17. August 2022

TU Kaiserslautern entwickelt Betonbauteile mit energetischem Zusatznutzen

Sonnenwärme heizt Beton auf. Wie sich diese Wärme effizient für die Gebäudeheizung nutzen lässt, hat die Arbeitsgruppe von Prof. Dr.-Ing. Matthias Pahn an der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) untersucht. Ergebnis ist ein Heizsystem mit neuartigen Bauteilen, die ihre eigene Masse als Wärmespeicher nutzen. Die Funktionstüchtigkeit des Konzepts konnten die Bauingenieure anhand eines Prototyps nachweisen und sind jetzt bereit für den Schritt in die bauliche Praxis.

„Im Gebäudesektor gibt es zwei Stellschrauben, um Treibhausgasemissionen zur reduzieren: Entweder man optimiert die Dämmung oder setzt auf Erneuerbare Energien“, umschreibt Tillman Gauer, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Pahn, die grundlegende Herangehensweise. „Der Faktor Dämmung ist mittlerweile technisch, ökonomisch und ökologisch nahezu ausgereizt und birgt in punkto Emissionen kaum noch zusätzliches Potenzial. Deswegen haben wir untersucht, wie sich die Solarthermie in der Praxis bestmöglich zum Heizen nutzen lässt.“

Sonnenwärme steht nicht rund um die Uhr zur Verfügung. Deswegen war der konzeptionelle Ansatz der Forschenden, die Energie in der Gebäudewand langanhaltend bis in die Nacht hinein verfügbar zu halten. „Beton hat grundsätzlich ein sehr gutes Wärmespeichervermögen“, erläutert Pahn. „Aber erst mit Einsatz der multifunktionalen Bauteile – aufgebaut aus einer Tragschale, einer 14 cm dicken Dämmung und einer Vorsatzschale – lässt sich die Wärme auch effizient für die Gebäudeheizung nutzen. In den Bauteilen verlaufen dünne Rohrleitungen, wie sie auch bei der Fußbodenheizung zum Einsatz kommen. Diese transportieren warmes Wasser ins Bauteil und speichern so Wärme ein. Die Sonnenenergie wird dann passiv und bedarfsgerecht zur Beheizung des Raumes abgegeben.“

Gekoppelt sind die multifunktionalen Bauteile und die Solarthermie mit einem regulären Heizsystem, zum Beispiel einer Fußbodenheizung mit Wärmepumpe, die einspringen kann, wenn nicht genug Sonnenwärme zur Verfügung steht. Ist zu viel Sonnenwärme verfügbar, kann diese in einem Pufferspeicher verschoben werden. Geregelt wird das ganze System über einen Zentralrechner.

Zur Erforschung des Systems wurde der Großdemonstrator „SmallHouse IV“ umgesetzt und dient seit dem zur Forschung. Dort ist die „Hybridheizung“, in dem Fall eine Kombination aus Solarthermie und Erdwärme, seit über drei Jahren im Regelbetrieb und hat sich dem Vernehmen nach bewährt. „Über zwei Durchbrüche in der Betonwand, in die sich Bauteile ein- und ausbauen lassen, konnten wir dabei verschiedene neuartige Bauteile und Materialien testen und so das System optimieren“, ergänzt der Bauingenieur.

Was noch fehlt, ist der praktische Einsatz, z. B. in einem klassischen Einfamilienhaus. „Wir suchen Bauherren, die das System testen möchten – idealerweise in Kombination mit einer Fußbodenheizung, die ebenfalls geringe Vorlauftemperaturen benötigt“, sagt Gauer¹). „Was die bauliche Umsetzung betrifft, reicht es völlig aus, einen Teil der schattigen Nordfassade mit den funktionalisierten Betonbauteilen auszustatten. Innen nimmt das System kaum Platz weg – die Rohleitungen verlaufen in der Wand und die Steuerungstechnik passt in eine Ecke bzw. in einen kleinen Heizraum.“

¹) 
Kontakt: Dipl.-Ing. Tillman Gauer, Fachbereich 
Bauingenieurwesen an der TU Kaiserslautern, 
Tel.: 0631 205-5455, 
E-Mail: tillman.gauer@bauing.uni-kl.de

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