Finden Sie jetzt Ihren Energie-Experten! 2917 registrierte Profis direkt erreichen und kostenlos vergleichen!
Jetzt lesen: So funktioniert energie-experten.org

Betonkernaktivierung: Konzept, Auslegung und Betrieb

Was ist eine Betonkernaktivierung? Wie funktioniert die Temperierung mit Erdwärme? Worauf muss bei der Planung geachtet werden? Wie wird ein solches System geregelt?

In modernen Büro- und Gewerbeneubauten werden immer häufiger die Betongründung als auch die tragendenden Betonelemente zur Wärme- und Kälteerzeugung als auch -verteilung genutzt. Im Fachjargon spricht man hier von einer Aktivierung der Betonkerne bzw. Betonkerntemperierung. Dabei wird Erdwärme sowohl als Energiequelle als auch als Energiespeicher genutzt. Wir beschreiben hier, wie das Prinzip der Betonkernaktivierung funktioniert, welche baulichen Voraussetzungen gegeben sein müssen und wie der Betrieb eines betonkernaktivierten Gebäudes sommers als auch winters geregelt wird.

Erdwärme-Experten in Ihrer Nähe finden und direkt anfragen

Finden Sie jetzt Energie-Experten in Ihrer Nähe:
 

Konzept und Funktionsprinzip kurz erklärt

Betonkernaktivierung oder auch thermische Bauteilaktivierung genannt bezeichnet Systeme, die Gebäudemassen zur Temperaturregulierung nutzen. Diese Systeme werden zur alleinigen oder ergänzenden Heizung und Kühlung verwendet, indem bei der Erbauung von Massivdecken oder gelegentlich auch von Massivwänden Rohrleitungen, meist Kunststoffrohre verlegt werden, durch die Wasser als Heiz- bzw. Kühlmedium fließt. Die gesamte durchflossene Massivdecke bzw. -wand wird dabei als Übertragungs- und Speichermasse thermisch aktiviert.

Eine wichtige Eigenschaft ist, dass die aktivierten Bauteile über ihre gesamte Fläche je nach Heiz- oder Kühlfall Wärme aufnehmen oder abgeben. Aufgrund der vergleichsweise großen Übertragungsfläche können die Systemtemperaturdifferenzen niedrig bleiben, sodass das Medium nicht so stark erwärmt werden muss wie beispielsweise das Wasser der Zentralheizung mit Heizkörpern. Aufgrund dieser geringeren Vorlauftemperaturen können zum Heizen z.B. Wärmepumpen effizient eingesetzt werden. Zum Kühlen eignen sich Umweltenergien, wie freie Rückkühlung, Sohlplattenkühlung oder Grundwasserkühlung.

Des Weiteren nehmen massive Bauteile die Wärme vom Medium oder vom Raum auf, speichern diese und geben sie zeitversetzt an den Raum oder das Medium weiter. Es kommt also zu einer Phasenverschiebung zwischen Energieerzeugung und -abgabe. Die Tagesleistungsspitzen werden dadurch "geglättet", d.h. diese Lastspitzen werden abgesenkt und teilweise verschoben, hin zu Zeiten, in denen keine Raumnutzung vorliegt. Im Sommer wird beispielsweise die Nachtabkühlung zur Kühlung des Mediums genutzt und dem Bauteil Wärmeenergie entnommen. Tagsüber werden die Räume durch Wärmefluss in die nun abgekühlten Wände gekühlt. Die Kühlung erfolgt somit bedarfsgerecht am Tage, die maximale Tagestemperatur wird gesenkt und diese tritt zu einem späteren Zeitpunkt auf, als ohne Kühlung. Die thermische Bauteilaktivierung ist somit besonders für Bürogebäude geeignet.

Aktivierung von Beton-Pfahl- und Plattengründungen als Wärmetauscher

Innerhalb eines betonkernaktivierten Heiz- und Kühlsystems wird die Gründung oftmals in Verbindung mit dem umgebenden Erdreich zur Wärme- und Kältespeicherung genutzt. Bei der Betonkernaktivierung fungiert das Gründungsbauwerk als Wärmeüberträger zum Einspeichern von thermischer Energie zu Heiz- und Kühlzwecken. Dies geschieht in den häufigsten Fällen durch die synergetische Verwendung der aus statischen Gründen vorhandenen massigen Fundamentbodenplatten ("Fundamentabsorber") oder der Pfahlgründung ("Energiepfähle").

Armierte Betonpfähle haben meist einen Durchmesser zwischen 0,4 und 1,5 m und eine Länge von einigen Metern bis über 30 m. Entsprechend dem Pfahldurchmesser wird im Inneren meist ein doppel- oder vierfach-U-Rohr oder ein Rohrnetz aus HDPolyethylen eingebracht. Diese Rohre werden komplett mit Beton umgeben, um einen guten thermischen Kontakt herzustellen. Diese Rohre dienen als Wärmetauscher für die Wärme- und Kälteversorgung des Gebäudes.

Beton ist dabei zur Herstellung von Wärmetauschern besonders gut geeignet, da er ein sehr hohes Wärmespeichervermögen besitzt und eine hohe Dauerhaftigkeit aufweist. Pfahl- und Plattengründungen dienen damit nicht nur der Standfestigkeit des Gebäudes sondern auch zur Energiegewinnung bzw. -speicherung.

Betondecken als Abgabesysteme von Heiz- und Kühlenergie

Als Abgabesystem für die Verteilung der Heiz- und Kühlenergie im Gebäude wird ein großflächiges Niedertemperatursystem gewählt. Hierbei werden bei der Erbauung in der Bodenplatte und den Betondecken Rohrleitungen in der Nähe der Oberfläche verlegt, sogenannte Rohrregister, in denen Wasser als Heiz- bzw. Kühlmedium fließt. Diese Kunststoffleitungen (Durchmesser 25 mm) durchziehen in einem Abstand von z. B. 20 cm die gesamten Betondecken. In der Bodenplatte sind sowohl die horizontalen Zuleitungen der Energiepfähle integriert (primäre Heizungsseite) als auch die eigentlichen Heizungsrohre (sekundäre Heizungsseite). Getrennt sind diese zwei Systeme durch die Bodenplatte und eine Dämmschicht.

Schnitt durch eine betonkernaktivierte Bodenplatte (Grafik: energie-experten.org)
Schnitt durch eine betonkernaktivierte Bodenplatte (Grafik: energie-experten.org)

Über die gesamten Deckenflächen wird je nach Heiz- oder Kühlbedarf Energie abgegeben oder aufgenommen. Aufgrund der großen Übertragungsfläche muss das Medium weitaus weniger stark aufgeheizt werden als z. B. bei einer Wärmeabgabe über Heizkörper, die eine nur sehr geringe Übertragungsfläche bietet. Die Wärmepumpe kann wegen diesen niedrigen Heizmediumtemperaturen somit effizienter eingesetzt werden.

Durch die hohe Speicherwirkung von Beton können so Temperaturänderungen deutlich besser gepuffert werden als beispielsweise in Leichtbauten aus Holz und Gipskarton, in denen Speichermassen fehlen und es im Sommer schnell zur Überhitzung kommt. In Gebäuden in schwerer Bauweise speichern dabei Decken und Wände tagsüber die Wärme aus solarer Einstrahlung und internen Lasten und geben diese nachts wieder an die kühlere Umgebung ab. Die Erwärmung der Raumluft und die zeitlichen Schwankungen der Raumtemperatur werden dadurch deutlich reduziert.

Im Heizbetrieb wird die Wärmepumpe zu ¾ des Wärmebedarfs durch Erdwärme versorgt. Die sog. Kälteentzugsleistung wird durch die Energiepfähle und Fundamentabsorber bereitgestellt. Im Kühlbetrieb kann während rund 80 % der Nutzungszeit die Kühlenergie direkt aus der geothermischen Quelle bezogen werden. Durch die abwechselnde Nutzung des Untergrundes als Speichermedium für den Heiz- und Kühlbetrieb kann sich das Erdreich schneller regenerieren. Dadurch arbeitet das betonkernaktivierte System besonders wirtschaftlich. Die Vorteile einer Betonkernaktivierung äußern sich in den reduzierten Betriebskosten aufgrund des Wegfalls von fossilen Brennstoffen (ca. 80%) und in einer Verminderung der CO2-Emission (45% bis 100%).

Projektplanung erfordert energetisches Schnittstellenmanagement

Die relativ einfache und zweckmässige Technologie der Betonkernaktivierung erzeugt keine übermäßigen Mehrkosten, muss aber von Anfang an in die Projektplanung bezüglich Konstruktion und Energiekonzept mit einbezogen werden.

Folgende Projektphasen und Techniken sind dabei aus der Sicht des Projektmanagements zu unterscheiden:

  • Ausarbeitung von Vorschlägen für das Gewerk der Erdwärmetauscher und Präzisierung der Leistungsgrenzen
  • Koordination der Arbeiten des Spezialtiefbaus insbesondere der Rohrverlegung
  • Montage der Energierohre in Gründungspfählen, Verbauwänden bestehend aus Schlitzwänden oder überschnittenen Bohrpfählen, bei horizontalen Wärmetauschern, z. B. unter der Bodenplatte
  • Horizontale Anbindung der Energierohre bis in die Energiezentrale
  • Dokumentation und Abnahme der Leistungen mit Druckprüfung an den Sammlern und Verteilern nach Fertigstellung des Rohbaus

Zur Klärung der Schnittstellenproblematik wurde vom Deutschen Beton- und Bautechnik-Verein e.V. ein Merkblatt "Schnittstellen Rohbau/ Technische Gebäudeausrüstung" entwickelt, das seit Oktober 2006 veröffentlicht und beim DBV bezogen werden kann.

Während der Ausführung werden dann vorgefertigte Baustahlmatten mit den Rohrschlangen termin- und qualitätsgerecht eingebaut und später in Betrieb genommen. Vom Einschalen der Decke bis hin zum Ausschalen, mit entsprechenden Prüfungen, gilt es etwa 20 Einzelmaßnahmen zu koordinieren.

Die Planung der thermischen Leistungsfähigkeit der Energiepfähle sowie die Temperaturverteilung im Erdreich kann mit statischen Berechnungsverfahren nicht abgebildet werden. Dazu sind dynamische Simulationsprogramme erforderlich, die die Vorgänge möglichst realitätsnah im Voraus berechnen und um somit die Leistungsfähigkeit der Geothermieanlage als regenerative Energiequelle im Konzept der technischen Gebäudeausrüstung energetisch sinnvoll einzusetzen.

Optimierungsansätze der Betonkernaktivierung

Da der Wärmeleitwert von Eins im Erdreich kleiner ist als im Beton selbst, hat das Verhältnis Rohrlänge zu Pfahlvolumen einen entscheidenden Einfluss auf die Pfahlleistung. Dieses Verhältnis erreicht bei geringerer Anzahl der Schlaufen und kleinerem Durchmesser einen höheren Wert. Der Wärmeübergang und somit die spezifische Leistung pro Quadratmeter Pfahloberfläche kann zudem durch strömendes Grundwasser am Pfahl deutlich über den 1-Wert erhöht werden.

Die Anzahl der Vertikalrohre pro Energiepfahl hat Einfluss auf die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf der Anlage. Der Schaltung der Pfähle kommt daher besondere Bedeutung zu. Führt man statt einer Serienschaltung von z. B. zwei Pfählen die Vertikalrohre pro Schlaufe auf je einen Vor- und Rücklaufverteiler, so reduziert sich die Temperaturdifferenz und das System eröffnet überdies bessere Entlüftungsmöglichkeiten.

Derzeit gibt es noch Forschungsbedarf bezüglich der Effizienz dieser Anlagen hinsichtlich ihrer Betriebszustände und Konfiguration. Es fehlen bislang gut dokumentierte Messwerte aus dem Betrieb, welche Rückschlüsse auf die Wärmeleitfähigkeit und Speicherkapazität ermöglichen. Die Ergebnisse der messtechnischen Überwachung von Betonkernaktivierungen unter anderem in der Schweiz und in Österreich zeigen, dass Gebäude mit aktivierten Betonkernen ein entwicklungsfähiges Anwendungspotenzial aufweisen, das vor dem Hintergrund einer umweltschonenden Energiepolitik auch genutzt werden muss.

Angebote für Bohrungen und Wärmepumpen hier kostenlos anfordern

Finden Sie jetzt Energie-Experten in Ihrer Nähe:
 

"Betonkernaktivierung: Konzept, Auslegung & Betrieb" wurde am 06.10.2016 das letzte Mal aktualisiert.