RP-Energie-Lexikon
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Thermische Bauteilaktivierung

Akronym: TBA

Definition: die Nutzung von Bauteilen eines Gebäudes für die Speicherung, Aufnahme oder Abgabe von Wärme

Spezifischere Begriffe: Betonkernaktivierung, Baukernaktivierung

Englisch: thermal component activation

Kategorien: Energiespeicherung, Haustechnik, Wärme und Kälte

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Erstellung: 15.05.2021

URL: https://www.energie-lexikon.info/thermische_bauteilaktivierung.html

Vor allem Gebäude in Massivbauweise enthalten Bauteile wie Wände, Geschossdecken und Fundamente mit hoher Wärmekapazität. Schon ohne besondere Maßnahmen (d. h. auf rein passive Weise) können diese durch ihr Wärmespeichervermögen nützlich sein; beispielsweise kann hierdurch an sonnigen und heißen Tagen eine übermäßige Erwärmung vermieden werden, und die gespeicherte Wärme kann an späteren kühlen Tagen die Heizlast reduzieren. Vorteile entstehen also sowohl beim Energieverbrauch als auch betreffend den thermischen Komfort.

Mit der Idee der thermischen Aktivierung von Bauteilen geht man allerdings einen wesentlichen Schritt weiter. Es geht darum, ohnehin vorhandene Speichermassen des Gebäudes durch zusätzliche Maßnahmen gezielter thermisch nutzbar zu machen, um den Energieverbrauch für Heizung und oft auch Klimatisierung stärker zu verringern. Hierfür werden solche Bauteile mit Einrichtungen zur gezielten Zufuhr oder Entnahme von Wärme ausgerüstet, und zwar meist gleich beim Bau, oder manchmal auch durch eine Nachrüstung im Rahmen der energetischen Sanierung. Teils wird auch ein wesentlicher Austausch von Wärme mit dem Erdreich genutzt.

Grundsätzlich geht es also um die verbesserte Nutzung von Bauteilen, die zumindest in einfacherer Form ohnehin bereits für andere Zwecke erstellt werden müssen. Dies ist der erste Unterschied beispielsweise zu Fußbodenheizungen und Erdwärmesonden, die eigens für rein thermische Zwecke eingebaut werden. Der zweite Unterschied ist die verbesserte Ausnutzung des Gebäudes (und teils auch des Erdreichs) als Wärmespeicher im Rahmen eines geeigneten Energiekonzepts.

Die thermische Aktivierung von Gebäudebauteilen ist ein relativ neues Verfahren, welches zwar bereits an verschiedenen Orten nutzbringend eingesetzt wird (vorwiegend bei kommerziell genutzten Gebäuden), aber noch längst nicht bei allen Neubauten, wo dies sinnvoll wäre. Im Folgenden werden typische Varianten und Anwendungen erläutert. Genutzt werden können einerseits Bauteile im Inneren eines Gebäudes und andererseits Bauteile, die mit dem Erdreich in thermischer Verbindung stehen. Häufig kommen hierbei auch Wärmepumpen zum Einsatz. Im letzten Abschnitt wird auch diskutiert, bei welchen Arten von Gebäuden sich eine thermische Aktivierung von Bauteilen besonders lohnen wird. Es ist davon auszugehen, dass dieser Ansatz immer wichtiger wird, gerade auch mit Blick auf eine flexible und damit kostengünstigere Nutzung erneuerbarer Energien z. B. in Form von Solar- und Windstrom. So kann die Realisierung der Wärmewende als wesentliches Element der Energiewende für einen wirksamen Klimaschutz erheblich erleichtert werden.

Grundsätzlich gibt es zwar auch andere Formen von Energiespeichern, die teils ebenfalls im dezentralen Maßstab realisierbar sind. Beispielsweise kann man eine Photovoltaikanlage mit einem Solarstromspeicher ausstatten, um einen größeren Teil des Strombedarfs einer Wärmepumpenheizung direkt als Eigenverbrauch decken zu können. Eine andere Möglichkeit wäre die Ausstattung einer Wärmepumpenanlage mit einem großen Pufferspeicher. Jedoch bietet die thermische Aktivierung ähnliche Vorteile meist zu geringeren Kosten und gleichzeitig mit einer höheren Lebensdauer der dafür nötigen Installationen.

Aktivierung von Geschossdecken und Wänden

Bauliche Konstruktionen mit Beton

Geschossdecken und Wände eines Gebäudes werden heute häufig auf der Basis von Beton erstellt. Dies ist zwar ziemlich nachteilig in Bezug auf die graue Energie und die klimaschädlichen grauen Emissionen (v. a. wegen der Herstellung von Zement, einem wichtigen Bestandteil des Betons). Andererseits hat diese Bauweise aber erhebliche Vorteile in Bezug auf den geringen Zeitbedarf und eine hohe Flexibilität. Letztere kann insbesondere auch für eine thermische Aktivierung genutzt werden. Konkret sieht dies so aus, dass vor dem Gießen des Betons Leitungen verlegt werden, durch welche später eine Wärmeträgerflüssigkeit (meist Wasser) gepumpt werden kann. Auf diese Weise erhält man thermoaktive Decken, Böden und Wände.

Bei Bauteilen auf der Basis von Beton spricht man dann von Betonkernaktivierung. Die wesentlichen Vorteile von Beton für die thermische Aktivierung sind die einfache Einbettung der Leitungen, die relativ hohe auf das Volumen bezogene Wärmekapazität sowie die gute Wärmeleitfähigkeit.

Für die nötigen Rohrsysteme werden meist Kunststoffe verwendet, z. B. aus hochdruckvernetztem Polyethylen, das besonders robust und formbeständig ist. Eine Möglichkeit besteht in der manuellen Verlegung von Kunststoffrohren oder -schläuchen, die in der gewünschten Position fixiert werden, um nach dem Gießen des Betons korrekt zu sitzen. Alternativ kann man auch vorgefertigte Rohrmodule verwenden, mit denen sich größere Flächen zügiger ausrüsten lassen. Wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit des Betons müssen die Leitungen nicht extrem engmaschig verlegt werden. Der Leitungsquerschnitt wird hoch genug gewählt, um den hydraulischen Widerstand und damit den Strombedarf für die Pumpe niedrig zu halten.

Natürlich müssen die verwendeten Rohrleitungen von sehr dauerhafter Art sein, da sich ein Defekt sehr ungünstig auswirken könnte: Lecks könnten die Bausubstanz gefährden, und eine spätere Reparatur (nach der Lokalisierung der defekten Stelle) könnten schwierig und aufwendig werden. Allerdings ist dies keine prinzipiell neue Herausforderung, da schon seit langer Zeit beispielsweise Leitungen von Zentralheizungssystemen in Wänden verlegt werden. Natürlich sind entsprechende Vorkehrungen notwendig, beispielsweise die Festlegung maximaler Bohrtiefen und ggf. eine geeignete Kennzeichnung von Bauteilen, um Schäden durch Anbohren von Leitungen zu verhindern. Schäden durch die natürliche Alterung sind jedoch bei Verwendung geeigneter Materialien kaum zu befürchten, zumal die Leitungen im Beton grundsätzlich sehr gut geschützt sind, auch beispielsweise gegen große Temperaturschwankungen und UV-Licht.

Es gibt auch Fertigteile, die bereits die Leitungen für die thermische Aktivierung enthalten – beispielsweise Spannbeton-Fertigdecken. Dort müssen nach dem Einbau lediglich noch die Leitungen angeschlossen werden.

Der Anschluss der Leitungen erfolgt grundsätzlich wie bei einer Fußbodenheizung – normalerweise mit der Zusammenführung etlicher Leitungen an einem Verteiler.

Für die Überwachung des Betriebszustands kann es sinnvoll sein, zusätzlich zu den Leitungen auch Temperaturfühler einzubauen. Allerdings besteht auch die Möglichkeit, solche Fühler nachträglich an der Oberfläche zu befestigen.

Andere Bauweisen und Materialien

Eine thermische Aktivierung ist nicht nur bei der Betonbauweise möglich. Beispielsweise gibt es Plansteine aus Kalksandstein mit Bohrungen, durch die die Leitungen gesteckt werden können. Ebenfalls gibt es auch Konstruktionen aus Lehm, der in ähnlicher Weise wie bei Beton die Einbettung von Wärme transportierenden Leitungen ermöglicht. In anderen Fällen werden Kapillarrohrmatten (z. B. auch in Gipskartonplatten) verwendet, die auf Oberflächen befestigt und eingeputzt werden und relativ dünn sein können. Dagegen wären beispielsweise die häufig verwendeten Hohlziegel wenig geeignet, auch wenn Leitungen beispielsweise in eingefräste Hohlräume mit Mörtel eingelegt werden könnten; die Hohlräume solcher Ziegel reduzieren die Wärmekapazität und vor allem auch die Weiterleitung der Wärme. Eher lassen sich aber spezielle massive Ziegelschalen für den Einbau von Heizrohren verwenden.

Natürlich sollten beispielsweise thermoaktive Decken nicht mit einer Holzverkleidung versehen werden, da dies die thermische Wirkung wesentlich reduzieren würde. Wenn beispielsweise eine gute Schallabsorption benötigt wird, müssen hierfür geeignete Lösungen verwendet werden – beispielsweise Schallabsorberstreifen auf der Basis von Glasgranulat.

Nutzung thermisch aktivierter Decken und Wände

Eine thermisch aktivierte Geschossdecke kann als Fußbodenheizung und gleichzeitig als Deckenheizung für den darunter liegenden Raum dienen. (Wenn der darunter liegende Raum unbeheizt sein soll, etwa ein Keller, wird man die Unterseite mit einer Wärmedämmung versehen; umgekehrt dämmt man die Oberseite, wenn oben ein unbeheizter Raum liegt.) Ähnlich wie bei einer konventionellen, als separate oberflächennahe Schicht auf einer Geschossdecke aufgebrachten Fußbodenheizung (oder einer klassischen Deckenheizung) handelt es sich um eine Niedertemperaturheizung, d. h. es wird eine recht geringe Vorlauftemperatur (nur knapp oberhalb der Raumtemperatur, z. B. bei 25 bis 30 °C) benötigt. Im Unterschied zu klassischen Fußboden- und Deckenheizungen weist dieses System jedoch eine nochmals wesentlich höhere thermische Trägheit auf, da die Wärmeabgabe nicht direkt in die Räume, sondern zunächst einmal in die thermisch träge Geschossdecke oder Wand erfolgt. Ein solches System wäre also keineswegs dazu geeignet, einen Raum bei Bedarf schnell aufzuheizen, sondern kann nur für eine gleichmäßige Grundbeheizung genutzt werden. Bei modernen Gebäuden mit guter Wärmedämmung ist dies freilich kein Nachteil; eine konstante Raumtemperatur wird ohnehin meist angestrebt, und weitere Energieeinsparungen beispielsweise durch eine Nachtabsenkung sind bei gut wärmegedämmten Gebäuden nur in geringem Umfang möglich.

Wände eignen sich im Prinzip ähnlich wie Decken für die thermische Aktivierung, haben aber den praktischen Nachteil, dass hier die Gefahr der Beschädigung von Leitungen beispielsweise durch eingeschlagene Nägel oder Dübel für das Aufhängen von Bildern oder die Befestigung von Regalen höher ist. Eine Aktivierung sowohl von Geschossdecken als auch von Wänden sollte in der Regel nicht notwendig sein; eher genügt bei guter Wärmedämmung der Außenhülle schon die Nutzung eines Teils der Geschossdecken.

Die thermische Trägheit äußert sich in einem theoretischen Modell, in dem eine sinusförmig oszillierende Wärmezufuhr angenommen wird, durch eine Phasenverschiebung. In der Praxis ist der zeitliche Verlauf meist anders, und man erhält einfach eine deutlich verzögerte Auswirkung von Änderungen der Wärmezufuhr oder auch Kühlung.

Die hohe thermische Trägheit ergibt in manchen Nutzungsszenarien erhebliche energetische Vorteile. Dies gilt insbesondere dann, wenn Heizwärme in zeitlich schwankendem Umfang zur Verfügung steht, bzw. wenn die Heizwärme nicht zu allen Zeiten gleich günstig erzeugt werden kann. Klassische Beispiele sind hierfür die Solarheizung sowie die Wärmepumpenheizung mit einer Luft/Wasser-Wärmepumpe. Im letzteren Falle ist der Betrieb zu gewissen Zeiten am Tag wesentlich günstiger als beispielsweise in der Nacht, da einerseits tagsüber die Außentemperatur oft wesentlich höher ist (was die Leistungszahl der Wärmepumpe wesentlich verbessert) und andererseits tagsüber günstiger Solarstrom von einer Photovoltaikanlage zur Verfügung stehen kann. Der Betrieb kann diesbezüglich mit einem ausreichend großen Wärmespeicher problemlos entsprechend optimiert werden, weil dadurch kaum Temperaturschwankungen im Gebäude resultieren. Eine andere Möglichkeit ist die Nutzung kostengünstigen Nachtstroms, in diesem Falle aber besser mit einer Sole/Wasser-Wärmepumpe, die Wärme aus dem Erdreich (mit nachts nicht tieferer Temperatur) nutzen kann. Zukünftig wird man den Stromeinsatz noch flexibler auf das jeweilige Angebot von Wind- und Solarstrom ausrichten, und hierfür sind aktivierte Speichermassen natürlich ideal. Diese Flexibilität des Stromkunden wird zunehmend auch mit entsprechend vergünstigten Stromtarifen gefördert werden, weil sie die Energiewende kostengünstiger macht.

Dasselbe System eignet sich auch für eine lautlose Kühlung des Gebäudes, ähnlich wie mit einer Kühldecke. Wiederum wäre es nicht geeignet, um die Raumtemperatur bei Bedarf schnell abzusenken; vielmehr geht es um eine gleichmäßige und sanfte Kühlung über eine ganze Hitzeperiode hinweg. Hierfür kann vorzugsweise praktisch kostenlose Kälte (→ free cooling) beispielsweise von einer Erdwärmesonde genutzt werden, die sonst der Wärmepumpenheizung dient. Effektiv wird dann also zeitweise überschüssige Wärme im Erdreich “versenkt”, was zu einer thermischen Regeneration des Erdreichs um die Sonde(n) herum führt und damit den späteren Heizbetrieb unterstützt. Der moderate Energieaufwand für eine Pumpe im Kühlbetrieb kann durch die spätere Einsparung im Heizbetrieb mehr als kompensiert werden. Übrigens kann wegen der Speicherung auch die maximal eingesetzte Kälteleistung wesentlich geringer sein als die zeitweise zu entfernende Wärmelast z. B. von der Sonneneinstrahlung durch die Fenster.

Die Kühlung sollte nie zu “aggressiv” durchgeführt werden, also nicht mit zu tiefer Temperatur der aktivierten Bauteile, um mögliche Probleme mit der Kondensation von Wasser zu vermeiden. Sie sollte grundsätzlich nicht als ein Ersatz für einen wirksamen Sonnenschutz betrachtet werden, sondern als eine Ergänzung. Zu bedenken ist, dass eine Entfeuchtung der Raumluft an schwülen Tagen mit einem solchen System nicht möglich ist; dafür müsste man bei Bedarf eine Entfeuchtung separat einrichten, entweder mit dezentralen Luftentfeuchtern oder besser über eine zentrale Lüftungsanlage.

Eine andere Methode der Kühlung basiert auf der Verwendung kühlerer Außenluft in der Nacht, etwa über eine Lüftungsanlage oder über Fenster. Dieser Ansatz funktioniert allerdings kaum in Tropennächten und ist auch nur eingeschränkt wirksam, wenn die nächtlichen Temperaturen nur wenig unter die gewünschte Raumtemperatur fallen. Man beachte auch, dass der für eine wirksame Kühlung nötige Luftvolumenstrom erheblich höher ist als der für die Belüftung; von daher ist es schwierig, lästige Zugeffekte zu vermeiden. Bei der Fensterlüftung kommt dazu, dass lästiger Schall durch geöffnete Fenster eindringt. Vorteilhaft an der Kühlung über die Luft ist lediglich die zusätzliche Möglichkeit der Entfeuchtung, wenn eine zentrale Lüftungsanlage verwendet wird. Ideal ist im Prinzip die Kombination der Methoden: die Wärmeabfuhr hauptsächlich über thermisch aktivierte Bauteile und bei Bedarf (an schwülen Tagen) noch eine Entfeuchtung der Luft über eine Lüftungsanlage.

In manchen Fällen wird eine thermische Aktivierung durch Einbau eines elektrischen Heizregisters realisiert. Dies ermöglicht im Prinzip die Nutzung von zeitweise anfallenden Stromüberschüsse z. B. aus der Windkraft auch ohne Verwendung einer Wärmepumpe – und zwar im Falle hoher Speicherkapazitäten in größerem Umfang, als wenn man nur zeitweise z. B. eine Gasheizung durch einen elektrischen Heizstab ersetzen würde. Allerdings ist die Energieeffizienz bei diesem Ansatz viel niedriger als mit einer Wärmepumpe, und der größte Teil der Beheizung müsste wiederum auf andere Art erfolgen, etwa mit Erdgas. Ebenfalls ist so natürlich keine sommerliche Kühlung möglich.

Thermisch aktivierte Fundamentstrukturen

Bauliche Konstruktionen

Eine vom Zweck her andere Art von thermischer Aktivierung ist möglich bei Bauteilen, die mit dem Erdreich im Wärmekontakt stehen. Dies betrifft insbesondere Gründungspfähle, die damit zu Energiepfählen werden. Ein solcher Energiepfahl wird wiederum häufig aus Beton erstellt, ursprünglich mit dem Zweck der mechanischen Stabilisierung des Gebäudes, und kann durch bei der Herstellung eingelassene Kunststoffrohre thermisch aktiviert werden. Ähnliches gilt für andere Fundamentstrukturen. Man kann wiederum entweder einzeln verlegte Rohre oder vorgefertigte Rohrmodule verwenden.

Nutzung

Thermisch aktivierte Fundamentstrukturen können einerseits selbst Wärme speichern und andererseits Wärme mit dem Erdreich austauschen (→ oberflächennahe Geothermie). Bei eher geringem Wärmebedarf können sie unter Umständen eine separat erstellte Erdwärmesonde ersetzen, oder sonst können sie eine Ergänzung darstellen, um die nötige Sondenlänge oder -zahl und damit die Baukosten zu reduzieren. Die Speicherkapazität des Erdreichs kann zusätzlich genutzt werden. In manchen Fällen erfolgt ein zusätzlicher Wärmeaustausch mit dem Grundwasser.

Das System ist thermisch “offen”: Nicht alle eingespeicherte Wärme ist z. B. Monate später auf dem gleichen Temperaturniveau wieder verfügbar, da sie sich im Erdreich und ggf. vor allem auch über Grundwasserströmungen ausbreiten kann. Diese Offenheit des Systems kann freilich auch nützlich sein, wenn die im Sommer verfügbare Menge überschüssiger Wärme deutlich geringer oder deutlich höher ist als die im Winter für die Heizung benötigte Wärmemenge. Ein Ausgleich der Wärmebilanz durch von weiter her nachfließende oder dorthin abfließende Wärme ist dann ja gewünscht, um eine fortwährende Änderung der Temperatur im Erdreich über die Jahre zu vermeiden.

Man realisiert also einen saisonalen Wärmespeicher, soweit die Wärmebilanz über das Jahr einigermaßen ausgeglichen ist, oder andernfalls eine im Jahresmittel als Wärmequelle oder Wärmesenke dienende Einrichtung.

Im Winter wird man in der Regel erhebliche Wärmemengen für die Beheizung des Gebäudes den aktivierten Elementen und dem Erdreich entnehmen. Natürlich fließt die Wärme nicht von selbst aus dem Erdreich (mit beispielsweise 10 °C) in das Heizsystem; man benötigt eine Wärmepumpe, um die Wärme auf das für die Nutzung nötige Temperaturniveau zu bringen. Jedoch muss die Wärmepumpe gerade bei Kombination mit thermisch aktivierten Wänden oder Geschossdecken (oder auch mit einer konventionellen Fußboden- oder Wandheizung) nur relativ geringe Temperaturdifferenzen überwinden (z. B. 28 °C – 10 °C = 18 K) und kann somit eine sehr hohe Jahresarbeitszahl und einen entsprechend niedrigen Strombedarf für das Heizsystem aufweisen. Die Wärmebereitstellung kann mit diesem thermodynamisch optimierten Heizen so effizient werden, dass die Anforderungen an die Wärmedämmung u. U. ein Stück weit reduziert werden können. Dies gilt vor allem in Fällen mit großen sommerlichen Wärmeüberschüssen.

Im Sommer können im Gebäude Wärmeüberschüsse auftreten – in Wohngebäuden einerseits durch die Kühlung in heißen Wochen und andererseits durch Solarthermie, die unter optimalen Bedingungen im Sommer oft deutlich mehr Wärme liefert, als beispielsweise für Warmwasser benötigt wird. Eine etwas größere Auslegung einer Solarthermieanlage ist unter solchen Umständen sinnvoller als sonst, da einerseits die eingespeicherten Überschüsse zumindest noch zum Teil später nutzbar werden und andererseits ein Stagnationsbetrieb mit Überhitzung der Sonnenkollektoren (bei Abschaltung der Wasserzirkulation) nicht notwendig ist.

Weitere Wärmequellen diverser Art können in gewerblich genutzten Bauten auftreten, insbesondere Abwärme von Geräten und Maschinen, die entweder an die Raumluft abgegeben oder aber über ein Kühlsystem abgeführt werden muss. Auch solche Wärme kann letztlich in thermisch aktivierte Fundamentstrukturen abgegeben werden.

Thermisch aktivierte Außenwände

Im Prinzip lassen sich auch äußere Oberflächen, die an Luft angrenzen, thermisch aktivieren – also die Außenseiten von Außenwänden. Beispielsweise könnte über solche Oberflächen nachts überschüssige Wärme abgegeben werden. Jedoch schließt dieser Ansatz eine äußere Wärmedämmung aus, und genau diese ist in der Regel die effektivste und kostengünstigste Art von Wärmedämmung. Problematisch wäre außerdem die Gewinnung von Wärme über solche Oberflächen, weil sie dadurch unter die Außentemperatur gekühlt werden müssten und dies dann die Gefahr der Bildung von Kondenswasser zur Folge hätte.

Aus diesen Gründen kommen äußere Oberflächen, die an Luft angrenzen, für die thermische Aktivierung meist nicht infrage. Ausnahmen könnten allenfalls Gebäude darstellen, in denen die Abgabe überschüssiger Wärme das zentrale Problem ist.

Geeignete Gebäude

Neubauten und energetische Sanierung

Besonders sind Neubauten für die thermische Aktivierung von Bauteilen geeignet, da eine Ausrüstung dieser Art in der Bauphase wesentlich einfacher realisierbar ist. Dann erleichtert dieses Konzept auch erheblich die Realisierung eines Niedrigenergiehauses oder sogar das Erreichen einer völligen Energieautarkie.

Jedoch können sich auch im Rahmen einer energetischen Sanierung Möglichkeiten ergeben. Beispielsweise können Kapillarrohrmatten auf massivem Mauerwerk aufgebracht werden, um dieses nachträglich thermisch zu aktivieren. Dies gilt insbesondere für Innenwände, wo ein Wärmeabfluss nach allen Seiten nützlich ist, aber auch für Außenwände, die mit einer äußeren Wärmedämmung versehen werden. Es gibt Konzepte, wo zuerst Kapillarrohrmatten auf die äußere Seite eines Bestandsmauerwerks aufgebracht werden, danach eine Schicht für die Wärmedämmung und schließlich Verputz und Anstrich oder eine andere Fassadenoberfläche.

Massivbau vs. Leichtbau

Große Speichermassen finden sich natürlicherweise im Massivbau. Wenn diese zumindest teilweise mit Beton errichtet werden, ist auch die thermische Aktivierung mit relativ geringem Aufwand machbar. Leider ist dieser Ansatz aber wie oben erwähnt ungünstig in Bezug auf die graue Energie. Allerdings gibt es ja auch andere Materialien, beispielsweise Kalkstein.

Nachhaltiges Bauen setzt heute häufig auf leichte Materialien, beispielsweise mit Holz oder aus Holz und anderen nachwachsenden Materialien gewonnenen Baustoffen. Zudem sind die Schichtdicken oft relativ gering. Leider führt dieser Ansatz zu so geringen Wärmespeicherkapazitäten, dass beispielsweise die Sonneneinstrahlung zu erheblichen Temperaturschwankungen im Haus führen kann und auch eine thermische Aktivierung von Bauteilen wenig bewirken könnte. Vollholz hat zwar keine wesentlich geringere spezifische Wärmekapazität als Beton, aber wiederum eine viel geringere Wärmeleitfähigkeit und ist deswegen ebenfalls wenig geeignet für eine thermische Aktivierung; das “Aufladen” und “Entladen” würde zu lange dauern.

Jedoch kann die grundlegende Verwendung von Leichtbau mit einer zusätzlichen Speichermasse kombiniert werden, ggf. auch basierend auf natürlichen Materialien wie Lehm, Erdreich oder Steinen. (Gebrannte Ziegelsteine scheiden allerdings aus, wenn die graue Energie minimiert werden soll.) Bei manchen Varianten ist auch eine thermische Aktivierung durchaus möglich – sowohl innerhalb des Gebäudes als auch im Bereich des Fundaments.

Es gibt auch Gebäude, in die ein großer Wassertank als Wärmespeicher für eine Solarheizung integriert wird, jedoch muss dann dieser mit einer Wärmedämmung versehen werden, da er das Haus sonst im Sommer überhitzen würde. Mit einer thermischen Aktivierung von Bauteilen hat dies also nichts zu tun.

Vorteile bei thermischer Aktivierung innerer Bauteile

Besonders stark kommen die energetischen Vorteile der thermischen Aktivierung von Bauteilen im Inneren (Geschossdecken und Wände) zur Geltung, wo die Bereitstellung von Wärme oder Kälte nicht zu allen Zeiten ähnlich günstig ist. Insbesondere gilt dies oft bei Verwendung erneuerbarer Energie etwa in Form von Solarthermie, Photovoltaik für eine Elektrowärmepumpe und bei Verwendung von Luft/Wasser-Wärmepumpen. Dagegen wäre in Verbindung mit einer Gasheizung kaum ein Vorteil zu erwarten.

Vorteile bei thermischer Aktivierung von Fundamentstrukturen

Die thermische Aktivierung von Fundamentstrukturen ist besonders nützlich, wo zu manchen Zeiten Wärme benötigt wird, während zu anderen Zeiten Wärmeüberschüsse bestehen. Dies gilt beispielsweise für Gebäude mit großen Fensterflächen, die trotz Sonnenschutz einiges an Wärme einfangen können, sowie für gewerbliche Betriebe mit Abwärme von Geräten und Maschinen. Aber auch sonst kann es kostensparend sein, durch thermische Aktivierung eigens eingerichtete Erdwärmesonden nicht mehr zu benötigen.

Weniger wesentlich ist die erhaltene Wärmespeicherfunktion, wo beispielsweise eine kaum schwankende Heizlast im Winter benötigt wird, während nie erhebliche Wärmeüberschüsse anfallen.

Große und kleine Gebäude

Grundsätzlich kann die Methode der thermischen Aktivierung sowohl bei großen als auch bei kleinen Gebäuden vorteilhaft sein. Bislang wurde die Methode zwar hauptsächlich bei größeren Gebäuden angewandt, dies aber aus Gründen, die in der Regel mit der Größe des Gebäudes allenfalls indirekt zu tun haben. Viel wichtiger sind die angestrebte Art der Beheizung, Art und Umfang von Abwärmequellen etc., und natürlich die Verfügbarkeit entsprechenden Wissens, woran es bei privaten Auftraggebern und kleinen Architekturbüros häufig mangeln wird. Auch für ein Einfamilienhaus kann aber die thermische Aktivierung durchaus sinnvoll sein, beispielsweise um eine Luft/Wasser-Wärmepumpe effizienter nutzen zu können oder den Aufwand für eine Erdwärmesonde zu reduzieren.

Gebäudesimulation und Optimierung

In jedem Falle sinnvoll ist eine sorgfältige Planung, die die zu erwartenden Wärme- und Kältelasten gut abschätzt und die Einrichtungen der Aktivierung wie auch die zugehörige Technik (Wärmepumpe(n)) geeignet dimensioniert. In manchen Fällen verwendet man hierfür auch dynamische Computersimulationen, d. h. mit wechselnden Wärme- und Kältelasten, bei denen die Wärmespeichereffekte angemessen berücksichtigt werden können. Interessant ist dies vor allem dort, wo keine zusätzlichen Heiz- oder Kühlsysteme vorgesehen werden, die Abweichungen ggf. ausgleichen könnten, und unnötige Kosten durch eine Überdimensionierung vermieden werden sollen. Gerade wo keine geeigneten bereits realisierten Vergleichsobjekte zur Verfügung stehen, können thermischen Gebäude- und Anlagensimulationen nützliche Hinweise für die Optimierung geben.

Bei Gebäuden mit eher geringem Wärme- bzw. Kältebedarf wird es häufig nicht notwendig bzw. sinnvoll sein, alle prinzipiell verfügbaren Bauteile thermisch zu aktivieren. Simulationen können hier helfen, den nötigen Umfang der thermischen Aktivierung zuverlässig zu ermitteln.

Regelung der Raumtemperatur

Üblicherweise werden Raumtemperaturen mithilfe von Thermostaten automatisch geregelt. Bereits bei konventionellen Flächenheizungen, v. a. in Verbindung mit Wärmepumpen, und erst recht mit thermisch aktivierten Bauteilen, ist dieser Ansatz aber oft nicht mehr optimal, und zwar aus zwei Gründen:

  • Die Notwendigkeit einer aktiven Regelung ist bei Systemen mit sehr tiefer Vorlauftemperatur kaum mehr gegeben wegen des “Selbstregeleffekts”: Wenn die Raumtemperatur beispielsweise steigt, sinkt die Temperaturdifferenz zwischen Raumluft und Heizwasser, und dadurch nimmt die abgegebene Wärmeleistung schon natürlicherweise (d. h. ohne aktiven Regeleingriff) deutlich ab.
  • Die Drosselung des Wasserdurchflusses durch einen Thermostaten kann bei Wärmepumpenheizungen nachteilhaft sein, da eine Wärmepumpe einen gewissen Mindestdurchfluss benötigt, um effizient arbeiten zu können.
  • Aufgrund der großen thermischen Trägheit ist eine gute Regelung schwerer zu erreichen als beispielsweise mit konventionellen Heizkörpern. Wenn beispielsweise die Raumtemperatur zeitweise etwas zu gering ist, könnte eine Erhöhung der Wärmezufuhr sich einerseits erst deutlich verzögert auswirken, sich dann aber als zu stark erweisen.

Deswegen kann eine zentrale Regelung anstatt eine separate Regelung in jedem einzelnen Raum nicht nur kostengünstiger, sondern auch rundherum sinnvoller sein. Natürlich verliert man hierdurch die Möglichkeit, Räume mit deutlich unterschiedlichen Temperaturen je nach Bedarf zu betreiben. Jedoch vermeidet man auch die Nachteile solcher Temperaturunterschiede innerhalb eines Gebäudes, beispielsweise das Frösteln, wenn man von einem wärmeren in einen kälteren Bereich geht. Angesichts der großen energetischen Vorteile von Wärmepumpenheizungen mit thermisch aktivierten Bauteilen ist es auch relativ leicht zu verschmerzen, dass Teile eines Gebäudes ein wenig stärker beheizt sind als unbedingt nötig.

Bedeutung für Wärmewende und Klimaschutz

Die Herausforderung, durch wirksamen Klimaschutz katastrophale Veränderungen des Klimas noch rechtzeitig abzuwenden, ist sehr groß. Nachdem die Klimaneutralität in etlichen Sektoren ziemlich schwer erreichbar ist, am ehesten aber noch im Bereich der Gebäude, muss der Beitrag der Letzteren besonders groß werden. Es wird nicht genügen, in diesem Sektor den Verbrauch fossiler Energieträger z. B. um einen Faktor fünf zu reduzieren; vielmehr müssen fossile Energieträger deutlich vor der Mitte des 21. Jahrhunderts dort weitestgehend verdrängt sein, und die Gebäude werden sogar einen positiven Beitrag zur Energieversorgung leisten müssen, also zu Plusenergiehäusern werden.

Gebäude werden nicht energieautark werden müssen, sondern können zeitweise auch Energie aus dem öffentlichen Stromnetz beziehen. Sie sollten dies jedoch bevorzugt zu Zeiten tun, in denen ausreichend (oder sogar im Überschuss) Solar- oder Windstrom zur Verfügung steht. Genau hierfür ist die Aktivierung von thermischen Speicherkapazitäten wichtig: Die Wärmepumpen sollen bevorzugt zu “günstigen” Zeiten betrieben werden, indem man ihre Produktion mithilfe von Wärmespeichern genügend flexibel nutzt. Offenkundig wird es wirtschaftlicher sein, ohnehin vorhandene Bauelemente für solche Speicheraufgaben zu nutzen, anstatt ihm Gebäude oder auch im Zusammenhang mit dem öffentlichen Netz teure Speicherkapazitäten eigens aufzubauen.

Anders betrachtet können im Zusammenhang mit gegebenen Speicherkapazitäten größere Mengen erneuerbarer elektrischer Energie genutzt werden, wenn genügend flexible Verbraucher vorhanden sind. In diesem Sinne wird die verbreitete Anwendung des Prinzips der thermischen Bauteilaktivierung – idealerweise realisiert mit möglichst klimaschonenden Baustoffen – einen wichtigen Beitrag nicht nur zur Wärmewende, sondern auch zur Energiewende allgemein leisten können. Man erkennt hier auch die Bedeutung der Sektorkopplung: Die vergleichsweise kostengünstige Realisierung von Energiespeichern im Wärmebereich unterstützt die Umstellung auf erneuerbare Energien auch im Stromsektor.

Im Einzelnen wird die thermische Aktivierung von Bauteilen dabei recht unterschiedliche Rollen spielen: wie im Artikel erklärt, einerseits bei der Flexibilisierung des Energiebezugs und andererseits bei der Wärmegewinnung, und dies je nach den konkreten Randbedingungen innerhalb verschiedener Energiekonzepte. Eine Palette von Möglichkeiten steht zur Verfügung, die kostengünstige Wärmespeicherung vor allem zusammen mit Wärmepumpen zu nutzen, aber auch im Kontext von lokal gewonnener Solarenergie und teils auch von Abwärme.

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Literatur

[1]Felix Friembichler et al., “Energiespeicher Beton, Thermische Bauteilaktivierung”, Planungsleitfaden Einfamilien- und Reihenhäuser, Berichte aus der Energie- und Umweltforschung 9/2016, https://nachhaltigwirtschaften.at/resources/sdz_pdf/schriftenreihe-2016-9-energiespeicher-beton.pdf

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Wärmespeicher
sowie andere Artikel in den Kategorien Energiespeicherung, Haustechnik, Wärme und Kälte

Alles verstanden?


Frage: Wie wirkt sich die hohe thermische Trägheit bei der Beheizung über thermisch aktivierte Bauteile aus?

(a) Sie macht die Nachtabsenkung effizienter.

(b) Sie erleichtert die Nutzung von Solarstrom oder Stromüberschüssen aus dem Netz.

(c) Sie verringert den Wärmebedarf.


Frage: Wie vergleicht sich die Kühlung über aktivierte Bauelemente mit der klassischen Art der Kühlung durch eine Klimaanlage?

(a) Es können andere Quellen von Kälte genutzt werden, die kostengünstiger und umweltfreundlicher verfügbar sind.

(b) Es wird ein stärkerer Kühleffekt erzielt.

(c) Es könnte eher Probleme mit Feuchtigkeit geben.

(d) Man vermeidet Probleme mit Zugluft.


Siehe auch unser Energie-Quiz!

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Artikel über 'Thermische Bauteilaktivierung' im RP-Energie-Lexikon]