Thermisch aktiv

Unsichtbares Heizen und Kühlen in Wand und Decke

Zum einen sind es die architektonischen Sehenswürdigkeiten der hier in den letzten Monaten entstandenen Neubauten zum Arbeiten und Wohnen, wie die drei Kranhäuser. Zum anderen sind es die geothermischen Besonderheiten der direkten Rheinlage, die das Neu­baugebiet am Rhein hervorheben. Darüber hinaus überzeugen die umgesetzten ökologischen und ökonomischen Lösungen der technischen Gebäudeausstattung, die moderne Architektur mit einer energieeffizienten und ganzjährigen Behaglichkeit im Inneren der Gebäude verbinden. So entsteht dank der Nutzung komplexer Energiekonzepte zum Heizen und Kühlen mit Flächentemperierung in Kombination mit Geothermie ein ganzjähriges Wohlfühlklima, das höchsten Ansprüchen gerecht wird.
Eine Möglichkeit, die sich durch die direkte Rheinnähe anbietet, ist die Nutzung des verfügbaren Grundwasser zur Aktivierung der Gebäudespeichermasse. Im Kranhaus Plus kommt hierfür das Betonkernaktivierungssystem Contec des Herstellers Uponor zum Einsatz. Die Bedingung dafür: Das für die Versorgung der Betonkernaktivierung verwende­te Wasser kann nach seiner Anwendung ohne physikalische oder chemische Beeinträchtigung in den Rhein zurückfließen. Möglich machen diese Nutzung hydrogeologische Gut­achten sowie eine Genehmigung der Stadt Köln für die zwei Kiesschüttbrunnen mit einem Bohrlochdurchmesser von je ca. 700 mm.

Thermische Leistung aus dem Beton

Für die Grundtemperierung der Büroflächen, wie im Kranhaus Plus oder im Pier 15 am Kölner Rheinauhafen, sorgen als Energieverteil- und –speichersystem die Rohre der Betonkernaktivierung. Bei den hier verbauten Systemrohren handelt es sich um vernetzte Polyethylenrohre (PE-Xa) mit einer diffusionsdichten Sauerstoffsperrschicht und einer äußeren Kunststoffschutzsicht, die gegen äußere Einflüsse auf der Baustelle schützt. Die PE-X-Rohre sind in werkseitig vorgefertigten Modulen integriert, die aufgezogen und an die bauseitige, obere Bewehrung gehängt werden. Die dabei verwendete, patentierte Aufzugsträgermethode gewährleistet eine genaue Platzierung der Rohrregister in der Mitte der Betondecke. Die praktische Modulbauweise sichert einen zügigen Baufortschritt und stellt insbesondere bei großen Projekten, wie am Rheinauhafen, einen wirtschaftlichen Vorteil für das Bauprojekt dar. Zusätzlich zur Robustheit ist das Pe-Xa-Rohr insbesondere flexibel in seiner Verarbeitung und unempfindlich gegen Spannungsrisse. Wichtig für den Architekten und Fachplaner: Das Kühlen und Heizen ist mit demselben, komplett in der Betondecke integrierten Rohrverteilungssystem möglich und somit übersichtlich zu planen.

Das Plus an Flexibilität

Speziell für Räume mit starker Aufheizung oder Abkühlung, die im Sommer oder Winter extremen Temperaturen ausgesetzt sind, kann die zusätzliche Anbringung von Spitzenlastenelementen, wie aktiven Deckensegeln, effizient zu einem angenehmen Raumklima verhelfen. Im Bauprojekt des Pier 15 wurde die Anbindung von thermisch aktiven Akustiksegeln über eine Thermische Steckdose vorgenommen. Dabei erfolgte der Anschluss zur Montage der frei von der Decke hängen­den Spitzenlastenelementen mittels eines Adapters. Das korrosionsfeste Gehäuse der Thermischen Steckdose selbst wird einfach auf die bauseitige Deckenschalung montiert und schließlich zusammen mit der Betonkern­aktivierung einbetoniert. Damit ist sie bündig in die Betondecke integriert und kann einfach an die vorhandenen PE-Xa-Rohre der Betonkernaktivierung angeschlossen werden. Abgestimmt auf das System ist der Anschluss von Rohrweiten in der Dimension von 14 x 2.0 mm bis 20 x 2,3 mm möglich. Ein zusätzliches Plus bietet bei dieser Lösung im Pier 15 der integrierte Ventileinsatz mit einem selbständigen Verschluss der Thermischen Steckdose. In dieser Kombination mit dem Anschlussadapter kann ein nachträglicher Betriebseinsatz von Heiz-/Kühlsegeln vorgenommen werden. Damit entfällt im Bedarfsfall das zeitaufwendige Entleeren der gesamten Anlage.

Präzise Auslegung

Die für das Pier 15 benötigte Kühlleistung wurde nach einer dynamischen Gebäudesimulation unter Berücksichtigung von unter 150 Überhitzungsstunden pro Jahr ausgelegt. Die thermische Betonteilaktivierung erreicht dabei eine Kühlleistung von ca. 35 W/m². Durch den effizienten Einsatz dieser Maßnahme werden unerwünschte Temperaturschwan­kungen wirksam vermieden. Die in den Räumen am Tage entstandene Wärme wird über die mit einem Kühlmedium durchflossenen Module in dem Beton der Raumdecken aufgenommen und direkt abtransportiert. Speziell in den durch Wärmeeinfluss hoch belasteten Eckräumen im Pier 15 schaffen die thermisch aktiven Akustiksegel zusätzlich mit flachen Konvektoren ein ganzjähriges Wohlfühlklima ohne Geräuschemission und Zugluft. Dabei ist der Einsatz von thermisch aktiven und passiven Segeln flexibel und an die architektonischen Gegebenheiten des Bürogebäudes angepasst. Ein zusätzlicher Vorteil der Lösung mit Deckensegeln ist zudem die Reduzierung von Schallhärten in den Büros und großen Räumen, ohne dabei Einbußen in Effizienz von Heiz- und/oder Kühlleistung zu erfahren. Dieser eventuell auftretende Nachteil von Deckenelementen in Kombination mit einer Betonkernaktivierung wird mit dem Einsatz der thermisch aktiven Segel wirksam umgangen. Dafür nutzt das System so genannte Aktivierungsprofile, welche die Wärmeleitfähigkeit sichern. Dabei kommt eine Konstruktion aus Lochkassetten mit Rand- und Mittelprofilen zum Einsatz, die in den hier verwendeten Segeln von ATD Akustiktherm als thermische Leiter dienen. Der Schallabsorber dieser Lösung besteht aus einer hoch verdichteten Mineralwolle, die in die perforierten Deckensegel mit einer Rundlochung und einem Lochanteil von 22 % integriert sind. Neben der Kühlung erfolgt die Beheizung des Bürogebäudes Pier 15 ebenfalls über die Betonkernaktivierung und außerdem bei Bedarf über flache Konvektoren als zusätzliche Heizquelle. Als Energieträger kommt die über­all im gesamten Rheinauhafen eingesetzte Fernwärme zum Einsatz. Das Temperaturniveau ist dabei im Heizfall mit einem Vor- und Rücklauf von ca. 30/27 °C geplant. Mit der hier eingesetzten thermischen Bauteilaktivierung wird eine Lastenabdeckung zum Heizen von max. 25 W/m² erreicht.

Spezielle Anforderungen

Im Kranhaus Plus galt es für den Planer, die speziellen Anforderungen eines Mieters zu erfüllen. Die Aufgabe dabei: Die Sicherstellung von 23 °C Raumtemperatur ohne Überhitzungs­stunden im Bereich von hochwertigen Besprechungsräumen im obersten Stockwerk des außergewöhnlichen Gebäudes. Um die Anforderungen an Kühlung und Heizung entsprechend den Vorgaben des Auftraggebers umzusetzen, wurde hier, wie auch im Pier 15, mit einem Simulationsmodell gearbeitet. Das Ergebnis: Um das vorgegebene Temperaturniveau zu erreichen, wurden neben einer Contec-Kühldecke eine leistungsstarke Lüftungsanlage und das Flächentemperiersystem Minitec zur Fußbodenkühlung und -heizung sowie weitere Unterflurkonvektoren als zusätzliche Absicherung eingebaut. Die separate Lüftungsanlage in der obersten Etage des Kranhaus Plus beugt dabei sicher der Entstehung von eventuell auftretendem Kondenswasser vor. Um die gewünschte lichte Raumhöhe von 3 m konsequent einzuhalten, kam dank seiner geringen Aufbauhöhe von nur 15 mm das Flächentemperiersystem zur Installation in den Hohlraumböden zur Anwendung. Abgerundet wird das komplexe Klimatisierungskonzept in der 14. Etage mit weiteren Maßnahmen, wie einer Doppelfassade und vollautomatischen Beschattungs- sowie inneren Blendschutzsystemen.

Gesamtkonzept zum Kühlen …

Im Rahmen der Ausführungsplanung wurde von der TGA-Planung für das Kranhaus Plus eine dynamische Gebäudesimulation zur verlässlichen Berechnung der Kühlleistung vorgenommen. Zur Spitzenlastkompensation und zur Sicherstellung eines angenehmen Temperaturniveaus in den warmen Sommermonaten mit Spitzen von maximal 26 °C Raumtemperaturen sowie definierten Überhitzungsstunden sorgen in den Büros zusätzlich raumindividuell regelbare Unterbodengebläse-Konvektoren für die Deckung der aufkommenden Kühllasten. Parallel wird die Frischluftversorgung im Kranhaus Plus über die im Boden integrierten Konvektoren mit Außenluftanteil in allen Räumen gedeckt. Der Einsatz der Betonkernaktivierung verhindert in den hellen, großzügig verglasten Büroräumen eine unangenehme Temperaturaufschau­kelung auch bei länger andauernden Hitzeperioden. Die am Tage in den Räumen entwickelte Wärme wird über das Kühlmedium in den Modulen direkt im Inneren der Betondecken aufgenommen und schließlich abtransportiert. Diese Art der Kühlung gilt als stille Kühlung, da sie komplett geräuschlos und unsichtbar sowie ohne Zugerscheinung wirkt. Die im Kranhaus Plus installierte thermische Bauteilaktivierung ist auf eine Leistung von maximal 25 W/m² bei 80 % belegter Fläche ausgelegt. Die stoffliche Trennung des zur Kühlung verwendeten Brunnenwassers und des Mediums im Rohrsystem übernimmt ein Plattenwärmeüberträger. Somit wird eine chemische oder physikalische Beeinflussung des Kühlwassers sicher vermieden und unerwünschte Verunreinigungen aus eventuellen Rückständen des Brunnenwassers können nicht ins Innere der Kunststoffrohre gelangen.

... und Heizen

Passend zur Kühlung wird die Betonkernaktivierung im Kranhaus Plus ebenfalls zur Deckung der anfallenden Heizlasten als Grundlastsystem eingesetzt. Die Beheizung des Gebäudes erfolgt über zwei Wege. Einerseits durch eine Wärmerückgewinnung aus der Abluft der vorhandenen WC- und Büroluftanlagen mit einer Ablufttemperatur von ca. 21 ° C sowie durch eine zusätzliche Wasser/Wasser Wärmepumpe mit einer Leistung von ca. 130 kW. Das Temperaturniveau der Betonkernaktivierung ist für den Heizfall mit einem Vor- und Rücklauf von 28/26 ° C geplant, das Wasser aus dem Wärmepumpenkreis 32/26 ° C wird entsprechend beigemischt. Für die Nacht­stunden und an den Wochenenden, an denen die RLT-Anlage nicht in Betrieb ist, ist die Beheizung der Räume über die Betonkernaktivierung mittels Fernwärme als Energieerzeuger vorgesehen. Mit dem Einsatz einer Kombi­nation aus Energiequellen, wie der Wärme­rückgewinnung aus der Abluft, über Wärmepumpe sowie über Fernwärme, wird sichergestellt, dass die damit erzeugten Wohl­fühltemperaturen im Kranhaus Plus sowohl unter ökologischen als auch ökonomischen Aspekten gewährleistet werden. Mit der thermischen Bauteilaktivierung wird bereits eine Teilabdeckung der Gesamtheizlast erreicht. Dabei beträgt die Lastabdeckung der Betonkernaktivierung im Heizfall maximal 18 W/m². Mit der Möglichkeit einer individuellen Regelung werden mit den in den Büros vorhandenen Unterflurgebläsekonvektoren die verbleibenden Heizlasten abgedeckt.

Zukunftsweisend

Im Areal des Rheinauhafens in Köln tritt zukunftsweisende Architektur auf eine moderne, ökologisch und ökonomisch aus-gerichtete technische Gebäudeausstattung. Dabei wurden insbesondere die Materialqualitäten der eingesetzten Systeme, wie im Kranhaus Plus, auf ihre Nach­haltigkeit hin ausgesucht und mit einem modernen Gesamtkonzept zur Nutzung regenerativer Energien kombiniert. Andere Herausforderungen, zusätzlich zur Leistung der energetisch sparsamen Betonkernaktivierung, wurden, wie im Pier 15, in Abstimmung mit Architektur und Akustik mit Deckensegeln gelöst. Hier kam es ebenso auf die Auswahl der passenden Materialien und Systeme an, um den gewün­schten Projekterfolg zu erzielen. Gemeinsam zeichnet beide Gebäude ein ganzjähriges Wohlfühlklima aus mit dem Ziel einer angenehmen Arbeitsatmosphäre, die mit viel Licht und einem guten Ausblick eine optimale Voraussetzung für berufliche Leistung, Erfolg und Gesundheit bietet.