Energiesparend Bauen.
Mit Beton.
Die thermischen Eigenschaften von Baustoffen spielen eine wichtige Rolle bei der Wärmeregulierung und beeinflussen sowohl die Raumtemperatur als auch den Energieverbrauch.
Wie kann Beton das Raumklima positiv beeinflussen?
Durch seine Fähigkeit zur Wärmespeicherung nimmt er Wärme während warmer Perioden auf und gibt sie bei kühleren Temperaturen langsam ab. So werden Temperaturschwankungen minimiert, und eine gleichmäßigere Raumtemperatur wird aufrechterhalten. Die Wärmeleitfähigkeit λ beeinflusst zudem, wie schnell Wärme durch Beton tritt. Eine niedrige Wärmeleitfähigkeit sorgt dafür, dass Innenräume nicht zu schnell Wärme verlieren oder gewinnen, was die thermische Behaglichkeit steigert.
Auch die Oberflächentemperatur spielt eine wichtige Rolle, da wärmere Oberflächen als angenehmer empfunden werden und eine behagliche Atmosphäre schaffen. Zusätzlich wirken sich Strahlungseffekte und Konvektion positiv aus, indem Beton die gespeicherte Wärme an seine Umgebung abgibt und die Luft erwärmt.
Die Thermische Behaglichkeit beschreibt das Wohlbefinden in Innenräumen und hängt von Faktoren wie Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftgeschwindigkeit, der Strahlungstemperatur der Oberflächen sowie Kleidung und Aktivität ab. Da viele Menschen täglich über zwanzig Stunden in geschlossenen Räumen verbringen, ist die thermische Behaglichkeit eine wesentliche Aufgabe der Gebäudeplanung. Standards und Richtlinien unterstützen hierbei, um einen behaglichen Raumzustand herzustellen.
Bei der thermischen Aktivierung werden wasserführende Leitungen in massiven Bauteilen wie Decken, Wänden oder Fußböden eingesetzt und so die Speicherfähigkeit des jeweiligen Bauteils zur Temperierung genutzt. Häufig lassen sich die Bauteile über dieses System sowohl erwärmen als auch kühlen. Aufgrund der thermischen Trägheit massiver Bauteile lässt sich das Raumklima so das ganze Jahr über stabilisieren. Dies sorgt für Komfort und senkt aufgrund der niedrigen Vorlauftemperatur auch den Energiebedarf für Heizung und Kühlung.
Unterstützt wird das System am effizientesten mit Wärmeenergie aus erneuerbaren Quellen wie Geothermie (mit Sole-Wärmepumpen) oder Luft-Wärmepumpen. Diese arbeiten auch mit Niedrigtemperaturen und erlauben so den Betrieb eines sehr energieeffizienten Heizsystems.
Die Betonkernaktivierung ist eine Form der thermischen Bauteilaktivierung und nutzt die Speichermasse von Beton, um Gebäude effizient zu heizen oder zu kühlen.
Dabei werden wasserführende Leitungen in den Kern von Betonbauteilen, meist Decken, integriert. Über ein Kreislaufsystem wird das Temperaturniveau reguliert, was eine präzise und gleichmäßige Raumtemperatur ermöglicht. Beton speichert große Mengen Wärme und gibt sie bei Bedarf gleichmäßig ab, wodurch eine angenehme Strahlungswärme und stabile Temperaturverteilung entsteht.
Besonders in großen, durchgehend genutzten Gebäuden wie Büros, Krankenhäusern und Industriebauten wird diese Methode aufgrund des geringen Energiebedarfs geschätzt. Auch in Passivhäusern hat sich die Betonkernaktivierung etabliert, da hier der Energieverbrauch durch starke Wärmedämmung gering bleibt. In Deutschland sind Heizestriche mit Fußbodenheizung noch verbreiteter, da sie einen niedrigeren Planungsaufwand erfordern, jedoch haben sie eine geringere Speichermasse und sind dadurch weniger energieeffizient.
Wärmepumpen nutzen ein Arbeitsmittel, das bei sehr niedrigen Temperaturen verdampft. Ein Kompressor verdichtet dieses Gas und erhöht so Druck und Temperatur, während ein Wärmetauscher die Wärme ans Heizsystem abgibt und das Gas so wiederum verflüssigt. Durch ein Expansionsventil wird der Druck abgebaut. Kühlschränke funktionieren nach demselben Schema.
Die Effizienz von Wärmepumpen wird durch ihre Jahresarbeitszahl bestimmt. Erdgekoppelte Systeme erreichen eine…
Wärmepumpen nutzen ein Arbeitsmittel, das bei sehr niedrigen Temperaturen verdampft. Ein Kompressor verdichtet dieses Gas und erhöht so Druck und Temperatur, während ein Wärmetauscher die Wärme ans Heizsystem abgibt und das Gas so wiederum verflüssigt. Durch ein Expansionsventil wird der Druck abgebaut. Kühlschränke funktionieren nach demselben Schema.
Die Effizienz von Wärmepumpen wird durch ihre Jahresarbeitszahl bestimmt. Erdgekoppelte Systeme erreichen eine Jahresarbeitszahl von bis zu 4 oder 5. Das bedeutet, dass sie mit 1 kWh Strom 4–5 kWh Wärme erzeugen.
Wärmepumpen arbeiten am effizientesten mit einer Vorlauftemperatur von bis zu 45 °C. Flächenheizungen oder andere Systeme, die die Wärme großflächig verteilen, eignen sich darum am besten für wärmepumpengebundene Systeme.
Dezentrale Energiegewinnung ist nicht nur ein essenzieller Bestandteil der Wärmewende, sondern ist in Kombination mit der Bauteilaktivierung besonders effizient. Da die hier aufgeführten Technologien zumeist im niedrigen Temperaturbereich arbeiten, sind sie für diesen Einsatz besonders geeignet und dabei auch noch klimaneutral. Beton punktet hierbei mit seiner Speicherfähigkeit, die es ermöglicht, die gewonnene Energie über einen langen Zeitraum wieder abzugeben. Im Folgenden stellen wir einige Technologien vor, die sich diese Eigenschaften zunutze machen.
Geothermische Energiespeicherung
Energiepfähle kombinieren die Funktionen von Gründungspfählen und Erdwärmesonden. Diese Pfähle, in die Wärmetauscherrohre eingegossen sind, tragen nicht nur die Lasten eines Bauwerks ab, sondern nutzen gleichzeitig die Erdwärme für Heizung und Kühlung. Die Leistung der Energiepfähle variiert zwischen 10 und 800 kW. Energiepfähle kommen besonders bei schwierigen Baugrundverhältnissen zum Einsatz und können in Tiefen von bis zu 25 m installiert werden. Sie eignen sich für mittlere und kleinere Bauvorhaben, wie Ein- und Mehrfamilienhäuser, da sie auch in Trinkwasserschutzzonen verwendet werden dürfen und relativ einfach genehmigt werden können.
Aus energetischer und wirtschaftlicher Sicht ist für den Betrieb von Energiepfahlanlagen die saisonal versetzte Kombination von Heiz- und Kühlbetrieb ideal.
Ein Eisspeicher speichert und nutzt Wärmeenergie für Heiz- und Kühlsysteme. Er besteht aus einem großen Betonbehälter, der mit Wasser gefüllt ist – also eine Art Zisterne, nur dass diese mit einem Leitungssystem gefüllt ist. In diesen Leitungen zirkuliert eine Austauschflüssigkeit. Bei Wärmebedarf wird dem Wasser über eine Wärmepumpe Energie entzogen und im Gebäude genutzt. Dabei nutzt man den sog. „Phasenumwandlungseffekt“: Wenn Wasser bei 0 °C zu Eis erstarrt, wird etwa so…
Ein Eisspeicher speichert und nutzt Wärmeenergie für Heiz- und Kühlsysteme. Er besteht aus einem großen Betonbehälter, der mit Wasser gefüllt ist – also eine Art Zisterne, nur dass diese mit einem Leitungssystem gefüllt ist. In diesen Leitungen zirkuliert eine Austauschflüssigkeit. Bei Wärmebedarf wird dem Wasser über eine Wärmepumpe Energie entzogen und im Gebäude genutzt. Dabei nutzt man den sog. „Phasenumwandlungseffekt“: Wenn Wasser bei 0 °C zu Eis erstarrt, wird etwa so viel Energie frei, wie man bräuchte, um dieselbe Wassermenge von 0 °C auf 80 °C zu erhitzen. Es handelt sich um saisonale Systeme, mit denen im Winter geheizt und im Sommer gekühlt werden kann. Eisspeicher sind effizient und umweltfreundlich, besonders wenn die Wärmepumpe durch PV-Strom betrieben wird.
Die kostengünstigste Variante der Feststoff-Wasser Speicher ist der Beton-Feststoff-Speicher. Dieser kann sowohl unterhalb eines Gebäudes verbaut als auch nachträglich in ein Untergeschoss integriert werden. Hierfür wird ein Korpus mit Wärmetauschern bestückt, welche an den Heizkreislauf des Gebäudes angeschlossen werden. Nun wird dieser Körper mit Beton verfüllt. Um die Wärmespeicherkapazität weiter zu erhöhen, werden die Poren des Betons anschließend noch mit Wasser verfüllt.…
Die kostengünstigste Variante der Feststoff-Wasser Speicher ist der Beton-Feststoff-Speicher. Dieser kann sowohl unterhalb eines Gebäudes verbaut als auch nachträglich in ein Untergeschoss integriert werden. Hierfür wird ein Korpus mit Wärmetauschern bestückt, welche an den Heizkreislauf des Gebäudes angeschlossen werden. Nun wird dieser Körper mit Beton verfüllt. Um die Wärmespeicherkapazität weiter zu erhöhen, werden die Poren des Betons anschließend noch mit Wasser verfüllt. Das durch die Heizkreisläufe zirkulierende Wasser kann bei Bedarf erwärmt oder gekühlt werden. Feststoffspeicher eignen sich am besten für niedrigere Temperaturbandbreiten bis 90 °C, sind also für den Hausgebrauch absolut ausreichend.
Ein hybrider Wasser-Feststoffspeicher kam auch bei der denkmalgerechten Sanierung eines ehemaligen Kontors in der Hamburger Speicherstadt zum Einsatz. Dieses Projekt zeigt auf, dass Energiesysteme mit Beton sich auch bei Denkmälern und im Bestand anbieten können.
Solarbeton, entwickelt von Forschern der Universität Kassel, ist ein innovativer Baustoff, der Sonnenlicht in Strom umwandeln kann. Er basiert auf einer speziellen Betonsolarzelle namens „DysCrete“, die aus leitfähigem Beton, Titandioxid, Farbstoffpigmenten und einer Jodlösung besteht. Diese Zelle nutzt das Prinzip der Farbstoffsolarzelle, bei der Sonnenlicht durch Farbstoffe in Elektronen umgewandelt wird, um Strom zu erzeugen. Derzeit wird daran gearbeitet, den noch niedrigen…
Solarbeton, entwickelt von Forschern der Universität Kassel, ist ein innovativer Baustoff, der Sonnenlicht in Strom umwandeln kann. Er basiert auf einer speziellen Betonsolarzelle namens „DysCrete“, die aus leitfähigem Beton, Titandioxid, Farbstoffpigmenten und einer Jodlösung besteht. Diese Zelle nutzt das Prinzip der Farbstoffsolarzelle, bei der Sonnenlicht durch Farbstoffe in Elektronen umgewandelt wird, um Strom zu erzeugen. Derzeit wird daran gearbeitet, den noch niedrigen Wirkungsgrad von etwa 2 % zu erhöhen und die Langlebigkeit zu verlängern. Eine zentrale Herausforderung bleibt jedoch die regelmäßige Erneuerung der Beschichtung. Konventionelle Solarthermie und Photovoltaikanlagen unterliegen in ihrer Leistung hohen Schwankungen im Tagesverlauf und haben vergleichsweise hohe Investitionskosten. Trotz des derzeit noch niedrigen Wirkungsgrads kann Solarbeton so eine vielversprechende und kosteneffiziente Ergänzung im Bereich erneuerbarer Energien darstellen.
Massivabsorber sind ein System zur Energiespeicherung. Hierbei handelt es sich um massive Außenbauteile aus Beton, in die dünne Rohrschlangen aus Kunststoff oder Metall eingelassen sind. Sie tauschen mit der Umgebungswärme (Luft, Erdreich, Grundwasser, Teiche oder Flüsse) Energie aus und nutzen diese, um mithilfe einer Wärmepumpe für die Klimatisierung eines Gebäudes zu sorgen. Diese Massivabsorber nehmen solare Wärme direkt an der Hülle auf und übergeben sie an das System.…
Massivabsorber sind ein System zur Energiespeicherung. Hierbei handelt es sich um massive Außenbauteile aus Beton, in die dünne Rohrschlangen aus Kunststoff oder Metall eingelassen sind. Sie tauschen mit der Umgebungswärme (Luft, Erdreich, Grundwasser, Teiche oder Flüsse) Energie aus und nutzen diese, um mithilfe einer Wärmepumpe für die Klimatisierung eines Gebäudes zu sorgen. Diese Massivabsorber nehmen solare Wärme direkt an der Hülle auf und übergeben sie an das System. Diese Wärme fungiert als Umweltenergieanteil der Wärmepumpe oder kann, falls kein Bedarf besteht, im Speicher zwischengelagert werden. Der Speicher wiederum versorgt die Wärmepumpe, wenn keine ausreichende Leistung an der Bauteiloberfläche bereitsteht.
Das „Qualitätssiegel Nachhaltiges Gebäude“ (QNG) stellt eine staatliche Auszeichnung für Gebäude dar. Auch hier müssen wie bei den privatwirtschaftlichen Zertifizierungssystemen bestimmte Kriterien bezüglich ökologischer, soziokultureller und ökonomischer Qualität erfüllt werden. Die Vergabe des Siegels erfolgt durch unabhängige Stellen im Auftrag des Bundesbauministeriums in den Stufen „QNG PLUS“ oder „QNG PREMIUM“ und unterscheidet zwischen Wohngebäuden und Nicht-Wohngebäuden. Das QNG-Handbuch und die entsprechenden Dokumente bilden die Grundlage für die Vergabe des Qualitätssiegels. Sie legen das Verfahren sowie die Anforderungen an die Registrierung von Bewertungssystemen fest und definieren die Bedingungen für die Vergabe des Qualitätssiegels. Die Siegelvergabe erfolgt immer in Kombination mit einer anderen Zertifizierung. Die Anforderungen des QNG werden in „Allgemeine Anforderungen“ und „Besondere Anforderungen“ geteilt. Während die allgemeinen Anforderungen durch die Vorgaben des jeweiligen Zertifizierungssystems abgedeckt werden, sind die besonderen Anforderungen gesondert nachzuweisen.
Allgemeine und besondere Anforderungen des QNG-Siegels
Die besonderen Anforderungen betreffen:
Materialgewinnung ist besonders relevant für den Beton. Für die Treibhausgasemission ist der GWP100 nachzuweisen bzw. ein vorgegebener Wert einzuhalten. Es werden graue Energie und Betriebsenergie auf einen jährlichen Anteil pro Quadratmeter (GWP100 in kg CO2-Äq./m2 NRF(R)*a) gerechnet. So wird der Anteil der baustoffbedingten Emissionen bzw. Energieaufwendung vergleichbar dargestellt. Ein Blick auf die ausgezeichneten Projekte zeigt, dass die Betonbauweise durch den Einsatz klinkereffizienter Zemente die höchsten CO2-Anforderungen erfüllen kann und auch Premium erreicht. Voraussetzung ist, dass bewusst CO2-effizient geplant wird. Bei der nachhaltigen Materialgewinnung ist ein verbindlicher Mindestanteil des verbauten Betons als Recyclingbeton auszuführen. Bei dieser Anforderung kommt es aufgrund uneindeutiger Formulierung der QNG-Anforderungen oft zu Unsicherheiten bezüglich des geforderten Anteils an RC-Material. Kurzum: Ein Mindestanteil an RC-Gesteinskörnung innerhalb des R-Betons wird nicht vorgegeben. Vielmehr sind die zulässigen Maximalmengen rezyklierter Gesteinskörnungen nach den geltenden DAfStb-Richtlinien nicht zu überschreiten. Beton kann also auch hier punkten. Diese Punkte zeigen auf, dass auch beim QNG die höchste Auszeichnung mit Betonbauweisen erreicht werden kann, wenn dies bewusst nachhaltig eingeplant wird. Denn die Tragfähigkeit, Langlebigkeit und vielfaltigen Anwendungsmöglichkeiten von Beton machen ihn zu einem wichtigen Baustoff für nachhaltige Gebäude.
Die nachfolgenden Systeme betrachten die Nachhaltigkeit aus verschiedenen Blickpunkten, haben aber gemein, dass sie die Emissionen über den Lebenszyklus bewerten. Das heißt, dass sowohl die graue Energie als auch die Betriebsenergie einbezogen werden. Bei allen Zertifizierungssystemen können auch die höchsten Levels bzw. Auszeichnungen mit der Betonbauweise erreicht werden.
Das Gebäudeenergiegesetz (GEG) ist ein zentrales Gesetz, das die energetischen Anforderungen an Gebäude regelt. Es ersetzt seit November 2020 die bisher geltenden Regelungen der Energieeinsparverordnung (EnEV), des Energieeinspargesetzes (EnEG) und des Erneuerbare-Energien-Wärmegesetzes (EEWärmeG). Das GEG fasst diese drei Regelwerke zusammen und vereinheitlicht die Anforderungen an den Energieverbrauch und die Nutzung erneuerbarer Energien in Gebäuden. Der Fokus des GEG liegt in der Reduzierung der Primärenergie und Anforderungen an die thermische Hülle sowie dem Einsatz von erneuerbaren Energien. Auch regelt das GEG die Ausstellung und Verwendung von Energieausweisen. Der Energieausweis gibt Aufschluss über die energetische Qualität eines Gebäudes und muss bei Verkauf, Vermietung oder Verpachtung vorgelegt werden. Die graue Energie spielt im GEG keine zentrale Rolle, da der Fokus auf der Reduzierung des Energieverbrauchs während der Betriebsphase liegt. Dennoch wird die graue Energie beim nachhaltigen Bauen zunehmend wichtiger, insbesondere in Zusammenhang mit Zertifizierungssystemen, wie auf den folgenden Seiten ausgeführt wird. In der Zukunft könnte sie auch in gesetzlichen Regelungen mehr Beachtung finden, um den gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes energetisch und unter dem Gesichtspunkt der Klimaeffizienz zu optimieren. Die Frage nach den Baumaterialien spielt somit nur eine untergeordnete Rolle. Dennoch werden die positiven Effekte einer massiven Bauweise berücksichtigt. Beim Nachweis des sommerlichen Wärmeschutzes spielt das spezifische Gewicht der Bauteile die zentrale Rolle. So wird berücksichtigt, dass eine massive Bauweise mit intelligent geplanter Fassade ohne zusätzliche Kühltechnik auch in den Hitzemonaten ein angenehmes Raumklima garantieren kann.
Energieeffizienzklassen von Wohngebäuden nach GEG
Der sommerliche Wärmeschutz nach § 14 GEG verlangt, dass Gebäude so gebaut werden, dass der Sonneneintrag durch geeignete bauliche Maßnahmen begrenzt wird. Dies muss nach anerkannten technischen Regeln erfolgen, ohne die Tageslichtversorgung zu beeinträchtigen. Der Schutz gilt als ausreichend, wenn die Vorgaben der DIN 4108-2 erfüllt werden, entweder durch Einhaltung der festgelegten Sonneneintragswerte oder durch eine Simulationsrechnung. Wie im Kapitel „Massivbau für den…
Der sommerliche Wärmeschutz nach § 14 GEG verlangt, dass Gebäude so gebaut werden, dass der Sonneneintrag durch geeignete bauliche Maßnahmen begrenzt wird. Dies muss nach anerkannten technischen Regeln erfolgen, ohne die Tageslichtversorgung zu beeinträchtigen. Der Schutz gilt als ausreichend, wenn die Vorgaben der DIN 4108-2 erfüllt werden, entweder durch Einhaltung der festgelegten Sonneneintragswerte oder durch eine Simulationsrechnung. Wie im Kapitel „Massivbau für den sommerlichen Wärmeschutz“ (Seite 10) beschrieben, ist neben der Fensterfläche die Bauart der wirkmächtigste Hebel zur Reduzierung der Erhitzung. So ermöglicht eine umsichtige Planung, im Betonbau auch künftig ohne Klimaanlagen auszukommen.
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Beton. Für große Ideen.
