Flächenheiz- und -kühlsystem von aquatherm in Deutschlands erstem 3D-gedruckten Wohnhaus

Das derzeit wohl innovativste Wohngebäude Deutschlands ist im nordrheinwestfälischen Beckum entstanden.

Das zweigeschossige Einfamilienhaus mit rund 160 Quadratmetern Wohnfläche wurde nicht in herkömmlicher Bauweise erstellt, sondern von einem 3D-Betondrucker gedruckt und ist damit das erste seiner Art in Deutschland. Das Projekt, das vom Land Nordrhein-Westfalen im Rahmen seines Förderprogrammes „Innovatives Bauen“ mit 200.000 Euro gefördert wurde, sollte durch eine innovative Gebäudetechnik ergänzt werden. Daher entschied man sich für den Einsatz eines besonderen Flächenheiz- und Kühlsystems, das die passende Klimatisierung für das Gebäude liefert.

Gedruckt wurde das Gebäude von der Peri GmbH. Zum Einsatz kam ein Portaldrucker – bei diesem bewegt sich der Druckkopf über drei Achsen auf einem fest installierten Metallrahmen. Bedient wurde der Drucker von lediglich zwei Personen, der Druckkopf und die Druckergebnisse wurden per Kamera überwacht. Für einen Quadratmeter Wand benötigte der Drucker rund 5 Minuten. Die Konstruktion des Hauses besteht aus dreischaligen Wänden, die mit Isoliermasse verfüllt wurden. Während des Druckvorganges berücksichtigte der Drucker bereits die später zu verlegenden Leitungen und Anschlüsse. Durch diese innovative Technik lässt sich gegenüber den herkömmlichen Bauweisen nicht nur erheblich Zeit einsparen, auch ist der Ressourcenverbrauch deutlich geringer. Beispielsweise kann durch die präzise Platzierung des Druckmörtels die Materialmenge für die Wände im Vergleich zu anderen massiven Wandkonstruktionen um bis zu 50 % reduziert werden. Außerdem eröffnet diese Technologie größere Freiheit bei der Gebäudegestaltung. Geplant wurde das Gebäude von Mense-Korte Ingenieure und Architekten aus Beckum, Bauherr ist die Hous3Druck UG.

Oberflächennah integrierte Rohrregister in Fertigteildecken

Die Decke des Hauses wurde aus Betonfertigteil-Elementen hergestellt und bei der B. Lütkenhaus GmbH in Dülmen produziert. Diese ist Teil der Syspro-Gruppe Betonbauteile e.V., ein Zusammenschluss innovativer Unternehmen der Fertigteilindustrie zu einer Qualitätsgemeinschaft. „Unsere Mitgliedsunternehmen fertigen ressourcenschonend mittels vollautomatisierter und optimierter Produktionsabläufe unter Einsatz modernster Anlagentechnik“, beschreibt Syspro-Geschäftsführer Dr. Thomas Kranzler. „In Verbindung mit der stetigen Optimierung von Rohstoffeinsatz und Betonrezepturen entstehen dadurch Bauteile, die nicht nur alle Anforderungen an Statik und Bauphysik, sondern auch an Optik und Nachhaltigkeit mehr als nur erfüllen.“

So auch die Syspro-Klimadecke, die im 3D-Haus zum Einsatz kommt, bei der es sich um eine Betonfertigplatte mit statisch mitwirkender Ortbetonergänzung handelt. Das Besondere: Der Einbau des Flächenheiz- und Kühlsystems „aquatherm black system“ von aquatherm erfolgte oberflächennah zwischen den Gitterträgern unmittelbar auf der unteren Bewehrungslage der Elementdecken. Mit dem Ergebnis, dass die Heiz-/Kühlregister nach dem Betonieren der Elementdecken vor Baustellenbeschädigungen geschützt sind. Auf diese Weise entsteht ein thermisch aktiviertes Bauelement, denn das Flächenheiz- und Kühlsystem ermöglicht ein angenehmes, gleichmäßiges Klima ohne Konvektion und Zugluftgefühl und völlige Freiheit bei der Gestaltung offener und moderner Räume.

Die aus dem korrosionsresistenten Kunststoff Polypropylen gefertigten Register erwärmen nicht die Luft, sondern die Objekte, den Boden, die Wände, die Möbel – alles, was sich in den Räumen befindet. Dazu wird das System in die Decke verlegt und erwärmt diese sanft auf Oberflächentemperaturen von bis zu 26 °C. Die Energie wird nun als Wärmestrahlung in den Raum abgegeben. Dort, wo die Wärmestrahlung auf Gegenstände trifft, werden diese erwärmt. Die gemessene Lufttemperatur kann bei dieser Art von Beheizung aufgrund der gleichmäßigen Wärmestrahlung der Raumumfassungsflächen ca. 3° C niedriger liegen als bei Konvektionsheizungen – das Thermometer zeigt 20 °C und es fühlt sich an wie 23° C. Dies fördert das Wohlbefinden und spart auch noch rund 18 % Energie.

Der Einbau in der Decke bietet auch für die passive Kühlung systemische Vorteile: Anders als bei herkömmlichen Klimaanlagen, die die Wärme durch Ventilationsbetrieb mit Luftbewegung aus dem Raum entziehen, führen Klimadecken die Kühllast überwiegend mittels Strahlung aus dem Raum ab. Zugluft ist mit Ausnahme des teils hygienisch notwendigen Luftwechsels durch diesen Prozess ausgeschlossen bzw. wird auf ein Mindestmaß reduziert.

Hohe Heiz- und Kühlleistungen

Durch den geringen Verlegeabstand der Registerrohre und der dadurch erzielten quadratmeterbezogenen hohen Flächendichte des „aquatherm black system“ kann das System mit niedrigeren Vorlauftemperaturen als konventionelle Heiz- bzw. höheren Vorlauftemperaturen als andere Kühlsysteme betrieben werden und ermöglicht in Verbindung mit seiner schnellen Reaktionsfähigkeit einen besonders effizienten und energiesparenden Betrieb unter wechselnden Bedingungen. Die im 3D-Haus eingesetzte Split Luft/Wasser-Wärmepumpe (Coefficient of Performance bis zu 5,0 - nach EN 14511 bei A7/W35 °C) mit geringen Vorlauftemperaturen bietet gute Voraussetzungen für das Heiz-/Kühlsystem.

„aquatherm black system“ wurde anforderungsgemäß in Größen von 24 cm x 60 cm bis 48 cm x 500 cm produziert. Insgesamt kamen 97,4 m² Register zum Einsatz. Dies entspricht einer Belegung im Objekt von rund 60 Prozent, die ausreichend ist, um das Gebäude effektiv zu beheizen und zu kühlen. Die Register wurden bereits werkseitig mit einem optischen Dichtheits-Kontrollsystem ausgestattet. So mussten sie bei der Firma Lütkenhaus nur noch in die zu gießenden Fertigteildecken eingelegt werden. Die Register wurden speziell in den Filigrandecken so angeordnet, sodass eine Bohrtiefe von rund 2,5 cm für spätere Installationsmöglichkeiten gewährleistet werden konnte. Dies ermöglicht ein problemloses Anbringen von zum Beispiel Lampen oder C-Profilen von Trockenbauwänden.

„Durch den funktionellen Aufbau des "aquatherm black system" mit geringem Verlegeabstand und harfenförmigem Aufbau kann im Heiz- sowie Kühlbetrieb die thermische Energie gleichmäßig und effizient übertragen werden, sodass hohe Heiz- und Kühlleistungen mit geringem Druckverlust erzielt werden. Dadurch können die Wärme und Kälte gleichmäßig verteilt werden. Somit erzielen wir in Verbindung mit dem geringen Druckverlust des Systems hohe Heiz- und Kühlleistungen“, erklärt Marius Bock, Produktmanager von "aquatherm black system".

Später auf der Baustelle mussten die einzelnen Fertigteildeckenelemente nur noch miteinander verbunden werden, die Verbindung erfolgte durch die Heinrich Kriener GmbH & Co. KG aus Beckum.