Innovation

Beton zur Wärmespeicherung

An der Leonhardstrasse in Zürich ist im Rahmen des Masterplans Hochschulgebiet Zentrum der Neubau LEE der ETH errichtet worden. Durch die Wahl ökologischer Materialien und Konstruktionen konnte das Gebäude nach den Anforderungen des Labels Minergie-Eco geplant und zertifiziert werden. (Foto: Curt M. Mayer)
Beton verfügt über eine sehr hohe Wärmespeicherfähigkeit und bietet somit beste Voraussetzungen für energieeffizientes Bauen: Aufgrund seiner hohen Wärmekapazität reagiert der Baustoff träge auf Wärmeenergiezufuhr bzw. Wärmeentzug. (Foto: Istockphoto)
Curt M. Mayer /

Für Beton in der Architektur stellt sich die Frage, ob die haustechnischen Systeme zu integrieren sind oder ob eine konsequente Trennung zu verfolgen ist. Neue Forschungsresultate zeigen zudem, dass Beton als saisonaler Wärmespeicher genutzt werden kann.

Da Beton ein thermisches Speichervermögen attestiert wird, macht ihn das, neben verschiedenen anderen Eigenschaften,  zu einem idealen Baustoff. Dabei ist neben der Tragstruktur die Gebäudetechnik ein bauliches Teilsystem, das die Funktionalität und Nutzung beeinflusst. Gebäudetechnische Systeme dienen in erster Linie dem Komfort der Nutzer oder  der Qualität von Produktionsprozessen.

«Mit den zunehmenden Ansprüchen in allen Bereichen des nachhaltigen Bauens wurden die gebäudetechnischen Systeme tendenziell komplexer», betonte Adrian Altenburger, Professor an der Hochschule Luzern – Technik und Architektur, am Betonforum 16. Diese haben sowohl bezüglich Raumbedarf als auch  Investitionskosten eine Bedeutung erlangt, die einerseits im architektonischen Entwurf und andererseits bei den Lebenszykluskosten einen grossen Einfluss ausüben  können. Für Altenburger hat die Gebäudetechnik die dynamischen Wechselwirkungen des Umfelds mit Aussenklima und Nutzung auszugleichen. Das kann entweder mit Teilsystemen punktgenau oder mit Gesamtsystemen und tolerierten Abweichungen adäquat gewährt werden.

Als Ziel definiert Altenburger, dass Synergiepotenziale für interdisziplinäre Lösungen zu nutzen sind. Die Gebäudetechnik werde oft als additives Element gesehen und entsprechend spät in die Lösungsfindung miteinbezogen. «Die segmentierte  Struktur der Gebäudetechnikingenieure unterstützt dies und verhindert oft den interdisziplinären Dialog. Das bewusste Nutzen von Synergien ergibt oft elegante Gesamtlösungen, welche mehr sind als die Summe der Einzelteile.»

Um funktionale und architektonische Mehrwerte zu schaffen, ist darauf hinzuweisen, dass die Gebäudetechnik Platz braucht, damit für deren Komponenten eine einfache Zugänglichkeit gewährleistet werden kann. Integrierte Lösungen  können architektonische, aber auch ökonomische Mehrwerte schaffen, sofern sie sich auf die nicht zugänglichen  Systemteile beschränken, gibt sich Altenburger überzeugt. Aus den von ihm dazu dargelegten Beispielen sei hier der Neubau LEE der ETH Zürich herausgegriffen, eines der nachhaltigsten Hochschulgebäude der Schweiz.

Nachhaltige Gebäudestruktur

Das LEE bietet Büroräume mit rund 450 Arbeitsplätzen, vier Seminarräume, ein Hörsaal, ein Veranstaltungsraum und ein Medienraum. Diese stehen den Mitarbeitenden und Forschenden des Departements für Maschinenbau und Verfahrenstechnik und der Konjunkturforschungsstelle auf zehn Ober- und drei Sockelgeschossen zur Verfügung.

Bereits in der Wettbewerbsphase sind übergeordnete Nachhaltigkeitsziele festgesetzt worden. Gemäss Projektbericht ist das Gebäude nach den Richtlinien Minergie-Eco gebaut und zertifiziert worden. Das sechzehngeschossige Bürohochhaus  mit einer Traufhöhe von 40 m und seiner 20 m unter Terrain liegenden Bodenplatte besteht vollumfänglich aus Beton. Dabei sind die Untergeschosse und die stabilisierenden Gebäudekerne aus Ortbeton erstellt. In Vorfabrikation ausgeführt  sind die Decken aus Rippenplatten und die rechteckigen Fassadenstützen, ebenso wie die reliefierten Betonelemente, welche die selbsttragende Fassade bilden. Im Innern sind die weissen Deckensegel thermoaktiv und heizen bzw. kühlen die Räume je nach Bedarf. Die Beleuchtung erfolgt in allen Räumen über dimmbare energiesparende LED-Bausteine.

Hohes Speichervermögen von Beton

Jüngste Forschungsprojekte zeigen, dass Beton auch als saisonaler Wärmespeicher dienen kann. Die meiste Zeit des  Jahres unterscheiden sich die Temperaturen im Gebäudeinneren von denjenigen ausserhalb. Durch Heiz- oder  Kühlsysteme muss die Kälte in Winternächten beziehungsweise die Hitze an Sommertagen auf die gewünschten  Innentemperaturen ausgeglichen werden. Diese Temperaturanpassung lässt sich dank des Baustoffs Beton durch eine  intelligente Gebäudekonstruktion mit geringerem Energieaufwand als bisher realisieren. Das geht aus den Forschungsergebnissen und den Erkenntnissen aus ausgeführten Objekten hervor.

Beton bietet mit seiner hohen  Speicherfähigkeit – dem sogenannten Kachelofeneffekt – ideale Voraussetzungen, um ein angenehmes Raumklima  sicherzustellen. Decken, Wände oder Fussböden dienen als Energiespeicher und geben bei gleichmässigem Temperaturverlauf eine angenehme Strahlungswärme ab. Dass die niedrige Temperatur auch noch Energie und somit CO2-Emissionen spart, wirkt sich positiv auf die Leistungsbilanz des Baustoffs aus. Während herkömmliche Heizkörper Temperaturen um die 40 Grad Celsius benötigen, arbeitet das Prinzip Heizen mit Beton oder Bauteilaktivierung mit nur rund 20 Grad.

Wärmeaktivierung von Betonbauteilen

Beton kann durch seine Eigenschaften Wärme speichern und diese an die Umgebung (Wohnraum) wieder abgeben. Dabei werden in der Bodenplatte Kunststoffrohre im Beton eingegossen, in denen das Heiz- oder Kühlmedium fliesst. Um  längere Kälteperioden zu überbrücken, können die eingelegten Rohrleitungen mit einem Niedrigenergiesystem – zum  Beispiel Wärmepumpen oder thermischen Solaranlagen – zur Wärmeversorgung verwendet werden. Diese  Bauteilaktivierung oder aktivierte Betonbauteile tragen wesentlich zur Senkung der Heizkosten bei. Wichtige  Voraussetzung ist jedoch die Ausführung der Gebäudehülle in Niedrigenergiebauweise.

Das Prinzip der aktivierten Betonbauteile vermag immer mehr zu überzeugen. Dass Heizen und Kühlen mit Beton nicht  nur bei kleinen Einfamilienhäusern möglich ist, sondern dass mit dieser Technik auch die Grundlast für die Heizung und  Kühlung ganzer Bürogebäude und Einkaufszentren abgedeckt werden kann, zeigen viele realisierte Projekte. Bei einer  Gebäudekonzeption mit nachhaltig ausgelegtem Heiz- und Kühlsystem können unter Ausnutzung der Speichermasse Beton die Lastspitzen durch thermische Masse abgefedert werden. Dabei erreicht die Wassertemperatur beinahe den Wert  der Raumtemperatur und steigert damit die Effizienz.

Hohe Wärmespeicherfähigkeit

Da in einem Durchschnittshaushalt rund 70 Prozent der benötigten Energie für die Raumheizung und zwölf Prozent für die Warmwasseraufbereitung eingesetzt werden, ist gemäss Studien aus Deutschland demnach der Verbrauch an Heizenergie  ein wirksamer Ansatz, die Energieeffizienz von Gebäude zu optimieren. Ein Bauteil geringer Masse erhitzt sich  beispielsweise unter Bestrahlung durch die Sonne zügig, seine Oberflächentemperatur übersteigt schnell und deutlich die Lufttemperatur, sodass Wärme an die Umgebung abgegeben wird – es besteht die Gefahr der Überhitzung.

Bei Bauteilen aus Beton übersteigt die Oberflächentemperatur erst nach längerer Bestrahlung – in den  Nachmittagsstunden – die Lufttemperatur, und dann auch nur in geringem Mass. Die Wärmeverluste sind gering und die Wärmenergie kann in Zeiten, in denen die Lufttemperatur sinkt und Wärmeenergie den Wohnräumen zugeführt werden muss (z.B. nachts), genutzt werden.

Betonkernaktivierung mittels Rohrregister

Als innovative, wirtschaftliche und energieeffiziente Methode zum Kühlen und Erwärmen von Gebäuden nutzt die  Betonkernaktivierung die Fähigkeit der Decken und Wände im Gebäude, thermische Energie zu speichern und damit  Räume zu heizen oder zu kühlen. Bei der Betonkernaktivierung erfolgt der Transport der Wärme über Flüssigkeiten, z.B. Wasser. Rohrregister, durch welche diese Flüssigkeiten fliessen, werden direkt in die Betonbauteile einbetoniert, meist in die Decken, gegebenenfalls aber auch in Stützen oder Wände. Je nach Temperatur nimmt die Flüssigkeit Wärme aus dem Bauteil auf – es wird gekühlt – oder gibt Wärme an das Bauteil ab – es wird geheizt.

Die Betonkernaktivierung ermöglicht eine weitgehend verlustfreie Energieübertragung mit maximalen Austauschraten.  Sie ist mittlerweile häufiger Bestandteil der modernen Architektur, vor allem bei Büro- und Verwaltungsgebäuden,  Schulen, Spitälern, Pflegeheimen oder Museen. Es bestehen gute Kombinationsmöglichkeiten mit regenerativen Energiequellen wie Wärmepumpen oder geothermischen Energiesystemen.

Beton als saisonaler Wärmespeicher

Die im Sommer meist im Überfluss vorhandene Wärme soll für den Winter gespeichert werden. Wie dazu aus  Erkenntnissen von Forschern der Empa hervorgeht, kann dafür als Speichermedium eine neue Idee dem bisherigen  Wasserspeicher den Rang ablaufen: Beton bietet sich auch als saisonaler Wärmespeicher an. Dafür ist die Materialzusammensetzung von Beton geradezu prädestiniert. Da der Baustoff das Mineral Ettringit enthält, beginnt dieses bei einer Erwärmung ab einer Temperatur von 50 Grad Celsius das an sich gebundene Wasser «abzudampfen». Ettringit ist ein selten vorkommendes Mineral aus der Klasse der wasserhaltigen Sulfate mit fremden Anionen. Wird dem Mineral  wieder Wasser hinzugefügt, wird bei der Bindungsreaktion Wärme frei.

Herkömmlicher Beton enthält gemäss dem Bericht der Empa allerdings nur rund 15 Prozent des für diese Reaktion  benötigten Minerals Ettringit. Damit möglichst viel Wärme gespeichert werden kann, muss sein Anteil erhöht werden. Das ist aber nur mit einem speziellen Zement möglich, der bei der Herstellung etwa 40 Prozent weniger CO2 freisetzt. Dabei  handelt es sich um Calcium-Sulfoaluminat-Zement (CSA), von dem der Anteil im Beton bis zu 80 Prozent Ettringit enthalten kann.

Funktionsweise: Laden – Entladen

Die Idee der beiden Empa-Forscher Kaufmann und Winnefeld ist es, Bauteile aus Beton mit CSA-Zement herzustellen  und die Masse des Spezialbetons als Wärmespeicher zu nutzen. Das bereits patentierte System funktioniert wie folgt: Das  Betonbauteil wird von Röhrenschlangen durchzogen. Überschüssige Wärmegewinne der Solaranlage im Sommer heizen  einen Test-Betonblock auf 80 Grad Celsius auf. Das eingeschlossene Ettringit gibt Wasser in Form von Dampf ab, der  aufgefangen und kondensiert wird. Der dehydrierte Betonblock hat die Wärme nahezu verlustfrei gespeichert.

Im Winter wird Wasser oder Wasserdampf in den Beton geleitet und vom Ettringit aufgenommen. Dabei wird die  gespeicherte Wärme wieder freigesetzt und über Heizschlangen abgeleitet. Die Wärmeabgabe wird über die Wasserzufuhr in den Betonblock geregelt. So kann eine Fussbodenheizung den ganzen Winter hindurch auf 25 Grad Celsius gehalten werden, oder das Duschwasser gar auf 40 Grad Celsius erwärmt werden. Berechnungen an der Empa haben ergeben, dass für ein Einfamilienhaus mit Minergiestandard ein Betonvolumen von 15 m3 genügt. Um den Beton zu erwärmen, reichen 15 m2 Sonnenkollektorfläche. Der Betonspeicher soll bei 1 bis 1,5 Ladezyklen pro Saison etwa 30 Jahre halten, wobei dieser nahezu wartungsfrei arbeiten kann.