DE10328734A1

DE10328734A1 - Verfahren und Vorrichtung zu Temperierung von Bauteilen

Info

Publication number: DE10328734A1
Application number: DE10328734A
Authority: DE
Inventors: Bernd Döring; Oliver Hechler
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2003-06-25
Filing date: 2003-06-25
Publication date: 2005-01-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Temperierung (Wärmen und/oder Kühlen) von Bauteilen, in denen sich mindestens ein mit einem mineralischen Werkstoff vollständig umschlossener Hohlraum mit mindestens zwei von außen erreichbaren separaten Zugängen befindet, wobei ein Rohrelement durchgängig im vollständig umschlossenen Hohlraum und den Zugängen derart angeordnet ist, dass ein durchgängiger Spalt zwischen der äußeren Kontur des Rohrelements und der Hohlraumkontur des mineralischen Bauteils gebildet wird, und der Spalt vollständig mit einem zellulären Werkstoff ausgefüllt ist, dessen Poren von metallischem Material umschlossen sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung entsprechender Bauteile.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Temperierung von Bauteilen, in denen sich mindestens ein mit einem mineralischem Werkstoff vollständig umschlossener Hohlraum mit mindestens zwei von außen erreichbaren separaten Zugängen befindet, wobei ein Rohrelement durchgängig im vollständig umschlossenen Hohlraum und den Zugängen derart angeordnet ist, dass ein durchgängiger Spalt zwischen der äußeren Kontur des Rohrelements und der Hohlraumkontur des mineralischen Bauteils gebildet wird, und der Spalt vollständig mit einem zellulären Werkstoff ausgefüllt ist, dessen Poren von metallischem Material umschlossen sind. Es wird ein flüssiges Medium als Wärmeträger eingesetzt.
Stand der Technik
Durch die immer strenger werdenden Anforderungen zur Energieeinsparung ändert sich der Leistungsbedarf hinsichtlich Heizung und Kühlung von Gebäuden. Die spezifischen Heizleistungen sinken, wohingegen der Kühlbedarf und/oder die Komfortanforderungen steigen. Eine große Dynamik hat hier in den letzten Jahren die Bauteilaktivierung (auch: Betonkerntemperierung BKT oder: Thermoaktive Decke TAD) entwickelt, unter der man die Integration von Wasser führenden Rohrleitungen direkt in die tragende Decke versteht. Die Leistungsabgabe erfolgt dabei vorwiegend über die Decke nach unten, woraus sich die Eignung zur Kühlung ergibt. Im Vergleich zu anderen Techniken zur Gebäudekühlung (Klimaanlage, Kühldecke) ist die Bauteilaktivie rung eine sehr kostengünstige Alternative bei mäßigen Kühllasten, was sich in den Wachstumsraten widerspiegelt.
Von wirtschaftlichem Interesse ist die Bauteilaktivierung, da die Kosten nur etwa halb so hoch wie die von klassischen Kühldeckensystemen sind.
Bisher werden derartige Systeme weitgehend in Ortbetonbauweise erstellt, was jedoch zu Problemen unterschiedlichster Art führt, von Vorbehalten des Statikers bis hin zu Verzögerungen des Bauablaufs, die sich aus der Einbringung der Rohrleitungen in der Rohbauphase ergeben.
Eine derartige Vorrichtung zur Ausstattung einer Fertigteildecke ist auch unter dem Handelsname WING-Decke bekannt. Hierbei werden die Rohrleitungen in einem stark verdickten unteren Bereich des Plattenquerschnittes während des Betoniervorgangs des Fertigteils eingebracht. Weiterhin ist bei diesem Deckensystem zu beachten, dass Teilbereiche nach der Verlegung ausbetoniert werden müssen.
Bei Flächenheizsystemen werden die Rohre bei einigen Bauformen in unterseitig wärmeisolierendes Material eingebettet.
In der französischen Patentanmeldung FR 2780139 wird ein Aufbau zum nachträglichen Einbau einer Fußbodenheizung beschrieben. Zur besseren Wärmeübertragung wird eine Aluminiumschicht eingebracht. Diese dient dem Zweck der Wärmeverteilung unter der Bodenplatte, eine thermische Ankopplung an den Beton erfolgt nicht.
In der Deutschen Patentanmeldung DE 19755856 wird ein System aus Platten für den Trockenbau beschrieben, die mit Metallplatten zur Fixierung der Rohre sowie besseren Wärmeübertra gung versehen sind. Die darunter/darüber liegende Wand/Decke wird jedoch durch eine Dämmschicht thermisch abgekoppelt.
In der japanische Annmeldung JP 2001090015 wird ein Heizsystem vorgeschlagen, bei dem über die Rohre eine Metallplatte gelegt wird. Diese wird dann mit Beton übergossen. Diese Fußbodenheizung ist von der Tragstruktur durch Dämmung thermisch getrennt.
Bei dem in der Deutschen Anmeldung DE 3243768 dargestelltem Flächenheizsystem werden die Heizrohre auf einer Seite mit einem Vlies aus Metallfasern abgedeckt. Der Heizaufbau ist von der tragenden Decke thermisch entkoppelt.
In der Deutschen Offenlegungsschrift DE 3032162 wird eine Flächenheizvorrichtung sowie ein Estrichwerkstoff beschrieben. Zur besseren Wärmeübertragung werden dem Zementestrich Stahlfasern, -drähte o.ä. beigemengt. Die Verwendung üblichen Estrichs oder Betons ist bei dieser Lösung nicht möglich.
Bei der in der japanischen Schrift JP 11257673 beschriebenen Ausführung zur Erwärmung eines Kunststeins zur Bodenbeheizung wird zur Vergleichmäßigung der Temperatur über heißwasserführende Rohre ein flächiges Aluminiumschaumelement gelegt.
Die japanische Schrift JP11002038 beschreibt ein System, bei dem die Rohre durch C-förmige Stahlkanäle abgedeckt werden. In diesen befindet sich auf der einen Seite ein wärmeisolierendes Material, der Rest des Querschnitts wird mit wärmeleitendem Material aufgefüllt. Die Kanäle mit den Füllstoffen werden vor Ort im Beton eingegossen.
Es handelt sich bei den meisten Systemen um Flächenheizsysteme oder Fußbodenheizungen, die nicht thermisch an das tragende Bauteil/den Beton angekoppelt sind. Das Bauteil wird demnach nicht zur Temperierung genutzt. Die bisher für eine Bauteiltemperierung verwendeten Fertigbauelemente (WING-Decke) müssen jeweils vor Ort noch mit Beton aufgefüllt werden. Dieses Procedere reduziert die Vorteile der Fertigelemente, zudem ist das Prinzip der Verlegung direkt in den Beton während der Betonfertigung ein anderes.
Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bauteiltemperierung zu schaffen, mit einer verbesserten Wärmeübertragung, dass auch mit Betonfertigteilen möglich ist.
Die Betonfertigteilbauweise bietet herausragende Möglichkeiten die Integration dieser Technik zu verbessern. Bei kleineren Bauvorhaben wird es durch die Vereinfachung der Planung erst interessant, diese Technik einzusetzen, bei Großprojekten sind die Bauzeitvorteile und logistische Vereinfachungen hervorzuheben. Die Wertschöpfung im Bereich der Fertigteilindustrie wird dadurch vergrößert und neue Marktsegmente können erschlossen werden.
Die bisherige Ausführung erfolgt weitgehend in Kombination mit Ortbetondecken. Diese Verlegung im Ortbeton ist aus thermischen Aspekten günstig, hinsichtlich des Bauablaufs und der Gewährleistung jedoch nicht optimal. Weiterhin wird häufig bei Verwaltungsgebäuden der Einsatz von Fertigteildecken bevorzugt.
Daher wurde eine Technik entwickelt, die es ermöglicht, eine Fertigteildecke mit vorinstallierter Bauteilaktivierung bereitzustellen. Dadurch wird der Bereich der Gebäude mit Fertigteildecken für die Bauteilaktivierung erschlossen, zudem stellt die Integration in ein Fertigteil eine Lösung hinsichtlich der oben genannten Probleme Bauablauf und Gewähr leistung dar, so dass sich aus diesen Argumenten die Fertigteildecke als Alternative für die Ortbetondecke anbietet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß wie folgt gelöst:
Die Bauteilaktivierung erfolgt, indem wasserdurchströmte Rohrleitungen im tragenden Bauteil verlegt werden. Je nach Vorlauftemperatur des Wassers ist damit eine Kühlung oder Erwärmung des Gebäudes möglich. Bei Fertigteildecken mit Hohlräumen (insbesondere Spannbeton-Hohldielen) ist es aus konstruktiven Gründen anzustreben, die Rohrleitungen in die vorhandenen Hohlräume einzuziehen, da bei dieser Methode die Fertigung des Betonbauteils nicht angetastet wird. Veränderungen der Form oder des Produktionsprozesses der Fertigteile würden hier erhebliche finanzielle Aufwendungen erfordern und sind daher zu vermeiden.
Bei der Verlegung in den vorhandenen Hohlräumen besteht das Problem darin, den hohen Wärmewiderstand, der sich bei loser Verlegung in dem Hohlraum ergibt, zu vermeiden. Als Lösung werden poröse Metallwerkstoffe eingesetzt, die einerseits so leicht sind, dass der Vorteil des geringen Gewichtes dieser Bauteile erhalten bleibt, andererseits aber eine thermische Leitfähigkeit erzielt wird, die im Bereich von Beton liegt, um thermische Eigenschaften zu erzielen, die mit denen einer Ortbetondecke vergleichbar sind.
Diese porösen Metallwerkstoffe können sein:
a) Aluminiumschäume
Diese Schäume besitzen eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 2 W/m²K, d.h. analog zu Beton. Dieser Werkstoff steht als Block zur Verfügung, andere Formen könnten ebenfalls gefertigt werden. Diese Blöcke sind so zu formen, dass sie in die Hohlräume der Hohldielen eingepasst werden können. Die Formteile sind in zwei Halbschalen zu zerlegen und in der Mitte mit ei ner zylindrischen Aussparung zu versehen, in die das wasserführende Rohr eingebracht werden kann.
b) Metallische Hohlkugeln
Aus Stahl werden kleine, dünnwandige Hohlkugeln mit einem Durchmesser im Bereich weniger Millimeter gefertigt. Dieses Schüttgut kann ggf. mit einem Klebstoff oder einer Paste versehen werden, um die mechanischen und thermischen Eigenschaften für diese Anwendung zu verbessern. Je nach Gestaltung der Kugeln (Größe, Wandstärke) und Zusatzstoff (Kleber, Paste) können Wärmeleitfähigkeiten zwischen 0,5 und 2 W/m²K erreicht werden. Vorteilhaft ist hier die Möglichkeit, den Füllstoff in den Hohlraum zu schütten oder zu pumpen.
Die nachfolgende Abbildung zeigt, wie ein Bodenaufbau mit dieser Technik aussieht:
Bild: Schema Deckenaufbau
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in den Zeichnungen anhand von schematisch dargestellten Ausführungsformen und Verfahrensschritten beschrieben.
Hierbei zeigt:
1: Vorrichtung: Deckenaufbau Prinzipschnitt
In die vorhandenen Hohlräume wird das Rohr eingebracht (z.B. PEX-Rohr), das für Fußbodenheizungen verwendet wird. Durch ei ne geeignete Vorrichtung wird das Füllmedium (Metallhohlkugeln, die mit Paste bzw. Klebstoff versetzt sind) eingebracht und dabei das Rohr positioniert. Alternativ dazu können auch Aluminiumschaum-Halbschalen verwendet werden, die zusammen mit dem Rohr in den Hohlraum gedrückt werden.
Die Füllmenge ist unter den Aspekten Materialeinsparung und Leistungsabgabe zu optimieren (1b)
2: Bauteilansicht
Die Hohldielen besitzen üblicherweise mehrere parallele Hohlräume, durch die ein Rohr mäanderförmig hindurchgeführt wird. Dadurch ergeben sich an den Stirnseiten Rohrleitungsschlaufen. Sofern es aus statischen Gründen möglich ist, kann an den Stegbereichen der Hohldiele eine Nut vorgesehen werden, so dass die Krümmungen nicht über den Plattenrand hinausragen.
3: Schema der Rohrverlegung innerhalb des Bauteils
Hier wird die mäanderartige Verlegung des Rohrs im Bauteil gezeigt.
4: Anwendungsbeispiel
Die Hohldielen werden nebeneinander auf dem Tragwerk des Gebäudes aufgelegt, so dass die gewünschten Deckenflächen errichtet werden können.
5: Anwendungsbeispiel
Je nach Größe der einzelnen Platten ist es sinnvoll, mehrere Platten in Reihe zu schalten und dann an den Vor- und Rücklauf der Etagenverteilleitungen anzuschließen.

Claims

Bauteil in dem sich mindestens ein mit einem mineralischem Werkstoff vollständig umschlossener Hohlraum mit mindestens zwei von außen erreichbaren separaten Zugängen befindet wobei ein Rohrelement durchgängig im vollständig umschlossenen Hohlraum und den Zugängen derart angeordnet ist, dass ein durchgängiger Spalt zwischen der äußeren Kontur des Rohrelements und der Hohlraumkontur des mineralischen Bauteils gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt vollständig mit einem zellulären Werkstoff ausgefüllt ist, dessen Poren von metallischem Material umschlossen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Fertigteil ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Beton-Hohldiele oder Spannbeton-Hohldiele ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zelluläre Werkstoff ein metallischer Schaum ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zelluläre Werkstoff aus metallischen Kugeln besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Kugeln Hohlkugeln sind.
Vorrichtung nach den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der zelluläre Werkstoff mit Zusatzstoffen, insbesondere Klebstoffen oder die Wärmeleitfähigkeit verbessernden Pasten, versehen wird.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass keine Wärmedämmung gegen die Bauteiloberfläche erfolgt.
Verfahren zur Herstellung einer Bauteiltemperierung, gekennzeichnet durch folgende Schritte – Fertigen einer Bodenplatte, insbesondere aus Beton mit durchgängigen Hohlräumen in Spannrichtung – Verlegen von Rohren in den Hohlräumen – Positionieren der Rohre und gleichzeitiges Einbringen der Metallhohlkugeln oder durch gleichzeitiges Einbringen von Aluminiumschaum-Formteilen und Rohrleitung
Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile nach der Verlegung auf der Baustelle mittels angepasster Verbindungselemente verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt zwischen der äußeren Kontur des Rohrelementes und der Hohlraumkontur des mineralischen Bauteils vollständig mit einem zellulären Werkstoff ausgefüllt wird.
Verfahren nach den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der zelluläre Werkstoff ein metallischer Schaum ist.
Verfahren nach Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zelluläre Werkstoff aus metallischen Kugeln, insbesondere Hohlkugeln, besteht.
Verfahren nach den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der zelluläre Werkstoff mit Zusatzstoffen, insbesondere Klebstoffen, versehen wird.
Verfahren nach den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitfähigen Materialen inklusive eventueller Zusatzstoffe in die Hohlräume geschüttet werden.
Verfahren nach den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitfähigen Materialen inklusive eventueller Zusatzstoffe in die Hohlräume gepumpt werden.