Gebäude Massenanbindung
Energieeffizienz bedeutet, dass für die gleiche Leistung weniger Energie benötigt wird. Bei freier Kühlung werden die niedrigeren Außentemperaturen in der Nacht als natürliche Kältequelle genutzt, sodass die Kältemaschine keine zusätzliche Energie benötigt. Diese beiden Aspekte, Energieeffizienz und Freecooling, sind wesentliche Ergebnisse, wenn das Potenzial von Energiemassenspeichern genutzt wird. Durch die Nutzung der Baumasse für die Speicherung von Energie bis zur Nacht ist es möglich, beide Aspekte zu nutzen, ohne Kompromisse beim Raumklima einzugehen.
Bau energieeffizienter Gebäude
Das thermische Management der Begrenzungen eines Raumes kann eine wichtige Rolle dabei spielen, wie energieeffizient der Betrieb eines Gebäudes ausfällt. Eine Möglichkeit, energieeffiziente Gebäude zu bauen, ist die Verwendung von Materialien mit hoher Baumasse, beispielsweise eine Konstruktion mit Betondecken.
Denken Sie zum Beispiel an Passivhäuser, die in einer sehr kompakten Bauweise errichtet werden, damit das Gebäude niedrige und hohe Temperaturen ausgleichen kann und bei einem Wetterwechsel nicht sofort geheizt oder gekühlt werden muss. Um energieeffiziente Gebäude zu bauen und offenere Grundrisse, mehrere „Hauskörper“ oder Konstruktionen mit großen Fenstern zu realisieren, müssen Baumaterialien mit hoher Wärmekapazität verwendet werden.
Die Wahl der Materialien wirkt sich auf die Fähigkeit eines Gebäudes aus, Energie in seiner Konstruktion und seiner Baumasse zu speichern als auch daraus abzugeben. Ein einfaches Beispiel ist ein Haus in Betonbauweise verglichen mit einem Haus in Holzbauweise, deren Innentemperaturen an einem heißen Sommertag erheblich voneinander abweichen. Das aus Beton gebaute Haus hat eine hohe Wärmekapazität und kann viel Wärmeenergie aufnehmen, was bei Holz nicht der Fall ist.
Energiemassenspeicher
Energie wird abgegeben oder gespeichert, wenn ein Temperaturunterschied zwischen der Betonkonstruktion und dem Innenraum besteht. Ist die Temperatur im Innenraum hoch, puffert der Beton die Raumtemperatur und verringert den Bedarf an Energie aus anderen Quellen, um eine angenehme Raumtemperatur zu gewährleisten.
Sobald sich der Beton erwärmt hat, kann die gespeicherte Energie an den Innenraum abgegeben werden. Allerdings reichen die natürlichen Luftbewegungen in einem Raum nicht aus, um das Energiepotenzial der Konstruktion voll auszuschöpfen. Um den Energieaustausch mit dem Raum zu erhöhen und den Bedarf an zusätzlichen Quellen zu minimieren, muss die Luftbewegung auf der Betonoberfläche erhöht oder der Energieaustausch durch Strahlung vergrößert werden. Außerdem kann der Masse mithilfe hydronischer Lösungen für die Betonaktivierung oder mit Innenraum-Wärmetauschern Energie entzogen werden.
Wärmekapazität
Alle Körper haben eine bestimmte thermische Trägheit oder Wärmekapazität. Neben dem Wärmekoeffizienten* (c) eines jeden Stoffes oder Stoffgemisches setzt sich der Grad der Umwandlung von Energie (Q) in Wärme (T) auch aus der Masse (m) eines Körpers zusammen. Aus der Gleichung wird deutlich, dass sich Körper mit hoher Masse trotz gleicher Energiezufuhr weniger stark erwärmen als solche mit geringer Masse.
Die Masse der heutigen Gebäude nimmt stetig zu, um kurze Hitzeperioden oder Kälteeinbrüche ausgleichen zu können, ohne dass eine zusätzliche Raumklimatisierung oder die Verwendung zusätzlicher Energiequellen erforderlich ist. Sehr solide gebaute Gebäude halten üblicherweise trotz jahreszeitlicher Schwankungen eine stabile Temperatur – denken Sie hier zum Beispiel an alte Kirchen.
An den Raum abgegebene Energie
Weiter oben haben wir erläutert, dass die Energie in der Betonstruktur an die Innenräume abgegeben werden kann, wenn sich die Innentemperatur und die Temperatur des Betons unterscheiden. Umgekehrt ist es wichtig zu wissen, dass ein Teil der Energie in einem Raum von der Betonkonstruktion aufgenommen wird, sobald die Temperatur der Masse höher oder niedriger als die Raumtemperatur ist. Der Anteil der aufgenommen Energie kann durch Vortemperierung des Betons erhöht werden. So kann beispielsweise eine Betondecke nachts gekühlt werden, wenn die Energiekosten niedrig sind oder mit freier Kühlung gekühlt werden kann. Dadurch steigt die Wärmespeicherfähigkeit des Betons am Tag, wenn sich der Innenraum erwärmt.
Dafür darf die Betonkonstruktion jedoch nicht vom Raum entkoppelt werden, z. B. durch Mineralwollmatten an der Decke, da diese die Wirkung des Energiemassenspeichers beeinträchtigen. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass die Raumtemperatur im Laufe des Tages meist innerhalb eines bestimmten Bereichs schwankt, beispielsweise von etwa 20 °C in den ersten Arbeitsstunden bis zu einem Maximum von 25 °C während des Tages. Die Energieaufnahme unterscheidet sich daher im Laufe des Tages.
Auf dem Markt gibt es verschiedene Systeme, die das Prinzip des Energiemassenspeichers nutzen. Nachfolgend stellen wir vier davon vor und beschreiben ihre wichtigsten Vor- und/oder Nachteile.
Massenanbindung über Wasserrohre
Massenanbindung über Wasserrohre liegt vor, wenn ein System direkt mit der Betondecke verbunden ist. Dies geschieht mithilfe von Wasserrohren. Diese Methode ermöglicht eine effiziente Kühlung oder Erwärmung des Betons dank der direkten Verbindung zwischen Rohren und Beton. Der Nachteil dieser Methode ist die Kühlleistung des Systems, da dieses direkt an der Decke montiert wird und somit keinen Kontakt von Raumluft und Beton zulässt, was sonst eine zusätzliche Kühlung ermöglichen würde.
Das Wasser strömt zuerst in das Rohr und anschließend durch das Deckensystem und erwärmt im Heizbetrieb sowohl den Beton als auch den Raum. Muss geheizt werden, wenn der Raum leer und/oder die Heizlast begrenzt ist, etwa an einem bewölkten Tag, besteht das Risiko einer Überhitzung, wenn sich viele Personen im Raum aufhalten oder die Sonne herauskommt. Dies liegt daran, dass die Betondecke nur begrenzt in der Lage ist, mehr Wärmeenergie aufzunehmen. Da jedoch in den meisten Gebäuden die Raumtemperatur nachts abgesenkt wird, kann der Beton normalerweise die Wärme aus dem vollen oder beheizten Raum speichern.
Massenanbindung über Betonkerntemperierung
Die Betonkerntemperierung ist vielleicht das einfachste Beispiel für eine Massenanbindung, da es sich lediglich um Wasserrohre handelt, die während der Bauphase in die Betondecke eingearbeitet werden. Die Wasserrohre und die Betonbaustruktur sind somit direkt verbunden und Energie kann leicht mit der Betonbaustruktur ausgetauscht werden.
Diese Methode verhindert wirksam eine Überhitzung, bietet aber im Vergleich zu den genannten Methoden mit Deckensystemen eine deutlich geringere Kühl- und Heizleistung. Weiterhin dauert es nach einer Änderung der Last im Raum länger bis zu einer spürbaren Reaktion des Raumklimas, da die Energie die gesamte Betonmasse durchdringen muss, bevor sie sich auf das Raumklima auswirkt. Diese Technik ist außerdem unflexibel, was die Anbringung von Leuchten, Sprinklern und Schallschutzplatten an der Decke betrifft.
Massenanbindung über Strahlung
Eine weitere Art der Massenanbindung basiert auf Strahlung. Das klimatisierende Deckensystem wird hier mit einem Abstand zur Betondecke montiert, und die Abstrahlung der Wärme oder Kälte ermöglicht eine Massenspeicherung in der Betondecke. Durch den Zwischenraum zwischen den Elementen wird die Wirkung der Massenanbindung jedoch deutlich eingeschränkt.
Massenanbindung über Luft
Bei dieser Methode der Massenanbindung wird der Luftstrom im Raum zwischen der Betondecke und dem in einem Abstand zur Decke montierten Deckensystem geführt. Wird die Luft tagsüber durch den „Spalt“ geleitet, wird die warme Raumluft sowohl durch den kälteren Beton als auch durch das kühlende Deckensystem abgekühlt. Die Luft strömt mit recht hoher Geschwindigkeit, was einen höheren Wärmeübergangswert und eine höhere Aufnahme von Wärmeenergie in den Beton bewirkt.
Im Allgemeinen wird der Zuluftstrom während der Nacht reduziert oder abgeschaltet. Die tagsüber in der Betondecke gespeicherte Energie wird in der Nacht durch Konvektion und Strahlung in den Raum abgegeben. Um eine optimale Wirkung zu erzielen, dürfen an der Decke keine Mineralwollmatten oder ähnliches verbaut werden. Es ist auch wichtig zu wissen, dass unterschiedliche Luftströmungsmuster bei dieser Methode unterschiedliche Auswirkungen haben. Vorzugsweise sollte ein gleichmäßig verteilter Luftstrom über die gesamte Deckenfläche sowie eine Luftbewegung von der wärmeren Fassade in Richtung Korridor/Durchgangsbereich angestrebt werden. Es wird empfohlen, die Richtung des Zuluftstroms der natürlichen Luftbewegung im Raum folgen zu lassen, um den Effekt des Energiemassenspeichers zu verstärken und gleichzeitig Zugluft zu vermeiden.
Massenspeicher und Energieverbrauch
Die obigen Ausführungen zeigen, dass es Deckensysteme zur Raumklimatisierung gibt, die auf energieeffiziente Weise eine angenehme Raumtemperatur sicherstellen können. Bei den Systemen zur Kühlung mit Massenanbindung kann beispielsweise ein Klimadeckensystem ausschließlich nachts mit freier Kühlung betrieben werden. Dies ist die meiste Zeit des Jahres möglich, Hitzeperioden ausgenommen. Da jedoch Energie in der Baumasse gespeichert werden kann, wird der Energieverbrauch an einem Tag während einer Hitzeperiode erheblich reduziert, da die Energie der Baumasse genutzt werden kann. Das bedeutet, dass die LZ* der Kältemaschine nachts viel höher ist als tagsüber. Durch die Erhöhung der LZ der Kältemaschine wird der elektrische Anteil des Kühlprozesses erheblich reduziert. Sobald es aber möglich ist, mit freier Kühlung zu arbeiten, wird neben einer eventuellen Pumpenleistung keine elektrische Energie mehr für die Kühlung benötigt. Dies führt zu einer drastischen Verringerung der CO2-Emissionen.
* Leistungszahl
Klimadeckensysteme und Raumklima
Das Kühlen oder Heizen von der Decke aus sorgt für ein gutes Raumklima, vorausgesetzt, das System wird ordnungsgemäß installiert, in Betrieb genommen und geregelt. Bei einer Heizungslösung erwärmt die von den Deckensystemen abgegebene Wärme Gegenstände und Oberflächen im Raum, die die Wärme wieder in den Raum abstrahlen und ein angenehmes Raumklima schaffen. Bei einer Kühllösung kommt eine andere Technik zum Einsatz. Die warme Luft steigt zur Decke, wo sie durch das Deckensystem abgekühlt wird und in den Nutzbereich des Raumes zurücksinkt. Doch egal welche Lösung eingesetzt wird, Deckensysteme schaffen ein gleichmäßiges und angenehmes Raumklima, in dem sich Menschen wohlfühlen.
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