ausschlaggebende Berechnungsgrößen, welche für die Auslegung der Betonkernaktivierung unerlässlich sind, anhand von mathematischen Zusammenhängen und Formeln aufzeigen. Anschließend werden alle wichtigen Informationen von der Planung, über den Bau bis hin zum Betrieb und Regelung der Betonkernaktivierung erläutert.

1Einleitung

1.1Problemstellung

Die Betonkernaktivierung wird als innovative und kostengünstige Methode zur Temperaturregelung von Gebäuden immer interessanter. Mit relativ geringem Energieaufwand nutzt sie die Fähigkeit von Wänden und Decken im Gebäude, thermische Energie zu speichern und damit die Räume zu heizen oder zu kühlen. Mittlerweile ist diese Methode häufiger Bestandteil der modernen Architektur, vor allem bei Büro- und Verwaltungsgebäuden, Schulen oder Krankenhäusern. Aber dennoch ist den meisten Menschen – wenn überhaupt – lediglich der Begriff „Betonkernaktivierung“ bekannt. Was sich genau dahinter verbirgt und wie das ganze System funktioniert, ist für die breite Masse ungewiss. Der Mangel an aussagekräftiger Literatur zu diesem Thema macht die ganze Sache noch schwieriger: Es gibt nach dem Kenntnisstand der Autoren kein Buch, welches das gesamte System von der Planung bis hin zum Betrieb beschreibt.

1.2Ziel

Hauptanliegen ist die Zusammenstellung eines informativen Handbuchs für das breite Themengebiet der Betonkernaktivierung. Es soll zunächst alle wichtigen Grundlagen, Definitionen und Hintergrundinformationen beinhalten, die zum Verständnis des Gesamtsystems erforderlich sind. Zusätzlich soll es − anhand von mathematischen Zusammenhängen und Formeln − ausschlaggebende Berechnungsgrößen aufzeigen, die für die Auslegung der Betonkernaktivierung unerlässlich sind. Anschließend soll das Handbuch alle wichtigen Informationen von der Planung über den Bau bis hin zum Betrieb und zur Regelung der Betonkernaktivierung wiedergeben.

1.3Methode

Das Buch ist methodisch so aufgebaut, dass zuerst theoretisch die physikalische Funktion, die Auslegung und der Bau der Betonkernaktivierung erklärt werden, um dann den Betrieb zu erläutern. Da die Betonkernaktivierung ein sehr komplexes Instrument ist, soll dadurch der optimale Einsatz ermöglicht werden.

1.4Aufbau

Das Buch gliedert sich in acht Kapitel, welche sich wiederum aus mehreren Unterkapiteln zusammensetzen.

In der Einleitung werden zunächst die Problemstellung, das Ziel und der Aufbau der Ausarbeitung dargestellt. Zweck dieses Kapitels ist die Heranführung an das Thema.

Das zweite Kapitel beinhaltet die Grundlagen und Definitionen. Hier werden grundlegende Hintergrundinformationen zusammengefasst, die für das Verständnis der Betonkernaktivierung zwingend erforderlich sind. Es wird unter anderem auf die historische Entwicklung, den Aufbau und die Herstellung des Betonkerns sowie auf das Funktionsprinzip eingegangen. Weiterhin werden die drei Wege der Wärmeübertragung, die in Gebäuden auftretenden Wärmelasten sowie die Hauptkriterien für die thermische Behaglichkeit erläutert.

Im Anschluss erfolgt im dritten Kapitel eine detaillierte Darstellung der wichtigsten Berechnungsgrößen für die Auslegung und Dimensionierung thermisch aktivierter Bauteile. Die zuvor beschriebenen Wärmeübertragungsmechanismen, die bei der Betonkernaktivierung ablaufen, werden nochmals im Licht der Mathematik, also mit den dazugehörigen Berechnungsformeln, betrachtet. Außerdem gehören Untersuchungen zum Speichervermögen und zur Leistungsfähigkeit der temperierten Bauteile ebenfalls zum Inhalt dieses Kapitels: Es wird analysiert, welchen Einfluss Parameter wie beispielsweise „Rohrabstand“, „Rohrdimension“, „Wassergeschwindigkeit“, „Lage der Rohre“ oder „Boden- und Deckenbeläge“ ausüben.

Im nächsten großen Kapitel geht es um die wichtigsten Punkte der Planung von thermoaktiven Bauteilen. Fragen zur Eignung der Betonkernaktivierung für verschiedene Fälle sowie Ablauf und Beteiligte der Planungsphase werden hier abgehandelt. Planungskriterien für Auslegung und Dimensionierung sowie Einteilung von Regelzonen; die Einplanung von günstigen Umweltenergiequellen wie auch essenziell systembeeinflussenden Faktoren wie Akustik, Lüftung und Oberflächengestaltung gehören ebenfalls in dieses Kapitel.

Nach der Planung geht es über zur Montage und Bauausführung. Auch hier werden wieder der Ablauf und die beteiligten Parteien vorgestellt. Danach werden die Besonderheiten der verschiedenen Ausführungsarten wie die „Vor-Ort-Montage“, die Verwendung von „vorgefertigten Modulen“ oder auch die Ausführung mit „Betonfertigteildecken“ erläutert. Wie die Rohre durch die Decke geführt werden, wie die Druckprüfung zur Kontrolle auf Schäden im System zu erfolgen hat sowie weitere wichtige Randbedingungen, die für die Ausführung von Bedeutung sind, soll der Leser ebenfalls an dieser Stelle erfahren. Weiterhin wird beispielhaft ein Montageablauf mit Bildern Schritt für Schritt dargestellt.

Kapitel 6 knüpft an die Bauausführung an und fasst einige Ausführungsfehler und deren Folgen zusammen. Durch den Hinweis auf erfahrungsgemäß häufig auftretende Fehler wird hier deren Vermeidung angestrebt.

Der letzte Themenbereich der Betonkernaktivierung ist schließlich deren optimaler Betrieb und Regelung. Im ersten Schritt sind hierbei die systembedingten Regelungsgrundlagen aufzuzeigen. Anschließend werden anhand von Computersimulationen verschiedene Regelungsstrategien analysiert und ausgewertet. Veränderliche Regelungsparameter sind hierbei die Betriebszeit der Betonkernaktivierung, die Betriebsweise der Umwälzpumpe sowie die Regelung der Wassertemperatur in den Rohrregistern.

Den Abschluss der Ausarbeitung stellt Kapitel 8 mit dem Fazit dar. Die Auswertung und die wichtigsten Erkenntnisse der gesamten Ausarbeitung werden noch einmal zusammengefasst. Zusätzlich wird an dieser Stelle auch noch eine persönliche Handlungsempfehlung gegeben.

2Grundlagen und Definitionen

2.1Betonkernaktivierung

Als Betonkernaktivierung bzw. thermische Bauteilaktivierung oder auch Betonkerntemperierung werden Heiz- oder Kühlsysteme bezeichnet, bei denen wasser- oder luftführende Rohrleitungen durch Betonwände oder Betondecken verlaufen und die Speichermassen dieser massiven Bauteile zum Kühlen oder Heizen des Raums nutzen.

2.1.1Historische Entwicklung

Die Anfänge der thermischen Bauteilaktivierung zur Beheizung von Gebäuden reichen bis in das Römische Reich zurück. Bei der „Hypokaustenheizung“ (aus dem Griechischen hypo = von unten; kaustum = brennen; vgl. Bild 2.1) wurde bereits die Strahlungswärme des Fußbodens und der Wände genutzt. Dabei wurden von einem unterirdischen Heizraum bzw. Heizkeller aus heiße Rauchgase eines Holzkohlenfeuers durch Hohlräume im Fußboden und in Wänden geleitet und schließlich über einen Schornstein abgeführt, vgl. [2].

Allerdings wurde damals noch keine Rohrtechnik eingesetzt. Dies führte dazu, dass die Rauchgase durch Fußboden und Wände in den Raum durchdringen konnten und eine Beeinträchtigung für darin befindliche Personen darstellten. Womöglich war dies eines der Gründe, weshalb die Technik mit dem Untergang des Römischen Reichs größtenteils in Vergessenheit geriet.

Bild 2.1: Funktionsprinzip der Hypokaustenheizung, nach [1]

Der nächste bedeutende Schritt in Richtung thermischer Bauteilaktivierung ereignete sich mit dem technischen Fortschritt zu Beginn des 20. Jahrhunderts. In 1907 meldete der englische Ingenieur A. H. Barker die erste Deckenheizung zum Patent an, die aus in der Betondecke integrierten Stahlrohrregistern bestand. Im Gegensatz zu vorherigen Methoden setzte er nicht Luft, sondern Wasser als Medium ein. Inspiriert von den Römern sollte wiederum die Gebäudemasse als Speichersystem genutzt werden. Nur ein Jahr später wurde auch schon die erste Geschossdeckenheizung nach diesem System ausgeführt. Nach dem Namen der ausführenden Firma – Richard Crittall & Co. Ltd – wurde das System als „CRITTALL-Decke“ bekannt. Sie breitete sich rasch aus und erreichte 1930 auch Deutschland.

Nach einigen Jahren erkannte man, dass die im Beton integrierten Rohrregister nicht nur zum Heizen, sondern auch zum Kühlen genutzt werden könnten. So wurde im Jahre 1937 ein Kaufhaus in der Schweiz mit CRITTAL-Decken ausgestattet, die sowohl als Heiz- als auch als Kühldecken fungierten.

Doch wie auch bei der Hypokaustenheizung der Römer konnte sich die CRITTAL-Decke aufgrund ihrer Schwachstellen und Mängel n...

Table of contents

• Cover
• Impressum
• Titel
• Inhaltsverzeichnis
• Vorwort
• Abkürzungsverzeichnis
• Symbolverzeichnis
• 1 Einleitung
• 2 Grundlagen und Definitionen
• 3 Berechnungsgrößen zur Auslegung und Dimensionierung
• 4 Planung
• 5 Montage und Bauausführung
• 6 Ausführungsfehler und Folgen
• 7 Betrieb und Regelung
• 8 Fazit
• Quellenverzeichnis
• Bildnachweis