TGA Klimatechnik

TGA Ausgabe 07-2019
Referenzprojekt Kiefer Luft- und Klimatechnik

Bauteilaktivierung über die Zuluft


1 Der Neubau der Sebastian-Lotzer-Realschule in Memmingen wurde mit dem BTA-Lüftungssystem Concretcool von Kiefer Luft- und Klimatechnik ausgerüstet.

1  Der Neubau der Sebastian-Lotzer-Realschule in Memmingen wurde mit dem BTA-Lüftungssystem Concretcool von Kiefer Luft- und Klimatechnik ausgerüstet.

Ehemals Schlachthofgelände – heute neuer Bildungscampus: Memmingen hat das große Areal an der Schlachthofstraße mit einer neuen staatlichen Real-schule, Sporthallen und der städtischen Sebastian-Lotzer-Realschule wiederbelebt. An den Neubau der Sebastian-Lotzer-Realschule waren hohe klima-technische Anforderungen gestellt. Erfüllt wurden diese durch eine einzigartige Bauteilaktivierung (BTA) mit Luft, die die Eigenschaften einer Bauteiltempe-rierung und einer Lüftungsanlage vereint.

Kompakt informieren

Der Neubau der Sebastian-Lotzer-Realschule in Memmingen wurde mit dem BTA-Lüftungssystem Concretcool von Kiefer Luft- und Klimatechnik ausgerüstet. Es kombiniert Bauteiltemperierung und Zuluft und schafft Behaglichkeit bei hoher Energieeffizienz durch maximale Ausnutzung der freien Kühlung.

Die innen berippten Kühlrohre aus Aluminium wurden in die Betondecke eingegossen. Sie werden mit kalter Zuluft durchströmt, die sich dabei annähernd auf die Deckentemperatur erwärmt.

Der Nachtbetrieb sorgt dafür, dass die Deckentemperatur zum Betriebsbeginn bei der voreingestellten Raumtemperatur liegt. Im Tagbetrieb wird die Temperatur der in die Decke eintretenden Zuluft in Abhängigkeit der Raum- bzw. Ablufttemperatur geregelt.

Den ersten Preis beim europaweiten Architektenwettbewerb für den Neubau der Städtischen Realschule Memmingen erhielt eine Arge, bestehend aus hahne + mauz architektur, München, Herle + Herrle Architekten, Neuburg a. D. und grabner + huber Landschaftsarchitekten, Freising. Das Siegerkonzept sah kompakte Baukörper vor, welche die zwei Realschulen durch verschiedene Gestaltungsansätze miteinander in einen Wettbewerb schickt.

Die Architekten setzten dabei auf das Leitmotiv „Es ist nichts wie es scheint“, wonach der Mensch vor allem durch Neugierde und Änderung der Betrachtungsperspektive lernt. Entstanden ist ein zweigeschossiger Stahlbetonmassivbau mit horizontal gegliederten Fassaden. Unregelmäßige Fensterbänder sowie individuelle Motive in Anlehnung an schulische Tafelanschriebe prägen das äußere Erscheinungsbild des Schulgebäudes Abb. 1.

Hohe klimatechnische Anforderungen

Die Stadt Memmingen wollte beim Schulneubau den entsprechend der EnEV zulässigen Heizwärmebedarf deutlich unterschreiten. Zusätzlich wünschte sich der Bauherr die Verwendung alternativer Energien. Das für die HLS-Planung verantwortliche Ingenieurbüro Güttinger aus Kempten erarbeitete daraufhin ein ambitioniertes Energiekonzept, das den Neubau auf Basis eines KfW-55-Standards vorsah, ein Anforderungsniveau 45 % über dem gesetzlich vorgeschriebenen Standard.

Umfangreiche Anlagentechnik sorgt dafür, dass die Umsetzung wunschgemäß erfolgen konnte. So befinden sich beispielsweise Photovoltaik-Anlagen auf dem Gebäudedach. Die Wärmeversorgung erfolgt über einen Gas-Brennwertheizkessel zur Spitzenlastabdeckung und zwei 40-kW-Gasabsorptions-Wärmepumpen, die Grundwasser als Wärmequelle nutzen. Zudem wird die Beleuchtung in den Klassenzimmern tageslichtabhängig geregelt. Nach der Fertigstellung des Gebäudes liegt der Gesamtprimärenergiebedarf bei 54 % des maximal zulässigen Werts. Einen entscheidenden Anteil daran hat die Luft- und Klimatechnik.

Innovatives Lüftungskonzept

In Schulen und Bildungsstätten haben viele Personen auf einer vergleichsweise geringen Fläche einen hohen Frischluftbedarf. Ein zu hohes Ansteigen des CO2-Gehalts in der Raumluft zu verhindern, ist die Grundvoraussetzung für konzentriertes Arbeiten und die damit einhergehenden Lernerfolge. Für solche Anforderungen ist das BTA-Lüftungssystem Concretcool von Kiefer Luft- und Klimatechnik prädestiniert.

Die Bauteilaktivierung arbeitet wie eine Kühldecke, die aber zusätzlich ein großes Energiespeichervolumen besitzt. Dadurch ist es möglich, Wärme zu speichern und zu einem späteren, energetisch sinnvolleren Zeitpunkt – in der Nacht oder den frühen Morgenstunden – abzuführen. Tagsüber lässt die hohe Wärmekapazität der Bauteile die Raumtemperatur nur gering ansteigen. Die Energie im Raum dient der Nacherwärmung der Zuluft.

Das BTA-Lüftungssystem von Kiefer Luft- und Klimatechnik nutzt dabei effizient die freie Kühlung und kombiniert die Bauteilaktivierung mit der Lüftungsfunktion. Grundsätzlich ist das System der Bauteilaktivierung träge – eine schnelle Änderung der Mediumtemperatur bewirkt also eine sehr langsame Veränderung der Oberflächentemperatur der Decke.

Dennoch bewirkt ein Anstieg der Raumlast und damit der Raumtemperatur ohne Verzögerung eine Leistungsabgabe der Decke und somit eine sofortige Reaktion ohne großen Regelungsaufwand. Das System arbeitet mit reiner Außenluft, die an bis zu 6000 h/a bereits mit für die Kühlung ausreichenden Temperaturen unter 12 °C „kostenlos“ zur Verfügung steht – ein klarer Vorteil gegenüber einer Bauteilaktivierung mit Wasser als Energieträger. Zusätzlich kann die Zuluft die Innenräume mit Frischluft versorgen und im Sommer die Raumluftfeuchte senken.

In die Betondecken integriert

Bei der Sebastian-Lotzer-Realschule (Bruttogeschossfläche: 7717 m2; Bruttorauminhalt: 28 793 m3) wurden die vorkonfektionierten Kühlrohre aus gut wärmeleitendem Aluminium und 80 mm Durchmesser in der statisch neutralen Zone der Betondecke zwischen oberer und unterer Bewehrung verlegt. Mit Abstandshaltern wird ihre Lage fixiert und gegen Aufschwimmen gesichert. Das anschließende Vergießen der Decken bettet die Kühlrohre in den Beton ein Abb. 2.

Die innere Oberfläche der Rohre ist berippt, was den Wärmeübergang verbessert und für eine Wärmeübertragungsfläche von ca. 1 m2 pro Leitungsmeter sorgt. Bevor die Zuluft den Räumen zugeführt wird, durchströmt sie die Kühlrohre innerhalb der Betondecken. Dabei erwärmt sich die Zuluft annähernd auf Deckentemperatur. Die dafür notwendige Wärme wird der Decke entzogen und kühlt somit das Bauteil.

Anschließend wird die Zuluft über Deckendralldurchlässe (Kiefer GLS 230) den Räumen zugeführt und deckt den hygienischen Frischluftbedarf. Das System erreicht eine Austrittstemperatur von rund 21 °C komplett ohne Nacherhitzer und ohne Primärenergie. Der Prozess erfolgt selbstregulierend und aufgrund der großen Speicherkapazität der Betondecken fast schwankungsfrei mit hoher Stabilität der Temperatur.

Die maximale Ausnutzung der freien Kühlung sorgt für Behaglichkeit bei hoher Energieeffizienz. Der Wärmerückgewinn der RLT-Anlage wird durch die Ergänzung mit dem Concretcool-System auf über 95 % gesteigert. Damit werden auch alle EEWärmeG-Anforderungen übertroffen. Zusammen mit dem Potenzial der freien Kühlung führt dies zu hoher Energieeinsparung und unerreicht günstigen Betriebskosten.

Alle 16 Klassen- und drei Ausweichräume, die Fachlehrsäle Chemie, Biologie und Informatik, die Werk-, Textil- und Zeichenräume sowie die Lehrerzimmer, das Direktorium und das Sekretariat werden auf diese Weise kombiniert mit Frischluft versorgt und gekühlt. Die Luftaufbereitung erfolgt über fünf Lüftungsanlagen (4 × 5300 m3/h, 1 × 9000 m3/h) mit hocheffizienter Wärme- und Feuchterückgewinnung. Die Außenluft wird über einen Luft/Grundwasser-Wärmeübertrager im Winter erwärmt und im Sommer passiv gekühlt. In den Übergangszeiten reicht die freie Kühlung, um die Zuluft, in Verbindung mit der Wärmerückgewinnung, auf die entsprechende benötigte Temperatur zu erwärmen bzw. abzukühlen.

Ästhetik wird nicht beeinträchtigt

Auch optisch bietet das System einen Vorteil: Die Luftleitung ist im Raum unsichtbar, ledig-lich die Luftdurchlässe werden in der Betondecke oder in der Flurtrennwand unauffällig integriert. Zusätzliche Lüftungsrohre unter der Decke sind somit nicht erforderlich. Für die Sebastian-Lotzer-Realschule sahen die Architekten eine durchgehend glatte Betondecke vor. Dafür änderten die Experten der Kiefer Luft- und Klimatechnik ihre Ausblaselemente:

Die Auslasskästen wurden mit Abstand zur Deckenunterkante in die Decke eingegossen sowie das Ausblaselement rückversetzt und oberhalb der Deckenunterkante montiert. Anschließend wurde es mit einem deckenbündig angebrachten Lochblech verkleidet Abb. 5. Um bei dieser Anordnung weiterhin die strömungstechnischen Eigenschaften zu gewährleisten, wurde im Vorfeld im Kiefer-Entwicklungslabor eigens für dieses Projekt ein 1 : 1-Versuchsaufbau durchgeführt. Dadurch konnten über entsprechende Anpassungen in der Anordnung der einzelnen Elemente eine einwandfreie Funktion und ein behagliches Einbringen der Zuluft erzielt werden.

Individuelle Temperaturregelung

Die Raumlufttemperatur kann in jedem der Schulräume individuell über die Gebäudeautomation geregelt werden – die vorgewählte Starttemperatur beträgt bei Betriebsbeginn am Morgen 22 °C. Die angeschlossenen Räume werden nur während der Belegungszeiten mit Zuluft versorgt.

Im Heizfall stellt die Heizung ebenfalls spätestens zu Betriebsbeginn die gewünschte Raumtemperatur durch automatisches Aufheizen ein. Dabei sind Heizungs- und Lüftungsregelung voneinander entkoppelt. Grundsätzlich unterscheidet man zwei Betriebszustände bei der Zuluftversorgung: Nachtbetrieb und Tagbetrieb.

Der Nachtbetrieb sorgt dafür, dass die Deckentemperatur zum Betriebsbeginn bei den voreingestellten 22 °C liegt. Hierfür hat die Decke im Laufe des vorangegangenen Tags Wärme eingespeichert. Der Sollwert kann über die Parametereingabe gewählt werden. Dieser Betrieb ist nur dann erforderlich, wenn die Deckentemperatur vom eingestellten Sollwert abweicht. Als Messgröße der Deckentemperatur dienen die an den verschiedenen Deckenauslässen montierten Referenztemperaturfühler. Da direkt am Deckenauslass gemessen wird, entspricht die Temperaturerfassung annähernd der Deckentemperatur. Für das Ermitteln der Deckentemperatur schaltet sich die Lüftungsanlage einmal in jeder Nacht für ca. 10 min ein. Sollte die Deckentemperatur vom geforderten Startsollwert bei Betriebsbeginn abweichen, bleibt die Lüftungsanlage so lange eingeschaltet, bis dieser erreicht ist. Dadurch wird das Kühlpotenzial der kühlen Außenluft in der Nacht maximal genutzt und der Energieverbrauch weiter minimiert.

Der zweite Betriebszustand – der Tagbetrieb – setzt eine Anfangs-Deckentemperatur von rund 22 °C voraus. Im Rahmen des beschriebenen Nachtbetriebs wird dieser Zustand gewährleistet. Über die Ablufttemperatur wird eine gemittelte Raumtemperatur über die gesamte Zone erfasst. Mittels einer Führungsfolgeregelung wird die Temperatur der in die Decke eintretenden Zuluft geregelt, also gleitende Zulufttemperaturregelung in Abhängigkeit der Raum- bzw. Ablufttemperatur. Während der Nutzung der Räume befindet sich das System, durch die inneren Lasten, überwiegend im Kühlbetrieb.

Das Concretcool-System stellt zudem sicher, dass der Bedarf des hygienischen Frischluftanteils immer in ausreichendem Maß vorhanden ist, um die geforderten CO2-Grenzwerte einzuhalten. Die Kombination von Zuluft und Aktivierung der Decke zur Kühlung sorgt für ein behagliches Klima.

Inhaltsübersicht

  1. Teil: Bauteilaktivierung über die Zuluft
  2. Teil: Kontakt zum Anbieter
  • 2  Im Gegensatz zu konventionellen Bauteilaktivierungs-Systemen wird die Zuluft bei Contretcool nicht direkt in den Raum geführt, sondern durchströmt zuerst die in der Decke einbetonierten Aluminium-Kühlrohre. Verlegen lassen sich die Kühlrohre in Ortbeton, Filigrandecken und Fertigteildecken.

  • 3  Die Zuluft kühlt die Decke und erwärmt sich dabei annähernd auf die Deckentemperatur.

  • 4  Die Kombination von Zuluft und Aktivierung der Decke zur Kühlung sorgt für ein behagliches Klima und jederzeit ausreichend Frischluft in den Räumen – eine ideale Umgebung zum Lernen.

  • 5  Das Einbringen der Zuluft in die Räume erfolgt über unauffällig in die Betondecke integrierte Luftauslässe. Da die Decken hierfür nicht abgehängt werden müssen, bleibt die thermische Speicherfähigkeit der Stahlbetondecken erhalten. Die Auslasskästen wurden mit Abstand zur Deckenunterkante in die Decke eingegossen und das Ausblaselement rückversetzt oberhalb der Deckenunterkante montiert.

  • 6  Das großzügige Treppenhaus ist ein Ort der Begegnung und Kommunikation – das Herzstück des Schulgebäudes.

Kiefer GmbH Stuttgart

Klaus Mauz

Klaus Mauz

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