TGA Klimatechnik

TGA Ausgabe 10-2013
Dynamische Gebäudesimulation bestätigt:

Klimadecke mit Graphit hat höhere Kühlleistung

Abb. 1 Fugenlose geschlossene Klimadecken sind ein zentrales Element der architektonischen Raumgestaltung. (Quelle: SGL Lindner )
Abb. 1 Fugenlose geschlossene Klimadecken sind ein zentrales Element der architektonischen Raumgestaltung.

Durch ihre gute thermische Leitfähigkeit machen Graphit-Leichtbauplatten ­Klimadecken besonders leistungsfähig. Das belegt eine jüngst durchgeführte dynamische Gebäudesimulation, die den Kühlfall untersucht: Graphit-Leicht­bauplatten erhöhen die spezifische Kühlleistung, erlauben niedrigere Flächen­belegungen und verringern den Energieaufwand für die Kälteerzeugung.

Büro- und Gewerbegebäude werden heute ganzjährig und meistens „still“ über kombinierte Heiz-/Kühlflächensysteme temperiert. Weitverbreitet sind industriell vorgefertigte Klimadeckensysteme. Mit Wasser als Wärmeträger führen sie die thermischen Lasten der Räume vorwiegend durch Abgabe oder Aufnahme von Infrarotstrahlung ab und arbeiten dabei geräuschlos und nahezu ohne Luftbewegung. Sie zeichnen sich im Vergleich zu luftbasierten Systemen durch einen erheblich geringeren Platzbedarf und eine große thermische Behaglichkeit aus.

Mit Klimadecken lässt sich eine höhere Energieeffizienz als mit rein luftgeführten Klimaanlagen erreichen. Wie leistungsfähig und energieeffizient eine Klimadecke im Einzelfall ist, hängt jedoch von ihrer Konstruktion und den verbauten Werkstoffen ab.

Ziel: homogene Oberflächentemperatur

Letztlich entscheidet der Wärmetransport innerhalb des gesamten Klimadeckensystems – also in den aktiven Elementen sowie in der Beplankung oder in den Kassettenabdeckungen – über die spezifische Leistung der Klimadecke. Günstig wirkt sich aus, wenn sich an der raumseitigen Oberfläche der Deckenelemente innerhalb möglichst kurzer Zeit eine homogene Oberflächentemperatur einstellt. Im Kühlfall soll die aus dem Raum aufgenommene Wärme möglichst schnell und vollständig von der raumzugewandten Deckenoberfläche auf das in einem Rohrsystem zirkulierende Kaltwasser übergehen; im Heizfall soll der Wärmetransport möglichst ungehindert in umgekehrter Richtung erfolgen, also vom Wasser in den Innenraum.

Für eine homogene Oberflächentemperatur muss der Wärmetransport von der Unterseite des Deckenelements bis zu dem mit Abständen verlegten Rohrsystem mehrdimensional erfolgen. Mineralische Baustoffe begrenzen dies durch ihre vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit und beschränken damit auch die spezifische Leistung eines Klimadeckensystems. Aus diesem Grund können etwa Standard-Gipskartonplatten nur begrenzt zur Beplankung der aktiven Heiz- und Kühlelemente einer Klimadecke verwendet werden; in herkömmlichen Klimadeckensystemen werden Wärmeleitbleche eingesetzt, um den Wärmetransport zu verbessern.

Hierbei müssen jedoch Nachteile in Kauf genommen werden. So erhöht sich zum Beispiel der Montageaufwand; im Falle einer perforierten raumseitigen Abdeckung der Elemente verringern die Bleche den positiven Effekt auf die Raumakustik, der mit einer solchen Abdeckung prinzipiell möglich ist. Hinzu kommt, dass die Wärmeleitbleche das Deckengewicht erhöhen, was in der Statik der Unterkonstruktion berücksichtigt werden muss. Auch die Verringerung der Rohrabstände stößt schnell an technische und vor allem an wirtschaftliche Grenzen.

Graphit verbessert die Wärmeverteilung

Abhilfe schaffen Werkstoffe aus expandiertem Naturgraphit, die unter dem Markennamen Ecophit (Hersteller: SGL Lindner) erhältlich sind. In Klimadecken unterstützen sie eine schnelle und gleichmäßige Verteilung der Wärme. Ausgangsmaterial von Ecophit ist Naturgraphit, der in einem mehrstufigen Prozess zu anwendungstauglichen Graphitwerkstoffen verarbeitet wird. So wird der zunächst in voluminösen, würmchenförmigen Flocken anfallende expandierte Graphit ohne Bindemittelzusatz komprimiert, beispielsweise zu selbsttragenden Leichtbauplatten. Diese zeichnen sich bereits bei niedriger Rohdichte durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit parallel zur Plattenoberfläche aus und sind nicht brennbar.

Zudem sind die Leichtbauplatten kompressibel und passen sich gut an feste Oberflächen an. Dadurch können Rohrmäander ­vollständig eingepresst werden, wobei Rohr und Graphitplatte einen festen und dauer­haften Verbund bilden. In diesem Verbund ist der Wärmeübergang zwischen dem Wärme­trägermedium Wasser und der Graphitplatte nahezu perfekt; auch koppelt eine Graphit­platte thermisch gut an die Deckenelemente an und kühlt oder erwärmt diese gleichmäßig über die gesamte Fläche.

Das Graphit-Expandat kann auch ohne Bindemittelzusatz zu Folien verarbeitet werden. Ein Mahlgut solcher Folien – ein Granulat aus Ecophit – eignet sich als Additiv zur Modifizierung anderer Materialien. So fertigt die Saint-Gobain Rigips GmbH Gipskartonplatten, deren Gipskern ein solches Graphitgranulat enthält. Ohne die guten Grundeigenschaften der Gipskartonplatten zu verschlechtern, verbessert dieser Zusatz die Wärmeleitfähigkeit der Platten um den Faktor 3. Diese graphitmodifizierten Gipsplatten (Rigips Climafit) eignen sich (unter anderem) gut zur Beplankung der aktiven Elemente von Klimadecken.

Führende Anbieter aus der Klimatechnik-Branche haben leistungsfähige Klimadeckensysteme entwickelt und auf den Markt gebracht, in denen Graphitplatten-Kupferrohr-Verbundsysteme als aktive Elemente genutzt werden Abb. 2. Bei unverändertem Rohrabstand erreichen diese Elemente eine höhere spezifische Leistung und eine größere Dynamik als die in herkömmlicher Bauweise hergestellten Heiz- und Kühlelemente. Hinsichtlich der Energieeffizienz resultieren daraus zwei Vorteile: Erstens können mit Ecophit ausgestattete Systeme bei moderaten Vorlauftemperaturen betrieben werden, was die Nutzung regenerativer Energiequellen erleichtert und die Betriebskosten senkt. Zweitens lassen sich die Klimadecken sehr schnell bedarfsgerecht regeln: Die gewünschte operative Raumtemperatur stellt sich innerhalb kürzester Zeit ein – der Raum braucht nicht fortwährend auf einem bestimmten Temperaturniveau gehalten zu werden.

Studie belegt Effizienzsteigerung

In einer gemeinsam durchgeführten wissenschaftlichen Studie [1, 2] haben das Ingenieurbüro Hausladen, Kirchheim bei München, und das Ingenieurbüro Prof. Dr. Hauser, Kassel, die positive Wirkung von Ecophit bestätigt.

Anhand einer thermischen Gebäudesimulation untersuchten die Autoren die Leistungsfähigkeit einer fugenlosen Gipskartonplatten-Klimadecke mit Kühlelementen aus Graphit-Leichtbauplatten mit integrierten Kupferrohren und einer Verkleidung aus einer graphitmodifizierten Gipskartonplatte. Als Referenzklimadecke diente eine fugenlose Gipskartonplatten-Klimadecke mit Aluminiumleitprofilen und eingepressten Kupferrohren, die mit einer in der Wärmeleitfähigkeit verbesserten Gipskartonplatte verkleidet wurde.

Abb. 3 zeigt schematisch den Aufbau der untersuchten Klimadecken. In der mit Ecophit ausgestatteten Klimadecke wurden Graphitplatten-Kupferrohr-Kühlelemente verbaut, deren Graphit-Leichtbauplatten parallel zur Plattenebene eine Wärmeleitfähigkeit von 18,0 W/(K m) und senkrecht zur Plattenebene eine Wärmeleitfähigkeit von 7,0 W/(K m) aufweisen. Die Kühl- und Heizelemente lagen auf graphitmodifzierten Gipskartonplatten (Wärmeleitfähigkeit 0,52 W/(K m)) auf und wurden durch die Metallprofile der Deckenunterkonstruktion auf die Gipskartonplatten gepresst. Bei der Referenzklimadecke lagen Wärmeleitbleche mit eingepressten Kupferrohren auf Gipskartonplatten hoher Rohdichte und einer Wärmeleitfähigkeit von 0,3 W/(K m) auf, die zwischen den aktiven Elementen an Halteschienen verschraubt waren.

Typische Nutzungen modelliert

Die mit der Software TRNSYS 17.1 durchge­führte dynamische Simulation basiert auf dem Modell eines typischen Bürogebäudes, das aus drei Raumtypen aufgebaut wurde. Die Räume hatten identische Grundflächen, identische Fensterflächenanteile und iden­tische außenliegende Wärmedämmungen, ­unterschieden sich aber in ihrer Ausrichtung und zum Teil hinsichtlich ihrer Nutzung (Großraumbüro West, Großraumbüro Ost und Besprechungsraum West). Die Randbedingungen der Simulation wurden an die einschlägigen Normen angelehnt. Als Wetterrandbedingungen dienten die Klimadaten der Norddeutschen Tiefebene für ein durchschnittliches Testreferenzjahr und für ein Testreferenzjahr mit extrem warmem Sommer.

Die Studie betrachtet die Temperaturverläufe und den Verlauf des Energiebedarfs für die Kühlung über ein Jahr, wobei mehrere Varianten gerechnet wurden. Neben dem Klimadeckentyp, dem Testreferenzjahr und dem Raumtyp wurden noch die hygienisch notwendige Mindestlüftung (mechanische versus natürliche Lüftung) sowie – im Falle des mit Ecophit ausgestatteten Systems – zusätzlich die Belegungsdichte (der Anteil der Deckenfläche, die mit thermisch aktivierten Elementen belegt ist) und die Vorlauftemperatur des Kühlwassers variiert. Ausgangspunkte waren eine Belegungsdichte von 70 % und eine Vorlauftemperatur von 16 °C.

Übertemperaturstunden als Maßstab

Unter den gewählten Randbedingungen wird der thermische Komfort in den untersuchten Räumen in erster Linie von der operativen Raumtemperatur bestimmt: Je seltener vorgegebene Soll-Raumtemperaturen im Jahresverlauf überschritten werden, desto behaglicher empfinden Personen den Aufenthalt in den Räumen. Als Maß für den erzielten thermischen Komfort zogen die Autoren der Studie darum die Häufigkeit und die Höhe der Übertemperaturstunden heran.

Für die Kälteerzeugung gingen die Autoren von einer Kältemaschine mit Scroll-Verdichter aus. Berechnet wurden der Bedarf an elektrischer Energie, der zum Betrieb der Kältemaschine notwendig ist, sowie die energetische Effizienz der Kältemaschine anhand der Nennkälteleistungszahl EER und der Jahreskälteleistungszahl SEER. Im Falle der mit Ecophit ausgestatteten Klimadecke variierten die Autoren bei der Effizienzberechnung auch die Vorlauftemperatur des Kühlwassers. Für die Kälteerzeugung wurden die Ergebnisse der thermischen Simulation auf ein fiktives Bürogebäude hochgerechnet, das 45 % westorientierte Büroräume, 5 % westorientierte Besprechungsräume und 50 % ostorientierte Büros auf insgesamt 5000 m2 Nutzfläche enthält.

Zentrale Ergebnisse der Studie

Graphitbaustoffe steigern den thermischen Komfort. Bei der Simulation des Temperaturverlaufs zeigte sich, dass die Häufigkeit und die Höhe der Solltemperatur-Überschreitungen bei dem Klimadeckensystem, das mit Ecophit ausgestattet ist, kleiner als beim Referenzsystem sind. Bei gleicher Belegungsdichte sorgt das System mit den Graphit-Kupferrohr-Elementen besser als das Referenzsystem dafür, dass der Raum im Sommer angenehm temperiert bleibt. So ist die Anzahl der Stunden, in denen die operative (empfundene) Raumtemperatur 26 °C übersteigt, beim Ecophit-System sowohl beim normalen Abb. 4 als auch beim Extremsommer erheblich niedriger Abb. 5 als beim Referenzsystem – der sommerliche Komfort ist somit höher.

Niedrigere Investitionskosten und größere Gestaltungsfreiheit: Die Klimadecke mit Ecophit bietet bei einer um rund 15 % geringeren Belegungsdichte den gleichen sommerlichen Komfort wie die Referenz-Klimadecke, in der 70 % der Deckenfläche mit Kühlelementen ausgestattet sind Abb. 6. Dies kann zu niedrigeren Investitionskosten führen, da ein größerer Anteil der Deckenfläche passiv bleiben kann. Auch ergibt sich so eine größere Freiheit für die architektonische Deckengestaltung und für eine Belegung der Decke mit anderer Technik.

Graphitbaustoffe erhöhen die Energieeffizienz: Klimadecken mit Graphit-Leichtbauplatten können im Kühlfall bei gleichem thermischem Komfort mit höherer Vorlauftemperatur als herkömmliche Klimadecken betrieben werden. In der Simulationsvariante „durchschnittlicher Sommer und natürliche Lüftung“ konnte beispielsweise die Vorlauftemperatur bei der Klimadecke mit Ecophit um 2,5 K auf 18,5 °C erhöht werden, ohne dass dadurch mehr Übertemperaturstunden verursacht wurden Abb. 7. Die höhere Vorlauftemperatur steigert die Energieeffizienz der Kälteerzeugung um 5 bis 8 % Abb. 8 und verringert die Gefahr, dass der Taupunkt unterschritten wird.

Fazit

Mit ihrer außergewöhnlichen thermischen Leitfähigkeit optimieren die als Ecophit kommerziell erhältlichen Graphitwerkstoffe den Wärmetransport in Klimadecken. Sie erschließen das Energie- und damit das Betriebskosten-Einsparpotenzial, das Klimadecken prinzipiell bieten, sich aber mit herkömmlichen Werkstoffen nur begrenzt nutzen lässt, ermöglichen einen besonders hohen thermischen Komfort und erweitern den architektonischen Gestaltungsspielraum.

In der Praxis bewähren sich mit Ecophit ­ausgestattete Klimadecken seit Jahren weltweit in diversen Projekten. Jetzt liefert die von den renommierten Ingenieurbüros Hausladen und Hauser erarbeitete Studie einen ­wissenschaftlich fundierten Beleg für die Vorteile, die sich durch den Einsatz von Graphitwerkstoffen ergeben.  

Weitere Fachberichte zum Thema enthält das TGAdossier Heiz- und Kühldecken: Webcode 1191

Literatur

[1] Hauser, Gerd; Hausladen, Gerhard: Leistungsvergleich von Ecophit- und konventioneller Kühldecke. Wissenschaftliche Untersuchung der Ecophit-Kühldecke. Wiesbaden: Oktober 2012

[2] Hauser, Gerd; Hausladen, Gerhard; Jacobsen, Cornelia; Hutter, Christina; Hanusch, Christoph; Schlitzberger, Stephan: Graphitmodifizierte Kühldecken. Eine vergleichende Bewertung zur Leistungsfähigkeit. Gütersloh: Bauverlag, tab 03-2013

Inhaltsübersicht

  1. Teil: Klimadecke mit Graphit hat höhere Kühlleistung
  2. Teil: Wichtig für TGA-Planer, Anlagenbauer und Bauherren
  3. Teil: Matthieu Neth
  • Abb. 2 KlimadeckenElement mit einer GraphitLeichtbauplatte.
  • Abb. 3 Aufbau der untersuchten Klimadecken Oben: Schematischer Aufbau der mit Ecophit ausgestatteten Klimadecke. Unten: Schematischer Aufbau der Referenz-Klimadecke.
  • Abb. 4 Höherer Komfort im Normalsommer Simulation, normaler Sommer, natürliche Lüftung; operative Raumtemperatur Bei gleicher Belegungsdichte sinkt mit Ecophit die Anzahl der Übertemperaturstunden (empfundene Temperatur >26 °C) im Normalsommer bei natürlicher Lüftung um über 40 % im Vergleich zur Referenz-Klimadecke.
  • Abb. 5 Höherer Komfort im Extremsommer Simulation, extremer Sommer, natürliche Lüftung; operative Raumtemperatur Bei gleicher Belegungsdichte sinkt mit Ecophit die Anzahl der Übertemperaturstunden (empfundene Temperatur >26 °C) im Normalsommer bei natürlicher Lüftung um über 40 % im Vergleich zur Referenz-Klimadecke.
  • Abb. 6 Geringere Belegungsdichte bei gleichem Komfort Simulation, normaler Sommer, natürliche Lüftung; operative RaumtemperaturDie Aktivierungsfläche kann mit Ecophit ohne Komfortverlust verringert werden. Für den Fall „normaler Sommer, natürliche Lüftung“ bleibt die Anzahl der sommerlichen Übertemperaturstunden im Vergleich zur Referenzdecke unverändert, wenn die Belegungsdichte von 70 % auf 60 % verkleinert wird.
  • Abb. 7 Höhere Vorlauftemperatur bei gleichem Komfort Simulation, normaler Sommer, natürliche Lüftung; operative RaumtemperaturUm einen bestimmten sommerlichen Komfort zu erreichen, kann das Kaltwasser bei der mit Graphit-Leichtbauplatten ausgestatteten Klimadecke eine höhere Vorlauftemperatur als bei der Referenz-Klimadecke haben: Mit Ecophit kann die Vorlauftemperatur ohne Komfortverlust von 16 °C auf 18,5 °C erhöht werden.
  • Abb. 8 Höhere Energieeffizienz der Kältemaschine SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio) – Jahreskälteleistungszahl. Bei der mit Ecophit ausgerüsteten Klimadecke arbeitet die Kältemaschine im modellierten Gebäude effizienter als im Falle der Referenz-Klimadecke: Die Jahreskälteleistungszahl (SEER) steigt bei natürlicher Lüftung um mehr als 5 %, bei mechanischer Lüftung um über 8 %.
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SGL Lindner / Ingenieurbüro Hausladen
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