07.02.2003

Wärmepumpen und "Betonkerntemperierung"

 

 
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Grundlagen unserer Betrachtung einer Betonkerntemperierung in Verbindung mit einer Wärmepumpe. Um die nachfolgende Betrachtungen in das Energiekonzept von Bauweise.net einordnen zu können, sei darauf verwiesen, dass wir in unserem Haus keinen Estrich einbauen werden. Die Betondecken sind nach unten unverputzt und nicht tapeziert, nach oben mit Fliesen oder Linoleum bedeckt. Der Einbau einer klassischen Fußbodenheizung ist uns nicht möglich.

 

Entwicklung einer geothermischen Energiezentrale zum Heizen und Kühlen von Verwaltungsgebäuden mittels Wärmepumpenanlagentechnik - Ausgangslage und Motivation

 

Der Trend in der Gebäudeklimatechnik zu Kühl-/Heizdecken bzw. Betonkerntemperierung bietet die große Chance, die Wärme- und Kälteerzeugung für die Gebäude mit Hilfe von Wärmepumpentechnik effizienter zu gestalten, als dies im Zusammenhang mit traditionellen Radiatorheizungen und Luftklimaanlagen möglich ist. Der Grund dafür ist die mit diesen modernen Systemen einher gehende Entwicklung zu immer moderateren Betriebstemperaturen, wie sie in Tabelle 1 exemplarisch angegeben sind.

 

   

Typische Vor- und Rücklauftemperaturen gängiger Heiz- und Kühlsysteme  

 

Je höher die erzeugten Kaltwassertemperaturen bzw. je niedriger die erzeugten Warmwassertemperaturen sind, desto niedriger ist der für die Erzeugung prinzipiell erforderliche elektrische Energiebedarf einer Wärmepumpe. Abbildung 2 zeigt diesen Zusammenhang an Hand der Heiz- und Kältezahlen  von Kompressionswärmepumpen bzw. Kältemaschinen, wie sie durch optimierte Auslegung und Anlagentechnik heute erreichbar sind. 

 

 

 

Bei Abwärmetemperaturen von 35°C lässt sich beispielsweise der elektrische Strombedarf zur Kälteerzeugung bei 16°C bzw. 19°C im Vergleich zu 6°C Kaltwassertemperaturen um 40% bzw. 50% reduzieren. Im Heizfall, bei Umweltwärmequellentemperaturen von 0°C, erlaubt eine Absenkung der Warmwasservorlauftemperaturen von 55°C auf 35°C bzw. 25°C eine Reduktion des Wärmepumpenstromverbrauchs um gut 30% bzw. fast 50%. In der Praxis ist jedoch häufig zu beobachten, dass auch bei Gebäuden mit Flächensystemen die Wärme- und Kälteerzeugungsanlagen auf Betriebstemperaturen ausgelegt werden, wie sie Standard für Luftklimanlagen und Radiatorheizungen sind, obwohl dies nicht notwendig wäre. Damit wird eine einfache und wirksame Möglichkeit vergeben, die durch die Gebäudetemperierung verursachten Primärenergieverbrauch und CO2-Emissionen wesentlich zu reduzieren. 

 

 

Bei optimierter Auslegung und Anlagentechnik erreichbare Heiz- und Kältezahlen von Kompressionswärmepumpen Sole- bzw. Kaltwasseraustritt [ºC] 

 

Aus Abbildung 1 wird gleichermaßen deutlich, dass auch die Temperaturen der Umweltwärmequelle bzw. Senke einen maßgeblichen Einfluss auf den Strombedarf der Wärme- und Kälteerzeugung haben. Die Heizung eines Gebäudes über eine Kompressionswärmepumpe kann als Primärenergie sparend eingestuft werden, wenn sie mit einer Heizzahl von mindestens 3,5 betrieben wird. Nur dann kann davon ausgegangen werden, dass der von der Wärmepumpe verbrauchte Strom mit weniger Primärenergieeinsatz in fossilen Kraftwerken erzeugt wird, als eine Brennwertkesselanlage zur Bereitstellung derselben Heizwärme benötigt. Nach Abbildung 1 erfordert dies für Radiatorheizungen mit Vorlauftemperaturen von 55°C Wärmequellentemperaturen von über 8°C, während für Heizdecken bzw. Betonkernheizung Temperaturen über –10°C ausreichend sind. Im Kühlfall zeichnet sich eine geeignete regenerative Kältequelle dadurch aus, dass sie die erforderlichen Kaltwassertemperaturen (vgl. Tabelle 1) über möglichst lange Zeiträume direkt ohne den Einsatz von Kältemaschinen zur Verfügung stellen kann. Unter Berücksichtigung der Grädigkeit im Wärmetausch zwischen Umgebung und Wärmepumpe sowie praktischer Gesichtspunkte wie der Wärmetauschervereisung ist Umgebungsluft als Wärmequelle für die Gebäudeheizung selbst bei Flächenheizsystemen erst ab Außentemperaturen über dem Gefrierpunkt empfehlenswert. Die freie sommerliche Gebäudekühlung über die Umgebungsluft ohne Kältemaschineneinsatz ist sowohl bei Luftklimasystemen als auch bei Kühldecken nur an wenigen Stunden möglich. 

 

Eine besser geeignete Energiequelle als Umgebungsluft stellt in vielen Fällen das Erdreich unter dem zu beheizenden bzw. zu kühlenden Gebäude dar. Die Erdschichten bis 100 m unter der Oberfläche weisen ganzjährig relativ konstante Temperaturen von ca. 8-12ºC auf. Für die Beheizung des Gebäudes mittels Wärmepumpentechnik ist dieses Temperaturniveau ideal. Auch bei einer Grädigkeit des Wärmeaustausches zwischen Untergrund und Wärmepumpe von ca. 10 K sind in Verbindung mit Flächenheizsystemen Heizzahlen von über 4 gut erreichbar. Im Kühlfall reichen die Temperaturen im Untergrund häufig zur direkten Kühlung über Flächenkühlsysteme aus. Nur bei hohem Kühlleistungsbedarf oder wenn im Verlauf der Kühlperiode die Ergiebigkeit der Kältequelle im Untergrund nachlässt, muss unter Umständen auf einen Betrieb mit Kältemaschine übergegangen werden. In welchem Umfang die geothermische Wärme- und Kältequelle in der Praxis genutzt werden kann, hängt hauptsächlich von den thermischen Eigenschaften des Untergrundes sowie den Grundwasserverhältnissen ab. Ungünstig bezüglich der zu erwartenden Entzugsleistungen sind trockene sandige oder kieslige Böden aufgrund ihrer geringen Wärmleiteigenschaften. Besser geeignet sind feuchte Böden und Fels, während starker Grundwasserfluss die höchsten Entzugsleistungen verspricht.

 

   

Quelle:  ZENT-FRENGER Gesellschaft für Gebäudetechnik mbH Schwarzwaldstraße 2 D-64646 Heppenheim Telefon (0 62 52) 7907-0 Telefax (0 62 52) 7907-31 heppenheim@zent-frenger.de  Entwicklung einer geothermischen Energiezentrale zum Heizen und Kühlen von Verwaltungsgebäuden mittels Wärmepumpenanlagentechnik Dr.-Ing. Hans-Martin Hellmann ZENT-FRENGER Gesellschaft für Gebäudetechnik, Heppenheim Dipl.-Ing. Ralf Gasper Hafner Kälte- und Klimatechnik, Balingen Deutsche Kälte-Klima-Tagung 2001, 21.-23.11.2001, Ulm 

 

Betonkerntemperierung

Die massiven Geschossdecken des Baukörpers bieten sich idealerweise zur Nutzung als Energiespeicher an. Beispielsweise kann bei vollständiger Ausnutzung der thermischen Speicherfähigkeit einer 28 cm dicken Betondecke bei 3 K Temperaturdifferenz die Wärmemenge von 560 Wh/m² gespeichert werden. Diese theoretische Kapazität auszuschöpfen ist in der Praxis freilich kaum möglich, denn der Energietransport verläuft extrem langsam ab und in den meisten Fällen verzögern wärmeisolierende Fußbodenauflagen oder Hohlraumböden zusätzlich den Wärmeaustausch. Wichtigste Voraussetzung ist, daß die Betondecke auf der Unterseite keinerlei Deckenbekleidung aufweist, die den Strahlungswärmeaustausch mit dem Raum behindern könnten.

 

Die Wärmeabgabe erfolgt über eine sogenannte Betonkernheizung. Auf den ersten Blick gleicht das System einer klassischen Boden- oder Deckenheizung. Konzept und Wirkungsweise sind jedoch verschieden. Bei der Bodenheizung sind die Rohrregister oberflächennah in die Geschossdecken eingelegt. Anders beim Betonkernprinzip: Hier liegen die Heizschlangen in der Mitte (im „Kern"). Dadurch wird die Wärmeabgabe stärker an die Gebäudemasse gekoppelt. Schwankungen der Raumtemperatur werden auf diese Weise gedämpft. Der Effekt ist umso stärker, je schwerer die Geschossdecke ist.  Vorteil: Das Problem unangenehm hoher Fussbodentemperaturen, wie es bei klassischen Bodenheizungen auftritt, entfällt. Ein anderer Nutzen ergibt sich dadurch, dass über die Betondecken im Sommer gekühlt werden kann. Das System wirkt dabei genau so sanft wie im Heizfall und ist mit einer Klimaanlage nicht zu vergleichen. Es genügt, bei Aussentemperaturen von 30 °C die Betondecken auf 22 °C zu halten, um behagliche Verhältnisse zu schaffen. Um die Betonkerntemperatur in einem engen Temperaturband regeln zu können, ist es entscheidend die Temperatur der Geschossdecke möglichst genau bestimmen und den Messfühler an einer geeigneten Referenzposition platzieren zu können. 

 

 
System BATISO®, Deckenaufbau

Bei gleichmäßiger Temperierung der Betonmasse mit Hilfe der in die Decken einbetonierten wasserführenden Rohrschlangen kann im Winter geheizt und im Sommer gekühlt werden. Die Temperatur des zirkulierenden Wassers wird je nach Jahreszeit und den gebäudespezifischen Erfordernissen im Bereich zwischen 19°C (Sommer) und 25 °C (Winter) geregelt. Es entsteht dabei ein Temperaturgefälle zwischen der variablen Betonkern- und der ziemlich konstanten Oberflächentemperatur. Temperierte Gebäudemassen verhalten sich äußerst träge und können plötzliche Lastschwankungen nur sehr langsam ausgleichen. Deshalb ist eine individuelle Raumtemperaturregelung nicht möglich.

 

  



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