Energie Atlas: Nachhaltige Architektur 9783034614498, 9783764383855

Table of contents :
Impressum
Vorwort
Teil A Positionen
1 Globaler Wandel
2 Energiewende
3 Architektur und Nachhaltigkeit -eine schwierige Beziehung
4 Die Dinge richtig tun - über Effizienz und Nachhaltigkeit
5 Solare Architektur
6 Planen und Bauen in Lebenszyklen
Teil B Planung
1 Grundlagen
2 Stadtraum und Infrastruktur
3 Gebäudehülle
4 Technik
5 Material
6 Strategien
Teil C Gebaute Beispiele im Detail
Projektbeispiele 1 bis 20
Teil D Anhang
Glossar: Kennwerte
Glossar: Klimadaten
Glossar: Ökobilanzdaten
Verordnungen, Richtlinien, Normen
Literatur
Abbildungsnachweis
Sachregister

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Energie Atlas Edition ∂

NACHHALTIGE ARCHITEKTUR

HEGGER FUCHS STARK ZEUMER

Energie Atlas NACHHALTIGE ARCHITEKTUR

HEGGER FUCHS STARK ZEUMER

Institut für internationale Architektur-Dokumentation · München

Das Buch wurde erarbeitet am Fachgebiet Entwerfen und Energieeffizientes Bauen Prof. Manfred Hegger Fachbereich Architektur, Technische Universität Darmstadt www.tu-darmstadt.de/architektur/ee in Verbindung mit dem Institut für internationale Architektur-Dokumentation GmbH & Co. KG, München www.detail.de

Autoren

Fachbeiträge:

Manfred Hegger Prof. Dipl.-Ing. M. Econ Architekt Fachgebiet Entwerfen und Energieeffizientes Bauen, TU Darmstadt

Chris Luebkeman, Dr. sci. tech. Arup Research + Development, London

Matthias Fuchs Dipl.-Ing. Architekt Fachgebiet Entwerfen und Energieeffizientes Bauen, TU Darmstadt Thomas Stark Dr.-Ing. Architekt Fachgebiet Entwerfen und Energieeffizientes Bauen, TU Darmstadt Martin Zeumer Dipl.-Ing. Fachgebiet Entwerfen und Energieeffizientes Bauen, TU Darmstadt Mitarbeiter: Natascha Altensen; Hans Drexler, Dipl. Arch. ETH M. Arch. (Dist); Laura Eckel; Alexandra Göbel, Dipl.-Ing.; Michael Keller, Dipl.-Ing.; Nikola Mahal; Thomas Meinberg, Dipl.-Ing.

Hermann Scheer, Dr. rer. pol., MdB Eurosolar, Bonn Robert Kaltenbrunner, Dr.-Ing. Architekt Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung, Bonn Thomas Herzog, O. Prof. em., Dr. (Univ. Rom), Dr. h. c., Dipl.-Ing. Architekt TU München Karl-Heinz Petzinka, Prof. Dipl.-Ing. Architekt Bernhard Lenz, Dipl.-Ing., Dipl.-Ing., M. Eng Architekt Fachgebiet Entwerfen und Gebäudetechnologie, TU Darmstadt

Wissenschaftlicher Beirat Diagnosesystem Nachhaltige Gebäudequalität (DNQ):

Mitarbeit Zeichnungen: Julia Kirsten Eisenhuth; Viola John, Dipl.-Ing.; Geraldine Nothoff, Dipl.-Ing.; Johanna Wickenbrock

Brian Cody, Prof. BSc(Hons) CEng MCIBSE, TU Graz Sabine Djahanschah, Dipl.-Ing. Architektin, Deutsche Bundesstiftung Umwelt Thomas Lützkendorf, Prof. Dr.-Ing. habil., Universität Karlsruhe (TH) Hansruedi Preisig, Prof. Dipl. Arch. SIA, FH Winterthur Peter Steiger, Prof. em., TU Darmstadt

Redaktion

Druck und Bindung: Kösel GmbH & Co. KG, Altusried-Krugzell

Projektleitung und Lektorat: Julia Liese, Dipl.-Ing. Steffi Lenzen, Dipl.-Ing. Architektin Redaktionelle Mitarbeit: Astrid Donnert, Dipl.-Ing.; Claudia Fuchs, Dipl.-Ing.; Carola Jacob-Ritz, M. A.; Florian Krainer; Nicole Tietze, M. A. Zeichnungen: Marion Griese, Dipl.-Ing.; Daniel Hajduk, Dipl.-Ing.; Caroline Hörger, Dipl.-Ing.; Claudia Hupfloher, Dipl.-Ing.; Elisabeth Krammer, Dipl.-Ing. Herstellung / DTP: Roswitha Siegler Repro: Martin Härtel OHG, Martinsried

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Herausgeber: Institut für internationale Architektur-Dokumentation GmbH & Co. KG, München © 2007, erste Auflage Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechts.

Inhalt

Impressum Vorwort

4 6

Teil A

8

Positionen

1 Globaler Wandel Chris Luebkeman 2 Energiewende Hermann Scheer 3 Architektur und Nachhaltigkeit – eine schwierige Beziehung Robert Kaltenbrunner 4 Die Dinge richtig tun – über Effizienz und Nachhaltigkeit Manfred Hegger 5 Solare Architektur Thomas Herzog 6 Planen und Bauen in Lebenszyklen Karl-Heinz Petzinka, Bernhard Lenz

Teil B 1 2 3 4 5 6

Planung

Teil D

Anhang

Glossar: Kennwerte Glossar: Klimadaten Glossar: Ökobilanzdaten Verordnungen, Richtlinien, Normen Literatur Abbildungsnachweis Sachregister

18

24 28

32

38 62 82 110 146 176

Gebaute Beispiele im Detail

Projektbeispiele 1 bis 20

14

36

Grundlagen Stadtraum und Infrastruktur Gebäudehülle Technik Material Strategien

Teil C

10

198

200 – 257

258 258 260 262 268 269 272 276

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Vorwort

Der Energie Atlas erweitert die Reihe der Atlanten nicht nur um einen weiteren Titel, sondern auch um eine neue Dimension. Erstmals geht es nicht primär um Materie, um eine Baustoffoder eine Konstruktionselementgruppe. Dieser Atlas nähert sich dem Entwerfen und Konstruieren von zunächst unsichtbaren Eigenschaften: der Nachhaltigkeit und der Energieeffizienz von Gebäuden. Eine Reihe von Argumenten spricht jedoch für diese Betrachtungsweise. Kein anderer Industriezweig benötigt mehr Materialien und Energie, produziert mehr Abfälle und trägt weniger zum Materialrecycling bei als das Bauen. Seit geraumer Zeit bestimmen diese Themen auch die internationale öffentliche Diskussion und den Prozess der politischen Meinungsbildung. Aus vielerlei Gründen: Manche Materialien werden knapp und entsprechend teurer, andere erzeugen ungewollte Auswirkungen auf Umwelt und Nutzer, wieder andere erfüllen nicht dauerhaft die an sie gestellten Ansprüche. Dies gilt in gleichem Maße für die konventionellen Energieträger: Auch sie sind knapp und verteuern sich zusehends; darüber hinaus gelten sie als wesentliche Verursacher des Klimawandels und weiterer Umweltbelastungen. Die prognostizierte Reichweite nicht erneuerbarer Energieträger wie Erdgas und Erdöl ist geringer als die zu erwartende Lebensdauer vieler Gebäude, nicht nur der Neubauten. Die globale Auseinandersetzung um die Reserven spitzt sich zu, Befürchtungen um die Versorgungssicherheit sind nur allzu berechtigt. Zunehmend werden uns die Endlichkeit vieler Ressourcen und die Folgen ihres unkontrollierten Einsatzes für Mensch und Umwelt bewusst. Die Architektur, das Bauen bietet die größten Handlungspotenziale für eine nachhaltige Gestaltung der Umwelt. Wir müssen unser Bemühen verstärken, Material- und Energieeffizienz im Bauen und in der Nutzung von Gebäuden zu erhöhen. Durch kluge Entwurfsund Planungsentscheidungen können wir Ressourcen sparsamer einsetzen, die Dauerhaftigkeit von Gebäuden verbessern und Umweltschäden reduzieren. Auf diese Weise können wir bleibende Werte schaffen und erhalten und

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zum nachhaltigen Fortschreiten unserer Gesellschaft beitragen. Nachhaltigkeit berührt die Gesamtheit des planerischen Handelns und des Betreibens von Gebäuden, gesellschaftliche, wirtschaftliche und ökologische Anliegen. Sie ist eine Entwicklung, bei der die heutige Gesellschaft Rücksicht nimmt auf die Bedürfnisse zukünftiger Generationen. Nachhaltigkeit definiert sich nicht nur aus den Qualitäten des Bauobjekts (Objektqualität), sondern auch aus seiner Lage (Standortqualität) und aus seinem Entstehungsprozess (Prozessqualität). Effizienz im Einsatz von Energie und Ressourcen wird zu einem zentralen Qualitätsmerkmal eines Gebäudes. Die Instrumente des material- und energieeffizienten Bauens sind zugleich die Mittel der Architektur: Leichtigkeit und Masse, Schutz und Transparenz, Flächenökonomie und Raumwirkung. Gebäude unterscheiden sich in einem ganz wesentlichen Punkt von anderen Objekten unseres täglichen Bedarfs: Sie erfüllen bereits die Voraussetzungen zur Nutzung erneuerbarer Energiequellen. Sie verbinden sich in aller Regel mit dem Erdboden und können oberflächennah sein gleichmäßiges Temperaturniveau oder die Erdwärme aus tieferen Schichten ausnutzen. Sie stehen im freien Luftstrom, können sich Druckunterschiede und Windenergie zunutze machen. Sie sind dem Tageslicht ausgesetzt und können auf diese Weise direkt die Hauptenergiequelle anzapfen, die uns zur Verfügung steht: die Sonne. Standortbezogen sind weitere erneuerbare Energiequellen verfügbar: Grundwasser und Fließwasser, Biomasse und Biogas, um nur einige zu nennen. Trotz dieser nahe liegenden Möglichkeiten sind wir im Bauwesen in Bezug auf Nachhaltigkeit und Energieeffizienz noch weit entfernt vom Entwicklungsstand anderer Industriezweige. Wir können nicht weiter abwarten. Die Politik sieht sich durch absehbare Versorgungskrisen und Auseinandersetzungen wie auch durch die öffentliche Meinung veranlasst, regulierend einzugreifen – global, auf europäischer Ebene, national und lokal. Architekten und Ingenieure haben die Möglichkeit, ihre kreative Meinungs-

führerschaft gesellschaftlich wirksam zu machen. Das Innovationspotenzial ist gewaltig und bislang kaum ausgeschöpft. Die Herausforderung einer nachhaltigen Entwicklung im Bausektor bietet Chancen: wissenschaftliche, technische und gestalterische Erneuerung in einem lange nicht mehr besonders innovationsverdächtigen Wirtschaftszweig, neue Exportchancen und erneut eine Rolle als Impulsgeber für langfristige gesellschaftliche Entwicklungslinien. Der Energie Atlas möchte hierzu Grundlagen vermitteln, Beispiele aufzeigen und Anregungen geben. Der Aufbau folgt insgesamt dem vertrauten Schema der Konstruktionsatlanten der Edition Detail. Teil A »Positionen« widmet sich grundlegenden Aspekten des nachhaltigen und energieeffizienten Bauens. Gastbeiträge zum globalen Wandel und zur Energiewende stellen übergeordnete Bezüge her. Die schwierige Beziehung zwischen Architektur und Nachhaltigkeit und die wenig genutzten Potenziale der solaren Architektur sind thematisiert. Schlüsselthemen wie Effizienz und Lebenszyklus legen die Bedeutung der Nachhaltigkeitsbetrachtung in der Architektur offen. Sie verdeutlichen den Handlungsbedarf und zeigen auf, welche Dynamik eine entsprechende Entwicklung im Bauen erzeugen könnte. Teil B »Planungsgrundlagen« ist dem gegenüber handlungsorientiert. Ausgehend von der Darstellung allgemeiner Grundlagen von Nachhaltigkeit und Energie, Klima und Wohlbefinden sind die verschiedenen Planungs- und Handlungsebenen nachhaltigen und energieeffizienten Bauens behandelt: Stadtraum und Infrastruktur, Gebäudehülle und Gebäudetechnik sowie die Materialwahl. Die rapide Entwicklung in diesem Feld, insbesondere in der Energietechnik, hat immer wieder Aktualisierungen erforderlich gemacht. Der derzeitige Wissensstand zum Zeitpunkt der Drucklegung ist anschaulich zusammengefasst. Die Aussagen dieses Teils münden in Handlungsanleitungen zur Entwicklung von Energiekonzepten, zur Organisation eines integralen Planungsprozes-

ses als Voraussetzung für nachhaltiges Bauen sowie zur Bewertung nachhaltiger Gebäudequalität. Wo immer möglich, verdichten sich Aussagen in Bild- oder Diagrammform. Das am Ende dieses Teils vorgestellte »Diagnosesystem Nachhaltige Gebäudequalität« (DNQ) fasst wesentliche Beurteilungskriterien für zukunftsgerechtes Bauen zusammen. Sie machen handhabbar und bewertbar, was sich bislang nur in pauschalen Forderungen nach Nachhaltigkeit ausgedrückt und diesen Begriff entwertet hat. Die Planungsgrundlagen bieten entsprechend umfangreiches Material auf verschiedenen Betrachtungsebenen an. Sie zeigen auch, dass wir bereits in großem Umfang über ausgereifte Technologien zur effizienten Nutzung der Ressourcen verfügen, die uns die Erde bietet, ohne ihre Schönheit anzutasten. Es bleibt jedoch dem Leser überlassen, hieraus eine dem Ort und der Aufgabe gerecht werdende Lösung zu entwickeln, die mit minimalen Mitteln maximalen Nutzen erzielt. Bei der Auswahl der im Teil C »Gebaute Beispiele« dokumentierten Gebäude stand jeweils die Beziehung zwischen Nachhaltigkeitsansatz, Energiekonzept und architektonischer Haltung im Vordergrund. Ausgewählt wurden weitgehend aktuelle Projekte, die durch ihre besondere architektonische Interpretation von baulicher Nachhaltigkeit und Energieeffizienz hervortreten. Die verbale, grafische und bildliche Darstellung der Gebäude mündet jeweils in eine bewertende Beschreibung des Nachhaltigkeitsansatzes nach dem Diagnosesystem Nachhaltige Gebäudequalität (DNQ). Über die gezeigten Beispiele wird deutlich, dass Technologien zur effizienten Nutzung von Ressourcen und Energie neue architektonische Potenziale eröffnen – aber auch, dass der Suchprozess nach dem geeigneten architektonischen Vokabular zur Lösung der neuen gesellschaftlichen Aufgaben noch längst nicht als abgeschlossen angesehen werden kann.

tebau und Infrastruktur über die Objektebene bis hinein in die Gestaltung von Planungsprozessen zu behandeln – besonders aber, es in den größeren Zusammenhang nachhaltiger Entwicklung der Architektur und des Bauens zu stellen. Die Erarbeitung dieses Werks hat viel Energie gebunden, insbesondere menschliche Energie von Autorenteam, Mitarbeitern und Verlag. Allen Institutionen und Personen, die beim Entstehen dieses Werks kompetent mitgewirkt haben, die uns in unseren Familien und Freundeskreisen den Rücken für die Arbeit an diesem Werk freigehalten haben und denjenigen, die es durch Zuwendung von Mitteln großzügig unterstützt haben, danke ich herzlich. Vielleicht spüren unsere Leser diese Energie. Ihr Einsatz hat sich gelohnt, wenn sie weitere Energie mobilisiert, die die gesellschaftlichen und professionellen Herausforderungen aufgreift und auf diese Weise die Entwicklung der Architektur und des Bauens fördert.

Darmstadt, im August 2007 Manfred Hegger

Der Energie Atlas ist über den notwendigerweise prägnanten Buchtitel hinausgehend angelegt. Die Energie steht im Mittelpunkt. Der Anspruch war jedoch, dieses Thema von Städ-

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Teil A

Positionen

1 Globaler Wandel Chris Luebkeman 2 Energiewende Hermann Scheer 3 Architektur und Nachhaltigkeit – eine schwierige Beziehung Robert Kaltenbrunner 4 Die Dinge richtig tun – über Effizienz und Nachhaltigkeit Manfred Hegger 5 Solare Architektur Thomas Herzog 6 Planen und Bauen in Lebenszyklen Karl-Heinz Petzinka, Bernhard Lenz

Abb. A

die Erde vom Mond aus betrachtet

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Globaler Wandel Chris Luebkeman

A 1.1

In Bezug auf Design und Konstruktion der gebauten Umwelt beherrschen wir technisch fast alles. Wir sind in der Lage, Gebäude zu bauen, die genauso viel Energie produzieren wie sie verbrauchen. Wir können wundervolle Räume und Orte schaffen, in denen Menschen sich gerne aufhalten. Wir wissen, wie man Materialien herstellt, die theoretisch unendlich haltbar sind – beispielsweise Titanium oder Glas – ebenso wie Materialien, die sich auf Wunsch selbst zersetzen. Wir können schneller fliegen als der Schall oder sogar die Brown’sche Molekularbewegung stoppen. Und trotzdem – obwohl wir all diese Dinge können – blicken wir oft unsicher in die Zukunft und fragen wir uns, ob wir alles richtig machen. Drivers of Change

A 1.1 A 1.2

10

Blick auf ein Kraftwerk im Stadtteil Soweto, Johannesburg (ZA) allgegenwärtiges Verkehrschaos in Shanghai (VRC)

Das Ingenieurbüro Arup hat über 10 000 Projekte weltweit realisiert und ist bekannt für seine innovativen Ideen und multidisziplinären Planungsleistungen [1]. Ich hatte das Privileg von 1999 bis 2002 die Abteilung für Forschung und Entwicklung zu leiten. Ein Team von 35 Menschen, das über ein großes Wissen über die gebaute Umwelt verfügt, beriet Ingenieure in der ganzen Welt, während diese die Grenzen des Machbaren ausloteten. Daran anschließend gründete ich 2003 eine Abteilung, die unter dem Namen »Foresight, Innovation + Incubation« (FII) bekannt ist. Seitdem hat diese Abteilung vielen Kunden – Einzelpersonen, Firmen und Regierungen – geholfen, ihre Gedanken bezüglich der Zukunft zu fassen. Teil dieses Prozesses war die Workshopreihe »Drivers of Change«, an der zwischen 2003 und 2006 ca. 9500 Menschen auf fünf Kontinenten teilnahmen [2]. Zum Ablauf gehörte, dass jeder Teilnehmer offenlegt, was er oder sie glaubt, was die Impulse des Wandels sowohl auf globaler als auch auf lokaler Ebene sind. Die Ergebnisse zeigen, dass es verschiedene Kernthemen wie Klimawechsel, Energie oder geografischer Wandel gibt, die überall in den Köpfen verankert sind. Auf den ersten Blick erscheint dies nicht weiter beachtlich. Berücksichtigt man die Tatsache, dass man heute mehr nach geopolitischen Unterscheidungen als nach menschlichen Gemeinsamkeiten sucht, ist eine gemeinsame globale Meinung alles andere als selbstverständlich.

Bei den Workshops wurde das unter dem Namen STEEP bekannte System verwendet, um die Kernthemen zu bewerten [3]. Um einen gleichwertigen Dialog über die Zukunft führen zu können, wird dabei jedes Themenfeld einzeln betrachtet. Die einzelnen Themen wie demografischer Wandel, globales Nomadentum oder Urbanisierung werden in fünf Felder zerlegt und einzeln analysiert. Dieses Vorgehen erlaubt einer Gruppe, die individuellen Impulse des Wandels zu priorisieren und dann die gegenseitigen Einflüsse über die vier anderen Felder hinweg zu überprüfen. Jeder »Drivers of Change«-Workshop verlief nach derselben Methode. Am Anfang wurde die Gruppe bezüglich der vier in Abb. A 1.4 dargestellten globalen Zukunftsmodelle befragt. Die zwei verwendeten Achsen bildeten wirtschaftliches Wachstum und Global Governance [4]. Die Teilnehmer wurden gebeten, einen Vektor zu zeichnen, dessen Ursprung die Welt von heute zeigt und dessen Spitze in der Welt endet, die in den nächsten 20 Jahren Realität sein könnte. Die Ergebnisse waren faszinierend: Zwar variierten die Vektoren je nach geografischer Herkunft der Teilnehmer, dennoch gab es eine eindeutige Tendenz hin zu einer Welt, die nach ökonomischem Wachstum strebt, die aber gleichzeitig höchst separiert und zerteilt sein wird: eine differenziertere Welt, die sich stärker auf Lokalisierung als auf Globalisierung konzentriert. Im zweiten Teil des Workshops wurde nach den Beobachtungen der Teilnehmer bezüglich der Ursachen des Wandels in jedem der STEEP-Felder gefragt. Es zeigte sich, dass es einige globale Gemeinsamkeiten, aber auch ein paar unterschiedliche Sichtweisen der Thematik gab. Fünf Thesen

Die gebaute Umgebung ist das Fundament der Gesellschaft. Sie ermöglicht soziale Interaktion zwischen allen Schichten. Die Welt »verstädtert« derzeit in bisher unvorhergesehener Weise. Durch das enorme Wirtschaftswachstum in China sind dort in den letzten 25 Jahren ca. 300 Millionen Menschen in Städte umgesiedelt, ein Zuwachs um 500 Millionen wird bis 2050 erwartet [5]. Dies stellt die größte Massenwanderung der Menschheitsgeschichte

Globaler Wandel

• Wandel ist konstant; Zusammenhang ist variabel. Es wird viel über Wandel geredet und darüber, dass sich dessen Geschwindigkeit erhöht. Aber viel interessanter ist es, die Zusammenhänge des Wandels zu beobachten, die ganzheitlichen Verknüpfungen bestimmter Epochen, die Kausalität erfolgreicher Innovationen. Diese tiefgehende Analyse zeitgebundener Ursachen trägt dazu bei, Verwicklungen in künftigen Zusammenhängen vorherzusehen. Sie soll helfen, Hochrechnungen für unterschiedliche Zukunftsszenarien zu erstellen. • Jeder Mensch hat drei Bewertungssysteme, die er benutzt: erstens die Intuition, die ihn auf einer sehr tiefen, fast animalischen Ebene informiert; zweitens das Herz, das die Gefühle und Überzeugungen repräsentiert und zuletzt den Kopf bzw. die analytischen Fähigkeiten. Die intensivsten Momente sind jene, in denen alle drei gleichermaßen vereint sind. • Wir haben keine andere Wahl als zu lernen, wie wir miteinander auf diesem einen Planeten Erde umgehen müssen. Darum sollte unser Handeln die nachhaltige Nutzung der Ressourcen unseres Planeten unterstützen. • Es gibt viele Behälter in der Natur, aber nur Menschen bauen Schachteln mit Wänden und Deckeln. Deswegen können nur Menschen diese Deckel abnehmen und ihre Schachteln verlassen. Das steht symbolisch für die Notwendigkeit, vernetzt anstatt in getrennten Ebenen zu denken. • Alles, was uns unbequem ist, wird nicht lange Bestand haben. Die Beseitigung unangenehmer Umstände scheint eine der Hauptursachen für Innovation und Wandel in der Geschichte gewesen zu sein. Um gute Ideen für die Zukunft zu finden, müssen wir uns nach diesen Unbequemlichkeiten umsehen.

deren Zukunft. Bald wird die Mehrheit der Erwerbstätigen, die grundlegende Erfahrung und spezielles Wissen haben, nicht mehr verfügbar sein. Dennoch besteht Hoffnung, dass – während die Infrastruktur um uns herum mit unserer Gesellschaft altert – das Interesse an unserer gebauten Umwelt wieder steigen wird. Im reicheren Teil der Welt haben verbesserte Lebensumstände und der medizinische Fortschritt zur Reduktion der Kindersterblichkeit und zu längeren Lebenserwartungen beigetragen, wodurch sich die Anforderungen an die Gestaltung der Umwelt nachhaltig ändern. Die Verschlechterung derselben Zustände in den weniger entwickelten Gebieten stellt eine große Herausforderung dar. Es ist schwer vorauszusagen, zu welchen Entwicklungen diese Diskrepanz führen wird. 2020 wird die Gruppe der über 60-Jährigen sehr wahrscheinlich 1 Milliarde Menschen betragen. 75 % dieser Gruppe werden in den Industrieländern leben – davon 16 % US-Amerikaner, 20 % Deutsche und 27 % Japaner [8]. Wer wird sich um diese alternde Bevölkerung kümmern? Wie wird sie zurechtkommen? Wie werden wir die Gestaltung von Produkten und Dienstleistungen, Orten und Umgebungen ändern müssen, um ihre Lebensbedingungen zu verbessern? Im Hinblick auf die alternde »Baby-Boomer«Generation der Nachkriegszeit liegt die Vermutung nahe, dass sich die Wahrnehmung dessen, was akzeptable Hilfe ist, weiterentwickeln und verändern wird. Diejenigen, die sich vor der Einbindung von Technologien drücken, mit der Begründung, dass es eine fremde Invasion sei, werden weniger werden, je mehr Technologie in den Alltag integriert wird. Viele vergessen, dass ein einfacher Graphit-Bleistift ein unglaubliches Stück »Technik« ist. Die menschliche Leistungsfähigkeit wird stetig beschleunigt. Die Boomer haben sich bereits auf eine fortschrittliche Lebenssituation eingestellt und vorbereitet. Sie akzeptieren beispielsweise medizinische Maßnahmen wie künstliche Hüft- oder Kniegelenke und sogar Schönheitsoperationen, um ihr Leben zu verlängern und ihren Lebensstandard zu erhöhen – in einer Art und Weise, wie frühere Generationen es nur als Science-Fiction kannten. So wird es voraussichtlich nicht mehr lange dauern, bis unsere Städte uns »pro-aktiv« im täglichen Leben unterstützen können.

Demografischer Wandel

Globales Nomadentum

Während der gesamten Workshopreihe war der demografische Wandel das am häufigsten genannte Thema. Seine Bedeutung unterscheidet sich von Ort zu Ort und von Region zu Region. Trotzdem beschäftigt sich fast jeder Mensch mit der Frage, wie sich die Population ändert und wie dieser Wandel die Zukunft beeinflussen wird. Ein drängendes Thema bezüglich der gebauten Umwelt ist die Tatsache, dass die Mehrzahl der zurzeit Berufstätigen in den Industrieländern etwa zwölf Jahre vom Ruhestand entfernt ist [7]. Darüber hinaus interessieren sich zu wenige junge Menschen für die Baubranche und

Seit den 1970er-Jahren lassen sich interessante Veränderungen in der Bevölkerungsdichte in den verschiedenen Regionen der Erde beobachten. Sie beruhen hauptsächlich auf der derzeitigen Verfügbarkeit billiger fossiler Energieträger und der sich ausweitenden globalen Wohlstandslücke: Eine Vielzahl an Menschen, gebildet wie ungebildet, zieht auf der Suche nach Arbeit um. Diese Bewegung, vom in die Stadt ziehenden Landwirt bis zum hochgebildeten Arzt der sein Heimatland verlässt, findet in verschiedenen Branchen, in unterschiedlichen Teilen der Welt statt. Die globale Wirtschaft ist von diesen internationalen Ein- und

dar. Die Städte verändern sich, entwickeln sich weiter – unter dem Einsatz von Materialien aus aller Welt; so gut wie alle Regionen der Welt berühren einander in irgendeiner Weise, jeden Tag. Wie wird die gebaute Umwelt in einer Welt mit stetig steigenden Abhängigkeiten definiert? Wer oder was bestimmt, was gebaut wird und wie? Und wie bestimmt dies die »glokale«Umwelt [6]? Viele Fragen, fünf grundlegende Annahmen:

A 1.2

Auswanderern in unerwarteter Weise abhängig. Beispiele hierfür sind u. a. illegale Wanderarbeiter in den USA, welche im letzten Jahrzehnt die dortige Wirtschaft fundamental mitgetragen haben. Oder medizinisches Personal, das von seinen Heimatländern, in denen es nicht bezahlt wird, in die reichen Nationen mit ihrer alternden Bevölkerung zieht, während in ihren Heimatländern die lebensnotwendigen Spezialisten fehlen. Weitere grundsätzliche Fragen entstehen, wenn wir die Entwicklung der Städte betrachten. Wie viele internationale Einwanderer identifizieren sich mit ihrer Wahlheimat oder ihrem Zufluchtsort? Vielleicht ist die Antwort ein neuer MultiNationalismus mit komplexen multiplen Verpflichtungen. Oder vielleicht wird das Bedürfnis nach der persönlichen Verbindung zu einer lokalen Gemeinschaft durch die globale Verbundenheit verdrängt. In jedem Fall wird dieser Zwiespalt zwischen Globalität und Lokalität eine wachsende Rolle in der Gestaltung unserer Umwelt spielen. Europa ist heute die Heimat der meisten internationalen Einwanderer, gefolgt von Asien und Nordamerika. Wir werden uns wohl langsam von einer nationalen Staatsbürgerschaft zu einer Weltbürgerschaft bzw. transnationalen Bürgerschaft entwickeln. Im Allgemeinen lernen Europäer mehrere Fremdsprachen, sind länger in der Ausbildung und steigen später in das Arbeitsleben ein. 77 % der Studenten in der EU sprechen eine Fremdsprache gut genug, um an einer Unterhaltung teilzunehmen. Die größte Englisch sprechende Bevölkerung wird künftig die chinesische sein. Hier wirft sich die Frage auf, ob unsere Städte, während sie systematisch verbessert werden und jeder Einwohner identifizierbar wird, mit uns in der Sprache unserer Wahl kommunizieren können: Werden wir Ansagen in unserer Muttersprache hören, während wir mit der U-Bahn in London oder in der Hongkonger Metro fahren? Welche Stadt wird den ersten multimedialen Stadtführer mit automatisierter Übersetzung einführen? Es gibt bereits Überlegungen, Mittel für diejenigen bereitzustellen, die keine Fremdsprache fließend sprechen, damit sie sich beispielsweise auf Flughäfen orientieren können. Welche Sprache würden wir wählen? Viele Städte beobachten uns

11

Energieverbrauch [GJ pro Kopf]

Globaler Wandel

35 USA

30 Australien 25 20 EU Japan

15 Südkorea

10 5

Brasilien Indien

Mexiko China Thailand

0 0

5

10

15

20

25

30

BIP pro Kopf [1000 US-Dollar] A 1.3

Energie und Wohlstand

Forschungen des Internationalen Währungsfonds (IWF) haben gezeigt, dass es eine direkte Verbindung zwischen wirtschaftlichen Schwankungen und dem Zugang zu Energie gibt. In Abb. A 1.3 ist der Pro-Kopf-Energieverbrauch ausgewählter Nationen dem Bruttoinlandsprodukt (BIP) gegenübergestellt. Dabei wird deutlich, dass, während sich eine Wirtschaft von einer Agrarwirtschaft über die Industrialisierung zur Konsumgesellschaft wandelt, der Energieverbrauch gleichermaßen steigt. Dabei scheint es ein Niveau zu geben, auf dem sich eine Gesellschaft »optimiert«, d. h. das Bruttoinlandsprodukts steigt bei gleichem Energieverbrauch. Ich glaube allerdings, dass es vielmehr eine Verschiebung des Energieverbrauchs von einer Nation zur anderen gegeben hat, d. h. ein Staat importiert den Großteil der Waren aus einem anderen. Ein klassisches Beispiel dafür sind die USA: Durch die Importe wird quasi ein Teil des Energieverbrauchs quasi nach China verlagert. Zwei weitere Aspekte müssen hinsichtlich der Grafik kritisch betrachtet werden: Der erste ist, dass die Nation, die den größten Pro-KopfEnergieverbrauch aufweist, gleichzeitig fast alle eigenen Energieressourcen verbraucht hat. Der zweite ist, dass die zwei bevölkerungsreichsten Nationen der Welt, China und Indien, das niedrigste Bruttoinlandsprodukt und den niedrigsten Energieverbrauch pro Kopf haben. Diese beiden hoch bevölkerten Nationen streben derzeit danach, auf der Leiter nach oben zu steigen. Wenn jeder Chinese ein Auto fahren würde, wären die derzeit bekannten Weltölreserven innerhalb eines halben Jahres erschöpft. Verkehrsstaus sind heutzutage in jeder Stadt, in jedem Land gegenwärtig (Abb. A 1.2). Die Verstopfung der Hauptverkehrsadern, der wirklichen Wirtschaftsmotoren, die das Entwicklungspotenzial durch jede zeitgenössische Gesellschaft pumpen, könnte die Funktionsfähigkeit unserer Gesellschaft drastisch einschränken. Irgendwann wird diese Verstopfung, diese Blockade einen kritischen Punkt erreichen.

Die Produktion von Energie für die heutige Gesellschaft muss sich ändern. Die Industrie bewegt sich – wenn auch unwillig – vom Paradigma des zentralisierten Industriezeitalters zu einem maßgeblich moderner verteilten und dezentralisierten Modell. Dieser Wandel ist politisch notwendig. Denn wenn man die Energiebereitstellungskette betrachtet, gehen über zwei Drittel der erzeugten Energie durch Umwandlung und Verteilung verloren. Elektrische Energie bleibt ein grundlegendes Bedürfnis der heutigen Gesellschaft. Sie liegt fast allem zugrunde, was wir heute tun. Historisch wurde Strom erzeugt, um das Wachstum von kleinen und großen Industrien zu fördern, die in der Nähe von Energiequellen lagen. Mit der Zeit übertraf der Energiedurst der Gesellschaft die Kapazität der nahen Quellen. Deswegen entstanden große Kraftwerke, die näher Blockinseln • Volkswirtschaften erholen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten • vermehrtes Entstehen regionaler Wirtschaftsund Handelsblöcke • politische Initiativen fördern örtliches / regionales Wachstum • ideologische Unterschiede steuern globale Dynamik • Arbeitsmarktreformen beeinflussen Wachstum und Beschäftigung • technologischer Fortschritt und Produktivitätszuwachs als starke Motoren für den Wirtschaftsaufschwung

Chaos

Global

Szenario des Scheiterns • L-förmiger Verlauf der Weltwirtschaft, d. h. die Konjunktur erreicht eine Talsohle und dümpelt ohne Wachstum vor sich hin • steigende Tendenzen in Richtung Isolationismus und Protektionismus • Länder wie die Schweiz und Japan stehen Modell für eine steigende Anzahl von Volkswirtschaften • Konsumklima sinkt auf neuen Tiefstand • Wiederverstaatlichung von Versorgungsunternehmen seitens der Regierungen • Vereinte Nationen / Welthandelsorganisation WTO im Zerfall begriffen

an den Rohstoffvorräten lagen als an der Infrastruktur der Konsumenten. Diese wurden, auch aufgrund ihrer Emissionen, in einiger Distanz zu den Städten gebaut, und die enormen Transmissionsverluste wurden einfach als notwendiger Teil des Systems akzeptiert. Dabei gibt es heute immer mehr Möglichkeiten, die Produktion von Strom zu dezentralisieren. Anstelle eines großen Kraftwerks müssten viele kleine existieren, die über eine Region verteilt sind. Angetrieben von kleinen Windturbinen, Brennstoffzellen in Gebäuden, Solarzellen oder kleinen Gasturbinen, wären alle miteinander verbunden. Dieser systemübergreifende Ansatz erhöht zum einen die Versorgungssicherheit und reduziert zum anderen die Anfälligkeit der Stromversorgung dadurch, dass der Erzeuger wesentlich näher am Verbraucher und Endnutzer liegt. Zusätzlich ergibt sich bei +

Wirtschaftswachstum

schon – wie würden wir uns fühlen, wenn die Stadt auch zu uns spricht?

-

Reglobalisierung • Iran und USA melden neue Handelsabkommen • Vereinte Nationen umstrukturiert und wiederbelebt, neue Mitglieder im Sicherheitsrat • Terrorismus und geopolitische Instabilität eingedämmt • boomende Weltwirtschaft • Macht und Einfluss der Welthandelsorganisation WTO wächst • langsame, aber stetige Inflation • offene Volkswirtschaften treiben globale Dynamik an

Governance

Ordnung

Globaler Jojo-Effekt • W-förmiger Konjunkturverlauf, d. h. Phasen des konjunkturellen Aufschwungs im Wechsel mit Abschwungphasen • Regierungen und Wirtschaft arbeiten eng zusammen • Finanzkrisen und Terroranschläge bremsen Wirtschaftsaufschwünge • Volkswirtschaften leiden unter aufgeblähten öffentlichen Sektoren • höheres Risiko eines systemischen Schocks des globalen Finanzsystems mit steigenden Risikoprämien A 1.4

12

Globaler Wandel

A 1.3

A 1.4 A 1.5

»Wohlstandsleiter«: Verhältnis von Energieverbrauch und Bruttoinlandsprodukt verschiedener Länder im Zeitraum von 1970 bis 1997 globale Zukunftsmodelle bis 2026 Phoenix (USA) bei Nacht – die Stadt als Ballungszentrum

A 1.5

dieser Methode der Vorteil, aus dem großen Potenzial erneuerbarer Energien schöpfen zu können. Abb. A 1.1 zeigt die Sonne, die über einem Kraftwerk im Stadtteil Soweto in Johannesburg aufgeht. Da es zur Zeit der Apartheit gebaut wurde, versorgte es ursprünglich nur eine kleine Bevölkerungsschicht mit Energie – unter Ausschluss all derer, die direkt im Viertel leben. Das Kraftwerk stellte die Zentralisierung von Energie und Macht auf vielen Ebenen dar. Heute, in einem politisch gewandelten und demokratischen Südafrika, erzeugt es Energie für die gesamte Bevölkerung. Darüber hinaus zeigt das Bild – vielleicht noch bedeutsamer – die wichtigste Energiequelle, die es gibt: die Sonne. Können wir uns vorstellen, dass alle Energie, die von ihr erzeugt wird, erneuerbare Energie ist? Was passiert, wenn die Politik des Erdöls nicht länger die Beziehungen zwischen den Nationen bestimmt? Können wir uns vorstellen, dass wir nicht länger von Engpässen sprechen, weil die Erzeugung erneuerbarer Energien so effizient geworden ist? Können wir uns vorstellen, dass jedes Gebäude so viel Energie erzeugt, dass es auch die Energie, die für seinen Bau benötigt wird, zurückzahlt? Urbanisierung

Zurzeit erleben wir den Wandel in ein Zeitalter, in dem weltweit mehr Menschen in Städten leben als auf dem Land. Trotzdem nehmen Städte weniger als 2 % der Landfläche der Erde ein. Die Stadtbevölkerung wächst pro Tag um 180 000 Menschen. Die größten Zuwächse sind in den weniger entwickelten Ländern zu verzeichnen, für die bis 2020 ein Städtewachstum um 50 % vorhergesagt wird [9]. Während mehr und mehr Menschen die Stadtgebiete füllen, die Zersiedelung fruchtbares Land vernichtet und gleichzeitig den gesteigerten Konsum von nicht erneuerbaren Ressourcen fördert, müssen wir uns fragen: Wo führt dieser Weg hin? Wie werden diese Städte aussehen? Wie werden sie beispielsweise mit Nahrungsmitteln versorgt? Wenn es 2015 weltweit wahrscheinlich 23 Großstädte mit über 10 Millionen Einwohnern gibt, von denen 19 in weniger entwickelten Ländern liegen, werden wir mit beachtlichen Stadtplanungs- und Infrastrukturproblemen konfrontiert

sein [10]. 2030 werden ca. 60 % der Weltbevölkerung in Städten leben. Was für eine Art Wachstum wird das sein? Ist es möglich, ein Stadtzentrum CO2-neutral zu machen? Ist es möglich, dass neue Städte pflanzenfreundlicher sind? Ist es möglich, dass eine Millionenstadt komplett mit dem »One-Planet«-Prinzip funktioniert [11]? Unsere Zukunft richtet sich danach, wie wir das Wachstum unserer Städte steuern und die entstehenden Probleme lösen. Es ist Zeit, dass die Gesundheit unserer Städte an die Spitze der globalen politischen Agenda rückt. Wir müssen sicherstellen, dass wir uns der Grenzen unseres Wachstums bewusst sind und dass wir unser Bestes tun, uns innerhalb dieser Grenzen zu entwickeln. Das ist der einzig nachhaltige Weg. Während wir in die Zukunft blicken, dürfen wir nicht die vielen tausend Jahre Geschichte vergessen. Ein Fernsehspot des amerikanischen Automobilherstellers Studebaker aus dem mittleren Westen von 1905 warb für den Motortyp der »pferdelosen Kutsche«. Das Auto konnte mit einem Elektromotor für Stadtfahrten oder einem Benzinmotor für Überlandreisen ausgestattet werden. Es scheint, den Herstellern war schon damals bewusst, dass bestimmte Kraftstoffe für bestimmte Reisemuster geeigneter sind. Sie boten Hybridfahrzeuge an, 100 Jahre bevor die Gesellschaft erkannte, dass sie nicht nur eine Möglichkeit darstellen, sondern notwendig sind. Dies ist nur ein Beispiel, wie wir aus der Vergangenheit lernen und uns die gewonnenen Erkenntnisse zunutze machen können. Ein amerikanischer Bundesrichter namens Oliver Wendell Holmes sagte: »Hundert Jahre nachdem wir fort und vergessen sind, werden diejenigen, die niemals von uns gehört haben, mit den Folgen unseres Handels leben (...).« Es wäre gut, wenn wir uns an diesen vorhersehenden Satz erinnern würden. Die Entscheidungen, die wir jeden Tag treffen – als Gestalter der gebauten Umgebung – bestimmen nicht nur unsere heutigen Wohnorte, sondern beeinflussen unsere Umwelt für immer. Hoffnungsvolle Entwicklungen

Bevölkerungsverschiebungen, wachsender Mangel sowie der mutwillige Verbrauch fruchtbaren Landes und natürlicher – erneuerbarer

und nicht erneuerbarer – Ressourcen könnten zu einem signifikanten globalen Problem heranwachsen, einem Dilemma von desaströsen Ausmaßen. Wir können nur hoffen, dass das globale Bewusstsein bezüglich der Zerbrechlichkeit unseres Planeten wächst. Wir scheinen an einem kritischen und ernüchternden Punkt der Geschichte angekommen zu sein. Trotz aller Rückschritte und Fehler ist nicht alles verloren. Es ist immer noch Zeit für korrektive Maßnahmen. Wir als Individuen in einer »glokalisierten« Gesellschaft müssen auf die Vorzeichen achten und können so vermeiden, in eine Abwärtsspirale zu geraten. Wie unsere Zukunft aussieht und in welcher gebauten Umgebung wir und die künftigen Generationen sie erleben, hängt in vielererlei Hinsicht von unseren Entscheidungen ab. Sie wird nicht ultimativ von Technologie und Wirtschaft abhängen, sondern davon, was wir – die Menschen – entscheiden. Mitten in der Ungewissheit bezüglich der vor uns liegenden Zeiten ist eine Sache sicher: Die Zukunft, die wir für unsere Nachkommen hinterlassen, wird durch uns bestimmt sein – ob wir uns der Herausforderung stellen oder nicht.

Anmerkungen: [1] Arup wurde 1946 in London gegründet und ist heute mit über 80 Büros und ca. 9000 Mitarbeitern weltweit eine der größten Ingenieurgesellschaften. Die Firma übernimmt multidisziplinäre Planungsleistungen in allen Bereichen des Hoch-, Tief- und Ingenieurbaus. [2] www.driversofchange.com [3] STEEP steht für »social, technological, economic, environmental and political domains«. [4] Global Governance: konzeptioneller Ansatz, die Fragen der politischen Beherrschbarkeit von Weltproblemen und der Globalisierungstendenzen, mit der sich die Weltpolitik konfrontiert sieht, zu beantworten [5] The Source vom 5. Februar 2007 [6] »Glokal« ist eine Kombination aus den Wörtern global und lokal. [7] Das Durchschnittsalter bei qualifizierten Arbeitnehmern im Fachgewerbe in den USA ist laut der National Education Association 48 Jahre. Dem »Engineering UK 2006«-Report zufolge beträgt der Altersdurchschnitt bei Ingenieuren 55 Jahre. [8] United Nations Population Information Network [9] ebd. [10] United Nations Population Division [11] One-Planet-Prinzip: Jedem Bewohner einer Stadt stehen, anteilig berechnet, eine bestimmte globale Fläche und eine bestimmte Anzahl an Ressourcen zur Verfügung.

13

Energiewende Hermann Scheer

A 2.1

Der Begriff Energiewende wird zunehmend öffentlich kontrovers diskutiert. Dabei ist er nicht ganz eindeutig. Was an der gegenwärtigen Energieversorgung soll nun gewendet werden und in welche Richtung? Geht es um neue Energiequellen oder nur um den sparsamen und effizienten Einsatz der gegenwärtig genutzten Energieträger? Um mehr international einheitliche oder dezentralisierte Energiestrukturen, um mehr Wettbewerb oder eine ökologischere bzw. nachhaltigere Energieversorgung? Gewöhnlich wird der Begriff Energiewende zwar mit dem der Nachhaltigkeit assoziiert, aber auch das macht ihn kaum fassbarer. Mittlerweile wird nämlich selbst die atomare und fossile Energienutzung von ihren Anbietern schon als nachhaltig etikettiert, wenn sie nur etwas sicherer oder effizienter erfolgt. Doch Energieträger, deren Primärressourcen nur begrenzt zur Verfügung stehen – was für Erdöl, Erdgas, Kohle wie Uranerze gilt – und die von der Förderung bis zur Umwandlung und Nutzung schwerwiegende Umweltschäden und Rückstände hinterlassen, rechtfertigen keine Etikettierung als nachhaltig. Energiewende bedeutet deshalb Energiewechsel, d. h. die Ablösung atomarer und fossiler Energieträger durch erneuerbare. Allein diese sind nachhaltig, weil unerschöpflich und – mit Ausnahme der Bioenergie – emissionsfrei gewinn- und nutzbar. Sonne oder Atomkraft – der Grundkonflikt des 21. Jahrhunderts

Mit einer überwiegend noch zögerlichen Einstellung zu erneuerbaren Energien bleibt die Welt derzeit weit unter den gegebenen Möglichkeiten und Notwendigkeiten. Dagegen lebt sie mit atomaren und fossilen Energien weit über ihre Verhältnisse. Das breite Spektrum von Gründen für einen Wechsel zu erneuerbaren Energien lässt sich aus den vier folgenden elementaren Unterschieden zwischen atomaren und fossilen Energien einerseits und erneuerbaren andererseits herleiten: A 2.1 A 2.2

14

solarthermische Stromerzeugung bei Alice Springs (AUS) Vergleich von Energiebereitstellungsketten für die Stromerzeugung

• Der Einsatz von atomaren und fossilen Energien bedingt massive Umwelteingriffe mit erdtektonischen Folgen schon bei der Förderung bis hin zu Emissionen in Gewässer, Luft

und Erdatmosphäre. Erneuerbare Energien sind dagegen prinzipiell frei von solchen Folgen nutzbar. Daraus ergibt sich das über das Klimaschutzmotiv hinausgehende generelle Motiv des Umweltschutzes. Selbst wenn es das Klimaproblem nicht gäbe, würden immer noch massive ökologische Gründe für die Energiewende sprechen. • Die fossilen Energien sind erschöpflich, weshalb ihre fortgesetzte Nutzung unweigerlich zu steigenden Kosten sowie zu Versorgungsengpässen und -notständen führt. Allein die unerschöpfliche erneuerbare Energie eröffnet allen Menschen eine dauerhaft gewährleistete Energieversorgung. Daraus ergibt sich das Motiv einer permanenten und gesicherten Verfügbarkeit. • Die atomaren und fossilen Energiereserven liegen in relativ wenigen Förderregionen der Erde, sodass für deren Nutzung lange internationale Bereitstellungsketten erforderlich sind (Abb. A 2.2). Dies bedingt unvermeidlich einen hohen infrastrukturellen Aufwand, führt zu wachsenden existenziellen Abhängigkeiten und provoziert wirtschaftliche, politische und kriegerische Konflikte. Erneuerbare Energien hingegen sind in verschiedener Form als natürliche Umgebungsenergie überall verfügbar und können mit technischer Hilfe gewonnen werden – mit wesentlich geringerem Infrastrukturbedarf. Daraus ergeben sich für erneuerbare Energien Motive wie volkswirtschaftliche Effizienz, politische Unabhängigkeit und Friedenssicherung. • Die fossilen und atomaren Energien werden aufgrund der genannten Rahmenbedingungen immer teurer, bezüglich ihrer direkten sowie indirekten Kosten. Die erneuerbaren Energien werden dagegen – schon deshalb, weil für sie (mit Ausnahme der Bioenergie) keine Brennstoffkosten anfallen – im Zuge ihrer laufenden technologischen Verbesserungen, industrieller Massenproduktion und intelligenter neuer Anwendungsformen immer billiger. Daraus ergeben sich soziale und wirtschaftsstrategische Motive. Beim Thema Energiewende geht es also um erneuerbare Energien – das überwältigend große und unerschöpfliche Energiepotenzial,

Energiewende

das aber immer noch unterschätzt wird. Der zentrale Grund hierfür ist, dass erneuerbare Energiequellen nur partiell in die bisherigen technischen und wirtschaftlichen Strukturen der Energiebereitstellung passen. Mit anderen Worten: Sie sind großenteils nicht kompatibel mit dem eingespielten Energiesystem, daher werden sie als Fremdkörper betrachtet und dementsprechend abgewertet. Sie bringen die Kalkulationsgrößen der überkommenen Energiewirtschaft durcheinander – und damit das gewohnte Energiedenken. Was aber hält diejenigen, die nicht direkt oder indirekt in das überkommene Energiesystem involviert sind, davon ab, den Wechsel zu erneuerbaren Energien konsequent und mit der nötigen Konfliktbereitschaft zu forcieren? Warum gibt es bisher keine politischen Initiativen, die die erneuerbaren Energien auch wirtschaftlich ambitioniert und konkret als Zukunftsprojekt vorantreiben, wie es für den Bau von Eisenbahnen, die Raumfahrt, die Atomtechnologie und erst jüngst die Informationstechnologie möglich ist? Warum gibt es immer noch keine europäischen oder internationalen Institutionen für erneuerbare Energien, wie es die Internationale Agentur für Atomenergie (IAEA) oder die European Space Agency (ESA) in ihrem Sektor darstellen?

Photovoltaik

Windkraft

Diese Fragen nach den Akteuren und den Handlungsfeldern für und gegen erneuerbare Energien müssen beantwortet werden, um erkennbar zu machen, wie der Energiewechsel beschleunigt werden kann. Genug Energie für alle – das umfassende Potenzial erneuerbarer Energien

Die strukturelle Vielfalt der erneuerbaren Energien macht es Energiepolitikern, die seit Jahrzehnten an die Strukturen fossilen Energieverbrauchs gewöhnt sind, so schwer, sich in das Potenzial erneuerbarer Energien hineinzudenken: Wer dessen wirtschaftliche und technische, kulturelle und politische Chancen erkennen will, kann und darf nicht mehr lediglich einzelne Energieleistungen miteinander vergleichen. Jeder isolierte kalkulatorische Kostenvergleich mit den fossilen Energieträgern versperrt den Blick auf die Bandbreite der Nutzungsmöglichkeiten erneuerbarer Energien. Entscheidend ist der Vergleich der jeweiligen gesamten Energieversorgungsketten, der die konstanten und die variablen Faktoren einbezieht. Der konstante Faktor ist jeweils die Quelle, wobei die Quellen bei den erneuerbaren Energien nicht nur wesentlich vielfältiger, sondern auch breit gestreut sind. Die variablen Faktoren ergeben sich – in den Grenzen der

jeweiligen Quellenangebote – aus dem unterschiedlichen und laufend verbesserungsfähigen technischen und damit wirtschaftlichen Aufwand, mit dem Energie gewonnen werden kann. Weil erneuerbare Energien überall in der Umwelt angeboten werden, besteht die seit der industriellen Revolution zunehmend übersehene und deshalb heute ungeahnte Möglichkeit, sie an derselben Stelle, zumindest aber in derselben Region, wo sie auch gebraucht wird, zu ernten bzw. einzufangen und anschließend direkt zu nutzen oder umzuwandeln. Das bedeutet, dass für die Bedarfsdeckung durch erneuerbare Energien eine wesentlich kürzere Energiekette – oder auch gar keine – erforderlich ist. Dadurch kann, wiederum mit moderner Technik, eine regionale bzw. lokale Selbstversorgung an die Stelle globaler Abhängigkeit von fossilen Energiequellen treten – eine Chance zu neuen politischen, wirtschaftlichen und kulturellen Freiheiten. Die Spielräume erweitern sich noch durch die Möglichkeit der Substituierung fossiler Rohstoffe durch regenerative. Diese ermöglichen die Kultivierung einer eigenen Rohstoffbasis in Gegenden, in denen die dafür jeweils erforderlichen Anbau- und Klimabedingungen vorhanden sind (Abb. A 2.1). Zumindest wird dadurch die Rohstoffbasis auf wesentlich mehr Länder

Biomasse

Erdöl

Steinkohle

Atomenergie

Anbau

Ölförderung

Bergbau

Uranabbau Transport

Ernte Nahtransport

Transport

Pressung Gasifizierung Pelletierung

Raffinerien Speicherung

Veredelung

Umwandlung Uranerz

Transport

Transport

Urananreicherung

Verwertung der Rückstände Transport Tankstellen

Photovoltaikanlage

Windkraftanlage

Endverbrauch im Inselbetrieb

Endverbrauch im Inselbetrieb

Stromtransport (Mittelspannungsebene)

Verteilung

Verteilung

Biomassekraftwerk

Entsorgung angereichertes Uran Transport

Transport

Tankstellen, Ölhändler Ölkraftwerk

Kohlekraftwerk

Atomkraftwerk

Entsorgung der Kraftwerksrückstände

Zwischenlagerung Endlagerung Wiederaufbereitung

Stromtransport (Hochspannungsebene)

Stromtransport (Hochspannungsebene)

Stromtransport (Hochspannungsebene)

Stromtransport (Mittelspannungsebene)

Stromtransport (Mittelspannungsebene)

Stromtransport (Mittelspannungsebene)

Stromtransport (Mittelspannungsebene)

Verteilung

Verteilung (Niederspannungsebene)

Verteilung (Niederspannungsebene)

Verteilung (Niederspannungsebene) A 2.2

15

Energiewende

Wärme und Strom aus erneuerbaren Energien mit Energiespeichern

Biomasse für Energie und Rohstoffe

atomare / fossile Energieversorgung

Förderung von Energie

–

•

Energieaufbereitung

–

•

Energiespeicherung

•

•

° ° °

Energieverteilung

•

•

•

Installation von Energieumwandlungsanlagen

•

•

Betrieb von Energieumwandlungsanlagen

•

•

Wartung von Energieumwandlungsanlagen

•

•

Konzipierung von Energieangebotssystemen

•

•

kommunale bzw. regionale Steuereinnahmen

•

•

regionale Kreditgewerbe

•

•

° ° ° ° ° °

A 2.3

A 2.4 A 2.5 A 2.6

gleichmäßige regionale Streuung von Wirtschaftsaktivitäten im Vergleich von solarer und nicht solarer Ressourcennutzung Vermeidbarkeit von Konzentration und Monopolisierung bei Energieträgern Pipeline in Alaska (USA) theoretisches Potenzial der jährlichen Sonneneinstrahlung auf die Erde im Vergleich zum weltweit jährlichen Energieverbrauch sowie den fossilen und atomaren Rohstoffreserven

• regionale Streuung möglich ° regionale Streuung nicht möglich – entfällt A 2.3

erweitert; umfassende Verschiebungen industrieller Standorte können die Folge sein sowie Veränderungen der Welthandelsströme und eine neue, differenziertere Arbeitsteilung in der Weltwirtschaft. Das alles ist gleichzeitig der größte Schritt zu mehr Energieeffizienz, denn die hohen Energieverluste bei der Förderung, der Aufbereitung und dem Transport fossiler und atomarer Primärenergie werden dann drastisch reduziert. Der Schwerpunkt energiewirtschaftlicher Investitionen verlagert sich von der Energielieferung auf die Bereitstellung der Anlagentechnik zum regionalen und lokalen Einsammeln und Umwandeln der erneuerbaren Energien. Dezentralisierte Strukturen Eine Solaranlage ist Energieernte- und Umwandlungsanlage zugleich. Somit wird für Gebäude, Siedlungen, Städte und Regionen eine autonome Energiebereitstellung möglich. Entweder ist gar kein Verteilungsaufwand mehr nötig oder einer mit kurzen Wegen. Aus nur wenigen Fremdanbietern in Form der Energiekonzerne werden zahlreiche Selbstversorger und viele lokale bzw. regionale Versorger. Damit verändern sich die Eigentumsverhältnisse für Energieanlagen radikal: Aus scheinbar unumkehrbar monopolisierter

Konzentration wird vielfältige Dezentralisierung – bedingt durch die Technologie und die Soziologie erneuerbarer Energien (Abb. A 2.3 und 4). Diejenigen, die das für utopisch halten, seien an die Entwicklung der Informationstechnologien erinnert. Bis in die 1980er-Jahre hinein entstanden zunächst nur Großrechner in entsprechenden Rechenzentren. Doch die Entwicklung der Mikrotechnologien führte zur radikal dezentralisierten und sogar indivualisierten Computereinführung, die allerdings Festnetze und Nachrichtensatelliten braucht. Für die direkte Nutzung der Solarstrahlung zur Stromerzeugung und der Solarwärme für die Gebäudeheizung benötigt man nicht einmal das zwingend. Das Solarhaus und die Solarsiedlung sind auf keinen kommerziellen Energielieferanten mehr angeweisen. Sie werden zum Solarkollektor, sowohl für den Strom- wie für den Heizungsbedarf. Nach der Amortisation der hierfür notwendigen Technik ist die genutzte Energie kostenfrei. Je energieeffizienter gebaut worden ist, desto kostengünstiger ist der Weg zu erneuerbaren Energien. Die Möglichkeit des vollständigen Energiewechsels

Anhand des – quantitativ alle herkömmlichen Energiequellen weit übertreffenden – natürlichen Potenzials der verfügbaren Technologien,

deren Anwendungsmöglichkeiten und der Bereitschaft zu kreativem praktischen Mitdenken lässt sich plausibel darlegen, dass es durchaus möglich ist, herkömmliche Energien durch erneuerbare zu ersetzen. Beispiel Strom Nach Angabe der Internationalen EnergieAgentur lag der jährliche kommerzielle Stromverbrauch z. B. 2001 weltweit bei 15,5 Billionen kWh. Um diese Strommenge ausschließlich durch Windkraft bereitzustellen, müssten – ausgehend von 5-MW-Anlagen, die unter mittleren Windgeschwindigkeiten 12 Millionen kWh im Jahr erzeugen – weltweit 1,25 Millionen Windkraftanlagen auf der Erde aufgestellt sein. Um dieselbe Strommenge mit Photovoltaikanlagen zu erzeugen, müssten – setzt man eine Produktionsleistung von 75 kWh Strom pro m2 Solarzellenfläche und Jahr an (was ein relativ geringer Wert unter deutschen Einstrahlungsbedingungen ist) – weltweit rund 210 000 km2 Solarzellen installiert werden. Das ist deutlich weniger als die allein in der EU überbaute Fläche, in die Solarzellen vielfältig integriert werden könnten. Bei solarthermischen Kraftwerken müssten es – gemessen daran, dass pro Hektar Kollektorfläche etwa 10 Millionen kWh produziert werden – weltweit 155 000 km2 Kollektorfläche sein.

Atomenergie

Kohle / Gas Erdöl

Biomasse

Photovoltaik

Windkraft

Kleinwasserkraft

Solarwärme

Großwasserkraft / solarth. Kraftwerke

solarer Wasserstoff (großtechn.)

solarer Wasserstoff (kleintechn.)

Primärenergieangebot

°

°

•

–

–

–

–

–

–

–

Primärenergiehandel

°

°

•

–

–

–

–

–

–

–

Energieaufbereitung

°

°

•

–

–

–

–

–

°

•

Herstellung von Umwandlungstechniken

°

°

°

°

°

°

•

°

°

°

Umwandlung in Kraftwerken

°

°

•

•

•

•

–

°

•

•

Stromtransport / Sekundärenergiehandel

°

°

•

•

•

•

–

°

°

•

Finanzierung der Kraftwerke

°

°

•

•

•

•

•

°

°

•

° Konzentrations- und Monopolisierungsprozesse sind vorprogrammiert (außer bei Kraft-Wärme-Koppelungsanlagen). • Konzentrations- und Monopolisierungsprozesse sind technisch wie politisch vermeidbar oder unmöglich. – entfällt A 2.4

16

Energiewende

jährliche Sonneneinstrahlung auf die Erde

Erdöl Erdgas

Kohle Uran weltweiter jährlicher Energieverbrauch A 2.5

Beispiel Heizwärme Um den gegenwärtigen Wärmeenergiebedarf der Weltbevölkerung durch Sonnenwärme zu befriedigen, würden – gemessen am Verbrauch 2001 in Höhe von 3,34 Billionen kWh – 15 000 km2 Solarkollektoren reichen, berechnet auf der Basis von nur 225 kWh Solarwärmeleistung pro m2 Kollektorfläche. Diese Hochrechnungen zeigen nur einzelne Optionen erneuerbarer Energien auf. Schon das Strombeispiel macht deutlich, dass der weltweite Bedarf mit jeder der drei aufgeführten Optionen gedeckt wäre. Dass das natürliche Energiepotenzial noch weit umfangreichere technische Aktivierungen ermöglicht, ergibt sich aus der Tatsache, dass die Sonne mit ihren Derivaten Wind, Wellen, Wasser und Biomasse dem Erdball täglich 15 000-mal mehr Energie liefert, als wir derzeit in Form von atomaren und fossilen Energien verbrauchen (Abb. A 2.6). Es gibt also weder ein mangelndes Energiepotenzial noch eine durch die Technik gesetzte Grenze. Denn es geht bei dem erforderlichen Produktionsvolumen für Anlagen um Produktionsleistungen, die in anderen Industriesektoren seit Langem üblich sind. Auch hier kann und wird künftig erneuerbare Energie eingesetzt werden. Worin soll also das prinzipielle Hindernis bestehen? Die vorgestellten Hochrechnungen dienen allein der Öffnung der Gedanken. Mit jedem Schritt näherer und differenzierterer Betrachtung des natürlichen und technischen Anwendungspotenzials wird die praktische Attraktivität erneuerbarer Energien größer. Schon die Bandbreite der hier vorgestellten Möglichkeiten zeigt, dass eine weltweite Energieversorgung allein mit erneuerbaren Energien, auch bei wachsendem Energiebedarf in Entwicklungsländern, bereits heute realisierbar ist. Die Mischungsverhältnisse sind von Land zu Land, Region zu Region, Gemeinde zu Gemeinde, Haus zu Haus unterschiedlich. Welche Mischung realisiert wird, ist von vielen einzelnen Faktoren abhängig: von Energieeinspareffekten, die parallel zur Ausbreitung erneuerbarer Energien den Energiebedarf senken; von den jeweiligen geografischen

A 2.6

Bedingungen und natürlichen Angeboten; von der jeweiligen Entwicklungsreife der Techniken, ihrem Industrialisierungsgrad und ihrer Kostenentwicklung; von der Aufgeschlossenheit der Wirtschaftsunternehmen und nicht zuletzt von politischen Konzepten und dem öffentlichen Bewusstsein – also von sozialen Faktoren. Die Uniformität der Energieversorgungsstrukturen und des Energieverbrauchs, die sich auf der Basis der fossilen Energien herausgebildet haben, werden der Vergangenheit angehören. Jedes Land, jede Region wird eine spezifische und dabei vielfältige Energiebasis bekommen. Die Weltenergieversorgung mit erneuerbaren Energien wird eine »multikulturelle« sein. Natürlich sind vielerlei einzelne Anstrengungen nötig, wie z. B. das deutsche Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG), um diese Vision zu realisieren. Aber diese Anforderungen sind nicht komplizierter und aufwendiger als die Entwicklung und Produktion der Satelliten-, Luftfahrt-, Kommunikations-, Medizin- oder Waffentechnik – und mit Abstand weniger komplex als die Atomtechnik. Die Behauptung, es sei nicht möglich mit erneuerbaren Energien zu einer umfassenden Energieversorgung zu kommen, diskreditiert viele Berufssparten, wie die der Physiker, Chemiker, Ingenieure, Architekten, und deren kreatives Potenzial. Chancen für die Bauwirtschaft

Die Bauwirtschaft, einschließlich Bauindustrie und -handwerk, könnte neben der Landwirtschaft den größten Aufschwung mit der Energiewende erleben, wenn sie die Chancen des solaren Bauens für sich nutzt. Zahlreiche neue Baumaterialien und Bauweisen – vom wärmedämmenden und zugleich stromproduzierenden Glas bis hin zu energiesparenden Holzkonstruktionen – könnten dabei zum Einsatz kommen. Jedes Gebäude muss, um die kostenlose Sonnenenergie für Wärme- und Kühlzwecke optimal nutzen zu können, auf eine der Topografie und den bioklimatischen örtlichen Bedingungen angepasste Weise ausgerichtet werden – jeweils als ein Solarkonzept für sich. Zahllose Beispiele aus der Praxis zeigen, dass dies möglich ist: Wohnhäuser etwa, auch Alt-

bauten, Fertighäuser, Schulen, Gemeindeoder Bürogebäude, sogar Produktionsstätten decken ihren gesamten Energiebedarf – Strom und Wärme – autonom mit erneuerbaren Energien, und einige produzieren als Plus-Energie-Haus sogar Überschüsse. Ihre Eigentümer gehören überwiegend zu den Durchschnittsverdienern. Stellen wir uns vor, dass immer mehr Hausbesitzer in dieser Weise umdenken, und schließlich alle – weil es zur sozialen Selbstverständlichkeit wird. Die Menschen wären die Sorgen wegen steigender Energiepreise los, die Stadtluft wäre sauberer, die Zahl der Kranken würde sinken. Verändert wäre das Stadtbild, vor allem die Dachlandschaften, denn statt stumpf wirkender Dachziegel gäbe es viele kristallblaue und andersfarbige Solaranlagen. Immerhin geht es hier – Strom-, Wärme- und Kühlungsbedarf in Gebäuden zusammengenommen – um einen wesentlichen Teil der Problemlösung. Die solare Umrüstung des Gebäudebestands und solare Neubauten sind der »goldene Boden« für Bauhandwerk, Architektur und Bauwesen. Der Durchbruch in der Bauwirtschaft kommt mit der Auftragsmenge und mit dem Paradigmenwechsel bei Architekten. Immer mehr Bürger werden die individuellen und sozialen Vorteile dieser Entwicklung erkennen und sich daran orientieren. Da Strom-, Wärme- und Kühlbedarf in Gebäuden etwa die Hälfte des Gesamtenergiebedarfs der Gesellschaft ausmachen, ist diese Umorientierung der wichtigste Faktor der Energiewende, eines grundlegenden Systemwechsels. Dieser ist unaufhaltbar. Die einzig offene Frage ist, wie lange wir zur praktischen Neuorientierung brauchen. Kein Zweifel besteht mehr daran, dass wir aufgrund der sich zuspitzenden Energie- und Umweltkrisen keine Zeit mehr verlieren dürfen. Die Neuorientierung ist kein technologisches Problem mehr und auch – wenn wir richtig rechnen – kein wirtschaftliches. Es ist ein politisches und ein kulturelles, denn die Beschleunigungsfaktoren sind die Politik und diejenigen gesellschaftlichen Akteure, die sich in ihrem Gestaltungsrahmen für diesen Energiewechsel entscheiden – im Eigen- und im Gesamtinteresse.

17

Architektur und Nachhaltigkeit – eine schwierige Beziehung Robert Kaltenbrunner

A 3.1

A 3.1

A 3.2

18

Photovoltaikmodule in der Dachfläche, Ateliergebäude, Dresden (D) 2003, Haller Morgenstern Quincke Umweltbundesamt, Dessau (D) 2005, Sauerbruch Hutton

Vermutlich denkt man nicht zuerst an Einstein, wenn von nachhaltiger Architektur die Rede ist. Und doch bieten seine Erkenntnisse einen so ungewöhnlichen wie notwendigen Zugang zu diesem Thema. Die klassische Physik kennt die drei Kerngebiete Mechanik, Elektrodynamik und Thermodynamik, die heute noch so bestehen. Allerdings hatten diese sich seit Mitte des 19. Jahrhunderts in ihrer gegenseitigen Beziehung langsam wie Kontinentalplatten verschoben. Die eigentliche Leistung Albert Einsteins liegt darin, dass er erkannte, was alle anderen übersahen: An den Faltungszonen zwischen den begrifflichen Kontinenten häuften sich Grenzprobleme, die den Bewohnern der einzelnen Kontinente jeweils nur als randständig erschienen. Erst aus einer nichtspezialisierten Perspektive offenbarten sie sich in ihrer ganzen Brisanz und wurden schließlich zu den Ausgangspunkten von Einsteins wissenschaftlicher Revolution. Solche »Grenzüberschreitungen« braucht es auch heute. Zwar hat das Umweltbewusstsein mittlerweile einen festen Platz im gesellschaftlichen Wertekanon erobert und der offensichtliche Klimawandel setzt die Politik unter erheblichen Aktionsdruck. Dass deswegen aber schon alle möglichen sektoralen Handlungsfelder in durchschlagender Weise auf Nachhaltigkeit getrimmt sind, lässt sich nicht behaupten. Noch immer klafft eine Rationalitätslücke zwischen dem (betriebs-)wirtschaftlich Zweckmäßigen und dem Notwendigen. Die Philosophie des Aristoteles, ein Lebewesen sei nicht an seiner Erscheinung, sondern an seinem Tun und den Reaktionen auf seine Umwelt zu erkennen, sollte endlich auf den Bausektor übertragen werden. So betrachtet, erschließt sich schnell ein anderer, über das einzelne Gebäude hinausgehender Horizont: Ökologische Einzelmaßnahmen machen noch keine Öko-Architektur; Solarzellen und passive Sonnennutzung, ins Haus integrierte Gewächshäuser, Fassadenbegrünung und Wärmedämmung sind längst nicht hinreichend für ein wirklich nachhaltiges Bauen. Bisher lässt sich eher die Optimierung von – wenn auch wichtigen – Einzelaspekten beobachten, weniger ein Gesamtkonzept nachhaltigkeitsorientierter Planungsprinzipien. Ebenso wird

derzeit stärker Bezug auf das einzelne Gebäude als auf den Siedlungszusammenhang genommen. Nachhaltigkeit funktioniert eben nicht wie die Automobilindustrie, die permanent den »neuesten Stand« der Fortentwicklung aller Systeme verkündet. Die Gewichtung der Betrachtungsebenen

Mögen klare Kriterien und halbwegs messbare Indikatoren von Nachhaltigkeit auf der konkreten Gebäudeebene noch benennbar sein, so wird man kaum behaupten können, dass es aus Sicht von Städtebau und Stadtökologie bereits einen tragfähigen Ansatz zur Bestimmung und Realisierung einer optimalen Relation aus Dichte, Stadtgröße, Umwelt- und Lebensqualität gibt. Schon die Frage nach Art und Lage des Grundstücks kann die Parameter für ein nachhaltiges Bauprojekt entscheidend verändern. Beispielsweise führen die einzelwirtschaftlichen Standortentscheidungen von Haushalten und Betrieben in Richtung Stadtumland in der Summe zu erheblichen ungedeckten Folgekosten oder Externalitäten – vor allem in den Bereichen Infrastruktur, Verkehr, Umwelt und Städtebau. Damit sind gesellschaftliche Nachteile verbunden, die in die Bilanzierung von (individuellen wie gesamtwirtschaftlichen) Kosten und Nutzen der Suburbanisierung bisher nicht hinreichend eingehen. Insofern hängt die auf den Bauprozess bezogene Bilanz stark vom Standpunkt des Beobachters ab; sie ist also nicht zuletzt weltanschaulicher Natur. Einerseits steht einer entscheidenden Breitenwirkung des nachhaltigen Bauens augenscheinlich jener Druck der Sachzwänge gegenüber, der mitunter dazu führt, dass bereits erreichte Qualitätsstandards – gerade bei privater Finanzierung – eher zurückgeschraubt als zu einer allgemeingültigen Mindestgrundlage gemacht werden. Andererseits wird bei speziellen Bauvorhaben namentlich der öffentlichen Hand – sei es nun beim Umweltbundesamt in Dessau oder Norman Fosters Commerzbankhochhaus in Frankfurt – viel Wert auf »Ecological Correctness« gelegt, schon aus Gründen eines zukunftsgewandten Marketings (Abb A 3.2). So bleibt eine interpretatorische Kluft. Manche singen das Hohelied des Erfolges: Nachhaltigkeit stellt mittlerweile

Architektur und Nachhaltigkeit – eine schwierige Beziehung

ein anerkanntes Ziel des Bauens dar. Andere monieren, dass man noch immer verharre bzw. sogar zurückgefallen sei – im Glauben, dass technisch alles mach- und beherrschbar sei, dass mithin der Komplexität der Aufgabe nicht hinreichend Rechnung getragen würde. Diese Ambivalenz ist fürs Erste kaum aufzuheben. Indes soll es hier weniger darum gehen, ein Urteil zu fällen, als vielmehr auf einige Aspekte aufmerksam zu machen, die bislang vielleicht zu kurz kamen. Ob nachhaltig, ökologisch, ressourcenschonend, umweltgerecht, biologisch oder energiesparend: Gleichgültig, unter welcher Überschrift man sie einordnen möchte, auf eine solche Art zu bauen, erhebt den Anspruch, dezentral, integriert und selbstgenügsam zu sein. Allen Begriffen gemein jedoch ist die Herkunft aus den 1960er-Jahren, in denen das etablierte System ins Kreuzfeuer vornehmlich jugendlicher Kritik geriet. Sie entstammen somit einer sozialen Bewegung, nicht bloß einer technischen Innovation. Freimut Duve fasste einmal stellvertretend in Worte, wie weit der Glaube reiche: »Die zentralistischen großtechnologischen Systeme – Verkehr, Versorgung und Fernsehen – ebnen die historischen Städte ein. Ökologisches Bauen, die Suche nach dem verlorenen Menschenmaß in der Stadt könnte ihr wieder Gesicht und Eigenheit geben« [1]. Ein ambitionierter Anspruch also, dem bislang jedoch auf seinem Weg in unsere Alltagswirklichkeit nicht durchgängig Glück beschieden war.

In der Diskussion, die hierzulande geführt wird, erscheint Nachhaltigkeit – besonders wenn sie auf Innovation und Hochtechnologie bezogen wird – wie eine Dame ohne Unterleib, abgeschnitten von kulturellen Faktoren und sozialen Katalysatoren, ohne die noch nicht einmal die aseptisch gedachten wissenschaftlichen Entdeckungen, geschweige denn ihr gesellschaftlicher Gebrauch denkbar wären [2]. Photovoltaik, Passivhausstandard, Wärmerückgewinnung – bloße naturwissenschaftlich-technische Ansätze – greifen nicht, was mitunter in der Fachgemeinde selbst moniert wird: »Die Denkweise der Bauingenieure ist vorwiegend technisch-rational und zu wenig auf die Komplexität des menschlichen Verhaltens ausgerichtet. Dem Bauingenieur fehlen gesellschaftspolitische Denkansätze und Strategien zur Durchsetzung seiner Ziele« [3]. Aber auch die Architekten sind nicht ausreichend darauf eingestellt, wie es etwa die gängige Architekturlehre manifestiert: Sie wird entweder vom Primat der Gestaltung oder von einer gewissen Unterkomplexität, indem reine Teilaspekte im Vordergrund stehen, dominiert. Gesellschaftlich-kulturelle Akzeptanz

Die häufige Verkürzung von Nachhaltigkeit auf Innovation, Wissenschaft und Technologie verkennt die außerordentliche Bedeutung von konzeptionellen Inspiratoren, deren visionäre Arbeit im Entwurf einer Zusammenschau bestand. Diese Zusammenschau stellte die

zahllosen Einzelergebnisse aus Naturwissenschaften und technologischer Forschung plötzlich in einen neuen Kontext. Richard Buckminster Fuller, der mit seinem Diktum »think global – act local« Geschichte schrieb, prägte vor mehr als sechs Jahrzehnten den Begriff »Cosmic Conceptioning«. Gemeint ist die Fähigkeit, komplexe Zusammenhänge für Erhalt und Pflege der Lebensgrundlage nicht nur zu erkennen, sondern im Denken und Handeln wirksam werden zu lassen – vor allem in einer präzisen Modellierarbeit von Ereignismustern, ihren Veränderungen und Transformationen. Als noch keine Rede sein konnte von Energiekrise, Umweltbelastung und Zerstörung des globalen Ökosystems, arbeitete Fuller bereits antizipatorisch an Konzepten zur Lösung dieser künftigen Probleme. »Die Quelle aller Kräfte«, so diagnostizierte er, »die der Mensch für die Handhabung aller seiner Instrumente – belebter wie unbelebter – braucht, ist die Sonne. (…) Das Entwerfen von Behausungen auf wissenschaftlicher Grundlage ist den Sternen mehr verbunden als der Erde« [4]. Buckminster Fullers Wirken stand unter dem Motto »How to make the world work« – so als sei ihm irgendwo in der Einöde eine Kiste mit Maschinenteilen, ganzen und zerbrochenen, zugeschickt worden, die er jetzt mithilfe einer Bedienungsanleitung und Improvisation zu einem funktionierenden Ganzen zusammenbauen muss. Die Information der Teile über ihr Funktionieren im Ganzen wird zur Ausgangs frage für Fullers »Systems Approach«; die Lösungsstrategie setzt bei der Integration der Einzelfunktionen an. Er sieht die Erde als integral konstruierte Maschine an, die zum Zweck dauerhafter Leistungsfähigkeit als Ganzes begriffen und bedient werden müsse. Wenn Fuller seine Schrift nun »Bedienungsanleitung« nennt, dann will er damit vor allem auf deren Fehlen hinweisen. Die Menschheit lebe auf der Erde, ohne ein Anleitungsbuch für die richtige Bedienung an die Hand bekommen zu haben. Gemessen an der unendlichen Sorgfalt, mit der alle Details des »Raumschiffs Erde« ab ovo festgelegt worden seien, müsse man das Fehlen einer Bedienungsanleitung als absichtlich und planvoll ansehen. Eben diese bewusste Abwesenheit hat nun aber ihr effektiv Gutes. Denn dies zwinge dazu, »unseren Intellekt zu gebrauchen, und das ist unsere höchste Fähigkeit, mit der wir wissenschaftliche Experimente anstellen und die Bedeutung experimenteller Ergebnisse wirksam interpretieren können. Gerade weil die Bedienungsanleitung bisher gefehlt hat, lernen wir zu antizipieren, welche Konsequenzen sich aus einer steigenden Anzahl von Alternativen ergeben, um unser Überleben und Wachstum befriedigend zu erweitern – physisch und metaphysisch« [5]. Nachhaltige Entwicklung, nachhaltiges Bauen gibt es demnach nur als Synthese von technologischingenieurmäßigen Handeln und gesellschaftspolitischen, wertebasierten und werteorientierten »Ansprüchen«.

A 3.2

19

Architektur und Nachhaltigkeit – eine schwierige Beziehung

A 3.3 A 3.4 A 3.5

Piazza XXIV Maggio, Neugestaltung, Cormons (I) 1990, Boris Podrecca gewachsene Urbanität, Altstadt von Prag (CZ) Passivhauswohnanlage, Salzburg (A) 2006, sps-architekten

Im Kanon dieser Ansprüche wird etwa Mobilität nicht ausreichend berücksichtigt, obgleich die Geschichte der Moderne auch die Geschichte der modernen Mobilität ist. Bauen für die künftige Gesellschaft heißt, die Wechselwirkung zwischen Mobilität und Moderne gestaltend zu akzeptieren. Der enge Bezug sei kurz veranschaulicht: Frank Lloyd Wright hatte diesen als einer der ersten mit seiner »Broadacre City« dargestellt, und die kompromisslose Radikalität, mit der in Le Corbusiers »Ville Contemporaine« oder »Plan Voisin« dem Auto Platz geschaffen wird, bleibt unübertroffen. Doch im europäischen Rahmen signalisierte die gegliederte und aufgelockerte, später die autogerechte Stadt, das, was der Beweggrund für die künftige Entwicklung werden sollte: Das Auto avancierte zum »Spiritus Rector« des Städtebaus, spielte die Rolle des Katalysators, an dem sich urbanistische Konzepte schieden und erwies sich als Sprengsatz historischer Stadtstrukturen. Denn dort, wo das 19. Jahrhundert mit seinen Verwaltungs- und Erziehungsanstalten nur insulär in bestehende Bereiche einbrach und auch der Zweite Weltkrieg die zugrunde liegenden jahrhundertealten Parzellierungsmuster nicht antasten konnte, wurden nach dem Diktat des neuen städtebaulichen Paradigmas solche Grenzen buchstäblich überfahren. In den 1960er-Jahren blieb der Zusammenhang zwischen Automobil und Raumstruktur als urbanistische Stellgröße präsent. Die sich abzeichnende »Verflüssigung« des Raumes infolge der Automobilität wurde als positive Entwicklung gewertet und durch den extensiven Autobahn- und Straßenausbau gefördert – so begann die sich spiralförmig hochschraubende Wechselbeziehung von Infrastrukturangebot und Motorisierungsgrad. In den letzten Jahren verloren räumliche Nähe und direkte Nachbarschaft zunehmend an Bedeutung, während Entfernung nun zu einer vorrangig zeitlichen Kategorie wurde. Und da liegt auch das Dilemma: Wenn Mobilität die Grundlage gesellschaftlicher Austauschprozesse ist und sie an ihrer Umsetzung in Verkehr zu ersticken droht, so beschreibt das nicht ein Ärgernis, sondern geht an die Substanz.

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Der Paradigmenwechsel in unserer Gesellschaft – weg vom einseitigen Wirtschaftswachstum, hin zu mehr Lebensqualität – spielt ebenfalls eine nicht zu unterschätzende Rolle, doch keineswegs eine nur positive: Denn in diesem »mehr Lebensqualität« kommt z. B. zum Ausdruck, dass Familien und Haushalte heute ein höheres »Wohn-Begehren« als früher haben. Unsere Gesellschaft spricht von nachhaltig und verbraucht gleichzeitig immer mehr Fläche. Laut Statistischem Bundesamt betrug 2005 die Pro-Kopf-Wohnfläche bundesweit ca. 42 m2. So stößt man bei dieser Frage sehr schnell auf politische und kulturelle Grundwerte unserer Gesellschaft: privates Eigentum, Abgeschlossenheit und Unabhängigkeit der Privatsphäre. Diese Werte sind aufs Engste mit der Hoffnung auf individuelle Autonomie verknüpft. Jeder Versuch, die Trends zu immer kleineren Haushalten und immer größeren Wohnflächen zu stoppen, die Inanspruchnahme von Siedlungsflächen zu bremsen, kämpft daher nicht nur gegen rücksichtslosen Landschaftsverbrauch, vergnügungssüchtigen Konsumismus und großstädtische Vereinzelung, sondern auch gegen die historische Errungenschaft individueller Unabhängigkeit. Steigender Wohnflächenbedarf stellt ein reales Anliegen dar, mit dem man sich beim Stichwort »nachhaltiges Bauen« produktiv auseinandersetzen muss, d. h. systematisch danach zu fragen, ob viele Menschen nicht auch gute Gründe dafür haben, an den »schädlichen« Lebensweisen festzuhalten, nämlich ihre Hoffnungen auf individuelle Autonomie, auf Befreiung von Mühe und Arbeit. Nur wenn es gelingt, ein neues identitätsstiftendes Bild vom Bauen und Wohnen zu formulieren, in dem das Streben nach einem angenehmen Leben mit den Grenzen seiner natürlichen Grundlagen versöhnt ist, kann das ökologisch Notwendige auch politisch machbar und mehrheitsfähig werden. Das impliziert wiederum zweierlei. Zum einen die Frage, ob das Bedürfnis auf nicht-dirigistische Weise beeinflussbar ist. Dass die Nachfrage das Angebot bestimmt, ist eine eherne Weisheit der Marktwirtschaft, und sie scheint auch unserer Gesellschaft in Fleisch und Blut übergegangen zu sein. Problematisiert wird sie

kaum mehr, so als sei die Nachfrage etwas Festgelegtes, nicht wiederum das Ergebnis von Wünschen, also Bedürfnissen, die immer wieder neu erzeugt werden (können) [6]. Zum anderen stellt sich die Frage, ob die siedlungsstrukturelle Entwicklung der jüngeren Vergangenheit tatsächlich nachhaltig ist. Dies ist zwar mit guten Argumenten in Abrede gestellt worden, aber sie offenbart auch insgesamt einen notwendigen Funktions- und Bedeutungswandel der Stadt im 21. Jahrhundert, indem sie weder dynamischen noch normativen Gesetzen folgt. Stadtplanung hat damit per se einen schwierigen Part, fordert sie doch von Bürgern, Architekten und Politikern ein neues Bewusstsein für den Bestand, für nachhaltiges, ressourcenschonendes Bauen, mehr Denkmalschutz und weniger Prosperität. Historische Bausubstanz gehört, wie der Boden, zu den nicht vermehrbaren und vor allem zu den nicht mehr wiederholbaren Ressourcen unserer Umwelt. Was bedeutet der behutsame und schonende Umgang mit dem bereits Gebauten anderes als eine nachhaltige Strategie, die grundsätzlich Anpassungsfähigkeit und Wiedernutzbarkeit unterstellt, die also Altbauten eine zweite Chance gibt? Bei allen Fortschritten, die im Neubau bereits verwirklicht wurden, darf man nicht übersehen, dass das größte ökologische Potenzial im Bereich der Bestandssanierung liegt. Eine »kluge« Ressourcennutzung muss in der Architektur und im Städtebau einen Paradigmenwechsel begründen, der gesellschaftlich getragen wird: weg von der marktwirtschaftlich orientierten Schnelllebigkeit im Lebenszyklus, hin zu einer neuen Wertschätzung der Dauerhaftigkeit. Wenn es ein Grundprinzip der Nachhaltigkeit ist, in vernetzten Zusammenhängen zu denken, dann reichen diese Zusammenhänge, bildlich gesprochen, über die Grenzen des Grünstreifens hinaus und umfassen nahezu alle Muster unserer sozialen, ökonomischen und politischen Wertbestimmung. So wird über kurz oder lang auch nachhaltiges Bauen nicht länger als unverbindliche Lebensstiloption mit privatem Weltanschauungszusatz – und prallem Geldbeutel – zu missverstehen sein [7]. Die bisherigen Ansätze sind ein erster Schritt, aber noch keine Lösung. Nachdem die moderne Architektur ökologische

Was heißt »mehr Lebensqualität«?

Architektur und Nachhaltigkeit – eine schwierige Beziehung

Aspekte und Klimafragen sowie Heizkosten jahrelang als lösbare Probleme und deshalb als zu vernachlässigende Größen behandelt hat, ist heute die bessere Orientierung und Dämmung von Gebäuden nicht mehr alternativ, sondern Gebot. Fraglos ist hier viel erreicht worden, auch über den »Green Glamour« als Ausdruck individueller Gewissensberuhigung hinaus. Eine Architektur mit dem Anspruch etwas Integriertes, Vernetztes, Umweltbewusstes zu schaffen, bliebe letztlich »gleichgültige Technologie, ob hart, ob sanft, wenn nicht subjektive semantische Energien das technische Konstruktionsgerippe zu einem Bild eines anderen Lebens ergänzen können« [8]. Mit Bepflanzung, Brennwertkesseln, Solarzellen, recycelbaren Baustoffen und Energiekostenvergleichen ist es demnach nicht getan. Vielmehr und ganz entschieden handelt es sich um eine Frage der Bereitschaft, Bewusstwerdung und mentalen Veränderung. Diese Frage haben sich weder Architekten und Bauträger noch Bewohner und Betreiber in der notwendigen Tiefe gestellt [9]. So muss man keineswegs Anhänger eines geschichtsphilosophischen Fatalismus sein, um vorauszusehen, dass das Thema seine eigentliche Brisanz noch nicht erreicht hat. Problem: mangelnde Sinnlichkeit

Dabei wird man zugeben müssen, dass rationale, wissenschaftlich begründete Erkenntnisse darüber, wie nachhaltiges Bauen strukturiert sein müsste, bereits vorliegen. Dennoch bleibt

ihr Transfer in das Bauwesen weitgehend aus. Weder Hochschulen noch Fachmedien zeigen diesbezüglich großes Engagement. Eine Frage, die zwar selten offen angesprochen, gleichwohl aber von immenser Bedeutung ist, ist die der Form und Erscheinung, weil sie eine Kerndomäne anspricht. Wie sieht eine Architektur des nachhaltigen Bauens aus? Hier lassen sich unterschiedlich relevante Tendenzen benennen. Am auffälligsten ist, dass sich weder Architekten noch Medien besonders dafür begeistern. Gerade die Grundhaltung, wie sie etwa Peter Eisenman einmal zum Ausdruck brachte, ist selbstredend: »To talk to me about sustainability is like talking to me about giving birth. Am I against giving birth? No. But would I like to spend my time doing it? Not really. I’d rather go to a baseball game« [10]. Nachhaltigkeit scheint für Intellektuelle oder Künstlernaturen ein sprödes Thema zu sein, und »ökologische Architektur« ein Label, das viele abschreckt. Das lässt sich wahrscheinlich darauf zurückführen, dass frühe ökologische Architektur an Wohn- und Lebensformen (wie z. B. Aussteigermodelle, Landkommunen) gebunden war, die den konventionellen widersprachen. Vielleicht wird hier unbewusst, doch durchaus spürbar, der scheinbare Gegensatz von Nachhaltigkeit und Gestaltung kultiviert. Auf der Suche nach einer visuellen, ästhetischen Identität ökologischer Architektur können viele Konzepte, Grundregeln, Normen usw. bislang nicht sehr viel weiterhelfen. Will man etwa

Umweltenergien sinnvoll in das Gebäudekonzept direkt oder eben indirekt einbeziehen, so kann dies nicht ohne Auswirkungen auf die bauliche Gestalt bleiben. Ansätze, das nachhaltige Bauen in eine zeitgenössische »Architektursprache« zu übertragen, existieren. Hier sei nur auf die Idee der »Natürlichen Konstruktionen« [11] und auf den Münchner Architekten Thomas Herzog mit seinen so intelligenten wie erfrischenden Baukonzepten verwiesen. Aber wirklich bahnbrechend wurde diese Form der Umsetzung nicht; und es gibt auch keine Anzeichen dafür, dass sich dies ändert – woran wiederum die Medien keineswegs unschuldig sind. Trotz aller Lippenbekenntnisse hat die Nachhaltigkeit es auch hier schwer – angesichts eines sensationshungrigen Markts und der wirksamen Selektionsmechanismen. Man braucht nur auf den Umstand hinzuweisen, dass in unserer Zeit die Zuweisungskriterien für Qualität subjektiv sind, dass Geschmäcker wie Zwecke der Objektivität entbehren. Andererseits werden wir durch diese Freiheit an Subjektivität nicht recht froh: Wir möchten unsere Auffassungen teilen. Dabei hört man in der Regel auf diejenigen, auf die schon viele andere hören. Geschmäcker neigen darum zu einer gewissen Homogenisierung und Konventionalisierung. Hier nun finden die Medien ihre Rolle: Sie kanalisieren die öffentliche Debatte, über die Qualität zugeteilt wird. Zur Architektur zählt, was einer Besprechung in den Medien wert ist. Das Publizieren hat folglich die Stellung des

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Architektur und Nachhaltigkeit – eine schwierige Beziehung

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Konsens in der Diskussion von Argumenten übernommen. Und da Nachhaltigkeit sehr komplex und wenig bildhaft ist, dominieren nach wie vor andere Topoi. Mit dem nachhaltigen Bauen steht nicht zuletzt das berufliche Selbstverständnis der Architekten auf dem Prüfstand. Günter Moewes etwa ist der Meinung, dass vieles von dem, was unter »ökologischem Bauen« reüssiert, lediglich den Eindruck des Umweltgerechten zu erwecken scheint: »Das wirkliche ökologische Bauen ist dem ›konventionellen‹ Bauen des frühen 20. Jahrhunderts ähnlicher als der heutigen Meinungsarchitektur.« Beispielsweise seien KarlJosef Schattners Umbauten in Eichstätt oder der Wohnungsbau eines Otto Steidle »gewiss ökologischer als die vielen frei stehenden, kurzlebigen, begrünten Holzhäuschen des vermeintlich ökologischen Bauens« [12]. Schlüsselbegriff für eine solche Wertung ist die Entropie. Dieser Begriff entstammt der Physik und basiert auf dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Demzufolge laufen in einem geschlossenen System alle Vorgänge nur in einer Richtung ab: von Zuständen höherer zu Zuständen niedriger Ordnung. Entropie ist der Grad dieser stets zunehmenden Vermischung und Zerstreuung; sie ist demnach ein Zustand und kein Vorgang. Auch die Erde stellt sich als weitgehend geschlossenes System dar, da die einzig nennenswerte Größe, die eindringt, die Sonneneinstrahlung ist. Deshalb ist eine Zielenergie nur durch gleichzeitige Vermehrung der Entropie an anderer Stelle zu haben, wie das Beispiel der Dampfmaschine zeigt, deren Kraft nur durch eine ungleich höhere Produktion von sinnloser Abfallwärme erzeugt werden kann. Da nun unser ganzes Wirtschaften so – und nur so – funktioniert, steht man offenkundig vor einem gravierenden, quasi naturgesetzlichen Problem. Statt nun das Ruder herumzuwerfen, leistet die Architektur dem auch noch Vorschub. »Genau diese aus den PublicRelations-Mechanismen des Wirtschaftens geborene Novitätensucht führt in die Entropie, in den überall gleichen Brei aus punktuell Anderem. Wenn alle auf dem Individualitätstrip sind, ist dies ein Verlust von Individualität. Überall das gleiche Gemisch extremer Unikate – das wäre die Höchstform städtebaulicher Entropie« [13].

Die Notwendigkeit alltagstauglicher Beispiele

Um das Thema des nachhaltigen Bauens stärker in der breiten Öffentlichkeit und im »normalen« Bauen zu verankern, bedarf es nicht so sehr exzeptioneller Öko-Avantgarde-Projekte – die gibt es bereits. Vielmehr wären praktische Beispiele vorzuführen, müsste der Gebrauch von kostengünstigen, quasi alltäglichen, d. h. bereits gängigen und bewährten Technologien im Lebensalltag vieler bewiesen und anschaulich gemacht werden [14]. Eine Art Versuchsanordnung stellten die so genannten Energiesparhäuser am Lützowufer in Berlin dar [15]; ein weiteres Referenzprojekt ist die »Solar City« in Linz. Aus beiden lassen sich einige grundsätzliche Erfahrungen ziehen. Wenn man davon ausgeht, dass Architektur zu ihrem Betrachter zu »sprechen« habe, dann ist das »Ökologische« der mit eben diesem Attribut versehenen Häuser nicht gerade eloquent. Sie bleiben im Rahmen der Konvention, sind »architecture parlante« lediglich insofern, als sie mit be- und anerkannten Bildern des Wohnens arbeiten, allenfalls akzentuiert durch das

Attribut eines Sonnenkollektors. Gerade das aber gereicht ihnen wiederum zum Vorteil. Sie machen deutlich: Es gibt keinen »Öko«- oder auch nur »Energiespar«-Stil. Ein solches Bauen verlangt keine einheitliche Ästhetik und keine allgemeinverbindlichen Regeln, außer die eines vernünftigen, die Umwelt nicht zerstörenden (zumindest nicht verschmutzenden) Verhaltens. Insofern ist auch der gerne angeführte Widerspruch zwischen Gestaltung und Umweltanspruch lediglich virtuell. Ein Kernproblem liegt im Verhältnis von Investitions- zu Betriebskosten bzw. in dem Umstand, dass Einsparungen nur aufgrund (zunächst) höherer Investitions- und Baukosten möglich sind. Das zu akzeptieren, fällt Bauträgern, Käufern und der öffentlichen Hand schwer. In der nicht-selbstnutzenden Bauherrnschaft, und das ist die Regel, zeigt sich zudem eine nur geringe Bereitschaft, sich offensiv mit den laufenden Aufwendungen – Strom, Wasser, Heizung – auseinanderzusetzen. Diese Rubrik der Betriebskosten wird an den späteren Nutzer weitergegeben, der wiederum an den grundlegen-

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Architektur und Nachhaltigkeit – eine schwierige Beziehung

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Umbau des ehemaligen Friedrich Gymnasiums, Berlin (D) 2004, David Chipperfield Architects Umbau des Alten Hofs, München (D) 2006, Auer + Weber, Peter Kulka Einfamilienhaus, Feldkirch (A) 2003, Walter Unterrainer

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den Entscheidungen nicht beteiligt ist. Es wird viel zu wenig beherzigt, dass ökologische Effekte umso offensichtlicher werden, je mehr sich Sparerfolge unmittelbar in Euro und Cent niederschlagen. Viele gut gemeinte und innovative Vorschläge seitens der Architekten verkennen offenbar tief eingefräste Gewohnheiten. Ein Beispiel: Das Konzept der thermischen Zonierung – gemeint sind wärmere Rückzugsbereiche im Wohnungskern sowie Wintergärten und ähnliche Glasvorbauten an der Südfront – setzt eine adäquate Dauernutzung voraus. Wenn der unbeheizte Wintergarten aus Raumknappheit zum Schlafzimmer gemacht wird, dann zeigt sich, dass althergebrachte Werte wie Behaglichkeit und Wohnlichkeit de facto mit den energetischen Intentionen kollidieren. Bei hoch wärmegedämmten Gebäuden hat das Nutzerverhalten entscheidenden Einfluss auf den Energieverbrauch. Mangelnde Kenntnis, Sorglosigkeit oder technische Überforderung wirken sich dabei negativ aus. Ist man sich dessen nicht permanent bewusst oder stellt der Regelungsbedarf selbst eine Überforderung dar, dann nützen auch die schönsten Maßnahmen wenig. Wer den Anspruch erhebt, der Umwelt und ihren Ressourcen angepasst zu bauen, darf eben nicht auf in sich geschlossene, höchst komplizierte technische Systeme bestehen, zu deren Regulierung es eines ingenieurtechnischen Hochschulabschlusses bedarf. Schumachers Axiom »small is beautiful« bietet eine Art Richtschnur – weniger im ideologischen Sinne als vielmehr in seiner Tendenz, dass nicht Großtechnologien, sondern benutzerorientierte (ergo: kleine), für den Einzelnen handhabbare Systeme zu kultivieren sind. Würde jeder den Anspruch ernst nehmen und daraus ein Programm formulieren, so ginge es nicht mehr nur um die arbeitsteilige Spezialisierung des wirtschaftenden Menschen, sondern tendenziell um ein anderes Menschenbild. Dafür wäre es möglicherweise hilfreich, eher das Spielerische zum Thema des Ausdrucks zu machen als den Verzichtanspruch, in dem doch immer nur Bevormundung mitschwingt [16]. Das Wesen der Architektur wird heute weniger denn je von ihrer physischen Gestalt bestimmt.

Materialien stehen in einem von lokalen oder regionalen Bedingungen losgelösten Überfluss zur Verfügung, ebenso die wählbaren Techniken. Freilich darf eine Architektur, die nachhaltig sein will, sich nicht in technischen Ansätzen oder innovativen Bauprodukten erschöpfen. Die jüngere Geschichte zeigt, dass der Erfolg im Sinne der Nachhaltigkeit janusköpfig ist: Dieser lieferte den Beschwichtigungstaktiken der Politiker gegen die Warnungen vor Umweltkatastrophen vorzeigbare Argumente, ohne dass das System hätte infrage gestellt werden müssen. Indem sich technische Ansätze und Produktinnovationen sogar als ein wirtschaftlicher Zweig ausbauen ließen, wurden sie Teil der Wachstumsideologie, der die ökologische Bewegung mit dem Gegenmodell der Kreislaufwirtschaft entkommen wollte. Dennoch übernimmt die Architektur als räumliches System nach wie vor Ordnungsaufgaben innerhalb der Gesellschaft. Allerdings muss sie sich ihrer Verantwortung neu und wesentlich komplexer als bisher versichern.

Anmerkungen: [1] Duve, Freimut: Editorial. In: Schwarz, Ullrich (Hrsg.): Grünes Bauen. Ansätze einer Öko-Architektur (Reihe: Technologie und Politik). Reinbek 1982, S. 6 [2] Mittelbar wird damit auch ein Kernproblem der Ökologiebewegung tangiert: Die Vorstellung vom ewigen Kreislauf der Natur, an dessen Gesetze die Menschen sich in Demut anzupassen hätten, taugt allenfalls zur Begründung eines ökologischen Autoritarismus, dessen Gefährlichkeit darin läge, dass er selbst nirgends Grenzen finden würde. Die Vorstellung von natürlichen Gleichgewichtszuständen, aus denen sich praktische Normen ableiten ließen, hat etwas Entlastendes gegenüber den Interessenswidersprüchen und politischen Konflikten der Gesellschaft. Wahrscheinlich liegt darin auch ihre Attraktivität. [3] Scheelhaase, Klaus: Ist der Bauingenieur fit für die Zukunft? In: Deutsches Ingenieurblatt, Nr. 7/8 1999, S. 48 [4] Buckminster Fuller, Richard: Nine Chains to the Moon. Philadelphia 1938, S. 67 [5] Buckminster Fuller, Richard: Einflüsse auf meine Arbeit. In: Bedienungsanleitung für das Raumschiff Erde und andere Schriften. Reinbek 1973, S. 32f. und S. 103 [6] Im System der Beziehungen zwischen Mensch und Umwelt sind beide Pole Produkt menschlicher Geschichte, also prinzipiell variabel, und über die

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damit eröffneten Möglichkeiten lässt sich nur nach Maßstäben urteilen, die sich am gewünschten und nicht am natürlichen Leben orientieren. Vgl. den Abschnitt »Öko-Architektur – nur was für Reiche?« In: Beyel, Wolfgang; Nelles, Wilfried (Hrsg.): Wirksame Energienutzung bei der Stadterneuerung – eine soziale und ökologische Notwendigkeit. ARCH+ 51/52. Aachen 1980 Schwarz, Ullrich: Ökologisches Bauen – Schritte aus dem grünen Schattenreich. In: Schwarz, Ullrich (Hrsg.): Grünes Bauen. Ansätze einer Öko-Architektur (Reihe: Technologie und Politik). Reinbek 1982, S. 7f. Über Richtung und Art erforderlicher Veränderungen entscheiden nicht allein Notwendigkeiten der Natur, die Pflege der Ressourcen usw. Es sind vielmehr im Kern politische Ziele und kulturelle Normen, nach denen zu entscheiden ist, wie eine ökologisch verantwortliche Lebensweise beschaffen sein soll. »Mit mir über Nachhaltigkeit zu reden, ähnelt einem Gespräch übers Gebären. Bin ich gegen das Kinderkriegen? Nein. Aber würde ich gerne meine Zeit damit verbringen, es zu tun? Würde ich nicht. Ich würde lieber zu einem Baseball-Spiel gehen.« – Zitat nach Hawthorne, Christopher: The Case for a Green Aesthetic? In: Metropolis. Okt. 2002, S. 113 Die Übersetzung der vielfältigen Bauprinzipien der Natur, ob nun Kieselalgen oder Seifenhäute, in architektonische Tragwerke verweist auf den Grundgedanken von »Natur als Baumeister« oder »Lehrmeister«. Vielfach wird heute an der Weiterentwicklung dieses Ansatzes gearbeitet – im Bereich der Bionik für dynamisch-evolutionäre Anpassungsprozesse als Verweis auf das Potenzial an die Veränderlichkeit der Natur. Moewes, Günther: Weder Hütten noch Paläste. Architektur und Ökologie in der Arbeitsgesellschaft – Eine Streitschrift. Basel / Berlin / Boston 1995, S. 204 ebd., S. 167f. Das Realmodell einer ökologisch sinnvollen Bauund Wohnweise ist bereits in den 1970er-Jahren in Berkeley verwirklicht worden (vgl. Farallones Institute: The Integral Urban House. Self-Reliant Living in the City. San Francisco 1979). Gleichsam sich selbst überschreitend sollte das Bauen hier auf das Leben übergreifen; ob und inwieweit allerdings das Pionierprojekt noch heute trägt, bleibt offen. Sie wurden im Rahmen der IBA Anfang der 1980erJahre errichtet. Städtebaulich vorgegeben wurde die »Wiederherstellung des Stadtraums am südlichen Kanalufer durch eine Wand aus eng stehenden individualisierten Einzelkörpern«. So entstanden fünf Kuben von etwa 15 ≈ 15 m, deren energetische Unsinnigkeit durch einen gemeinsamen Sockel nur noch betont wird – bauordnungsrechtlich aufgrund eines zu geringen seitlichen Bauwichs gefordert. Behne, Adolf: Der praktische Zweck mache das Haus zum Werkzeug, der Spieltrieb des Gestaltens zum Spielzeug. In: Der moderne Zweckbau Bauwelt Fundamente, Bd. 10. Frankfurt a.M. / Berlin 1964, S. 11

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Die Dinge richtig tun – über Effizienz und Nachhaltigkeit Manfred Hegger

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effiziente Hülle: Seifenblasen – Dachtragwerk Synergien von Umweltschutz und Ökonomie effiziente Oberfläche: Schmetterlingsflügel – geschuppte Metallfassade die langen Wellen der gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Entwicklung nach Nikolai Kondratieff

Forschung und Entwicklung, neue Werkzeuge, innovative Produkte und die globale wirtschaftliche Entwicklung führen es uns täglich vor Augen: Unsere Lebensgrundlagen verbessern sich rapide, insbesondere seit Beginn der Industrialisierung. Der Fortschritt scheint unaufhaltsam. Es gelingt der Menschheit offensichtlich immer besser, ihre fundamentalen Bedürfnisse zu befriedigen. Sie entwickelt hierzu geeignete Technologien und Anwendungen, Netze und Synergien. Die »Theorie der langen Wellen der gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Entwicklung« nach Nikolai Kondratieff besagt, dass es seit Beginn der Industrialisierung gelang, in Zeiträumen von jeweils ca. 50 Jahren grundlegende Bedürfnisse zu decken, was jeweils durch bahnbrechende Innovationen erreicht wurde (Abb. A 4.4) [1, 2]. Bisher war es in vier langen Wellen seit Ende des 18. Jahrhunderts möglich, Arbeit zu erleichtern (1793 –1847), Ressourcen verfügbar zu machen (1847–1893), Urbanität lebenswürdig zu gestalten (1893 –1939) sowie Individualität und Mobilität zu fördern (1939 –1989). Während es zu Beginn eines jeden Zyklus so aussah, als seien die entsprechenden Probleme unlösbar, konnten an seinem Ende im Großen und Ganzen auch weitgesteckte Ziele erreicht werden, zumindest für den entwickelten Teil der Welt. Soweit die gute Nachricht. Richtig ist aber auch, dass ein großer Teil der Welt kaum Anteil an diesen Erfolgen nimmt. Zudem erzeugt die Lösung eines Kernproblems regelmäßig mehrere neue Schwierigkeiten. Einige davon sind zwangsläufig Gegenstand der Problemlösung der nächsten langen Entwicklungsphase. Andere bleiben schlicht unbearbeitet liegen und werden als unvermeidliche negative Randerscheinungen betrachtet. Das wird besonders anschaulich an UmweltFolgeschäden der industriellen Entwicklung und des Abbaus natürlicher Ressourcen. Wo liegen die Gründe hierfür? Reicht es aus, auf die mangelnde menschliche Fähigkeit zur Weitsicht zu verweisen? Überfordert die Grunderkenntnis der Ökologie – alles hängt mit allem zusammen – unser Denken? Schaffen wir uns gerne immer wieder neue Aufgaben? Jeder dieser Erklärungsversuche ist berechtigt, entlastet uns jedoch nicht. Denn die »Kollate-

ralschäden« unseres bisherigen erfolgreichen Handelns gefährden mittlerweile unsere Lebensgrundlagen. Wir sind uns dessen bewusst. Nicht umsonst geht die zeitlich um eine lange Welle fortgeschriebene Theorie nach Kondratieff davon aus, dass der fünfte Zyklus, in dessen Aufschwungphase sich unsere gesellschaftliche und wirtschaftliche Entwicklung nunmehr offensichtlich befindet, nicht die Bereitstellung weiterer materieller Güter als fundamentales Bedürfnis sieht, sondern die Lösung der Probleme der Umwelt. Demzufolge prägen weniger materielle Güter als immaterielle Leistungen wie Wissensnetzwerke unsere Zukunft. Diese Entwicklung scheint bereits so weit fortgeschritten zu sein, dass wir eher vor einem Umsetzungs- oder Handlungsdefizit stehen als vor einem Wissensdefizit. Die richtigen Dinge tun – oder die Dinge richtig tun?

Unser Handeln ist zumeist von unbedingtem Erfolgsstreben geprägt. Daran ist bei oberflächlicher Betrachtung nichts auszusetzen. Schließlich geht es darum, ein definiertes Ziel möglichst vollständig zu erreichen. Doch es kommt auch darauf an, wie man es erreicht. Dazu eine Definition der Begriffe Effektivität und Effizienz: Ein Vorgehen ist dann effektiv, wenn es ein vorgegebenes Ziel erreicht, unabhängig vom Aufwand, den wir für die Erreichung dieses Ziels treiben [3]. Effektiv sein heißt also, die richtigen Dinge zu tun und dabei keinen Aufwand zu scheuen. Effizient ist dagegen ein Verhalten, das zur Erreichung eines Ziels führt und den Aufwand dafür möglichst gering hält. Die ISO 9000 definiert Effizienz als »Verhältnis zwischen dem erzielten Ergebnis und den eingesetzten Mitteln« [4]. Bei Effizienz geht es nicht mehr allein darum, die richtigen Dinge zu tun, sondern die Dinge richtig zu tun. Wirtschaftliche wie ökologische Erwägungen stellen das Prinzip der Effektivität zunehmend infrage. Denn es geht davon aus, dass wir über nahezu unbegrenzte Ressourcen verfügen können. Doch unglücklicherweise hängt unsere Gesellschaft weitgehend von nicht erneuerbaren Ressourcen ab. Und diese

Die Dinge richtig tun – über Effizienz und Nachhaltigkeit

Reduktion von Umweltbelastungen

Reduktion der Kosten

Minimierung des Energieverbrauchs Minimierung des Materialeinsatzes Minimierung toxischer Emissionen

Erhöhen des Einsatzes erneuerbarer Ressourcen

Kostensenkung im Betrieb Kostensenkung in Bau und Betrieb geringere Abgaben, geringere Folgekosten geringeres Haftungsrisiko Kostensenkung im Bau langfristige Kostensicherheit langfristige strategische Wettbewerbsvorteile Kostensenkung in Bau und Betrieb A 4.2

A 4.3

werden allmählich knapp. Unsere Fähigkeit, Öl und Gas zu fördern und zu verbrennen, Kunststoffe und Metalle herzustellen, materiellen Reichtum zu schaffen, übersteigt das Angebot begrenzter natürlicher Rohstoffquellen. Dies wiederum führt zu Verknappungen und hohen Preisen. Die Nutzung nicht erneuerbarer Energien verändert unser Klima und das Wetter. Seit der ersten Energiekrise in den 1970er-Jahren und der Erkenntnis von den Grenzen des Wachstums wurden erste Konsequenzen gezogen. Sie betreffen unser Alltagsleben, sind in Flaschenpfand und Rücknahmeverpflichtungen, Mülltrennung oder Energiekostenzählern und in vielen anderen Veränderungen unmittelbar greifbar. Sie wirken auch in der Wirtschaft – im zunehmenden Einsatz nachwachsender Rohstoffe und in hochwertigen Recyclingprodukten, in neuen Kraftwerkstechnologien und Systemen zur Nutzung erneuerbarer Energien. Anstelle der Effektivität tritt mehr und mehr Effizienzdenken. Dies spielt vor allem dort eine Rolle, wo die Ressourcen knapp sind und globaler Wettbewerbsdruck herrscht. Diese Tendenz ist besonders deutlich nachvollziehbar

bei immateriellen Produkten, die unseren Alltag zunehmend bestimmen: Datenbanken, Multimedia, Sicherheits- und Umwelttechnologien oder Hardware für Informationsanlagen. Die Effizienzpotenziale sind erstaunlich: Denken wir nur an die lange gültige, so genannte Halbwertzeit von Computern, in der alle 18 Monate eine Verdoppelung der Rechnerleistung und der Speicherkapazität realisiert wurde. Der Mitteleinsatz von Material und Energie hat hier einen hohen Grad an Effizienz erreicht – und diese ist ganz offensichtlich noch weiter steigerungsfähig. Dass ähnliche Effizienzsprünge in der Bauwirtschaft erreicht werden können, wird von vielen Beteiligten heftig bestritten. Den Gegenbeweis liefern die bereits ergriffenen Maßnahmen zur Senkung des Energieverbrauchs. Ein vor 1970 gebautes Wohnhaus verbraucht im Durchschnitt jährlich ca. 25–30 l Heizöl pro m2 Wohnfläche. Legt man die derzeit in Deutschland geltenden rechtlichen Vorschriften der Energieeinsparverordnung (EnEV) an, darf ein Wohnhaus-Neubau heute maximal 6–7 l Heizöl pro m2 und Jahr verbrauchen; andere Länder setzen ähnliche Maßstäbe. 4- und 6-Liter-Häuser

sind Stand der Technik und in Deutschland bei Nutzung öffentlicher Zuschüsse kostenneutral herstellbar. Das 1,5-Liter-Haus ist als so genanntes Passivhaus in den vergangenen zehn Jahren mehr als tausendfach gebaut worden. Der Bau erfordert gegenüber dem 6-LiterHaus ca. 5 % Mehrkosten. In der Gesamtbetrachtung bedeutet dies: Die Entwicklung hat innerhalb von weniger als 30 Jahren eine Effizienzsteigerung bis um das 20-fache bewirkt. Damit einher gehen deutlich verringerte Emissionen und ein wesentlich verbesserter Klimakomfort.

Kondratieff-Zyklen:

1. Zyklus

2. Zyklus

3. Zyklus

4. Zyklus

5. Zyklus

Dampfmaschine, Baumwolle

Eisenbahn, Schifffahrt, Stahl

Elektrizität, Chemie

Mobilität, Erdöl, Elektronik

Informationstechnik, Ökologie

Minimierung von Abfall und Verschnitt Schließen von Stoffkreisläufen

Ökonomie und Ökologie

Effizienz ist eine primär ökonomische Kategorie. Doch schon aus den erwähnten Beispielen wird deutlich, dass Effizienzsteigerung und Kostensenkung häufig Hand in Hand gehen mit geringerer Umweltverschmutzung: Der Natur werden weniger natürliche Ressourcen entzogen; es entsteht weniger Abfall, Luft und Atmosphäre werden geringer belastet. In vielen Bereichen decken sich die Ziele von Ökonomie und Ökologie (Abb. A 4.2). Daneben ergeben sich Vorteile, die individuellen wie gesellschaft-

Analyse

Projektion

Höhepunkt der Entwicklung

1825

1873

1913

1966

2015 ?

fundamentale Bedürfnisse

Arbeit erleichtern

Ressourcen weltweit verfügbar machen

Urbanität lebenswert gestalten

Individualität und Mobilität fördern

Probleme für die Mitwelt lösen

flächendeckende Netze

Handelsnetze

Verkehrsnetze

Energienetze

Kommunikationsnetze

Wissensnetzwerke

prägende Applikationen

Maschinen

Lokomotive, Bahnhöfe

Beleuchtung, Kino

Telefon, Auto, Fernseher, EDV, Raketen

immaterielle Waren, Informationsanlagen und -datenbanken

prägende Technologien

Dampf

Stahl

Elektrizität

Elektronik

Multimedia

Synergie-Applikationen

Konsumgüter

Schifffahrt

Chemie, Aluminium

Erdölprodukte

ökologische Problemlösungen, Verkehrssysteme

Technologie-Synergien

Mechanik

Großantriebe

Großanlagen

Waffensysteme

Sicherheits- und Umwelttechnologien

Die langen Wellen gesellschaftlicher und wirtschaftlicher Entwicklung A 4.4

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Die Dinge richtig tun – über Effizienz und Nachhaltigkeit

arm und schmutzig

Die Reichen sind die größten Umweltverschmutzer.

arm und sauber

reich und schmutzig »Armut ist der größte Umweltverschmutzer.« (M. Gandhi, Indien)

Umweltverschmutzung

A 4.5

reich und sauber Zeit

A 4.6

A 4.5 A 4.6 A 4.7

effizientes Tragwerk: Baum – Baumstütze Umweltkurve nach Simon Kuznets internationaler Vergleich von Bürofläche pro Mitarbeiter

Land

durchschnittliche Bürofläche pro Mitarbeiter in m2

Deutschland

30

Dänemark

20

Italien

20

Niederlande

20

Schweiz

20

Schweden

18

Frankreich

17

Slowakei

15

Spanien

15

Großbritannien

14

Polen

14

Russland

14

Belgien

12

Griechenland

12

Irland

12

Österreich

12

Ungarn

12

Bulgarien

10

Estland

10

Und das Bauen?

Unsere Bauproduktion und der Gebäudebestand sind bisher kaum von Umwelt- und Effizienzdenken durchdrungen. Einerseits ist es kaum verwunderlich. Wenn Bauen die Schaffung und Erhaltung unserer materiellen Umwelt sicherstellt, muss das Streben nach »Dematerialisierung« auf den ersten Blick deplatziert A 4.7

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lichen Nutzen bringen. Diese tragen zu einem gesellschaftlichen Wertewandel und dem Leitbild einer nachhaltigen Entwicklung bei. Der heutige Reichtum ermöglicht es, in effiziente und umweltfreundliche Technologien zu investieren. Die Frühzeit der Industrialisierung war geprägt von Schwerindustrie und Schornsteinen – schmutzig und ressourcenverschwendend. Heute sind die entwickelten Länder reich und mächtig, die Umweltbelastungen werden spürbar geringer. Dies zeigt auch die Umweltkurve von Simon Kuznets: Danach läuft die gesellschaftliche Entwicklung von arm und schmutzig über wohlhabend und schmutzig zu reich und sauber (Abb. A 4.6). Wirtschaftlicher Wohlstand führt demnach zu einem umweltfreundlichen Strukturwandel. Verständlich, dass gerade die Schwellenländer versuchen, dieses Modell nachzuahmen. Sie bauen deshalb ihre eigene Schwerindustrie und ihre eigenen Schornsteine. Aber das Modell, mit dem unser Wohlstand erzeugt wurde, ist nicht reproduzierbar. Denn die einstmals unerschöpflich scheinenden Rohstoffquellen werden knapp. Der Gipfel der Ölproduktion ist wohl erreicht. Die Experten debattieren nur noch darüber, ob das Öl in 20 oder in 50 Jahren zu Ende geht. Mit anderen Ressourcen, z. B. wertvollen Metallen, sieht es nicht viel besser aus. Wir stoßen an die Grenzen vieler natürlicher Systeme. Die überhastete Ressourcenausbeute löst den spürbaren Klimawandel aus, der unsere Lebensgrundlagen gefährdet. Die ultimative Grenze setzt nicht zwingend die Ressourcenverknappung, sondern die Zeit, die noch bleibt, in der sich das Klimasystem der Erde selbst stabilisieren kann. Es gibt bereits Auswege und neue Modelle, die darauf basieren, die Ressourceneffizienz enorm zu steigern. Im Wuppertal-Institut beispielsweise geht man heute davon aus, dass bis zur Mitte des Jahrhunderts die gleiche Wertschöpfung mit nur einem Zehntel des heutigen Energie- und Ressourceneinsatzes möglich ist, letztlich also eine weltweite »Dematerialisierung« um den Faktor zehn. Das ist eine gewaltige Herausforderung. Doch je mehr Rohstoffe knapp und entsprechend teuer werden, umso mehr wird es sich lohnen, energie- und ressourceneffiziente Produkte herzustellen, d. h. Verbrauch und Abfall zu vermeiden, Materialkreisläufe zu schließen, erneuerbare Energien und nachwachsende Rohstoffe zu verwenden und schließlich zu einer dienstleistungsorientierten Wirtschaft zu gelangen. Eine dritte industrielle Revolution scheint denkbar. Auch hier liegen wie so oft Risiken und Chancen dicht beieinander.

erscheinen. Materie zur Sicherstellung des täglichen Überlebens lässt sich eben nicht durch nicht-materielle Dienstleistungen oder gar durch Information ersetzen. Andererseits können Architektur und Bauen nicht von einer als zwingend notwendig erachteten gesellschaftlichen Entwicklung abgekoppelt bleiben. Das Beispiel der Energieeinsparung zeigt, dass neue Anforderungen nicht zwingend, wie noch in den 1980er-Jahren befürchtet, das Ende der Architektur einläuten, sondern die Entwicklung energiesparender Bauformen und Technologien fördern können. Ein Abkoppeln von allgemeinen Entwicklungen ist auch deshalb nicht möglich, weil Bauen einen wesentlichen Wirtschaftssektor darstellt. Fast 50 % des gesamten Anlagekapitals der entwickelten Länder ist allein im Wohnungsbau gebunden, ca. 70 % im gesamten Gebäudebestand. Berücksichtigt man darüber hinaus die Inanspruchnahme von Ressourcen, wird der Handlungsdruck noch deutlicher: • Das Bauwesen verbraucht ca. 50 % aller auf der Welt verarbeiteten Rohstoffe. • Der Bausektor erzeugt mehr als 60 % des in Deutschland anfallenden Abfalls. • Die Bewirtschaftung von Gebäuden in Deutschland erfordert ca. 50 % des gesamten Energieeinsatzes. Bauen ist eine Tätigkeit mit langfristigen Auswirkungen. Eben getroffene Planungsentscheidungen bewegen erhebliche Ressourcen. Bei einer derzeit üblichen Lebensdauer von Gebäuden wird der Betrieb eines heute erstellten Gebäudes mit einiger Sicherheit das Ende des Öl- und Gaszeitalters erleben. Wie können Architektur und Technik darauf ausgerichtet werden? Handlungsfelder

Die langen zeitlichen Perspektiven können das Bauen vor kurzatmigen Trends und Moden bewahren. Zugleich laden sie der Architektur und Gebäudetechnik in Zeiten fundamentalen Wandels eine besondere Verantwortung auf, damit Nutzbarkeit, Sicherheit und Komfort auf Dauer sichergestellt werden können. Neue Ziele sind notwendig, die Handlungsfelder vielfältig. Energie Der erreichte Stand der Technik lässt baulich eine hohe Energieeffizienz zu. Zukunftstüchtige Gebäude werden alle Möglichkeiten der Energieeffizienz ausschöpfen: über Standortwahl, Gebäudeform und -ausrichtung, Materialwahl und Wärmeschutz, technische Ausrüstung und viele weitere Parameter. Möglicherweise wird dies in Zeiten zur Neige gehender fossiler Energiequellen nicht ausreichen. Es ist zu vermuten, dass sich in Zukunft zwei Teilmärkte entwickeln werden: Gebäude, die noch auf fossile Energiequellen angewiesen sind und solche, die sich vollständig davon unabhängig

Die Dinge richtig tun – über Effizienz und Nachhaltigkeit

machen. Die Möglichkeiten der standortbezogenen Nutzung unerschöpflicher, erneuerbarer Energiequellen im Bauen sind vielfältig: Geothermie über Gründung und Bohrungen, Windenergie über Rotoren am oder im Gebäude, Sonnenenergie über die Aktivierung der Gebäudehülle und vieles mehr. Diese Energiequellen zu erschließen, erfordert heute in der Regel noch Mehrinvestitionen. Doch bietet dies im laufenden Betrieb den nicht zu unterschätzenden Vorteil, dass die Energiequellen langfristig kostenlos und sicher verfügbar bleiben. Baustoffe und Konstruktionen Der Materialeinsatz für ein Gebäude lässt sich im Sinne der Ressourceneffizienz erheblich reduzieren. Noch wiegt ein Kubikmeter Bruttorauminhalt eines Wohnhauses im Durchschnitt ca. 600 kg; ein normales Einfamilienhaus mit 500 m3 Rauminhalt bindet entsprechend ca. 300 t Baustoffe. Die Möglichkeiten, Material effizient einzusetzen und Baustoffe in geschlossene Materialkreisläufe einzubinden, werden erst in Ansätzen genutzt. Doch gesetzliche Regelungen sind bereits in Planung: Die Bundesregierung und die EU werden mit der »Nachhaltigkeitsstrategie« und der »Europäischen Bauproduktenrichtlinie« die Anforderungen formulieren und Nachweise für die Umweltbelastung von Baustoffen im Sinne von ÖkoBilanzierungen oder Öko-Audits voraussichtlich ab 2010 fordern. Noch viel spannender wird es sein, kreative Schritte zur Entwicklung leichterer, nicht nur leicht wirkender Architektur zu unternehmen und sich konsequent immer wieder nutzbarer oder nachwachsender Rohstoffe zu bedienen. Ein geringerer Materialeinsatz erhöht die Chance, hochwertige Baumaterialien verwenden zu können, und verringert somit die Gefahr des Einsatzes von wohn- und umweltschädlichen Stoffen. Lebenszyklus In Hinblick auf die meist hohe Lebensdauer eines Gebäudes sollten entsprechend langlebige und wartungsarme Bauteile verwendet werden. Instandsetzung, technische Aufrüstung und gestalterische Aufwertung sind dennoch weiterhin unvermeidliche Zäsuren im Lebenszyklus eines Gebäudes. Bauteile und Materialien sollten für Instandsetzung und Austausch möglichst zerstörungsfrei trennbar sein, im Falle von Rückbau oder Abbruch wiederverwendbar. Wie bereits im Geräte- oder Automobilbau üblich, sollte auch im Bausektor eine umfassende Rücknahmeverpflichtung für Bauelemente realisiert werden. Eine integrale Betrachtung von Baukosten und Betriebskosten, das so genannte Life Cycle Costing, trägt in seinem ganzheitlichen Ansatz wesentlich dazu bei, die Bau- und Prozessqualität sowie die Effizienz im Bauen zu steigern. Anpassungsfähigkeit Vor der baulichen Umsetzung stehen die Bedarfsermittlung und das Nutzungskonzept.

Architekten sehen sich häufig mit Raumprogrammen konfrontiert, die weder zukunftstauglich noch wirtschaftlich sind. Bürogebäude z. B. sind meist zellular organisiert, hochdifferenziert und wenig anpassungsfähig. Solche Flächen sind heute nur noch schwer zu vermieten, weil sie kleinteilige und kaum veränderbare räumliche Strukturen aufweisen. Der Flächenanspruch pro Person für Bürofläche liegt in Deutschland bei durchschnittlich ca. 30 m2, in anderen europäischen Ländern bei unter 20 m2 (Abb. A 4.7) [5]. Die zugrunde liegenden räumlichen Strukturen behindern nicht nur die Kommunikation und Produktivität, sondern auch die bauliche Anpassungsfähigkeit und Flexibilität, um eine weitere Nutzung auch bei veränderten Bedarfsanforderungen zu ermöglichen. Oft wird übersehen, dass gerade in den frühen Planungsphasen der Schlüssel für ein Gebäude liegt, das hohe architektonische Qualität mit Wirtschaftlichkeit und Umweltfreundlichkeit verbindet. Um dies zu erreichen, sind differenzierte und sorgfältig entwickelte Pflichtenhefte für Gebäude erforderlich, die auch den Betrieb und vorhersehbare Veränderungen in ihren Anforderungskatalog einbeziehen und über allgemein formulierte, deshalb letztlich unverbindliche Appelle hinausgehen. Standort und Grundstück Die Standortwahl von Bau- und Sanierungsmaßnahmen stellt einen immer wichtiger werdenden Schlüsselfaktor für Umweltschutz und Wirtschaftlichkeit dar. Mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung lebt bereits in Städten. Das Leben in Städten ist ökonomisch und umweltfreundlich, denn Dichte ist effizient. Die notwendige technische Infrastruktur ist nur bei dichter Besiedelung auf Dauer zu garantieren. Die Zugänglichkeit aller Einrichtungen verbessert sich durch Nähe, ermöglicht eine Vielfalt kommerzieller, sozialer und kultureller Angebote. Öffentlicher Nahverkehr ist nur bei Dichte wirtschaftlich attraktiv. Die Verkehrsbewegungen reduzieren sich. Gerade in Regionen mit schrumpfender Bevölkerung wird es zwingend notwendig, Dichte weiterhin sicherzustellen und damit einer Abwärtsspirale entgegenzuwirken. Individueller und gesellschaftlicher Nutzen

Die beschriebenen Handlungsfelder können nur in Ansätzen den erheblichen Handlungsbedarf verdeutlichen. Die Argumentation auf der Grundlage primär ökonomischer Begründungen soll verdeutlichen, wie eng die Bereiche Umwelt und Wirtschaft mittlerweile verzahnt sind. Diese Handlungsfelder vermitteln aber auch, dass mit dem ökologischen und dem wirtschaftlichen Vorteil auch der individuelle und gesellschaftliche Nutzen steigt. Unter Gesichtspunkten der Nachhaltigkeit erstellte und sanierte Gebäude und Dienstleistungen steigern unsere Lebensqualität, den Komfort und oft auch unsere Sicherheit. Beispielsweise bietet eine energiesparende

Gebäudehülle nicht nur sommerlichen wie winterlichen Wärmeschutz, sondern steigert auch das Wohlbefinden der Benutzer. Eine geschickte Dimensionierung und Lage der Fensteröffnungen garantiert gute Tageslichtbedingungen und vermeidet Überwärmung, bei Einsparung von Energie und Kosten. Die sorgfältige Wahl gesundheitlich unbedenklicher und umweltfreundlicher Materialien trägt wesentlich dazu bei, Unwohlsein und das »Sick-Building-Syndrom« zu vermeiden und erspart hohe Aufwendungen bei der möglicherweise schon frühzeitig notwendigen Entsorgung. Gesunde und angenehme Raumluftqualitäten setzen gute Lüftungskonzepte voraus, die wiederum energiesparend sind und eine robuste, einfache Technologie bedingen. Anpassungsfähige und kommunikationsfreundliche Strukturen, die ohne barrierefreie Gestaltung nicht denkbar sind, gewährleisten hohe und lang andauernde Nutzungsqualitäten. Dichte und Nutzungsmischung schaffen nachhaltige Städte und Gebäude, erleichtern gleichermaßen soziale Kontakte und Individualität. In all diesen Aspekten gehen wirtschaftliche Kriterien, Umweltqualitäten und gesellschaftliche Wirkungen Hand in Hand. Ausblick

Weil wir an die Grenzen vieler natürlicher Systeme stoßen, scheinen die Probleme überhand zu nehmen. 9 Milliarden Menschen wollen 2050 auf unserem Planeten gut leben. Die Architektur schafft hierzu wichtige Voraussetzungen. Nachhaltige Technologien stehen zur Verfügung. Die Verbesserung der sozialen Verhältnisse breiter Bevölkerungsschichten auf unserem Planeten scheint machbar. Wir haben das notwendige Geld und Nachhaltigkeit rechnet sich zusehends. Die Aufgabe ist keine geringere, als die materielle Grundlage unserer Zivilisation umzugestalten. Die große Barriere liegt in unseren Köpfen – wir können uns eine nachhaltige Zukunft, nachhaltiges Bauen für die Zukunft noch nicht vorstellen. Auf einem Planeten mit viel Armut ist der Mangel an Vorstellungskraft die größte Armut. An diese Armut dürfen wir uns nicht gewöhnen. Architekten und Ingenieure haben beste Voraussetzungen, die Bausteine einer nachhaltigen, besseren Zukunft zu entwickeln, zu visualisieren und in den großen, globalen Zusammenhang zu stellen, nicht als Tagträumerei, sondern wie Städte und Häuser als Ganzes sowie im Detail aussehen könnten. Anmerkungen: [1] Kondratieff, Nikolai: Die langen Wellen der Konjunktur. In: Archiv für Sozialwissenschaft und Sozialpolitik, Jg. 56 / 1926 [2] Nefiodow, Leo A.: Der sechste Kondratieff. Sankt Augustin 2007 [3] Grauel, Ralf: Es werde Licht! In: Brand Eins. 10/2004 [4] DIN EN ISO 9000:2000: Grundlagen und Begriffe zu Qualitätsmanagementsystemen [5] Die Welt vom 3. August 2006, S. 20

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Solare Architektur Thomas Herzog

A 5.1

Was die Nutzung von Solarenergie in der Architektur angeht, so hat sich die Sicht der Dinge geändert. Noch vor einigen Jahren ging es vorrangig darum, überhaupt solare Energie zu nutzen, um in den Wintermonaten Heizenergie einzusparen bzw. um warmes Brauchwasser zu erzeugen. Seither wurden auf beiden Gebiten Fortschritte gemacht, sowohl was die Entwicklung von Gebäudetypen angeht – z. B. durch große Südverglasungen, stark gedämmte und geschlossene Nordseiten, Grundrisszonierung nach Art der thermischen Zwiebel, günstiges Verhältnis von Volumen zur Oberfläche, Gebäudeorientierung u. a. – als auch was die Verbesserung der Aktivtechnik betrifft (höhere Effizienz und Zuverlässigkeit). Dies gilt für Heizungssysteme und für Warmwassererzeugung, wo inzwischen ein Stand der Technik erreicht ist, der es ermöglicht, selbst in Mitteleuropa 60 % und mehr des Warmwasserbedarfs von Wohnbauten über thermische Kollektoren oder Speicherkollektoren aus Solarenergie zu gewinnen. Nutzung von Solarenergie

A 5.1

Kongress- und Ausstellungszentrum, Linz (A) 1993, Herzog + Partner A 5.2 Dachkonstruktion, EXPO Hannover (D) 2000, Herzog + Partner A 5.3 Atelierhaus, München (D) 1994, Herzog + Partner

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In den 1980er-Jahren gab es einen Dissens bezüglich der Bewertung des Anteils großer Glasflächen auf den Gebäudesüdseiten; seinerzeit bestand noch nicht die Bereitschaft, solare Gewinne in die Erfassung des Energiehaushalts einzubeziehen. Fachleute, die sich im Bereich der Normung engagierten und ihr Ziel darin sahen, den Verbrauch an fossilen Brennmaterialien durch staatliche Vorschriften zu verringern, hatten zunächst die klare Prämisse der Reduzierung des U-Wertes, der den Wärmedurchgang durch die Außenwände eines Gebäudes charakterisiert. Es entstand die primitive Version vom Gebäude als Thermoskanne. Methodisch gesehen war dies eine monokausale Betrachtungsweise, die zu wenig berücksichtigt, dass Bauten als Ganzes funktionelle, technische und ästhetisch hochkomplexe Gebilde darstellen. Über die transparenten, transluzenten und opaken Bereiche ihrer Hülle fließt grundsätzlich Energie in beiden Richtungen auf unterschiedliche Weise, abhängig sowohl von lokalen Gegebenheiten als auch von den jeweiligen Parametern des Gebäudes.

Man bedenke: Die Verbesserung der Wärmedämmung kann bei großen Verglasungen bewirken, dass das Problem der Kühlung von Gebäuden – dies gilt speziell für Verwaltungsbauten – im Sommerhalbjahr deutlich zunimmt. Heutzutage werden für die Beheizung von Bürobauten bereits Durchschnittswerte von unter 10 % des Gesamtenergieverbrauchs des Gebäudes erreicht, dagegen liegt die Kühlung um 10 bis 20 % höher. Gleichzeitig benötigt die Kühlung pro Kilowattstunde ungefähr die dreifache Menge an Primärenergie, sodass de facto der fünf- bis zehnfache Energiebedarf für Kühlzwecke entstehen kann. Variable g-Werte (Gesamtenergiedurchlassgrad) werden deshalb bei Außenwandkonstruktionen als Möglichkeit angestrebt, unterschiedlich auf Klimawechsel zu reagieren. Erste Anwendungen – wie z. B. die Fassade mit Lichtlenkelementen bei den Verwaltungsgebäuden in Wiesbaden – zeigen große Erfolge (Abb. A 5.6). Auch neue Aktivtechniken wie solare Kühlsysteme sind vielversprechend, da die meiste Energie zur Verfügung steht, wenn der Energiebedarf am größten ist. Reduziert man aber die transparenten und transluzenten Anteile der Gebäudehülle, sodass weniger Tageslicht ins Gebäude eindringt, so erhöht sich der Anteil der ergänzenden künstlichen Beleuchtung entsprechend. Nach Untersuchungen an der Universität Cambridge liegt heute der Anteil, der für die Beleuchtung benötigt wird, bei Verwaltungsbauten bei durchschnittlich 30 % ihres Energieverbrauchs. Diese Konflikte zeigen, dass im Gesamtzusammenhang viele Aspekte eine Rolle spielen. »Intelligente« Gebäudetechnik

Bezogen auf den Betrieb von Gebäuden nutzen wir Umweltenergien für ihre natürliche Belichtung, für ihre Lüftung – soweit dies physiologisch oder aus Gründen der Instandhaltung erforderlich ist –, zur Wärmegewinnung, zur Kühlung und ggf. über Photovoltaik auch zur Gewinnung von Strom. Daraus ergeben sich häufig Situationen, bei denen diese Nutzungsmöglichkeiten zueinander in Widerspruch stehen: Je nach Jahreszeit, Tageszeit und Witterungsbedingungen, je nach Nutzungsart, -zeitraum und -dauer entstehen im einzelnen

Solare Architektur

A 5.2

Gebäude unterschiedliche Ansprüche an die genannten Funktionen. Es liegt deshalb nahe, von so genannten »intelligenten« Gebäuden – ein Modebegriff, der sich auch bei uns etabliert hat – zu erwarten, dass sie auf die sich ständig ändernden Bedingungen und Situationen entsprechend reagieren können. Folgendes ist hierzu anzumerken: Die Gebäudeleittechnik, die gewissermaßen das Gehirn mit den Nerven in einem solchen System darstellt, übernimmt Regel- und Steuerungsfunktionen, die gekoppelt sind an sich verändernde Zustände, sowohl im Bereich der Energieversorgung (Wärmeerzeugung / -verteilung / -abgabe) des Gebäudeinneren wie auch im Bereich der Manipulation an der Gebäudehülle (Jalousetten

fahren auf und ab, verstellen ihre Neigungswinkel, Tageslicht-Ergänzungsbeleuchtung geht automatisch an und aus, Lüftungsklappen als Nachströmöffnungen werden geöffnet oder geschlossen, die Ventilatoren- und Befeuchterleistung variiert etc.). Weite Bereiche unseres alltäglichen Lebens sind von solchen, im Wesentlichen elektronischen Steuerungs- und Regelungsvorgängen und entsprechend selbstständig auf Einzelsituationen reagierenden technischen Prozessen bestimmt. Es stellt sich die Frage nach der richtigen Balance. Im Hinblick auf Gebäude scheinen mir Dinge wie der Blindanflug einer Passagiermaschine im Nebel, ABS oder elektronische Antriebsschlupfkontrolle beim Pkw nicht die geeigneten Analo-

gien zu sein. Weitgehende und oft unnötige Automation birgt erhebliche Risiken und bedenkliche Folgen: Störanfälligkeit der technischen Systeme und ihrer Komponenten, Erhöhung der Baukosten, Vermeidung der Ursachenwahrnehmung eigenen Fehlverhaltens, weiter steigende Abhängigkeit der Menschen von immer neuen technischen Systemen sowie wachsende Abhängigkeit von Herstellern und Wartungsfirmen. Damit aber – bezogen auf die Auswirkungen im Baubereich und in der Stadtplanung – die richtigen Handlungsmuster entstehen können, ist es erforderlich, Dinge bewusst zu machen. Phänomene müssen verstanden werden, damit sich richtiges Handeln anschließen kann. Dementsprechend sollten die elektronischen Systeme in einem Gebäude hauptsächlich der menschlichen Orientierung dienen und allenfalls in geringem Umfang automatisch erfolgende Zustandsveränderungen im Bereich der Gebäudehülle veranlassen. Um nicht geistig und seelisch zu verkümmern, müssen die Menschen anstreben, ihre Umwelt – und die künstlich geschaffene gehört dazu – auch in Zukunft nach wie vor mit all ihren Sinnen wahrzunehmen, anstatt nur mit einigen Joysticks den virtuellen Raum zu manipulieren. Der bewusste und richtige Umgang mit einem Gebäude setzt voraus, dass man es versteht. Es wäre also wichtig, dass die »intelligenten Systeme« beispielsweise aufzeigen, ob jemand durch sein Verhalten – wie das Kippen eines Fensters im Winter oberhalb eines durch Thermostat gesteuerten Heizkörpers – Wärmeenergie nutzlos vergeudet oder durch den Betrieb bestimmter Geräte unnötig Strom verbraucht. Was nützt eine erst im Folgejahr eintreffende Heizkostenabrechnung in diesem Zusammenhang? Niemand kann mehr rekonstruieren, was zu ihrer Höhe geführt hat. Hier geeignete Systeme zu entwickeln, ist eine hochrangige Designaufgabe, die wir noch vor uns haben. Längst Realität sind dagegen EDV-Tools für Simulationen in unterschiedlichen Bereichen: thermisch • Verwalten von Klimadaten • Aufstellen von Nutzungsprofilen • Bearbeiten bautechnischer und geometrischer Variablen

A 5.3

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Solare Architektur

A 5.4

lichttechnisch • mit Mehrfachreflexion, wobei aber etliches in der Visualisierung noch irreführend ist Neue Komponenten sind in Entwicklung, bereits in Erprobung oder Erstanwendungen wie: • Vakuum-Wärmedämmung • Gläser, die auf wechselnde Solarstrahlung reagieren bzw. schaltbar sind und mit Edelgasfüllungen U-Werte von < 0,5 erreichen • elektrochrome und thermotrope Gläser mit variablen g-Werten • Lüftungskomponenten mit Vorwärmung durch Solarstrahlung • desintegrierte Systeme (mit unterschiedlicher Lebensdauer, unterschiedlichen technischen Prozessen der Kombination) • Nutzung (Aktivierung) interner Massen durch Bauteilheizung und -kühlung • hochflexible Photovoltaikmodule • großformatige Photovoltaikgläser (bis 9 m2)

diesen Zukunftsmodellen, sondern auch in der seinerzeit zu beobachtenden Alltagswirklichkeit, vorrangig verursacht durch die erwähnte Entflechtung der Funktionen der Stadt. Heute weiß man, dass rund ein Viertel der verbrauchten fossilen Energie in Verkehrsabläufe fließt, mit den allseits bekannten, negativen Auswirkungen. Aus diesem Grund besteht die Hauptaufgabe nicht nur darin, fossile Brennstoffe zu ersetzen oder den auf den einzelnen Transportfall bezogenen Verbrauch zu reduzieren, sondern auch die Ursachen für dieses Verkehrsaufkommen zu überdenken und zu korrigieren. Es geht dabei nicht um Extremlösungen, sondern darum, die städtischen Funktionen – wo immer es möglich und vernünftig

erscheint – zu verbinden, da heutzutage eine räumliche Trennung von industriellen und umweltbelastenden Vorgängen vom Bereich des Wohnens nicht mehr zwingend verlangt wird, wie dies noch im vorigen Jahrhundert vielfach der Fall war. Konkret heißt dies: Die Mischung der Funktionen sollte sich in den baulichen Strukturen einbinden lassen. Hervorragende Vorläufer gibt es beispielsweise in den Wohnungsbauten der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts, lange bevor man dem Irrtum vermeintlich optimaler Wohnungsgestaltung auf der Grundlage von Stellflächennormen, wie jahrzehntelang nach dem Zweiten Weltkrieg geschehen, aufgesessen war. Wir brauchen also bauliche Strukturen,

Einige Gedanken zur Stadt

Bereits in der ersten Hälfte der 1960er-Jahre hatten wir erkannt, dass nicht zuletzt durch die Forderungen der Charta von Athen infolge der erreichten Trennung der städtischen Funktionen – Wohnen, Produktion, Freizeit – Verluste für die Qualität der modernen Stadt entstanden waren. Unser Interesse konzentrierte sich damals allerdings auf die Merkmale der Komplexität, die es galt wiederzugewinnen. Wir dachten dabei an Verdichtung, Verflechtung, Urbanität, städtische Vielfalt und speziell an die Auswirkungen im städtischen Raum infolge der sich ändernden Nutzungen. Die Hoffnungen junger Architekten richteten sich seinerzeit auf große, variable Strukturen, wie sie zunächst von Yona Friedmann für Paris, von Eckhard Schulze-Fielitz z. B. für Halden im Ruhrgebiet, von Kisho Kurokawa für große Einzelbauten und von Kenzo Tange für die Bucht von Tokio entworfen wurden. In diesen Planungen schlug man Lösungen für den gewaltig zunehmenden Verkehr – insbesondere den Autoverkehr – bis hin zur völligen Freihaltung großräumiger Verkehrsebenen unter der Bebauung vor. Infrage gestellt wurde dieser Verkehr nicht, sichtbar war er aber nicht nur in A 5.5

30

Solare Architektur

A 5.4 A 5.5 A 5.6 A 5.7 A 5.8

Entwurfsskizzen für Produktionshallen in Bad Münder Doppelwohnhaus, München-Pullach (D) 1989, Herzog + Partner Verwaltungsgebäude, Wiesbaden (D) 2001, Herzog + Partner Produktionshallen, Bad Münder (D) 1992, Herzog + Partner Wohnungsbau, Linz (A) 1999, Herzog + Partner

A 5.6

die im Bereich ihrer inneren Erschließung, ihrer Flächendisposition und ihrer Raumnutzung erheblich neutraler sind, als dies für die meisten Wohnungsbauten – zumal die öffentlich geförderten – heutzutage charakteristisch ist. Eine andere Konsequenz hieraus wäre, Bebauungen möglichst zu verdichten. Nur wenn in einem Quartier sowohl genügend Kaufkraft vorhanden ist, als auch die Distanzen zu Einrichtungen für den täglichen Bedarf für Fußgänger kurz genug sind, lässt sich eine wirksame Funktionsmischung erzielen; gleichzeitig kann der motorisierte Verkehr in nennenswerter Größenordnung reduziert werden. Damit geht natürlich auch eine Verringerung des Landverbrauchs und der Infrastrukturkosten einher, die sowohl im Hinblick auf Investitionen wie auch auf den Unterhalt für die Gemeinden große Bedeutung haben. Gerade hier bedarf es neuer Leitbilder, die gesellschaftlich akzeptiert werden. Das Ideal vom Wohnen im Grünen vermittelt ja völlig unzutreffenderweise den Eindruck, es würde sich dabei um eine ökologisch sinnvolle Strategie handeln. Das Eigenheim am Stadtrand bei geringerer Dichte gibt zwar dem einzelnen das Gefühl der Nähe zur Natur, macht aber abhängig von Verkehrsmitteln, erhöht den Treibstoffverbrauch sowie die Umweltbelastung und hat zum Teil verheerende soziale Auswirkungen. Auch dies ist im Grunde ja keine neue Erfahrung. Schließlich gibt es das Schlagwort von der »Grünen Witwe« seit Jahrzehnten. Weil eben viele Städte in ihrem Innenbereich zu wenig Wohnraum mit echtem urbanen Gefüge – ohne dass dies den Charakter von Siedlungen hätte – bieten, haben wir täglich Millionen von Berufspendlern. Weil die baulichen Strukturen zu wenig an Veränderungspotenzial eröffnen, haben wir gleichzeitig Millionen von Quadratmetern Leerstand – gebundene, ineffiziente Energie- und Materialressourcen, die zu dem opulenten Durchschnittsmaß von über 40 m2 Wohnfläche, welche heute pro Bundesbürger in Deutschland zur Verfügung stehen, als Aufwand noch hinzukommen. Wer Sorge hat, erhöhte Dichte und räumliche Enge, die wir in den Straßen und Gassen südlicher Länder so sehr bewundern, gehen hier

zwangsläufig mit sozialen und hygienischen Fehlentwicklungen mancher Stadtentwicklung der Vergangenheit einher (Stichwort »ZillesMilieu«), übersieht, dass sich die materiellen Bedingungen unserer Zivilisation in den maßgeblichen Kategorien grundlegend verbessert haben. Wer den einschlägigen gebäudetechnischen Stand der Technik kennt – dies betrifft Heizung, Lüftung, Sanitäres, Tageslichttechnik und baukonstruktiv-bauphysikalische Systeme – wird das bestätigen. Der Architektenberuf gehört zu den wenigen, die in ihrem Gegenstand und ihrem Arbeitsansatz umfassend sind. Architekten beschäftigen sich ganzheitlich mit komplexen Systemen, vom theoretischen Konzept über die räumliche Dimensionierung und Zuordnung bis hin zum praktischen Gebrauch des technischen Großgegenstands Gebäude. Allerdings werden die Methoden und Arbeitsweisen, aber auch die Art der Kooperation mit Spezialisten, sei es im Bereich der Naturwissenschaften oder der materiellen Umsetzung, in den kommenden Jahrzehnten wahrscheinlich grundlegende Veränderungen erfahren.

rückt. Sich nur mit Blick auf das eigene Wohlergehen zu engagieren, ist allgemein üblich geworden. Eine Gesellschaft, die sich in humanen Kategorien weiterentwickeln will, ist aber mehr als eine Summe von auf sich selbst bezogenen Individuen. Eine ganzheitliche Problembetrachtung wird immer wichtiger. Erreicht werden kann sie nur, wenn es gelingt, die disziplinübergreifenden Denk- und Arbeitsansätze zwischen Natur- und Ingenieur-, Geistes-, Wirtschafts- und Sozialwissenschaften zu intensivieren und wenn Umweltgestaltung seriös betrieben als komplexe Kerndisziplin verstanden wird. Der Text ist die überarbeitete Fassung der Erstveröffentlichung in Detail 3/1999.

Ausblick

Ein Großteil der Probleme, die wir heute im Bereich der natürlichen Lebensressourcen und durch die zivilisatorischen Fehlentwicklungen haben, ist auf einseitige Optimierungen zurückzuführen, bei denen die Auswirkungen in anderen Lebensbereichen nicht hinreichend bedacht wurden. Erfolg hat man allemal leichter, wenn unangenehme oder störende Begleiterscheinungen nicht zur Kenntnis genommen oder verdrängt werden; wenn es um Superlative von Leistungen geht: schneller, höher, weiter; um maximale Höhe von Bauten, kürzeste Bauzeiten, größte Beschleunigung und den kürzesten Bremsweg von Sportwagen; nicht aber, wenn Ausgewogenheit und Balance die Zielsetzung des Handelns sind. Will man dies aber erreichen, so scheint es eine der wesentlichen Voraussetzungen bezogen auf den Zusammenhang zwischen technischen Prozessen, dem Haushalt der Natur und sozialer Verantwortung zu sein, dass die langfristige gemeinsame Verantwortung für das Allgemeinwohl wieder stärker ins Bewusstsein

A 5.7

A 5.8

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Planen und Bauen in Lebenszyklen Karl-Heinz Petzinka, Bernhard Lenz

A 6.1

Der Begriff »Lebenszyklus« deutet bereits an, dass natürliche ebenso wie künstliche Systeme einem Kreislauf des Entstehens und Vergehens unterliegen. So beschreibt der Lebenszyklus eines Gebäudes die Zeitspanne, die zwischen dem Bau und dem Abbruch einer Immobilie liegt. Die Erkenntnis, dass eine lebenszyklusgerechte Planung ein hohes Potenzial an Einsparmöglichkeiten beim Unterhalt eines Gebäudes birgt, ist keinesfalls neu. Dies zeigen bereits die Kostenanalysen der Baumeister Philokles und Archilochos, die im 5. Jh. v. Chr. das Erechtheion auf der Akropolis erbauten [1]. Für zeitgemäße Finanzierungs- und Planungsmodelle wie z. B. Public Private Partnership (PPP) sind lebenszyklusorientierte, also über die reinen Investitionskosten hinausgehende Betrachtungen unerlässlich. Bei PPP-Projekten, bei denen Finanzierung, Erstellung und Betrieb in der Regel aus einer Hand erfolgen, können generell Gesamtkostenvorteile von 10 % und mehr erzielt werden. Diese resultieren nicht nur aus einer preiswerteren Errichtung, sondern auch zu einem erheblichen Anteil aus einem kostenoptimierten Betrieb der Immobilie. Da die Erstellung eines Gebäudes naturgemäß mit hohen Investitionen verbunden ist, führt dies nur allzu oft dazu, dass sich die Betrachtungen der Investoren und Immobilieneigentümer lediglich auf die Investitionskosten fokussieren. Eine Berücksichtigung des zukünftigen Unterhalts bleibt hier häufig außer Acht. Dabei können die Unterhaltskosten einer Immobilie ein Vielfaches der Baukosten betragen. Mit einer lebenszyklusgerechten Analyse lassen sich markante ökonomische und energetische Potenziale erschließen. Lebenszykluskosten

A 6.1 A 6.2 A 6.3 A 6.4

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Sanierung der Jahrhunderthalle, Bochum (D) 2003, Petzinka Pink Architekten Zusammenhang zwischen Technisierungsgrad und Lebenszykluskosten typische Betriebskostenverteilung eines Bürogebäudes Sanierung der Nürnberger Hypothekenbank, Düsseldorf (D) 1998, Petzinka Pink Architekten

In der zum Lebenszyklus zugehörigen Lebenszykluskostenberechnung (Life Cycle Costing, LCC) werden die Höhe der Planungs-, Erstellungs-, Betriebs-, Unterhalts-, Werterhaltungs-, Abbruchs- und Entsorgungskosten in einer Gesamtkostenberechnung zusammengefasst. Das LCC steht somit für den ganzheitlichen Ansatz einer kostenoptimierten Gebäudeplanung und erfolgt typischerweise in Form einer dynamischen Investitionskostenberechnung, wobei sich Parameter wie die künftige Preis-

und Zinsfußentwicklung nur schwer vorhersagen lassen. Trotz dieser Unsicherheiten sollte auf ein LCC nicht verzichtet werden, da es ein effizientes Instrument darstellt, mit dem sich konkurrierende Lösungen aus einer Hand vergleichen und entsprechend bewerten lassen. Oftmals bezieht sich ein LCC nur auf Einzelbauteile eines Gebäudes wie z. B. Fassadenelemente. Auf dem Markt verfügbare Simulationssoftware betrachtet ebenfalls nur einzelne Bauteile und weist ihnen aufgrund ihrer Eigenschaften eine bestimmte Lebensdauer zu, woraus sich wiederum Folgekosten für die Immobilie ableiten lassen. Lebenszykluskostenberechnungen werden aber auch bei der Wertermittlung von Immobilien eingesetzt. Keinerlei Beachtung finden allerdings Parameter wie gestalterische Qualität, Komfort, Attraktivität und Ausstattungsstandard. Da jede Immobilie in der Regel eine definierte Rendite erwirtschaften muss und diese auch von Faktoren wie Zeitgeist und Mode beeinflusst wird, kann eine rein auf technische Aspekte ausgerichtete Berechnung kaum zu einem aussagekräftigen Ergebnis führen. Lebenszyklusgerechtes Planen

Planungsleistungen werden anhand der entstehenden Ausführungskosten beurteilt, eine Berücksichtigung der Betriebskosten erfolgt in der Regel nicht. Bei einer lebenszyklusgerechten Planung muss die gesamte Lebensdauer eines Gebäudes einbezogen werden. Da die Betriebskosten einer Immobilie im Unterschied zur Gebäudeerrichtung kaum unter Wettbewerbsdruck stehen, entsteht ein gewisser Widerspruch zur HOAI, die den Planer zur wirtschaftlichen Durcharbeitung anhält, aber nicht zwingend zu innovativen, nachhaltigen und kostenoptimierten Lösungen für den Gebäudeunterhalt führt. Gerade eine Investition in eine optimierte Unterhaltsplanung kann zu deutlich verringerten Betriebs-, Nutzungs- und Instandhaltungskosten und somit zu merklich reduzierten Gesamtkosten sowie zu einem deutlich geringeren Energieverbrauch beitragen. Entscheidend ist hierbei eine sorgfältige Planung, da höhere Erstellungskosten nicht zwangsläufig zu Einsparun-

Planen und Bauen in Lebenszyklen

Technisierungsgrad mittel hoch

Verwaltungsaufwand 4,1%

sonstige Kosten 8,6 % elektrische Energie 28,4 %

Bewachung 4,7%

niedrig

Mittelwert

30

40

50

60 70 90 100 110 80 Lebenszykluskosten [CHF/m2EBFa]

Verwaltungsgebäude Wohngebäude

Instandhaltung von Maschinen 4,2%

Pflegeheime Schulgebäude A 6.2

gen bei den Betriebskosten führen. Insbesondere im Bereich der technischen Gebäudeausrüstung kann ein geringerer Grad an Technologie auch zu verminderten Unterhaltskosten beitragen (Abb. A 6.2). Der Architekt sollte also darauf achten, welcher Technisierungsgrad den Ansprüchen an das Gebäude idealerweise gerecht wird und welche Technik mikroklimatischen Standortfaktoren förderlich ist. Bei den eingesetzten Materialien muss hinsichtlich des Lebenszyklus und der durch Alterung bestimmten Instandsetzungszyklen zwischen einer technischen und einer bedingten Nutzungsdauer unterschieden werden. Die technische Nutzungsdauer beschreibt den Zeitraum, in dem ein Material bei einer definierten Nutzung über seine volle Leistungsfähigkeit verfügt. Die bedingte Nutzungsdauer hingegen umfasst den zeitlichen Abschnitt, in dem das Material zwar einen Verlust seiner Leistungsmerkmale aufweist, eine grundlegende Nutzbarkeit aber gewährleistet bleibt. Die Ermittlung der Dauerhaftigkeit einzelner Materialien hängt demnach immer vom Gebäudekontext ab und lässt sich nicht verallgemeinern. Auch die materialgerechte Planung von stark beanspruchten Oberflächen wie z. B. Bodenbelägen sollte nicht unterschätzt werden. So können die Kosten für die Reinigung und Pflege von Oberflächen in öffentlichen Verwaltungsbauten schnell über 30 % der laufenden Unterhaltskosten betragen – ein Kostenfaktor, der die Gesamtkosten ganz erheblich und vor allem dauerhaft beeinflusst (Abb. A 6.3). Soll ein Gebäude besonders nachhaltig konzipiert werden, ist es notwendig, die Lebensdauer der einzelnen Bauteile zu berücksichtigen und Konstruktion, Wartung sowie Bauunterhaltung darauf abzustimmen. Da Gebäudebauteile nicht gleichmäßig altern, ergibt sich generell ein sehr inhomogenes Bild. Die kosten- und stoffstrombezogene Untersuchung im Rahmen einer Lebenszyklusanalyse geht davon aus, dass einzelne Bauteile bis zum Ende ihrer Lebensdauer verwendet und anschließend ausgetauscht werden. Bleiben Bauteile somit über einen langen Zeitraum im Gebäude, sinkt der kumulierte Aufwand für die

Heizung 12,1 %

Reinigung 31,6% Instandhaltung von Gebäuden 4,2 %

sonstige Verbrauchsgüter 2,1 %

A 6.3

Wartungs- und Instandhaltungskosten entsprechend ab. Beinhaltet ein Bauteil ein Minimum an unterschiedlichen Baustoffen, zieht das eine verbesserte Gesamtbilanz nach sich, da weniger Austauschzyklen entstehen und diese besser aufeinander abgestimmt werden können. Im Sinne der Nachhaltigkeit und der Ökonomie muss eine lebenszyklusgerechte Planung über eine instandsetzungs- und wartungsfreundliche Struktur verfügen. Eine solche würde eine Schichtung der Bauteile unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Lebensdauer bedingen und nicht lösbare Verbindungen ausschließen. Typischerweise sind aber gerade Planungen dieser Art unter ökonomischen Gesichtspunkten nur eingeschränkt realisierbar, wie das folgende Beispiel einer Stahlbetondecke mit Standardaufbau (Teppich, Zementestrich, PE-Folie, Mineralwolle, Stahlbeton C30 / 37, Gipsputz) zeigt. Betrachtet man die unterschiedliche Lebensdauer der Einzelbauteile einer solchen Deckenkonstruktion, ergibt sich die folgende Problematik: Für den Beton sowie für die PE-Folie kann eine Lebensdauer von ca. 100 Jahren, für den Zementestrich und für den Gipsputz eine Dauer von ca. 60 Jahren, für die Mineralwolle von ca. 40 Jahren und für den Teppich von etwa 10 Jahren angesetzt werden [2]. Eine Erneuerung der Mineralwolldämmung bedingt hier einen vorzeitigen Ausbau des Zementestrichs und der PE-Folie. De facto müssen die PE-Folie 60 Jahre und der Zementestrich 20 Jahre vor dem Ende ihrer technischen Lebensdauer entfernt werden, da die Mineralwolle nicht zerstörungsfrei zugänglich ist und sonst nicht erneuert werden kann. Eine Verbesserung der Konstruktion könnte in einem solchen Fall lediglich über Materialsynergien erfolgen. Wenn einzelne Materialschichten Teilleistungen anderer übernehmen würden, würde sich die Dauerhaftigkeit des Gesamtsystems erhöhen und die Anzahl der notwendigen Schichten könnten reduziert werden. So ist z. B. ein Bitumenheißestrich auch als Terrazzoestrich ausführbar, der eine dauerhaft nutzbare Oberfläche bietet. Natürlich kann aber auch bei einer lebenszyklusgerechten Planung nicht ausgeschlossen werden, dass Materialien oder Bauteile aufgrund veränderter Gesetzgebungen, erhöhter

Nutzungsintensitäten oder technischen Fortschritts vorzeitig ausgetauscht werden müssen. Allgemein lassen sich bei der lebenszyklusgerechten Planung zwei gegenläufige Strategien unterscheiden. Zum einen kann der Architekt lange Zyklen definieren, die nach Möglichkeit viele Bauteile umfassen und in größeren Abständen langfristig vorhersehbare umfassendere Investitionen nach sich ziehen. Zum anderen besteht die Möglichkeit, relativ kurze Austauschzyklen festzulegen, die sich auf einzelne Funktionszonen beziehen und am bauteilbezogenen Bedarf orientieren [3]. Letztere sichern zwar eine gleichbleibend hohe Rendite des Objekts, führen aber im Falle einer Bedarfsanpassung dazu, dass noch fehlerfrei arbeitende Bauteile erneuert oder ersetzt werden müssen. Letztlich entstehen unnötige Kosten und ein unangemessener Ressourcenverbrauch. Daher eignet sich diese Strategie nur für Immobilien, bei denen von keiner hohen Bedarfsanpassung ausgegangen werden muss. Der wesentliche Vorteil von langen Austauschzyklen liegt hingegen darin, dass Nutzungsanpassungen der Immobilie im Rahmen der Bauteilerneuerung relativ einfach vorgenommen werden können und Material und Energie nicht unnötig eingesetzt werden müssen.

A 6.4

33

Kosten

Planen und Bauen in Lebenszyklen

Festlegung der Kosten

Entstehung der Kosten

A 6.5 A 6.6 A 6.7

Planungsabhängigkeiten in den verschiedenen Lebensphasen eines Gebäudes Sanierung der Jahrhunderthalle, Bochum (D) 2003, Petzinka Pink Architekten Jahrhunderthalle Bochum, Klimakonzept: a Prinzip der Schichtlüftung im Winter b Prinzip der Schichtlüftung in der Übergangszeit c Status quo im Winter

Nutzung und Folgekosten

Im Zuge eines immer wichtiger werdenden Facilitymanagements scheint es unabdingbar, künftige Veränderungen des Gebäudes bereits in der Planung zu berücksichtigen. Schwierig gestaltet sich jedoch der Versuch, Aussagen über weitere Entwicklungen im Umfeld einer Immobilie sowie über den Nutzermarkt eines Gebäudes zu treffen. So können beispielsweise über die Häufigkeit des Nutzerwechsels, die Änderung der Nutzungsart, die Intensität der Nutzung als auch über deren Dauer keine fundierten Aussagen getroffen werden. Problematisch sind solche Annahmen insbesondere vor dem Hintergrund der langfristigen Kostenentwicklung einer Immobilie. Ersichtlich wird dieser Zusammenhang in Abb. A 6.5, da insbesondere die in der Anfangszeit des Lebenszyklus getroffenen planerischen Entscheidungen gravierende Änderungen nach sich ziehen. Generell lässt sich der Lebenszyklus von Gebäuden in fünf verschiedene Phasen unterteilen, in denen unterschiedliche Parameter beachtet werden sollten: • • • • •

Initiierung Planung Realisierung Nutzung Stilllegung

Beeinflussbarkeit der Kosten

Initiierung

Planung

Realisierung

schaftliche Lebensdauer, die die Grundlage für Wirtschaftlichkeitsberechnungen von Investoren und Eigentümern darstellt, orientiert sich an der zu erwartenden Rendite eines Objekts. Dies wiederum bedeutet, dass die wirtschaftliche und technische Lebensdauer einer Immobilie nicht unbedingt deckungsgleich sind. Lässt sich ungeachtet der Lage eines Gebäudes nur noch eine verminderte Rendite in Form der Eigennutzung oder eines verminderten Mietzinses erzielen, ist das Ende der wirtschaftlichen Nutzungsdauer erreicht, nicht aber der technischen Lebensdauer des Gebäudes bzw. seiner Komponenten. Ein äußerst wichtiges Kriterium bei der Beurteilung der Rendite liegt in der Vorhersage der dauerhaften Gebäudenutzung. Gerade bei Wohngebäuden wird aber der demografische Wandel in Deutschland zu wahrnehmbaren Umwälzungen auf dem Wohnungsmarkt führen. So wird sich die Bevölkerung in Deutschland bis 2050 um mehr als 5 % verringern. Dem prognostizierten Rückgang von ca. 3,4 % in den alten Bundesländern steht laut wissenschaftlichen Berechnungen sogar ein Bevölkerungsrückgang von über 16 % in den neuen Ländern gegenüber. Auch der Anteil der über 60-jährigen, der 2005 bei ca. 25 % lag, wird bis 2020 voraussichtlich auf über 29 % ansteigen [4]. Demnach müssen verschiedene Parameter berücksichtigt werden, um eine qualitative Aus-

Nutzung

Stilllegung

Zeit A 6.5

sage zur Gebäudenutzung treffen zu können. So kann beispielsweise bei Büroimmobilien in hervorragender Lage von einer stabilen Nutzungsstruktur, bei Gebäuden in Sanierungsgebieten von einer dynamischen Nutzungsstruktur ausgegangen werden. Letztere mündet in der Regel in einer einfacheren Bauweise, da eine kürzere Abschreibungszeit der Investition zugrunde gelegt wird. Neben Gebäuden, wie z. B. die Jahrhunderthalle in Bochum, die auch noch Jahrzehnte über ihre eigentlich prognostizierte Standzeit genutzt wird, gibt es auch Objekte wie die Metastadt Wulfen, deren ca. 100 Wohneinheiten nach nur etwa zehnjähriger Nutzung, also noch weit vor der angesetzten Lebensdauer, wieder abgerissen wurden. Neben den Aspekten der Rendite sind es oftmals mangelnde Nutzungsqualitäten oder technische Defizite, die zu einem verfrühten Totaloder Teilabbruch führen. Ein Beispiel für ein Gebäude, bei dem es aufgrund einer mangelhaften Gebäudehülle sowie Schwächen in der Nutzungsflexibilität zu einem solchem Teilabbruch kam, ist die Nürnberger Hypothekenbank in Düsseldorf (Abb. A 6.4). Das Ende der wirtschaftlichen Nutzungszeit bedingte in diesem Fall den Abriss einzelner Bauteile vor Ablauf des technischen Lebenszyklus. Nach dem Erarbeiten eines flexiblen Nutzungskonzepts, das einen zeitgemäßen und vor allem zukunftsorientierten Gebrauch gewährleisten

Nur wenn die wechselseitigen Abhängigkeiten sowie die kausalen Zusammenhänge bekannt sind und in die Lebenszyklusbetrachtung einbezogen werden, ist es möglich, zielgerichtet und nachhaltig zu planen, zu bauen und zu wirtschaften. Da sich aufgrund der unklaren künftigen Entwicklung letztendlich keine richtigen, sondern nur – vor dem Hintergrund der angenommenen Entwicklung – zweckmäßige Entscheidungen treffen lassen, müssen die in den ersten Phasen des Lebenszyklus (Initiierung / Planung) getroffenen Entscheidungen flexible Reaktionen auf unterschiedliche Entwicklungen zulassen. Es handelt sich bei einer Immobilie um ein Gut mit einer sehr langen Lebensdauer, weshalb die Kostenprognose und die wahrscheinliche Abbildung der zukünftigen Geld- und Verbrauchswerte äußerst komplex ist. Die wirtA 6.6

34

Planen und Bauen in Lebenszyklen

a

b

c

sollte, wurden die massiven Brüstungen abgebrochen und die Tragstruktur ertüchtigt. Seit der Sanierung ermöglichen höhere Lastannahmen in Verbindung mit einem anpassungsfähigen leichten Innenausbau und eine innovative Fassade in Zukunft flexibel auf sich ändernde Entwicklungen im Umfeld der Immobilie zu reagieren. So kann das Gebäude bei Bedarf angepasst werden, ohne dass Gebäudeteile noch vor Ablauf des technischen Lebenszyklus abgebrochen werden müssen. Um auch im Bereich der Versorgung auf künftige Nutzungsänderungen entsprechend reagieren zu können, wurde neben der vertikalen auch eine ringförmige, von außen zugängliche Installationsführung vorgesehen. So können Entscheidungen dezentral und nutzerunabhängig getroffen werden, was vor allem bei den sich schnell ändernden Anforderungen an die Medienversorgung einen großen Vorteil bietet. Eine der wichtigsten Voraussetzungen für eine nachhaltige Gebäudeplanung ist ein langer, möglichst absehbarer Nutzungszeitraum, da Massenverschiebungen – wie sie bei Neubauten entstehen – immer mit einem hohen Verbrauch an Ressourcen und Energie verbunden sind. Neben den baubiologischen Aspekten, der Effizienz und des Verbrauchs an Ressourcen sind also insbesondere so genannte Soft Skills – flexible Eigenschaften einer Immobilie (z. B. variale Grundrissnutzung) – von fundamentaler Bedeutung. Verfügt ein Gebäude über solche Parameter, so kann auf nicht vorhersehbare Veränderungen reagiert und dadurch ein wesentlicher Beitrag zur Nachhaltigkeit geleistet werden. Die Einflussfaktoren, die eine Gebäudeanpassung bedingen, sind sehr unterschiedlich. So können beispielsweise strengere Gesetzgebungen energetische Sanierungsmaßnahmen erforderlich machen oder nutzungsbezogene Anpassungen zu Eingriffen in die Gebäudesubstanz führen. Da sich die bauliche Aktivität der nächsten Jahre nicht nur in Deutschland verstärkt auf den Bereich der Sanierung und der Umnutzung konzentrieren wird, kann und muss diese Entwicklung auch zum Anlass genommen werden, darüber nachzudenken, welche Soft Skills Gebäude aufweisen müssen. Nur eine Immobilie

mit flexiblen Eigenschaften lässt sich optimal an ein verändertes Umfeld und an daraus resultierende Anforderungen hinsichtlich der Umgestaltung anpassen.

der Umbau der Bochumer Jahrhunderthalle in die so genannte Montagehalle für Kunst (Abb. A 6.1 und 6). Dieses Gebäude wurde ursprünglich für eine im Jahr 1902 in Düsseldorf stattfindende Messe konzipiert und ein Jahr später nach Bochum transloziert, um dort als Industrieanlage genutzt zu werden. 1968 erfolgte die Stilllegung, bis 2002 diente das Gebäude als Lagerhalle, danach wurde es zu einer Aufführungsstätte für Theater und Konzerte mit innovativer Gebäudetechnik umgebaut. Diese lebenszyklusgerechte Nachnutzung konnte realisiert werden, da der Bau in seiner Planung entsprechend flexibel konzipiert worden war. Um den thermischen Komfort in diesem Hallenensemble nachhaltig und effizient sicherzustellen, erhielt das Gebäude eine neue und erstmals dort eingesetzte Schichtlüftung, die nach dem Prinzip einer Inversionswetterlage arbeitet (Abb. A 6.7 a– c). So gelang es, das Gebäude unter Berücksichtigung von intelligenter Haustechnik einer neuen Nutzung und einem dritten Lebenszyklus zuzuführen. Die Beachtung von Soft Skills bei einer lebenszyklusgerechten Planung erschließt somit ein Potenzial, das es ermöglicht, Gebäude in Zukunft nicht nur ökonomischer, sondern auch energieeffizienter und nachhaltiger zu planen, zu bauen und zu betreiben. So sagte schon der im 16. Jahrhundert tätige französische Architekt Philibert de L’Orme: »Der gute Architekt verfügt über drei Augen, vier Ohren und vier Hände (…). Was er zu sagen hat, betrifft Lehren aus der Vergangenheit, Beobachtungen der Gegenwart (und) Voraussicht in die Zukunft (…)« [6].

Metamorphose und Nachnutzung

In der Natur sind angepasste zyklische Entwicklungen im Sinne einer Metamorphose durchaus üblich. Lebewesen, die beispielsweise eine Metamorphose durchlaufen, zeichnen sich in jedem Stadium durch eine optimale Anpassung an ihr Umfeld aus. Da sich die Rahmenbedingungen in unserer Gesellschaft und dementsprechend auch für unsere architektonische Umwelt ständig ändern, müssen Gebäude in gewissen Grenzen wandel- und adaptierbar sein. Nur wenn sie das sind, beinhaltet eine architektonische Aussage ein Potenzial im Sinne der Nachhaltigkeit, das es ermöglicht, die Immobilie nach Beendigung des angedachten Lebenszyklus ohne vollständigen Verlust der vorher eingebrachten Energie in einen neuen Lebenszyklus zu überführen. Sofern eine Immobilie also über entsprechende Soft Skills verfügt, lässt sich eine solche Metamorphose ohne hohen Energie- und Ressourcenverbrauch problemlos durchführen – denn »Energie ist durch gute Architektur substituierbar«, sagte schon Richard Buckminster Fuller [5]. Ein eklatanter Vorteil solcher sich ablösender Lebenszyklen liegt zweifelsfrei in der Frage des Recycling. Das standardisierte Verwerten eines Gebäudes, dessen Lebenszyklus ausläuft, ist idealerweise mit dem Recycling der einzelnen Rohstoffe verbunden, wobei in der Regel im großen Maßstab ein »Downcycling« erfolgt, d. h. ein großer Anteil des zuvor verbauten Materials kann nicht mehr in der gleichen Qualität wiederverwendet werden, sodass nur Anteile primärer und sekundärer Baumaterialien ersetzt werden können. Der Erhalt und die Nachnutzung der Gebäudesubstanz sind dem Abbruch und anschließenden Neubau aufgrund der Energieeffizienz und der Nachhaltigkeit unbedingt vorzuziehen. Ein solches Konzept der lebenszyklusgerechten Nachnutzung ist aber wiederum nur realisierbar, wenn Gebäude über entsprechende Soft Skills verfügen. Ein Beispiel für eine lebenszyklusgerechte Nachnutzung im Sinne einer Metamorphose ist

A 6.7

Anmerkungen: [1] Wübbenhorst, Klaus: Konzept der Lebenszykluskosten. Darmstadt 1984 [2] Herzog, Kati: Lebenszykluskosten von Baukonstruktionen. In: Darmstädter Nachhaltigkeitssymposium 2003 [3] Bundesamt für Konjunkturfragen: Impulsprogramm IP Bau, Alterungsverhalten von Bauteilen. Bern 1994 [4] Roth, Karin: Wo stehen wir? In: Der Lebenszyklus von Wohngebäuden. Hrsg. von der Bundesingenieurkammer. Veranstaltungsdokumentation Hamburg Sept. 2006 [5] Tichelmann, Karsten; Pfau, Jochen: Entwicklungswandel Wohnungsbau. Wiesbaden 2000, S. 230 [6] ebd., S. 218

35

Teil B

1

Planung

Grundlagen

2 Stadtraum und Infrastruktur 3

Gebäudehülle

4

Technik

5

Material

6

Strategien

Abb. B Luftbild von Venedig (I)

37

Grundlagen

B 1.1

B 1.1 B 1.2

Satellitenbild der Erde bei Nacht systemanalytische Studie des Club of Rome zur Zukunft der Weltwirtschaft mit Trend zu krisenhaften Zuständen ab dem Jahr 2020 B 1.3 Entwicklung von durchschnittlicher Jahrestemperatur (Referenzjahr 1950) und CO2-Konzentration in den vergangenen 400 000 Jahren B 1.4 flächenintensive Siedlungsstruktur B 1.5 Sprengung einer Wohnanlage im Jahr 1972 nach einer Lebensdauer von nur 17 Jahren, St. Louis (USA) 1955, Minuro Yamasaki B 1.6 Ungenügende Tageslichtqualität, maschinelle Klimatisierung und schadstoffbelastete Innenraumluft sind häufig für das »Sick-Building-Syndrom« verantwortlich.

38

Für eine zukunftsfähige globale Entwicklung unserer Gesellschaft kommt der Lösung der Energieproblematik eine entscheidende Bedeutung zu. Die Sicherung des heute erreichten Lebensstandards und die weitere wirtschaftliche, technische sowie gesellschaftliche Entfaltung sind in hohem Maße von einer verbesserten Energieeffizienz aller Gebäude und technischen Systemen sowie einer dauerhaften und klimaschonenden Energieversorgung abhängig. Dass akuter Handlungsbedarf besteht, bestreitet inzwischen niemand mehr. Die Erschöpfung der fossilen Energieträger Öl und Gas ist absehbar. Verteilungskämpfe um knapper werdende Energieressourcen nehmen an Härte zu; infolge der Marktgesetze steigen die Energiepreise. Die Folgen für die Umwelt durch den Einsatz nicht erneuerbarer Rohstoffe sind seit Langem bekannt. Nun verlangt auch die Einsicht, dass ihre ungezügelte Verwendung einen langfristigen Klimawandel auslöst, rasches Handeln: Die Temperatur der Erdoberfläche nimmt weltweit zu, Polareis und Gletscher schmelzen, die Ozeane erwärmen sich und versauern, der Meeresspiegel steigt, extreme Wetterereignisse nehmen zu. Die globale Erwärmung ist inzwischen zur lokalen Bedrohung geworden und versetzt die Menschheit in eine nie dagewesene Situation. Um unkontrollierbare Auswirkungen der Temperaturänderung zu verhindern, müssen sich die Konsumund Wirtschaftsverhalten innerhalb der nächsten 10 bis 20 Jahre radikal verändern. Die »Theorie der langen Wellen« besagt, dass gesellschaftliche Entwicklungen immer auf einer Technologieänderung von Energie-, Stoffund / oder Informationsströmen basieren (siehe Die Dinge richtig tun – über Effizienz und Nachhaltigkeit, S. 24). Demzufolge zeichnet sich auch im Bauwesen ein Paradigmenwechsel ab – mit weitreichenden Auswirkungen für das künftige Planen und Bauen. Infolge der meist hohen Lebensdauer von Bauwerken haben einmal getroffene Entscheidungen und Maßnahmen eine langfristige Wirkung. Insbesondere die erheblichen Masseströme sowie die hohen Ressourcen- und Energieverbräuche von Gebäuden erfordern die Ausbildung eines neuen, tragfähigen Leitbildes einer nachhaltigen Architektur. In ande-

ren Wirtschaftsbereichen, z. B. im Automobilbau oder der Landwirtschaft, ist die Effizienzund Nachhaltigkeitsoffensive bereits weiter fortgeschritten. Sie offenbart im unmittelbaren Vergleich den technologischen Rückstand im Bauwesen. Folgende Aspekte verdeutlichen den Handlungsbedarf in Architektur und Bauwesen: Klimaschutz • Rund 40 % der Treibhausgase resultieren aus der Gebäudeerstellung und -nutzung, die somit maßgeblich zur globalen Erwärmung beitragen. • In den Industrienationen wird ca. 40 % der Gesamtenergie für den Betrieb von Gebäuden verbraucht. Hinzu kommen etwa 10 % Energieverbrauch für Materialherstellung, Bauprozesse sowie Transport von Baumaterialien. Ressourcenschonung • Der Bausektor verbraucht ca. 50 % aller von der Erde entnommenen Materialien. • Hoch- und Tiefbau sind zu etwa 60 % am Abfallaufkommen beteiligt. • Der Bedarf nach Siedlungs- und Verkehrsflächen hat sich in Deutschland in den vergangenen 40 Jahren nahezu verdoppelt. Täglich werden trotz stagnierender Bevölkerungszahlen in Deutschland 129 ha Freiflächen versiegelt [1], das entspricht etwa 164 Fußballfeldern. • Der durchschnittliche Wohnflächenbedarf pro Person stieg in Deutschland zwischen 1960 und 2005 von 19 auf 42 m2 an. Versorgungssicherheit • Unsere material- und energieintensive Wirtschaftsweise erzeugt hohe Abhängigkeiten – vielfach von Ländern, die politisch wenig stabil sind und denen in Zukunft besonders drastische Auswirkungen des Klimawandels bevorstehen. In der EU werden derzeit 50 % der benötigten Primärenergieträger importiert, in Deutschland sogar rund 74 %. • Aufgrund des wirtschaftlichen Fortschritts in den Entwicklungs- und Schwellenländern wird bis 2030 eine Steigerung des Weltenergieverbrauchs um etwa 60 % erwartet.

Industrieproduktion

Rohstoffe

Bevölkerung

1900

1950

Nahrungsmittel

Umweltverschmutzung 2000

2050

2006: 383 ppm 350 300 250 200 150

Temperaturunterschied [K]

Prognose

CO2-Konzentr. [ppm]

Grundlagen

2 0 -2 -4 -6 -8 -10 400000

2100 B 1.2

Betriebskostensenkung • In den vergangenen zehn Jahren sind die Heizkosten in Deutschland um ca. 90 % gestiegen. Dies reduziert das verfügbare Einkommen der privaten Haushalte und hat somit negative Auswirkungen auf die Konjunktur. • Für die Wohnungswirtschaft lassen sich Ertragssteigerungen durch eine Erhöhung der Kaltmiete bei steigenden Betriebskosten (»zweite Miete«) kaum noch realisieren.

300000

200 000

0 100 000 Rückrechnung [a] B 1.3

Komfort und Gesundheit • In Europa leben etwa 80 % der Menschen in Städten und verbringen den überwiegenden Teil ihrer Zeit in geschlossenen Räumen. • Das »Sick-Building-Syndrom« (SBS) stellt sich in etwa bei einem Drittel aller neubezogenen Gebäude ein.

nicht eintraten, verdeutlichten die entworfenen Szenarien – die Wechselwirkungen von Bevölkerungsentwicklung, Industrieproduktion, Ressourcenverbrauch und Umweltverschmutzung – jedoch erstmals die natürlich vorgegebene Limitierung unserer Handlungsweisen (Abb. B 1.2).

Architekten und Ingenieure müssen sich diesen umfassenden Herausforderungen stellen. Es geht darum, künftig mit dem geringstmöglichen Einsatz von Energie und Ressourcen die höchstmögliche Gesamtwirtschaftlichkeit, Behaglichkeit und Architekturqualität zu erzielen.

Klimawandel

Impulse für die Bauwirtschaft • Rund drei Viertel des Wohngebäudebestands in Deutschland gelten als sanierungsbedürftige Altbauten. • Dennoch reduzierte sich das Auftragsvolumen im Hochbau in den vergangenen zehn Jahren um 57 %, wobei 2005 das Investitionsvolumen im Altbau (69 %) bereits deutlich über dem des Neubaus (31 %) lag.

Seit dem Beginn der industriellen Revolution hat sich unsere Lebensweise radikal verändert. Der Wohlstand in den industrialisierten Regionen der Welt basiert, neben stetigen Innovationen und neuen Technologien, hauptsächlich auf dem Verbrauch endlicher, fossiler Energieträger. Das Satellitenbild der Erde bei Nacht zeigt erkennbar den Grad der Ressourcennutzung sowie den regional sehr ungleich verteilten Energieverbrauch (Abb. B 1.1). Spätestens die erste Ölkrise in den 1970er-Jahren offenbarte die Abhängigkeit unseres Wirtschaftswachstums von fossilen Brennstoffen. Auch wenn die düsteren Prognosen der »Grenzen des Wachstums« des Club of Rome [2] bisher

Die Temperatur der Erdoberfläche stieg in den vergangenen 100 Jahren um etwa 0,8 °C; von den vergangenen zwölf Jahren (1995 – 2006) gehörten elf zu den wärmsten seit Beginn der Temperaturaufzeichnung. Der globale Klimawandel – lange wegen der komplexen Wechselbeziehungen von Einzelfaktoren bezweifelt – ist inzwischen anerkannte Realität und gefährdet unsere Lebensgrundlagen. Die Veränderungen wurden zunächst eher subjektiv wahrgenommen, vor allem durch die Häufung extremer Klimaphänomene in jüngster Vergangenheit. Doch der Dokumentarfilm »An Inconvenient Truth« (dt.: Eine unbequeme Wahrheit) des ehemaligen US-Vizepräsidenten Al Gore rüttelte 2006 die Öffentlichkeit auf, indem er die heute bereits sichtbaren und die zu erwartenden Folgen des Klimawandels veranschaulichte. Mit Veröffentlichung des vierten Sachstandsberichts des UN-Weltklimarats IPCC [3] im Jahr 2007 vertiefte sich die öffentliche Diskussion. Die Tatsache des beschleunigten Klimawandels gilt seither auch in der Politik als allgemein anerkannt. Der IPCC-Bericht stellt zweifelsfrei

B 1.4

B 1.5

B 1.6

Bausubstanz und Werterhaltung • Gebäude stellen wirtschaftlich das wertvollste Gut einer Gesellschaft dar. Etwa die Hälfte aller Anlageinvestitionen in Deutschland sind allein im Wohnungsbau gebunden. • Durch unzureichende Beachtung der möglichen Energieeffizienz werden bei Sanierungsmaßnahmen derzeit nur rund ein Drittel der wirtschaftlich rentablen Einsparpotenziale umgesetzt.

Globale Rahmenbedingungen

39

Primärenergieverbrauch [EJ]

Grundlagen

fallende Erträge der pflanzlichen Produktion in vielen Gebieten, insbesondere in Entwicklungsländern

Nahrungsmittel

fallende Erträge in vielen entwickelten Regionen

möglicherweise steigende Erträge in höheren Breiten signifikante Abnahme der Wasserverfügbarkeit in vielen Gebieten, einschließlich Mittelmeerraum und südliches Afrika

Verschwinden kleinerer Gletscher, Wasserversorgung mehrerer Gebiete bedroht

Wasser

umfangreiche Schäden an Korallenriffen

Ökosysteme

Zahl der vom Aussterben bedrohter Arten steigt

steigende Intensität von Stürmen, Waldbränden, Dürren, Überflutungen und Hitzewellen

extreme Wetterereignisse Risiko abrupter, unwiderruflicher Veränderungen globaler Temperaturanstieg [°C]

Anstieg des Meeresspiegels bedroht größere Städte

erneuerbare Energien

400

Kernenergie Erdgas Mineralöl

300

Kohle

200

100

wachsende Gefahr bedrohlicher Rückwirkungen und abrupter Verschiebungen im Klimasystem in großem Maßstab

0

1

3

2

4

5

1870

1890

1910

1930

1950

1970

B 1.7

sicher. Damit ist das System bereits geladen. Auch in diesem Fall werden die Auswirkungen massiv sein. Wenn die 6 -Prognose eintritt, wird unsere Welt eine andere sein« [4]. Der Weltklimarat geht von einem maximal tolerierbaren Temperaturanstieg um weitere 2,0 °C aus, bevor eine irreversible Schädigung des Klimasystems erfolgt (Abb. B 1.7). Um diesen »Point of no Return« nicht zu überschreiten, dürfte die CO2-Konzentration der Atmosphäre bis zum Ende des 21. Jahrhunderts auf höchstens 450 ppm ansteigen (Abb. B 1.10). Zudem besteht große Unsicherheit, wie besonders empfindliche Regionen und Ökosysteme auf veränderte Temperaturen und Niederschläge reagieren. Klimaforscher bezeichnen das Abschmelzen des grönländischen Eisschildes oder das Auftauen des sibirischen Permafrostbodens als so genannte Kippschalter (»Tipping Points«). Durch selbstverstärkende Wirkungen könnten sie womöglich Prozesse von unkontrollierbarer Dynamik entfalten (Abb. B 1.9). Volkswirtschaftliche Effekte

In der Vergangenheit verwiesen ökonomische Bewertungen und volkswirtschaftliche Analysen auf die Unvereinbarkeit von nachhaltigem, öko-

Schmelzen des grönländischen Eisschildes

Methanausgasung klimawandelinduziertes Ozonloch

Versiegen der Tiefenwasserbildung

verringerte Sonnenrückstrahlung im Himalaya

Wiederbegrünung der Sahara

Störung der marinen Kohlenstoffpumpe

Versiegelung von nährstoffreichen Staubquellen

Schmelzen des westantarktischen Eisschildes

100

Prognose Szenario »A1FI«

80

60

40 Szenario »550«

historisch

Szenario »450«

0 Störung natürlicher Klimaschwankungen (El Niño)

Versiegen der Tiefenwasserbildung und assoziierter Nährstoffversorgung antarktisches Ozonloch B 1.9

40

Stern-Report Der 2006 erschienene »Stern-Report« [5] galt bereits kurz nach seiner Veröffentlichung als Beginn eines neuen Zeitabschnitts in der ökonomischen Bewertung des Klimawandels. Der frühere Chefökonom der Weltbank, Sir Nicholas Stern, beziffert darin die Risiken und Kosten der globalen Klimaänderung erstmals ausdrücklich aus volkswirtschaftlicher Sicht. Demzufolge bedeuten ein weiterhin ungehemmter

20

Störung des indischen Monsuns

Kippen der Amazonasvegetation

logisch verantwortungsvollem Handeln und der Notwendigkeit möglichst dauerhaften Wirtschaftswachstums. Zunehmend wird jedoch deutlich, dass in der Preisgestaltung vieler Produkte und Dienstleistungen negative ökologische und soziale Effekte (z. B. Schädigung des Ökosystems), die aus herkömmlichen Produktions- und Konsumprozessen resultieren, nicht berücksichtigt werden. Dies sind die »externen Kosten«, die Auswirkungen bezeichnen, welche nicht direkt von den Verursachern getragen werden. Als Grundlage für ein nachhaltiges Wirtschaften sind Unternehmen künftig gefordert, die externen Kosten durch Anwendung des Verursacherprinzips in die Marktund Preismechanismen einzubeziehen.

CO2 - Emissionen [Mrd. t CO2 /a]

den Zusammenhang zwischen dem globalen Klimawandel und dem vom Menschen verursachten, steigenden Ausstoß von Treibhausgasen fest. Seit 1750 ist die CO2-Konzentration in der Atmosphäre um 36 % auf mittlerweile 383 ppm (parts per million) gestiegen und hat vermutlich das höchste Niveau innerhalb der letzten 20 Millionen Jahre erreicht (Abb. B 1.3). Aktuell steigt die Kohlendioxidkonzentration jedes Jahr um weitere 2,5 ppm an. Die Klimadebatte hat eine neue Dimension erreicht. Sie dreht sich nicht mehr um die Fragestellung, ob die erhöhte CO2-Konzentration Folgen für das Weltklima hat. Vielmehr bewegt nun die zentrale Frage: Wie viel Kohlendioxid kann die Erdatmosphäre noch aufnehmen, bevor Überlebensrisiken für die Menschheit auftreten? Welche Maßnahmen sind zu ergreifen? Wie viel Zeit bleibt noch, unser Wirtschaftsverhalten grundlegend umzuformen? Die wissenschaftlichen Voraussagen über den zu erwartenden Temperaturanstieg in unseren Breiten bis zum Jahr 2100 (gegenüber 1990) schwanken aufgrund der Komplexität des Klimasystems zwischen 1,5 und 5,8 C. Das Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung bemerkt in diesem Zusammenhang: »1,5 C sind schon

1990 B 1.8

1940

1980

2020

2060

Szenario

histor.

»A1FI« »550«

»450«

CO2-Konzentration im Jahr 2100 [ppm]

(360)

950

450

mittlerer Temperaturanstieg [°C]

0,4–0,8 4,5–5

550

2100

2,5–3,0 1,5–2 B 1.10

80 70 60 50 40 30 20 10

Weltbevölkerung [Mrd.]

weltweite Rohölförderung [Mio. Barrel / Tag]

Rohölpreis [USD / Barrel]

Grundlagen

100 90 80 70 60

1950

1960

1970

1980

1990

2010 B 1.11

Ausstoß von Treibhausgasen und daraus resultierende klimatische Veränderungen mittelfristig einen Rückgang des jährlichen globalen Bruttoinlandsprodukts von 5 bis 20 %. Die Folgekosten steigender Meeresspiegel, sinkender landwirtschaftlicher Erträge und gewaltiger Migrationsströme werden mit den Auswirkungen der Weltwirtschaftskrise in den 1930erJahren verglichen (Abb. B 1.7). Stern folgert, dass die Vorteile eines entschiedenen und frühzeitigen Handelns die Kosten des Nichthandelns bei Weitem übersteigen. Den Berechnungen zufolge ließen sich mit 1 % des globalen Bruttoinlandsprodukts pro Jahr die bedrohlichsten Auswirkungen des Klimawandels verhindern. Die Entscheidungen und Investitionen der kommenden 10 bis 20 Jahre werden nach dem »Stern-Report« maßgeblich das Klima in der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts bestimmen. Dieser an die britische Regierung gerichtete, jedoch notwendigerweise global argumentierende Report beschränkt sich in seiner Analyse nicht ausschließlich auf die Beschreibung drohender Gefahren, sondern formuliert Handlungsempfehlungen, mittels derer sich die Risiken reduzieren lassen. Durch die verstärkte Nutzung erneuerbarer Energien, den Einsatz von kohlenstoffarmen Technologien und eine deutliche Steigerung der Energieeffizienz könnten laut Stern die drastischen Folgen des Klimawandels (»das bisher größte und weitreichendste Marktversagen«) verhindert werden. Nachhaltiges, ökologisch verantwortungsvolles Handeln steht hiernach nicht mehr im Widerspruch zum Wirtschaftswachstum, sondern bildet langfristig die entscheidende Grundlage dafür. Fossile Energiewirtschaft Industriegesellschaften sind in hohem Maße von der Verfügbarkeit der Energierohstoffe abhängig. Nicht erneuerbare Energieträger haben derzeit weltweit einen Anteil von 86 % am gesamten Primärenergieverbrauch. In Deutschland beträgt dieser Wert sogar 95 %. Allein seit dem Ende des Zweiten Weltkriegs hat die Menschheit mehr fossile Rohstoffe verbraucht als in ihrer gesamten Geschichte zuvor (Abb. B 1.8). Die rapide steigenden Energiepreise der vergangenen Jahre zeigen die End-

Entwicklungsländer

4 40

Campbell 2002

30

BGR 2005

Shell 1995 2

20

Industrienationen

10

1950

Prognose 2000

2050

0 1950

2100 B 1.12

lichkeit fossiler Rohstoffe auf (Abb. B 1.11); die Schere zwischen Angebot und Nachfrage beginnt sich zu öffnen. Die Erde ist mittlerweile so gut erforscht, dass vermutlich alle größeren Lagerstätten bisher ungeförderter Energierohstoffe bekannt sind. Die statistischen Reichweiten konventionell förderbarer, nicht erneuerbarer Energiereserven betragen für • • • •

6

50

0

0

Prognose 8

Mineralöl 41 Jahre, Erdgas 62 Jahre, Kohle 200 Jahre, Uran 40 Jahre.

Innerhalb der statistischen Reichweite kann eine konstante Förderung bis zur Erschöpfung aller Reserven nicht aufrechterhalten werden. Das weltweite Ölfördermaximum – der so genannte Peak-Oil – bezeichnet den Scheitelpunkt, an dem die Hälfte aller konventionell förderbaren Erdölvorkommen erschöpft sein werden (Abb. B 1.12). Die Ausbeutung von Lagerstätten verläuft entsprechend einer Glockenkurve. Wenn der »Peak-Oil« erreicht ist, sinkt die Förderung den Prognosen zufolge erst langsam, dann schneller und zum Ende langsam auslaufend. Dieser Wendepunkt wird zwischen 2008 und 2020 zu erwarten sein. Dann beginnt das Ende des Ölzeitalters; es entsteht eine sich ausweitende Deckungslücke zwischen Energiebedarf und maximaler Förderleistung. Entsprechend den Mechanismen der Marktwirtschaft steigt der Preis für ein Gut so lange, bis das Angebot größer ist als die Nachfrage. Das Preisniveau möglicher Erdölsubstitute (z. B. erneuerbare Energien, Kohleverflüssigung etc.) sowie die Senkung der Nachfrage durch gesteigerte Energieeffizienz bilden somit den künftigen Kurswert des Erdöls. Darüber hinaus sind die Staaten der EU abhängig von Erdöl- und Erdgasimporten aus Regionen, die politisch oftmals als instabil gelten oder autokratisch regiert werden (Abb. B 1.14). Zu den Ländern mit den meisten Erdgas- bzw. Ölreserven gehören Saudi-Arabien, Iran, Kuwait und die Vereinigten Arabische Emirate. Ein verstärkter Kohleabbau wäre unter dem Gesichtspunkt der Verfügbarkeit vordergründig sinnvoll; die damit verbundenen besonders

B 1.7 B 1.8

B 1.9 B 1.10

B 1.11

B 1.12

B 1.13 B 1.14

Rang

1975

2000

2025

2050 B 1.13

Folgen des globalen Temperaturanstiegs laut »Stern-Report« Entwicklung des weltweiten Primärenergieverbrauchs von 1870 bis 2000 und seiner Deckung nach Energiequellen »Tipping Points« des Klimasystems Vergleich verschiedener Szenarien zur Entwicklung der energiebedingten CO2-Emissionen sowie ihrer Auswirkungen auf CO2-Konzentration und Temperaturanstieg in der Atmosphäre Entwicklung des nominalen Rohölpreises in USDollar pro Barrel (= ca. 159 l Öl) von 1946 bis 2006 Entwicklung und Prognose des weltweiten Ölfördermaximums (»Peak-Oil«) nach Studien von Shell (1995), Colin J. Campbell (2002) und dem Bundesamt für Geowissenschaften und Rohstoffe (2005) Prognose des Bevölkerungswachstums bis 2050 Rangfolge der zehn Länder mit den größten bekannten Erdöl- bzw. Erdgasreserven im Jahr 2005

Land

Erdgasreserven in Mrd. m3

1.

Russland

47 544

2.

Iran

27 484

3.

Katar

25 768

4.

Saudi-Arabien

6830

5.

Vereinigte Arabische Emirate 6068

6.

USA

5448

7.

Nigeria

5226

8.

Algerien

4542

9.

Venezuela

4284

10.

Irak

3168

Rang

Land

Erdölreserven in Mio. t

1.

Saudi-Arabien

36 037

2.

Iran

18 022

3.

Irak

15 646

4.

Kuwait

13 845

5.

Vereinigte Arabische Emirate 13 306

6.

Venezuela

10 847

7.

Russland

10 148

8.

Libyen

5323

9.

Nigeria

4881

Kasachstan

4100

10.

B 1.14

41

Grundlagen

hohen CO2-Emissionen würden jedoch den Klimawandel nochmals erheblich verschärfen.

5778 (22%)

USA

4497 (17%)

China

4003 (15%)

EU-25

Gesellschaftliche Auswirkungen

Russland

1581 (6%)

Japan

1258 (5%) 1148 (4%)

Indien Deutschland

865 (3%)

Großbritannien

553 (2%)

Kanada

544 (2%)

Südkorea

489 (2%)

Italien

468 (2%) 0

1000 2000 3000 4000 5000 6000 CO2-Ausstoß [Mio.t ] B 1.15 45

Katar 26

Kuwait

24

Ver. Arab. Emirate Luxemburg

23

Bahrain

23 20

USA

20

Trinidad & Tobago

18

Brunei

17

Australien

14

Finnland 11

Deutschland 1,3

klimaverträglich 0

30 10 20 40 CO2-Ausstoß pro Kopf [t] B 1.16

B 1.15

Länder mit den höchsten CO2-Emissionen im Jahr 2003 B 1.16 CO2-Ausstoß pro Kopf von ausgewählten Ländern im Jahr 2003 B 1.17 angestrebte und bis 2002 erreichte Emissionsveränderungen im Rahmen des Kyoto-Protokolls B 1.18 unterschiedliche Energieformen B 1.19 Energiebilanz der Erde

Deutschland Dänemark Großbritannien Österreich Italien

-19 -21 -1

-21 -15 -13

9

-13

9

-7 -2

Frankreich

0

Irland Spanien Schweiz

-8

-2

-6

Kanada

-6

8 20 1

Norwegen

6 13

-7

Australien1 angestrebt bis 2008 / 2012 [%] 1

39

16

Japan

USA1

29

13

8

22

bisher erreicht [%]

ursprüngliches Ziel, Kyotoprotokoll nicht unterzeichnet B 1.17

42

Im Kontext der globalen Erwärmung ist auch unser Konsumverhalten hinsichtlich seiner Zukunftstauglichkeit zu hinterfragen. Der Klimawandel wird durch die demografische Entwicklung zusätzlich forciert; die Bevölkerungszahlen steigen von heute 6,6 Milliarden Menschen auf voraussichtlich 9 Milliarden im Jahr 2050 und stagnieren wohl erst im Jahr 2100 bei ca. 10 Milliarden Bewohnern (Abb. B 1.13). Um eine angemessene und nachhaltige Lebensgrundlage für zusätzliche 2,4 Milliarden Menschen bereitstellen zu können, sind die verfügbaren Ressourcen und ihre natürlichen Limitierungen sowie die sich abzeichnenden Folgen des Klimawandels zu beachten. Der Bevölkerungsanstieg vollzieht sich vornehmlich in Entwicklungs- und Schwellenländern. Ungeachtet aller Effizienzbemühungen wird der Energiebedarf in Asien bis 2050 um etwa 40 % und in Lateinamerika um voraussichtlich 55 % zunehmen. In den Schwellenländern werden somit in den kommenden Jahren enorme Investitionen für Energiesysteme ausgelöst. Diese legen die Energieinfrastruktur – und damit die Höhe der CO2-Emissionen – für Jahrzehnte fest. Angesichts der demografischen, wirtschaftlichen und klimatischen Entwicklung bleibt laut IPCCReport nur noch ein Zeitfenster bis zum Jahr 2020 offen, um durch die signifikante Reduktion von Treibhausgasen die weltweite Erwärmung auf maximal 2,0 C zu begrenzen. Da lediglich 10 bis 20 Jahre für gravierende Veränderungen zur Verfügung stehen, müssen die meisten Innovationen mittels bereits vorhandener Technologien erfolgen. Allein auf neue technische Lösungen zu hoffen – um dann wie gewohnt weiterzuwirtschaften – wird nicht ausreichen, um die anstehenden Aufgaben zu bewältigen. Die globalen Herausforderungen erfordern neben technischen auch unmittelbare gesellschaftliche und soziale Innovationen. In den meisten Industrienationen kann man die gegenwärtige Entwicklung des gesellschaftlichen Lebens durch die Attribute Individualisierung, Anonymisierung und Entsolidarisierung charakterisieren. Die historischen Erfahrungen aus den Anfängen der Ökologiebewegung haben allerdings gezeigt, dass sich eine altruistische Mensch-Umwelt-Beziehung nicht in dogmatischer oder deterministischer Weise verordnen lässt. Es bleibt abzuwarten, inwieweit »qualitatives« Wachstum – als Maxime für Lebensqualität – die bisherige Doktrin nach »quantitativem« Wachstum zu ersetzen vermag. Der Klimawandel berührt infolgedessen auch ethische Fragen, für politische Entscheidungsträger wie für jeden Einzelnen. Derzeit produziert jeder Mensch im weltweiten Durchschnitt jährlich 4,4 t CO2. Bis 2050 müssen nach derzeitigem Erkenntnisstand die Emissionen pro Bewohner um mehr als zwei Drittel, auf »klimaverträgliche« 1,3 t reduziert

werden. Die industrialisierten Länder der Welt werden nicht dauerhaft mehr »Verschmutzungsrechte« beanspruchen können als Entwicklungs- und Schwellenländer (Abb. B 1.15 und 16). In Deutschland müsste sich demnach der Pro-Kopf-Ausstoß von knapp 11 t auf ein Achtel des heutigen Wertes reduzieren. Aus der Klimadebatte resultieren somit auch unangenehme Fragestellungen bezüglich unserer Lebensweise: Verfügt künftig jeder Mensch über das gleiche Recht auf 1,3 t CO2-Emissionen? Müssen wir zwischen »Überlebensemissionen« und »Luxusemissionen« unterscheiden? Gilt es, in irgendeiner Form auch Verzicht zu üben? Werden in Zukunft Emissionsrechte auch individuell gehandelt? Letztlich scheint die Klimaerwärmung auch eine stärkere Verteilungsgerechtigkeit zu erzwingen. Politische Zielsetzungen

Die aktuellen Maßnahmen der internationalen Klimaschutzpolitik basieren im Wesentlichen auf den Ergebnissen der Klimarahmenkonventionen von 1992. Bei der auch als »Erdgipfel« bezeichneten UN-Konferenz in Rio de Janeiro verständigten sich über 150 Staaten erstmals über generelle globale Umweltthemen, ohne allerdings konkrete Schritte oder Ziele festzuschreiben. Erst mit Unterzeichnung des KyotoProtokolls im Jahr 1997 wurden auf internationaler Ebene verbindliche Zielwerte für Treibhausgase beschlossen. In dem Abkommen verpflichteten sich die Industriestaaten ihre CO2-Emissionen bis 2012 um insgesamt 5,2 % gegenüber 1990 zu reduzieren. Es dauerte jedoch noch acht weitere Jahre, bis mindestens 55 Staaten, die 1990 mehr als 55 % der CO2-Emissionen verursacht hatten, das Abkommen ratifizierten. Das Protokoll trat somit erst Anfang 2005 in Kraft. In Abhängigkeit von der wirtschaftlichen Entwicklung der einzelnen Länder bestehen laut Abkommen verschieden hohe Reduktionsvorgaben. Die EU verpflichtete sich zu einer Senkung der Treibhausgase um insgesamt 8 %, wobei für die einzelnen EU-Länder ebenfalls unterschiedliche Ziele gelten (Abb. B 1.17). Auch wenn das Kyoto-Protokoll einen Meilenstein in der internationalen Klimaschutzpolitik darstellt, gelten die Bestrebungen nach heutigem Erkenntnisstand als keineswegs ausreichend, um der globalen Erwärmung entgegenzuwirken. Weltweit liegen die Treibhausemissionen heute ca. 25 % über denen des Basisjahrs 1990. Das Reduktionsziel, die Treibhausgase bis 2050 weltweit um 50 % gegenüber dem Stand von 1990 zu senken, lässt sich nur erreichen, wenn die Industrienationen ihre Emissionen um 60 bis 80 % vermindern. Um auf internationaler Ebene eine Führungsrolle und Vorbildfunktion zu übernehmen, empfiehlt die EU-Kommission den Industrienationen eine Minderung der Treibhausgase bis zum Jahr 2020 um 30 %. Ohne dem Nachfolgeprotokoll vorzugreifen, beabsichtigen die EU-Staaten sich aber bereits jetzt selbst zu verpflichten, die Emissionen bis 2020 um mindestens

Grundlagen

Energie Energie kann umgewandelt, gespeichert oder transportiert werden – und dennoch ist sie kein Stoff. Sie entzieht sich der sinnlichen Wahrnehmung, lediglich die Erscheinungsform (z. B. Wärme des Feuers) oder der Energieträger (z. B. Holzscheit) lassen sich durch unsere Sinne erfahren. Die Ursprünge des Begriffs »Energie« reichen bis in die Antike zurück. Der griechische Philosoph Aristoteles bezeichnete »energeia« (dt.: Tätigkeit, Wirksamkeit) als die Wirkkraft, durch die Mögliches in Seiendes übergeht. Seine heutige naturwissenschaftliche Bedeutung erlangte der Begriff »Energie« erst im 19. Jahrhundert. Die physikalische Definition des Begriffs lautet seither: »die im System gespeicherte Arbeit oder die Fähigkeit des Systems zur Verrichtung von Arbeit«. Energie tritt in verschiedenen Formen auf und lässt sich hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften beispielsweise in mechanische, thermische oder chemische Energie unterteilen (Abb. B 1.18). Im Jahr 1847 formulierte Hermann Helmholtz die entscheidende Entdeckung für das Verständnis bei Energieumwandlungen: Energie kann nicht erzeugt, sondern nur von einer Form in die andere umgewandelt werden. Dieser so genannte Energieerhaltungssatz begründete gleichzeitig den ersten Hauptsatz der Thermodynamik. Demnach ist die Energiemenge in geschlossenen Systemen immer konstant. Die umgangssprachliche Bezeichnung »Energieverbrauch« stellt physikalisch betrachtet die Transformation von einer Energieform in eine andere dar und kann wie folgt beschrieben werden: Energie = Exergie + Anergie = konstant Als Exergie bezeichnet man die Energiemenge eines Systems, die für eine erforderliche Energiedienstleistung Arbeit verrichten kann, während Anergie den Anteil nicht arbeitsfähiger Energie charakterisiert. Beim Beheizen von Gebäuden wird beispielsweise die chemische Energie eines Brennstoffs durch die Verbrennung in Wärmeenergie umgewandelt. Die Gesamtenergie setzt sich dabei aus dem nutzbaren Anteil (Exergie) sowie dem durch Abwärme und Umwandlungsverluste nicht nutzbaren Anteil (Anergie) zusammen. Exergie bleibt somit im Gegensatz zu Energie nicht erhalten, sondern wird durch die Transformation in Anergie entwertet. Die physikalischen Gesetzmäßigkeiten hinsichtlich möglicher Energieumwandlungen werden in der Physik mit dem Begriff »Entropie« (gr.: Entropía = Wendung, Umwandlung) beschrieben. Rudolf Claudius definierte 1865 den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, wonach die

Entropie eines abgeschlossenen Systems immer konstant bleibt oder zunimmt. Bei irreversibel ablaufenden Prozessen findet immer eine Entropiezunahme statt, wie z. B. beim Abbau von Ressourcen. Wenn die bekannten Kupfervorkommen nahezu verbraucht sind, dann bedeutet dies genauer gesagt, dass Kupfer mehr oder minder gleichmäßig über die Erde verteilt wurde und sich die Entropie durch die Gleichverteilung vergrößert hat. Die Wiederherstellung der Ausgangssituation (geringe Entropie) lässt sich nur durch den Einsatz von Energie erreichen. Daraus folgt, dass Systeme ohne Energiezufuhr von außen sich immer in Richtung eines Zustands größerer Unordnung bewegen. Der Mensch kann die Entropiezunahme durch effiziente Energie- und Ressourennutzung nicht aufhalten, sondern bestenfalls verlangsamen. Nur der Sonne gelingt es, die Entropie zu senken, da sie dem System Erde von außen Energie zuführt. Energiebilanz der Erde

Sämtliche auf der Erde zur Verfügung stehenden Energieströme speisen sich prinzipiell aus drei Quellen: • Erdwärme: Bei der Entstehung der Erde wurden große Mengen an Energie freigesetzt,

die zusammen mit dem natürlichen Isotopenzerfall die so genannte Erdwärme bilden. • Gravitation: Die Planetenbewegungen rufen in Verbindung mit der Massenanziehung zwischen Erde und Mond die Gezeiten hervor. • Solarstrahlung: Die solare Strahlung erreicht aufgrund thermonuklearer Umwandlung in der Sonne sowohl die Atmosphäre als auch die Erdoberfläche. Die Energiemengen dieser drei Quellen sind extrem unterschiedlich: Der weitaus größte Anteil ist die solare Strahlung. Sie macht über 99,9 % der gesamten zur Verfügung stehenden Energiemenge aus. Die Erdwärme stellt mit einem Anteil von etwa 0,02 % die zweitgrößte Quelle dar. Um einen weiteren Faktor zehn geringer ist der Beitrag der Gezeiten aufgrund der Planetengravitation und -bewegung. Im Sinne eines geschlossenen Energiesystems kann vorausgesetzt werden, dass sich die Erde in einem energetischen Gleichgewichtszustand befindet. Dies bedeutet, dass der zugeführten Energiemenge ein entsprechend gleich großer Entzug gegenübersteht. Knapp ein Drittel der auf die Erde gerichteten Solarstrahlung mit einer spezifischen Leistung von 1367 W/m2 (Solarkonstante) wird bereits bei Eintritt in die Erdatmosphäre reflektiert. Aufgrund von Wech-

Energieform

Erscheinungsweise (Beispiel)

technische Energieumwandlung

mechanische Energie / potenzielle Energie

Stausee

Laufwasserkraftwerk

mechanische Energie / kinetische Energie

fließendes Wasser

Speicherwasserkraftwerk

thermische Energie

Warmwasser

Fernwärme

elektrische Energie

Strom

Wärmepumpe

Strahlungsenergie

Sonnenlicht

Solarkollektor

chemische Energie

Erdgas

Gasbrennwertkessel

nukleare Energie

Kernspaltung

Atomkraftwerk B 1.18

Erdwärme 0,02% 3 ·1017 kWh/ a Planetengravitation und -bewegung 0,002 % 3 ·1016 kWh/ a

20 % zu reduzieren und den Anteil der erneuerbaren Energien an der Energieversorgung auf 20 % zu steigern.

Einstrahlung

Abstrahlung

1,5·10 21 kWh /a 100%

Biomasseerzeugung 0,1% 1,5·1018 kWh/a

Reflexion

31%

Absorption Reflexion

17% 4%

Verdunstung

21%

Strahlung

18%

Konvektion

9%

Atmosphärenobergrenze

Erdoberfläche

Weltprimärenergieverbrauch 0,0005 % 7,5 ·1015 kWh / a

Energiereserven fossil-biogen ca. 9 ·10 16 kWh

fossil-mineralisch ca. 1·10 18 kWh B 1.19

43

Anteil der genutzten Energieträger weltweit [%]

Grundlagen

24 22

80 Kohle

70

CO2-Emissionen [Mrd. t/a]

20

erneuerbare Energien 5,3% Kernenergie 12,6%

18

60

16

50

14 12

40 30

Holz

20

38 %

10

26 % Erdgas 23 %

8 6 4

10

Kernenergie

Erdöl Wasserkraft

0 1850

1900

1950

7% 3,5 % 2,5 %

Bevölkerung [Mrd.]

2 0 1870

2000

1900

1930

1960

B 1.20

selwirkungen mit atmosphärischen Bestandteilen erreicht schließlich etwa die Hälfte der Strahlung die Erdoberfläche und trifft auf die Kontinente und Meere (Abb. B 1.19). Diese Energie steht nun für Konvektion, Verdunstung und Strahlung zur Verfügung und wird nach der Umwandlung als langwellige Wärmestrahlung wieder in den Weltraum abgestrahlt. Nur ein verhältnismäßig geringer Teil bleibt – über den Photosyntheseprozess in organische Substanz umgewandelt – auf der Erde zurück. Durch diese Speicherung in Form von Biomasse fällt die zugeführte Energiemenge geringfügig größer aus als die abgestrahlte. Wird die organische Substanz energetisch nicht direkt verwertet, wandelt sie sich im Verlauf langer Zeiträume in fossil-biogene Energieträger um. Zusammen mit den fossil-mineralischen Stoffen in Form von gebundener Kern- bzw. Strahlungsenergie begründen sie die Energiereserven der Erde. Die intensive Nutzung der fossilen Rohstoffe in den vergangenen 150 Jahren hebt jedoch den energetischen Gleichgewichtszustand auf. Denn es wurde wesentlich mehr Energie freigesetzt, als dem System Erde zugleich an Energieströmen zufloss bzw. an Energiereserven neu gebildet wurde. Hier setzt die Definition von erneuerbarer Energie an. Dabei handelt es sich um diejenigen Energieträger, die fortlaufend aus den drei

Kernenergie

Energieformen

Die Energie der Erde besteht, wie zuvor beschrieben, aus den drei primären Energiequellen Solarstrahlung, Erdwärme, Gravitation und tritt in unterschiedlichen Erscheinungsformen bzw. Wirkungsweisen auf. Diese werden ergänzt durch die in Atomkernen gespeicherten, nicht erneuerbaren Energien. Ebenso gelten die über einen langen Zeitraum aus vergangener Solarstrahlung gebildeten fossilen Erscheinungsformen aus menschlicher Sicht als nicht erneuerbar. Abb. B 1.23 zeigt die Energiequellen und deren unterschiedliche Erscheinungsformen auf der Erde, wobei nur die wesentlichen Zusammenhänge dargestellt sind, da sich die einzelnen Formen nicht immer eindeutig einer bestimmten Quelle zuordnen lassen. So resultiert beispielsweise die Wind-

Erdwärme

Erdgas 22,8 % Steinkohle 13,0%

2000 B 1.21

oben beschriebenen Quellen gespeist werden und damit in menschlichen Dimensionen als unerschöpflich gelten. Als erneuerbare Primärenergieträger gelten neben den genannten Primärquellen jedoch auch daraus abgeleitete Energieformen wie z. B. Windenergie oder Wasserkraft. Die Verfügbarkeit von Sekundäroder Endenergie – wie etwa Solarstrom aus einer Photovoltaikanlage – hängt dabei allein von der Funktionstüchtigkeit des technischen Systems zur Umwandlung ab.

Solarstrahlung

B 1.22

energie aus dem Zusammenspiel der Atmosphärenbewegung durch Solarstrahlung und Erdrotation. Als Erscheinungsformen können folglich definiert werden: • Atomkraft, die in Form von Kernspaltung oder Fusion genutzt werden kann • fossile Energieträger (Kohle, Erdöl, Erdgas) als Produkte vergangener Solarstrahlung • die als Geothermie bezeichnete oberflächenferne Erdwärme • durch Gravitation hervorgerufene Gezeitenenergie Die meisten Erscheinungsformen resultieren allerdings aus der aktuellen Solarstrahlung, die in direkter und diffuser Form zur Verfügung steht und das oberflächennahe Erdreich, die Atmosphäre sowie die offenen Gewässer erwärmt. Als Folge dieser Erwärmungen treten abgewandelte Energieformen wie Wind, Meeresströmung, Wellenbewegung und Laufwasser auf. Schließlich ist die Solarstrahlung Basis der Biomasseproduktion. Entwicklung des Energieverbrauchs

An der bisherigen Entwicklung der weltweiten Energiebereitstellung lässt sich ablesen, dass die Nutzung der verschiedenen Energiequellen und -arten gewisse Zyklen durchläuft. Nach

B 1.20

Gravitation

B 1.21 vergangene Strahlung Atomkraft

Kohle Erdöl Erdgas

nicht erneuerbar

aktuelle Strahlung Globalstrahlung oberflächenferne oberflächennahe Erdwärme Erdwärme Atmosphärenwärme Wind Meereswärme Meeresströmung Wellenbewegung Laufwasser Biomasseproduktion

B 1.22

Gezeitenenergie

B 1.23 B 1.24

erneuerbar B 1.23

44

Mineralöl 35,7 %

Braunkohle 10,9%

Primärenergie [Mrd. tSKE/a]

strukturelle Entwicklung der Energieträger weltweit von 1850 bis 2000 Vergleich zwischen Bevölkerungswachstum, Energieverbrauch und CO2-Emissionen von 1870 bis 2000 Anteile der Energieträger am Primärenergieverbrauch in Deutschland 2006 Energiequellen der Erde und ihre Erscheinungsformen derzeitige Szenarien des globalen Primärenergieverbrauchs für das Jahr 2050 bei einem Bevölkerungswachstum auf 9 bis 10 Milliarden WBGU: exemplarischer Entwicklungspfad (2003) Shell SCA: Spirit of coming Age (2001) WEC A3: Wachstum (1999) Shell DAS: Dynamic as Usual (2001) WEC B: Business as Usual (1999) RIGES: Renewable intensive scenario (1993) SEE: Solar Energy Economy (2003) WEC C1: ökologische Priorität (1999) Faktor 4: Effizienzrevolution (1999)

Primärenergie [EJ/a]

Grundlagen

1121

1169

1200

1049 1000 854

825

800 636

635

597

600 431

423 400 200 0 2000

WBGU

Shell SCA WEC A3 Shell DAS WEC B

RIGES

SEE

WEC C1

erneuerbare Energien

Kernenergie

Mineralöl

traditionelle Biomasse

Erdgas

Kohle

Faktor 4

B 1.24

einer Start- und Anstiegsphase erreichen alle fossilen Rohstoffe – mit zunehmend abgebauter bzw. verbrauchter Menge – ihren Scheitelpunkt und münden schließlich in eine Phase sinkender Bedeutung (Abb. B 1.20). Ausgehend von Holz und Kohle als dominierende Energieträger im 19. Jahrhundert ist die strukturelle Zusammensetzung im 20. Jahrhundert durch einen breiten Energiemix gekennzeichnet. Interessant erscheint in diesem Zusammenhang auch, dass in der Vergangenheit immer eine unmittelbare Wechselbeziehung zwischen Bevölkerungswachstum, Energieverbrauch und CO2-Emissionen bestand (Abb. B 1.21). Die meisten Prozentanteile zur weltweiten Energiebereitstellung werden derzeit noch durch Erdölgewinnung erzielt. Die Kohlenutzung hatte zwar bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts ihren Höhepunkt erreicht, spielt aber heute noch bei der Energieversorgung eine zentrale Rolle. Mit steigender Tendenz entwickelt sich der Anteil von Erdgas und Kernenergie, während Holz und Wasserkraft als traditionelle erneuerbare Energiequellen eher von untergeordneter Bedeutung sind. In Deutschland ist der Primärenergieverbrauch entgegen des weltweiten Trends in den letzten Jahren konstant rückläufig; der Energiemix weist indessen eine ähnliche Struktur auf (Abb. B 1.22). Auch die deutsche Energiebereitstellung wird vom Erdöl dominiert. Die Kohlenutzung nimmt kontinuierlich ab, bildet aber für die Stromerzeugung nach wie vor eine wichtige Grundlage. Erdgas zeigt hingegen zunehmende Tendenzen. Der Anteil erneuerbarer Energiequellen steigt seit 1995 durch den Ausbau der Windenergie deutlich an. Die Prognosen hinsichtlich der künftigen Entwicklung des globalen Energieverbrauchs sind mit Ungewissheiten behaftet (Abb. B 1.24). Alle Szenarien gehen jedoch davon aus, dass aufgrund wachsender Bevölkerungszahlen sowie des steigenden Bruttosozialprodukts in den Entwicklungs- und Schwellenländern der Energieverbrauch in den kommenden Jahren erheblich zunehmen wird. Derzeit verfügt mehr als ein Fünftel der Menscheit über keinen Zugang zu Elektrizität, zwei Fünftel decken ihre Energiebedürfnisse überwiegend traditionell durch Biomasse. Aufgrund dieses Entwicklungsrück-

stands erwarten die meisten Studien einen Zuwachs des weltweiten Bruttosozialprodukts bis zum Jahr 2050 um das drei- bis vierfache. Fossile Energie

Die weltweite Energieversorgung basiert aktuell zu rund 80 % auf den fossilen Energieträgern Kohle, Erdöl und Erdgas sowie der Kernenergie. Da die Entstehungszeiträume der fossilen Energieträger weit über menschliche Maßstäbe hinausgehen, übersteigt der heutige Verbrauch ihre Entstehung deutlich. Fossile Energiereserven bildeten sich zu verschiedenen Zeiten in der Erdgeschichte durch biochemische und chemische Umwandlungsprozesse aus organischem Material. Die Entstehungszeiträume der Energieträger betragen: • Erdöl und Erdgas: 20 – 440 Millionen Jahre • Kohle: 10 – 370 Millionen Jahre Zur Minderung der Klimaänderungen setzen Vertreter der fossilen Energiewirtschaft vor allem darauf, künftig CO2-Emissionen unterirdisch einzulagern. Bei der Kohlendioxidsequestrierung wird CO2 aus Abgasen von Kraftwerken und Industrieanlagen technisch abgeschieden, komprimiert und schließlich unter hohem Druck in etwa 1000 m tiefe salzwasserhaltige Schichten (Aquifere) gepresst. In Europa sollen bis zum Jahr 2015 zwölf Demonstrationsanlagen in Betrieb gehen. Hinsichtlich der Sicherheit und Wirtschaftlichkeit des Verfahrens bestehen jedoch erhebliche Unwägbarkeiten. Durch Risse im Gestein könnte bei der Kohlendioxideinlagerung salz- bzw. schwermetallhaltiges Wasser der Aquifere verdrängt werden und somit die Grundwasserreservoirs verseuchen. Bei größeren Leckagen bestünde die Gefahr, dass die Emissionen in großem Umfang die Atmosphäre belasten. Des Weiteren rechnet man infolge der CO2-Sequestrierung mit Effizienzverlusten der Kraftwerke von bis zu 20 %, wodurch sich Ressourcenverbrauch, Importabhängigkeit und Kosten entsprechend erhöhen würden. Kernenergie

Die Nutzung der Kernenergie ist politisch und gesellschaftlich stark umstritten. Zwar erzeu-

gen Kernkraftwerke während der Betriebsphase keine CO2-Emissionen, über den gesamten Lebenszyklus betrachtet erfordern Bau bzw. Abriss der Reaktoren, Uranförderung, Abfallentsorgung und Sicherheitsrisiken allerdings erhebliche Aufwendungen. Die Kernkraft verfügt derzeit über einen Anteil von ca. 17 % an der weltweiten Stromerzeugung, beträgt aber unter 7 % an der gesamten Energieversorgung. Risiken und Nutzen der kohlenstofffreien Stromerzeugung aus Kernenergie sind vor diesem Hintergrund abzuwägen. Für die heute verbreitete Reaktortechnologie besteht auch ein Ressourcenproblem. Preiswertes Uran für Leichtwasserreaktoren reicht noch etwa für 40 Jahre. Brutreaktoren (»schnelle Brüter«), die neben der Stromproduktion auch der Erzeugung von weiterem spaltbaren Material dienen, sind in keinem Land im Dauerbetrieb. Das als Abfallprodukt entstehende Plutonium erhöht aufgrund seiner Eignung zur waffentechnischen Verwendung die atomare Bedrohung. An der Realisierung von Kernfusionsreaktoren wird seit den 1960er-Jahren intensiv geforscht. Mittels Kernfusion wäre bei vergleichsweise niedrigem Brennstoffverbrauch und geringem radioaktiven Abfall theoretisch die Produktion großer Mengen elektrischer Energie möglich. Die Entwicklung von Kernfusionsreaktoren erfordert allerdings enorme Investitionen; eine kommerzielle Nutzung dieser Technologie wird – wenn überhaupt realisierbar – in frühestens 50 Jahren erwartet. Bei der Gewinnung, Nutzung und Entsorgung von radioaktiven Stoffen bestehen hochgradige Gesundheitsgefahren. Da die Halbwertszeit von Uran235 über 700 Millionen Jahre beträgt, müssen diese Stoffe mit großem technischen und logistischen Aufwand dauerhaft von der Umwelt abgeschirmt und überwacht werden. Erneuerbare Energie

Abgesehen von den seit Langem üblichen Formen der Nutzung von Biomasse, Wind und Wasserkraft, tritt ab Mitte der 1970er-Jahre angesichts steigender Preise fossiler Brennstoffe eine verstärkte Nutzung erneuerbarer Energiequellen in das Blickfeld der Bemühun-

45

Grundlagen

Weltenergieverbrauch 2005

Solarstrahlung auf Kontinente

Biomasse

Wind

Erdwärme

Wasser

Meereswärme, Wellenenergie

Potenziale Zu den verfügbaren Potenzialen von erneuerbaren Energien wurden in den letzten Jahren detaillierte Analysen durchgeführt, deren Ergebnisse eine relativ hohe Streuung aufweisen. Das theoretische Potenzial enthält das gesamte physikalische Angebot einer bestimmten Energiequelle in einem definierten räumlichen und zeitlichen Betrachtungsraum – beispielsweise die von der Sonne jährlich auf die Oberfläche Deutschlands eingestrahlte Energie, die jährliche kinetische Energie des Windes einer bestimmten Region oder der gesamte Energieinhalt der jährlich nachwachsenden Biomasse eines Landes. Die möglichen Erträge basieren hierbei allein auf dem natürlichen Energieangebot, das jedoch Schwankungen aufzeigt, wie z. B. die jährlich unterschiedliche Solarstrahlung. Das technische Potenzial ist ein Teil des theoretischen Potenzials, bei dem die für eine praktische Nutzung erforderlichen technischen Restriktionen berücksichtigt werden (Abb. B 1.25). Es variiert in Abhängigkeit von der zugrunde gelegten Technik wie dem Systemwirkungsgrad. Des Weiteren unterscheidet man zwischen technischen Erzeugungspotenzialen am Anfang einer definierten Stufe der Wandlungskette und technischen Substitutionspotenzialen bezüglich End-, Sekundär- oder Primärenergie (siehe S. 50). Während das theoretische Potenzial wenig praktische Relevanz hat, ist das technische Potenzial von hohem Aussagewert.

Primärenergie [PJ/ a]

Primärenergie [PJ /a]

B 1.25

gen. Vor dem Hintergrund des Reaktorunglücks in Tschernobyl 1986 wurden diese Anstrengungen mit erhöhter Motivation in Angriff genommen. Messbare Auswirkungen lassen sich etwa seit 1990 feststellen. Als Folge günstiger politischer Rahmenbedingungen zeichnet sich ein geringes, aber kontinuierliches Wachstum der erneuerbaren Energieträger ab. Die Entwicklung in Deutschland zeigt, dass die Zunahme in erster Linie auf der vermehrten Nutzung der Windkraft sowie gasförmiger und flüssiger Biomasse beruht (Abb. B 1.26). In der Energieerzeugung aus Windkraft und Solarwärme ist Deutschland inzwischen weltweit führend, im Solarstromertrag wird es nur von den USA und Japan übertroffen. Betrachtet man die Struktur der Energiebereitstellung aus erneuerbaren Quellen, so kommt der Nutzung fester Biomasse in Form von Holzverfeuerung die größte Bedeutung zu, wobei hier die statistische Erfassung aufgrund dezentraler Strukturen überwiegend auf Schätzungen beruht. Die feste Biomasse stellt zusammen mit der Wasserkraftnutzung und der Windenergie über 75 % des Beitrags aus erneuerbaren Quellen bereit. Die weiteren Energiequellen in Form von Solarwärme, Solarstrom (Photovoltaik) und Geothermie sind derzeit noch von geringer Bedeutung. Zusammen tragen inzwischen alle erneuerbaren Energien mit ca. 6 % zur Primärenergiebereitstellung und mit etwa 12 % zur Stromerzeugung in Deutschland bei. 700

665

Biomasse Solarthermie und Erdwärme

600

Wind und Photovoltaik Wasser

500

382

400

Das wirtschaftliche Potenzial bildet wiederum den Teil des technischen Potenzials ab, der zum Betrachtungszeitpunkt ökonomisch sinnvoll nutzbar ist. Hier beeinflussen allerdings vielfältige Randbedingungen wie z. B. die Kosten fossiler Brennstoffe, Verzinsung, Abschreibungsdauer und betriebs- oder volkswirtschaftliche Betrachtungen die Rentabilität erheblich. Würde man künftig dazu übergehen, die externen Kosten der fossilen Energiewirtschaft (z. B. Klimaerwärmung, extreme Wetterereignisse) in die gesamtwirtschaftliche Betrachtung einzubeziehen, würde das wirtschaftliche Potenzial der erneuerbaren Energien deutlich höher ausfallen. Das erschließbare Potenzial beschreibt den tatsächlich zu erwartenden Beitrag zur Energieversorgung unter aktuellen Randbedingungen. Es liegt aufgrund von Herstellerkapazitäten, vorhandenen Konkurrenzsystemen, mangelnder Information, rechtlicher oder administrativer Hemmnisse etc. unter dem wirtschaftlichen Potenzial. Infolge von Subventionen kann das erschließbare Potenzial jedoch das wirtschaftliche übertreffen. Entwicklungsszenario für Europa Wenn man die für den Energiebedarf bestimmenden Größen definiert, wie z. B. wirtschaftliche und demografische Entwicklungen, erwartete Energiepreissteigerungen sowie technischer Fortschritt, lassen sich daraus Szenarien hinsichtlich des zukünftigen Energieverbrauchs 100 %

16 000 14 000

80 % 12 000 10 000

60 %

8 000

200

erneuerbare Energien

284

300 190

203

211

40 %

6 000

229

Mineralöl 4 000 20 %

100

2 000

0

0 1975

46

1980

1985

Erdgas

1990

1995

2000

2005 B 1.26

Kohle Kernenergie

0% 2004

2010

2020

2030

2040

CO2-Emissionen [%] (1990=100 %)

2050

B 1.27

B 1.25

theoretisches jährliches Potenzial (große Würfel im Hintergrund) und technisches Potenzial (kleine Würfel im Vordergrund) im Vergleich mit dem Weltenergieverbrauch 2005 B 1.26 Beitrag erneuerbarer Energien zur Primärenergieversorgung in Deutschland von 1975 bis 2005 B 1.27 Szenario für die Entwicklung des Primärenergieverbrauchs und der CO2-Emissionen in Europa bis zum Jahr 2050 B 1.28 Beitrag erneuerbarer Energien zur Stromerzeugung in Deutschland von 1990 bis 2005 B 1.29 technisches Potenzial und Nutzung erneuerbarer Energien in Deutschland im Jahr 2005

Stromerzeugung [Mrd. kWh]

Grundlagen

Photovoltaik

60

< 0,01%

oberflächennahe Wärme

< 0,01%

40

Solarthermie

< 1%

30

Biomasse (gasförmig) Biomasse (flüssig)

50

20

10

ca. 5% < 1%

Windenergie

ca. 25%

Wasserkraft

ca. 75% ca. 7 %

Biomasse (fest) 0 1990

1995 Photovoltaik

2000 Biomasse

Windenergie

Wasserkraft

2005

0

100

200

300

Nutzung 2005

400

500

600 [TWh]

max. technisches Erzeugungspotenzial

B 1.28

und dessen Deckung ableiten. Die meisten Prognosen erwarten – entgegen der bisherigen Entwicklung – den kontinuierlichen Rückgang des Primärenergieverbrauchs in Europa bis 2050, insbesondere durch effizienten Wärmeschutz von Gebäuden sowie eine stetige Zunahme des Anteils erneuerbarer Energien an der Energiebereitstellung (Abb. B 1.27). Die erneuerbaren Energiequellen sollen zur Mitte des 21. Jahrhunderts aufgrund der deutlich reduzierten Gesamtsumme knapp die Hälfte des Energiebedarfs decken. Des Weiteren wird davon ausgegangen, dass sich der Kohleanteil verringern wird und voraussichtlich eine starke Reduktion der Kernenergie bevorsteht [6]. In der Elektrizitätsversorgung gehen die Prognosen davon aus, dass in den kommenden Jahren zunächst weiterhin die Quellen Wasserkraft und Windenergie wesentliche Beiträge liefern, ab 2010 die Biomasseverstromung hinzukommt und ab 2020 schließlich auch die geothermische und photovoltaische Stromerzeugung nennenswerte Erträge beisteuern. Außerdem könnten künftig auch größere Mengen an importiertem Strom aus erneuerbaren Energiequellen – z. B. aus äquatornahen solarthermischen Kraftwerken – bezogen werden. Mit Ausnahme der Wasserkraft verfügen sämtliche Energiequellen über deutliche Steigerungspotenziale. Vor allem in der Elektrizitätsversorgung weist die Nutzung erneuerbarer Energiequellen gegenüber konventionellen Energieträgern eine wichtige Besonderheit auf: Der größte Teil des Potenzials zur Stromerzeugung basiert auf den stark schwankenden Quellen Solarstrahlung und Wind. Sollen diese in Zukunft in hohem Maße reale Kraftwerksleistung ersetzen, erfordert dies eine erhebliche Umgestaltung der heutigen Versorgungsstrukturen hinsichtlich Lastmanagement, Reservehaltung und Kraftwerksregelung. Die Wärmeerzeugung basiert zunächst weiterhin auf Einzelfeuerstätten zur Biomasseverfeuerung. Maßgebliche Veränderungen werden hier über Konzepte zur Nahwärmeversorgung durch Biomasseheizzentralen, geothermische Kraftwerke und insbesondere durch solarthermische Kollektorgroßanlagen erwartet.

< 0,01%

Geothermie

Technische Systeme für eine zukunftsfähige Energieversorgung

Untersuchungen für Deutschland zeigen, dass die Biomassenutzung insgesamt das größte technische Potenzial birgt. Zur Erzeugung von Niedertemperaturwärme bietet sich neben der solarthermischen Nutzung auch die oberflächennahe Wärme (Erdwärme und Außenluft) sowie die oberflächenferne Wärme (Geothermie) an. Diese Quellen weisen eine sehr hohe Leistungsfähigkeit auf, die bislang quasi ungenutzt bleibt. Im Bereich der Stromerzeugung stellt neben der Wasserkraft und Windenergie vor allem die photovoltaische Wandlung der Solarstrahlung eine bedeutende Alternative zur konventionellen Erzeugung dar. Sie bietet zugleich das größte Energiereservoir bei bisher geringster Verwendung. Im Gegensatz dazu erreicht die Nutzung der Wasserkraft bereits ihre Grenzen. Die Erschließung der Windenergie hat in den letzten Jahren enorme Zuwachsraten erfahren mit weiterhin steigender Tendenz (Abb. B 1.28). Insgesamt bestehen in Deutschland beachtliche Möglichkeiten zur Nutzung erneuerbarer Energiequellen. In der Summe erreicht bereits unter heutigen Randbedingungen das erschließbare Potenzial der erneuerbaren Energieträger die Größenordnung des derzeitigen Endenergiebedarfs (Abb. B 1.29). Dies gilt mit unterschiedlichem Mix auch für die anderen europäischen Länder. Die Chance erneuerbare Energie nutzen zu können, hängt maßgeblich von der verfügbaren Systemtechnik ab. Technologien zur Versorgung von Gebäuden werden im Kapitel Technik umfassend dargestellt (siehe S. 113). Der folgende Abschnitt erläutert die grundlegenden globalen Perspektiven für eine nachhaltige Energiewirtschaft. Globalstrahlung Um die Globalstrahlung aktiv verwenden zu können, gibt es generell zwei Maßnahmen: die Umwandlung in Wärme oder Strom. Solarthermische Anlagen existieren bereits seit dem 19. Jahrhundert, heute übliche Systeme haben sich seit Jahrzehnten bewährt. Neben solarthermischen Kraftwerken zur Stromerzeugung in Ländern mit besonders hoher Sonnenein-

B 1.29

strahlung werden solarthermische Kleinanlagen überwiegend zur Wärmebereitstellung für Trinkwasser und zur Heizungsunterstützung eingesetzt. Bislang sind weltweit bereits über 30 Millionen m2 an Kollektorflächen installiert. Die Kollektoren können frei aufgestellt oder in die Gebäudehülle integriert werden (siehe Gebäudehülle, S. 93). Trotz des unterschiedlich hohen Strahlungsanteils verschiedener Standorte ist die Solarthermie heute in Deutschland nahezu überall rentabel. Dies gilt mit Einschränkungen ebenfalls für photovoltaische Systeme zur Stromerzeugung. Ihr modularer Aufbau erlaubt eine sehr große Bandbreite an installierter Leistung. Auch Photovoltaikmodule lassen sich direkt in die Gebäudehülle integrieren (siehe Gebäudehülle, S. 106). Die Systemtechnik basiert auf Entwicklungen seit Mitte des 20. Jahrhunderts und befindet sich auf einem hohen technischen Niveau. In Deutschland wurden bereits über 300 MW installierter Leistung realisiert, dies entspricht etwa einer Fläche von 3 Millionen m2. Aufwindkraftwerke bieten eine weitere Option zur großtechnischen Nutzung der Globalstrahlung. 1989 errichtete das Ingenieurbüro Schlaich, Bergmann und Partner eine erste Versuchsanlage in Manzanares, Spanien, um Erfahrungen für den praktischen Betrieb zu sammeln. Die Funktionsweise dieses Kraftwerktyps beruht auf einfachen Prinzipien (Abb. B 1.35): Luft wird unter einem transparenten Kollektordach erwärmt und steigt infolge der Thermik in eine mittig angeordnete Röhre auf. Am Fuß des Kamins wandeln eine bzw. mehrere Turbinen die Luftströmung in Elektrizität um. Nahe Mildura in Australien soll im Jahr 2010 das erste 200 MW-Kraftwerk seinen Dauerbetrieb aufnehmen. Biomasse Das Verfeuern von Holz stellt derzeit weltweit die häufigste Anwendung erneuerbarer Energie dar, wobei sich die energetischen Nutzungsmöglichkeiten von Biomasse äußerst vielfältig gestalten. Prinzipiell kann feste, flüssige und gasförmige Biomasse zur Wärmegewinnung verfeuert oder über motorisch betriebene Blockheizkraftwerke zur kombinierten Wärmeund Stromerzeugung eingesetzt werden (siehe

47

B 1.30 B 1.31

B 1.32

B 1.33

B 1.34

B 1.35

externe Kosten für verschiedene Stromerzeugungsoptionen Visualisierung »Seaflow-Park«: Meeresströmungskraftwerk mit zehn Turbinen und einem geplanten Ertrag von 10 MW Prognose der Differenzkosten erneuerbarer Energien im Vergleich zu konventionellen Energieträgern bei anhaltend steigenden Energiepreisen Korrelation zwischen Bruttoinlandsprodukt und Primärenergiebedarf ausgewählter Länder im Jahr 1970 Forschungsprojekt »ZED« mit zwei Vertikalgeneratoren, Modellfoto, London (GB) 1995, Future Systems Visualisierung eines geplanten Aufwindkraftwerks in Mildura (AUS), geplante Fertigstellung 2010, Schlaich Bergermann und Partner

Technik, S. 115 und S. 143). Die ausgereifte Systemtechnik erzielt hohe Wirkungsgrade bei zugleich niedrigen Emissionswerten. Der Leistungsbereich reicht vom Kilowatt- bis in den Megawattbereich. Erdwärme – oberflächennah In den oberen Erdschichten und im Grundwasser gespeicherte Sonnenenergie kann über Erdreichwärmetauscher und Brunnenanlagen mithilfe von Wärmepumpen zur Gebäudebeheizung und Trinkwassererwärmung herangezogen werden (siehe Technik, S. 121). Die hierzu erforderliche Technik wurde bereits im 19. Jahrhundert entwickelt. Erdreichwärmetauscher sind überall in Europa einsatzfähig. Inzwischen werden europaweit pro Jahr über 300 000 Wärmepumpensysteme installiert. Erdwärme – oberflächenfern Richtung Erdmittelpunkt nimmt die Temperatur der festen Erdkruste deutlich zu. Das hohe Temperaturniveau tiefer Erdschichten kann über geothermische Kraftwerke genutzt wer-

Kosten [ct / kWh]

Grundlagen

Treibhauseffekt

8

Luftschadstoffe

7 PV: Photovoltaik

6

DK: Dampfkraftwerk 5

GuD: Gas- und Dampfkraftwerk

4 3 2 1 0 Braunkohle DK 40%

SteinBraunkohle kohle GuD 48 % DK 43%

Steinkohle Erdgas PV GuD 46% GuD 57% (heute)

den. Dies erfolgt über tiefe Erdsonden oder das »Hot-Dry-Rock-Verfahren«, das Wärmeenergie aus bis zu 7000 m Tiefe gewinnt. Dem Erdreich entnommenes bzw. durch Erdreich erwärmtes Wasser mit einem Temperaturniveau von etwa 100 bis 300 °C wird in einem oberirdischen Kraftwerk über Dampfprozesse für die Stromproduktion verwendet oder in Nah- bzw. Fernwärmenetze eingespeist. Die erforderliche Technik zur geothermischen Energieerzeugung steht in Europa bereits seit einigen Jahrzehnten zur Verfügung. Atmosphäre In der Außenluft enthaltene Wärmeenergie lässt sich durch Wärmepumpen ebenfalls zur Gebäudeheizung sowie zur Trinkwassererwärmung nutzen. Es handelt sich prinzipiell um dieselbe Systemtechnik wie bei erdreichgekoppelten Wärmepumpen, wobei hier die Atmosphärenwärme über einen Luftwärmetauscher entzogen wird. Im Heizfall besteht allerdings eine ungünstige Korrelation zwischen dem Temperaturniveau der Außenluft (z. B. -10 °C) und dem Wärmebedarf (z. B. +20 °C). Die Effizienz von Wärmepumpen sinkt mit zunehmender Temperaturdifferenz. Winde Die Nutzung der Windenergie reicht historisch betrachtet weit zurück. Im 17. und 18. Jahrhundert gab es beispielsweise in den Niederlanden etwa 9000 Windmühlen. Derzeit wird die Windenergie in Deutschland primär zur Stromerzeugung verwendet, mittlerweile mit einem Anteil von über 5 %. An besonders ertragreichen Standorten mit hohen mittleren Windgeschwindigkeiten ab ca. 3 m / s kommen Windkraftanlagen im Leistungsbereich bis 5 MW zum Einsatz. Derzeit existieren erste planerische Ansätze zur Integration von Windkraftsystemen in Gebäuden (Abb. B 1.34). Laufwasser Die Nutzung der Wasserkraft zählt zu den ältesten Formen der Gewinnung erneuerbarer Energie. Man unterscheidet zwischen Niederdruckanlagen (Laufwasserkraftwerke) und Mittel- bzw. Hochdruckanlagen (Speicherwasserkraftwerke). In Deutschland sind knapp 6000

B 1.31

48

PV (2030)

Laufwasser

Wind onshore

Wind offshore B 1.30

Laufwasserkraftwerke in Betrieb, die über 4 % des Nettostroms erbringen. Beim weitaus größten Teil handelt es sich um Kleinwasserkraftwerke im Leistungsbereich unter 1 MW, die sich oftmals in privater Hand befinden. Meeresströmung Die Ausgleichsströmungen der Weltmeere infolge Temperaturdifferenzen, unterschiedliche Salzkonzentrationen oder Gezeitenwechsel lassen sich über einen unter Wasser angetriebenen Rotor zur Stromerzeugung nutzen. Dazu müssen allerdings spezielle strömungsdynamische Gegebenheiten vorliegen, wie sie in Europa insbesondere vor der britischen Küste anzutreffen sind. Nach Einschätzungen des technischen Potenzials könnte Großbritannien 10 bis 20 % seines Elektrizitätsbedarfs aus Meeresströmungskraftwerken decken (Abb. B 1.31). Auch die Meeresbrandung kann prinzipiell in Kombination mit geeigneten Kraftwerken zur Stromgewinnung genutzt werden. Eines der einfacheren Systeme wandelt beispielsweise die kinetische Energie der Brandungswellen durch einen entsprechend konstruierten Kollektor in potenzielle Energie um. Die eigentliche Stromerzeugung funktiontiert dann auf die gleiche Weise wie bei Speicherwasserkraftwerken. Gezeiten Die in erster Linie durch Gravitation verursachten Gezeiten können – vergleichbar mit der Brandungsenergie – energetisch umgewandelt werden. Dies erfordert allerdings einen mittleren Tidenhub von mindestens 3 m, der an deutschen Küsten nicht erreicht wird. Weltweit gesehen werden bereits einige dieser Kraftwerke eingesetzt, allerdings schätzt man das Gesamtpotenzial als eher gering ein. Wellen Wellenenergie ist in erster Linie durch Windenergie induziert. Im Unterschied zum Gezeitenkraftwerk resultiert die Stromgewinnung bei Wellenkraftwerken nicht aus dem Tidenhub, sondern aus der kontinuierlichen Wellenbewegung. Nach Berechnungen des internationalen Weltenergierates (World Energy Council, WEC) verfügt diese Kraftwerkstechnologie über ein beträchtiches Leistungspotenzial.

4

Bruttoinlandsprodukt pro Kopf [USD/ a]

Meereswärme Nicht nur Grund-, sondern auch Meerwasser speichert Energie, die bei geeigneten Temperaturdifferenzen ab etwa 20 K von oberflächennahem und tiefem Wasser über ein Meereswärmekraftwerk zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Neben Problemen der Energiespeicherung und des Transports bestehen jedoch noch zahlreiche technische Fragestellungen, die eine kommerzielle Nutzung in absehbarer Zeit nicht erwarten lassen.

Differenzkosten [Mrd. EUR /a]

Grundlagen

Prognose Strom

Kraftstoffe

2

Wärme 0

2005

2010

2015

2020

2025

B 1.32

Wirtschaftsfaktor dar. Der Inlandsumsatz in Deutschland weist seit einigen Jahren Zuwachsraten von ca. 20 % auf. Kaum eine andere Branche verfügt über einen ähnlich deutlichen Beschäftigungszuwachs. Effiziente Energienutzung

Die Energiepolitik der Vergangenheit betrachtete eine nachhaltige Energieversorgung stets als im Zielkonflikt zum Wirtschaftswachstum stehend. Es wurde ein kausaler Zusammenhang hergestellt zwischen Bruttoinlandsprodukt (BIP) und Primärenergieverbrauch (PEB). Demnach setzte jeder ökonomische Aufschwung den Anstieg des Energieverbrauchs voraus. Im Jahr 1970 verfügten Länder mit einem niedrigen Bruttoinlandsprodukt auch über einen niedrigen Primärenergiebedarf. Die Industrienationen hingegen wiesen gleichermaßen ein hohes Bruttoinlandsprodukt und einen hohen Primärenergiebedarf auf. Das BIP / PEB-Verhältnis galt somit als Indikator für den jeweiligen Lebensstandard (Abb. B 1.33).

B 1.34

Deutschland USA Australien Japan Italien Griechenland Irland Portugal Spanien Zypern Südafrika Brasilien Mexiko Algerien Irak Peru Tunesien

103

Marokko Sri Lanka

102

-2

Schweiz

Frankreich Neuseeland

Wirtschaftlichkeit erneuerbarer Energien

Die gesamtgesellschaftlichen Gestehungskosten fossiler und nuklearer Energieversorgungssysteme liegen wesentlich höher als betriebswirtschaftliche Berechnungen dies bisher ausweisen. Für eine umfassende ökonomische Bewertung müssen künftig die erheblichen Umweltschäden der fossilen Energieumwandlung – »externe Kosten« – in die volkswirtschaftliche Betrachtung einbezogen werden. Untersuchungen des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) zufolge spielen die CO2-Emissionen hierbei eine zentrale Rolle [7]. Die BMU-Studie veranschlagt Schadenskosten von 70 ™ pro Tonne CO2. Den derzeitigen Stromgestehungskosten fossiler Kraftwerke von 3 bis 4 ct / kWh wären demnach z. B. bei der Stein- und Braunkohleverstromung diese externen Kosten in Höhe von 6 bis 8 ct / kWh hinzuzurechnen. Die Gewinnung von Strom aus erneuerbaren Energien – inklusive Bau und Entsorgung der Anlagen – verursacht hingegen eine deutlich geringere Folgebelastung (Abb. B 1.30). Die tatsächlichen externen Kosten der fossilen Energiewirtschaft – wie z. B. Schädigung von Ökosystemen, Beeinträchtigung der Biodiversität, Versorgungsunsicherheit sowie geopolitische Risiken – finden aufgund von Unsicherheiten bei der monetären Bewertung der Schäden derzeit (noch) keine Berücksichtigung. Während die Bezugspreise für fossile und nukleare Energie angesichts ihrer begrenzten Verfügbarkeit, künftiger CO2-Aufschläge, Versorgungsunsicherheiten und »Risikozulagen« kontinuierlich steigen, nehmen die Gestehungskosten für erneuerbare Energien aufgrund der sinkenden Technikkosten (»economies of scale«) stetig ab. Daher dürfte es lediglich eine Frage der Zeit sein, wann erneuerbare Energien weniger Betriebskosten verursachen als Energien aus erschöpflichen Quellen. Die »Leitstudie 2007« des BMU kommt zu dem Schluss, dass bei einem weiterhin deutlichen Preisanstieg der herkömmlichen Energieversorgung voraussichtlich 2025 die erneuerbaren Energien das Preisniveau der erschöpflichen Energiequellen erreichen (Abb. B 1.32). Ab diesem Zeitpunkt tragen sie zur Stabilisierung der Energiekosten bei, die – ohne erneuerbare Energiequellen – unaufhaltsam weiter steigen würden [6]. Der Ausbau einer zukunftsfähigen Energieversorgung stellt zunehmend einen bedeutenden

Schweden

104

Kolumbien Liberia Ägypten

Indien Sudan

1

10 100 Primärenergiebedarf pro Kopf [103 kWh/a]

B 1.33

Ausgelöst durch die Ölkrise zu Beginn der 1970er-Jahre entkoppelte sich die Entwicklung der Volkswirtschaft vom Energieverbrauch. In Deutschland veränderte sich seit 1980 der Primärenergiebedarf nur noch wenig, während das Bruttoinlandsprodukt weiter anstieg (Abb. B 1.36). Im Jahr 2000 konnte im Vergleich zum Jahr 1970 der gleiche Lebensstandard mit einem Drittel weniger Primärenergieeinsatz sichergestellt werden. Als Kehrwert zum bereits erwähnten BIP / PEB-Indikator gibt das PEB / BIP-Verhältnis demnach Auskunft über den Grad der Energieeffizienz einer Nation. Je höher das Bruttoinlandsprodukt im Vergleich zum Energieverbrauch, desto mehr Wertschöpfung wurde mit der eingesetzten Energie erzielt. Energiebereitstellungskette Große Verluste entstehen insbesondere bei den Umwandlungsprozessen von Primärenergieträgern (z. B. Kohle) zur eigentlichen Energiedienstleistung wie etwa Licht (Abb. B 1.39). Die Energiebereitstellungskette lässt

B 1.35

49

200 175

Bruttoinlandsprodukt BIP

150

125

Primärenergiebedarf PEB

Primärenergiebedarf [EJ / a]

Änderung [%]

Grundlagen

700

Verbrauch nach Ländergruppen Entwicklungsländer

600

GUS, Osteuropa, Mittlerer Osten OECD-Länder

500 *

mittlerer Pro-Kopf-VerbrauchWelt=70 GJ /a

65*

400 32* 300 122*

100 Verhältnis PEB /BIP

Bedarfsdeckung nach Energiequellen

200

erneuerbare Energien ohne trad. Biomasse 92*

75

100

traditionelle Biomasse

196*

Kernenergie

92* 50 1970

fossile Energien

0 1980

1990

2000

2050

B 1.36

sich folgendermaßen definieren (Abb. B 1.38): • Als Primärenergie bezeichnet man den rechnerisch nutzbaren Energiegehalt fossiler, nuklearer und erneuerbarer Energieträger, die in der Natur vorkommen und noch nicht umgewandelt oder aufbereitet wurden. • Die Sekundärenergie wird als Ergebnis von Umwandlungsprozessen – und demzufolge mit entsprechenden Energieverlusten – aus der Primärenergie gewonnen. Zu den Sekundärenergieträgern zählen beispielsweise Benzin, Briketts oder Heizöl. • Die Endenergie entspricht dem Anteil der Sekundärenergie, der nach Transport-, Leitungs- bzw. Transformationsverlusten vom Verbraucher bezogen wird. • Als Nutzenergie wird die tatsächlich für die Energiedienstleistung (z. B. Raumwärme) verwendete Energiemenge bezeichnet. Insgesamt gehen von der geförderten bzw. gewonnenen Primärenergie durch Umwandlung und Transport derzeit rund zwei Drittel verloren; dem Verbraucher steht beim jetzigen Energienutzungssystem demnach nur rund ein Drittel der geförderten Energie zur Verfügung. Amory Lovins, Leiter des Rocky Mountain Institute, prägte in diesem Zusammenhang den Begriff »Negawatt« – als hypothetische Einheit gesparter Energie. Lovins zufolge wird zukünftig der vermiedene Verlust die wichtigste Energiequelle darstellen.

Pro-Kopf-Verbrauch

B 1.37 Strategien für eine nachhaltige Energiewirtschaft

Energie- und Ressourcenschutz, Umweltschutz und Sicherheitspolitik werden zunehmend als Einheit wahrgenommen. Die aktuelle Energiewirtschaft sieht sich im Wesentlichen mit vier Problemen konfrontiert: Klimagefährdung, steigende fossile Rohstoffpreise, unsichere Versorgungslage und zunehmende geopolitische Verteilungskonflikte um Energie. Für eine Umgestaltung der Energiewirtschaft sind parallel mehrere Strategien erforderlich [8]: • Effizienz: Durch rationelle Energiewandlung und -verwendung können die gewünschten Energiedienstleistungen, wie z. B. ein angenehm temperierter Raum oder die Fortbewegung von A nach B, bei gleicher Wirkung deutlich effizienter bereitgestellt werden. • Konsistenz: Aufgrund des Verbrauchs endlicher Energierohstoffe und der Ablagerung von Schadstoffemissionen in der Atmosphäre ist das derzeitige Energiesystem »offen«. Das Ausbilden eines »geschlossenen« Energiesystems, das Energie nahezu ohne Rohstoffverbrauch bereitstellt, lässt sich nur durch Nutzung erneuerbarer Energievorkommen erreichen. • Suffizienz: Der Energieverbrauch wird maßgeblich auch durch die Lebens- und Konsumgewohnheiten bestimmt. Ein nachhaltiger Umgang mit Ressourcen setzt voraus, dass Konsumenten durch eigenverantwortliches

Handeln bewusst auf energieintensive Produkte und Dienstleistungen verzichten. Eine zukunftsfähige Energiewirtschaft kann nur durch die Verfolgung dieser Strategien mit ihren sich ergänzenden Wechselwirkungen erreicht werden. Ein deutlich verminderter Energieverbrauch infolge von Effizienz- und Suffizienzmaßnahmen bildet die Voraussetzung, um den verbleibenden Bedarf durch den Einsatz erneuerbarer Energien zu decken. Das »Idealszenario« einer nachhaltigen globalen Energieversorgung bis zum Jahr 2050 basiert auf diesen Strategien und umfasst folgende Eckpunkte (Abb. B 1.37): Der derzeit geografisch sehr unregelmäßig verteilte durchschnittliche Pro-Kopf-Energieverbrauch in Höhe von 70 GJ/a gleicht sich bis zur Mitte des Jahrhunderts an. Dazu müssen die Industrienationen ihren Energieverbrauch von heute 196 GJ/a etwa halbieren, während die Entwicklungsländer ihren Verbrauch verdoppeln können. Des Weiteren wird die Reduktion des fossilen Ressourceneinsatzes um 50 % sowie der Verzicht auf Kernenergie und der Ausbau der erneuerbaren Energien um das 24-fache verlangt. Das technische Potenzial steht im Überfluss zur Verfügung, dennoch sind erhebliche Anstrengungen erforderlich. Um dieses »Idealszenario« zu erreichen, müsste der Anteil der erneuerbaren Energiequellen in den kommenden 50 Jahren jährlich um 6 bis 7 % wachsen.

Primärenergie 100 %

Sekundärenergie 77 %

23% Umwandlungsverluste (Kraftwerk, Raffinerie, Kokerei) 5% Eigenverbrauch in den Energiesektoren; Leitungsverluste

Endenergie 66 %

Nutzenergie

6 % nichtenergetischer Verbrauch (z.B. Rohbenzin in der Chemie) 36 % Verluste beim Verbraucher

30% Kraft, Wärme, Licht

B 1.38

50

B 1.39

Grundlagen

B 1.36 B 1.37 B 1.38 B 1.39 B 1.40 B 1.41 B 1.42

Entwicklung von Bruttoinlandsprodukt und Primärenergiebedarf in Deutschland Idealszenario einer nachhaltigen globalen Energieversorgung für das Jahr 2050 Verluste der Energiebereitstellungskette in Deutschland Nachtaufnahme von Los Angeles (USA) Klimazonen der Erde Verteilung der jährlichen Niederschlagsmengen Verteilung der jährlichen Globalstrahlung

Polarzone

gemäßigte Zone Subtropen

nördl. Wendekreis

Tropen Äquator

Klima und Komfort Die Verbreitung des Menschen über den Globus begann vor etwa 200 000 Jahren in der afrikanischen Savanne. Mit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von durchschnittlich etwa 400 m / Jahr erreichte der Homo sapiens schließlich vor ca. 40 000 Jahren die Atlantikküste auf der Iberischen Halbinsel. Der menschliche Organismus ist allerdings auch heute noch auf ein Leben unter den klimatisch idealen Ursprungsbedingungen Afrikas eingestellt. Infolge des rasanten Bevölkerungswachstums und somit der Besiedelung nahezu sämtlicher Landstriche der Erde entwickelte der Mensch Strategien, um so unterschiedliche Regionen wie die Polarzone mit Durchschnittstemperaturen von bis zu - 25 °C oder die Tropen mit Temperaturen von etwa + 26 °C als Lebensraum zu erschließen. Vor allem Kleidung als zweite Haut und Gebäudehüllen als dritte Haut übernehmen die Aufgabe, Schwankungen des Außenklimas auszugleichen und Behaglichkeit sicherzustellen. Vor der Industrialisierung, als das Komfortniveau im Vergleich zum heutigen Standard deutlich geringer war und es nur wenige technische Möglichkeiten gab, ein von den Umfeldeinflüssen unabhängiges Raumklima zu erzeugen, waren insbesondere die Bauteile der Gebäudehülle unmittelbar vom Einfluss der standortspezifischen Bedingungen geprägt. Die Vergegenwärtigung der prägenden Klimafaktoren und -elemente bildet die Voraussetzung, um energieeffiziente Entwurfskonzepte bei gleichzeitig optimalen Komfortbedingungen entwickeln zu können. Klima

Der Begriff »Klima« bezeichnet den Zustand der Atmosphäre an einem Ort, der sich durch meteorologische Größen beschreiben lässt. In der Abgrenzung zu Wetter und Witterung unterscheidet man folgende zeitliche Dimensionen: • Wetter: momentaner Zustand der Atmosphäre; eine Stunde bis wenige Tage • Witterung: Charakter des Wetters über einige Tage bis zu einer Woche, im Extrem eine Jahreszeit

feucht-warm trocken-heiß gemäßigt kalt

südl. Wendekreis

B 1.40

Polarzone

gemäßigte Zone Subtropen

nördl. Wendekreis

Tropen Äquator

> 2000 mm > 1500 mm > 1000 mm > 500 mm > 250 mm < 250 mm

südl. Wendekreis

B 1.41

Polarzone

gemäßigte Zone Subtropen

nördl. Wendekreis

Tropen Äquator

> 2200 > 1950 > 1700 > 1400 > 1100 < 1100

kWh/m2a kWh/m2a kWh/m2a kWh/m2a kWh/m2a kWh/m2a

südl. Wendekreis

B 1.42

51

Grundlagen

Klimazone

Klimaelemente

bauliche Grundanforderungen

Polarzone (kalt)

• • • • • • •

gemäßigte Zone (gemäßigt)

• sehr unterschiedliche Sonnenstrahlungsintensität (in Mitteleuropa hoher Anteil diffuser Strahlung bei • Schutz vor winterlicher Auskühlung häufiger Bewölkung, in den Übergangsgebieten zu den Tropen teilweise höhere direkte Strahlungs• Schutz vor sommerlicher Hitze mengen) • Schutz vor gelegentlichen, in manchen Gegenden häu• hohe jährliche Temperaturunterschiede (in Mitteleuropa durchschnittlich ca. 18 – 20 K) figen Niederschlägen • mittlere bis geringe tägliche Temperaturunterschiede (in Mitteleuropa durchschnittlich ca. 6 – 8 K) • mittlere bis hohe relative Luftfeuchte (in Mitteleuropa ca. 60 – 80 %) • mittlere Niederschlagsmengen (in Mitteleuropa ca. 800 – 1000 mm pro Jahr, in den Übergangsgebieten zu den Tropen ca. 300 – 400 mm pro Jahr)

geringe Sonneneinstrahlung, jahreszeitlich sehr niedrige Jahresdurchschnitts-Temperaturen (0 – 6 °C) • Schutz vor Kälte in den meisten Monaten des Jahres geringe tägliche Temperaturunterschiede (Sommer: lange Helligkeit, Winter: anhaltende Dunkelheit) • Schutz vor Starkwind und Sturm vor allem in der kalten hohe jährliche Temperaturunterschiede bei kontinentaler Lage (Sibirien 45 – 60 K) Jahreszeit mittlere / niedrige jährliche Temperaturunterschiede bei meeresnaher Lage (Island, Norwegen 11–15 K) • bestmögliche Nutzung der Sonnenwärme während des geringe relative Luftfeuchte besonders in den Wintermonaten kurzen Sommers lange Frostperioden (5 – 9 Monate), zum Teil Dauerfrost in den tieferen Bodenschichten geringe Niederschlagsmengen (ca. 250 mm / a in der Arktisrandzone)

Subtropen • intensive direkte Sonneneinstrahlung • Schutz vor den Belastungen hoher Wärmeaufnahme (trocken-heiß) • niedrige relative Luftfeuchte (ca.10 – 50 %) durch direkte Sonnenstrahlung und hohe Luft• sehr geringe durchschnittliche Niederschlagsmengen (ca. 0 – 250 mm pro Jahr), jedoch seltene temperaturen Regenfälle mit kurzzeitig hohen Niederschlagsmengen • Schutz von Bauteilen und Baustoffen vor direkter Son• hohe Lufttemperaturen am Tage (Maximaltemperaturen im Jahresdurchschnitt ca. 35 – 38 °C, neneinstrahlung sowie ihre Auswahl und Verwendung Einzeltemperaturen in kontinentalen Wüstengebieten über 50 °C) unter Berücksichtigung der hohen, kurzzeitigen Tempe• mittlere, teilweise niedrige Lufttemperaturen während der Nacht (Minimaltemperaturen im Jahresdurch- raturdifferenzen schnitt ca. 16 – 20 °C, Einzeltemperaturen bis zur Frostgrenze möglich) • hohe tägliche Temperaturschwankungen (durchschnittlich 20 K) • unterschiedliche, teilweise starke Luftbewegung, in Wüstengebieten als Sand- und Staubstürme • geringe Bewölkungsdichte, meist klarer Himmel, zeitweise hoher Staubanteil der Luft Tropen • (feucht-warm) • • • • • • • • •

bei wolkenlosem Himmel hohe, ansonsten meist durch Bewölkung gemäßigte, direkte Sonnenstrahlung • Entlastung vom ungünstigen Einfluss aus Wärme und hohe relative Luftfeuchte (60 – 100 %) Luftfeuchte (Schwüle) durch Nutzung von Luftbewehohe Niederschlagsmengen (1200 – 2000 mm / a, im Extremfall bis 5000 mm / a) gungen zur Unterstützung der Wärmeabgabe über geringere tägliche und jährliche Temperaturunterschiede (Tagesmittel: ca. 7 K, Jahresmittel: ca. 5 K) Hautverdunstung höchste Tages-Lufttemperaturen im Jahresdurchschnitt ca. 30 °C • Schutz von Gebäuden und Bauteilen vor direkter Sonniedrigste Nacht-Lufttemperaturen im Jahresdurchschnitt ca. 25 °C nenstrahlung und unerwünschter Wärmespeicherung hohe Bewölkungshäufigkeit, d. h. hoher Anteil an diffuser Strahlung durch Beschattung, Baukörperform und -orientierung niedriger Luftdruck • Schutz von Bauteilen vor Dauerdurchfeuchtung durch oft nur geringe Luftbewegung, bei Regenfällen jedoch z. T. Sturmböen gute kontrollierte Regenwasserableitung und gute Beregionales Vorkommen tropischer Wirbelstürme (Zyklone, Taifune, Hurrikans) lüftung B 1.43

• Klima: durchschnittlicher Zustand der Erdatmosphäre über 30 bis 40 Jahre Oftmals wird die Bezeichnung Klima mit dem »globalen Klima« gleichgesetzt. Da jedoch globale Klimatrends und Mittelwerte für lokale Standorte erheblich voneinander abweichen können, unterteilt man die räumliche Dimension in drei Maßstäbe: • Das Mikro- bzw. Kleinklima beschreibt die meteorologischen Bedingungen bodennaher Luftschichten in etwa 2 m Höhe für spezifische Standorte und ihre unmittelbare Umgebung. Verschiedene Einflussgrößen wie die Boden- bzw. Geländebeschaffenheit, die Lage am Hang, Tal oder in der Ebene, Vegetation, Beschattung sowie die Nachbarbebauung müssen berücksichtigt werden. Das Mikroklima wird durch landschaftsgestaltende bzw. bauliche Maßnahmen beeinflusst; seine Auswirkungen auf das Innenraumklima und das menschliche Wohlbefinden sind von zentraler Bedeutung. • Beim Mesoklima, auch Lokalklima genannt, beträgt die räumliche Ausdehnung zwischen einigen hundert Metern bis zu wenigen hundert Kilometern. Hierzu werden die unterschiedlichen Einzelklimata eines bestimmten Ortes (z. B. Tal, Siedlung, Insel) zusammengefasst. • Das Makro- bzw. Großklima verfügt über eine Ausdehnung von mehr als 500 km und setzt

52

sich aus ozeanisch bzw. kontinental wirksamen Effekten zusammen. Nach dem Makroklima wird die Erde in verschiedene Klimazonen eingeteilt; ihre Besonderheiten bilden den übergeordneten Rahmen für energieeffizientes Planen und Bauen.

Die Klimafaktoren beeinflussen somit das tägliche Wetter, dessen Ausprägung sich durch messbare Klimaelemente bestimmen lässt. Über 30 bis 40 Jahre betrachtet, bilden die Durchschnittswerte dieser Messgrößen das Klima ab. Klimazonen

Klimafaktoren / Klimaelemente Die klimabestimmenden Prozesse und Zustände eines Ortes bezeichnet man als Klimafaktoren. Hierzu zählen die geografische Breite (z. B. Sonneneinstrahlung), Lage zum Meer (z. B. Niederschläge, geringere Temperaturschwankungen in Meereshöhe), Höhenlage bzw. Lage zu Gebirgen (Temperaturabnahme mit zunehmender Höhe, Niederschläge in Abhängigkeit von Wind zu- und abgewandter Seite) sowie Bodenbedeckung (z. B. niedrige Temperaturen in Waldgebieten, höhere in Städten). Klimaelemente hingegen stellen meteorologische Größen dar, die messbare Eigenschaften des Klimasystems kennzeichnen. Folgende Elemente sind bei der Konzeption von Gebäuden von zentraler Bedeutung: • Sonnenstrahlung (direkt und diffus) • Lufttemperatur und ihre tages- bzw. jahreszeitliche Schwankung • Luftdruck • Luftfeuchtigkeit • Wind (Stärke und Richtung) • Niederschlag (Menge und zeitliches Auftreten) • Verdunstung

Infolge der Kugelform der Erde und der daraus sich ergebenden unterschiedlichen Einfallswinkel der Sonnenstrahlung sowie der geneigten Erdachse sind auf der Erde stark unterschiedliche Temperaturen zu verzeichnen. Zudem bestimmt die Planetenrotation als zentraler Wirkungskomplex sowohl die Wetterdynamik der Erdatmosphäre als auch die Klimazonen. Die Vielzahl der vorhandenen Klimaklassifikationen basiert entweder auf den globalen Windzirkulationssystemen oder leitet sich von den Wirkungen auf die Erdoberfläche ab. Am verbreitetsten ist die »ökoklimatische Klassifikation« aus dem Jahr 1923 [9]. Sie unterteilt die Erde anhand bestimmter meteorologischer Größen (z. B. Temperatur, Niederschläge) in vier unterschiedliche Klimazonen: • Polarzone (kalt) • gemäßigte Zone (gemäßigt) • Subtropen (trocken-heiß) • Tropen (feucht-warm) Diese Zonen werden in weitere Klimatypen (z. B. Kalt- bzw. Warmtropen) oder Vegetations-

Grundlagen

B 1.43 B 1.44 B 1.45

Zusammenhang von Klimazonen, Klimaelementen und baulichen Grundanforderungen durchschnittliche jährliche Globalstrahlung in Europa durchschnittliche jährliche Globalstrahlung in Deutschland

< 1200 kWh / m2a > 1200 kWh / m2a > 1400 kWh / m2a > 1600 kWh / m2a > 1800 kWh / m2a > 2000 kWh / m2a > 2200 kWh / m2a

zonen (z. B. Tundra, Steppe oder tropischer Regenwald) gegliedert. Von Nord nach Süd erstrecken sich die o.g. vier Klimazonen in annähernd parallelen Gürteln um den Erdball (Abb. B 1.40 und 41). Mit zunehmender Entfernung vom Äquator bzw. vom nächsten Ozean verstärken sich die jahreszeitlichen Temperaturschwankungen der jeweiligen Zonen. Ihre prägenden Klimaelemente sowie die daraus resultierenden baulichen Anforderungen sind in Abb. B 1.43 beschrieben [10]. Solarstrahlung

Für die passive und aktive Nutzung der Sonnenenergie im Bauwesen stellt die Solarstrahlung eine wesentliche Einflussgröße dar. Die Sonne setzt bei der Umwandlung von Wasserstoff in Helium Strahlungsenergie frei, die an ihrer Oberfläche eine Intensität von ca. 63 000 kW/m2 bei Temperaturen von etwa 6000 °C aufweist. Von der gesamten Strahlungsleistung der Sonne treffen am Rand der Erdatmosphäre pro Quadratmeter 1367 W / m2 (Solarkonstante) auf. Bei den Strahlungsanteilen, die nach Durchdringung der Atmosphäre auf der Erdoberfläche ankommen, trifft man folgende Unterscheidung:

B 1.44

Kiel Rostock Hamburg Bremen Berlin Hannover

• Direktstrahlung trifft gerichtet und ungehindert auf die Erdoberfläche auf. • Diffusstrahlung erreicht nach Streuung in der Atmosphäre (z. B. durch Wolken, Wasserund Staubteilchen) die Oberfläche.

Münster Essen Leipzig

Kassel

Dresden

In der Summe werden diese beiden Strahlungsanteile als Globalstrahlung bezeichnet. Aufgrund des unterschiedlichen Einstrahlungswinkels verändern sich Intensität sowie jahreszeitliche Schwankung des solaren Angebots mit zunehmender Entfernung vom Äquator. Während die Globalstrahlung im Äquatorbereich etwa 2200 kWh / m2a beträgt, lassen sich in Mitteleuropa solare Gewinne von durchschnittlich 1100 kWh / m2a erzielen (Abb. B 1.42). Vergleicht man das Strahlungsprofil in Nord- bzw. Südeuropa mit der Sahara, zeigen sich mit steigendem Breitengrad neben den größeren saisonalen Unterschieden auch die Unterschiede von diffusen und direkten Strahlungsanteilen (Abb. B 1.48). Beide Strahlungs-

Köln

Frankfurt Trier Nürnberg

< 950 kWh/m2a

Stuttgart

> 950 kWh/m2a > 1000 kWh/m2a

Freiburg

Ulm

Passau München

2

> 1050 kWh/m a > 1100 kWh/m2a > 1150 kWh/m2a

B 1.45

53

Grundlagen

21. Juni Sommersonnenwende

N

21. März /21. Sept. Tag- und Nachtgleiche

NW

NO

Juni Juli /Mai

B 1.46 B 1.47 B 1.48

B 1.49 B 1.50

Sonnenstandsdiagramm für 51 ° nördliche Breite (jeweils am 21. des Monats) jährlicher Sonnenverlauf auf der nördlichen Erdhalbkugel Mittelwerte von Diffus- und Direktstrahlung unterschiedlicher Regionen im Vergleich a Nordeuropa / London (GB), 51 ° nördliche Breite b Südeuropa / Almeria (E), 36 ° nördliche Breite c Afrika / Sahara, 20 ° nördliche Breite systematische Darstellung von Behaglichkeitsfaktoren ausgewählte Klimadaten von Berlin (D)

August /April

September / März

Meridian

21. Dez. Wintersonnenwende West

6.00

18.00

W

Nord

O 9.00

15.00 12.00

Oktober / Februar November / Januar Dezember

Sonnenbahnen

Süd

SW

SO

Azimut

S

Ost

B 1.46

Mittelwerte horizontaler Einstrahlung [kWh /m2d]

Um das lokal verfügbare, natürliche Energieaufkommen optimal zu nutzen, sind entspre10

Nordeuropa (London) direkt diffus

8

6

4

2

0 J

a

54

F

M

A

M

J

J

A

S

O

N

Temperatur Die Außenlufttemperatur ist neben dem solaren Strahlungsangebot zudem von der Höhe des Ortes über dem Meeresspiegel abhängig. Alle 200 Höhenmeter nimmt die Temperatur um ca. 1 °C ab. Die mittlere Lufttemperatur wirkt sich deutlich auf die Transmissions- bzw. Lüftungswärmeverluste im Winter sowie die mögliche Überhitzung im Sommer aus. Die Häufigkeit von extremen Temperaturen ist im Zusammenhang mit Effizienz bzw. Auslegung von passiven Maßnahmen sowie der Dimensionierung der Anlagentechnik zu betrachten. Soll beispielsweise eine Nachtauskühlung ausgenutzt werden, müssen geringe nächtliche Außenlufttemperaturen herrschen. In Deutschland beträgt die mittlere Jahrestemperatur etwa 8,4 °C, im Sommer 16,5 °C und im Winter 0,9 °C. Die Schwankungen zwischen Tag und Nacht liegen bei 5 bis 10 K. Luftfeuchte Die Luftfeuchte stellt das Maß zur Bestimmung der Wasserdampfmenge in der Atmosphäre dar. Sie wirkt sich gleichermaßen auf Gesundheit und Wohlbefinden des Menschen aus wie auf Aussagen, ob Regionen zu Nebel bzw. Nie-

D

10

Südeuropa (Almeria) direkt diffus

8

6

4

2

0 J

b

F

M

A

M

J

J

A

S

O

N

B 1.47

derschlag neigen. Die Menge an Wasserdampf, den die Luft maximal aufnehmen kann, wird von der Temperatur beeinflusst. Durch die Maßeinheit »absolute Luftfeuchtigkeit« lässt sich in g / m3 die tatsächlich in der Luft enthaltene Wasserdampfmenge abbilden. Sie ist für die Diffusion von Feuchtigkeit aus Räumen von Bedeutung. Die relative Luftfeuchtigkeit wird in Prozentanteilen angegeben und kennzeichnet das Verhältnis des aktuellen Wasserdampfgehalts in der Atmosphäre zum maximal möglichen Wasserdampfgehalt. Wind Gerichtete Luftbewegungen in der Atmosphäre entstehen durch unterschiedlichen Luftdruck von Luftmassen. Luftteilchen aus Gebieten mit hohen Luftdruckverhältnissen (Hochdruckgebiet) fließen solange in das Gebiet mit niedrigerem Luftdruck (Tiefdruckgebiet), bis ausgeglichene Druckverhältnisse bestehen. Neben den statisch relevanten Windlasten sind für die Entwicklung von natürlichen Belüftungskonzepten vor allem die vorherrschende Windrichtung sowie die Druck- und Sogverhältnisse von Interesse. Bei geschickter Anordnung von Zu- und Abluftöffnungen lässt sich in Abhängigkeit von der Gebäudetiefe und -höhe Wind zur Durchlüftung von Gebäuden einsetzen. In Deutschland betragen die mittleren Windgeschwindigkeiten im Norden bei vorherrschender Windrichtung West bis Südwest ca. 5 m / s und im Süden etwa 2 m / s. Mittelwerte horizontaler Einstrahlung [kWh/ m2d]

Klimadaten

chend der geografischen Lage spezifische Klimadaten einzuholen (Abb. B 1.50, weitere Daten siehe Anhang, S. 260). Dazu zählen neben der Globalstrahlung vor allem Angaben zu Temperatur, Luftfeuchte und Wind.

Mittelwerte horizontaler Einstrahlung [kWh/ m2d]

arten können prinzipiell energetisch genutzt werden, jedoch basieren solartechnische Erträge hauptsächlich auf dem Anteil der Direktstrahlung. Des Weiteren haben die Dauer des hellen Tages und die Sonnenstunden erhebliche Einflüsse auf die solaren Gewinne (Abb. B 1.44). In Europa liegt die jährliche durchschnittliche Sonnenscheindauer bei 1400 – 2500 Stunden. Die Abweichungen zwischen mediterranen Gebieten, Ländern mit Kontinentalklima oder Hochgebirge betragen somit ca. 40 %. In Deutschland schwankt die jährliche Sonnenscheindauer zwischen 1400 und 1800 Stunden, mit einem annähernd gleichgroßen Anteil von direkter und diffuser Strahlung. Die Globalstrahlung liegt etwa zwischen 900 kWh / m2a und 1150 kWh / m2a, wobei rund drei Viertel der Einstrahlung im Sommerhalbjahr auftrifft (Abb. B 1.45). Die Nutzung der Sonnenenergie durch passive Maßnahmen oder aktive Systeme erfordert neben Angaben zu Intensität und Sonnenscheindauer auch Informationen hinsichtlich des Einfallwinkels sowie des Sonnenverlaufs (Abb. B 1.47). Die natürlichen Lichtverhältnisse, Besonnungsdauer und Verschattung, kann man bezogen auf einen geografischen Standort, mithilfe eines Sonnenstanddiagramms bestimmen (Abb. B 1.46).

D

10

Afrika (Sahara) direkt diffus

8

6

4

2

0 J

c

F

M

A

M

J

J

A

S

O

N

D

B 1.48

Grundlagen

Behaglichkeit

intermediäre Bedingungen

physikalische Bedingungen

Nahrungsaufnahme

ethnische Einflüsse

Alter

Geschlecht

körperliche Verfassung

Gesundheitszustand, Konstitution

psychosoziale Faktoren

Raumbelegung

Tages- und Jahresrhythmus

Adaption und Akklimatisation

Tätigkeit

Kleidung

Raumluftelektrizität

Luftdruck

sonstige

Staub

Kohlendioxid und andere Gase

Geruchs- und Ekelstoffe

Außenbezug, Ausblick

olfaktorisch

Farben, Farbkomposition, -wiedergabe

Blendung, Leuchtdichteverteilung

Beleuchtung, Kontrast, Lichtwinkel

visuell

Nachhallzeiten

Frequenzen

Geräuschpegel

akustisch

Luftbewegung

Raumluftfeuchte

Raumlufttemperatur

mittl. Raumumschließungstemperatur

thermisch

physiologische Bedingungen

B 1.49 Behaglichkeit

Das Wohlbefinden des Menschen basiert als subjektives Empfinden auf der Wahrnehmung einer Vielzahl von äußeren Einflüssen. Neben normierten, physikalisch messbaren Umgebungsbedingungen (z. B. Raumlufttemperatur, Beleuchtungsstärke, Geräuschpegel) bestimmen auch individuelle, physiologische Kriterien (z. B. Alter, Geschlecht, Konstitution) sowie intermediäre Bedingungen (z. B. Kleidung, Tätigkeitsgrad) das Wohlbefinden (Abb. B 1.49). Behaglichkeit stellt somit keine exakt messbare Größe dar, sondern kennzeichnet individuelle Erfahrungswerte, bei denen der Mensch die Umgebungsverhältnisse als komfortabel empfindet.

30

125

20

100

10

75

0

50

-10

25

-20

0 J

F M A M J

J

A

S O N D

Niederschlag [mm]

Temperatur [°C]

Wahrnehmungsebenen Der Mensch nutzt den visuellen Sinn als Leitsinn. 80 – 90 % der Informationsreize eines Menschen basieren auf dem Sehsinn. Allerdings kann das menschliche Gehirn diese über den Sehsinn einströmende Informationsmenge nicht komplett verarbeiten. Daher wird sie reduziert, durch eigene Erfahrungen ergänzt und zu einem Gesamtbild zusammengefügt. Über die so genannte Perzeption erzeugt jeder Mensch ein Abbild der Welt. Nutzer entwickeln ein Verständnis für ihr räumliches Umfeld, fügen dieses ihrem Erfahrungsschatz hinzu und transferieren gleichzeitig die jeweils spezifischen Kontexte auf ihre aktuelle Empfindung. Neben dem visuellen Leitsinn erfüllen der tak-

tile, thermische, akustische und der olfaktorische Sinn für die Wahrnehmung der Architektur wichtige Funktionen, auch als Mittel zur Konkretisierung des primär visuell wahrgenommenen Umfelds. Übereinstimmung, Harmonie und Überlagerung zwischen dem visuellen Eindruck und anderen Wahrnehmungsebenen verdichten sich so zu einem Gesamtbild. Der Mensch speichert aufgenommene Information, indem er Wahrnehmungen mit dem jeweiligen Erlebnis verknüpft. Mit jeder sensuellen Verknüpfung erhöht sich die Möglichkeit, eine Erinnerung »wiederzufinden«. Die Verknüpfungsstrategien lassen sich an einem einfachen Beispiel z. B. einer finnischen Sauna verdeutlichen. Denkt man zunächst an eine einfache Fichtenholzkonstruktion (visuell), tritt auch das Feuchteempfinden sowie die Wärme der Sitzbänke (thermisch) oder der Geruch des harzigen Holzes (olfaktorisch) hinzu. Die Anregung vieler Sinne schafft eine höhere Chance auf bleibende Erinnerungen an spezifische Orte oder Bauten.

der thermischen Behaglichkeit zu: Sie beeinflusst wesentlich den menschlichen Wärmehaushalt und wirkt sich zudem unmittelbar auf den Energieverbrauch von Gebäuden aus.

Raumklima

• Verdunstung von Wasser über Atmung und Haut (Transpiration) • Konvektion von der Körperoberfläche an die Raumluft • Wärmeleitung des Körpers an unmittelbar verbundene Gegenstände (Fußboden, Stuhl etc.) • Wärmestrahlung an raumumschließende Oberflächen und umgebende Gegenstände

Aus den prägenden Wahrnehmungsebenen des Menschen leiten sich auch die für das Raumklima maßgeblichen Faktoren ab. Um Wohn- und Arbeitsbedingungen möglichst komfortabel zu gestalten, muss gleichermaßen ein thermisch, akustisch, visuell und olfaktorisch angenehmes Raumklima gewährleistet sein. Eine vorrangige Bedeutung kommt hierbei Berlin

Der Wärmehaushalt des Menschen Ein möglichst ausgeglichener Wärmehaushalt mit nahezu gleicher Körperkerntemperatur um 37 °C bildet die Grundvoraussetzung für Wohlbefinden und Leistungsfähigkeit. Sinkt die Umgebungstemperatur ab, lässt der Körper zuerst die Extremitäten abkühlen, um die Funktion des Gehirns, des Herzens und anderer lebenswichtiger Organe zu schützen (Abb. B 1.51). Zur Aufrechterhaltung seiner Körper- und Stoffwechselfunktionen erzeugt der menschliche Organismus Wärme, die durch Umwandlung von chemischer Energie aus Nährstoffen entsteht. Um konstante Temperaturen zu gewährleisten, ist eine laufende Abgabe der inneren Wärmeproduktion an die Umgebung erforderlich. Der Körper bedient sich dabei folgender Mechanismen (Abb. B 1.52):

Min.

Monat

Lufttemperatur mittlere tägliche Höchsttemperatur mittlere tägliche Tiefsttemperatur absolute Höchsttemperatur absolute Tiefsttemperatur

[C°] [C°] [C°] [C°] [C°]

- 0,6 1,7 - 3,5 13,0 -26,0

Jan Jan Jan Jan Feb

mittlere relative Luftfeuchtigkeit mittlerer Niederschlag max. Niederschlag min. Niederschlag max. täglicher Niederschlag Niederschlagstage Verdunstung

[%] [mm] [mm] [mm] [mm] [d] [mm]

66,0 31,0 85,0 1,0 20,0 12,0 0

mittlere Sonnenscheindauer Strahlung

[h] [Wh/ m2d]

mittlere Windgeschwindigkeit

[m / s]

1

36,0 607,0 2,8

Mai Mär Feb Apr, Sep – Nov Dez Mär, Sep Jan – Feb Dez Jan Aug – Sep

Max.

Monat

Jahresmittel

18,5 23,8 13,3 37,8 5,7

Jul Aug Jul Jul Jul

8,9 13,1 4,7 37,8 - 26,0

88,0 70,0 230,0 16,0 125,0 17,0 125,0

Dez Jul Jul Jan Aug Jan Jul

78,0 581,0 803,0 381,0 125,0 166,0 615,0

244,0 5436,0

Jul Jun

1818,0 2805,0

3,8

Mär

3,2

Jahresseinstrahlungssumme horizontal 1010 kWh / m2a B 1.50

55

Wärmeabgabe pro Person [W]

Grundlagen

Temperatur der Umgebung 0 °C

20 °C

35 °C

180

Empfindungs+17 °C temperatur

160

+20 °C

140 120 100

Konvektion

80

tW = +19 °C

tW = +14 °C

Verdunstung

Raumumschließungstemperatur

Wärmeleitung

60 40 20

Wärmestrahlung

0

Temperatur des 28 °C 31 °C 32 °C 34 °C 36 °C 37 °C Körpers

B 1.51

28 24 32 36 Raumlufttemperatur [°C] B 1.52

Bei geringen Temperaturen erfolgt die Entwärmung hauptsächlich über Konvektion, Wärmestrahlung und -leitung. In einer zu kalten Umgebung wird zunächst die Durchblutung der Körperoberfläche eingeschränkt und durch Bewegung (beginnend mit Zittern) Wärme erzeugt. Mit steigenden Temperaturen nimmt indessen der Verdunstungsanteil bei der Wärmeabgabe deutlich zu. Wird die Umgebungstemperatur als zu warm empfunden, erhöht sich zunächst die Durchblutung, um dann durch vermehrte Verdunstung (Transpiration) die Hautoberfläche zu kühlen. Die Thermoregulation des menschlichen Körpers verfügt über derart feine Mechanismen, dass sich bei Zu- oder Abnahme der Temperatur um 1,5 K der Stoffwechsel um ca. 20 % verändert. Die Wärmeproduktion des Körpers steht zudem in engem Zusammenhang mit der Art der Betäti-

gung (Abb. B 1.54). Mit steigenden körperlichen Aktivitäten nimmt die erzeugte Wärmemenge zu. Bei der Verrichtung von leichter Bürotätigkeit erzeugt ein Mensch mit durchschnittlicher Konstitution und Größe bei einer Raumlufttemperatur von 20 °C eine Wärmeleistung von 125 bis 170 W. Bei schwerer körperlicher Arbeit kann die Wärmeleistung auf 360 bis 490 W ansteigen. Somit liegt je nach Tätigkeitsgrad die Grenze des Schwüleempfindens zwischen 19,5 und 28 °C, die Grenze des Kühleempfindens zwischen 14,5 und 18 °C sowie das Feld der thermischen Behaglichkeit bei 17 bis 24 °C. In den vergangenen Jahren hat sich insbesondere bei Planungen für Produktions- und Büroräume die Erkenntnis durchgesetzt, dass optimale raumklimatische Komfortbedingungen für die Leistungsfähigkeit und Zufriedenheit der Mitarbeiter sich auch ökonomisch niederschlagen.

12

16

20

Raumlufttemperatur tL = 21 °C

B 1.53 Thermischer Komfort

Setzt man physiologische Rahmenbedingungen sowie weitere physikalische Einflüsse (z. B. Raumluftgeschwindigkeit und -luftfeuchte, mittlere Raumumschließungstemperatur) als optimal sowie eine normale körperliche Konstitution voraus, so konnten Untersuchungen zur Unfallhäufigkeit und Leistungsfähigkeit bei sitzender Bürotätigkeit nachweisen, dass der Bereich der thermischen Behaglichkeit engen Grenzen unterliegt (Abb. B 1.55). Bei zu hohen oder niedrigen Raumlufttemperaturen steigt das Unfallrisiko bzw. nehmen Geschicklichkeit der Hände, Arbeitsleistung und geistige Fähigkeiten rapide ab. Die DIN 1946-2 definiert thermische Behaglichkeit für den Menschen als gegeben, wenn er mit Temperatur, Feuchte und Luftbewegung in seiner Umgebung zufrieden ist und weder wärmere noch kältere, weder trockenere noch feuchtere Raumluft wünscht.

Art der Betätigung völlige Ruhe

geringe Betätigung

ruhiges Liegen

in Ruhe sitzen

leichte Arbeit

leichte körperliche

schwere körperliche

Arbeit

Arbeit

Grundumsatz Angaben für eine Person

Kind

Erwachsener

Kind

Erwachsener

Kind

Erwachsener

Kind

Erwachsener

Kind

Erwachsener

erforderlicher Energieverbrauch pro Tag

[kJ / d] [kcal / d] [kWh / d]

5900 1410 1,6

7500 1790 2,1

8000 1910 2,2

9700 2320 2,7

8800 2100 2,4

10 500 2510 2,9

10 100 2410 2,8

12 600 3010 3,5

11 300 2700 3,1

14 700 3510 4,1

Gesamtwärmeabgabe (inkl. Verdunstung)

[W]

50 – 65

65 – 85

60 – 80

75 – 100

100 – 130 125 – 170

170 – 225

215 – 295

280 – 380 360 – 490

davon trockene Wärmeabgabe (Konvektion, Leitung und Strahlung)

[W]

35 – 45

50 – 65

45 – 60

60 – 75

70 – 95

95 – 130

120 – 160

165 – 220

200 – 275 280 – 370

Wasserdampfproduktion pro Stunde

[g / h]

21 – 28

23 – 32

25 – 34

27 – 38

41 – 57

46 – 62

70 – 95

78 – 108

117 – 160 130 – 180

Sauerstoffbedarf pro Stunde

[l / h]

9 – 12

12 – 16

10 – 14

14 – 19

17 – 24

24 – 32

30 – 41

40 – 51

50 – 68

65 – 90

ausgeatmetes Kohlendioxid pro Stunde (Konzentration in der Luft 0,03 – 0,05 Vol. %)

[l / h]

7 – 10

10 – 13

9 – 12

12 – 16

15 – 20

19 – 26

25 – 34

32 – 43

46 – 56

55 – 75

erforderliche Frischluftraten, [m3 / h] wenn CO2 maximal 0,10 Vol. %

12 – 17

17 – 21

15 – 20

20 – 26

25 – 33

32 – 42

42 – 57

55 – 72

70 – 93

90 – 130

Schwülegrenze in Bezug auf die Raumlufttemperatur

[°C]

28

28

26

26

24

24

21,5

21,5

19,5

19,5

Gleichgewicht = Behaglichkeit [°C]

24

24

22

22

20,5

20,5

19

19

17

17

Grenze des Kühleempfindens [°C]

18

18

17

17

16

16

15,5

15,5

14,5

14,5 B 1.54

56

Luftbewegung Auch die Luftbewegung im Raum übt einen spürbaren Einfluss auf den Wärmehaushalt des Menschen und somit auf das Wohlbefinden

Männ er en

Frau

Unfallhäufigkeit

100

Unfallhäufigkeit

e

änd

er H

eit d

chk ickli

ch

80

Ges

eit

gk

rti

fe er

g

Fin

60

Anteil Unzufriedener (PPD) [%]

10

g

Raumluftfeuchte Bei Umgebungstemperaturen von 20 bis 22 °C kann die relative Raumluftfeuchte zwischen 35 und 70 % schwanken, um als behaglich empfunden zu werden (Abb. B 1.62). In diesem Behaglichkeitsbereich steigt pro 10 % erhöhter Luftfeuchte die gefühlte Raumtemperatur des Menschen um 0,3 K. Ab 70 % relativer Feuchte besteht die Gefahr von Tauwasseranfall sowie einer vermehrten Schimmelpilzbildung an kalten Außenbauteilen, soweit sie über keinen guten Wärmeschutz verfügen (Abb. B 1.64). Ein Feuchtegehalt der Luft unter 35 % begünstigt demgegenüber die Staubentwicklung und fördert die elektrostatische Aufladung von Bauteilen, was insbesondere bei Fußböden und metallischen Berührungsflächen als unangenehm empfunden wird. Infolgedessen wird als Richtwert eine Raumluftfeuchte von 40 bis 60 % empfohlen. Um bereits in der Planungsphase ein späteres »Barackenklima« – infolge hoher Temperatur- und Feuchteschwankungen als unbehaglich empfundene Umfeldbedingungen – auszuschließen, werden für Innenräume ausreichende Speichermassen benötigt (siehe Material, S. 158).

120

n un ite ist ke tsle ig i äh be . F Ar

Raumlufttemperatur und mittlere Raumumschließungstemperatur Die Behaglichkeit in Gebäuden wird überwiegend von der Raumlufttemperatur sowie der mittleren Raumumschließungstemperatur bestimmt. Im Mittel entsprechen diese Werte in etwa der Empfindungstemperatur, die zwischen 19 und 20 °C betragen sollte. Innerhalb gewisser Grenzen können sich Oberflächenund Lufttemperaturen gegenseitig ausgleichen. Je geringer die Differenz dieser Temperaturen (im Idealfall nicht mehr als 3 K), desto behaglicher wird dies vom Menschen empfunden. Ein übermäßig asymmetrisches thermisches Profil, wie es z. B. bei Räumen mit großen Fensterflächen und mangelhaften Wärmeschutzeigenschaften auftreten kann, führt zu Unbehagen. Wie aus Abb. B 1.59 hervorgeht, bildet ein guter baulicher Wärmeschutz der Hüllflächen somit die Grundlage dafür, durch hohe Oberflächentemperaturen komfortable Umfeldbedingungen bei gleichzeitig niedrigerem Energieverbrauch herzustellen. Insbesondere bei der Planung von Flächenheizungen gilt, dass bei Raumtemperaturen von ca. 20 °C die Temperatur des Fußbodens nicht über 26 °C und der Decke nicht über 34 °C liegen sollte (Abb. B 1.60 und 61).

140

ist ge

Europäische Richtlinien Als Methoden zur Bewertung des thermischen Raumklimas stehen derzeit vornehmlich die DIN 1946-2, der CEN-Bericht CR 1752 sowie die DIN EN ISO 7730 zur Verfügung. Allerdings wurden die Bewertungsmethoden primär zur Auslegung raumlufttechnischer Anlagen geschaffen; zur Beurteilung des Klimakomforts bei freier Lüftung existieren keine eigenständigen Richtlinien. Bei der DIN 1946-2 [11] beziehen sich die Richtwerte der »operativen« Temperatur – auch Empfindungstemperatur genannt – immer auf die zeitgleiche Außenlufttemperatur (Abb. B 1.65). Eine schnelle Zu- oder Abnahme der Außenlufttemperatur muss demzufolge durch die Anlagentechnik ausgeglichen werden. Die Neufassung DIN EN 13779 [12] verweist für Nichtwohngebäude mit raumlufttechnischen Anlagen auf die Empfehlungen der DIN EN ISO 7730. Zur Schaffung neuer sowie zur Bewertung vorhandener Umgebungsklimata dient die DIN EN ISO 7730 [13]. Sie beruht auf dem PMV-Modell und empfiehlt die Einhaltung eines Komfortbereichs zwischen - 0,5 < PMV < + 0,5 (Abb. B 1.56), das einem Anteil unzufriedener Nutzer von 10 % entspricht. Da sich diese Umgebungsbedingungen nur durch den Einsatz von Anlagentechnik erzielen lassen, sieht die geplante Neufassung der Richtlinie vor, bei freier Lüftung höhere Temperaturen – analog Abb. B 1.58, Kategorie C – zuzulassen. Der CEN-Bericht CR 1752 [14] definiert Kategorien der Innenraumqualität von A bis C. Während

bei Räumen mit hohem Erwartungsniveau (Kategorie A, unzufriedene Nutzer unter 6 %), sehr enge Grenzen bestehen, sind bei Räumen mit geringeren Anforderungen (Kategorie C, unzufriedene Nutzer unter 15 %) stärkere Temperaturschwankungen zugelassen.

en rau r, F nne Mä

Ein thermisch komfortables Umfeld resultiert somit hauptsächlich aus physikalischen Einflussgrößen wie Raumlufttemperatur und mittlere Raumumschließungstemperatur (nicht zu kalt oder zu warm), Raumluftfeuchte (nicht zu trocken oder zu schwül) und Luftbewegung (keine Zugluft). Auch wenn diese Parameter sich gegenseitig beeinflussen und Wohlbefinden zudem immer auf subjektiven Empfindungen basiert, lassen sich dennoch einige Richtwerte für ein behagliches Umfeld benennen: Raumlufttemperatur von 20 bis 22 °C (im Sommer bis 26 °C), Raumluftfeuchte von 35 bis 60 % sowie Luftbewegung bis 0,15 m / s. Doch auch bei optimalen Bedingungen ist aufgrund der vielfältigen Parameter und individuellen Einflussgrößen (z. B. Art der Bekleidung, körperliche Betätigung, Alter, Geschlecht etc.) eine hundertprozentige Nutzerzufriedenheit nicht erreichbar. Um dieser individuellen und subjektiv abweichenden Bewertung des Menschen Rechnung zu tragen, wird das thermische Empfinden als so genannter PMV-Wert (Predicted Mean Vote) angegeben (Abb. B 1.57). Über diesen lässt sich der PPD-Wert (Predicted Percentage of Dissatisfied) ermitteln – die Anzahl jener, die mit dem vorherrschenden Raumklima unzufrieden sind. Durch die individuelle Bewertung der raumklimatischen Verhältnisse liegt dabei selbst bei einem PMV-Wert von 0 (behaglich) die Anzahl der Unzufriedenen bei 5 % (Abb. B 1.56).

Abweichung [%]

Grundlagen

15

20

25 30 Temperatur [°C] B 1.55

80 60 40 30 20 15 10 8 6 5 4 -2,0

0 1,0 2,0 Komfortempfinden (PMV) [-] B 1.56

-1,0

Empfindung

Predicted Mean Vote (PMV)

kalt

-3

kühl

-2

erträglich (leicht) kühl

-1

neutral (behaglich)

0

erträglich (leicht) warm

1

warm

2

heiß

3 B 1.57 Sommer (Kühlperiode)

Winter (Heizperiode)

Kategorie A

24,5 °C ±1,0

22,0 °C ±1,0

Kategorie B

24,5 °C ±1,5

22,0 °C ±2,0

Kategorie C

24,5 °C ±2,5

22,0 °C ±3,0

DIN EN ISO 7730

24,5 °C ±1,5

22,0 °C ±2,0

CEN CR 1752

B 1.58 B 1.51 B 1.52 B 1.53 B 1.54 B 1.55 B 1.56 B 1.57 B 1.58

Temperaturverteilung im Körper bei verschiedenen Außentemperaturen Wärmeabgabe des Menschen bei unterschiedlichen Raumlufttemperaturen (Bürotätigkeit) Empfindungstemperatur bei unterschiedlichen Raumumschließungstemperaturen Richtwerte zum menschlichen Luft-, Wärme- und Feuchtigkeitshaushalt Unfallhäufigkeit und Produktivität in Abhängigkeit von der Raumtemperatur bei sitzender Tätigkeit PPD-Wert in Abhängigkeit vom PMV-Wert Bewertungsskala des »vorhergesagten mittleren Votums« (PMV) Anforderungen an die operative Raumtemperatur bei sitzender Tätigkeit

57

30 28 Behaglichkeitsfeld

26

23

24

°C

te =21°C

22 20

19

18 2

16 14

U

=0

12 10

12

14

/m W ,2 0,5 1,0 1,5

16

°C

K

ta =- 10°C

unbehaglich warm

28 26 24 behaglich

22 20 18

40

unbehaglich warm

38 36

noch behaglich

34 32 30 behaglich

28

noch behaglich

26

16 14

24

unbehaglich kalt 12 18

22 26 28 20 24 Raumlufttemperatur tL [°C]

B 1.59

aus. In DIN EN ISO 7730 sind Richtwerte für Luftgeschwindigkeiten im Zusammenhang mit dem Turbulenzgrad der Strömung angegeben, da Luftströmungen mit wechselnden Anströmungsrichtungen und Geschwindigkeiten das Zugempfinden verstärken. Bei Raumlufttemperaturen von 20 °C werden schon Luftgeschwindigkeiten über 0,15 m / s als unbehaglich empfunden (Abb. B 1.63). Wenn die Raumlufttemperaturen über 23 °C liegen, trägt jedoch eine erhöhte Luftgeschwindigkeit dazu bei, dass durch die Abgabe von Körperwärme ein behagliches Umfeld hergestellt wird. Bereits während der Planung und insbesondere auch bei der Bauüberwachung lassen sich spätere Zuglufterscheinungen durch eine wind- und luftdichte Detailausbildung vermeiden. Alle Faktoren, die das thermische Wohlbefinden beeinflussen, wirken sich auch unmittelbar auf den Energieverbrauch von Gebäuden aus. Niedrige Strömungsgeschwindigkeiten bei Lüftungsanlagen sparen Energie und erhöhen das Wohlbefinden. Höhere InnenOberflächentemperaturen durch entsprechende Wärmeschutzmaßnahmen steigern das Wohlbefinden und vermindern Transmissionswärmeverluste (Abb. B 1.53). Bei niedrigen U-Werten der Außenbauteile können die Raumlufttemperaturen ohne Komforteinbußen abgesenkt werden; je 1 K Temperaturabsenkung reduziert sich der Heizwärmebedarf um ca. 6 %. Aus aktuellen Untersuchungen geht hervor, dass auch die Art der Belüftung das Wohlbefinden erheblich mitbestimmt [15]. In Gebäuden mit natürlicher Lüftung empfinden durchschnittlich 20 % der Nutzer das Raumklima als unbehaglich, in teilklimatisierten Gebäuden 34 % und in vollklimatisierten Gebäuden sind sogar 54 % der Nutzer unzufrieden. Darüber hinaus steigt bei Personen, die das Raumklima als gesundheitsschädlich einschätzen, die Wahrscheinlichkeit, am »Sick-Building-Syndrom« zu erkranken, um das 2,6-fache an. Die Möglichkeit, das Raumklima zu beeinflussen und auf die individuellen Bedürfnisse anzupassen, stellt eine weitere bedeutende Einflussgröße für die Zufriedenheit der Nutzer dar.

58

30

Deckentemperatur tD [°C]

Fußbodentemperatur tFB [°C]

Wandtemperatur tw [°C]

Grundlagen

10

12

14

16

18

22 26 28 20 24 Raumlufttemperatur tL [°C]

B 1.60

Dazu zählen: • öffenbare Fenster • individuell beeinflussbarer Sonnen- bzw. Blendschutz • Ventilatoren (lokaler Einsatz im Sommer) • Thermostatventile • Raumluftregelung Im Vergleich von mechanisch und natürlich belüfteten Räumen weisen die o. g. Untersuchungen nach, dass Menschen bei freier Lüftung eine größere Bandbreite von Temperaturen akzeptieren und somit gegenüber den gesetzlichen Regelungen erweiterte Behaglichkeitsgrenzen möglich sind. Visueller Komfort Visuelle Raumwahrnehmung erzeugt über die Unverwechselbarkeit der Gestaltung die Bildung einer Identität. Sind die für den Benutzer notwendigen Informationen übersichtlich verfügbar, erhöhen sich Wohlbefinden, Orientierungsfähigkeit, Sicherheitsgefühl und Produktivität. Doch auch physikalische Rahmenbedingungen des Sehens tragen maßgeblich zum Wohlbefinden bei. Das menschliche Auge nimmt die elektromagnetische Strahlung des Sonnenlichts in einem Wellenlängenbereich von ca. 380 nm (violettes Licht) bis etwa 780 nm (rotes Licht) wahr. Vor allem der visuelle Cortex im Gehirn verarbeitet die vom Auge stammenden Erregungsmuster nachfolgend zur Empfindung von Licht und Farbe. Optimaler Sehkomfort für Arbeitsbereiche besteht, wenn die Leuchtdichteverhältnisse der Arbeitsplatzumgebung (Umfeldleuchtendichte) auf die jeweilige Sehaufgabe (Infeldleuchtendichte) abgestimmt sind. Dies lässt sich prinzipiell durch Tageslicht, künstliche Beleuchtung oder eine Kombination beider Lichtquellen erreichen. Allerdings erzeugt natürliches Tageslicht komfortablere Bedingungen, da es alle Spektralfarben umfasst. Visuelle Behaglichkeit steht im Zusammenhang mit verschiedenen energierelevanten Einflussgrößen. Beleuchtungsstärke Der Lichtstrom wird in der Maßeinheit Lumen

22 unbehaglich 20 kalt 12 14 16

18

22 26 28 20 24 Raumlufttemperatur tL [°C]

B 1.61

[lm] angegeben und beschreibt die gesamte ausgestrahlte Lichtleistung einer Lichtquelle. Die Beleuchtungsstärke hingegen – in der Einheit Lux [lx] definiert – kennzeichnet den Lichtstrom, der auf eine bestimmte Fläche trifft. Die Richtlinien der empfohlenen Beleuchtungsstärken leiten sich jeweils aus den schwierigsten zu erwartenden Sehaufgaben ab. Blendung Neben einer angemessenen Beleuchtungsstärke sollten auch die Kontrastverhältnisse angenehm gestaltet werden. Die Leuchtdichte [cd / m2] definiert den von einer angestrahlten Fläche ausgehenden Lichtstrom. Absolute Blendung des Menschen entsteht als Ergebnis zu hoher Lichtintensität (>104 cd / m2), wohingegen relative Blendung durch zu hohen Kontrast hervorgerufen wird. Idealerweise überschreiten die Leuchtdichteverhältnisse für eine konkrete Sehaufgabe, die unmittelbare Umgebung und das fernere Umfeld nicht ein Verhältnis von 10 : 3 : 1. Helle Wand- und Deckenoberflächen erhöhen die Abstrahlung vom Umfeld und können durch eine gleichmäßigere Leuchtdichteverteilung die Gefahr relativer Blendung reduzieren (Abb. B 1.67). Lichtwinkel und Kontrast Je nach Auftreffen bzw. Reflexion des Lichts beeinflussen Lichtfarbe, Farbwiedergabe, Lichtrichtung und Farbigkeit von Oberflächen die Raumwahrnehmung. Bei flach einfallendem Licht lassen sich helle Materialien besonders gut plastisch erfahren, während dunkle Oberflächen aufgrund des geringen Kontrasts eher zweidimensional wirken. Durch ihren höheren Reflexionsgrad verbessern helle Oberflächen die Lichtwirkung und optimieren gleichermaßen den Tageslichteinfall sowie die Kunstlichtversorgung. Farbigkeit und -komposition Die Farbigkeit von Raumoberflächen unterstützt assoziative Bezüge. Warme Farben wirken anregend und lassen eine Fassade, einen Raum oder ein Objekt kleiner erscheinen. Im Gegensatz hierzu erzeugen kalte Farben Abstand und vergrößern den Raumeindruck. Doch nehmen wir Farben nicht nur optisch

90 unbehaglich feucht

70 60 behaglich

50 40 30 20

unbehaglich trocken

noch behaglich

50

40 unbehaglich

30

20

14

16

18

Wachstumsbereich

90

80

Sporenkeimung

behaglich 10

60

unbehaglich

10 0 12

100

70

22 26 28 20 24 Raumlufttemperatur tL [°C]

0

12

14

16

18

B 1.62

B 1.63

wahr, auch das subjektive Kälte- und Wärmeempfinden kann durch Farbgebung spürbar beeinflusst werden. So wurde in Versuchen festgestellt, dass Räume, die mit einem kalten Farbton wie z. B. Blaugrün gestrichen waren, das Wärmeempfinden der Testpersonen um ca. 3 °C herabsetzten. Ein orangefarbener Raum hingegen erhöhte die subjektiv empfundene Temperatur. Dies ist durch die physiologischen Auswirkungen des Farbtons auf den Organismus zu erklären, die eine leichte Erhöhung der Pulsfrequenz und des Blutdrucks herbeiführen. Eine uniforme und monotone Farbgestaltung auf Grundlage vereinfachter, physiologischer Farbwirkung sollte jedoch vermieden werden. Erst eine Komposition aus miteinander harmonierenden Farbtönen leitet hin zu einem als angenehm empfundenen Gesamteindruck.

Schall Schall breitet sich durch kleinste Druck- und Dichteschwankungen in einem elastischen Medium (z. B. Luft, Festkörper) aus. Man unterscheidet zwischen Infraschall (< 20 Hz), Hörschall (20 – 20 000 Hz), Ultraschall (20 Hz – 1 GHz) und Hyperschall (> 1 GHz), wobei der Mensch das Spektrum von 1000 bis 5000 Hz innerhalb des Hörschall-Frequenzbereichs am besten wahrnehmen kann. Schall überträgt sich, ähnlich wie Licht, in Form von Absorption, Reflexion undDissipation (Umwandlung in Wärme). Zudem unterscheidet man zwischen Lärm und Geräusch. Lärm bezeichnet störend empfundenen Schall (z. B. Straßenlärm), Geräusche hingegen können Assoziationen wecken und somit die akustische Behaglichkeit positiv beeinflussen.

Farbwiedergabe Die visuelle Wahrnehmung des Menschen ist auf natürliches Sonnenlicht geeicht. Das sich über den Tagesablauf verändernde Spektrum des Lichts steuert u. a. den Tagesrhythmus sowie die Organfunktionen. Eine Verzerrung dieses Spektrums kann sich negativ auf Wahrnehmung und Wohlbefinden auswirken. Daher sollte die vorherrschende Lichtfarbe bei normalen Tätigkeiten natürlich oder naturähnlich sein. Das Frequenzmuster des Lichts sollte durch die Verglasung entsprechend möglichst wenig verändert werden (siehe Material, S. 155, Abb. 5.25). Akustischer Komfort

Die auditive Wahrnehmung basiert auf Schwingungsübertragungen der Umgebungsluft (Luftschall) oder von Festkörpern (Körperschall). Lärmbelastungen können bereits bei niedrigen Schalldruckpegeln auftreten, Schlaf und Erholung beeinträchtigen sowie die Produktivität mindern. Der akustische Komfort von Räumen bestimmt sich aus einer Vielzahl von Parametern: z. B. Schallpegel der Außenlautstärke, Schalldämmmaß der Gebäudehülle, Geräuschentwicklung der Gebäudetechnik, Form bzw. Größe des Raumes sowie der Oberflächenbeschaffenheit von Umschließungsflächen und des Mobiliars.

50

26 28 24 20 22 Raumlufttemperatur tL [°C]

Schallleistung/bewerteter Schalldruckpegel Der Schalldruckpegel [Lp] stellt ein logarithmisches Maß zur Beschreibung von Schallereignissen dar und wird in Dezibel [dB] angegeben. Der messbare Schalldruckpegelbereich reicht ca. von 0 bis 160 dB. Ein Schalldruckpegel-Unterschied von 3 dB ist bei mittleren bzw. hohen Pegeln und Frequenzen deutlich wahrnehmbar. Unterschiede von 10 dB bedeuten dann in der Wahrnehmung etwa eine Verdoppelung der Lautstärke. Um das menschliche Lautheitsempfinden näherungsweise nachzubilden, wird im Gegensatz zum unbewerteten Pegel [dB] beim »bewerteten Schalldruckpegel« [dB(A)] der Sinneseindruck des Frequenzgangs in Abhängigkeit zum Schalldruckpegel berücksichtigt. Je nach Nutzung werden spezifische maximal dB(A)-Werte für Störgeräusche empfohlen. In Tonstudios oder Opernhäuser liegen diese beispielsweise bei etwa 25 dB(A) und für Büroräume bei ca. 35 dB(A). Nachhallzeiten Durch die Nachhallzeit werden die akustischen Eigenschaften von Räumen beschrieben. Eine möglichst kurze Nachhallzeit (bis 50 ms) sorgt dabei für eine Erhöhung der Sprachverständlichkeit. Bei Musik fördert eine mittlere Nachhallzeit (ca. 80 ms) die Deutlichkeit, wohingegen Klangfülle durch lange Nachhallzeiten begünstigt wird (Abb. B 1.66).

10

20

50 40 30 Raumlufttemperatur [°C]

B 1.64 B 1.59

B 1.60 B 1.61 B 1.62 B 1.63 B 1.64 B 1.65 B 1.66 B 1.67

operative Raumtemperatur [°C]

80

relative Luftfeuchte ϕ [%]

100

Luftbewegung in Kopfhöhe v [cm/s]

relative Luftfeuchte ϕ [%]

Grundlagen

Behaglichkeit in Abhängigkeit von Raumlufttemperatur, mittlerer Raumumschließungstemperatur und U-Wert der Gebäudehülle Behaglichkeit in Abhängigkeit von Raumluft- und Fußbodentemperatur Behaglichkeit in Abhängigkeit von Raumluft- und Deckentemperatur Behaglichkeit in Abhängigkeit von Raumlufttemperatur und relativer Luftfeuchte Behaglichkeit in Abhängigkeit von Raumlufttemperatur und Luftgeschwindigkeit in Körpernähe Wachstumsbereich von Schimmelpilzen zulässige Temperaturbereiche nach DIN 1946-2 für die Auslegung raumlufttechnischer Anlagen empfohlenen Nachhallzeiten nach Raumfunktionen empfohlene Reflexionsgrade für Oberflächen nach EN 12464-1

28 26 24 22

kurzzeitig empfohlen

bei Quelllüftung

20

20

22

24

26

28

30

32

Außenlufttemperatur [°C] B 1.65 Raumfunktion

Nachhallzeit [ms]

Büroraum

35

Klassenzimmer

40 – 60

Oper

130 – 160

Orgelmusik

250 – 300 B 1.66

Bauteil

Reflexionsgrad

Decke

60 – 90 %

Wand

30 – 80 %

Arbeitsfläche

20 – 60 %

Boden

10 – 50 % B 1.67

59

Grundlagen

Anforderung

Randbedingung

Dienstleistung

Temperaturkomfort herstellen

Außentemperatur (-20 bis +40 °C)

Heizen und Kühlen

Helligkeitskomfort herstellen

Helligkeit (0 – 100 000 Lux)

Beleuchten

Luftqualität sichern

Luftverbrauch (15 – 130 m3 / h Pers)

Be- und Entlüften

Luftfeuchtekomfort herstellen

Luftfeuchtigkeit (0 – 100 %)

Be- und Entfeuchten

Trinkwarmwasser bereithalten

Trinkwasserversorgung (ca. 10 °C)

Trinkwasser erwärmen

Elektrische Geräte betreiben

Geräteeffizienz

mit Strom versorgen

Prozesswärme bereitstellen

Prozesseffizienz

Prozesswärme erzeugen

Prozesskälte bereitstellen

Prozesseffizienz

Prozesskälte erzeugen

Energiethemen

Wärme

Kälte

Luft

Licht

Strom B 1.68

Olfaktorischer Komfort Der Geruchssinn dient neben dem Erkennen von verdorbenen Nahrungsmitteln vor allem im Bereich der sozialen Kommunikation zur Steuerung vegetativer bzw. hormoneller Vorgänge. Die Riechschleimhaut in der oberen Nasenhöhle verfügt über mehr als 350 verschiedene Rezeptortypen, die Geruchsmoleküle aus der Luft herauslösen und chemisch registrieren. Da der Geruchssinn mehrere tausend Gerüche differenziert – sie aber nicht vollständig benennen kann –, unterscheidet man sieben wesentliche Duftkategorien: blumig, ätherisch, moschusartig, kampferartig, faulig, schweißig und stechend. Neben den drei Hauptbestandteilen Stickstoff (78 %), Sauerstoff (21 %) und Argon (0,9 %) setzt sich Luft noch aus vielfältigen weiteren Spurenelementen (z. B. Kohlendioxid, Wasserstoff und anderen Edelgasen) sowie Fremdstoffen zusammen. Die Qualität der Innenraumluft wird durch unterschiedliche Faktoren beeinflusst, wie beispielsweise die Zusammensetzung der Außenluft, Ausstattungen und Baumaterialien sowie nutzungsbedingte Verunreinigungen durch den Menschen. Die Gewährleistung angenehmer und gesunder Raumluftbedingungen erfordert eine ausreichende Frischluftzufuhr sowie die Abfuhr von CO2, Feuchtigkeit, Schad- und Geruchsstoffen. Aufgrund der hohen Bedeutung der Luftqualität für Gesundheit und Produktivität geben die so genannten MAK-Werte (Maximale Arbeitsplatz-Konzentration) entsprechende Richtwerte für die maximal zulässige Konzentration von Schadstoffen vor. Seit 2005 bestehen in Deutschland zudem weitere rechtliche Orientierungsgrößen durch den Arbeitsplatzgrenzwert (AGW) sowie den biologischen Grenzwert (BGW). Für die Beurteilung der Innenraumluft sind sowohl die CO2-Konzentration als auch die Indikatoren »Olf« und »Dezipol« von Bedeutung. Die CO2-Produktion des Menschen schwankt je nach Tätigkeit zwischen 7 und 75 l pro Stunde und Person und trägt maßgeblich zur Verschlechterung der Raumluftqualität bei. Bereits im 19. Jahrhundert definierte der Hygieniker Max Josef von Pettenkofer die auch heute noch gültigen Richtwerte von 0,1 Vol % CO2Gehalt als Maßstab für komfortable Raumluft-

60

bedingungen. Gesetzliche Regelungen zur CO2-Konzentration sowie erforderliche Luftwechselraten sind im Kapitel Technik (siehe S. 133) aufgeführt. Ebenso dienen die Indikatoren »Olf« und »Dezipol« der Beurteilung der Luftqualität: Während Olf die Stärke von Geruchsquellen (z. B. Menschen, Tiere, Pflanzen, Ausdünstungen von Materialien etc.) kennzeichnet, fließt beim Dezipol – als Maß für die empfundene Geruchsemissionen – der Luftvolumenstrom mit ein. Die Luftqualität von Räumen liegen entsprechend den Nutzungsanforderungen zwischen 0,7 und 2,5 Dezipol. Neben der Luftqualität von Innenräumen haben Schadstoffemissionen aus Baustoffen eine große Wirkung auf Gesundheit und Wohlbefinden von Nutzern. Weiterführende Erläuterungen finden sich im Kapitel Material (siehe S. 171). Energiedienstleistungen

Um Behaglichkeit herzustellen und die bereits erwähnten Komfortbedingungen erfüllen zu können, ist eine intelligente Planung von Gebäuden mit deutlich erhöhter Energieeffizienz notwendig. Dennoch wird in den meisten Klimazonen eine Zufuhr von Energie erforderlich bleiben. Die Höhe des Energieverbrauchs während der Nutzungsphase steht dabei, neben der Ausbildung des Baukörpers und der Gebäudehülle, im Zusammenhang mit klimatischen Randbedingungen, der eingesetzten Systemtechnik und nicht zuletzt dem Komfortanspruch sowie dem Nutzerverhalten. Bedarf und Bedürfnis Der Energiebedarf von Gebäuden resultiert hauptsächlich aus Randbedingungen und nutzerbedingten Anforderungen, die zunächst unabhängig von architektonischen Parametern mittelbar oder unmittelbar energierelevante Dienstleistungen auslösen (Abb. B 1.68). In Mitteleuropa schwanken die Außenlufttemperaturen von - 20 °C bis + 40 °C. Die nutzerbedingten Behaglichkeitsanforderungen streben jedoch die Einhaltung bestimmter Temperaturbereiche an. Daraus ergeben sich entsprechend die Dienstleistungen »Heizen« und möglicherweise auch »Kühlen«. Ebenso variiert die Helligkeit von nahezu 0 Lux in der Nacht

bis etwa 100 000 Lux an einem sonnenreichen Tag. Daraus leitet sich die Dienstleistung »Beleuchten« ab. Der Aufenthalt in geschlossenen Räumen bewirkt aufgrund entsprechender Emissionen einen gewissen »Luftverbrauch«. Gewünscht ist jedoch eine im Idealfall konstante hohe Luftqualität. Dies bedingt einen gezielten Luftaustausch durch »Be- und Entlüften«. Sollen bestimmte Grenzwerte der Luftfeuchtigkeit nicht über- oder unterschritten werden, ist die Dienstleistung »Befeuchten und Entfeuchten« gefragt. Üblicherweise beträgt das Temperaturniveau der Frischwasserversorgung von Gebäuden etwa 10 °C. Um insbesondere für die Körperhygiene angenehme Bedingungen zu schaffen, ist das Trinkwasser entsprechend zu erwärmen. Nicht zuletzt sollen elektrische Geräte betrieben werden können. Diese reichen von Erschließungssystemen wie Rolltreppen oder Aufzügen über Arbeitshilfen oder Telekommunikation bis zu Haushaltsgeräten wie Kühlschränken und Unterhaltungselektronik. Bei industrieller Nutzung werden diese Anforderungen ergänzt durch einen prozessbedingten Wärme- oder Kältebedarf. Während sich die standortspezifischen klimatischen Randbedingungen kaum beeinflussen lassen, besteht bei den nutzerbedingten Anforderungen ein erheblicher Spielraum. So hat z. B. die im Sommer zulässige maximale Lufttemperatur einen entscheidenden Einfluss auf den Umfang der Energiedienstleistung »Kühlen«. Ebenso beeinflusst das Nutzerverhalten im Hinblick auf Heizung, Lüftung, Beleuchtung oder Verwendung von Trinkwarmwasser maßgeblich die Inanspruchnahme energetisch relevanter Dienstleistungen. Hier ist in Abstimmung mit den Nutzern eine grundsätzliche Hinterfragung der Bedürfnisse unabdingbar. Abweichungen vom technisch machbaren Optimum sind sinnvoll; allerdings sollte der Nutzer Einschränkungen aufgrund ökonomischer und/ oder ökologischer Argumente explizit zustimmen (z. B. freie Lüftung). Um Wohlbefinden herzustellen und die Bedürfnisse von Nutzern und Nutzung umfassend behandeln zu können, sind die fünf verschiedenen Energiethemen Wärme, Kälte, Licht, Luft und Strom zu unterscheiden (Abb. B 1.69).

Grundlagen

Energiebedarf minimieren

Energieversorgung optimieren

Wärme

Wärme erhalten

Wärme effizient gewinnen

Kälte

Überhitzung vermeiden

Wärme effizient abführen

Luft

natürlich lüften

effizient maschinell lüften

Licht

Tageslicht nutzen

Kunstlicht optimieren

Strom

Strom effizient nutzen

Strom dezentral gewinnen

Energiethemen

B 1.69

Hinsichtlich des Wärmehaushalts ist im Heizfall dafür zu sorgen, dass Wärme nicht verloren geht und somit möglichst lange erhalten bleibt. Da trotz aller Bemühungen in vielen Fällen eine Wärmezufuhr erforderlich ist, muss eine effiziente Erzeugung, Speicherung, Verteilung und Übergabe von Wärme sichergestellt werden. In allen diesen Bereichen, insbesondere jedoch bei der Erzeugung, besteht das Potenzial, durch Nutzung erneuerbarer Energie ein CO2- minimiertes oder gar CO2-neutrales Gesamtkonzept zu realisieren. Zahlreiche Technologien zur Nutzung von Biomasse, solarthermische Systeme und Wärmepumpen bieten eine Vielzahl von Möglichkeiten. Im Bereich der Kälte besteht entsprechend zunächst das Ziel, durch geplante bauliche und baukonstruktive Maßnahmen eine Überhitzung der Nutzräume zu vermeiden. Ist dennoch eine Kühlung erforderlich, gelten hier Anforderungen und Möglichkeiten analog zur Wärmeversorgung. Bei der Gebäudekühlung bieten vor allem Systeme zur Nutzung des Kältepotenzials des Erdreichs und des Grundwassers sowie die solare Kühlung günstige Perspektiven. Zur Gewährleistung von angemessener Luftqualität ist zunächst ein gut regelbarer natürlicher Luftwechsel erforderlich. Nutzungsbedingte Situationen und Maßnahmen zur Reduktion des Heiz- und Kühlenergiebedarfs können jedoch eine maschinelle Unterstützung der Frischluftzufuhr erforderlich machen. Besonders bei der Frischluftversorgung bietet eine frühzeitige Abstimmung der Luftführung mit baulichen Maßnahmen (z. B. Abluft über Atrium oder Doppelfassade) Synergieeffekte. In vielen Fällen bergen technische Komponenten zur Wärmerückgewinnung ein erhebliches Einsparpotenzial. Beim Energiethema Licht steht eine verbesserte Nutzung des Tageslichts im Vordergrund. Ergänzend ist eine technische Optimierung des Kunstlichts z. B. durch Differenzierung der Beleuchtungsstärken, Auswahl energiesparender Leuchtmittel und bedarfsgerechte Regelung anzustreben. Der Bedarf an elektrischer Energie, der über das Kunstlicht und die Luftführung hinausgeht,

wird überwiegend durch die Bedürfnisse des Nutzers und die entsprechende Ausstattung an elektrischen Geräten bestimmt. Im Planungsprozess kann jedoch deutlich Einfluss auf die anzustrebende Energieeffizienz ausgeübt werden. Darüber hinaus besteht ein großes Potenzial in der dezentralen Stromerzeugung durch Kraft-Wärme-Kopplung und einer solaren Aktivierung der Gebäudehülle. Technologieniveau Die Frage, in welchem Umfang Energiedienstleistungen durch technische Systeme bereitgestellt werden müssen, hängt von der Nutzungsart und dem Anforderungsniveau ab, ganz entscheidend aber auch von der Gebäudeform, der Gebäudehülle sowie der Materialwahl. Hierbei lassen sich zwei unterschiedliche Strategien verfolgen. Eine orientiert sich an den jeweiligen technologischen Mittel, um eine optimale Funktionsweise zu gewährleisten, wobei auch zahlreiche Energiesysteme, Klappen, Ventile, Sensoren etc. ein adaptives Verhalten ermöglichen. Diese werden von einer komplexen Software gesteuert, die in Abhängigkeit von klimatischen Randbedingungen und Nutzerverhalten die optimale Regelstrategie sicherstellt. In nahezu jedem Gebäude und an jedem beliebigen Standort sind durch optimierte technische Gebäudeausrüstung behagliche Innenraumbedingungen erreichbar. Die andere Strategie zielt darauf ab, über die städtebauliche Anordnung sowie eine energieoptimierte Gebäudeform und -hülle, die Nutzungsverteilung und die Materialwahl das Gebäude so zu gestalten, dass die gewünschten Bedingungen – ggf. mit geringen Abstrichen bezüglich des Optimums – mit einem Minimum an Technik erreicht werden. Für diese Strategien haben sich im allgemeinen Sprachgebrauch die Begriffe »Hightech« und »Lowtech« etabliert. Da, wie in den meisten Fällen, keine dieser reinen Lehren allein umsetzbar ist, erreicht ein abgestimmtes Zusammenspiel beider Strategien, das den so genannten passiven oder kybernetischen (selbstregelnden) Systemen den Vorrang lässt, meist das beste Ergebnis.

Anmerkungen: [1] Stand 2000 [2] Meadows, Donella; Meadows, Dennis; Zahn, Erich; Milling, Peter: Die Grenzen des Wachstums. Bericht des Club of Rome zur Lage der Menschheit. Stuttgart 1972 [3] Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC): Fourth Assessment Report. Summary for Policymakers (AR4). 2007 [4] Schellnhuber, Joachim zitiert nach Lebert, Stephan: Ein Mann läuft Sturm. In: Die Zeit 37/2005 [5] Stern, Nicolas: The Economics of Climate Change. Ein Bericht im Auftrag des britischen Schatzkanzlers. 2006 [6] Nitsch, Joachim: Leitstudie 2007. Aktualisierung und Neubewertung der Ausbaustrategie Erneuerbare Energien bis zu den Jahren 2020 und 2030 mit Ausblick bis 2050. Untersuchung im Auftrag des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit. 2007 [7] Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Umweltpolitik. Erneuerbare Energien in Zahlen – nationale und internationale Entwicklung. 2007 [8] Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Erneuerbare Energien – Innovationen für die Zukunft. 2004, S. 15 [9] Lauer, Wilhelm: Klimatologie. Braunschweig 1995 [10] Schütze, Thorsten; Willkomm, Wolfgang: Klimagerechtes Bauen in Europa. Planungsinstrumente für klimagerechte, energiesparende Gebäudekonzepte in verschiedenen europäischen Klimazonen. Forschungsvorhaben der Fachhochschule Hamburg im fachbereichsübergreifenden Forschungsschwerpunkt »Planungsinstrumente für das umweltverträgliche Bauen« der Fachbereiche Architektur und Bauingenieurwesen, Abschlussbericht 2000 [11] DIN 1946-2: Raumlufttechnische Anlagen in Arbeitsund Versammlungsräumen. 1994 [12] DIN EN 13779: Lüftung von Nichtwohngebäuden. Allgemeine Grundlagen und Anforderungen an Lüftungs- und Klimaanlagen. 2005 [13] DIN EN ISO 7730: Ermittlung des PMV und des PPD und Beschreibung der Bedingungen für thermische Behaglichkeit. 1995 [14] CEN-Bericht CR 1752: Auslegungskriterien für Innenräume. 1998 [15] Hellwig, Runa Tabea: Thermische Behaglichkeit. Unterschiede zwischen frei und mechanisch belüfteten Bürogebäuden aus Nutzersicht. Dissertation der Technischen Universität München 2005

B 1.68 B 1.69

Randbedingungen, Anforderungen, Dienstleistungen und Energiethemen die zehn Bausteine des energieoptimierten Bauens nach Energiethemen

61

Stadtraum und Infrastruktur

B 2.1

Gebäude müssen immer in Zusammenhang mit ihrem Umfeld betrachtet werden. Zahlreiche Faktoren wie Klima, Landschaft, Topografie, bauliches Umfeld, Verkehr und Infrastruktur wirken auf jedes Bauwerk ein und bestimmen den städtebaulichen Kontext sowie das Energieangebot. Architektur ist zudem meist in ein komplexes Netzwerk von Ver- und Entsorgungssystemen eingebunden. Dabei umfasst die Vernetzung nicht allein die technische Infrastruktur, sondern auch soziale und kulturelle Einrichtungen, um Mobilität, Kommunikation und andere Dienstleistungen sicherzustellen. Dies entspricht der technischen und ökonomischen Vernunft sowie der Natur des Menschen als soziales Wesen, das auf Nachbarschaften, soziale und kulturelle Angebote angewiesen ist. Schließlich macht eine hoch arbeitsteilige Beschäftigungsstruktur den Zugang zu Arbeitsplätzen, Handel und Gewerbe notwendig. Dichte städtische Strukturen sind für eine energieeffiziente, wirtschaftliche Bereitstellung von Dienstleistungen und den Betrieb von Gebäuden in der Regel am besten geeignet. Neben der standortgerechten Planung und der technischen Infrastruktur ist eine effiziente Flächennutzung ausschlaggebend für eine energetische Optimierung von Baukörper und Stadtraum.

Flächennutzung

B 2.1

B 2.2

B 2.3 B 2.4 B 2.5

62

scheinbare Raumerweiterung durch Spiegelung, Wohnhäuser als Nachverdichtung und Blockrandschließung, Paris (F) 2000, Herzog & de Meuron Entwicklung des Heizwärmebedarfs von Gebäuden nach Baujahr und Anteil im deutschen Bestand sektorbezogener Energieverbrauch in Deutschland im Jahr 2005 plakative Verbildlichung der Forderungen der Charta von Athen 1929 Verhältnis von Bebauungsdichte und Energieverbrauch ausgewählter Städte

Der Umgang mit Landfläche als endliche Ressource war schon immer geprägt von verschiedenen Interessen und dem Gebot effizienter Nutzung. Die Bebauung steht in Konkurrenz zur Nahrungs- und Energieproduktion, zur Rohstoffversorgung, zur Erhaltung von Natur, Landschaft und Artenvielfalt sowie zu vielen anderen Funktionen. Innerhalb bebauter Gebiete konkurrieren andere Nutzungen und Belange um Raum. Gesteuert sind sie von sozialen Wertvorstellungen und durch technische Vorgaben, durch die Öffentlichkeit oder wirtschaftliche Einzelinteressen. Immer spielt dabei das Entwicklungsmuster der Flächennutzung für die Effizienz eine zentrale Rolle. Die prototypischen Modelle monozentrisch, polyzentrisch und sektoral organisierter

Stadträume oder der so genannten Zwischenstädte bieten nur erste Anhaltspunkte. Sinkende Bevölkerungszahlen und kleinere Haushaltsgrößen bedingen andere Lebensmodelle und erzeugen eine sich verändernde Bedarfsstruktur. Geschichte der Flächennutzung In der mittelalterlichen Stadt wurde das produzierende Gewerbe in den ebenerdigen Etagen der Häuser untergebracht, in den darüberliegenden Etagen gewohnt. Oft waren auch die das Umland bewirtschaftenden Landwirte in die Stadtstruktur integriert. Das Wachstum der Städte vollzog sich dadurch, dass platzintensive Nutzungen, z. B. Bauernhöfe und landwirtschaftliche Funktionsflächen, ausgelagert wurden. Durch die Industrialisierung und das damit verbundene Bevölkerungswachstum in den Städten entstand ein rapide ansteigender Flächenbedarf, der zu dichten Blockstrukturen führte, die heute noch ganze Stadtteile prägen. Dabei wurden Freiräume und öffentliche Flächen auf ein Minimum reduziert. Diese kleinräumliche Flächeneffizienz brachte z. B. das Berliner Zimmer hervor: große Räume in den Ecken der Block-Hof-Strukturen, die jedoch nur über sehr geringen Lichteinfall verfügten. Die extrem verdichtete Bebauung deckte zwar den Wohnbedarf, erfüllte jedoch kaum hygienische Notwendigkeiten. Der Wert von Freiraum und Erholungsfunktion wurde offensichtlich. Als Idealbild des Lebens in der Landschaft entwickelten sich zunächst vor den eigentlichen Städten neu angelegte Gartenstädte, die erste Teilzentren in urbanen Räumen schufen. Als Antwort auf übervölkerte Strukturen, schlechte gesundheitliche Bedingungen und fehlende Freiraumangebote proklamierten Stadtplaner und Architekten in den 1920erJahren das Motto »Luft, Licht und Sonne«. Es wurden z. B. Abstände zwischen den Gebäuden definiert, die eine Besonnung aller Wohnräume zuließen, und erste Blockstrukturen entkernt (Abb. B 2.29). Die Charta von Athen im Jahre 1929 versuchte, das Problem durch eine umfassende Neustrukturierung von Städten zu lösen. Besonders die

300 bis 1918

1919−48

1949−57

1958−68

1969−77 a b c d e

250 Stand der Technik

Heizwärmebedarf [kWh / m2 a]

Stadtraum und Infrastruktur

200

150

a

erste Wärmeschutzverordnung, 1977

b

zweite Wärmeschutzverordnung, 1984

c

dritte Wärmeschutzverordnung, 1995

d

Energiestandard EnEV 2002, EnEV 2007

e

Passivhausstandard

15,7 % 26,8%

28,8 %

100

28,7 %

Industrie Verkehr

50

Haushalte Gewerbe, Handel, Dienstleistungen

0 10

20

30

40

50

60

70 80 90 100 Wohnungsbestand [%]

B 2.3

B 2.2

Energie und Raum

Biogene Energiequellen ermöglichen die Wiedergewinnung lokaler Arbeitsplätze im ländlichen Raum, diversifizieren und stabilisieren ihn, schaffen zusätzliche Einkommensquellen und lassen die vielfältige Schließung von Stoffkreisläufen zu. Die Energieerzeugung reduziert sich nicht mehr auf eine zentralistisch gesteuerte Bedarfsdeckung, sondern erlaubt auf lokalen Begebenheiten basierende, spezifische Lösungen. Die bisher übliche, häufig auf die Agglomerationen reduzierte Betrachtungsweise von ländlichen und urbanen Räumen wird aufgebrochen. Die strukturell und gestalterisch sehr unter-

schiedlichen Räume gewinnen dadurch eine Gleichwertigkeit in der Betrachtung, ohne ihre eigene Identität zu verlieren. Jeder Raum übernimmt für sich eine zentrale Funktion in der Versorgung. Dies bedeutet kein romantisierendes »Zurück zur Natur«. Auch hinterlassene Altlasten und Brachen können neue Qualitäten hervorbringen. So bezeichnen die »Landmarken« zur Stärkung der lokalen Identität über die IBA Emscher Park oder die neu entstehende Seenlandschaft in der Niederlausitz durch die IBA Fürst-Pückler-Land einerseits Folgen des bisherigen Energieumgangs, erzeugen andererseits jedoch Bilder für eine neue Zukunft (siehe Material, S. 167). Sie sind Sinnbild energieeffizienter und nachhaltiger Entwicklung, in der auch die negativen Folgen früheren Handels aufgearbeitet und in einen neuen Mehrwert umgewandelt werden. Dichte und Energie Innerhalb eines Vergleichs des Pro-Kopf-Energieverbrauchs verschiedener Städte zeigt sich eine deutliche Abhängigkeit von Dichte und Energieeffizienz. Dicht besiedelte Städte verfügen über einen bis zu Faktor acht reduzierten Energieverbrauch. Ab 75 Personen pro Hektar schwächt sich die Wirkung von Dichte auf den Energieverbrauch ab. Bei mehr als 150 Personen pro Hektar ist nur noch eine geringe Einsparung möglich (Abb. B 2.5). Neubau und Energie Grundsätzlich ist daher eine verdichtete Bauweise im Neubau zu fördern. Der Energiebedarf eines Gebäudes wächst jedoch mit zunehmender Höhe. Gesteigerte statische Bedarfe verringern den nutzbaren Raum und erhöhen die in den Baustoffen gebundene Energie. Energetische Erschließungshilfen (z. B. Aufzüge) oder notwendige technische Lüftung verbrauchen zusätzlich Raum und Energie. Bestand und Energie Bestehende Gebäude sind die in urbanen Räumen langfristig verfügbare Ressource, in die heute etwa 80 % der Bauinvestitionen fließen. Im Zuge solcher Maßnahmen im Bestand ist es naheliegend, deren Energieverbrauch zu sen-

B 2.4 jährlicher Ölverbrauch pro Einwohner [l]

Forderungen nach großzügigen Freibereichen für Stadtbewohner, Stärkung der Einzelfunktionen und die Erhöhung der Ordnung im System bildeten die Basis städtebaulicher Zielsetzungen (Abb. B 2.4). Aus Teilzentren wurden selbst Städte, die funktional z. B. als Wohnstadt bezeichnet wurden. Die klare Trennung von Nutzungen widerstrebt allerdings dem Strukturverständnis des Systems Stadt an sich. Synergien zwischen den einzelnen Nutzungen können sich nicht mehr bilden, Strukturen müssen doppelt errichtet, Bedarfe doppelt gedeckt werden. Dadurch wird Verkehr erzeugt, Raum, Zeit und Energie verschwendet (Abb. B 2.5). Sekundäre Effekte sind die zunehmende Umweltbelastung in Stadträumen und die reduzierte Lebensqualität für die Bewohner. Die Reduktion von Flächenverbrauch schafft Dichte, ermöglicht eine »Stadt der kurzen Wege« und einen effizienten Energieeinsatz. Sinnvoll dimensionierte Kleinzentren decken den täglichen Bedarf, spezielle bauliche Angebote wie Museen können auch ausgefallene Wünsche bedienen. Die Stadt grenzt sich mit einem solchen Idealbild klar von dem umgebenden Freiraum ab, der für die Versorgung mit Lebensmitteln, Natur und Energie lebensnotwendig ist. Diese Freiraumqualitäten stellen zugleich hohe Nutzungsqualitäten dar. Eine energetisch wie räumlich optimierte Flächengestaltung sorgt für eine durch vielfältige Qualitäten gleichzeitig nachhaltige Entwicklung des Raumes.

80 000 Houston Phoenix Detroit

60 000

Los Angeles San Francisco Washington DC Chicago New York

40 000

Melbourne Adelaide Sydney Toronto

20 000

Zürich Frankfurt London Wien Amsterdam Singapur Paris

Hongkong Moskau

0 0

50

100

150

200

250 300

Bebauungsdichte [Person/ ha] B 2.5

63

Stadtraum und Infrastruktur

historische Bauform

typische Dachform

B 2.6

a

96 %

100 %

b

98 %

133 %

c

100 %

142 %

112 %

200 %

d

klassische Bautypologien nach Klimazonen: a kalt b gemäßigt c trocken-heiß d feucht-warm B 2.7 Transmissionswärmeverluste verschiedener Körper gleichen Volumens B 2.8 schematische Darstellung nachverdichteter Strukturen im Wohnungsbau B 2.9 Ausrichtung des Baukörpers zur passiven Nutzung von Solarenergie, Wohnungsbau, Berlin (D) 1997, Assmann Salomon und Scheidt B 2.10 Ausrichtung des Baukörpers zur aktiven Nutzung von Solarenergie, Wohnungsbau, Dornbirn (A) 1999, Roland Gnaiger, Udo Mössler B 2.11 verdichteter Wohnungsbau, Hamburg (D) 1998, Atelier 5 B 2.12 schematische Darstellung von Nutzungen und Proportionen eines Gebäudes nach Klimazonen

B 2.6

B 2.7

ken. Das Einsparpotenzial reicht bei Wohngebäuden bis zum Faktor zehn (Abb. B 2.2), bei Sondernutzungen wie Schwimmbädern sogar darüber hinaus. Sanierung (Anpassung an den aktuellen technischen Standard) und Modernisierung (Erhöhung des Gebrauchswerts) bedingen sich dabei gegenseitig. Bei energetischen Maßnahmen erfolgt gleichzeitig die Erhöhung des Komforts, die ohne gleichzeitige Erhöhung des energetischen Standards nicht voll wirksam werden kann. Je nach Art der Betrachtung können folgende Arbeitsfelder entstehen:

Ebene. Eine nachhaltige Entwicklung basiert auf einer Verknüpfung unterschiedlicher Bedürfnisse und Interessen, um integrativ übergeordnete Bedarfe zu decken und lokale Qualitäten zu erhalten.

• Modernisierung: Modernisierungen ermöglichen bei nicht zeitgemäßer Raumstruktur eine Anpassung der Gebäude an bestehende Komfortstandards. Sie basieren energetisch auf der Optimierung von Gebäudehülle (siehe S. 82) und Technik (siehe S. 110) • Umnutzung (Konversion): Die bauliche Wiederverwendung von Gebäuden erhält das gewohnte Bild der Stadt und zugleich die in Baustoffen gebundene Energie. Nutzungsbezogen führt sie zu einer besseren Bedarfsdeckung im urbanen Raum und kann zu einer erhöhten Nutzungsdichte beitragen. • Nachverdichtung: Nachverdichtungen erfüllen dieselben Faktoren wie Konversionen und schaffen zusätzlich Wohn- und Arbeitsraum (Abb B 2.1). Sie können auf eine Parzelle bezogen Randflächen schließen, die Parzellentiefe besser ausnutzen oder bestehende Strukturen aufstocken und zum Erhalt der Bevölkerungsdichte bei höherem Wohnbedarf und sinkenden Haushaltsgrößen beitragen (Abb. B 2.8). Nachhaltige Raumentwicklung

Der urbane Raum kann nur aus dem Zusammenspiel von baulicher Nutzung, Freiräumen und der Vernetzung mit benachbarten Räumen funktionieren. Urbane Räume sind heute sehr heterogen – sowohl in der Flächennutzung als auch in der Versorgung. Über die Stärkung von Heterogenität und Individualität erhöht sich die Attraktivität des Raumes auf energetischer, nutzungsbezogener und sozialer

Energetische Integration Den vor allem von der Großindustrie herbeigewünschten »Big Shot« in der Effizienz – im Hinblick auf eine technologiereduzierte Problemlösung in der Energieversorgung, z. B. in der Kraftwerkstechnik die Technologie der CO2Abspaltung – kann und wird es aufgrund der Vielschichtigkeit der auftretenden Probleme nicht geben. Alle bestehenden Strukturen zur Energieversorgung sind auf die Möglichkeit des Umbaus auf erneuerbare Energieträger zu überprüfen. Die Abstimmung dezentraler und zentraler Energieerzeugung zieht zwar einen erhöhten Regelungsbedarf nach sich, führt jedoch in der Vielfalt der Angebote auch zu einer größeren Versorgungssicherheit. Hinzu kommt eine Zusammenführung der heute noch weitgehend voneinander getrennten Verbrauchsentwicklung und Energieerzeugung. Innerhalb der Gebäude ist künftig die passive und aktive Nutzung von Energiequellen aufeinander abzustimmen (Abb. 2.9 und 10). Energieflüsse und Bedarfe können jedoch nicht allein auf einzelne Gebäude beschränkt bleiben. Die Bilanzgrenze muss mittelfristig auf Gebäudeensembles bis hin zu Stadtteilen erweitert werden. Nutzungsintegration Die Versorgung mit Dienstleistungen ist entscheidend für die nachhaltige Entwicklung einer urbanen Struktur. Eine Nutzungsmischung wirkt sich immer positiv auf den Energieverbrauch aus, weil Verkehr vermieden wird. Kann ein Bedarf lokal nicht gedeckt werden (Innenverkehr), bewegt sich der Mensch in einen anderen urbanen Raum, um dort seinen Bedarf zu decken (Außenverkehr). Große Supermärkte verfügen z. B. über Einzugsgebiete bis zu 200 km. Eine Überschreitung von 20 % Außenverkehr führt dazu, dass Energie, Ressourcen oder Wirtschaftskraft aus einem Raum abfließen [1]. Die letztlich durch den Menschen bewertete Attraktivität eines Raumes ist also

für dessen wirtschaftliches Überleben notwendig. »Business Improvement Districts« (BID), die seit 2007 auch im deutschen Baugesetzbuch verankert sind, versuchen z. B. innerstädtische Zonen durch verstärkte Rückkopplung an Bedarfe und Nutzer zu stärken. Auf der anderen Seite geht es auch um die Erhaltung ökologischer Qualitäten wie z. B. der Biodiversität. Miteinander vernetzte, den urbanen Raum gliedernde Freiräume verschmelzen Rückzugsräume für Flora und Fauna mit erhöhtem Erholungs- und Freizeitangebot für den Menschen. Soziale Integration Für die Erhaltung und Steigerung der Attraktivität des urbanen Raumes sind bezüglich der demografischen Entwicklung und der veränderten sozialen Anforderungen bestimmte Reaktionen notwendig, die in neue Ziele für das Bauen münden: • Zugänglichkeit: Barrierefreiheit ermöglicht eine Nutzung ohne fremde Hilfe für alle Menschen. • Identitätsbildung: Stadtraum und Gebäude wirken bei individueller Gestaltung identitätsstiftend. Sie erhalten und stärken lokale Besonderheiten und tragen zur räumlichen Vielfalt bei. Privater, halböffentlicher und öffentlicher Raum ermög-

Aufstockung

Blockstruktur

Erweiterung

Anbau

Innenhofbebauung B 2.8

64

Stadtraum und Infrastruktur

B 2.9

lichen die Identitätsbildung auf unterschiedlichen Ebenen (Abb. B 2.11). • Integration: Der immer stärkeren Segregation innerhalb sozialer Strukturen kann z. B. durch vielfältige, durchmischte, über Nachbarschaftshilfen verknüpfte und wandelfähige Wohntypen entgegengewirkt werden. Treff- und Kommunikationspunkte im Außen- und Innenraum fördern den Austausch. • Mitbestimmung: Attraktivität, Raumvielfalt und vor allem Identifikation basieren auf der Möglichkeit der Einflussnahme der Beteiligten. Planungsprozesse sind entsprechend offen zu gestalten (siehe Strategien, S. 188). Aus der Definition der Nachhaltigkeit nach Gro Halem Brundtland wird deutlich, dass Hinterlassenschaften für kommende Generationen nicht nur Werte bedeuten, sondern auch Probleme mit sich bringen können [2]. Gebäude sind Objekte, die Generationen überdauern, und sollten deshalb einen langfristigen Nutzwert bieten. Anpassungsfähigkeit an sich verändernde Bedürfnisse und vorgeplante Wandelbarkeit von Gebäuden müssen als potenzieller Mehrwert entsprechend berücksichtigt werden, was nicht allein für Funktion und Nutzung, sondern ganz besonders auch für Technik und Energieversorgung gilt.

Platzierung von Nebenflächen

B 2.10

Standortgerechte Planung Das am Standort vorherrschende Klima bestimmt das verfügbare Energieangebot und damit auch die gestalterischen Entwicklungsmöglichkeiten (siehe Grundlagen, Abb. B 1.43). Energien können auf verschiedene Weise für das Gebäude bereitgestellt werden. Die Gebäudehülle dient dazu, vor den negativen Auswirkungen des Klimas zu schützen und ggf. Energien für das Gebäude aus der Umwelt zu gewinnen (siehe Gebäudehülle, S. 85). Makroklima

Das Makroklima schafft je nach Klimazone unterschiedliche Voraussetzungen für das menschliche Wohlbefinden. Die einwirkenden Klimafaktoren haben über die Entwicklung des Bauens zu typischen Bauformen in den einzelnen Klimaregionen geführt (Abb B. 2.6): • Polarzone (kalt): Traditionelle Bauformen in den kalten Klimazonen nutzen häufig die Dämmwirkung von Holz. Die Dächer sind in der Regel flach geneigt, nutzen im Winter den Schnee als zusätzliche Dämmschicht und bieten gleichzeitig Schutz gegen kalte Winde. Besonders in kalten und gemäßigten Zonen herrschen kompakte Bauweisen vor, bei denen die Außenfläche im Verhältnis zum Volumen mög-

Platzierung von Bereichen mit solaren Gewinnen

optimales Seitenverhältnis Länge: Breite

Platzierung massiver Gebäudeteile

B 2.11

lichst gering ist (A / V-Verhältnis, Abb. B 2.7). • gemäßigte Zone (gemäßigt): In gemäßigten Klimata sind Transmissionswärmeverluste und Zugerscheinungen besonders zu beachten. Unerwünschte thermische Effekte werden durch dichte und gut gedämmte Wände reduziert, unterstützt durch Speichermassen. Das Dach besitzt ein mittleres Gefälle, das Niederschlag gut abführt und gleichzeitig einen geringen Windwiderstand bietet. Je größer die Energieverluste durch die thermische Hülle sind, desto relevanter wird die Kompaktheit. • Subtropen (trocken-heiß): Die hohen Temperaturschwankungen über Tag und Nacht werden durch schwere Gebäude mit hohen Speichermassen kompensiert, z. B. aus Stein oder Lehm. Eine typischerweise dicht-urbane Bauweise ermöglicht gegenseitige Verschattung und reduziert die solare Aufheizung. Die flachen Dächer sammeln den geringen Niederschlag; überschüssiges Wasser trägt über Verdunstung zur Kühlung bei. Kleine Fenster lassen wenig Solarstrahlung in das Gebäude eindringen. Die Haupträume liegen zumeist ebenerdig auf der kühlen Bodenplatte. • Tropen (feucht-warm): Das immerfeuchte Klima mit geringen Temperaturschwankungen über den Tagesverlauf macht gebäudeintegrierte Speichermassen

Verwendung von Atrien a als Solarfalle b zur Belüftung und Kühlung

kalt

1: 1

a

gemäßigt

1: 1,6

a

trocken

1: 2

b

tropisch

1: 3

energetischer Gebrauchswert für Atrien

a

b

b B 2.12

65

Stadtraum und Infrastruktur

Tag

Gegenströmung

Seewind kühlere Seeoder Meeresluft

wärmere Landluft

Sonnenaufgang (Bergwind und Hangaufwind)

Sonnenuntergang (Talwind und Hangabwind)

Mittag (Hangaufwind und Talwind)

Mitte der Nacht (Hangabwind und Bergwind)

später Nachmittag (Talwind)

früher Morgen, vor Sonnenaufgang (Talwind)

Front des Seewindes

Nacht Gegenströmung

wärmere Seeoder Meeresluft

kühlere Landluft Landwind

B 2.13

B 2.14

B 2.15

weitgehend unwirksam. Daher sind die herkömmlichen Bauweisen in den Tropen zumeist aufgeständerte Leichtbauten aus Holz. Sie schützen einerseits vor eindringender Feuchtigkeit, andererseits ermöglichen sie kühlende Effekte durch einen hohen Luftaustausch. Die Dachformen sind als Regenwie als Sonnenschutz ausladend und steil. Geschlossene Wände würden die kühlende Luftzirkulation behindern und werden deshalb häufig durch luftdurchlässige Öffnungen oder Flechtwerke ersetzt.

tions- und Speicherfähigkeit der Oberfläche, die sich besonders beim großräumigen »Seeklima« an Meeresufern oder an großen Seen bemerkbar machen. Wasser weist ein sehr geringes Albedo (Reflexionsanteil der Globalstrahlung) von ca. 5 % auf, absorbiert also nahezu die gesamte auftreffende Energie (Abb. B 2.18). Aufgrund seiner hohen Speichermasse und entstehender Verdunstungskühle erwärmt sich Wasser über den Tag nur gering. Landmassen heizen sich deutlich schneller auf und erzeugen so durch die über dem Land als Thermik aufsteigende Luft einen Unterdruck; die über dem Meer abgekühlte Luft strömt landeinwärts. Nachts sinkt die Temperatur auf dem Land deutlich, nicht jedoch über dem Meer – der Prozess kehrt sich um (Abb. B 2.14). Ähnliche Effekte lassen sich auf Landmassen bei unterschiedlichen Oberflächen nachweisen, allerdings weniger signifikant. Die erhöhte Rauigkeit der Oberflächen führt in Bodennähe zu geringeren Windgeschwindigkeiten und erhöhten Windverwirbelungen (Abb. B 2.19). Aufgrund der Topografie entstehen über die verstärkte Besonnung und Beschattung einzelner Oberflächen z. B. Hang- und Talwinde (Abb. B 2.15). Zusammen bilden diese Faktoren die zentralen Bestandteile des lokalen Windsystems.

bebauter Räume besitzt aufgrund der hohen Rauigkeit geringere Windgeschwindigkeiten; die Nutzung und die vorhandenen Oberflächen erhöhen den Staubanteil, der vermehrt Luftfeuchte an sich bindet. Dadurch fällt in urbanen Räumen mehr Niederschlag als im Umland, besonders in der Abwindfahne der Städte. Die Erhöhung des Niederschlags beträgt für mitteleuropäische Städte ca. 10 %. Zusätzlich steigt das Risiko sommerlicher Gewitter. Aufgrund der erhöhten, verfügbaren adiabaten Kühlleistung müssten urbane Räume theoretisch kühler sein als das Umland. Faktisch haben Städte im Vergleich zum Umland aber messbar erhöhte Temperaturen. Diese entstehen zum einem durch im Verhältnis zum Umland höhere Absorptionsgrade städtischer Oberflächen und zum anderen dadurch, dass der Niederschlag, bevor er lokal verdunsten kann, über die Kanalisation aus dem Stadtraum abgeführt wird. Weil damit die Anreicherung von Grundwasser verringert wird, verfügen städtische Räume meist über abgesenkte Grundwasserspiegel. Für urbane Räume sind deshalb besonders die ungehinderte Frischluftzufuhr und die Bewahrung des Niederschlagswassers im Stadtsystem bedeutsam.

Auch wenn traditionelle Bautypologien oft nicht mehr in der Lage sind, heutige Anforderungen zu erfüllen, liefern sie doch wertvolle gestalterische Anregungen und Lösungsansätze. So lassen sich für zeitgemäße Bauten typische Positionen für Erschließung, solar aktivierte Flächen, Orientierung, Speichermassen oder Atrien herleiten (Abb. B 2.12). Mesoklima

Unterschiedlich starke solare Besonnung sorgt für lokale Temperaturunterschiede der Erdoberfläche und der erdnahen Luftschichten. Druckdifferenzen infolge von Temperaturunterschieden erzeugen Hoch- und Tiefdruckgebiete, die sich untereinander ausgleichen, indem Luft vom Hochdruck zum Tiefdruck strömt. Es entstehen Seewinde, topografisch bedingte Strömungen oder lokale Thermik. Bestimmende Faktoren sind die solare Absorp-

Stadtklima

Für die meisten Baumaßnahmen ist das Stadtklima relevant (Abb. B 2.17). Die Atmosphäre

Frischluftzufuhr Die aus dem Umland in den Stadtraum bodennah zufließende kühlere Luft benötigt definierte Fließräume, die über eine geringe Rauigkeit der Oberflächen verfügen. Solche »Frischluft-

Stadtkern Stadt

Taunus

Wald B 2.13 B 2.14 B 2.15 B 2.16

Central Park, New York (USA) Seewinde über den Tagesverlauf Hang- und Talwinde über den Tagesverlauf schematische Darstellung städtischer Systeme zur Frischluftzuführung, Beispiel Wiesbaden B 2.17 Aufbau der Stadtatmosphäre sowie grundsätzliche Abhängigkeiten innerhalb des Systems B 2.18 Albedo verschiedener Oberflächen B 2.19 Windgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der Rauigkeit α und der Höhe über Grund B 2.20 schematische Darstellung der Niederschlagsführung im Stadtteil Kronsberg, Hannover (D) B 2.21 Wasserflächen als Teil der Wasserversorgung und der adiabaten Freiraumkühlung, Autobahnraststätte bei Abbeville (F) 1998, Bruno Mader

radiale Grünerschließung z.B. Hamburg

Wiesbaden

konzentrische Grünerschließung (Green Belt) z.B. London B 2.16

66

Landklima

Stadtklima

Landklima

Hauptwindrichtung Staub

erhöhter Niederschlag

Albedo [%]

Stadtraum und Infrastruktur

100 90 80 70

Aufheizung

60 50

Verdunstung Frischluft

frischer Schnee

alter Schnee

Frischluft

trockener Sand

40 30 20

Grundwasserstand

10

weißer Anstrich

Wände

Eis

roter, brauner, grüner Anstrich

Wüste Dächer Wiesen Straßen

Stadt Wald

Wasser

0

B 2.17

100%

400

100 % 93%

100 % 93%

90%

80%

• Wasserrückhaltung: Rückhaltung von Wasser kann technisch oder naturnah, zentral in Rückhaltebecken oder dezentral in Zisternen erfolgen. Letzteres ermöglicht durch Regenwassernutzung gleichzeitig eine Reduktion des Trinkwasserverbrauchs. Eine Pufferung der Wassermassen auf Gründächern oder in Oberflächengewässern verbessert das Mikroklima, vermeidet Temperaturspitzen und reduziert den Staubanteil in der Luft. An Flüssen bieten großdimensionierte Flutmulden die Möglichkeit, die Speicherkapazität des Oberflächengewässer zu erhöhen, Hochwasserspitzen 4

100 %

93%

82%

72%

100

92%

85%

72%

59%

86% 82%

76% 58%

62% 40%

49% 23%

3b

4

1

1

300

200

4

• Entsiegelung: Möglichst viele städtische Oberflächen sollten wasserdurchlässig sein. Dabei ist eine eventuelle Gefährdung der Grundwasserqualität durch mitgeführte Schadstoffe (Öle etc.) zu berücksichtigen. Der Grad der Durchlässigkeit wird über so genannte Abflussbeiwerte definiert (Abb. B 2.22). • Sickerflächen: Niederschlag, der nicht direkt über die Oberflächen in den Wasserkreislauf zurückgeführt werden kann, sollte versickert werden. Die Art der Sickerfläche ist abhängig vom jeweiligen Boden. Die Versickerung kann etwa über Mulden erfolgen, deren Größe überschlägig 10 bis 20 % der zu entwässernden Fläche betragen sollte. Häufig werden zusätzlich hohlraumdurchzogene Rigolen aus Kies oder Schotter eingesetzt. Sie verringern den Flächenbedarf, erhöhen das kurzzeitige Speichervolumen und ermöglichen eine konstante Versickerungsleistung (Abb. B 2.24 und 25). • Verdunstung: Oberflächengewässer und Vegetation tragen in Stadträumen über ihre Verdunstungsleistung zur Verringerung der Abwassermengen und zu einer Temperaturabsenkung bei. Sie dienen zugleich der Landschaftsgestaltung und erhöhen damit die Aufenthaltsqualität deutlich.

5

1

2

3a

3a

B 2.18

abzupuffern und zur Verbesserung der Böden beizutragen.

Erschließungsstr.

500

Wasserkreislauf Bei starkem Niederschlag können Oberflächengewässer und Kanalisation den auftretenden Wasserstrom – besonders von versiegelten Flächen – nur bedingt aufnehmen. Dann werden größere Rohrquerschnitte und der Bau von aufwendigen Regenwasserrückhaltebecken meist als zwingend erforderlich erachtet. Durch eine veränderte Gestaltung von Freiflächen und Gebäuden lassen sich jedoch solche kostenintensiven technischen Anlagen weitgehend vermeiden (Abb. B 2.20 und 21). Hierzu gehören alle Maßnahmen, die den Wasserkreislauf des lokal gefallenen Niederschlags so wenig wie möglich unterbrechen, seinen Abfluss verzögern, Wasser als Potenzial vor Ort erhalten und über erhöhte Verdunstung das Mikroklima in der Stadt positiv beeinflussen (Abb B 2.17):

Erschließungsstr.

Höhe über Grund [m]

schneisen« können z. B. Fluss- oder Bachläufe, Niederungen, Verkehrswege oder offene Freiräume sein. Die Bebauung und die Freiraumgestaltung definieren dabei das System der Stadtdurchlüftung. Als besonders nützlich haben sich um den Stadtkern gelegte Grüngürtel (z. B. in London) oder auf den Stadtkern zulaufende Freiraumradialen (z. B. in Hamburg) erwiesen (Abb B 2.16). Eine zum Stadtkern hin zunehmende Verdichtung unterstützt durch erhöhten Auftrieb das lokale Windsystem. In einzelnen Städten treten verstärkt Inversionswetterlagen auf, d. h. eine kältere Luftschicht legt sich über die aufgeheizte Stadtatmosphäre und lässt kaum Luftaustausch mit dem Umland zu. Dem kann durch unterschiedlich starke Absorptionsgrade von Flächen und somit durch die bewusste Erzeugung von thermischen Luftbewegungen entgegengewirkt werden. Innerhalb des urbanen Systems bewirken auch große Parkflächen im Stadtgebiet einen positiven durchlüftenden Effekt (z. B. der Central Park in New York, Abb. B 2.13), der durch ein Netz von Grünverbindungen noch unterstützt werden kann. Die frische Zuluft aus Umland oder aus Parks verfügt über einen erhöhten Anteil biogener Schwebstoffe wie Blütenpollen. Bei der Verknüpfung von Individualverkehr und Frischluftzuführung entsteht durch Verkehrsabgase wie Stick- oder Schwefeloxide eine Feinstaubproblematik, indem Abgase sich an den Pollen anlagern und diese in Allergene umwandeln.

3a

3a

3a

0 offene See α= 0,1

freies Gelände α=0,16

Wälder/ Vororte α =0,22

Stadtzentren α =0,35

B 2.19

1 Ableitung und Retention in den Hangalleen 2 Speicherung 3a Versickerung 3b Retentionsflächen Hangfuß 4 Drosselabflussnetz

B 2.20

B 2.21

67

Stadtraum und Infrastruktur

Oberfläche

Abflussbeiwert [-]

Dächer, Neigung ≥ 15 °

1,0 1

Beton- und Asphaltflächen Pflasterflächen Kiesdächer, Höfe, Promenaden Betonpflaster, versickerungsfähige Fugen Granitpflaster, versickerungsfähige Fugen Dachgärten Spiel- und Sportplätze Rasenfugenpflaster, Splittfugen Vorgärten Schrebergärten Parks und Anlagen an Gewässern

0,9 0,75 0,5 0,40 2 0,33 2 0,3 0,25 0,22 2 0,15 0,05 0

1 2

Entnahme Filterkies Dränrohr Filtersandsubstrat ggf. Geotextil nichtbindiges Verfüllmaterial

Verfüllmaterial Brauchwasserspeicher

entspricht 100 % Wasserabfluss nach Forschungsergebnissen B 2.22

Mikroklima

Innerhalb einer kleinräumigen, mikroklimatischen Betrachtung ist besonders der lokalspezifische Schutz vor unerwünschten Klimawirkungen auf Gebäude von Bedeutung, aber auch die Zugänglich- und Erschließbarkeit von Umweltenergien. Solare Exponiertheit Eine hohe Globalstrahlung und eine lange Sonnenscheindauer deuten auf ein technisch gut erschließbares Potenzial zur Energiegewinnung, aber auch auf die Möglichkeit der Überhitzung von Gebäuden hin. Die Leistung der Solarstrahlung auf horizontale Flächen liegt in Deutschland im Mittel bei ca. 1000 W/m2. Der Anteil der besonders gut nutzbaren direkten Strahlung an der Globalstrahlung liegt in mitteleuropäischen Breiten bei etwa 50 %, in Skandinavien bei ca. 20 %. Den Klimazonen entsprechend können diese Werte stark differieren (siehe Grundlagen, S. 54). Je nach Standort des Gebäudes im topografischen Umfeld, Vegetation und Nachbargebäuden verändern sich die mikroklimatischen Voraussetzungen für das Bauen (Abb B 2.27). Die Fremd- und Eigenverschattung von Flächen

B 2.24

B 2.23

lässt sich durch Sonnenstandsmodelle nachvollziehen. Damit können die Effizienz aktiver wie passiver Sonnenenergienutzung ermittelt, die Besonnung von Räumen und Freiflächen geprüft und notwendige Verschattungsmaßnahmen eingeleitet werden. Über die Oberflächengestaltung im unmittelbaren Umfeld des Gebäudes lässt sich die Strahlung am Gebäude verstärken, denn hohe Anteile reflektierender Oberflächen tragen dazu bei, Strahlung und Tageslicht in das Gebäude zu lenken. Geeignete Mittel sind helle Bodenbeläge oder Wasserflächen, die eine einfallswinkelabhängige Reflexion besitzen. Je flacher die einfallende Strahlung, desto höher ist die Reflexion. Wasser als »Mikroklimaregler« Wasser speichert den nicht reflektierten Anteil der solaren Strahlung. Als Bestandteil der Frischluftzuführung regulieren so z. B. vorgelagerte Teiche die Temperaturspitzen der Zuluft und können zu einem reduzierten Energiebedarf des Gebäudes beitragen (Abb. B 2.23). Generell wirkt sich Wasserrückhaltung und - versickerung durch erhöhte adiabate Kühlleistung und Speicherfähigkeit mikroklimatisch

Flächenversickerung

Muldenversickerung

offene Rigolenversickerung

Mulden-Rigolenversickerung

positiv aus. So entstehen z. B. über Gründächern im Sommer Temperaturen von ca. 35 °C, über Kiesdächern jedoch bis zu 70 °C. Erdreich Das Erdreich absorbiert oberflächennah die einfallende Solarstrahlung. Masse und Wassergehalt machen es zu einem effizienten Speicher. Bei mit zunehmender Tiefe gleichmäßigen Temperaturen über das Jahr ermöglicht das Erdreich ähnlich wie Grundwasser einen konstanten Betrieb von Wärmepumpen bei guter Effizienz, soweit unverschattete Oberflächen verfügbar sind. Windexponiertheit Besonders windexponierte Gebäude haben über ihre Gebäudehülle einen erhöhten Energieverlust. Typische Windrichtungen und - geschwindigkeiten können in einer Windanalyse ermittelt werden. Die auftretenden Windeffekte lassen sich auch durch Strömungssimulationen oder Windkanaltests eruieren. Zur Verringerung der Windgeschwindigkeiten am Gebäude können Bäume, Hecken oder Wälle beitragen, die in gewisser Entfernung gegen die vorherrschende Windrichtung stehen (Abb. B 2.28). Eine direkte Fassadenbegrünung bewirkt hingegen nur eine geringe Einsparung von ca. 0,5 % des Heizenergiebedarfs. Sie senkt jedoch durch erhöhte adiabate Kühlleistung die Umgebungstemperatur am Gebäude, sodass dadurch in Bezug auf die sommerliche Überhitzungsgefahr die Behaglichkeit steigt. Über die Druckdifferenz an Fassaden ermöglicht Wind eine natürliche Gebäudelüftung. Zusätzlich ergeben sich verschiedene konstruktive und technische Nutzungsmöglichkeiten für Wind, z. B. Nachtluftspülung (siehe Gebäudehülle, S. 101). Baukörpergestaltung

punktuelle Rigolenversickerung

Auch über die Baukörpergestaltung können Energieverluste minimiert und Energiegewinne maximiert werden. Art und Maß der Nutzung definieren den entsprechenden Bedarf. So lassen sich z. B. für den Wohnungsbau die Räume und Nutzungen entsprechend der erwünschten solaren Einstrahlung und ihrem Lichtbedarf nach Himmelsrichtungen optimiert anordnen

Mulden-Rigolenversickerung

B 2.25

68

Stadtraum und Infrastruktur

B 2.22 Abflussbeiwerte nach DIN 1986 B 2.23 Wasser als Reflexionsfläche, Büro- und Werkstattgebäude, Weidling (A) 2002, Architekturbüro Reinberg B 2.24 typischer Regenwasserspeicher mit nachgeschalteter Versickerung an einem Wohnhaus B 2.25 schematische Darstellung verschiedener Versickerungsarten B 2.26 Prinzipien thermischer Baukörperzonierung: a konzentrische Anordnung b lineare Anordnung c geschossweise Staffelung B 2.27 Wirkungen unterschiedlicher topografischer Lagen auf mögliche solare Energiegewinne und -verluste infolge von Wind B 2.28 mikroklimatisch wirksame Elemente und ihre Wirkung auf den Baukörper B 2.29 bevorzugte Nutzungsanordnung im Wohnungsbau

Süd

a

• konzentrische Zonierung: Die konzentrische Zonierung ermöglicht hohe Gebäudetiefen und integriert die klimatisch zu schützenden, thermisch stabil zu haltenden Nutzungen in den Gebäudekern. • lineare Zonierung: Eine lineare Zonierung basiert auf der Orientierung zur Sonne. Die Räume mit dem größten Licht- und Wärmebedarf sind nach Süden, Osten oder Westen ausgerichtet, die geringer oder nicht dauerhaft zu beheizenden nach Norden. • geschossweise Zonierung: Die geschossweise Zonierung legt die Räume mit hohen thermischen Anforderungen typischerweise in den Kern eines Geschossstapels. Speichermassenpositionierung Die Vorteile einer klimatischen Zonierung können durch eine gezielte Anordnung der Speichermassen weiter verbessert werden (Abb. B 2.36). Besteht bei einem Gebäude aufgrund von wechselnden externen Lasten Überhitzungsgefahr, kann die Positionierung und Aktivierung von Speichermassen (z. B. solar beschienene Böden) Temperaturspitzen wirksam abpuffern. Ist ein Gebäude besonders durch interne Lasten bestimmt (z. B. Bürobauten), kann Speichermasse über Konvektion auch sekundär aktiviert werden.

b

Süd / West

Nord / Ost

c B 2.26

Windrichtung N

(Abb. B 2.29) und sinnvolle Fensterflächenanteile festlegen (siehe Gebäudehülle S. 90). Mikroklimatische Faktoren können in Verbindung mit Nutzungsanforderungen den Baukörper auf vielfältige Weise strukturieren. Grundrisszonierung Nutzungszonen können sich z. B. nach Temperaturanforderungen, dem Tageslichtbedarf oder nach bevorzugten Zeiten des Aufenthalts von Nutzern richten. Energetisch wirksam ist vor allem die thermische Zonierung: Hauptnutzungen werden durch vorgelagerte Pufferräume oder Nebennutzflächen thermisch geschützt (Abb. B 2.12). Bei Gebäudetypen mit einem hohen Wärmebedarf (z. B. Wohnungsbauten) gibt es drei prinzipielle Zonierungsmöglichkeiten (Abb. B 2.26).

Nord

freie Lage (Referenz)

geschützte Lage

Mulde, Kaltluftsee

Südhanglage

Kuppenlage

+2 °C

-1 °C

Differenz der Umgebungs- ± 0°C temperatur ±0% Wärmeverluste

k.A.

-3 °C

k.A

+25 %

±0%

-50%

Wärmeverluste durch Wind

k.A

- 17 %

+10 %

+100 %

+100 % B 2.27

Sonneneinstrahlung

geringe Aufheizung

Verringerung der Windgeschwindigkeit Verdunstung

Verdunstung Verdunstung Reflexion

Grundwasserspiegel

Fassadenbegrünung

Wasserversickerung B 2.28

Haushaltsräume Vorratsräume

Eingang / Treppenhaus

Abstellräume Garderobe

Waschküche Norden

Bad und WC Schlafzimmer

Wohnterrasse Arbeitszimmer Gästezimmer Wohnzimmer Garten

Kinderzimmer Sommer

Balkon

Winter Esszimmer

Sonnenschutz Wäschetrockenraum B 2.29

69

Spitzenlast

80 Mittellast Pumpstrom

[m/s] Grad

100

300 260

[kW]

Anteil [%]

Stadtraum und Infrastruktur

500 450

Steinkohle

Windrichtung

16 15 12 10

Windgeschwindigkeit

60 Erdgas

Gas 40

Strom

Braunkohle

Wasser

Grundlast

20

Abwasser Straßen 0

2 4 6 8 10 12 Investitionskosten in 2004 [Mrd. Euro]

Kernenergie Wasserkraft

0 6

12

18

B 2.30

Die genaue Betrachtung äußerer Einflussgrößen und innerer Anforderungen hilft bekannte Gebäudetypologien kritisch zu prüfen und neue zu entwickeln. Dabei lassen sich die grundlegenden energetischen und nutzungsbezogenen Erwägungen sinnfällig zusammenführen (Abb. B 2.33).

Infrastruktur und technische Erschließung Gebäude stehen nicht isoliert; sie sind während des Betriebs eingebunden in Netze von übergeordneten technischen Infrastrukturen. Neben Energie verbrauchen sie Trinkwasser, erzeugen Abwasser sowie Müll und benötigen eine Verkehrsanbindung. Der Flächenanteil der technischen Infrastruktur an der gesamten bebauten Fläche in Deutschland beträgt zwischen 40 und 45 %, wobei der Hauptteil durch die Verkehrserschließung belegt wird. Für ihre Instandhaltung und Verbesserung werden jährlich 10 bis 15 % des Bruttoinlandprodukts investiert (Abb. 2.30). typologischer Vergleich

Reihenhaus

Einzelleistungen von 16 Anlagen 10

24 Uhrzeit B 2.31

Mit dem Bestreben nach effizienter Energieund Ressourcenversorgung verändern sich auch die Rahmenbedingungen für die Infrastruktur – auf der nutzenden wie auf der versorgenden Seite. Dies gilt nicht allein für steigende, sondern in gleichem Umfang auch für verringerte Anforderungen, denn Teilauslastung von Infrastruktur kann zu einer geringeren Effizienz im System führen und »überdehnte Infrastrukturen« entstehen lassen. Der Rat für nachhaltige Entwicklung in Deutschland kommt daher zu der Feststellung: »Erforderlich ist in Zukunft ein integriertes Management der technischen Infrastruktur inklusive der Bestandssicherung, der Investitionen und des Rückbaus sowie der sozialen Infrastruktur von der öffentlichen Verkehrserschließung über die (...) Grundversorgung und der Pflege und Erhaltung der natürlichen Ressourcen.« [3] Dabei zeigt sich insbesondere die Wechselbeziehung zwischen urbanen und ländlichen Räumen. Einerseits ist die Erschließung ländlicher Räume durch Infrastrukturen kostenintensiv.

Einfamilienhaus

Summenleistung der 16 Anlagen

40 35 30 25 20 15 10 5

Mehrfamilienhaus

20

30

40

50

60 Zeit [s] B 2.32

Andererseits könnten sie mit zunehmendem Einsatz regenerativer Energiequellen einen Teil ihrer Versorgungsfunktion zurückgewinnen. Netzwerke Auch wenn Gebäude in Zukunft weit weniger Ressourcen verbrauchen sollten, werden sie weiterhin in der Regel abhängig von externen Energie- und Ressourcenzuflüssen bleiben. Die dafür notwendigen technischen Netze wurden bisher weitgehend als gerichtete, rein versorgende Strukturen errichtet (Abb. B 2.31). Mit zunehmender Dezentralisierung kann die Infrastruktur nicht mehr als eine gerichtete, baumartig verzweigte Verteilstruktur angesehen werden (Abb. B 2.40). Erst im Zusammenspiel von Angebot und Bedarf – als ungerichteter Fluss – kommt der technischen Infrastruktur wirklich die Eigenschaft eines Netzwerks zu. Energie und Ressourcen fließen von einem Hoch zu einer Senke. Versorgungssicherheit Erneuerbare Energiequellen wie Wind und Hochhaus

Terrassenhaus

Ausrichtung: Nord-Süd Gebäudevolumen: 4320 m3 Fensterflächenanteile: Nord 20 % Ost 30 % West 30 % Süd 50 %

A / V-Verhältnis

[1/ m]

0,78

0,65

0,43

0,49

0,78

Hüllfläche gesamt Fläche gegen Außenluft Fläche gegen Erdreich solar nutzbare Dachfläche

[m2] [m2] [m2] [m2]

3384 2664 720 720

2808 2088 720 720

1848 1608 240 240

2104 2024 80 80

3384 2124 1260 720

Verhältnis Außenluft zu Erdreich

[-]

3,7 : 1

2,9 : 1

6,7 : 1

26,3 : 1

1,7 : 1

Fensterflächenanteil

[%]

23

21

27

30

20

thermische Verluste der Hülle spezifischer Heizwärmebedarf qh Primärenergiebedarf gesamt QP

[H t '] [kWh / m2 a] [kWh / a]

0,46 60 136 000

0,56 48 113 000

0,63 56 126 000

0,45 66 146 000

Beleuchtung thermisch nutzbare Freiflächen spezifische energetische Aspekte

0,49 72 (100 %) 168 000 (100 %)

(83 %) (81 %)

(66 %) (67 %)

+ o o + o o hohes A /V-Verhältnis geringes A / V-Verhältnis geringstes A / Vhoher Flächenverbrauch bei gleichbleibender Verhältnis Solarnutzfläche

(77 %) (75 %)

(9 %) (87 %)

+ – o o hoher Flächenbedarf für viel erdberührte Fläche, die Gebäudetechnik, anfallendes Drainageerhöhte Luftgeschwindig- wasser keit an der Fassade B 2.33

70

Stadtraum und Infrastruktur

Transportverluste B 2.30 B 2.31 B 2.32 B 2.33 B 2.34 B 2.35 B 2.36

B 2.37

Investitionskosten für Infrastrukturnetze in Deutschland im Jahr 2004 exemplarische Lastverteilung im deutschen Stromnetz über den Tagesverlauf Einzelleistung von Windkraftanlagen sowie ihre Summenleistung als Teilkraftwerk Bautypologien und ihre energetischen Eigenschaften im Vergleich Transportverluste innerhalb verschiedener Energienetzwerke mögliches Zusammenspiel erneuerbarer Energiequellen in einem zukünftigen Stromnetz Position und Wirkung von Speichermassen im Raum a externe Lasten b interne Lasten Energiesilo, Creuzburg (D) 2004, Planfabrik SPS, Hartmut Sommer

10 km

100 km 1000 km

Energieform Strom 380 KV 800 KV

0,15 % 0,05 %

1,5 % 0,5 %

15 % 1,5 %

Wärme 1 130 °C 70 °C

~3 % ~1,5 %

~13 % ~6,5 %

– –

0,08 % k. A.

0,8 % k. A.

8% k. A.

Wind Wasser Biomasse Erdwärme Sonne

Energieträger Holz, Öl 2 Gas 1

Wärmetransport ist stark abhängig von der Fließgeschwindigkeit; Fernwärmenetze haben Verluste bis zu 40 %. 2 ausgehend von Transport per LKW B 2.34

Sonne sind in ihrem Aufkommen nur bedingt vorhersehbar. Sie reduzieren im Stromnetz den Bedarf an fossiler Energie, ohne jedoch selbst die volle Versorgungssicherheit gewährleisten zu können. Aus diesem Grund müssen weitere Teilversorger des Stromnetzes zur Versorgungssicherheit beitragen und die Energieeinspeisung oder die Verbräuche kalkulierbar werden. Bei der Windkraft wurden Prognosemodelle für die Einspeisung entwickelt, deren Vorhersagen 24 Stunden im Voraus eine Abweichung von nur 8 bis 10 % aufweisen. Damit lässt sich der Energieertrag besser einschätzen und die zusätzlich benötigte Regelleistung reduzieren (Abb. 2.32). Die nicht regelbare Versorgung kann durch speicherfähige Energieträger (z. B. Biogas, biogene Brennstoffe oder Energiespeicher) ausgeglichen werden (Abb. B 2.37). Die Möglichkeit der bedarfsgerechten Abrufbarkeit, des Ausgleichens von Über- und Unterkapazitäten wird über die Erhöhung der Speicherkapazität zu einer zentralen Aufgabe für eine zukunftssichere Energieversorgung. Viele Nutzungen in Gebäuden, insbesondere die Wärmeversorgung (z. B. zur Warmwasserbereitung) und große elektrische Verbraucher (z. B. Tiefkühltruhen), könnten selbst als eine Art Speicher fungieren, da sich ihre Leistungsaufnahme zeitlich stark verlagern lässt. Sie könnten zu Spitzenzeiten abgeschaltet und bei verfügbaren Überkapazitäten wieder in Betrieb genommen werden. Dazu bedarf es jedoch künftig einer Kopplung und Regelung von Verbrauch und Energieerzeugung. Energieinfrastruktur Regional wie international gibt es unterschiedliche Angebote von Energieträgern und Energieformen. Das daraus resultierende, differenzierte Energieangebot ermöglicht in Zukunft eine stärkere Vernetzung der einzelnen Energieteilsysteme (Abb. B 2.35). Energieverlagerung und -verteilung erzeugt Verluste, die sich über den Primärenergiefaktor quantifizieren lassen (siehe Technik, S. 114). Dieser beschreibt als gebündelter Wert den Teil der Energieverluste, die außerhalb des Gebäudes in der gesamten »Vorkette« entstehen (Abb. B 2.34). Netze mit hohen Verlusten

B 2.35

eignen sich daher nur für kleinräumige Lösungen (z. B. Wärmenetze), wohingegen Netze mit geringen Verlusten auch eine flächendeckende Versorgung ermöglichen (z. B. Stromnetz). Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Netzen von Energieträgern (z. B. Gas) und Netzen von Energieformen (Strom, Wärme).

Sonneneinstrahlung

Netze von Energieträgern

Netze von Energieträgern weisen geringe energetische Verluste auf. Die reine Verfügbarmachung, z. B. von Erdöl, bedarf etwa 10 % ihres Brennwerts, wobei die Hauptverluste beim Transport entstehen. Bei der festen Biomasse liegen diese aufgrund der Vielzahl der notwendigen Aufbereitungsprozesse bei etwa 20 %, denn Holz muss z. B. zu Hackschnitzel oder Holzpellets verarbeitet, getrocknet und zum Verbraucher transportiert werden. Gasnetz Das einzige, in Mitteleuropa nahezu flächendeckende Energieträgernetz ist das Gasnetz. 2004 wurden 47,2 % aller deutschen Haushalte mit Gas beheizt. 42 Untertage-Gasspeicher, die entweder auf unterirdischen Hohlräumen (Kavernen) oder porösen aber gasdicht umschlossenen Gesteinsschichten basieren, ermöglichen eine Speicherkapazität von maximal 75 Tagen für das Gesamtsystem. Bisher deckt die EU ca. 60 % des Erdgasbedarfs aus eigenen Quellen; 40 % werden importiert. Der Eigenanteil wird jedoch nach Schätzungen bis 2020 auf 25 % sinken. Daher sind große Investitionen in die übergeordnete Gasinfrastruktur geplant. Das Gasnetz kann mittelfristig zur regenerativen Energieversorgung beitragen. Da sich Erd-, Gruben-, Holz- oder Biogas in ihrem chemischen Hauptbestandteil Methan (CH4) entsprechen, kann ähnlich wie beim Stromnetz ein Verbund verschiedener Einspeiser entstehen. Je nach Quelle unterscheiden sich die weiteren Bestandteile des Gases – insbesondere in Bezug auf Feuchtesättigung und Schwefelwasserstoffanteil (H2S). Da beide zur Korrosion der Leitungen führen, muss das »Rohgas« vor der Einspeisung in »Produktgas« umgewandelt werden. Erste Versuchsanlagen zur Einspeisung von Bio- und Holzgas sind in Betrieb. Als

a

b B 2.36

B 2.37

71

Gestehungskosten [ct / kWh]

Stadtraum und Infrastruktur

16 100 %

12 8

27 % Strom

26% 49% 75 %

4 0

55 % Fernwärme

a

-4 -8 34% 53%

100 %

Biogas Biogas Biogas Biogas Biogas Biogas NaWaRo Gülle Gülle Gülle NaWaRo NaWaRo 3 3 3 3 3 500 m3 / h 50 m / h 250 m /h 500 m /h 50 m / h 250 m / h Biogas (Substrat) Aufbereitungskosten DWW-Verfahren Einspeisung und Durchleitung Bilanzkosten bei Brennstoffnutzung im BHKW inkl. Förderungsmittel in Dtschl. Biogas (Konversion) B 2.38

Kraftwerke mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) sind Biogasanlagen über die Einspeisevergütung des Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) in Deutschland heute schon wirtschaftlich einsetzbar (Abb. B 2.38). Netze von Energieformen

Einmal erzeugt, lassen sich Energieformen im Gegensatz zu Energieträgern nur mit hohem Aufwand speichern. Daher sind Netze von Energieformen gegenüber Energieträger stärker durch die Notwendigkeit einer bedarfsgerechten Erzeugung von Energie geprägt. Die Technologie der Kraft-Wärme-Kopplung erzwingt dabei zusätzlich eine verknüpfte Betrachtung von Strom- und Wärmebedarf (Abb B 2.39). Strom eignet sich aufgrund vergleichsweise geringer Verluste über größere Strecken zum großräumigen Verteilen von Energie. Wärme hingegen hat hohe Leitungsverluste, kann jedoch den Wärmebedarf von Gebäuden mit kostengünstiger Gebäudetechnik decken. Stromnetz Das Stromnetz besteht aus hierarchisch gestaffelten Verteilungsebenen, die sich zum Verbraucher hin kaskadenartig verzweigen (Abb. B 2.40). Die Länge aller öffentlichen Stromleitungen in Deutschland beträgt etwa 1,6 Millionen km. Verluste entstehen infolge des Widerstands (R) der elektrischen Leiter, der abhängig von der Stromstärke (I) und der Stromspannung (U) ist:

R = I / U. Erhöht man die Spannung und verringert die Stromstärke, lässt sich dieselbe Leistung (P = I•U) bei reduziertem Widerstand übertragen. Daher nutzt man hohe Spannungen für die Energieübertragung, niedrige Spannungen werden für die sichere Energienutzung verwendet. An den Übergängen in die Verteilebenen sind Umspannwerke erforderlich, die einen erheblichen Flächenbedarf haben (Abb. B 2.40). Sie wandeln die elektrische Wechselspannung mit Transformatoren um, wobei erhöhte elektromagnetische Belastungen des Umfelds entstehen. Auch durch Leitungsverluste werden elektromagnetische Wellen emittiert. In Deutschland gilt nach DIN VDE 0848 der ebenso durch die World Health Organisation (WHO) empfohlene Maximalwert von 5 kV / m. Ein durch Baubiologen empfohlener optimierter Wert von 2,5 kV / m bedeutet bei einer Nennspannungsoberleitung von 380 kV einen Mindestgebäudeabstand von 30 bis 60 m. Masse verringert die Wirkung elektromagnetischer Felder. Mittlerweile werden in Deutschland ca. 71 % aller Netzleitungen unterirdisch geführt – mit steigender Tendenz. Das Stromnetz besitzt nur geringe Speicherkapazitäten. Für Spitzenlasten werden zusätzliche Kraftwerke bereitgehalten, deren Leistung bei Bedarf abgerufen werden kann. Bei kurzfristigen Spannungsschwankungen oder zur dezentralen Aufrechterhaltung der Netzspannung (< 1 Minute) eignen sich Schwungräder, wie z. B. die Rotoren von Windkraftanlagen.

Höchstspannungsebene

Industrie

Eisenbahn

b

55 % Nahwärme

B 2.39

Eine längere Speicherung erfolgt zumeist durch Pumpspeicherwerke (siehe Technik, S. 145). Zur weiträumigen Verteilung auf europäischer Ebene ist das 380- kV-Netz ausgebaut. Auf 100 km Leitung gehen etwa 1,5 % der transportierten Leistung verloren. HochspannungsGleichstrom-Übertragungsnetze (HGÜ / HVDC) mit einer Stromspannung von 800 kV ermöglichen geringere induzierte Ströme, weniger Verluste (0,5 % Leistungsverlust auf 100 km) und einen sinkenden Materialaufwand. Sie sind Bestandteil einer geplanten Stromversorgung auch über die europäischen Grenzen hinaus (Abb. B 2.35). Der Trend hin zur dezentralen Stromerzeugung bedeutet nach einer Studie der Deutschen Energieagentur (dena) einen vernachlässigbaren zusätzlichen Leitungsbedarf in Deutschland [4]. Durch die Anzahl der einspeisenden Teilnehmer steigt jedoch der Bedarf an Regelung. Mittelfristig benötigt das Stromnetz einen zusätzlichen Informationskanal, dessen Einsatz in den »Grid Codes«, den Regeln eines Netzwerks, niedergelegt werden sollte. Ist dieser Kanal installiert, kann sich die Regelung mittelfristig so weit entwickeln, dass auch einzelne Verbraucher (z. B. Waschmaschinen) über ein »peer-to-peer-Netzwerk« ihren Bedarf anzeigen und über dieses gesteuert ihren Betrieb aufnehmen. Fern- und Nahwärmenetze Im Jahr 2005 lag der Anteil der WärmenetzverHaushalte Nichtwohngebäude Industrie

Kraftwerk

220 / 380 kV ca. 36 000 km Hochspannungsebene 110 kV ca. 75 000 km

87 % 35 % Strom

Regionen

Ballungszentren

6%

50 %

44 %

Mittelspannungsebene 10 / 20 kV ca. 490 000 km

Industrie

Gewerbe

Städte

Orte angeschlossene Wärmeleistung

Niederspannungsebene 230 / 400 V > 1 000 000 km Umspannwerk

72

Jahr 2000 2001 2002 2003 2004 2005 [kWh] 53 606 51 649 52 162 52 112 52 264 52 729 Haushalte

Wohnhaus

Gewerbe

Industrie

Verwaltung B 2.40

B 2.41

Stadtraum und Infrastruktur

B 2.38

B 2.39

B 2.40 B 2.41 B 2.42 B 2.43 B 2.44

Gestehungskosten für die Produktion von Biogas über unterschiedliche Technologien im Jahr 2006 Vergleich dezentraler und zentraler Energieversorgung über Kraft-Wärme-Kopplung a zentrales Heizkraftwerk b dezentrales Blockheizkraftwerk kaskadenartiges Modell des Stromnetzes mit Leitungslängen (D) Leistung und Nutzung der Fernwärmeversorgung in Deutschland Schema eines Fernwärmenetzes am Beispiel von Basel (CH) im Jahr 2004 Nutzungspotenzial für Nah- und Fernwärmenetze bis in das Jahr 2020 Schema eines Nahwärmenetzes am Beispiel der Papierfabrik Salach (D) im Jahr 2004

Fernwärmenetz Basel Netzlänge: Wärmeproduktion: Netzverlust: Vorlauftemperatur: Spitzenleistung: Anschlussstellen:

198,2 km 100340 Mio. kWh/a 10% 170°C 309 MW Krankenhäuser, öffentliche Gebäude, Industrie-und Gewerbebauten, ca. 40000 Wohneinheiten

•

•

• • Heizkraftwerk

0

1 km B 2.42

Nutzenergiebedarf (Nah- / Fernwärme) [PJ / a]

sorgung bei der Beheizung von Wohngebäuden in Deutschland bei 14 %, die Leitungslänge betrug ca. 50 000 km (Abb. B 2.41). Wärmenetze bestehen nur örtlich, sind nicht weiträumig ausgebaut oder miteinander verbunden. 84 % der Energie aus Wärmenetzen wird durch Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) erzeugt. Verschiedene Studien zur künftigen Energieversorgung gehen von einer Zunahme der effizienteren dezentralen Stromerzeugung auf KWK-Basis aus (Abb. B 2.43). Die dauerhafte Produktion von Strom erzeugt konstant Wärme als »Abfallprodukt« der Stromerzeugung (Abb. B 2.39). Die Energieverluste eines Wärmenetzes sind abhängig von der Länge des Netzes und seiner Betriebstemperatur. Je geringer die Temperatur des Trägermediums, desto geringer sind auch die thermischen Verluste dieses Systems. Gleichzeitig sinkt jedoch auch die maximal übertragbare Energiemenge bzw. die Pumpleistung im System muss erhöht werden. Daher werden viele Wärmenetze mit hoher Temperatur (> 100 °C) betrieben, wobei die Energieträger zumeist Wasser oder Wasserdampf sind. Die maximale Transportlänge vom Erzeuger zum am weitesten gelegenen Verbraucher beträgt selten mehr als 20 km. Dennoch können Fernwärmenetze systembedingt Verluste von bis zu 40 % aufweisen. Dabei besteht terminologisch keine klare Trennung zwischen Nah- und Fernwärme (Abb. B 2.42 und 44). Die Begriffe beziehen sich

sowohl auf die Dimension des Netzes als auch auf die Art der Energieerzeugung, d. h. zentral oder dezentral. Bei der dezentralen Erzeugung von Biogas wird deutlich, wo die sinnvolle Grenze zwischen Gas- und Wärmenetzen liegt (Abb. B 2.50). Wärmenetze sind deshalb besonders bei hohen Energieabnahmen im zu versorgenden Gebiet interessant. Die nicht universell einsetzbare Energieform Wärme reduziert dabei das Abnehmerpotenzial und dient hauptsächlich zur Gebäudebeheizung, in Einzelfällen auch zur Gebäudekühlung (Abb. B 2.41). Sinkende Energiebedarfe durch bessere thermische Hüllen verringern das Absatzpotenzial. Gleichzeitig stehen für das Wärmeaufkommen im Sommer oft keine entsprechenden Abnehmer zur Verfügung. Viele Netze benötigen daher eine Verdichtung der Versorgungsstruktur und eine Kopplung an neue Energiebezieher. Zur Regulierung des Wärmebedarfs über den Jahresverlauf bieten sich Möglichkeiten wie die Integration von industriellen Abnehmern zur Abnahme von Prozesswärme und die verstärkte Kälteversorgung über Sorptionskältemaschinen, z. B. durch verbilligte Tarife für die Abnahme von Wärme im Sommer (siehe Technik, S. 130). Solar unterstützte Nahwärmenetze Die Speisung von Nahwärmenetzen kann neben der Wärmeerzeugung durch Verfeuerung von Brennstoffen auch durch solar unterstützte Anlagen mit Kurz- oder Langzeitwärme-

450

Papierfabrik Salach

400

Netzlänge: Wärmeproduktion: Netzverlust: Vorlauftemperatur: Spitzenleistung: Anschlussstellen:

350 300 250

251,1

245,0

168,2

200

speicher erfolgen. Bei hohem und gleichmäßigem Warmwasserbedarf wie bei Mehrfamilienhäusern, Hotels, Wohnheimen, Krankenhäusern oder Wohnsiedlungen ab 30 Wohneinheiten eignen sich Systeme mit Kurzzeitwärmespeicher. Ähnlich wie bei der klassischen Trinkwasserbereitung wird die Wärme dabei in Warmwasserspeichern vorgehalten. Die Anlagen werden heute zumeist auf einen Deckungsanteil von ca. 50 % optimiert. Auf den EnEVStandard bezogen, kann so bei Wohngebäuden ca. 20 % des Primärenergiebedarfs gedeckt werden (Abb B 2.48). Bei solar unterstützten Anlagen mit Langzeitwärmespeicher werden Wasser oder Erdreich verwendet (Abb. B 2.47). Sie verfügen über ein Deckungspotenzial von 40 bis 60 % des Primärenergiebedarfs und eignen sich aufgrund des höheren technischen Aufwands erst ab 100 bis 250 Wohneinheiten (Abb B. 2.46; siehe auch Technik, S. 124). Kältenetze Kältenetze besitzen im Verhältnis zu Wärmenetzen geringere Verluste, da ihre Betriebstemperatur meist eine geringere Temperaturdifferenz zur Umgebungstemperatur aufweist. Die mittleren Leistungsbedarfe von Kälte sind bei vielen Gebäuden geringer als die von Wärme. Ausnahmen stellen z. B. bestimmte Produktionsstätten, Laborgebäude oder Einkaufszentren dar. Bisher entstanden nur wenige öffentliche Kältenetze, z. B. in Chemnitz (Abb B 2.45). Ihre

1,35 km (inkl. Hausanschlussleitungen) k.A. k.A. 70 –90°C ca. 1 MW, 610 kW Papierfabrik ca. 150 Wohneinheiten ( Endausbau 2010)

•

27,2

150

41,9

41,3

40,9

39,6

127,7

124,8

122,7

118,9

100 50

134,8

•

0 2000 2005 2010 Bestand Anschlussverdichtung

2015 2020 Netzerweiterung B 2.43

• Wärmequelle

0

50 m B 2.44

73

Stadtraum und Infrastruktur

Wasser Strom, Hilfsenergie

Kühlturm

Niedertemperaturwärme

Absorptionskältemaschinen

Abwärme

Wärme

Fernwärmenetz

thermischer Energiespeicher Kaltwasser-Tankspeicher

Fernkältenetz

Abwärme Kühlenergie

Braunkohle

Heizkraftwerk

Strom, Hilfsenergie

Kraft-Wärme-Kopplung

Kompressionskältemaschinen

zentrale Kälteerzeugung

Fernkälte B 2.45

Langzeitspeicher-Dimensionierung Heißwasser-Wärmespeicher • 1,5 – 2,25 m3 pro m2 Kollektorfläche Kies / Wasser-Wärmespeicher • 2,5 – 4,0 m3 pro m2 Kollektorfläche Erdsonden-Wärmespeicher • 8,0 – 10,0 m3 pro m2 Kollektorfläche • Sondenabstand: 1,5 – 2,5 m, in Fels bis zu 3 m • Sondentiefe: 20 – 80 m Aquifer-Wärmespeicher 4,0 – 6,0 m3 pro m2 Kollektorfläche B 2.46 Nahwärmenetz-Dimensionierung mit Langzeitspeicher Mindestanzahl Wohneinheiten • ca. 200 – 500 WE mit je 70 m2 Wohnfläche bzw. 100 – 120 Einfamilienhäuser

bisherige Leitungslänge beträgt in Deutschland 43 km [5]. Kältenetze funktionieren entweder als abgeschlossenes System oder als Sekundärnetz von Wärmenetzen. Sorptionskältemaschinen verknüpfen dabei die Energieerzeugung von Wärme und Kälte. Sie ermöglichen mittelfristig nicht nur hohe Effizienz in Kälte-, sondern auch in Wärmenetzen. Innerhalb der Netze können kurzzeitig hohe Wärmelasten auftreten – z. B. bei Großveranstaltungen –, die eine entsprechend starke Dimensionierung der Anlagentechnik voraussetzen. Die Integration von Kältespeichern im System reduziert diese Anforderungen deutlich und kann zu einer besseren Auslastung der Kältemaschinen beitragen. Wasser

Kollektorfläche • 0,14 – 0,20 m2 Kollektorfläche pro m 2 Wohnfläche • 1,25 – 2,5 m2 Kollektorfläche pro MWh Jahresgesamtwärmebedarf (kleinere Werte gelten für sonnenreiche Standorte und hocheffiziente Kollektoren) • jährlicher solarer Energieertrag: 300 – 450 kWh / m2 a Speichervolumen (Wasseräquivalent) • 1,5 – 2,25 m3 pro m2 Kollektorfläche (kleinere Werte gelten für ein größeres Verhältnis zwischen Solarenergieangebot und Heizwärmebedarf) • Der Speichertyp hängt in erster Linie von den örtlichen Gegebenheiten, insbesondere von den lokalen geologischen und hydrologischen Verhältnissen ab. solarer Deckungsanteil • ca. 40 – 50 % am Jahreswärmebedarf • bis ca. 60 % bei Niedrigenergiehäusern

Obwohl die Erdoberfläche zu ca. zwei Dritteln von Wasser bedeckt ist, ist dieser Grundstoff des Lebens eine wertvolle und als Trinkwasser von Knappheit bedrohte Ressource. Gleichzeitig ist Wasser im Klimasystem ein entscheidender Energieträger. Das humide Klima mitteleuropäischer Breiten bietet die Möglichkeit, Oberflächen- oder Grundwasservorräte anzureichern und Trinkwasser bereitzustellen – entsprechende Rahmenbedingungen sind jedoch nicht überall gegeben. Eine überhöhte Wasserentnahme führt zu einer Absenkung des Grundwasserspiegels, was lokale Ökosysteme erheblich beeinträchtigen kann. Trinkwasserverbrauch

und Abwassermengen sollten daher durch geeignete bauliche und technische Maßnahmen (z. B. wassersparende Amaturen) begrenzt werden. Zusätzlich empfiehlt sich vielerorts die Nutzung von Regen- und Grauwasser (einmal genutztes, nicht stark verschmutztes Wasser). Wasseraufbereitung Der Trinkwasserverbrauch pro Kopf ist in den letzten Jahren durch wassersparende Technologien sowie ein verändertes Nutzerverhalten in Deutschland stetig gesunken, differiert lokal aber deutlich. Auch international gibt es große Unterschiede (Abb. B 2.51). Lag der tägliche Pro-Kopf-Verbrauch in Deutschland im Jahr 1990 noch bei 147 l, wurden 2005 täglich nur noch 128 l Wasser genutzt. Rohwasser kann aus Grund-, Quell- und Oberflächenwasser, durch Auffangen von Niederschlag (z. B. Zisternen) oder in küstennahen Trockengebieten auch durch Meerwasserentsalzung gewonnen werden. Zur Qualitätssicherung sind spezielle Grundwasserschutzgebiete ausgewiesen. In Deutschland wird zur Trinkwassergewinnung am häufigsten Grundwasser genutzt (65 %), gefolgt von Uferfiltrat, das aus Grund- und Oberflächenwasser besteht. Der sandige Uferbereich befördert die mechanische Vorreinigung des Wassers. Um aus Rohwasser Trinkwasser zu erzeugen, wird es gemäß DIN 2000 zentral gereinigt und sterilisiert, ggf. werden auch gelöste Ionen

B 2.47 Grauwasser (z.B. Wasch-, Dusch-, Badewannenwasser)

Nahwärmenetz-Dimensionierung mit Kurzzeitspeicher

Toilettenspülung

Kollektorfläche • 0,7 –1,0 m2 Kollektorfläche pro Person (ca. 0,02 – 0,03 m2 Kollektorfläche pro m2 Wohnfläche) • 0,4 – 0,5 m2 Kollektorfläche pro Person für solare Vorwärmanlagen (solarer Deckungsanteil 25 – 40 %) • jährlicher solarer Energieertrag: 300 – 450 kWh / m2 a

Abmessungen [m]

h•b•t 1,5 • 1,1 • 0,6

Gewicht

ca. 130 kg

Speichervolumen

Kapazität

• 0,05 – 0,06 m3 pro m2 Kollektorfläche (Flachkollektor) • 0,06 – 0,08 m3 pro m2 Kollektorfläche (Vakuumröhrenkollektor)

insgesamt 500 l

Druck [bar]

max. 4,7 min. 1,7

solarer Deckungsanteil

Netzanschluss

230 V / 50 Hz

• ca. 50 – 60 % am Energiebedarf zur TWW- Bereitung • ca. 10 –15 % am Jahreswärmebedarf, bis ca. 20 % bei Niedrigenergiehäusern

max. Leistung

1 kW

Stromverbrauch

0,6 kWh / d

B 2.48

74

UV-Licht Überlauf Trinkwassernachspeisung

Druckluft Abwasserkanal B 2.49

Stadtraum und Infrastruktur

B 2.45 B 2.46 B 2.47 B 2.48 B 2.49 B 2.50 B 2.51 B 2.52

Schema eines Kältenetzes am Beispiel von Chemnitz (D) überschlägige Dimensionierung verschiedener Langzeitwärmespeicher überschlägige Auslegung von solar unterstützten Nahwärmenetzen mit Langzeitspeichern überschlägige Auslegung von solar unterstützten Nahwärmenetzen mit Kurzzeitspeichern schematische Darstellung einer Grauwassernutzungsanlage alternative Lösungen für den Transport gewonnener Energie aus Biogas nach Entfernung Trinkwasserverbrauch pro Kopf und Tag im Jahr 2005 Nutzungsmöglichkeiten verschiedener Gebäudewasserströme

(z. B. Eisen oder Salze) entfernt oder ergänzt. Die Einstellung von pH-Wert und Leitfähigkeit sowie die Zugabe von Chlor bedingen sich neben der zu erreichenden Wasserqualität auch durch die Qualität des vorhandenen Rohrleitungsnetzes. Um den Druck innerhalb des Leitungssystems aufrechterhalten zu können, werden Hochbehälter, Pump- und Druckerhöhungsstationen genutzt, die wiederum einen hohen finanziellen und technischen Aufwand für Bau und Instandhaltung nach sich ziehen. Die Betreiber haben dabei einen ständigen Wasserdurchfluss im Netz zu gewährleisten. Jedes Wassernetzwerk weist Undichtigkeiten auf; innerhalb der EU betragen die Verluste in der Wasserversorgung zwischen 8 % in Deutschland und 27 % in Italien [6]. Abwassernutzung Um Wasser als vorhandene Ressource effizient nutzen zu können, kann es für einzelne Bedarfe mehrfach verwendet werden (Abb. B 2.52). Aus Regenwasser kann z. B. zunächst Grauwasser und später Schwarzwasser (fäkalhaltiges Wasser) werden, was einem verlangsamten Downcycling-Prozess entspricht. Regenwasser eignet sich z. B. zur Toilettenspülung, zur Gartenpflege, aber auch als technisches Betriebsmittel zu Kühlzwecken. Die vor der Nutzung notwendige Filterung kann durch eine Flächenbegrünung der Regenwassersammelflächen unterstützt werden. Stoffstrom Regenwasser

Grauwasser

Gelbwasser

Entfernung

effizienteste Transportart von Energie aus Biogas

Land

Trinkwasserverbrauch pro Kopf und Tag [l]

bis 1,5 km

Nahwärmenetz

Grundbedarf nach WHO

50

ab 1,5 km

eigene Gasleitung

über 5 km

Gasaufbereitung, Einspeisung in das Gasnetz

Europa Belgien Deutschland Österreich Frankreich Schweden Italien Schweiz

122 128 145 151 188 213 237

Indien Japan USA

25 278 295

B 2.50

B 2.51

Grauwasser nutzt man insbesondere für die Toilettenspülung. Da der tägliche Wasserverbrauch zum Baden und Duschen etwa dem Wasserverbrauch zur Toilettenspülung entspricht, kann der Wasserbedarf damit um ca. 30 % reduziert werden. Grauwasseranlagen filtern und reinigen das Wasser, zusätzlich wird es durch UV-Lichtbehandlung entkeimt. Die Anlagen benötigen ein eigenes Grauwasserleitungsnetz innerhalb des Gebäudes und einen Grauwasserspeicher (Abb. B 2.49). Neuartig sind technische Lösungen, die über die Stoffstromanalyse nutzbare Teilströme des Wassers isolieren. Möglich ist etwa die Nutzung des Regenwassers innerhalb der Gebäudetechnik, z. B. zur Kühlung, wobei ebenso Low-Tech-Lösungen für offene Wasserflächen als auch High-Tech-Nutzungen für Klimaanlagen verfügbar sind. Ebenso auf der Stoffstrombetrachtung basieren Vakuumtoiletten, die konzentriertes Schwarzwasser sammeln – ggf. getrennt in Braun- und Gelbwasser –, es in Tanks speichern und als Rohstoff für weitere Nutzungen bereitstellen (Abb. B 2.52). Damit wird auch Upcycling möglich. Solche Systeme können Gebäude nahezu oder sogar vollständig abwasserlos gestalten.

regen kann der Volumenstrom das 100-fache der Schmutzwassermenge bei Trockenheit ausmachen. Selten sind Kanalisationen und Kläranlagen in der Lage, solche großen Wassermengen zu bewältigen, was dazu führen kann, dass das Abwasser dann nicht richtig gereinigt wird. Deshalb wird in der Regel das so genannte Trennsystem genutzt, das Schmutz- und Regenwasser in zwei getrennten Rohrsystemen führt (Abb. B 2.72). Dadurch wird eine knappere Dimensionierung der Rohrleitungen möglich und der Betrieb von Kläranlagen optimiert.

Abwasserabführung Erfolgt der Abwassertransport durch eine »Mischkanalisation«, werden alle Abwässer in einem Kanalsystem gesammelt und der Abwasserbehandlung zugeführt. Bei Stark-

Aufbereitung

Abwasserbehandlung Um das Abwasser zu reinigen, unterscheidet man drei Reinigungsstufen: • mechanische Reinigung (erste Reinigungsstufe): Große Verunreinigungen werden durch Rechen entfernt; im Sandfang und Vorklärbecken lagern sich durch Verringerung der Fließgeschwindigkeit zunächst schwere, später auch leichte Schwebstoffe ab. • biologische Reinigung (zweite Reinigungsstufe): Das Wasser wird zur Stickstoffelimination mit Mikroorganismen in Verbindung gebracht, die aufgrund des hohen Nährstoffangebots wachsen und selbst Schwebstoffe bilden. Das Belebtschlammverfahren benötigt dazu viel Sauerstoff. Der entstehende Klärschlamm wird im Nachgang wieder mechanisch entfernt.

Nutzungsmöglichkeiten

Weiternutzung

einfache Filtration (Kiesschicht)

Bewässerung

Grundwasserergänzung

Filtration

Kühlung (technisches Betriebsmittel)

–

Dusche, Waschmaschine

Grauwasser

Toilettenspülung

Gelb- und Schwarzwasser

biologische Aufbereitung

Wasserversorgung

Sterilisierung

Waschmaschine

Grauwasser

Toilettenspülung

Gelb- und Schwarzwasser

Filtration, biologische Aufbereitung

Bewässerung

Grundwasserergänzung

biologische Aufbereitung

Wasserversorgung

Sterilisierung durch Speicherung und Trocknung

Düngerproduktion

Speicherung

Rohstoff chemische Industrie

Schwarzwasser

anaerobe Gärung

Biogasproduktion

Küchen- und Bioabfälle

Kompostierung

Humus- und Düngerproduktion

Humus- und Düngerproduktion B 2.52

75

Stadtraum und Infrastruktur

biologische Reinigung

mechanische Reinigung Rechen

Sandfang

Vorklärbecken

Belüftungsbecken

Nachklärbecken

Faulturm Biogas

Trocknung Zulauf

Ablauf

Impfschlamm

Mechanische und biologische Reinigung ermöglichen den Entzug von etwa 90 % der biologisch abbaubaren Verschmutzungen des Abwassers (Abb. B 2.53). • chemische Reinigung (dritte Reinigungsstufe): Eine nur selten eingesetzte dritte Reinigungsstufe kann über verschiedene, energetisch wie ressourcentechnisch aufwendige Verfahren nahezu jede gewünschte Chemikalie aus dem Abwasser entfernen.

Faulturm

Mikroorganismen, Sauerstoff

Input Output

Sand

Klärschlamm

Klärschlamm

Biogas

Biomasse B 2.53

Zulauf Zulauf

Zulauf Ablauf

Ablauf

Tropfkörperverfahren

O2

Tauchkörperverfahren

Ablauf

Membranfilterverfahren B 2.54

Vorreinigung

Reinigung durch Wurzelraumentsorgung geeignete Pflanzen z.B. Rohrkolben, Flatterbinse, Schwertlilie, Schilf, Flechtbinse

Mehrkammerausfaulgrube

Pumpenschacht

Zulauf

Stau- und Kontrollschacht

grober Kies

Sand und Kies bzw. bindiger Boden

Abdichtung

Gefälle 2%

Ablauf

B 2.55

Mehrkammerausfaulgrube

Zulauf

Pumpenschacht

Stau- und Kontrollschacht

grober Kies

Abdichtung

Gefälle 2%

Ablauf

B 2.56

76

Abwasserbehandlungsanlagen haben einen Flächenbedarf von 0,5 bis 2 m2 pro Einwohner (Abb B 2.57). Ein reduzierter Wasserverbrauch in Verbindung mit der Verringerung von Haushaltsgrößen und der Erhöhung der Wohnfläche pro Person senkt den Abwasserstrom. Dadurch entstehende Rückstände führen zu Durchströmungsproblemen und steigenden Wartungs- und Reinigungsstückkosten für zentrale Abwasseranlagen. Die Kosten für die Abwasseraufbereitung über großtechnische Anlagen übersteigen in Deutschland die Trinkwasseraufbereitungskosten deutlich. Mit 4400 GWh / a verbrauchen Abwasseranlagen sogar mehr Energie als alle deutschen Schulen zusammen [7]. Der Energieaufwand entsteht insbesondere durch die notwendige Belüftung, Umwälzung und den Transport des zu reinigenden Wassers. Die biologische Reinigungsstufe erzeugt dabei zwei Drittel des Flächenaufwands einer Abwasseraufbereitungsanlage. Wegen der hohen Kosten solcher zentralen Anlagen bietet sich als Alternative die dezentrale Abwasserbehandlung an. Für die biologische Reinigung stehen neben dem auch großtechnisch eingesetzten Belebtschlammverfahren folgende weitere Verfahren zur Verfügung (Abb. B 2.54): • Beim Tropfkörperverfahren wird das Abwasser über Füllkörper aus Kunststoff oder mineralischem Material verrieselt. Die reinigenden Mikroorganismen befinden sich auf der vergrößerten Oberfläche der Füllkörper, die gleichzeitig eine gute Belüftung gewährleisten. • Beim Tauchkörperverfahren befindet sich ein Tauchkörper immer zur Hälfte im zu reinigenden Abwasserstrom, die Sauerstoffzufuhr für die Mikroorganismen erfolgt durch dauerhafte Rotation. • Als kleinräumige Variante des Belebtschlammverfahrens bedarf das Membranfilterverfahren im Gegensatz zu anderen Techniken keiner Nachklärung. Die Reinigung der Membran erfolgt durch Rotation, Spülung und aufsteigende Luftbläschen. Oft werden heute biologische Reinigungsverfahren bevorzugt, mit denen das Abwasser in Abwasserteichen oder Pflanzenkläranlagen nach DIN 4261 naturnah geklärt wird. Die meist kleineren Anlagen eignen sich insbesondere für häusliche oder vergleichbare Abwässer bei einem typischen Einsatzgebiet bis ca.

Stadtraum und Infrastruktur

B 2.53

B 2.54 B 2.55 B 2.56 B 2.57 B 2.58

B 2.59 B 2.60 B 2.61

Funktionsschema einer klassischen Kläranlage mit mechanischer und biologischer Reinigungsstufe schematische Darstellung alternativer Belüftungstechniken biologischer Klärstufen Funktionsschema einer horizontalen Pflanzenkläranlage Funktionsschema einer vertikalen Pflanzenkläranlage Luftbild einer Kläranlage im Ruhrgebiet funktionell gestalteter Eingangsbereich mit Müllsammelstation, Siedlung Ochsenanger, Bamberg (D) 2000, Melchior Eckey Rommel Ablagerungsquoten verschiedener Abfallarten in Deutschland ökologische Bewertung und Prognose der Entwicklung der Abfallwirtschaft in Deutschland Stoffströme und ihre Weiternutzung innerhalb der Abfallwirtschaft B 2.58

B 2.57

200 Einwohner. Die Klärung kann dabei horizontal wie vertikal erfolgen. Bei einer horizontalen Pflanzenkläranlage werden bei 60 bis 80 cm tiefen Beeten 3 bis10 m2 pro Person für die Klärung benötigt, je nachdem, ob nur Grauwasser oder das gesamte Abwasser geklärt werden soll (Abb. B 2.55). Die vertikale Pflanzenkläranlage erreicht eine höhere wirksame Tiefe von 80 bis 120 cm bei gleichmäßigerer Volumenauslastung und reduziert den Flächenbedarf. Dabei sind zwischen 1,5 und 5 m2 pro Person erforderlich (Abb. B 2.56). Abfälle aus Betrieb und Nutzung

Abfall gilt als Rohstoff. Daher ist eine möglichst hohe Recyclingquote erstrebenswert. Nach dem Kreislaufwirtschaftsgesetz sollte Abfall möglichst verwertet, nur wenn unumgänglich eine Beseitigung in Betracht gezogen werden. Schon heute wird ein Großteil der in Deutschland anfallenden Abfälle recycelt; die Ablagerungsquoten sind, bis auf Bauabfälle, stark rückläufig (Abb. B 2.59). Energetisch bietet insbesondere die stoffliche Verwertung – Wieder-, Weiterverwendung oder Wiederverwertung – das größte Einsparungspotenzial (siehe Material, S. 174).

Treibhauspotenzial [Mio. t CO2-eq]

Ablagerungsquote [%]

Abfallsammlung Siedlungsabfall ist der heterogenste Abfalltyp. Über gesonderte Schadstoffsammelstellen können dem Abfall besonders gesundheitsge-

fährdende Stoffe (wie schwermetallhaltige Batterien oder Farben und Lacke) entzogen werden. Die getrennte Sammlung ermöglicht schon bei der abfallproduzierenden Stelle die Trennung von Stoffströmen. Allerdings sind einzelne Stoffströme anfällig für Verunreinigungen, die durch Nachsortierung entfernt werden müssen, wodurch ein zusätzlicher Energiebedarf für den Transport entsteht. Ob eine zentrale mechanische Sortierung oder eine lokale Vorsortierung die energetisch vorteilhaftere Lösung darstellt, ist ortsabhängig. Durch eine leicht zugängliche Lage und eine gute Gestaltung von Abfallsammelplätzen sind die Funktionsfähigkeit und das Nutzerverhalten entscheidend beeinflussbar. Die Abfallsammlung im öffentlichen Raum eignet sich für hochwertige, masseintensive oder gesundheitlich bedenkliche Abfälle. Getrennte Sammelsysteme gibt es z. B. für Papier, Glas, Biomasse, Kunststoffe, Textilien, Metalle, Elektrogeräte oder Altöl. Die Sammelstellen lassen sich ober- oder unterirdisch anordnen. Unterirdische Sammelstellen sind zwar teurer, dafür aber besser zu integrieren und verringern den Flächenverbrauch. Andererseits besteht eine erhöhte Missbrauchs- und Vandalismusgefahr. Die Lage an nutzerbezogenen Wegen begünstigt die private Abfallsammlung. Die lokale Bedeutung des Themas »Abfall« zeigt sich in der Immobilienbewertung: Dort wird zur Bewertung der Umfeldqualität auch die Lage

60 50 40 30 20 10 0

30 25

und Gestaltung des Abfallplatzes als Kriterium herangezogen (Abb. B. 2.58). Einzelne Nutzungen können spezielle Abfallströme generieren, die differenzierte Maßnahmen erfordern (z. B. Gastronomie). Abfallbehandlung Belastungen des Klimas entstehen vor allem durch die anaerobe Zersetzung biologischer Anteile des abgelagerten Abfalls, bei der klimaschädliches Deponie- bzw. Methangas entsteht. Dieses lässt sich jedoch sammeln und in Blockheizkraftwerken energetisch nutzen. Um die Methanproduktion von Deponien zu reduzieren, ist seit 2005 eine Behandlung des Mülls in Deutschland zwingend vorgeschrieben: Die biologisch-mechanische Vorbehandlung, auch »Kaltes Verfahren« genannt, bearbeitet den Abfall zunächst mechanisch, wobei weiter verwendbare Rohstoffe abgetrennt werden (Abb. B. 2.61). Die Mechanismen der Sortierungsanlagen basieren z. B. auf Größe, Farbe, Magnetismus oder Gewicht des zu behandelnden Abfalls (Abb. B. 2.62). Die biologischen Restmassen können kompostiert oder wie Klärschlamm anaerob vergoren werden, wobei zugleich eine Hygienisierung der Restmassen erfolgt und nutzbares Biogas entsteht. Unter die thermische Behandlung fallen alle Arten der Verbrennung. Die dabei entstehende Wärme wird über Generatoren in Strom umgewandelt oder kann für Nah- und FernwärmePapier

Sortieranlage

15

Aluminium

10

Weißblech

5

Verbunde

0

Leichtverpackungen

-5

Sortieranlage

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

Kunststoffarten

-15

Kunststoffflaschen

-20

XPS 1990

2004

Gesamtbilanz Deponie Verbrennung stoffliche Verwertung Sammlung

produzierendes Gewerbe Sonderabfälle Siedlungsabfälle Bauschutt

B 2.59

Folien

-10

-25 1997

verschiedene Papierqualitäten

20

Mischkunststoffe

2020

Sortierreste Energiegewinn Verbrennung Energiegewinn stoffl. Verwertung

B 2.60

Glas

Glasaufbereitung

verschiedene Glasscherben B 2.61

77

Stadtraum und Infrastruktur

Transport- Arbeit W / km mittel [%]

typische Auslastung [%]

typische Einzugsradien [km]

typische Weglängen [km] [min] [km / h]

Verkehrsmittelnutzung [%] gesamt ländlicher BallungsRaum raum

zu Fuß

100

100

–

1,4

21,1

4,3

22

21

24

Fahrrad

30

100

–

3,3

22,3

10,6

9

11

9

Bus und Bahn

420

20 – 25 1

2

12,6

39,6

18,1

8

5

12

930 (überland) 2700 (Stadt)

–

25 – 30

14,1

20,7

32,8 3

61 (F: 45 MF: 16)

63 (F: 46 MF: 18)

55 (F: 40 MF: 15)

830

60

k. A.

k. A.

k. A.

k. A.

k. A.

Auto

Flugzeug 1 2 3

– > 200 km

k. A.

Reisebus: 60 %; Hochgeschwindigkeitszug: 45 % Bus und Straßenbahn: 400 m, S-Bahn: 500 –1000 m angegebene Werte für Fahrer; Mitfahrer: 15,4 km / 22,0 km / 31,6 km

F = Fahrer MF = Mitfahrer

B 2.62

netze genutzt werden. Bei der Pyrolyse, der Abfallverschwefelung, wird durch hohe Temperaturen unter Ausschluss von Sauerstoff die chemische Zusammensetzung des Abfalls verändert. Es entsteht z. B. Gas, das ins Gasnetz eingespeist werden kann, aber auch Schlacken als Restmasse. Die durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) aufgestellten Zielvorgaben bis 2020 sehen eine Deckung von 1 % des deutschen Energiebedarfs durch thermische Abfallbehandlung vor (Abb. B 2.60). Verkehr

Mobilität stellt in einer arbeitsteiligen Gesellschaft eine notwendige Voraussetzung für die Wirtschaft und das Individuum dar. Da Verkehr besonders zwischen Gebäuden stattfindet, ist seine Struktur und sein Energieverbrauch eng verknüpft mit städtebaulichen und architektonischen Gegebenheiten und wird letztlich durch diese ausgelöst. In Deutschland stellt der Verkehr den Sektor mit dem zweitgrößten Energieverbrauch dar (Abb B. 2.2). Bauliche Maßnahmen und Anreizsysteme schaffen die Voraussetzung, den Individualverkehr auf effizientere öffentliche Verkehrsmittel zu verlagern und auf Eigenkraft basierende Techniken wie z. B. Fahrrad fahren umzusteigen. Grundsätzlich lässt sich das Verkehrsaufkommen in Personen- und Güterverkehr unterteilen (Abb. B 2.66). Arbeit

B 2.63

Verkehrsinfrastruktur Flächendeckende Verkehrsinfrastrukturen sind Straßen- und Schienennetze. Das öffentliche deutsche Straßennetz umfasst etwa 626 300 km und bedeckt ca. 1,2 % der gesamten Landesfläche. 63,1 % hiervon entfallen auf die lokale Erschließung durch Gemeindestraßen (Abb. B 2.64). Das deutsche Schienennetz umfasst ca. 43 800 km. Ermittelt man den Flächenbedarf der bestehenden Infrastrukturen für Verkehr pro Kopf, so ist dieser mit etwa 50 m2 höher als die durchschnittliche Wohnfläche pro Kopf (siehe Architektur und Nachhaltigkeit – eine schwierige Beziehung, S. 18). Bezogen auf Flächenverbrauch und Verkehrsleistung ist das Schienennetz dabei etwa doppelt so leistungsfähig wie das Straßennetz. Mit der Schifffahrt greift der Güterverkehr auf Seen, Flüsse und Kanäle zu. Der geringe Landschaftsverbrauch beim Flugverkehr wird durch flächendeckende Lärmund Umweltbelastungen relativiert. Transportmittel Drei zentrale Faktoren beeinflussen den Energiebedarf von Transportsystemen: Effizienz des Transportmittels, Geschwindigkeit und Auslastung. Während bei der Effizienz und der Auslastung immer möglichst hohe Werte erforderlich sind, ist die optimale Geschwindigkeit abhängig von der zurückzulegenden Entfernung. Eine ideale Systemgeschwindigkeit für Fernreisen durch Mitteleuropa liegt

z. B. bei 250 bis 300 km / h. Die Senkung der Geschwindigkeit führt dabei in der Regel zu einer Energieeinsparung. Im städtischen öffentlichen Schienennahverkehr reduziert sich z. B. der Energiebedarf durch die Verringerung der Maximalgeschwindigkeit von 70 auf 50 km / h um 50 %. Effizienz, Zugänglichkeit und Geschwindigkeit ergeben so technologietypische Einzugsradien (Abb. B 2.63). Innerhalb des Güterverkehrs sind Bahn und Schiff besonders energieeffiziente Transportsysteme. Der Transport über die Straße gewährleistet demgegenüber eine optimierte Verteilung der Güter, die jedoch deutlich energieaufwendiger ist (Abb. B 2.65). Auch im motorisierten Personenverkehr stellt die Bahn die energieeffizienteste Technologie dar. Der hohe Energiebedarf beim motorisierten Individualverkehr (MIV) bedingt sich insbesondere durch die geringe Auslastung (25 – 30 %) und geringe Energieausnutzung sowie hohe Gesamttransportgewichte im Verhältnis der zu transportierenden Menschen. Um die Auslastung im Personenverkehr weiter zu steigern, eignen sich z. B. ein verstärktes Angebot an öffentlichem Personennahverkehr, Car-Sharing oder Automietstationen. Die effizienteste Fortbewegung erfolgt durch eigene Körperkraft. Die Fortbewegung mit dem Fahrrad verlangt dabei um 70 % weniger Körperkraft wie das Zufußgehen. Wichtig zur Bewertung der unterschiedlichen

Linienverkehr

Straßen

Länge [km]

Anteil [%]

Bundesautobahnen Bundesstraßen Landesstraßen Kreisstraßen Gemeindestraßen

11 786 41 228 86 838 90 996 395 400

1,9 6,6 13,9 14,5 63,1

8662

Ausbildung Wirtschaftsverkehr bringen und holen private Erledigungen

15%

Einkauf

31%

6%

Freizeit

8% 9% 19%

Schienenverkehr

Luftverkehr 146 motorisierter Individualverkehr

Schienenverkehr

236,8

Seeschifffahrt

281,0

Straßengüterverkehr

78

317,3

Binnenschifffahrt

Rohölleitungen

B 2.64

163,6

56140 transportierte Personen [Mio. /a]

Luftverkehr

12%

2131

B 2.66 Transportmittel im Güterverkehr

2,9 95,5 2765,0 transportierte Güter [Mio. t/a] B 2.65

Flugzeug LKW Bahn Schiff

Transportkilometer [t km / MJ] 0,3 1,7 3,3 4,3 B 2.67

B 2.65 B 2.66 B 2.67 B 2.68

B 2.69 B 2.70

6

4225 EUR

10 8

931 EUR

B 2.63 B 2.64

Windsichter: Separierung von Leichtverpackungen und Folien per Luftdruck innerhalb einer Sortieranlage Kennwerte unterschiedlicher Transportmittel Verkehrsaufkommen nach Nutzung in Deutschland beförderte Personen und Güter in Deutschland im Jahr 2005 Anteile verschiedener Straßen am deutschen Straßennetz im Jahr 2004 Effizienz von Transportmitteln im Güterverkehr Mehrkosten für die Finanzierung eines innerstädtischen Grundstücks sowie Einsparungen durch geringeren Mobilitätsbedarf am Beispiel von Hamburg autofreies Quartier, Siedlung Thalmatt 1, Herenschwanden (CH) 1974, Atelier 5 serielle Straßenbahnhaltestellen, Hannover (D) 2000, Despang Architekten

780 EUR

B 2.62

Grundstücks- und Mobilitätskosten 1 [1000EUR /a]

Stadtraum und Infrastruktur

4 2 0 -2 -4 -6 mittlerer Grundst.-Preis, mittlere Entf.

günstiger Grundst.-Preis, große Entf.

Grundstückskosten2

günstiger Grundst.-Preis, sehr große Entf.

Summe (Mehrkosten)

Mobilitätskosten 1 2

Grundstücksgröße: 200 m2, pro Haushalt je ein Auto Kostendifferenz im Verhältnis zu einem innerstädtischen Grundstück

B 2.68

B 2.69

Mobilitätsbedarf Täglich wendet ein Mensch durchschnittlich 75 – 85 Minuten für Mobilität auf, wobei unerheblich ist, zu welchen Verkehrsformen er Zugang hat und in welchem nationalen oder regionalen Kontext er sich befindet [8]. Während der Zeitaufwand für Mobilität also offensichtlich geringen Veränderungen unterliegt, vergrößern sich hingegen die Bewegungs- bzw. Einzugsradien und damit die durch den Verkehr erreichbaren Ziele. Gleichzeitig steigt das Verkehrsaufkommen. Beides ist Ausdruck der immer stärkeren Flexibilisierung unserer Lebensgewohnheiten [9]. Der Mensch legt im Mittel 3,5 Wege pro Tag zurück. 50 % dieser Wege sind kürzer als 3 km.

Stadtverkehr Bezieht man in die Betrachtung der Mobilität mit ein, dass Menschen ca. 90 % ihrer Zeit in Gebäuden verbringen, so kann Verkehr als Bewegung zwischen Bauten beschrieben werden. Einer der häufigsten Wege ist der zwischen Wohnung und Arbeitsplatz (Abb. B 2.67). Am Beispiel von Hamburg lässt sich nachweisen, dass eine innerstädtische Wohnlage trotz der bis zu siebenfach höheren Kosten für ein Grundstück über eingesparte Mobilitätskosten wirtschaftlicher ist als eine gleichwertige Wohnlage im Umland (Abb B 2.68). Dieser Bezug kann als weitgehend allgemeingültig betrachtet werden. Hinzu treten Einsparungen durch eine ggf. geringere Anzahl zu betreibender Autos oder den Zeitgewinn (bis zu Faktor fünf). Im energetischen Vergleich ist so z. B. ein Altbau mit einem Energieverbrauch von 200 kWh / m2a und 150 m2 Nutzfläche in etwa einem Passivhaus zuzüglich 10 000 km / a induziertem motorisierten Individualverkehr gleichwertig. Die Energiebilanz einer Familie kann in Städten bis zum Faktor vier geringer sein als im ländlichen Raum. Damit ist die beste Vermeidungsstrategie von Verkehr eine verdichtete Bauweise, gepaart mit einem lokalen Angebot an interessanten Plätzen, vielfältigen räumlichen Situationen und der Nähe von Bedarf und Angebot. Kurze Distanzen zu Einkauf, Schule, Arbeit, Erholung und anderen Funktionen ersparen Verkehr

und damit verbundenen Energieaufwand (Abb. B 2.69). In urbanen Räumen ist im Verhältnis zu ländlichen Siedlungen zum einen ein erhöhter Anteil an öffentlichem Personennahverkehr, zum anderen an rad- und fußläufiger Mobilität zu verzeichnen. Anreizsysteme können eine weitere Umschichtung des motorisierten Individualverkehrs auf die öffentlichen Verkehrsmittel leisten. Hierzu tragen insbesondere leichte Zugänglichkeit, enge Taktraten und subjektiv erhöhtes Sicherheitsempfinden bei. Für Quartiere lassen sich je nach Zugänglichkeit durch Individualverkehr unterschiedliche Quartiersformen bilden, die den Nutzer in seinem Verhalten mehr oder weniger stark einschränken (Abb. B 2.73). In der Standortwahl wird die gute ÖPNVAnbindung zu einem entscheidenden Faktor. In der Raumgestaltung treten die Aspekte der Über- und Einsichtlichkeit der entsprechenden Verkehrsknotenpunkte für Nutzer hinzu. Grundsätzlich werden dabei ebenerdige Situationen durch den Menschen positiver eingeschätzt (Abb. B 2.70 a – c). Eine helle Gestaltung der Räume insbesondere bei geringen Personenaufkommen und bei Nacht bieten für unterirdische Standorte einen gewissen Ausgleich. Letztere reduzieren den Verbrauch an nutzbaren Flächen im Stadtraum, benötigen allerdings einen hohen Energieeinsatz für Belüftung und Belichtung, soweit keine unmittelbare Licht- und Luftversorgung durch den

a

b

c

Transportarten ist auch ihre Klimawirkung. Der bei einer Verbrennung entstehende Wasserdampf ist z. B. in Bodennähe von geringer Bedeutung, in hochgelegenen atmosphärischen Schichten ausgestoßen, trägt er jedoch deutlich zum Klimawandel bei. So ist der Flugverkehr die mit Abstand klimabelastendste Transportform. Innerhalb des Stadtverkehrs wird zum Klimaschutz mitunter die Nutzung von Elektroautos gefördert, da sie im Stadtbereich weitgehend umweltneutral sind. Die Primärenergiebilanz und damit die Umweltwirkung lässt sich jedoch nur auf Basis der Energieerzeugung für den Strom bewerten.

B 2.70

79

Stadtraum und Infrastruktur

Regenwasser Schmutzwasser

Strom, Straßenbeleuchtung etc.

Regenwasserkanal

Telefon- und Datenleitungen

Straßenwasser

Fernheizung

Gas Hochdruckwasserleitung

Ferngasversorgung

Schmutzwasserkanal mit Kontrollschacht B 2.71

•

Schleifenstraße

•

verkehrsberuhigte Gestaltung

Einbahnstraße

•

unterdurchschnittlicher Besitz von KFZ pro Person, Anreize für Autofreiheit (z. B. speziellen Zugang zu ÖPNV, Car-Sharing)

eingeschränkter MIV-Verkehr, Tempo 30 km / h, Wohn- und Spielstraßen

Materialwechsel bei Fahrbahnen

eingeschränkte Parkflächen, zentrale Parkeinrichtungen (z. B. Tiefgaragen)

autofreies Quartier

MIV-freie Gestaltung

kein Besitz von KFZ, Anreize für alternative Transportmittel (z. B. Fahrräder)

Fußgängerzonen, Radwegeerschließung, Lieferverkehr frei

•

•

Profilverengung

•

•

optische Umgestaltung des Straßenraums

•

•

fahrdynamische Hindernisse

•

•

•

•

•

Aufpflasterung

•

•

Neuordnung des ruhenden Verkehrs

Parkflächen am Rand des Quartiers in Paletten oder Parkhäusern, spezielle Besucherparkplätze

•

Appell zur Rücksicht »positive Motivation«

•

Verringerung von Verkehrslärm

autoreduziertes Quartier

B 2.73

80

Sackgasse

mehr Bewegungsraum für Fußgänger

volle Bedarfsdeckung für Parkflächen, lokale Garagen

Maßnahme

mehr Sicherheit für Fußgänger und Kinder

Beispiel: Stadtrandgebiete und Umland

Verdeutlichung der Wohnfunktion

ungehinderter MIV-Verkehr, Tempo 50 km / h

Beispiel: GWL Terrain, Amsterdam (NL)

Verringerung der Geschwindigkeit

verkehrsgerechte Gestaltung

überdurchschnittlicher Besitz von KFZ pro Person, meist gesetzliche Förderung, hohe Anzahl Zweitwagen

Beispiel: Französisches Viertel, Tübingen (D)

Verdrängung von Fremdverkehr

autonormales Quartier

Ruhender Verkehr Mobilität ist immer auch mit Stillstand verknüpft. Ein Pkw wird im Durchschnitt nur zu ca. 1 % seiner Lebensdauer bewegt [1]. Pkw erzeugen neben dem Bedarf an Mobilitätsinfrastruktur einen hohen Raumbedarf durch Parkund Stellflächen. Der Flächenbedarf für Stell• angestrebte Wirkung • wahrscheinliche Wirkung • mögliche Wirkung

Straßengestaltung

Zunahme der MIV-Beschränkungen

Abnahmne des KFZ-Besitzes

Kfz-Besitz

Am Gebäude entstehen unter Berücksichtigung von Ausrichtung und Zugänglichkeit des Objekts zum Straßenraum sowie zur Lage und Gestaltung der Eingangsbereiche Flächen für den ruhenden Verkehr. Die Einrichtung von Fahrradstellplätzen, die möglichst kompakte Anordnung von Pkw-Stellplätzen sowie die Reduktion von Parkplätzen zugunsten einer Umlagerung auf ÖPNV unterstützen den Wechsel auf energieeffiziente Formen der Fortbewegung. Hierzu tragen auch Anreizsysteme wie z. B. integrierte ÖPNV-Tickets bei.

Verkehrsleitung

Straßenraum Innerhalb von Siedlungsgebieten belegen öffentliche Verkehrsbauwerke durchschnittlich 39 % der Flächen. Angesichts dieses hohen Flächenaufwands erscheinen Maßnahmen zur effizienten Flächennutzung, zur Verringerung des Flächenverbrauchs sowie zur Umwandlung gering genutzter Verkehrsflächen sinnvoll (Abb. B 2.72). Durch verschiedene Verkehrsformen entstehen innerhalb des Straßenraums unterschiedliche Bewegungsgeschwindigkeiten. Diese können sich gegenseitig behindern oder Gefahren-

B 2.72

potenziale darstellen. Die Sicherheit kann durch das Angleichen der verschiedenen Geschwindigkeiten oder die Trennung der Verkehrsformen erhöht werden. Letzteres ist allerdings mit erheblichem Flächenaufwand verbunden und kann einen Verlust urbaner Qualitäten bewirken. Durch entsprechende Gestaltungsmaßnahmen wird bei Geschwindigkeitsübergängen eine erhöhte Aufmerksamkeit des Verkehrsteilnehmers erzielt. Die Entschleunigung des Raumverkehrs, z. B. eine verkehrsberuhigte Platzgestaltung, trägt gleichzeitig zur Erhöhung der Aufenthaltsqualität im Straßenraum bei (Abb. B 2.73). Schnell und dicht fließender Verkehr erzeugt negative Wirkungen auf das soziale Umfeld. Mit der Zunahme segregierender Verkehrsströme geht nachweislich die Abnahme lokaler Kontakte von Anwohnern einher.

Detailgestaltung

Außenraum herstellbar ist (Abb. B 2.71). Zur Erschließung der näheren Umgebung sollten attraktive Fuß- und Radwege mit einer sicheren, vorrangigen Wegführung und leicht erreichbaren Fahrradabstellplätzen in einem Mobilitätskonzept vorgesehen werden.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

B 2.74

Stadtraum und Infrastruktur

B 2.71 B 2.72 B 2.73 B 2.74 B 2.75

B 2.76 B 2.77 B 2.78

natürliche Belichtung in der Stadtbahnstation Rathaus-Süd, Bochum (D) 2006, Pahl + Weber-Pahl schematischer Schnitt durch einen Straßenraum Abhängigkeiten von Kfz-Besitz, Stellplatzbedarf und Nutzereinschränkung Maßnahmen und Wirkungen im Straßenverkehr schematische Darstellung der Tiefgaragen eines Verwaltunggebäudes, Wiesbaden (D) 2001, Thomas Herzog Luftbild der Innenstadt von Houston, Texas (USA) Flächenbedarf verschiedener Stellplatzsituationen schematische Darstellung verschiedener Parksysteme: a Parksafe b Flurparker c Doppelparker d Tripelparker

Luftströmung warme Luft Solarstrahlung

B 2.76

B 2.75

plätze aller in Deutschland angemeldeten Pkw entspricht etwa 20 % der deutschen Wohnfläche. Dies erzeugt bei ebenerdigen Parkmöglichkeiten Konflikte zwischen hochwertiger Nutzung und niederwertigem Parkraum (Abb. B 2.76). Daher sind in diesem Zusammenhang besonders flächensparende Parkmöglichkeiten zu bedenken: • Parkflächen: Über die Anordnung der Stellplätze lässt sich der notwendige Flächenbedarf um bis zu 35 % reduzieren (Abb. B 2.77). Im Wohnbereich besteht über so genannte Doppelund Dreifachparker die Möglichkeit, die Stellplatzfläche zu reduzieren. Die höhenverstellbaren Plattformen benötigen als Doppelparker dazu eine Stellplatzhöhe von 3,50 bis 4,95 m. • Hochgaragen: Durch die Stapelung von Stellplatzflächen kann der Flächenbedarf im Stadtraum verringert werden. Die Fahrerschließung benötigt jedoch nochmals etwa die gleiche Fläche wie der Stellplatz selbst (Abb. B 2.78). In Wohngebieten tragen Quartiersgaragen in Form von Hoch- oder Tiefgaragen dazu bei, den öffentlichen Raum vom Verkehr zu entlasten, schaffen zusätzliche Treffpunkte in einem Quartier (soziale Wirkung) und bewirken ein hohes Sicherheitsempfinden bei den Nutzern. • Tiefgaragen: Tiefgaragen sind in Bau und Betrieb besonders aufwendig. Mit dauerhaft notwendiger, künstlicher Belichtung und Belüftung kann ihr Energiebedarf über dem Heizwärmebedarf eines Gebäudes liegen. Natürliche Belichtung und Belüftung müssen daher entsprechend berücksichtigt werden, zumal sie zugleich das Sicherheitsempfinden der Benutzer positiv beeinflussen (Abb. B 2.74). Im Gegenzug ermöglicht ihre unterirdische Lage ein erhöhtes Angebot an hochwertigen, ebenerdigen Nutzflächen in dichter Bebauung. • automatische Parksysteme: Sie basieren auf dem Grundprinzip, Autos wie in einem Regal im Stadtraum mechanisch abzustellen, was oberirdisch, unterirdisch oder gebäudeintegriert geschehen

kann. Da die Stellplätze keine Fahrerschließung benötigen, ergibt sich gegenüber direkt anfahrbaren Stellplätzen ein deutlich verringerter Flächen- und Raumbedarf, allerdings bei erhöhten Betriebskosten (Abb. B 2.78). Energetisch stellen parkende Autos unausgelastete Kraftwerke mit äußerst geringem Wirkungsgrad für die Fortbewegung (ca. 18 %) dar. Der Deutsche Pkw-Bestand verfügt mit ca. 46 Mio. Fahrzeugen und einer geschätzten durchschnittlichen Motorleitung von 60 kW über eine mechanische Leistung von 2,8 Terrawatt. Als motorgetriebene Objekte beinhalten sie prinzipiell alle notwendigen Bestandteile für eine dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung. Bei einer jährlichen Standzeit von ca. 8600 Stunden könnten damit 24 000 TWh Strom erzeugt werden. Die Bruttostromerzeugung in Deutschland beträgt etwa 550 TWh, was ca. 2 % dieses theoretischen Potenzials entspricht. Zudem entstünde bei diesem Prozess Wärmeenergie in Höhe von ca. 50 000 TWh, was dem ca. 20-fachen des jährlichen Endenergiebedarfs oder dem 575-fachen der jährlichen Fernwärmeerzeugung in Deutschland entspricht. Anmerkungen: [1] Knoflacher, Herrmann: Stehzeuge. Wien / Köln / Weimar 2001 [2] Hauff, Volker: Unsere gemeinsame Zukunft. Der Brundtland Bericht der Weltkommission für Umwelt und Entwicklung. Greven 1987 [3] Mehr Wert für die Fläche: Das »Ziel-30-ha« für die Nachhaltigkeit in Stadt und Land. Rat für Nachhaltige Entwicklung (Hrsg.). Berlin 2004 [4] Energiewirtschaftliche Planung für die Netzintegration von Windenergie in Deutschland an Land und Offshore bis zum Jahr 2020 (denaNetzstudie). Deutsche Energieagentur (Hrsg.). Köln 2005 [5] Meyer, Franz: Kältespeicher in großen Kältenetzen. In: Projektinfo 10/05. Bine Informationsdienst 2005 [6] Wasser-Wissen, RWE AG [7] Steigerung der Energieeffizienz von Kläranlagen. Vortrag zum BMU / UBA Fachgespräch Energieeffizienz auf Kläranlagen, Ingenieurberatung für Abwassertechnik Bernd Haberkern. Bonn 2007 [8] Steierwald, Gerd: Stadtverkehrsplanung. Berlin / Heidelberg / New York 2005 [9] Tully, Claus J.; Baier, Dirk: Mobiler Alltag – Mobilität zwischen Option und Zwang. Vom Zusammenspiel biographischer Motive und sozialer Vorgaben. Wiesbaden 2006

mögl. Stellplatzanzahl auf 100 Weglänge

34

40

68

80

mögl. Stellplatzanzahl auf 100 m 2 Fläche

4,4

3,2

4,4

5

Flächenbe22,5 darf pro Stellplatz inkl. Erschl. m 2

30,8

22,5

20

B 2.77

a

Querschnitt

Längsschnitt

b

Querschnitt

Längsschnitt

c

Querschnitt

d Querschnitt

B 2.78

81

Gebäudehülle

B 3.1

B 3.1

B 3.2

82

semitransparente Solarzellen in der Fassade, Seilbahnstation, Lech am Arlberg (A) 2002, Hans Riemelmoser Gebäudehülle: Einflussfaktoren, Eigenschaften und Funktionen

Die Hülle eines Gebäudes definiert die Trennung zwischen innen und außen, sie prägt das äußere Erscheinungsbild des Bauwerks und kommuniziert mit ihrem Umfeld. In der Entwicklungsgeschichte der Gebäudehülle stehen daher gestaltprägende Merkmale, Proportion, Materialität und kulturelle Bedeutungen im Vordergrund. Ihr funktionaler Nutzen besteht primär darin, das Bauwerk vor Wind, Niederschlag und Sonneneinstrahlung zu schützen. Mit zunehmenden Behaglichkeitsanforderungen übernimmt die Gebäudehülle jedoch auch eine komplexere klimaregulierende Funktion. Durch die steigende Bedeutung des Energieverbrauchs von Bauwerken rückt die Gebäudehülle – und hierbei besonders die Fassade – verstärkt in den Mittelpunkt gestalterischer und technischer Überlegungen. Die Außenflächen eines Bauwerks prägen wesentlich dessen energetisches Verhalten. Das gilt sowohl für die Optimierung des Wärmetransports zwischen innen und außen als auch für die dezentrale Energieerzeugung über die Gebäudehülle (Abb. B 3.1). Parallel hierzu nimmt das Bewusstsein einer nachhaltigen Verwendung von Ressourcen zu. Die Wahl der Hüllmaterialien definiert in erheblichem Maße sowohl den Energieaufwand für die Erstellung des Gebäudes als auch die Folgeaufwendungen, z. B. für Betriebsenergie, Reinigung oder Instandhaltung (siehe Material, S. 165). Weitere Aspekte der Nachhaltigkeit sind Lärm- und Sichtschutz, die Dauerhaftigkeit der Materialien und die Rückbaufähigkeit.

Nutzung Aufgabe der Gebäudehülle ist es, für die jeweilige Nutzung sichere, gesunde und behagliche Innenraumverhältnisse zu schaffen, wobei sich die Rahmenbedingungen zum Teil erheblich unterscheiden. Für Wohngebäude bestehen prinzipiell andere Anforderungen als für Büroräume oder Museen, Theaterräume und Produktionshallen. Allein aufgrund der Nutzung können rechtliche Vorgaben, z. B. ein hoher Luftaustausch oder Beleuchtungsstärken, eine entsprechende Ausbildung der Gebäudehülle bewirken. Die angestrebte Behaglichkeit umschreibt eine subjektive Wahrnehmung, die von einer Vielzahl unterschiedlicher Einflussfaktoren bestimmt wird (siehe Grundlagen, S. 55). Bei allen Überlegungen zur Energieoptimierung von Gebäudehüllen sind die nutzerspezifischen Anforderungen sowohl elementare Bedingung als auch zugleich Ziel. Ein tragfähiges Konzept beinhaltet die Synthese aller relevanten Parameter und stellt den Nutzer in den Mittelpunkt der Betrachtung. Gerade bei Gebäuden, deren Energiekonzept auf ein enges Zusammenwirken mit den äußeren Einflüssen basiert, ist es erforderlich und auch zulässig, die subjektiven Anforderungen des Nutzers zu hinterfragen. So ist eine zeitlich begrenzte Abweichung von den idealen Kennwerten oftmals sinnvoll, wenn dadurch die unterstützende Klimatechnik reduziert werden kann. Zudem stellen statische, unabhängig vom Wetter herrschende Innenraumbedingungen nicht zwingend ein Optimum für das menschliche Wohlbefinden dar.

Entwurfsbestimmende Faktoren

Klimatische Aspekte In der frühen baugeschichtlichen Entwicklung haben sich in den unterschiedlichen Klimazonen der Erde Bauformen und Konstruktionen entwickelt, die in engem Zusammenhang mit den ortsspezifischen klimatischen Gegebenheiten stehen. Im Gegensatz dazu ist die Architektur des »International Style« vielfach dadurch geprägt, dass umfangreiche technische Systeme die gewünschten Innenraumbedingungen an jedem beliebigen Standort mit entsprechendem energetischen Aufwand gewährleisten. Die Planung energieeffizienter Gebäude erfordert einen sensiblen Umgang mit den spezifi-

An die Gebäudehülle als energetische Schnittstelle zwischen Umweltbedingungen und raumklimatischen Bedürfnissen der Nutzer werden zahlreiche Anforderungen gestellt (Abb. B 3.2). Die daraus abzuleitenden Aufgaben führen in vielen Fällen zu Zielkonflikten, wie z. B. zwischen Ausblick, Tageslichtnutzung und Sonnenschutz. Neben gestalterischen Vorstellungen und ökonomischen Kriterien unterliegt die Entwicklung von Gebäudehüllen komplexen Bedingungen, die jeweils objektspezifisch zu optimieren sind. Allgemein lassen sich hierfür folgende Themenfelder beschreiben:

Gebäudehülle

schen makro- und mikroklimatischen Bedingungen. Neben Einsparungen bei technischen Systemen und reduziertem Energiebedarf steht insbesondere die erhöhte Behaglichkeit im Mittelpunkt. Die technischen und materialbezogenen Eigenschaften der Außenflächen übernehmen dabei eine Schlüsselfunktion. Eine genaue Analyse der klimatischen Kennwerte ist daher eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung einer standortgerechten Gebäudehülle. Konstruktion Die Ausbildung der Hülle kann durch die Art der Gebäudekonstruktion beeinflusst sein. Hierbei ist entscheidend, ob die Außenhaut eine tragende Funktion übernimmt oder ob sie frei von primären statischen Anforderungen ist. Materialwahl und Konstruktion bedingen sich dementsprechend gegenseitig. Überwiegen im Wohnungsbau weitgehend massive Außenwände mit klimaregulierender Wirkung, sind bei vielen zeitgenössischen Verwaltungsgebäuden Trag- und Hüllfunktion getrennt, oftmals in Verbindung mit großflächiger Verwendung von Glas. Transparente Flächen bedürfen besonderer Sorgfalt bei der Planung, weil sie in der Regel vielfältige Funktionen zu erfüllen haben und unerwünschte Nebenwirkungen entfalten können. Um diese zu bewältigen, sind sie daher meist ergänzt durch unterstützende Systeme wie öffenbare Elemente, Sonnenschutz, Blendschutz etc.

Ein zunehmend wichtiger Aspekt ist die Integration dezentraler Haustechnik in die Gebäudehülle. Hier steht inzwischen eine umfangreiche Auswahl zur Verfügung, die von Stellmotoren für die automatische Nachtluftkühlung über vollautomatisch regulierte Sonnenschutzsysteme bis hin zu Fassadenlüftungsgeräten und aktiven Solarelementen reicht. Hierbei sind unterschiedliche Dauerhaftigkeiten von Hüllsystemen und technischen Komponenten zu beachten. Eine nachträgliche Verbesserung der energetischen Eigenschaften ist bei der Gebäudehülle zudem mit hohem Aufwand verbunden. Es macht deshalb Sinn, bei Neubauwie Sanierungsmaßnahmen die weitere Entwicklung von Komfortansprüchen und der Energiebereitstellung abzuschätzen und möglichst entsprechend hohe Standards zu realisieren. Rechtliche Anforderungen Die Planung wird zunehmend durch rechtliche Grundlagen beeinflusst. Zahlreiche Dokumente beinhalten Vorgaben und Empfehlungen bezüglich der energetischen Eigenschaften der Gebäudehülle. Die entsprechenden Gesetze werden von Bundes- oder Landesregierungen erlassen und bilden oftmals die Grundlage für darauf aufbauende Verordnungen oder Richtlinien. Verordnungen dienen der Präzisierung von Gesetzen und verweisen zudem auf zahlreiche Normen. Ein Beispiel für Deutschland ist

äußere Einflussfaktoren

Gebäudehülle

hier die Energieeinsparverordnung (EnEV), die auf dem Gesetz zur Einsparung von Energie in Gebäuden (EnEG) basiert und konkrete Vorgaben zum maximal zulässigen Primärenergiebedarf von Gebäuden umfasst (siehe Strategien, S. 183). Die für die Gebäudehülle wesentlichen gesetzlichen Regelungen sind im Anhang aufgeführt (siehe S. 268) Historische Entwicklung

In warmen Klimazonen wurden Bauten von Beginn an konstruktiv in Tragwerk (z. B. Holzstützen) und Gebäudehülle (z. B. Tierfelle) aufgeteilt. In den gemäßigten und kalten Klimazonen überwogen demgegenüber massive Außenwände, die zugleich statische Funktionen übernahmen (z. B. Mauerwerk). Diese beeinflussten durch konstruktiv bedingte kleine Öffnungen und ihre hohe Speichermasse maßgeblich das Innenraumklima. Insbesondere Naturwissenschaftler trugen im 19. Jahrhundert über bauphysikalische Erklärungen der Funktionsweise von Gebäudehüllen zur weiteren Entwicklung bei. Der Franzose Jean Fourier stellte um 1820 eine Theorie über die Wärmeleitung in festen Körpern auf und prägte mit den Begriffen »Wärmefluss«, »Temperaturgefälle« und »Wärmeleitfähigkeit« unseren heutigen Sprachgebrauch. Im Jahre 1828 führte dann der ebenfalls aus Frankreich stammende Physiker Jean Claude Eugène Péclet den k-Wert (heute U-Wert in W / m2K, siehe

innere Einflussfaktoren

Licht

Eigenschaften

thermisch

Solarstrahlungsintensität Solarstrahlungswinkel Beleuchtungsstärke Horizont umgebende Bebauung Vegetation

Transparenz Transluzenz Opazität Wärmeleitfähigkeit Gesamtenergiedurchlassgrad Gewicht Schalldämmmaß Speicherfähigkeit Dampfdiffusionswiderstand

Raumlufttemperatur mitt. Raumumschließungstemperatur Oberflächentemperaturen Zulufttemperatur Zuluftgeschwindigkeit Raumluftfeuchte, Zuluftfeuchte Luftbewegung

Luft

akustisch Lufttemperatur Luftfeuchtigkeit Luftgeschwindigkeit Windrichtung Luftqualität Schall Niederschlag Erde Erdreichtemperatur Erdreichfeuchtigkeit Erdreichspeichermasse

Schutzfunktionen Wasserschutz Windschutz winterlicher Wärmeschutz sommerlicher Wärmeschutz Sonnenschutz Blendschutz Lärmschutz Sichtschutz Einbruchschutz

Versorgungsfunktionen Beleuchtung Belüftung Ausblick Einblick passive Wärmegewinne aktive Wärmegewinne solare Stromgewinne

Geräuschpegel Schallbelastung Nachhallzeiten

visuell Direktstrahlung Lichtwinkel Beleuchtungsstärke Leuchtdichteverteilung Kontrast, Blendung Tageslichtquotient Tageslichtautonomie Farbwiedergabe, Außenbezug Ausblick olfaktorisch Luftwechsel Luftqualität B 3.2

83

Gebäudehülle

1800 • Einführung der Begriffe Wärmefluss, Temperaturgefälle und Wärmeleitfähigkeit • Einführung des k-Werts als Kennwert für die Wärmeleitfähigkeit (heute U-Wert)

1850 • Kristallpalast in London (GB) • Einführung des Begriffs Wärmeverlust durch Transmission und Lüftung • Patent für Isolierverglasung • erste solare Luftkollektorfassade (USA) 1900

• erste Doppelfassade: Produktionshalle Steiff (D) • Patent für Dämmelemente aus Kork • erste vorgehängte Glasfassade Halladie Building, San Francisco (USA) • Marktreife von Isolierglas • Erfindung des Sonnenschutzglases

1950

• Entwicklung von mineralischen Dämmstoffen • Entwicklung Wärmedämmverbundsystem • Einführung des Begriffs Bauphysik • Entwicklung der Trombewand • Passivhaus • Plusenergiehaus

2000 B 3.3

Material, S. 150, Abb. B 5.12) als Koeffizient für die Durchlässigkeit von Wärme eines Körpers ein [1]. Im energetischen Sinn besteht die Gebäudehülle im einfachsten Fall aus sechs Flächen. Diese sind entsprechend ihrer jeweiligen inneren und äußeren Anforderungen differenziert zu betrachten. Waren Dach und Bodenplatte fast ausschließlich funktional bestimmt, wurde die Fassade als »kommunizierendes« System schon immer auch unter gestalterischen Gesichtspunkten entwickelt. Für die europäische Architektur waren in diesem Zusammenhang vor allem die Entwicklungen in der Glastechnologie und Eisenherstellung von Bedeutung. Bereits Mitte des 19. Jahrhunderts entstand mit dem Kristallpalast in London einer der Höhepunkte der Glasarchitektur. Fast zeitgleich wurde in den USA das erste Patent für Isolierverglasungen erteilt. Auch vielfach unbeachtete Teile der Gebäudehülle sind in diesem Zusammenhang von großer Bedeutung: die Flächen gegen Erdreich. Für die Außenwirkung unbedeutend, übernehmen sie in der Wärmebilanz eines Bauwerks eine wichtige Funktion. Im Sinne der thermischen Behaglichkeit wurde der Wärmeschutz über Außenwände schon im 19. Jahrhundert thematisiert. Die bauphysikalische Funktion als Bauteilschutz wurde mit der Entwicklung mehrschichtiger Gebäudehüllen aus unterschiedlichen Materialien relevant. Erst später erhielten im Zusammenhang mit dem Energieverbrauch wirtschaftliche und dann auch ökologische Aspekte ihren heutigen Stellenwert (Abb. B 3.3). Das 20. Jahrhundert Die Architekturentwicklung zu Beginn des 20. Jahrhunderts war geprägt durch das Streben nach filigranen Konstruktionen und dem großflächigen Einsatz von Glas, wie es z. B. Walter Gropius bei den Fagus-Werken eindrucksvoll demonstrierte (Abb. B 3.4) und Ludwig Mies van der Rohe in seiner Vision für ein gläsernes Hochhaus in Berlin formulierte. Eine differenzierte Betrachtung der Gebäudehülle wurde Anfang des 20. Jahrhunderts durch den Ingenieur Ludwig Dietz ermöglicht, der für mehrschichtige und inhomogene Bauteile einen mittleren k-Wert definierte [1]. Das Stre-

B 3.4

84

B 3.5

ben nach großflächigen Verglasungen zur Optimierung der Tageslichtverhältnisse im Innenraum bewirkte aufgrund der damals unzureichenden physikalischen Eigenschaften der Verglasung jedoch überwiegend eine Verschlechterung der thermischen Behaglichkeit. Zudem führten hohe Transmissionswärmeverluste in der Heizperiode und übermäßige Wärmeeintragungen im Sommer zu hohem Energieverbrauch. Die unzureichend gedämmten opaken Außenbauteile trugen zusätzlich zum hohen Heizwärmedarf bei. Als Folge daraus wurde in den 1970er-Jahren in Deutschland das »Gesetz zur Einsparung von Energie in Gebäuden (EnEG)« verabschiedet. Dies war die Grundlage für die 1977 inkraftgetretene Wärmeschutzverordnung (WSVO), in der erstmals verbindlich definierte maximale k-Werte für Außenbauteile beheizter Gebäude gefordert wurden. Parallel hierzu rückte der Wunsch wieder ins Blickfeld, die Energie der Sonne verstärkt für die Raumbeheizung heranzuziehen. Die elementaren Regeln zur passiven Nutzung der Solarstrahlung mündeten im Wohnungsbau der 1980er-Jahre in eine Epoche von Experimentalbauten, die, nach Süden orientiert und mit hohem Verglasungsanteil und Speichermasse ausgestattet, den Begriff »Solararchitektur« manifestierten. Es zeigte sich jedoch bald, dass eine Maximierung der passiven Solargewinne allein nicht die gewünschten Ergebnisse erzielte. Deutlich größere Erfolge verzeichneten Maßnahmen zur Minimierung der Wärmeverluste durch die Gebäudehülle, die schließlich den Heizwärmebedarf zum kleinsten Posten in der Nutzenergiebilanz schrumpfen ließen, wie es z. B. beim ersten Passivhaus in Deutschland bereits zu Beginn der 1990er-Jahre demonstriert wurde (Abb. B 3.5). Aktuelle Tendenzen Parallel zu den realisierten Forschungsbauten wurden bereits seit den 1980er-Jahren Softwareprogramme entwickelt, die von der Erstellung einfacher Energiebilanzen bis zur komplexen Energie- und Strömungssimulation den gesamten Entwicklungsprozess begleiten und beeinflussen können. Wärmeleitung, -strahlung und -konvektion sind dreidimensional und mit

B 3.6

Gebäudehülle

mehreren Zonen abbildbar, unter Berücksichtigung dynamischer Veränderungen der äußeren und inneren Randbedingungen. Dies hat entscheidend dazu beigetragen, das thermodynamische System »Gebäudehülle« mit hoher Planungssicherheit entwickeln und gestalten zu können (Abb. B 3.6). Eine besondere Bedeutung erlangen diese Möglichkeiten bei energetischen Sanierungsmaßnahmen im Gebäudebestand, für die erheblicher Nachholbedarf besteht. Die energetische Verbesserung bestehender Gebäudehüllen stellt im Sinne einer nachhaltigen Entwicklung eine herausragende Aufgabe dar. Hier ist kurzfristig das größte Einsparpotenzial erschließbar, da wenige Neubauten einer große Masse an Bestandsgebäuden gegenüberstehen, die maßgeblich den Energiebedarf der nächsten Jahrzehnte bestimmen wird. (siehe Stadtraum und Infrastruktur, S. 63, Abb. B 2.2)

Ziel

Teilziel

Wärme erhalten und gewinnen

Konzept

Flächenoptimierung und Hüllengeometrie

Kompaktheit, Zonierung, thermische Hülle

Wärmedämmung opaker Bauteile

Materialwahl, Dämmung, Wärmebrücken

Wärmedämmung transparenter Bauteile

Verglasungsanteil, Glasqualität

passive Nutzung der Solarstrahlung

Pufferzonen, TWD, Speichermasse

Minimierung der Lüftungswärmeverluste

Energieeffiziente Gebäudehüllen

Eine energieeffiziente Planung der Gebäudehülle zeichnet sich dadurch aus, dass die geforderten klimatischen Innenraumbedingungen ganzjährig mit geringem Energiebedarf und möglichst weitgehend ohne aufwendige Energieversorgungstechnik sicherzustellen sind. Sie setzt eine genaue Analyse der klimatischen Rahmenbedingungen und des Nutzungsprofils im Zusammenspiel aller o. g. Teilaspekte voraus. Eine energetisch optimierte Gebäudehülle verfügt über eine maximierte passive Leistungsfähigkeit und stellt somit die Basis zukunftsfähiger Energiekonzepte dar. Darüber hinaus kann sie durch eine Integration aktiver Solartechnologie einen wichtigen Beitrag zur Energieversorgung des Gebäudes leisten. Die Gebäudehülle ist daher auch in enger Verflechtung mit der Energieversorgungstechnik zu entwickeln. Für eine energieeffiziente Planung von Gebäudehüllen steht heute eine große Anzahl von Materialien, Hüllsystemen und Technologien zur Verfügung. Angelehnt an die zehn Bausteine des energieoptimierten Bauens (siehe Grundlagen, S. 61) sind im Folgenden die einzelnen Ziele, Konzepte und Maßnahmen erläutert (Abb. B 3.7). Diese gliedern sich nach den fünf Energiethemen – Wärme, Kälte, Licht, Luft, Strom – und geben somit einen strukturierten Überblick zu den prinzipiell möglichen Optimierungsansätzen.

B 3.3 B 3.4 B 3.5 B 3.6 B 3.7

energetisch relevante Aspekte der Gebäudehülle im zeitlichen Kontext Fagus-Werke, Alfeld / Leine (D) 1911, Walter Gropius erstes Passivhaus in Deutschland, Darmstadt (D) 1991, Bott, Ridder, Westermeyer Wohngebäude Mühlheim (D) 2005, Pfeifer Roser Kuhn Ziele, Konzepte und Maßnahmen zur energetischen Optimierung von Gebäudehüllen

aktive solarthermische Energiegewinnung

Reduktion der Wärmetransmission

Überhitzung vermeiden

Reduktion der solaren Einstrahlung

Speichermasse und Lüftung

Gebäudehülle optimieren

Maßnahmen

Luftwechselrate, Wärmerückgewinnung, Luftvorerwärmung, Luftdichtheit Dachkollektor, Fassadenkollektor

Wärmedämmung, Oberflächentemperatur, Phasenverschiebung konstruktive Maßnahmen, Spezialverglasungen, Sonnenschutzsysteme thermische Entspeicherung, Luftvorkonditionierung

freie Lüftung

Fensterlüftung, Windnutzung, thermischer Auftrieb

maschinelle Fassadenlüftung

Brüstungselemente Unterflurkonvektoren Zargenlüftung

dezentral Lüften

geometrische Optimierung

Baukörper- und Raumgeometrie, Verglasungsanteil, Verglasungsanordnung

Tageslicht nutzen

Strom gewinnen

Tageslichtsysteme

Transparenz, Transluzenz, Reflexion, Umlenkung, Lichtstreuung, Lichttransport

Gebäudehüllen mit Photovoltaik

Photovoltaikfassade, Photovoltaikdach, solarer Sonnenschutz

Solartechnik und Gebäudehülle

Solartechnik und Entwurfskonzeption

Entflechtung, Verflechtung, Verschmelzung

Addition, Integration, Adaption B 3.7

85

Gebäudehülle

Heizwärmebedarf

Transmissionswärmeverluste

z.B. aktive Nutzung der Solarstrahlung

Dämmung opaker Bauteile Dämmung transparenter Bauteile

passive solare Gewinne

Lüftungswärmeverluste

interne Gewinne

Gewinne

Verluste Möglichkeiten der Einflussnahme durch die Gebäudehülle

B 3.8

UDach H'T

= flächengewichtete mittlere Wärmeleitfähigkeit der Gebäudehülle [W / m2K]

U

= bauteilspezifische Wärmeleitfähigkeit [W / m2K]

UVerglasung

UAußenwand

UBoden

H'T=

A

= Bauteilfläche [m2]

Fxi

= Korrekturfaktor (siehe Abb. B 3.13)

WBZ = bauteilspezifischer Wärmebrückenzuschlag [W / m2K]

ht A

H'T = Σ (U· A ·Fxi ) +WBZ · A

Primärenergiebedarf [kWh / m2 a]

B 3.9 250

Altbau

200

150 EnEV

100

50

Passivhaus

0 0,2

0,4

0,6

0,8 0,9 1,0 A/V-Verhältnis [1/m]

B 3.10

Gebäudevolumen

86

beheiztes Volumen B 3.11

Wärme erhalten und gewinnen Besonders in gemäßigten und kalten Zonen der Erde ist es erforderlich, bei niedrigen Außentemperaturen durch geeignete Maßnahmen behagliche Innenraumbedingungen sicherzustellen. Vorrangiges Ziel ist, durch eine optimierte Hülle die im Gebäude vorhandene Wärme möglichst weitgehend zu erhalten. Zur Analyse des Wärmeflusses kann eine Wärmebilanz für das Gebäude erstellt werden. Sie dokumentiert das Verhältnis von Wärmeverlusten und -gewinnen über den Nutzungszeitraum eines Jahres (Abb. B 3.8). Bei den Verlustfaktoren wird unterschieden zwischen Transmissions- und Lüftungswärmeverlusten. Auf der Gewinnseite sind die internen Wärmequellen (Abwärme durch Beleuchtung, Personen und elektrische Geräte) sowie der Energieeintrag durch die Solarstrahlung über transparente Hüllflächen verzeichnet (passive Nutzung der Solarstrahlung). Die Gebäudehülle sollte mit ihren Eigenschaften dazu beitragen, diese Bilanz möglichst ausgeglichen zu gestalten. Die Differenz dieser Bilanzposten bestimmt den erforderlichen Heizwärmebedarf, der über Gebäudetechnik zugeführt werden muss. Dieser bildet die Grundlage für die Berechnung des Primärenergiebedarfs im Sinne der Energieeinsparverordnung (siehe Strategien, S. 185, Abb. B 6.26). Da die internen Wärmequellen vor allem durch die Nutzungsart bestimmt werden, liegt in der Minimierung der Verluste und der Maximierung der Solargewinne das Optimierungspotenzial der Gebäudehülle. Als Zielgröße (oder Kennwert) zur Bewertung der passiven thermischen Leistungsfähigkeit des Gebäudes über seine Hülle kann der mittlere Wärmedurchlasswiderstand der wärmeübertragenden Umschließungsflächen H'T in W / m2K dienen (Abb. B 3.9). Er gibt Aufschluss über die Größe der zu erwartenden Transmissionswärmeverluste. Ergänzend stellt auch die Außenluftversorgung bei niedrigen Lufttemperaturen einen Verlustfaktor dar, der mit zunehmender Luftwechselrate an Bedeutung gewinnt. Schließlich dokumentiert der Verglasungsanteil in Abhängigkeit von der Orientierung das mögliche Potenzial für die passive Nutzung der Solarstrahlung. Neben dem direkten thermischen Energiefluss über die Gebäudehülle gewinnen zunehmend aktive solarthermische Systeme zur Wärmeversorgung an Bedeutung. Hierfür eignen sich Bauteile der Gebäudehülle in besonderem Maße (siehe S. 93). Zur Verbesserung des winterlichen Wärmeverhaltens der Gebäudehülle sind folgende Elemente aufeinander abzustimmen: • • • • • •

Flächenoptimierung und Hüllengeometrie Wärmedämmung opaker Bauteile Wärmedämmung transparenter Bauteile passive Nutzung der Solarstrahlung Minimierung der Lüftungswärmeverluste aktive solarthermische Energiegewinnung

Flächenoptimierung und Hüllengeometrie

Bereits in der Vorentwurfsphase werden insbesondere mit der Gebäudeform und der Anordnung der Nutzflächen entscheidende Kriterien für eine energetische Optimierung festgelegt. Kompaktheit Die Formfindung eines Baukörpers hat einen wesentlichen Einfluss auf dessen Energiebedarf. Die Größe des Gebäudevolumens ist in der Regel weitgehend vom Raumprogramm und von wirtschaftlichen Erwägungen bestimmt. Zudem sind meist bau- und planungsrechtliche Vorgaben bezüglich der Grundflächenzahl (GRZ) und der Geschossflächenzahl (GFZ) zu beachten, die das zulässige Gesamtvolumen definieren. Bei der Gestaltung der Hüllfläche bestehen jedoch in der Regel Spielräume. Unterschiedlich große Gebäudehüllflächen wirken sich unmittelbar auf die Wärmeverluste aus: Je geringer die erforderliche Hüllfläche bei vorgegebenem Volumen ist, desto geringer ist auch der Heizwärmebedarf des Gebäudes. Umgekehrt gilt: Je größer die Hüllfläche bei vorgegebenem Volumen ist, desto stärker ist der erforderliche bauliche Wärmeschutz zu dimensionieren. Dieser Zusammenhang wird am Entwurf visuell unmittelbar ablesbar. Er kann über das Maß der Kompaktheit quantifiziert werden. Als Größe zur Bewertung der Kompaktheit wird das Verhältnis von wärmeübertragender Umfassungsfläche (A) zum beheizten Gebäudevolumen (V) angegeben (»A / V-Verhältnis«, auch »Formfaktor«). In geometrischer Hinsicht stellt die Kugel die Idealform dar, als orthogonale Struktur der Würfel. Abweichungen von diesen optimalen Formen erzeugen Unterschiede hinsichtlich des Wärmebedarfs eines Gebäudes (Abb. B 3.10). Unbeheizte Erschließungszonen, Abstell- und Lagerräume, Garagen etc. zählen nicht zum beheizten Volumen und müssen daher thermisch abgegrenzt werden. Aus energetischer Sicht ist daher nicht die Kompaktheit des »Bruttovolumens«, sondern des beheizten Gebäudevolumens relevant (Abb. B 3.11). Eine geringe Fassadenfläche wirkt sich auch auf die Baukosten positiv aus. Das Streben nach hoher Kompaktheit findet seine Grenze, wo Tageslichtbedingungen und Sichtkontakte nach außen beeinträchtigt werden (siehe S. 102). Prinzipiell verbessert sich das Maß der Kompaktheit mit zunehmendem Gesamtvolumen. So entstehen bei großen Geschosswohnungsbauten deutlich geringere Transmissionswärmeverluste als bei frei stehenden Einfamilienhäusern mit gleicher Wohnfläche (siehe Stadtraum und Infrastruktur, S. 70, Abb. B 2.33). Thermische Zonierung Auch bei der Grundrissgestaltung lassen sich energetische Optimierungspotenziale über eine thermische Zonierung nutzen. Dies bedeutet, die Nutzflächen gezielt in Bereiche

Gebäudehülle

1

2

3

4

Bauteil

5 A1

A2

U1

U2 A U effektiv

effektiv=U Ueffektiv • 1

6 7 8 9

A1 A + U2• 2 A A

12

11

Temperatur-Korrekturfaktor [Fxi]

1 opake Decke gegen außen 2 opake Decke gegen unbeheizt 3 transparente Decke gegen außen

1,0 0,8 1,0

4 5 6 7 8 9

1,0 1,0 – – 0,5 0,6

transparente Wand gegen außen opake Wand gegen außen transparente Wand gegen Glasvorbau opake Wand gegen Glasvorbau opake Wand gegen unbeheizt opake Wand gegen Erdreich

10 Boden gegen Erdreich 11 Boden gegen unbeheizt 12 Boden gegen außen

10

0,6 0,6 1,0

B 3.12

mit unterschiedlichen Temperaturanforderungen zu gliedern. Hierbei sind die klimatischen Ausgangsbedingungen für unterschiedlich orientierte Flächen zu berücksichtigen. Dementsprechend ist es sinnvoll, Bereiche mit hohem Wärmebedarf auf der Südseite zu platzieren, niedrig- oder unbeheizte Flächen sowie Räume mit hohen internen Wärmelasten als Wärmepuffer an der Nordseite. Darüber hinaus kann durch eine gezielte Anordnung von Zonen ohne Wärmeanforderungen das Gebäude thermisch optimiert werden. Dies lässt sich sowohl mit unbeheizten Nebenräumen als auch insbesondere mit ergänzenden Hüllen aus Glas erreichen. Der klassische Wintergarten bewirkt diesen Effekt ebenso wie moderne Doppelfassaden oder Atrien. Übertragen auf einen größeren Maßstab können als konsequente Weiterentwicklung eigene Klimahüllen realisiert werden (siehe S. 92). Wärmedämmung opaker Bauteile

Die Höhe der Transmissionswärmeverluste opaker Gebäudehüllen wird maßgeblich von der Wärmeleitfähigkeit der das beheizte Volumen umfassenden Bauteile bestimmt. Diese ist abhängig von den spezifischen Eigenschaften der Materialien und dem konstruktiven Aufbau der entsprechenden Bauteile. Als Kennwert für die thermische Qualität eines Bauteils dient der Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert) in W / m2K. Er ist ein Maß für den Wärmefluss unter statischen Bedingungen und wird ermit-

B 3.13

telt als Wärmeleistung pro Quadratmeter Fläche bei einer Differenz von einem Kelvin zwischen den beiden Oberflächen des Bauteils, meist also zwischen innen und außen. Je geringer dieser Wert, desto besser verhält sich ein Bauteil in wärmetechnischer Hinsicht (siehe Material, S. 149). Bei hochwärmegedämmten Gebäuden, wie z. B. beim Passivhaus, sind für die opaken Bauteile im Mittel U-Werte < 0,15 W / m2K erforderlich. Bei der Planung ist zwischen unterschiedlichen Bauteilen und deren Anforderungen zu differenzieren. Da bei der energetischen Bewertung auch der Wärmeübergang vom Bauteil nach außen berücksichtigt wird, ergeben sich bei gleichen Wandaufbauten je nach Einbausituation (z. B. gegen Außenluft oder Erdreich) unterschiedliche Größen für den U-Wert (Abb. B 3.13). Außenwände Die Außenwände bilden in den meisten Fällen die größte Fläche der Gebäudehülle, deren Bedeutung mit der Höhe des Baukörpers zunimmt. Die thermische Qualität der opaken Außenwände hat daher einen großen Einfluss auf die Transmissionswärmeverluste des Gebäudes. Bei einschaligen massiven Außenwänden erreichen hochporöse Ziegel bereits materialspezifische Werte für die Wärmeleitfähigkeit ¬ bis 0,08 W / mK (Abb. B 3.14). Dadurch sind bei Wandstärken von 360 mm spezifische U-Werte bis ca. 0,2 W / m2K mögKonstruktionsmaterial

B 3.8 B 3.9 B 3.10 B 3.11 B 3.12 B 3.13

B 3.14 B 3.15

Wärmebilanz eines Gebäudes Ermittlung des mittleren Wärmedurchlasswiderstands H'T Einfluss der Kompaktheit eines Gebäudes auf den Primärenergiebedarf Kompaktheit und thermische Hülle Ermittlung des mittleren Wärmedurchlasswiderstands bei inhomogenen Bauteilen Übersicht über die energetisch zu differenzierenden Bauteile der Gebäudehülle mit Abminderungsfaktor Fx nach EnEV Wärmeleitfähigkeit ausgewählter Konstruktionsmaterialien Aufbau eines Wärmedämmverbundsystems (WDVS)

Wärmeleitfähigkeit λ [W / mK]

Holz Konstruktionsholz, Laubholz, ρ = 700 kg Konstruktionsholz, Nadelholz, ρ = 500 kg

0,18 0,13

mineralische Bindemittel Normalbeton, armiert (1 % Stahl) Leichtbeton mit Blähtonzuschlag, ρ = 500 kg Porenbeton, ρ = 500 kg Porenbeton, ρ = 350 kg, LM

2,30 0,16 0,16 0,09

Mauerwerk (inkl. Mörtelfugen) Kalksandstein, ρ = 1600 kg Vollziegel, ρ = 1600 kg Hochlochziegel, HLzW, ρ = 550 kg, LM Wärmedämmziegel, ρ ≤ 600 kg, Perlitefüllung, LM

0,79 0,68 0,27 0,08

Metall Baustahl, FE 360 BFN

lich. Alternativ sind bei der Kombination von tragendem Kalksandstein und dämmendem Porenbeton bei gleicher Wandstärke U-Werte bis ca. 0,12 W / m2K erreichbar. Auch massive Betonwände können in Blähbeton ausgeführt werden und erzielen bei einer Stärke von 40 cm U-Werte bis zu 0,3 W / m2K (Abb. B 3.16). Mit Verringerung der Wärmeleitfähigkeit reduziert sich jedoch auch die Tragfähigkeit von Bauteilen. In vielen Fällen sind die Anforderungen an Außenwände so hoch, dass ein monolithischer Aufbau bei vertretbarer Materialstärke keinen hinreichenden Wärmeschutz bietet. Bei einem mehrschichtigen Aufbau werden zusätzliche Wärmedämmschichten verwendet. Das Spektrum an geeigneten Materialien reicht von Naturprodukten wie Kork oder Hanf über Mineralwolle bis zu extrudierten Schäumen und Vakuumdämmungen. Die Wahl des richtigen Dämmstoffs hängt vom Einsatzbereich und von den spezifischen Anforderungen wie z. B. Druckfestigkeit, Feuchteresistenz oder Brandschutz ab (siehe Material, S. 151). In Abb. B 3.16–23 sind unterschiedliche Wandaufbauten beispielhaft gegenübergestellt. Darüber hinaus gibt es zahlreiche konstruktive und materialspezifische Varianten zur Ausbildung einer Fassade. Bei Außenwänden mit hohen thermischen Anforderungen lassen sich prinzipiell folgende Dämmtypologien unterscheiden: Außendämmung, Kerndämmung, Innendämmung und Skelettbauweise.

1 Mauerwerk

56,90 B 3.14

2 Baukleber 3 Steinwollplatte 4 Ausgleichsmörtel 5 Glasfasergewebe 6 WDVS-Putz 6 4 1

4 2

5

3

B 3.15

87

Gebäudehülle

Für eine bauphysikalisch ideale Schichtfolge sollte das wärmedämmende Material auf der Außenseite massiver Außenwände (z. B. Mauerwerk, Betonwände) angebracht sein. Dadurch ist die Wandkonstruktion im warmen Bereich und kann mit ihrer Masse das Innenraumklima günstig beeinflussen. Ein weitverbreitetes System zur Wärmedämmung massiver Außenwände ist das Wärmedämmverbundsystem (WDVS, auch »Thermohaut«). Dieses Prinzip ermöglicht eine effiziente und thermisch hochwertige Optimierung von Außenwänden und kombiniert Wärme- und Witterungsschutz (Abb. B 3.15 und 18). Wärmedämmverbundsysteme werden flächig auf der massiven Wand verklebt und bei hohen statischen Anforderungen zusätzlich verdübelt. Sie lassen sich auf nahezu jedem Untergrund einsetzen und eignen sich auch sehr gut für eine nachträgliche Dämmung bei der Gebäudesanierung. Alternativ kann der Witterungsschutz losgelöst von der Dämmebene ausgeführt werden. Die äußere Schicht wird dabei hinterlüftet, um Feuchtigkeit abzuleiten. Dieser Aufbau ermöglicht ein breites Spektrum an Fassadenmaterialien und Gestaltungsmöglichkeiten (Abb. B 3.20). Die Verankerung der äußeren Schicht an der tragenden Wand verursacht in der Regel eine Schwächung der Dämmebene, die bei der Ermittlung des Wärmedurchgangskoeffizienten zu berücksichtigen ist. Bei zweischalig-massivem Wandaufbau (beispielsweise Sichtmauerwerk, Sichtbeton) besteht die Möglichkeit einer Kerndämmung (Abb. B 3.17). Die Wandkonstruktion wird in der Regel ohne Hinterlüftung ausgeführt. Als Dämmmaterial werden Mineralfaser und Hartschaumplatten oder auch Schüttstoffe verwendet. Die äußere Schale muss analog zur hinterlüftete Fassade mit der inneren tragenden

B 3.16 B 3.17

B 3.18 B 3.19 B 3.20 B 3.21 B 3.22

B 3.23

88

Massivwand aus Porenbeton, Wohnhaus in Chur (CH) 2003, Patrick Gartmann Sichtbeton mit Kerndämmung, Haus der Stille, Meschede (D) 2001, Peter Kulka mit Konstantin Pichler Wärmedämmverbundsystem, Wohnhaus, Zweibrücken (D) 2006, dd1 Architekten Holzständerwand, Wohnhaus, Seekirchen (A) 2003, Ebner Grömer hinterlüftete Metallfassade, Forschungszentrum, Bonn (D) 2002, BMBW Architekten + Partner Sanierung mit Innendämmung, Wohnhaus, Konstanz (D) 2003, Schaller + Sternagel Pfosten-Riegel-Fassade mit Dämmpaneelen, Verwaltungsgebäude, Düsseldorf (D) 2005, Gatermann + Schossig Holzständer-Fassade mit Vakuumdämmpaneelen, Experimentierfassade, Würzburg (D)1999, Michael Volz

Ebene statisch verbunden werden. Dies führt zwangsläufig zu Durchstoßpunkten in der Wärmedämmebene. Der Abstand zwischen den Schalen und damit die mögliche Dämmschichtdicke ist bei Standardsystemen auf ca. 150 mm begrenzt. Erhöhte Dämmstoffdicken erfordern Sonderlösungen. Ist eine Außendämmung nicht möglich (z. B. bei der Sanierung von denkmalgeschützten Fassaden), kann sie auch innenseitig angebracht werden (Abb. B 3.21). Hierbei wird jedoch die Speichermasse der Wand thermisch vom Innenraum entkoppelt. Zudem sind nachträgliche Wandmontagen nur eingeschränkt möglich, da die zum Raum gerichtete Schale in der Regel weich ist und Durchdringungen der dahinter meist zwingend anzubringenden Dampfbremse bauphysikalisch problematisch sind. Große Sorgfalt ist bei der Innendämmung auf den Feuchteschutz zu legen. Mit zunehmender Innendämmung verringert sich die Oberflächentemperatur der tragenden Wandkonstruktion auf der Innenseite. Um Kondensatbildung zu vermeiden, ist bei der Planung darauf zu achten, dass in Luft gelöster Wasserdampf an keiner Stelle – insbesondere in der Dämmebene – die Taupunkttemperatur unterschreitet. Die Dämmstärke der Innendämmung ist daher auf ca. 60 bis100 mm beschränkt. Zusätzlich ist eine Dampfsperre (wasserdampfundurchlässige Folie) auf der Innenseite der Dämmung anzubringen, um den Feuchtigkeitstransport vom Innenraum in die Dämmebene zu verhindern. Alternativ können Dämmmaterialien eingesetzt werden, die Wasserdampf in großen Mengen aufnehmen und wieder abgeben können (z. B. Mineralschaumplatten aus Kalziumsilikat). Hier ist da-rauf zu achten, dass durch Luftaustausch im Innenraum die Feuchtigkeit abgeführt werden kann. Bei der Skelettbauweise übernehmen stabförmige vertikale Elemente (Ständer bzw. Pfosten aus Holz oder Metall) die statische Funktion. Im Wohnungsbau werden meist Holzständerkonstruktionen eingesetzt. Diese ermöglichen eine Verflechtung von Trag- und Dämmebene in einer Schicht und erreichen bei geringer Wandstärke gute U-Werte (Abb. B 3.19). Durch den inhomogenen Wandaufbau ist der mittlere U-Wert entsprechend den Flächenverhältnissen von dämmenden und tragenden Bauteilen zu ermitteln (Abb. B 3.12). Im Nichtwohnungsbau wird die statische Funktion meist durch Stahlbeton- oder Stahltragwerke realisiert. Bei der davon losgelösten Gebäudehülle werden überwiegend Pfosten-Riegel-Systeme eingesetzt. Auf eine gute thermische Trennung des Fassadensystems ist zu achten. Die Flächenelemente können im opaken Bereich als Kaltfassade mit Dämmung massiver Bauteile (z. B. Betonbrüstung) oder als hochgedämmte Paneele ausgeführt werden (Abb. B 3.22). Mit der Verwendung von Vakuumisolationspaneelen sind sehr gute Dämmwerte bereits bei Elementstärken zu erreichen, die nur geringfügig über denen von Verglasungselementen liegen (Abb. B 3.23).

Dächer Das Dach ist insbesondere bei niedrigen Gebäuden eine bedeutende Verlustfläche durch Wärmetransmission. Zu unterscheiden sind Massivdecken, Sparren- bzw. Pfettendächer und Leichtkonstruktionen. In Abb. B 3.24 bis 26 sind unterschiedliche Dachaufbauten beispielhaft gegenübergestellt. • Flachdächer sind meist als Massivdächer ausgebildet und werden in der Regel als Betondecken ausgeführt. Sie sind hinsichtlich der wärmetechnischen Optimierung vergleichbar mit massiven Außenwänden. Bei der Materialwahl von Dämmstoffen ist die erhöhte Druckbelastung zu beachten, insbesondere bei begehbaren Flächen oder Dachbegrünungen (Abb. B 3.24). Verwendung finden meist Hartschaumelemente, je nach Dachaufbau als Warm- oder Kaltdach ausgeführt. Für U-Werte < 0,15 W / m2K sind Dämmstärken von über 20 cm erforderlich. Der daraus resultierende Dachaufbau ist bei der Planung der Gebäudehöhe (Attika) zu beachten. • Geneigte Dächer werden im Wohnungsbau meist als Sparren- bzw. Pfettendächer ausgebildet. Hier gelten prinzipiell die gleichen Bedingungen wie bei Holzständer-Wandkonstruktionen. Zu beachten ist insbesondere eine fehlerfreie Ausführung der Dampfsperre auf der Innenseite. Zusätzlich zu einer durchgehenden Dämmebene kann auch der Sparrenzwischenraum für die Einbringungen von Dämmstoffen genutzt werden (Abb. B 3.25). Wird auf eine Zwischensparrendämmung verzichtet (z. B. aus gestalterischen Gründen für eine sichtbare Konstruktion), ist die durchgängige Dämmebene entsprechend stark auszubilden, was zu einem hohen Dachaufbau führt. Bei hochgedämmten Konstruktionen werden beide Prinzipien kombiniert, der hohe Dachaufbau ist bei der Gestaltung von Überständen zu berücksichtigen. • Bei Stahltragwerken werden vielfach besonders leichte Flächenelemente (z. B. Trapezblech) eingesetzt. Diese sind analog zu Massivdächern mit außen liegender Dämmung auszustatten (Abb. B 3.26). Alternativ zum schichtweisen Aufbau können gedämmte Sandwich-Kassettenelemente direkt auf der Tragkonstruktion befestigt werden. Bauteile zu Räumen mit Temperaturdifferenz Auch Bauteile zu unbeheizten oder niedrigbeheizten Räumen sind hinsichtlich der Wärmetransmission zu beachten. Dies betrifft z. B. oberste Geschossdecken zu unbeheizten Dachräumen, Böden gegen Kellerräume, Decken oder Wände zu angrenzenden Garagen und unbeheizten Treppenhäusern. Aufgrund der geringeren Temperaturdifferenzen gelten hier reduzierte Anforderungen an den Wärmeschutz. Bei der Altbausanierung erweisen sich diese Dämmungen in der Regel als sehr wirtschaftlich, da mit geringem Aufwand ein hoher Einspareffekt zu erzielen ist.

Gebäudehülle

Stahlbeton Kerndämmung Stahlbeton

Dämmbeton B 3.16

B 3.17

Schalung Luftschicht Holzständerwand/ Dämmung Schalung

WDVS Massivwand B 3.18

B 3.19

Putz Fachwerk Innendämmung Gipsplatte

Fassadenpaneel Luftschicht Dämmung Massivwand B 3.20

Pfosten-RiegelKonstruktion/ Dämmpaneel Glas

B 3.21

Glaspaneel Vakuumdämmung Hartfaserplatte B 3.22

B 3.23

89

Gebäudehülle

Bauteile gegen Erdreich Bauteile mit direktem Kontakt zum Erdreich haben aufgrund dessen geringer Temperaturschwankungen ein günstigeres thermisches Verhalten als Bauteile gegen Außenluft. Die Wärmedämmung im Erdreich wird als Perimeterdämmung bezeichnet und in der Regel außerhalb der Bauwerksabdichtung angeordnet. Hierfür sind Materialien erforderlich, die für hohe Feuchte- und Druckbeanspruchungen geeignet und verrottungsfrei sind (siehe Material, S. 151). Aufgrund der günstigeren Temperatur-Rahmenbedingungen genügen meist geringere Dämmstärken als bei Wandelementen gegen Außenluft. Bei der Festlegung der Dimensionen ist jedoch zu beachten, dass eine nachträgliche Verbesserung der thermischen Qualität bei erdberührenden Bauteilen in der Regel nicht mehr möglich ist. Wärmebrücken Bei der Wärmedämmung von Bauteilen ist der Vermeidung von Wärmebrücken besondere Beachtung zu schenken. Dies sind lokale Störungen der thermischen Hülle, über die im Vergleich zu umliegenden Flächen ein erhöhter Wärmestrom an die Umgebung stattfindet, wie z. B. bei auskragenden Balkonplatten, Wandverankerungen oder Rolladenkästen (Abb. B 3.29). Zu unterscheiden sind geometrische und konstruktiv bedingte Wärmebrücken. Grundsätzlich ist unter thermischen Aspekten eine möglichst homogene Hüllfläche anzustreben.

Hilfreich ist hierbei eine frühzeitige konzeptionelle Festlegung der Lage der Dämmschichten und der wärmedämmenden Verglasungen. Bei Neubauten ist bei sorgfältiger Planung eine wärmebrückenfreie Ausführung realisierbar. Bei nicht zu vermeidenden Wärmebrücken und insbesondere beim Bauen im Bestand sind die entsprechenden Schwachstellen bauphysikalisch kritisch zu bewerten und in der Berechnung des Wärmebedarfs als Verlustquellen zu berücksichtigen. Eine Analyse thermischer Schwachstellen kann durch Thermografieaufnahmen unterstützt werden. Die Ergebnisse solcher Bilder geben Informationen über die Oberflächentemperaturen und lassen damit Rückschlüsse auf die Wärmeleitfähigkeit zu (Abb. B 3.27). Die Berücksichtigung von Wärmebrücken kann in bestimmten Fällen über pauschale Zuschläge erfolgen oder über detaillierte Berechnungen nachgewiesen werden [2]. Die Bedeutung von Wärmebrücken nimmt mit steigender energetischer Qualität der Gebäudehülle zu. Bei sehr gut gedämmten Bauten können auch geringe konstruktiv bedingte Wärmebrücken hohe Wärmeverluste verursachen. Zudem bewirken sie im Innenbereich eine verminderte Oberflächentemperatur gegenüber den angrenzenden Bauteilen. Dies birgt die Gefahr von Kondenswasserbildung mit entsprechenden Feuchteschäden. Eine sorgfältige Planung gefährdeter Bereiche ist daher vor allem im Sinne des Bauteilschutzes von großer Bedeutung.

Wärmedämmung transparenter Bauteile

Bei der Planung transparenter Bauteile müssen zahlreiche Anforderungen wie Tageslichtnutzung, Durchblick, Blendfreiheit etc. berücksichtigt werden. Bei gut gedämmten Bauwerken weisen transparente Flächen materialbedingt in der Regel einen schlechteren Wärmeschutz auf als opake Bauteile. Die Größe und Anordnung der Verglasungsanteile hat daher großen Einfluss auf die Transmissionswärmeverluste. Diesbezüglich steigt die Bedeutung transparenter Bauteile mit den Verglasungsanteilen. Von einem hohen Verglasungsanteil spricht man bei einem transparenten Flächenanteil an der Fassade von > 30 % bei Wohngebäuden und > 50 % bei Gebäuden anderer Funktionen. Mit zunehmender Bauhöhe der Verglasungen verstärkt sich generell der Kaltluftabfall entlang der kühleren Glasfläche nach unten und kann zu Zugerscheinungen führen. Dem muss dann mit einer Wärmeabgabe über die Gebäudetechnik entgegengewirkt werden. Glasqualität Analog zu opaken Bauteilen gibt es auch bei Verglasungen große Unterschiede in der thermischen Qualität. Je nach Klimazone und Nutzung können Systeme von der Einfachverglasung bis hin zu hoch entwickelten Isolierglaselementen mit unterschiedlichen Beschichtungen und Gasen verwendet werden (siehe Material, S. 152 und 155). Als Standard werden in gemäßigten Klimazonen heute überwiegend 1

1 2 3 4 5 6 7

1 2 3 4

2 3 4 5

5 6

6 1 2 3 4 5 6

1 2 3 4 5 6 7

Gründach, Dachabdichtung Holzwerkstoffplatte Wärmedämmung Dampfbremse Stahlbetondecke Putz

B 3.24

90

Zinkblech Trennlage Schalung Wärmedämmung / Sparren Dampfbremse Lattung Gipskartonplatte

1 2 3 4 5 6

B 3.25

Photovoltaikmodule Dachabdichtung, Holzwerkstoffplatte Wärmedämmung Dampfbremse Trapezblech Stahlträger

B 3.26

Gebäudehülle

Zweischeiben-Wärmeschutzverglasungen eingesetzt. Der U-Wert der Fenster [Uw] setzt sich aus den spezifischen Werten für das Glas [UG] und den Rahmen [UF] zusammen. Im Wohnungsbau kommt zunehmend die Dreifachverglasung zum Einsatz, auch Vierfachverglasungen mit U-Werten bis 0,3 W / m2K sind auf dem Markt verfügbar. In der Entwicklung sind Vakuumverglasungen, die bei sehr geringer Bauteiltiefe einen extrem hohen Wärmeschutz gewährleisten sollen. In Abhängigkeit von dem Verglasungsanteil und der Orientierung sowie der angestrebten Leistungsfähigkeit der Gebäudehülle kann auf Basis einer Wärmebedarfsberechnung die optimale Glasqualität bestimmt werden. Der Einfluss der Verglasungsqualität auf den Heizwärmebedarf ist beispielhaft in Abb. B 3.30 dargestellt. Mehrschaligkeit Weitere Optimierungspotenziale bieten mehrschalige Aufbauten. Diese reichen vom Kastenfenster bis zu Doppelfassaden. Der thermische Aspekt ist bei diesen Systemen jedoch in der Regel von untergeordneter Bedeutung. Wirtschaftlich sinnvoll kann ihr Einsatz sein, wenn weitere Leistungsanforderungen – wie z. B. Schallschutz oder natürliche Lüftung hoher Gebäude – bei der Planung im Vordergund stehen (siehe S. 99). Vor allem bei Doppelfassaden ist durch ausreichende Hinterlüftung sicherzustellen, dass die gewünschte puffernde Wirkung in der Heizperiode nicht zu einer thermischen Belastung in den Sommermonaten führt. Das Prinzip der Doppelschaligkeit kann auch bei der energetischen Sanierung von Bestandsbauten eine sinnvolle Alternative sein. Durch die Kombination der bestehenden Hüllflächen mit einer zweiten Haut aus Glas verbessert sich deren thermische Qualität erheblich. Die Maßnahme bietet die Möglichkeit, die vorhandenen Verglasungen und Rahmen weiterzuverwenden. Vorhandene Wärmebrücken werden auf diese Weise ebenfalls deutlich abgeschwächt. Zudem können auch erhaltenswerte Fassaden durch Anwendung dieses Prinzips vor Witterungseinflussen geschützt werden und erhalten eine neue Gestalt, ohne die alte Struktur zu verlieren.

Temporärer Wärmeschutz Da in den Nachtstunden die Tageslichtnutzung entfällt und die Durchsicht meist unbedeutend ist, besteht bei transparenten Bauteilen die Möglichkeit einer zeitlich variablen Verringerung der Wärmetransmission mithilfe verschiedener Arten wärmedämmender Elemente, die temporär vor oder hinter den Glasflächen angebracht werden. Typische Elemente sind Klapp- und Schiebeläden, gedämmte Rollläden oder vertikale bzw. horizontale Lamellen, die sich vollständig schließen lassen (Abb. B 3.33). Passive Nutzung der Solarstrahlung

Die so genannte Solararchitektur ist bislang gekennzeichnet durch zur Sonne orientierte Gebäude mit großen Öffnungen nach Süden und weitgehend geschlossenen Flächen nach Norden, Dachüberstände, die im Sommer vor Überhitzung schützen und im Winter die flach einfallende Sonne tief in den Raum eindringen lassen, sowie eine darauf ausgerichtete Zonierung des Grundrisses. Der Baustoff Glas spielt in diesem Zusammenhang eine entscheidende Rolle. Das transparente Material ermöglicht eine thermische Trennung bei gleichzeitiger Nutzung von Tageslicht und Durchsicht. Darüber hinaus kann es durch seine speziellen physikalischen Eigenschaften gezielt als »Wärmefalle« zur Beheizung von Innenräumen eingesetzt werden. Grundsätzlich basiert dieser Ansatz auf folgendem Effekt: Die kurzwellige Solarstrahlung (IRStrahlung) der Sonne wird durch Materie absorbiert und in langwellige Wärmestrahlung (UV-Strahlung) umgewandelt. Glas besitzt die Eigenschaft, für kurzwellige Strahlung durchlässig zu sein, für langwellige Wärmestrahlung jedoch nicht. Diese als »Treibhauseffekt« bekannte Eigenschaft kann durch Kombination von transparenten Flächen und absorbierenden Materialien eine optimierte thermische Nutzung der Solarstrahlung bewirken. Solch einfache Form der Energiegewinnung ist besonders positiv zu bewerten, da die Wärmeabsorption ohne bewegliche Teile sowie emissions- und geräuschfrei über meist ohnehin erforderliche Bauteile erfolgt. Diesem Energiepotenzial sind jedoch aufgrund nicht beeinflussbarer Konstanten des Sonnenverlaufs (und der daraus

B 3.27

B 3.28

B 3.24 B 3.25 B 3.26 B 3.27 B 3.28 B 3.29

1

1 Wärmedämmverbundsystem

begrüntes Massivdach, Wohn- und Bürohaus, Wien (A) 2002, Delugan Meissl Sparrendach mit Blecheindeckung, Mehrfamilienhaus, Dortmund (D) 2005, ArchiFactory.de Flachdach auf Stahltragwerk, Wohnhaus R128, Stuttgart (D) 2000, Werner Sobek Thermografieaufnahme des Centre Pompidou beispielhafter Isothermenverlauf einer konstruktiven Wärmebrücke (Gebäudesockel) typische Wärmebrücken a im Bestand b Beispiel Sanierung: Wärmebrücken reduzieren c Beispiel Neubauten: Wärmebrücken vermeiden

1 durchgängige Dämmebene

1 2

2 vorgestellter Balkon 2 Wärmebrückenzuschläge nach Energieausweis bei Einhaltung von DIN 4108-6 WBZ = 0,05 W/m2K ohne Einhaltung von DIN 4108-6 WBZ = 0,1 W/m2K

3

3 außenliegende Funktionselemente (z.B. Schiebeläden)

4

4 Perimeterdämmung

3 Perimeterdämmung

bei Innendämmung WBZ = 0,2 W/m2K

a

2 thermisch getrennte Konstruktionen (z.B. Isokorb)

3

b

4

4 Dämmung unter Kellerdecke

c

B 3.29

91

Primärenergiebedarf [kWh/m2 a]

Gebäudehülle

TWD

120 Ug =1,8

100

So

lar

str

Außenwand

Nordwest

Nord

Nordost

ah

lun

g

80

Verluste Wärmegewinne

60

West

Ug =1,1

0,00

Ost

0,05

40

Ug =0,7 Ug =0,4

20

0,10

Reflexion

•

50 °C

0,15 0,20

0 0

20

40 60 80 100 Verglasungsanteil der Fassade [%]

• 0 °C

20 °C

Südwest

Süd

Südost

mittlerer U-Wert dynamisch [W/ m2K] mittlerer U-Wert statisch [W/m2K]

•

B 3.30

B 3.31

B 3.32

resultierenden »Passivität«) Grenzen gesetzt. So sind Energiebedarf und Energieangebot in vielen Fällen gegenläufig. In diesem Zusammenhang spielen Sonnenschutz und Speichermassen eine wichtige Rolle. Speichermassen können kurzzeitige Schwankungen im Tagund Nachtrhythmus effizient ausgleichen. Eine passive Nutzung der Solarstrahlung über Fensterflächen ist prinzipiell immer vorhanden, selbst bei Nordausrichtung durch diffuse Solarstrahlung. Der Wärmeeintrag durch die Verglasungen wird bei der Wärmebedarfsberechnung als »solarer Gewinn« entsprechend berücksichtigt. Der Umfang dieser Energieerträge ist entscheidend beeinflussbar durch die Gestaltung des Baukörpers sowie die Größe und Anordnung der transparenten Flächen. Bei transparenten Flächen spielt insbesondere die Ausrichtung der Bauteile zur Solarstrahlung eine zentrale Rolle. Die thermische Wirkung einer Verglasung wird in der Heizperiode ermittelt als Differenz zwischen Transmissionswärmeverlusten und solaren Gewinnen. Bei sonnenabgewandten Seiten überwiegen die Verluste, während zur Sonne orientierte Verglasungen in der Bilanz Wärmegewinne erzeugen können. Dementsprechend sollte zur energetischen Optimierung sowohl der Verglasungsanteil als auch die thermische Qualität differenziert in Abhängigkeit von der Ausrichtung bestimmt werden. Eine optimierte passive Nutzung der Solarstrahlung beginnt damit bei der Bestimmung der Größe, Geometrie und

Ausrichtung der für den Außenbezug und die Tageslichtversorgung erforderlichen transparenten Flächen in der Gebäudehülle. Zu beachten ist bei allen Ansätzen zur verstärkten Nutzung der Solarstrahlung jedoch, dass die Vorteile während der kalten Jahreszeit nicht zu negativen Konsequenzen in warmen Perioden führen dürfen (siehe S. 95). Das nutzbare Solarpotenzial differiert zudem stark in Abhängigkeit von der Funktion des Gebäudes. So ist z. B. in Wohngebäuden eine passive Solaroptimierung in der Regel sinnvoll, während bei Bürobauten infolge der höheren internen Lasten meist die Überhitzungsproblematik im Sommer überwiegt.

möglichkeit verbunden sein (Abb. B 3.34). Neben Glas sind auch Folienkonstruktionen einsetzbar. In dreilagiger Ausführung erreichen diese U-Werte ≥ 1,7 W / m2K. Über spezielle Ventile kann zudem die Lage der mittleren Folie manuell verändert werden. Bei einer invertierten Bedruckung der äußeren und der mittleren Folien lässt sich damit der g-Wert des Foliendachs je nach Anforderung in zwei Stufen variieren (Abb. B 3.35). Im großen Maßstab bietet eine transparente Klimahülle neue Möglichkeiten der energetischen Optimierung, die zudem einen besonderen Raum entstehen lässt, der insbesondere an kühlen Tagen große Aufenthaltsqualitäten gegenüber den Freiflächen außerhalb der Klimahülle schafft (siehe Beispiel 11). Die Investitionen in die zusätzliche Hülle können kompensiert werden durch geringere Anforderungen an die Gebäudehüllen im Inneren. Auch bei der Sanierung von Bestandsgebäuden kann dieser Ansatz eine interessante Alternative zur konventionellen energetischen Sanierung sein.

B 3.30

B 3.31 B 3.32 B 3.33

B 3.34 B 3.35

B 3.36 B 3.37 B 3.38 B 3.39

Solare Pufferräume Neben der direkten Gewinnung der Solarstrahlung ist ein weiterer konzeptioneller Ansatz die Anordnung von sogenannten solaren Pufferräumen. Ihre Palette reicht vom klassischen Wintergarten und verglasten Atrien bis zu kompletten Klimahüllen. Der Grundgedanke hierbei ist stets, einen ausschließlich solar erwärmten Zwischenraum zwischen innen und außen zu schaffen, der höhere Temperaturen als die Außenluft aufweist. Dadurch lassen sich Transmissionswärmeverluste der Innenräume reduzieren, was über Simulationsberechnungen verifiziert werden muss. Die äußere Glashaut wird in der Regel als Einfachverglasung realisiert. Der Pufferraum ist nicht beheizt, sollte jedoch immer mit einer erweiterten Nutzungs-

beispielhafter Einfluss von Verglasungsanteil und Glasqualität auf den Primärenergiebedarf eines Wohnhauses (S : W / O : N= 3 : 2 : 1) Funktionsschema transparenter Wärmedämmung dynamischer U-Wert einer Holzständerwand (180 mm Dämmung und 50 mm TWD) Klappläden als temporärer Sonnen- und Wärmeschutz, Wohngebäude, Innsbruck (A) 2000, Baumschlager & Eberle Doppelfassade, Aschrott Altenheim, Kassel (D) 1931, Otto Haesler Atriumüberdachung mit Folienelementen, Kindertagesstätte, Wismar (D) 2005, Institut für Gebäudetechnik + Energie + Licht Planung (IGEL) Lucido-Fassade, Wildhaus (CH) 1999, Architheke massive Holzwand mit Glaselementen, Schreinerei, Ehrenkirchen (D) 1999, Pfeifer Kuhn TWD-Element mit integrierter Speichermasse TWD-Fassade, Alterswohnungen in Domat / Ems (CH) 2004, Dietrich Schwarz B 3.33

92

Transparente Wärmedämmung Für die Gebäudehülle wurden in den vergangenen Jahrzehnten verschiedene Materialien, Bauelemente und Fassadensysteme wie z. B. die transparente Wärmedämmung (TWD) entwickelt, die unter bestimmten Voraussetzungen eine Nutzung der Solarstrahlung auch über opake Bauteile ermöglicht (Abb. B 3.31). Das

B 3.34

Gebäudehülle

B 3.35

Grundprinzip ist, in der Heizperiode durch eine für Solarstrahlung durchlässige Dämmebene die äußere Oberflächentemperatur der massiven Wand zu erwärmen. Entspricht diese der Innentemperatur, so entstehen keine Transmissionswärmeverluste. Alternativ zu opaken Systemen sind auch transluzente Elemente mit integrierten Speichermaterialien einsetzbar (Abb. B 3.38 und 39). Zum Einsatz kommen verschiedene Formen von latenten Wärmespeichersystemen (z. B. PCM, siehe Material, S. 158). Darüber hinaus können Glaselemente mit kostengünstigen Wabenoder Lamellenstrukturen verwendet werden. Prinzipiell wird bei diesen Systemen durch spezielle Gläser oder die geometrische Struktur eine Überhitzung vermieden, indem die einfallende Solarstrahlung in den Wintermonaten bis zur Absorberfläche durchdringen kann, bei steilen Einfallswinkeln der hochstehenden Sommersonne jedoch reflektiert wird (Abb. B 3.36). Realisierbar sind auch Kombinationen von Massivholzwänden mit einer davorgestellten Glasebene (Abb. B 3.37). Diese Anordnung bietet zusätzlich zur passiven Funktion die Möglichkeit einer solaren Zulufterwärmung. Eine solche »dynamische Dämmung« weist unter statischer Betrachtung in der Regel einen geringeren U-Wert auf als eine hochwertige opake Dämmung. Ob sie in der Jahresbilanz Vorteile bietet, lässt sich nur durch eine dynamisch-thermische Gebäudesimulation und Monitoring ermitteln (Abb. B. 3.32).

B 3.38

B 3.36 Minimierung der Lüftungswärmeverluste

Bei guter Qualität der Gebäudehülle ist den Lüftungswärmeverlusten erhöhte Aufmerksamkeit zu schenken. Dies gilt vor allem für Bauten, bei denen nutzungsbedingt hohe Luftwechselraten zu gewährleisten sind. Zur Minimierung von Lüftungswärmeverlusten sind im Wesentlichen vier Aspekte relevant: • Bei der Ausführung der Gebäudehülle ist eine hohe Luftdichtheit sicherzustellen, um einen unkontrollierten Luftaustausch zu verhindern. Hierfür ist eine sorgfältige Detailplanung der zahlreichen Anschlüsse erforderlich. Zur Überprüfung der Dichtheit des Gebäudes dient der sogenannte Blower-Door-Test (Abb. B 3.41). Hierbei wird über die Herstellung von Über- oder Unterdruck ermittelt, welche Ventilatorleistung aufgewendet werden muss, um einen bestimmten Druckkennwert (50 Pa) im Gebäude aufrechtzuerhalten. Aus diesem Wert kann dann die bei diesem Zustand bestehende Luftwechselrate pro Stunde (1 / h) ermittelt werden. Eine hohe Luftdichtigkeit ist insbesondere bei Gebäuden mit maschineller Lüftung zu gewährleisten, um deren Funktionsfähigkeit und die Effizienz der Wärmerückgewinnung sicherzustellen. Hier sind Kennwerte < 0,6 / h üblich. • Bei Gebäuden mit reiner Fensterlüftung kann durch Wahl und Anordnung der öffenbaren Elemente ein energetisch optimiertes Nutzerverhalten unterstützt werden. So verhindert

B 3.37

ein Öffnungsflügel ohne Kippstellung z. B. eine Dauerlüftung während der Heizperiode, die zum Auskühlen von Speichermassen und erheblichem Energiebedarf führt (siehe S. 100, Abb. B 3.70). • Bei natürlich angetriebenen Lüftungskonzepten (freie Lüftung) kann die Zuluft über verschiedene Systeme wie Doppelfassaden, Atrien oder spezielle Luftkollektoren vorgewärmt werden (Abb. B 3.40). • Wärmetauscher in Verbindung mit maschinell unterstützten Lüftungssystemen können bis zu 90 % der Wärmeverluste vermeiden helfen (siehe Technik, S. 135). Für die Realisierung sehr effizienter Gebäude (z. B. Passivhaus) ist eine maschinelle Lüftung mit Wärmerückgewinnung erforderlich, um den geringen Heizwärmebedarf zu ermöglichen. Aktive solarthermische Gebäudehüllen

Die aktive Nutzung thermischer Solarenergie über Kollektoren ist im Gegensatz zur passiven Solarenergienutzung unabhängig vom Klima des Innenraums. Über aktive Solartechniksysteme kann in Verbindung mit effizienter Speichertechnologie Solarenergie weitgehend entkoppelt von den aktuellen Einstrahlungsbedingungen genutzt werden. Die hierfür notwendigen Technologien und Konzepte stehen in ausgereifter Form zur Verfügung (siehe Technik, S. 118). Im Zentrum der Planung steht der Kollektor zur Wandlung der solaren Einstrahlung in thermische Energie zur Wärmeerzeugung. Er ist Be-

B 3.39

93

Gebäudehülle

B 3.40 B 3.41 B 3.42 B 3.43 Differenzdruckmessung

B 3.44 Tür

Δ p=50 Pa (0,5mbar)

B 3.45 B 3.46

Ventilator

. V= m 3/ h Volumenstrommessung

B 3.47

B 3.48

.

Volumenstrom V n 50 = [1/h] Gebäudevolumen V

B 3.40

B 3.49 B 3.41

standteil der Haustechnik und zugleich eine Komponente der Gebäudehülle. Seine technische und gestalterische Integration stellt eine besondere Herausforderung dar, gleichzeitig bietet der Synergieeffekt wirtschaftliche Vorteile.

B 3.42

B 3.43

B 3.44

94

Luftkollektorfassade, Gründerzentrum Hamm (D) 1998, Hegger Hegger Schleiff Funktionsschema Blower-Door-Test Reihenhäuser mit fassadenintegrierten Flachkollektoren, Batschuns (A) 1997, Walter Unterrainer Sanierung eines Wohngebäudes mit Flachkollektoren, Karlsruhe (D) 2005, Hinrich Reyelts Vakuumröhrenkollektoren als Brüstung, Mehrfamilienhaus, Zürich (CH) 2001, Beat Kämpfen beispielhafter Aufbau von Fassadenkollektoren: a hinterlüftet b nicht hinterlüftet Sheddach mit Kollektorfeldern, Sporthalle, Großostheim (D) 2000, Dierks Blume Nasedy Kollektordächer für ein solares Nahwärmenetz, Wohnanlage, Rostock (D) 1999, Carewicz AP Rostock Wohnanlage mit Luftkollektoren, Kolding (DK) 1998, 3XNielsen Vakuumröhrenkollektoren als Sonnenschutz, Solarcafé Kirchzarten (D) 1999, Roland Rombach

Solarfassaden Solarthermische Kollektoren werden heute überwiegend als Standardprodukte mit fixen Abmessungen und technischen Daten produziert. Die solare Aktivierung von Gebäudehüllen erfordert jedoch individuell gefertigte Lösungen, die bislang nur von wenigen Herstellern angeboten werden. Insbesondere Flachkollektoren eignen sich als flächige Bauelemente sehr gut für eine Fassaden- oder Dachintegration. Sowohl die Formate als auch die horizontale und vertikale Gliederung der Kollektorfläche können individuell auf das Raster des Gebäudeentwurfs abgestimmt werden (Abb. B 3.40 und 42). Auch die Absorberfarbe und die optischen Eigenschaften der Glasabdeckung sind beeinflussbar. Solarthermische Flachkollektoren werden aus Gründen der Effizienz fast ausschließlich mit einer Abdeckung aus hochtransparentem Glas eingesetzt. Prinzipiell bestehen hier Gestaltungsfreiheiten durch Verwendung optisch veränderter Gläser (z. B. strukturiertes Glas, farbiges Glas etc.). Kollektoren können weitgehend vorgefertigt werden und sind in Größen bis 30 m2 erhältlich. Bei der Fassadenintegration muss zwischen Flachkollektor, Luftkollektor und Vakuumröhrenkollektor differenziert werden. Bei massiven Außenwänden kann der Flachkollektor als hinterlüftete Außenwandbekleidung angebracht werden (Abb. B 3.45). Er ersetzt damit bislang übliche Fassadenbekleidungen und übernimmt die Funktion des Witterungsschutzes. Bei einer hinterlüfteten Montage wird der Wandaufbau nicht beeinflusst, es sind lediglich Wärmebrücken bei der Wandmontage zu vermeiden. Alternativ kann der Kollektor auch ohne Hinterlüftung in den Wandaufbau integriert werden. Bei dieser Anordnung wird ein hoher Grad an Synergie erzeugt, da die ohnehin erforderliche Dämmung des Kollektors zugleich als Wärmedämmung der Außenwand fungiert. Ein weiterer positiver Effekt ist, dass auch bei diffuser solarer Einstrahlung hohe

Temperaturen hinter dem Absorber entstehen, die einen Wärmefluss nach außen reduzieren. Dies kann gegebenfalls wie bei der transparenten Wärmedämmung zu Außenwänden ohne Wärmeverluste führen. Zu beachten ist bei nicht hinterlüfteten Kollektoreinbindungen, dass die Wärmeleitung in der Sommerperiode von außen nach innen nicht zu erhöhten Wärmebelastungen im Innenraum führt, Kollektor und Wand also über eine hinreichend gute Dämmqualität verfügen. Zudem ist der gesamte Wandaufbau mit besonderer Sorgfalt hinsichtlich Feuchtediffusion bzw. Kondensation zu überprüfen. Die Integration solarthermischer Flachkollektoren ist auch bei der Bestandssanierung möglich (Abb. B 3.43). Bei nicht hinterlüftetem Einbau verbessert die Kollektorfläche ebenfalls die passive thermische Leistungsfähigkeit und kann damit andere Dämmmaßnahmen ersetzten. Bei Holzständerkonstruktionen ohne massive Bauteile kann die Außenwand direkt als Kollektor ausgebildet werden (Abb. B 3.42 und 45). Dadurch entsteht bei geringem Wandaufbau eine sehr leistungsfähige Außenwand. Hier gelten aus bauphysikalischer Sicht bezüglich Wärmetransmission und Feuchtigkeit die Anforderungen eines nicht hinterlüfteten Kollektors. Bei großem Bedarf an Wärme niedriger Temperatur (< 40 °C, z. B. als Wärmequelle für Wärmepumpen) können auch Metallelemente ohne Glasabdeckung als thermische Kollektoren ausgebildet werden. Hierfür wird ein rückseitig durchflossener Wärmetauscher angebracht, der eine solare Aktivierung von Metalldächern und -fassaden ermöglicht. Bei Energiekonzepten mit Luftheizung besteht die Möglichkeit, die Zuluft über fassadenintegrierte Luftkollektoren solar vorzuwärmen. Dies kann über einen entsprechenden Fassadenaufbau selbst erfolgen, z. B. durch die Kombination einer massiven Außenwand mit Glaselementen. Alternativ sind vorgefertigte Luftkollektoren einsetzbar. Sie entsprechen im konstruktiven Aufbau prinzipiell wasserdurchströmten Flachkollektoren, wobei hier der Absorber als flache Schachtstruktur ausgebildet ist, die von Außenluft durchströmt wird. Die Einbindung kann analog zu Flachkollektoren erfolgen, zu berücksichtigen sind die Öffnun-

Gebäudehülle

1 2 3 4 5 6

a 1 2 3 4 7

8

1 2 3 4 5 6 7 8

Solarglas Absorber Kollektordämmung Kollektorrückwand Hinterlüftung Wand Dämmung OSB-Platte

b B 3.45

gen für die Luftansaugung (Abb. B 3.48). Die konstruktive und gestalterische Integration von Vakuumröhrenkollektoren ist bislang von untergeordneter Bedeutung. Sie besitzen zwar eine hohes ästhetisches Potenzial, die geometrischen und gestalterischen Möglichkeiten sind jedoch stark eingeschränkt. Abb. B 3.44 zeigt eine Variante, bei der Röhrenkollektoren zur Absturzsicherung eingesetzt wurden. Darüber hinaus sind Synergieeffekte im Bereich des Sonnenschutzes möglich. Solardächer Dächer eignen sich in den meisten Fällen sehr gut für eine solarthermische Aktivierung. Bei Flachdächern werden bislang Kollektoren meist aufgeständert, Vakuumröhrenkollektoren können bei entsprechender Ausrichtung des Absorbers in der Röhre ohne Ertragsminderung auch horizontal verlegt werden. Eine konstruktive und gestalterische Integration der Flachkollektoren ist insbesondere bei Schrägdächern möglich. Diese können hier analog zur Fassade die Funktion der Dachhaut übernehmen (Abb. B 3.46 und 47). Sie können für große Dachflächen als komplette Dachelemente vorgefertigt werden. Prinzipiell gelten die technischen und bauphysikalischen Voraussetzungen wie bei solarthermischen Fassadenkollektoren. Eine konstruktive und gestalterische Integration von Vakuumröhrenkollektoren ist im Dachbereich z. B. bei der Verwendung als Sonnenschutz möglich (Abb. B 3.49). Aufgrund unterschiedlicher Einstrahlungsverhältnisse unterscheiden sich Dach- und Fassadenkollektoren in ihren solaren Erträgen. Fassadenkollektoren müssen in Europa gegenüber ideal ausgerichteten Dachkollektoren etwa 20 bis 25 % größer dimensioniert werden, um die gleiche jährliche Energiemenge zu erzeugen. Bei der thermischen Solarenergienutzung ist jedoch in erster Linie nicht der Jahresertrag von Bedeutung, sondern der solare Deckungsgrad (siehe Technik, S.119). Dieser ist abhängig vom Nutzlastprofil. Werden Kollektoren zur Heizwärmeerzeugung eingesetzt, kann eine vertikale Ausrichtung günstiger sein, da die Erträge während der Heizperiode größer sind und die Gefahr der sommerlichen Überhitzung der Kollektorflüssigkeit vermindert wird.

B 3.46

Überhitzung vermeiden Wie beim winterlichen Wärmeschutz vor unbehaglich niedrigen Temperaturen ist auch in warmen Perioden ein Schutz vor zu hohen Temperaturen in Gebäuden zu gewährleisten. Angesichts der globalen Erwärmung, der gesicherten Erkenntnis über den Zusammenhang von operativer Raumtemperatur und Leistungsfähigkeit sowie der erhöhten Ansprüche an den Klimakomfort gewinnt der sommerliche Wärmeschutz zunehmend an Bedeutung. Die Abweichungen von der Idealtemperatur sind im Sommer zwar in der Regel geringer als im Winter, der Mensch kann sich jedoch wesentlich besser gegen zu geringe als gegen zu hohe Temperaturen schützen (Abb. B 3.50). Zudem ist die Erzeugung von Wärme, physikalisch betrachtet, mit geringerem Aufwand verbunden und kann auf ein breiteres technologisches Spektrum zugreifen als die Kühlung, die letztlich immer nur durch einen Wärmeabtransport erfolgen kann (siehe Technik, S. 128). Gebäude müssen als klimatisch regulierendes System auch im Sommer möglichst behagliche Innenraumtemperaturen sicherstellen. Im Mittelpunkt steht dabei die Gebäudehülle, deren Konstruktion und Materialien so abgestimmt werden können, dass eine Überhitzung auch ohne aufwendige technische Systeme vermieden wird. Bei Gebäuden mit einem Fensterflächenanteil > 30 % wird in der Energieeinsparverordnung ein Nachweis zum sommerlichen Wärmeschutz gefordert. Dieser basiert auf statisch ermittelten Sonneneintragskennwerten, die einen zulässigen Wert nicht überschreiten dürfen (Abb. B 3.66). Bei Gebäuden mit sehr hohem Verglasungsanteil ist es empfehlenswert, über eine dynamische Simulation das thermische Verhalten hochbelasteter Räume detailliert zu untersuchen. Neben der Ermittlung der Kühllast und des Kühlenergiebedarfs kann damit auch der Temperaturverlauf im Tages- und Jahresgang ermittelt werden. Ein verbreiteter Kennwert zur Bewertung des sommerlichen Wärmeschutzes ist eine sich hieraus ergebende Stundenanzahl, in der die maximal zulässige operative Raumtemperatur überschritten wird (Übertemperatur).

B 3.47

B 3.48

B 3.49

95

Gebäudehülle

3

clo (clothing) Faktor 0,1

0,1

0,1

0,5

0,8

1,0

1,5

5

4

3,0

Temperaturbereich 40 °C 35 °C 28 °C 26 °C 23 °C 20 °C 15 °C 10 °C -10 °C

externe Lasten: 1 solare Einstrahlung 2 Transmission 3 Lüftung interne Lasten: 4 Personen 5 Bürogeräte 6 Beleuchtung

2

typischer Temperaturbereich in Gebäuden B 3.50

B 3.51

meleitfähigkeit der Gebäudehülle auf den Wärmeeintrag in den Raum. Von Bedeutung ist hier neben der Wärmedurchlassfähigkeit auch die Oberflächentemperatur der äußersten Schicht. Eine geringe Wärmeabsorption (z. B. durch helle Farben) oder eine Hinterlüftung der äußeren Schichten wirkt sich günstig auf den Wärmefluss durch Transmission aus. Besondere Beachtung muss dieser Aspekt bei der Planung von Räumen finden, die über einen hohen Anteil an Dachflächen verfügen. Sie sind zusätzlich zur Fassade mit einem oftmals erheblichen Anteil an Wärmetransmission durch das Dach bzw. die oberste Geschossdecke belastet. Einen positiven Effekt haben in diesem Zusammenhang auch Dachbegrünungen, die über lokale Verdunstungskühlung die Oberflächentemperaturen gering halten. Ein weiterer Kennwert zur Beurteilung des sommerlichen Wärmeschutzes opaker Bauteile ist das Temperaturamplitudenverhältnis (TAV). Es gibt an, über welchen Zeitraum eine Temperaturerhöhung an der Außenseite einer Wand an die Innenseite abgegeben wird (Phasenverschiebung, Abb. B 3.54). Das TAV verbessert sich mit zunehmender Wärmedämmung, der Zeitraum der Phasenverschiebung hängt von der Speichermasse ab. Über eine Optimierung dieser Kennwerte kann die Temperaturabgabe an den Innenraum dann erfolgen, wenn andere Wärmelasten nicht mehr wirksam sind oder einfach abgeführt werden können (z. B. über Lüftung mit kühler Nachtluft).

Reduktion der Wärmetransmission

Sind die Temperaturen im Außenbereich höher als die Raumtemperatur, findet eine Wärmetransmission von außen nach innen statt. Zur Vermeidung dieser Art des Wärmetransports gelten dieselben Grundlagen wie für den winterlichen Wärmeschutz. Eine hinsichtlich Minimierung von Transmissionswärmeverlusten optimierte Gebäudehülle (= geringer U-Wert) bietet damit zugleich einen guten Schutz vor sommerlicher Überhitzung. Dies gilt sowohl für opake wie auch für transparente Flächen. Abb. B 3.55 zeigt beispielhaft den Einfluss der Wär-

Lüftung

Lüftungsart Lüftungsintensität

+ ++

Verglasung

Flächenanteil Ausrichtung Gesamtenergiedurchlassgrad (g-Wert)

+++ ++

+ +

++ +++ B 3.52

Reduktion der solaren Einstrahlung

Die Wärmeeinträge durch transparente Bauteile stellen in den meisten Fällen den größten Anteil in der sommerlichen Wärmebilanz eines Raums dar. Die Planung verglaster Flächen muss daher mit besonderer Sorgfalt erfolgen. Zur qualitativen Erfassung solarer Wärmeeinträge sind der Sonnenverlauf und die Strahlungsintensität wichtige Grundlagen. Auf der Basis einer Verschattungsanalyse können projektspezifisch thermisch belastete Flächen der Gebäudehülle ermittelt werden. Aufgrund von Verschattungen durch die umgebende Bebauung kann sich die Situation in einer Fassade auch geschossweise oder sogar raumweise unterscheiden. Für eine vereinfachte Abschätzung des Schattenverlaufs ist es ausreichend, die solare Einstrahlung für die drei Tage 21. Dezember, 21. März und 21. Juni zu betrachten. Bei Berechnungen des sommerlichen Wärmeschutzes ist die lntensität der solaren Einstrahlung am 21. Juni von Bedeutung. Hierbei ist zu beachten, dass in Mitteleuropa aufgrund der Sonnenlaufbahn die Ost- und Westfassaden deutlich größere Einstrahlungswerte erreichen als die Südfassade, die höchste Strahlungsintensität erhalten horizontale Flächen (Abb. B. 3.58 und B 3.59). Zudem ist bei Ost- und Westfassaden eine Verschattung aufgrund der niedrigen Sonnenstandswinkel meist mit einem erheblichen Verlust an Tageslichteintrag und Ausblick verbunden. In Abb. B 3.53 sind beispielhaft die

55 – 305 ° 0 – 63 ° 16 h

130 – 230 ° 0 – 17 ° 8h

Horizontalwinkel Besonnungsdauer

55 – 180 ° / 180 – 305 ° 0 – 63 ° 7,5 h

130 – 180 ° / 180 – 230 ° 0 – 17 ° 3,5 h

Süd Azimutwinkel Horizontalwinkel Besonnungsdauer

90 – 270 ° 33 – 63 ° 9h

130 – 230 ° 0 – 17 ° 8h

Sonnenbahn

Jahreseinstrahlung Energiemenge [kWh/m2 ]

Sommertag Energiemenge [kWh/m 2]

Ost / West Azimutwinkel

7

750

3,5

0,

880

+++

Wintertag

5

B 3.59

5,

B 3.58

+ ++

Sommertag

40

B 3.57

Raumgeometrie Wärmedurchgang (U-Wert) Wärmespeicherfähigkeit der Raumoberflächen Wärmespeichervermögen der Dämmstoffe Temperaturamplitudenverhältnis

Horizontal Azimutwinkel Horizontalwinkel Besonnungsdauer

11

B 3.56

Bauart

O

B 3.55

+ ++

Fläche

3,0

S

B 3.54

Relevanz

N

B 3.53

Schutz vor Über- und Untertemperaturen durch Kleidung interne und externe Wärmelasten in Bürobauten Einflussgrößen auf die sommerlichen Raumtemperaturen und deren Relevanz beispielhafte Solarstrahlungswerte für verschiedene Flächen der Gebäudehülle am Standort Stuttgart (D) Temperaturamplitudenverhältniss und Phasenverschiebung Δ t Einfluss der Glasqualität auf den Wärmeeintrag durch Transmission Einfluss der Fassadenqualität auf den Wärmeeintrag durch Strahlung Möglichkeiten zur Reduktion der solaren Strahlung typische Strahlungsleistung bei Tag- und NachGleiche am Standort Stuttgart (D) typische Strahlungsleistung bei Sommersonnenwende am Standort Stuttgart (D)

W

B 3.51 B 3.52

Lufttemperatur Strahlungsintensität

Sonnenschutz Wirksamkeit (fc-Wert)

Wärmelasten Die Raumtemperatur wird beeinflusst durch die wirksamen Wärmelasten. Hierbei unterscheidet man zwischen internen und externen Wärmelasten (Abb. B 3.51). Die internen Wärmelasten sind nutzungsabhängig und werden in der Regel durch Personen, Beleuchtung und elektrische Geräte hervorgerufen. Effiziente Technologie (z. B. Energiesparlampen, energiesparende Computer etc.) ermöglicht eine geringe Abwärme. Die durch die Gebäudehülle beeinflussbaren Faktoren betreffen die äußeren Wärmelasten. Diese lassen sich gliedern in Wärmetransmission, solare Einstrahlung und Wärmeeintrag durch Lüftung. Zur Optimierung der sommerlichen Raumtemperaturen stehen für die Planung zahlreiche Einflussgrößen zur Verfügung (Abb. B 3.52).

B 3.50

Einflussgröße

Standort

6

1 0,3

Bereich

1,2

0,5

Wintertag Energiemenge [kWh/m 2 ] B 3.53

96

θ si

Δt

θ i,m

θ se, Amp

θ si, Amp

t

3,0

a

b

Verglasungsanteil [%]

θ se

U-Wert [W/m 2 K]

Gebäudehülle

c

2,5 2,0 1,5

θ a,m

t 1,0

Temperaturverlauf an der Außenoberfläche

TAV =

Sonnenschutz

0

Beschichtung Bedruckung starre Elemente im Scheibenzwischenraum bewegliche Elemente im Scheibenzwischenraum schaltbare Gläser innen liegend außen liegend, starr und flexibel in Doppelverglasung, starr und flexibel

Verglasung g-Wert: 0,6 Einstrahlung auf Fassade: 500 [W/m 2 ] Abminderungsfaktor für Sonnenschutz fc: b

Raumtemperatur: 24 C Außentemperatur: a: 28° b: 32° c: 36°

B 3.55

B 3.56

Neigungswinkel können transparente Flächen während der Sommermonate vor direkter Sonneneinstrahlung geschützt werden. Große horizontale und vertikale Laibungen haben sich z. B. für Südfassaden als »Brise Soleil« bewährt (Abb. B 3.60). Die baulichen Maßnahmen können sehr gut für extreme Sonnenstände optimiert werden, eine eingeschränkte Wirkung ergibt sich jedoch oftmals in den Übergangszeiten. Um den Strahlungseintrag von Verglasungen zu reduzieren, können spezielle Sonnenschutzgläser eingesetzt werden (siehe Material, S. 157). Sie erreichen durch optimierte Beschichtungen oder Bedruckungen einen geringen Energiedurchlassgrad (g-Wert), bei dem im günstigsten Fall nur noch etwa 20 % der einstrahlenden Wärmeenergie in den Innenraum abgegeben wird. Das hat jedoch einen erhöhten Reflexionsgrad und einen Verlust an Farbneutralität der Verglasung zur Folge, die Transparenz vermindert sich damit (Abb. B 3.61). Dies gilt auch für Gläser, deren Zwischenraum mit reflektierenden oder absorbierenden Materialien gefüllt ist. Zudem führen die fixen Kennwerte solcher Bauteile im Winter zu reduzierten Solarenergiegewinnen. Energetisch zu bevorzugen ist daher ein Verglasungssystem, das flexibel auf unterschiedliche Einstrahlungswerte und Innenraumbedingungen reagieren kann, beispielsweise mit beweglichen Jalousien im Scheibenzwischenraum, die bereits bei Zweifach-Isolierverglasungen angeboten werden. Diese Systeme erreichen

sehr gute Werte, die mit außen liegendem Sonnenschutz nahezu vergleichbar sind. Gleichzeitig sind sie vor Verschmutzung und Wind geschützt. Solche Produkte stellen jedoch sehr hohe Ansprüche an die Steifigkeit der Fassade, zudem ist bei Funktionsstörungen ein Austausch der gesamten Glasscheibe erforderlich. Varianten dieses Prinzips können in mehrschaligen Systemen (Kastenfenster) realisiert werden, bei denen der Sonnenschutz zwischen äußerer und mittlerer Scheibe angebracht ist. Eine weitere Art des Sonnenschutzes über das Verglasungssystem bieten in der Entwicklung befindliche schaltbare Gläser, die über elektrische oder chemische Prozesse unterschiedliche g-Werte erreichen. Neben konstruktiven Aspekten und speziellen Verglasungsprodukten stellen Sonnenschutzsysteme die dritte Gruppe zur Optimierung des sommerlichen Wärmeschutzes dar. Das Spektrum an verfügbaren Systemen ist sehr groß und kann nach verschiedenen Kriterien wie starr oder beweglich, einachsig oder zweiachsig nachführbar, opak oder transluzent, horizontal oder vertikal etc. eingeteilt werden. Aus energetischer Sicht ist jedoch vor allem die Lage des Sonnenschutzes von Bedeutung. Hierbei wird unterschieden zwischen innen und außen liegenden Systemen. Grundsätzlich bieten außen liegende Verschattungssysteme die höchste Sonnenschutzwirkung (Abb. B 3.62). Von Vorteil ist zudem, dass sich Fenster auch bei aktiviertem Sonnenschutz nach innen öff-

1000

S

800

SO

SW horizontal

O

W

600

1000 horizontal 800 O

SO

400

200

200

SW

S

N

N

diffuse u. reflektierte Strahlung

diffuse u. reflektierte Strahlung

0

W

600

400

0 4

B 3.57

50 250 300 200 150 100 Wärmeeintrag durch Strahlung [W/m 2Fassade]

Strahlungsintensität [W/m2]

Verglasung

40

Strahlungsintensität [W/m2]

Sonnenschutz Zur Optimierung der thermischen Qualität von transparenten Flächen gibt es zahlreiche Möglichkeiten (Abb. B 3.57). Eine erste Gruppe bildet die bauliche Fassadengestaltung. Durch Überstände, Rücksprünge oder günstige

Überstände Vertiefungen Neigung

60 50

10

TAV = Temperaturamplitudenverhältnis θ se = Oberflächentemperatur außen θ si = Oberflächentemperatur innen B 3.54

Sonnenschutz durch

70

10 5 15 20 25 30 35 40 Wärmeeintrag durch Transmission [W/ m 2Fassade]

Verglasungsanteil Transparente Flächen bilden hinsichtlich des sommerlichen Wärmeschutzes immer eine Schwachstelle. Auch bei optimiertem Sonnenschutz ist der Wärmeeintrag gegenüber einer opaken Wand in der Regel um ein vielfaches höher. Ein großer Verglasungsanteil bewirkt daher immer eine Erhöhung der Wärmelasten. In Abb. B 3.56 sind für drei exemplarische Verglasungsqualitäten die maximalen solaren Wärmeeinträge in Abhängigkeit vom Verglasungsanteil dargestellt. Die Planung transparenter Flächen sollte aus energetischer Sicht in Bezug auf ihre Ausrichtung erfolgen. In Abwägung aller Funktionen der Verglasung wie passive Solarenergiegewinnung, Durchsicht, Tageslichtnutzung etc. haben sich für Südfassaden Flächenanteile von maximal 50 % als sinnvoll erwiesen. Bei Ost- und Westfassaden gelten bereits Anteile > 30 % als kritisch. Die Nordfassade ist für den sommerlichen Wärmeschutz von untergeordneter Bedeutung.

c

30

0

Sonnenbahnen und Solarstrahlungskennwerte für verschieden ausgerichtete Flächen der Gebäudehülle dargestellt.

b

0,5

θ si, Amp θ se, Amp

Konstruktion

a

20

Temperaturverlauf an der Innenoberfläche

Element

90 80

6

8

10

12

14

16

20 Uhrzeit [h]

B 3.58

4

6

8

10

12

14

16

18 Uhrzeit [h]

B 3.59

97

Gebäudehülle

50%

ρ = 15%

α = 12%

ε = 6% ρ = Reflexionsgrad α = Absorptionsgrad τ = Transmissiongrad ε = Emissivität

τ =23% ε =6% g = 29%

B 3.60

100%

α = 20%

ρ = 50% ε =15%

τ = 20% ε = 15% g = 35%

B 3.61 100%

τ =14%

2% ρ = 58%

α = 22%

α = 4%

2%

2% ε =15%

τ = 8% 4%

7%

g = 14%

B 3.62 100% τ = 7% 8% τ =46%

6% 4%

nen lassen. Eine typische Bauart ist die Lamellenjalousie, die sich sehr flexibel auf unterschiedliche Einstrahlungssituationen einstellen lässt. Bei geschlossenen Lamellen können in Verbindung mit Isolierverglasungen effektive g-Werte von unter 0,1 erreicht werden. Lamellenjalousien sind allerdings windanfällig und daher bei hohen Gebäuden oftmals nicht einsetzbar. Um die Funktion dennoch zu gewährleisten, wird in vielen Fällen eine zusätzliche Glasschicht zur Windabschottung realisiert (Doppelfassade). Alternativ besteht die Möglichkeit, den Sonnenschutz im Innenraum hinter der Verglasung anzubringen. Dadurch ist das System vor Verschmutzung und Wind geschützt. Durch eine hochreflektierende Ausführung ist es möglich, einen gewissen Anteil der eintreffenden Solarstrahlung wieder nach außen zu führen. Die vom Sonnenschutz absorbierte Wärmeenergie führt allerdings zu einer Erwärmung des Raums. Zudem werden Teile der reflektierten Solarstrahlung von der Verglasung absorbiert und wieder in den Raum reflektiert. Daher erreichen innen liegende Sonnenschutzsysteme meist deutlich ungünstigere Werte als außen liegende. Durch die Wechselwirkung mit der Glasscheibe ist ihre Wirksamkeit besonders abhängig von den Verglasungskennwerten (Abb. B 3.63). Sonneneintragskennwert Eine überschlägige Ermittlung der Effektivität eines Sonnenschutzsystems kann über den Sonneneintragskennwert erfolgen (Abb. B 3.66). Dieser wird ermittelt als Summe der Wärmeeinträge durch Verglasungen bezogen auf die Grundfläche des Raums. Der entscheidende Faktor ist hierbei der effektive g-Wert des Gesamtsystems (gtotal). Dieser ist das Produkt aus dem g-Wert der Verglasung und dem Minderungsfaktor fc des Sonnenschutzsystems (Abb. B 3.64). In Abb. B 3.65 sind Minderungsfaktoren nach DIN 4108 angegeben, die ohne genauere Kenntnis des Produkts bei der Berechnung angesetzt werden können. Die meisten Bauprodukte erreichen jedoch wesentlich bessere Werte, sodass eine Berechnung nach Herstellerangaben zu empfehlen ist. In Abb. B 3.67 sind beispielhaft für verschiedene Verschattungssituationen die Kennwerte zur Kühllast bezogen auf die Nutzfläche angegeben. Dabei zeigt sich die große Bedeutung der solaren Einstrahlung über Verglasungen auf die Kühllast und die daraus resultierende Anforderung einer Optimierung der transparenten Gebäudehülle.

g = 25%

Speichermasse und Lüftung ρ = 30% ε =12%

α= 24%

ρ = 27 % ε =6 ρ = 8%

τ =11% ε =7%

B 3.63

98

α = 8% ε =4

ε =4

τ =7% α = 12% 6% ε=6

Die Wärmespeicherfähigkeit der raumumschließenden Bauteile und die Gebäudelüftung sind weitere wichtige Parameter zur Vermeidung sommerlicher Überhitzung. Bei fehlender Speichermasse führt der Wärmeeintrag direkt zu einer unbehaglichen Erhitzung der Raumluft (»Barackenklima«). Ist ausreichend Speichermasse vorhanden, beispielsweise durch massive Decken, Wand- und Bodenbauteile,

Gebäudehülle

Sonnenschutzsystem

fc [%]

ohne Sonnenschutzsystem

100 %

fc =

g total g

20% g to ta l =0,2

100%

20 % g = 0,8

0,2 = 0,25

= 0,8

fc = Abminderungsfaktor Sonnenschutz g = Gesamtenergiedurchlassgrad (Vergl.) gtotal = Gesamtenergiedurchlassgrad (inkl. Sonnenschutz)

1,0

innen liegend oder zwischen den Scheiben weiß / reflekt. Oberfläche mit geringer Transparenz helle Farben oder geringe Transparenz dunkle Farben oder höhere Transparenz

0,75 0,8 0,9

außen liegend drehbare Lamellen, hinterlüftet 0,25 Jalousien / Stoffe geringer Transparenz, hinterlüftet 0,25 Jalousien, allgemein 0,4 Rollläden, Fensterläden 0,3 Vordächer, Loggien, freistehende Lamellen 0,5 Markisen, oben und seitlich ventiliert 0,4 Markisen, allgemein 0,5

0

S A W,j g total

[-] [m 2] [-]

fC AG

[-] [m 2]

AG Sonneneintragskennwert Fensterfläche des Raumes Gesamtenergiedurchlassgrad Verglasung inkl. Sonnenschutz (gtotal = g ¤fC ) Minderungsfaktor infolge Sonnenschutz Grundfläche des Raumes B 3.66

Windbewegungen erfolgt. Eine elektrische Ventilation verursacht erheblichen Energiebedarf, pro Kubikmeter Luft je Sekunde ist durchschnittlich eine spezifische elektrische Leistung von ca. 2500 Watt erforderlich. Aufgrund der hohen Betriebszeit von Lüftungssystemen bestehen hier weitreichende Einsparpotenziale im Energiebedarf und in den Betriebskosten, wenn auf eine maschinelle Luftführung verzichtet werden kann. Zudem beanspruchen viele Belüftungssysteme sowohl für die vertikale als auch für die horizontale Luftkanalführung erheblichen Flächenbedarf. Kann auf Zu- und Abluftkanäle verzichtet werden, sind insbesondere bei hohen Bauwerken deutliche Einsparungen in der Gebäudehöhe erzielbar. Freie Lüftung

Eine gute Luftqualität in Gebäuden erfordert einen regelmäßigen Luftaustausch in Abhängigkeit von Nutzung und Personenanzahl. Heutige Bauweisen ermöglichen eine hohe Luftdichtheit, ein unkontrollierter Luftaustausch durch Fugen und Ritzen ist weitgehend unterbunden. Dies verlangt eine sorgfältige Planung von Lüftungssystemen, die sowohl über die Gebäudehülle als auch über Gebäudetechnik realisiert werden können (siehe Technik, S. 133). Unter nachhaltigen Aspekten ist ein möglichst hoher Anteil an natürlicher Lüftung anzustreben. Dies bedeutet, dass der Luftaustausch für die Nutzräume durch thermische Auftriebskräfte oder durch Druckkräfte aufgrund von

100

0

100

0

Energieeintrag Solar Energieeintrag Beleuchtung Energieeintrag Personen

Die Planung von Systemen zur natürlichen Lüftung erfordert eine genaue Analyse der klimatischen und nutzungsspezifischen Anforderungen. Eine natürliche Luftbewegung resultiert immer aus Druckunterschieden infolge von Temperaturdifferenzen. Makroklimatisch steht diese Energie als Wind zur Verfügung, mikroklimatisch als thermischer Auftrieb (Abb. B 3.72). Grundsätzlich kann eine natürliche Lüftung durch einen direkten Luftaustausch über die Gebäudehülle (freie Lüftung) erfolgen oder über spezielle Systeme, die durch konzentrierte thermische bzw. windinduzierte Druckunterschiede eine natürliche Luftströmung erzeugen.

B 3.60 B 3.61 B 3.62

Raumdimension: 3m Breite 5m Tiefe

B 3.63 B 3.64 B 3.65

Verglasungsanteil: 30 % g-Wert Verglasung: 0,6 Sonnenschutz: außenliegende Jalousie fc =0,2

Σ j (A W, j • g total,j )

Dezentral Lüften

Energieeintrag [W/m2]

100

Energieeintrag [W/m2]

B 3.65

Sinnvoll ist eine Kombination von natürlicher und maschineller Lüftung. Die maschinelle Lüftung wird nur in extremen Kälte- und Hitzeperioden eingesetzt (in Europa ca. 30 % des Jahres), in der übrigen Zeit ist das Gebäude natürlich belüftbar, ohne den Innenraum thermisch zu belasten. Die maschinelle Lüftung ist zudem für eine Leistungssteigerung bei der Nachtlüftung einsetzbar. Abb. B 3.68 zeigt einen typischen Tagesverlauf für ein Bürogebäude an einem Sommertag. In der schematischen Darstellung sind die wesentlichen Randbedingungen für den sommerlichen Wärmeschutz aufgeführt.

Energieeintrag [W/m2]

B 3.64

kann ein Teil der Wärmeenergie in den Bauteilen zwischengelagert werden. Dieser ist jedoch zeitversetzt abzuführen. Es ist daher durch geeignete Maßnahmen eine thermische Entspeicherung sicherzustellen (z. B. Lüftung mit kühler Nachtluft). Entscheidend für die Wirksamkeit von Speichermassen ist deren direkte thermische Verbindung mit dem Innenraum. Aufgeständerte Böden, abgehängte Decken oder Vorsatzschalen an Wänden unterbinden den Wärmefluss zwischen Raumluft und Speichermasse, so-dass diese ihre Funktion nicht erfüllen kann. Die thermische Aktivierung von Speichermassen hat oftmals Konsequenzen für die Raumgestaltung und die Raumakustik, beispielsweise bei Sichtbetondecken und -wänden. Bei der Innenraumgestaltung müssen diese Parameter entsprechend berücksichtigt werden. Neben Transmission und solarer Einstrahlung kann eine unerwünschte Wärmezufuhr auch über den erforderlichen Luftaustausch erfolgen. Dies ist dann der Fall, wenn die Außenluft über der Raumtemperatur liegt und direkt dem Raum zugeführt wird. Bei doppelschaligen Fassaden kann die Luft im Zwischenraum thermisch besonders belastet sein. Eine Optimierung des Luftaustauschs kann über eine thermische Vorkonditionierung (z. B. Erdkanal, Verdunstungskühlung, Wärme- bzw. Kälterückgewinnung) erfolgen. In den meisten Fällen ist dafür eine maschinelle Unterstützung mit entsprechendem Energiebedarf erforderlich.

S=

Verglasungsanteil: 60% g-Wert Verglasung: 0,6 Sonnenschutz: Innenliegende Jalousie fc =0,5

B 3.66

Verglasungsanteil: 90% g-Wert Verglasung: 0,3 Sonnenschutz: keiner

B 3.67

Brise Soleil, Unité d’Habitation, Berlin (D) 1958, Le Corbusier Verwaltungsgebäude, Frankfurt / Main (D) 2003, Schneider + Schumacher Verwaltungsgebäude, Stuttgart (D) 1998, Behnisch, Behnisch & Partner Firmenzentrale, Senden (D) 2007, Gerken Architekten + Ingenieure, Braun-Gerken Ermittlung des Abminderungsfaktors für Sonnenschutzsysteme Abminderungsfaktoren für Sonnenschutzsysteme nach DIN 4108 Berechnung des Sonneneintragskennwerts S nach DIN 4108 beispielhafte grundflächenbezogene Kühllasten für unterschiedliche Fassadenkonstellationen

B 3.67

99

21:00

Luftwechsel [1/ h]

N 0:00 [°C] 30

3:00

26 22 18

30

a

25 20 15

14

W 18:00

6:00 O

10 5 b 0

15:00 Nutzungszeit (Sonnenschutz 12:00 S muss Ausblick gewähren) komplette Verschattung möglich

Lüftungswärmeverluste [kWh /m2 a]

Gebäudehülle

150

1

Besonnungszeit Außenlufttemperatur Außenlufttemp. >26 °C Außenlufttemp. 45

8

Raumeindruck erheblichen Einfluss auf die positive Raum- und Tageslichtwahrnehmung. Schließlich ist die Glasqualität von großer Bedeutung für die Tageslichtnutzung. Der wichtigste Kennwert zur Beurteilung von transparenten Bauteilen ist der Lichttransmissionsgrad (τ-Wert). Er beschreibt den prozentualen Anteil des durchdringenden Lichts. Dieser Wert steht in engem Zusammenhang mit der Sonnenschutzwirkung von Glas (g-Wert, siehe Material, S. 154) und hat einen nahezu linearen Einfluss auf den Tageslichtquotienten: Eine Verglasung mit einem τ-Wert von 0,4 erreicht über die gesamte Raumtiefe nur 50 % des Tageslichtquotienten einer Verglasung mit τ-Wert 0,8. Allgemein gilt, dass bei einseitiger Beleuchtung Bürobauten zur Einhaltung der Anforderungen der Arbeitsstättenrichtlinie (300 / 500 lx) ohne lichttechnische Systeme bis zu einer Raumtiefe von 5 m2 natürlich belichtet werden können. Tageslichtsysteme

Lichtlenkende Systeme können das Tageslichtangebot erheblich verbessern. Sie bewirken bei seitlicher Beleuchtung auch bei großer Raumtiefe eine gleichmäßige und erhöhte Tageslichtausbeute. Einige Systeme ermöglichen zudem bei sehr hohen oder engen Räumen (z. B. Atrien) die Lichtlenkung über Dachverglasungen. Die Vielzahl der unterschiedlichen Lösungen kann in Bezug auf ihre Veränderbarkeit in statische und regelbare Systeme unterteilt werden (Abb B 3.93). Darüber hinaus unterscheidet man nach Einbausituation (Dach, Oberlicht, Fenster und Brüstung) sowie der Lage zur Verglasung (außerhalb, im Scheibenzwischenraum oder raumseitig). Das Funktionsspektrum der nachfolgend beschriebenen Lichtlenksysteme umfasst: • Lichtstreuung: Licht wird diffus in den Raum eingebracht und bewirkt eine gleichmäßige Ausleuchtung. • Lichtlenkung: Über reflektierende Oberflächen wird Licht in die Raumtiefe gelenkt. • Lichttransport: Über lichtleitende Elemente wird Licht in dunkle Außenbereiche oder fensterferne bzw. fensterlose Räume transportiert.

Verbauungs- süd winkel [°]

ost / nord west

Überhangwinkel [°]

süd

ost / nord west

Seitenwinkel [°]

süd

ost / nord west

0 10 20 30 40

1,00 0,92 0,75 0,62 0,56

0 30 45 60

1,00 0,93 0,80 0,60

1,00 0,91 0,79 0,61

0 30 45 60

1,00 0,94 0,86 0,74

1,00 0,91 0,83 0,75

1,00 0,94 0,68 0,49 0,40

1,00 0,99 0,95 0,92 0,89

1,00 0,91 0,80 0,65

1,00 0,99 0,99 0,99

evtl. Fenster im 1.–5.OG

7

Horizontwinkel

6 5 4 3 2 1

Überhangwinkel

B 3.87

104

Gestaltung der Gebäudehülle. Sie definiert durch den Verglasungsanteil prinzipiell das nutzbare Lichtpotenzial. Fensterflächenanteile und Tageslichtautonomie verhalten sich jedoch nicht linear zueinander. Ab etwa 50 % Verglasungsanteil der Fassade sinken beispielsweise die Auswirkungen auf die Tageslichtautomie erheblich. So bewirkt eine Erhöhung des Verglasungsanteils von 70 % auf 90 % keine nennenswerte Verbesserung der Tageslichtqualität. Bei Wohngebäuden sind Fensterflächenanteile zwischen 20 und 30 % der Raumgrundfläche notwendig, um das Grundbedürfnis nach Licht und den Außenraumbezug sicherzustellen. In DIN 5034 wird ein vereinfachtes Verfahren zur Bestimmung von Mindestfenstergrößen für die einseitige Belichtung von Wohnräumen beschrieben. Neben dem Verhältnis der Verglasungsfläche zum Raumvolumen ist ihre Ausrichtung von Bedeutung. In Mitteleuropa erhalten Südfassaden hohe Beleuchtungsstärken, die durch steil einfallendes Licht im fassadennahen Bereich zu hohen Leuchtdichtedifferenzen führen können. Bei Ost- und Westfassaden ist der niedrige Sonnenstand mit flachen Einstrahlungswinkeln zu berücksichtigen. In beiden Fällen muss auf eine ausreichende Blendfreiheit geachtet werden. Günstig für die Tageslichtnutzung ist das fast ausschließlich diffuse Licht von Nordfassaden. Als weiterer Aspekt ist zu beachten, in welcher Etage der Raum liegt. So ist z. B. bei dichter und hoher Nachbarbebauung das Tageslichtangebot über die Fassadenhöhe sehr unterschiedlich. Dies kann eine geschossweise Anpassung des Verglasungsanteils zur Folge haben. Darüber hinaus beeinflusst die Anordnung der Verglasung die Effizienz der Tageslichtnutzung. Verglasungen im oberen Bereich der Fassade – im Idealfall auch im Sturzbereich – bewirken eine Verbesserung der Raumausleuchtung, verglaste Brüstungsflächen haben hingegen kaum Auswirkungen auf den Tageslichtquotienten. Eine Aufteilung der Glaselemente auf mehrere Einzelflächen verbessert die Raumausleuchtung gegenüber einer zentralen Fläche. Sind Räume mehrseitig belichtet, ist die Raumausleuchtung deutlich gleichmäßiger, zudem hat der verbesserte subjektive

Seitenwinkel B 3.88

B 3.85

B 3.86 B 3.87 B 3.88 B 3.89 B 3.90 B 3.91 B 3.92

beispielhafte Kostenstruktur des Energiebedarfs in Bürogebäuden (GB) Einfluss der Fassadengestaltung auf die Tageslichtversorgung in einem Büroraum und die anschließende Verkehrsfläche mit Glasoberlicht Tageslichtangebot in Abhängigkeit von der Brüstungshöhe Tageslichtangebot für an ein Atrium grenzende Räume in Abhängigkeit von der vertikalen Lage Horizont-, Überhang- und Seitenwinkel Einflussmöglichkeiten zur Tageslichtoptimierung Zusammenhang zwischen Tageslichtautonomie, Tageslichtquotient und Strombedarf Tageslichtquotient für verschiedene Dachverglasungen [%] Lichtqualität im Büroraum: a hoher Tageslichtquotient (3,8 %) b niedriger Tageslichtquotient (1,6 %)

Lichtstreuende Gläser Lichtstreuende Gläser nutzen die Scheibenoberfläche oder den Scheibenzwischenraum von Isolierverglasungen mit unterschiedlichen Füllungen, um direkte Sonnenstrahlung zu streuen und somit eine blendfreie Ausleuchtung zu ermöglichen (Abb. B 3.95 e und f). Lichtstreuende Füllungen aus TWD (transluzente Wärmedämmung) erzielen eine ähnliche Wirkung. Auch sie gewährleisten eine gleichmäßigere Lichtverteilung im Raum und weisen im Vergleich zur transparenten Verglasung durch Absorption eine höhere Leuchtdichte an der Fassade auf. Holographisch-optische Elemente (HOE) Transmissionshologramme können als transparente Folie in Verbundglas eingebettet werden. Um bei der Tageslichtlenkung die störende spektrale Farbzerlegung zu vermeiden, verwendet man Weißlichthologramme, die diffuses Licht ungehindert passieren lassen, während sie direktes Sonnenlicht in Abhängigkeit von der Wellenlänge beugen und in die vorgegebene Richtung umlenken (Abb. B 3.96 b). Der holographische Effekt ermöglicht aufgrund seiner vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten auch eine Kombination von Tageslichtlenkung, Sonnenschutz (Totalreflexion) und Energiegewinnung (Konzentration und Umlenkung auf PV-Module).

10 5 0

10 5 0

10 5 0

10 5 0

10 5 0

10 5 0

B 3.91

Tageslicht

geographische Lage

geometrische Optimierung Verbauung / Verschattung Orientierung Proportion des Raums Größe und Proportion des Lichteinlasses

BauteilOptimierung

100

80

80

60

60

40

40

20

20

0

0 5

Art der Verglasung Selektivität Reflexionsgrade der Oberflächen im Inneren Sonnenschutzsystem Tageslichtsystem B 3.89

Lichtlenkende Gläser Durch wartungsfrei integrierte Lichtlenkprofile im Scheibenzwischenraum von Verglasungen eignen sich lichtlenkende Gläser gleichermaßen für Fassaden und Dächer. Bei Vertikalverglasungen werden die flach einfallenden Sonnenstrahlen an die Decke reflektiert, was eine erhöhte Lichttransmission ermöglicht, die mit steigendem Einfallswinkel abnimmt. Horizontal eingebaut, wird direkte Strahlung reflektiert und diffuse Strahlung transmittiert (Abb. B 3.95 c).

100

Strombedarf [%]

B 3.84

Tageslichtautonomie [%]

Gebäudehülle

10

15 20 25 30 Tageslichtquotient [%]

Tageslichtautonomie Strombedarf Kunstlicht B 3.90

Lamellen Horizontale Lamellen und Jalousien dienen primär dem Sonnenschutz, lassen sich jedoch zugleich zur Tageslichtlenkung einsetzen. Aus der Vielzahl verfügbarer Systeme und Ausführungen (außerhalb oder im Scheibenzwischenraum starr, drehbar, raffbar, Jalousien, Großlamellen, Aluminium- oder Glasprofile etc.) sind insbesondere folgende Arten von Bedeutung:

Laser-Cut-Panels (LCP) LCP bestehen aus Acrylglasscheiben mit dünnen, parallelen Einschnitten oder Lufteinschlüssen (Abb. B 3.95 d). In Abhängigkeit vom Sonnenstand wird das Licht an den horizontalen Einschnitten einfach oder mehrfach reflektiert und an die Deckenunterseite gelenkt bzw. in die Raumtiefe gestreut. Da Laser-Cut-Panels den Sichtkontakt nach außen einschränken, kommen sie überwiegend bei Überkopfverglasungen und Oberlichtern zum Einsatz.

• Einachsig verstellbare Lamellen im Oberlichtbereich vor Verglasungen blenden im Sommer die Direktstrahlung aus und reflektieren im Winter das Tageslicht in die Tiefe des Raums (Abb. B 3.96 c und d). • Raffbare Lamellenjalousien können im Überkopfbereich Licht an die Decke des Innenraums lenken und durch einen anderen Anstellwinkel der Lamellen in Fenster- bzw. Brüstungshöhe einen wirksamen Sonnenschutz gewährleisten (Abb. B 3.95 a). • Spezielle Lichtlenklamellen (retroreflektierende Lamellen) verfügen über selektive Eigenschaften: Eine W-förmige Kantung der Lamelle im nach außen orientierten Bereich blendet das steil einfallende Sonnenlicht aus, während die raumseitige Ausformung das flach einfallende Licht an die Decke umlenkt. Die Jalousie ermöglicht durch ihre Formgebung auch in der Sonnenschutzfunktion die Sichtbeziehung nach außen (Abb. B 3.95 b).

a

b

Light Shelves Direkte Sonnenstrahlung kann mit Lichtschwertern, sogenannten Light Shelves, gegen die Deckenunterseite von Räumen reflektiert werden. (Abb. B 3.94 und 96 a). Sie sind im oberen Drittel außer- oder innerhalb von transparenten Fassadenelementen montiert und schützen in Fensternähe gleichzeitig vor direkter Sonneneinstrahlung.

B 3.92

105

Gebäudehülle

Tageslichtsysteme

statische Systeme

nachführbare Systeme

Lichtstreuung

lichtstreuende Gläser HOE

Lichtlenkung

Prismenplatte fest stehende Lamellen Light Shelves lichtlenkende Gläser HOE

drehbare Lichtlenklamellen

Lichttransport

Lightpipes Glasfaser

Heliostate

wegfahrbare Systeme

schaltbare Gläser

photochrom thermochrom gasochrom raffbare Lichtlenklamellen

B 3.93

Heliostate und Lightpipes Heliostate bestehen aus ein- oder zweiachsig nachgeführten Parabolspiegeln, die Tageslicht, insbesondere direkte Strahlung, aus verschattungsfreien Flächen in tief liegende Höfe oder unterirdische Bauwerke transportieren (Abb. B 3.97). Bei konstanter Nachführung der Heliostaten im Tagesverlauf lässt sich bei entsprechender Direktstrahlung, ggf. mit zusätzlichen starren Spiegeln zur Unterverteilung, in den inneren Nutzungszonen annähernd Tageslichtqualität erreichen. In Kombination mit hochreflektierend ausgekleideten Rohren, sogenannten Lightpipes, oder lichtleitenden Glasfaserelementen können Heliostate Tageslicht über weite Entfernungen in innen liegende, fensterlose Raumzonen lenken (Abb. B 3.98). Schaltbare Gläser Elektrochrome Verglasungen sind je nach angelegter elektrischer Spannung transparent (gerichtete Flüssigkeitskristalle) oder transluzent (ungeordnete Kristalle) und somit lichtstreuend (Abb. B 3.95 g und h). Weitere schaltbare Gläser sind im Kapitel Material, S.157 beschrieben. Auswahlkriterien Die zahlreichen, auf dem Markt verfügbaren Tageslichtsysteme unterscheiden sich erheblich hinsichtlich ihrer Investitions- und Wartungskosten und weisen spezifische Leistungs-

B 3.94

106

merkmale auf. Die Beantwortung folgender Fragestellungen unterstützt die Auswahl des geeigneten Systems [3]: • Wird die Durchsicht eingeschränkt bzw. unterbrochen? • Unter welchem Lichteintrittswinkel wird das Tageslicht in den Innenraum gelenkt? • Wie stark verbessert sich die Raumtiefenausleuchtung? • Ist Blendfreiheit gewährleistet? • Können thermische Probleme auftreten, z. B. infolge Mehrfachreflexion und Absorption von Elementen im Scheibenzwischenraum? • Reagieren die Systeme auf Veränderung des Einstrahlungswinkels »gutmütig« oder sind Nachführungen erforderlich? • Welche Eingriff- und Regulierungsmöglichkeiten bestehen für den Nutzer?

Strom gewinnen Die Photovoltaiktechnologie ermöglicht eine Stromerzeugung über die Gebäudehülle ohne mechanischen Verschleiß, Luftemissionen oder Geräuschentwicklungen. Sie stellt neben der Solarthermie die zweite Möglichkeit einer aktiven Nutzung der Solarstrahlung dar (siehe S. 93). Während solarthermische Systeme von Beginn an eng mit der Gebäudeplanung verbunden waren, hat sich die Photovol-

taik zunächst im Bereich der Energietechnologie entwickelt. Erst seit den frühen 1980erJahren wird eine Integration von Photovoltaikelementen in die Gebäudehülle in Betracht gezogen. Photovoltaikmodule stehen als ausgereifte Produkte in einer großen Bandbreite zur Verfügung (siehe Technik, S. 138). Zunehmend übernehmen diese Module neben der Energiegewinnung auch Zusatzfunktionen und nutzen damit zahlreiche Synergieeffekte: Photovoltaikelemente können als Witterungs-, Sonnen-, und Sichtschutz eingesetzt werden oder als Isolierglasmodule sogar die thermische Hülle übernehmen. Darüber hinaus können sie gestaltprägend wirken (Abb. B 3.102). Gebäudehüllen mit Photovoltaik

Photovoltaikmodule stehen überwiegend als Verbundglas- oder Kunststoffelemente zur Verfügung und sind entsprechend wie Verglasungsbauteile einsetzbar. Für spezielle Anwendungen sind zahlreiche Sondermodule verfügbar (z. B. Solardachziegel, Solarmembranen etc.). Prinzipiell können nahezu alle üblichen flächigen Bauteile mit photovoltaischer Funktion versehen werden und ermöglichen damit eine Stromgewinnung über die Gebäudehülle, sofern die Flächen entsprechender Solareinstrahlung ausgesetzt sind. Bei der Photovoltaik können jedoch im Vergleich zur Solarthermie auch geringe Abschattungen der Solarzellen den Energie-

a

b

c

d

e

f

g

h B 3.95

Gebäudehülle

a

b

c

d B 3.96

B 3.97

ertrag erheblich reduzieren (siehe Technik, S. 140 Abb. B 4.113). Eine verschattungsfreie Fläche ist daher eine wesentliche Voraussetzung. Deshalb ist für die Planung eine genaue Standort-und Gebäudeanalyse erforderlich (Abb. B 3.103). Ergänzend dazu ist auch die Kabelführung sorgfältig zu planen. Dies ist vor allem bei transparenten Bauteilen von Bedeutung und kann meist in entsprechenden Fassadenprofilen erfolgen. Die Module müssen hier abweichend von der üblichen rückseitigen Kabeldose mit einem seitlichen Kabelanschluss versehen sein (siehe Technik, S. 140). Zudem ist die Lage und Anordnung der erforderlichen Wechselrichter in die Planung einzubinden. Anzustreben sind kurze Wege von den Photovoltaikmodulen zu den Wechselrichtern, die für Wartungszwecke zugänglich sein müssen. Zu berücksichtigen ist bei der Anordnung der Wechselrichter auch deren Wärmeentwicklung im Betrieb.

Montage auf dem freiem Feld zu installieren. Dies erlaubt eine optimale Ausrichtung und damit hohe Effizienz der Module. Bei den Solarstrahlungsbedingungen in Europa müssen jedoch aufgrund der starken gegenseitigen Abschattung diese mit entsprechend großen Abständen verlegt werden, was die zur Energiegewinnung verfügbare Dachfläche erheblich reduziert. Die Module können daher auch flächendeckend mit sehr flachem Winkel nahezu horizontal angeordnet werden. Dadurch verringert sich zwar der spezifische Ertrag der Module, die erzielbare Gesamtenergiemenge bezogen auf die Gebäudehüllfläche wird jedoch maximiert (Abb. B 3.99). Bei opaken Flachdächern können solar aktivierte Dachabdichtungselemente zum Einsatz kommen. Auch gekrümmte Flächen wie gebogene Metalldächer oder Membranbauwerke lassen sich mit Photovoltaik ausstatten.

Photovoltaikdächer Bei geneigten Dächern können Photovoltaikmodule direkt als wasserführende Schicht verwendet werden und ersetzen dadurch konventionelle Materialien wie z. B. Dachziegel (Abb. 3.100). Als besonders geeignet erweisen sich südgeneigte Pultdächer oder Sheddächer. Bei Flachdächern besteht die Möglichkeit, eine Aufständerung der Module analog zur

Photovoltaikfassaden Fassadenflächen stellen ein weiteres Potenzial für die aktive Solarenergienutzung dar. Auf vertikale Flächen trifft zwar eine geringere Einstrahlung als auf geneigte. Im Gegenzug bieten sich bei Fassaden jedoch erhebliche energetische und wirtschaftliche Potenziale, wenn konventionelle hochwertige Bauteile wie beispielsweise Metallpaneele oder Natursteine durch Photovoltaikelemente ersetzt

Neigung Modulfläche [°]

nutzbare spezifische nutzbare Solarfläche Einstrahlung Einstrahlung [%] [ %] [%]

0

100

100

100

10

75

106

80

20

61

111

68

30

53

113

60

40

48

113

54

B 3.99

B 3.100

B 3.98 B 3.93

systematische Darstellung von Systemen zur Tageslichtlenkung B 3.94 Lichtoptimierung mit Light Shelves, Verwaltungsgebäude, Schweinfurt (D) 1998, Kuntz + Manz B 3.95 schematische Darstellung von lichtlenkenden Verglasungselementen: a raffbare Jalousien b Lichtlenklamellen c Spiegelprofile d Laser-Cut-Panels e, f lichtstreuende Gläser g, h elektrochrome Verglasung B 3.96 schematische Darstellung von Lichtlenksystemen a Light Shelves b holographisch-optische Elemente c, d einachsig verstellbare Lamellen B 3.97 Funktionsprinzip Heliostat B 3.98 Funktionsprinzip Heliostat mit Lightpipe B 3.99 Solarertrag von Photovoltaiksystemen bei horizontalen Flächen in Abhängigkeit vom Neigungswinkel (Standort: Frankfurt / Main) B 3.100 Photovoltaikmodule als Dachdeckung: Solarsiedlung am Schlierberg, Freiburg (D) 2000, Rolf Disch B 3.101 drehbar montierte Photovoltaiklamellen als Sonnenschutz: Verwaltungsgebäude, Schwerin (D) 1999, Roland Schulz

B 3.101

107

Gebäudehülle

B 3.102 B 3.103 B 3.104 B 3.105 B 3.106 B 3.107 B 3.108 B 3.109 B 3.110 B 3.111

mögliche Mehrfachfunktionen aktiver Solartechnik in der Gebäudehülle typische Abschattungssituationen Betriebshof, Konstanz (D) 1996, Schaudt Architekten PV-Module als Witterungsschutz, Tü-Arena, Tübingen (D) 2004, Allmann Sattler Wappner PV-Module als Dachhaut, Lehrter Bahnhof, Berlin 2006, von Gerkan Marg und Partner Ökologisches Gemeindezentrum, Ludesch (A) 2006, Hermann Kaufmann Sporthalle Burgweinting, Regensburg (D) 2004, Tobias Ruf Technikgebäude Solarsiedlung, Emmerthal (D) 2000, Niederwöhrmeier + Wiese Konstruktions- und Entwurfsstrategien mit aktiver Solartechnik Büro- und Fertigungsgebäude SMA, Kassel (D) 2001, Hegger Hegger Schleiff

Anforderungen an die Gebäudehülle

Einfluss aktiver Solarenergienutzung

thermische Trennung

o

Witterungsschutz

+

Sichtschutz

+

Sonnenschutz

+

Blendschutz

o

Lärmschutz

o

Sicherheit

o

Tageslichtnutzung

–

Blickbeziehungen

–

Gestaltung

+

passive Solarenergienutzung

–

o neutral

– Konkurrenz

+ Symbiose

Umgebende Bebauung

Gebäudegeometrie

Bepflanzung B 3.102

werden. Ihre Verwendung als gestalterisch prägendes Element und die Übernahme von Mehrfachfunktionen einschließlich der Energieerzeugung rechtfertigen ihren Einsatz in Fassaden, auch wenn sie nicht die maximale Effizienz erreichen. Solarer Sonnenschutz Verschattungselemente sind aufgrund ihrer Funktion in der Regel einer direkten Solarstrahlung ausgesetzt und eignen sich daher besonders für eine Photovoltaikintegration. Dies gilt sowohl für starre wie bewegliche Elemente, bei denen Solarmodule opake oder teiltransparente Materialien wie z. B. Metallpaneele oder bedruckte Gläser ersetzen (Abb. B 3.101). Photovoltaikmodule sind auch direkt als abschattendes Verglasungselement einsetzbar. Durch den Grad an aktiver Zellenfläche lässt sich der gewünschte g-Wert des Bauteils beeinflussen. Zu berücksichtigen ist hier jedoch die hohe Wärmeabstrahlung nach innen durch die Wärmeentwicklung der Solarzellen. Bei hoher Belegungsdichte sind dennoch sehr gute Kennwerte erreichbar. Dadurch ist z. B. bei Dachverglasungen trotz Tageslichtnutzung ein hoher Abschattungseffekt zu erzielen (Abb. B 3.107). Solartechnik und Gebäudehülle

Gebäudehüllen bilden zusammen mit dem Tragwerk und dem Technischen Ausbau energetisch wirksame Subsysteme eines

B 3.104

108

Gebäudes. Sie beeinflussen sich in ihren Wirkungen gegenseitig und können auf verschiedene Arten miteinander verknüpft sein, die mit den Begriffen Entflechtung, Verflechtung und Verschmelzung zu charakterisieren sind [4] (Abb. B 3.110). Am Beispiel möglicher Verknüpfungen zwischen Gebäudehülle und Tragwerk wird dies anschaulich: Bildet die massive, tragende Außenwand eine eindeutige Verschmelzung von Tragwerk und Hülle, so wird eine Fachwerkwand zwar ebenfalls als ein Element wahrgenommen, die Funktionen Tragwerk und Hülle lassen sich jedoch den einzelnen Komponenten Fachwerk und Ausfachung zuordnen. Es handelt sich dabei um eine Verflechtung der Funktionen. Die dritte Stufe bildet der Skelettbau mit vorgehängter Fassade, in der eine klare Entflechtung der Funktionen stattfindet. Diese Einteilung ist auch hinsichtlich der möglichen Formen des Umgangs mit Photovoltaikmodulen oder solarthermischen Kollektoren und Gebäudehülle sinnfällig. Im Folgenden werden diese Strategien am Beispiel der Photovoltaik erläutert. Sie gelten in gleicher Weise auch für solarthermische Systeme (siehe S. 93). Entflechtung Eine konstruktive Entflechtung von Solarelement und Gebäudehülle liegt dann vor, wenn die Solarkomponenten als eigenständige Elemente wahrgenommen werden und sich

B 3.105

Dachaufbauten B 3.103

klar vom Subsystem Hülle absetzen. Die weitverbreitete Methode der entflochtenen Verknüpfung von Solarkomponenten mit ziegelgedeckten Wohngebäuden ist als sogenannte Aufdachmontage bekannt. Gründe für eine Entflechtung sind in der Regel der Wunsch nach einer kostengünstigen, meist nachträglichen Montage und eine klare Gewerketrennung mit entsprechenden Gewährleistungen. Die möglichen Mehrfachfunktionen der Solarkomponenten beschränken sich hierbei auf Verschattung und optische Gestaltung (Abb. B 3.104). Verflechtung Werden Solarelemente als äußere Schicht in die Gebäudehülle integriert, bei der sie konventionelle Materialien ersetzen und damit den Witterungsschutz bilden, findet eine Verflechtung der Subsysteme Technischer Ausbau und Gebäudehülle statt. Die Gebäudehülle würde in diesem Fall nicht ohne die Solarelemente funktionieren, da diese eine notwendige Funktion der Gebäudehülle übernehmen. Diese Art der Einbindung erfordert eine sorgfältige, maß- und und detailgenaue Abstimmung von Photovoltaikmodulen und Fassadensystem sowie eine exakte Koordination der Gewerke (Abb. 3.105). Verschmelzung Eine Verschmelzung ist gegeben, wenn die Solarelemente sämtliche geforderte Funk-

B 3.106

Gebäudehülle

tionen der Gebäudehülle erfüllen können. Ein Beispiel hierfür ist das Photovoltaikmodul in Isolierglasausführung, das neben der Stromerzeugung auch die thermische Trennung sowie den Sonnen-, Sicht-, Schallund Witterungsschutz übernehmen kann und dazu ein hohes gestalterisches Potenzial besitzt. Im Solarelement verschmelzen dann Technischer Ausbau und Gebäudehülle (Abb. B 3.106). Solartechnik und Gestaltung

Über die Art der konstruktiven Einbindung hinaus ist für die zukünftige Entwicklung der Solararchitektur der gestalterische Umgang mit aktiven Solarkomponenten bis hin zur Baukörperform von besonderer Bedeutung. Letztendlich entscheidet die Harmonie zwischen Gebäude und Solartechnik und die Attraktivität der entstehenden Architektur über die Akzeptanz und den Erfolg dieser Technologien auf breiter Ebene. In diesem Zusammenhang können die drei Entwurfsstrategien Addition, Integration und Adaption unterschieden werden (Abb. B 3.110). Dabei ist unerheblich, auf welche Weise die Solarelemente konstruktiv in Bezug auf die Gebäudehülle eingebunden sind. Addition Das Prinzip der Addition steht für eine Entwurfshaltung, bei der das Gebäude prinzipiell ohne Berücksichtigung einer solartechnischen Nutzung geplant wurde. Entsprechend bleibt bei der Verknüpfung mit der Solartechnik die gestalterische und geometrische Ordnung der Gebäudehülle unberücksichtigt. Das Gebäude liefert lediglich den Träger für die Solartechnik. Durch fehlende formale Einbindung können die solartechnischen Komponenten wie Fremdkörper am Gebäude wirken und einen negativen Einfluss auf das Erscheinungsbild haben. Dies wird besonders bei der nachträglichen Installation von solartechnischen Komponenten an bereits bestehenden Gebäuden deutlich. Eine Realisierung im additiven Sinne führt in aller Regel zu einer unbefriedigenden Lösung, auch wenn die Elemente mit hohem Aufwand mit der Gebäudehülle verflochten sind.

Integration Die Solarelemente werden hier in bewusster gestalterischer Absicht in die Konzeption der Gebäudehülle und des Baukörpers einbezogen und korrespondieren mit Proportionen, horizontalen und vertikalen Fugenbildern und Flächen. Die Solarelemente werden dementsprechend an die Gebäudekubatur angepasst. Dies kann eine Verringerung der solaren Ausbeute zur Folge haben. Gerechtfertigt ist dies jedoch durch die Zusatzfunktionen und hohe optische Prägnanz (Abb. B 3.107 und 108). Adaption Wirken Komponenten zur aktiven Nutzung der Solarstrahlung mit ihren spezifischen Anforderungen bezüglich Ausrichtung und Verschattungsfreiheit in einer dominierenden Art und Weise auf die Entwurfskonzeption ein, erfolgt vielfach eine Adaption der Planung, die zum Teil Veränderungen in der Baukörperform und der Gebäudehülle nach sich zieht. Baukörper oder Gebäudeteile werden in hohem Maße an den Anforderungen der Solarelemente orientiert und unterstützen damit eine Optimierung der energetischen Effizienz. Die Solarenergienutzung wird dann zu einem tragenden formalen Kriterium des gesamten Gebäudes (Abb. B 3.109 und 111). Gebäude und Solarelemente stehen in gegenseitiger Abhängigkeit. Bei dieser Art der Einbindung besteht ein hohes Potenzial, aus der aktiven solaren Nutzung heraus neue architektonische Ausdrucksformen zu entwickeln.

B 3.107

B 3.108

Anmerkungen: [1] Usemann, Klaus: Entwicklung von Heizung und Lüftung zur Wissenschaft, Oldenbourg-Verlag, München 1993 [2] ohne Nachweis ist für die Berechnung nach Energieeinsparverordnung EnEV ein Wärmebrückenzuschlagskoeffizient von 0,1 W / m2K anzusetzen. Bei Ausführung der Planung nach Beiblatt 2 der DIN 4108 kann dieser Wert auf 0,5 W / m2K halbiert werden. Alternativ ist ein verminderter Nachweis nach DIN EN 10211 möglich. [3] nach: Köster, Helmut: Tageslichtdynamische Architektur. Grundlagen, Systeme, Projekte, S. 96, Basel 2004 [4] Systematik entwickelt am Institut für Baukonstruktion und Entwerfen, Lehrstuhl 2, Universität Stuttgart B 3.109

Solartechnik

konstruktive Einbindung

formale Einbindung

Addition Integration Adaption

Entflechtung Verflechtung Verschmelzung

Gebäudehülle

Gestaltung

Architektur B 3.110

B 3.111

109

Technik

B 4.1

Im Mittelpunkt des energieeffizienten Bauens steht das Bemüh en, durch bauliche Maßnahmen mit minimalem Energiebedarf eine komfortable Nutzung des Gebäudes zu erzielen. Dies wird in erster Linie durch die klimaoptimierte Konzeption von Baukörper, Gebäudehülle und Materialwahl erreicht. Der Gebäudebetrieb erfordert darüber hinaus in vielen Klimaregionen eine regelbare Zufuhr von Energie. Die hierfür notwendigen Technologien beeinflussen wesentlich den Nutzerkomfort, aber auch die Umweltwirkungen des Objekts. Letztere können durch eine Energiebilanzierung aller während des Betriebs anfallenden Bedarfsposten ermittelt werden, wie sie inzwischen im Rahmen der EU-Richtlinie zur Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden für Heizwärme, Trinkwarmwasser, Kühlenergie, Lüftung, Beleuchtung sowie für die jeweiligen Hilfsenergien gefordert wird. Durch die Erweiterung des Bilanzierungsbereichs auf den Primärenergiebedarf werden auch energieträgerspezifische und technologisch bedingte Umweltauswirkungen erfasst. Die Gebäudetechnik wird somit als integraler Bestandteil des energetischen Gesamtkonzepts eines Gebäudes verstanden.

Nachhaltige Gebäudetechnik

B 4.1

B 4.2 B 4.3 B 4.4 B 4.5

110

solaraktive, holografisch-optische Verschattungselemente, Reihenhaus, Stuttgart (D) 1993, Hegger Hegger Schleiff Beispiel für passive Luftführung und Verdunstungskühlung im arabischen Raum, 2. Jh. n. Chr. Hypokaustenheizung eines römischen Bads, ca. 3. Jh. n. Chr. Solarkraftwerk auf der Weltausstellung in Paris (F) 1878, Augustin Mouchot Meilensteine der Gebäudeenergietechnik

Für eine nachhaltige Gebäudetechnik sind vor allem drei Aspekte entscheidend. Zum einen gilt besondere Aufmerksamkeit den ökologischen Folgewirkungen der technischen Systeme. Bei der Nutzung fossiler und atomarer Energiequellen müssen knappe Ressourcen möglichst schonend eingesetzt werden, um die durch ihren Gebrauch entstehenden Umweltprobleme zu minimieren. Es ist daher notwendig, neben der Gewährleistung hoher Energieeffizienz eine weitreichende Nutzung erneuerbarer Energiequellen für die Energieversorgung von Gebäuden zu erzielen. Im Idealfall erfolgt diese vollständig CO2-neutral, wobei die Bilanzierungsgrenze sowohl auf das Einzelgebäude, als auch auf das Gebäudeensemble, Gemeinden bis hin zu regionalen oder landesweiten Strukturen bezogen sein kann. Der Einsatz erneuerbarer Energiequellen erfordert jedoch Aufwendungen für die Bereitstellung

der Technik. Neben der gebundenen Primärenergie sind auch weitere ökologische Auswirkungen der verwendeten Materialien zu beachten. Nicht zuletzt induziert ein hoher Verbrauch an Energieträgern entsprechende logistische Aufwendungen, wie etwa bei der Nutzung von Biomasse. Zum anderen prägt die Gebäudetechnik in vielen Bereichen zugleich die Architektur. Sie interagiert mit dem Entwurf und sollte präzise auf die baulichen Randbedingungen und nutzerspezifischen Vorgaben eingehen. Unter nachhaltigen Gesichtspunkten ist sie nicht allein auf Basis von Gesetzen und Normen unter Verwendung technischer Bauteile aus dem Katalog zu bewältigen. Entsprechend können die Systemkomponenten nicht als additive Elemente betrachtet werden, die im Sinne des »technischen Ausbaus« ein Gebäude nutzbar machen. Vielmehr wird zusammen mit dem Entwurf ein integriertes technisches Konzept nötig, das für die spezifische Aufgabe den optimalen Lösungsvorschlag bereithält. Energetische Gebäudesimulation ermöglicht eine technische Planung ohne überzogene Sicherheitszuschläge, die zudem das Potenzial birgt, wesentlicher Impulsgeber für den Entwurf zu sein. Dies ist insbesondere bei der Photovoltaik und Solarthermie bedeutsam. Zudem beeinflusst die Technik das Nutzerverhalten. Weitgehende Regelungsmöglichkeiten und eine intuitive Steuerung fördern hier eine nachhaltige Nutzung. Letztlich bindet die Gebäudetechnik immer auch Kapital. Dies trifft sowohl auf die Herstellung als auch auf die Aufwendungen zu, die sich aus dem Betrieb ergeben (Kosten für Energieträger sowie Wartungs- bzw. Instandhaltungskosten). Eine Optimierung kann daher nur im Betrachtungsrahmen des Lebenszyklus erfolgen. Ein wesentlicher Aspekt ist hierbei die sorgfältige Planung mit Bauteilen, deren technische Nutzungsdauern stark differieren können. Bei technischen Komponenten ist deren einfache Austauschbarkeit ein wichtiges Planungskriterium. Erneuerbare Energiequellen versprechen eine umweltverträgliche Energienutzung. Bei einer vollständigen Energieversorgung mit erneuerbaren Quellen könnte man daher schlussfol-

Technik

1 Aufenthaltsraum Winter 2 Wasserbecken 3 Aufenthaltsraum Sommer 4 kühlender Wind

Lochsteine (Tubuli)

4

1

3 2

B 4.2

B 4.3

gern, dass der Energieverbrauch dann nicht mehr von Bedeutung wäre. Die Nutzung dieser Quellen wird jedoch immer mit einem hohen Aufwand verbunden sein, der sich insbesondere in den Kosten zur Energieumwandlung (z. B. Erdwärme) zeigt. Verlustreduzierung, Effizienzsteigerung und Nutzung erneuerbarer Energiequellen stellen so sich gegenseitig ergänzende Ziele dar. Neben Maßnahmen zur Bedarfsvermeidung müssen in der Planung gleichwertig die Wahl der Energiequelle und die daraus resultierende Gebäudetechnik beachtet werden (siehe Strategien, S. 176).

zeigt die Präsentation der ersten solarthermischen Kraftmaschine durch Augustin Mouchot auf der Weltausstellung in Paris 1878 (Abb. B 4.4). Die Motivation für die Entwicklung dieser Maschine war ein Aufruf des französischen Königs zur Erforschung alternativer Energiequellen aufgrund des zunehmenden Kohlemangels. Man kann hier durchaus bereits von einer frühen globalen Energiekrise reden. Dass man sich bereits zu Beginn des fossilen Zeitalters der Endlichkeit dieser Energiequellen bewusst war, zeigt ein Zitat des Physikers Claudius aus dem Jahre 1885: »Wir haben gefunden, dass unter der Erde Kohlenvorräte aus alten Zeiten liegen, welche sich im Laufe so langer Zeiträume abgelagert haben, dass alle historischen Zeiten dagegen verschwindend klein sind (…). Diese verbrauchen wir nun, und verhalten uns dabei wie lachende Erben, welche eine reiche Hinterlassenschaft verzehren. Es wird aus der Erde heraufgeschafft (…) und verbraucht, als ob es unerschöpflich wäre (…). Wenn dieser Vorrat verbraucht sein wird, (…) werden die Menschen darauf angewiesen sein, sich mit der Energie zu behelfen, welche die Sonne ihnen im Verlauf der ferneren Zeit noch fortwährend durch ihre Strahlen liefert.«[2] Nach der Gründung des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI) 1856 wurden durch den Physiker Schinz in Deutschland weitergehende Berechnungen zum Wärmebedarf von Gebäuden durchgeführt, deren Ergebnisse in der Einführung der Bezeichnung »Wärmeverlust durch Transmission und Lüftung« mündeten. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts legte Hermann Rietschel durch seine zahlreichen praktischen Arbeiten die Grundlage für die heutige Berechnung des Wärmebedarfs von Gebäuden fest und erarbeitete das erste Hand- und Lehrbuch für Heizungsingenieure. Parallel zu den wissenschaftlichen Untersuchungen und Erkenntnissen haben nahezu alle heute üblichen technologischen Systeme im 19. Jahrhundert ihren Ursprung. So wurde bereits 1839 durch den Physiker Alexandre Edmond Bequerell der photovoltaische Effekt entdeckt, der die Grundlage aller heutigen Systeme zur Erzeugung von Solarstrom darstellt. Beachtlich ist in diesem Zusammenhang, dass auch die Notwendigkeit

Historische Entwicklung

Die Gebäudetechnik hat sich erst im 20. Jahrhundert zu einer eigenständigen Disziplin entwickelt, wobei jedoch die meisten Prinzipien und viele Technologien auf eine lange Entwicklung zurückblicken können. Zahlreiche Beispiele aus früherer Zeit aus dem arabischen Kulturraum dokumentieren bereits eine intelligente Verknüpfung technischer Systeme mit den natürlichen klimatischen Randbedingungen, um ein behagliches Innenraumklima sicherzustellen. Abb. B 4.2 zeigt exemplarisch die Nutzung des Windes über Verdunstung von Wasser und des thermischen Auftriebs zur Realisierung einer Kühlung der Zuluft von Gebäuden. In der römischen Baukunst ist bemerkenswert, wie durch intelligente Kanalsysteme bereits vor Christi Geburt in Badeanlagen Zentralheizungen installiert wurden, bei denen die Wärmeabgabe über den Fußboden und die Wände erfolgte (Abb. B 4.3). Konkrete Überlegungen zur Wärmeversorgung von Gebäuden und zur Sicherstellung behaglicher Bedingungen in geschlossenen Räumen datieren allerdings erst um das 18. Jahrhundert. Eines der frühesten Dokumente stammt überraschenderweise von einem deutschen Pfarrer, der 1720 eine Abhandlung zur »Wärmebedarfsrechnung in Gebäuden« schrieb. Darin stellte Johann Georg Leutmann fest, dass sich »die Größe des Ofens richten muss nach dem Gemach, welches damit erwärmt werden soll« [1]. 19. Jahrhundert Dass erneuerbare Energietechnologie bereits im 19. Jahrhundert eine wichtige Rolle spielte,

1700

B 4.4 • erste Berechnungen zum Wärmebedarf von Gebäuden

• Energiekrise in Europa aufgrund von Kohlemangel

1750

• erstes solarthermisches Hochleistungssystem

1800 • Einführung der Begriffe Wärmefluss, Temperaturgefälle und Wärmeleitfähigkeit • Einführung des k-Werts als Kennwert für die Wärmeleitfähigkeit (heute U-Wert) • Erfindung der Wärmepumpe • Entdeckung des Photoeffekts • Entdeckung des Sorptionsprinzips 1850

• Kristallpalast in London • Einführung des Begriffs »Wärmeverlust« durch Transmission und Lüftung • Patent für Isolierverglasung • erste Überlegungen zur Integration von Photovoltaik in die Gebäudehülle

1900

• zahlreiche Patente zu solarthermischen Kollektoren • Fagus-Werke (Gropius) • Boom in den USA für thermische Solaranlagen • Vision Glashochhaus (Mies van der Rohe) • MIT-Solarhäuser • Marktreife der Isolierverglasung

1950

• Marktreife von ersten Photovoltaikmodulen • Solarhaus mit Trombewand • weltweite Ölkrisen • Renaissance der passiven Solararchitektur • erste Photovoltaikfassade • erste Passivhäuser

2000

• energieautarkes Solarhaus in Freiburg B 4.5

111

Technik

B 4.6

B 4.7

B 4.8

solar aktivierbarer Flächen und die daraus abgeleitete Nutzung von Fassaden und Dächern von Gebäuden für die großmaßstäbliche Entwicklung der Photovoltaik bereits im 19. Jahrhundert erkannt wurde. Dies belegt ein Zitat des amerikanischen Physikers Charles Fritts aus dem Jahr 1880: »Die Photovoltaik hat nur eine Chance, wenn sie sich harmonisch in die Architektur integrieren lässt.« Auch im Bereich der Thermodynamik wurden um diese Zeit erste Prototypen realisiert, bei denen durch Kompression und Dekompression Wärmepotenziale über ein Trägermedium gezielt beeinflusst wurden. Die überwiegende Mehrheit unserer heutigen Kältemaschinen und Wärmepumpensysteme basiert auf diesen Entwicklungen. Ebenso hat im 19. Jahrhundert die Technologie der Ab- und Adsorption ihren Ursprung. Sie erlebt in aktuellen Entwicklungen zur solaren Kühlung eine Renaissance.

wonnenen Erkenntnisse in der neu erschienenen DIN 4701 »Regeln für die Berechnung des Wärmebedarfs von Gebäuden und für die Berechnung der Kessel und Heizkörpergrößen von Heizungsanlagen« dokumentiert. Das 47-seitige Schriftstück war mit Klimatafeln des Preußischen Meteorologischen Instituts, Hinweisen zum natürlichen Luftwechsel durch Undichtigkeiten von Fenstern und Türen sowie einer Liste mit Wärmedämmwerten (damals k-Werte) verschiedener Bauteile ausgestattet. 1940 fand die Energiethematik einen systematischen Eingang in die Ausbildung von Architekten, indem das Fach »technischer Ausbau« zur Pflichtveranstaltung im Grundstudium der Architekturhochschulen wurde [1]. Mit zunehmender Industrialisierung im Bauwesen und zahlreichen technischen Entwicklungen in den Bereichen Baustoff, Konstruktion und Systemtechnik waren Gebäude in hoch industrialisierten Ländern zusehends gekennzeichnet durch sehr anspruchsvolle und von äußeren Bedingungen unabhängige Einrichtungen zur Raumkonditionierung. Diese erforderten einen deutlich steigenden Technikbedarf für die Nutzung der Gebäude, was sich auch 1967 in der Erweiterung der VDI-Fachguppe »Technische Gebäudeausrüstung« um den Begriff »Klimatechnik« zeigte. Zu dieser Zeit waren Photovoltaikmodule bereits im Weltall im Einsatz, eine Integration in die Architektur jedoch noch nicht absehbar. In den 1940er- und 1960er-Jahren strebten

zahlreiche Forschungs- und Pilotprojekte im Wohnungsbau eine möglichst weitreichende Wärmeversorgung durch solarthermische Systeme an. Dabei wurden sowohl passive wie die Trombewand als auch aktive solarthermische Systeme mit Langzeitspeicherung wie das MITSolarhaus entwickelt (Abb. B 4.8). Es konnte jedoch kein großer Durchbruch erzielt werden, da sich zu dieser Zeit die Kosten der konventionellen Energieversorgung auf einem sehr niedrigen Niveau befanden. Das für die weitere Entwicklung entscheidende Ereignis stellte die erste Ölkrise 1973 dar. Neben den ökologischen Aspekten waren jetzt auch vor allem Bestrebungen zur Verringerung der Abhängigkeit von unsicheren Energielieferungen die treibende Kraft. Seit den 1980er-Jahren wurden in der Effizienz der Gebäudetechnik wichtige Fortschritte vorangetrieben. So wurden Heizkessel durch die Brennwerttechnik und die Wärmepumpe als Alternative zu den konventionellen Heizsystemen in ihren Wirkungsgraden entscheidend verbessert. Ebenso entwickelte man die solarthermischen Systeme z. B. im Bereich der Betriebssicherheit oder Regelungstechnik weiter, sodass heute ein breites Spektrum an ausgereiften Komponenten zur Verfügung steht. Weiterhin wurde die Photovoltaik zur elektrischen Energieerzeugung seit den 1980er-Jahren in die Gebäudehülle integriert (Abb. B 4.9). 1992 gelang es schließlich, ein vollständig energieautarkes Gebäude zu realisieren (Abb. B 4.10). Vor allem der solare Was-

B 4.9

B 4.10

20. Jahrhundert Bereits Ende des 19. Jahrhunderts gab es zahlreiche Patente für solarthermische Kollektoren. In den USA kam es in dünn besiedelten Gebieten sogar zeitweise zu einem regelrechten Solarboom (Abb. B 4.6 und 7). Inzwischen beschäftigten sich auch Architekten mit der Energietechnik, woraufhin der deutsche Architekturprofessor Richard Schachner 1926 das erste »umfassende Buch für Baufachleute über das Gebiet der Haustechnik« veröffentlichte [1]. Bereits drei Jahre später wurden die ge-

B 4.6

Werbung für den Climax Solar-Water Heater, Baltimore (USA) 1892 B 4.7 privates Wohnhaus mit solarthermischen Kollektoren, Pamona Valley (USA) um 1910 B 4.8 MIT-Solarhaus, Forschungsgebäude mit integriertem Kollektordach, USA 1939 B 4.9 erstes Gebäude mit integrierter Photovoltaik, Wohnanlage, München (D) 1982, Herzog + Partner B 4.10 energieautarkes Solarhaus, Forschungsprojekt des Fraunhofer ISE, Freiburg (D) 1992, Planerwerkstatt Hölken & Berghoff B 4.11 Ziele und Technologien zur energetischen Optimierung der Gebäudetechnik

112

Technik

serstoffkreislauf über Photovoltaikelemente und Brennstoffzellen ermöglichte dessen Betrieb. Aktuelle Tendenzen Spätestens seit den 1990er-Jahren hat sich bei den fossilen Brennstoffen in Europa das Erdgas durchgesetzt. Hier ist die Brennwerttechnologie inzwischen als Standard etabliert. Die wesentlichen Entwicklungen vollziehen sich nun in den Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energie. Die thermische Nutzung von Biomasse – allen voran in Form von Holzpellets – hat sich durch effiziente Techniken durchgesetzt. Solarthermische Systeme zur Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung sind inzwischen Standardprodukte, Photovoltaikmodule können projektspezifisch hergestellt werden. Wärmepumpen und die dezentrale KraftWärme-Kopplung sind marktgängig. In der aktuellen Entwicklung befinden sich insbesondere neue Speichertechnologien, Konzepte für die Gebäudeautomation, die Brennstoffzellen-Technik sowie Systeme zur solaren Kühlung und thermischen Stromerzeugung. In technischer Hinsicht stehen somit heute für eine effiziente Energieverwendung und die Nutzung erneuerbarer Energie eine große Anzahl ausgereifter Technologien bereit. Durch den Einsatz von Biomasse, Systemen zur KraftWärme-Kopplung, individuell gefertigten Photovoltaikmodulen, solarthermischen Kollektoren sowie effizienten Speichersystemen und Regelungstechniken ist es inzwischen ohne großen Mehraufwand möglich, ein Gebäude CO2-neutral zu betreiben. Angelehnt an die zehn Bausteine zur Energieoptimierung von Gebäuden werden im Folgenden die einzelnen Technologien erläutert (siehe Grundlagen, S. 61). Abb. B 4.11 gibt einen strukturierten Überblick über die fünf Energiethemen und die prinzipiell nutzbaren Systeme. Die einzelnen Techniken werden in ihrer Funktionsweise erläutert und sollen mit Hinweisen zu relevanten Planungskriterien als Grundlage für die Entwicklung eines Gesamtenergiekonzepts dienen (siehe Strategien, S. 177).

Ziel

Teilziel

Planungsgegenstand

fossile / atomare Energieträger

Biomasse

Wärme gewinnen und verteilen

technische Systeme

Brennwerttechnik, Stromheizung

Stückholz-, Hackschnitzel-, Holzpelletkessel

solare Wärme

offene Absorber, Flach-, Luft-, Vakuumröhrenkollektor

Umgebungswärme

Außenluft-, Abwärme-, Erdreich-, Wasserwärmepumpe

Wärmespeicher, Verteilung und Übergabe

sensible Speicher, Latent-, Sorptionsspeicher, Flächenheizung, Konvektor

natürliche Wärmesenken

Erdreichwärmetauscher, adiabate Kühlung, Nachtluftspülung

elektrische Kälteerzeugung

Kompressionskältemaschine, reversible Wärmepumpe

thermische Kälteerzeugung

Ab-, Adsorptionskältemaschine, solare Kühlung

Kältespeicher, Verteilung und Übergabe

Wasserspeicher, Eisspeicher, Kühlsegel, Bauteilaktivierung

Kälte gewinnen und Wärme abführen

Gebäudetechnik optimieren

Anforderungen und Dimensionierung

maschinelle Lüftung optimieren

Heiz-, Kühlregister, Be-, Entfeuchter, Luftkanal

Luftführung und Antrieb

Luftkanal, Quellluftauslass, Weitwurfdüse, Venturiflügel, Solarkamin, Ventilator

Wärme-, Kälte und Feuchterückgewinnung

Kreuz-, Gegenstrom, Rotationswärmetauscher

Geräte, Leuchtmittel Lichttechnik

Wärme erzeugen Die Wärmeversorgung gehört zu den wichtigsten Aufgaben der Gebäudetechnik. Sie gewährleistet behagliche Innnenraumtemperaturen, wenn die passive Leistungsfähigkeit des Gebäudes dies nicht sicherstellen kann. Da für die meisten bewohnten Gebiete der Erde eine solche notwendig ist, liegt in der Wärmetechnik ein erhebliches Potenzial zur Vermeidung negativer Umweltauswirkungen. Die Höhe und Dauer der Wärmeversorgung wird im Wesentlichen beeinflusst von den klimatischen Randbedingungen, den nutzerspezifischen Anforderungen sowie der thermischen Qualität der Gebäudehülle. Grundlage der Planung von Wärmeerzeugungssystemen ist die so genannte (Norm-)Heizlast (früher: Wärmebedarf). Sie gibt an, welche Wärmeleistung dem Gebäude bzw.

Kunstlicht optimieren

Beleuchtungskonzept

Automatisierung

Photovoltaik

Strom gewinnen und effizient nutzen

Kraft-WärmeKopplung

Stromspeicher

direkte / indirekte, arbeitsbereichsbezogene Beleuchtung, Oberflächenbeschaffenheit Anwesenheitssensor, tageslichtabhängige Regelung Modularten, konstruktive Integration, Mehrfachfunktionen Motorgenerator, Stirlingmotor, Turbine, Brennstoffzelle, Kraft-Wärme-KälteKopplung Akkumulator, Wasserstoffkreislauf B 4.11

113

Technik

Gebäudehülle (thermische Qualität) Nutzung (Raum-Solltemperatur) Klima (z. B. minimale Lufttemperatur, Windanfall)

Transmissionswärmeverluste

Lüftungswärmeverluste

Normheizlast [kW] B 4.12

überschlägige Heizlastermittlung

spezifische Heizlast Qspez [W/ m 2BGF beheizt ]

Q [W] ~ Qspez · BGF beheizt · ftemp 175 Altbau

150 125 WSVO ’77

100

WSVO ’84

75 WSVO ’95 EnEV

50 25

den einzelnen Räumen im ungünstigsten Fall zugeführt werden muss, um die geforderten Innenraumtemperaturen gewährleisten zu können (Abb. B 4.12). Die Berechnung basiert prinzipiell auf der gleichen Methode wie die Ermittlung des Jahresheizwärmebedarfs nach der Energieeinsparverordnung (EnEV). Während bei dieser jedoch die jährliche Energiemenge ermittelt wird, ist für die Heizlast nur der ungünstigste Fall relevant. Daher werden hier variable Energiegewinne wie interne Wärmequellen oder solare Einstrahlung nicht berücksichtigt. Mit zunehmender Optimierung der Gebäudehülle verringert sich nicht nur die Heizlast, auch die Dauer der Heizperiode verkürzt sich erheblich (Abb. B 4.14). Die Heizlast bildet die Grundlage für die Dimensionierung der Wärmeerzeuger (Heizkessel, Wärmepumpe etc.) und der Wärmeübergabesysteme (Heizkörper, Zuluftheizregister etc.). Zur genauen Berechnung dient die Norm DIN EN 12831. Eine überschlägige Ermittlung kann für Wohngebäude über die Nutzfläche durch spezifische Heizlastkennwerte und Zuschläge gemacht werden (Abb. B 4.13). Im Folgenden werden die wichtigsten Systeme zur Wärmeerzeugung, nach ihren Energieträgern geordnet, erläutert. Systeme zur kombinierten Wärme- und Stromerzeugung finden sich in einem eigenen Abschnitt auf S. 143.

Passivhaus

0

Korrekturfaktor ftemp[-]

0,4

0,6

0,8

1,0 1,2 1,4 A / V-Verhältnis [1/m]

1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 -18

Beispiele

-16

-14 -12 -10 Norm-Außentemperatur [°C]

Norm-Außentemperatur / Jahresmittel

Hamburg -12 °C / 8,5 °C

Hof

-18 °C / 3,0 °C

Berlin

-14 °C / 9,5 °C

Stuttgart

-12 °C / 10,2 °C

Köln

-10 °C / 8,1 °C

München -16 °C / 7,9 °C

Heizleistung

B 4.13

Jahresheizwärmebedarf nach EnEV (jährliche Energiemenge in kWh)

J

A

S

O

N

D

Heizleistung

a

Normheizlast nach DIN EN 12831 (max. Leistung in kW)

J

F

M

A

M

J

Altbau EnEV

Passivhaus

b

114

J

A

S

O

N

D

J

F

M

A

M J B 4.14

Nutzung fossiler und atomarer Energieträger

Die weltweite Energieversorgung wird überwiegend durch fossile Energieträger in Form von Kohle, Erdöl und Erdgas sichergestellt. Bereits zu Beginn des »fossilen Zeitalters« wurde die Endlichkeit dieser Energieressourcen richtig erkannt, nicht aber die ebenso schwerwiegende Problematik schädlicher Treibhausgase und der daraus resultierenden globalen Klimaveränderung beachtet (siehe Grundlagen, S. 39). Das technologisch einfache Prinzip der Verbrennung und seine Entwicklungszeit machen sehr ausgereifte Heizsysteme für Gebäude verfügbar. Die ursprünglich einfachen Heizkessel ermöglichen inzwischen durch Niedertemperaturtechnik und elektronisch gesteuerte, modulierende Systeme eine sehr effiziente Verbrennung. Durch die fortschrittliche Brennwerttechnologie kann inzwischen der Energiegehalt von Erdöl oder Erdgas nahezu vollständig in nutzbare Wärme umgewandelt werden. Die Effizienz verbessert sich durch die zusätzliche Nutzung der im Wasserdampf des Abgases gespeicherten latenten Wärmeenergie. Der Wasserdampf wird über den kühleren Rücklauf aus dem Heizkreis kondensiert. Die dabei frei werdende Wärme hebt die Temperatur des Rücklaufs an. Das saure Kondensat wird entsprechend aufbereitet und abgeführt. Da sich der Wirkungsgrad eines Heizkessels auf den Heizwert (ohne Abgaswärme) bezieht, sind bei der Brennwerttechnik einschließlich Abgaswärmenutzung Werte über 100 % realisierbar (Abb. B 4.18). Prinzipiell weisen Systeme zur Nutzung fossiler Energiequellen – abgesehen von ihrer Verfügbarkeit – aufgrund der unter nachhaltigen Ge-

sichtspunkten kritisch zu betrachtenden Umweltwirkungen Schwächen wie etwa CO2-Emissionen auf, an deren Grundproblematik auch eine äußerst effiziente Umwandlung nichts ändert. Wärme aus elektrischer Energie Ab der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurde Strom als Energieträger verstärkt auch für die Wärmeversorgung von Gebäuden eingesetzt. Bei kleinen Energiemengen (z. B. dezentrale Trinkwassererwärmung) dient hierzu ein elektrischer Durchlauferhitzer; Wasserspeicher werden bei höherem Energiebedarf eingebunden. Dadurch ist ein zeitlicher Puffer möglich, der den Strombezug vom Wärmebedarf entkoppelt (z. B. für die Nutzung von günstigem Nachtstrom). Stromheizungen benötigen weder einen Kamin noch einen speziellen Heizraum, weil keine Verbrennung erfolgt. Bei Strom als sekundärem Energieträger ist zur Beurteilung der ökologischen Qualität wichtig, aus welchen Energiequellen die Stromgewinnung erfolgt. Diese lassen sich jeweils länderspezifisch ermitteln. In Deutschland besteht der Strommix zu 88 % aus fossilen und atomaren Energieträgern (Stand 2006). Durch die Abhängigkeit vom Rohstoff Uran besteht auch bei der Kernenergie das Problem, nicht dauerhaft verfügbar zu sein. Bezüglich CO2-Emissionen ist die Kernenergie in der laufenden Energieerzeugung günstiger; die problematische und international bislang ungelöste Entsorgung der radioaktiven Abfallstoffe konterkariert diesen Vorzug jedoch ebenso wie die Sicherheitsproblematik (siehe Grundlagen, S. 45). Bei hohen Umwandlungsverlusten in der Stromerzeugung aus fossilen Energiequellen schlägt sich eine direkte Wärmeerzeugung aus Strom besonders ungünstig in der Primärenergiebilanz eines Gebäudes nieder (Abb. B 4.15). Die Wärmeerzeugung aus Strom ist generell nur dann sinnvoll, wenn zum einen effiziente Systeme wie z. B. Wärmepumpen eingesetzt werden. Hier kann die Nutzung von Umgebungswärme gegenüber einer fossilen Wärmeerzeugung ökologische Vorteile erzielen (Abb. B 4.48). Zum anderen bietet sich Strom an, wenn der Wärmebedarf äußerst gering ist, wie z. B. zur dezentralen Warmwasserbereitung Erdöl Erdgas Strom N A CH S NL D FIN 0

1

2 3 4 Primärenergiefaktor [- ] B 4.15

Technik

Biomasseaufkommen für eine energetische Nutzung

organische Nebenprodukte

Ernterückstände Waldrestholz Stroh

Industrierestholz Gülle

organische Abfälle Dung Klärschlamm Großküchenabfälle

Energiepflanzen auf landwirtschaftl. Brachflächen Raps Chinaschilf

B 4.12 B 4.13

B 4.14

B 4.15 B 4.16 B 4.17 B 4.18 Potenzial 30 %

Potenzial 25 %

Potenzial 5 %

Potenzial 40 %

Ermittlung der Normheizlast für Gebäude überschlägige Ermittlung der Heizlast für Wohngebäude in Deutschland mit Richtwerten, Korrekturfaktoren und Beispielen a Zusammenhang zwischen Normheizlast und Jahresheizwärmebedarf b Zusammenhang zwischen Gebäudequalität und Heizlast bzw. Dauer der Heizperiode Primärenergiefaktoren im Vergleich energetisch nutzbares Biomasseaufkommens in Deutschland mit prozentualer Verteilung CO2-Kreislauf für Biomasse Brennwerttechnologie a Energieflussschema b technische Umsetzung im Heizkessel

B 4.16

in Verwaltungsgebäuden. Aufgrund einfacher Technologie und der Vermeidung von Leitungsverlusten wird so im Gesamtsystem eine effiziente Erzeugung ermöglicht. Prinzipiell gilt, dass Strom vollständig aus erneuerbaren Energien gewonnen werden sollte, was sowohl zentral als auch dezentral erfolgen kann. Nutzung von Biomasse

Pflanzliche Biomasse birgt als nachwachsender Rohstoff das Potenzial, in der Energiebereitstellung einen CO2-neutralen Kreislauf zu gewährleisten, da bei einer Verbrennung nur die Menge an CO2 entweicht, die während des Wachstums von den Pflanzen aufgenommen wurde (Abb. B 4.17). Biomasse wird daher als »CO2-neutraler« Energieträger bezeichnet – vorausgesetzt Wachstum und Nutzung der Bewirtschaftung sind nachhaltig gestaltet. Berücksichtigt werden muss in der Gesamtbilanz der Primärenergieaufwand, der innerhalb der Bereitstellungskette investiert wird. Der fossile Primärenergiekennwert von Biomasse ist deshalb nicht null. Da durch die dauerhafte Verfügbarkeit jedoch gute Bedingungen vorherrschen, besteht das Optimierungspotenzial vor allem darin, Energieträger verfügbar zu machen, hocheffizient umzuwandeln und die Schadstoffe bei der Verbrennung zu minimieren. Hier ist vor allem die Feinstaubproblematik zu nennen, da in der künftigen Entwicklung sowohl generell als auch bei Biomasse im Speziellen kon-

krete Definitionen und Grenzwerte sowie weiterentwickelte Technologien erforderlich sind, um Emissionen zu reduzieren und gesundheitliche Risiken zu vermeiden. Der Begriff »Biomasse« beschreibt ein sehr breites Spektrum von Energieträgern: Biologisch umfasst er grundsätzlich alle Stoffe organischer Herkunft (kohlenstoffhaltige Materie) und damit alle Pflanzen und Tiere, deren Rückstände (z. B. tierische Exkremente), die abgestorbene, aber noch nicht fossile Pflanzenmasse sowie im weitesten Sinne alle Stoffe, die durch eine Umwandlung bzw. stoffliche Nutzung daraus entstehen (z. B. Papier, organischer Hausmüll, Pflanzenöle, Biogas etc.). Die Abgrenzung zu fossilen Energieträgern beginnt beim Torf. Biomasse lässt sich aus energetischer Sicht in Primär- und Sekundärprodukte unterteilen. Primärprodukte entstehen in erster Linie durch direkte photosynthetische Umwandlung der Solarstrahlung (z. B. Holz, Gräser, Stroh etc.). Als Sekundärprodukte werden energetisch aufbereitete Energieträger (z. B. Hackschnitzel, Holzpellets, Pflanzenöl etc.) sowie durch Ab- oder Umbau organischer Substanzen in Organismen entstandene Stoffe (z. B. Gülle, Klärschlamm etc.) bezeichnet. In der Literatur wird Biomasse oft synonym als »nachwachsender Rohstoff« verwendet. Auch hierfür gibt es keine allgemeingültige Definition. Eine Differenzierung kann in der Weise erfolgen, dass das Wort »Rohstoff« der menschlichen Nutzung unterstellt wird, was für Biomasse

nicht generell zutrifft. Zum anderen besteht eine Abgrenzung zum Nahrungsmittel. Für die energetische Verwertung von Biomasse liegt der Fokus auf dem Aspekt der »gespeicherten Solarenergie«, die über entsprechende Konversionsanlagen nutzbar ist. Welche konkreten Stoffe sich dafür eignen, ist nicht zuletzt auch eine Frage der Ethik, die z. B. über eine energetische Nutzung von Getreide oder Tierkadavern entscheiden muss. Biomasseaufkommen Biomasse tritt in verschiedenen Formen auf und wird durch zahlreiche Faktoren wie Wasservorkommen, Temperatur, Bodenart, Nährstoffe etc. beeinflusst. Die Solarstrahlung und der Photosyntheseprozess sind für das Wachstum von organischen Stoffen verantwortlich, weshalb pflanzliche Biomasse auch als gespeicherte Sonnenenergie bezeichnet wird. Die durch die Photosynthese entstehenden Stoffe sind, ganzheitlich betrachtet, Zellulose (ca. 65 %), Hemizellulose (ca. 17 %) und Lignin (ca. 17 %), die zusammen etwa 99 % des weltweiten jährlichen Zuwachses an Biomasse abdecken. Die holzartigen Pflanzen bilden hierbei das größte Potenzial. Hinsichtlich des energetisch nutzbaren Aufkommens kann die Biomasse in Europa insgesamt in folgende vier Bereiche eingeteilt werden (Abb. B 4.16): • Ernterückstände: Hierunter fallen insbesondere feste biogene Energieträger, die aus VL 55 °C

Brennwertkessel

CO2

Abgas z.B. 4 0 °C

CO2 Brennwert

1. Wärmetauscher Heizwert (100 %) (Verbrennungsenergie)

Wasserdampf

1. WT

Nutzwärme 106 % (Öl) 111 % (Gas)

160 °C

2. WT

RL 3 5 °C

π +6 % (Öl) π +11 % (Gas)

Kondensat Gas

Verrottung

Biomasse

2. Wärmetauscher Kondensation (latente Wärme)

Heizung

Luft

Ventilator

Abgas

Kondensatablauf

B 4.17

a

b

B 4.18

115

Technik

12 11

1 Füllraum

1 11

2 Förderschnecke 3 Brennkammer 4 Brennteller

7

11 8

5 Elektrozündung 6 Aschenbox 7 Ventilator 8 Primärluft

7

10 3

9

9 Sekundärluft

2 4

4

10 Sekundärluftblende 11 Wärmetauscher

5

2

3

12

6

6

12

12

12 Revisionsöffnung

a

b

c

der direkten Bewirtschaftung von Wäldern (Waldrestholz, Schwachholz), der Landschafts- und Straßenpflege sowie aus landwirtschaftlichen Nutzflächen als Rückstände anfallen. • organische Nebenprodukte: Dabei handelt es sich um Rückstände, die durch einen primären Verarbeitungsprozess entstehen. Typische Beispiele hierfür sind Resthölzer aus der industriellen Holzverarbeitung oder Gülle aus der landwirtschaftlichen Nutztierhaltung für eine Produktion von Biogas. • organische Abfälle: Als organische Abfälle werden biogene Sekundärenergieträger bezeichnet, die nach einer Endnutzung als Rückstände übrig bleiben, z. B. Klärschlamm oder Deponiegas. • Energiepflanzen: Das größte Potenzial einer energetischen Nutzung von Biomasse ist mit dem Anbau von Energiepflanzen zu erzielen. Landwirtschaftliche Stilllegungsflächen werden speziell bewirtschaftet und so ausschließlich energetisch genutzt. Sie reichen vom Anbau ölhaltiger Pflanzen (Raps, Sonnenblume, Soja etc.) über schnell wachsende Gräser mit hoher Zellulosemasse bis zu Hecken- und Baumgewächsen mit sehr geringem Pflegebedarf. Bereitstellung biogener Energieträger Um Biomasse für die Wärmeversorgung von Gebäuden technisch nutzen zu können, ist ihre Aufbereitung zu Energieträgern erforderlich.

Biomasse durchläuft von der Entstehung bis zur thermischen Nutzung mehrere Phasen. Der Anbau bildet zusammen mit der Ernte bzw. Bergung die so genannte Phase der Produktions- und Verfügbarmachung. Anschließend erfolgt die Bereitstellungsphase, die die Zeitspanne zwischen dem Anfall der Biomasse und der energetischen Verwertung überbrückt, in der Transport, Lagerungs- und vor allem Aufbereitungsprozesse stattfinden. Biogene Energieträger können wie folgt differenziert werden: Bei Festbrennstoffen unterscheidet man zwischen holzartiger und halmgutartiger Biomasse. Die Produktionsorte und Bezugsmöglichkeiten für Holzbrennstoffe sind sehr vielfältig. Typisch für biogene Festbrennstoffe sind Waldrestholz, Be- und Verarbeitungsresthölzer sowie Holz aus Kurzumtriebsplantagen. Die Aufbereitung zur energetischen Nutzung erfolgt primär durch Zersägen und Spalten von Stämmen (Stückholz), mechanisches Zerhacken von Hölzern aller Art (Holzhackschnitzel) oder hoch verdichtetes Pressen von Holzmehl (Holzpellets, Abb. B 4.20 und 26). Die wesentlichen flüssigen Energieträger aus Biomasse sind Pflanzenöle und Alkohole. Bei den Pflanzenölen ist Soja und insbesondere Raps von Bedeutung. Das Korn der Rapspflanze besitzt bei Vollreife einen Rohfettanteil von etwa 44 % und kann über Pressung oder bei großtechnischen Verfahren durch zusätzliche Extraktion als Energieträger (Rapsöl) bereitgestellt werden. In einem weiteren Schritt besteht

die Möglichkeit, das Rapsöl über den Prozess der Umesterung zu Rapsmetylester (RME) zu veredeln. Mit diesem als »Biodiesel« bekannten Energieträger lassen sich herkömmliche Dieselmotoren betreiben. Von untergeordneter Bedeutung für die energetische Nutzung sind in Europa bislang Alkohole, die meist aus zucker- oder stärkehaltigen Pflanzen (z. B. Zuckerrohr, Mais, Kartoffeln etc.) durch Gärungsprozesse gewonnen werden. Neue Entwicklungen sind vor allem durch das »Biomass-to-liquidVerfahren« zu erwarten. Hier können vielfältige Biomassearten zu einem sehr hochwertigen und universell einsetzbaren Öl umgewandelt werden, das in seinen Eigenschaften den bekannten Erdöl-Produkten entspricht. Statt einer direkten Verfeuerung über Ölkessel werden Öle fast ausschließlich als Treibstoff für Motoren zur Kraft-Wärme-Kopplung und im Fahrzeugbereich eingesetzt (siehe S. 143). Durch Gärungsprozesse unter Luftabschluss kann unter günstigen Randbedingungen aus Biomasse Methangas gewonnen werden. Geeignete Substrate sind z. B. Gülle aus der Tierhaltung, organische Abfälle aus Industrie und Gewerbe, Bio-Hausmüll, Grünschnitt aus der Landschaftspflege oder Klärschlamm. Für eine großmaßstäbliche Nutzung wird in Pilotprojekten eine Einspeisung von Biogas in vorhandene Versorgungsnetze erprobt.

a

b

c

116

B 4.19

Verfeuerungssysteme für Gebäude Zur Verbrennung biogener Energieträger ste-

B 4.20

Technik

Kessel

Befüllstutzen DN 100 Absaugstutzen DN 100

Sacksilo

Kessel

Lagerraum Förderschnecke

max. 30 m bis zur Straße

Anprallmatte

Saugrohr

Kessel

c

a Saugrohr

Saugrohr

Kessel

Kessel

Erdtank d

hen in Abhängigkeit von der verwendeten Energieform eine Vielzahl von Feuerungsprinzipien bereit, von denen die für eine dezentrale Versorgung von Gebäuden wichtigsten erläutert werden (Abb. B 4.19 und 23): Die Verbrennung von Holz (Scheitholzfeuerung) ist die älteste Technik zur energetischen Nutzung von Biomasse. In Form einer offenen Feuerstelle werden allerdings nur sehr geringe Wirkungsgrade erzielt; die unkontrollierte Zuluft bewirkt einen hohen Schadstoffgehalt der Rauchgase. Inzwischen gibt es spezielle Scheitholzkessel, die einen automatisierten Verbrennungsvorgang mit Wirkungsgraden von bis zu 90 % ermöglichen. Von Vorteil ist die einfache Aufbereitung des Brennstoffs. Die Beschickung erfolgt manuell. Eine regelmäßige Entaschung des Kessels ist erforderlich. Mit der Aufbereitung des Holzes zu Hackschnitzel wird die automatische Beschickung einer entsprechenden Heizanlage ermöglicht. Der Brennstoff darf aufgrund der Minimierung des Feuchtegehalts (große Oberfläche) nicht zu lange im Lager verbleiben, weshalb kurze Zulieferungsintervalle – normalerweise zwei Wochen – angestrebt werden (Abb. B 4.24). Neben der entsprechenden Lagergröße ist eine Logistikplanung für die Anlieferung notwendig, die in der Regel per Lkw mit Kipplader erfolgt. Der Einsatz von Hackschnitzelanlagen erreicht aufgrund des kostengünstigen Rohstoffs (geringe Aufbereitung) gute ökonomische Kennwerte. Er ist wegen des relativ hohen Wartungs-

und Beschickungsaufwands primär für größere Heizzentralen sinnvoll. Die Verwendung von Holzpellets ermöglicht eine besonders hochwertige Verbrennung von Biomasse. Der Energieträger ist hinsichtlich seiner wesentlichen Eigenschaften, wie Länge und Durchmesser (Länge 40 mm, Durchmesser 6 mm), Dichte, Wasser- und Aschegehalt etc. in DIN 51731 definiert. Dadurch ist eine exakte Anpassung der Systemtechnik möglich, was zu Wirkungsgraden von deutlich über 90 % bei sehr geringen Emissionen führt. Bei der Herstellung sind jedoch zusätzliche Arbeitsschritte erforderlich, deren Aufwand primärenergetisch betrachtet 10 bis 20 % des Energiegehalts ausmachen. Pelletanlagen gibt es mit Handbeschickung oder automatischer Pelletzuführung über Förderschnecken bzw. Saugrohre. Die Lagerung ist auch über mehrere Monate problemlos möglich, wodurch bei geringen Heizleistungen (z. B. Einfamilienhaus) der Brennstoff einer kompletten Heizperiode gelagert werden kann (Abb. B 4.21 und B 4.25). Mit Ausnahme der Entaschung ist eine automatisch beschickte Pelletanlage hinsichtlich Platzbedarf und Komfortanforderungen vergleichbar mit einer konventionellen Ölheizung. Aufgrund der starken Verbreitung von Pelletheizanlagen ist inzwischen eine wirtschaftliche Versorgung mit Holzpellets in Europa flächendeckend gewährleistet. Die Anlieferung erfolgt analog zum Heizöl durch Tankwagen. Über ein Saugrohr können die Pellets bis

Hackschnitzelkessel Holzpelletkessel Stückholzkessel

Heizwert [kWh/ kg]

Lagerraum b

B 4.21

0

10

1000 100 Nennleistung [kW ]

Angebotsspektrum typischer Leistungsbereich

6

a

1

b

c

B 4.22

B 4.19

B 4.20

B 4.21

B 4.22 B 4.23 B 4.24 B 4.25 B 4.26

Verfeuerungsanlagen für holzartige Energieträger (Auswahl): a Stückholzkessel b Hackgutkessel c Pelletkessel Energieträger aus Holz: a Stückholz b Holzhackschnitzel c Holzpellets Möglichkeiten der Lagerung von Biomasseschüttgut: a Lagerraum mit Förderschnecke b Lagerraum mit Saugförderung c Sacksilo mit Saugförderung d Erdtank mit Saugförderung typische Anordnung eines Holzpelletlageraums mit Schneckenaustragung Anbieterspektrum und typische Leistungsbereiche von Verfeuerungsanlagen für Biomasse Heizwert für holzartige Energieträger in Abhängigkeit vom Wassergehalt Abschätzung des benötigten Lagervolumens bei definiertem Jahresenergiebedarf Pelletiermaschine

d

2

4

3

2 0 10

20

1 Holzpellets 2 Stückholz 3 Holzhackschnitzel

30

40 50 60 Wassergehalt [%]

a lufttrocken b lagerbeständig

c feucht d waldfrisch

B 4.24 Energieträger

Einheit

Erdöl Stückholz Holzhackschnitzel Holzpellets

1 m3 = 1000 l 1 m3 (Raummeter / Ster) 1 m3 (Schüttraummeter) 1 m3 (Schüttraummeter)

Heizwert [kWh] 10 000 1700 800 3200 B 4.23

überschlägige Dimensionierung ¤pro 1 kW Heizlast = 0,9 m3 Raum (inkl. Leerraum) ¤nutzbarer Lagerraum = 2 / 3 des Lagerraumvolumens ¤1 m3 Pellets = 650 kg B 4.25

B 4.26

117

Technik

zu einer Länge von 30 m in den Lagerraum geführt werden (Abb. B 4.21 und 22). Wärmeabgabe (unkontrolliert)

Speichermasse a

Wärmeabgabe (kontrolliert)

Kollektor

Speicher (intern /extern)

Kollektorkreis

Heizkreis

b

B 4.27

Systemeffizienz

Systemkosten 0

20

40

60 80 100 solarer Deckungsanteil [%]

B 4.28

Wärmebedarf

für Heizzwecke nicht nutzbare Wärme

Solarertrag

J

F

M

A

M

J

J

A

S

O

N

D

B 4.29

Nutzung solarer Wärme

Die Umwandlung von Solarstrahlung in Wärmeenergie wird als »Solarthermie« bezeichnet. Alle Körper, die einer Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind, absorbieren diese in unterschiedlich hohem Grad und wandeln sie durch den photothermischen Effekt in Wärmestrahlung um (Abb. B 4.33). Dieser Effekt wird im Bauwesen prinzipiell als »passive Solarenergienutzung« in die Planung einbezogen. Im Folgenden wird die so genannte aktive Solarenergienutzung beschrieben; die Abgrenzung zur passiven Nutzung ist dabei nicht immer eindeutig möglich. Aktive solarthermische Energiesysteme sind dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionen Solarenergieabsorption, Umwandlung und Speicherung nicht ausschließlich durch das Gebäude oder Bauteile übernommen werden (Abb. B 4.27). Sie bestehen in der Regel aus den Systemkomponenten Kollektor, Wärmeträgermedium, Transporteinrichtung und Wärmespeicher, sodass über eine Regelungstechnik maßgeblich Einfluss auf den Wärmefluss ausgeübt werden kann. Das Ziel der meisten aktiven Systeme zur Wärmeversorgung ist eine möglichst weitreichende zeitliche Entkopplung der nutzbaren Wärmemenge von der Solarstrahlung (Abb. B 4.29). Hier kommt dem Speicher in Kombination mit der Regelungstechnik eine entscheidende Funktion im Gesamtsystem zu (siehe S. 124). Die Effizienz einer Solaranlage wird neben dem Nutzlastprofil und der Kollektorausrichtung hauptsächlich vom örtlichen Solarstrahlungsangebot beeinflusst. Dieses differiert in Europa erheblich und erreicht für horizontale Flächen Werte von ca. 850 bis 1750 kWh / m2 a (siehe Grundlagen, S. 53). Da das solare Strahlungsangebot zeitlich begrenzt ist, wird ein entsprechend hoher Materialaufwand für die Anlagentechnik zur Energiewandlung und -speicherung erforderlich. Emissionen entstehen bei solarthermischen Anlagen nur durch die Herstellung und den zum Betrieb nötigen Strombedarf für Pumpen (Hilfsenergie), sofern sie nicht mit dem Schwerkraftprinzip arbeiten. Die aktive solarthermische Wärmeerzeugung 100 % solare Strahlungsenergie

7 % Reflexion

Glas

hat inzwischen einen hohen technologischen Stand erreicht. Die Entwicklung ist durch stetige Verbesserungen einzelner Komponenten und insbesondere durch optimierte Systemkonzepte und elektronische Regelungsstrategien gekennzeichnet. Im Mittelpunkt der künftigen Anwendung steht jedoch die konstruktive und gestalterische Integration von thermischen Solarkollektoren in die Gebäudehülle (siehe Gebäudehülle, S. 94). Funktionsweise Das Grundprinzip der solarthermischen Nutzung ist die Umwandlung von kurzwelliger Solar- in langwellige Wärmestrahlung. Dieser Prozess erfolgt beim Auftreffen von Licht auf Materie und ist bezüglich der Intensität abhängig von der Absorptionsfähigkeit des Materials (siehe Material, S. 158). Beim idealen Absorber sind Reflexion und Transmission minimiert, zugleich soll die absorbierte Wärmeenergie nicht abgestrahlt, sondern möglichst weitgehend über Wärmeleitung an das Trägermedium übertragen werden. Das führte zur Entwicklung von selektiven Absorbermaterialien, die technisch bedingt meist dunkelblau bis schwarz sind. Auch andere Farben sind möglich, dadurch wird die Leistungsfähigkeit jedoch vermindert (Abb. B 4.30). Die absorbierte Wärmeleistung entspricht infolge verschiedener Verlustströme nicht der gesamten auf den Absorber auftreffenden Globalstrahlung (Abb. B 4.31). Um die konvektiven Verluste an die Umgebung zu verringern, werden sie zu Kollektoren erweitert, die auf der sonnenabgewandten Seite gedämmt und auf der sonnenzugewandten Seite mit einer hochtransparenten Abdeckung aus speziellen Solargläsern versehen sind. Der Kollektor wird von einem Wärmeträgermedium durchströmt, um die nutzbare Wärme abzuführen. Die Differenz zwischen der Energie des eintretenden und austretenden Trägermediums stellt dabei den abgeführten Wärmestrom dar. Ein wichtiges Kriterium für die Güte eines Kollektors ist der Wirkungsgrad, der sich als Quotient aus dem vom Wärmeträgermedium abgeführten Wärmestrom zu der auf den Kollektor eingestrahlten Globalstrahlung ergibt. Er hängt stark von der Temperaturdifferenz von Außenluft und Absorber ab (Abb. B 4.34). Energieertrag [%]

transparente Gebäudehülle

2 % Absorption

100 90 80 70 60

15 % Konvektion

5 % Reflexion 8 % Wärmeabstrahlung 60 % absorbierte Energie

Absorber Dämmung

B 4.30

118

50

-20 -10 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 Neigungswinkel [°]

vom Kollektorfeld an den Speicher abgegebene Energie [kWh/a]

3 % Wärmeleitung

B 4.31

Strahlung auf die Kollektorebene [kWh / m2a]

B 4.32

Technik

Prozesswärme

+

– –

+

angeregtes Elektron springt auf ein höheres Energieniveau

jährliche Solarstrahlung auf die Kollektorfläche

Heizung Trinkwassererwärmung Freibaderwärmung Wirkungsgrad [%]

–

Anregen des Elektrons durch Lichtenergie

Umwandlung in Wärme

100

Größe des Speichers

Leitung

80

Vakuumröhrenkollektor

60

Speicherung

Umwandlungsverluste

Leitungsverluste Qualität des Speichers

Speicherverluste

40

–

–

–

+

angeregtes Elektron kehrt auf die Bahn mit niedrigem Energieniveau zurück und emittiert Wärmeenergie

20 0

60 20 80 100 120 140 40 Temperaturdifferenz Außenluft/Absorber [K] B 4.34

B 4.33

Neben der Kollektoreffizienz ist im Gesamtsystem insbesondere der »solare Deckungsanteil« von Bedeutung, der den prozentualen Anteil der vom Solarsystem nutzbar abgegebenen Energie zum gesamten Wärmeenergiebedarf des Gebäudes darstellt. Er wird insbesondere beeinflusst von der zeitlichen Diskrepanz zwischen Solarstrahlungsangebot und Nutzenergienachfrage mit daraus resultierender nicht nutzbarer Solarstrahlung (Speicher auf Maximaltemperatur) sowie von Leitungs- und Speicherverlusten (Abb. B 4.35). Aufgrund der oben beschriebenen Randbedingung gilt allgemein, dass bei zunehmendem solaren Deckungsanteil die Anlagengröße (Absorptionsfläche und Speichervolumen) überproportional steigt, während die flächenspezifische Effizienz des Systems sinkt (Abb. B 4.28). Systemtechnische Komponenten Ein solarthermisches System besteht aus mehreren Komponenten, die sich aus den primären Funktionen Wärmeabsorption, Wärmetransport und Wärmespeicherung ergeben. Die in der Regel als Kollektoren bezeichneten solarthermischen Wandler sind das zentrale Element einer thermischen Solaranlage. In der Praxis kommen unterschiedliche Kollektortypen zum Einsatz, von denen in Abb. B 4.36 gängige Varianten dargestellt sind. Das Kollektorfeld bildet im Gesamtsystem den äußerlich sichtbaren Teil der Gebäudetechnik ab. Die gestalterische und funktionale Integration stellt an die B 4.27 B 4.28

B 4.29 B 4.30 B 4.31 B 4.32

B 4.33 B 4.34 B 4.35 B 4.36

solare Nutzung im Gebäude: a passiv b aktiv Zusammenhang zwischen Systemeffizienz und Systemkosten in Abhängigkeit vom solaren Deckungsanteil Problematik von Angebot und Nachfrage bei solarthermischer Wärmenutzung in Wohnbauten farbige selektive Lacke für solarthermische Absorber Verlustfaktoren bei der Wärmeabsorption am Beispiel eines Flachkollektors Einfluss des Neigungswinkels auf den Ertrag einer typischen solarthermischen Anlage zur Heizungsunterstützung bei Südorientierung in Deutschland Prinzip des photothermischen Effekts Wirkungsgradkennlinien von Kollektortypen wesentliche Verlustfaktoren bei solarthermischen Systemen typische Kollektorarten und Anwendungsgebiete

Flachkollektor

offener Absorber

Planung besondere Anforderungen, da die Ausrichtung der solarthermisch aktiven Flächen einen hohen Einfluss auf die Effizienz hat (Abb. B 4.32). In technischer Hinsicht werden solarthermische Kollektoren in verschiedene Kategorien eingeteilt: • Offene Absorber stellen die einfachste Art der solarthermischen Wandler dar. Aufgrund hoher Wärmeverluste bleibt ihr Wirkungsgrad jedoch gering. Sie werden bei der solaren Schwimmbaderwärmung eingesetzt oder dienen als Wärmequelle für Wärmepumpen. • Bei Flachkollektoren wird der Absorber rückseitig gedämmt und erhält auf der sonnenzugewandten Seite eine spezielle Solarglasabdeckung. Flachkollektoren sind die meist verwendete Kollektorart für die Wärmeversorgung von Gebäuden. Durch ihren Aufbau lässt sich eine Integration in die Gebäudehülle sehr gut realisieren (Abb. B 4.37). Zur Verminderung der Konvektionswärmeverluste wird in seltenen Fällen der Luftraum mit Edelgas gefüllt. • Alternativ zum wasserdurchströmten Flachkollektor können in Kombination mit Luftheizsystemen auch Luftkollektoren zur solaren Vorerwärmung eingesetzt werden. Diese sind im Aufbau mit Flachkollektoren vergleichbar. Die Aufnahme der absorbierten Wärme erfolgt hier jedoch nicht über einen Flüssigkeitskreislauf, sondern über die an den Absorberblechen vorbeiströmende Luft. Bezeichnung

solarer Deckungsanteil

Jahresgesamtwärmebedarf

B 4.35

• Bei Vakuumröhrenkollektoren befindet sich der flächige oder runde Absorber in einer evakuierten Glasröhre (Abb. B 4.41). Dadurch werden Wärmeverluste durch Konvektion nahezu vollständig verhindert. Je nach Bauart kann bei Röhrenkollektoren durch integrierte oder externe Spiegelflächen der flächenbezogene Nutzungsgrad erhöht werden. Vakuumröhrenkollektoren erreichen die besten Wirkungsgrade und die höchsten Betriebstemperaturen. Die einzelnen Röhren können bei vielen Produkten durch Drehung der solaren Einstrahlung angepasst werden, sodass der Kollektor auch bei flachen oder sehr steilen Neigungswinkeln eine hohe Effizienz aufweist. • Durch spezielle Linsen oder Spiegelflächen können Kollektoren bei hoher Direktstrahlung sehr hohe Temperaturen (> 300 °C) erreichen. Konzentrierende Kollektoren werden für die Wärmeversorgung von Produktionsprozessen und zur solarthermischen Stromerzeuung eingesetzt (siehe S. 144). Prinzipiell kommen als Wärmeträgermedien Gase und Flüssigkeiten in Betracht. Verwendet werden meistens flüssigkeitsdurchströmte Systeme. Zur Vermeidung von Frostschäden wird der Kollektorkreis vom Nutzwasserkreis getrennt und mit einem Wasser-Glykol-Gemisch durchströmt. Kollektoren und Speicher werden mit Leitungen verbunden, die das Wärmeträgermedium transportieren; typische Materialien

offener Absorber

Luftkollektor

Flachkollektor

Vakuumröhrenkollektor

40 % 30–40 °C Freibadheizung Wärmepumpe

60–65 % 40–50 °C Luftheizung solare Kühlung

65–70 % 60–90 °C Trinkwassererwärmung Heizung, solare Kühlung

80–85 % 70–130 °C Trinkwassererwärmung Heizung, solare Kühlung, Prozesswärme

Querschnitt

Energieträgerfluss

Wirkungsgrad typische Betriebstemperatur typische Anwendung

B 4.36

119

Technik

B 4.37

Wohnhaus mit integrierten Flachkollektoren, Satteins (A) 2002, Walter Unterrainer solarthermische Anlagenkonzepte: a Freibaderwärmung b Trinkwassererwärmung c Trinkwassererwärmung / Heizungsunterstützung d Nahwärmeversorgung e Luftheizung Monatsbilanzen und jährlicher Deckungsanteil einer solaren Trinkwassererwärmung für einen 4-Personen-Haushalt in Deutschland beispielhafter Zusammenhang von Kollektorfläche, Speichervolumen und solarem Deckungsanteil für ein Einfamilienhaus in Mitteleuropa Vakuumröhrenkollektor, Bürogebäude, Hannover (D) 2002, Behnisch, Behnisch & Partner Wirkungsprinzip von Wärmepumpen typischer Temperaturverlauf ungestörter Wärmequellen in Mitteleuropa im Vergleich zum Wärmebedarf

B 4.38

B 4.39

B 4.40

B 4.41 B 4.42 B 4.43

B 4.37 Solarkollektorfeld

Schwimmbecken Pumpe

a

Solarkollektorfeld

Warmwasserentnahme

StandardSolarspeicher Wärmeerzeuger

Pumpe Kaltwasserzulauf

b

Solarkollektorfeld

Warmwasserentnahme

Kombispeicher

Vorlauf Heizung Wärmeerzeuger

Rücklauf Heizung

Pumpe

Kaltwasserzulauf

sind Kupfer oder Polyethylen. Vakuumröhrenkollektoren können entweder analog zu Flachkollektoren direkt durchströmt werden oder enthalten in den Röhren eine vom Solekreis entkoppelte Flüssigkeit, die über Verdampfung und Kondensierung den Wärmetransport vom Kollektor an den Solekreis bewirkt (»Heat-PipePrinzip«). Luftkollektoren werden in der Regel direkt in das Luftkanalnetz eingebunden. Speicher für thermische Solarenergie (Solarspeicher) ermöglichen eine Entkopplung des nutzerabhängigen Energiebedarfs von der einstrahlungsabhängigen Energieerzeugung. Sie beeinflussen wesentlich die Grenzen der solaren Nutzung. Für die einfache Warmwasserversorgung können sie bei geringer Frostgefahr als integrierter Bestandteil des Kollektors ausgeführt werden (Speicherkollektor). In den meisten Anwendungen kommen jedoch externe Wärmespeicher zum Einsatz (siehe S. 124). Regelungstechnik hat in erster Linie die Funktion, den Betrieb des Kollektorkreislaufs zu steuern. In gängigen Varianten werden über Temperaturfühler an Kollektoren und Speicher die Pumpen in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz geregelt. Daneben überwacht die Steuerung die Temperaturgrenzwerte in Solekreis und Speicher.

c

Solarkollektorfelder

Heizzentrale

Langzeitwärmespeicher

Wärmeerzeuger

Pumpe

Vorlauf Nahwärmenetz Rücklauf Nahwärmenetz

d

Außenluft

Bypass

Fortluft

Ventilator Zuluft Abluft

Solarkollektorfeld

Wärmerückgewinnung

e

B 4.38

120

Solare Systemkonzepte für Gebäude Dezentral solarerzeugte Wärmeenergie wird in Europa vor allem im Temperaturbereich bis ca. 120 °C genutzt. Einsatzbereiche sind: Trinkwassererwärmung, Schwimmbaderwärmung, Heizung und über entsprechende Kältemaschinen auch Kühlung (Abb. B 4.38; siehe auch S. 131). Solarthermische Anlagen werden bislang in der Trinkwassererwärmung am häufigsten verwendet. Die Dimensionierung wird durch den Trinkwarmwasserbedarf und den gewünschten solaren Deckungsanteil beeinflusst. Typische Anlagengrößen im Einfamilienhausbereich mit vier Personen sind ca. 5 m2 Kollektorfläche bei einem Solarspeichervolumen von 0,3 bis 0,4 m3 und einem Deckungsanteil im Jahresdurchschnitt von ca. 50 – 60 % (Abb. B 4.39). Bei größerem ganzjährigen Trinkwarmwasserbedarf, wie in Mehrfamilienhäusern, Krankenhäusern oder Hotels, werden Anlagen bis zu mehreren

hundert Quadratmetern Kollektorfläche mit entsprechend größeren Speichervolumina realisiert. Zum Einsatz kommen meist Flachkollektoren, aber auch Röhrenkollektoren mit höheren Wirkungsgraden. Zur Beheizung öffentlicher und privater Freibäder bietet die solarthermische Wärmeerzeugung ideale Voraussetzungen, da die Wärme insbesondere über das Sommerhalbjahr benötigt wird. An das Anlagenkonzept und die verwendeten Systemkomponenten – in der Regel offene Absorber – werden nur geringe Anforderungen gestellt. Da ein Pufferspeicher aufgrund des vorhandenen Wasservolumens im Schwimmbecken nicht erforderlich ist, wird ein sehr wirtschaftlicher Betrieb möglich. Generell kann bei Inkaufnahme gewisser Temperaturschwankungen auf einen zusätzlichen Wärmeerzeuger verzichtet werden. Die Absorberfläche sollte in Mitteleuropa etwa 50 bis 80 % der Beckenoberfläche entsprechen. Soll die solare Wärme neben der Trinkwassererwärmung auch zur Unterstützung der Raumheizung verwendet werden, ist die Anlage entsprechend dem gewünschten solaren Deckungsanteil größer zu dimensionieren. Typische Werte für ein Einfamilienhaus in Deutschland mit vier Personen sind eine Kollektorfläche von 10 bis 20 m2 und ein Speichervolumen von 0,7 bis 2,0 m3. Damit lassen sich bei energieeffizienten Gebäuden zwischen 20 und 30 % des Gesamtwärmebedarfs über solarthermische Energie abdecken. Der Pufferspeicher für den Heizkreis wird additiv zum Trinkwasserspeicher oder als Kombispeicher konzipiert. Durch eine entsprechende Dimensionierung der Kollektorfläche und des Speichervolumens, das innerhalb der thermischen Hülle angeordnet wird, sind bei Einfamilienhäusern solare Deckungsanteile für den Gesamtwärmebedarf bis zu 100 % erreichbar (Abb. B 4.40). Die Effizienz der Anlage setzt einen niedrigen Heizwärmebedarf und ein niedriges Temperaturniveau im Heizkreis voraus. In Kombination mit einer Lüftungsanlage ist ebenso die Einbindung eines Luftkollektors zur Erwärmung der Zuluft möglich. Nahwärmeversorgungen können von solarthermischen Anlagen mit Langzeitwärmespeicher gespeist werden. Die zeitliche Verschiebung zwischen hohem Strahlungsangebot im Som-

100

solare Deckung [%]

solare Deckung [%]

Technik

80

60

100 Speichervolumen: 20 m3 80

10 m3 5 m3

60 2 m3

40

40

20

1 m3

20

0

0

A S O N D 4m2 Kollektorfläche B 4.39

10 15 20 25 30 40 50 60 70 80 90 Kollektorfläche [m2] B 4.40

merhalbjahr und maximalem Wärmebedarf im Winter kann über die saisonale Wärmespeicherung zu einem großen Teil (etwa 50 % solare Deckung vom Gesamtwärmebedarf) ausgeglichen werden. Sinnvolle Größenordnungen für ein solar unterstütztes Nahwärmenetz mit Langzeitwärmespeicher sind Wohngebiete ab etwa 100 Wohneinheiten. Die in den Kollektoren gewonnene Wärme wird über entsprechende Leitungen in die Heizzentrale transportiert und bei Bedarf direkt an die Gebäude verteilt. Die sommerliche solare Überschusswärme wird in den Langzeitwärmespeicher eingespeist (siehe S. 125). In der Heizperiode wird die Wärmeenergie dem Speicher wieder entnommen und je nach Bedarf durch einen weiteren zentralen Wärmeerzeuger ergänzt. Die Kollektorfelder können zentral angeordnet oder auf Gebäudedächer bzw. - fassaden aufgeteilt werden. Hier ist neben der Gebäudeplanung auch die städtebauliche Gestaltung des zu versorgenden Gebiets von Bedeutung. Die Dimensionierung solcher Anlagen hängt von individuellen Gegebenheiten ab wie Gesamtgröße der Siedlung, spezifischer Wärmebedarf, Art des Langzeitwärmespeichers, Temperaturniveau etc. Als Anhaltspunkt können etwa 1,5 m2 Kollektorfläche und 3 m3 Speichervolumen pro MWh jährlichem Heizwärmebedarf angesetzt werden. Weitere Hinweise zur Dimensionierung sind im Kapitel Stadtraum und Infrastruktur dokumentiert (siehe S. 74).

Nutzung von Umgebungswärme über Wärmepumpen

Temperatur [°C]

J

Temperatur

J F M A M J 6 m2 Kollektorfläche

Exergie: Hochtemperatur Strom Kraftstoff

Der Begriff »Umgebungswärme« umfasst sowohl die erdnahe Atmosphärenschicht bis zu einer Höhe von etwa 100 m als auch die oberflächennahen Erdschichten (Erdreich, Grundwasser und Oberflächenwasser) bis zu einer Tiefe von ca. 200 m. Beide Medien beziehen ihren Energiegehalt primär aus der Absorption der Solarstrahlung und stehen somit als Energiespeicher für eine indirekte Nutzung der Sonnenenergie zur Verfügung. Die dritte Art von Umgebungswärme stellt Abwärme aus Produktionsprozessen, Abwasser oder Fortluft dar. Das Temperaturniveau dieser Wärmequellen ist in der Regel für eine direkte Wärmeversorgung von Gebäuden zu gering. Um den Energiegehalt dennoch nutzen zu können, wird die Umgebungswärme über das technische Hilfsmittel der Wärmepumpe aufbereitet (Abb. B 4.42). Das Prinzip lässt sich sowohl physikalisch als auch technisch umkehren und kann entsprechend auch zur Kühlung herangezogen werden (siehe S. 130). Trotz dieser doppelten Anwendungsmöglichkeit spricht man im Allgemeinen von der Wärmepumpe. Wärmequellen Man unterscheidet bezüglich der technischen Erschließung folgende Wärmequellen: • Außenluft in unmittelbarer Umgebung der Wärmepumpe bzw. des Gebäudes • Erdreich, das durch die bauliche Maßnahme 35

Außenluft

30 25 20 Erdreich 5 m

15

Nutzenergie: Raumheizung Trinkwassererwärmung

10

Erdreich 50 m/ Grundwasser

5 0

Anergie: Luft Erdreich Wasser Abwärme

erforderliches Temperaturniveau

-5

Wärmebedarf

-10 -15

B 4.42

J

F

M

A

M

J

J

A

S

O

N D B 4.43

B 4.41

erschlossen wird • Grundwasser oder Oberflächenwasser • Abwärme in Form von Kühlwasser, Abgasen, Abluft etc. Die Außenluft steht jederzeit und unbegrenzt als Wärmequelle bereit. Über Ventilatoren wird sie entweder direkt zum Verdampfer der Wärmepumpe geführt oder über einen externen Luftwärmetauscher indirekt auf ein flüssiges Wärmeträgermedium übertragen. Die Außenluft wird am Verdampfer um wenige Kelvin abgekühlt. Auch sehr kalter Luft (unter dem Gefrierpunkt) kann auf diese Weise noch Wärme entzogen werden. Die geringe Energiedichte erfordert einen hohen Luftumsatz, was zu einer deutlichen Abkühlung in der Umgebung des Luftwärmetauschers führt und die Gefahr birgt, dass sich störende Geräusche entwickeln. Ein wesentlicher Nachteil der Außenluft als Wärmequelle sind die starken tages- und jahreszeitlich bedingten Temperaturschwankungen. Insbesondere der gegenläufige Charakter von jahreszeitlichem Temperaturverlauf und Heizwärmebedarf wirken sich ungünstig auf die energetische Effizienz des Gesamtsystems aus. In den Phasen hohen Wärmebedarfs ist der Energiegehalt der Außenluft sehr gering, während er in den Sommermonaten weitgehend ungenutzt bleibt (Abb. B 4.43). Dieser Umstand hat zur Folge, dass Wärmepumpen mit dem Quellenmedium Luft in der Regel nur im Bereich kleiner Leistung Verwendung finden oder bivalent mit einem weiteren Wärmeerzeuger betrieben werden. Zur Erschließung der Wärmequelle Erdreich gibt es prinzipiell zwei praxisrelevante Ansätze: Erdwärmekollektor und Erdsonde. Für den Erdwärmekollektor werden in einer Tiefe von > 1,5 m horizontal soledurchflossene Rohrschlangen verlegt. Bei der aufgenommenen Wärme handelt es sich überwiegend um zwischengespeicherte Sonnenenergie mit entsprechenden saisonalen Schwankungen, die allerdings weitaus geringer sind als bei der Außenluft (Abb. B 4.43). Der aus der Erde kommende Wärmestrom ist in der Regel kleiner als 1 W pro Quadratmeter, die Entzugsleistungen variieren in Abhängigkeit der Erdreichfeuchte von ca. 20 bis 40 W pro Quadratmeter Kollektorfläche.

121

Technik

Sole

Heizung 30 °C

Verfüllung Doppel-U-Sonde

Kältemittel flüssig

150–200 mm

40 °C Kondensator

min. 6 m Sondenabstand

45 °C

Energie (z.B. Strom)

Expansionsventil Verdampfer

Kompressor

0 °C

5 °C

Kältemittel gasförmig

5 °C

10 °C Wärmequelle (z.B. Erdreich, Wasser, Luft)

3m

thermisch aktivierter Bereich

50 °C

B 4.44

B 4.45

B 4.46

Diese Erschließungsmethode lässt sich im Zuge von Neubaumaßnahmen kostengünstig umsetzen, erfordert allerdings große Flächen. Alternativ können die Wärmepotenziale tieferer Erdschichten über vertikal gebohrte Erdwärmesonden erschlossen werden. Im Erdreich verringern sich die jahreszeitlichen Temperaturschwankungen mit zunehmender Entfernung von der Erdoberfläche. Ab einer Tiefe von ca. 30 m herrscht ganzjährig eine annähernd konstante Temperatur, die der Jahresmitteltemperatur entspricht (in Mitteleuropa etwa 12 °C). Die Bohrungen für Wärmesonden werden üblicherweise in Tiefen von ca. 100 m ausgeführt. Die soledurchflossenen Kunststoffrohre in Doppel-U- oder Rohr-in-Rohr-Ausführung werden über geeignetes Verfüllmaterial thermisch vollflächig an das Erdreich angebunden (Abb. B 4.44). Die Entzugsleistungen variieren in Abhängigkeit von der Erdreichbeschaffenheit und dem Grundwasserfluss in Mitteleuropa zwischen ca. 40 und 80 W pro Meter Sondenlänge. Der Sondenabstand sollte 6 m nicht unterschreiten, um die Gefahr einer gegenseitigen Beeinflussung zu minimieren. Eine Alternative zu Erdsonden sind so genannte Massivabsorber – in der Regel statisch erforderliche massive Betonelemente (z. B. Pfahlgründungen), die über Rohrleitungen mit einem Solekreislauf thermisch aktiviert werden. Auch die in Wasservorkommen gespeicherte thermische Energie ist für die Gebäudeheizung nutzbar. An geeigneten Standorten mit offenen

Gewässern oder oberflächennahen Grundwasserschichten kann das im Wasser gebundene Wärmepotenzial für den Betrieb von Wärmepumpen herangezogen werden. Hierbei wird das Wasser über Brunnen direkt abgepumpt und somit selbst zum Wärmeträgermedium. Bei der Grundwassernutzung werden über einen Förderbrunnen (Tiefe ca. 15 m) entsprechende Wassermengen zum Verdampfer der Wärmepumpe geleitet und über einen separaten Schluckbrunnen an anderer Stelle dem Erdreich wieder zugeführt – vorausgesetzt es besteht eine kontinuierliche Grundwasserströmung. Bei der direkten thermischen Nutzung von Grundwasser kann es aufgrund von chemischen und mikrobiologischen Prozessen zu ungünstigen Erscheinungen wie Korrosion von Anlagenteilen oder Ablagerungen im System kommen. Entsprechend müssen im Vorfeld der Planung die geologischen Rahmenbedingungen und die Wasserqualität analysiert werden. Das Grundwasser hat in Europa eine im Jahresverlauf relativ konstante Temperatur von ca. 7 bis 12 °C, die Entzugsleistungen betragen in der Heizperiode etwa 5 bis 6 kW pro Kubikmeter Grundwasser und Stunde. Bei Oberflächengewässern kann das Wasser in der Regel direkt abgepumpt werden. Hier sind höhere Temperaturschwankungen von ca. 2 bis 25 °C möglich. Die Entzugsleistungen betragen in der Heizperiode typischerweise 3 bis 4 kW pro Kubikmeter Wasser und Stunde. Aufgrund des effektiven Wärmeentzugs ist eine Grund-

wassernutzung bei großen Leistungen eine sehr wirtschaftliche Methode. Zudem kann das Grundwasser analog zu Erdsonden auch als leistungsstarke Wärmesenke im Kühlfall eingesetzt werden (siehe S. 128). Generell ist bei der Nutzung von Grundwasser eine besondere Sorgfalt geboten, um Verunreinigungen dieses wertvollen Grundnahrungsmittels zu vermeiden. Bei Produktionsprozessen entsteht vielfach Abwärme, die für die Gebäudeheizung sinnvoll sein kann. Ist das Temperaturniveau für eine direkte Einbindung in den Heizkreis zu gering, kann das Energiepotenzial als Wärmequelle für den Wärmepumpenprozess genutzt werden. Ein weiteres Einsatzgebiet für Abwärmenutzung im kleinen Leistungsbereich bieten Systeme zur kontrollierten Be- und Entlüftung mit Wärmerückgewinnung. Bei sehr geringem Heizwärmebedarf – vor allem bei Passivhäusern – kann der Wärmebedarf des Gebäudes durch eine in die Lüftungsanlage integrierte Wärmepumpe erfolgen (siehe S. 135). Hier wird die Fortluft, die auch nach der Wärmerückgewinnung ein gegenüber der Außenluft erhöhtes Temperaturniveau hat, direkt als Wärmequelle für den Wärmepumpenprozess genutzt.

Erdwärmekollektor

Erdwärmesonde

Grundwasser

Luft

Massivabsorber

Verfügbarkeit

vorzugsweise bei Freiflächen

überall

nach örtlicher Verfügbarkeit

überall

im Neubau

Platzbedarf

hoch

gering

gering

gering

gering

Durchschnittstemp. im Winter

- 5 bis +5 °C

0 bis 10 °C

8 bis 12 °C

- 25 bis +15 °C

- 3 bis +5 °C

wasserrechtlich genehmigungspflichtig

nein

fast immer

immer

nein

nein

typische Jahresarbeitszahl ß der Wärmepumpe

4,0

4,5

4,5

3,3

–

B 4.47

122

Wärmepumpentechnologie Wärmepumpen ermöglichen unter dem Einsatz von Antriebsenergie (Exergie) über einen thermodynamischen Kreisprozess eine Temperaturerhöhung der Wärmequelle (Abb. B 4.42). Dadurch wird das als »Anergie« vorliegende Energiepotenzial für die Gebäudeheizung nutzbar gemacht (siehe Grundlagen, S. 43). Aus technologischer Sicht gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten, diesen Prozess umzusetzen: Bei Sorptionswärmepumpen wird der thermodynamische Prozess durch Zufuhr von Wärmeenergie angetrieben. Diese Technologie ist für die Gebäudeheizung von untergeordneter Bedeutung und wird bei vorhandener Abwärme (auch Fernwärme) oder bei der Kälteerzeugung genutzt (siehe S. 130). Alternativ zum Sorptionsprozess kann über Kompression die erforderliche Temperaturerhöhung erfolgen. Als Antriebseinheit sind prinzipiell alle Arten von Motoren einsetzbar. Für die Wärmeversorgung von Gebäuden werden fast ausschließ-

Technik

lich elektrisch betriebene Kompressionswärmepumpen verwendet. Funktionsprinzip der Kompressionswärmepumpe Grundlage für den Wärmepumpenprozess ist eine als Arbeits- oder Kältemittel bezeichnete Flüssigkeit mit einem sehr niedrigen Siedepunkt. Sie durchläuft während eines Kreislaufs vier Stufen (Abb. B 4.45): Im Verdampfer befindet sich das Arbeitsmittel zunächst in flüssigem Zustand. Durch die Zuführung von Energie aus der Wärmequelle steigt die Umgebungstemperatur des Verdampfers über die dem Druck entsprechende Siedetemperatur des Arbeitsmittels an. Die Wärmequelle wird dabei um ca. 4 bis 6 K abgekühlt. Das nun dampfförmige Arbeitsmittel wird im nächsten Schritt über einen Kompressor verdichtet. Für diesen Prozess ist eine erhebliche Energiemenge erforderlich, die dem System zugeführt werden muss. Bei elektrisch angetriebenen Kompressoren schlägt sich die dafür benötigte Strommenge in der Primärenergiebilanz entsprechend nieder. Durch die enorme Druckerhöhung steigt auch die Temperatur des Arbeitsmittels um bis zu 70 K. Das hochverdichtete und hochtemperierte Arbeitsmittel gelangt nun zum Kondensator, wo es über einen zweiten Wärmetauscher mit dem Wasserkreis für die Wärmeabgabe (Heizkreis) in Kontakt gebracht wird. Die Temperatur dieses Wasserstroms ist niedriger als die dem Druck entsprechende Verflüssigungstemperatur des Arbeitsmittels, wodurch es abgekühlt wird und kondensiert. Die frei werdende Kondensationswärme wird dabei an den Heizwasserkreis abgegeben. Damit der Kreislauf erneut durchgeführt werden kann, muss das Arbeitsmittel über ein Expansionsventil druckentlastet werden, wodurch die Temperatur wieder sinkt. Beim Wiedereintritt in den Verdampfer sind Anfangsdruck und -temperatur wieder erreicht, der Prozess beginnt von Neuem. Kenngrößen Entsprechend den Wirkungsgraden von Heizkesseln gibt es auch bei Wärmepumpen Kennwerte für die energetische Beurteilung (Abb. B 4.49). Die häufig durch Herstellerangaben dokumentierte Leistungszahl einer Wärmepumpe bezeichnet das Verhältnis von der am Kondensator abgegebenen Energie zu der aufgenommenen elektrischen Leistung des Antriebmotors für die Verdichtung. Sie bewertet damit nur die Qualität des Wärmepumpenkreisprozesses und ist jeweils auf eine bestimmte Betriebssituation bezogen. Daher wird sie immer zusammen mit den wesentlichen Randbedingungen genannt (z. B. S5W35 = Soletemperatur 5 °C, Heizungsvorlauf 35 °C). Entscheidend für die Beurteilung des Gesamtsystems ist die Jahresarbeitszahl, bei der über ein ganzes Jahr die komplette, zur Nutzung abgegebene Wärmeenergie im Verhältnis zur gesamten aufgenommenen elektrischen Energie bilanziert wird. Grundsätzlich gilt für Wärmepumpen: Je geringer die Temperaturdifferenz von Wärmequelle und -nutzung, desto effizienter arbeitet das

System. Neben einer geeigneten Wärmequelle spielt daher auch die Vorlauftemperatur des Heizungssystems eine Rolle. Günstig wirken sich hierbei Flächenheizungen wie z. B. Fußboden- oder Wandheizungen aus, die nur niedrige Vorlauftemperaturen benötigen. Das wesentliche Kriterium zur ökologischen Beurteilung von Wärmepumpensystemen ist die Höhe einer möglichen Primärenergieeinsparung gegenüber fossil befeuerten Heizsystemen. Dabei ist ausschlaggebend, aus welcher Quelle der Strom für die Antriebsenergie stammt. In Abb. B 4.48 ist beispielhaft der Energiefluss eines Heizsystems mit Gasbrennwertkessel der einer Wärmepumpenanlage gegenübergestellt. Beim Gaskessel treten durch Aufbereitung und Transport des Energieträgers und den Jahresnutzungsgrad des Heizkessels nur geringe prozentuale Verluste der eingesetzten Primärenergie auf. Bei der Wärmepumpe hingegen kommen zwar etwa 60 bis 80 % der Endenergie aus der regenerativen Wärmequelle (z. B. Erdwärme), die erforderliche elektrische Antriebsenergie bewirkt jedoch z. B. in Deutschland durch den hohen Aufbereitungsaufwand von Strom einen entsprechend großen Primärenergieverbrauch. Zusätzlich emittieren bei der Verwendung von fluorkohlenwasserstoffhaltigen (FKW) Kältemittel CO2-äquivalente Stoffe. Für eine deutliche CO2-Reduktion gegenüber einem Gasbrennwertkessel müssen daher günstige Betriebsbedingungen vorausgesetzt werden (z. B. eine hohe Jahresarbeitszahl). Es bietet sich daher an, neben einem effizienten Wärmepumpensystem auch eine dezentrale regenerative Stromerzeugung in die Planung einzubeziehen (siehe S. 138). Typische Anlagenkonzepte Die Leistung von Wärmepumpen reicht von Kleinstanlagen ab 1 kW bis zu mehreren hundert Kilowatt. Je nach Wärmequelle unterscheidet sich das System bezüglich Art und Anordnung der Komponenten (Abb. B 4.52). Über 90 % der neu installierten Wärmepumpen befinden sich bislang in Wohngebäuden, zunehmend kommen sie auch in anderen Bauten zum Einsatz. Für größere Leistungsanforderungen wie in Bürogebäuden können mehrere Wärmepumpen gekoppelt betrieben werden. Da sie sich auch für die Kälteerzeugung eignen, bieten sie gerade bei Gebäuden mit hohem Kühlbedarf eine interessante Alternative. Wärmepumpen können prinzipiell wie Heizkessel eingebunden werden, wobei in der Regel Pufferspeicher zum Einsatz kommen, um hohe Taktraten zu vermeiden und die Überbrückung von Sperrzeiten bei speziellen Wärmepumpentarifen für den Strombezug zu ermöglichen (siehe S. 125). Da keine besonderen Anforderungen an einen Heizraum bestehen, können Wärmepumpen an beliebigen Orten aufgestellt werden. Auch ein Kamin ist nicht erforderlich, zu beachten ist lediglich die Geräuschentwicklung beim Betrieb. Für den Einsatz von Wärmepumpen zur Gebäudeheizung und Trinkwassererwärmung gibt

B 4.44 B 4.45 B 4.46 B 4.47 B 4.48

B 4.49

Doppel-U-Sonden zur Erschließung der Erdwärme Funktionsschema einer elektrisch betriebenen Kompressionswärmepumpe kaskadenartig gekoppelte Wärmepumpen für hohe Leistung und Grundwassernutzung Vergleich unterschiedlicher Wärmequellen für Wärmepumpen Vergleich beispielhafter Energie- und CO2-Bilanzen (Annahmen: Erdgas 0,2 kg / kWh, CO2-Emissionen Strom 0,57 kg / kWh, Jahresarbeitszahl Wärmepumpe 3,5): a Erdgasheizung mit Brennwerttechnik b Kompressionswärmepumpe, mit konventionellem Strom betrieben, FKW-haltiges Kältemittel c Kompressionswärmepumpe, mit regenerativem Strom betrieben, FKW-freies Kältemittel Kennwerte für Wärmepumpen

2 t CO2 Erdgasheizung 10 MWh Heizwärme

10 MWh Primärenergie (Erdgas)

a

1,65 t CO2 Kraftwerk 7,6 MWh Primärenergie (Kohle, Gas, Uran)

0,65 t CO2 2,9 MWh Elektrizität

Kraftwerksabwärme 4,7 MWh

2,9 MWh Wärmepumpe Elektrizität 10 MWh Heizwärme 7,1 MWh Umgebungswärme

b

0 t CO2 Sonne / Wind etc. 2,9 MWh Elektrizität

0 t CO2 2,9 MWh Wärmepumpe Elektrizität 10 MWh Heizwärme 7,1 MWh Umgebungswärme

c

B 4.48

Bedeutung

Aussage

Leistungs- Das Verhältnis von angezahl ε gebener Wärmeleistung zu aufgenommener, elektrischer Antriebsleistung zu einem bestimmten Zeitpunkt und für bestimmte Temperaturverhältnisse

Effizienz der Wärmepumpe bei Prüfbedingungen

Jahresarbeitszahl β

Das Verhältnis der pro Jahr gelieferten Heizwärme (Q) zur benötigten Antriebsenergie (W), u.a. zur Ermittlung betriebsbedingter Schwankungen.

Effizienz der gesamten Wärmepumpen Heizungsanlage

JahresDer Kehrwert der Jahresaufwands- arbeitszahl bezeichnet das zahl Verhältnis der Antriebsenergie zur gelieferten Heizwärme.

Effizienz der gesamten WPAnlage nach VDI 4650 B 4.49

123

Technik

Wärmespeicher Entzugsleistung einer Wärmequelle φQuelle =

φi ß

thermische Energie

chemische Energie

· ( ß – 1) sensible Wärme

φQuelle = Entzugsleistung [ kW ] = Norm- Heizlast [ kW ] φi ß = Jahresarbeitszahl

Speichermedien (Beispiele)

überschlägige Dimensionierung pro kW φQuelle

Energiedichte [kWh / m3]

30 m2 20 m 300 m3 / h 0,15 m3 / h

Erdkollektor Erdsonde Außenluft Grundwasser

Arbeitstemperatur [°C]

Wasser

Beton

60

≤ 30

< 100

0 – 500

latente Wärme

Salzhydrate

≤ 120

Paraffine

≤ 120

30 – 80

10 – 60

Reaktionswärme

Silicagele

Zeolithe

200 – 500

200 – 500

40 – 100

100 – 300

B 4.50

es verschiedene Betriebskonzepte. Wird die Wärmepumpe als alleiniger Wärmeerzeuger benutzt, spricht man von monovalenter Betriebsweise. Das ist in der Regel nur bei Wärmequellen möglich, die auch an extremen Tagen der Heizperiode ein ausreichend hohes Temperaturniveau zur Verfügung stellen können (z. B. Erdreich, Grundwasser). Zusätzlich kann ein elektrischer Heizstab den Wärmepumpenbetrieb bei sehr kalten Außentemperaturen unterstützen. Da nur Strom als Energieträger eingesetzt wird, entspricht dies einer monoenergetischen Betriebsart. Schließlich lässt sich die Wärmepumpe auch bivalent in Kombination mit einem zweiten Wärmeerzeuger (z. B. Heizkessel) betreiben. Hier werden die Wärmepumpen zur Deckung der Grundlast und der ergänzende Wärmeerzeuger zur Spitzenlastabdeckung eingesetzt. Bei der Bezeichnung von Wärmepumpen unterscheidet man neben Verfahren und Betriebsart auch hinsichtlich der verwendeten Wärmequellen- und Wärmeübergabemedien. So werden eine erdgekoppelte Wärmepumpe mit eingebundenem Warmwasserheizkreis als Sole / Wasser-Wärmepumpe und eine mit Außenluft betriebene Wärmepumpe zur Raumluftheizung als Luft / Luft-Wärmepumpe bezeichnet. Sie speist je nach Bedarf den Pufferspeicher für den Heizkreis oder den Trinkwasserspeicher. Weltweit kommen fast ausschließlich elektrisch betriebene Pumpen zum Einsatz, deren Wartungsaufwand sehr gering ist. Der Markt ent-

B 4.51

wickelt sich seit den 1990er-Jahren mit hohen Zuwachsraten; der Gesamtbestand in Europa spielt aber bislang mit Ausnahme weniger Länder (z. B. Schweiz) auf dem Heizungsmarkt immer noch eine untergeordnete Rolle. Die Wärmequellendimensionierung kann über Kennwerte abgeschätzt werden (Abb. B 4.50). Wärmespeicher, Verteilung und Übergabe

Speicher für thermische Energie ermöglichen eine Entkopplung der nutzerabhängigen Energieabnahme von der Energieerzeugung und lassen vor allem bei solarthermischen Anlagen eine ganzjährige Nutzung zu. Durch eine Wärmespeicherung ist zudem eine Reduzierung der installierten (Kraftwerks-)Leistung realisierbar, da die Nutzwärme allmählich »angesammelt« werden kann. Ebenso lässt sich durch die Pufferung eine Taktung (An- und Abschalten in kurzen Zeitabständen) des Wärmeerzeugers verringern. Speicherprinzipien Wärmespeicher können prinzipiell in thermische und chemische Speicher unterteilt werden (Abb. B 4.51). Bei der sensiblen (fühlbaren) Wärmespeicherung bewirkt die Energiezufuhr eine proportionale Temperaturerhöhung beim Speichermedium. Sie ist die gebräuchlichste Form der Wärmespeicherung (z. B. solarer Wasserspeicher, Nutzung massiver Betonwände als Speichermasse etc.). Durch die latente (versteckte) Wärmespeiche-

Außenluft Splitgerät

Außenluft kompakt

rung wird zusätzlich zur sensiblen Erwärmung eine Änderung des Aggregatzustands im Speichermedium (fest zu flüssig oder flüssig zu gasförmig) genutzt. Während dieser Phase wird Wärmeenergie ohne eine Temperaturerhöhung aufgenommen, was folglich zu einer sehr hohen Speicherdichte auf niedrigem Temperaturniveau führt und sich günstig auf die Speicherverluste auswirkt (Abb. B 4.53). Zudem kann bei der Herstellung Einfluss auf den Temperaturbereich des Phasenübergangs genommen werden. Latente Wärmespeicher werden aufgrund ihrer Funktion als »Phase-ChangeMaterials« (PCM) bezeichnet; typische Materialien sind Paraffine oder Salzhydrate. Sie werden bislang vor allem zur Optimierung der Speicherfähigkeit in Innenräumen als Wandoder Deckenelemente verwendet. Künftig werden sie auch in der Speichertechnologie zur Erhöhung der Speicherdichte (z. B. für Solaranlagen) eingesetzt. Bei der thermochemischen Wärmespeicherung werden reversible chemische Reaktionen zur Steuerung des Wärmeflusses nutzbar gemacht. Als Arbeitsmittel dienen z. B. Silikagel und Wasser. Durch Adsorption und Desorption wird Wasser gebunden und ausgetrieben. Bei diesen Reaktionen kann entweder Wärme aufgenommen oder freigesetzt werden (Abb. B 4.54). Im Gegensatz zur sensiblen oder latenten Wärmespeicherung kann der Zeitpunkt der Reaktion frei bestimmt werden. Zudem entstehen im getrennten Zustand der Materialien keine Wär-

Solarabsorber

WP

WP

WP

WP

Massivabsorber

Oberflächenwasser WP Erdkollektoren

WP Erdsonden

WP

Abwärme

WP

WP

Grundwasser

B 4.52

124

Temperatur

Technik

Wärme hohe Temperatur Desorption

latente Wärme

Wärme niedrige Temperatur

Wasserdampf Kondensation

l

ibe ns se

B 4.50 B 4.51 B 4.52 B 4.53 B 4.54 B 4.55 B 4.56 B 4.57

Richtwerte für eine überschlägige Dimensionierung von Wärmequellen systematische Darstellung von Wärmespeichern mit Materialien und Kenndaten Nutzung unterschiedlicher Wärmequellen durch Wärmepumpensysteme Prinzip der Latentwärmespeicherung Prinzip der thermochemischen Speicherung Langzeitwärmespeicher für ein solares Nahwärmenetz Bauarten verschiedener Langzeitwärmespeicher typische Kurzzeitwärmespeicher: solarer Trinkwasserspeicher und Tank-in-Tank-System

meverluste. Daher bietet sie prinzipiell sehr gute Bedingungen für eine saisonale Wärmespeicherung. Die eingesetzten Materialien müssen hinsichtlich ökologischer Verträglichkeit geprüft werden. Speichertypologien Für die praktische Anwendung von Wärmespeichern ist neben der Menge an Wärmeenergie und dem Temperaturniveau insbesondere der Zeitraum entscheidend, über den die Wärme gespeichert werden soll. Entsprechend unterscheidet man zwischen Kurzzeit- und Langzeitwärmespeichern. Zur Kurzzeitwärmespeicherung dienen Systeme, mit denen Wärmeenergie von wenigen Stunden bis über mehrere Tage hinweg gespeichert werden kann. Üblich ist die Kurzzeitspeicherung über Bauteile bei der passiven Solarenergienutzung sowie zum sommerlichen Wärmeschutz (z. B. thermische Aktivierung von Speichermassen, Nachluftkühlung etc.). Die am häufigsten verwendeten technischen Speichertypen sind Kurzzeitwärmespeicher mit Wasser als Speichermedium (Abb. B 4.57). Es handelt sich dabei um Pufferspeicher mit einem Volumen von etwa 0,2 bis 2,0 m3. Zum Einsatz kommen in der Regel Behälter aus korrosionsbeständigen Materialien wie Edelstahl oder aus emailliertem bzw. temperaturfest beschichtetem Stahl. Die Speicher sind wärmegedämmt und mit internen Wärmetauschern ausgestattet. Verwendung finden sie als Pufferspeicher für

Speicherung

Silicagel trocken

Wasser flüssig

l

Temperatur des Phasenübergangs

ibe

ns

se

latent

l ibe

Adsorption

ns

se

gespeicherte Wärme B 4.53

den Heizkreis z. B. bei Wärmepumpen oder Blockheizkraftwerken (BHKW), bei der Trinkwassererwärmung oder als Baustein bei solarthermischen Systemen. Im einfachsten Fall entsprechen diese konventionellen Speichern, in denen ein zusätzlicher Wärmetauscher für den Solarkreis integriert ist. Eine verbesserte Nutzung wird erreicht, wenn durch gezielte Speicherbe- und -entladung eine vertikale Temperaturschichtung entsteht. Ein weiterer, häufig verwendeter Speichertyp ist das Tank-in-TankPrinzip, bei dem der Trinkwasserspeicher in einen Pufferspeicher für den Heizkreis integriert ist. Dadurch kommen die Wärmeverluste in der Heizperiode dem Heizwasser zugute. Bei der Trinkwasserspeicherung ist prinzipiell auf eine legionellensichere Betriebsweise zu achten. Um solare Wärme über einen Zeitraum von mehreren Monaten zu speichern, können Langzeitwärmespeicher eingesetzt werden, die auch als saisonale Wärmespeicher bezeichnet werden. Hier wird die physikalische Gegebenheit genutzt, dass sich das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen eines Körpers mit zunehmendem Volumen überproportional verbessert. Dies führt zu deutlich geringeren Wärmeverlusten und ermöglicht in Kombination mit entsprechender Wärmedämmung einen jahreszeitlichen, saisonalen Versatz von Wärmeerzeugung und -nutzung. Der Langzeitwärmespeicher wird vor allem bei Einzelgebäuden mit sehr hohem solaren Deckungsanteil (> 50 %)

Wärme hohe Temperatur

Verdampfung Wasserdampf

B 4.54

und bei Konzepten für eine solare Nahwärmeversorgung angewendet (Abb. B 4.55 und B 4.58; siehe auch Stadtraum und Infrastruktur, S. 74). Neben Wasserspeichern mit einem Volumen von bis zu 12 000 m3 werden auch natürlich vorkommende, abgeschlossene Grundwasserschichten als Aquifer-Wärmespeicher, zum Erdreich abgedichtetes Kies / WasserGemisch sowie über vertikale Sonden erschlossenes Erdreich als Langzeitwärmespeicher aktiviert (Abb. B 4.56). Da bei der wasserbasierten Langzeitspeicherung die Wärmeverluste sehr hoch sind, werden verlustarme thermochemische Speicher in der künftigen Entwicklung eine große Rolle spielen. Wärmeverteilung Die Wärmeerzeugung für die Gebäudebeheizung erfolgt heutzutage fast ausschließlich in eigenen Technikräumen. Die Wärmeenergie muss daher über ein geeignetes System an die verschiedenen Nutzungsbereiche verteilt werden. Für den Transport von Wärme ist ein Wärmeträgermedium erforderlich. Hierfür haben sich folgende Systeme bewährt: • Die Wärmeverteilung über Rohrleitungen mit temperiertem Wasser als Medium (Warmwasserheizung) ist die überwiegend zur Gebäudeheizung eingesetzte Methode. Hierbei wird das vom Wärmeerzeuger erhitzte Wasser über Rohrleitungen an wärmeabgebende Heizflächen geführt (Vorlauf), kühlt dort ab

solarer Trinkwasserspeicher

Wasserlangzeitwärmespeicher

Kies-Wasser-Speicher

Wärme niedrige Temperatur

Warmwasser Nachheizung

Tank-in-Tank-System Vorlauf Heizung Warmwasser Nachheizung Warmwasserbehälter

Solaranlage Solaranlage Kaltwasser Kaltwasser

Erdsondenspeicher B 4.55

Rücklauf Heizung

Aquiferspeicher B 4.56

B 4.57

125

B 4.58

B 4.59 B 4.60 B 4.61 B 4.62 B 4.63 B 4.64

Differenz Vor- / Rücklauftemperatur

Technik

Mehrfamilienhaus mit integriertem Langzeitwärmespeicher und hundertprozentiger solarer Wärmeversorgung, Oberburg (CH) 2007, Aeschlimann + Willen Größe der Heizfläche in Abhängigkeit von der Vorlauftemperatur Funktionsweise verschiedener Wärmeübergabesysteme Temperaturprofil im Raum in Abhängigkeit vom Wärmeübergabesystem systematische Darstellung von Wärmeübergabesystemen Prinzip der ganzjährigen Nutzung von Bauteilaktivierung typische Konstruktionen für die thermische Aktivierung einer Massivdecke

und fließt zurück zum Wärmeerzeuger (Rücklauf). • Der Wärmebedarf eines Raums kann über die Zuluft eingebracht werden. Durch die geringe spezifische Wärmespeicherkapazität von Luft sind hierbei allerdings günstige bauliche Voraussetzungen für minimierte Wärmeverluste zu schaffen. Anderenfalls werden hohe Temperaturen oder ein großer Luftvolumenstrom erforderlich. Eine komplette Wärmeverteilung über Luft kann sinnvoll sein, wenn ohnehin eine raumlufttechnische Anlage vorgesehen ist und durch geringe Heizlasten niedrige Zulufttemperaturen realisiert werden können oder bei flexibler Nutzung eine schnelle Aufheizung – z. B. bei Industrieoder Sporthallen – erfolgen soll. In diesen Fällen wird die Zuluft über ein integriertes Heizregister erwärmt, das über einen Warmwasserkreis mit dem Wärmeerzeuger verbunden ist. Alternativ sind in speziellen Wandoder Deckenelementen mit Umluftventilation Gasbrenner integriert. • Wasserdampf als Wärmeträgermedium ermöglicht den Transport von Wärmeenergie auf sehr hohem Temperaturniveau (> 100 °C). Angewendet wird dieses Verfahren in der Regel in der Industrie bei Produktionsprozessen (z. B. Beheizung von Säurebädern). Für eine energetische Bewertung der Wärmeverteilung sind im Wesentlichen drei Aspekte von Bedeutung: Erstens müssen die Rohrleitun-

Niedertemperaturheizung

Fläche Hochtemperaturheizung

90 °C

Temp. 50°C

Tm= 80°C

Tm= 40°C Temp. 30°C

70 °C

B 4.58

B 4.59

gen der Heizungsverteilung gedämmt werden, um Wärmeverluste während des Transports zu minimieren. Für die horizontale und vertikale Anordnung der Leitungen ist eine Verteilung innerhalb der beheizten Hülle anzustreben, um die unvermeidlichen Wärmeverluste nutzen zu können. Das gilt auch für die Verteilung des Trinkwarmwassers. In Wohngebäuden werden häufig zusätzliche Zirkulationsleitungen installiert, die eine Abkühlung des Warmwassers in Phasen ohne Zapfleistung verhindern und dadurch die Wartezeit bei der erneuten Wasserentnahme verkürzen. Durch zusätzliche Leitungsverluste und Pumpenleistung erhöht sich jedoch auch der Energiebedarf. Dieser Nachteil muss dabei mit dem Vorteil abgewogen werden, da sich der Wasserverbrauch bei vorhandener Zirkulationsleitung in der Regel verringert. Zweitens werden für den bedarfsgesteuerten Transport des Warmwassers elektrisch betriebene Pumpen eingesetzt. Die erforderliche Leistung der Umwälzpumpe steigt mit dem zu erbringenden Volumenstrom, der durch die Differenz zwischen Vor- und Rücklauf (Spreizung) bestimmt wird. Je größer die Speizung, desto geringer ist der Volumenstrom. Wichtig ist neben der Nutzung effizienter Elektropumpen eine bedarfsgerecht modulierende Regelung. Eine weitere Möglichkeit bietet die automatische Nachtabsenkung des Heizbetriebs: Über eine Zeitschaltuhr werden während der Nachtstunden Transmissionswärmeverluste durch

die Absenkung der Raumtemperatur um wenige Kelvin reduziert. Drittens wird das Temperaturniveau der Wärmeverteilung wesentlich durch die Konfiguration des Gesamtsystems beeinflusst. Übliche Werte für Vor- und Rücklauf sind (in °C): 90 / 70 (Altbau), 70 / 40, 50 / 30 und 35 / 28. Ein niedriges Temperaturniveau (Niedertemperaturheizung, maximal 50 / 30 °C) ermöglicht oft eine höhere Effizienz bei der Wärmeerzeugung (z. B. Brennwerttechnik, Wärmepumpen, solare Wärme). Zudem können die Leitungsverluste der Rohrleitungen reduziert werden. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die wärmeübertragende Fläche mit abnehmender Vorlauftemperatur und geringer Temperaturspreizung bei gleicher Heizleistung größer dimensioniert werden muss (Abb. B 4.59).

Fußbodenheizung

Wandheizung

Deckenheizung

Radiator

Konvektor

Unterflurkonvektor

Wärmeübergabesysteme Für die Übergabe der Wärmeenergie an den Raum sind Heizkörper oder Heizflächen erforderlich (Abb. B 4.60 und 62). Sie bilden die Schnittstelle zwischen Gebäudetechnik und Architektur. Art sowie Anordnung von Heizelementen beeinflussen die thermische Behaglichkeit im Raum. Bei der Planung ist darauf zu achten, dass in Abstimmung mit der Gebäudehülle möglichst homogene Oberflächentemperaturen entstehen (siehe Grundlagen, S. 56). Der Wärmeübergang findet immer parallel über Wärmeleitung, -strahlung und -konvektion statt. Während die Wärmeleitung vernachlässigbar

Betonkernaktivierung

B 4.60

126

Technik

ideale WandTemperatur- heizkörper schichtung

Fußbodenheizung

Deckenheizung 2,70 m

Wärmeübergabesysteme 1,70 m

Heizkörper

Radiatoren 20 24

16 20 24

16 20 24

16 20 24

Flachheizkörper

Flächenheizung

Konvektoren

Fußbodenheizung

thermoaktive Bauteile

ist, differieren die Verhältnisse von Strahlung und Konvektion je nach Wärmeübergabesystem erheblich. Dabei unterscheidet man zwischen Heizkörpern (Einzelelemente) und Flächenheizungen (bauteilintegriert). Als Radiatoren werden Heizkörper bezeichnet, bei denen die Wärmeabgabe mit einem hohen Anteil über Strahlung erfolgt (> 30 %). Der metallische Hüllkörper wird vom warmen Wasser durchflossen und gibt über die Oberfläche Wärme an den Raum ab. Radiatoren werden meist als segmentierte Rippenheizkörper hergestellt, deren Größe an die geforderte Leistung angepasst werden kann. Bei der Variante als Plattenheizkörper sind zwei flache, ebene Metallkörper mit dünnen Blechen verbunden. Radiatoren zeigen über einen breiten Temperaturbereich gute Werte beim Wärmeübergang und lassen sich universell einsetzen. Sie werden in der Regel an Außenwänden in unmittelbarer Nähe von Verglasungen angeordnet, bei guter Wärmedämmung der Gebäudehülle sind auch andere Plätze möglich. Bei Konvektoren erfolgt die Wärmeabgabe fast ausschließlich durch Konvektion. Diese wird durch zahlreiche Blechlamellen erreicht, die mit dem Heizungsrohr verbunden sind. Aufgrund ihrer großen Oberfläche erwärmen sich die Luftzwischenräume und erzeugen einen thermischen Auftrieb. Das System benötigt eine deutlich höhere Temperatur gegenüber der Raumluft. Daher sind Vorlauftemperaturen von mindestens 50 °C erforderlich. Winter

+ 26°C

+20 °C

Wandheizung

[°C]

B 4.61

Sommer

Deckenheizung

B 4.62

Konvektoren stehen in verschiedenen Bauarten zur Verfügung. Als Heizkörper können sie wie Radiatoren an den Außenwänden, Wandnischen (auch mit Verblendung) oder im Sockelbereich angebracht werden. Durch ihren hohen Konvektionsanteil eignen sie sich bei hohen, bodentiefen Verglasungen und können – insbesondere bei niedrigen Wärmedämmqualitäten – einen möglichen Kaltluftabfall verhindern. Bei sehr hohen Verglasungen (z. B. Atrien, Schwimmhallen) können zusätzliche Konvektoren auf entsprechender Höhe in der Fassade platziert werden. Eine Variante dieser Bauart ist der Unterflurkonvektor. Er wird im Bereich großer Verglasungen flächenbündig mit dem Fußboden verlegt und ist auch in sehr niedriger Bauhöhe (ab ca. 75 mm) erhältlich. Zur Erhöhung der Leistung kann der Unterflurkonvektor mit einem elektrischen Umluftgebläse ergänzt werden. Hier müssen allerdings die Geräuschentwicklung und der Hilfsenergiebedarf bei der Planung berücksichtigt werden. Gebläseunterflurkonvektoren mit Außenluftanschluss können auch für eine dezentrale Fassadenlüftung eingesetzt werden (siehe S. 132 und Gebäudehülle, S. 103). Bei Deckenstrahlungselementen wird durch die Anbindung von Rohrleitungen ein metallisches Plattenelement thermisch aktiviert. Dieses wirkt im Raum als Wärmestrahler und kann mit weiteren Funktionen (optische Gestaltung, Schallschutz) in eine abgehängte Decke integriert werden.

Deckenkapillarrohrsystem

Zur thermischen Aktivierung des Fußbodens werden im Estrich Rohrleitungen – in der Regel aus Kunststoff – verlegt, wodurch sich der Estrich erwärmt. Durch die große Übertragungsfläche genügen bei der Fußbodenheizung sehr geringe Vorlauftemperaturen (meist 35 / 28 °C), um die Heizlast abzudecken. Über geringe Rohrabstände kann die Leistungsfähigkeit örtlich (z. B. im Bereich von bodentiefen Verglasungen) erhöht werden. Die große Speichermasse bewirkt jedoch, dass die Regulierung träger als bei Heizkörpern ist. Aufgrund des sehr hohen Strahlungsanteils und der Raumerwärmung von unten nach oben stellt sich ein besonders behagliches Temperaturprofil im Raum ein (Abb. B 4.61). Zu beachten ist, dass die Materialien für den Bodenbelag den Wärmeaustausch nicht behindern. Insbesondere bei Holzoberflächen sind eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit und Beständigkeit bei dynamischen Temperaturschwankungen (Rissbildung) zu berücksichtigen. Analog zur Fußbodenheizung können auch Wandflächen für die Wärmeübergabe herangezogen werden. Warme Wandflächen werden als besonders behaglich empfunden und benötigen ebenfalls nur sehr geringe Vorlauftemperaturen. Die (sehr dünnen) Rohrleitungen aus Kunststoff werden im Putz verlegt oder durch spezielle Wandelemente angebracht. Zu beachten ist die eingeschränke Nutzung, da die Wandflächen nicht abgedeckt werden dürfen (z. B. durch Schrankmöbel) und Wand-

Betonkerntemperierung

Fußbodentemperierung

Zwei-Flächen Bauteiltemperierung

Fußbodenbelag Estrich Dämmung + 22°C

+22 °C Decke mit Bewehrung

kühlen

heizen

Deckenputz

B 4.63

B 4.64

127

Technik

Personen

Beleuchtung 1 intern Arbeitshilfen

Produktion

Wärmelast

Solarstrahlung 1

Transmission 1

extern

1

großes Einflusspotenzial über die Gebäudehülle

Außenluft

B 4.65

Außenluft natürliche Wärmesenken

Erdreich

Wasser

Gebäudekühlung

Verdunstungskühlung

direkte adiabate Kühlung indirekte adiabate Kühlung

Kompressionskälte

Kältemaschine

Sorptionskälte

flächenbezogene Wärmeleistung [W / m 2]

B 4.66 25

Personen Beleuchtung Arbeitshilfen

20

Kälte erzeugen

15

10

5

0

erforderliche Kühlleistung [%]

6:00

12:00

18:00

24:00 B 4.67

100

80

60

40

20

0 26

128

27

28

bohrungen praktisch ausgeschlossen sind. Eine Variante der Wandheizung ist die Fassadenheizung. Bei Systemen mit Pfosten- und Riegel-Konstruktion können bei entsprechender Modifikation die Hohlräume der Profile mit Heizwasser durchströmt werden. Von Vorteil ist die nicht sichtbare Einbindung des Heizsystems in ohnehin erforderliche Bauteile. Bei geringer Dämmwirkung der Profile kann die Wärmeabstrahlung nach außen jedoch sehr hoch sein. Bei der Bauteilaktivierung (BTA) – auch »Betonkernaktivierung« genannt – werden statisch erforderliche Massivbauteile (z. B. die Stahlbetondecke) durch integrierte Rohrleitungen thermisch aktiviert (Abb. B 4.63 und 64). In Verbindung mit der hohen Speichermasse kann durch dieses System eine Grundtemperierung während der Heizperiode mit Vorlauftemperaturen erzielt werden, die nur gering über der Raumsolltemperatur liegen. Daher eignet sich die BTA sehr gut, um die Umgebungswärme zu nutzen. Die hohe Trägheit und die geringe spezifische Wärmeleistung erfordern in der Regel ein ergänzendes, schnell regelbares Wärmeübergabesystem (z. B. Konvektoren). Dabei muss beachtet werden, dass die Bauteiloberflächen in einem störungsfreien Austausch mit der Raumluft stehen. So wirken sich abgehängte Decken oder aufgeständerte Bodensysteme ungünstig auf die Leistungsfähigkeit aus. Insbesondere bei der Deckengestaltung ist eine thermische Aktivierung mit weiteren Funktionen wie z. B. der Raumakustik abzustimmen.

32 33 29 30 31 zulässige Raumtemperatur [°C] B 4.68

Für die thermische Behaglichkeit in Gebäuden ist neben der Wärmeversorgung auch die Begrenzung hoher Temperaturen ein wichtiger Aspekt. Bei den unerwünschten Wärmequellen, den so genannten Kühllasten, unterscheidet man zwischen internen und externen Ursachen (Abb. B 4.65). Die wichtigsten internen Kühllasten werden durch Personen (hohe Belegungsdichte), Beleuchtung und elektrische Arbeitshilfen (z. B. Computer) hervorgerufen. Die externen Energiequellen lassen sich unterteilen in Solarstrahlung, Wärmetransmission von außen nach innen sowie Wärmepotenziale, die über den Luftaustausch den Innenraum belasten. In den meisten Fällen können Gebäude vor allem in kalten und gemäßigten Zonen bei energieoptimierter Planung ohne aktive Kühlung betrieben werden. Eine entsprechende Gestaltung der Gebäudehülle hinsichtlich einer Minimierung externer Kühllasten hat daher erste Priorität (siehe Gebäudehülle, S. 195). Zum Teil erfordern jedoch besondere Arbeitsprozesse, spezifische klimatische Randbedingungen oder besonders hohe, nutzungsbedingte Kühllasten eine Bereitstellung von »Kälteleistung«, physikalisch korrekt als »Wärmesenke« zu bezeichnen. Die erforderliche Kälteleistung wird analog zur Heizlast für den ungünstigsten Fall ermittelt. Hier ist die maximal zulässige Raum-

temperatur (z. B. für Bürogebäude 26 °C) ein wesentlicher Einflussfaktor. Durch abgeschwächte Anforderungen – z. B. Vereinbarung über eine jährliche Stundenanzahl, in denen die Maximaltemperatur überschritten werden darf – sind erhebliche Einsparungen der Systemleistung möglich (Abb. B 4.68). Im Sinne einer nachhaltigen Entwicklung ist anzustreben, diese Energiedienstleistung mit hoher Effizienz unter weitestgehender Nutzung regenerativer Energiequellen bereitzustellen. Die hierfür zur Verfügung stehenden Systeme und Konzepte werden im Folgenden erläutert (Abb. B 4.66). Natürliche Wärmesenken

Im Idealfall kann die Wärmelast in Gebäuden über natürlich vorkommende Kühlpotenziale bzw. Wärmesenken ohne aktive Kälteerzeugung abgeführt werden. Hierbei bieten sich günstige Temperaturniveaus in den Medien Luft, Erdreich und Wasser an. Außenluft In den meisten Fällen deckt sich der Kühlbedarf zeitlich mit hohen Außenlufttemperaturen. Dennoch entstehen im Tages- und Jahresverlauf Situationen, bei denen die Außenluft als Wärmesenke in das Technikkonzept integriert werden kann. Zum einen entsteht bei bestimmten Nutzungen (z. B. Theatersaal) aufgrund hoher interner Wärmelasten auch bei geringen Außentemperaturen Kühlbedarf. In diesen Fällen kann die Außenluft direkt (direkte Kühlung) oder über einen Luftwärmetauscher (z. B. Rückkühlwerk) zur Abführung der Wärmelasten genutzt werden. Zum anderen stehen in Zeiträumen mit hoher Außenlufttemperatur in den meisten Klimaregionen während der Nachtzeit potenzielle Wärmesenken zur Verfügung, die für eine thermische Entspeicherung von Gebäuden nützlich sind (Nachtluftkühlung, Abb. B 4.69); vorausgesetzt es gibt genügend thermisch aktivierbare Speichermasse, die eine zeitliche Phasenverschiebung ermöglicht (Abb. B 4.70). Der Energietransport kann sowohl direkt über einen Luftaustausch (natürlich oder maschinell) als auch über ein wassergeführtes System (z. B. Bauteilaktivierung) mit freier Rückkühlung erfolgen. Eine rein natürliche Nachtlüftung ist sehr effizient, jedoch schwierig zu kontrollieren und aus Sicherheitsgründen oft nicht realisierbar. Je höher die standortspezifische Spreizung zwischen Maximaltemperatur am Tag und Minimaltemperatur in der Nacht ist, umso höher ist die erreichbare Kühlleistung. Für eine effektive Abkühlung durch Nachtluft sollte gewährleistet sein, dass die maximal zulässige Raumtemperatur in der Nacht für mehrere Stunden um mindestens 5 K unterschritten wird [3]. Erdreich Das Temperaturniveau im Erdreich ist mit zunehmender Tiefe konstant und entspricht ab einer Tiefe von ca. 30 m der mittleren Jahreslufttemperatur. Zur Nutzung des Temperatur-

Temperatur [°C]

Temperatur [°C]

Technik

35

30

30

B 4.68

25

25

20

20

15

B 4.65 B 4.66 B 4.67

35

B 4.69 B 4.70 B 4.71 B 4.72

15 28.Juli

29. Juli

30. Juli

B 4.73

31.Juli

28.Juli

30.Juli

29.Juli

31.Juli

Wärmelasten eines Gebäudes Möglichkeiten zur Gebäudekühlung typisches Profil interner Wärmelasten eines Bürogebäudes im Tagesverlauf beispielhafter Zusammenhang zwischen zulässiger Raumtemperatur und erforderlicher Kühlleistung qualitatives Potenzial für eine Nachtluftkühlung Einfluss der Speichermasse auf die Temperaturamplitude der Raumluft bei Nachtluftkühlung Funktionsprinzip eines Erdkanals Einfluss der Jahresmitteltemperatur auf die Leistung eines Erdkanals Leistung eines Erdkanals in Abhängigkeit von Rohrlänge und -durchmesser

Speichermasse 200 kg/m2 Speichermasse 500 kg/m2 Speichermasse 1000 kg/m2 Außenlufttemperatur ta

Kühlpotenzial der Nachtluft Außenlufttemperatur ta

Kühlung um nur wenige Kelvin unter der Raumtemperatur erforderlich macht (z. B. Bauteilaktivierung). Über einen Luft/Wasser-Wärmetauscher kann der Solekreis auch in eine Lüftungsanlage eingebunden werden. Die Kühlleistung von Erdsonden beträgt in Mitteleuropa ca. 20 bis 40 W/m. In Fällen, in denen die passive Kühlung nicht ausreicht, ist die Wärmepumpe auch als aktives Kälteaggregat einsetzbar (siehe S. 130). Die große Verbreitung erdgekoppelter Wärmepumpen in Nordamerika liegt in dieser Anwendungsmöglichkeit begründet.

Temperaturabsenkung bei ta = 25 ± 5 °C [K]

Kühlleistung [W/ m]

B 4.70

größeren Objekten sind entsprechend große Rohrquerschnitte oder eine Aufteilung in mehrere, parallel verlegte Leitungen erforderlich. Empfehlenswert ist die Verwendung von Materialien mit glatten Oberflächen, um den Strömungswiderstand zu reduzieren und die hygienischen Verhältnisse zu optimieren. Ist der Erdwärmetauscher nicht begehbar, müssen geeignete Revisionsöffnungen eine Reinigung ermöglichen. Aufgrund einer eventuellen Kondenswasserbildung sind ein entsprechendes Gefälle und die Möglichkeit eines Abflusses empfehlenswert. Inzwischen gibt es zahlreiche Erfahrungswerte mit Erdwärmetauschern. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Wirtschaftlichkeit solcher Systeme (unter Berücksichtigung der Luftvorerwärmung in der Heizperiode) projektspezifisch nachgewiesen werden muss. In Kombination mit einer Nachtluftkühlung (Bypass, bei dem durch Umschalten der Erdkanal umgangen wird) können auf passivem Weg bereits hohe Wärmelasten abgeführt werden. Alternativ zum Erdkanal sind analog zur Nutzung als Wärmequelle Erdsonden bzw. als Wärmesenke im Erdreich installierte Massivabsorber im Kühlfall einsetzbar. Diese Mehrfachnutzung beschleunigt die Regeneration des Erdreichs und führt zu einer verbesserten Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems. Voraussetzung hierfür ist ein flüssiges Wärmeträgermedium mit entsprechenden Absorptionsflächen und eine Wärmeübergabe im Raum, die eine

Außentemperatur [°C]

B 4.69

niveaus des Erdreichs als Wärmesenke gibt es im Wesentlichen zwei Konzepte. Bei Gebäuden mit maschineller Zuluftführung kann die Außenluft über ein Erdkanal (auch Erdregister) geleitet werden. Dadurch wird die Luft um mehrere Kelvin abgesenkt, wodurch in vielen Fällen auf eine weitere Kühlung verzichtet werden kann (Abb. B 4.71). Durch den Erdkanal erfolgt zudem bei niedrigen Temperaturen im Heizfall eine Vortemperierung, wodurch das System bei einer ganzjährigen Nutzung wirtschaftlich betrieben werden kann. Das Prinzip der thermischen Nutzung des Erdreichs für die Gebäudelüftung ist sehr alt. Ein »Verfahren zur Kühlung und Vorerwärmung der Luft mit Hülfe der Erdwärme« wurde bereits 1877 beim kaiserlichen Patentamt angemeldet [4]. Die Kühlleistung ist abhängig von der Jahresmitteltemperatur und der Dimensionierung des Erdkanals (Abb. B 4.72 und 73). Das Spektrum an Materialien und Querschnitten ist dabei sehr breit und reicht von Kunststoffrohren mit einem Durchmesser von 150 mm bis zu begehbaren Betonröhren und kompletten Untergeschossen, die über Wandscheiben als Luftlabyrinth ausgeführt sind. Kunststoffrohre mit ca. 300 mm Durchmesser bei einer Verlegetiefe von 2 bis 4 m haben sich als besonders wirtschaftlich erwiesen [4]. Zur technischen Umsetzung eines Erdwärmetauschers gibt es mehrere Möglichkeiten. Bei kleinen Luftvolumenströmen, wie z. B. für Einfamilienhäuser, erfolgt dies in der Regel über im Erdreich verlegte flexible Rohre. Bei Sommerbetrieb: ¤Luftabkühlung ¤Klimaanlage kann entfallen

35 Extremtemperatur Sommer: +35 °C

Gebäudesolltemperatur: +20 °C

z.B. +22 °C

20

z.B. +5 °C

Heizen

+20 °C

0

-15

Winterbetrieb: ¤Luftvorwärmung ¤Temperaturanhebung über den Nullpunkt

Extremtemperatur Winter: -15 °C

14 Samedan

12 10

Kopenhagen Hamburg Zürich London Paris

8

1200 ø 30cm

1000 ø 25cm

800

600

ø 20cm

400

ø 15cm

Rom

4 2 0

Luftmenge: 250 m3 Rohrdurchmesser: 0,2 m Rohrlänge: 30 m Verlegetiefe: 2,5 m Bodentyp: Erde feucht

4

6

8

Klima: Zürich Luftgeschwindigkeit: 2m /s Verlegetiefe: 2,5m Bodentyp: naturfeucht

200

0

10

12

14

16

18

20

Jahresmitteltemperatur tm [°C]

B 4.71

Verdunstungskühlung Die Kühlung durch Wasserverdunstung ist ein sehr altes Prinzip – erfahrbar z. B. bei der

6

2

Erdkanal

Wasser Auch Wasservorkommen (Grundwasser, Oberflächenwasser) bieten neben der Nutzung als Wärmequelle für Wärmepumpen ein großes Potenzial für die Kühlung von Gebäuden. Steht das Wasser in ausreichender Menge mit einem Temperaturniveau < 20 °C zur Verfügung, kann es direkt als Wärmesenke in das Technikkonzept integriert werden (Abb. B 4.74). Durch die hohe Speicherkapazität von Wasser ist die Leistungsdichte für eine thermische Entspeicherung sehr hoch. Wird das Wasser auch als Wärmequelle für Wärmepumpen genutzt, lässt sich eine wirtschaftliche Energieversorgung für hohe Leistungsanforderungen realisieren.

B 4.72

10

20

30

40

50

60

70

80

Rohrlänge [m]

B 4.73

129

Technik

B 4.74 B 4.75 B 4.76

B 4.77 B 4.78 B 4.79

B 4.80 B 4.81

B 4.82

Gebäudekühlung über Grund- oder Oberflächenwasser indirekte adiabate Kühlung über eine raumlufttechnische Anlage direkte adiabate Kühlung über Pflanzen in einem Atrium, Institutsgebäude, Wageningen (NL) 1998, Behnisch, Behnisch & Partner zeitliche Übereinstimmung von Solarstrahlung und Kühlbedarf aus externen Lasten Schema einer solarthermischen Kühlung mit Sorptionskältemaschine Simulation zur Dimensionierung einer solaren 15 kW-Absorptionskältemschine für ein Bürogebäude in Madrid solare Kühlung mit Sorptionsrad (DEC) Kennwerte zur überschlägigen Ermittlung des Platzbedarfs für elektrische Kompressionskältemaschinen Kennwerte für luft- und wassergeführte Kühlverteilung im Vergleich

B 4.74 Wärme- bzw. Kälterückgewinnung

Luftbefeuchtung bzw. Verdunstung

Transpiration über die Haut. Für den Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand wird Energie benötigt, die der Umgebung entzogen wird (adiabate Kühlung). Auf gleiche Weise ist auch eine Temperaturabsenkung der Zuluft von Gebäuden direkt oder indirekt erzielbar. Bei der direkten adiabaten Kühlung wird die Zuluft direkt mit Feuchtigkeit angereichert, wodurch sich die Lufttemperatur absenkt. Eine solche Kühlung lässt sich z. B. über offene Wasserflächen und Pflanzen oder eine Sprühvernebelung von Wasser in der Zuluft erzielen (Abb. B 4.76). Generell sollte beachtet werden, dass durch die Verdunstung immer auch die Luftfeuchtigkeit steigt und eine zunehmende Luftfeuchtigkeit auch einen Anstieg der »gefühlten« Temperatur bewirkt (siehe Grundlagen, S. 57). Die direkte adiabate Kühlung ist daher vor allem in trocken-heißen Klimazonen sinnvoll. Um eine Temperaturabsenkung ohne Erhöhung der Luftfeuchtigkeit zu erreichen, kann die adiabate Kühlung indirekt über eine Befeuchtung der Abluft umgesetzt werden (Abb. B 4.75). Voraussetzung ist eine maschinelle Zu- und Abluftanlage mit Wärmerückgewinnung. Die Zuluft gibt dabei einen großen Teil des Wärmepotenzials über den Wärmetauscher an die abgekühlte (und feuchte) Abluft ohne Veränderung der absoluten Feuchte ab. Die Leistungsfähigkeit ist jedoch eingeschränkt und hängt insbesondere vom Feuchtegehalt der Außenbzw. Abluft ab. Eine Steigerung der Leistungsfähigkeit durch Kombination von direkter und indirekter adiabater Kühlung ist durch die Einbindung einer Zulufttrocknung möglich (Abb. B 4.80).

Wasser

Elektrische Kälteerzeugung Fortluft 30 °C

Frischluft 32 °C

20 °C

26 °C

22 °C

Raum

B 4.75

Bei Gebäuden mit hohen Anforderungen an die Leistungsfähigkeit bzw. Steuerbarkeit der Kühlung können Kältemaschinen eingesetzt werden. Je nach Technikkonzept sind sie entweder über ein wassergeführtes Kühlsystem (Bauteilaktivierung, Kühlsegel etc.) oder über Kühlregister in Lüftungsanlagen eingebunden. Kältemaschinen können sehr niedrige Temperaturen erzeugen, wodurch bei Bedarf auch eine Entfeuchtung der Zuluft über Klimaanlagen ermöglicht wird. Kompressionskältemaschine Die elektrisch betriebene Kompressionskältemaschine stellt die gebräuchlichste Form der Kälteerzeugung dar. Sie wird vereinfacht als Kältemaschine bezeichnet und sowohl im kleinen Leistungsbereich (z. B. Kühlschrank, Gefriertruhe etc.) wie auch zur Gebäudekühlung oder in der Industrie genutzt. Die Technologie entspricht dem Prinzip der Wärmepumpe (siehe S. 122). Aufgrund der umgekehrten Nutzung wird bei der Kältemaschine dem Gebäudekühlkreis über den Verdampfer Wärme entzogen. Die am Kondensator entstehende Abwärme muss entsprechend abgeführt werden. Dieser Prozess erfolgt in der Regel über ein Rückkühlwerk oder einen Kühlturm, bei denen über

B 4.76

130

einen weiteren Wasserkreislauf durch Verdunstungskühlung die Wärme direkt nach außen abgeleitet wird. Daher müssen beide im freien Luftstrom angeordnet sein. Reversible Wärmepumpe Wird für die Gebäudeheizung ein Wärmepumpensystem eingesetzt, kann dieses gleichzeitig für die Kältebereitstellung verwendet werden, da es sich bei Wärmepumpen und elektrischen Kältemaschinen im Prinzip um dieselbe Technologie handelt. Die Doppelnutzung als »reversible Wärmepumpe« kann eine wirtschaftliche Lösung darstellen, sofern Wärme- und Kälteenergie nicht parallel benötigt werden. Die elektrische Kälteerzeugung ist bereits ausgereift und in vielen Leistungsstufen einsetzbar; der Bedarf an Technikfläche für Kompressionskältemaschinen lässt sich über Kennwerte abschätzen (Abb. B 4.81). Die erforderliche elektrische Energie schlägt sich in der Primärenergiebilanz eines Gebäudes bei diesen Technologien ungünstig nieder. Hinsichtlich einer CO2-neutralen Energieversorgung ist deshalb beim Einsatz einer elektrischen Kälteerzeugung analog zur Wärmepumpe eine Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen erforderlich. In Kombination mit einer Photovoltaikanlage kann so z. B. eine solare Kühlung realisiert werden. Hohe solare Erträge bei gleichzeitig steigendem Kältebedarf durch externe Lasten machen dieses Prinzip sinnvoll (Abb. B 4.77). Thermische Kälteerzeugung

Bei der Kälteerzeugung können wie bei Wärmepumpen thermisch angetriebene Verfahren eingesetzt werden. Dabei wird ein reversibler chemischer Prozess genutzt. Sorptionskältemaschine Sorptionskältemaschinen sind, historisch betrachtet, älter als die heute überwiegend genutzten elektrischen Systeme. Zum Einsatz kommen sie vor allem in der Industrie zur Nutzung von Abwärme. In den USA und Japan sind Sorptionskältemaschinen bereits weit verbreitet, um die sommerlichen freien Kapazitäten des Gasnetzes zu nutzen. Zur Kaltwassererzeugung in einem geschlossenen Kältemittelumlauf gibt es Sorptionskältemaschinen, die bei festen Sorptionsmitteln (z. B. Wasser / Silicagel) über das Prinzip der Adsorption (Anlagerung) oder bei flüssigen Sorptionsmitteln (z. B. Ammoniak / Wasser) über das Prinzip der Absorption (Vermischung) verfahren. Diese können prinzipiell wie die stärker verbreiteten elektrisch betriebenen Kompressionskältemaschinen eingesetzt werden (Abb. B 4.78). Das wesentliche Qualitätsmerkmal von Sorptionskälteprozessen ist das Verhältnis von erzielter Kälteenergie pro Einheit Wärmeenergie für den Antrieb (COP = Coeffizient of Performance). Typische Werte liegen zwischen 0,7 und 1,3. Ein ökologischer Vorteil thermisch angetriebener Kühlprozesse gegenüber elektrischen Sys-

8:00

12:00

16:00

20:00

24:00

Kühlelement

Solarstrahlung

Kühlbedarf

Wärmeerzeuger

Speicher

M

J

J

A

S

O

N

Abwärmenutzung Ein interessantes Einsatzgebiet für Sorptionskältemaschinen ist die Abwärmenutzung bei dezentraler Kraft-Wärme-Kopplung über Blockheizkraftwerke (BHKW) oder Fernwärmenutzung. Im Idealfall werden für die BHKWs als Treibstoff regenerative Energieträger (z. B. Pflanzenöl) verwendet, dann spricht man von einer regenerativen Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung. Die Kombination mit einer Kraft-WärmeKopplung mit zusätzlicher thermischer Kühlung ermöglicht einen ökonomisch günstigen ganzjährigen Betrieb. Solare Kühlung Wird die Antriebswärme überwiegend von solarthermischen Systemen erzeugt, spricht man von einer solaren Kühlung. Treten Kühllasten und solare Gewinne zeitgleich auf, lässt sich Kälte ohne hohen Speicherbedarf erzeugen. Ein typisches Anlagenschema für eine solar unterstützte Kühlung mit geschlossener Adsorptionskältemaschine ist in Abb. B 4.78 dargestellt. Künftig sollen auf diese Weise auch im kleinen Leistungsbereich (< 100 kW) und mit niedriger Antriebstemperatur (< 100 °C) Kühlleistungen erbracht werden, um eine effiziente Nutzung der Solarstrahlung sicherzustellen. Zur solaren Energieerzeugung für die

Rückkühlung

Nennkälte leistung [kW]

Wasser

Erhitzer (solar) + 20°C

Fortluft 50 °C 40°C 70°C

Frischluft 32°C

Wasser

45°C

Sorptionsrad

26°C

24°C Wärmetauscher

17°C Befeuchter

Raum

B 4.80

60

40 40

Kühlung eignen sich alle Kollektorarten bis auf die offenen Absorber (siehe S. 119). Eine pauschale Dimensionierung von Systemen zur solaren Kühlung ist aufgrund geringer Erfahrungswerte nicht möglich; ökonomisch empfohlene solare Deckungsanteile liegen bei ca. 75 % der thermischen Antriebsenergie. Ein wichtiger Aspekt bei der solaren Kühlung ist die Deckung der erforderlichen Restwärme. Wird diese mit fossilen Energieträgern bereitgestellt werden, ergibt sich ein ökologischer Vorteil gegenüber elektrischen Kompressionskältemaschinen – in Abhängigkeit des Primärenergiekennwerts für Strom – erst bei sehr hohen solaren Deckungsraten (z. B. Deutschland > 70 %, Abb. B 4.79). Um Kühlleistung zu erzeugen, können alternativ Verfahren mit offenem Kältemittelkreis eingesetzt werden, bei denen in Kombination mit einer raumlufttechnischen Anlage die Zuluft direkt konditioniert wird. Bislang wurden vor allem Systeme mit festem Sorptionsmittel (Silicagel) realisiert. Im Einsatz sind überwiegend Anlagen mit rotierenden Sorptionsrädern, die nach dem Prinzip der sorptiven Luftentfeuchtung und Verdunstungskühlung funktionieren (Desiccant and Evaporative Cooling, DEC). Sie stellen damit eine Weiterentwicklung der reinen Verdunstungskühlung dar, bei der die Zuluft über das Sorptionsmittel zunächst getrocknet wird. Dadurch kann die Zuluft neben der Wärmerückgewinnung zusätzlich direkt befeuchtet werden. Zur Regeneration des

A

70

Sorptionskältemaschine

temen wird vor allem dann erreicht, wenn regenerativ erzeugte Wärme direkt als Antriebsenergie genutzt werden kann.

M

80

50

Raum B 4.78

F

90

Antriebswärme

D B 4.77

J

100

20 50 100 250 500 750 1000 1500 2000

Mindest-Platzbedarf bei Kolbenverdichtern [m2] 8 12 20 30 45 – – – –

Turboverdichtern [m2] – – – 50 60 70 80 100 110

Raumhöhe [m] 2,20 2,50 3,00 3,50 4,00 4,20 4,50 4,80 5,00

Außer der allseitigen Zugänglichkeit für Wartungsarbeiten ist neben der Kältemaschine die etwa 0,8-fache Länge als Platz zum Ausziehen der Rohrregister frei zu halten.

B 4.81

50

60 70 80 Kollektorfläche [m 2]

Beispiel für 20 MWh Kühlenergiebedarf Speichergröße: 2 m3 4 m3

8 m3 B 4.79

Sorptionsmittels wird Wärme benötigt, die durch Solarstrahlung bereitgestellt werden kann (Abb. B 4.80). Die solarthermische Kühlung befindet sich zurzeit in einem Stadium der fortgeschrittenen technischen Entwicklung. Bislang wurden in Europa ca. 100 Anlagen gebaut. Standardisierte Auslegungsverfahren und ausgereifte Regelungskonzepte werden derzeit in Pilotprojekten mit wissenschaftlicher Begleitforschung erarbeitet. Kältespeicher

Analog zur Wärmeenergie ist auch potenzielle Kälteleistung speicherbar. In Situationen mit hohem Kühlbedarf und stark schwankender Nachfrageleistung oder entsprechendem Kälteangebot kann das zu einer wesentlichen Optimierung des Gesamtsystems führen. Eine wichtige Größe für die Speicherdichte und damit für die Wirtschaftlichkeit stellt die realisierbare Temperaturdifferenz zwischen Nutzund Speichertemperatur dar. Bei Kaltwasserspeichern ist die Abkühlung auf minimal 0 °C begrenzt, was z. B. bei einer Kaltwasservorlauftemperatur für eine Klimaanlage von 6 °C lediglich eine Differenz von 6 K darstellt. Bewährt haben sich daher Eisspeicher, bei denen zusätzlich zur sensiblen Wärme die bei der Eisbildung entstehende latente Wärme gespeichert wird und die somit ca. zehnfach höhere Speicherdichten aufweisen. Die Einbindung in das System erfolgt analog zum Wärmespeicher über ein Kaltwassernetz. 10

15

8

12

6

9

4

6

2

3

Fläche Kühldeckensegel [m2]

4:00

Luftwechsel Zuluftkühlung [ 1/h]

0:00

Kollektorfeld

solarer Deckungsgrad [%]

Solarstrahlung

Kühlbedarf

Technik

0

0 10

80 100 20 60 40 spez. Kühlleistung [W/m 2Bürofläche]

Randbedingungen: Grundfläche 15 m2 Volumen 45 m3 Temperaturdifferenz ΔT 10 K B 4.82

131

Abluft

1

Fortluft

Kühlleistung [kW]

Technik

Zuluft

4

70 60 50 40

2 1

2

30

3

Außenluft

20 10

1 2 3 4

0

Filter Ventilator Wärmetauscher Heiz- / Kühlregister

1

2

3

4

5

total

6

Lüftung

B 4.83 Verteilung

Übergabe

Um die Raumtemperatur zu reduzieren oder aufrecht zu erhalten, muss die im Raum vorhandene Wärme abgeführt werden, was sowohl über luft- als auch über wassergeführte Systeme möglich ist (Abb. B 4.82). Bei der Regulierung der Temperatur durch einen gesteuerten Austausch der Raumluft wird in die raumlufttechnische Anlage ein Kühlregister integriert. Durch die Einbringung gekühlter Zuluft und Absaugung der erwärmten Abluft kann das Raumklima gesteuert werden. Dabei ist insbesondere bei hohen Kühllasten ein großer Luftvolumenstrom erforderlich und zieht entsprechende Konsequenzen bei der Dimensionierung (Antriebsenergie, Kosten und Platzbedarf) nach sich. Eine Luftkühlung ist sinnvoll, wenn aus hygienischen Gründen ohnehin hohe Luftwechselraten benötigt werden (z. B. Theaterraum). Zudem ermöglicht die Einbindung von Kälteleistung in die Luftführung eine Entfeuchtung der Zuluft sowie die Nutzung von adiabater Kälteerzeugung. Alternativ oder ergänzend kann die Kälteverteilung über ein wassergeführtes Rohrsystem erfolgen, wie es auch für die Heizwärme verwendet wird. Die Rohrleitungen müssen ebenfalls gedämmt werden, um Kondensatbildung durch niedrige Temperaturen zu verhindern. Dieses System ist vor allem bei Büro- und Verwaltungsgebäuden üblich.

Auch wenn physikalisch gesehen bei der Kühlung von Gebäuden Wärme abgeführt wird, spricht man bei der Schnittstelle zum Raum von Kälteübergabe. Analog zur Wärmeverteilung ist darauf zu achten, dass keine großen Strahlungsasymmetrien oder Zuglufterscheinungen auftreten, die einen behaglichen Aufenthalt beeinträchtigen. Die Kälteübergabe kann je nach Art der Verteilung durch Luftoder Wasserkühlung erfolgen. Luftkühlung Beim Einbringen gekühlter Zuluft in den Raum ist wegen möglicher Zugerscheinungen von Kaltluft besondere Sorgfalt auf die Luftführung, -verteilung und -geschwindigkeit zu legen. Bei der Luftkühlung haben sich vor allem zwei Konzepte bewährt: Misch- und Quelllüftung (Abb. B 4.93). Bei der Mischlüftung (auch Strahllüftung) wird die Zuluft über hochinduktive Lufteinlässe (z. B. Deckenauslässe, Weitwurfdüsen) in den Raum eingebracht, wo sie durch hohe Eintrittsgeschwindigkeiten mit der vorhandenen Raumluft durchmischt wird. Anordnung und Einblaselemente sind so zu wählen, dass über sanfte Luftverwirbelungen die gesamte Raumluft bewegt wird, ohne dass es zu unangenehmen Zugerscheinungen kommt. Die Absaugung erfolgt meist in Bodennähe. Bei diesem System sind sehr hohe Kühlleistungen von über 60 W / m2 möglich. Nutzung

Luftbehandlung reduzieren Luftmengen minimieren maschinelle Lüftung optimieren

Luftführung optimieren Luftantrieb optimieren Wärme (Kälte) rückgewinnen B 4.85

132

Arbeitsräume

Beispiel

Einzelbüro Großraumbüro

Versammlungs- Konzertsaal räume Theater Konferenzraum

Außenluftstrom pro Pers. pro m2 [m3 / h] [m3 / h] 40 60 20 k. A. k. A.

4 6 10 – 20

Wohnräume

Wohnungen Hotelzimmer

k. A. k. A.

Unterrichtsräume

Klassenzimmer Hörsaal Lesesaal

30 30 20

15 15 12

Räume mit Publikumsverkehr

Verkaufsraum Gaststätte

20 30

3 – 12 8 B 4.86

7

8

9

10 11 12 Zeit [d]

Bauteilkühlung B 4.84

Bei geringen durch die Zuluft abzuführenden Kühllasten (< 30 W / m2) kann auch eine Quelllüftung eingesetzt werden. Diese Art der Zulufteinbringung ermöglicht die Einhaltung hoher Behaglichkeitsanforderungen. Die Zuluft wird hier in Bodennähe mit sehr geringer Geschwindigkeit (geringer Luftvolumenstrom) zugeführt. Sie erwärmt sich aufgrund der Wärmelast im Raum und steigt sanft nach oben, wo sie abgesaugt wird. Bei höheren Kühllasten ist die Quellluftkühlung mit wassergeführten Systemen kombinierbar. Wasserkühlung Für wärmeübertragende Flächen bei der Wasserkühlung gelten prinzipiell die gleichen Anforderungen wie bei der Wärmeübergabe. Bei der Kühlung müssen die Oberflächentemperaturen (ca. 15 –18 °C) immer über dem Taupunkt der Raumlufttemperatur liegen, um Kondensation zu vermeiden. Dadurch ist die mögliche Kälteleistung eingeschränkt. Folgende gängige Kälteübergabesysteme gibt es: • • • •

Kühlsegel Gebläsekonvektoren Fußbodenheizung Bauteilaktivierung

Kühlsegel werden sehr häufig zur Abführung von Kühllasten über wassergeführte Leitungen eingesetzt. Sie bestehen meist aus flächigen Metallplatten, die mit dem Kaltwasserrohrnetz Nutzung Büroräume EDV-Zentralen Gaststätten - Raucher - Nichtraucher Hallenbäder - Schwimmhalle - Duschräume - Umkleideräume Hörsäle, Vortragsräume Kantinen Kinos, Theater Krankenhäuser - Krankenzimmer - OP-Saal Küchen (gewerblich) Läden, Verkaufsräume Museen Schulen (Klassenzimmer) Sporthallen Wohnräume

Luftwechsel [1 / h] 4–8 > 30 6 – 12 4–8 3–6 10 – 15 8 – 10 6–8 6–8 4–8 3–5 5 – 20 15 – 30 4–8 4–6 4–5 2–3 0,5 B 4.87

Technik

B 4.83 B 4.84 B 4.85 B 4.86

B 4.87 B 4.88 B 4.89 B 4.90

Funktionsweise eines dezentralen Unterflur-Fassadenlüftungsgeräts mit Wärmerückgewinnung Beispiel für eine kombinierte Kühlleistung aus Bauteilaktivierung und Lüftung Möglichkeiten für die energetische Optimierung von maschinellen Lüftungsanlagen personen- und flächenbezogener MindestAußenluftstrom nach DIN 1946-2 (heute DIN EN 13779) empfohlener Luftwechsel für unterschiedliche Nutzungen Möglichkeiten der kontrollierten Wohnraumlüftung für Mehrfamiliengebäude kontrollierte Be- und Entlüftung für Wohngebäude überschlägige Ermittlung des Platzbedarfs von Lüftungszentralen sowie Bemessung von Rohrquerschnitten nach VDI 3803

Zuluft

Abluft

Zuluft

Außenluft Fortluft Luft/ LuftWärmetauscher EK

Erdkanal

EK

Lüftungsgerät mit WRG EK: Erdkanal

Aussenluft / Zuluft Abluft / Fortluft

B 4.88

verbunden sind. Die kühle Oberfläche steht im Strahlungsaustausch mit dem Raum und ermöglicht eine Wärmeabfuhr ohne Luftbewegung. Kühlsegel werden in der Regel im Deckenbereich angebracht und können in abgehängte Deckensysteme integriert werden. Auch Konvektoren können für die Raumkühlung eingesetzt werden. Bei Anbringung in Bodennähe (z. B. Unterflurkonvektoren) ist ein Gebläse erforderlich, um die im Konvektor abgekühlte Luft in den Raum einzubringen. Dies kann sowohl im Umluftbetrieb als auch mit Außenluftanschluss erfolgen (Abb. B 4.83). Die Fußbodenheizung kann im Sommer auch für die Wärmeabfuhr genutzt werden. Sie hat dann prinzipiell den gleichen Effekt wie Kühlsegel, wobei die Leistungsfähigkeit deutlich geringer ist. Zudem ist eine Abkühlung des Bodens für die Behaglichkeit ungünstiger als im Deckenbereich. Die Bauteilaktivierung hat sich in den letzten Jahren vor allem bei Büro- und Verwaltungsgebäuden als Standard etabliert. Duch die Einbringung von Rohrschlangen in Massivbauteile (meist Betondecken) wird eine sehr hohe Speichermasse für die Raumkonditionierung aktiviert (siehe S. 127). Die Kühlleistung ist allerdings begrenzt (< 50 W / m2), zudem ist dieses System aufgrund der großen Speichermasse sehr träge. Bei optimierter Planung der Gebäudehülle und niedrigen internen Lasten kann eine alleinige Kühlung über Bauteilaktivierung jedoch in Verbindung mit Nachtluftspülung

ausreichend sein. Zudem kann das System bei hohen Lasten z. B. mit lokalen Kühlsegeln oder einer Zuluftkühlung ergänzt werden (Abb. B 4.84).

Maschinelle Lüftung Lüftungsanlagen werden geplant, um eine optimale Luftqualität in Gebäuden mit möglichst geringem technischen und energetischen Aufwand sicherzustellen. Wo möglich, sollte in Abstimmung mit den Bedürfnissen des Nutzers eine natürliche Lüftung erfolgen können (siehe Gebäudehülle, S. 99). Die Gründe für eine raumlufttechnische Anlage (RLT-Anlage) sind vielfältig und reichen von gesetzlichen Anforderungen über Komfortansprüche bis zu energetisch motivierten Systemen zur Wärmerückgewinnung. Hinsichtlich einer energetischen Optimierung von maschinellen Lüftungsanlagen gibt es mehrere Ansatzpunkte (Abb. B 4.85): • • • • •

Luftbehandlung reduzieren Luftmengen minimieren Luftführung optimieren Luftantrieb optimieren Wärme bzw. Kälte rückgewinnen

Anforderungen und Dimensionierung

Prinzipiell gibt es vier Arten der technischen Luftbehandlung: Erwärmen, Kühlen, Befeuchten und Entfeuchten. Nur wenn vier Behand-

Volumen strom [m2]

Raumhöhe [m2]

Zuluft- und Abluftanlage 1 H HK HKB 2 [m3 / h] [m] [m2]

Abluft O3 [m2]

Ermittlung des Kanalquerschnitts

10 000 25 000 50 000 75 000 100 000 150 000

3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 6,30

30 35–40 50–60 65–80 80–100 110–140

20 25 35–40 40–55 50–70 70–100

A=

50–60 65–80 90–110 120–145 150–180 210–250

65–75 85–100 120–140 155–180 190–220 260–300

B 4.89

lungsarten vorkommen, spricht man von einer Klimaanlage. Da jede Aufbereitung von Luft mit Energiebedarf verbunden ist, muss im Sinne der Bedarfsoptimierung in erster Linie das Anforderungsniveau mit dem Nutzer unter Aufzeigen der entsprechenden Konsequenzen kritisch diskutiert werden. Eine Erwärmung der Zuluft ist in den meisten Fällen sinnvoll, bei entsprechenden Vorgaben auch eine Kühlung. Energetisch bedeutend ist insbesondere die Feuchtigkeitsregulierung, da diese in konventionellen Systemen durch elektrische Verdampfung bzw. elektrische Kühlung unter den Taupunkt zu einem erheblichen Stromverbrauch führt. Eine eingeschränkte Befeuchtung der Zuluft ist zudem mit geringem Energieaufwand über eine Feuchterückgewinnung möglich. Wird daher auf die strikte Einhaltung festgesetzter Grenzwerte für die Luftfeuchtigkeit verzichtet – und dies ist in vielen Fällen möglich (und auch aus hygienischer Sicht von Vorteil) –, sind erhebliche Einsparpotenziale nutzbar. Die zentrale Fragestellung ist hier vor allem die Art der Wärme- bzw. Kältebereitstellung. Das Ziel ist, die nicht vermeidbaren Energiedienstleistungen möglichst vollständig über regenerative Energiequellen bereitzustellen. Luftvolumenstrom Zur Ermittlung des erforderlichen Volumenstroms gibt es nach DIN EN 13779 verschiedene Methoden. Die Sicherstellung guter Raumluftqualität kann über Kennwerte für den max. Luftgeschwindigkeit am Zuluftgitter Lage der Luftauslässe

Vh w · 3600

A = Kanalquerschnitt [m2 =10 000 cm2] w = Luftgeschwindigkeit im Kanal [m / s] Vh = Luftvolumenstrom (Luftmenge) [m3 / h]

Luftgeschwindigkeit v [m / s] 4

in Bodennähe in Kopfhöhe

0,2 – 0,3 ≤ 0,15

Deckenluftauslässe Raumhöhe = 3,0 m Raumhöhe = 3,5 m Raumhöhe = 4,0 m

≤ 2,0 ≤ 2,5 ≤ 3,0

Luftgeschwindigkeiten in Kanälen 1

2 3 4

Die höheren Werte für den Flächenbedarf gelten, wenn nur ein Gerät im Raum steht; bei mehreren Geräten in einem gemeinsamen Raum gelten die niedrigeren Werte. H =Heizen; K = Kühlen; B =Befeuchten O = ohne thermodynamische Luftbehandlung verwendete Bezeichnungen für die Luftgeschwindigkeiten: im Raum: v [m / s], im Kanal: w [m / s]

b

d2 · π

d

A=

h

A=b·h

4

Niederdruckanlagen

Luftgeschwindigkeit w [m / s] 4 Komfortanlagen Industrieanlagen

Außenluft Hauptkanäle Abzweigkanäle Abluft- / Umluftgitter

2– 3 4– 8 3– 5 2–3

4–6 8 –12 5–8 3–4 B 4.90

133

Technik

Wind

Außenluftvolumenstrom erfolgen (Abb. B 4.86). Die stündlich auszutauschende Luftmenge bezieht sich auf die Anzahl der Personen bzw. auf die Nutzfläche. Alternativ kann ein auf das Raumvolumen bezogener stündlicher Luftwechsel angegeben werden (Abb. B 4.87). Es handelt sich hierbei nicht um Vorgaben, sondern um Erfahrungswerte, die sich als sinnvoll erwiesen haben. Ein weiteres Kriterium zur Bestimmung des Volumenstroms ist die empfundene Luftqualität in decipol bzw. die Schadstoffkonzentration der Raumluft (AGW-Werte). Durch eine gezielte Planung der Innenflächen und Ausstattungsgegenstände kann der erforderliche Luftvolumenstrom reduziert werden. Ebenso ist der CO2-Gehalt der Raumluft ein wichtiger Kennwert für den Luftvolumenstrom. Insbesondere bei flexibler Nutzung mit hoher Personendichte (z. B. bei Schulräumen) kann eine CO2-abhängige Lüftungsregelung sinnvoll sein. Mit zunehmender Leistungsfähigkeit der Lüftungsanlage steigt auch der Platzbedarf. Eine überschlägige Dimensionierung der aus dem Luftvolumenstrom resultierenden Kanalquerschnitte und der Platzbedarf für die Lüftungszentrale lässt sich über Kennwerte abschätzen (Abb. B 4.90).

Unterdruck

Windlüftung

B 4.91

thermischer Auftrieb

Solarkamin

B 4.92

134

Konditionierung Eine RLT-Anlage kann neben dem Luftaustausch auch zur Einhaltung von Grenzwerten bezüglich Temperatur und Feuchtigkeit eingesetzt werden. Die daraus abgeleitete Dimensionierung ergibt sich über die zu erbringende Heiz- bzw. Kühlleistung. Unter Berücksichtigung der spezifischen Wärmespeicherkapazität von Luft wird aus den thermischen Anforderungen der benötigte Luftvolumenstrom ermittelt. Dies kann je nach Anforderung zu einem sehr hohen Luftvolumenstrom führen, was sich in der Größe der Anlagentechnik und dem entsprechenden Energieverbrauch niederschlägt. Daher sollte eine Minimierung des Luftvolumenstroms auf das hygienisch erforderliche Maß angestrebt werden. Hiermit nicht abzudeckende Heizund Kühllasten sind dann über ergänzende Systeme zu leisten (z. B. Heizkörper, Kühlsegel etc.).

Luftführung und Antrieb

Ein wesentliches Merkmal maschineller Lüftung ist die vorgegebene Luftführung, die in geeigneten Kanälen erfolgt. Prinzipiell muss durch das System ein festgelegter Luftwechsel sichergestellt werden, was auf verschiedene Arten mit unterschiedlichem technischen und baulichem Aufwand geschehen kann. Im einfachsten Fall wird eine reine Abluftanlage installiert, bei der über den entstehenden Unterdruck im Gebäude durch Nachströmöffnungen in der Fassade der Luftwechsel sichergestellt ist (z. B. Badentlüftung). Durch sinnvoll geplante Nachströmöffnungen in der Fassade kann bei Abluftanlagen eine gute Luftverteilung gewährleistet werden, eine Vortemperierung der Zuluft z. B. durch Erdkanal ist jedoch nicht möglich. Umgekehrt ist auch eine reine Zuluftanlage denkbar, bei der der Luftaustausch durch einen Überdruck erzeugt wird, wie etwa bei der PKW-Lüftung. Bei Konzepten mit maschineller Zuluftführung ist der Einbau von Filtern möglich, was zu einer verbesserten Luftqualität führt, aber eine regelmäßige Wartung und Filterreinigung bzw. einen Filterwechsel erfordert. In den meisten Fällen wird eine kontrollierte Zu- und Abluftanlage installiert. In Wohngebäuden wird bei diesen Systemen die Zuluft nur in die Aufenthaltsräume (Wohnen, Schlafen, Arbeiten etc.) eingebracht (Abb. B 4.89). Die Luft strömt über Tür- oder Wandöffnungen in die Sanitär- und Küchenbereiche, wo die Abluft entzogen wird. Lüftungsgeräte für Wohnungen oder kleine Einfamilienhäuser können in Wandschrankelementen oder unter einer abgehängten Decke im Flurbereich untergebracht werden. In Mehrfamiliengebäuden lassen sich unterschiedliche Konzepte bezüglich Anzahl und Lage der Lüftungsgeräte realisieren (Abb. B 4.88). Bei Nichtwohngebäuden gibt es zahlreiche Möglichkeiten zur Luftführung, die sich über ein breites Spektrum von zentralen Einzelanlagen bis hin zu dezentralen Fassadensystemen erstrecken (Abb. B 4.93). Für die Entscheidungsfindung spielen neben den Nutzungsanforderungen auch konzeptionelle Rahmenbedingungen wie Gebäudetiefe, Atrium oder Doppelfassade eine große Rolle (siehe Gebäude-

Mischlüftung tangential

Mischlüftung radial

Quelllüftung

Fassadenlüftung mit zentraler Abluft

Fassadenlüftung mit dezentraler Abluft

Verdrängungslüftung

B 4.93

Technik

Energieeinsparung 1

Hilfsenergie Lüftung

1

9

10

11

12 3

Lüftung

8

2

4

Lüftung 5 7

Transmission

Transmission

Fensterlüftung

maschinelle Lüftung mit WRG

6

1 Lüfter 2 Luftkondensator 3 Verdampfer 4 Kompressor 5 Zusatzheizung 6 Wasserkondensator 7 Spirale (Wärmetauscher) 8 Fortluft 9 Abluft 10 Außenluft 11 Zuluft 12 Luftwärmetauscher

B 4.94

B 4.95

B 4.96

hülle, S. 101). Ein dezentrales Lüftungskonzept über die Fassade minimiert z. B. den Aufwand für die Luftführung. Ein dadurch möglicher Verzicht auf vertikale Luftschächte kann vor allem bei hohen Gebäuden zu einer deutlich erhöhten Flächeneffizienz führen. Werden horizontale Luftkanäle vermieden, sind u. U. bei gleicher Gebäudehöhe zusätzliche Geschosse möglich. Ungünstig wirkt sich hingegen eine hohe Anzahl an Einzelgeräten und der damit verbundene Wartungsaufwand aus. Ebenso kann bei dezentralen Systemen kein Erdwärmetauscher eingebunden werden. Die Anordnung der Außenluftansaugung erfordert eine sorgfältige Planung. Sie sollte in Bereichen mit dauerhaft guter Luftqualität erfolgen und zur Minimierung solarer Kühllasten im Sommer verschattet sein. Ebenso ist beim Fortluftauslass zu beachten, dass Geräusch- und Geruchsbelästigungen vermieden werden und ein strömungstechnischer Kurzschluss zur Luftansaugung unterbunden wird.

Bei hohen Gebäuden kann die natürliche Windbewegung für die Gebäudelüftung genutzt werden. Erforderlich ist ein geeigneter Baukörper oder die Ausformung von Elementen, die einen Unterdruck durch Windsog erzeugen. Hierfür haben sich verschiedene Prinzipien bewährt, z. B. Windtürme oder Venturiflügel (Abb. B 4.91). Die Nutzung des thermischen Auftriebs ist eine historisch betrachtet sehr alte Methode, um eine Luftbewegung umzusetzen. Durch Druckunterschiede von kalter und warmer Luft kommt es zu einer Ausgleichsströmung, die gezielt für die Gebäudelüftung genutzt werden kann. Der Effekt verstärkt sich mit zunehmendem Temperaturgefälle und Höhe. Für eine effektive Nutzung des thermischen Auftriebs eignen sich hohe Räume, wie z. B. Atrien oder Doppelfassaden, in denen im oberen Bereich hohe Lufttemperaturen entstehen können. Die Einbindung in ein Luftkanalsystem erfordert einen hohen, konstanten Unterdruck, der z. B. mit Solarkaminen erreicht wird (Abb. B 4.92). Die Integration von Speichermassen ermöglicht auch eine zeitliche Phasenverschiebung von Solarstrahlung zu thermischem Auftrieb und damit eine verlängerte Nutzungsdauer. Um eine konstante und voll steuerbare Luftbewegung sicherzustellen, werden im Allgemeinen elektrisch betriebene Ventilatoren verwendet. Hier sind mehrere Arten einsetzbar, die sich hinsichtlich der Effizienz zum Teil

deutlich unterscheiden: Radial- bzw. Tangential-, Axial- und Querstromventilatoren. Am gebräuchlichsten ist der Radialventialtor, der mit hoher Effizienz eine hohe Leistungsfähigkeit und vielfältige Anschlussmöglichkeiten bietet. Einen großen Einfluss auf die erforderliche Ventilatorleistung haben die strömungstechnischen Eigenschaften des Kanalsystems. Große, möglichst runde Querschnitte, glatte Oberflächen und wenige Richtungsänderungen lassen einen geringen Strömungswiderstand zu. Der Energiebedarf für die Ventilation kann einen erheblichen Faktor in der Gesamtbilanz darstellen, da die Volllaststunden einer Lüftungsanlage hohe Werte erzielen. Die Verwendung effizienter Motoren, Bypassschaltungen und eine bedarfsgerechte Steuerung sind daher wichtige Optimierungsparameter.

Lüftungsantrieb Zur Induzierung eines Luftstroms können verschiedene Antriebsarten eingesetzt werden, die sich bezüglich Energiebedarf und architektonischer Konsequenzen erheblich unterscheiden: • Wind • thermischer Auftrieb • Ventilation Bezeichnung

Kreuzstromwärmetauscher

Gegenstromwärmetauscher

Kreisverbundwärmetauscher

Rotationswärmetauscher mit und ohne hygroskopische Speichermasse

Wärme-, Kälte- und Feuchterückgewinnung

In der Energiebilanz von Gebäuden stellen Lüftungswärmeverluste meist einen bedeutenden Posten dar. Bei Fensterlüftung oder Abluftanlagen gehen in der Heizperiode über die Fortluft hohe Wärmepotenziale verloren; bei hoch gedämmten Gebäuden stellen sie in der Regel den überwiegenden Anteil der Verluste dar (Abb. B 4.94). Daher bedingt eine energieeffiziente Lüftung eine kontrollierte Zu- und Abluftanlage mit integriertem Wärmetauscher (Abb. B 4.96). Mit Wirkungsgraden bis über 90 % können die Lüftungswärmeverluste fast vollständig vermieden werden. In

B 4.91

Aufbau B 4.92

B 4.93 B 4.94 B 4.95 Wärmerückgewinnung

bis 60 %

bis 90 %

bis 50 %

bis 80 %

Feuchterückgewinnung

kein Feuchteaustausch

kein Feuchteaustausch

kein Feuchteaustausch

bis 70 %

B 4.96 B 4.97

Nutzung von Windenergie für die Gebäudelüftung, Bürogebäude, Hertfordshire (GB) 1996, Feilden Clegg Architects fassadenintegrierte Solarkamine für die Gebäudelüftung, Oeste de San Fermin, Madrid (E) 2003, Mario Muelas Jimenez y Agustin Mateo Ortega maschinelle Lüftungsarten für Büroräume Einsparpotenzial durch Wärmerückgewinnung bei Wohngebäuden Kompaktlüftungsgerät für Wohngebäude mit Wärmerückgewinnung, integrierter Luftwärmepumpe und Trinkwasserspeicher Zu- und Abluftgerät mit Kreuzstromwärmetauscher Prinzipien der Wärmerückgewinnung bei Lüftungsanlagen

B 4.97

135

Technik

Größe Formelzeichen

Gebäudegeometrie

Bezeichnung Zusammenhang

Lichtstrom Φ Lichtausbeute η=Φ/P

Tageslichtquotient

installierte Leistung

Betriebszeit / Anwesenheit Beleuchtungsenergie

Kontrollstrategie

Tageslichtangebot

Einheit Abkürzung

Lichtleistung

Lumen lm

Lichtstrom elektrische Leistung

Lumen / Watt lm / W

Lichtmenge Q=Φ·t

Lichtstrom · Zeit

Lumenstunde lm · h

Lichtstärke l = Φ /ω

Lichtstrom Raumwinkel

Wandreflexion

Lichtstrom (Φ) Leuchtdichte (L)

Candela cd

Beleuchtungsstärke E

Lichtstrom Größe der Fläche

Lux lx = lm / m2

Leuchtdichte L

Lichtstärke gesehene Fläche

Candela / m2 cd / m2

Reflexionsgrad

Deckenreflexion

Lichtreflexion

%

Lichtstärke (I)

Bodenreflexion

B 4.98

Nichtwohngebäuden ist bei hohen Luftwechselzahlen eine Wärmerückgewinnung besonders wichtig. Im Kühlfall übernimmt sie auch eine »Kälterückgewinnung« aus der Abluft. Zur technischen Umsetzung einer Wärmerückgewinnung gibt es verschiedene Möglichkeiten (Abb. B 4.97):

Raumnutzung, Tätigkeit Verkehrszonen und allgemeine Bereiche innerhalb von Gebäuden Verkehrflächen und Flure Kantinen, Teeküchen Sanitärräume Vorrats- und Lagerräume Büronutzung Ablegen und Kopieren, Verkehrszonen Schreiben, Lesen, Datenverarbeitung technisches Zeichnen Büroräume Lagerräume Büroräume, tageslichtorientiert Büroräume, standard Großraumbüros

Em [lx]

Das Ziel der Lichtplanung ist, durch eine konzeptionelle Optimierung des Gebäudes eine möglichst hohe Tageslichtautonomie zu erreichen (siehe Gebäudehülle, S. 102). Darüber hinaus muss eine Gebäudenutzung unabhängig vom Tageslichtangebot gewährleistet sein. In manchen Fällen ist eine Tageslichtnutzung gar nicht möglich oder nicht erwünscht. Hier besteht auf technischer Seite der Anspruch, eine funktionsadäquate künstliche Beleuchtung mit möglichst geringem Energieverbrauch umzusetzen (Abb. B 4.98). Für die Planung stehen zahlreiche Softwareprogramme zur Verfügung, mit denen die Tagesund Kunstlichtverhältnisse im Gebäude mit großer Genauigkeit simuliert werden können. Wichtig ist in diesem Zusammenhang auch die Berücksichtigung der Farbneutralität, der Blendfreiheit sowie guter Kontrastverhältnisse (siehe Grundlagen, S. 58). Zur energetischen Optimierung des Beleuchtungskonzepts sind im Wesentlichen drei Planungsebenen relevant: Beleuchtungstechnik und -konzept sowie Automatisierung der Beleuchtung. Raumnutzung, Tätigkeit

Em [lx]

Die menschliche Wahrnehmung erfolgt überwiegend auf visuellem Weg und wird ideal durch das Sonnenlicht unterstützt. Die Beleuchtungstechnik verfolgt daher das Ziel, diese Qualität so weit wie möglich nachzubilden, indem elektrische Energie in elektromagnetische Schwingungen umgewandelt wird, die beim Auftreffen auf die Materie über die Reflexion zum menschlichen Auge als Licht wahrnehmbar ist. Kennwerte Zur Beschreibung und Bewertung von Beleuchtungssystemen sind insbesondere folgende Kennwerte von Bedeutung (Abb. B 4.99): • Der Lichtstrom beschreibt die Effektivität einer Lichtquelle und gibt die gesamte, in alle Richtungen abstrahlende Lichtleistung an. Dieser Wert bildet die Basis für alle weiteren Kennwerte. • Die Lichtausbeute gibt das Verhältnis des Lichtstroms zur aufgewendeten elektrischen Leistung wieder und beschreibt somit die Effizienz der Lichtquelle. • Die Lichtmenge stellt den über einen definierten Zeitraum abgegebenen Lichtstrom dar. • Die Beleuchtungsstärke gibt den auf eine definierte Fläche (z. B. Schreibtischplatte) auftreffenden Lichtstrom an. • Die Lichtstärke ist der anteilige, winkelabhängige Lichtstrom bezogen auf eine definierte Glühbirne

300

NV-Halogen

100 200 500 100

öffentliche Bereiche Park- / Abstellflächen Eingangshallen Küchen Konferenzräume

75 100 500 500

HV-Halogen

300 500 750

Ausbildungseinrichtungen Spielzimmer, Krippenräume Unterrichtsräume in Grund- und weiterführenden Schulen Hörsäle, Unterrichtsräume für Abendklassen und Erwachsenenbildung Bibliotheken: Bücherregale Bibliotheken: Lesebereiche

300 300 500 200 500

B 4.100

136

Beleuchtungstechnik

Verkaufsräume Verkaufsbereich

50 – 200 300 500 750 – 1000

horizontale Beleuchtungsstärke B 4.99

chermasse, die sich abwechselnd in den Zuluft- und Fortluftkanal dreht. Bei Verwendung hygroskopischer Materialien ist bei diesem System auch eine Feuchterückgewinnung möglich.

Kunstlicht optimieren • Beim Kreuzstromwärmetauscher werden Zu- und Fortluft durch ein spezielles Kanalsystem mit großer Oberfläche aneinander vorbeigeführt. Dadurch kommt es zu einem Wärmefluss von der kalten zur warmen Luftströmung, ohne dass diese sich vermischen. • Im Wirkungsgrad etwas höher ist der Gegenstromwärmetauscher, da über größere Berührungsflächen ein längerer Wärmeaustausch zustande kommt. • Lässt sich eine Zusammenführung von Zuund Fortluft nicht realisieren, kann das Wärmepotenzial der Abluft auch indirekt über einen Kreisverbundwärmetauscher oder eine Abluftwärmepumpe zurückgewonnen werden. Alternativ kann der Wärmetransport mittels eines zusätzlichen Solekreislaufs über große Distanzen erfolgen. Der Wirkungsgrad ist jedoch aufgrund der doppelten Wärmetauscher (Luft / Sole bzw. Sole / Luft) deutlich geringer als bei einer direkten Wärmerückgewinnung. • Beim Rotationswärmetauscher erfolgt der Wärmetransport über eine rotierende Spei-

vertikale Beleuchtungsstärke

Leuchtstofflampen 26 mm Leuchtstofflampen 16 mm Kompakt-LL (Stecksockel) Kompakt-LL (Energiesparlampe) LED (weiß) 0 20 40 60 80 100 120

0 10 20 30 40 50 60

Lichtausbeute [lm / W]

Lebensdauer [1000 h]

B 4.101

Technik

Strahlungsrichtung. Er hängt daher vom Aufbau der Lichtquelle und ggf. von beeinflussenden Schichten (z. B. Lichtlenkung etc.) ab. Zur Beurteilung kann die Leuchtstärkenverteilung einer Lichtquelle, grafisch auf eine Fläche projiziert, herangezogen werden. • Die Leuchtdichte beschreibt als Kennwert den Helligkeitseindruck des Betrachters von einer Lichtquelle bzw. beleuchteten Fläche. Er wird ermittelt als flächenbezogener Quotient der Lichtstärke. Lampen Künstliche Lichtquellen werden als Lampen (auch Leuchtmittel) bezeichnet. Die Wahl der Leuchtmittel hat einen entscheidenden Einfluss auf den Strombedarf. Die Effizienz (Lichtausbeute) in Lumen pro Watt Anschlussleistung unterscheidet sich zum Teil erheblich (Abb. B 4.101). Hinzu kommt, dass eine geringe Lichtausbeute zugleich eine große Wärmeentwicklung mit entsprechendem Einfluss auf die internen Wärmelasten eines Gebäudes zur Folge hat. Des Weiteren ist für eine ökologische und ökonomische Bewertung die technische Nutzungsdauer von Bedeutung. Leuchten Als Leuchten werden Systeme bezeichnet, die zur Aufnahme von Lampen konzipiert sind. Neben ihrer Funktion als elektrische Schnittstelle beeinflussen Leuchten zum Teil erheblich die lichttechnischen Eigenschaften der Lampe. Für komplette Leuchtsysteme gibt es bislang keine genormten Energieeffizienzklassen. Zur Bewertung dient der Leuchteneffizienzfaktor. Er gibt analog zur Lichtausbeute bei Leuchten an, welchen Lichtstrom (in Lumen) das Gesamtsystem pro Watt elektrischer Leistung ab gibt. Alternativ kann der Leuchtenbetriebswirkungsgrad zur Bewertung herangezogen werden, der ein Indiz für die energetische Qualität einer Leuchte ist und Lampe, Elektronik, Fassung, Reflektoren sowie Gehäudeeigenschaften umfasst. Die Aussagekraft ist jedoch dahingehend eingeschränkt, dass die Richtung der Lichtstrahlung nicht berücksichtigt wird. Eine Lampe mit hohem Leuchtenbetriebswirkungsgrad kann z. B. bei rein indirekter Beleuchtung energetisch ineffizient sein. Um dies zu bewerten, sollte der Quotient der installierten Leistung mit der Beleuchtungsstärke verglichen werden.

lierte Lichtleistung einen hohen Einfluss auf den Energiebedarf. Eine Minimierung auf das zwingend erforderliche Maß verringert nicht nur den Energieverbrauch, sondern auch die Baukosten. Hierbei ist zu differenzieren zwischen: • Flächenbeleuchtung für eine homogene Ausleuchtung von Nutzungsbereichen ohne besondere Anforderung (z. B. Erschließungsbereiche, Grundbeleuchtung für variabel genutzte Flächen) • Zonenbeleuchtung bei spezifischer Raumnutzung mit definierten Anforderungen (z. B. Arbeitsplätze) • Akzentbeleuchtung, die oftmals keine lichttechnisch notwendige Lichtleistung erbringt, sondern zur Beeinflussung der Raumstimmung oder zur Betonung von Einzelbereichen eingesetzt wird. Direkte und indirekte Beleuchtung Bei der Beleuchtungsart wird zwischen direkter und indirekter Beleuchtung sowie einer Kombination aus beiden unterschieden. Die indirekten Beleuchtung hat eine positive räumliche Wirkung und wird häufig als angenehm empfunden, da eine Lichtsituation mit geringem Schattenwurf und Blendung entsteht. Dabei ist, um die gewünschte Beleuchtungsstärke zu erreichen, jedoch eine deutlich größere installierte Lichtleistung erforderlich als bei direkter Beleuchtung, was zu einem entsprechend höheren Energieverbrauch führt. An Arbeitsplätzen kann daher eine Aufteilung in indirekte Raumbeleuchtung und dezentrale direkte Arbeitsplatzbeleuchtung sinnvoll sein (Abb. B 4.104). Dadurch wird zudem eine spannungsvolle Lichtsituation geschaffen und die mit gleichförmiger Ausleuchtung verbundenen Ermüdungserscheinungen reduziert. Raumoberflächen Eine Gestaltung der Innenräume mit hellen und / oder reflektierenden Oberflächen unterstützt die Beleuchtungssituation der Innenräume. Der Anteil an Reflexion bzw. der Verlust an Leuchtdichte durch Absorption der Oberflächen variiert sehr stark in Abhängigkeit von Material und Farbe. Durch entsprechende Planung kann die erforderliche Beleuchtungsstärke mit geringerer installierter Lichtleistung erreicht werden, was insbesondere bei einem hohen Anteil an indirektem Licht von Bedeutung ist.

B 4.98 B 4.99 B 4.100 B 4.101 B 4.102

B 4.103

B 4.104

Einflussgrößen auf den Energiebedarf für Kunstlicht Kennwerte der Beleuchtungstechnik empfohlene Beleuchtungsstärken für unterschiedliche Nutzungen nach DIN EN 12 464-1 Lichtausbeute und Lebensdauer verschiedener Lampen im Vergleich Schema zur überschlägigen Ermittlung der Volllaststunden für die Beleuchtung von Bürogebäuden beispielhafte Messergebnisse zum Einfluss der Automatisierung der Beleuchtung auf den Energieverbrauch Bürosituation mit indirekter Raumausleuchtung und direkter Lichtquelle für den Arbeitsplatz, Bürogebäude, Stockholm (S) 1998, Jakob Zeilon Architekten

Nutzungsstunden pro Tag [h]

Fenster- zu Bodenfläche [%] 0

10

20

30

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

0

manuelle Steuerung Tageslichtregelung

4

8 12 16 20 24 Volllaststunden pro Tag [h]

mit Präsenzmelder: -20 % Arbeitstage pro Jahr: 200

750 h/a

B 4.102 Wandschalter (Referenz)

Wandschalter mit abschaltenden Anwesenheitssensoren ein/aus Anwesenheitssensor Wandschalter mit tageslichtabhängiger Dimmung Wandschalter mit tageslichtabhängiger Dimmung und Anwesenheitssensor 0

25

50

75

100

125

jährlicher Beleuchtungsenergiebedarf [%]

B 4.103

Beleuchtungskonzept

Die Beleuchtung von Gebäuden hat einen großen Einfluss auf die Behaglichkeit in Räumen (Abb. B 4.100). Insbesondere bei Arbeitsplätzen wirkt sich ein gutes Beleuchtungsniveau positv auf die Sehschärfe und die Leistungsfähigkeit aus. Ein wichtiger Kennwert für den Energiebedarf der künstlichen Beleuchtung ist die installierte Lichtleistung im Bezug zur Nutzfläche (in W / m2). Hier gibt es in der Praxis deutliche Unterschiede. Durch die meist hohen Volllaststunden hat die instal-

Nutzungsspezifische Beleuchtung Ein differenziertes Kunstlichtangebot mit Bereichen unterschiedlicher Beleuchtungsstärke wird vielfach als nutzungsadäquat und in seiner Wirkung als weniger ermüdend empfunden. Eine nutzungsspezifische Lichtplanung ermöglicht zudem eine Minimierung der zu installierenden Lichtleistung und beeinflusst damit den Energieverbrauch. Die hohe Spezifikation sollte dabei aber mit den Anforderungen zur Nutzungsflexibilität abgestimmt werden. B 4.104

137

Technik

Automatisierung der Beleuchtung

Primärenergiebedarf [kWh/m2a]

B 4.105 B 4.105 Farbbeispiele für polykristalline Solarzellen B 4.106 Primärenergiebedarf von Wohn- und Bürogebäuden B 4.107 Schema Stromerzeugung a zentral b dezentral B 4.108 Funktionsweise einer kristallinen Solarzelle B 4.109 Aufbau und mögliche Schichtenfolge von Photovoltaikmodulen B 4.110 marktgängige Solarzellen und Kenndaten

300 250 200 150 100 50 0

Standard optimiert Wohngebäude Strom, Geräte

Standard optimiert Bürogebäude Strom, TGA

Wärme

B 4.106

b B 4.107

–

Vorderseitenkontakt P / NÜbergang

+ N-Zone

Rückseiten- P-Zone kontakt

B 4.108

138

Personenbezogene Automation Die Lichtsteuerung kann in Abhängigkeit von der Nutzerpräsenz geregelt werden, z. B. durch Bewegungsmelder. Insbesondere bei rein temporär genutzten Bereichen (z. B. Erschließungsflächen, Sanitärräume, Klassenräume) bietet diese Technologie erhebliche Einsparpotenziale. Helligkeitsbezogene Automation Alternativ oder ergänzend kann die Lichtsteuerung in Abhängigkeit von der Tageslichtsituation automatisiert werden. Die Lichtleistung kann hierbei sowohl absolut (An / Aus-Schaltung) als auch gleitend (Dimmung, Tageslichtergänzungsbeleuchtung) geregelt werden. Bei Arbeitsplätzen mit sehr hohem Tageslichtanteil und in Bereichen ohne Tageslicht ist die Wirkung stark eingeschränkt, bei solchen mit mittlerem Tageslichtangebot jedoch sehr hoch.

Strom erzeugen

Stromerzeugung Stromverbrauch

a

Das Ziel der Automation ist in erster Linie, den Komfort für den Nutzer zu erhöhen. Darüber hinaus lässt sie hohe Einsparpotenziale beim Stromverbrauch für die Beleuchtung durch eine Reduktion der Volllaststunden zu (Abb. B. 4.102 und 103). Das Maß an Automation muss zwischen den beiden Zielgrößen Energieeinsparung und Nutzerzufriedenheit abgewogen werden. Eine optimierte Steuer- und Regelungstechnik reagiert sensibel auf die Bedürfnisse der Nutzer und verhindert den Eindruck eines Kontrollorgans. Sinnvoll ist die Differenzierung zwischen verstärkt öffentlich genutzten Flächen (z. B. Erschließung, Sanitärbereich etc.) und individueller Nutzung mit einem Anspruch auf manuelle Regelbarkeit (z. B. Einzel- oder Doppelbüros).

Strom ist physikalisch gesehen die hochwertigste Energieform, da er in alle anderen Energieformen (Kraft, Wärme etc.) umgewandelt werden kann. Seine vielfältige Anwendung macht ihn heute in nahezu allen Bereichen des Lebens unentbehrlich. Dies gilt in besonderem Maß für den Gebäudebetrieb (Abb. B 4.106). Sein rationeller Einsatz wird in Europa durch die Ermittlung der Gesamtenergieeffizienz eines Gebäudes überprüft – bislang bei Wohngebäuden als Hilfsenergie für die Wärmebereitstellung, bei Nichtwohngebäuden auch für Beleuchtung, Lüftung und Kühlung (siehe Strategien, S. 184). Die Stromerzeugung wird weltweit fast vollständig über zentrale Kraftwerke realisiert, die mit fossilen und atomaren Energiequellen betrieben werden. Die Verteilung erfolgt über entsprechende Netze mit unterschiedlichen Spannungsniveaus. Die Stromwirtschaft befindet sich vor allem in Europa in einem Wandel, der im Sinne einer nachhaltigen Energieerzeugung den Ausbau erneuerbarer Energien vorantreibt. Neben der Wasserkraft hat sich die Windener-

gie in den letzten Jahrzehnten zu einer weiteren Säule der Stromproduktion entwickelt, was insgesamt zu einem Strukturwandel in der Energiewirtschaft in Richtung auf eine zunehmend dezentrale Energieerzeugung führte. Eine auf erneuerbare Energien basierende Stromwirtschaft verfügt daher über eine Vielzahl von kleinen, unterschiedlichen Energieerzeugern. Das Stromnetz erhält über seine bisherige Verteilungsfunktion eine Managementaufgabe und koordiniert den Ausgleich zwischen Erzeugung und Verbrauch (Abb. B 4.107). In diesem Kontext spielt die Gebäudeplanung eine entscheidende Rolle: Neben der Minimierung des Strombedarfs ist bei jedem Gebäude zu prüfen, ob und in welchem Umfang durch das Gebäude selbst Strom erzeugt werden kann. Es wird dadurch vom reinen Verbraucher zu einem Energie produzierenden Element der Energiewirtschaft. Im Idealfall kann das Gebäude den gesamten Strombedarf dezentral erzeugen. Dabei steht nicht im Vordergrund, das Gebäude unabhängig vom Netz zu betreiben, sondern über das Jahr betrachtet eine ausgeglichene Energiebilanz zu ermöglichen (Abb. B 4.118). Für eine dezentrale Stromerzeugung in unmittelbarem Zusammenhang mit der Gebäudeplanung stehen mit der Photovoltaik und der Kraft-Wärme-Kopplung ausgereifte Systeme bereit. Daneben gibt es weitere, wichtige Technologien, die zwar bislang in Gebäude noch nicht integriert wurden, aber für die künftige Entwicklung über wertvolle Potenziale verfügen (siehe S. 144). Photovoltaik

Photovoltaik bezeichnet den Vorgang einer direkten Stromerzeugung aus Sonnenlicht. Der Begriff leitet sich von dem griechischen Wort phos, photos (dt.: Licht) und dem italienischen Physiker Alessandro Graf von Volta, dem Namensgeber für die Einheit der elektrischen Spannung, ab. Die Entdeckung des »photovoltaischen Effekts« reicht bis in das 19. Jahrhundert zu den Arbeiten des Physikers Alexandre Edmond Becquerel zurück. Dennoch wurden erst Mitte des 20. Jahrhunderts anwendungsreife Photovoltaiksysteme entwickelt, die zunächst für den Einsatz im Weltraum konzipiert waren. In den 1970er-Jahren wurden die ersten terrestrischen Pilotanlagen installiert. Im Mittelpunkt der Photovoltaikanwendung im Gebäudekontext steht die baukonstruktive und gestalterische Integration in die Gebäudehülle. Ziel der Entwicklung sind harmonische Gesamtkonzepte, bei denen der nach außen verlagerte Teil der Gebäudetechnik (Photovoltaikmodul) als Bauelement wichtige funktionale und ästhetische Funktionen übernimmt (siehe Gebäudehülle, S. 108). Funktionsprinzip Die photovoltaische Stromerzeugung basiert auf dem so genannten Photoeffekt. Darunter versteht man die Übertragung der Energie,

Technik

+

Solarglas PVB-Folie/Gießharz Zellenverbund PVB-Folie/Gießharz Rückseitenglas

Solarglas

Solarglas

Solarglas

Solarglas

Zellenverbund

Zellenverbund

Zellenverbund

Zellenverbund

rückseitiger Folienverbund

rückseitiges VSG

Glasscheibe / Folienverbund

Glasscheibe / Folienverbund

Luftzwischenraum

Luftzwischenraum

innere Isolierglasscheibe

–

innere Isolierglasscheibe VSG

von außen nach innen

B 4.109

die in Photonen des Sonnenlichts enthalten ist, auf in Materie gebundene Elektronen. Dabei entsteht in speziell präparierten Halbleitermaterialien ein Spannungspotenzial, das über einen Stromkreis genutzt werden kann. Die elektrische Leitfähigkeit eines Materials wird durch die Größe des Bandabstands zwischen Valenz- und Leitungsband definiert, der ein Kriterium dafür ist, welche äußere Energieeinwirkung für einen Elektronenfluss im Körper benötigt wird. Bei leitenden Materialien (z. B. Kupfer) ist entweder das Leitungsband nur teilweise besetzt (Elektronen können sich frei im Körper bewegen) oder Valenz- und Leitungsbänder überlappen sich. Beträgt der Bandabstand mehr als 5 eV (Elektronenvolt), ist der spezifische elektrische Widerstand so groß, dass man von Isolatoren spricht. Im Bereich dazwischen sind die Halbleitermaterialien für Solarzellen angesiedelt. Es handelt sich dabei also um potenzielle Leiter, die jedoch nur unter bestimmten Voraussetzungen die Fähigkeit zum Elektronenfluss entwickeln (Abb. B 4.108).

Solarzellen Solarzellen werden in verschiedene Kategorien eingeteilt und nach ihrer Struktur sowie den verwendeten Basismaterialien bezeichnet (Abb. B 4.110). Ein für Solarzellen geeignetes Material ist Silizium (Si), aus dem die meisten heute verwendeten Zellen bestehen. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen kristallinen Zellen, wie sie bereits seit den 1950erJahren hergestellt werden, und neueren Dünnschichtzellen. Die klassische Herstellung monokristalliner Zellen erfolgt im Ziehverfahren über eine Siliziumsäule, die in dünne kreisrunde Flächen aufgeschnitten wird. Um die Zellen effektiver auf einer Fläche zu verlegen, werden sie meist besäumt und auf eine quadratische Form zugeschnitten. Andere Herstellungsmethoden, bei denen das Silizium in Blöcken gegossen wird, erzeugen direkt quadratische Formate. Da hier bei der Auskühlung viele Einzelkristalle entstehen, nennt man die Zellen poly- oder multikristallin. Die Größe kristalliner Zellen ist von der Dicke abhängig. Bei Minimierung der Zelldicke haben sich Maße zwischen

10 ≈ 10 cm und 15 ≈ 15 cm bewährt. Durch Veränderungen in der Antireflexbeschichtung sind bei kristallinen Solarzellen neben der ertragsoptimierten blauen und schwarzen Farbgebung weitere Farbtöne realisierbar (Abb. B 4.105). Mit Solarzellen aus amorphem Silizium wurde in den 1970er-Jahren die Dünnschichttechnologie entwickelt. Hier wird das Material direkt auf eine Trägerschicht aus Glas, Metall oder Kunststoff aufgetragen, wodurch erhebliche Material- und Energieeinsparungen bei der Herstellung möglich sind. In jüngster Zeit werden weitere Halbleiterverbindungen – wie z. B. Cadmium-Tellurid (CdTe) oder Kupfer-IndiumSelen (CIS) – verwendet. Größe und Form der Zellen können in der Dünnschichttechnologie abhängig von den Maßen des Trägermaterials und den gewünschten elektrischen Eigenschaften frei gewählt werden; es besteht hier eine große Gestaltungsfreiheit. Kristalline Solarzellen werden aufgrund der vorhandenen Fertigungskapazitäten weiterhin eine dominierende Rolle spielen, wobei die Dünnschichttechnolo-

Solarzellen

Dünnschicht-Solarzellen

kristalline Solarzellen

monokristallines Silizium

polykristallines Silizium

amorphes Silizium

Kupfer-Indium-Selen (CIS)

Cadmium-Tellurid (CdTe)

15 –17 %

13 –15 %

6 –10 %

8 –12 %

8–10 %

Marktanteil ca. 30 %

ca. 60 %

ca. 10 %

1 000 000

ca. 1 000 000

ca. 1 000 000

≤ 1000

k. A.

k. A.

k. A.

Effizienz

[%]

> 95

ca. 90

85 – 90

70 – 85

ca. 81

ca. 72

27

Stand-by-Verluste

[%]

0,1 – 0,2 / h

Kühlleistung

3 – 20 / h

< 0,01 / h

< 0,01 / h

< 0,01 / h

k. A. B 4.134

realisiert und soll in naher Zukunft auch kommerziell zur Stromerzeugung eingesetzt werden (siehe Grundlagen, S. 49, Abb. B 1.35). Das Konzept nutzt den Effekt des thermischen Auftriebs für den Antrieb einer Strom erzeugenden Turbine (Abb. B 4.130). Um ausreichende Strömungskräfte zu erhalten, ist ein abgestimmtes System an Erwärmungsfläche (Glasdach) und Kaminabzug (Röhrenturm) nötig. Windenergie Die enorme Entwicklung bei der Windenergienutzung zur Stromerzeugung hat inzwischen sehr ausgereifte Technologien in nahezu allen Leistungsklassen hervorgebracht. Insbesondere bei hohen Gebäuden und an Standorten mit guten Windverhältnissen kann eine Stromerzeugung durch Windgeneratoren über Gebäude oder Infrastruktureinrichtungen eine interessante Option sein. Realisiert wurde bislang ein maßstäblicher Versuchsaufbau eines Entwurfs an der Universität Stuttgart. Dabei hat sich gezeigt, dass durch eine optimierte Form des Gebäudes die Windgeschwindigkeit im Bereich der Konverter erheblich verstärkt werden kann. Wichtig ist in diesem Zusammenhang die Berücksichtigung möglicher Lärmentwicklung. Wasserkraft Die Wasserkraft hat seit Langem eine wichtige Bedeutung in der Stromerzeugung. In der Regel ist die Nutzung an besondere geologische Randbedingungen gebunden (Laufwasser, Wasserfall) oder erfordert großmaßstäbliche Eingriffe in die Landschaft (Speicherkraftwerke). Im kleinen Leistungsbereich ist an geeigneten Standorten jedoch auch eine Verknüpfung von Architektur bzw. baulicher Infrastruktur und der Nutzung von Wasser zur Stromerzeugung denkbar. Bislang sind Wasserkraftwerke rein technische, zweckorientiert geplante Bauwerke. Die Verbindung ohnehin erforderlicher baulicher Maßnahmen mit der Schaffung zusätzlicher Nutzungsangebote ermöglicht neue Perspektiven (Abb. B 4.133). Stromspeicher

In Ländern mit gut ausgebautem Stromnetz ist eine Speicherung der Elektrizität meist nicht

erforderlich. Es ist nicht das Ziel, Gebäude künftig vermehrt autark zu betreiben, sondern vielmehr den Netzverbund auszubauen, was eine erhöhte Flexibilität bei der Stromerzeugung und eine bessere Versorgungssicherheit ermöglicht. Dennoch kann es in bestimmten Fällen sinnvoll sein, Strom über einen längeren Zeitraum zu speichern – vor allem dann, wenn durch den Ausbau erneuerbarer Energie zur Stromerzeugung die zeiltlich variable Leistungsbereitstellung eine Pufferung erfordert. In Gebieten ohne Stromnetz ist eine Speicherung für eine dauerhafte Stromversorgung unumgänglich, besonders bei der Stromerzeugung aus Solarstrahlung oder Windenergie. Zur Stromspeicherung gibt es mehrere Möglichkeiten (Abb. B 4.134). In Kondensatoren kann Strom mit sehr hoher Effizienz direkt gespeichert werden. Die erzielbare Speicherdichte ist bei diesem System allerdings gering. Kondensatoren werden vor allem in elektronischen Bauteilen eingesetzt. Alternativ gibt es die Möglichkeit, Strom indirekt über eine Umwandlung in eine andere Energieform in größeren Energiemengen und über längere Zeiträume zu speichern.

stellen. Die Brennstoffzelle macht die gespeicherte elektrische Energie wieder nutzbar. Wasserstoff erfordert jedoch aufgrund seiner chemischen und physikalischen Eigenschaften (hochexplosiv in Verbindung mit Luft) einen sorgfältigen Umgang bei der Speicherung. Die Herausforderung besteht daher darin, künftig insbesondere geeignete Lagerungsmöglichkeiten von Wasserstoff sowie die Umsetzung eines ineinandergreifenden Gesamtkonzepts (Wasserstoffkreislauf) zu entwickeln.

Akkumulator Bei der auch als »Batterie« bekannten Speicherform wird eine chemische Umwandlung zur Speicherung genutzt. Akkumulatoren haben die weiteste Verbreitung und werden mit zahlreichen Stoffen betrieben. Während in der Elektroindustrie effiziente Materialien verwendet werden (z. B. Lithium-Ionen-Akku), sind im Bereich der netzfernen Gebäudeversorgung überwiegend Blei-Gel-Akkumulatoren verbreitet, die eine hohe Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit bieten. Die geringe Lebensdauer und die Entsorgungsaufwendungen sind aus ökologischer Sicht jedoch unbefriedigend.

Druckluftspeicher Alternativ kann Strom über Druckluftspeicher gelagert werden. Dazu wird die elektrische Energie genutzt, um in einem abgeschlossenen Volumen Luft zu komprimieren. Die dadurch entstehende Druckluft kann bei der Entspannung wiederum in Strom umgewandelt werden. Dieses Prinzip ist einfach zu realisieren, kostengünstig und wartungsarm. Da die bei der Kompression erzeugte Wärme in der Regel nicht genutzt werden kann, sind die Wirkungsgrade jedoch recht gering (ca. 50 %).

Wasserstoff Wasserstoff hat als Energieträger das Potenzial, eine zentrale Funktion in der Energiespeicherung zu übernehmen. Über das Elektrolyseverfahren lässt sich Wasserstoff aus Wasser durch Verwendung elektrischer Energie her-

Schwungradspeicher Eine weitere Möglichkeit der Stromspeicherung ist die Umwandlung in kinetische Energie. Hier bieten vor allem so genannte Schwungradspeicher eine interessante Option. Mit der elektrischen Energie wird eine magnetisch gelagerte Schwungmasse in Rotation versetzt. Durch eine extrem hohe Umdrehungszahl (> 50 000 Umdrehungen pro Minute) und eine nahezu reibungsfreie Lagerung kann die kinetische Energie über längere Zeiträume gespeichert werden. Über einen Dynamo wird durch Abbremsen der Schwungmasse die elektrische Energie wieder genutzt.

Anmerkungen: [1] Usemann, Klaus: Entwicklung von Heizung- und Lüftungstechnik zur Wissenschaft. München 1993 [2] Mener, Gerhard: Bemühungen um die Sonnenenergie in Frankreich und Deutschland 1860 – 1924. München 1997 [3] Zimmermann, Mark: Handbuch der passiven Kühlung. Stuttgart 2003 [4] BINE Projektinfo 2/2000: Raumluftkonditionierung mit Erdwärmetauschern

145

Material

B 5.1

B 5.1 B 5.2 B 5.3 B 5.4 B 5.5

146

Experimental House, Muuratsalo (FIN) 1954, Alvar Aalto Handzeichnung Le Corbusiers zum »Brise-Soleil« Prototyp »Dymaxion-Haus«, 1928, Richard Buckminster Fuller Glaspalast, London (GB) 1851, Joseph Paxton Aspekte der Materialwahl

Gebaute Welt ist materielle Welt. Sie bindet einen Großteil erneuerbarer wie nicht erneuerbarer Ressourcen, die der Erde zum Wohl desMenschen entnommen werden. Bei heute üblichen Bauweisen geht man davon aus, dass ein Kubikmeter umbauter Raum im Massivbau etwa 650 kg Material erfordert, ein Leichtbau immer noch ca. 450 kg. So verwundert es nicht, dass das Bauwesen weltweit den höchsten Ressourcenverbrauch aller Sektoren hat (siehe Die Dinge richtig tun – über Effizienz und Nachhaltigkeit, S. 27). Die Entscheidung für bestimmte Materialien ist von vielen Gesichtspunkten abhängig (Abb. B 5.5). Zum großen Teil tragen objektiv beschreibbare Aspekte, wie z. B. physikalische oder chemische Eigenschaften, Maße oder Kosten zur Entscheidungsfindung bei. Die Wahrnehmung von Material geschieht jedoch im Wesentlichen individuell und subjektiv. Material interagiert über seine Oberfläche mit dem Betrachter und wird jeweils auf ganz eigene Weise erfahren und bewertet (Abb. B 5.1). Hier steht der Mensch und sein Wohlbefinden im Mittelpunkt der Betrachtung (siehe Grundlagen, S. 55). Technisch-funktionale Leistungen bestimmen hingegen, ob der Materialeinsatz tatsächlich die gestellten Ansprüche sowie die Forderung nach einer sicheren und dauerhaften Nutzung erfüllt. Die notwendigen Eigenschaften eines Baustoffs ergeben sich etwa aus den Anforderungen an Brand-, Schall- oder Feuchteschutz als Teil der Bauphysik, bei tragenden Bauteilen aus der Statik. Oft kann ein Material allein nicht alle an ein Bauteil gestellten Anforderungen leisten; dann kommen mehrlagige Aufbauten zum Einsatz, deren einzelne Schichten jeweils besondere Funktionen übernehmen. Im Laufe der Lebensdauer können weitere, bei der Planung noch nicht absehbare Anforderungen hinzukommen. Zunehmend wird anerkannt, dass Materialentscheidungen gesundheitliche Rahmenbedingungen für die Nutzer definieren, erhebliche Auswirkungen auf den Energiebedarf und die Umwelt haben sowie eine Nachnutzung behindern oder unterstützen können. Bei vielen Nutzungen geht es darum, für den Lebenszyklus eines Gebäudes Varianten offenzuhalten und Optionen nicht unnötig

zu verbauen. Viele namhafte Architekten haben hierzu ihren eigenen Standpunkt entwickelt. Alvar Aalto, Carlo Scarpa oder Peter Zumthor, um nur einige zu nennen, prägen über den Umgang mit Material entscheidend ihre Architektur. Geschichtliche Entwicklung Historische, autochthone Bauweisen jenseits repräsentativer und kultureller Baumaßnahmen waren immer auf einen effizienten Umgang mit dem knappen Energie- und Ressourcenangebot angewiesen. Neben dem verantwortungsbewussten Umgang mit dem typischen, örtlich verfügbaren Materialangebot (z. B. Naturstein oder Holz) war zumeist Knappheit die Voraussetzung für den bewussten Umgang mit Material. Der entscheidende Umbruch ereignete sich mit der industriellen Revolution, Energie und Rohstoffe schienen nun unbegrenzt verfügbar. Architektur löste sich daraufhin im Sinne von »alles ist machbar« zusehends von natürlichen Gegebenheiten und Einflüssen ab. Andererseits brachte der technologische Fortschritt auch Neuerungen, z. B. in der Materialentwicklung oder in der konstruktiven und bauprozessbezogenen Optimierung des Bauens. Die volle Leistungsfähigkeit des Materials wurde zunächst bei Ingenieurbauwerken genutzt, wie z. B. bei Bahnhöfen und im Brückenbau. Der technisch bis ins Detail optimierte Kristallpalast von Joseph Paxton läutet eine Revolution des Bauens ein (Abb. B 5.4). Ingenieurtechnische und materialbezogene Innovation in der Architektur vollzieht sich nun auf breiter Basis, besonders gut sichtbar in den schnell wachsenden Städten Nordamerikas. Hier gewinnt Stahl als Konstruktionswerkstoff eine zentrale Bedeutung, der hohe Materialleistungen mit schnellen Bauzeiten vereint. Zu Beginn der Moderne ist im Bauwesen zur Befriedigung eines erheblichen Neubaubedarfs, aber auch durch das Streben nach Transparenz, Licht, Luft und Sonne, ein Entwicklungsschub in der Materialforschung zu verzeichnen. Sie mündet in Ideen der konstruktiven Vorfertigung, wie etwa in Le Corbusiers »System Domino« von 1917. Le Corbusier integriert in den 1930er-Jahren durch

Material

B 5.2

B 5.3

B 5.4

seine Beschäftigung mit der traditionellen Architektur Nordafrikas auch wieder überlieferte Elemente in Konstruktion und Architektur. Mitdem »Brise-Soleil« als Sonnenschutz- und Tragelement führt er konstruktiv und energetisch optimierte Low-Tech-Lösungen ein (Abb. B 5.2). Stärker aus der sozialen und ökologischen Fragestellung heraus nähert sich etwa Martin Wagner dem Thema: Das »wachsende Haus« vereint Aspekte wie Selbstversorgung und Energieeffizienz in einem Bau. Zur passiven Gebäudebeheizung nutzt er große Glasflächen; die modulare Erweiterbarkeit des Hauses basiert auf familiärem Wandel. Nach dem Zweiten Weltkrieg erfolgt in vielen Ländern eine signifikante, technische Weiterentwicklung, z. B. modulare Stahlbaulösungen. Die Leistungsoptimierung steht u. a. bei Jean Prouvé oder Richard Buckminster Fuller im Mittelpunkt ihrer Arbeit. Erste Entwürfe zu Fullers

Dymaxion-Haus (DYnamic-MAXimum-tensION) entstehen 1928 (Abb. B 5.3). Er konzentriert sich dabei auf Eigenschaften wie industriell herstellbar, leicht, kostengünstig, variabel einsatzfähig, wiederverwendbar, transportfähig und auch in extremen Klimaverhältnissen nutzbar. Fuller integriert unter dem Begriff »Raumschiff Erde« eine globale Betrachtungsweise des Bauens, aber auch den Gebäudebetrieb im Sinne eines Service-Dienstleistungskonzepts in seine Überlegungen. Ingenieure wie Pier Luigi Nervi widmen sich dem Konstruktionswerkstoff Beton und seiner Optimierung; so verringern seine mehrfach gebogenen Tragschalen den Materialeinsatz (Abb. B 5.7). Frei Otto und Günter Behnisch entwickeln die Konstruktionstechniken weiter, indem sie die funktionalen Anforderungen wie »Tragen« und »Abdichten« getrennt voneinander betrachten. Es entstehen noch leichter wirkende Tragsysteme, die den Einsatz bislang

ungewöhnlicher Materialien im Hochbau unterstützen: Stahlseil und Kunststoff, wie etwa beim Dach des Olympiastadions in München. Fritz Haller entwickelt die modulare Bauweise weiter. Er schafft streng rationale Systeme, deren vorgefertigte Module auf räumliche, z. B. über die Integration der Leitungsführung, sowie technische Forderungen eingehen. Die Konstruktionen können ebenso leicht verbunden wie problemlos getrennt und wiederverwendet werden. Die präzise Definition der Anforderungen und ihre lösungsorientierte Umsetzung schafft eine eigenständige, konstruktive Ästhetik. Im weiteren Verlauf der Entwicklung treten Umweltaspekte in den Vordergrund. Thomas Herzog stellt die »Entwicklung baulicher Systeme mit Einsatz erneuerbarer Energien« und »Produktentwicklungen« in den Mittelpunkt seiner Arbeit. Sein Ziel ist es, Energieeffizienz im Bauen aktiv voranzutreiben und insbesondere für die Gebäudehülle gestaltgebend zu nutzen

Materialverwendung in der Architektur

Wahrnehmung

technisch-funktionale Leistungen

Material im Lebenszyklus

visuell

gesundheitliche Unbedenklichkeit

nutzungsbezogene Anforderungen

ökologische Anforderungen

taktil

Nutzungseignung

thermisch

Brandschutz

Pflegeaufwand

Betriebskosten

akustisch

Schallschutz

Lebenszyklusbezug

Lebenszykluskosten

olfaktorisch

Wärmeschutz

Herstellungsorientierung

ökonomische Anforderungen

Investitionskosten

Materialkreislaufgerechtigkeit

Feuchteschutz B 5.5

147

B 5.6

Wärmeleitfähigkeit verschiedener Baustoffe in Bezug zur Rohdichte B 5.7 Palazetto dello Sport, Rom (I) 1958, Pier Luigi Nervi B 5.8 »Eden Project«, St. Austell (GB) 2001, Nicholas Grimshaw & Partners B 5.9 Wohnungserweiterung »Symbiont Friedrich«, Merzig (D) 2004, FloSundK Architektur + Urbanistik B 5.10 Strategien zur Senkung der Wärmeleitfähigkeit und jeweils geeignete Materialien a Korkdämmplatte b Vakuumisolationspaneel (VIP) c infrarotreflektierendes Polystyrol d transparente Wärmedämmung (TWD) B 5.11 Wirkung von Dämmstoffen in Abhängigkeit von der Schichtdicke

Wärmeleitfähigkeit ¬ [W/mK]

Material

10

B 5.8

B 5.9

148

Erstarrungsgesteine

Eis 1 lose Füllstoffe, Bimskies, Schlacke

Wasser

Fensterglas Leichtbeton glasfaserverstärkter Kunststoff

faserige Isolierstoffe, mineralisierte Holzwolle, Holzwolle, Wärmedämmziegel

0,1

Kunstharzschaumstoffe, Korkplatten, Polystyrolschaum (Luft) mikroporöse Kieselsäure 0,01

B 5.7

Ablagerungsgesteine Sand, Kies, Ziegel

500

1000

1500

2000

2500

3000 Rohdichte ρ [kg/ m3] B 5.6

(siehe Solare Architektur, S. 28). Der experimenrung bei geringerer Umweltwirkung, erzielt telle Umgang mit Baustoffen schafft die Grundund die Effizienz des Gebäudes gesteigert lagen für industrielle Holz- und Holzwerkstoffwerden. verwendung, Speichermassenkonzepte sowie • Herstellung, Instandhaltung oder Rückbau viele Low-Tech-Materiallösungen. des Materials binden Energie, die als »graue Als besonders materialeffiziente Interpretation Energie« bezeichnet und in Form des Primärdieser Strömung gilt z. B. das »Eden Project« energieinhalts (PEI) quantifiziert wird. Beson– materialsparend konstruierte Leichtbauten, ders die Herstellung hat eine Vielzahl von irrederen Hülle aus pneumatisch stabilisierten, versiblen Umweltwirkungen zur Folge. Es ist mehrlagigen Kunststofffolien besteht. Für die möglich etwa durch rationelle Materialverwendreilagigen Luftkissen werden extrem dünne, dung oder die Bildung von Materialkreisläudennoch langlebige, leichte und transparente fen diese zu reduzieren. ETFE-Folien eingesetzt. Mehr und mehr ver• Letztlich können Materialien während der schwimmen dabei die Grenzen zwischen TechNutzung, besonders durch ihre Pflege, sekunnik und Architektur (Abb. B 5.8). däre energetische Prozesse auslösen, die Des Weiteren entstehen neue Lösungen zur über die gesamte Lebensdauer erhebliche Vorfertigung von Bauteilen. Insbesondere der energetische, ökologische und wirtschaftliche Holzbau macht mit Rahmen- und TafelbauweiAuswirkungen haben. Sie lassen sich erst sen einen großen Entwicklungsschub. Über dann analysieren, wenn eine Materialbetrachneue, leichte Bautechniken erschließen sich tung nicht, wie bisher üblich, in Bezug auf den neue Bauplätze wie z. B. bestehende DachlandEinbauzustand, sondern über den ganzen schaften (Abb. B 5.9). Lebenszyklus des Gebäudes erfolgt. Material und Energie Bei der Materialwahl überlagern sich energetische und nachhaltigkeitsbezogene Erwägungen. Eine Betrachtung der energetischen Prozesse stellt also keine Reduktion auf ein Teilgebiet dar, sondern ist immer eingebunden in eine Gesamtbetrachtung zum Thema Nachhaltigkeit (Abb. B 5.5). Über physikalische Prozesse bestimmt das Material die energetischen Gebäudeleistungen entscheidend mit. Grundsätzlich sind dabei drei Themen relevant:

In Bezug auf Energie, Umwelt und Nachhaltigkeit wird somit eine differenzierte Betrachtung der Wirkungen des Materialeinsatzes notwendig. Die Lebenszyklusbetrachtung analysiert Stoffketten, deckt energetische wie ökologische Effekte von Materialien auf und schafft somit die Voraussetzung für eine verantwortungsvolle Baustoffwahl.

• Baustoffe minimieren den Wärmefluss. So ermöglichen sie eine deutliche Reduktion des Energieverbrauchs des Gesamtgebäudes, sparen Betriebsenergie und tragen zu erhöhter Wirtschaftlichkeit bei. Energieverbrauch geht meist mit ökologischen Folgen einher, z. B. mit dem Ausstoß von CO2, saurem Regen, Überdüngung oder Sommersmog. Reduzierter Verbrauch verringert diese Umweltwirkungen. Weiterhin reguliert das Material den Wärmefluss, überträgt oder speichert Energie. Es erhält Energie, wo sie gebraucht wird, oder führt sie bei einem Energieüberschuss ab. Dadurch können ökonomische wie ökologische Vorteile, z. B. Geldeinspa-

Von zentraler Bedeutung für die Reduktion des Energiebedarfs eines Gebäudes ist der Wärmeschutz. Je besser der Wärmeschutz, desto geringer sind die Energieverluste bei Temperaturdifferenzen zwischen innen und außen und desto stärker nähern sich die jeweilige Oberflächen- und Lufttemperatur einander an. Neben der Reduzierung der Transmissionswärmeverluste im Winter dient der Wärmeschutz durch das Material weiterhin:

Wärmefluss

• als Wärmeschutz im Sommer • zum Schutz der Baukonstruktion vor Kondensatfeuchte und Frost • ggf. auch zum Schallschutz

Material

Im Mittelpunkt der energetischen Materialoptimierung steht die Wärmeleitfähigkeit λ [W / mK] (Abb. B 5.6). Sie beschreibt den Wärmefluss, der als Bewegung von Atomen oder als Welle von einem Wärmeüberschuss zu einer Wärmesenke strömt. Wärme bewegt sich mittels Transmission, Strahlung und Konvektion (Abb. B 5.11). Bei der Transmission stoßen die Atome sich gegenseitig an und geben so ihre Energie weiter. Über Strahlungsprozesse emittieren sie Energie, die ohne Trägermaterial vom nächsten Atom aufgenommen werden kann. Bei der Konvektion werden die inneren Temperatur- und Dichteunterschiede in Bewegung umgesetzt. Der nur in flüssigen oder gasförmigen Trägermedien mögliche Prozess vollzieht so den Wärmetransport. Es sind immer alle drei Prozesse, wenn auch in unterschiedlichem Umfang, am Wärmetransport beteiligt. Für jeden dieser Prozesse bieten sich eigene Möglichkeiten der Optimierung (Abb. B 5.10). Allgemein gilt: Je niedriger die Wärmeleitfähigkeit eines Materials, desto geringer ist der durch das Bauteil entstehende Energieverlust. Die früher übliche Einteilung in Wärmeleitgruppen, die auf 0,05 W / mK genau die Wärmeleitfähigkeit beschrieben haben, wurden mittlerweile durch den so genannten Bemessungswert der Wärmeleitfähigkeit abgelöst (z. B. WLG 040 – λ = 0,04 W / mK). Dieser ermöglicht eine genauere Klassifizierung der Dämmstoffe auf 0,001 W / mK.

Transmission Die Transmission eines Materials ist abhängig von seiner Masse und inneren Struktur. Abb. B 5.6 zeigt die Wärmeleitfähigkeit von Materialien in Abhängigkeit zu ihrer Rohdichte: Je geringer die Dichte eines Baustoffs, desto geringer ist auch die Wärmeleitfähigkeit. Dies ergibt sich aus dem erhöhten volumenbezogenen Luftanteil im Material. Als Dämmstoffe werden daher leichte Materialien mit hohem Porenanteil wie etwa Kork benutzt (Abb. B 5.10 a). Luft ist einer der besten bekannten Wärmedämmstoffe mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,024 W / mK. Allerdings wirkt Luft nur dann als Dämmung, wenn die Konvektion gering bleibt. Dies wird durch die Bildung kleiner Hohlräume wie z. B. in Schäumen gewährleistet. Edelgase besitzen eine noch geringere Wärmeleitfähigkeit als Luft. Argon (0,016 W / mK) wird beispielsweise standardmäßig im Scheibenzwischenraum von Wärmeschutzgläsern verwendet. Feuchtigkeit im Bauteil erhöht hingegen grundsätzlich die Transmission, da Wasser über eine Wärmeleitfähigkeit von 0,6 W / mK verfügt. Es dringt typischerweise in der Luft als Wasserdampf gebunden in die Dämmung ein und kann dort aufgrund des Temperaturunterschieds ausfallen. Daraus resultieren Verluste in der Dämmwirkung, in der Folge auch Schimmelpilzbefall, Korrosion, Dämmstoffzersetzung oder Frostschäden. Dämmstoffe sollten daher grundsätzlich feuchtigkeitsabweisend oder mittels Dampf-

sperre (innen) und Dichtungsbahn (außen) gegen Feuchtigkeit geschützt sein. Materialien wie Glas oder einige Kunststoffe besitzen eine amorphe Struktur, die die Wärmeleitung innerhalb des Baustoffs reduziert. Konvektion Unabhängig von der Dämmfähigkeit ist das Gasgemisch Luft bei Konvektionsprozessen Energieträger. Die Wärmedämmleistung einer Luftschicht ist nicht linear, sondern erreicht ihr Maximum bei etwa 60 mm (Abb. B 5.11). Sowohl dickere als auch dünnere Luftschichten haben eine geringere Dämmwirkung. Um die Konvektion zu reduzieren, können dämmende Volumina mit Edelgasen gefüllt werden. Diese sind schwerer als Luft und gehen daher langsamer in einen Konvektionsprozess über. Im Vakuum erfolgt keine Konvektion. Vakuumisolationspaneele (VIP) nutzen diese Eigenschaft durch die gasdichte Verbundfolienumhüllung eines druckstabilen Kerns, der aus Fasern, offenporigen Schäumen oder pyrogener Kieselsäure besteht (Abb. B 5.10 b). Letztere stellt aufgrund der sehr feinen offenen Hohlräume die geringsten Anforderungen an die Reißfestigkeit und Dichtigkeit der Hülle. Trotz dieser vorsorglichen Maßnahme erhöht sich der Gasdruck innerhalb des VIP kontinuierlich um ca. 2 mbar pro Jahr, womit wieder Konvektionsprozesse zur Wärmeleitung auftreten. Dadurch steigt auch der Wärmedurchgangskoeffizient allmählich an: Anteil der Wärmeflussprozesse (qualitativ)

Wärmeleitfähigkeit

Reduktion der Transmission geringe Wärmeleitfähigkeit geringe Rohdichte amorphe Materialstruktur

rahlung

Wärmest

itung Wärmele tion Konvek

Wärmedurchlasswiderstand 1 / ◊LZR[m2K / W]

Reduktion der Wärmeleitung in einer Dämmung

a Reduktion der Konvektion Verkleinerung des Gasvolumens Erhöhung der Trägheit des Gasvolumens Vakuum

b Reduktion der Wärmestrahlung Reduzierung der Emissivität selektiv reflektierende Materialschichten (Low-E)

0,7

4

0,6 1

0,5 0,4

5

0,3

2 0,2

3

0,1 0 20

c

60

80 100 120 140 Luftschichtdicke [mm]

1 Luftschicht senkrecht zwischen Metall und Baustoff 2 Luftschicht senkrecht zwischen Baustoffen (Wärmestorm horizontal) 3 Luftschicht waagerecht zwischen Baustoffen (Wärmestrom von unten nach oben) 4 Wärmedämmstoff Mineralfaser (¬ = 0,04 W/mK) 5 Ziegel (¬=0,4 W/mK)

dynamische Dämmung hoher Gesamtenergiedurchlassgrad hoher Transmissionsgrad Konvektionsbegrenzung

d

40

B 5.10

B 5.11

149

Material

1

1

U=

• 0,004 W / mK dampfdicht (< 5 mbar Gasdruck) • 0,01 W / mK mit geringer Druckdifferenz (< 100 mbar Gasdruck) • 0,025 W / mK ohne Druckdifferenz

+ sn · λn

Rsi U Rsi sn λn Rse

1

+

Rse

Wärmedurchgangskoeffizient [W / m2K] Wärmeübergangswiderstand innen [W / m2K] Schichtdicke Material [m] Wärmeleitfähigkeit Material [W / mK] Wärmeübergangswiderstand außen [W / m2K] B 5.12

Bauteil

max. U-Wert [W / m²K]

min. Dämmschichtdicke 1 [mm]

Außenwand Erneuerung Außenwand 2 Fenster Steildach Flachdach Decken und Wände gegen unbeheizt oder Erdreich

0,45 0,35 1,70 0,30 0,25

82 106 20 126 152

0,40

94

1

Annahme einer Wärmeleitfähigkeit des Dämmmaterials von ¬ = 0,04 W / mK bei alleiniger energetischer Wirksamkeit der Dämmschicht 2 verschiedene Ausnahmen nach EnEV Anhang 3 möglich B 5.13

Bauteil

erforderliche Baustoffklasse nach DIN 4102 1

Gebäudetypus

1 – 2 Geschosse

mehr als 2 Geschosse bis 22 m Höhe

ab 22 m Höhe

Vorhangfassade Unterkonstruktion Verankerung Wärmedämmung

B2 B2 A B2

B1 B1 A B2

A B1 A B1

1

gemäß Musterbauordnung Deutschland; Abweichungen länderspezifischer Regelungen sowie neue Normierungen sind zu beachten; anderweitige Lösungen bedingen eine Prüfung im Einzelfall B 5.14

B 5.14 B 5.15

0 °C

B 5.16

20 °C

B 5.13

Ermittlung des U- Werts einer Konstruktion nach DIN 4108 Anforderungen der EnEV an den U-Wert eines Bauteils und daraus theoretisch resultierende Mindestdämmschichtdicken erforderliche Baustoffklassen (Brandschutz) von Fassadenteilen nach Musterbauordnung schematischer Wandaufbau einer transparenten Wärmedämmung als Massivwandsystem physikalische Kennwerte ausgewählter Dämmstoffe 50 °C

B 5.12

1 2 3 4

1 Glasscheibe 2 TWD 3 Glasscheibe 4 Absorber

Wärmestrahlung Solarstrahlung

B 5.15

150

Am Ende des Prozesses bleibt immer noch eine geringere Wärmeleitfähigkeit als bei konventionellen Dämmstoffen erhalten. Nach heutigem Standard – bei Verwendung von Aluminium oder mehrlagigen, metallbedampften Kunststofffolien – nimmt man für VIP eine Dauerhaftigkeit von 30 bis 50 Jahren an. Wärmestrahlung Über die Verringerung des Infrarotstrahlungsdurchgangs, der so genannten Emissivität, lässt sich der Strahlungsdurchgang beeinflussen. Dazu werden selektiv reflektierende Schichten auf Materialien aufgebracht – meist aufgedampfte, unsichtbar dünne Metallschichten. Die Wirkung bleibt dabei unabhängig vom sichtbaren Strahlungsanteil und eignet sich besonders für transparente Bauteile. Die Technik stammt aus der Glasindustrie und hat dort zu einer Verbesserung der U-Werte um etwa 25 % geführt. Da sie weitgehend unabhängig vom Trägermaterial funktioniert, findet diese Technologie auch Eingang in die Standarddämmstoffproduktion, etwa in Form eines modifizierten expandierten Polystyrols (EPS), das gegenüber normalem EPS mit λ = 0,04 W / mK eine Wärmeleitfähigkeit von 0,032 W / mK aufweist (Abb. B 5.10 c). Solare Gewinnsysteme Über die drei beschriebenen Reduktionsmöglichkeiten lässt sich die Wärmeleitfähigkeit auf sehr geringe Werte absenken. Berücksichtigt man auch die Solarstrahlung, so kann die Dämmwirkung bei opaken wie bei transparenten Bauteilen bis hin zu temporären Gewinnen steigen. Für die Maximierung solarer Gewinne bedarf es transparenter Materialien mit einem hohen Gesamtenergiedurchlasskoeffizienten g [%], der z. B. bei speziellen Gläsern wie Quarzglas oder transparenter Wärmedämmung (TWD) gegeben ist. Die g-Werte von Kunststoffen und typischem Floatglas entsprechen sich weitgehend; eine Polycarbonatplatte liegt bei 87 bis 89 %. Transluzente Kunststoffe (z. B. PMMA, Polycarbonat) sind jedoch mit einer deutlich geringeren Wärmeleitfähigkeit um 0,18 W / mK ausgestattet, leichter formbar und meist kostengünstiger. Horizontale Kapillarröhrchen oder Wabenstrukturen lassen die Solarstrahlung nahezu ungehindert durch den Dämmstoff hindurch. Gleichzeitig verringert die Struktur der Platten bzw. die Form des Querschnitts eine Konvektion (Abb. B 5.10 d). Annähernd gleiche Leistungen bieten Konstruktionen mit Stegplatten oder Kartonwaben. Auch Trombewände – massive Speicherwände hinter transparenten Flächen – folgen diesem Prinzip. Sie sind kostengünstig herstellbar, erreichen jedoch geringere Wirkungsgrade. Allen dynamischen Dämmungen ist gemein,

dass ihre dämmende Wirkung nicht über den Materialkennwert λ, sondern über den Wärmedurchgangskoeffizienten bzw. den U-Wert (U = Unit of Heat Transfer) der gesamten Konstruktion beschrieben wird (Abb. B 5.12). Sie werden nach ihrem Funktionsprinzip in drei Kategorien unterteilt: • Direktgewinnsysteme: Fenster und in die Fassade integrierte TWDElemente lassen das Tageslicht in den Raum, verteilen die Energie in die Raumtiefe und aktivieren dort vorhandene Speichermassen. • Massivwandsysteme: Sie kombinieren das Direktgewinnsystem mit einer dahinter liegenden Speichermasse. Diese zur Erhöhung des Wirkungsgrads meist dunkel gestaltete Fläche absorbiert die auftreffende Energie und gibt sie phasenverschoben als Wärme an den Raum ab. Je nach Ausrichtung und System lassen sich so energetische Gewinne von 50 bis 150 W / m2a erreichen. (Abb. B 5.15) • gekoppelte / schaltbare Systeme: Direkt- und Massivwandsysteme besitzen den Nachteil, dass sie dauerhaft Energie eindringen lassen – auch dann, wenn das Gebäude eigentlich Wärme abführen soll. Deshalb werden gerade gekoppelte oder schaltbare Dämmungen entwickelt, die den Wärmestrom zwischen TWD-Element und Speichermasse über Wasser oder Luft als Trägermedium sowie ggf. über weitere funktionale Schichten regulieren sollen. Sie schaffen im Dämmzustand einen U-Wert von 0,2 bis 0,3 W / m2K, können jedoch im »Abwärmebetrieb«, z. B. zur nächtlichen Gebäudeauskühlung, einen U-Wert von bis zu 10 W / m2K erlangen. Dämmende opake Bauteile

Nach DIN 4108 gelten Baustoffe mit einer Wärmeleitfähigkeit < 0,1 W / mK als Dämmstoffe. Damit können auch leichte Vollhölzer in die Gruppe der Dämmstoffe fallen, z. B. Fichtenholz. Insgesamt steht dem Planer eine Vielzahl an Materialien zur Verfügung. Abb. B 5.16 zeigt eine Auswahl mit typischen Kennwerten. Diese müssen in der Praxis mit den tatsächlichen Produktkennwerten abgeglichen werden. Produktbezeichnung von Dämmstoffen Generell bestimmen weniger energetische Materialqualitäten, sondern baukonstruktive Rahmenbedingungen die Wahl eines Dämmstoffs. Dabei sind u. a. zu berücksichtigen: • allgemeine Anforderungen: Produktabmessungen, Produktästhetik • Festigkeit: Druckspannung bei 10 % Stauchung, Dauerdruckfestigkeit, Zugfestigkeit, Scherfestigkeit • Formbeständigkeit: bei auftretender Feuchte und Temperaturwechsel • Feuchteschutz: Wasserdampfdiffusion, Wasseraufnahme, Hydrophobie • Brandschutz: Baustoffklasse / Brennbarkeits-

Material

klasse (Abb. B 5.14) • Schallschutz: dynamische Steifigkeit, Strömungswiderstand • Gesundheits- und Umweltschutz: Volatile Organic Compounds (VOC) und künstliche mineralische Fasern (KMF) (Abb. B 5.83) • Dauerhaftigkeit: Alterungsbeständigkeit, UV-Beständigkeit • Wirtschaftlichkeit

einen Dämmstandard vor, der bei einer Wärmeleitfähigkeit von 0,04 W / m K des Dämmstoffs einer Schichtdicke von 82 mm entsprechen würde. Bei der Berechnung nach EnEV fließen zusätzlich auch die Wärmebrücken – d. h. leitende, meist konstruktiv bedingte Bauteile – in den U-Wert mit ein (siehe Gebäudehülle, Abb. B 3.29). Dabei gilt:

Die Produktbezeichnungen der Dämmstoffe nach DIN 4108-10 beziehen sich auf die Produkteigenschaften sowie auf die Anwendungsgebiete (Abb. B 5.20 und 22).

• bei Verwendung der Regeldetails nach DIN 4108 Beiblatt 2: +0,05 W / m2K • bei nicht dem Stand der Technik entsprechenden Konstruktionen: +0,1 W / m2K • bei innen liegender Dämmung: +0,2 W / m2K

Anforderungen an dämmende Bauteile Die thermischen Mindestanforderungen für Deutschland sind in der Energieeinsparverordnung (EnEV) und in DIN 4108 - 9 geregelt (Abb. B 5.13). Sie beziehen sich auf komplette Bauteile und nicht auf einzelne Dämmstoffschichten. In Abb. B 5.12 wird der Wärmedurchgangskoeffizient, die abfließende Wärmemenge durch ein Bauteil auf einer Fläche von 1 m2 bei einem Temperaturunterschied von 1 K inklusive der Verluste für den Übergang der Energie in die umgebende Luft [W / m2K], definiert. Ein geringer Wärmestrom durch das Bauteil drückt sich dabei durch einen niedrigen U-Wert aus. Die vorgegebenen U-Werte lassen sich für die Dämmstoffe in entsprechende Mindestschichtdicken umrechnen. Standardmäßig schreibt die EnEV für Fassaden in Neubauten

Dämmmaterial

Rohdichte

Konstruktion des Wärmeschutzes Um einen Tauwasserausfall innerhalb der Konstruktion zu vermeiden, sollte er durch einen Dampfdiffusionsnachweis geprüft werden und der Wärmeschutz auf der Kaltseite einer Konstruktion angebracht sein. Nicht immer, wie z. B. bei der energetischen Sanierung von Altbauten, ist konstruktiv eine außen liegende Dämmschicht möglich. Hier kommen innen liegende Dämmungen zum Einsatz, die allerdings mit einem deutlichen Raumverlust einhergehen. Unvermeidlich auftretende Wärmebrücken etwa bei Decken- und Wandanschlüssen reduzieren den erreichbaren U-Wert zusätzlich um 30 bis 50 % und beeinträchtigen die Behaglichkeit. Die erhöhte Gefahr des Tauwasserausfalls bedingt eine sorgfältige Analyse des Feuch-

Dampfdiffusionswiderstandszahl µ

teverlaufs im Bauteil. Meist führt dies zu einer innen liegenden Dampfsperre, die auch während der Nutzungsphase nicht in ihrer Funktion beeinträchtigt werden darf. Neue innen liegend anwendbare Dämmstoffe aus Kalzium-Silikat können eine Dampfsperre vermeiden. Ihr hohes Feuchteabsorptionsvermögen lässt eine kurzfristige Speicherung der Feuchtigkeit im Bauteil zu, allerdings liegen noch keine dauerhaften Erfahrungen zur Verwendung vor. Energetische Probleme entstehen bei inhomogenen Bauteilen wie etwa einer mit Dämmstoff ausgefachten Holzwand. Die Wärmeleitfähigkeit differiert innerhalb des Bauteils, denn die konstruktiven Baustoffe erzeugen einen verstärkten Energieverlust; zusätzlich kann der Feuchteverlauf innerhalb des Materials negativ beeinflusst werden. Die Berechnung eines zusammengefassten U-Werts einer solchen Konstruktion erfolgt nach DIN EN ISO 6946 (siehe Gebäudehülle, Abb. B 3.31). Konstruktionen aus Holzwerkstoffen können, etwa über die Verwendung eines Å-Profils oder innen gedämmten Kastenprofils, den Wärmedurchgang reduzieren. Sie ermöglichen gleichzeitig höhere Spannweiten bei Deckenträgern bzw. einen geringeren Materialverbrauch. Die Leistungsfähigkeit des Wärmeschutzes bietet Komfort- und Raumgewinn bei geringem Materialeinsatz. Eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit der Dämmung reduziert die notwendige Schichtdicke und damit auch den Flächen-

[kg / m3]

Bemessungswert der Wärmeleitfähigkeit λB [W / mK]

[-]

Baustoffklasse / Brennbarkeitsklasse1 [-]

Produktnorm

Produktform

115 – 290 12 – 250 100 – 150 60 – 300 260 – 500 60 – 180

0,045 – 0,070 0,035 – 0,050 0,040 – 0,060 0,050 – 0,065 0,100 – 0,160 0,065 – 0,070

2 / 20 1/2 prakt. dampfdicht 2/5 2 2/3

A1 – A2 / bis A1 A1 – B1 / bis A1 A1 / A1 A1 – B2 / bis A1 A1 / A1 A1 / A1

2

Platte Platte, Vlies, Stopfwolle Platte, Schüttung Platte, Schüttung Schüttung Schüttung

15 – 45 15 – 30 25 – 45 ≥ 30 20 – 60 25 20 – 70 45 – 450 360 – 570 50 – 140 80 – 500 20 – 80 30 – 100

0,035 – 0,045 0,035 – 0,040 0,030 – 0,040 0,020 – 0,035 0,040 – 0,045 0,040 – 0,045 0,040 – 0,045 0,040 – 0,070 0,065 – 0,090 0,045 – 0,050 0,040 – 0,055 0,035 – 0,040 0,035 – 0,040

1 20 / 100 80 / 250 30 / 100 1/2 1/2 1/2 1/5 2/5 1/2 5 / 10 1/2 1/2

B1–2 / bis B B1 / bis B B1 / bis B B1 – 2 /bis B B1 / bis B B1 / bis B B2 / bis D B2 / bis D B1 / bis B B1– B2 / bis B B1– B2 / bis B B1– B2 / bis B B1– B2 / bis B

2

15 – 30

0,032 0,02 – 0,13 0,004 – 0,008

20 / 100 prakt. dampfdicht prakt. dampfdicht

B1/ bis B

DIN EN 13163

4

2

B2 2

2

anorganisch Kalziumsilikat Glaswolle / Steinwolle Schaumglas (CG) expandierte Perlite (EPB) Blähton Vermikulite (Blähglimmer)

DIN EN 13162 DIN EN 13167 DIN EN 13169 DIN EN 14063 2

organisch Polyesterfaser Polystyrol-Hartschaum (EPS) Polystyrol-Extruderschaum (XPS) Polyurethan-Hartschaum (PUR) Baumwolle Flachs Hanffasern Holzfaserdämmplatte (WF) Holzwollplatte (WW) Kokosfaser expandierter Kork (ICB) Schafwolle Zellulosefaser

DIN EN 13163 DIN EN 13164 DIN EN 13165 2 2 2

DIN EN 13171 DIN EN 13168 DIN 18165-1/-2 DIN EN 13170 2 2

Vlies Platte Platte Platte, Ortschaum Matte, Filz, Stopfwolle, Einblasware Platte, Matte, Filz, Stopfwolle Platte Platte Platte Matte, Filz, Stopfwolle Schüttung, Platte Matte, Filz, Stopfwolle Einblasware, Platte

»innovative« Dämmstoffe IR-Absorber-modifiziertes EPS transparente Wärmedämmung (TWD) Vakuumisolationspaneel (VIP)

4

150 – 300

Platte Paneel Paneel

1

Die angegebenen Brennbarkeitsklassen stellen Richtwerte dar. Sie sind mit den tatsächlichen Produktdaten abzugleichen. bauaufsichtlich zugelassen Das Dämmmaterial nutzt die statische Dämmwirkung sowie solare Gewinne. Die hier dargestellten Werte sind inklusive solaren Gewinnen über eine Heizperiode in Deutschland gemittelt. Es kann je nach Klima und Ausrichtung der Dämmung zu deutlichen Unterschieden kommen. 4 stark produktabhängig B 5.16 2 3

151

Material

Kosten [EUR /m2a]

6 5

Energie- und Dämmstoffkosten bezogen auf die Wandfläche

4

B

3 2

A

1

Energie [kWh /m2a]

0

200

100

100

300

400

500

600

Heizenergie bezogen auf die Wandfläche

75 50 25 0

100

200

300

400 500 600 Dämmstoffdicke [mm] B 5.17

verbrauch. Zum Erreichen des Passivhausstandards sind U-Werte von ≤ 0,15 W / m2K erforderlich, die mit Standarddämmstoffen Gesamtwandstärken von über 500 mm ergeben. Demgegenüber erzielen Vakuumisolationspaneele (VIP) ähnliche Leistungen mit nur 190 mm (Abb. B 5.18). Ihre Anwendung hat bei dem in Abb. B 5.19 gezeigten Wohnhaus das Raumangebot bei gleichbleibendem Bauvolumen um etwa 5 % erhöht. Auch im Altbaubestand kann der Einsatz von VIP sinnvoll sein, z. B. um bei der Dämmung der Bodenplatte eine nutzbare Raumhöhe von Kellerräumen zu erhalten. Befestigung Die notwendige Befestigung trägt zur Wärmeleitung bei und stellt somit eine konstruktive Wärmebrücke dar. Produktformabhängig lassen sich drei Befestigungsarten unterscheiden (Abb. B 5.16): • keine mechanische Befestigung: Die losen Dämmstoffe werden geschüttet, gestopft oder eingeblasen. Sie benötigen eine feste Auflage oder ein zu beiden Seiten abgeschlossenes Volumen. Diese Verlegeart vermeidet konstruktive Wärmebrücken, kann aber, z. B. durch Stauchung der Dämm-

1 Massivholz Fichte 80 mm 2 Holzfaserdämmplatte 22 mm 3 Vakuumdämmung 40 mm 4 Kompriband umlaufend 5 Lattung Schichtholz 40/45 mm 6 Holzfaserdämmplatte 22 mm 7 Dreischichtplatte 22 mm U-Wert: 0,14 W / m2K Gesamtdicke Konstruktion: 190 mm B 5.18

schicht, zu nicht wärmegedämmten Hohlräumen führen, die daher nachträglich zugänglich sein sollten. • punktuelle mechanische Befestigung: Die vlies- oder plattenartigen Dämmstoffe werden genagelt, geschraubt, gedübelt oder punktuell geklebt. Insbesondere durchdringende Metallteile, z. B. Befestigungen einer Vorsatzschale, wirken sich hier negativ aus. Anhang D der DIN EN ISO 6946 regelt die genaue Berechnung des dadurch entstehenden Wärmeverlusts. • flächige mechanische Befestigung: Die vliesoder plattenartigen Dämmstoffe werden vollflächig und kraftschlüssig mit dem Untergrund verbunden, z. B. durch Klebemörtel oder Bitumen. Amortisation Selbst sehr energieaufwendige Dämmstoffe wie Schaumglas amortisieren sich innerhalb weniger Jahre, biologische Dämmstoffe wie Stroh oder auch mineralische Faserdämmstoffe meist nach weniger als zwölf Monaten. Ausgehend von dieser Amortisationsrechnung werden Forderungen von Dämmstärken bis zu 500 mm für Deutschland erhoben (Abb. B 5.17). Zur wirtschaftlichen Amortisation stellt der nach

B 5.19

EnEV geforderte Materialeinsatz für den Neubau das Minimum wirtschaftlicher Dämmstärken dar. Danach ergeben sich in der Regel Schichtstärken von Standarddämmstoffen (Wärmeleitfähigkeit λ = 0,04 W / mK) von 12 bis 16 cm. Geht man davon aus, dass bei einer energetischen Sanierung Gerüstbau- und Arbeitsaufwendungen den Großteil der entstehenden Kosten ausmachen, sollte auch hier eine Lösung mit Neubaustandard in Betracht gezogen werden. Wärmeschutzgläser

Mit dem Einsatz lichtdurchlässiger Bauteile verbindet sich der Wunsch nach Tageslichtnutzung, Energieeintrag in das Gebäude und Außenraumbezug. Daher sind lichtdurchlässige Bauteile überwiegend transparent und aus Glas oder Kunststoff, seltener transluzent. Die Glasindustrie hat ihre Produkte in den letzten Jahrzehnten enorm verbessert. Seit den 1970er-Jahren haben sich die U-Werte verfügbarer Isoliergläser von etwa 3,6 W / m2K um den Faktor zehn verbessert. Rechnet man die solaren Gewinne von Glasflächen mit ein, so verfügen Wärmeschutzisoliergläser bei energiebewusstem Einsatz über gleichwertige oder sogar bessere Dämmqua-

Produkteigenschaft

Kurzzeichen

Beschreibung

Anwendungsbeispiele

Druckbelastbarkeit

dk dg dm dh ds dx

keine Druckbelastbarkeit geringe Druckbelastbarkeit mittlere Druckbelastbarkeit hohe Druckbelastbarkeit sehr hohe Druckbelastbarkeit extrem hohe Druckbelastbarkeit

Hohlraumdämmung, Zwischensparrendämmung schwimmender Estrich nicht genutztes Dach mit Abdichtung genutzte Dachflächen, Terrassen Industrieböden, Parkdeck hochbelastete Industrieböden, Parkdeck

Wasseraufnahme

wk wf wd

keine Anforderungen an die Wasseraufnahme Wasseraufnahme durch flüssiges Wasser Wasseraufnahme durch flüssiges Wasser oder Diffusion

Innendämmung im Wohn- und Bürobereich Außendämmung von Außenwänden und Dächern Perimeterdämmung, Umkehrdach

Zugfestigkeit

zk zg zh

keine Anforderungen an die Zugfestigkeit geringe Zugfestigkeit hohe Zugfestigkeit

Hohlraumdämmung, Zwischensparrendämmung Außendämmung der Wand hinter Bekleidung Außendämmung der Wand unter Putz, Dach mit verklebter Abdichtung

schalltechnische Eigenschaften sk sg sm sh

keine Anforderungen an schalltechnische Eigenschaften Trittschalldämmung, geringe Zusammendrückbarkeit mittlere Zusammendrückbarkeit Trittschalldämmung, erhöhte Zusammendrückbarkeit

alle Anwendungen ohne schalltechnische Anforderungen schwimmender Estrich, Haustrennwände schwimmender Estrich, Haustrennwände schwimmender Estrich, Haustrennwände

Verformung

keine Anforderungen an die Verformung Dimensionsstabilität unter Feuchte und Temperatur Verformung unter Last und Temperatur

Innendämmung Außendämmung unter Putz, Dach mit Abdichtung Dach mit Abdichtung

tk tf zl

B 5.20

152

Material

Optimierung einer Wärmeschutzverglasung

B 5.17 B 5.18

B 5.19 B 5.20

B 5.21 B 5.22

Verhältnis von Dämmstoffdicke zu Kosten und Energieverbrauch bei einem Wohnhaus schematischer Fassadenaufbau mit Vakuumisolationspaneelen, Wohnhaus, München (D) 2002, Lichtblau Architekten Wohnhaus, München (D) 2002, Lichtblau Architekten Produkteigenschaften und Anwendungsbeispiele von Wärmedämmmaterialien nach DIN 4108-10 Strategien zur Optimierung einer Wärmeschutzverglasung Anwendungsgebiete und -beispiele von Wärmedämmmaterialien nach DIN 4108-10

Optimierung des Strahlungsdurchgangs

Reduktion der Konvektion

Reduktion der Transmission

Verringerung einfallswinkelbedingter Strahlungsreflexion

Optimierung des Scheibenabstands

Edelgasfüllung des Scheibenzwischenraums

hoher Gesamtenergiedurchlassgrad

Edelgasfüllung des Scheibenzwischenraums

thermische Trennung des Randverbunds (»warm edge«)

Reduzierung der Emissivität mit selektiv reflektierenden Materialschichten (Low-E)

Erhöhung der Anzahl der Scheibenzwischenräume

Dämmung des Rahmens

Vakuum

Verringerung des Rahmenund Randverbundanteils B 5.21

litäten als Standarddämmstoffe (Abb. B 5.29). Dies bewirkt der so genannte Treibhauseffekt: Die Strahlung dringt in den Raum ein, trifft auf eine Oberfläche und wird dort in langwelligere Wärmestrahlung umgewandelt. Für diese besitzt das Glas eine geringere Durchlässigkeit als für Licht. Die in der Summe erhöhte Strahlungsbilanz führt zu einer Erwärmung. Der Energiegewinn durch diese »Wärmefalle« kann den Transmissionsverlust der Glasfläche bei günstiger Ausrichtung sogar übersteigen – sie wird zu einem passiven Energiegewinnsystem für das Gebäude. Glasproduzenten können eine Vielzahl systemischer Vorteile innerhalb der Schichtenfolge für die energetische Effizienz ihrer Produkte nutzen. Hochwertige Wärmeschutzgläser verhalten sich entsprechend den Prinzipien dynamischer Dämmung. Wie bei Dämmstoffen trägt auch bei den Verglasungen grundsätzlich die systematische Verringerung von Transmission, Konvektion und Wärmestrahlung zur energetischen Leistung des Bauteils bei. Allerdings birgt die Eigenschaft der Transparenz beim Strahlungsdurchgang Besonderheiten, z. B. Reflexion und Transmission. Die Lichttransmission in Abhängigkeit von Strahlungseintrag und Wärmeverlusten ist

Ziel der Optimierung (Abb. B 5.21 und 23). Neben Energieverlusten und -gewinnen durch die Glasfläche ist der Umfang des Tageslichteintrags in das Gebäude entscheidend für den Einsatz von Glas. Die Erhöhung des Tageslichtanteils im Raum führt zu einem geringeren Energiebedarf für elektrische Beleuchtung und so zu einer signifikanten Energieeinsparung. Nicht immer aber ist ein Energieeintrag über transparente Bauteile gewünscht. Mit der Verbesserung des Wärmeschutzes muss die solare Einstrahlung insbesondere bei Gebäuden mit hohen internen Lasten wie Büros reduziert werden oder es müssen zumindest bessere Regulierungs- und Steuerungsmöglichkeiten gegeben sein. Sonnen- und Blendschutz lassen sich materialimmanent oder durch additive Bauteile regeln (siehe Gebäudehülle, S. 102). Verglasungsarten Die möglichen Einsatzbereiche unterscheiden sich nach der Art der Verglasung. Kennwerte für Verglasungen werden immer mit Bezug auf das definierte System oder die Systemteile ausgewiesen. Sie können für das gesamte Bauteil (window, w), den Rahmen (frame, f) sowie die Verglasungsfläche (glasing, g) angegeben werden.

• Einfachverglasungen besitzen Ug-Werte von 3,6 bis 5,2 W / m2K. Sie sind nur für unbeheizte Räume, als Fassadenmaterial oder zur Nutzung im Innenraum geeignet. • Eine Isolierverglasung besteht aus zwei oder mehr Glasscheiben, die zusammen mit dem Randverbund eine Gasschicht dicht umschließen. Isolierverglasungen verbessern sowohl die Wärme- als auch die Schalldämmeigenschaften. • Verfügen Isolierverglasungen über mindestens eine Wärmeschutzbeschichtung, bezeichnet man sie als Wärmeschutz-Isoliergläser. Standard für ein Zweischeiben-Wärmeschutz-Isolierglas ist ein Ug-Wert von 1,1 W / m2K. Edelgasgefüllte DreischeibenWärmeschutz-Isoliergläser mit zwei Wärmeschutzbeschichtungen erreichen aktuell Ug- Werte von bis zu 0,4 W / m2K. Die wichtigsten Kennwerte marktgängiger Verglasungen sind in Abb. B 5.30 zusammengestellt. • Gläser, deren Ug-Wert 0,8 W / m2K oder weniger beträgt, werden nach europäischer Normung (DIN EN 10077) auch als »Warmfenster« bezeichnet. Mit dem verringerten Transmissionswärmeverlust stellen sich Oberflächentemperaturen ein, die den gewünschten Lufttemperaturen im Innenraum

Anwendungsgebiet

Kurzzeichen

Anwendungsbeispiele

Decke, Dach

DAD DAA DUK DZ DI DEO DES

Außendämmung von Dach oder Decke, vor Bewitterung geschützt, Dämmung unter Deckungen Außendämmung von Dach oder Decke, vor Bewitterung geschützt, Dämmung unter Abdichtungen Außendämmung des Daches, der Bewitterung ausgesetzt (Umkehrdach) Zwischensparrendämmung, zweischaliges Dach, nicht begehbare aber zugängliche oberste Geschossdecken Innendämmung der Decke (unterseitig) oder des Daches, Dämmung unter Sparren / Tragkonstruktion, abgehängte Decke usw. Innendämmung der Decke oder Bodenplatte (oberseitig) unter Estrich ohne Schallschutzanforderungen Innendämmung der Decke oder Bodenplatte (oberseitig) unter Estrich mit Schallschutzanforderungen

Wand

WAB WAA WAP WZ WH WI WTH WTR

Außendämmung der Wand hinter Bekleidung Außendämmung der Wand hinter Abdichtung Außendämmung der Wand unter Putz Dämmung von zweischaligen Wänden, Kerndämmung Dämmung von Holzrahmen- und Holztafelbauweise Innendämmung der Wand Dämmung zwischen Haustrennwänden mit Schallschutzanforderungen Dämmung von Raumtrennwänden

Perimeter

PW PB

außen liegende Wärmedämmung von Wänden gegen Erdreich (außerhalb der Abdichtung) außen liegende Wärmedämmung unter Bodenplatte gegen Erdreich (außerhalb der Abdichtung)

B 5.22

153

innen

Lichtdurchlässigkeit 12 3 21 a b

Transmission

g-Wert

Reflexion

5

˙

außen

konvektiver Wärmedurchlasskoeffizient h [W/m2K]

Material

4

Minimumpositionen Luft Argon Krypton Xenon

3

2

Abstrahlung + Konvektion

˙

90 %

Emissivität 2a Low-E-Besch. Wärmeschutz 1 Glasscheibe 2b Low-E-Besch. Sonnenschutz 3 Gaszwischenraum B 5.23 B 5.23 schematische Darstellung des Strahlungsdurchgangs durch eine Verglasung B 5.24 Wärmedurchlasskoeffizienten verschiedener Füllgase von Scheibenzwischenräumen B 5.25 verfügbare Randverbundsysteme sowie ihre Auswirkungen auf den U-Wert einer Verglasung B 5.26 Ug-Wert in Abhängigkeit vom g-Wert einer Verglasung B 5.27 Verglasung mit pyrogener Kieselsäurefüllung, Bürogebäude, München (D) 1994, Herzog + Partner B 5.28 Kennwerte des Lichtdurchlasses verschiedener Verglasungen B 5.29 Darstellung des dynamischen U-Werts verschiedener Verglasungen nach Ausrichtung B 5.30 Kennwerte ausgewählter transparenter Bauteile

0

1-fach Verglasung (Floatglas) 2-fach Verglasung (Luft) 2-fach Verglasung (Luft /IR) 2-fach Verglasung (Argon / IR) 2-fach Verglasung (Krypton / IR) 3-fach Verglasung (Krypton / IR)

1

2

3

U-Wert [ W/m2 K] 5 4 6 U-Wert

Tageslichttransmission

90

80

g-Wert

70

60

50 30 40 TL bzw. g-Wert[ %]

B 5.26

B 5.27

154

˙ ˙

Abstrahlung + Konvektion

˙

1

Randverbund

Rand WBK Ψ [mm] [W / mK]

U-Wert bzgl. Glasrandlänge [W / m2K] 1,0 m

2,0 m

Aluminium frei

0,5

0,115

0,999

0,883

Stahl

0,5

0,112

0,991

0,879

Edelstahl

0,5

0,105

0,973

0,867

Edelstahl 0,2

0,2

0,096

0,950

0,853

Kunststoff frei

1,0

0,068

0,877

0,808

Aluminium PU10

0,5

0,056

0,846

0,789

Edelstahl 0,2 PU10

0,2

0,049

0,827

0,778

Aluminium PU30

0,5

0,035

0,791

0,756

Edelstahl 0,2 PU30

0,2

0,031

0,781

0,749

Kunststoff PU30

1,0

0,024

0,762

0,738

15 20 25 10 Abstand Glasscheiben ds [mm] B 5.24

Der Wärmebrückenkoeffizient (WBK) wird auf die Glasverbandlänge der Wärmebrücke bezogen. B 5.25

nahekommen. Die im Verhältnis zu anderen Verglasungen erhöhte Wärmeabstrahlung der Oberfläche ergibt so einen höheren Wohnkomfort.

gabe Ra nach DIN EN 410 angegeben. Bei der prozentualen Größe bedeuten Werte > 90 % eine sehr gute, Werte > 80 % eine gute Farbwiedergabe. Allerdings kann es auch bei Werten über 90 % aufgrund der erhöhten Lichtbrechung an Kanten des Glases zu Farbverfälschungen kommen. Bei Sondernutzungen wie etwa tagesbelichteten Museen sollte die Farbwiedergabe über 97 % liegen (Abb. B 5.28). Der Gesamtenergiedurchlassgrad g bezeichnet die Summe aus direkter Transmission, solarer Strahlung und Wärmeabgabe ins Innere durch Strahlung und Konvektion. Einfaches Floatglas verfügt über einen Transmissionsgrad von ca. 90 % und hat einen g-Wert von 85 bis 87 % (Abb. B 5.30). Steigt die Anzahl der Scheiben, reduziert sich der g-Wert entsprechend. Dreifach-Isoliergläser verfügen so nur über Energiedurchlassgrade von 40 bis 50 %. Gleichzeitig sinkt jedoch der Ug-Wert (Abb. B 5.26). Neben dem Energieeintrag von außen findet an der Verglasung auch ein Energiefluss in umgekehrter Richtung statt. Der Teil der physikalischen Transmission, der sich im Spektralbereich der Infrarotstrahlung (Wärme) bewegt, wird in Form der Emissivität ε gemessen. Sie beschreibt das Verhältnis der den Körper durchdringenden thermischen Strahlung zur auftreffenden Wärmestrahlung. Bei einfachen Floatglasscheiben liegt die Emissivität bei 89 %. Metallische Glasbeschichtungen aus Silber oder Titan reduzieren die Emissivität einer Verglasung. Als Bedampfungen hauchdünn aufgebracht, werfen sie einen Großteil der aus dem Gebäudeinneren abgestrahlten Infrarotstrahlung wieder ins Innere zurück. Diese selektiven und gerichteten Schichten haben nur einen geringen Einfluss auf den g-Wert, sie verringern jedoch die Emissivität deutlich, je nach Produkt bis auf 2 %. Silberbeschichtete Wärmeschutzgläser werden daher auch als Low-E-Gläser (Low-Emissivity = niedrige Emissivität) bezeichnet und stellen den heutigen Stand der Technik dar. Sie können praktisch farbneutral hergestellt werden. Eine Low-E-Beschichtung reduziert den U-Wert einer Zweifachverglasung von 3,0 auf etwa 1,6 W / m2K. Da die Lage der Beschichtung die Wirkung der Isolierverglasungen beeinflusst, sollte bei ihrem Einbau auf die Aus-

0

5

Optimierung des Strahlungsdurchgangs Transparenz ist, wie auch bei einigen Kunststoffen, die herausragende Eigenschaft von Glas. Wie alle Materialien absorbiert es Strahlung. Diese Absorption findet jedoch im für den Menschen nicht sichtbaren Bereich statt. Die drei Koeffizienten Absorption (A), Reflexion (R) und Transmission (T) treten in einen materialspezifischen Zusammenhang und ergeben in der Summe 100 %. Wichtige Kennwerte sind in diesem Zusammenhang (Abb. B 5.23): • Transmissionsgrad τ • Gesamtenergiedurchlassgrad g • Emissivität ε Bei der Absorption wird die Strahlung in Wärme umgewandelt und in der Materialstruktur weitergeleitet. Die Materialoberfläche gibt sie dann wieder als langwellige Strahlung ab. Bei der Reflexion wird die Strahlung an der Oberfläche zurückgeworfen. Je flacher dabei der Einfallswinkel der Strahlung, desto höher ist der reflektierte Anteil – bei Glas meist ab etwa 60 ° signifikant. Ein Großteil der Strahlung durchquert das Material ohne physikalische Veränderung. Dieser Prozess entspricht der Transmission (T), die mit dem Transmissionsgrad τ angegeben wird; sie lässt das Glas besonders transparent wirken. Im Gegensatz zum Verständnis der Wärmelehre bezeichnet der Transmissionsgrad hier also die Strahlungsdurchlässigkeit und nicht den Energieübergang mittels Wärmeleitung. Bei Sondergläsern (z. B. für Solarmodule) kann der Transmissionsgrad bis zu 98 % betragen. Auch bei Fensterglas wird versucht, Absorption und Reflexion gering zu halten und die Transmission zu erhöhen. Hier spielen jedoch weitere Faktoren wie die Farbwiedergabe eine zusätzliche Rolle. Glas ist nicht in jedem Spektralbereich gleich transparent. Natürlicher Lichteinfall und - farbe bedingen jedoch Raumwirkung und Behaglichkeit. Daher wird für Gläser neben der Tageslichttransmission TL auch die Farbwieder-

Material

technische Werte verschiedener

Wärmeschutzverglasung

Isolierglasscheiben

Zweischeiben-Isoliervergl.

Maße (Scheibe / Zwischenraum / Scheibe) [mm]

Vierscheiben-Isoliervergl.

Zweischeibenverglasung

eine Scheibe beschichtet

zwei Scheiben beschichtet

vierfach beschichtet

eine Scheibe beschichtet

4 - 15 - 4

4 - 12 - 4 - 12 - 4

6 - 12 - 6 - 12 - 6 - 12 - 6

6 - 16 - 4

6 - 16 - 4

ε ≤ 0,05

ε ≤ 0,05

ε = 0,02

farbneutral1

blau1

grün1

Argon

Argon

Argon

Art des Glaszwischenraums (Gaskonzentration ≥ 90 %) Luft

Argon

Krypton

Argon

Krypton

Krypton

6 - 16 - 4

1,5

1,2

1,1

0,8

0,5

0,31

1,1

1,1

1,1

[%]

64

64

64

52

52

381

37

24

28

Lichtdurchlässigkeit1

TL [%]

81

81

81

72

72

591

67

40

55

Lichtreflexion1

RL [%]

12

12

9

14

14

181

11 / 122

10 / 332

9 / 122

Farbwiedergabe1

Ra [%]

98

98

98

96

96

k. A.

96 / 942

95 / 702

86 / 882

Ug-Wert nach EN ISO 10077-1

Ug [W / m2K]

Sonnenschutzverglasung Dreischeiben-Isoliervergl.

Gesamtenergiedurchlasskoeffizient1 g

1

exemplarische Herstellerangaben 2 Werte gelten für innen / außen B 5.28

richtung entsprechend ihrer Kennzeichnung geachtet werden. Es gibt auch Einfachverglasungen mit einer Low-E-Beschichtung, die allein einen U-Wert von ca. 3,6 W / m2K besitzen. »Hard-coating«-Beschichtungen zeichnen sich durch ihre Unempfindlichkeit aus und lassen sich daher auch ungeschützt zum Raum hin orientieren, was die energetische Wirksamkeit erhöht. Dies ist vor allem bei der Sanierung interessant. So lassen sich bestehende Fensterflächen mit addierten Elementen oder als Kastenfenster optimieren und damit alte Bauteile erhalten. Konvektion bei Wärmeschutzgläsern Das Maß für den Scheibenzwischenraum (SZR) liegt in der Regel zwischen 8 und 20 mm, um Konvektionsprozesse des Gases zu reduzieren. Diese sind abhängig vom verwendeten Gas (Abb. B 5.24). Eine Aufteilung des Scheibenzwischenraums in

mehrere Schichten kann die Konvektion weiter vermindern und die Dämmeigenschaften der Gläser verbessern. Bei der Dreischeiben-Isolierverglasung wird das innen liegende Glas gleichzeitig als Träger einer zweiten Wärmeschutzbeschichtung genutzt. Mit Krypton- oder Xenon-Füllung des Zwischenraums sind UgWerte von bis zu 0,4 W / m2K möglich. Dabei sinkt jedoch der g-Wert der Scheibe auf etwa 0,4 ab. Mittlerweile sind Vierscheiben-Isolierverglasungen erhältlich; Dicke und Gewicht der Scheibe steigen jedoch erheblich. Alternativ gibt es Aufbauten, die die innen liegenden Glasscheiben durch Kunststofffolien ersetzen (Abb. B 5.33). Die Dicke eines solchen Bauteils redutziert sich dann auf bis zu 23 mm; der g-Wert beträgt 0,43, der U-Wert 0,45. Transmission bei transparenten Bauteilen Glas besitzt eine amorphe Struktur und dadurch eine im Verhältnis zu gleich schweren

Gläser

Lichttransmission

Zweifach-Isolierglas, Ug-Wert = 1,8, g-Wert = 0,70

0,81

Süd Ueq 0,12

Ost / West Ueq 0,540

Nord Ueq 0,960

Zweifach-Isolierglas, Ug-Wert = 1,3, g-Wert = 0,62

0,77

- 0,188

0,184

0,556

Zweifach-Isolierglas, Ug-Wert = 1,1, g-Wert = 0,58

0,76

- 0,292

0,056

0,404

Dreifach-Isolierglas, Ug-Wert = 0,7, g-Wert = 0,40

0,60

- 0,260

- 0,020

- 0,020

Vierfach-Isolierglas, Ug-Wert = 0,3, g-Wert = 0,38

0,59

- 0,612

- 0,384

- 0,156 B 5.29

transparente Bauteile

Ug-Wert Tageslicht- g-Wert nach transnach DIN EN 673 mission DIN EN 410

Einfachglas

5,8 3,8 5,8 5,8

0,90 0,67 0,92 0,75

0,85 0,62 0,92 0,52

Zweifach-Isolierglas Wärmeschutzglas, luftgefüllt Wärmeschutzglas, argongefüllt neutrales Sonnenschutzglas, argongefüllt neutrales Sonnenschutzglas, argongefüllt neutrales Sonnenschutzglas, argongefüllt neutrales Sonnenschutzglas, argongefüllt neutrales Sonnenschutzglas, argongefüllt

1,4 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1

0,80 0,80 0,70 0,62 0,51 0,40 0,30

0,63 0,63 0,41 0,34 0,28 0,24 0,19

Dreifach-Isolierglas Wärmeschutzglas mit 2 Beschichtungen, argongefüllt Wärmeschutzglas mit 2 Beschichtungen, kryptongefüllt

0,7 0,5

0,72 0,72

0,50 0,50

Floatglas Floatglas mit Low-E-Beschichtung Weißglas Verbund-Einfachglas mit einlaminierter Sonnenschutzfolie

Vierfach-Isolierglas Wärmeschutzglas mit 4 Beschichtungen, kryptongefüllt

0,3*

0,59*

0,38*

Stegplatte

1,5*

0,70

0,60*

Polycarbonat

*Herstellerangabe

Baustoffen wie z. B. Beton reduzierte Transmission. Dennoch liegt aufgrund der Rohdichte dieser Wert mit etwa 0,8 W / mK relativ hoch, im Gegensatz zu Beton mit ca. 2,1 W / mK (Abb. B 5.6). Um die Leitfähigkeit des Aufbaus zu verringern, werden im Glaszwischenraum anstelle getrockneter Luft noch geringer leitende Edelgase wie Argon, Xenon oder Krypton verwendet (Abb. B 5.24). Gegenüber einer Luftfüllung verbessern sie die U-Werte bei Zweischeibenkonstruktionen um etwa 0,3 W / m2K. Argon wird wegen seiner hohen Verfügbarkeit und somit leichteren Gewinnung am häufigsten verwendet. Xenon und Krypton besitzen bessere thermische Eigenschaften, kommen jedoch nur begrenzt in der Luft vor, was ihren Produktionsprozess sehr aufwendig und kostenintensiv macht. Durch ein Vakuum im Scheibenzwischenraum lässt sich die Wärmeleitung weiter reduzieren. Die Dämmwirkung des Vakuums ist unabhängig vom Abstand der Scheiben, was technisch Scheibenabstände von unter 1 mm ermöglicht. Dann herrscht im Glaszwischenraum ein Unterdruck von etwa 10-3 bar. Da sich die Glasscheiben bei Unterdruck durchbiegen und sich dabei entweder berühren oder zerbrechen würden, sind Abstandhalter zwischen den Glasscheiben notwendig. Sie können punktuell oder flächig, z. B. aus pyrogener Kieselsäure oder durch einen Klebstoff, ausgebildet werden. Flächige Abstandhalter erzielen durch ihre transluzente Wirkung auch einen spezifischen optischen Effekt (Abb. B 5.27). Eine Zweischeiben-Isolierverglasung mit Vakuum kann Ug-Werte von bis zu 0,5 W / m2K erreichen, Dreifachverglasungen erzielen sogar Werte von 0,3 W / m2K. Noch bessere Werte lassen sich bisher nicht erreichen, da der dichte, stabilisierende Randverbund immer eine Wärmebrücke darstellt. Der am häufigsten verwendete, geklebte metallische Randverbund besteht aus einer doppelten Dichtung, einem metallischen Abstandhalter und einem integrierten Feuchtigkeitsabsorptionsmittel (Abb. B 5.25). Der lineare Wärmedurchlasskoeffizient Ψ einer solchen Konstruktion liegt zwischen 0,9 und 2,2 W / mK. Deshalb kann am Scheibenrand Tauwasser ausfallen.

B 5.30

155

Material

B 5.31 B 5.32

B 5.33 B 5.34 B 5.35

B 5.36 B 5.37 B 5.38 B 5.39

Kennwerte klassischer Fensterrahmenmaterialien thermisch getrennte Fensterprofile aus: a Holz b Holz / Kunststoff c Kunststoff d Kunststoff / Metall beispielhafte Isometrie einer Glas-Folien-Kombination Ermittlung des Uw-Werts nach CEN / TC89 / W67 Berechnung der Strahlungsbilanz einer Verglasung mit und ohne Berücksichtigung der Verschattung Auswirkung von Fensterproportionen auf den Uw-Wert Dach mit lichtlenkenden Hologrammen, Universität Bremen (D) 2001, Jan Störmer Architekten Sonnenschutz durch Bedruckung, Museum, Stuttgart (D) 2004, Hascher Jehle elektrochromes Glas in transparentem und tiefblauem Zustand

Material

Wärmeleitfähigkeit [W / mK]

Uf-Wert [W / m2K] 1 typisch möglich

Holz

0,12

1,5

1,3 2

1,1

0,9 2

2

1,1

1,0 2

1,0

0,8

Aluminium

220

1,5

1,2

Kunststoff

0,16

1,3

1,0

Uw-Wert [W / m2K] 1 typisch möglich

1

ausgehend von einer Dreifach-Isolierverglasung, bezogen auf einen durchschnittlichen Rahmenanteil von 25 % 2 Geringere Werte lassen sich nur durch zusätzliche Dämmschichten als Verbundfenster ermöglichen. Damit sind für alle Materialien Uf-Werte bis 1,0 und Uw-Werte bis 0,8 erreichbar. Als Verbundmaterial für Aluminium stehen Holz, Holzwerkstoffe oder Kunststoff zur Verfügung. Holzrahmen sind als Verbund mit Kunststoff möglich. B 5.31

a

b

c

d

B 5.32

1 2

3

4

5 6

1 Isolationszone 2 Flügelfalzdichtung 3 Aluminium 4 Trockenmittel 5 Folie 6 Glas innen

außen

B 5.33

156

Je besser die eigentliche Dämmwirkung der Verglasung und je kleiner das Scheibenmaß, desto größer sind die negativen Wirkungen des Randverbunds. Bei einem 2 ≈ 2 m großen Fenster mit einem U-Wert in der Scheibenmitte von 0,4 W / m2K verschlechtert sich der Ug-Wert der Konstruktion bei einem Aluminium-Randverbund auf 0,58 W / m2K, d. h. um 45 %. Ein thermisch getrennter Randverbund dagegen führt nur zu einer Verschlechterung des Kennwerts um ca. 22 %, was einem Ug-Wert von 0,49 W / m2K entspricht (Abb. B 5.36). Da die Oberflächentemperaturen der Verglasung bei einem solchen Verbund zum Rand und in den Ecken nicht mehr wie sonst üblich stark abfallen, spricht man hierbei auch von einer »warm edge«. Sie verhindert damit einen sonst möglichen Tauwasserausfall am Scheibenrand. Die hierzu erforderlichen Abstandhalter bestehen aus UV-resistentem, gasdichten Kunststoff. Der Rahmen eines Fensters ist ein bedeutender energetischer Verlustfaktor. Er weist typischerweise einen schlechteren U-Wert als die Verglasung auf und verringert die für den Eintrag solarer Strahlung verfügbare Fläche. Fensterrahmen bestehen aus Holz, Kunststoff oder Metall (Abb. B 5.31). Holz als Grundstoff besitzt zunächst die besten thermischen Kennwerte, die Uf-Werte liegen hier zwischen 1,5 und 2,1 W / m2K. Die Möglichkeit der einfachen Produktion thermisch optimierter Strangprofile lässt jedoch in Bezug auf den Energiedurchlass Kunststoffrahmen heutzutage meist besser abscheiden. Metallische Fensterrahmen sind thermisch ungünstig, können aber durch besonders schlanke Profile und damit geringere thermische Verlustflächen ihre Nachteile in gewissem Maße aufwiegen. Sie sind besonders witterungsbeständig und besitzen so eine hohe Dauerhaftigkeit. Mit der Notwendigkeit energetischer Verbesserungen erscheinen mehr und mehr thermisch optimierte Verbundrahmen aus Holz oder Kunststoff auf dem Markt. Die dämmende Schicht wird entweder auf der Außenseite des Rahmens aufgebracht, wobei das äußere Erscheinungsbild durch eine Blende bestimmt ist, oder die Dämmschicht befindet sich in der Glasebene zwischen den beiden Halbschalen.

PUR-Schaum gedämmte Konstruktionen ermöglichen so die Verwendung besser tragender und aussteifender Rahmenmaterialien aus Stahl oder glasfaserverstärkten Polyolefin-Profilen (Abb. B 5.32). Die thermische und konstruktive Bauteiloptimierung kann später das Recycling einschränken. Ist der U-Wert des Rahmens schlechter als die Verglasung, ermöglicht eine erhöhte Glaseinstandtiefe bzw. Glasfalztiefe eine Verbesserung des Uw- Werts. Eine thermisch getrennte Verklotzung der Scheiben im Rahmen verringert den Uw-Wert eines Fensters weiter. Warmfenster, wie sie z. B. in Passivhäusern verwendet werden, erreichen so Uf-Werte von deutlich unter 1,0 W / m2K. Durch die Ausbildung größerer Fensterflächen und verringerter Rahmenanteile ergibt sich ein weiteres energetisches Optimierungspotenzial. Strahlungsbilanz einer Verglasung Die Errechnung des Gesamtwärmedurchgangskoeffizienten Uw für eine Verglasung erfolgt nach EU-Norm CEN / TC89 / W67 (Abb. B 5.34). Dieser Kennwert berücksichtigt jedoch nur den Energieverlust durch ein Fenster. Aus Ug-Wert und g-Wert lässt sich der dynamische Ueq-Wert errechnen. Dieser von Gerd Hauser und Lothar Rouvel eingeführte Kennwert versucht überschlägig, das Potenzial des Energieeintrags über die Verglasung im U-Wert zu berücksichtigen. Er ist somit einstrahlungsund damit standortspezifisch und bezieht sich auf Deutschland. Darüber lässt sich für mitteleuropäische Breiten nachweisen, dass eine Dreifachverglasung im Verhältnis zu einer Zweifachverglasung mit höherem g-Wert auf der Südseite eines Gebäudes kaum zu einem höheren Energieeintrag führt. Auf den Ost- und Westseiten und insbesondere auf der Nordseite besitzt jedoch die Dreifachverglasung deutliche Vorteile (Abb. B 5.29). Reichert man die Gleichung zusätzlich mit den Verschattungsfaktoren (F) nach DIN 4108-6 an, so lässt sich auch die Auswirkung der tatsächlichen Gebäudeumgebung in der Betrachtung berücksichtigen (Abb. B 5.35). Lichtlenkende Gläser

Auftretende Blendeffekte werden durch Diffu-

Material

Ueq = Ug - (g · S) Uw =

Ag · Ug + U · Ψ + Af · Uf

Ug U-Wert der Verglasung [W / m2K]

Ag + Af

bei UScheibenmitte [W / m2K]

g g-Wert der Verglasung [-]

Uw Gesamtwärmedurchgangskoeffizient der Verglasung [W / m2K]

1,3

S Strahlungsgewinne in Abhängigkeit von der Orientierung: Süd Ost / West Nord

2

Ag Fläche der Verglasung [m ]

Maße

2,4 W / m2K 1,8 W / m2K 1,2 W / m2K

2

Ug U-Wert der Verglasung [W / m K] U

Ueq = Ug - (g · S · Fh· Fo · Ff)

Umfang der Glasfläche [m]

Ψ linearer Wärmedurchlasskoeffizient des Randverbundes [W / mK]

Fh Teilbeschattungsbeiwert Horizontwinkel

Af Fläche des Rahmens [m2]

Fo Teilbeschattungsbeiwert Überhangwinkel

Uf U-Wert des Rahmens [W / m2K]

Fs Teilbeschattungsbeiwert Seitenwinkel

Material Abstandhalter

0,9

0,4

Uw-Wert inkl. Randverbund

0,6 ≈ 0,6 m Aluminium 1,61 thermisch getrennt 1,48

1,27 1,12

0,76 0,58

1,0 ≈ 1,0 m Aluminium 1,56 thermisch getrennt 1,45

1,21 1,08

0,70 0,55

2,0 ≈ 2,0 m Aluminium 1,46 thermisch getrennt 1,39

1,09 1,01

0,58 0,49

3,0 ≈ 3,0 m Aluminium 1,41 thermisch getrennt 1,36

1,03 0,98

0,53 0,46

B 5.34

B 5.35

B 5.36

soren verhindert. Als einfache Konstruktion erhöhen mattierte Gläser die diffuse Abstrahlung des Lichts im Raum. Kammerstrukturen, wie sie bei transparenter Wärmedämmung verwendet werden, erzeugen einen ähnlichen Effekt. Eine gezielte Lichtlenkung kann die Ausleuchtung des Raums ebensfalls verbessern. Prismenplatten aus Acryl innerhalb des Scheibenzwischenraums nutzen die materialbedingt höhere Winkelselektivität. Die direkte Einstrahlung reflektiert in Abhängigkeit vom Einstrahlungswinkel entweder nach außen oder an die Raumdecke; die diffuse Strahlung kann jedoch ungehindert passieren. Für eine bessere Sichtbeziehung nach außen bei gleichzeitig reduziertem Blendschutz sorgt die Verkleinerung der Prismen. Sie sind als »Laser Cut Panels« (LCP) auf dem Markt erhältlich und müssen spezifisch für den Einsatzort und den Einstrahlungswinkel hergestellt werden. Optische Linsen lenken Licht gezielt in die Tiefe des Raums. Da solche Bauteile teuer und – soweit beweglich – wartungsanfällig sind, können an ihrer Stelle »holografisch-optische Elemente« (HOE) eingesetzt werden, die sich neben der Lichtlenkung auch für den Einsatz als Sonnenschutz oder oder zur Lichtkonzentration für PV-Module eignen (Abb. B 5.37; siehe auch Gebäudehülle, S. 104).

temen auch Sonnenschutzgläser zur Verfügung (siehe Gebäudehülle, S. 98, Abb. B 3.61). Einfache Konstruktionen nutzen Emaillierung oder Bedruckung der Glasflächen zur Verringerung des Energieeintrags. Reflektierende Beschichtungen der äußeren Scheibe können ebenso zum Sonnenschutz eines Gebäudes beitragen. Damit geht jedoch die transparente Wirkung der Verglasung verloren (Abb. B 5.38). Selektive Beschichtungen, z. B. nach außen wirkende Low-E-Beschichtungen, ermöglichen die Eingrenzung des Energieeintrags ohne Verlust der Transparenz. Wie aus Abb. B 5.28 hervorgeht, ist jedoch gerade bei der Verwendung von Sonnenschutzbeschichtungen die Farbwiedergabe der Gläser zu prüfen.

etwa 1 mm starken Polymerfolie, die durch Anlegen einer elektrischen Spannung den Gesamtenergiedurchlass des Glases reguliert. Das Glas wechselt dabei zwischen transparentem und tiefblauem Zustand. Durch die Schicht ist eine Reduzierung des Energiedurchlasses auf maximal 20 % erzielbar. Elektrochrome Gläser eignen sich daher als Sonnen- und Blendschutz (Abb. B 5.39). Ähnlich verhalten sich Schichten aus mikroverkapselten Flüssigkristallen (Liquid Crystal, LC). Sie variieren die Transmission zwischen 76 % im transparenten und 48 % im diffus streuenden Zustand, in dem sie milchig wirken. Gasochrome Verglasungen verfärben sich durch Einlagerung von katalytisch erzeugtem Wasserstoff blau und entfärben sich, wenn Luft zugeführt wird. Die Lichttransmissionswerte differieren dabei zwischen 15 und 60 %. Für deren Steuerung ist pro 10 m2 Fläche ein regulierendes Gasversorgungsgerät notwendig. Ohne Steuerung kommen photo- und thermotrope Gläser aus. Die Veränderung phototroper Gläser basiert auf Metallionen (z. B. Silberionen), die Regulation findet in Abhängigkeit von der UV-Strahlung statt. Thermotrope Gläser basieren auf einer Zweistoffschicht, die sich ab einer bestimmten Temperatur entmischt. Das Glas streut dann diffus die einfallende Lichtstrahlung und erscheint transluzent.

Adaptive Verglasungen Gläser mit veränderbaren Eigenschaften erschließen neue Anwendungsbereiche. Die wichtigsten Produkte sind: • • • •

elektrochrome Gläser Flüssigkristallgläser gasochrome Gläser photo- oder thermotrope Gläser

Um den Energieeintrag über die Glasflächen zu reduzieren, stehen neben Sonnenschutzsys-

Selbstständig oder durch Steuerung reagieren die so beschichteten Verglasungen auf Umwelteinflüsse und wechseln vom licht- und strahlungsdurchlässigen in einen lichtstreuenden, verdunkelnden oder reflektierenden Zustand. Elektrochrome Schichten bestehen aus einer

B 5.37

B 5.38

Sonnenschutzgläser

Regulierung des Wärmeflusses

Überwärmungseffekte entstehen entweder

B 5.39

157

Oberfläche Aluminium, poliert Asphalt Blätter, grün Dachpappe, schwarz Eisen, verzinkt Eisen, rau Gold, poliert Kupfer, poliert Kupfer, oxidiert Marmor, weiß Schiefer Schnee, sauber Silber, poliert Ziegel, rot Zink, weiß

Wärmeabsorptionsgrad [%] 0,20 0,93 0,71 − 0,79 0,82 0,38 0,75 0,29 0,18 0,70 0,46 0,88 0,20 − 0,35 0,13 0,75 0,22

Wärmestrom [W m 2]

Material

12

1 Dämmung

1

10

4

B 5.44

B 5.45

B 5.46 B 5.47 B 5.48 B 5.49

a

i

a

3 Putz, Mauerwerk Dämmung, Luftraum Mauerwerk, Putz 4 Putz, Hochlochziegel, Putz

0 -2 8

12

16

24 20 Tageszeit [h] B 5.41

Die darüber erzielbare Energieeinsparung kann in mitteleuropäischen Breiten bis zu 8 % des Heizenergiebedarfs betragen. Ist ein Energieeintrag nicht gewünscht, sind die Oberflächen möglichst hell zu gestalten, wie z. B. im Mittelmeerraum üblich. Wärmespeicherfähigkeit Je geringer die Speichermasse eines Gebäudes ist, desto eher stellt sich ein »Barackenklima« ein – ein Innenraumklima mit hohen Temperatur- und Feuchteschwankungen, das oft als unbehaglich empfunden wird. Materialien mit hoher Wärmespeicherfähigkeit ermöglichen, Überwärmungseffekte zeitweise abzupuffern. Die Wärmespeicherfähigkeit hängt von der spezifischen Wärmekapazität und der Rohdichte des Bauteils ab. Nach DIN V 4108-6 kann die wirksame Wärmespeicherfähigkeit berechnet werden (Abb. B 5.46). Schwere Materialien wie Naturstein oder Beton besitzen aufgrund ihrer hohen Rohdichte gute Speichereigenschaften, aber auch Holz bietet sich zur Speicherung von Wärme an. Organische Materialien verfügen über eine höhere spezifische Wärmekapazität als massive mineralische Baustoffe, d. h. sie können in der Regel pro Kilogramm Gewicht mehr Wärmeenergie aufnehmen. (Abb. B 5.49). Weitgehend unabhängig von der Masse kann eine erhöhte Speicherfähigkeit durch Integration von »Phase Change Material« (PCM) erzielt werden. In PCM wird Wärme am Phasenüber-

gang von Baustoffen (fest zu flüssig bzw. flüssig zu gasförmig) in chemische Energie umgewandelt. Das Material verändert dabei seine innere Struktur. Die so erzeugte erhöhte Speicherfähigkeit steht allerdings nur am Phasenübergang und damit in einem begrenzten Temperaturspektrum zur Verfügung. Paraffin, ein langkettiger Kohlenstoff, ist der Grundstoff für die meisten im Bauwesen verwendeten Latentspeichermaterialien (Abb. B 5.42). Er verhindert insbesondere sommerliche Überhitzung, kann aber bei spezifischer Einstellung der Temperatur des Phasenübergangs auch das kurzzeitige Auskühlen eines Gebäudes vermeiden. PCM kann als eigenes Volumen in ein Gebäude eingebracht werden. Meist wird es jedoch mikroverkapselt als Zuschlag anderer Baustoffe verwendet, z. B. von Gips- oder Holzfaserplatten. Phasenverschiebung Gespeicherte Wärme wird nach einer gewissen Zeit vom Material weitgehend in Form von Strahlungswärme emittiert. Als Bestandteil der gefühlten Temperatur ermöglicht dies u. U. eine Senkung der Raumlufttemperatur. Der Zeitraum zwischen Energieabsorption und -emission wird als Phasenverschiebung bezeichnet. Insbesondere dort, wo die Energiebilanz vor allem durch äußere Einflüsse (z. B. im Wohnungsbau) bestimmt wird, lässt sich die Phasenverschiebung durch das Material gut nutzen. Bauteile wie massive Wände oder De-

Wärmeabsorptionsgrade verschiedener Oberflächen Wärmestrom durch verschiedene Wandaufbauten PCM-Fassade, Altenwohnanlage, Domat / Ems (CH) 2004, Dietrich Schwarz Lehmspeicherwand, Informationszentrum, Wangelin (D) 2002, Günter zur Nieden Feuchteabsorption verschiedener Wandbeschichtungen bei einem Feuchtesprung von 50 % auf 80 % Wasserdampfadsorptionspotenzial unterschiedlicher Lehmputze in Abhängigkeit ihrer Schichtdicke Berechnung der wirksamen Wärmespeicherfähigkeit nach DIN V 4108-6 »ökologische Rucksäcke« (durch Material erzeugte Stoffströme) verschiedener Materialien Berechnung der Temperaturleitzahl technischer Vergleich speichernder Baustoffe B 5.42

158

i

2 Putz, Dämmung Mauerwerk, Putz

2

Absorption und Reflexion Über Absorption nimmt das Material Wärmeenergie auf; der Rest wird in den Raum reflektiert. Je dunkler die Farbe des Materials, desto stärker absorbiert und emittiert es Strahlungswärme. Je nach Farbwahl verändern sich so die Geschwindigkeiten der Energieaufnahme und -abgabe. Auf einen definierten Zeitraum bezogen steigt hierdurch die aufnehmbare Wärmemenge, die im Baustoff gebunden werden kann. So lassen sich Oberflächen über ihren Absorptionsgrad und damit auch ihre Farbigkeit energetisch optimieren (Abb. B 5.40).

B 5.43

a

6

B 5.40

B 5.42

i

3

4

infolge von hohem Energieeintrag durch Transmission und Lüftung oder durch hohe innere Wärmelasten. Grundsätzlich wird der sommerliche Wärmeschutz durch DIN 4108-2 raumweise geregelt (siehe Gebäudehülle, S. 95). Materialien bieten über die drei physikalischen Prozesse Absorption, Wärmespeicherfähigkeit und Phasenverschiebung die Möglichkeit, den Wärmefluss zu regulieren. Sie können so zur Glättung der Temperaturamplitude beitragen, was eine erhöhte thermische Behaglichkeit im Innenraum bedeutet (Abb. B 5.41). Je nach Nutzungstypus kann es jedoch auch sinnvoll sein, Speichermassen zu reduzieren. Die entsprechende Leistung ist dann mit technischen Systemen bereitzustellen. Diese Strategie kann etwa bei Versammlungsräumen mit hohen und schnell auftretenden internen Lasten sinnvoll sein.

B 5.41

a

2

8

4

B 5.40

i

B 5.43

50 40 30 20 10 0

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20 22 24 Zeit [h] stark sorbierender Lehmputz, Putz auf Lehmbauplatte (20 mm) Mittelwert aus 7 unterKalziumsilikat-Platte suchten Lehmputzen Kalkputz gering sorbierender Maschinengipsputz Lehmputz (3 mm) gipsgebundener Kalkzementputz Haftputz

60

Cwirk = Σ (ci · ρi · di · Ai)

Lehmputz 25mm 50

Cwirk wirksame Speicherfähigkeit 40

Lehmputz 15mm

30

10

Lehmputz 2mm

2

4

6

8

10

Rohdichte [kg / m3]

d

Schichtdicke [m]

A

Fläche des Bauteils zum Raum [m2]

i beinhaltet alle Schichten mit der Schichtdicke d bis zu 10 cm Gesamtdicke über die Fläche A, die nicht durch eine Dämmschicht (¬ < 0,1 W / mK und R ≥ 0,25 m2K / W) vom Raum getrennt sind. Von beiden Seiten aktivierte Bauteile werden zur Hälfte angerechnet.

12 Zeit [h]

B 5.44

B 5.45

cken leisten die Aufnahme und zeitversetzte Abgabe solarer Energie an den Raum und ermöglichen das Konzept der Nachtauskühlung (Abb. B 5.43). Die Phasenverschiebung ist besonders hoch, wenn ein Material über eine hohe wirksame Speicherfähigkeit bei gleichzeitig geringer Wärmeleitung verfügt. Eine geringe Temperaturleitzahl zeigt dabei eine hohe Phasenverschiebung des Materials an (Abb. B 5.48). Dämmund Speicherwirkung in einem Material schließen sich jedoch weitgehend aus. Eine Ausnahme bilden Holzfaserdämmplatten. Diese bieten sich entsprechend für die Dämmung zwischen temperierten und energiegewinnenden Gebäudezonen z. B. Atrien oder Wintergärten an. Des Weiteren können sie in Bereichen mit geringen vorhandenen Speichermassen eingesetzt werden, wie z. B. in ausgebauten Dachgeschossen.

Stunden bis zum Erreichen der Gleichgewichtsfeuchte, eine Schicht von 15 mm kann hingegen über 12 Stunden regulierend wirken (Abb. B 5.45).

Sorptionsfähigkeit Je nach Material wird nicht nur der Wärmestrom beeinflusst, sondern auch der Feuchtehaushalt reguliert. Da die Luftfeuchte Auswirkungen auf die gefühlte Raumtemperatur des Menschen hat – im Behaglichkeitsbereich erhöht sich mit je 10 % höherer Luftfeuchte die gefühlte Raumtemperatur um 0,3 °C –, spielt die Sorption auch energetisch eine Rolle. Ihr Hauptnutzen liegt jedoch in der höheren Behaglichkeit. Jeder Baustoff verfügt über eine eigene Gleichgewichtsfeuchte, die in Abhängigkeit von Temperatur und Luftfeuchte üblicherweise über Sorptionsisothermen dargestellt wird. Die Sorption von Wasserdampf aus der Luft ist bei einem Baustoff besonders ausgeprägt, wenn dieser eine große innere Oberfläche, d. h. einen hohen Anteil von sehr feinen Poren aufweist (Abb.B 5.44). Der Prozess der Adsorption kann bei Lehm, Holz oder Gips fließend in Kapillarprozesse übergehen, die auch tiefere Baustoffschichten zur Sorption aktivieren (Abb. B 5.44). Die Auswahl sorptiver Materialien sollte klimatische (z. B. typische Klimaumschwünge) und nutzungsbedingte Faktoren (z. B. ein stoßartiger Feuchteeintrag durch große Menschenmengen) berücksichtigen. So benötigt eine Lehmputzschicht von 2 mm bei einer Erhöhung der relativen Luftfeuchte von 50 auf 80 % nur etwa zwei

spez. Wärmespeicherkapazität [J / kgK]

ρ

Lehmputz 5mm

20

0

c

B 5.46 1:0,65 10Mrd. t Sand und Kies

Gebundene Energie

1: 1,2

1: 6

Natursteine

Steinkohle

Entropie Die Entropie stellt die Schnittstelle zwischen Ressourcen- und Energieverbrauch dar. Sie entsteht, wenn sich Rohstoffkomponenten und Stoffströme während der Produktionsprozesse vermengen und nur mit hohem Energieaufwand wieder voneinander getrennt werden können (siehe Grundlagen, S. 43). Ziel ist daher, wenige Stoffströme zu generieren und sie im Sinne einer geringen Entropie möglichst wenig miteinander zu vermischen. Zur Herstellung von Aluminium beispielsweise, einer der energiereichsten Baustoffe, ist neben einem hohen Energie- auch ein hoher Wasserverbrauch zur Aufbereitung und Anreicherung des Bauxits notwendig. Das Abwasser enthält wiederum stark toxische Schwermetalle. Andererseits verfügt Aluminium über eine hohe Dauerhaftigkeit und lässt sich gut recyceln. Innerhalb der Produktion gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Entropie zu verringern:

1: 11

BraunZement kohle

1: 14 1:0,3 Phosphat 1: 34 Bauxit

1: 10

Eisen Steinsalz

Gips

Tonsteine, Lehme

100 Mio. t

1:0,9 Schwefel Kalisalze

Manganerz Kaolin

10Mio. t Chromit Zink Bentonit Asbest

Magnesit Kupfer Baryt

1 : 420

Talk, Pyrophyllit

Blei 1: 19

Fluorit Titandioxid

Feldspat

1Mio. t

Silber Gold Platin

Rohstoffe Rucksäcke

1 :7500

1 : 350 000

B 5.47

a = λ/ρ⋅c a

Temperaturleitzahl

λ

Wärmeleitfähigkeit [W / mK]

ρ

Rohdichte [kg]

c

spez. Wärmespeicherkapazität [J / kgK] B 5.48

Werkstoff

RohWärmedichte ρ kapazität c 3 [kg / m ] [kJ / kgK]

Naturstein 2700 Beton 2300 Holzbeton 1100 Konstruktionsholz 500 PCM – mikroverkapselter Wachs ca. 6001 Wasser, flüssig 1000 1

• lokale Gewinnung oder Verarbeitung • Wiederverwertung von Altmaterial oder Her-

1 : 0,1 Erdöl

1: 2

1000Mio. t

Um den Gebäudebetrieb vor zu hohem Energieverbrauch zu schützen oder den Wärmefluss zu regulieren, bedarf es Materie. Sie wird, unter Verwendung von Energie, in einen Baustoff oder ein Bauteil umgewandelt. Die Baustoffherstellung und der Bau binden einen erheblichen Anteil am Gesamtenergiebedarf eines Gebäudes (siehe Strategien, S. 187, Abb. B 6.29). Auch wenn das Bauwesen in der Regel langlebige Produkte erzeugt, bleibt es dennoch der mit Abstand größte Ressourcenverbraucher. In diesem Zusammenhang drängen sich Fragen nach einer geeigneten Materialwahl unter Gesichtspunkten des Energieverbrauchs und der Umweltwirkungen auf. Damit verbunden sein sollte eine deutliche Verringerung der Materialmengen und damit der Massenströme für das Bauen.

Produktion [t] im Jahr 1983

70 60

Wasserdampfadsorption [g / m2]

Wasserdampfsorption [g/ m2]

Material

2

1,0 1,0 1,2 1,6 2,12 4,2

Schüttdichte (Rohdichte ca. 1000 kg / m3) zzgl. Schmelzenthalpie 110 kJ / kg in einem Temperaturbereich von 3 – 4 °C B 5.49

159

Material

Werkstoffauswahl

Lebensdauer maximieren

Werkstoffmenge minimieren Werkstoffe mit günstiger Ökobilanz homogen, unbehandelt Stoffflüsse minimieren

Konstruktive Gestaltung

B 5.50 B 5.51 B 5.52

B 5.53

Themenfelder der lebenszyklusgerechten Planung zur Reduktion der grauen Energie Primärenergieinhalt verschiedener Transportarten Primärenergieinhalt von Konstruktionswerkstoffen in Abhängigkeit von verschiedenen Lastfällen energetische Kennwerte typischer im Bauwesen verwendeter Materialien

Werkstoffdeklarationen Differenzierung nach Lebensdauer Standardmaße Integration von Revisionsmöglichkeiten

Weiterverwendbarkeit ermöglichen

Ausführung reversible Verbindungen konstruktive Fugen Vorfabrikation

Rückbaumöglichkeit maximieren B 5.50

stellungsabfällen • klare Trennung von Prozessketten, etwa durch Produktion von recycelbaren, sortenreinen Nebenprodukten • minimierte Verpackung • kurze Transportwege Auch die Art des Materialeinsatzes bzw. der Baukonstruktion beeinflusst die Entropie. Bei heutigen Wärmedämmverbundsystemen ist häufig die dämmende Schicht mit dem Untergrund verklebt und wird durch eine ebenso vollflächige, kraftschlüssige Oberflächenbeschichtung geschützt. Die sortenreine Trennung der einzelnen Materialschichten ist dadurch nicht mehr möglich. Graue Energie Die innerhalb der Herstellung verwendete und damit im Material gebundene Energie bezeichnet man auch als »graue Energie«. Sie definiert die Energiemenge, die für Herstellung, Transport, Lagerung sowie Entsorgung eines Produkts benötigt wird. Absolut betrachtet, entspricht die im Gebäudebestand in Deutschland gebundene graue Energie – grob geschätzt – dem 20-fachen des für den Gebäudebetrieb notwendigen, jährlichen Energieeinsatzes. Mit fortschreitender energetischer Verbesserung der Gebäudehülle und -technik steigt die Menge der im Material vorhandenen grauen Energie nur gering an. Ihr prozentualer Anteil am Gesamtener-

gieverbrauch über die gesamte Lebensdauer des Gebäudes steigt jedoch erheblich. Bei einem Passivhaus bleibt in den Materialien, über 50 Jahre betrachtet, bis zu 50 % des gesamten Energieverbrauchs gebunden (siehe Strategien, S. 187, Abb. B 6.29). Der Effizienzsteigerung im Gebäudebetrieb muss daher immer eine Effizienzsteigerung im Materialeinsatz folgen (Abb. B 5.50). Primärenergieinhalt von Baustoffen

Der Primärenergieinhalt (PEI) weist die graue Energie eines Baustoffs aus (siehe Grundlagen, S. 50). Diese Kenngröße, die für verschiedene Bezugsgrößen angegeben wird (typischerweise in kg oder m3), unterscheidet zwischen erneuerbarem und nicht erneuerbarem Energieverbrauch. Die Einheit ist Megajoule [MJ]; 100 MJ entsprechen einem Heizwert von 2,8 l Öl und 3,6 MJ einer Kilowattstunde. Der für die Herstellung eines Baustoffs notwendige Energieverbrauch kann sich, auf das Gewicht eines Materials bezogen, um mehr als den Faktor 2000 unterscheiden. Energieaufwendige Materialien sind z. B. Metalle, Glas oder Kunststoffe; als energiearm gelten beispielsweise Lehm oder Gips. Der Architekt kann auf Basis der Informationen zum Primärenergieinhalt Baustoffalternativen prüfen und bei gleicher Leistungsfähigkeit bevorzugt solche mit geringem Anteil an grauer Energie einsetzen. Einen variablen und nicht zu unterschätzenden Beitrag zum PrimärenerWerkstoff

Transportart

PEI nicht ern. [MJ / t km]

Funktionsäquivalent Hinsichtlich des Primärenergieinhalts muss stets beachtet werden, dass Baustoffe unterschiedliche Leistungsfähigkeiten besitzen. Polytetrafluorethylen (PTFE), auch Teflon genannt, ist einer der energieaufwendigsten Kunststoffe. Er wird wegen seiner Oberflächenbeschaffenheit als Dichtstoff und Beschichtung, etwa alternativ für eine deutlich energieärmere Bitumenbahn, genutzt. Der hohe Energieeinsatz relativiert sich jedoch aufgrund der geringeren Materialstärke, die im Verhältnis zu anderen Baustoffen erforderlich ist. Das Funktionsäquivalent erleichtert die Vergleichbarkeit von Baustoffen, da es die Materialschichtdicke bei gleicher Leistungsfähigkeit angibt (siehe Anhang, S. 262). Ein besonders gutes Beispiel für die Betrachtung des Funktionsäquivalents bieten die typischen Konstruktionswerkstoffe Holz, Beton, Stahl und Aluminium. Sie werden dimensioniert nach den Kräften im Bauteil; die Aufnahmefähigkeit von Druck- oder Zugkräften sowie das E-Modul stellen somit die maßgebliche Dimensionierungsgrundlage dar (Abb. B 5.52). Environmental Product Declaration (EPD) Daten zum Primärenergieinhalt eines Produkts werden künftig als Teil der Typ-III-Umweltdeklarationen (Environmental Product Declaration,

PEI / Druck [J / kNm] [%]

PEI / Zug [J / kNm]

[%]

PEI / E-Modul [J / kNm] [%]

Beton C 35 / 40 Beton Stahlbeton (2 % Stahlanteil)

1764 4098

50 60

83 % 100 %

551 551

100 % 100 %

0,05 0,07

76 % 100 %

PEI ern. [MJ / t km]

Ziegel, Werksteine Kalksandstein Mauerziegel

2030 1663

169 139

280 % 229 %

– –

– –

– –

– –

Holz Konstruktionsholz, Kiefer Brettschichtholz

609 3578

72 358

118 % 592 %

87 421

16 % 76 %

0,06 0,33

80 % 469 %

188 400 204 100 411 840 753 380

554 454 824 1838

916 % 750 % 1362 % 3038 %

554 498 824 1838

101 % 90 % 149 % 333 %

0,89 0,96 1,96 10,76

1281 % 1388 % 2827 % 15 513 %

35 000

50

83 %

1167

212 %

0,50

721 %

LKW, 22 t zul. GGW, 14,5 t Nutzlast, 85 % Auslastung

1,50

0,00031

Binnenschiff, ca. 1250 dwt, ohne Strömung

0,47

0,001

Güterzug

0,40

0,053

Containerschiff, ca. 27 500 dwt, Hochsee

Metalle Stahl (FE 360 B) wetterfester Stahl (WT St 27-2) Edelstahl (V2A) Aluminium (EN AW-7022)

0,17

0,00004

Floatglas

B 5.51

160

PEI [MJ / m3]

gieinhalt liefert der Produkttransport (Abb. B 5.51).

B 5.52

Material

Material

Bezugs- Heizwert wert [MJ]

EPD) angegeben. Diese Information bezieht sich auf ISO 14 025 »Umweltkennzeichnungen und -deklarationen« und wird auf Basis von Herstellerangaben durch unabhängige Dritte erstellt. Die Norm definiert standardisiert auszuweisende, umweltbezogene Aussagen und stellt so sicher, dass alle relevanten Umweltwirkungen eines Baustoffs nachvollziehbar dargestellt werden. Um eine Vergleichbarkeit untereinander zu gewährleisten, wurden Produktgruppen gebildet. Für Deutschland sind bisher folgende Gruppen eingerichtet: • • • • • • • • • • •

Baumetalle Mineralwolle-Dämmstoffe Holzwerkstoffe Kalksandstein Porenbeton Ziegel Leichtbeton Kalziumsilikat-Dämmstoffe Leichtzuschläge mineralischer Werkmörtel Metall-Installationsrohre

Nachwachsende Rohstoffe Ein Vergleich der Kennwerte aus Abb. B 5.53 zeigt deutlich, dass nachwachsende Rohstoffe wie Holz im Verhältnis zu allen anderen Bauprodukten über einen hohen Heizwert verfügen. Einen Großteil dieser Energie bindet der Baum während seines Wachstums. Zur Bewertung muss daher der Primärenergieinhalt nach erneuerbaren und nicht erneuerbaren Energiequellen und der Heizwert ausgewiesen werden. Effizienzsteigerung bedeutet in diesem Fall, hohe Anteile des PEI aus erneuerbaren Energiequellen zu decken. Diese gebundene Energie kann nach der Nutzung des Baustoffs wieder in Energie umgesetzt werden, indem das Holz verbrannt wird. Da erst die Verbrennung klimaschädliches CO2, das zuvor im Wachstumsprozess gebunden wurde, wieder freigibt, bezeichnet man nachwachsende Rohstoffe auch als CO2- Speicher. Ihr verstärkter Einsatz ist unter diesem Gesichtspunkt positiv zu bewerten. Holz oder Holzwerkstoffe durchlaufen heutzutage jedoch meist nicht mehr einen natürlichen, sondern einen künstlich durch Beheizung her-

PEI nicht ern. [MJ]

PEI ern. [MJ]

GWP Treibhauseffekt [kg CO2eq]

Naturstein Granit (große Transportentfernung), poliert, ρ = 2750 kg / m3 Marmor (mittlere Transportentfernung), poliert, ρ = 2700 kg / m3 Schiefer (ortsnah), ρ = 2700 kg / m3 Sandstein (ortsnah), gesägt, ρ = 2500 kg / m3

1 m3 1 m3 1 m3 1 m3

9837 6749 4608 4099

332 249 165 153

626 422 286 253

Lehmbaustoffe Stampflehm, ρ = 2200 kg / m3 Lehmsteine (Grünlinge), ρ = 1200 kg / m3

1 m3 1 m3

158 1257

1 4

9,7 74,0

Baustoffe mit mineralischen Bindemitteln Mörtel und Estriche Anhydritmörtel / -estrich, Druckfestigkeitsklasse 20, 2350 kg / m3 Magnesiamörtel / -estrich, Druckfestigkeitsklasse 20, 2000 kg / m3 Zementmörtel / -estrich, Druckfestigkeitsklasse 20, 2250 kg / m3 Gipsmörtel, Putzmörtelklasse P IV a, ρ = 1300 kg / m3 Kalk-Zementmörtel, Putzmörtelklasse P II a, ρ = 1500 kg / m3

1 m3 1 m3 1 m3 1 m3 1 m3

655 2439 2161 1477 2675

11,0 9,9 27,0 9,6 28,0

43 348 389 177 448

Werksteine Kalksandstein, ρ = 1800 kg / m3 Betonstein (Pflaster), ρ = 2500 kg / m3 Porenbetonstein, ρ = 400 kg / m3 Leichtbetonstein, ρ = 600 kg / m3

1 m3 1 m3 1 m3 1 m3

2030 1990 1484 787

117 46 81 35

247 310 186 97

Beton Ortbeton (C 25 / 30), ρ = 2340 kg / m3 Ortbeton (C 35 / 45), ρ = 2360 kg / m3 Betonfertigteil, 2 % Stahl (FE 360 B, C 35 / 45), ρ = 2500 kg / m3

1 m3 1 m3 1 m3

1549 1764 4098

17 23 86

251 320 455

Platten Faserzementplatte, ρ = 1750 kg / m3 Gipsplatte (Typ A), ρ = 850 kg / m3

1 m3 1 m3

26839 2655

116 251

2200 150

keramische Baustoffe Hochlochziegel, Außenwand, ρ = 670 kg / m3 Mauerziegel, Innenwand, ρ = 750 kg / m3 Vollklinker (KMz), ρ = 1600 kg / m3

1 m3 1 m3 1 m3

1485 1663 4776

638 715 39

95 107 301

Steinzeug glasiert, ρ = 2000 kg / m3 Steinzeug unglasiert, ρ = 2000 kg / m3

1 m3 1 m3

6322 7160

0,060 0,070

393 445

bitumenhaltige Baustoffe reines Destillationsbitumen (B 100-B 70) polymermodifiziertes Bitumen (PmB 65 A)

1 kg 1 kg

45,6 35,3

0,010 0,020

0,37 0,50

Holz und Holzwerkstoffe Schnittholz Kiefer, 12 % Holzfeuchte (HF) (ortsnah), Darrdichte 450 kg / m3 1 m3 Western Red Cedar, 12 % HF (Nordamerika), Darrdichte 630 kg / m3 1 m3 Teak, 12 % HF (Brasilien), Darrdichte 660 kg / m3 1 m3

8775 12285 12870

609 4485 3217

9512 14359 13435

- 7921 - 9071 - 10131

Holzwerkstoffe Brettschichtholz (BSH), 12 % HF, Darrdichte 465 kg / m3 Dreischichtplatte, 12 % HF, Darrdichte 430 kg / m3 Bau-Furniersperrholz (BFU), 5 % HF, Darrdichte 490 kg / m3 Spanplatte (P 5, V 100), 8,5 % HF, Darrdichte 690 kg / m3 Oriented Strand Board (OSB), 4 % HF, Darrdichte 620 kg / m3 mitteldichte Faserplatte (MDF), 7,5 % HF, Darrdichte 725 kg / m3

1 m3 1 m3 1 m3 1 m3 1 m3 1 m3

9300 8618 10175 13998 12555 15843

3578 2617 4729 5818 4593 9767

13870 9387 15041 12614 16479 12495

- 6621 - 6481 - 6361 - 8211 - 8391 - 5151

Metall Eisenmetalle Gusseisen, Guss (GG 20; sekundär), GJL Baustahl, Warmwalzprofil (FE 360 B) Betonstahlmatten (sekundär) wetterfester Stahl, Kaltband (WT St 37-2), 2 mm Edelstahl (V 2 A, X 5 CrNi 18-10), 2 mm

1 kg 1 kg 1 kg 1 kg 1 kg

10 24 13 26 54

0,49 0,54 0,24 0,56 6,30

0,97 1,70 0,83 2,00 4,80

Nichteisenmetalle Aluminiumlegierung (EN AW-7022 [AlZn5Mg3Cu]), Blech, 2 mm Blei, Blech, 2 mm Titanzink (Reinzink Z1, 0,003 % Titan), Blech, 2 mm Kupfer, Blech, 2 mm

1 kg 1 kg 1 kg 1 kg

271 34 45 37

38 1,9 3,8 4,6

22,0 2,3 2,6 2,5

Glas Floatglas, ρ = 2500 kg / m3

1 kg

14

0,08

0,88

Kunststoff Polyethylen (PE-HD), Folie Polyvinylchlorid (PVC-P), Compound für Dachbahn Polymethylmethacrylat (PMMA »Plexiglas«), Platte Polytetrafluorethylen (PTFE »Teflon«), Beschichtung Polyesterharz (UP) Epoxidharz (EP) Chlor-Butadien-Kautschuk (CR »Neopren«), Lager Silikon (SI), Dichtungsmasse

1 kg 1 kg 1 kg 1 kg 1 kg 1 kg 1 kg 1 kg

75 61 87 295 115 137 96 91

0,09 2,10 0,29 2,50 0,45 0,78 0,96 30,0

1,82 2,28 3,39 16,20 4,68 6,47 3,65 4,07

41 17 24 8,3 32 ca. 30 ca. 25 ca. 25

B 5.53

161

Fassade Rohbau

2000 56% 1000

-80 0

Mehrschichtparkett

Massiv- Holzholzpflaster diele

Renovierung thermische Verwertung Bilanzwert

Holzwachstum Produktion Einbau

0

Haustechnik Ausbau Innenwände Dächer Fenster Glasfassaden

Außenwände Decke Stützen Untergeschoss Aushub

B 5.54

B 5.55

beigeführten Trocknungsprozess. So werden Lagerzeiten reduziert und mikroökonomisch die Ressourcenproduktivitäten erhöht. Der dadurch erzeugte CO2-Ausstoß kann die positive Wirkung in der Gesamtbilanz aufheben (Abb. B 5.54). Der energetische Wert nachwachsender Rohstoffe steigt durch rohstoffnahe Produktformen und wenige technische Bearbeitungsschritte. Das Problem der Verfügbarkeit und der Bewertung der Rohstoffgewinnung bleibt jedoch bestehen und wird bei Holz, Holzwerkstoffen oder Zellulose besonders deutlich. Man geht davon aus, dass diese nachwachsenden Rohstoffe dauerhaft neu generiert werden können. In Bezug auf gemäßigte Klimata wie in Mitteleuropa ist dieser Schluss richtig, weil humides Klima eine hohe Produktivität an Biomasse pro Fläche ermöglicht. Aber selbst bei nachwachsenden Rohstoffen ergibt sich eine maximale Produktionsgeschwindigkeit, die das Marktangebot begrenzt. Sie ist besonders relevant bei gering vorkommenden oder langsam wachsenden Bioressourcen, wie z. B. die stark ausgebeuteten Vorkommen der Red Cedar in Nordamerika belegen.

denbekleidung kann z. B. ohne die Berücksichtigung ihrer Befestigung und der notwendigen Unterkonstruktion nicht entsprechend bewertet werden. Im Gegensatz zur baustoffbezogenen Betrachtung lassen sich bei der funktionalen Betrachtung pro Quadratmeter »nur noch« Differenzen bis zu einem Faktor 100 ausmachen. Grundsätzlich werden funktionale Schichten in zwei Gruppen unterteilt: nicht sichtbare Bauteile, die aufgrund spezifischer Anforderungen in das Gebäude eingebracht werden müssen, und sichtbare Bauteile, die neben den funktionalen Anforderungen auch die Ästhetik und die wahrgenommene Wertigkeit des Objekts beeinflussen. Nicht sichtbare funktionale Schichten sind durch eine vergleichende Primärenergiebetrachtung optimierbar. Dazu gehören im Bereich des Ausbaus: • • • • •

Dämmungen massive Wände Estriche Dachabdichtungen Abdichtungen

Primärenergieinhalt von Bauteilen

Aber auch bei sichtbaren Bauteilen wie etwa Fassaden bestehen erschließbare Potenziale. Solche Bauteile sind:

Baustoffe stehen immer in einem funktionalen Zusammenhang. Sie werden gefügt und vielfach kraftschlüssig verbunden. Dadurch bilden sich funktionale Schichten, die untereinander eine Vergleichbarkeit ermöglichen. Eine Fassa-

• • • •

100 % 90 %

0, rt ulie us 6 kum hythm R im

30,

15

ahre

Außenwandbekleidungen transparente Bauteile Dachdeckungen Bodenbeläge

B 5.56

• Wand- und Deckenbekleidungen • Putze • Beschichtungen Ohne Einschränkungen des ästhetischen Erscheinungsbildes bestehen Optimierungspotenziale, sobald der Materialbedarf reduziert wird. Auf den Einbauzustand bezogen, bilden hier zumeist funktionale Bestandteile der Schicht wie z. B. Befestigungsmittel die größten Optimierungschancen. Beispielhaft lässt sich dies an Bodenbelägen veranschaulichen, bei denen der Verzicht auf eine Verklebung mit dem Untergrund entscheidende energetische Einsparungen bringt (Abb. B 5.60). Bauteilgruppen Die verschiedenen Bauteilgruppen eines Gebäudes binden unterschiedlich viel Primärenergie (Abb. B 5.56; siehe auch Anhang, S. 262). Bei nahezu allen Bauten ist der Primärenergieinhalt für die Tragkonstruktion am größten. Als weitere große Bauteilgruppen folgen Fassaden und Innenausbau. Diese Aussage lässt sich am »Forum Chriesbach« verdeutlichen (siehe Beispiel 15, S. 240 ff.): Hier bindet der Rohbau 56 % der grauen Energie, 14 % werden für die Erstellung von Fassaden und 20 % für den Innenausbau benötigt (Abb. B 5.55). Die Konstruktionsoptimierung wirkt sich besonders positiv auf die Reduzierung der grauen

kumulierter Aufwand

kumulierter Aufwand

Putze / WDVS

Stabparkett

Beschichtungen

10-mmMassivparkett

400

Abdichtungen

Mosaikparkett

800

Außenwandbekleidungen

-100

1200

Bodenbeläge

-60

14% 3000

1600

Wand- / Deckenbekleidungen

-40

Ausbau

Estriche

0 -20

Haustechnik

massive Wände

20

4000

10% 20%

Dachbeläge

40

5000

2000

Dämmungen

80 60

6000

transparente Bauteile

120 100

Primärenergieinhalt n. ern. [MJ/m2]

Primärenergieinhalt [MJ/m2EBFO ]

Treibhauseffekt – GWP [kg CO2-eq]

Material

kumulierter Aufwand

J

kumuliert im Jahre , 20 hmus 60, 40

100 % 90 %

75 %

75 %

50 %

50 %

Differenz ca. 30 %

Rhyt

100 % 95 % 85 %

kumu mus 6 liert im Rhyth 0 mit we , 40, 20 Ja hre niger B auteile n

Differenz ca. 70 %

60 % 70 %

15 30 45 60 75 90 105 120 Jahre a

162

20 b

40

60

80

100

120 Jahre

20 c

40

60

80

100 120 Jahre B 5.57

Material

75 50 25 0 20

70

40

60

80 Zeit [a ] B 5.59

GWP 100 (Global Warming Potential) [kg CO2eq] AP (Acidification Potential) [g SO2eq] PEI nicht erneuerbar [MJ]

60 50 40 30 20

Stahlnagel 4cm

0

Polyurethan Kleber

10

Klebstoff lösemittelhaltig (> 30%)

Erstens sollten technische, funktionale Bauteile oder Ausbauschichten unterschiedlicher Lebensdauern so gefügt sein, dass ihr Austausch ohne Beeinträchtigung und Beschädigung benachbarter Bauteile möglich bleibt. Solche Konstruktionen verringern in der Regel den Primärenergieinhalt; beispielhaft belegt an einem Vergleich von Bodenbelägen (Abb. B 5.60 und 62). Daher sind die besonders dauerhaften Schichten im Inneren der Konstruktion anzuordnen. Moderne Fassadenkonstruktionen verdeutlichen die Problematik der Schichtentrennung. Nicht immer ist es möglich, alle Schichten nach gestaffelter Dauerhaftigkeit auszuführen. So können Dämmebenen im Verhältnis zur wasserführenden Schicht eine deutlich kürzere Dauerhaftigkeit aufweisen. Diese sollten dann entsprechend leicht zugänglich bleiben. Für einzelne Schichten wie verklebte Dampf- und Windsperren sind bisher keine zuverlässigen Dauerhaftigkeitswerte verfügbar. Hier lassen lösbare Verbindungen Revision und ggf. Austausch der Schichten zu. Zweitens können einzelne Bauteile u. U. nicht nur die ihnen zugedachte Leistung, sondern auch Teilleistungen anderer Schichten erfüllen; so kann der Primärenergieinhalt weiter gesenkt werden (Abb. B 5.57 c). Ein Bitumenheißestrich lässt sich etwa auch als Terrazzoestrich ausführen und gewährleistet dabei zusätzlich eine sehr dauerhafte Nutzoberfläche. Reduziert sich die Anzahl der notwendigen Schichten, ergeben sich meist energetische und wirtschaftliche Vorteile. Abb. B 5.66 zeigt das ESO-Hotel in Chile – ein Gebäude, dessen Nutzoberflächen als qualifizierter Rohbau weitgehend aus der

50 % 90 %

100

Dispersionskleber lösemittelarm (< 5%)

Dauerhaftigkeit Theoretisch beschreibt die Dauerhaftigkeit als Potenzial den Zeitraum, in dem ein Baustoff seine ihm zugeordnete Funktion aufrechterhalten kann. Zur Ermittlung der Dauerhaftigkeit wird der Zeitraum, den Bauteile in einem definierten Nutzungszusammenhang unbeschadet überstehen, miteinander verglichen. Dieser ist z. B von spezifischen Risikopotenzialen oder vom Gebäudekontext abhängig. Als Ergebnis entsteht eine Gauß’sche Kurve, die bei Wahrscheinlichkeiten von 50 bis 90 % in Zeitfenster unterteilt und so die unteren sowie die oberen Grenzen eines üblichen Nutzungszeitraums abbildet (Abb. B 5.59). Entsprechend der Nutzungseinflüsse und zugeordneten Risikofaktoren wird die Dauerhaftigkeit deshalb als Zeitspanne angegeben. Der niedrigere Wert beschreibt die Dauerhaftigkeit bei üblicher Planung und Nutzung, der höhere

• Schichtentrennung nach Dauerhaftigkeit • Materialsynergie • Wartungszugriff

B 5.58

Dispersionskleber lösemittelfrei

Innerhalb des Lebenszyklus verändert sich die Gewichtung der Bauteile hinsichtlich des Energieaufwands, weil sie unterschiedlich lange im Gebäude verbleiben, also unterschiedliche Lebensdauern besitzen. Die notwendigen Austauschprozesse ziehen während der Nutzungsphase erneut energetische Aufwendungen nach sich. Abb. B 5.61 zeigt den Primärenergieaufwand eines exemplarischen Deckenaufbaus. Im Einbauzustand sind 37 % der grauen Energie in der Konstruktion gebunden, 40 % im Bodenbelag. Betrachtet man das Bauteil jedoch über einen definierten Zeitraum von 100 Jahren, wie er als Lebensdauer für ein Gebäude durchaus üblich sein kann, so wird der Bodenbelag im Gegensatz zur tragenden Konstruktion über diesen Zeitraum mehrfach ausgetauscht. Die kumulierten Aufwendungen des Bodenbelags über 100 Jahre machen daher ein Vielfaches der Aufwendungen des Ersteinbaus aus. Er bindet über den Lebenszyklus etwa 80 % der gesamten aufgewendeten grauen Energie. Je häufiger der Austausch eines Bauteils notwendig wird, desto signifikanter ist sein Beitrag zur grauen Energie des gesamten Gebäudes. Dies stellt einen Ansatzpunkt für geringere Energieaufwendungen im Lebenszyklus dar. Art und Ablauf des Lebenszyklus nehmen so neben den Materialeigenschaften hinsichtlich der Optimierung der Materialwahl eine zentrale Rolle ein. Ziel ist es, die Materialwahl und das konstruktive Gefüge auf die geplante Lebensdauer, die Nutzungsart und die zu erwartenden Nutzungsprozesse abzustimmen. Energetische Optimierungsprozesse gehen dann meist mit finanziellen Einsparungen einher.

Sägezahnmodell Eine Darstellungsform für die Dauerhaftigkeit von Baustoffen und Bauteilen bietet das so genannte Sägezahnmodell, das die unterschiedlichen Dauerhaftigkeiten von Bauteilen abbildet. Das Modell geht davon aus, dass Bauteile jeweils bis zum Ende ihrer Dauerhaftigkeit verwendet und erst dann ausgetauscht werden. Der dazu notwendige Aufwand wird zusätzlich kumuliert (Abb. B 5.57 a). Erreichen die Bauteile in ihrer Nutzung eine höhere Dauerhaftigkeit und können so länger im Gebäude verbleiben, reduziert sich der kumulierte Aufwand deutlich (Abb. B 5.57 b). Verwendet man weniger unterschiedliche Baustoffe, zieht dies zumeist eine bessere Gesamtbilanz nach sich, da hier häufiger die materialbedingten Austauschzyklen übereinstimmen. Das Sägezahnmodell legt so das energetische wie wirtschaftliche Potenzial von Materialoptimierungen in Bezug auf die Dauerhaftigkeit offen. Es gibt drei generelle Aussagen zur Gestaltung und Planung:

Schadenshäufigkeit [ n ]

Primärenergieinhalt im Lebenszyklus

Wert bezieht sich auf optimierte Planungs- und Nutzungszusammenhänge.

Bauteilwert [%]

Energie aus. Langlebige leichte Bauweisen sind in der Regel massiven vorzuziehen. Jedes zusätzliche Kilogramm eingesetzten Baustoffs erhöht den Ressourcenbedarf, die damit verbundene Umweltbelastung sowie den Energieverbrauch.

B 5.60

B 5.54 B 5.55 B 5.56 B 5.57 B 5.58 B 5.59 B 5.60

CO2-Bilanz verschiedener Holzbeläge über den Lebenszyklus Primärenergieinhalt des »Forum Chriesbach« nach Bauteilgruppen Primärenergieinhalt verschiedener funktionaler Schichten Dauerhaftigkeiten verschiedener funktionaler Schichten als Sägezahnmodell Wohnhaus aus Holz, Bregenzerwald (A) 1999, Dietrich Untertrifaller Ermittlung von Dauerhaftigkeiten aus der Wahrscheinlichkeit eines Materialschadens energetische Kennwerte verschiedener Bodenbelagsbefestigungen

163

Teppich

90 Zementestrich 80

40% Mineralwolle

70 60

80 %

Beton

2500

2000

Austausch [ % ]

100

PEI n. ern. [MJ]

Treibhauseffekt – GWP [%]

Material

Teppich PVC Fliesen Linoleum Naturstein

100

80

1500

60

1000

40

500

20

Gipsputz

50 40 30 20

37% 7%

10 0

0 Einbauzustand

0 20

nach 100 Jahren

B 5.61

40

60

80

100 Zeit [a] B 5.62

20

40

60

80

100 Zeit [a] B 5.63

stimmten Zyklen, die einen Zeitgeschmack ausdrücken: Über die Analyse der Anzahl von Austauschprozessen eines WCs lässt sich etwa nachweisen, dass ein Austausch nach 25 Jahren primär aus modischen Gründen und erst nach ca. 55 bis 70 Jahren primär aus funktionalen Gründen erfolgt (Abb. B 5.63). Der Austausch vieler Bauteile ergibt sich aus der Notwendigkeit einer Modernisierung. Diese wird weniger lebenszyklusbedingt als durch Sanierungs- und Förderprogramme, Nutzerwechsel, Vermarktungsprobleme oder andere Ereignisse hervorgerufen. Dabei werden in der Regel einzelne Maßnahmen an Bauteilen unterschiedlicher Lebensdauder zu größeren Modernisierungspaketen zusammengefasst.

»Störfaktoren« des Sägezahnmodells Nicht immer lösen technische oder materialbedingte Mängel Austauschprozesse aus. Oft sind es auch technische, sicherheitstechnische und ästhetische Faktoren oder der Funktionswechsel, die einen Austausch notwendig machen. Veränderungen bei Gesetzen und Vorschriften sowie technischer Fortschritt lassen sich nur bedingt vorhersehen. Für Europa ist die EUGesetzgebung richtungsweisend. Sie werden

dort als grobe Zielrichtungen formuliert und anschließend konkret in nationales Recht umgesetzt. Ein Überblick über aktuelle Tendenzen, insbesondere die technische Ausrüstung und energetische Qualität von Gebäuden betreffend, ist nützlich, um Planungen zukunftsfähig zu machen. Die Nutzungsintensität ist planerisch nicht immer vorab definierbar und kann deutlich geringer oder höher sein als vorhergesehen. Gerade bei öffentlichen Nutzungen empfiehlt es sich daher, auf robuste Konstruktionen und erhöhte Bauteilqualitäten zu achten. Marktnachfrage und Trend waren und sind Grundlage der Bautätigkeit. Planer befriedigen nicht allein die Nachfrage, sondern erzeugen über ihre Tätigkeit Bedarf, setzen Trends und bilden Stile aus. Die Bewertung ist dabei stark zeitabhängig. Soll die hohe Dauerhaftigkeit von Bauteilen tatsächlich genutzt werden, kann eine allzu modische, trendgerechte Gestaltung leicht zu einem vorzeitigen Austausch der Bauteile schon vor Ablauf ihrer technischen Lebensdauer wegen »optischen Verschleißes« führen. Andererseits genießt eine klare und qualitätvolle, dennoch zeitgebundene architektonische Aussage auf Dauer hohe Wertschätzung. So erfreut sich etwa der von 1973 bis 1985 errichtete Wohnpark Alt-Erlaa in Wien trotz seiner heute vielfach als kritisch bewerteten Entstehungszeit bei seinen derzeitigen Bewohnern großer Beliebtheit (Abb. B 5.64). Auch auf Bauteilebene unterliegt die Lebensdauer oft be-

B 5.64

B 5.65

B 5.66

Tragkonstruktion besteht. Drittens müssen wartungsintensive Bauteile – besonders auch Technikelemente – leicht zugänglich sein (Abb. B 5.88). Folgt die Technik als offene Leitungsführung, ist eine optimale Zugänglichkeit gegeben. Ansonsten ermöglichen Schächte, eine systematische Trassierung und raumzonenbezogene Übergaben eine unkomplizierte Montage neuer Technologieträger und bieten die notwendige Flexibilität. Häufig wird die Lebensdauer der technischen Gebäudeausrüstung überschätzt und übersehen, dass Nachrüstung und technologische Runderneuerung innerhalb weniger Jahre erforderlich werden können. Alte technische Bauteile verlieren dann häufig ihren Nutzen, können aber ggf. auch in einem neuen Kontext in die Gebäudetechnik eingebunden werden, wie etwa alte, nicht mehr genutzte Schornsteine in Altbauten zur Steigleitungsführung neuer Elektro- oder Heiztechnik.

164

Das erwähnte Sägezahnmodell veranschaulicht als theoretisches Modell die Austauschprozesse von Baustoffen und -teilen, liefert aber nur geringe Aussagen über sinnvolle Vorgehensweisen zur Instandhaltung und -setzung. Es sollte hier lösbare Verbindungen und eine klare Trennung von Bauteilschichten geben, die einen möglichst zerstörungsfreien Austausch gewährleisten. Optimierung der Instandsetzungszyklen Um die Instandsetzung zu optimieren, lassen sich zwei gegensätzliche Strategien herausarbeiten. Die Instandsetzung kann über lange Zyklen mit möglichst großen einmaligen Maßnahmen oder über kurze Zyklen mit vielfältigen

Material

B 5.61 B 5.62 B 5.63 B 5.64 B 5.65

B 5.66

B 5.67 B 5.68

Treibhauseffekt eines Deckenaufbaus im Einbauzustand und nach 100 Jahren Primärenergieinhalt verschiedener Bodenbeläge über eine Dauer von 100 Jahren kumulierte Austauschwahrscheinlichkeit eines Sanitärobjekts Wohnpark Alt-Erlaa, Wien (A) 1985, Harry Glück, Requat & Reinthaller & Partner, Kurt Hlaweniczka auf Gebäude- und Materiallebensdauer abgestimmte Planung, Info-Box, Berlin (D) 1995, Schneider + Schumacher Lebensdauer-Optimierung durch reduzierte Bauteilanzahl, Hotel, Cerro Paranal (RCH) 2002, Auer + Weber Innenausbau eines Kosmetikgeschäfts, New York (USA) 2000, Architecture Research Institute Innenausbau eines Wohnhauses, Vila Nova de Famalicão (P) 1994, Alvaro Siza Vieira

kleinen Maßnahmen erfolgen. Wenige Bauteile zusammenfassende Austauschzyklen bedeuten zu definierten Zeiten einen vorausplanbaren hohen Investitions- und Energiebedarf. Dabei werden innerhalb der Instandsetzung auch Umbaumaßnahmen im Sinne einer Anpassung an bereits bekannte und absehbare Anforderungen möglich. Eine kurzfristig angelegte Strategie der Instandsetzung kann ggf. zu einer höheren Wirtschaftlichkeit des Gebäudes über den Lebenszyklus beitragen. Die Dauerhaftigkeit der verwendeten Materialien wird dann z. B. für den Innenausbau gering gehalten, um Anpassungen auch marktgerecht realisieren zu können. Nutz- und Marktwert des Gebäudes werden durch die Strategie allerdings beeinflusst und verhalten sich zyklisch. Einer Investitionsphase folgt eine langsame Abnutzung bzw. ein Verfall der Bauteile, was sich auch im Gebäudewert oder der Mieterzusammensetzung abzeichnet. Umfangreiche Modernisierungen sichern die dauerhafte Nutzbarkeit, ggf. auch durch die Änderung der Nutzung. Zeitlich versetzte, auf kleinteilige Funktionszonen abgestimmte Austauschzyklen machen es hingegen möglich, graue Energie einzusparen und ökologische Folgen zu reduzieren, da diese genauer an den jeweiligen Instandsetzungsbedarf des Bauteils angepasst werden können (Abb. B 5.68). Der Wert eines Objekts bleibt so auf konstantem Niveau, was auch eine gleichbleibende Rendite des Objekts sichert. Die Bauteile können dazu auf besonders lange Dauerhaftigkeiten optimiert und in jeweils kleinen Maßnahmepaketen instandgesetzt werden. Der so entstehende dauerhafte Austausch verringert jedoch die Nutzungsflexibilität eines Gebäudes. Bei einem umfassenden Nutzungswechsel müssen auch eine Vielzahl eigentlich noch tauglicher Bauteile ausgetauscht werden. Setzt die Bauaufgabe für die Planung ein definiertes, kurzes Zeitfenster voraus, wie bei temporären Bauten oder Innenausbauten von Geschäften, lässt sich die Dauerhaftigkeit der Materialien an die beabsichtigte Lebensdauer des Objekts anpassen (Abb. B 5.65). Je länger die zu erwartende Nutzungsdauer eines Gebäudes ist, desto wichtiger wird die Betrachtung der Nutzungsphase. Besteht ver-

B 5.67

B 5.68

mehrt langanhaltender Raumbedarf, wie meist bei Wohnbauten, so ist eine hohe Dauerhaftigkeit meist in Verbindung mit kleineren Maßnahmepaketen sinnvoll. Hier hebt der Ausstattungsgrad und die kleinteilige Nutzung den Material- und Energieaufwand zusätzlich an (Abb. B 5.68). Bei Gebäuden mit variablerem Bedarf, wachsenden Nutzungsanforderungen und entsprechend hoher technischer Ausstattung werden lange Dauerhaftigkeiten nicht ausgenutzt. Hier sollte die Planung Austauschprozesse und ggf. Folgenutzungen für Bauteile und Materialien berücksichtigen (Abb. B 5.67).

daraus Wettbewerbsvorteile ab. Ohne neue brancheninterne Impulse, Neuentwicklungen oder Selbstverpflichtungen wird eine politische Einforderung ähnlicher Ziele im Bauwesen wohl nur noch eine Frage der Zeit sein. Um Material dauerhaft bereitzustellen, sind offene Stoffketten, insbesondere für nicht nachwachsende Rohstoffe, in weitestgehend geschlossene umzuwandeln.

Materialien im Lebenszyklus Die Betrachtung des Primärenergieinhalts von Materialien macht die Bedeutung des Lebenszyklusmodells deutlich. Neben dem Energieverbrauch löst jeder Materialeinsatz durch den resultierenden Ressourcenstrom Umweltwirkungen aus. Diese lassen sich ausgehend von einem notwendigen Gebäudebedarf nur reduzieren (Abb. B 5.70). Ressourcenverbrauch Die Verfügbarkeit von Rohstoffen war ausschlaggebend für die Entwicklung von Wohlstand in den Industrieländern. Ihre Ausbeutung und Verarbeitung hat die industrielle Prosperität erst ermöglicht. Die Verknappung von Ressourcen machen diese entsprechend den Regeln des Marktes teuer; für andere ist die Zugänglichkeit nicht dauerhaft gesichert, wie heute schon Auseinandersetzungen um Gas, Öl und Wasser belegen. Gebäude verbrauchen in Erstellung und Betrieb global etwa 50 % aller Ressourcen. Sie stellen den maßgeblichen Faktor für die Ressourcenverknappung und Umweltprobleme dar. Andererseits sind Baustoffe aufgrund ihres meist niedrigen technischen Entwicklungsstands und ihres hohen Materialverbrauchs für erhebliche Effizienzsteigerungen prädestiniert. Andere Branchen, wie die Automobil- oder Elektronikindustrie, haben sich zu Ressourcenschonung und Effizienzsteigerung verpflichtet und leiten

Lebenszyklusbetrachtung Die Lebenszyklusbetrachtung von Materialien ist eine neue und teilweise noch nicht umfassend definierte Sichtweise. Sie führt Wissen aus verschiedenen gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Bereichen zusammen. Der gesamte Lebenszyklus lässt sich jedoch nicht in vollem Umfang vorhersehen und planen. Oft gilt es daher, Optionen, etwa ein Anpassen an den tatsächlichen Nutzungsverlauf, zu gewährleisten. Hierzu eignen sich »Flexibilisierungsstrategien«: Eine erhöhte Dauerhaftigkeit verlängert den potenziellen Nutzungszeitraum, ein leichter Innenausbau ermöglicht Änderungen im Raumgefüge, reversible Verbindungen der Bauteile lassen einen vereinfachten Rückbau und den Rückgewinn der Materialien für den Baustoffkreislauf zu. Schon über die Primärenergiebetrachtung besteht die Möglichkeit, grundsätzlich eine Reduktion des Materialeinsatzes zu forcieren (Abb. B 5.50). Das Einhalten des konstruktiv Notwendigen, etwa durch umfassende Nutzung der Materialleistung, leichte Konstruktionen, Anpassung der Dauerhaftigkeit, sowie der Einsatz erneuerbarer Materialien führen zu einem deutlich reduzierten Energie- wie Ressourcenverbrauch. Innerhalb der Lebenszyklusbetrachtung treten jedoch weitere Faktoren hinzu – etwa sekundäre Emissionen durch Pflege oder Veränderung der Raumluft durch Ausdünstungen aus dem Material. Viele dieser Faktoren lassen sich nur als Potenziale erfassen und beschreiben. Sie müssen nicht zwangsläufig negativ ausgelöst oder positiv genutzt werden, sind jedoch zentraler Bestandteil für eine tragfähige, zukunftssichernde Planung. Gerade hierin liegt das Innovationspotenzial, das eine Vorplanung des Lebenszykus erschließt.

165

Material

B 5.69 B 5.70 B 5.71 B 5.72 B 5.73 B 5.74

Prozessablauf zur Erstellung einer Ökobilanz Lebenszyklus eines Gebäudes und damit verknüpfte planerische Aktivitäten Input- / Output-Verknüpfung innerhalb der Produktionskette eines Baustoffs schematische Darstellung und Berechung eines Baustoffs nach dem MIPS-Konzept Verrechnung von Emissionen am Beispiel des Treibhauspotenzials länderspezifische Verrechnung von Ökobilanzkennwerten zu einem addierten Einzelwert

Rahmen der Ökobilanz

Anwendung Auswertung

Zieldefinition und Untersuchungsrahmen

Überprüfung der Vollständigkeit, Sensitivität, Konsistenz

Entwicklung und Verbesserung von Produkten

Bewertung Schlussfolgerungen

strategische Planung

Sachbilanz Empfehlungen Ermittlung der Kernaussagen

öffentliche Entscheidungsprozesse

Ergebnisdarstellung

Wirkungsbilanz

Marketing B 5.69

Methoden der Lebenszyklusanalyse

Das Mittel zur Bewertung der komplexen Einflüsse ist die Lebenszyklusanalyse. Sie bilanziert den gesamten Lebensweg eines Baustoffs, Bauelements oder Gebäudes. Dazu werden die Stadien von der Rohstoffgewinnung, Herstellung, Verarbeitung über Transport, Nutzung, Nachnutzung und Entsorgung beurteilt. Grundsätzlich gibt es zwei unterschiedliche Betrachtungsweisen: Entweder wird der benötigte Material-Input oder die daraus resultierenden Umweltwirkungen bilanziert (Abb. B 5.71). Stoffstromanalyse Das im Jahr 1994 durch Friedrich SchmidtBleek eingeführte MIPS-Konzept (Material-Input Pro Serviceeinheit) summiert den zur Herstellung und Verwendung eines Produkts oder Bauteils aufgewendeten Material-Input. Alle Naturmaterialien, die für die Herstellung notwendig sind, werden als »Materialintensitäten« zusammengefasst. Sie bilden den auf das Eigengewicht des Materials bezogenen MateriaIInput, gemessen in Kilogramm Input pro Kilogramm Output. Bei Energie wird die Einheit Kilogramm pro Megajoule [kg / MJ] verwendet. Nach den Ressourcenquellen unterteilen sich die Materialintensitäten in: • • • • •

abiotische Ressourcen [kg] biotische Ressourcen [kg] Boden [kg] Wasser [l] Luft [m3]

sich so über die Zeit Baustoffeim Bauwesen. Dadurch werden weitgehend in sich geschlossene Kreisläufe realisierbar und die Kreislaufwirtschaft unterstützt. Die Stoffstromanalyse verfügt allerdings nur begrenzt über Optionen, nachteilige Umweltwirkungen einzelner Prozesse auszuweisen. Sie trennt nicht nach unterschiedlichen Auswirkungen wie etwa Klimawandel, Reduktion der Biodiversität oder Humantoxizität. Ökobilanzierung Die im Jahr 2000 eingeführte DIN EN ISO 14040-44 definiert die Ökobilanzierung »Life Cycle Assessment« (LCA). Auf Basis der Materialströme rechnet sie diese in Auswirkungen (z. B. Emissionen) um. Sie bezieht sich zunächst nicht nur auf Bauprodukte, sondern kann auf jeden Prozess, etwa auch auf Dienstleistungen, Produktionsverläufe oder eine Wirtschaftseinheit wie ein Unternehmen allgemein, angewendet werden. Eine Ökobilanz umfasst generell drei Teile, die über definierte Iterationsschleifen aneinander gekoppelt sind (Abb. B 5.69):

• In der Sachbilanz wird ermittelt, welche Stoff- und Energieumwandlungsprozesse für das Produkt und seine Herstellung erforderlich sind. Die Grenzen für die Bilanzierung, die so genannten Abschneidekriterien, setzt man üblicherweise bei mindestens 1 % Stoffmasse und Primärenergieverbrauch an. Für ökologisch bedenkliche Stoffe (z. B. Weichmacher in Kunststoffen) sind diese Abschneidekriterien im Einzelfall zu prüfen. • Die Wirkungsbilanz erfasst die Emissionen aller Stoff- und Energieumwandlungsschritte. Zur Auswertung werden die verschiedenen Emissionen zu Gruppen mit gleicher Umweltwirkung (z. B. Beitrag zum Treibhauseffekt) zusammengefasst und als Äquivalente eines maßgeblich an der Wirkung beteiligten Schadstoffs ausgewiesen (Abb. B 5.73). • Die Auswertung gliedert sich in die Schritte Ermittlung der Kernaussagen sowie Bewertung und Ergebnisdarstellung. Auch nicht bilanzierte, relevante Daten wie z. B. Ausgasungen in der Nutzungsphase oder Dauerhaftigkeit lassen sich darstellen.

Betrieb

Rückbau

Projektentwicklung

Energiebedarf Facility Management Wartung Instandhaltung / Pflege Instandsetzung

Recycling Entsorgung

Standort Nutzung vorhandene Bausubstanz Finanzierung Nutzungszeitraum

Modernisierung

Der Gesamtmaterial-Input, auch »ökologischer Rucksack« genannt, ergibt sich aus der Summe des Eigengewichts des Produkts und dessen Materialintensitäten (Abb. B 5.72). Die Vorgehensweise legt Stoffströme offen und weist die hauptsächlich verwendeten Ressourcen massenbezogen aus (Abb. B 5.47). Das MIPS-Konzept berücksichtigt alle zur Herstellung notwendigen Umwandlungsschritte und bietet im Planungsablauf die Möglichkeit, bestehende Stoffströme miteinander zu verknüpfen. Möglichst wenige, wiederverwendbare und flexibel einsetzbare Materialien im Materialkonzept erhöhen das Potenzial der Nachnutzung. Global gesehen kumulieren

166

Nachrüstung Anpassung /Ausbau Umnutzung Sanierung Inbetriebnahme Abnahme Dokumentation Gebäudeausweis Ausführung Bauüberwachung Abfallrecycling Qualitätskontrolle

Planung Vorentwurf Entwurf • Energieminimierung Materialauswahl • Materialherstellung • Schadstoffe • Dauerhaftigkeit • Rückbaubarkeit Werkplanung • Materialminimierung Leistungsbeschreibung Vergabe B 5.70

Material

Der »Runde Tisch nachhaltiges Bauen«, initiiert durch das Deutsche Bundesministerium für Verkehr, Bauwesen und Stadtentwicklung (BMVBS), hat für den Nachweis von baustoffbedingten Umweltwirkungen in Deutschland allgemein folgende Kategorien festgelegt: • Primärenergieinhalt erneuerbar / nicht erneuerbar, PEI [MJ] • Treibhauspotenzial (Global Warming Potential – GWP 100) [kg CO2 eq] • Ozonzerstörungspotenzial (Ozone Depletion Potential – ODP) [kg CCL3F eq] • Versauerungspotenzial (Acidification Potential – AP) [kg SO2 eq] • Entrophierungspotenzial (Entrophication Potential – EP) [kg PO43- eq] • photochemisches Oxidanzienbildungspotenzial (»Sommersmogpotenzial«, Photochemical Ozone Creation Potential – POCP) [kg C2H4 eq] Die Ergebnisse der Ökobilanz eines Baustoffs werden künftig in der Typ-III-Umweltdeklaration (European Product Declaration – EPD) als Arbeitshilfen ausgewiesen (siehe S. 161). Im Gegensatz zum MIPS-Konzept lassen sich jedoch die Wirkungen der einzelnen Kategorien nicht allgemeingültig zu einem Gesamtwert kumulieren. Daher ergibt sich allgemein das Problem der Gewichtung der Einzelkennwerte; eine zusammenfassende Interpretation ist nur schwer möglich. Einige europäische Länder haben Standards entwickelt, die die Auswertung von Ökobilanzen in einem zusammengefassten Kennwert ermöglichen. Die Modellbildung und die Gewichtung der Kenngrößen sind hierbei politisch festgelegt und somit nicht zwangsläufig naturwissenschaftlich präzise (Abb. B 5.74). Für Deutschland hat das Umweltbundesamt eine Methode zur Einordnung und Rangbildung der Wirkungskategorien entwickelt. Dabei werden die Dimension der Wirkung (global – lokal; dauerhaft – temporär), der derzeitige Umweltzustand im Bereich der Wirkungskategorie (bedrohlich – unbedenklich) sowie der Beitrag der Wirkungskategorie an der Gesamtbelastung in Deutschland (groß – klein) zur Bewertung herangezogen. Je nach gewählter Bilanzgrenze verändern sich die Ergebnisse einer Lebenszyklusanalyse sowie die Schlussfolgerungen, die daraus gezogen werden können. Der schon beschriebene Primärenergieinhalt ist dabei ein zentraler Bestandteil der Lebenszyklusanalyse. Hier ergeben sich drei Betrachtungsebenen: Baustoffe, funktionale Schichten und Gebäudeelemente. Fasst man die Aussagen der Ökobilanz zusammen, zeigt sich, welche Bauteile die größten Emissionen verursachen. Es werden die Felder deutlich, in denen planerisches Handeln besonders große Wirksamkeit entfalten kann

(Abb. B 5.78). Darüber hinaus lassen sich aufgrund der Ökobilanz etwa Konstruktions- und Materialentscheidungen treffen.

Input

Material und Herstellung

Naturraum

Bis 2020 soll in Deutschland die Energie- und Ressourcenproduktivität so weit erhöht werden, dass der heutige Lebensstandard ohne zusätzlichen Naturverbrauch auch zukünftig gesichert ist. Neben der Erhöhung des Anteils nachwachsender Rohstoffe im Bauwesen kann zur herstellungsorientierten Optimierung zwischen zwei Strategien unterschieden werden: Zum einen bietet die Nutzung lokal produzierter Materialien den Vorteil der Schaffung von lokalen Arbeitsplätzen, erzeugt aber mitunter höhere Kosten. Die Reduktion von Transportwegen und die meist bessere Kontrollierbarkeit der Umweltauswirkungen kann zu einer hohen Ressourceneffizienz beitragen und zu einer geringeren Schadstoffbelastung führen. Zum anderen stehen bei Verwendung von Materialien aus dem globalen Baustoffmarkt nicht einzelne Konstruktionen, sondern die Steigerung der Leistungsfähigkeit der verwendeten Materialien im Vordergrund. Diese sollten dann in besonders optimierte, ressourcenschonende Konstruktionsweisen münden. Ihr verbesserter Einsatz müsste dann die erhöhte Umweltbelastung, z. B. durch Transporte, mindestens aufwiegen. Rohstoffgewinnung Die Abbaustätten von mineralischen und metallischen Rohstoffen erzeugen Landschaftsverbrauch oder Setzungen, deren negative ökonomische wie ökologische Folgewirkungen möglichst gering gehalten werden sollten. Die Zusammenhänge lassen sich besonders deutlich im Tagebau aufdecken, z. B. anhand der Steinbrüche von Carrara. Aber auch der tiefste deutsche Braunkohletagebau in Hambach zeigt beispielhaft die ökologischen Folgewirkungen: Dort besteht ein Verhältnis des bewegten Bodenmaterials zu gewonnener Kohle von 7,2 zu 1. Für den Abbau im Tagebau ist eine Absenkung des Grundwasserspiegels erforderlich. Auf 1 t Braunkohle kommen 4 bis 7 t Wasser. Im Mittel müssen so für 1 t Braunkohle 11 t Material bewegt werden. In der Nähe des Abbaugebiets verändern sich Flora und Fauna, ebenso wird die Standsicherheit des Bodens, insbesondere von Böschungen, beeinträchtigt. Die Bewertung solcher Folgen ist ökologisch wie ökonomisch zwiespältig. So bieten offene Kiesgruben z. B. seltenen Tieren neue Lebensräume. Ganze Landstriche erhalten durch den Abbau ein neues Gesicht, wie die ehemalige Industrielandschaft innerhalb der IBA FürstPückler-Land in der Niederlausitz. Allerdings sollte für eine Abbaufläche die Nachnutzbarkeit immer sichergestellt werden und darüber hinaus ein Konzept für die Rekultivierung und Renaturierung vorliegen. Nur die Ökobilanz erfasst sekundäre Schadstoffemissionen und ihre Umweltrelevanz – z. B. schwermetallhaltige Schlämme beim Bau-

Output

Stoff aus Ressourcen

Rohstoffgewinnung

Emissionen in Luft

Aufbereitung

Emissionen in Wasser

(Vor-)Produkte Produktherstellung

Emissionen in den Boden

Hilfs- und Betriebsstoffe Nutzung

Nebenprodukte

Energieträger Recycling / Entsorgung

Strom

Abfälle

Berechnung der Emissionen (Ökobilanz)

Berechnung des Ressourcenverbrauchs (MIPS)

B 5.71 Berechnung eines MIPS Σ (Mi ·MIMi) =MI=MIPS · S

eingesetzte Materialien (z.B. Stahl, Glas)

GesamtMaterialmaterialintensität der Mate- input rialien (Rucksäcke)

ServiceMaterialinputs per einheit Serviceunit

M1 · MIM1

z.B. Stahl plus Rucksack

+ M2 · MIM2

z.B. Glas plus Rucksack

+ M3 · MIM3

z.B. PVC plus Rucksack

+ ... Endprodukt (1 Einheit z. B. ein Auto) B 5.72 TreibVerweilZunahme der hauswirk- dauer in Konzentration samkeitder Atmo- seit Industria[CO2-eq] sphäre [a] lisierung

Kohlendioxyd (CO2)

1

50 – 200

28 %

Methan (CH4)

21

9 – 15

146 %

Lachgas (N2O)

310

120

13 %

FKW (CF4 u. a.)

6500

50 000

11 700

264

Schwefelhexa- 23 900 fluorid (SF6)

3200

H–FKW (CHF3 u. a.)

2

von 0 ppt 2 auf 72 ppt k. A. von 0 ppt auf 3 – 4 ppt

ppt = parts per trillion

B 5.73 Ökopunkte CH

Ecoindikator NL

»Resources«

»Ecosystems«

»Human Health«

Emissionen Luft Ressourcen

Zusätzlich werden Empfehlungen für die Produktnutzung abgeleitet.

Emissionen Oberflächengewässer

Emissionen Boden

B 5.74

167

Material

B 5.75

B 5.76

B 5.75 B 5.76 B 5.77 B 5.78

B 5.79 B 5.80 B 5.81 B 5.82

Sprengung von Naturstein Wohnhaus, Moledo (P) 2000, Eduardo Souto de Moura Vergleich der grauen Energie von kompakten und nicht kompakten Passivhäusern Einzel- und Gesamtbewertung der über den Lebenszyklus relevanten Planungsfelder sowie ihre Bearbeitungsmöglichkeit in Bezug auf die Leistungsphasen des Architekten typische Schadensfälle im Bauwesen in Deutschland und ihre Ursachen Abfallschlüssel nach Gewerbeabfallverordnung Abfallfraktionen nach Kreislaufwirtschaftsgesetz Aussichtsplattform, Helsinki (FIN) 2002, Helsinki University of Technology, Prof. Jan Söderlund

kompakt, 8 Einheiten

nicht kompakt, 8 Einheiten +30%

Leichtbau

20 kWh/ m2EBFa

26kWh/m2EBFa +19%

+15 %

xitabbau mit daraus folgender Anreicherung im Wasser- und im Nahrungskreislauf. Sie bewertet also nicht nur den Abbau selbst, sondern auch die Art der Abbaumethode. Bei Naturstein ist der ökologische Rucksack nach MIPS mit einem Verhältnis von 1:1,2 gering (Abb. B 5.47). Eine Ökobilanz kommt zu einem ähnlichen Ergebnis, allerdings nur, wenn mechanische Prinzipien wie Sägen zur Gewinnung des Steins (z. B. bei den meisten Kalksteinen) genutzt werden können. Muss ein Naturstein (z. B. Granit) abgesprengt werden, so entsteht durch den Sprengstoff ein hoher Energieeinsatz, dessen Emissionen kaum kontrollierbar sind (Abb. B 5.75). Aus Sicht der Ökobilanz ist daher die Verwendung von Kalkstein nicht mit Granit vergleichbar, da letzterer etwa das Vierfache der Umweltwirkungen erzeugt (siehe Anhang, S. 262). Produktionsprozesse Baustoffe entstehen in der Regel über lange Prozessketten. Im Sinne einer geringen Entropie versucht man daher die Herstellung möglichst effizient zu gestalten. Bei Glas entstehen z. B. aus nahezu 100 % des zu verarbeitenden Rohstoffs am Ende Halbzeuge. Fehlerhaftes Material wird in den Herstellungskreislauf zurückgeführt, wodurch sich die notwendige Herstellungsenergie um bis zu 25 % reduziert. Der ökologisch bedingten Forderung der Entropieverringerung stehen zuweilen noch wirtschaftliche Aspekte wie hohe Lohndifferenzen zwischen einzelnen Ländern sowie unterschiedliche nationale Umweltauflagen entgegen. Arbeitsintensive Innenausbaumaterialien werden vielfach in Billiglohnländern produziert. Einem marktgängigen Produktpreis stehen hier allerdings deutlich erhöhte Emissionen durch den zusätzlichen Transportaufwand gegenüber (Abb. B 5.51). Die Ressourceneffizienz ist in hohem Maße abhängig von der Produktionsweise des Bauens. Sie beeinflusst – wesentlich mitbestimmt durch die Qualität der Planung und der Arbeitsvorbereitung – einen intelligenten Materialeinsatz, den Umfang, die Lebensdauer und Weiterverwendbarkeit von Baustoffen, aber auch den bewussten Umgang mit Materialien im Bauprozess, um Fehler, Abfall und Verschnitt zu minimieren. Heutige Methoden ermöglichen neben der Großserienproduktion auch die »Customised Production«, d. h. die individualisierte Produktion von Baukomponenten entsprechend den Vorgaben der Planung, die auf besondere Rahmenbedingungen des Grundstücks, der Geometrie von Bestandsbauten oder auf andere Anforderungen reagieren kann. Das Spektrum der Vorfertigung reicht von einzelnen Materialien über Komponenten bis hin zu Bausystemen und kompletten Bauwerken.

+52% Massivbau

23 kWh/ m2EBFa

31 kWh/m2EBFa

+35%

B 5.77

168

Konstruktionsweisen Die Diskussion um Leicht- oder Massivbauweisen wird gerade im Wohnungsbau immer wieder aufgeworfen. Beide Konstruktionsarten

besitzen spezifische Vor- und Nachteile, die eine generelle Vorabentscheidung nicht zulassen. Massivbauten benötigen etwa 20 % mehr graue Energie als Leichtbauten (Abb. B 5.77). Aber auch die Gebäudeform spielt dabei eine Rolle (siehe Stadtraum und Infrastruktur, S. 69). Um die Vorteile beider Konstruktionsarten zu nutzen, bieten sich zuweilen Mischbauweisen an – z. B. ein Holztragwerk mit massiven, aussteifenden Betonkernen. Für nahezu jeden Baustoff gilt: Je weniger davon bei definiertem Leistungsstandard eingesetzt werden muss, desto geringer ist die gebundene graue Energie über den gesamten Lebenszyklus. Einsparungspotenziale liegen häufig auch in überzogenen Sicherheitsaufschlägen weit oberhalb der ohnehin hohen rechtlichen Anforderungen. Bautechnisches Denken und gestalterische Kreativität können dazu beitragen, Bauten Gewicht und damit vielfach auch optische Behäbigkeit zu nehmen. Die Ressourceneffizienz einer Konstruktion steigt meist mit dem Grad der Vorfertigung. Die Produktion von Bauteilen im Werk ermöglicht geringere Bautoleranzen, schlankere Dimensionierung von Bauteilen, höhere Qualität und größere Mängelfreiheit für das Gebäude. Durch die sorgfältigere Planung und bessere Qualitätskontrolle ergeben sich deutlich weniger Produktionsfehler und geringere Produktionsabfälle (Abb. B 5.79). Auf diese Weise sind z. B. auch energetisch unerwünschte Wärmebrücken zuverlässiger vermeidbar (siehe Gebäudehülle, S. 90). Die höhere Präzision der Bauteile reduziert im Lebenszyklus die notwendigen Prozesse zur Pflege und Wartung und kann zu einer verlängerten Lebensdauer führen. Gelingt es, Details möglichst einfach, bauphysikalisch regelgerecht und funktional zu gestalten, so ergibt sich neben verringerten Betriebskosten über die architektonische Gestaltung eine Werterhaltung, die in der Architektur ablesbar ist (Abb. B 5.82). Positiv wirkt sich dabei aus, wenn die Anforderungen an Material und Detail klar definiert und die Anzahl der dabei zu erbringenden Leistungen limitiert sind. Eine reduzierte Materialvielfalt hat ebenfalls oft einen positiven Effekt – ökologisch wie für den Gebäudeentwurf selbst. Der Verzicht auf Bauteile und Bauteilschichten reduziert nicht zuletzt die Notwendigkeit komplexer und aufwendiger Bauunterhaltungsprozesse. Auch der Nutzer empfindet einfach konstruierte Minimallösungen häufig als im Wortsinn »entlastend«. Wenngleich bisher kaum üblich, erscheint es sinnvoll, schon werkseitig gewerkeübergreifend zu produzieren. Kleinteilig gestückelt und an Gewerkegrenzen orientiert, verursachen verschiedene Bauprozesse viele Transportwege, die einen zusätzlichen Ressourcenverbrauch nach sich ziehen. Bauprozess und Verarbeitung Eine materialgerechte, effiziente Verarbeitung reduziert die anfallenden Abfälle. Durch eine

PEI über den Lebenszyklus

Dach

Innenausbau

Gebäudetechnik, Elektro

Gebäudetechnik, Wärme

Gebäudetechnik, Sanitär

+

+

o

++

+

+

-

Bau

-

o

o

+

-

-

-

-

Nutzung

+

o

++

-

-

++

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o

++

o

+

+

++

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-

-

++

+

+

+

-

-

B 5.78

Ausschreibung +

Entwurf

Herstellung

Vorentwurf

nicht tragende Konstruktion

Einzelbewertungen für Gebäudeteile

Fassade

Ausführungsplanung

Bearbeitung im Planungsprozess Grundlagenermittlung

Bauteilzyklus

Anzahl der Fälle [n]

Material

400

Materialwahl Einbaufeuchte Abdichtung

350

Schwinden/Quellen Planung Ausführung

300 250 200 150 100 50

passgenaue Produktion – etwa mit Fertigteilen, durch Rückgriffe auf materialbedingte Rastermaße oder durch sich vor Ort anpassende Materialien wie eingeblasene Dämmstoffe – verringert sich der Verschnitt. Zur Reduktion der »inerten Massen« kann nicht kontaminierter Bauaushub auf dem Grundstück etwa zur Terraingestaltung wiederverwendet werden, wobei die Verdichtungsfähigkeit weitgehend die weitere Nutzbarkeit bestimmt. Die Kosten sinken, da die Abfälle nicht in Deponien gelagert werden müssen; Emissionen aufgrund von Transportprozessen entfallen zusätzlich. Damit Abfall zu neuen Rohstoffen oder Energie werden kann, ist eine erhöhte Sorgfalt gefordert. Seit Februar 2007 müssen nach dem Kreislaufwirtschaftsgesetz (KrW / AbfG) alle Abfälle recycelt werden, sofern dies wirtschaftlich tragbar ist (siehe S. 174). Die Aktion »Saubere Baustelle« stützt sich auf die Gewerbeabfallverordnung (GewAbfV). Um eine möglichst hochwertige Verwertung zu gewährleisten, müssen Erzeuger und Besitzer von Bau- bzw. Abbruchabfällen Abfallfraktionen, soweit diese getrennt anfallen, auch jeweils getrennt halten, lagern, einsammeln, befördern und einer Wiederverwertung zuführen (Abb. B 5.80 und 81). Material und Gebäudenutzung

Ein Gebäude wird in der Regel auf einen spezifischen Nutzer und Ort zugeschnitten. Dabei Materialgruppen mit Beispiel Beton, Ziegel, Fliesen, Keramik • Beton Holz, Glas, Kunststoff • Kunststoff Bitumengemische, Kohlenteer und teerhaltige Produkte • kohlenteerhaltige Bitumengemische Metalle (einschl. Legierungen) • Eisen, Stahl Boden, Steine, Baggergut • kontaminierter Boden, Steine Dämmmaterialien und asbesthaltige Baustoffe • Dämmaterial, das Asbest enthält Baustoffe auf Gipsbasis • verunreinigte Stoffe auf Gipsbasis sonstige Baustoffe • Abfälle, die Quecksilber enthalten

Abfallschlüssel 17 01 17 01 01 17 02 17 02 03 17 03 17 01 01 17 04 17 04 05 17 05 17 05 01

schaffen Materialien den besonderen Ortsbezug und unterstützen die Identifikation des Nutzers und Betrachters. Der gezielte Einsatz von Baustoffen kann das Gebäude mit seiner Umgebung verschmelzen (Abb. B 5.76) – oder es herausheben und vom Ort ablösen. Die Gestaltungsabsicht kann sich jedoch nicht frei machen von Aspekten der Nachhaltigkeit der verwendeten Materialien, ihrer Langlebigkeit und Wartungsfreundlichkeit, des Energieeinsatzes, der Umweltwirkungen und der gesundheitlichen Auswirkungen auf ihre Benutzer. Baustoffe stellen physisch die beabsichtigte Nutzung sicher und sind dabei häufig hohen Beanspruchungen ausgesetzt. Aus den Nutzungsanforderungen leiten sich für Baustoffe komplexe Leistungsprofile ab, die konstruktive, funktionale, physikalische und gestalterische Dimensionen berühren. Materialien erbringen dazu technische wie funktionale Leistungen, um dauerhaft sicheren menschlichen Lebensraum zu schaffen sowie Gebäude als Wert oder als Kulturgut zu erhalten. Die unterschiedlichen Anforderungen lassen sich dabei nicht immer von einem Baustoff allein erfüllen. Die physikalischen Eigenschaften des Baustoffs bestimmen, ob dieser schwerpunktmäßig nur einer Anforderung genügt oder gleichzeitig mehrere Anforderungen wie etwa Schall-, Brand- und Wärmeschutz erfüllen kann. Bodenbeläge müssen z. B. eine auf die zu erwartende Frequentierung des Gebäudes abgestimmte Abriebfestigkeit gewährleisten, Q1 Q2 Q5

Q7 Q10 Q12 Q13 Q15 B 5.80

Rissbildung

Passgenauigk.

Fugen

Verformung

Sicherh.mangel

B 5.79

an Kanten ausbruchsfest sein, anfallenden Flüssigkeiten aus Reinigung oder Nutzung widerstehen, farbecht sein und vieles mehr. Eine hohe Dauerhaftigkeit bedeutet langfristig einen geringen Wartungsaufwand – vorausgesetzt, dass mit den gewählten Materialien auch eine gewisse Unabhängigkeit von kurzzeitigen Modetrends und / oder eine hohe gestalterische Qualität erreichbar sind / ist. Sie wird unterstützt durch eine klare Trennung zwischen langlebiger Konstruktion, kurzlebigem Ausbau und nachrüstbarer Technik. Wie Moden sind auch Anforderungen einem zeitlichen Wandel unterworfen – etwa durch sich ändernde Vorschriften zum Wärmeschutz und Energieeinsparung. Weitsichtige Planung kann zuweilen erhöhte Anforderungen wie z. B. zur Energieeinsparung und zum Klimaschutz vorwegnehmen. In anderen Fällen lassen sich jedoch Änderungen nicht vorhersehen; hier unterstützen die leichte Austauschbarkeit von Elementen und die klare Trennung von Gebäude-Subsystemen unterschiedlicher Lebensdauer und Funktion auch unvorhersehbare Veränderungen. Im Folgenden werden die wichtigsten Anforderungen an Baustoffe zur Sicherstellung der Nutzung beschrieben. Gesundheitliche Unbedenklichkeit Während der Herstellungs-, Einbau-, Nutzungs- und Nachnutzungsphase können Baustoffe Schadstoffe emittieren. Ihre gesundheit-

Gruppe Definition nach Kreislaufwirtschaftsgesetz

Q6

17 06 17 06 01 17 08 17 08 01 17 09 17 09 01

Feuchteschaden

Nachnutzung

optisch

0

Instandhaltung

nachstehend nicht näher beschriebene Produktions- oder Verbrauchsrückstände nicht den Normen entsprechende Produkte infolge absichtlicher Tätigkeiten kontaminierte oder verschmutzte Stoffe (z. B. Reinigungsrückstände, usw.) nicht verwendbare Elemente (z. B. verbrauchte Batterien, Katalysatoren usw.) unverwendbar gewordene Stoffe (z. B. kontaminierte Säuren, Lösungsmittel, Härtesalze usw.) bei maschineller und spannender Formgebung anfallende Rückstände (z. B. Fräsespäne usw.) kontaminierte Stoffe (z. B. mit PCB verschmutztes Öl usw.) Stoffe oder Produkte aller Art, deren Verwendung gesetzlich verboten ist kontaminierte Stoffe oder Produkte, die bei der Sanierung von Böden anfallen B 5.81

B 5.82

169

Material

Substanz

typischer Auf- Wirkungsart nahmeweg des Menschen

typischer typische Verwendungs- Emissionsquellen zeitraum

empfehlenswerte Maßnahmen

Grenz- oder Richtwerte

Asbest

Atemluft

fibrogen (Narbenbildung), kanzerogen

bis 1980 (D)

Bauplatten, Rohre und Formstücke, Mörtel und Putze, Dämmstoffe, Dichtstoffe, Bodenbeläge, Textilien

Austausch

vorläufige Maßnahmen1: 1000 F / m3 (EU); Sanierung1: 500 F / m3 (EU)

künstliche mineralische Atemluft Fasern (KMF)

fibrogen (Narbenbildung), kanzerogen, hautreizend

bis 1995 (D)

mineralische Dämmstoffe (Stein- oder Glaswolle ohne Gütezeichen)

Austausch, luftdichter Abschluss

k. A.

Dichlordiphenyltrichlorethan (DDT)

organ- und nervensystemschädigend

bis 1972 (D)

Holzschutzmittel

Entfernung

10 μg / kg (WHO)2 1 μg / kg (D)2 0,5 μg / kg (USA)2

Brandrückstände, Schlacken

Entfernung

k. A.

Nahrung, Hausstaub

Dioxine, Furane

Nahrung

kanzerogen

–

Flammschutzmittel

k. A.

k. A.

bis heute

Formaldehyd

Atemluft

Augen- und Schleimhautreizungen, Kopfschmerzen kanzerogen

Begrenzung seit 1996 (D)

Holzwerkstoffplatten Kunstharze, Beschichtungen chem. Zusätze (z. B. von Fließestrich)

Total Volatile Organic Compounds (TVOC)

Atemluft

Augen- und Schleimhautreizungen, neurotoxisch, (Sick-Buildung-Syndrome)

bis heute

Lacke, Kleber und Abbeizer, Kunststoff- luftdichter Abschluss produkte, Holzwerkstoffe, Teppiche, von Quellen, EntTextilien fernung

3

Entfernung, luftdichter Abschluss chem. Bindung

0,1 mg / m3 (WHO)1 0,12 mg / m3 (D)1 Sanierungszielwert: 0,06 mg / m3 (D)1 0,3 mg / m3 (D)4

1

Richtwerte für Raumluft pro kg Körpergewicht und Tag 3 differenziert zu betrachten (z. B. nach UBA-Text 25 / 01): Verzicht insbesondere auf Decabromdiphenylether und Tetrabrombisphenol A, additiv; Minderung von Tetrabrombisphenol A, reaktiv und Tris(chlorpropyl)phospat 4 In Neubauten sollte die TVOC Konzentration im ersten Jahr 1 – 2 mg / m3 nicht überschreiten. Ausgenommen werden dabei solche Stoffe (z. B. Formaldehyd), für die spezifische Regelungen vorliegen. 2

B 5.83

Label

Lizenzgeber

Blauer Engel

Umweltbundesamt / Dämmstoffe, Lacke / Lasuren, Wandfarben, produktgruppenabhängig, hohe Umweltverträglichkeit (z. B. geringer unbefristet RAL Deutsches Institut Tapeten, Bodenverlegewerkstoffe, Boden- Schadstoffgehalt oder hoher Recyclinganteil), Gebrauchstauglichkeit, für Gütesicherung e.V. beläge, Holz / Holzwerkstoffe, Zemente / Vergabebasis sind Vorgaben durch eine neutrale »Jury Umweltzeichen« Putze / Mörtel, Mauer- / Dachsteine

lizensierte Produkte

überprüfte Sachverhalte

Prüfzeitraum

Eco-Zertifikat Produkt eco-Umweltinstitut emissionsarm GmbH

Dämmstoffe, Lacke / Lasuren, Bodenwerkstoffe, Bodenbeläge, Holzwerkstoffe

Ergänzung zum »Natureplus«-Label, Produktprüfung auf Inhaltsstoffe und Emissionen ausschließlich synthetischer Materialien

14 Monate

EMI Code

Gemeinschaft Emissionskontrollierte Verlegewerkstoffe e.V.

Bodenverlegewerkstoffe

Emissionen, Klassen EC 1 – 3 von »sehr emissionsarm« bis »nicht emissionsarm«, keine Vergabe bei humantoxischen Inhaltsstoffen

unbefristet

Euroblume

Kommission der Europäischen Gemeinschaften

Lacke / Lasuren, Wandfarben, Bodenbeläge produktgruppenabhängig, Umweltauswirkungen über den Lebens(Fliesen) zyklus (z. B. Energieverbrauch, Wasser-, Luftverschmutzung, Abfall, ggf. Lärm- oder Bodenbelastung), Gebrauchstauglichkeit

FSC Zertifikat

Forest Stewardship Council A.C.

Holz / Holzwerkstoffe, Endprodukte müssen Zertifikat von Produktionsbetrieben, Rohstoffbewertung nach 10 lokal an- max. 5 Jahre zu min. 70 %, Papier zu min. 30 % aus passbaren Kriterien im Bereich Gesetzes- und Rechtskonformität, BewirtFSC-zertifizierten Betrieben stammen schaftung, Ressourcenschutz, Umweltwirkungen, soziologische Aspekte

GuT - Teppichboden Gemeinschaft umweltschadstoffgeprüft fr. Teppichboden e.V.

Bodenbeläge (Teppiche)

unbefristet

Schadstoffinhalt, Emissionen und Gerüche, jährliche Stichproben

unbefristet

IBR-Prüfsiegel

Institut für Baubiologie siehe Blauer Engel Rosenheim (IBR) GmbH

produktabhängig, vorrangig gesundheitliche, aber auch umweltbezogene Kriterien, Vergabe bei Erreichen einer Mindestpunktzahl

2 Jahre

Korklogo

Deutscher Kork-Verband e.V.

Korkbodenbeläge (Deckschicht aus Kunststoff max. 0,15 mm)

Emissionen, Normgerechtigkeit, Gebrauchstauglichkeit

1 Jahr

Natureplus

natureplus e.V.

Dämmstoffe, Lacke / Lasuren, Wandfarben, »Naturprodukte« aus mindestens 85 % nachwachsenden und / oder 3 Jahre Holz / Holzwerkstoffe, Bodenbeläge, mineralischen Rohstoffen, Basiskriterien (z. B. Volldeklaration der InhaltsZemente / Putze / Mörtel, Mauer- / Dachsteine stoffe); weitere Kriterien: produktgruppenabhängig, »Gebrauchstauglichkeit«, »Gesundheitsverträglichkeit« und »Umweltverträglichkeit« über den Lebenszyklus, Verifizierung der Prüfung

Naturland

Verband für naturHolz / Holzwerkstoffe, Naturland-Betriebe gemäßen Landbau e.V. dürfen auch das FSC - Siegel nutzen

Zertifikat von Betrieben, umweltschonender und nachhaltiger Umgang mit den genutzten Ökosystemen, Minderung von Schadstoffgehalt, Gebrauchstauglichkeit

min. jährliche Prüfung der Betriebe

PEFC Deutscher ForstPan European Forest Zertifizierungsrat Certification (DFZR)

Bodenbeläge (aus Holz), Holz / Holzwerkstoffe von Holz europäischen Ursprungs

Zertifikat von Betrieben, Stärkung der forstlichen Ressourcen sowie der Kohlenstoffkreisläufe, Erhaltung und Förderung der Produktionsfunktion sowie der biologischen Vielfalt und Schutzfunktionen des Waldes, Erhaltung sonstiger sozioökonomischer Funktionen

unbefristet

Rugmark

RUGMARK / Transfair e.V.

Bodenbeläge (Teppiche)

keine Kinderarbeit, Mindestlöhne, Offenlegung ihrer Aufträge, Zulassung unangekündigter Kontrollen

auftragsbezogen

Toxproof

TÜV Produkt und Umwelt GmbH

Dämmstoffe, Lacke / Lasuren, Wandfarben, produktgruppenabhängig, Schwerpunkt Gesundheitsverträglichkeit, Bodenverlegewerkstoffe, Bodenbeläge, insbesondere Emissionsminderung Holzwerkstoffe, Dichtstoffe / Folien, Zemente / Putze / Mörtel

befristet oder unbefristet, min. 1 Jahr B 5.84

170

B 5.83 B 5.84 B 5.85 B 5.86

gesundheitsschädliche Substanzen im Bauwesen (Auswahl) Auswahl der in Deutschland verfügbaren Typ-IUmweltdeklarationen (Baustofflabel) typische Kostenverteilung im Lebenszyklus (CH) zerstörte Strommasten nach extremer Wetterlage (D) 2004

Lebenszykluskosten [CHF/m2GF a]

Material

300

Abfall Betrieb

250

Rückbaukosten Kapitalkosten

200

Instandhaltung Bau Instandhaltung Haustechnik

150

Reinigungskosten 100

Stromversorgung

50

Heizgas / Heizöl / Meteorgebühren Wasser, Abwasser Verwaltungskosten

liche Unbedenklichkeit ist daher eine grundsätzliche Anforderung. Von den ca. 20 000 Stoffen, die in Deutschland standardmäßig verwendet werden (d. h. Jahresproduktion > 1 t), sind bei nur wenigen die Wirkungen auf den Menschen umfassend bekannt. Für eine Vielzahl von Materialien werden negative Folgen vermutet, diese sind jedoch nicht belegt. Solche potenziellen Schadstoffe werden ggf. von öffentlichen Stellen schon als problematisch klassifiziert. Hinzu kommt, dass Schadstoffe untereinander in Wechselwirkung treten und sich in der Wirkung gegenseitig verstärken können. Sind Schadstoffe in ein Gebäude eingebracht, steigen die Folgekosten für die spätere Beseitigung meist unverhältnismäßig hoch an. Einer groben Ermittlung zufolge betragen z. B. die Kosten für die bis 2002 durchgeführte Asbestsanierung des Palasts der Republik in Berlin 35 bis 40 % eines gleichwertigen Neubaus. Für die nachhaltige Baustoffwahl ist deshalb zu prüfen, inwieweit sie allergische oder toxikologische Folgewirkungen bei Mensch und Umwelt auslösen können. Schadstoffe haben dabei sehr unterschiedliche Wirkungen. Einige, z. B. Schwermetalle, reichern sich über Haut oder Nahrung auch bei geringen Belastungen im menschlichen Körper an. Andere sind flüchtig, beeinträchtigen aber dauerhaft das Nervensystem. Weitere sind nicht abbaubar, lungengängig und wirken dort kanzerogen. Über den Aufnahmeweg des Stoffes durch den Menschen lässt sich ermitteln, ob über lokale Maßnahmen ein Schutz des Menschen möglich ist oder der Baustoff generell ausgetauscht werden muss. Dabei sind immer die länderspezifischen Richtlinien für die Bewertung und Beseitigung zu beachten. Im Notfall sollte ein Sachverständiger hinzugezogen werden. Die Untersuchung des Schadstoffpotenzials kann durch drei Vorgehensweisen erfolgen: • Umweltkennzeichnung und Label: Nach DIN EN ISO 14024 sind Typ-I-Umweltdeklarationen verfügbar, die Label an Produkte bei Einhaltung definierter Anforderungen vergeben. Nicht jedes Label steht für eine umfassende Qualitätsprüfung oder be-

Verwaltungsgebäude

Wohngebäude

Pflegeheim

Schulgebäude

0

B 5.85

B 5.86

zieht sich auf den gesamten Bauproduktmarkt. Es empfiehlt sich deshalb, die zertifizierten Produktgruppen, die untersuchten Sachverhalte und die Vorgehensweise der zertifizierenden Stelle bei Analyse und Vergabe des Labels genau zu prüfen (Abb. B 5.84). Die ermittelten Eigenschaften des Materials können dann bei der Ausschreibung als Anforderung deklariert werden. Als Typ-II-Umweltdeklaration (DIN EN ISO 14 021) geben Hersteller solche Informationen auch selbst heraus. Hierbei gibt es allerdings weder eine feste Deklarationsvorschrift noch eine definierte Untersuchungsmethodik. • Schadenspotenzialermittlung über Konstruktionen (bei schon verbauten Baustoffen): Meist finden sich im Altbaubestand in ihrer Wirkung bekannte Schadstoffe. Dazu ist es nützlich, den zur Bauzeit eines Gebäudes aktuellen Stand der Technik im entsprechenden Land zu kennen. Häufig treten Schadstoffe länder- und bauzeitspezifisch auf, z. B. Phenole oder Kresole, die in den Ländern des ehemaligen Ostblocks als Reststoffe der chemischen Industrie zu Bindemitteln von Bodenbeschichtungen und Leichtestrichen verarbeitet wurden. Weitere Beispiele sind Asbest und künstliche mineralische Fasern (KMF), Schwermetalle wie Blei oder Arsen, polychlorierte Biphenyle (PCB), Biozide wie Dichlordiphenyltrichlorethan (DDT) oder polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) (Abb. B 5.83). • Schadstoffpotenziale nach Anwendung (bei neuen Baustoffen): Bestimmten Baustoffgruppen wird ein erhöhtes Schadstoffpotenzial zugeschrieben. Darunter fallen besonders Beschichtungen, Klebstoffe, Abbeizer, Holzschutzmittel, Teppiche, elastische Bodenbeläge und Dämmstoffe. Innerhalb der Ausschreibung lassen sich hier präzise Materialanforderungen – maximale Emissionsvorgaben oder Label – formulieren. Ein Verweis auf mögliche Abschlussmessungen zu Prüfzwecken verbunden mit Hinweisen zu entsprechenden Vorgehensweisen bei Überschreitung von Zielwerten ist anzuraten.

Betriebssicherheit Die Baustoffwahl wird weiterhin begrenzt durch verschiedene Sicherheitserwägungen für den Gebäudebetrieb. Diese leiten sich großenteils aus rechtlichen Anforderungen und Vorschriften ab. Hier sind in jedem Einzelfall Aspekte der Betriebssicherheit und des Nutzungskomforts mit energetischen und ökologischen Eigenschaften von Materialien in Einklang zu bringen. • Standsicherheit: Die Sicherung und Erhaltung der Tragfähigkeit ist seit Vitruv eine der drei Säulen der Architektur (lt.: firmitas). Die statische Berechnung integriert Sicherheiten, die auch einer möglichen Überlastung, etwa aus unsachgemäßer Nutzung, Rechnung tragen. Mit dem einsetzenden Klimawandel können sich besonders die klimatischen Anforderungen wie Windlasten, Niederschlagsmengen von Starkregen oder Schneelasten verschärfen (Abb. B 5.86). • Brandschutz: Baulicher Brandschutz dient dazu, im Notfall Leben zu retten und die Bausubstanz als Wirtschafts- und Kulturgut zu erhalten. Regeln zum Brandschutz sind im Bundesgesetzbuch (BGB), im Strafgesetzbuch (StGB), durch Verordnungen wie die Bau- oder Gewerbeordnung (BauO, GewO), durch Normen wie DIN EN 18 230 oder DIN 4102 und Feuerversicherungen erlassen. Der vorbeugende Brandschutz begrenzt die Wahl geeigneter Baustoffe und beschränkt damit in vielen Fällen auch die Auswahl unter energetischen wie ökologischen Aspekten. Grundlage ist die Bauteilklassifizierung nach DIN 4102 in Form von Feuerwiderstandsklassen (F für tragende Bauteile, W für nicht tragende Bauteile) oder der europäischen Norm DIN EN 13 501. • Schallschutz: Schallschutz dient dem Erhalt der Privatsphäre, Gesundheit und Leistungsfähigkeit des Menschen. Regeln zum Schallschutz sind u. a. in DIN 4109 und DIN EN 12 354 festgelegt. Vielfach wird davon ausgegangen, dass sich wirksamer Schallschutz, insbesondere gegen Luftschall, nur durch Ein-

171

Material

satz von Masse bewerkstelligen lässt. Über leichte, mehrschichtige und schwingungsentkoppelte Konstruktionen lässt sich Luftschallschutz jedoch ebenso bewältigen. Schalldämpfende Materialien, speziell leichte und poröse Absorber, bekämpfen unerwünschte Schallwirkungen lokal. • Feuchteschutz: Die in Materialien oder der Luft gebundene Feuchte beeinflusst die thermische Behaglichkeit des Menschen und damit die wahrnehmbare Gebäudequalität erheblich (siehe Grundlagen, S. 55). Die relative Luftfeuchte sollte ganzjährig etwa zwischen 40 und 60 % betragen. Deutlich erhöhte Luftfeuchte kann Probleme nach sich ziehen, insbesondere aber Schimmelbildung, wenn Feuchtigkeit durch Bauteile hindurchdiffundiert und sich dabei niederschlägt. Dampfbremsen, Dämmstoffe und sorptionsfähige Materialien tragen zum Feuchteschutz bei. Pflege und Instandhaltung

Für Architekten besteht eine allgemeine Verpflichtung, wirtschaftlich zu planen. Der Werkvertrag des Architekten bedingt als Zielfindungsvertrag die Abstimmung der Leistung mit dem Bauherrn – nicht nur in Bezug auf die Baukosten, sondern auch auf die Folgekosten. Letztere können die Baukosten einzelner Bauteile um ein Vielfaches übersteigen (Abb. B 5.85). Dem Architekten fällt somit die Aufgabe zu, sie in seine Betrachtung miteinzubeziehen und Lösungen für ihre Reduzierung zu benennen. Der Aufwand während der Nutzungsphase basiert auf dauerhaft zu erfüllenden Ansprüchen bezüglich Sauberkeit Fassadenmaterial

und Hygiene, Werterhaltung, Gebrauchseigenschaften (Schalldämpfung, Rutschhemmung bei Bodenbelägen etc.) und Erscheinungsbild. Hierbei ist vor allem ein effizienter Einsatz finanzieller Mittel für Reinigungstechnik und Organisation zu verfolgen. Der Pflegeaufwand berührt jedoch auch Aspekte des Energieverbrauchs, des Umweltschutzes und des gesunden Raumklimas. Schmutzeintrag Abrasive Partikel wie Gestein, Sand oder Glassplitter wirken sich negativ auf die Werterhaltung von Nutzoberflächen aus. Haupteintragsquelle in das Gebäude ist an Schuhen haftender Schmutz, erst in zweiter Linie Schwebstoffe aus der Luft. Pflegeaufwandsorientierte Planung beginnt daher mit der Verminderung des Partikeleintrags aus dem Außenraum durch entsprechende Oberflächengestaltung. Barrierefreies Bauen erleichtert die Reinigung, da Bewegungsräume von Reinigungsmaschinen und Rollstühlen ähnlich dimensioniert sind. Positiv wirkt sich die klare Trennung von Flächen mit hohem und niedrigem Reinigungsaufkommen aus (Abb. B 5.90). Der Reinigungsbedarf reduziert sich deutlich, z. B. bei Gitterrosten, Sauberlaufzonen im Eingangsbereich oder in der Vorzone eines Gebäudes. Etwa zehn Schrittmaße führen zu einer Senkung des Schmutzeintrags um 80 % (Abb. B 5.89). Pflegeleichte Oberflächen Reinigung und Pflege sind arbeitsintensiv. Neben technischen Anlagen verursachen insbesondere Bodenbeläge, Fenster und

Haustyp zweigeschossig

Haustyp zehngeschossig

Reinigungszykl. [a] Index1 [%]

Reinigungszykl. [a] Index1 [%]

Aluminium-Bekleidungen Oberfläche anodisch oxidiert (geschliffen) Oberfläche stückbeschichtet Oberfläche bandbeschichtet Kupfer-Bekleidungen

2 2 2

700 310 310

1 2 2

1600 400 400

k. A.

k. A.

k. A.

k. A.

Zink-Bekleidungen

3

470

k. A.

k. A.

emaillierte Stahlblech-Bekleidungen

1

310

1

400

20

100

20

100

1 0,25

440 1750

1 0,25

240 960

Naturwerkstein-Bekleidungen mit offener oder geschlossener Fuge Glas-Bekleidungen rückseitig emailliert rückseitig emailliert und metalloxidbeschichtet Betonwerkstein-Bekleidungen mit Vorsatz

12

680

12

1280

großformatige Betonfertigteile

12

680

12

1280

Klinkervorsatzschale, zweischaliges Mauerwerk

20

420

20

620

5 10 10

170 20 100

– – –

– – –

2 10

310 380

2 k. A.

200 k. A.

Holz- oder Holzwerkstoff-Bekleidungen2 Massivholzschalung, deckend beschichtet Massivholzschalung, Kernholz, unbeschichtet Fassadenplatten aus Holzwerkstoffen Faserzementplatten großformatig kleinformatig 1 2

im Verhältnis zu Naturstein (= 100 %) nach Angaben der Deutschen Gesellschaft für Holzforschung (DGfH)

Beleuchtungskörper Stützen Gebäudegestaltung Beschilderung Gebäudeautomation Außenwände UG Kanalisation nutzungsspezif. Möbel Innenwände (Rohbau) Decken, Treppen Küchen Fundamente Sicherheitsanlagen Transportanlagen Grünflächen Deckenbekleidungen Außenwände EG, OG Dächer Einbauten Heizungsanlagen lufttechnische Anlagen Wandbekleidungen Trennwände, Innentüren Starkstromanlagen Bodenbeläge Fenster, Außentüren (Ab)Wasseranlagen 0

B 5.87

172

Türen, Innenwände und Bekleidungen hohe Kosten (Abb. B 5.88). In Ländern mit hohen Personalkosten (z. B. in Deutschland) stehen daher Reinigungskosten beim Gebäudebetrieb oft noch vor den Heizkosten (siehe Planen und Bauen in Lebenszyklen, S. 33, Abb. A 6.3). Wirtschaftliche Gestaltung bedeutet u. a., Oberflächen leicht und mit maschinell unterstützten Reinigungsarten bearbeiten zu können. Hier sind besonders glatte, fugenfreie und an ihrer Oberfläche unempfindliche Baustoffe empfehlenswert (Abb. B 5.87). Dauerhafte Beschichtungen wirken den an der Oberfläche stattfindenden pysikalischen und chemischen Prozessen entgegen und können den Wartungsaufwand verringern. Sie dienen u. a. zur besseren Schmutz- und Wasserableitung (z. B. Lotuseffekt, selbstreinigendes Glas), als Katalysator (z. B. Raumluftverbesserung, Zersetzung organischer Stoffe) oder als Träger chemischer Stoffe (z. B. Biozide zum Fassadenschutz). Beschichtungen können jedoch nach Abschluss ihrer Lebensdauer nur selten vom Untergrund getrennt oder zurückgewonnen werden. Reduzierte Kosten in Betrieb, Wartung und Instandhaltung stehen ggf. erhöhten Kosten in der Instandsetzung gegenüber. Die Reinigung kann durch spezielle Materialeigenschaften unterstützt werden, wie etwa die antibakterielle Wirkung von Edelstahl in Küchen. Ökologisch betrachtet bedeutet pflegeleicht, dass die Reinigung effizient und ressourcenschonend erfolgt. In aufsteigender Folge lassen sich Reinigungsarten nach Aufwand wie folgt sortieren: Investitionskosten Lebenszykluskosten

300 000 600 000 900 000 Kosten [CHF / a] B 5.88

Material

• • • •

trocken, mechanisch feucht, mechanisch feucht, chemisch saugen

Der größte Posten zur Reinigung in der Stoffstrombetrachtung ist Wasser. Insbesondere dort, wo Wasser als Ressource knapp ist, können ökologische Aspekte auch wirtschaftlich bedeutsam werden. Emissionsbezogen haben die Reinigungsmittel den größten Anteil an der Umweltbelastung. Daher sollten biologisch abbaubare Reinigungsmittel verwendet und ihr Einsatz nicht durch verfehlte Materialwahl und schwer zu reinigende Details behindert werden (Abb. B 5.90). Pflegeleichte Bodenbeläge Aspekte der Reinigung und Pflege lassen sich an Bodenbelägen gut verdeutlichen. Bei der Auswahl sind Farbgebung und Musterung zu beachten: unifarbene, helle und kalte Materialien zeichnen Schmutz leichter ab, dagegen wird er bei erdfarbenen oder gemusterten Belägen geringer sichtbar. Unter Reinigungsgesichtspunkten schneiden harte Natur- oder Werksteinbeläge wirtschaftlich am besten ab. Ihre Langlebigkeit macht sie wirtschaftlich wie ökologisch vorteilhaft. Auch keramische Fliesenbeläge wie glasierte Fliesen lassen sich leicht reinigen, da sie kaum Feuchtigkeit aufnehmen. Sie verlieren aber im Nutzungszeitraum, besonders bei hohen Belastungen, mit der Zeit durch Beschädigung der Oberfläche ihre Ansehnlichkeit. Elastische Bodenbeläge schneiden – speziell in Büros – bei den Investitions- und Betriebskosten meist geringfügig schlechter ab als harte Bodenbeläge. Dafür reduzieren sie durch ihre schallabsorbierenden Eigenschaften das Schallaufkommen am Arbeitsplatz. Linoleum und Naturkautschukbeläge sind ökologisch sinnvoll. Teppichböden lassen sich gut reinigen, ihr Pflegeaufkommen wird allerdings stark durch Zugänglichkeit und Vorgaben des Gebäudebetreibers bestimmt. Bei hohen Belastungen mit häufiger Grundreinigung und bei geringer Dauerhaftigkeit sind Teppichbeläge wirtschaftlich und ökologisch nachteilig. Holzböden weisen im Verhältnis zu elastischen Bodenbelägen höhere Pflegekosten auf. Dafür können sie, in Abhängigkeit der Nutzschichtdicke, mehrfach abgeschliffen werden und verfügen so über eine hohe Dauerhaftigkeit. Ein pflegeleichter Bodenbelag kann die jährlichen Reinigungskosten um bis zu 30 % senken (Abb. B. 5.91). Die höheren Investitionskosten solcher Beläge korrespondieren in der Regel mit einer längeren Dauerhaftigkeit und ermöglichen über den Lebenszyklus Kosteneinsparungen. Dauerhafte Beläge lohnen sich daher vor allem bei entsprechend fest definierten Raumzonen. Bei geplanter späterer Nutzungsänderung muss ermittelt werden, ob ein Belag auch für die neue Raumfunktion und -gliederung geeignet ist.

Pflegeleichte Fassaden Reinigungsintensive Fassadenelemente stellen vor allem Fenster und Türen dar. Wichtig ist eine gute Zugänglichkeit für Reinigungszwecke, bei großflächigen und vielgeschossigen Fassaden ggf. über Befahranlagen. Glas kann hydrophil beschichtet werden, um den Reinigungsaufwand zu reduzieren. Dabei bildet sich ein flächiger Wasserfilm auf dem Glas, der Schmutzpartikel besser abführt und so die notwendigen Reinigungszyklen minimiert. Solche auf organischen Verbindungen basierende Beschichtungen sind jedoch kratzanfällig. Einmal beschädigt, lässt sich die Beschichtung nach heutigem Stand der Technik nur schwer erneuern. Aus diesem Grund gelten spezielle Vorschriften für Reinigungsarten und - mittel, deren Einhaltung die Kosten erhöhen kann. Eine andere Belastung kann bei Wärmedämmverbundsystemen durch Algenbewuchs auftreten. Hochgedämmte Bauteile verringern die winterliche Fassadenoberflächentemperatur, die sich der Außenraumtemperatur annähert. Die dadurch bedingte, im Verhältnis zum bisherigen Baustandard höhere Luftfeuchte und langsamere Oberflächenabtrocknung fördert das Algenwachstum. Ein erhöhter Feuchteabtransport, biozide oder photokatalytische Wirkungen spezifischer Oberflächenbeschichtungen können zu einer Reduktion dieses Effekts beitragen. Über die Dauerhaftigkeit ist jedoch noch wenig bekannt. Instandhaltung der Oberfläche Zur Instandhaltung der Oberfläche gibt es zwei gegenläufige Materialstrategien. Einerseits kann das Material über eine besonders belastungsresistente Struktur und Oberfläche verfügen, die eine hohe Dauerhaftigkeit gewährleistet und durch die sich generell Kosten für Pflege und Instandhaltung reduzieren. Im Schadensfall ist jedoch meist mit hohen Kosten für die Instandsetzung zu rechnen. Defizite in der Bauunterhaltung zeichnen sich in Form eines sichtbaren Verfalls des gesamten Gebäudes ab, sofern das Material keine optische Robustheit (wie etwa bei Ziegeln) besitzt oder keine als angenehm empfundene Patina ausgebildet wird. Andererseits kann die Oberfläche des Materials nutzungsbedingt einen höheren Verschleiß aufweisen, wie etwa bei Holzböden, der wiederum aufgrund einer kräftigen Textur nicht als unangenehm empfunden wird und zudem leicht durch Abschleifen saniert werden kann. Setzt man solche Instandsetzungsprozesse bewusst ein, kann über die wiederkehrende Erneuerung der Eindruck eines sich immer wieder aktualisierenden, »frischen« Gebäudes entstehen. Unter der Voraussetzung kleinteiliger Bauteile und reparaturfreundlicher Oberflächen lassen sich zudem Schadensfälle lokal beheben. Die Instandhaltung stützt sich dabei besonders auf die Dauerhaftigkeit von Baustoffen (siehe S. 163).

B 5.89

B 5.87

B 5.88 B 5.89 B 5.90

B 5.91

B 5.90 Reinigungskosten für unterschiedliche Fassadenbekleidungen nach Leitfaden »Nachhaltiges Bauen« (D) Lebenszyklus- und Investitionskosten pro Jahr nach Bauteilen (CH) Steg als Sauberlaufzone, Wohnhaus, Overijse (B) 2002, Buelens Vanderlinden Architects nach Reinigungsbedarf differenzierte Oberflächengestaltung, Wohnungsumbau, Pavia (I) 1998, Massimo Curzi Reinigungsaufwand unterschiedlicher Bodenbeläge nach Leitfaden »Nachhaltiges Bauen« mit Granit als Bezugsgröße

Belagsmaterial

tägliche IntensivReinigung reinigung [%] [%]

polierter Granit (Bezugsgröße)

100

Betonwerkstein

102

105

kunstharzgebundener Stein

102

100

100

Naturwerkstein, poliert

102

100

Fliesenboden, glasiert

110

125

Fliesenboden, unglasiert

120

135

Naturwerkstein, rau

120

125

Linoleum

105

130

PVC

105

130

glatter Gummiboden

120

115

genoppter Gummiboden

150

150

versiegelter Holzboden

120

Teppichboden

90 – 140

–1 2

200

1

Abschleifen und Neuversiegelung 2 Mittelwert 110 B 5.91

173

Material

11,8 Baustellenabfälle 14,4 % recycelt 1,7

verwendet / direkt verwertet, Verfüllmaterial

1,9

recycelt 22,3 Straßenaufbruch 85,7 % recycelt 19,1 2,0

11,9 Mio.t

Raumabschluss

Tragstruktur

gesamt

5,1 Mio.t 54,5

Bauschutt 74,5 % recycelt

40,6

42,5 Mio.t Bodenaushub 6,8 % recycelt

163,6 126,5

11,2 0

40

80

120 160 Menge [Mio. t]

B 5.92 Nachnutzung

Jeder Materialeinsatz sollte in einen geschlossenen Materialkreislauf münden, also Abfälle wiederverwertet werden. Das Bauwesen ist davon jedoch noch weit entfernt. Ansätze sind z. B. in der Metall verarbeitenden Industrie vorhanden, allerdings auf wenige Metalle und dort nur auf einzelne Metalllegierungen beschränkt. Abfallbehandlung Seit Februar 2007 müssen durch das Kreislaufwirtschaftsgesetz (KrW / AbfG) bei wirtschaftlicher Tragbarkeit alle Abfälle wiederverwertet werden (Abb. B 5.81). Die Wirtschaftlichkeit definiert sich neben der Art der Verwertung und dem daraus resultierenden Produkt auch aus dem Abfallmanagement, das z. B. notwendige Transportprozesse berücksichtigt. Der Architekt gibt durch die Materialwahl die Grundstoffe vor, die dem Abfallmanagement später einmal zur Verfügung stehen. Er kann damit mittelfristig auf die Ausbildung von Materialkreisläufen einwirken oder durch bewusstes Einsetzen wiederverwerteter Produkte bestehende Kreisläufe stärken (siehe Stadtraum und Infrastruktur, Abb. B 2.61). Nicht jeder Kreislauf ist gleichwertig, daher beschreiben die Begriffe »Downcycling«, »Recycling« und »Upcycling« die Art der Rückführung in den Stoffkreislauf. Recycling bedeutet dabei im Gegensatz zu Downcycling, dass theoretisch ein dauerhafter Kreislauf über die vollständige Wiederverwertung ermöglicht wird. Upcycling heißt, dass das Material im nächsten Zyklus optimiert, z. B. sortenreiner, wird. Verwertungsarten Das Vorgehen bei der Verwertung ist ausschlaggebend für den ökologischen Wert, den Erhalt des Grundstoffs und der im Material gespeicherten Energie. Unabhängig von den oben genannten Rückführungsmöglichkeiten unterscheidet man nach der Art der Verwertung (Abb. B 5.93): • Wiederverwendung • Wiederverwertung • Weiterverwendung

174

sonstige Zwecke Erdbau Betonzuschlag Straßenbau

nicht tragender Rohbau

B 5.93

Wiederverwendung bezeichnet die Nachnutzung kompletter Bauprodukte, die dazu nicht oder nur geringfügig – etwa mechanisch gesäubert – verändert werden. Da die schadhaften Bauteile in der vorangehenden Nutzung bereits ausgetauscht wurden und somit eine Optimierung des Produkts stattgefunden hat, steigt bei wiederverwendeten Bauteilen die durchschnittliche Materialqualität. Im ersten Anwendungszyklus laufend durchreparierte Bauteile, wie z. B. geneigte Dachdeckungen aus Dachziegeln, können daher durchaus eine höhere Dauerhaftigkeit besitzen als neu produzierte. Eine hohe Dauerhaftigkeit bei einfacher Demontage fördert die Wiederverwendung, z. B. bei Natursteinpflaster. Grundlage für die Möglichkeit der Nachnutzung gesamter Bauteile ist ein weiterer Bedarf am Bauteil. Standardisierte Produkte erhöhen dabei die Vorplanbarkeit, u. U. verfügbare Bauelemente zu integrieren. Eine wirtschaftliche, bauteilbezogene Nachnutzung sollte deshalb insbesondere in Bezug auf schon industriell produzierte Bauteile durchführbar sein. Ein Beispiel sind die Plattenbauten der DDR-Zeit. Aus nicht mehr benötigten Bauplatten ließen sich neue Gebäude mit geringen Baukosten und energetischen Folgewirkungen erstellen (Abb. B. 5.99). Ein Bauteil kann allerdings nur dann wiederverwendet werden, wenn es nicht zu stark auf seinen ersten Lebenszyklus optimiert wurde, sondern über eine gewisse technischfunktionale Neutralität verfügt. Halbzeuge, aber auch standardisierte Baustoffe wie Ziegel oder Bauplatten, lassen ebenfalls eine Wiederverwendung zu. Da die Kosten für den materialgerechten Rückbau den Produktwert deutlich übersteigen können, Rückbau häufig in engen Zeitfenstern durchgeführt wird und gebrauchte Produkte Probleme bei der Gewährleistung bedingen, findet eine Wiederverwendung allerdings oft nicht statt. Bei Bauteilen mit hohem oder historischem Wert wird das Verfahren häufiger angewendet (Abb. B 5.98). Als Wiederverwertung wird die Wiedergewinnung chemischer Grundstoffe zur Neuproduktion desselben Materials bezeichnet, die auch ein Upcycling ermöglicht. Produkte mit niedriger Wertigkeit werden zu hochwertigen Produkten umgearbeitet. Die entstandenen

Ausbau, Gebäudetechnik

B 5.94

»neuen Materialien« besitzen – zeichnet sich ihre Herstellung deutlich ab – eine ganz eigene Ästhetik und zeigen so die Umsetzung der zeitgemäßen Aufgabenstellung (Abb. B 5.97), etwa als »altglasbewehrter Beton«. Die Produktion neuer Baustoffe bietet immer auch die herstellerbezogene Gewährleistung, die die Nutzung solcher Produkte erleichtert (Abb. B 5.95). Auch die Kompostierung ist eine Art der Wiederverwertung. Hier werden organische Baustoffe wieder zu Humus und gelangen damit als Rohstoff zurück in die Produktionskette organischer Naturprodukte. Bei der Weiterverwendung isoliert man die Grundstoffe des Materials aus den Produkten und nutzt sie für die Herstellung neuer. Vorausgesetzt ist, dass die Inhaltsstoffe bekannt, die Abfälle in sortenreinen Chargen vorliegen und schadstofffrei sind. Solches stoffliches Recycling eignet sich besonders bei standardisierten Materialzusammensetzungen, einer großindustriellen Produktion und einer heute schon wirtschaftlichen Verwertung des Baustoffs, z. B. bei Kunststoffen und Metallen, die mit hohem Energieeinsatz hergestellt wurden und knappe Rohstoffe verbrauchen (Abb. B 5.96). Bei der energetischen Verwertung werden organische Baustoffe verbrannt und ihr Energieinhalt in Form des Heizwerts [MJ] genutzt. Als Emission entsteht insbesondere Kohlendioxid. Mit diesem Prozess wird der positive CO2-bindende Effekt erneuerbarer Materialien wieder aufgehoben. Man spricht auch von »thermischem Recycling«, allerdings handelt es sich im Wortsinn nicht um einen Recyclingprozess, da der Materialkreislauf nicht weitergeführt wird. Mit dem aktuellen Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz ist für Deutschland aufgrund des begrenzt zur Verfügung stehenden Deponierungsvolumens für alle Bauteile aus organischen Rohstoffen mindestens die thermische Verwertung vorgeschrieben. Eine weitere typische Form der Weiterverwendung ist der heute bereits weitverbreitete Umgang mit mineralischen Baurestmassen. Sie werden zu etwa 75 % über Downcycling als Straßenbaumaterial oder Füllmasse verwendet (Abb. B 5.93).

Material

B 5.92 B 5.93 B 5.94 B 5.95 B 5.96 B 5.97 B 5.98 B 5.99

B 5.95

Deponierung Die generellen positiven Einflüsse einer Verwertung lassen sich durch die Stoffstromanalyse darlegen. Nur wenn eine Verwertung nicht möglich ist, erfolgt die Deponierung. Die zur Ablagerung bereitstehenden Flächen sind in Deutschland, wie in fast allen Industrieländern, stark begrenzt. Diese Form der Abfallbehandlung ist daher ebenso kostenwie flächenintensiv; außerdem beeinträchtigt sie Landschaftsbild und -nutzung. Bei unsachgemäßer Handhabung können Schadstoffe unkontrolliert in die Umwelt gelangen, Luft-, Wasser- und Bodenkontaminationen verursachen und sich in der Nahrungskette anreichern. Hinzu kommt die Gefahr der »wilden Deponierung« von Abfallstoffen, insbesondere bei mangelnder Überwachung. Seit 2005 dürfen abgelagerte Abfälle in Deutschland aus Sicherheitsgründen nicht mehr »reaktiv« sein, d. h. sie dürfen sich in ihrer Struktur nicht mehr verändern. Damit soll verhindert werden, dass innerhalb von Deponien unkontrollierte chemische Prozesse ablaufen. Dies erfordert jedoch in den meisten Fällen eine thermische Vorbehandlung des Abfalls, die einen zusätzlichen Ressourcenverbrauch nach sich zieht. Der zuvor häufig energie- wie ressourcentechnisch hochwertige, jedoch unsortierte Abfall wird dabei verschmolzen. Eine spätere Rückgewinnung der Ressourcen wird damit erschwert oder

B 5.97

Masseaufkommen und Recycling von Bauresten in Deutschland Nutzungsgebiete von Baurestmassen in Deutschland schematische Darstellung der Trennung einzelner Gebäudeausbauschichten Zellulosedämmung aus Altpapier Regalsystem Montana aus Recycling-Kunststoff Leuchtwandinstallation »Farben des Konsum«, Berlin (D) 2003, Bär und Knell historisches Fenster in einem Neubau Wohngebäude aus wiederverwendeten Fertigbauteilen ehemaliger Plattenbauten, Chemnitz (D) 2002, Zimmermann + Partner

B 5.96

unmöglich gemacht (siehe Stadtraum und Infrastruktur, S. 77).

Materialkreislaufgerechte Konstruktionen Sind alle Möglichkeiten für die weitere Nutzung eines Gebäudes ausgeschöpft, wird ein Abbruch notwendig. Dann sollten die eingeführten Materialkreisläufe wieder getrennt werden können. Dazu muss jede funktionale Schicht und jedes Bauelement voneinander lösbar sein (Abb. B 5.94). Eine Mindestanforderung besteht in der Trennung von Materialschichten, die für unterschiedliche Verwertungsarten vorgesehen sind. Allerdings unterliegen auch

die Recyclingtechnologien einem Wandel. Eine Optimierung auf heute vorhandene Technologien erscheint daher aufwendiger und weniger sinnvoll als eine möglichst umfassende Trennbarkeit und Sortenreinheit aller Schichten. Die Materialzusammensetzung sollte zudem bekannt und nachvollziehbar dokumentiert sein. Sind, wie beim Betonbau, Bauteile miteinander vergossen, lassen sie sich nach Beendigung des Lebenszyklus nur durch Zerstörung voneinander trennen. Zwar lässt sich die sortenreine Wiedergewinnung der Grundmaterialien durchführen, der energieaufwendige Formgebungsprozess des Bauteils geht jedoch unwiederbringlich verloren. Daher sind gerade bei energiereichen Tragwerkskonstruktionen die Möglichkeiten der Nachnutzung zu beachten. Hier mündet die Betrachtung industrieller Vorfertigungstechniken direkt in die Gestaltung demontagegerechter Konstruktionen. (Teil)demontage und eine folgende Transformation können an vielen Stellen wertvolle Bausubstanz oder Bauteile erhalten und durch planerische Leistung u. U. einen weiteren Nutzungszyklus ermöglichen, sofern er nicht schon durch eine nutzungsneutrale Grundstruktur gegeben ist. Der Erhalt und der kreative Umgang mit dem Bestand sichert in aller Regel den langfristig schonenden Umgang mit grauer Energie und schafft für das Bauwesen eine erhöhte Umweltverträglichkeit.

B 5.98

B 5.99

Rücknahmeverpflichtung Die EU-Gesetzgebung bereitet die generelle und umfassende Rücknahmeverpflichtung für Bauprodukte vor. Eine solche Verpflichtung soll sich zunächst auf Produkt- oder Gebäudehersteller beschränken. Die Qualität der Planung und die Betrachtung von alternativen Austausch- und Abbruchprozessen wird jedoch die Möglichkeiten und die notwendigen Aufwendungen für eine Rücknahme bestimmen oder zumindest beeinflussen. Die daraus resultierenden rechtlichen Folgen für Architekten und Bauherrn sind zurzeit noch unklar. Eine vorausschauende Planung nimmt daher schon heute Bezug auf zu erwartende Veränderungen im Umgang mit Baustoffen und Bauteilen, etwa durch eine reversible Bauteilstruktur.

175

Strategien

B 6.1

Architekten und Planer sind der Qualität unserer Umwelt in besonderer Weise verpflichtet. Kaum ein anderer Berufszweig greift so tief in die Sinnes- und Lebenswelt der Menschen und zugleich in die weltweiten Energie- und Stoffströme ein. Daher tragen Architekten in der Entwicklung nachhaltigen Wirtschaftens eine entscheidende Verantwortung. Von der Notwendigkeit höherer Energie- und Ressourceneffizienz sowie dem ganzheitlichen Denkansatz einer nachhaltigen Entwicklung werden voraussichtlich ähnlich wirksame Impulse ausgehen wie von den sozialpolitisch motivierten Veränderungen der Moderne. Diese könnten eine Neudefinition von Architektur und Bauen bewirken, sodass auch dieser Wirtschaftszweig den erforderlichen Beitrag für eine nachhaltige und zukunftsfähige Entwicklung liefern kann. Bestehende Leitbilder hinterfragen Städtebau und Architektur entwickelten sich aus dem Kontext lokaler Klimabedingungen sowie vorhandener Material- und Energieressourcen. Erst seit wenigen Generationen hat sich das Bauen durch die Möglichkeit der Nutzung fossiler Energieträger von diesen Rahmenbedingungen gelöst (Abb. B 6.6). In der Folge betrachtete man einen hohen Energieverbrauch als Ausdruck überlegener Kultur. Statistiken verwiesen auf die Fähigkeit entwickelter Länder, mehr Energie erzeugen und verbrauchen zu können als andere. Randbedingungen

Klima

Der Fortschrittsglaube der Moderne, die Bereitstellung komfortabler Lebensbedingungen durch beinahe beliebig großen Energie- und Ressourceneinsatz zu gewährleisten – unabhängig von äußeren Bedingungen und inneren Anforderungen –, hat zuweilen isolierte, von den vielfältigen Wechselbeziehungen abgelöste Architekturen mit enormem Energieverbrauch hervorgebracht. Vor diesem Hintergrund proklamierte Reyner Banham bereits 1967 die Notwendigkeit einer neuen Denkweise in der Architektur, da die herkömmlichen Herangehensweisen nicht ausreichen, um die zunehmenden Umweltprobleme zu lösen. Am Vergleich zwischen Motorboot und Segelboot verdeutlicht er gegensätzliche Entwurfskonzepte: »Mit einem Motor lässt sich praktisch jedes schwimmende Objekt in ein steuerbares Schiff verwandeln. Ein kleines, konzentriertes Maschinenpaket verwandelt ein undifferenziertes Gebilde in einen Gegenstand mit Funktion und Zweck« [1]. Banham zufolge sollten Architekten ein Haus nicht mehr als ein mit technischen Apparaturen ausgestattetes Gehäuse auffassen, sondern zu einem »Klimagerät« weiterentwickeln, das wie ein Segelboot dynamisch auf die Umwelteinflüsse reagiert und sich durch die Ausnutzung des lokalen Energieangebots versorgt (Abb. B 6.1). Vision 2000-Watt-Gesellschaft

Während noch vor wenigen Jahrzehnten diskutiert wurde, Materie und Architektur weit-

energieoptimiertes Gebäudekonzept

Ökologie (CO2-Belastung)

Minimierung des Energiebedarfs

Ökonomie (Lebenszykluskosten)

Nutzung

Recht

Gestaltung

Bewertung

Gesellschaft (Akzeptanz) Optimierung der Energieversorgung

Architektur (Gestaltqualität)

B 6.2

176

Strategien

Mobilität (ÖV) Mobilität (Flugzeug) Mobilität (Auto) Stromverbrauch Infrastruktur

100 140 180 230 140

2000 Watt / Person

480

SIA Effizienzpfad

210

Büro Schule sonstige Sektoren

570 900

Wohnen und Arbeiten

450 1500

in der 2000-Watt-Gesellschaft Schweizer Familie mit 4 Personen heute

B 6.6

• PEh

45

12,5

85

23,6

• PEhil,lü

25

7,0

25

7,0

Warmwasser

40

11,1 36,1

Raumklima

Mobilität

100

27,8

100

27,8

Warmwasser

Zielwert A Wohnen

440

122

440

122

Mobilität Licht und Apparate

B 6.4

B 6.5

16,7

130

schnittsdauerverbrauch in Westeuropa beträgt demgegenüber derzeit ca. 6000 Watt und in der Schweiz etwa 5000 Watt. Als dauerhaft »klimaverträglich« beziffert der Weltklima-Rat einen CO2-Ausstoß von rund 1 t pro Person bzw. einer Dauerleistung von lediglich 500 Watt. Die Lücke von etwa 1500 Watt müssen somit erneuerbare Energieträger abdecken. Das Modell strebt für die unterschiedlichen Sektoren wie z. B. Wohnen und Arbeiten, Güter und Nahrung oder Mobilität entsprechende Richtwerte in Watt an, um den Durchschnittsverbrauch in der Schweiz in den kommenden Jahrzehnten drastisch zu senken (Abb. B 6.3). Da etwa die Hälfte des derzeitigen Energieverbrauchs auf Erstellung, Betrieb und Unterhalt von Gebäuden entfällt, hat der Schweizer Ingenieur- und Architektenverein (SIA) mit dem »SIA Effizienzpfad Energie« [3] speziell für das Bauwesen geeignete Strategien und Referenzgrößen entwickelt (Abb. B 6.4). Für die Nutzungen Wohnen, Büro und Schulen wurden in den Bereichen Baumaterial (graue Energie), Raumklima, Warmwasser, Licht und Apparate sowie Mobilität spezifische Zielwerte für den Weg zur 2000-Watt-Gesellschaft festgelegt (Abb. B 6.5). Die Primärenergie bildet die gemeinsame Bezugsgröße für alle Zielwerte, die in der Einheit MJ / m2a oder Watt / Person angegeben werden. Bei ersten Pilotprojekten wie dem Forum Chriesbach kam der »Effizienzpfad Energie« bereits als Instrument für energie-

B 6.4

60

40

gehend durch Energie zu ersetzen (z. B. Warmluftschleier, pneumatische Konstruktionen), werden heute die Grenzen des ungezügelten Energieeinsatzes offenbar. Begrenzte Verfügbarkeit und schädliche Umweltwirkungen verlangen nach neuen, positiven Zielsystemen. Einer Studie des Wuppertal-Instituts für Klima, Umwelt und Energie zufolge werden Gesellschaften erst wirklich zukunftsfähig, wenn »auch ihre Verfahren, Systeme, Rhythmen und Ordnungsprinzipien in natürliche Ordnungsprinzipien eingebunden« sind und somit nicht der Mensch als Zweck des Seins im Mittelpunkt steht, für den alles Übrige zur dienenden Peripherie wird [2]. Um die Umsetzung von Forschungserkenntnissen in die Praxis nachhaltiger Gesellschaftsund Stadtentwicklung zu ermöglichen, entwickelte die Eidgenössische Technische Hochschule Zürich 1998 im Rahmen des Projekts »Novatlantis« das Konzept einer 2000-WattGesellschaft. Dieses Modellprojekt geht davon aus, dass der Pro-Kopf-Energieverbrauch den maßgeblichen Indikator zur Beurteilung von Nachhaltigkeit darstellt und basiert auf der Annahme, dass 2000 Watt erforderlich sind, um wirtschaftlichen Wohlstand zu gewährleisten. Aufgrund der fossilen Energieversorgung trägt derzeit im globalen Mittel jeder Mensch jährlich mit über 4 t CO2 zum Treibhauseffekt bei, was einer kontinuierlichen Leistung von 2000 Watt oder 17 000 Kilowattstunden pro Jahr entspricht (siehe Grundlagen, S. 42). Der Durch-

B 6.3

27,8

36,1

B 6.3

B 6.2

100

11,1

1140

Baumaterial

Baumaterial Raumklima

Licht / Apparate 130

Wohnen

500

Energiebedarf [W]

B 6.1

Primärenergieverbrauch Umbau

[MJ / m2a] [kWh / m2a] [MJ / m2a] [kWh / m2a] Ziel

340

Güter und Nahrung

Primärenergieverbrauch Neubau

heute

6000 Watt / Person

B 6.5

effizientes Bauen in einer 2000-Watt-Gesellschaft erfolgreich zur Anwendung (siehe Beispiel 15, S. 240ff.).

Energiekonzepte Die frühe Entwicklung eines Energiekonzepts ist ein zentraler Baustein für eine zukunftsfähige Entwurfsplanung von Gebäuden. Wie Abb. B 6.2 zeigt, lässt sich das Vorgehen in einen analytischen Teil (Randbedingungen), einen prozessorientierten Teil (Konzeptentwicklung) und einen quantitativen Teil (Bewertung) gliedern. Analog zur architektonischen Formfindung ist das Erarbeiten eines solchen Konzepts ein kreativer Prozess, der nicht standardisiert werden kann. Diese Fähigkeit stellt eine der Schlüsselqualifikationen für Planer dar. Analyse der Randbedingungen

Grundlage für die Entwicklung eines Energiekonzepts ist die Ermittlung der Randbedingungen, die sich in vier Themengruppen unterteilen lassen (Abb. B 6.9). Klimatische Randbedingungen Im Mittelpunkt stehen die standortspezifischen Temperatur- und Witterungsbedingungen sowie das Energiepotenzial. Der Jahrestemperaturverlauf mit den jeweiligen Extremwerten bildet die Voraussetzung für die Definition der

»Klimagerät« Segelboot: Yachten Alinghi und Oracle Einflüsse auf die Entwicklung von energieoptimierten Gebäudekonzepten durchschnittlicher Energiebedarf nach Sektoren in Watt – heute und in der 2000-Watt-Gesellschaft Rahmenbedingungen nach »SIA Effizienzpfad Energie« Zielwerte für 2000-Watt-kompatibles Bauen bei Neubau und Umbau (Wohnnutzung) schwimmende Insel von einem Pneu überdacht, Zeichnung von Frei Otto 1967/68 B 6.6

177

Luft

Minimierung des Bedarfs Baub

Bedarfshinterfragung/ Bedürfnis/ Bedarf

Nutz u Ausla ng stun g

edar

Wärme Kälte Strom Erdreich

und darf gieEner urcenbe o Ress

Flora / Fauna

Wasser

f

klus it nszy e Lebe haftlichk c Wirts

Grundwasser

a Klim Ort t und gebo gieEner urcenan o Ress Syne

BedarfsEffizienz deckung Umwelterneuerbar/ wirkung nicht ern.

Sonne

Mensch Behaglichkeit

Strategien

rgien Akze pt Optimierung der Image anz Bedarfsdeckung

B 6.7

thermischen Qualität der Gebäudehülle. Die Temperaturdifferenz zwischen Tag- und Nachtlufttemperaturen gibt Auskunft über das Potenzial einer passiven, freien Kühlung über die Nachtluft. Die Jahresdurchschnittstemperatur beeinflusst das Temperaturniveau des oberflächennahen Erdreichs und damit die mögliche Nutzung der oberflächennahen Geothermie. Die Luftfeuchtigkeit bildet die Grundlage für die Festlegung der Be- und Entfeuchtung und zeigt die Möglichkeiten direkter adiabater Kühlung auf. Jahreszeitlich vorherrschende Windgeschwindigkeiten und -richtungen geben Hinweise zur natürlichen Be- und Entlüftung oder zur Stromerzeugung aus Windkraft. Niederschlagsmengen und ihre Verteilung stellen das Potenzial einer Verdunstungskühlung über RLT-Anlagen dar. Eine genaue Kenntnis der geologischen Randbedingungen ist erforderlich für Maßnahmen zur Nutzung des Erdreichs bzw. des Grundwassers für die Gebäudeheizung oder -kühlung. Die solare Strahlungsleistung auf die Gebäudehülle und die Analyse der Sonnenbahnen bilden die Grundlage für die passive Solarnutzung, den sommerlichen Wärmeschutz sowie die Ermittlung der Effizienz solarthermischer Systeme und photovoltaischer Anlagen. Nutzungsspezifische Randbedingungen Die erforderlichen Energiedienstleistungen ergeben sich aus der Analyse der nutzungsspezifischen Randbedingungen, die in vielen Fällen aus der Gebäudenutzung entstehen. Sie werden jedoch auch durch die individuellen Vorstellungen des Bauherrn bzw. Nutzers beeinflusst. So geben die Anforderungen an Raumtemperaturen (z. B. Wohn-, Schlaf-, Büro-

B 6.8

raum), an sommerlichen Wärmeschutz (z. B. inBüroräumen maximale Temperaturen) oder an die Luftqualität (z. B. Luftwechselrate in einem Klassenraum) wichtige Randbedingungen für die Entwicklung eines Energiekonzepts vor. Technische und rechtliche Randbedingungen Vorgaben des Bauplanungs- und Bauordnungsrechts (z. B. Bebauungsplan, Gestaltungssatzung etc.) sowie zur Energieeinsparung bilden ein immer dichter geflochtenes Regelwerk. Daraus leiten sich Bebauungsdichte, Kubatur, Dachformen, Materialvorgaben etc. ab. Ergänzend bieten Informationen zur technischen Infrastruktur (z. B. Fernwärme,

Gestalterische Randbedingungen Bei der Entwicklung von Energiekonzepten bilden die lokal verfügbaren Umweltenergiepotenziale – und somit die vielfältigen Wechselbeziehungen zwischen dem Gebäude und seiner unmittelbaren Umgebung – wesentliche gestalterische Randbedingungen (Abb. B 6.7). Aus dem jeweiligen solaren Strahlungsangebot unterschiedlicher Himmelsrichtungen resultieren z. B. spezifische Anforderungen an transparente Außenwandflächen oder an Sonnen-

Randbedingung

Information

Handlungsfeld

Klima

Temperatur Extremwerte Temperaturdifferenz Tag / Nacht Jahresmitteltemperatur relative Luftfeuchtigkeit Sommer / Winter mittlere Windgeschwindigkeiten Verteilung der Windrichtungen Niederschlagsmenge und -verteilung geologische Erdschichten Grund- und Oberflächenwasser Energiemenge Solarstrahlung Sonnenbahnverlauf

thermische Qualität der Gebäudehülle Potenzial für freie Kühlung durch Nachtluft Leistungspotenzial für Luft-Erdregister Möglichkeit für direkte adiabate Kühlung Stromerzeugung durch Windenergie natürliche Be- und Entlüftung durch Windbewegung technischer Einsatz von Verdunstungskühlung Erschließung des Erdreichs über Erdsonden Nutzung als Wärmequelle und für passive Kühlung passive und aktive solare Wärme- und Stromerzeugung Optimierung des sommerlichen Wärmeschutzes

Nutzung

Anforderung an beheizte Flächen Zielvorgaben für sommerlichen Wärmeschutz Anforderung an Luftqualität Anforderung an Luftfeuchtigkeit Anforderung an Beleuchtung – Luxwerte

minimale und maximale Temperatur Raumtemperatur und Temperaturspreizung (z. B. 22 °C ± 2 °C; 21 – 28 °C) AGW-Werte; CO2-max.-Werte relative Luftfeuchte und Spreizung (z. B. 50 % ± 10 %) Sonnen- und Blendschutzsystem

Recht

B-Plan

Optimierung der Flächennutzung bis maximal zulässiger Bebauungsdichte maximaler Primärenergieverbrauch Wärmequellen und -senken Infrastrukturnutzung und Erhöhung der Auslastung Nutzung des Erdreichs und des Grundwassers als Energieträger z. B. Wärmerückgewinnung bei erforderlicher maschineller Lüftung Erhaltung der Raumwirkung z. B. durch Innendämmung

EnEV DIN 18599 Anschlusszwang wasserrechtliche Vorgaben rechtliche Vorgaben aus Nutzung

schematische Darstellung lokaler Energiepotenziale B 6.8 Prozessschema zur Entwicklung von Energiekonzepten B 6.9 Randbedingungen und Handlungsfelder zur Entwicklung von Energiekonzepten B 6.10 Möglichkeiten zur Abstimmung von Energieangebot und -bedarf B 6.11 Bauteile und ihre energetische Nutzbarkeit

Gasanschluss, Anschlusszwang etc.) sowie sich aus der Nutzung ergebende rechtliche Forderungen (z. B. Lüftung bei Konzertsälen) weitere wichtige Einflussgrößen.

B 6.7

Denkmalschutz Gestaltung

umgebende Bebauung und mikroklimatische Randbedingung Verhältnis von Grundstücksgröße zu Bauvolumen Verhältnis Nutzfläche zu pot. Solarfläche

architektonische Gestaltung in Verbindung mit der Nutzung von Umweltenergien Nutzbarkeit primärer und sekundärer Solarenergie Anteil transparenter Wandflächen nach Himmelsrichtungen

B 6.9

178

Strategien

Angebot

Gebäudetechnik Energiesammlung

Erdöl Erdgas Netzstrom Fernwärme Nahwärme Fernkälte Solarstrahlung Holzpellets Holzhackschnitzel Pflanzenöl Erdwärme Grundwasser Oberflächenwasser Außenluft Wind

Erdgasanschluss Erdöltank Fernwärmeübergabestation Holzpelletlager Hackschnitzellager Pflanzenöltank Erdsonden Grundwasserbohrung Wärmetauscher Wärmerückgewinnung

Energiewandlung Gasbrennwertkessel Ölkessel Elektroerhitzer Wärmepumpe solartherm. Anlage Photovoltaikanlage Pelletkessel Hackschnitzelkessel Blockheizkraftwerk Kompressionskältemaschine Sorptionskältemaschine Verdunstungskühlung Brennstoffzelle

Energiespeicherung Trinkwasserspeicher Pufferspeicher Solarspeicher Kombispeicher Langzeitwärmespeicher Erdsondenspeicher Latentwärmespeicher Sorptionsspeicher Batterien Druckluftspeicher Schwungrad Wasserstoff

Bedarf Energieverteilung raumlufttechnische Anlage Warmwasserkreis Kaltwasserkreis Warmluft Kaltluft Elektroleitung Gasleitung Heizkreis Kühlwasserkreis

Energieübergabe Heizkörper Fußbodenheizung Wandheizung Fassadenheizung Bauteilaktivierung Quellluftauslass Weitwurfdüse Entnahmestelle

Raumwärme Raumkälte Trinkwasserwärme Befeuchtung Entfeuchtung Außenluft Licht Strom Prozesswärme Prozesskälte

B 6.10

schutzvorrichtungen. Zudem sind geometrische Aspekte wie z. B. das Verhältnis von Grundstücksgröße zu Bauvolumen, von Nutzfläche zu potenzieller Solarfläche, die Verschattung durch umgebende Bebauung oder besondere Anforderungen des Bauherrn wesentliche Entwurfsparameter. Darüber hinaus sollte dies alles unter Energie- und Nachhaltigkeitsgesichtspunkten kritisch hinterfragt werden. Konzeptentwicklung

Die Entwicklung des Energiekonzepts sollte zwei sich ergänzende Ziele umfassen (Abb. B 6.8). Zum einen ist darauf zu achten, den Energiebedarf durch geeignete bauliche Maßnahmen gering zu halten. Baukörper, Konstruktio-

nen und Materialien sollten bei Planungsbeginn so aufeinander abgestimmt werden, dass das Gebäude in einem möglichst langen Zeitraum ohne umfangreiche technische Unterstützung ein behagliches Raumklima bereitstellen kann. Hierzu sind Komponenten und Bauteile eines Gebäudes nicht nur auf ihre konstruktiven, funktionalen und gestalterischen Eigenschaften auszurichten, sondern mit diesen zugleich einen energetischen Zusatznutzen anzustreben (Abb. B 6.11). Dabei liegt die Herausforderung neben der Nutzung von Synergieeffekten auch in der kreativen Lösung von Zielkonflikten (Abb. B 6.31). Der zweite konzeptionelle Schwerpunkt betrifft eine nachhaltige Gestaltung der technischen

Energieversorgung. Dazu muss die Kette von den Energiequellen bis zur gewünschten Energiedienstleistung nachvollzogen und auf eine möglichst hohe Effizienz und Zukunftsfähigkeit untersucht werden (Abb. B 6.10). Der Flächenbedarf zur Energiesammlung ist ebenso frühzeitig zu berücksichtigen wie die Bereitstellung geeigneter Technikflächen. Beginnen sollte jede Überlegung zum Energiekonzept mit der Frage, ob und in welchem Umfang spezifische Energiedienstleistungen ohne Qualitätsverluste für den Nutzer vermeidbar sind. Die systematische Behandlung dieser »Nulloption« kann zur Entdeckung einfacher technischer Lösungen und neuer Raumerfahrungen führen.

Bereich, Bauteil

Primärfunktion

erweiterte Funktionen

Außenbereich

funktionale Erschließung, Stellplatzfläche, Erholungsfläche

Erdreich als Wärmetauscher, mikroklimatische Verbesserung durch gezielte Bepflanzung und Wasserflächen, Sonnenschutz, Windschutz, minimierte Versiegelung, Regenwassernutzung

Fundamente

Gründung des Gebäudes

Speichermasse als durchlüftete Konstruktion zur Frischluftkonditionierung, Pfahlgründung zur geothermischen Energienutzung

Bodenplatte

Abdichtung und Statik, unterer Bauwerksabschluss, Gründung

hohe thermische Qualität durch hoch belastbare, multifunktionale Dämmmaterialien, integrierte Installation von Wärmeträgermedien (Luft / Wasser)

Außenwände

Schutzfunktion gegenüber Witterung, Schall, Wärme und Kälte

hohe Wärmedämmqualität und Luftdichtheit zur Reduktion der technischen Anlagen für Heizen und Kühlen, Integration von Lufteinlässen, Integration solarer Energiegewinnsysteme für Strom und Wärme

Fenster

natürliche Raumbeleuchtung und Belüftung, Außenbezug

hohe Wärmedämmqualität und Luftdichtheit zur Reduktion der technischen Anlagen zum Heizen, Tageslicht- und Energieoptimierung durch Anordnung, Größe und Selektivität von Verglasungen, solare Kontrolle mit Sonnen- und Blendschutz für minimale Kühllasten, Integration von Lufteinlässen, verglasungsintegrierte Solarstromanlagen

Dach

Schutzfunktion gegen Witterung, Regenentwässerung, oberer Gebäudeabschluss

hohe Wärmedämmqualität und Luftdichtheit zur Reduktion der technischen Anlagen für Heizen und Kühlen, mikroklimatische Wirkung bei Gründächern, Temperaturamplitudendämpfung, Tageslichtversorgung, Integration solarer Energiesysteme

Atrium

witterungsgeschützter Nutzraum, interne Erschließung

Wärmequelle oder Wärmesenke im Rahmen passiver Heiz- / Kühlstrategien für angegliederte Räume, Klimapuffer, Tageslichtversorgung bei entsprechender Optimierung, Bestandteil von Lüftungskonzepten als Luftverteiler oder Luftsammler (freier Auftrieb), Synergie von Abluft- und RWA-Klappen

Treppenhaus

interne vertikale Erschließung, Fluchtweg

Gebäudeentlüftung über freien Auftrieb

Innenwand

Grundrissorganisation, Raumtrennung, Brandschutz, Statik

Erhöhung der thermischen Speicherkapazität zur Temperaturamplitudendämpfung, Materialwahl (transparent / opak) und Oberflächeneigenschaften (Absorption / Reflexion) in Abstimmung mit der Tageslichtoptimierung und der Akustik, Integration von Überströmöffnungen zur Lüftung und zur nächtlichen Erwärmung der Speichermassen

Decke

Verkehrslast, Trittschallschutz, Akustik, Aufnahme elektrischer Leuchten, Installationsraum

Nutzung der thermischen Pufferwirkung zur Temperaturamplitudendämpfung durch Verzicht auf Deckenabhängung, Oberflächeneigenschaften in Abstimmung mit Tageslichtoptimierung (Lichtreflexion) und Akustik, thermische Bauteilaktivierung zum Heizen und Kühlen über bauteilintegrierte Rohrregister

Fußboden

Nutzflächen mit entsprechendem Bodenbelag, Hohlraum für Installationsleitungen

Heizen und Kühlen im Niedertemperaturbereich, Optimierung thermischer und akustischer Anforderungen B 6.11

179

Strategien

b

a

d

c

B 6.12

B 6.13

B 6.14 B 6.15 B 6.16

B 6.12

Studien zum Energiebedarf für einen Wettbewerbsbeitrag zur HafenCity Hamburg (D) 2003, Hegger Hegger Schleiff a Variante 1: 100 % b Bebauungsplan: 102 % c Variante 2: 105 % d Variante 3: 109 % Themen und Bearbeitungsschritte bei der Entwicklung von Energiekonzepten nach Leistungsphasen (Lph) der HOAI etablierte Energiestandards für Gebäude und ihre Definitionen Galerie für das 21. Jahrhundert, Entwurfsskizze, Future Systems 1993 Green Building, Entwurfsskizze, Future Systems 1990

Lph 1: Grundlagenermittlung • Energiestandard / Benchmark definieren • effiziente Gebäudehülle und / oder Anlagentechnik abwägen energetische Entwurfsstrategie Lph 2: Vorplanung • A /V-Verhältnis optimieren • Ausrichtung optimieren • solare Gewinne optimieren • Gebäudehülle konkretisieren • Wärmebrücken überprüfen • Energieträger / Heiztechnik wählen erste Schätzung des Energiebedarfs nach EnEV Lph 3 – 4: Entwurfs- und Genehmigungsplanung • Haus- und Anlagentechnik gestalterisch integrieren • Hüllkonstruktion detailliert festlegen • U-Werte aller Außenbauteile ermitteln • Wärmebrücken reduzieren EnEV-Nachweis erstellen Lph 5 – 8: Ausführungsplanung, Ausschreibung, Vergabe, Objektüberwachung • A / V-Verhältnis optimieren • Qualifizierung der ausführenden Baufirmen • Dämmqualität eingebauter Baustoffe überwachen • Dichtheit überwachen • energetische Qualität überprüfen EnEV-Nachweis fortschreiben, Energiebedarfsausweis ausstellen B 6.13

180

Grundlagenermittlung Die Basis des Energiekonzepts wird bereits im Zuge der Grundlagenermittlung gelegt (Abb. B 6.13). Dabei muss zum einen der Zielkonflikt zwischen niedrigen Investitions- und geringen Betriebskosten geklärt werden. Eine einseitige Sicht auf möglichst niedrige Erstkosten kann hohe Betriebskosten zur Folge haben, die sich gesamtwirtschaftlich gesehen ungünstig auswirken und die langfristige Benutzbarkeit beeinträchtigen können. Zum anderen bildet die Setzung von Benchmarks die Grundlage für die energetische Entwurfsstrategie sowie den zu erreichenden Standard der Gebäudehülle und der Anlagentechnik. In der Regel ist es sinnvoll, die sich bietenden Möglichkeiten systematisch auszuschöpfen, bevor in aufwendige Technik investiert wird. Vorplanung In der Vorplanung werden die Fundamente für ein energieeffizientes und nachhaltiges Gebäude gelegt. In dieser Phase können einfache Simulationsverfahren dazu beitragen, den Entwurf in Bezug auf seine energetischen Qualitäten zu prüfen und zu optimieren. Folgende Ziele sollten Beachtung finden: • A / V-Verhältnis: Auch wenn hüllflächenoptimiertes Bauen keineswegs zwingend vorgeschrieben ist, so sind die Auswirkungen auf den Energiebedarf im Betrieb nicht zu unterschätzen. Bei kleineren Bauvorhaben lassen sich zwischen 15 und 20 %, bei größeren immerhin noch bis zu 10 % der Heizenergie einsparen (Abb. B 6.12). Gutes Tageslichtangebot und natürliche Lüftung stellen allerdings Grenzen der Kompaktheit dar. • Gebäudeausrichtung und solare Gewinne: Fenster spielen als »Energiekollektoren« für die energetische Optimierung eine wichtige Rolle. Fremd- und Eigenverschattungen müssen analysiert und bewertet werden, wobei jedem Fenster ein eigener Verschattungsfaktor zugeordnet wird. Somit lassen sich die »energetisch aktiven« Flächen genau bestimmen und optimale Positionen und ermitteln. »Verschattungsfaktoren« machen in Bezug auf die Anordnung der Fenster die Energiegewinne quantifizierbar. So kann ggf. ein im Hinblick auf das A / V-Verhältnis nicht optimales Gebäude dennoch die energetischen Gewinne erhöhen, weil es an den entscheidenden Stellen die Solarstrahlung nutzt. • Gebäudehülle: Der erforderliche Wärmeschutz und die bauphysikalischen Eigenschaften einzelner Wandaufbauten sind frühzeitig zu bestimmen und lassen sich mithilfe von Energie-Softwareprogrammen schnell untersuchen. Ein Vergleich von energetischen und wirtschaftlichen Eigenschaften verschiedener Aufbauten kann dabei helfen, sich bereits im Entwurf einer optimalen Lösung zu nähern. • Heiztechnik: Unterschiedliche Heiztechniken und Brennstoffe sollten frühzeitig analysiert und hinsichtlich ihrer Effizienz miteinander

verglichen werden. Erneuerbare Energieträger und eine effiziente Anlagentechnik sollten die Basis einer nachhaltigen Energieversorgung sein. Mit Abschluss der Vorentwurfsplanung ist erstmals einschätzbar, ob mit dem bisherigen Ansatz die geforderten Benchmarks oder Werte nach EnEV eingehalten werden können. Um das Konzept später nicht grundlegend ändern zu müssen, sollten in dieser Phase angemessene Sicherheiten in Höhe von 20 bis 30 % eingeplant werden. Entwurfs- und Genehmigungsplanung In der Phase der Entwurfsplanung werden auf der Grundlage des Vorentwurfs die energetischen Eigenschaften des Gebäudeentwurfs verfeinert und mit der Anlagentechnik abgestimmt. • Haus- und Anlagentechnik: Solartechnik, Heizraum, Brennstoffvorrat, Speicher, Schornstein und Heizflächen prägen je nach Energiekonzept das Bild des Hauses und der Innenräume entscheidend mit. • thermische Qualität der Gebäudehülle: Festlegung des detaillierten Schichtenaufbaus der Hüllkonstruktionen unter Berücksichtigung der Minimierung von Transmissionswärmeverlusten. Zudem müssen die U-Werte der jeweiligen Aufbauten ermittelt werden. • Wärmebrücken: Ein Blick auf die Wärmebrücken zeigt, dass sich hier ein großes bauphysikalisches, technisches und energetisches Optimierungspotenzial verbirgt. Ziel ist eine wärmebrückenfreie, in der Bestandsmodernisierung möglichst wärmebrückenarme Bauweise. Mit Abschluss der Entwurfs- und Genehmigungsphase wird ein Nachweis der energetischen Qualität als notwendiger Bestandteil des Bauantrags erstellt. Für den Anwender von EnEV-Berechnungsprogrammen sind die erforderlichen Formulare gleichzeitig Grundlage der energetischen Entwurfsoptimierung. Ausführungsplanung, Ausschreibung, Vergabe und Objektüberwachung Die energetischen Eigenschaften der Entwurfsplanung sollten gewissenhaft in die Ausführungsplanung übernommen und detailliert ausgearbeitet werden. Das gilt für Qualitäten, Schichtdicken sowie für eine luftdichte und wärmebrückenfreie Ausbildung von Details. Bei der Ausschreibung und Vergabe sollte besonders auf dauerhafte und austauschbare Materialien geachtet werden. Änderungen während der Bauzeit dürfen die energetischen Eigenschaften und die Ergebnisse des EnEVNachweises nicht gefährden. Entscheidend wirkt sich die plangetreue Umsetzung auf der Baustelle aus, was u. a. die präzise und lückenlose Verlegung der Wärmedämmung sowie die Vermeidung von Wärme-

Strategien

brücken betrifft. Erfahrungsgemäß kommt der Qualität der Anschlüsse von Dächern, Fenstern, Türen und Verglasungen eine besonders hohe Bedeutung zu. Gerade dort können aus mangelnder Luftdichtheit hohe Lüftungswärmeverluste entstehen. Entsprechend des Baufortschritts ist die Ausführungsqualität der jeweiligen Gewerke mit geeigneten Messungen wie z. B. dem »Blower-Door«-Test oder die Thermografie zu überprüfen. Zum Bauabschluss stellt der Planer einen Energiebedarfsausweis auf Grundlage der tatsächlich im Bau erreichten Kennwerte aus. Bewertung

Energiekonzepte machen schon in frühen Planungsphasen eine objektivierte Bewertung möglich. Energiebedarf, Behaglichkeit und Emissionen können über Kennwerte und Maßnahmenbeschreibungen mit vertretbarem Aufwand recht präzise ermittelt und bewertet werden. Im Sinne einer Gesamtbetrachtung sind vier Dimensionen – ökologische, ökonomische, soziale und architektonische Bewertung – wichtig: Ökologische Bewertung Sie betrachtet mögliche negative Folgewirkungen der Energienutzung und -gewinnung auf die Umwelt. Die primäre Bewertungsgröße ist die Emission von CO2 bzw. äquivalenter Stoffe. Die Bilanzierung erfolgt nach allgemein anerkannten Methoden. Vorab sind die Bilanzierungsgrenzen zu bestimmen (Abb. B 6.19). Ökonomische Bewertung Hier steht die Gesamtwirtschaftlichkeit von Maßnahmen zur Optimierung der Energieeffizienz, zur Nutzung regenerativer Energiequellen und zur Ökoeffizienz von Projekten auf dem Prüfstand. In diesem Zusammenhang geht die immer noch weit verbreitete alleinige Betrachtung der Investitionskosten und ihrer Minimierung am Ziel vorbei. Nur in Verbindung mit einer Analyse der laufenden Kosten, von Fördermaßnahmen und ggf. zu erwirtschaftenden Einnahmen aus der Nutzung erneuerbarer Energien lässt sich ein Gesamtbild der Ökonomie einer Maßnahme erreichen. Ziel ist die Betrachtung der Kosten über den gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes. Gesellschaftliche Bewertung Bei der Beurteilung von Energiekonzepten müssen insbesondere die Auswirkungen auf die Nutzer berücksichtigt werden, denn die Nutzerakzeptanz ist für das Wohlbefinden und für einen planungsgemäßen Betrieb letztlich die entscheidende Vorausetzung. Neben dem thermischen Komfort beeinflussen vor allem der visuelle, akustische und olfaktorische Komfort (z. B. Empfindungstemperatur, Raumluftfeuchte und Luftbewegung) das Behaglichkeitsempfinden. Zudem stellen die Möglichkeiten, auf das Raumklima einwirken zu können (z. B. öffenbare Fenster, individuell regelbarer Sonnen- bzw. Blendschutz etc.), weitere

Standard EnEV-Wohngebäude

D

Bilanzierungsebene

Grenzwerte

Primärenergiebedarf für Heizung, Lüftung und Trinkwarmwasser

in Abhängigkeit von gesetzliche Mindestanforderung der Kompaktheit in Deutschland

Bemerkungen

EnEV-NichtD wohngebäude

Primärenergiebedarf für Heizung, Lüf- in Abhängigkeit von gesetzliche Mindestanforderung tung, Trinkwasser, Kälte, Beleuchtung Referenzgebäuden in Deutschland

KfW-60-Haus

D

Primärenergiekennwert nach EnEV

max. 60 kWh / m2a

Nachweis für Fördermittel

KfW-40-Haus

D

Primärenergiekennwert nach EnEV

max. 40 kWh / m2a

Nachweis für Fördermittel

Minergiehaus

CH gewichtete Energiekennzahl (Endenergie): Heizung, Lüftung, Trinkwarmwasser, Klimatisierung

max. 42 kWh / m2a

weitere Anforderungen: z. B. Gebäudehülle, mechanische Lüftung, Kosten

Minergie-Plus- CH gewichtete Energiekennzahl (EndHaus energie): Heizung, Lüftung, Trinkwarmwasser, Klimatisierung

25 – 30 kWh / m2a

weitere Anforderungen: Luftdichte, installierte Wärmeleistung, Heizwärmebedarf, Strombedarf

Klimahaus

I

Heizenergiebedarf

max. 50 kWh / m2a

Klimahaus A: max. 30 kWh / m2a Klimahaus Gold: max. 10 kWh / m2a

Passivhaus

D

Heizwärmebedarf

max. 15 kWh / m2a

Nebenanforderung: Primärenergiebedarf für Heizung, Trinkwarmwasser und Haushaltsstrom max. 120 kWh / m2a B 6.14

bedeutende Einflussgrößen für die Zufriedenheit der Nutzer dar. Architektonische Bewertung Energiekonzepte können das Erscheinungsbild von Gebäuden und Räumen entscheidend beeinflussen. Sie sollen die Architektur im positiven Sinn prägen und damit einer Baukultur sichtbaren Ausdruck verleihen, die sich den großen gesellschaftspolitischen Herausforderungen unserer Zeit stellt. Zielvereinbarung

Als Grundlage für die Entwicklung eines Energiekonzepts ist eine klar formulierte Vereinbarung über die energetischen Ziele für das Gebäude zweckmäßig. Eine Orientierung können energetische Standards bieten, die durch eindeutige Definitionen bezüglich der energetischen Anforderungen, Berechnungsmethoden und Nachweisverfahren beschrieben sind (Abb. B 6.14). Darüber hinausgehende Zielsetzungen können auf Basis solcher Definitionen erfolgen. So lässt sich z. B. die Zielvereinbarung nach einem »CO2-neutralen Gebäude« umsetzen, indem der gesamte Energiebedarf während der Betriebsphase oder auch im gesamten Lebenszyklus durch erneuerbare Energien bereitgestellt wird.

B 6.15

Betrachtungsebene Für die Aussagekraft eines Energiekonzepts ist dessen Bilanzierungsgrenze entscheidend. Es muss geklärt werden, ob lediglich die Energieaufwendung für die Wärmebereitstellung eines Gebäudes während der Nutzungsphase im Blickpunkt steht, alle Energiedienstleistungen im Betrieb oder gar sämtliche Energieaufwendungen von der Herstellung über den Betrieb bis zum Rückbau eines Bauwerks (Abb. B 6.19). Im Zuge der EU-Gebäuderichtlinie und der Novellierung der Energieeinsparverordnung fließen bei Nichtwohngebäuden neben der Wärmebereitstellung auch die Energiedienstleistungen für Beleuchtung, Kühlung und Lüftung ein (siehe S. 185). Hinsichtlich der Betrachtungsebene gibt es prinzipiell drei Ansätze: • Energieerzeugung und -verbrauch erfolgen vollständig dezentral, d. h. das Gebäude ist energieautark. Das führt in der Regel zu hohen Speicheraufwendungen und ist nur in isolierten Lagen ohne Anschluss an vorhandene technische Infrastruktur sinnvoll. • Die Energieerzeugung erfolgt dezentral, der Energieverbrauch ist jedoch über den Netzverbund abgesichert. Dabei wird z. B. das Stromnetz als verlustarmer Speicher genutzt, um Energieüberschüsse einzuspeisen und

B 6.16

181

»Ökobilanzhaus«1

Passivhaus

EnEV 2007 Nichtwohnbau

EnEV 2007 Wohnbau

Strategien

Gewinnung Rohstoffe Herstellung Baustoffe Herstellung Gebäude Heizwärme Trinkwasserwärme Lüftung Kühlung Beleuchtung Haushaltsstrom elektr. Arbeitshilfen

• • • • • •

• • • • •

• • •

• • • • • • •

•

Aufwand Rückbau Aufwand Entsorgung 1

• •

möglicher Bilanzierungsumfang

B 6.18

B 6.19

bei Bedarf Fremdenergie zu beziehen. Im Idealfall wird in jedem Gebäude in der Jahresbilanz die Menge Energie erzeugt, die auch verbraucht wird. • Energieerzeugung und Energieverbrauch eines Gebäudes sind in einem Netzverbund zusammengefasst. Die gebäudespezifische Energieerzeugung ist vollständig vom Verbrauch entkoppelt, der Energiebedarf wird durch geeignete externe Energiequellen abgedeckt (z. B. »Ökostrom«). Es erfolgt eine Gesamtbilanzierung über einen definierten Raum (z. B. Stadt, Region, Land). Die Energiebilanz des Gebäudes wird über formale Hilfsmittel (z. B. Zertifikate) erstellt und ermöglicht beispielsweise eine direkte Anrechnung von Windenergieerträgen auf den Energieverbrauch eines räumlich entfernten Objekts.

die Leistungsfähigkeit eines Gebäudes zu optimieren und damit eine maximale Behaglichkeit bei minimalem Energiebedarf zu erreichen. Für den gesamten Entwicklungsprozess eines Energiekonzepts stehen unterstützende Softwaresysteme zur Verfügung. Umfangreiche thermodynamische Prozesse innerhalb eines Gebäudes werden im Zusammenspiel mit den dynamischen Umweltbedingungen als virtuelles Modell abgebildet. Das ermöglicht, sowohl den spezifischen Energiebedarf von Gebäuden als auch die energetischen Auswirkungen alternativer Planungsentscheidungen im architektonischen Entwurf quantitativ zu ermitteln (Abb. B 6.17 und 18). Die Vielzahl der verfügbaren Softwareprogramme bietet für alle energetisch relevanten Fragestellungen spezialisierte Anwendungen (Abb. B 6.20), z. B. Analyse des Energiebedarfs, Komfortbetrachtungen in Innenräumen, strömungstechnische Berechnungen oder Ertragsprognosen technischer Systeme. Prinzipiell

unterscheidet man statische und dynamische Berechnungsmethoden. Statische Simulationen setzen einfache Berechnungsalgorithmen um. Sie dienen zur punktuellen Berechnung von Extremwerten (z. B. Heizund Kühllast) oder zur vereinfachten Ermittlung von Jahresenergiesummen (z. B. Heizwärmebedarf nach Passivhausprojektierung oder Jahresprimärenergiebedarf nach EnEV). Dynamische Simulationen dagegen bilden die Energieströme in Gebäuden unter den veränderlichen inneren und äußeren Lasten realitätsnah nach. Unter Einfluss variabler Parameter ermitteln sie in definierten Zeitschritten den Energiefluss und berücksichtigen so z. B. die Speicherfähigkeit von Bauteilen, ein sich änderndes Nutzerprofil oder den Tages- und Jahresverlauf der Solarstrahlung. Neben Analysen zum thermischen Verhalten des Gebäudes können über dynamische Simulationen auch die Beleuchtungssituation und Luftbewegungen in Räumen simuliert werden.

Planungshilfen

Ergebnisse

Auslegung

bildgebend

filmgebend

Heizlast

Ermittlung der maximalen Heizleistung im ungünstigsten Fall zur Dimensionierung der Nutzenübergabe und Wärmeerzeugung

Normheizlast [W]

•

•

Kühllast

Ermittlung der maximalen Kühllast im ungünstigsten Fall zur Dimensionierung der Nutzenübergabe und Kälteerzeugung

Kühllast [W]

•

•

Jahresenergiebedarf

Ermittlung der Jahresenergiemengen für verschiedene Energiedienstleistungen nach definierten Rechenmethoden

Heizwärmebedarf [kWh / m2 a] Primärenergiebedarf [kWh / m2 a] für Heizung, Trinkwarmwasser, Lüftung, Beleuchtung, Kühlung

•

thermische Simulation

Ermittlung des thermodynamischen Verhaltens von Bauteilen und Gebäuden zur Bewertung von Komfortbedingungen, Jahresenergiemengen und Energieleistungen

Heizlast [W], Kühllast [W] Lufttemperaturen [°C] Oberflächentemperaturen [°C]

•

•

•

•

Tageslichtsimulation

Ermittlung der Beleuchtungssituation von Räumen und Gebäuden zur Tages- und Kunstlichtoptimierung

Verschattungs- / Besonnungsdauer Leuchtdichteverteilung Beleuchtungsstärken

•

•

•

•

Strömungssimulation

Ermittlung der Raum- und Gebäudedurchströmung zur Bewertung von Komfortbedingungen, d. h. Schadstoffkonzentrationen und Luftgeschwindigkeiten

lokale Luftgeschwindigkeiten dynamische Luftwechselraten

•

•

•

•

Anlagensimulation

Ermittlung des Energieertrags der Gebäudetechnik zur energetischen Bewertung und Auslegung der Komponenten sowie zur Optimierung der Regelungstechnik

Stromertrag von Photovoltaikanlagen Erträge von solarthermischen Anlagen Effizienz von Wärmepumpen Effizienz von Kraft-Wärme-Kopplung

Verschattungssimulation

Ermittlung der Fremd- und Eigenverschattung in Stadträumen für Einzelgebäude und Innenräume

Licht- und Schattenverläufe im Tages- und Jahresverlauf

•

•

•

Berechnung / Simulation

CAD-Verknüpfung

Anwendung

Bewertung

Simulationsprogramme unterstützen das Ziel,

Nachweis

B 6.17

statische Planungshilfen

•

•

dynamische Planungshilfen

•

•

B 6.20

182

Strategien

1 Kombispeicher 2 Wärmepumpe 3 Lüftungsgerät mit Wärmerückgewinnung

B 6.19 B 6.20 B 6.21 B 6.22

Zuluft

natürliche Lüftung

U = 1,0 W /m2 K F

außenliegender Sonnenschutz

B 6.18

Strömungssimulation im Windkanal, Fortbildungsakademie, Herne (D) 1999, Jourda et Perraudin, Hegger Hegger Schleiff thermische Simulation und Strömungssimulation, Wettbewerbsstand (Querschnitt), Fortbildungsakademie, Herne (D) 1999, Jourda et Perraudin, Hegger Hegger Schleiff Bilanzierungsumfang verschiedener Gebäudeenergiestandards Übersicht Planungshilfen beispielhafte Darstellung eines Gebäudeenergiekonzepts beispielhafte Darstellung eines Energieflussdiagramms

Solarthermie

B 6.17

UD= 0,15 W / m2 K

taik Photovol

U

Fußbodenheizung

Heizwärmebedarf Q = 40 kWh / m2 a (8000 kWh /a) H Trinkwasserwärmebedarf QTWW= 12,5 kWh / m2 a (2500 kWh /a ) Haushaltsstrombedarf = 2800 kWh el

= 0,2 W /m2 K

AW

Fortluft

Außenluft

Erdkollektor 2 UKW= 0,3 W / m K

1

2

UB= 0,3 W / m K

2

3

Erdkanal

B 6.21

Beim Einsatz dieser Planungshilfen steigt die Aussagekraft der Ergebnisse mit zunehmendem Detaillierungsgrad der Randbedingungen, was im Planungsprozess einen entsprechenden Informationsstand erfordert. Statische Simulationen ermöglichen über pauschale Angaben einen schnellen Einstieg und eine grobe Abschätzung des energetischen Verhaltens. Bei konkreten Fragestellungen können dann dynamische Simulationen eingesetzt werden: z. B. Verschattungsanalyse durch umgebende Bebauung, Einfluss der Öffnungsgrößen auf die Tageslichtnutzung, Einfluss des Sonnenschutzes auf die Kühllast, Einfluss der Kühlleistung auf die sommerliche Raumtemperatur, Temperaturschichtung in einem Atrium etc. Je nach Fragestellung und Berechnungsmethode werden Simulationsprogramme für die Bewertung von Einzelbauteilen, Gebäuden und Planungsalternativen eingesetzt. Darüber hinaus dienen die Ergebnisse der Auslegung bzw. Dimensionierung von Komponenten der Gebäudetechnik oder auch der Erstellung von Nachweisen. Die Anwenderfreundlichkeit von Simulationsprogrammen wird wesentlich durch die Oberflächenstruktur und Dateneingabe bestimmt. Insbesondere die Einbindung in CAD-Systeme bietet Synergiepotenziale. Die Datenausgabe ermöglicht unterschiedliche Kennwertausgaben (z. B. Heizlast, Kühllast, Jahresprimärenergiebedarf etc.), grafische Ergebnisdarstellungen (z. B. Tagesverlauf der Raumtemperatur, Jahresverlauf der solaren Energieerzeugung etc.) und bildhafte Ergebnisdarstellung (z. B. Leuchtdichteverteilung an den Oberflächen, Temperaturschichtung im Raum, Isothermenverlauf in Bauteilen, lokale Luftgeschwindigkeiten im Raum etc.).

quellen nachvollziebar darstellen (Abb. B 6.21 und 22). Die Dokumentation kann zudem Voraussetzungen für eine kontinuierliche Erfassung und Auswertung der Energieflüsse im Gebäude schaffen.

Politik, Gesetze und Verordnungen Berichte und Dokumente zu den Themenkomplexen Energie und Materialien beziehen sich auch auf internationaler Ebene zunehmend auf den Schlüsselbegriff »Nachhaltigkeit«. 1987 veröffentlichte die Brundtland-Kommission in ihrem Abschlussbericht erstmals eine umfassende Definition dieses Begriffs in Verbindung mit dem neuen Leitbild der »nachhaltigen Entwicklung«. Die Kommission bezeichnet damit eine Entwicklung, »die den Bedürfnissen der heutigen Generation entspricht, ohne die Möglichkeiten künftiger Generationen zu gefährden, ihre eigenen Bedürfnisse zu befriedigen und ihren Lebensstil zu wählen« [4]. Ursprünglich stammt dieser Begriff aus der Forstwirtschaft und bedeutet, dass dem Wald nicht mehr Holz entnommen werden darf als nachwächst. Aspekte des Leitbilds Nachhaltigkeit sind auf europäischer oder nationaler Ebene erst vereinzelt in normativen Regelungen umgesetzt worden. Bestehende Gesetze und Verordnungen konzentrieren sich derzeit noch überwiegend auf die Dimension Umwelt (Abb. B 6.23). Quelle Netzstrom

Sonne

EU-Gebäuderichtlinie über die Gesamtenergie effizienz von Gebäuden

Im Zuge der europäischen Harmonisierung von Normen verpflichteten sich die EU-Mitgliedsstaaten die Anforderungen der Richtlinie 2002 / 91 / EG des Europäischen Parlaments über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden bis Januar 2006 in nationales Recht umzusetzen. Diese EU-Richtlinie – häufig auch mit EPBD (Energy Performance of Building Directive) abgekürzt – verfolgt insbesondere folgende Ziele: • eine ganzheitliche Beurteilung der Energieeffizienz von Gebäuden • die Forcierung der energetischen Modernisierungsmaßnahmen bei Bestandsbauten • transparente Informationen hinsichtlich der Energieeffizienz von Gebäuden für Verbraucher • energetische Verbesserung der Anlagentechnik Ein Großteil dieser Anforderungen – wie z. B. die nationalen Energiestandards für Neu- und Bestandsbauten, die ganzheitliche Bewertung der Gebäudehülle und Anlagentechnik sowie die Außerbetriebnahme alter Heizanlagen – ist in der deutschen Energieeinsparverordnung (EnEV) umgesetzt. Die Forderungen nach regelmäßigen Inspektionen von Heizkesseln werden durch das erste Bundesimmissionsschutzgesetz (BImSchG) erfüllt. Da die EU-

Energietechnik

Übergabe und Verteilung

Energiedienstleistung Haushaltsstrom 2800 kWhel

2800 kWhel

Photovoltaik 50 m2

Fußbodenheizung

Raumheizung 8000 kWhth

Dokumentation

Eine aussagekräftige Dokumentation bildet die Grundlage für die Kommunikation unter den Planungsbeteiligten und dient der Information für Externe. Anstelle reduzierter Systemskizzen, abstrakter Berechnungen und Tabellen treten zunehmend selbsterklärende grafische Dokumentationen, die sowohl das Maßnahmenkonzept erläutern als auch den Weg von den Energiedienstleistungen bis zu den Energie-

Solarthermie 10 m2

Kombispeicher 1000 l

Erdreich

Erdkollektor 210 m2

Wärmepumpe 7 kW

Außenluft

Erdkanal 30 m

Lüftungsgerät mit Wärmerückgew.

Trinkwarmwasser 2500 kWhth

Luftkanal

Außenluftversorgung 250 m3 / h

B 6.22

183

Strategien

Gebäuderichtlinie jedoch in einigen Punkten über die bisherigen Verordnungen in Deutschland hinausging, trat 2005 die Novellierung des Energieeinsparungsgesetz (EnEG) mit folgenden Änderungen in Kraft: • Einbeziehung des Energiebedarfs für Beleuchtung, Raumlufttechnik und Klimaanlagen bei Nichtwohngebäuden • Einführung von Energieausweisen bei Vermietung und Verkauf von Bestandsbauten oder Wohnungen • Aushang von Energieausweisen in öffentlichen und stark frequentierten Gebäuden • regelmäßige Inspektion von Klimaanlagen Während gegenüber der bis dato gültigen EnEV für Wohngebäude nur wenig Änderungsbedarf besteht, wurde für Nichtwohngebäude die neue DIN 18 599 »Energetische Bewertung von Gebäuden« entwickelt, um die wesentlich umfangreicheren Berechnungs- und Bilanzierungsverfahren abzubilden.

spielraum, die vorgeschriebenen Effizienzziele zu erreichen. Zudem bietet die EnEV den Nutzern bezüglich der prognostizierten Energieaufwendungen eine größere Transparenz. Die EnEV begrenzt für alle neu zu errichtenden Gebäude mit normalen Innenraumtemperaturen in Abhängigkeit vom A / Ve-Verhältnis den maximal zulässigen Jahres-Primärenergiebedarf Qp. Sie erweitert die bisherige Bilanzierung um folgende Einflussfaktoren (Abb. B 6.26): • Verluste in der Vorkette bei Förderung, Umwandlung und Transport der Energieträger • Wärmebedarf für die Warmwasserbereitung (pauschal) • Verluste der Anlagentechnik bei der Wärmebereitstellung • elektrischer Hilfsenergiebedarf der Anlagentechnik (z. B. Pumpen, Brenner, Regler) • Energiebedarf von mechanischen Lüftungsanlagen • Nutzung erneuerbarer Energien (z. B. Solarkollektoren)

Energieeinsparverordnung

Bei Einführung der EnEV wurden die vorherige Wärmeschutz- und die Heizanlagenverordnung zusammengefasst, um die erhöhten Anforderungen an den baulichen Wärmeschutz bzw. die Anlagentechnik mit einem gemeinsamen Nachweisverfahren und einer Nachweisgröße abzubilden. Diese ganzheitliche Betrachtung erlaubt Planern einen erweiterten GestaltungsWelt

1970 1975

Der Jahresprimärenergiebedarf eines Gebäudes berücksichtigt mit der Wahl des Energieträgers (z. B. Erdgas, Biomasse etc.) dessen Umweltbelastungen und die vorgelagerten Prozessketten durch so genannte Primärenergiefaktoren. In den EU-Ländern weisen diese Primärenergiefaktoren entsprechend den Aufwendungen für Förderung, Umwandlung und

Europa

1990 1992 1994 1996 1998

1974 Bundesimmissionsschutzgesetz (BImSchG)

1972 UNO-Konferenz »Umwelt« Stockholm

1987 Brundtland-Bericht

1988 EU-Richtlinie Bauprodukte

1992 UNO-Konferenz Rio de Janeiro

1992 5. Umweltprogramm der Kommission der Europäischen Gemeinschaften

1997 Kyoto-Protokoll

2004 2005 2006 2007

1990 Stromeinspeisungsgesetz

2002 UNO-Konferenz Johannesburg

2002 EU-Richtlinie Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden

1977 Wärmeschutzverordnung (WSVO) Novellierung 1984

1994 Grundgesetz, Artikel 20a 1992 Bauproduktegesetz (BauPG)

1994 Heizungsanlagenverordnung (HeizAnlV) Novellierung 1995

2000 Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)

2001

2003

1976 Energieeinsparungsgesetz (EnEG)

1994 Abschlussbericht der Enquete-Kommission »Schutz des Menschen u. der Umwelt«

2000

2002

• Neubauten mit normalen Innentemperaturen ≥19 °C müssen nach dem Monatsbilanzverfahren Höchstwerte für Qp und H'T einhalten. • Neubauten mit normalen Innentemperaturen ≥19 °C mit einem Fensterflächenanteil ≤ 30 % können nach dem so genannten vereinfachten Verfahren für Wohngebäude berechnet werden. • Bei Neubauten mit niedrigen Innentemperaturen ≤ 19 °C oder kleinen Gebäudevolumen ≤ 100 m3 ist lediglich die Einhaltung der Höchstwerte für H'T zu gewährleisten, zudem gelten hierbei geringere Anforderungen. • Altbauten, bei denen Sanierungsmaßnahmen

Deutschland

1980 1985

Transport der Energieträger unterschiedliche Werte auf. In Deutschland beträgt derzeit beispielsweise der Primärenergiefaktor fp für Strom 3,0 (dieser Faktor wird allerdings in den kommenden Jahren aufgrund der steigenden Einspeisung erneuerbarerer Energie bei der Stromerzeugung sinken), für Öl bzw. Gas 1,1 und Holzpellets 0,2. Des Weiteren definiert die EnEV durch eine Nebenanforderung einen »Mindestwärmedämmstandard«, nämlich den spezifischen, auf die wärmeübertragende Umfassungsfläche bezogenen Transmissionswärmeverlust H'T. Dieser Wert bildet den mittleren U-Wert aller Hüllbauteile unter Berücksichtigung von Wärmebrückenverlusten ab. Dabei gibt es für Neu- bzw. Altbauten unterschiedliche Berechnungsverfahren und Anforderungen:

2001 Energieeinsparverordnung (EnEV) 2002 Biomasseverordnung (BiomasseV) 2004 Verwaltungsvorschrift zu §13 EnEV 2007 Energieeinsparverordnung (EnEV)

2008 2009

2008 / 2009 Energieausweise

2010 B 6.23

184

mindestens 20 % der Bauteilfläche gleicher Orientierung betreffen, müssen nach dem Bauteilnachweis bestimmte Mindest-U-Werte einhalten. • Altbauten mit umfangreicheren Sanierungsmaßnahmen berechnet man nach dem Monatsbilanzverfahren, wobei die für Neubauten geltenden Grenzwerte um nicht mehr als 40 % überschritten werden dürfen. • Bei Altbauten mit einer Erweiterung des beheizten Gebäudevolumens um mehr als 30 m3 gelten für den neuen Gebäudeteil dieselben Nachweisverfahren und Anforderungen wie für Neubauten.

Heizwärmebedarf [kWh / m2a]

Strategien

220 200

Teil 10 Randbedingungen

1. WSVO

Teil 1 Gesamtbilanz

180 160

Teil 7 RLT und Kälte

2 . WSVO

Teil 6 Wohnungslüftung

140 120

Teil 3 Nutzenergie RLT

3 . WSVO

100 80

EnEV

EnEV

60

Teil 2 Raumbilanz

Teil 4 Beleuchtung

Teil 9 BHKW

Teil 8 Trinkwarmwasser

40 Teil 5 Heizung

20 0

DIN 18 599 Die EU-Gebäuderichtlinie wird für Nichtwohngebäude in Deutschland durch die Einführung der DIN 18 599 umgesetzt. Sie ist der DIN 4108 gleichgestellt und übernimmt für Neubau- und Bestandsmaßnahmen im Bereich des Nichtwohnungsbaus deren Aufgabe als Berechnungsgrundlage. Die Hauptanforderung bleibt der Jahresprimärenergiebedarf. Die Berechnung folgt dabei dem bewährten Schema von der Nutzenergie über die Endenergie hin zur Primärenergie. Letztere wird allerdings nicht mehr nur in Abhängigkeit von Fläche und Volumen bewertet, sondern die Nutzung des Gebäudes und die Randbedingungen gehen maßgeblich in die Betrachtung ein (Abb. B 6.25). Mit DIN 18 599 ist ein überschaubares Bewertungsverfahren eingeführt worden, mit dem bereits in frühen Leistungsphasen der Energieverbrauch für den Betrieb abgeschätzt und die weitere Planung positiv beeinflusst werden kann. Um diesen umfassenden und ganzheitlichen Anspruch zu leisten, erweitert sich mit der DIN 18 599 die Bilanzierungsgrenze innerhalb

1977

1984

1995

2002

2007 B 6.24

des Gebäudes. Energetisch einbezogen und bewertet wird künftig auch die gesamte Anlagentechnik zur Klimatisierung und Kühlung des Raumes sowie dessen Beleuchtung mit Kunstlicht. Der Energiebedarf und die Hilfsenergien werden gemeinsam mit den Wärmeströmen über die Gebäudehülle und dem Energiebedarf der Anlagentechnik zur Raumheizung, Trinkwarmwasserbereitung und Lüftung bilanziert. Anstelle von Wärmegewinnen und - verlusten rechnet man nun mit Wärmequellen und -senken. Die Richtung des Wärmestroms ist damit nicht mehr pauschal vorweggenommen und auf die Bilanzierung des Energiebedarfs in der Heizperiode beschränkt. Eine Wärmequelle stellt folgerichtig je nach Nutzung und Zeitpunkt einen Gewinn oder eine Last dar. Diese Änderung trägt der Tatsache Rechnung, dass im Bereich der Nichtwohngebäude die Kühlung einen erheblichen Energiebedarf erzeugt. Die DIN 18 599 setzt sich aus zehn Teilen zusammen, die jeweils einen Themenschwerpunkt behandeln (Abb. B 6.27). Diese Struktur gewährleistet, dass jederzeit relevante Teilergebnisse für den Entwurfsprozess zur Verfügung stehen. Die Norm berücksichtigt hierfür Wechselwirkungen der verschiedenen Teile bzw. Themenschwerpunkte untereinander, sodass sich am Ende genaue Aussagen über die Gesamteffizienz treffen lassen. Die Einführung eines Mehrzonenmodells ist dabei eine entscheidende Neuerung gegenüber vorherigen Berechnungsmethoden. Das HT

Qw

Qh

Qp = (Qh + Qw) · ep = (HT + HV - Qi - Qs + Qw) · ep

B 6.23

B 6.24 B 6.25 B 6.26

zeitliche Entwicklung der Anforderungen zur Nachhaltigkeit und Energieeffizienz von Gebäuden durchschnittliche Werte für den Heizwärmebedarf Bilanzierungsumfang der DIN 18 599 Bilanzierungsumfang der EnEV

Qp Qh Qi Qs Qw ep HT HV

= Primärenergiebedarf = Energiebedarf Heizung = interne Wärmegwinne = solare Wärmegewinne = Energiebedarf Warmwasser = Anlagenaufwandszahl = Transmissionswärmeverlust = Lüftungswärmeverlust

Energieausweise Die wesentlichen Instrumente der Politik zur Effizienzsteigerung im Gebäudesektor bestanden bisher aus ordnungsrechtlichen Mitteln (in Deutschland z. B. BundesimmissionsschutzVerordnung (BImSchV), EnEV) sowie aus Förderprogrammen. Um die Reduktionsverpflichtungen des Kyoto-Protokolls zu erfüllen, haben die Mitgliedsstaaten der Europäischen Union beschlossen, zusätzliche Maßnahmen zur Primärenergiefaktor Energieformen Strom: 3,0 / 2,7 1 Nah-/ Fernwärme aus KWK: ern./ nicht erneuerbar: 0,0 / 0,7 Nah-/ Fernwärme aus Heizwerk: ern./ nicht erneuerbar: 0,1 /1,3

HV

Endenergie

Qs

Qi

B 6.25

Gebäude wird nach Nutzungsart und Nutzungsgrad, installierter Anlagentechnik und raumabschließender Gebäudehülle zoniert. Jede Zone wird für sich berechnet, Wärmeströme zwischen Zonen werden dabei beachtet und iterativ angepasst. In der Summe ergibt sich der Energiebedarf des Gebäudes. Um neutrale Randbedingungen für die Nutzungsvielfalt im Bereich des Nichtwohnungsbaus zu erzielen, sind im abschließenden Teil der Norm Standardnutzungsprofile eingeführt. Hierfür wurden Gebäude mit ihrer Nutzung beispielhaft erfasst und hinsichtlich Belegungsdichten, Betriebszeiten, internen Wärmequellen bzw. -senken, Nutzenergiebedarf und Luftwechsel analysiert. Als Ergebnis der Berechnung wird der Gesamtprimärenergiebedarf des Gebäudes ausgewiesen. Im so genannten Referenzgebäudeverfahren wird dieser Istwert einem Sollwert gegenübergestellt, den das berechnete Gebäude nicht überschreiten darf.

Primärenergiefaktor fossile Energieträger Erdöl, Erdgas, Flüssiggas: 1,1 Steinkohle: 1,1 Braunkohle: 1,2

Primärenergie

Unabhängig von den Anforderungen bei Sanierungsmaßnahmen fordert die EnEV bei nicht selbst genutzten Altbauten innerhalb bestimmter Übergangsfristen die Dämmung der obersten Geschossdecke, den Austausch von Öloder Gaskesseln, die vor dem 1.10.1978 eingebaut wurden sowie die Dämmung von Wärmeverteilungs- und Warmwasserleitungen in unbeheizten Räumen.

Primärenergiefaktor erneuerbare Energieträger Holz: 0,2 Wind: 0 Wasser: 0 Sonne: 0 1

nach EnEV 2007

B 6.26

185

Strategien

Steuerung der Energienachfrage zu entwickeln. Die EU-Gebäuderichtlinie (EPBD) erweitert infolgedessen die klassischen Instrumente der Politik um eine marktorientierte Strategie. Sie verpflichtet zur verbindlichen Einführung von Energieausweisen bei Errichtung, Verkauf oder Neuvermietung von Gebäuden, Wohnungen bzw. sonstigen Nutzungseinheiten. Bei Gebäuden mit einer Gesamtnutzfläche von über 1000 m2, die von Behörden oder Einrichtungen mit öffentlichem Publikumsverkehr genutzt werden, müssen diese Ausweise an gut sichtbarer Stelle ausgehängt werden. Die Energieausweise sollen die Markttransparenz sowie das Verbraucherbewusstsein hinsichtlich des Energieverbrauchs von Gebäuden erhöhen und somit Innovations- und Investitionsanreize für Neubau und Bestand auslösen. Folgende Regelungen sind zu beachten: • Die Energieausweise müssen einen Kennwert angeben, der die Gesamtenergieeffizienz des Gebäudes repräsentiert. Dabei sind zur besseren Transparenz auch Vergleichskennwerte anzugeben. • Zusätzlich sind Empfehlungen zur kostengünstigen Verbesserung der Energieeffizienz beizufügen. • Die Gültigkeitsdauer darf zehn Jahre nicht überschreiten. • Die Energieausweise dienen lediglich der Information, es besteht kein einklagbarer Rechtsanspruch oder Sanierungsverpflichtungen. • Es ist den EU-Ländern freigestellt, ob Ausweise auf Bedarfsberechnungen oder Verbrauchsmessungen basieren. Der Informationsgehalt und die Aussagekraft von bedarfs- oder verbrauchsorientierten Energieausweisen sind nicht identisch. Die Bedarfsberechnung trifft normative Annahmen

für ein Standardklima und die Nutzungsbedingungen (z. B. Raumtemperatur 19 °C, Länge der Heizperiode, durchschnittlicher Luftwechsel) und wird daher auch als »rechnerischer Verbrauch« bezeichnet. Verbrauchsorientierte Energieausweise basieren hingegen auf der Heizkostenabrechnung und bilden somit neben der energetischen Qualität des Gebäudes vor allem das individuelle Nutzerverhalten sowie ggf. extreme Klimaeinflüsse ab. Da diese Einflüsse die tatsächliche energetische Qualität deutlich überlagern können (im Extrem hätte ein leer stehendes Haus die höchste Energieeffizienz), lässt sich die Energieeffizienz von Gebäude auf Grundlage von Bedarfsrechnungen aussagekräftiger beurteilen und vergleichen. Die Umsetzung der EU-Gebäuderichtlinie in Deutschland wird durch die Novellierung der EnEV 2007 geregelt. Die verbindliche Einführung von Energieausweisen ist wie folgt vorgesehen: • für Wohngebäude der Baujahre vor 1965 ab 1.07.2008 • für später errichtete Wohngebäude ab 1.01.2009 • für Nichtwohngebäude ab 1.07.2009 Prinzipiell besteht die Wahlmöglichkeit, verbrauchs- oder bedarfsorientierte Ausweise auszustellen. Lediglich Wohngebäude mit bis zu vier Wohneinheiten, die vor Inkrafttreten der ersten Wärmeschutzverordnung von 1977 errichtet wurden, müssen bedarfsorientierte Energieausweise vorweisen. Neue Tätigkeitsfelder für Architekten

Mit der EU-Gebäuderichtlinie und den daraus entwickelten Instrumentarien kommt auf Architekten nicht nur ein erweitertes Wirkungsfeld, sondern auch neue Verantwortung zu. Als Schlüsselfiguren im Planungsprozess haben

sie jedes Gebäude gemäß den neuen energetischen Anforderungen zu planen. Aufgrund des ganzheitlichen Bilanzierungsverfahrens und der Verrechnungsmöglichkeit zwischen optimierter Gebäudeform, baulichen Wärmedämmmaßnahmen und energetischer Qualität der Anlagentechnik ist die architektonische Gestaltung des Gebäudes im Zusammenhang mit der energetischen Effizienz zu betrachten. Nehmen Architekten diese Aufgabe an, können sie mit ihren planerischen Mitteln ganz wesentlich den Energiebedarf sowie Bau- und Betriebskosten reduzieren. Für kleinere Projekte können Architekten die Aufgaben mit entsprechenden Softwareprogrammen übernehmen und damit ihr Handlungsfeld erweitern. Bei komplexeren Bauaufgaben werden sie diese meist in Zusammenarbeit mit einem Ingenieur für Gebäudetechnik oder einem Energieberater lösen. Sie sollten jedoch über ausreichende Kenntnisse auf diesem Gebiet verfügen, um das fachliche Potenzial der Fachplaner sowie die technischen und gestalterischen Möglichkeiten voll ausschöpfen zu können. Aufgrund der politisch initiierten Marktanreizprogramme (z. B. Energiepass) geht die Deutsche Energie Agentur (dena) davon aus, dass sich bei konsequenter Ausschöpfung aller wirtschaftlichen Einsparpotenziale im Wohngebäudesektor bis 2020 das jährliche Investitionsvolumen im Bereich der energetischen Gebäudesanierung etwa verdreifachen wird. Die Ausstellung von Energieausweisen könnte bei rund 30 % der privaten Immobilieneigentümer Sanierungsmaßnahmen auslösen [5]. Die Schaffung von Innovations- und Investitionsanreizen zur Effizienzsteigerung für Neubau und Bestand vermag somit einen bedeutenden Beitrag zur Sicherung von Beschäftigung im Bauwesen sowie den verwandten Planungsberufen zu leisten.

Planungsprozess Bilanzierungsschritte

DIN 18599

Zonierung des Gebäudes nach Nutzung, Anlagentechnik und Gebäudehülle

Teil 1

Bestimmung der nutzungsabhängigen Randbedingungen und der notwendigen Eingangsdaten für die Bilanzierung

Teil 1 und 10

Ermittlung der Wärmequellen und -senken der einzelnen Zonen und überschlägige Bilanzierung des Nutzenergiebedarfs für Wärme und Kälte

Teil 2

Ermittlung des notwendigen Eintrags von Wärme und Kälte durch die Anlagentechnik auf Basis des überschlägigen Bedarfs in der Zone

Teil 2

Ermittlung des Nutzenergiebedarfs für die energetische Luftaufbereitung

Teil 3

endgültige Bilanzierung des Nutzenergiebedarfs für Wärme und Kälte sowie Zuteilung zu den verschiedenen Übergabesystemen

Teil 2 bis 8

Ermittlung der Verluste für Übergabe, Verteilung und Speicherung für • die Heizungsanlage • das luftführende System • die Kälteversorgung • die Trinkwarmwasserbereitung Aufteilung der notwendigen Wärme- und Kälteabgabe auf die verschiedenen Erzeugungssysteme und Ermittlung der absoluten Verluste

Teil 5 Teil 6 Teil 7 Teil 8 Teil 5 bis 8

Ermittlung des Nutz- und Endenergiebedarfs für die Beleuchtung

Teil 4

Ermittlung der notwendigen Hilfsenergie, Zusammenstellung der Endenergie nach Energieträger und Berechnung des Primärenergieaufwands

Teil 5 bis 9

Anwendung der Gutschriftenmethode für den Stromertrag aus KWK

Teil 9

Soll-Ist-Vergleich des Gesamtprimärenergiebedarfs im Referenzgebäudeverfahren

Teil 10 B 6.27

186

Die Anforderungen an Gebäude nehmen an Komplexität zu. Neben steigenden Ansprüchen an Komfort, Energieeffizienz und Umweltfreundlichkeit stellen Sicherheitsanforderungen und allgemein erhöhte technische Standards neue Herausforderungen dar, die von Projektbeginn an die Kooperation mit Spezialisten voraussetzen. Nutzer erwarten ein schadstofffreies Raumklima, gute Belichtungs- und Belüftungskonzepte, einen angemessenen Außenraumbezug sowie anpassungsfähige und flexible Grundrisse bei gleichzeitig niedrigen Betriebskosten. Bauherrn bzw. Investoren verlangen zuverlässige Kostenpläne für Bau und Betrieb und streben an, schon in der Planungsphase einen reibungslosen Gebäudebetrieb sicherzustellen. Behörden haben Anspruch auf Sicherheits- und Umweltschutznachweise. All diese Anforderungen sollen möglichst innerhalb kürzester Zeit und unter Einhaltung des Kostenrahmens mit oftmals im Planungsprozess unvollständigen oder sich ändernden Rahmenbedingungen in hoher Architektur- und Bauqualität

integrativ

0

Betrieb

Bau 10

B 6.28

umgesetzt werden. Dazu ist es erforderlich, nicht wie bisher üblich »nur« das Objekt, sondern auch verstärkt den Prozess zu planen. Darüber hinaus wird den Bauherrn bzw. Nutzern zunehmend bewusst, dass die Kosten für den Betrieb und Unterhalt von Gebäuden für die Gesamtwirtschaftlichkeit von Objekten eine zentrale Rolle spielen und je nach Nutzung schon innerhalb weniger Jahre die Investitionskosten übersteigen können (Abb. B 6.29). Nur in der frühen Phase von Projektentwicklungen kann darauf wirksam Einfluss genommen werden (Abb. B 6.30). Daher ist von Projektbeginn an die Zusammenarbeit eines kompetenten und vollständigen Planungsteams mit einem hohen Bewusstsein um seine Verantwortung von entscheidender Bedeutung. Prinzipien Integraler Planung

Integrale Planung (lt. integer: ein Ganzes bildend, vollständig) zielt auf eine ganzheitliche Betrachtung einzelner, für sich bestehende Planungsaspekte (Abb. B 6.28). Architekt Niklaus Kohler zufolge erlaubt Integrale Planung »sowohl eine horizontale (fachübergreifende), als auch eine vertikale (lebenszyklusbezogene) Integration. Es wird dadurch möglich, neue Kenntnisse und Anforderungen von Anfang an in den Planungsprozess einzubringen und leistungsfähige Optimierungstechniken (Rückkopplungen, Simulation von Varianten etc.) einzusetzen« [6]. Um Synergien einzelner Anforderungen und Planungsaspekte frühzeitig zu erkennen und aufeinander abzustimmen, reicht es künftig nicht aus, Raumklima, Energie und Masse als rein physikalische Größen zu betrachten: Sie stellen vielmehr Dimensionen dar, die im Zusammenhang mit den klassischen Mitteln der Architektur (z. B. Form, Textur, Transparenz etc.) zu gestalten sind und bei geschickter Nutzung eben dieser Mittel Technik ersparen können. Quantifizierbare Größen wie z. B. Energiebedarf, Temperaturniveau oder Investitionskosten können eindeutig definiert werden. Sie sind jedoch oft eng verknüpft mit qualitativen Aspekten wie etwa Gestaltung, Wohlbefinden oder Imagewert. Der integrale Planungsprozess soll sicherstellen, dass quantitative wie qualitative Aspekte, die Beiträge verschiedener

20

30

40

50

60 Jahre B 6.29

Fachdisziplinen sowie die Betrachtung des Gebäudes und seiner Eigenschaften über die gesamte Lebensdauer gleichermaßen einbezogen werden. Zusammenfassend liegen der Integralen Planung folgende Potenziale und Vorteile zugrunde [7]: • Integration: Ingenieurwissen und Spezialistenerfahrung fließen bereits mit Planungsbeginn in das Projekt ein. • Komplexität: Aspekte des nachhaltigen Bauens werden umfassend betrachtet. • Iteration: Entwurfsoptionen bleiben so lange offen, bis die optimale Lösung durch interdisziplinäre Entwicklung und Bewertung von Alternativen gefunden ist. • Optionen: Bauherrn treffen Festlegungen nicht nur aufgrund primär visueller Lösungsvorschläge. • Teamwork: Architekten sind verantwortlich für die Leitung des Planungsteams, jedoch nicht die alleinigen Impulsgeber während der Entwurfsplanung. • lernendes System: Fachplaner erhalten Einblick in die Komplexität des architektonischen Entwurfs. Architekten gewinnen zusätzliche Anregungen für den Gebäudeentwurf aus wachsenden Kompetenzen in technischen Planungsdisziplinen. • Konflikte: Transparenz von Entscheidungen und die rechtzeitige Einbindung der Akteure minimieren Spannungen und Reibungsverluste. Der gestiegene Komplexitätsgrad sowie die Spezialisierung in allen technischen Sparten des Bauwesens fordert heute die Einbindung von Experten verschiedener Fachrichtungen in den Entwurfsprozess; diese Spezialisierung bietet Potenziale für immer leistungsfähigere Gebäude. Übergeordnete Zielsetzungen, Zusammenarbeit und Kommunikation sind erforderlich, um das Wissen zusammenzuführen und neue Lösungen zu entwickeln. Zielkonflikte lassen sich dabei nicht vermeiden. Für den Projekterfolg ist es daher von entscheidender Bedeutung, Hemmnisse früh zu erkennen und sie im Sinne eines qualitätsvollen und nachhaltigkeitsorientierten Gesamtkonzepts zu lösen. Aus Abb. B 6.31 geht hervor, welche

40

Gesamtkosten [%]

60 40

Kostenverlauf

20

20

0

0

Abbruch

100

60

Nutzung

iterativ

aus)

assivh

ude (P

ebä Wohng

80 Beeinflussbarkeit der Kosten

Ausschreibung Ausführung

200

80

Projektplanung

300

100

Bedarfsplanung

ro

Bü

100

Erstellung

user Hal lenb äde od r uk tio ns ge bä ud e

400

de

äu

b ge

Grad der Beeinflussung der Erst- und Folgekosten [%]

linear

500

Pr

B 6.30

Bilanzierungsschritte nach DIN 18 599 lineare, iterative und integrative Planungsabläufe Lebenszykluskosten unterschiedlicher Nutzungen Verlauf und Beeinflussbarkeit der Gesamtkosten

Kran kenh ä

B 6.27 B 6.28 B 6.29

Lebenszykluskosten [%]

Strategien

B 6.30

typischen Zielkonflikte bestehen können. Die konsequente Analyse trägt dazu bei, die Schnittstellenprobleme zu minimieren und die Planungsziele zu konkretisieren [8]. Integrale Planung bedingt eine frühzeitige Vertragsbindung der erforderlichen Akteure (Abb. B. 6.32). Denn die ganzheitliche Lösung von Nachhaltigkeitsanforderungen gelingt wirksam nur in den ersten Planungsphasen. Sie ist ein arbeitsteiliger sozialer Prozess. Die Projektbeteiligten handeln und entscheiden dabei nicht isoliert, sondern im Rahmen sozialer Interaktion. Sie sind geprägt durch verschiedene Interessen und Motivationen, spezifische Fachkenntnisse, aber auch durch eingeschliffene Wahrnehmungsmuster. Diese im Sinne eines lernenden Systems aufzulösen und zu einem gemeinsamen Ganzen zu führen, ist die große Chance der Integralen Planung. Projektkonstellation

Das durch den Bauherrn vertraglich bestimmte Beziehungsgefüge prägt die Projektstruktur. Die traditionelle Einzelbeauftragung von Planern und Baufirmen hat sich bei unterschiedlichen Projektgrößen bewährt – erfordert allerdings einen hohen organisatorischen Aufwand und verstärktes Engagement des Bauherrn. Die Auftragsvergabe an Generalplaner und Generalunternehmer oder Totalunternehmer reduziert die Koordinations- und Managementleistungen des Auftraggebers. Allerdings erfordert dies ein frühzeitiges Einfrieren der Planung; Änderungen sind nur unter Inkaufnahme erhöhter Kosten möglich. Die primär wirtschaftlichen Interessen von General- oder Totalunternehmern können dazu führen, dass die ökologischen und gesellschaftlichen Dimensionen des nachhaltigen Bauens unzureichend Berücksichtigung finden. Integrales Bauen und Betreiben Um öffentliche Bauvorhaben wirtschaftlicher zu gestalten, etablieren sich seit einiger Zeit Projektkonstellationen, bei denen die öffentliche Hand und die private Wirtschaft bei Finanzierung, Planung, Erstellung, Betreiben oder Verwertung von Gebäuden partnerschaftlich kooperieren. Bei der so genannten Public Private Partnership (PPP) werden bislang staatliche

187

Strategien

Leistungen der Immobilienbereitstellung (z. B. Schulen, Krankenhäuser etc.) von privaten Bauherrn bzw. Betreibern erbracht und über einen definierten Zeitraum zu Beginn des Lebenszyklus, meist 15 bis 30 Jahre, betreut. Der Auftraggeber zahlt als Nutzer über diesen Zeitraum ein Nutzungsentgeld für die Gesamtaufwendungen (Planungs-, Errichtungs-, Betriebs- und Instandhaltungskosten). Dies macht eine ganzheitliche Betrachtung aller Kostenelemente über den Vertragszeitraum zwingend erforderlich und führt zwangsläufig zu veränderten Anforderungen an die Planung, die die laufenden Kosten und damit auch einen niedrigen Energieverbrauch in den Mittelpunkt der Betrachtung stellt. Die prognostizierten Kostenvorteile von 10 bis 25 % ergeben sich also durch eine umfassende Untersuchung aller Phasen und Prozesse, insbesondere jedoch der Betriebsphase. Unabhängig vom PPP-Modell wird die Gesamtbetrachtung der Lebenszyklusanalyse zu einem Instrument, das nachhaltiges Bauen fördert und die wirtschaftlichen Risiken deutlich senkt. Sie trägt auch dazu bei, die ökologischen Risiken des Bauens zu minimieren und die Gesamtqualität des Objekts zu steigern. Voraussetzung dafür ist, das übliche InvestorNutzer-Dilemma, die Trennung der Welten der Errichtung und des Betriebs von Gebäuden, zu lösen. Lebenszyklusgerechte Prinzipien setzen integrale Planungsansätze und eine intensive Zusammenarbeit aller Akteure voraus.

Die im Planungsteam zusammengeführten Disziplinen und viele weitere Akteure tragen die Gesamtverantwortung für das Bauen und damit für den Erfolg energieeffizienten und nachhaltigen Wirtschaftens im Bauwesen. Im Folgenden werden diese Akteure und ihre Aufgaben beschrieben. Politiker Legislative und Exekutive haben ein zunehmendes Problembewusstsein in Bezug auf die hohen Umweltwirkungen von Gebäuden entwickelt, auch im Hinblick auf übergeordnete Nachhaltigkeitsziele. Allerdings mangelt es trotz Kyoto-Protokoll an verbindlichen globalen Zielen. Positiv zu bewerten sind die Zielsetzungen der EU; ihre rechtliche Umsetzung erfolgt jedoch in vielen Ländern äußerst zögerlich. Das wachsende Bewusstsein um die Notwendigkeit, definierte Schutzziele zu erreichen, und um die positiven ökonomischen Wirkungen nachhaltigen Wirtschaftens verändert das Handeln dieser Akteurgruppe. Stadt- und Regionalplaner Stadt- und Regionalplaner beeinflussen mit ihren Planungen maßgeblich den Verbrauch von Siedlungs- und Verkehrsflächen. Sie bestimmen zudem Dichte, Nutzungsmischung, Integration und Durchmischung, Mobilität sowie die technische und soziale Infrastruktur von Räumen und beeinflussen sie damit ent-

scheidend in Bezug auf den Energieverbrauch und ihre Nachhaltigkeit. Stadtplaner gehen vermehrt dazu über, im Rahmen von Bauleitplanungen auch Energie- und Nachhaltigkeitsstandards festzuschreiben. Über weitere Maßgaben der Bauleitplanung wie Dachneigung, Abstandsflächen oder Ausrichtung definieren sie die Möglichkeiten von Architekten, lokale Umweltenergien (z. B. Solarstrahlung) für Gebäude nutzen zu können und über gute Besonnung zugleich angenehme Lebensbedingungen zu schaffen. Finanzierungsträger und Banken Die Interessen von Banken an Projektentwicklungen sind ausschließlich auf wirtschaftliche Aspekte ausgerichtet. Projektbeurteilungen beziehen aber zunehmend Nachhaltigkeitsaspekte in ihre Betrachtungen ein, weil erkannt wird, dass eine dauerhaft gesicherte höhere Wertschöpfung von nachhaltigkeitsorientierten Immobilien auch eine bessere ökonomische Performance von Gebäuden bedeutet. Bauherrn / Betreiber Der Bauherr als Einzelperson wird insbesondere bei größeren Projekten durch Institutionen oder Bauherrnvertretungen ersetzt. Als »Kunde« löst der Auftraggeber den Prozess der Bautätigkeit aus und kann entsprechend die Ausrichtung eines nachhaltigkeitsorientierten Planungs- und Bauprozesses einfordern. Übernimmt der Bauherr nicht allein die Aufga-

Erläuterung

Akteur Bauherr Nutzer Architekt Energieberater Fachingenieur TGA Lichtplaner Tragwerksplaner Akustikplaner Brandschutzplaner Facility Manager

Zielkonflikt

Akteure

Kompaktheit versus TagesDie Baukörperform ist unter Abwägung der Kompaktheit, die sich maßgeblich auf den Heizwärmebedarf und die lichtnutzung und freie Lüftung Investitionskosten auswirkt, sowie einer guten Tageslichtversorgung und freier Lüftung zu entwickeln.

• • • •

Nutzungsdynamik versus Energiekonzept

Gebäudebereiche mit veränderlicher oder nicht vorausbestimmbarer Nutzung (z. B. Atrien) können durch Nutzungsänderungen und somit vom Energiekonzept abweichenden Komfortanforderungen (z. B. Heizen oder Kühlen) einen deutlich höheren Energieverbrauch auslösen.

passive Kühlung versus Normkomfortanforderungen

Auf aktive Kühlung zu verzichten, reduziert den Energieverbrauch in der Betriebsphase erheblich, erfordert allerdings im Sommer einen temporären Komfortverzicht durch zeitweilige Raumtemperaturen über 26 °C.

•

freie Lüftung und passive Kühlung versus Grundrissflexibilität

Freie Taglüftung und passive Kühlung durch Nachtlüftung erfordern oftmals eine entsprechende Grundrisszonierung. Um eine technische Nachrüstung bei veränderten Nutzungsanforderungen zu vermeiden, sind flexible Grundrissvarianten bereits in der Planung zu berücksichtigen.

• • • •

Tageslichtnutzung und Ausblick versus Sonnenund Blendschutz

Eine anforderungsgerechte Systemwahl und Kombination von Sonnen- und Blendschutz kann Fehlfunktionen ausschließen und einen (partiellen) Außenraumbezug gewährleisten.

freie Lüftung versus Schall- und Brandschutz

Überströmöffnungen zwischen unterschiedlichen Nutzungsbereichen müssen bei freien Lüftungskonzepten unter Berücksichtigung von Schallschutz- und Brandschutzanforderungen entwickelt werden.

Nutzung von Speichermassen versus Raumakustik

Die Nutzung von thermischen Speichermassen zur Dämpfung von Temperaturspitzen erfordert eine enge Abstimmung mit Schalldämpfungs- bzw. Akustikmaßnahmen.

hochgedämmte Gebäudehülle versus Transparenz und Flächeneffizienz

Thermisch hochgedämmte Gebäudehüllen reduzieren die Nutzfläche aufgrund der dicken Wandaufbauten und beschränken den Anteil transparenter Flächen. Nutzungsqualität, Bezug zum Außenraum, Flächeneffizienz und Energieverbrauch sind durch das Entwurfs- und Energiekonzept in ein ausgewogenes Verhältnis zu bringen.

Gebäudeautomation versus Individualität und Nutzerakzeptanz

Hochautomatisierte Gebäuderegelungssysteme, Einzelraum- bzw. Zonenregelungen oder manuell regulierbare Sys- • • • • • teme sind unter Abwägung von Investitions-, Wartungs-, und Betriebskosten sowie der Nutzerakzeptanz zu entwickeln.

innovatives Planungsteam versus Umsetzungsroutinier

Routinierte Projektbeteiligte sind in die Abläufe und Anforderungen einer Integralen Planung einzubinden. Die Ziele eines nachhaltigkeitsorientierten Bauvorhabens (z. B. Komfort, Energieeffizienz) sollten in den Vorbemerkungen von Ausschreibungen für die jeweiligen Gewerke enthalten sein. Besondere Nachweise wie Materialdeklarationen, Test- oder Prüfungsverfahren müssen eindeutig beschrieben und eingefordert werden.

• • •

• •

• •

•

• • • • • •

•

•

• • • •

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•

• • • • • • • •

B 6.31

188

Strategien

Grundlagenermittlung Bedarfsplanung

Vorentwurfsplanung

Entwurfsplanung

Genehmigungsplanung

Ausführungsplanung

Ausschreibung und Vergabe

Objektüberwachung

Nutzung Wartung Betrieb

Modernisierung Umnutzung Betrieb

B 6.31 B 6.32

typische Zielkonflikte energieoptimierter Planung Akteure im Planungs- und Nutzungsprozess, heute und zukünftig

Architekt Fachingenieur (Tragwerk, Haustechnik, Elektro etc.) Nutzer Bauherr Facility Management Energiekonzept

heute

zukünftig

B 6.32

be der Errichtung und Weiterveräußerung eines Objekts, wird er ein unmittelbares Interesse an einer nachhaltigen Gebäudeentwicklung zeigen. Für Betreiber sind Kriterien wie Langlebigkeit, Anpassungsfähigkeit sowie geringe laufende Betriebskosten von zentraler Bedeutung. Vielen Bauherrn ist bewusst, dass ein nachhaltiges Gebäude, über die Lebensdauer betrachtet, nicht nur umweltbezogene und soziale Vorzüge aufweist, sondern darüber hinaus über handfeste ökonomische Vorteile verfügt (Abb. B. 6.33). Architekten Aufgrund der wachsenden Anforderungen und der steigenden Nachfrage an ganzheitlichen Gebäudekonzepten wandelt sich das Berufsbild des Architekten zunehmend vom Universalisten zum koordinierenden Teamleiter. Da der Architekt bei den meisten planungsrelevanten Aspekten unmittelbar beteiligt ist, kann er den Bauherrn maßgeblich unterstützen, die richtigen Entscheidungen zum richtigen Zeitpunkt zu treffen. Ein allgemeines Bewusstsein zur Notwendigkeit integralen und nachhaltigkeitsorientierten Bauens ist bei vielen Planern vorhanden, es mangelt allerdings oft an handlungsrelevantem Detailwissen und manchmal auch an Durchsetzungsvermögen. Ein Gestaltungsprimat behindert zuweilen den unverstellten Zugang zum Thema »Nachhaltigkeit«, dessen gestalterisches Innovationspotenzial derzeit erst in Ansätzen erkannt wird. Landschaftsarchitekten und Ökologen Das nachhaltige Wirtschaften hat seinen Ursprung in der Forstwirtschaft. Es sollte entsprechend in den verwandten Disziplinen Ökologie und Landschaftsarchitektur verankert sein. In vielen Themenbereichen (z. B. Altlastenbewältigung, Regenwassermanagement, Oberflächengestaltung) sind noch erhebliche Entwicklungsreserven in Richtung auf eine nachhaltige und energieeffiziente Landschaftsplanung festzustellen. Darüber hinaus müssen neue Themen wie lokale Bioenergiewirtschaft und Energiegewinnung aus Wind und Sonne besetzt werden. Auf der Ebene der Gebäudeplanung können Landschaftsarchitekten erheb-

lich zur Verbesserung des Mikrokimas (z. B. Wasserflächen, Regenwasser, Verschattung, Reflexion und Temperaturen von Oberflächen) beitragen. Fachingenieure Ingenieure verfügen als Spezialisten über ein hohes Fachwissen zu Einzelthemen des nachhaltigen Bauens. Richtig verknüpft kann dieses spezialisierte Wissen ganz wesentlich zur Lösungsfindung beitragen und die Kreativität bezüglich material- und energieeffizienter Konzepte fördern. Eine enge Vernetzung der einzelnen Disziplinen gelingt am besten im engen Diskurs aller Beteiligten zu Beginn des Planungsprozesses. Baufirmen und Ausführende Baufirmen und Handwerker sind bei gewerkeweiser Vergabe nur für Teilleistungen von Bauprojekten beauftragt. Der Bauprozess löst sich auf in verschiedene Einzelaufträge; entsprechend der jeweiligen Gewerke verfügen die Akteure über ein teilweise stark detailbezogenes Problembewusstsein. Dieses Wissen kann, positiv entwickelt und eingesetzt, die Nachhaltigkeit von Bauten günstig beeinflussen. Gleichzeitig ist allerdings auch die Betrachtung des Ganzen und der Schnittstellen zu den Nachbargewerken erforderlich. Facility Management Mit steigenden Energiepreisen und dem Ziel einer nachhaltigen Gebäudebewirtschaftung verbreitet sich auch das Steuerungsinstrument Facility Management. Aufgrund der engen Beziehung zum Gebäudenutzer und somit der Kenntnis über seine Anforderungen und Bedürfnisse lassen sich durch eine umfassende Betrachtung aller betrieblichen Abläufe die Nutzungskosten dauerhaft senken sowie der Wert von Immobilien langfristig erhalten. Nutzer und Betroffene Bei der Stadt- und Landschaftsplanung sowie bei Großprojekten gehört die Beteiligung von Bürgern an relevanten Planungs- und Entscheidungsprozessen bereits seit einigen Jahrzehnten zur gängigen Planungspraxis.

Forderungen nach erweiterten Formen der Partizipation gingen in den vergangenen zehn Jahren von verschiedenen Dokumenten zur nachhaltigen Entwicklung aus (z. B. Agenda 21, Habitat II). Die Berücksichtigung der spezifischen Bedürfnisse unterschiedlich Betroffener und insbesondere die Einbeziehung der Interessen benachteiligter Bevölkerungsgruppen stehen für das Ideal der Verantwortungsteilhabe der Zivilgesellschaft am Gemeinwesen. Sie gilt demnach als eine der zentralen Voraussetzung zur Implementierung von Nachhaltigkeit [9]. Während die klassische Bürgerbeteiligung sich überwiegend auf Informations- und Erörterungstermine beschränkt, beabsichtigt die erweiterte Partizipation, die Selbstregulierung von Prozessen durch ein vielseitiges Methodenangebot zu fördern. Dazu zählen beispielsweise: runde Tische, Mediation, Zukunftswerkstätten oder Planungszellen. Aufgrund der Vielzahl an Beteiligungsformen ist zunächst zu klären, wann, zu welchem Thema, mit welchem Ziel und mit welchem Verfahren die Partizipation erfolgen soll. Die relevanten Phasen diskursiver Projekte stellen sich für kommunale Planungen und Hochbauprojekte gleichermaßen dar: • • • •

Projektierungs- und Konzeptionierungsphase Verhandlungsphase des Diskursangebots Diskursphase Transferphase

Partizipation kann maßgeblich dazu beitragen, die Legitimation und Akzeptanz von Planungsvorhaben zu steigern, Widerstände abzubauen sowie die Qualität von Entscheidungen zu erhöhen. Der Nutzer übt zudem durch seine Komfortansprüche sowie sein Benutzerverhalten hinsichtlich Innenraumtemperatur, Warmwasserbedarf, Lüftungsverhalten und interne bzw. solare Gewinne maßgeblichen Einfluss auf den Energiebedarf von Gebäuden aus. Dabei kann der durchschnittliche Verbrauch je nach Nutzerprofil rund 15 % unterhalb (»Extremsparer«) oder etwa 60 % überhalb (»Extremverschwender«) der Richtwerte nach EnEV liegen (Abb. B 6.34).

189

Strategien

Gebäudeeigenschaften (Beispiele)

wirtschaftliche / finanzielle Vorteile

Energieeffizienz

geringere Bewirtschaftungskosten Marketing- und Imagevorteile, geringeres Leerstandrisiko, stabiler Cash-flow

geringe Umwelteinflüsse / Risiken

höheres Mietsteigerungspotenzial gesteigerte Funktionalität, Betriebsfähigkeit, Lebensdauer, Flexibilität B 6.33 B 6.34 B 6.35

Gebäudeeigenschaften und daraus resultierende wirtschaftliche Vorteile Einfluss des Nutzerverhaltens auf den Energiebedarf von Wohngebäuden Kriterien des nachhaltigen Bauens nach »Empfehlung SIA 112/1, Nachhaltiges Bauen – Hochbau«

geringeres Risiko des Ausfalls von technischen Gebäudesystemen

unkomplizierte Durchführung von Instandhaltungs- und Wartungsaktivitäten

gesteigerte Produktivität der Gebäudenutzer

gesteigertes Wohlbefinden der Gebäudenutzer

Vermeidung des »Sick-Building-Syndroms«, vermindertes Prozess-, Kostenund Kompensationsrisiko B 6.33

Nachhaltige Architektur Oft wird nachhaltiges Bauen mit den Begriffen »ökologisches Bauen«, »energieeffizientes Bauen« oder »bioklimatische Architektur« gleichgesetzt; es handelt sich hierbei jedoch lediglich um Teilaspekte einer zukunftsfähigen Entwicklung. Der Ansatz des nachhaltigen Bauens stellt sich komplexer dar. Die Gesamtheit der architektonischen Produktion steht zur Diskussion, d. h. ökonomische, ökologische und gesellschaftliche Aspekte sind in wechselseitigen Abhängigkeiten zu betrachten. Dabei sind die einzelnen Dimensionen bekannt und prägten die Architektur seit ihren Anfängen. Wie aus Abb. B 6.33 hervorgeht, weist nachhaltiges Bauen zahlreiche wirtschaftliche Vorteile bei der Wertentwicklung von Immobilien auf [10]. Dennoch bleibt die alltägliche Praxis derzeit noch weit hinter den sich bietenden Möglichkeiten zurück. Nachhaltiges Bauen eröffnet die Chance, das gestalterische Repertoire der Architektur zu bereichern und wieder stärker mit gesellschaftlichen Schlüsselthemen zu verknüpfen. Um nachvollziehbare, für viele Bereiche auch quantifizierbare Sachverhalte zu verdeutlichen, werden im Folgenden Leitkriterien sowie Instrumente des nachhaltigen Bauens erläutert. Leitkriterien

In der Absicht, das Leitbild »Nachhaltigkeit« für Nutzerverhalten

Innenraumtemperatur

Extremsparer 10 %-Quantil

17,0 °C

Sparer 30 %-Quantil

die Bereiche Bauen und Wohnen in Deutschland zu operationalisieren, erarbeitete die Enquête-Kommission in ihrem Abschlussbericht 1998 »Schutz des Menschen und der Umwelt« das so genannte Drei-Säulen-Modell mit ökonomischen, ökologischen und soziokulturellen Zielen. Basierend auf den Vorarbeiten der Kommission wurde im Jahr 2001 vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und Wohnungswesen der »Leitfaden Nachhaltiges Bauen« als Empfehlung für öffentliche Bauten eingeführt, um Schutzziele beim Planen, Errichten und Betreiben von Gebäuden weiter zu konkretisieren und Planungsleitlinien aufzuzeigen [11]. In Anlehnung an das Drei-SäulenModell bietet der Leitfaden eine erste wertvolle Hilfestellung, Nachhaltigkeitskriterien für die Architektur und das Bauwesen zu verdeutlichen. Einen vergleichbaren Ansatz stellt die »Empfehlung SIA 112/1, Nachhaltiges Bauen – Hochbau« [12] des Schweizerischen Ingenieur- und Architektenvereins (SIA) aus dem Jahre 2004 dar. Den Zieldimensionen des DreiSäulen-Modells entsprechen die drei Bereiche Gesellschaft, Wirtschaft und Umwelt, die hier in mehrere Themen untergegliedert und denen wiederum mehrere Kriterien zugeordnet sind (Abb. B 6.35). Die SIA-Empfehlung unterstützt Bauherrn und Planer zu Projektbeginn, die objektspezifischen Kriterien im Sinne einer Zielvereinbarung auszuwählen und zeigt Maßnahmen für die weitere Umsetzung auf.

Wirtschaft Die Investitionskosten stehen bei Planungsentscheidungen oftmals im Zentrum der Betrachtung. Aus vornehmlich ökonomiegetriebenem Handeln resultieren häufig eindimensionale Projektentwicklungen, die einem langfristigen Denken widerstreben. Die Kosten für den Betrieb und Unterhalt von Gebäuden können schon nach wenigen Jahren die Investitionskosten übersteigen. Eine künftige Planungspraxis sollte jedoch die Baukosten über den gesamten Lebenszyklus (Erstellung, Betrieb, Rückbau) betrachten. Abwägungen zwischen höheren Investi-

Luftwechselrate

Abweichungen von der EnEV 1

Haushaltsstrombedarf (inkl. Licht)

anrechenbare Wärmeenergie elektr. Geräte

5,0 kW / m2a

0,4 / h

-14,5 %

10 kWh / m2a

2,3 kWh / m2a

18,5 °C

10,1 kW / m2a

0,6 / h

-2,5 %

15 kWh / m2a

3,4 kWh / m2a

Durchschnitt 50 %-Quantil

19,5 °C

15,1 kW / m2a

1,1 / h

14,2 %

20 kWh / m2a

4,5 kWh / m2a

Verschwender 70 %-Quantil

21,0 °C

25,2 kW / m2a

1,5 / h

34,7 %

30 kWh / m2a

6,8 kWh / m2a

Extremverschwender 90 %-Quantil

23,0 °C

35,3 kW / m2a

2,0 / h

59,4 %

40 kWh / m2a

9,0 kWh / m2a

1

Energiebedarf für Warmwasser

Gesellschaft Die Qualität der gebauten Umwelt spiegelt menschliche Wertvorstellungen wider und verleiht generellen Vorstellungen von Kultur Ausdruck. Gebäude und alles, was zur gebauten Umwelt gehört, sind so wirksam und allgegenwärtig, dass sie unsere Lebensqualität in vielfältiger Weise beeinflussen. Die entsprechenden Kriterien lassen sich jedoch oft nicht quantifizieren, sie können nur qualitativ bzw. beschreibend beurteilt werden. Doch gerade die immateriellen gesellschaftlichen Werte wie z. B. Integration, räumliche Identität, Partizipation oder Gesundheit stellen wesentliche Schlüsselfaktoren für eine nachhaltige, friedliche und die Umwelt schonende Entwicklung der Gesellschaft dar.

Abweichungen bei einem Niedrigenergiegebäude (An = 363,52 m2) mit einem Jahresprimärenergiebedarf von 63,1 kWh / m2a B 6.34

190

Strategien

tions- sowie niedrigeren Betriebs- und Unterhaltskosten müssen in die Planungsentscheidungen einbezogen werden. Hohe gestalterische Qualität hat seinen Preis, steigert allerdings langfristig den Wert einer Immobilie. Umwelt Bei der Herstellung von Gebäuden und beim Austausch von Bauteilen definiert primär der Stofffluss von Baumaterialien die ökologischen Wirkungen. Im Betrieb sind es demgegenüber der Energiebedarf, insbesondere für Heizung, Kühlung, Licht und Geräte, sowie Reinigung und Instandhaltung. Gebäude sind langlebig; bei einer für Mitteleuropa angenommenen Neubaurate von ca. 1 % würde die energetische und ökologische Erneuerung des Bestands 100 Jahre und mehr dauern. Deshalb liegen die größten CO2-Reduktionspotenziale in der Sanierung des Gebäudebestands; die fortdauernde Nutzung bestehender Gebäude trägt im Vergleich zur Herstellung von Neubauten durch die Reduktion von Stoffströmen deutlich zur Ressourcenschonung bei.

Bereich

Thema

Kriterium

Gesellschaft

Gemeinschaft

Integration / Durchmischung soziale Kontakte Solidarität / Gerechtigkeit Partizipation

Gestaltung

räumliche Identität / Wiedererkennung individuelle Gestaltung / Personalisierung

Nutzung, Erschließung

Grundversorgung / Nutzungsmischung Langsamverkehr und öffentlicher Verkehr Zugänglichkeit und Nutzbarkeit für alle

Wohlbefinden, Gesundheit

Sicherheit Licht Raumluft Strahlung sommerlicher Wärmeschutz Lärm / Erschütterungen

Gebäudesubstanz

Standort Bausubstanz Gebäudestruktur / Ausbau

Anlagenkosten

Lebenszykluskosten Finanzierung externe Kosten

Betriebs- und Unterhaltskosten

Betrieb und Instandhaltung Instandsetzung

Baustoffe

Rohstoffe: Verfügbarkeit Umweltbelastung Schadstoffe Rückbau

Betriebsenergie

Wärme (Kälte) für Raumklima Wärme für Warmwasser Elektrizität Deckung Energiebedarf

Boden, Landschaft

Grundstücksfläche Freianlagen

Infrastruktur

Mobilität Abfälle aus Betrieb und Nutzung Wasser

Wirtschaft

Umwelt

Instrumente

Schutzziele und Leitindikatoren bilden die Voraussetzung zur Überwindung des Nachhaltigkeitsdefizits. Um daraus konkrete Handlungsstrategien ableiten zu können, sind jedoch Instrumente erforderlich, die es dem Planungsteam ermöglichen, Auswirkungen und Wechselbeziehungen von gesellschaftlichen, wirtschaftlichen und ökologischen Dimensionen zu erkennen und im Planungsbzw. Bauprozess zu behandeln. Zur Beurteilung der Nachhaltigkeit von Gebäuden existiert eine Vielzahl von Instrumenten und Hilfsmitteln wie Checklisten, EDV-Tools oder Gebäudelabels. Das breite Spektrum verfügbarer Instrumente resultiert gerade im Bauwesen aus vielen unterschiedlichen Aufgabenstellungen (z. B. Wettbewerbe, Vor-, Entwurfs- bzw. Werkplanung, die Beurteilung fertiggestellter Gebäude etc.), die kein Instrument allein abzudecken vermag. Abb. B 6.37 zeigt eine Übersicht von verfügbaren Instrumenten bzw. Hilfsmitteln nach Typologie und Betrachtungsgegenstand [13, 14]. Ein bedeutender Fortschritt bei der Nachhaltigkeitsbeurteilung basiert auf der Entwicklung von Gebäudelabels. Sie erlauben eine umfassende Bewertung von Bau- und Planungsqualität auf unterschiedlichen Präzisionsstufen.In frühen Leistungsphasen vermitteln sie Planenden und Auftraggebern eine Projektbewertung, woraus sich auch Hinweise zur planungsbegleitenden Verbesserung der Nachhaltigkeitseigenschaften ableiten lassen. Für fertiggestellte Projekte dienen Gebäudezertifikate dazu, Nutzern und Betreibern einen nachvollziehbaren Beleg bezüglich der nachhaltigen Qualität ihres Gebäudes zu liefern. Die verfügbaren

B 6.35

Evaluationswerkzeuge bilden ein breites Spektrum von sehr einfachen, qualitativen Bewertungsinstrumenten bis zu präzisen, auch quantifizierte Daten umfassenden Werkzeugen ab. Die Auswahl des geeigneten Instruments muss deshalb immer in einer Abwägung zwischen objektivierter Genauigkeit, die jedoch zwangsläufig mit aufwendiger Ermittlung verbunden ist, und der Verlässlichkeit subjektiver Bewertungen erfolgen. Eine kleine Auswahl der verfügbaren Evaluationswerkzeuge wird im Folgenden vorgestellt. BREEAM Das Gebäudelabel BREEAM (Building Research Establishment Environmental Assessment Method) wurde zu Beginn der 1990er-Jahre als erstes Bewertungsverfahren für Bürogebäude in Großbritannien entwickelt und liegt mittlerweile in verschiedenen Versionen für weitere Gebäudetypen (z. B. Warenhäuser, Supermärkte, Schulen, Industriegebäude und Wohnhäuser) und für unterschiedliche Kontinente wie Europa, Nordamerika und Asien vor. Das Instrument vergibt für ausgewählte Indikatoren Punktbewertungen; je nach Gesamtpunktzahl wird ein Zertifikat »ausreichend«, »gut«, »sehr gut« oder »ausgezeichnet« erteilt. Die Indikatoren gliedern sich in

die Bereiche Management, Gesundheit und Wohlbefinden, Energie, Transport, Wasserverbrauch, Baustoffe, Nutzung des Grundstücks, ökologische Standorterschließung sowie Luft- und Wasserverschmutzung. Das Verfahren ist besonders auf Architekten und Planer ausgerichtet. BREEAM zählt derzeit zu den am weitesten verbreiteten Gebäudelabels.

LEED Der US Green Building Council führte LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) 1995 zunächst für den amerikanischen Immobilienmarkt ein. Inzwischen hat sich das Bewertungssystem aber auch zusehends in Europa und insbesondere in Asien verbreitet. Ähnlich wie bei BREEAM existieren spezifische Versionen für unterschiedliche Nutzungstypen, z. B. Büro- und Verwaltungsgebäude, Bestandsbauten, gewerbliche Innenraumprojekte oder Eigenheime. Auch bei diesem Label basiert die Gebäudebewertung (»zertifiziert«, »Silber«, »Gold«, »Platin«) auf der erreichten Gesamtpunktzahl des entsprechenden Kriterienkatalogs. Die Indikatoren unterteilen sich in die Bereiche nachhaltige Landschaftsplanung, effizienter Wasserhaushalt, Energie und Atmosphäre,

191

Strategien

Sicherheit Licht soziale Kontakte Grundversorgung/Nutzungsmischung Zugänglichkeit und Nutzbarkeit für alle Integration, Durchmischung individuelle Gestaltung / Personalisierung sommerlicher Wärmeschutz räumliche Identität / Wiedererkennung Gesellschaft Raumluft Langsamverkehr und öffentlicher Verkehr Lärm / Erschütterungen Strahlung Partizipation Solidarität / Gerechtigkeit Freianlagen Schadstoffe

Gebäudestruktur / Ausbau Standort Lebenszykluskosten Ökonomie externe Kosten Bausubstanz Finanzierung Betrieb und Instandhaltung Instandsetzung

Ökologie

Umweltbelastung Deckung Energiebedarf Grundstücksfläche Mobilität Wasser

Wärme (Kälte) für Raumklima Wärme für Warmwasser Elektrizität Abfälle aus Betrieb und Nutzung Rohstoffe: Verfügbarkeit Rückbau B 6.36

Typologie

Instrument (Beispiele)

Land

Lph (HOAI)

D

5–7

Betrachtungsgegenstand Produktdeklaration Bauprodukte und -hilfsstoffe

• Typ I-III Umweltdeklaration (siehe Material, S. 171)

Empfehlungs- und Ausschlusskriterien Bauprodukte und -hilfsstoffe

• Schwarz, Jutta: Ökologie im Bau. Bern, Stuttgart, Wien 1998

Elementkataloge Bauteile (Funktionseinheiten) im eingebauten Zustand

• SIA D 0123: Hochbaukonstruktionen nach ökologischen Gesichtspunkten

CH

2–5

Ausschreibungshilfen ökologisch orientierte Leistungsbeschreibung

• ECOBIS / WINGIS: Ökologische Baustoff-/ Gefahrstoff-Informationssysteme • BKP: Merkblätter nach Baukostenplan für Ausschreibungen • ECO-DEVIS: Ökologische Leistungsbeschreibungen

D

3–7

CH

3–7

CH

5–7

D

2–8

CH / D

2–8

CH

2–8

D

2–4

5–7

Energieausweise Beschreibung (und Bewertung) der Energieeffizienz von Gebäuden

• Energieausweis und Energiebedarfsausweis nach EnEV

Checklisten entsprechend Verwendungszweck (z. B. energiesparendes Bauen etc.)

• Preisig, Hansruedi (u. a.): Der ökologische Bauauftrag. München, 2001 • Checklisten für energiegerechtes, ökologisches Planen und Bauen des Schweizerischen Bundesamts für Energiewirtschaft

Objektbeispiel (best practice) Gebäude mit vorbildlichen Lösungen

• SolarBau: MONITOR: Projektdatenbank »Energie-optimiertes Bauen« des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie

Wettbewerbe (best practice) Entwürfe mit Energie- und Nachhaltigkeitsbewertungen

• SIA D 0200 / SNARC: Systematik zur Beurteilung der Nachhaltigkeit von Architekturprojekten für den Bereich Umwelt

CH

1–2

Leitlinien Formulierung von Zielen, Grundsätzen und Leitbildern

• Leitfaden Nachhaltiges Bauen • SIA D 0216: SIA Effizienzpfad Energie • SIA E 112 / 1: Nachhaltiges Bauen – Hochbau

D CH CH

1–9 1–8 1–8

ganzheitliche Planungs- und Bewertungshilfsmittel (Tools) interaktive Werkzeuge zur Entscheidungsfindung für unterschiedliche Anwendungsgebiete (z. B. Wettbewerbe, Ökobilanzierung etc.), teilweise mit Datenbankverknüpfung

• LEGEP: Lebenszyklusbezogene Planung und ökologisch-ökonomische Bewertung • OGIP: Planungswerkzeug für die Optimierung von Kosten, Energieverbrauch und Umweltbelastung von Bauten • VITRUVIUS: Kostenplanung, Immobilienbewertung, Projektentwicklung, Portfoliomanagement

D

2–6

CH

2–6

CH

2–9

Gebäudelabel, -evaluationen bzw. -zertifikate Gebäudebewertung

• BREEAM: Building Research Establishment Environmental Assessment Method • GBC (GBTool): Green Building Challenge • LEED: Leadership in Energy and Environmental Design • MINERGIE-ECO: Nachweisverfahren • TQB: Total Quality Building

GB

2–8

CAN USA

2–8 2–8

CH A

2–8 2–8 B 6.37

192

Material und Ressourcen, Innenraum und Luftqualität sowie Innovation und Planungsprozess. MINERGIE-ECO In Abstimmung mit den Kriterien der SIAEmpfehlung 112/1 »Nachhaltiges Bauen – Hochbau« wird in der Schweiz seit 2006 das Nachweisverfahren MINERGIE-ECO für Verwaltungsbauten, Schulen und Mehrfamilienhäuser angewandt. Eine Erweiterung für Einfamilienhäuser und Sanierungen ist in Vorbereitung. Das Gebäudelabel ergänzt den vorherigen MINERGIE-Standard mit dem Schwerpunkt Komfort und Energieeffizienz um die Themen Gesundheit und Bauökologie. Zu den Beurteilungskriterien gehören Licht, Lärm, Raumluft, Rohstoffe, Herstellung und Rückbau. Zudem wird in Bezug auf die Energieeffizienz vorgegeben, dass der Energieverbrauch des Gebäudes um mindestens 25 % und der fossile Energieverbrauch um mindestens 50 % unter dem durchschnittlichen Stand der Technik liegen muss. Um den Anforderungen des Labels zu genügen, müssen Gebäude Ausschlusskriterien für Einzelanforderungen erfüllen (z. B. Verzicht auf Biozide und Holzschutzmittel in Innenräumen) und Mindesterfüllungsgrade erreichen. In der Summe der Ergebnisse müssen mindestens zwei Drittel der Kriterien den Vorgaben entsprechen.

Diagnosesystem Nachhaltige Gebäudequalität (DNQ) Auf der Grundlage der zuvor beschriebenen Bewertungssysteme wurde im Rahmen der Bearbeitung des Energie Atlas ein System zur Beurteilung der Nachhaltigkeit von Gebäuden entwickelt. Das Diagnosesystem soll anstelle der bislang üblichen Beschreibung von Teilaspekten eine nachvollziehbare und alle wesentlichen Parameter von Nachhaltigkeit umfassende Darstellung treten [15]. Das Diagnosesystem orientiert sich in seiner hierarchischen Struktur, seinen Themenfeldern und Erläuterungen an den Vorgaben der SIAEmpfehlung 112/1. Es ordnet jedoch die Themen neu, erweitert die Erläuterungen und bezieht zusätzliche Kriterien und Indikatoren ein. Darüber hinaus sind den Kriterien jeweils Indikatoren, qualitative Merkmale und Quellenangaben zugeordnet, die das Erfassen und Bewerten erleichtern. Eine wesentliche Änderung erfolgte in der Gliederung der Themen nach Bereichen. Während die SIA-Empfehlung 112/1 wie auch andere Quellen die Nachhaltigkeitsaspekte gemäß Drei-Säulen-Modell unter den Überschriften »Gesellschaft«, »Wirtschaft« und »Umwelt« gliedern, ordnet das Diagnosesystem Nachhaltige Gebäudequalität (DNQ) nach den planungsbezogenen Kategorien Standort-, Objekt- und Prozess-

Strategien

qualität (Abb. B 6.38). Zum einen soll dies den Zugang für Architekten und Planer erleichtern; zum anderen vermeidet diese Gliederung Zuordnungsprobleme von Kriterien, die alle drei Nachhaltigkeitssäulen berühren, wie z. B. Umweltbelastung oder Standort (Abb. B 6.36). Dass DNQ zunächst als System zur Beurteilung der Nachhaltigkeit fertiggestellter Gebäude entwickelt wurde, resultierte primär aus dem Ziel, die in Teil C vorgestellten, gebauten Beispiele einer für den Leser vergleichbaren Beurteilung unterziehen zu können. Über diese Erstanwendung hinaus eignet sich das Diagnosesystem auch zur ganzheitlichen Gebäudebeurteilung. Es vermittelt einen verdichteten und umfassenden Eindruck der Nachhaltigkeit von Gebäuden. Die mit den Kriterien verbundenen Zieldefinitionen und die Erläuterungen können dabei ebenso gut auch als Planungsinstrument und zur vergleichenden Beurteilung von Planungen dienen. Mit DNQ tritt neben die bislang übliche, nicht formalisierte verbale Beschreibung und die grafisch-visuelle Veranschaulichung von Objekten eine objektivierende und Vergleichbarkeit herstellende Beurteilung. Dabei sind zwei Kategorien von Kriterien zu unterscheiden: • Die qualitativen Kriterien als umfassendes »Rückgrat« des Diagnosesystems sprechen alle Bereiche und Themen der Nachhaltigkeit an. Auf der Grundlage der Kriterien und der Erläuterungen hierzu sind sie stichwortartig beschrieben und weitestgehend objektiv nachvollziehbar. • Ergänzend hierzu sind quantifizierte Indikatoren hinterlegt (z. B. Primärenergiebedarf in KWh/m2a), soweit diese verfügbar sind.

Anmerkungen: [1] Banham, Reyner, zit. nach Oswalt, Phillip: Wohltemperierte Architektur: neue Techniken des energiesparenden Bauens. Heidelberg 1995, S. 9 [2] BUND/Misereor (Hrsg.): Zukunftsfähiges Deutschland. Ein Beitrag zu einer global nachhaltigen Entwicklung (Wuppertalstudie). Basel, Boston, Berlin 1996 [3] Preisig, Hansruedi; Pfäffli, Katrin (u. a.); Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein (Hrsg.): SIA D 0216. SIA Effizienzpfad Energie. Zürich 2006 [4] Hauff, Volker: Unsere gemeinsame Zukunft. Der Brundtland Bericht der Weltkommission für Umwelt und Entwicklung. Greven 1987 [5] Gruber, Edelgard (u. a.): Energiepass für Gebäude. Evaluation des Feldversuchs. Untersuchung im Auftrag der Deutschen Energie-Agentur. 2005 [6] Kohler, Niklaus: Zit. n. Forgber, Uwe: Teamorientierte Bauplanung. Die Vernetzung von Kompetenzdomainen in virtuellen Projekträumen. Dissertation der Universität Karlsruhe 1999 [7] Löhnert, Günter: Der integrale Planungsprozess, Teil I Grundlagen. In: EnergieEffizientes Bauen 01/2002, S. 31f.

Bereich

B 6.37 B 6.38

Überschneidungen der Nachhaltigkeitskriterien nach »Empfehlung SIA 112/1, Nachhaltiges Bauen – Hochbau« Instrumente zur Bewertung der Nachhaltigkeit von Planungen und Gebäuden Kriterien des nachhaltigen Bauens nach »Diagnosesystem Nachhaltige Gebäudequalität« (DNQ)

Thema

Objektqualität

Prozessqualität

Kriterium Energieangebot Grundverorgung / Nutzungsmischung Integration / Durchmischung Solidarität / Gerechtigkeit Nutzung Mobilität Lärm / Erschütterungen Strahlung

Standortqualität

Da wichtige Indikatoren zurzeit selbst für Modellprojekte kaum abrufbar sind, ist zukünftig eine bessere Verfügbarkeit dieser Kennwerte wünschenswert, die als Planungsdaten und/oder durch Monitoring verifizierte Objektdaten Aufschluss über Energie- und Materialeffizienz von Gebäuden geben. Sie können ganz wesentlich dazu beitragen, die laufende fachliche Diskussion zu objektivieren und Anreize zu mehr Sorgfalt im Umgang mit Ressourcen und Energie im Bauwesen schaffen. Rechtlich verbindliche Energieund Nachhaltigkeitsnachweise, wie sie z. B. durch die EnEV, den Energieausweis oder die Ökobilanzierung verlangt werden, schaffen mittelfristig die notwendige Datengrundlage.

B 6.36

[8] Löhnert, Günter (u. a.): Zielkonflikte. In: Bürogebäude mit Zukunft. Köln 2005, S. 154f. [9] Jörissen, Juliane (u. a.): Zukunftsfähiges Wohnen und Bauen. Herausforderungen, Defizite, Strategien. Berlin 2005, S. 195f. [10] Lützkendorf, Thomas (u. a.): Nachhaltigkeitsorientierte Investments im Immobilienbereich. Trends, Theorie und Typologie. 2005, S. 11f. [11] Bundesamt für Verkehr, Bauen und Wohnen (Hrsg.): Leitfaden Nachhaltiges Bauen. 2001 [12] Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein (Hrsg.): Empfehlung SIA 112/1. Nachhaltiges Bauen – Hochbau. Zürich 2006 [13] Lützkendorf, Thomas (et al.): Nachhaltiges Planen, Bauen und Bewirtschaften von Bauwerken. Ziele, Grundlagen, Stand und Trends. Bewertungsmethoden und -hilfsmittel. Kurzstudie für das BMVBW. 2002 [14] Steiger, Peter: Der kritische Weg zur nachhaltigen Bauweise. In: Baustoff Atlas. München 2005, S. 19 [15] Die Entwicklung des Diagnosesystems Nachhaltige Gebäudequalität (DNQ) wurde von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) gefördert.

Erschließung / Kommunikation

Verkehr soziale Kontakte Zugänglichkeit und Nutzbarkeit

Grundstück

Grundstücksfläche Freiflächen

Gestaltung

Baukultur Personalisierung

Wohlbefinden / Gesundheit

Sicherheit Schall Licht Raumluft Raumklima

Gebäudesubstanz

Bausubstanz Gebäudestruktur / Ausbau

Baukosten

Investitionskosten Finanzierung

Betriebs- und Unterhaltskosten

Betrieb und Instandhaltung Instandsetzung

Baustoffe

Rohstoffe / Verfügbarkeit Umweltbelastung Schadstoffe Rückbau

Betriebsenergie

Gebäudeheizung Gebäudekühlung Warmwasserbereitung Luftförderung Beleuchtung sonstige elektrische Verbraucher Energiebedarfsdeckung

Infrastruktur

Abfälle aus Betrieb und Nutzung Wasser nachhaltiges Bauen Bautradition Partizipation integrale Planung Analysen Monitoring Facility Management B 6.38

193

Strategien

Kriterium: Ziel

Erläuterung

Quellen

qualitative Merkmale

Indikatoren Kennwerte

Energieangebot: lokal verfügbare Energieträger und Umweltenergien effizient nutzen

Eine dauerhaft zukunftsfähige Energieversorgung mit hoher Versorgungssicherheit in der Betriebsphase erfordert die effiziente Nutzung des lokal verfügbaren Energieangebots. Hierzu ist sowohl die technische Infrastruktur vor Ort (z. B. Gasanschluss, Fernwärme, BHKW) als auch das Angebot an Umweltenergien (z. B. Globalstrahlung, Grundwasser, Windgeschwindigkeiten) auf ihre Eignung hinsichtlich einer nachhaltigen und effizienten Gestaltung des Energiekonzepts zu analysieren.

Angaben des ört- standortspezifilichen Energiesches Energieversorgers, Klima- angebot daten

Grundversorgung / Nutzungsmischung: kurze Distanzen, attraktive Nutzungsmischung im Quartier erreichen

Die Förderung des Quartierslebens sowie eine stete Nahversorgung im urbanen Raum sind notwendige Voraussetzungen einer nachhaltigen Stadtentwicklung. Gemischte Nutzungen tragen dazu bei, Verkehr (und somit die »induzierte Energie«) zu reduzieren.

Bebauungsplan, Strukturkonzepte

Nutzungsmischung, ¤Dichte Maßnahmen für [EW / km2] flexible Strukturen

Integration / Durchmischung: optimale Voraussetzungen für soziale, kulturelle und altersmäßige Integration und Durchmischung schaffen

Sozial, ethnisch und demografisch durchmischte Quartiere erweisen sich als besonders stabil und anpassungsfähig. Geeignete bauliche Maßnahmen können die Integration verschiedener Bevölkerungsgruppen unterstützen. Dazu zählen: vielfältiges Wohnungsangebot, unterschiedliche Wohnungsgrößen und Ausbaustandards, Mehrzweck- und Gemeinschaftsräume, zumietbare Wohn- und Arbeitsräume, gemeinsam nutzbare Infrastrukturen.

Entwicklungspläne, Bebauungsplan

Politische und planerische Maßnahmen zur soziodemografischen Durchmischung

Solidarität / Gerechtigkeit: benachteiligte Personen unterstützen

Eine gerechte und solidarische Gesellschaft setzt voraus, dass die räumlichen Bedürfnisse von sozial oder finanziell schwächer Gestellten verstärkt wahrgenommen werden und in die Planung einfließen.

unmittelbare Anschauung, Programme, Statistiken

Vitalität des Quartiers, Durchmischung

Nutzung: eine langfristige, dem Standort entsprechende wirtschaftliche Nutzung gewährleisten

Der Standort sollte den Interessen von Bauherrn bzw. Investoren und Nutzern gleichermaßen entgegenkommen. Zu berücksichtigen sind Faktoren wie Image, landwirtschaftliche Qualität und Zugang zu Freiräumen, Erreichbarkeit mit öffentlichen Verkehrsmitteln, Nähe zu Bildungs-, Versorgungs- und Kultureinrichtungen.

Stadtkarte, Lageplan, Objektbeschreibung

Standort und Standortentwicklung im Zusammenhang mit dem Nutzungskonzept

Mobilität: Mobilität umweltverträglich gestalten

Bauliche Maßnahmen und Anreizsysteme tragen dazu bei, den Individualverkehr auf öffentliche Verkehrsmittel (ÖPNV) zu verlagern. Die Reduktion und kompakte Anordnung von PKW-Stellplätzen im öffentlichen Raum sowie die Förderung des ÖPNV unterstützen diese Entwicklung.

Lageplan mit Maßnahmen zur ÖPNV-Anbindung umweltverträglichen Abwicklung der Mobilität

Lärm / Erschütterungen: vor Immissionen durch Lärm und Erschütterungen schützen

Beeinträchtigungen durch Außenlärm und Erschütterungen lassen sich durch Anordnung der Räume, Ausrichtung der Fenster und geeignete technische Schallschutzmaßnahmen minimieren.

Baubeschreibung, SchallschutzmaßSchallschutzgut- nahmen im Außenachten raum und am Gebäude

Strahlung: vor Immissionen durch ionisierende und nicht ionisierende Strahlung schützen

In Radongebieten sind geeignete bautechnische Maßnahmen zu treffen. Hohe Intensität von nicht ionisierender Strahlung (Elektrosmog) erfordert im Sinne der Vorsorge, empfohlene Maximalwerte (z. B. World Health Organisation: 5 kV / m) einzuhalten.

Radonkarte, Baubeschreibung, Messungen

standortspezifische Belastungen sowie Strahlenschutzmaßnahmen

Verkehr: gute und sichere Erreichbarkeit und Vernetzung ermöglichen

Das Wege- und Verkehrsnetz setzt den Rahmen zur Entwicklung des Gebäude- und Erschließungskonzepts. Eine gute Wegevernetzung mit der Nachbarschaft, gute und unverwechselbare Orientierungsmöglichkeiten sowie Übersichtlichkeit schaffen individuelle und kollektive Sicherheit.

Erschließungskonzept, Lageplan, Erdgeschossgrundriss, Außenraumplanung mit Fahrradabstellplätzen

Erschließungs¤Fahrradabkonzept, Stellplatzstellplätze [m2] organisation, Fußweganbindung, Lage und Gestaltung der Eingangsbereiche

Soziale Kontakte: kommunikationsfördernde Begegnungsorte schaffen

Die Pflege von sozialen Kontakten unterstützt Verantwortungsbewusstsein, Kreativität und den Aufbau sozialer Netze. Dies wird gefördert durch halböffentliche Bereiche, kommunikationsfördernde Erschließungs- und Begegnungsflächen sowie ein gut abgestimmtes Zusammenwirken der privaten, halböffentlichen und öffentlichen Bereiche von Gebäuden und ihrem Umfeld.

Lageplan, Außen- Qualität der Erschlieraumplanung, ßungszonen, GeGrundrisse meinschafts- und Außenräume

Zugänglichkeit und Nutzbarkeit: Gebäude und Umgebung übersichtlich und barrierefrei gestalten

Gute Zugänglichkeit und übersichtliche Gestaltung sind wertvoll und attraktiv für alle – besonders diejenigen, die in ihrer Bewegungsfreiheit dauerhaft oder zeitweilig eingeschränkt sind. Barrierefreie Gestaltung verbessert die Kommunikation im Gebäude und erhöht – richtig eingesetzt – die räumlichen Qualitäten von Architektur und Freiraum.

Baubeschreibung, Erschließungskonzept, Lageplan, Grundrisse, Schnitte, Leitsystem

Grundstücksfläche: Bedarf an Grundstücksfläche gering halten

Der Verzicht auf Nutzung unbebauter Fläche durch Flächenrecycling, wirtschaftliche Grundstücksausnutzung und bauliche Verdichtung ermöglicht einen sinnvollen Umgang mit der knappen Ressource Boden. Die Weiternutzung bestehender Bauten hat Vorrang vor Neubaumaßnahmen.

Baubeschreibung planerische MaߤGFZzul., GFZvorh. Lageplan, Grund- nahmen zur Reduk- ¤BGF Berisse tion des Grundstand / BGF flächenbedarfs Neubau [m2]

Freifläche: Versiegelung minimieren, Artenvielfalt sichern

Bei der Außenraumgestaltung ist die Erhaltung bzw. Schaffung natürlicher Lebensräume (extensive Wiesen und Rasenflächen, roh belassene unversiegelte Flächen, Retentionsflächen und Biotope, Bäume und Hecken, Dach- und Fassadenbegrünung) anzustreben. Dachbegrünung schafft Ersatz für baulich versiegelte Flächen.

Baubeschreibung Maßnahmen zur Er- • Lageplan, Außen- haltung bzw. Schafraumplanung fung natürlicher • Lebensräume

Standortqualität ¤Globalstrahlung [kWh / m2a] ¤standortrelevante Klimadaten

¤Entfernung ÖPNV (Verkehrsmittel) [m]

Objektqualität Erschließung / Kommunikation

Barrierefreiheit ¤barrierefrei (Gebäude und (ja / nein) Außenanlagen), Nutzbarkeit (z. B. automatische Türen, Behinderten-WCs etc.)

Grundstück

194

unvers. Fläche [% Grundstück] Dachbegrünung [% überbaute Fläche]

Strategien

Kriterium: Ziel

Erläuterung

Quellen

qualitative Merkmale

Indikatoren Kennwerte

Baukultur: Orientierung und räumliche Identität durch Wiedererkennung verbessern

Wiedererkennung von gebauten Strukturen und von Landschaften dient der menschlichen Orientierung im Raum und vermittelt das Gefühl von Sicherheit, Zugehörigkeit und Geborgenheit. Räumliche Identität fördert die Verantwortung gegenüber Umwelt und Mitmenschen. Gute Architektur schafft den besonderen Bezug zum Ort, hohe Gestaltqualität, eine spezifische Identität und sinnfällige Wechselbeziehungen zwischen Gebäude und seiner Umgebung.

Entwurfskonzept, Baubeschreibung, Lageplan, Ansichten

räumliche Strukturen, spezifische Identität des Orts

Personalisierung: Identifikation herstellen, persönliche Gestaltungsmöglichkeiten eröffnen

Der Mensch benötigt Identifikation und Markierungen seines Territoriums. Architektur und Freiraum leisten dabei den entscheidenden Beitrag. Innovation ist notwendig zur Schaffung der Unverwechselbarkeit des Orts und zur Lösung aktueller gesellschaftlicher Fragestellungen. Als Beitrag zur Baukultur sollten jedoch gleichzeitig Gestaltungsspielräume zur Selbstdarstellung und Identifikationsbildung belassen bleiben.

Entwurfskonzept, Baubeschreibung, Lageplan, Grundrisse

Innovation, Gestaltungsspielräume und Möglichkeiten zur Personalisierung

Sicherheit: Gefahrenpotenziale vermindern, Sicherheitsempfinden fördern

Sicherheit trägt zur sozialen und wirtschaftlichen Stabilität bei. Benutzer sollen sich sowohl im Gebäude selbst (Unfall, Einbruch, Brand, Arbeitssicherheit), als auch in dessen Umgebung (Überfall, Naturgefahren) sicher fühlen und weitestgehend abgesichert sein. Entsprechend sind objektive Gefahrenpotenziale (z. B. standortspezifische Naturgefahren, Rutschsicherheit, Stolperfallen, Brand etc.) möglichst auszuschalten, Beiträge zum subjektiven Sicherheitsempfinden (z. B. Übersichtlichkeit, gute Beleuchtung, soziale Kontrolle, Belebung, gute Sichtverbindung etc.) sind zu leisten.

Baubeschreibung, Brandschutzkonzept, Lageplan, Außenanlagen, Grundrisse, Ansichten, Schnitte, Nutzerbefragung

Schutz vor Naturgefahren, Brandschutz, Absturzsicherung, Rutschsicherheit, Beleuchtung, Übersichtlichkeit, soziale Kontrolle, Belebung, Sichtverbindung

Schall: angenehme akustische Bedingungen schaffen

Unerwünschte Schallbelästigungen und akustische Verhältnisse beeinflussen das Wohl- raumakustisches befinden und können die Gesundheit beeinträchtigen. Lärmbelästigungen zwischen Gutachten Nutzungseinheiten ( z. B. Luft- und Trittschall ) sowie Störungen (Immissionen haustechnischer Anlagen, ungünstige Raumakustik ) sind durch entsprechende bauphysikalische und raumakustische Vorkehrungen zu vermeiden.

bauliche Schall¤Schallschutz schutzmaßnahmen, [dB (A)] raumakustische ¤Nachhallzeit [s] Maßnahmen

Licht: optimale Tageslichtverhältnisse, gute Beleuchtung herstellen

Tageslicht beeinflusst über den Tagesgang des Lichts den Hormonhaushalt und synchronisiert unsere »innere Uhr«. Dementsprechend sind Tageslichtstrategie, Ausrichtung des Gebäudes, Fensterflächenanteil, Raumtiefe, Blendschutz, die Gestaltung von Reflexionsflächen und die Farbgebung der umschließenden Bauteile (Boden, Wand, Decke) zu gestalten.

Baubeschreibung (ggf. Tageslichtsimulation), Schnitte, Grundrisse, Ansichten, Fassadenschnitt

passive und tech- ¤Tageslichtnische Maßnahmen autonomie zur optimalen Ta[%] geslichtnutzung, Blendschutz

Raumluft: hohe Raumluftqualität anstreben

Schlechtes Raumklima kann zahlreiche körperliche Symptome und Leistungsminderung zur Folge haben. Eine möglichst geringe Belastung der Raumluft (z. B. CO2- Belastung, Reinigungsmittel, Tabakrauch, Schimmelpilze und Milben etc.) ist durch ein geeignetes Lüftungskonzept und unterstützendes Nutzerverhalten sicherzustellen.

Baubeschreibung, Lüftungskonzept, Nutzerbefragung, Raumluftmessungen

Lüftungskonzept und sonstige Maßnahmen zur Sicherstellung der Raumluftqualität

¤Lüftung: natürlich [%NF], maschinell [%NF]

Raumklima: hohe thermische Behaglichkeit gewährleisten

Die thermische Behaglichkeit beeinflusst wesentlich den menschlichen Wärmehaushalt und wirkt sich unmittelbar auf den Energieverbrauch von Gebäuden aus. Sie ist möglichst weitgehend durch bauliche, passive Maßnahmen zu optimieren: z. B. allgemein durch Bauweise, Wärmeschutz, Feuchteregulierung, abgestimmter Fensterflächenanteil und speicherfähigeBauteile; gegen Überwärmung durch Sonnenschutzvorrichtungen und Möglichkeiten zur Nachtkühlung.

Baubeschreibung, Entwurfspläne, Sonnenschutz, Grundrisse, Ansichten, Detailpläne

Beschreibung der Maßnahmen zur Optimierung des Raumklimas

¤U -Werte Gebäudehülle [W / m2K] ¤Betriebsstunden [h über 26 ˚C / a] ¤wirks. Speicherkapazität [Wh / m2NF]

Gestaltung ¤Wettbewerb (ja / nein)

Wohlbefinden / Gesundheit

Gebäudesubstanz Bausubstanz: auf die Lebensdauer bezogene Wert- und Qualitätsbeständigkeit erreichen

Bauliche Standards und Ressourceneinsatz sollten auf die beabsichtigte wirtschaftliche Baubeschreibung, Maßnahmen zum ¤projektierte Lebensdauer Bezug nehmen. Die Qualität der Bausubstanz und ihre sachgemäße Detailpläne mit Erreichen einer auf wirtschaftliErhaltung sind entscheidend für den Erhalt des wirtschaftlichen Werts eines Bauwerks Materialangaben die Lebensdauer che Nutzungsund seiner Lebensdauer. bezogenen Wertdauer [a] und Qualitäts¤Dauerhaftigbeständigkeit keit von Bauteilen [a]

Gebäudestruktur / Ausbau: hohe Flexibilität für verschiedene Raum- und Nutzungsbedürfnisse sicherstellen

Ausbau- bzw. Anpassungsmöglichkeiten steigern die Werthaltigkeit von Gebäuden, um diese mit geringem Aufwand wandelnden Bedürfnissen entsprechend gestalten zu können. Das Raumprogramm sollte über die Bildung standardisierter Flächenmodule sowie neutraler Grundstrukturen Veränderungen erleichtern und ggf. alternative Nutzungsszenarien vorsehen. Bei der Detailplanung ist das Prinzip einer möglichst weitreichenden Trennung von Tragsystem und Ausbau anzustreben.

Baubeschreibung, Nutzungskonzept, Raumprogramm, Grundrisse, Detailpläne

Nutzungskonzept ¤alternative unter Einbeziehung Nutzungsder Anpassungskonzepte und Ausbaufähig(ja / nein) keit, anpassungsfähige Installationen, Trennung von Tragstruktur und Ausbau

Niedrige Investitionskosten können die Zugänglichkeit baulicher Angebote für breite Bevölkerungsschichten verbessern, dürfen bei langlebigen Gebäuden allerdings nicht auf Kosten der Dauerhaftigkeit, Wartungsfreundlichkeit und des Energiebedarfs im Betrieb gehen.

Baukostenermittlung, Lebenszykluskostenberechnung

Maßnahmen zur Reduktion der Investitionskosten, Vertragsverhältnis Investor / Nutzer (Mieter, Selbstnutzer etc.)

Baukosten Investitionskosten: Investition unter Berücksichtigung der Lebenszykluskosten tätigen

¤Baukosten (KG 300 – 400)[EUR] ¤Verhältnis KG 300 / 400 ¤Baukosten [EUR / m2BGF]

195

Strategien

Kriterium: Ziel

Erläuterung

Quellen

qualitative Merkmale

Indikatoren Kennwerte

Das Kostengerüst sollte eine dauerhafte Finanzierung von Liegenschaften bis zu ihrem Rückbau sicherstellen. Es sind für Instandhaltung, Instandsetzung und Rückführung in den Stoffkreislauf angemessene Rücklagen zu bilden. Gebäude müssen sich über ihre Nutzungsdauer amortisieren, damit am Ende die Mittel zur Verfügung stehen, um die Immobilie einem neuen Lebenszyklus zuführen bzw. sie ersetzen zu können.

Kostenermittlung, Verträge

Investitions-, Instandsetzungsund Rückbaukosten, Förderprogramme

Betrieb und Instandhaltung: niedrige Instandhaltungskosten durch frühzeitige Planung und kontinuierliche Instandhaltung sichern

Über die Lebensdauer eines Gebäudes betrachtet übersteigen die Betriebs- und Instandhaltungskosten meist die Investitionskosten. Sorgfältige Planung, die Wahl langlebiger und unterhaltsfreundlicher Materialien und Konstruktionen sowie Maßnahmen zur Senkung des Energieverbrauchs können zur Verringerung der Betriebskosten beitragen. Die Lebenszykluskostenbetrachtung unterstützt die integrale Betrachtung aller Kostenelemente und kann zu niedrigen Betriebs- und Unterhaltskosten beitragen.

Baubeschreibung, Materialkonzept, Benchmarks, Lebenszykluskostenberechnung

Maßnahmen zur ¤Betriebskosten Reduktion der Be[EUR / m 2NFa] triebs- und Instand- ¤Bauunterhalt haltungskosten [EUR / m2NFa] ¤Energiekosten [EUR / m 2NFa]

Instandsetzung: niedrige Instandsetzungskosten durch gute Zugänglichkeit und Qualität gewährleisten

Die Qualität und die Lebensdauer der einzelnen Bauteile sind möglichst auf die beabsichtigte Nutzungsdauer abzustimmen. Bauteile, Haustechniksysteme, Fügungen und Anschlussdetails sollten eine gute Zugänglichkeit und einfache Austauschbarkeit bei späteren Instandsetzungsmaßnahmen ermöglichen.

Grundrisse, Fassadenschnitt, Detailpläne, Installationspläne

Zugänglichkeit und Austauschbarkeit von Bauteilen, Reparaturfreundlichkeit, Fügungen und Anschlussdetails

Rohstoffe / Verfügbarkeit: gut verfügbare Primärrohstoffe, vornehmlich jedoch nachwachsende und Sekundärrohstoffe einsetzen

Bei der Auswahl von Baustoffen sollten vermehrt gut verfügbare, bevorzugt nachwachsende Rohstoffe (z. B. Holz), gut recycelbare Stoffe und Bauteile sowie Sekundärrohstoffe (recycelte Baustoffe) berücksichtigt werden.

Baubeschreibung, Materialkonzept, Ausschreibung

Materialkonzept

• Anteil nachsender Rohstoffe [Vol.-%] • Anteil Sekundärrohstoffe [Vol.-%]

Umweltbelastung: geringe Umweltbelastung bei der Herstellung anstreben

Die Herstellung von Baustoffen sollte mit möglichst geringen Umweltwirkungen erfolgen. Dies betrifft die einzusetzende graue Energie, die CO2-Belastung aber auch viele andere Faktoren (z. B. Ozonabbau, Versauerung, Überdüngung, Sommersmog), die Gegenstand der Ökobilanzierung sind.

Baubeschreibung, Materialkonzept, Ökobilanzierung, Ausschreibung

Maßnahmen zur Gewährleistung geringer Umweltbelastungen bei der Herstellung

• PEI Rohbau [MJ / m2 NF]

Schadstoffe: auf geringe Schadstoffgehalte in Baustoffen achten

Durch eine sorgfältige Auswahl von emissionsarmen bzw. -freien Baustoffen und Einrichtungen lässt sich die Schadstoffbelastung in Innenräumen wie in Außenbereichen deutlich reduzieren. Insbesondere Anstrichstoffe, Fugendichtstoffe, Holzwerkstoffplatten, Klebstoffe und Metalle bedürfen erhöhter Aufmerksamkeit.

Baubeschreibung, Materialkonzept, Ausschreibung, Nutzerbefragung, Raumluftmessungen

Maßnahmen zur Reduktion von Schadstoffemissionen aus Baustoffen

• emissionsarme bzw. -freie Baustoffwahl (ja / nein) • Baustoffkataster (ja / nein) • Raumluftmessung (ja / nein)

Rückbau: einfach trennbare Verbundstoffe und Konstruktionen zur Wiederverwendung bzw. -verwertung einsetzen

Die Wiederverwendung und -verwertung (Recycling) von Baustoffen spart Rohmaterial und Energie. Recycling setzt voraus, dass sich die Konstruktionen und Systeme in ihre ursprünglichen Komponenten auftrennen lassen. Fügungen sollten unter dem Aspekt von guter Auswechselbarkeit, guter Trennbarkeit und guter Recycelbarkeit geplant sein. Konstruktionen mit mechanischer Befestigung sind Verbundkonstruktionen vorzuziehen.

Baubeschreibung, Baustoffauswahl Materialkonzept, Recycelbarkeit Detailpläne Ausführung von Fügungen und Konstuktionen

Gebäudeheizung: minimierten Heizenergiebedarf anstreben

Der Heizwärmebedarf lässt sich durch passive Maßnahmen (Kompaktheit, Gebäudegeometrie, Gebäudetiefe, Ausrichtung, Minimierung der Verschattung, luftdichte Gebäudehülle, Wärmedämmung etc.) und effiziente Gebäudetechnik maßgeblich reduzieren.

Baubeschreibung, Haustechnikkonzept, Grundrisse, Ansichten, Detailschnitte der Hüllbauteile mit U-Werten

passive und tech- • Heizwärmenische Maßnahmen bedarf zur Reduzierung [kWh / m2a] des Heizenergie• Primärenerbedarfs giebedarf [kWh / m2a] • Endenergieverbrauch [kWh / m2a]

Gebäudekühlung: technischen Kältebedarf durch bauliche und haustechnische Maßnahmen vermeiden oder minimieren

Durch passive Maßnahmen (z. B. Speichermassen, abgestimmter Fensterflächenanteil, Bauweise, Speicherfähigkeit von Innenbauteilen etc.) und baulich-technische Vorkehrungen (z.B. Sonnenschutzvorrichtungen, Nachtauskühlung etc.) kann einer Überhitzung des Gebäudes vermieden werden. Eine aktive Kühlung sollte bei Gebäuden mit geringen inneren Wärmelasten möglichst vermieden werden. Ist sie erforderlich, sollte sie möglichst effizient erfolgen.

Baubeschreibung, Haustechnikkonzept, Sonnenschutzkonzept, Ansichten

Beschreibung der passiven und technischen Maßnahmen zur Reduzierung des Kältebedarfs

• Primärenergiebedarf [kWh / m2 a] • Endenergieverbrauch [kWh / m2a]

Warmwasserbereitung: Wärme- und Energiebedarf senken

Ein geringer Energiebedarf für Warmwasser lässt sich durch mengenbegrenzende Armaturen, konzeptionelle Maßnahmen wie konzentrierte Nasszonenbereiche und minimierte Leitungsführung erreichen. Der tatsächliche Verbrauch wird maßgeblich durch das Nutzerverhalten beeinflusst.

Baubeschreibung, Haustechnikkonzept, Installationspläne

Maßnahmen zur Reduzierung des Warmwasserbedarfs

• Primärenergiebedarf [kWh / m2a] • Endenergieverbrauch [kWh / m2a]

Baukosten Finanzierung: langfristig Finanzierung von Betriebs-, Instandsetzungsund Rückbaukosten sichern

Betriebs- und Unterhaltskosten

Baustoffe

• Rückbaukonzept (ja / nein)

Betriebsenergie

196

Strategien

Kriterium: Ziel

Erläuterung

Quellen

qualitative Merkmale

Indikatoren Kennwerte

Betriebsenergie Luftförderung: Als optimierte Lüftungsstrategie ist eine natürliche Lüftung zu bevorzugen. Wird eine Strombedarf für Luftförderung maschinelle Luftförderung erforderlich, sollte diese mit Wärme - bzw. Kälterückgeminimieren winnung, günstigen Kanalquerschnitten und energieeffizienten Motoren ausgestattet sein.

Baubeschreibung, Haustechnikkonzept, Installationspläne

bauliche und technische Maßnahmen zur Reduzierung des Strombedarfs

• Primärenergiebedarf [kWh / m2a] • Endenergieverbrauch [kWh / m2a]

Beleuchtung: Strombedarf für Beleuchtung gering halten

Durch eine tageslichtoptimierte Gebäudeplanung lässt sich der Energiebedarf für Kunst- Baubeschreibung, bauliche und licht minimieren. Darüber hinaus sollten energieeffiziente Beleuchtungssysteme, auf die Beleuchtungstechnische MaßTätigkeit abgestimmte Beleuchtungskonzepte sowie tageslicht - und präsenzabhängige konzept nahmen zur ReSteuerungstechnik eingesetzt werden. duzierung des Strombedarfs

• Primärenergiebedarf [kWh / m2a] • Endenergieverbrauch [kWh / m2a]

Sonstige elektr. Verbraucher: geringen Elektrizitätsbedarf durch konzeptionelle und betriebliche Vorkehrungen verfolgen

Wichtige Faktoren sind sinnvolle Komfortansprüche, eine angemessene Ausstattung mit Betriebseinrichtungen sowie energieeffiziente Geräte und Anlagen.

• Primärenergiebedarf Verbraucher [kWh / m2a] • Endenergieverbrauch [kWh / m2a]

Energiebedarfsdeckung: Anteil an erneuerbarer Energie für die Bedarfsdeckung steigern

Zur Deckung des Energiebedarfs sollte ein möglichst hoher Anteil an erneuerbarer Ener- Baubeschreibung, Energiekonzept, gie genutzt werden. Möglichkeiten zur Nutzung von lokal verfügbaren erneuerbaren Energiekonzept Nutzung erneuerRessourcen (z. B. Geothermie) sowie zur Integration von Solartechnik in die Gebäudebarer Energien hülle sind bereits in der Vorplanung zu berücksichtigen.

Baubeschreibung Auswahl energieeffizienter Geräte und Anlagen

• Deckungsrate erneuerbare Energien [%] • Solarfläche: Solarthermie [m2], PV [m2]

Infrastruktur Abfälle aus Betrieb und Nutzung: Infrastruktur für Abfalltrennung herstellen

Bauliche Vorkehrungen bilden die Voraussetzung, um durch getrenntes Sammeln und Verwerten von Betriebs- und Haushaltsabfällen Stoffkreisläufe zu schließen. Neben der funktionalen Qualität von Entsorgungssystemen und einer geregelten Betreuung übt das Nutzerverhalten maßgeblichen Einfluss aus.

Baubeschreibung, Qualitäten der InfraGrundrisse struktur für Abfalltrennung

Wasser: Trinkwasserverbrauch senken

Absenkung des Grundwasserspiegels kann Ökosysteme einschneidend verändern. Die Aufbereitung von Trink- und Abwasser macht hohe Aufwendungen erforderlich. Durch geeignete Maßnahmen z. B. wassersparende Armarturen, Haushaltsgeräte und WCs, Nutzung von Regen- und Grauwasser und verändertes Nutzerverhalten sind erhebliche Verminderungen der Umweltwirkung erzielbar.

Sanitärplanung, Außenraumplanung

Maßnahmen für ge- • Wasserverringen Trinkwasser- brauch verbrauch und ge[m3 / Person • a] ringe Abwasser• Regen- / Graumengen wassernutzung (ja / nein)

Nachhaltiges Bauen: Beitrag zur nachhaltigen Entwicklung und zur Stärkung des öffentlichen Bewusstseins leisten

Jedes Gebäude, ob neu erreichtet oder saniert, kann durch seine besonderen Eigenschaften und seine Ausstrahlung zur Verbreitung des nachhaltigen Wirtschaftens beitragen. Auf diese Weise sollte sich eine neue Planungskultur entwickeln. Ihre besonderen Eigenschaften und ihre Erfolge sollten öffentlich kommuniziert werden.

Programmatik, Veröffentlichungen

Maßnahmen zur • nachhaltigUmsetzung eines keitsorientiernachhaltigkeitste Benchorientierten marks (ja / nein) Planungsprozesses

Bautradition: Arbeit, Wissen und Baukultur erhalten

Zeugnisse guter Baukultur, handwerkliche Traditionen und intelligente Bauweisen sind im Zuge der Planung zu pflegen und weiterzuentwickeln. Die Bewahrung gestalterischer oder geschichtlicher Werte von Gebäuden trägt zum Erhalt und zur Fortentwicklung der regionalen Baukunst bei.

Baubeschreibung Maßnahmen zum Detailpläne, eige- Erhalt des kulturelne Anschauung len Erbes

Partizipation: hohes Maß an Akzeptanz durch Partizipation anstreben

Die Mitwirkung von Nutzern und Betroffenen im Planungsprozess unterstützt die Akzeptanz und kann die Nutzungsqualität von Baumaßnahmen verbessern. Die kritisch begleitete Berücksichtigung von Wünschen und Bedürfnissen späterer Nutzer kann soziale wie finanzielle Vorteile erzeugen. Ziele, Methoden, Umfang und Zeitpunkt der Partizipation von Interessengruppen sind frühzeitig festzulegen.

Erfahrungsberichte

Partizipationskonzept

Integrale Planung: projektspezifische Nachhaltigkeitspotenziale optimieren

Die frühzeitige Bildung eines integralen Planungsteams und seine Ausrichtung auf nachhaltigkeitsorientierte Planungsgrundsätze tragen wesentlich zur Sicherung des Projekterfolgs bei. Die rechtzeitige und kollegiale Einbeziehung von Fachplanern sowie integrale Planungsgrundsätze sind zwischen Bauherr und Architekt abzustimmen. Bereits in der Vorplanung sind entsprechende Benchmarks und Zielvorgaben zu definieren.

Baubeschreibung, Liste der Projektbeteiligten, Benchmarks

Projektbeteiligte und ihre Aufgabenbereiche, Beschreibung des integralen Planungsprozesses

Analysen: Stoffströme, Energieaufwendungen und Betriebskosten verringern

Stoffstromanalysen und Gebäudesimulationen können maßgeblich zur Senkung von Umweltwirkungen und der Betriebskosten beitragen. Die Gesamt- und Detailanalyse müssen frühzeitig mit geeigneten Simulationstools bewertet und entsprechend weiterentwickelt werden.

Gebäudebeschrei- Simulationsverbung, Simulations- fahren, Optimieergebnisse rungsebenen

• Simulationsverfahren ja / nein)

Monitoring: Gebäudeüberwachung und -optimierung einplanen

Beim Gebäudemonitoring unterliegen raumklimatische Einflüsse und technische Systeme einer kontinuierlichen Überwachung, um die Wirksamkeit geplanter Systeme zu prüfen und daraus Schlüsse für weitere Planungen ziehen zu können. Monitoring trägt dazu bei, Störeinflüsse frühzeitig zu erkennen und somit die Betriebskosten zu reduzieren.

Monitoringkonzept Monitoringkonzept (z. B. Messgrößen und Monitoringdauer)

• Monitoring (ja / nein)

Facility Management: den Betrieb vorausplanen und organisieren

Als Steuerungselement für den Gebäudebetrieb trägt Facility Management (FM) dazu bei, betriebliche Aufwendungen und den Energiebedarf zu minimieren, Wartungs- und Instandhaltungsprozesse zu steuern sowie das Gebäude sich wandelnden Anforderungen der Nutzung anzupassen. Damit sorgt FM für einen wirtschaftlichen Betrieb, die Langlebigkeit des Gebäudes und seine nachhaltige Nutzbarkeit.

FM-Konzept FM-Vertrag

Prozessqualität

• Partizipationskonzept (ja / nein)

Konzept zur Opti- • FM-Konzept mierung der Auf(ja / nein) wendungen während der Nutzungsphase

197

Teil C

Abb. D

Gebaute Beispiele im Detail

01

Buzzi e Buzzi; Wohnhaus in Gerra Gambarogno

(CH)

02

Walter Unterrainer; Wohnhaus in Satteins

(A)

03

Brendeland & Kristoffersen; Wohnbebauung in Trondheim

(N)

04

Thomas Hillig; Sanierung eines Wohnhauses in Berlin

(D)

05

pos architekten, Treberspurg & Partner; Schutzhütte am Hochschwab

(A)

06

Siegfried Delueg; Fernheizwerk in Sexten

(I)

07

Felix Jerusalem; Strohhaus in Eschenz

(CH)

08

Dietger Wissounig; Altenwohn- und Pflegeheim in Steinfeld

(A)

09

Kränzle + Fischer-Wasels, Klotz + Knecht; Mehrgenerationenhaus in Darmstadt (D)

10

Allmann Sattler Wappner; Sporthalle in Tübingen

(D)

11

Jourda et Perraudin, Hegger Hegger Schleiff; Fortbildungsakademie in Herne

(D)

12

Arup Associates; Schule in Ladakh

(IND)

13

Lapointe Magne & AEdifica; Hotel- und Tourismusinstitut in Montreal

(CDN)

14

pfeifer. kuhn. architekten; Institutsgebäude in Freiburg

(D)

15

Bob Gysin + Partner; Institutsgebäude in Dübendorf

(CH)

16

Hascher Jehle Architektur; Bürogebäude in Landshut

(D)

17

Behnisch, Behnisch & Partner; Verwaltungsgebäude in Cambridge

(USA)

18

Herzog + Partner; Konferenz- und Ausstellungsgebäude in Osnabrück

(D)

19

Bill Dunster architects; Wohn- und Büroanlage in London

(GB)

20

sauerbruch hutton; Umweltbundesamt in Dessau

(D)

Luftbild eines Schulhofs in Cornwall (GB)

199

Beispiel 01

Wohnhaus Gerra Gambarogno, CH 1998 Architekten: Buzzi e Buzzi, Locarno Britta Buzzi-Huppert, Francesco Buzzi Mitarbeiter: Gabriella Beusch Tragwerksplanung: Genazzi & Stoffel e Giacomazzi, Locarno

In dem kleinen, dicht bebauten Ort am Ostufer des Lago Maggiore wurden die beiden alten steinernen Ställe durch ihre besondere Art der Sanierung wieder bewohnbar gemacht. Den Tessiner Architekten war wichtig, den historischen Kontext und die bestehende Struktur hervorzuheben und sensibel zu behandeln. Um einen zusammenhängenden Raum herzustellen, wurde die Trennwand zwischen den beiden Gebäudeteilen abgebrochen. Das Dach des alten Gebäudes wurde entfernt und nach dem »Haus-im-Haus-Prinzip« eine geometrisch präzise zweite Hülle von oben wie ein Möbel in den bestehenden Mauerring eingesetzt. Die ruinenartigen Granitmauern dienen gleichzeitig als Speichermasse und Schutz der neuen Schale vor Witterung. Da das neue Dach keinen Vorsprung aufweist, um die Gestalt des Lärchenholzkubus als einziges Stück aus einem Guss zu erhalten, ist die entstehende Fuge ungeschützt; eine geneigte Betonplatte unter dem neuen Einsatz führt das anfallende Regenwasser ab. Die Holzkonstruktion besteht aus 28 vorgefertigten Elementen, die mit einem Hubschrauber angeliefert und innerhalb von sechs Stunden montiert wurden. Die Außenverkleidung aus Lärchensperrholzplatten unterstreicht die Einheitlichkeit des Volumens. Die Lage und Größe der fertig montierten Lärchenholzfenster mit Rollos als Sichtund Sonnenschutz weicht ein wenig von den bestehenden Öffnungen im Bruchsteinmauerwerk ab, sodass die Fensterrahmen von außen nur teilweise sichtbar sind und die ursprüngliche Struktur erhalten bleibt. Im Inneren erzeugt die weiß grundierte Verkleidung aus Gipsfaserplatten eine helle, freundliche Atmosphäre und verbirgt gleichzeitig den Installationshohlraum. Bad und Schlafraum sind im Untergeschoss untergebracht; die weiß gebleichte Treppe aus Fichtenholz mit Ganzglasbrüstung dient hier als Schrankelement. Im Erdgeschoss befindet sich der Wohn- und Essbereich mit der Küche; die niedrige Brüstung der Galerie unterstützt den offenen Raumeindruck. º

200

A+U 05 / 2001 db 09 / 2001 DBZ 01/ 2002

b

a

b

a

aa

Wohnhaus

Grundriss Erdgeschoss Schnitt Maßstab 1:200 Vertikalschnitt Maßstab 1:20

1

2 1

2

Ziegeldeckung Konterlattung 30/50 mm Lattung 50/50 mm Unterdachbahn diffusionsoffen, fugenlos verklebt Schalung Nut und Kamm 18 mm Sparren 60/240 mm, Firstgelenk mit seitlichen Laschen biegesteif verbunden, dazwischen Wärmedämmung Steinwolle 2≈ 120 mm Dampfbremse PE-Folie, fugenlos verklebt Verkleidung Gipsfaserplatte 2≈ 12,5 mm Schalung Dreischichtplatte Lärche 20 mm Holzrahmenelement Fichte / Tanne 120 mm, dazwischen Wärmedämmung Steinwolle 120 mm PE-Folie OSB-Platte 12 mm, Installationshohlraum 62 mm Gipsfaserplatte 12,5 mm

bb

Thema

Qualitative Merkmale

Kennwert / Indikator

Standortqualität

Grundversorgung / Nutzungsmischung: regionaltypisches Bergdorf Integration / Durchmischung: Wohngebiet; hoher Tourismusanteil Solidarität / Gerechtigkeit: kostengünstiges Wohnen für Einheimische Nutzung: ganzjährige Wohnnutzung Mobilität: zentrale Lage im Ortskern; Tourismusfernstraße

• Globalstrahlung: 1300 kWh / m2a • Dichte: 134 EW / km2 • Entfernung ÖPNV: 40 m (Bus)

Soziale Kontakte: hohe Bebauungsdichte; halböffentlicher Vorplatz Zugänglichkeit und Nutzbarkeit: nur zu Fuß erreichbar; Anbindung an enges Wegenetz Grundstücksfläche: Nutzung bereits überbauter Fläche Freifläche: unversiegelt Baukultur: respektvoller Umgang mit Bestand durch Weiternutzung der historischen Außenmauer; Erhalt des ortstypischen einheitlichen Erscheinungsbildes Sicherheit: hohe soziale Kontrolle; rutschfester Bodenbelag Licht: maximale Nutzung der äußeren Wandöffnungen durch rahmenfreie Verglasung; Innenräume mit hellen Oberflächen; offene Innenräume mit mehrseitiger Belichtung; Energiesparlampen Raumklima: Speichermasse des Bestands wirkt als Klimapuffer Bausubstanz: Weiternutzung der alten Bausubstanz als Witterungsschutz; hohe Präzision des Neubaus durch Vorfertigung Gebäudestruktur / Ausbau: Öffnung der Raumstrukturen für hohe Variabilität Investitionskosten: Kosteneinsparung durch Verzicht auf Witterungsschutz (Bestand) Betrieb und Instandhaltung: innere und äußere Fassade wartungsfrei Instandsetzung: minimierte Technikausstattung; einfache Details Rohstoffe / Verfügbarkeit: nahezu ausschließliche Verwendung von Holz Umweltbelastung: Verwendung regional verfügbarer Materialien Schadstoffe: Verzicht auf Formaldehyde Rückbau: Gebäude sortenrein trennbar und vollständig recyclingfähig Gebäudeheizung: kompaktes Gebäude; gute Dämmung der Neubauhülle Energiebedarfsdeckung: Holzofen; elektr. Trinkwassererwärmung

• GFZvorh.: ca. 2,5 • BGF Bestand / Neubau: ca. 150 m2 • unversiegelte Fläche: ca. 15 % Grundstück • Schallschutz Gebäudehülle: 35 dB (A) • Schallschutz Geschossdecken: 45 dB (A) • Lüftung: natürlich 100 %NF • U-Werte Gebäudehülle [W/m2K]: Dach 0,2; Außenwand 0,3; Fenster 1,6 • projekt. wirtschaftl. Nutzungsdauer: 40 a • Baukosten KG 300 – 400: ca. 250 000 ™ • Baukosten: 1660 ™ / m2BGF • Anteil nachw. Rohstoffe: ca. 80 Vol.-% • Deckungsrate ern. Energien: ca. 60 %

Nachhaltiges Bauen: umfangreicher Anforderungskatalog mit bauphysikalischen und ökologischen Vorgaben Bautradition: Konservierung historischer Architektur; Förderung der lokalen Handwerkstradition Integrale Planung: enge Zusammenarbeit mit Bauphysiker und Holzbauunternehmen

• nachhaltigkeitsorientierte Benchmarks

Objektqualität Erschließung / Kommunikation Grundstück Gestaltung Wohlbefinden / Gesundheit

Gebäudesubstanz

Baukosten Betriebs- und Unterhaltskosten Baustoffe

Betriebsenergie Prozessqualität

• emissionsarme bzw. -freie Baustoffwahl • Rückbaukonzept

201

Beispiel 02

Wohnhaus Satteins, A 2002 Architekt: Walter Unterrainer, Feldkirch Mitarbeiter: Sabine Tschohl Tragwerksplanung: Merz Kaufmann, Dornbirn

Das Einfamilienhaus hebt sich durch seine rechtwinklige Kubatur und seine Kunststofffassaden deutlich von der umgebenden Bebauung der Vorarlberger Gemeinde ab. Der Baukörper besteht aus zwei gegeneinander verschobenen unterschiedlich hohen Kuben. Der zweigeschossige Teil bildet das Haupthaus mit großzügigem Wohn- und Essbereich im Erdgeschoss und Schlaf- und Arbeitszimmern im Obergeschoss; in dem flachen Gebäudeteil sind der Windfang mit Kellertreppe und die Garage untergebracht. Der Eingangsbereich dient als Bindeglied und ermöglicht eine Erschließung der Garage, des Kellers und Gartens, ohne den Wohnbereich betreten zu müssen. Eine Umnutzung der Garage als Büro oder eine Aufstockung des flachen Baukörpers für eine seperate Kleinwohnung ist gegeben. Die Öffnungen sind gemäß Nutzung und Himmelsrichtung gestaltet. Zwei schmale Fenster zeigen sich zurückhaltend zur Straße hin, während sich die Südwestfassade zum Garten hin großzügig öffnet. Der aus überwiegend vorgefertigten Elementen bestehende Holzbau wurde auf eine allseits gedämmte Bodenplatte montiert und erfüllt mit einer Energiekennzahl von 14,7 kWh / m2 a die Vorgaben des Passivhausstandards. Decken und Dach sind hochgedämmte Holzkastenkonstruktionen. Vor die 4 cm dicken Holzfaserdämmplatten wurden mit Klemmleisten Stegplatten aus Polycarbonat gesetzt, da diese pflegeleicht sind und mit Hochdruck gereinigt werden können, was ausdrücklich vom Bauherrn gewünscht war. Ein kontrolliertes Lüftungssystem mit Erdvorwärmung und Wärmerückgewinnung dient der Beheizung der Räume. Bei besonders niedrigen Temperaturen kann ein Miniofen zugeschaltet werden, der mit Stückholz oder Pellets beheizt wird. Die Warmwasserbereitung übernimmt eine thermische Solaranlage, die durch eine Wärmepumpe unterstützt wird.

aa

A

a

º

a

Graf, Anton: Neue Passivhäuser. München 2003 c b b

202

c

Wohnhaus

A

4

5

6

Schnitt • Grundrisse Maßstab 1:250 Horizontalschnitt Kollektorfassade Vertikalschnitte Maßstab 1:20

1

2

3

6

bb

1

2

3

Fassadenaufbau: U = 0,133 kWh/m2K Stegplatte Polycarbonat 16 mm auf Gummi 4 mm Lattung 100/30 mm Holzfaserplatte 40 mm OSB-Platte 18 mm Holzkonstruktion, dazwischen Dämmung 280 mm OSB-Platte 18 mm, Dampfbremse Lattung 50/30 mm, dazwischen Dämmung Flachs 50 mm Gipsfaserplatte 12,5 mm Deckenaufbau: Dreischichtplatte Fichte 26 mm BSH 250 mm, dazwischen Wärmedämmung 40 mm OSB-Platte 18 mm Splitt 60 mm Dreischichtplatte Fichte 26 mm Bodenaufbau:

cc

4

5 6

Riemenboden Douglasie 21 mm Lattung 80/60 mm, dazwischen Dämmung Zellulose 60 mm Dämmung Zellulose 65 mm Ausgleichsschicht 34 mm Bodenplatte Stahlbeton 250 mm Perimeterdämmung PU-Schaumplatten 150 mm Wandaufbau Kollektorfassade: Dämmung und Kollektor 120 mm Holzfaserplatte 40 mm OSB-Platte 18 mm Holzkonstruktion, dazwischen Vakuumdämmung 26 mm OSB-Platte 40 mm Dampfsperre Gipsfaserplatte 12,5 mm Streifen Faserzement 10 mm Dichtung 4 mm Holz-Aluminium-Fenster mit Dreifachverglasung, Ug = 0,7 kWh/m2K

203

Beispiel 02

Thema

Qualitative Merkmale

Kennwert / Indikator

Standortqualität

Energieangebot: hohe solare Globalstrahlung Grundversorgung / Nutzungsmischung: reines Wohngebiet; Anbindung an Ortskern Integration / Durchmischung: verschiedene Wohnformen Solidarität / Gerechtigkeit: hohe Vitalität und Sicherheitsempfinden vorhanden Nutzung: Wohnen, Büro Mobilität: ländlicher Raum mit geringem öffentlichen Nahverkehr

• Globalstrahlung: 1400 kWh / m2a • Dichte: 198 EW / km2 • Entfernung ÖPNV: 250 m (Bus)

Verkehr: Wohnstraße, zwei Garagenstellplätze; Fahrradraum Soziale Kontakte: gute nachbarschaftliche Verhältnisse Zugänglichkeit und Nutzbarkeit: EG vorgesehen für rollstuhlgerechtes Wohnen Grundstücksfläche: einfamilienhaustypischer Flächenbedarf Freifläche: unversiegelte Freiflächen Baukultur: Gebäudevolumen wie traditionelle Umgebung, weiterentwickelter hocheffizienter Holzbau mit innovativer Polycarbonatfassade Personalisierung: flexible Grundrissgestaltung und Raumnutzung Schall: erhöhter Schallschutz, Absenkdichtungen in den Türen; hohe Masse in den Holzbalkendecken; schallgedämmte Überströmöffnungen Licht: hoher Fensteranteil, mehrseitige Belichtung der Wohnräume Raumluft: konstant gute Luftqualität durch maschinelle Lüftungsanlage, individuelle Fensterlüftung möglich Raumklima: hohe Oberflächentemperaturen durch sehr gut gedämmte Gebäudehülle; außen liegender Sonnenschutz Baubstanz: hohe Bauqualität durch Vorfertigung; dauerhafte Außenhaut Gebäudestruktur / Ausbau: Haus in zwei Wohnungen teilbar; Garage optional aufstockbar; Teileinheiten als Büro nutzbar Investitionskosten: Selbstnutzer Finanzierung: Privatfinanzierung, ökologische Wohnbauförderung Betrieb und Instandhaltung: wartungsfreie Gebäudehülle Instandsetzung: zugängliche Dachabdichtung; Revisionsschächte für TGA; horizontale Kabelführung hinter abnehmbaren Sockelleisten Rohstoffe / Verfügbarkeit: Holzbau mit witterungsbeständiger Polycarbonatfassade Umweltbelastung: komplette Vorfabrikation für optimierten Bauprozess Schadstoffe: Verwendung risikoarmer Materialien Rückbau: Verzicht auf Verbundmaterialien; Gebäude sortenrein trennbar und recycelbar Gebäudeheizung: sehr gute Dämmung der Gebäudehülle; Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung; hohe passive solare Gewinne (Passivhausstandard) Warmwasserbereitung: Erwärmung durch Solarthermie und Abluftwärmepumpe Luftförderung: kurze Kanalwege; effiziente Ventilatoren; Erdkanal (Länge 50 m, Durchmesser 18 cm) Beleuchtung: hoher Tageslichtanteil; Energiesparlampen Sonstige elektr. Verbraucher: technische Ausstattung mit bestmöglicher Energieeffizienz Energiebedarfsdeckung: Heizung über Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung; Solarthermie; Abluftwärmepumpe; Holzofen als Notheizung Abfälle aus Betrieb und Nutzung: separater Müllraum, Kompostierung auf dem Grundstück Wasser: kurze Leitungswege; Regenwasserzisterne für Gartenbewässerung Nachhaltiges Bauen: hohe Fachkenntnis des Architekten; umfangreiche Beratung des Bauherrn Bautradition: Förderung der Holzbautradition durch Weiterentwicklung; Zielvorgabe: solarbeheiztes Passivhaus Integrale Planung: frühe Einbindung des Tragwerkplaners und des TGA-Installateurs Analysen: Wärmebedarfsrechnung nach dem Passivhausprojektierungspaket (PHPP); Simulation der solarthermischen Anlage durch Fachfirma

• GFZvorh.: 0,25 • BGF: 190 m2 • unversiegelte Fläche: 80 %Grundstück • Lüftung: maschinell 100 % NF • U-Wert Gebäudehülle [W/m2 k]: Dach 0,12; Außenwand 0,13; Fenster 0,83; Boden 0,12 • Baukosten KG 300 – 400: 320 000 ™ • Baukosten: 1680 ™ / m2BGF • Anteil nachw. Rohstoffe: 80 Vol.-% • Heizwärmebedarf: 14,7 kWh / m2a • Primärenergiebedarf (Q) Wärme : 25,5 kWh / m2a • Deckungsrate ern. Energien: ca. 75 % • solaraktive Flächen: Solarthermie 10 m2

Objektqualität Erschließung / Kommunikation Grundstück Gestaltung Wohlbefinden / Gesundheit

Gebäudesubstanz Baukosten Betriebs- und Unterhaltskosten Baustoffe

Betriebsenergie

Infrastruktur Prozessqualität

204

• barrierefrei • alternative Nutzungskonzepte • emissionsarme bzw. -freie Baustoffwahl • Rückbaukonzept • Regen- / Grauwassernutzung

• nachhaltigkeitsorientierte Benchmarks • Simulationsverfahren

Wohnbebauung

Wohnbebauung Trondheim, N 2004 Architekten: Brendeland & Kristoffersen arkitekter, Trondheim Geir Brendeland, Olav Kristoffersen Tragwerksplanung: Reinertsen Engineering, Trondheim

Der Stadtteil Svartlamoen wurde im 19. Jahrhundert als Arbeiterviertel in Trondheim gegründet. 1947 kamen industrielle Nutzungen hinzu und das Viertel verwahrloste im Laufe der Zeit, bis in den 1980er-Jahren die ersten Punks die Häuser besetzten. Die Stadt Trondheim reagierte auf diese Entwicklung, indem sie die Pläne zum Ausbau der industriellen Nutzung aufgab und durch eine ökologisch ausgerichtete Wohnbebauung ersetzte. Nachhaltigkeit, geringe Kosten und eine innovative Anwendung des Baustoffs Holz waren die Zielsetzungen des dafür ausgeschriebenen Wettbewerbs. Es entstanden zwei massive Holzhäuser mit einer für Norwegen ungewöhnlich geringen Wohnfläche von 22 bis 29 m2 pro Person – im Gegensatz zu den üblichen 50 m2. Im höheren Gebäude bewohnen Gemeinschaften von fünf bis sechs Personen je ein Geschoss, im niedrigeren sind sechs Ein-Zimmer-Einheiten untergebracht. Die Treppen sind als stählerne Vorbauten ausgelagert, um den Bruttorauminhalt gering zu halten. Alle tragenden Bauteile sind Massivholzelemente, die vorgefertigt und in zehn Tagen vor Ort montiert wurden. Die ca. 15 cm starken Außenwände wurden durch eine Mineralwolldämmung und eine unbehandelte hölzerne Verkleidung ergänzt. Für die Außenwände wurde ein k-Wert von 0,17 W / m2 K ermittelt; für die Fenster wurde spezielles Isolierglas verwendet. Die 31 Bewohner können die unfertig belassenen Innenräume nach eigenem Ermessen gestalten, Oberflächen bearbeiten und Möbel integrieren. º

6 bb

aa

2 3

5

5

4

5

2

2 3 2

3

4 2 4

2

3

2

3

2

b

2

Arch+ 167 / 177, 2006 Architectural Review 12 / 2005 Japan Design 06 / 2005

3 5

4

5

5

4

2 a

a 3 2 1

b

Schnitte • Grundrisse Maßstab 1:500 1 2 3 4 5 6

Eingang Privatbereich Gemeinschaftsbereich Küchenzone Studio-Wohnung Gewerbenutzung

205

Beispiel 03

Vertikalschnitt Maßstab 1:20 1 1

2

3 4

3

2

4

206

Dachaufbau: Schalung Kernholz Kiefer, unbehandelt 22/148 mm bzw. 22/73 mm Lattung 36/48 mm Bitumenpappe Konterlattung 23/36 mm Sperrholzplatte 22 mm Hinterlüftung 40 mm Abdichtung Holzsparren 48/198 mm, dazwischen Mineralwolle Fertigteil Massivholz 208 mm Bodenaufbau: Bretterboden 22 mm Zementspanplatte 20 mm Holzbalken 48/125 mm, dazwischen Mineralwolle 125 mm Massivholzdecke 218 mm Isolierverglasung, U = 1,1 W/m2K Fassadenaufbau: Schalung Kernholz Kiefer, unbehandelt 22/148 mm bzw. 22/73 mm Konterlattung 36/48 mm Lattung 26/36 mm Dichtung Gipskartonplatte 9 mm Dichtung Holzständer 48/200 mm, dawischen Mineralwolle 200 mm Dampfsperre Wandelement Massivholz 144 mm

Wohnbebauung

Thema

Qualitative Merkmale

Kennwert / Indikator

Standortqualität

Energieangebot: Strom aus erneuerbaren Energiequellen Grundversorgung / Nutzungsmischung: ehemaliges Arbeiterviertel in der Nähe eines Industriegebiets Integration / Durchmischung: Konversion (Industrienutzung), Aufwertung und Neudefinition des Standorts; Auftakt für langfristige Etablierung der Wohnnutzung Solidarität / Gerechtigkeit: Schaffung von kostengünstigem Wohnraum Nutzung: unterschiedliche Wohnformen, Kinderbetreuung, Läden, Cafeteria

• Globalstrahlung: 600 kWh / m2a • Dichte: 476 EW / km2 • Entfernung ÖPNV: 200 m (Bus)

Verkehr: Grundstück eingebunden in vorhandenes Erschließungssystem, Fahrradabstellplätze im Außenraum und im Gebäude Soziale Kontakte: sehr hoher Anteil an Gemeinschaftsflächen; gemeinschaftliche Nutzung von Küchen und Sanitäreinrichtungen Zugänglichkeit und Nutzbarkeit: Erschließung der Wohnräume über gemeinsamen Innenhof, offene Treppensysteme und Laubengänge Grundstücksfläche: kompakte Bauweise und außen liegende Erschließung zur Minimierung der Grundstücksversiegelung Freifläche: Außenraum komplett unversiegelt Baukultur: markantes Gebäude, konstruktive Innovationen im Holzbau Personalisierung: Innenausbau und Gestaltung der Gemeinschaftsflächen erfolgen durch Bewohner Sicherheit: gute Übersichtlichkeit; hohe soziale Kontrolle Schall: hoher Schallschutz über massive Holzwände Licht: gute Ausleuchtung durch geringe Raumtiefen Raumklima: hohe thermische Behaglichkeit durch unbehandelte Massivholzflächen im Innenraum Bausubstanz: Massivholzkonstruktion mit hoher Qualität durch Vorfertigung Gebäudestruktur / Ausbau: flexible Wohngrundrisse; unterschiedliche Wohnungsgrößen und Standards; Erschließungsflächen als Freiflächen nutzbar Investitionskosten: sehr geringe Investitionskosten; minimiertes Bauvolumen durch Auslagerung der Erschließung; geringer spezifischer Flächenverbrauch pro Person (22 m2), Verzicht auf Innenausbau Finanzierung: Gründung einer Stiftung mit öffentlicher Unterstützung, Organisation durch Bewohner, Finanzierung durch Mieteinnahmen Betrieb und Instandhaltung: unbehandelte Holzoberflächen; minimierte Technikausstattung Instandsetzung: sehr einfache Gebäudekonstruktion und Detaillösungen zur Reduktion der Instandsetzungskosten Rohstoffe / Verfügbarkeit: fast ausschließliche Verwendung von Holz Umweltbelastung: hoher Vorfertigungsgrad Schadstoffe: Verzicht auf künstliche Materialien im Innenbereich – Wände, Böden und Decken aus unbehandeltem Lärchenholz Rückbau: Gebäude sortenrein trennbar Gebäudeheizung: Stromdirektheizung Warmwasserbereitung: elektrische Trinkwassererwärmung Sonst. elektr. Verbraucher: technische Minimalausstattung Energiebedarfsdeckung: Wärmeerzeugung über Elektrosysteme (Stromerzeugung fast vollständig aus Wasserkraft) Abfälle aus Betrieb und Nutzung: gesetzlich vorgeschriebene Mülltrennung; Kompostierung Nachhaltiges Bauen: ökologisch-soziales Pilotprojekt, Entwicklung in enger Abstimmung mit Stadtentwicklungsplan Bautradition: Projekt eingebunden in Forschungsprojekte zur Weiterentwicklung der traditionellen Holzbauweise Partizipation: enge Einbindung und Mitspracherecht der zukünftigen Nutzer

• GFZvorh.:1,7 • BGF 1 015 m2 • unversiegelte Fläche: ca. 60 %Grundstück • Lüftung: natürlich 100 % NF • U-Werte Gebäudehülle [W / m2K]: Außenwand 0,17; Verglasung 1,1 • Baukosten KG 300 – 400: 1 071 000 ™ • Baukosten: 1055 ™ / m2BGF • Verhältnis KG 300 / 400: 80 / 20 • Anteil nachw. Rohstoffe: ca. 90 Vol.-% • elektr. Wärmebedarf (Heizung und Trinkwassererwärmung): 130 kWh / m2a • Strombedarf Beleuchtung und sonst. elektr. Verbraucher: 45 kWh / m2a • Deckungsrate ern. Energien: ca. 90 % (Strom aus Wasserkraft)

Objektqualität Erschließung/ Kommunikation

Grundstück Gestaltung Wohlbefinden / Gesundheit Gebäudesubstanz

Baukosten

Betriebs- und Unterhaltskosten Baustoffe

Betriebsenergie

Infrastruktur Prozessqualität

• Wettbewerb • emissionsarme bzw. -freie Baustoffwahl

• Partizipationskonzept

207

Beispiel 04

Sanierung eines Wohnhauses Berlin, D 2003 Architekt: Thomas Hillig, Berlin Mitarbeiter: Thomas Kaiser Tragwerksplanung: Michael Grimm, Bischofsgrün / Berlin

Das leicht abfallende Grundstück liegt am Ostufer des Obersees in Berlin-Hellersdorf in unmittelbarer Nähe der wiederentdeckten Villa Lemke von Ludwig Mies van der Rohe. Das Endhaus einer Reihenhauszeile aus dem Jahr 1978 wurde ehemals als Gäste- und Jugendhaus genutzt. Anfangs dachte der Bauherr daran, das Gebäude vollständig abzureißen und durch einen Neubau zu ersetzten. Da aber der Grundriss funktional und durchaus modifizierbar war, entschied er sich schließlich für einen Umbau des bestehenden Baukörpers. Die Betoninnenwände wurden aufgrund ihrer tragenden Funktion nicht versetzt. Bis auf die Küche, die von der Straßen- zur Gartenseite in den Wohnbereich verlagert wurde, wurden die Nutzungen der einzelnen Räume beibehalten. Ein wichtiger Bestandteil des Umbaukonzepts war, die rigide Raumstruktur aufzulockern und den Wohnbereich großzügiger zu gestalten. Wände wurden geöffnet und mit Schiebeelementen versehen, geschosshohe Schlitze für Fenster und Türöffnungen verstärken die Offenheit. Die Fassaden, bestehend aus Betonelementen mit einer 4 cm dicken Styroporkerndämmung, wurden im Zuge der Sanierung mit einem mineralischen Wärmedämmverbundsystem und teilweise mit einer Lärchenholzschalung versehen. Durch die komplette Erneuerung der Elektrik, den Einbau einer Gasbrennwerttherme mit Warmwasserspeicher und Röhrenradiatoren konnte der Energieverbrauch erheblich gesenkt werden. Die neuen Holzisolierglasfenster erzielen einen U-Wert von 1,3 kWh / m2 a. Der im Eingang und Treppenhaus vorhandene Marmor wurde erhalten, der Teppichboden in den übrigen Räumen gegen Parkett aus geräucherter Eiche ausgetauscht. º Architektenkammer Berlin: Architektur Berlin 04. Berlin 2004

208

Schnitt • Grundrisse Maßstab 1:250 Vertikalschnitt Maßstab 1:20

aa

a

a

Sanierung eines Wohnhauses

1

2

3

1

2

Dachaufbau: Dichtungsbahn bituminös Wärmedämmung Polystyrolhartschaum 160 mm Gefälleestrich als Leichtestrich Stahlbetondecke 140 mm Wandaufbau: Wärmedämmverbundsystem 80 mm mit mineralischem Außenputz

3

Außenschale Waschbeton 75 mm Kerndämmung 50 mm Innenschale Stahlbeton tragend 150 mm Bodenaufbau: Stabparkett Eiche geräuchert 22 mm Ausgleichsspachtelung Verbundestrich 30 mm Stahlbetondecke 140 mm

Thema

Qualitative Merkmale

Kennwert / Indikator

Standortqualität

Energieangebot: Erdgasanschluss Grundversorgung / Nutzungsmischung: Stadtrandlage; Wohngebiet Solidarität / Gerechtigkeit: Schaffung von kostengünstigem Wohnraum für Familien Nutzung: nach Verwendung als Gästehaus und Jugendclub Revitalisierung als Wohnnutzung Mobilität: Erschließungsstraße Wohngebiet

• Globalstrahlung: 1000 kWh / m2a • Dichte: 3817 EW / km2 • Entfernung ÖPNV: 600 m (Straßenbahn, Bus)

Verkehr: Garage im UG; Pkw-Stellplatz Zugänglichkeit und Nutzbarkeit: Erschließung über großzügige Treppenanlage; Terrasse auf EG-Niveau Soziale Kontakte: Erhöhung der Blickbeziehungen zum Außenraum Grundstücksfläche: keine Erhöhung der überbauten Fläche durch Verzicht auf Anbau / Erweiterung Freifläche: Außenbereich weitgehend unversiegelt Baukultur: sensibler Umgang mit Bestand; energetische und architektonische Aufwertung mit geringem Kapitaleinsatz Sicherheit: hohe soziale Kontrolle im gewachsenen Wohngebiet Licht: Stärkung der Tageslichtnutzung durch Vergrößerung der Fensterflächen Raumklima: Erhöhung der Oberflächentemperaturen durch ergänzende Dämmung; hohe wirksame Speichermasse; außen liegender Sonnenschutz Bausubstanz: Weiternutzung der hochwertigen Tragstruktur und Bodenbeläge; Erhalt und Aufwertung der Außenwände durch Dämmung und neuen Witterungsschutz Gebäudestruktur / Ausbau: Öffnung der Grundrissstruktur für mehr Flexibilität Investitionskosten: Minimierung der Investitionskosten durch Verzicht auf Abriss und Neubau Betrieb und Instandhaltung: Verwendung von pflegeleichten Oberflächen im Innenraum

• GFZvorh.: 0,3 • BGF Bestand : 280 m2 • unversiegelte Fläche: ca. 80 %Grundstück • Lüftung: natürlich 100 %NF • Baukosten KG 300 – 400: 286 000 ™ • Baukosten: 885 ™ / m2BGF • Anteil nachw. Rohstoffe: ca. 20 Vol.-%

Objektqualität Erschließung / Kommunikation Grundstück Gestaltung Wohlbefinden / Gesundheit Gebäudesubstanz

Baukosten Betriebs- und Unterhaltskosten Baustoffe

Betriebsenergie

Prozessqualität

• emissionsarme bzw. -freie Baustoffwahl

Rohstoffe / Verfügbarkeit: Verlängerung des Lebenszyklus der Betonkonstruktion sowie der hochwertigen Bodenbeläge Umweltbelastung: Minimierung des Ressourcenbedarfs durch Bestandserhaltung Schadstoffe: Verwendung natürlicher Materialien im Innenbereich; gewachstes Massivparkett Gebäudeheizung: deutliche Reduzierung des Wärmebedarfs durch energetische Verbesserung der Gebäudehülle Beleuchtung: Minimierung des Kunstlichtbedarfs durch Vergrößerung der Fensteröffnungen Energiebedarfsdeckung: Gasbrennwerttherme Nachhaltiges Bauen: Ressourcenoptimierung durch Bestandsnutzung Bautradition: Erhalt von kulturellem Erbe (Plattenbauweise) Integrale Planung: Einbindung eines Landschaftsplaners

209

Beispiel 05

Schutzhütte St. Ilgen, A 2005 Architekten: pos architekten, Wien Treberspurg und Partner Architekten, Wien Mitarbeiter: Florian Dorninger, Jutta Leitner, Fritz Oettl, Marie Rezac, Christian Wolfert Tragwerksplanung: Robert Salzer, Hohenberg Gerald Gallasch, Wien Energiekonzept und Bauphysik: Wilhelm Hofbauer, Wien

In der österreichischen Alpenregion Hochschwab befindet sich in 2154 m Höhe eine energieautarke Schutzhütte in Passivhausqualität. Lage, Gebäudeform und innere Organisation sind auf die extremen klimatischen Verhältnisse abgestimmt. Durch die Positionierung auf dem Hochplateau verhindern die Nordwestwinde mit Windgeschwindigkeiten bis zu 200 km / h, dass die Hütte einschneit. Die genaue Lage wurde durch Analysen des Sonnenverlaufs ermittelt. Alle Baustoffe wurden per Hubschrauber angeliefert. Daher durften die vorgefertigten Wandelemente 1400 kg, die Dachelemente 600 kg nicht überschreiten. Der Bau besteht aus einem Sockelgeschoss aus Stahlbeton und zwei Obergeschossen in Holzbauweise und kann sich inklusive Trinkwasseraufbereitung und Abwasserentsorgung mit 100 % erneuerbarer Energie selbst versorgen. Die Südfassade dient der Nutzung passiver und aktiver Sonnenenergie durch großzügige Fensterflächen, Photovoltaikelemente und Sonnenkollektoren. Die anderen Fassaden hingegen sind weitgehend geschlossen, um thermische Verluste möglichst gering zu halten. Die konsequente solare Ausrichtung spiegelt sich auch in der Zonierung der Raumfunktionen wider. Aufenthalts- und Schlafräume richten sich nach Süden, während Nebenräume und Verkehrsflächen auf der Nordseite angeordnet sind. Fassadenintegrierte Solarkollektoren auf einer Fläche von 64 m2 dienen der Bereitstellung von Warmwasser. Die Wärmerückgewinnung der Lüftungsanlage ermöglicht den thermisch autarken Betrieb. Rund 65 % des Strombedarfs kann durch den Einsatz von Photovoltaikmodulen auf 70 m2 gedeckt werden, ein pflanzenölbetriebenes Blockheizkraftwerk wird bei Bedarf zugeschaltet. In einer Zisterne im Kellergeschoss wird Regenwasser gesammelt und zu Brauch- und Trinkwasser aufbereitet. Das Abwasser kann nach der Behandlung durch eine biologische Reinigungs- und Entsorgungsanlage bedenkenlos in das Erdreich geleitet werden, Trockentoiletten verhindern einen unnötigen Verbrauch von Nutzwasser.

aa

5 1

2

1

6

3

6 5 4

5

5

a

8 7 11

10

2

9

12 b b

º Bauen mit Holz 9 / 2005 DBZ 06 / 2006 Intelligente Architektur 04, 2006 a

210

Schutzhütte

13

14

17 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Waschraum Trockenraum Dusche Wohnung Pächter Gästezimmer Personalzimmer Garderobe / Depot Windfang Trockentoilette Küche Ausschank Gaststube

13

Dachaufbau, U = 0,10 W/m2K: Stehfalzdeckung Edelstahl Trennlage diffusionsoffen Rohschalung Bauholz 30 mm Hinterlüftung / Lattung 100 mm, Winddichtung Holzfaserplatte diffusionsoffen, hydrophobiert 16 mm Winddichtung Wärmedämmung Steinwolle 300 mm zwischen Holzträgern OSB-Platte 18 mm Dampfbremse, PE-Folie luftdicht Wärmedämmung Steinwolle zwischen Lattung 60 mm Rieselschutzvlies Dreischichtplatte Fichte, geölt / gewachst 15 mm thermischer Kollektor Photovoltaikpaneel transluzent Dreifach-Isolierverglasung 52 mm, beschichtet, argongefüllt, Ug = 0,6 W/m2K in Holz-Alu-Rahmen Fenster gesamt: Uw = 0,8 W/m2K Fassadenaufbau, U = 0,10 W/m2K: Schalung Lärche 19 mm Hinterlüftung / Lattung 30 mm Winddichtung Holzfaserplatte diffusionsoffen, hydrophobiert 16 mm, Winddichtung Wärmedämmung Steinwolle 346/240 mm (Stube / Regel) zwischen Holzständern OSB Platte 18 mm Dampfbremse PE-Folie luftdicht Wärmedämmung / Lattung 80 mm Dreischichtplatte Fichte geölt, gewachst 15 mm Schiffsboden Fichte geölt / gewachst Industrieparkett Esche geölt / gewachst Photovoltaikpaneel auf Stahlkonstruktion verzinkt

14 15 16

17

18 19 20

Schnitt • Grundrisse Maßstab 1:250 Vertikalschnitt Maßstab 1:20

18

16

17 19

20

bb

211

Außentemperatur

Temperatur Abwasseraufb.

Temperatur Lager

Temperatur Personalraum

Temperatur Gastraum

Temperatur Gang

Globalstrahlung horizontal

Globlalstrahlung PV-Paneele

50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 -5,0 -10,0 -15,0 -20,0 -25,0

1200 1100

900 8 00 700 600 500 4 00 300 2 00 1 00

1 2 3 4 5 6 7 8 9

solare Energie Warmwasserspeicher BHKW Rapsöl Batterie Abluft Zuluft 20° Fortluft Frischluft Passivhaus-Lüftungsgerät mit Abluftwärme-Rückgewinnung

06

Messdaten November 2006 Raumzonen passiv solar Warmwasser, Strom Lüftung / Wärmerückgewinnung

27

.N ov

20 .N ov 26

A B C D

20

06

06 25

24

.N ov

.N ov

20

06 20

06 23

.N ov 22

.N ov

20

20

06

0

20 .N ov 21

Einstrahlung [W/m²]

1000

06

Temperatur [°C]

Beispiel 05

A

7

1

5 6

5

8

6

4 2

B

C

9

3

D

Thema

Qualitative Merkmale

Kennwert / Indikator

Standortqualität

Energieangebot: Lage 2154 m ü. NN; hohe Temperaturschwankungen (min. - 25 °C, max. + 23 °C); keine öffentliche Infrastruktur Grundversorgung / Nutzungsmischung: autarke Schutzhütte, Betriebszeit Mai bis Oktober Solidarität / Gerechtigkeit: kostengünstige Übernachtungsmöglichkeit Nutzung: Pension mit Restaurant; Veranstaltungen Mobilität: nur fußläufig erreichbar; alle 8 Wochen Ver- und Entsorgung per Helikopter Lärm / Erschütterung: sehr winddichte Bauweise und hohe Schalldämmwerte minimieren Windgeräusche

• Globalstrahlung: 1300 kWh / m2a • standortrelevante Klimadaten: Jahresmitteltemp. - 0,2 °C; Wind bis zu 200 km / h • Dichte: < 1 EW / km2 • Entfernung ÖPNV: 12 km (Bus)

Soziale Kontakte: zentraler Gemeinschaftsraum; Mehrbettzimmer; unterschiedliche Schlafraumgrößen; gemeinsame Sanitärbereiche Zugänglichkeit und Nutzbarkeit: Gebäude mit Vorplatz; Erschließung auf windabgewandter Seite und über Terrasse; gemeinschaftlich nutzbarer Balkon Grundstücksfläche: Grundfläche wie Bestandsgebäude; Rückbau der alten Hütte nach Fertigstellung des Neubaus Freifläche: keine Versiegelung des Außenraums; große aufgeständerte Terrasse Baukultur: Neuinterpretation der Schutzhüttenarchitektur in traditioneller Holzbauweise; Baukörper optimiert für solare Energiegewinnung; Lage und Fassadengestaltung maximieren Außenbezug (Fernblick) Schall: gute Raumakustik durch absorbierende Holzoberflächen; hoher Schallschutz bei der Geschossdecke, schallgedämmtes Lüftungssystem Licht: Verglasungsqualität ermöglicht großzügige Panoramafenster mit optimierter Tageslichtnutzung Raumluft: konstant gute Luftqualität durch kontrollierte, vorerwärmte Zuluft Raumklima: hohe Aufenthaltsqualität durch sehr hohe Luftdichtheit und Oberflächentemperaturen Bausubstanz: für Transport und kurze Bauzeit optimierte vorgefertigte Holz-Leichtbau-Struktur Gebäudestruktur / Ausbau: solar orientierte Zonierung der Nutzung, Aufenthaltsräume im Süden, Nebenräume und Erschließung im Norden; beheizte Fläche flexibel in Abhängigkeit vonder Belegungsdichte Investitionskosten: aufwendiger Materialtransport im Gebirgsumfeld Finanzierung: öffentliche Förderung Betrieb und Instandhaltung: wartungsfreie Fassade (Lärchenholz) und Dachfläche (Edelstahl); niedrige Energiekosten Rohstoffe / Verfügbarkeit: überwiegend heimische Hölzer Schadstoffe: Holzoberflächen nur geölt und gewachst Rückbau: Fertigteilbauweise; Gebäude sortenrein trennbar Gebäudeheizung: Kompaktheit; passive Solarnutzung (Verglasung); Wärmedämmung / Passivhausstandard; Abluftanlage mit WRG Beleuchtung: Energiesparlampen Sonst. elektr. Verbraucher: höchstmögliche Energieeffizienzklasse Energiebedarfsdeckung: fassadenintegrierte Solarthermie und PV; Blockheizkraftwerk (Pflanzenöl) als Backup; Festholzkessel für Küche; Verwertung des Bestandshüttenholzes nach Rückbau Abfälle aus Betrieb und Nutzung: hocheffiziente Fettabscheidung; Abfallreduzierung durch waschbare Filter im Abluftsystem der Küche Wasser: Regenwassersammlung in Zisterne (38 m3); Aufbereitung zu Trinkwasser; hochwertige biologische Abwasserreinigung, Versickerung auf dem Grundstück; Trockentoiletten Nachhaltiges Bauen: Pilotprojekt einer Passivhaus-Schutzhütte Integrale Planung: seit Projektbeginn; Projektierung im Rahmen eines Forschungsprogramms Analysen: Standortwahl nach Sonnenlaufanalyse; umfangreiche Simulationen Monitoring: Fernüberwachung des Gebäudezustands, Stromlastmanagement zur Vermeidung hoher Leistungsanforderungen und Maximierung der Lebensdauer der Batterien

• GFZvorh.: 0,24 • BGF Bestand: ca. 490 m2 • BGF Neubau: 626 m2 • unversiegelte Fläche: 90 %Grundstück • Schallschutz: Wände > 55 dB(A), Fenster > 35 dB(A) • Lüftung: maschinell 100 %NF • U-Werte Gebäudehülle [W / m2K]: Dach 0,1; Außenwand 0,1; Fenster 0,8; Kellerdecke 0,2 W / m2K • projekt. wirtschaftl. Nutzungsdauer: > 100 a • Baukosten KG 300 – 400: ca. 2 000 000 ™ • Baukosten: 3200 ™ / m2BGF (Prototyp) • Anteil nachw. Rohstoffe: ca. 80 Vol.-% • Heizwärmebedarf: 11 kWh / m2a • Deckungsrate ern. Energien: 100 % • solaraktive Flächen: Solarthermie 64 m2, PV 70 m2

Objektqualität Erschließung / Kommunikation Grundstück Gestaltung Wohlbefinden / Gesundheit

Gebäudesubstanz

Baukosten Betriebs- und Unterhaltskosten Baustoffe Betriebsenergie

Infrastruktur

Prozessqualität

212

• emissionsarme bzw. -freie Baustoffwahl • Baustoffkataster • Rückbaukonzept • Regen- / Grauwassernutzung

• nachhaltigkeitsorientierte Benchmarks • Simulationsverfahren • Monitoring

Fernheizwerk

Fernheizwerk Sexten, I 2005 Architekt: Siegfried Delueg, Brixen Mitarbeiter: Thomas Malknecht, Igor Comploi Tragwerksplanung: Team 4, Bruneck

Der Tourismus und die daraus entstehende Industrie prägen das Gebiet um den kleinen Ort Sexten in Südtirol. Um das ländlich-alpine Gefüge der Region zu bewahren, war die harmonische und schonende Einbindung in die Landschaft eine wichtige Anforderung bei dem für das Fernheizwerk ausgelobten Wettbewerb. Das ebene Grundstück liegt in einem Gewerbegebiet und ist im Nordwesten und Süden durch einen Waldhang sowie den Sextnerbach gefasst. Die Erschließung erfolgt über eine bereits vorhandene Brücke im Norden. Die zwei schräg zueinander gestellten Baukörper beherbergen Heizhaus und Hackgutlager und umspannen einen sich zum Wald hin öffnenden Zwischenraum, der als offene Lagerfläche genutzt wird. Standort und Anordnung der Baukörper ermöglichen eine reibungslose Anlieferung und kurze Wege. Als Brennmaterial für das Biomasse-Fernheizwerk werden ausschließlich unbehandeltes Hackgut, Sägenebenprodukte und Waldhackgut aus der Umgebung verwendet. Die erzeugte Wärme mit Wasser als Trägermedium wird dann über das 36 km lange Fernwärmenetz an die über 300 Kunden in der Umgebung transportiert. Die isolierten Stahlrohre sind thermisch vorgespannt und unterliegen einer ständigen elektronischen Kontrolle. Rohrreibungsverluste und eine hydrostatische Höhe von 105 m wird durch Umwälzpumpen kompensiert. Jährlich können somit 2 400 000 l Heizöl eingespart werden. Verschweißte Stahlrahmen in biegesteifer Verbindung bilden das Tragwerk des Heizhauses. Die großformatigen Brettschichtholzplatten der Außenhaut übernehmen gleichzeitig Aussteifung, tragenden Raumabschluss und Wärmedämmung; eine zusätzliche, innen liegende Dämmung ist nur im Bereich der Büros nötig. Die leichten Neigungen der Außenhüllen erzeugen perspektivische Verzerrungen, die die Gebäude optisch verkürzt erscheinen lassen. Senkrechte Lärchenholzlatten, die auch über Fenster- und Lüftungsöffnungen hinweggeführt werden, unterstützten das homogene Erscheinungsbild. º

Architektur Aktuell 10 / 2006 db 05 / 2006

aa

bb

a

b

b

a

Schnitte • Grundriss Maßstab 1:1000

213

Beispiel 06

1

1

2 2

3 4 5

6 3

7

Vertikalschnitte • Horizontalschnitt Maßstab 1:20

214

Fernheizwerk

1

2 3 4

5 6 7

Schalung Lärche sägerau 120/30 mm Stahlprofil | 60/40/2 mm feuerverzinkt Stahlprofil Z 60/40/5 mm Abdichtung Bitumenbahn zweilagig, winddicht diffusionsoffen Schalung Fichte 25 mm, Kantholz 80/80 mm Massivholzdecke Lärche 128 mm, U = 1,3 W/m2K Insektenschutzgitter Stahlprofil Å 300/550 konisch verlaufend Schalung Lärche sägerau 120/30 mm Distanzklötze 40/60/60 mm Kantholz 50/80 mm Stahlprofil ∑ 90/60/5 mm feuerverzinkt Abdichtung Bitumenbahn zweilagig, winddicht diffusionsoffen Wärmedämmung Mineralwolle 50 mm Massivholzwand Lärche 95 mm Luftschicht 40 mm Holzverkleidung Mehrschichtplatte Fichte 20 mm Verkleidung Lärche 25/90 mm Stahlrohr Ø 30 mm feuerverzinkt Auflager Neopren Thema

Qualitative Merkmale

Kennwert / Indikator

Standortqualität

Energieangebot: umfangreiche regionale Waldflächen Grundversorgung / Nutzungsmischung: Ortsrandlage; Gewerbegebiet Nutzung: Neuinstallation einer zentralen Wärmeversorgung auf Basis von Biomassehackschnitzeln ersetzt bisherige Einzelfeuerungen Mobilität: Lage an Hauptverkehrsstraße

• Globalstrahlung: 1400 kWh / m2a • Dichte: 23 EW / km2 • Entfernung ÖPNV: 10 m (Bus); 15 km (Regionalbahn)

Zugänglichkeit und Nutzbarkeit: Gebäudestellung bildet Vorplatz und verdeckt Holzlager im Innenhof; minimierte Wege im Betriebsablauf Soziale Kontakte: öffentlich zugängliche Ausstellungsflächen im Eingangsbereich; geführte Besichtigungen; Versammlungsraum mit hoher Aufenthaltsqualität Grundstücksfläche: Minimierung der überbauten Fläche durch Aufstockung nichttechnischer Nutzung Freifläche: Freifläche dient der Holzlagerung Baukultur: sensible Einpassung in die Landschaft; leichte Fassadenneigungen zur optischen Verkürzung der Hüllflächen; homogenes Erscheinungsbild durch einheitliche Verkleidung der Fassaden und Dachflächen aus Lärchenholzlattung mit unterschiedlichen Abständen Personalisierung: Innenausbau durch Nutzer gestaltbar Raumklima: Wärmedämmung der Kesselräume über massive Holzfassaden; Büroeinheit zusätzlich mit Innendämmung Bausubstanz: Materialwahl unter Berücksichtigung lokaler Verfügbarkeit und Leistungsfähigkeit Gebäudestruktur / Ausbau: Dachbereich ausbaubar; Versammlungsraum flexibel nutzbar Investitionskosten: nutzungsübliches Baubudget Finanzierung: Kraftwerk in Gemeindebesitz Betrieb und Instandhaltung: Fassaden aus unbehandeltem Lärchenholz, wartungsfrei Instandsetzung: Fassaden in Elementbauweise, einfach austauschbar Rohstoffe / Verfügbarkeit: Verwendung heimischer Hölzer; Fassaden aus statisch aktiven großformatigen Brettschichtholzelementen; Stahlrahmen bei großen Spannweiten; Stahlbeton gegen Erdreich Umweltbelastung: Biomassekraftwerk ersetzt Einzelheizungen mit einem bislang jährlichen Energieverbrauch von 2,4 Mio. Liter Heizöl Schadstoffe: zentrale Wärmeerzeugung ermöglicht hochwertige Rauchgasreinigung mit Wärmerückgewinnung für geringstmögliche Luftbelastung im Tal Rückbau: Holztafelbauweise; Gesamtanlage sortenrein trennbar Gebäudeheizung: beheizte Flächen minimiert; Erwärmung der Betriebsräume über Heizkörper aus Fernwärmeleitung Warmwasserbereitung: kein Warmwasserbedarf Energiebedarfsdeckung: Biomasse Abfälle aus Betrieb und Nutzung: separate Aschesammlung und Entsorgung Wasser: minimierter Wasserverbrauch für die Reinigung Nachhaltiges Bauen: umfangreiche Wettbewerbsanforderungen zu ökologischen Aspekten; harmonische Einbindung in die Umgebung gefordert Bautradition: Förderung der lokalen Holzbauindustrie Partizipation: umfangreiche Bürgerbeteiligung bei der Projektentwicklung Integrale Planung: enge Zusammenarbeit mit Kraftwerksplaner Analysen: umfangreiche Untersuchungen bei der Projektentwicklung Monitoring: detaillierte Überwachung durch Kraftwerksbetreiber Facility Management: durch Kraftwerksbetreiber

• Grundstück: 6500 m2 • überbaute Fläche: 2230 m2 • unversiegelte Fläche: 0 %Grundstück (Asphaltierung für Lagerung erforderlich) • U-Wert Wände Kesselhaus: 1,3 W / m2K • projekt. wirtschaftl. Nutzungsdauer: 50 a • Baukosten KG 300 – 400: 2 500 000 ™ • Anteil nachw. Rohstoffe: ca. 70 Vol.-% • Deckungsrate ern. Energien: 100 %

Objektqualität Erschließung/ Kommunikation Grundstück Gestaltung

Wohlbefinden / Gesundheit Gebäudesubstanz Baukosten Betriebs- und Unterhaltskosten Baustoffe

Betriebsenergie Infrastruktur Prozessqualität

• Wettbewerb • emissionsarme bzw. -freie Baustoffwahl

• nachhaltigkeitsorientierte Benchmarks • Partizipationskonzept • Simulationsverfahren • Monitoring • FM-Konzept

215

Beispiel 07

Strohhaus Eschenz, CH 2005 Architekt: Felix Jerusalem, Zürich Tragwerksplanung: SJB.Kempter.Fitze, Frauenfeld Konstruktionsplanung: Création Holz, Herisau

Mit knappem Budget errichtete der Architekt ein einfaches, aber durchdachtes Haus für eine vierköpfige Familie. Wegen des feuchten Untergrunds steht es auf Pfählen; nur der massive Betonkern reicht bis in den Erdboden. Dieser beherbergt Bäder, Küchenzeile, Garderobe sowie den über eine Klappe im Boden zugänglichen Keller. Gleichzeitig teilt er das längliche Gebäude in zwei Teile: Auf der Südseite sind die beiden Kinderzimmer angeordnet, im Norden das Wohnzimmer, das Elternschlafzimmer und darüber – die Neigung des Pultdachs ausnutzend – eine Galerie als Arbeitsplatz. Die Räume besitzen den Charme eines veredelten Rohbaus: Der versiegelte Estrich dient als Fußboden, die Leitungen sind sichtbar geführt und die Wände wurden teilweise roh belassen. Die eigentliche Besonderheit des Gebäudes liegt in seiner Konstruktion: Das Haus wurde – bis auf den Kern – aus gepressten Strohfaserplatten gebaut, einem emissionsfreien und recycelbaren Baustoff. Böden, Decken und Wände bestehen aus Sandwichelementen, die nach demselben Prinzip aufgebaut sind: Die äußere Schicht aus hochverdichteten Strohfaserplatten übernimmt die tragende Funktion, die Füllung aus leichten Strohfaserplatten die Wärmedämmung. Alle Elemente wurden vorgefertigt und auf der Baustelle montiert. In nur vier Monaten wurde das komplette Gebäude fertiggestellt. º

bb

Schnitte • Grundrisse Maßstab 1:200 Vertikalschnitt Maßstab 1:20 1 2 3 4 5 6 7 8

aa

Schlafzimmer Wohnzimmer Eingang Bad Küche Kinderzimmer Galerie Luftraum

Detail 06 / 2006 Werk, Bauen und Wohnen 11/ 2006 b

3 6 4 7

8

a

1

2 6 5

b

216

a

Strohhaus

9 14

10

15

16 9 Dachaufbau: Dacheindeckung Chromnickelstahlblech 0,5 mm Dreischichtplatte 27 mm Lattung / Hinterlüftung 80 mm Dachbahn diffusionsoffen Dachelement: Strohfaserplatte hochverdichtet 40 mm Dämmung Strohfaserplatte leicht 200 mm Strohfaserplatte hochverdichtet 40 mm 10 Holzfenster mit Isolierverglasung VSG 4 mm + SZR 16 mm + VSG 4 mm 11 Wandaufbau: GFK-Wellplatte 20 mm Befestigung Z-Profil Aluminium gelocht / Hinterlüftung 20 mm Wandelement: Strohfaserplatte hochverdichtet 40 mm Dämmung Strohfaserplatte leicht 170 mm Strohfaserplatte hochverdichtet 40 mm 12 Bodenaufbau Wohnräume:

13

13

14 15 16 17 18 19

11

Estrich versiegelt 50 mm Trittschalldämmung 2≈ 20 mm / Installationsebene Bodenelement: Strohfaserplatte hochverdichtet 40 mm Rippen Strohfaserplatte hochverdichtet 200 mm, dazwischen Dämmung Strohfaserplatte leicht Strohfaserplatte hochverdichtet 40 mm Bodenaufbau Badezimmer: Estrich versiegelt 50 mm Trittschalldämmung 2≈ 20 mm / Installationsebene Dämmung 160 mm Bodenplatte Stahlbeton 200 mm Träger BSH 100/240 mm Auflager Hartholz Eiche 20 mm Bodenaufbau Galerie: Strohfaserplatte hochverdichtet 2≈ 80 mm Verstärkung BSH 80/200 mm Kantholz Eiche 60/100 mm Stahlprofil HEB 200, an den Enden konisch zulaufend

17

12

18

19

217

Beispiel 07

1

3 2

Horizontalschnitt Maßstab 1:20 1 2

3

Holzfenster mit Isolierverglasung VSG 4 mm + SZR 16 mm + VSG 4 mm Wandaufbau: GFK-Wellplatte 20 mm Befestigung Z-Profil Aluminium gelocht / Hinterlüftung 20 mm Wandelement: Strohfaserplatte hochverdichtet 40 mm Dämmung Strohfaserplatte leicht 170 mm Strohfaserplatte hochverdichtet 40 mm Stahlblech 2 mm Dämmung Steinwolle 60 mm Strohfaserplatte hochverdichtet 40 mm, weiß gestrichen

Thema

Qualitative Merkmale

Kennwert / Indikator

Standortqualität

Energieangebot: Erdgasanschluss Grundversorgung / Nutzungsmischung: reines Wohngebiet Solidarität / Gerechtigkeit: Pilotprojekt zur Entwicklung kostengünstiger Bauweise und -teile für den Wohnungsbau

• Globalstrahlung: 1300 kWh / m2a • Dichte: 134 EW / km2 • Entfernung ÖPNV: 300 m (Bus); 700 m (Regionalbahn)

Objektqualität Erschließung / Kommunikation Grundstück

Verkehr: Anbindung an Wohnstraße, zwei Pkw-Stellplätze auf dem Grundstück; gute Einsehbarkeit Zugänglichkeit und Nutzbarkeit: Erschließung über vier Steigungen, Rampe nachrüstbar Grundstücksfläche: minimale Versiegelung durch Aufständerung des Gebäudes, Erhalt des natürlichen Geländeverlaufs Freifläche: unversiegelte Außenflächen, Vegetation unter dem Gebäude Gestaltung Baukultur: experimentelle Architektur mit innovativen nachwachsenden Materialien, Kubatur an Umgebung angepasst, Fassade mit hohem Wiedererkennungswert Personalisierung: Innen- und Außenraumgestaltung durch Nutzer Wohlbefinden / Sicherheit: hohe soziale Kontrolle, vielfältige Sichtverbindungen Schall: hoher Schallschutz durch neue Gesundheit Sandwichfassade mit Ebenen unterschiedlicher Dichte Licht: sehr hoher Verglasungsanteil, mehrseitige Raumbeleuchtung, weiße Innenflächen Raumluft: Querlüftung möglich Raumklima: hoher Dämmstandard; sorptionsfähige Raumoberflächen; Fußbodenheizung Gebäudesubstanz Bausubstanz: neuartige Bauteile aus nachwachsendem Rohstoff (Prototypen) Gebäudestruktur / Ausbau: offene Leitungsführung für einfachen Austausch oder Erweiterung Baukosten Investitionskosten: hoher Vorfertigungsgrad, minimierte Erdarbeiten Betriebs- und Betrieb und Instandhaltung: wartungsfreie Fassadenbekleidung; Metalldach Unterhaltskosten Instandsetzung: minimierter Innenausbau und Technikausstattung Baustoffe Rohstoffe / Verfügbarkeit: schnell nachwachsender, lokal verfügbarer Rohstoff (nachwachsend in ca. 3 Monaten) Umweltbelastung: Baumateriel überwiegend kompostierbar Schadstoffe: Stroh formaldehydfrei Rückbau: Gesamtgebäude sortenrein trennbar Betriebsenergie Gebäudeheizung: kompakte Bauweise, Minergiestandard, passive Solarenergienutzung über transluzente GFK-Verkleidung Energiebedarfsdeckung: Gasbrennwerttherme, Holzofen Infrastruktur Abfälle aus Betrieb und Nutzung: Kompostierung von Bioabfällen auf dem Grundstück Wasser: kurze Leitungsführung Prozessqualität Nachhaltiges Bauen: Zielsetzung »Ökologisches Haus« Bautradition: Weiterentwicklung der traditionellen Bauweise mit nachwachsenden Rohstoffen durch neue Materialtechnologien Analysen: umfangreiche bauphysikalische und statische Vermessung von 1:1-Muster 1 durch Produkthersteller dynamisch berechnet 2 bei Nachrüstung einer Erschließungsrampe

218

• GFZvorh.: 0,2 • BGF: 173 m2 • unversiegelte Fläche: 98 %Grundstück • Lüftung: natürlich 100 %NF • U-Werte Gebäudehülle: [W / m2K] Dach 0,2 1; Außenwand 0,18 1; Fenster 1,1 (g-Wert 0,6); Boden 0,17 1 • projekt. wirtschaftl. Nutzungsdauer: 50 a • Baukosten KG 300 – 400: 370 000 ™ • Baukosten: 2140 ™ / m2BGF (Prototyp) • Anteil nachw. Rohstoffe: ca. 90 Vol.-% • Heizwärmebedarf: 15 kWh / m2a • barrierefrei 2 • emissionsarme bzw. -freie Baustoffwahl • Rückbaukonzept

• nachhaltigkeitsorientierte Benchmarks • Simulationsverfahren

Altenwohn- und Pflegeheim

Altenwohn- und Pflegeheim Steinfeld, A 2005 Architekt: Dietger Wissounig, Graz Tragwerksplanung: Kurt Pock, Gerolf Urban, Spittal / Drau

Das leicht geneigte Grundstück des Altenwohn- und Pflegeheims liegt am westlichen Ortsrand der kleinen Kärntner Gemeinde Steinfeld. Der Baukörper zeigt sich kompakt und zurückhaltend. Mit seiner Ost-West-Orientierung reagiert das Gebäude auf die Umgebung: Servicebereiche bilden einen Puffer nach Nordwesten zur Bundesstraße, während sich die Wohnungen und Aufenhaltsbereiche weitgehend zum Grün Richtung Südosten orientieren. Im Inneren erleichtern Sichtverbindungen und eine einfache Wegeführung die Orientierung. Großzügige und flexible Räume ermöglichen ein kommunikatives Miteinander. Die im Erdgeschoss befindlichen Versorgungs- und Verwaltungseinrichtungen sowie der Fest- und Speisesaal, die Bibliothek und eine Kapelle stehen auch der Öffentlichkeit zur Verfügung. Über dem massiven, leicht zurückversetzten Erdgeschoss aus Beton sitzen die beiden als reine Holzbauten ausgebildeten Obergeschosse. Vorgefertige und vorinstallierte Holzriegelwände und Brettschichtholzstützen leiten die Lasten in den Betonsockel ab. Die kompakte, hochgedämmte Gebäudehülle senkt die Transmissionswärmeverluste auf das Niveau eines Passivhauses. Die Be- und Entlüftung des Gebäudes erfolgt über das zentral angeordnete, mit Glas überdachte Atrium: Im Winter wird durch die Vorwärmung der Luft in Erdregistern und durch die zusätzlichen solaren Energieeinträge eine durchschnittliche Lufttemperatur von ca. 20 ˚C erzielt. Im Sommer dagegen wird die Temperatur der zugeführten Außenluft durch die Erdregister abgekühlt. Verschattungselemente über dem Glasdach verhindern eine Überhitzung im oberen Bereich. Die Individualräume werden über eine Quelllüftung mit Frischluft versorgt. Durch zahlreiche Einzelmaßnahmen wie die Nutzung von Regenwasser für Toilettenanlagen und Gartenbewässerung, eine separate Steuerung der Heizgruppen, Fernwärme und elektronische Vorschaltgeräte zur Belichtung verbraucht das Gebäude insgesamt rund 50 % weniger Energie als andere Alten- und Pflegeheime. º

Architektur Aktuell 6 / 2006 Baumeister 5 / 2006

aa

b

b

a

a

Schnitt • Grundrisse Erdgeschoss • 1. Obergeschoss Maßstab 1:500

219

Beispiel 08

1

4

5

2

6

7

8

3

Vertikalschnitt Maßstab 1:20 Energieschema A Winter: passive Wärmegewinnung B Sommer: Lüftung / Kühlung

9

11 20° -10°

10

13

12 A

15

14 11 25°

30°

10

12 B

bb

220

Altenwohn- und Pflegeheim

1

2

3 4 5

6 7 8 9

10 11 12 13 14 15

Dachaufbau: Kies 50 mm Dichtungsbahn 5 mm Wärmedämmung PUR 2≈ 110 mm Dampfsperre 2 mm OSB-Platte 18 mm Gefällekeil Holz 20 –175 mm Brettstapeldecke 140 mm Bodenaufbau Einzelzimmer: Parkett Eiche 22 mm Heizestrich 70 mm Trennlage PE-Folie Trittschalldämmung 25 mm Schüttung 63 mm Trennlage PE-Folie Brettstapeldecke 140 mm Glaswand Flur ESG 20 mm, eingespannt in BSH Lärche 75/170 m Führungsschiene Stahlprofil fi 30/30 mm Schiebeelelement: Lamellen Lärche vertikal 80/20 mm, an Rahmen Aluminiumrohr ¡ 25/100/2 mm Vorhangschiene Brüstung / Regal Lärche 50/255 mm Isolierverglasung, U = 0,9 W/m2K Wandaufbau: Nut- und Federschalung Lärche vertikal 80/20 mm Konterlattung 35/50 mm Dichtung diffusionsoffen Lattung 35/50 mm, dazwischen Wärmedämmung 35 mm Holzfaserplatte 36 mm Wärmedämmung Steinwolle 50 mm Frischluft Erdregister Frischluftspeicher Quelllüftung Fortluft mit Wärmerückgewinnung Sonnenschutz natürliche Entlüftung / Abluft

Thema

Qualitative Merkmale

Kennwert / Indikator

Standortqualität

Energieangebot: Fernwärmeanschluss (Energiequelle Biomasse) Grundversorgung / Nutzungsmischung: Ortsrandlage; Stadtzentrum fußläufig erreichbar Integration / Durchmischung: Mischnutzung; generationenübergreifende Einrichtungen Solidarität / Gerechtigkeit: öffentlich zugängliche Bereiche Nutzung: Altenwohnheim, Stadtbibliothek, Kirche, Räume für öffentliche Veranstaltungen Mobilität: gute Anbindung an bestehende Infrastruktur Lärm / Erschütterung: Anordnung der Nebenräume zur Straße

• Globalstrahlung: 1300 kWh / m2a • Dichte: 27 EW / km2 • Entfernung ÖPNV: 20 m (Bus); 1 000 m (Regionalbahn)

Verkehr: Fußweg durch den Park; Pkw-Stellplätze Soziale Kontakte: Lobby im Erdgeschoss, Café, zentraler Wintergarten; zwei Gemeinschaftsräume pro Geschoss, Loggia, Terrassen Zugänglichkeit und Nutzbarkeit: gesamte Anlage barrierefrei befahrbar Grundstücksfläche: Verdichtung durch dreigeschossiges Gebäude; unversiegeltes Wintergarten-Atrium Freifläche: Parkanlage mit Rundwegen, Befestigung mit Rasengittersteinen Baukultur: Anlehnung an traditionelle Holzbauweise mit massivem Sockelgeschoss Personalisierung: saisonale Gestaltung der Innenräume; eigene Möbel der Nutzer auch im Gemeinschaftsbereich Sicherheit: hohe Transparenz nach außen und innen; zentrale Pflegestützpunkte; rutschfester Boden; Rundwege im Innen- und Außenbereich Schall: schallabsorbierende Holzoberflächen Licht: hoher Verglasungsanteil; Zenitlicht über Wintergarten; Kunstlichtsteuerung über Präsenzmelder Raumluft: konstant sehr hohe Luftqualität durch kontrollierte Zu- und Abluft in den Zimmern, Fensterlüftung möglich; Zuluft über Wintergarten mit Erdkollektor Raumklima: hohe thermische Behaglichkeit; Luftgeruch je nach Jahreszeit und Bepflanzung im Wintergarten; in den Zimmern Holzgeruch Bausubstanz: hohe Bauqualität durch Vorfertigung Gebäudestruktur / Ausbau: offene Raumstruktur mit vielfältigen Blickbeziehungen für gute Orientierung; variabel nutzbare Gemeinschaftsflächen Investitionskosten: Amortisation der erhöhten Investitionskosten für Dämmstandard und Lüftungsanlage durch Einsparung im Energieverbrauch Finanzierung: öffentliche Hand Betrieb und Instandhaltung: sehr pflegeleichte Oberflächen, Epoxidharzboden mit spezieller Beschichtung für optimierte maschinelle Reinigung Instandsetzung: systematische Trassenführung, Wartungsklappen Rohstoffe / Verfügbarkeit: sehr hoher Anteil an Holzwerkstoffen; heimische Hölzer Umweltbelastung: hoher Vorfertigungsgrad; unbehandelte Holzoberflächen Rückbau: Gebäudestruktur nach Kartenhausprinzip, sortenrein trennbar Gebäudeheizung: sehr hoher Dämmstandard; Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung; solare Gewinne über Wintergarten Gebäudekühlung: Zuluft für Wintergarten über Erdkanal (Länge 500 m, Ø 80 cm) Energiebedarfsdeckung: Biomasse über Fernwärme Wasser: Nutzung von Regenwasser für WCs und Gartenbewässerung Nachhaltiges Bauen: Wettbewerbsziel Pilotprojekt Altenwohn- und Pflegeheim in moderner Holzbauweise mit nachhaltiger Gebäudetechnolgie; erreichter Standard Passivhaus Bautradition: Förderung des lokalen Bauhandwerks Integrale Planung: enge Einbindung der Fachplaner, externer Projektsteuerer Analysen: Wärmebedarfsberechnung

• GFZvorh.: 0,5 • BGF: ca. 3730 m2 • unversiegelte Fläche: 85 %Grundstück • Lüftung: maschinell 100 %NF • U-Werte Gebäudehülle [W / m2K]: Dach 0,13; Wände 0,18; Verglasung 0,9; Boden 0,18 • projekt. wirtschaftl. Nutzungsdauer Fassade: 65 a • Baukosten KG 300 – 400: ca. 4 100 000 ™ • Verhältnis KG 300 / 400: ca. 75 / 25 • Baukosten: ca. 1100 ™ / m2BGF • Anteil nachw. Rohstoffe: ca. 80 Vol.-% • Heizwärmebedarf: 14 kWh / m2a • Deckungsrate ern. Energien: Wärme 100 %

Objektqualität Erschließung/ Kommunikation Grundstück Gestaltung Wohlbefinden / Gesundheit

Gebäudesubstanz Baukosten Betriebs- und Unterhaltskosten Baustoffe

Betriebsenergie

Infrastruktur Prozessqualität

• barrierefrei • Wettbewerb • emissionsarme bzw. -freie Baustoffwahl • Rückbaukonzept • Regen- / Grauwassernutzung

• nachhaltigkeitsorientierte Benchmarks • Simulationsverfahren

221

Beispiel 09

Mehrgenerationenhaus Darmstadt, D 2003 Architekten: Kränzle + Fischer-Wasels, Karlsruhe Klotz + Knecht, Darmstadt Jürgen Ludwik, Reinheim (Bauleitung) Tragwerksplanung: ISG Gesellschaft für Ingenieurbau und Systementwicklung, Darmstadt

Am Stadtrand von Darmstadt bildet der flache, kubische Baukörper den Abschluss einer offenen Straßenrandbebauung und orientiert sich zum weitläufigen Parkgelände, welches übergangslos an das Grundstück anschließt. Der zweigeschossige Ziegelbau besteht aus drei separaten, in sich abgeschlossenen Maisonettewohnungen – jede mit Küche und Bad ausgestattet –, sodass die verschiedenen Generationen der Bauherrenfamilie zwar zusammen unter einem Dach leben, aber getrennt wohnen können. Unter einer einheitlichen Hülle zusammengefasst, weden die individuell gestaltenen Wohnungen über eine gemeinsame interne Halle erschlossen. Zwischen die einzelnen Häuser schieben sich haushohe Lufträume, die als Wintergärten, Lichthöfe und gemeinschaftliche Aufenthaltsbereiche dienen. Wie bei einem Baukasten lassen sich die Räume bei Bedarf horizontal und vertikal addieren oder unterteilen. Möglich sind bis zu sechs Geschosswohnungen bzw. Gäste- oder Büroeinheiten. Einheitliche Material- und Farbfestlegungen in Bezug auf Wand, Boden und Decke, konzentrierte Installationskerne und neutrale Raumproportionen vereinfachen nachträgliche Umbauten. Das Gebäude ist dreiseitig in einen Steinmantel aus dunkelgrauem Klinker gehüllt. Zur Straße und zu den Seiten hin zeigt sich das Wohnhaus eher verschlossen; nach Süden zum Park hin dagegen öffnen sich die Wohneinheiten mit raumhohen Fenstern und geben den Blick auf die Parklandschaft frei. Massive Innenwände speichern anfallende Wärme und strahlen sie zeitverzögert an die Innenräume ab. Ein außen liegender Sonnenschutz an den Glasdächern verhindert ein Überhitzen der Räume. Die Fensterfront auf der Gartenseite ist mit neutralen Sonnenschutzgläsern ausgestattet, wird durch Balkone bzw. das extensiv begrünte Flachdach verschattet und kommt so ohne weitere Sonnenschutzelemente aus. º

222

db 03 / 2005 DBZ 08 / 2006

aa

4 2 3 3

3 4

2

a a 1 1

b 4 b

1

Mehrgenerationenhaus

6

5

Schnitt • Grundrisse Maßstab 1:500 Vertikalschnitt Maßstab 1:20 10 1 2 3 4

Wohnung Gemeinschaftsbereich Luftraum Terrasse / Balkon

5

Mauerwerk 115 mm im Läuferverband Hinterlüftung 30 mm Wärmedämmung Mineralfaser 120 mm Stahlbeton 200 mm extensive Begrünung 50 mm Substrat Filtervlies Drainagematte Wurzelschutzbahn Dichtungsbahn Gefälledämmung Hartschaum 250 mm Dampfsperre Voranstrich Stahlbeton 200 mm Innenputz 15 mm Aufkantung Stahlbetonfertigteil Abdeckplatte Stahl 20 mm Holzrost Bangkirai 144/28 mm Schiebetür Aluminium Wärmeschutzverglasung, U = 1,1 W/m2K, Float 6 mm + SZR 16 mm + Float 4 mm Bodenaufbau Obergeschoss: Parkett Eiche 15 mm Heizestrich 70 mm Trennlage Trittschalldämmung 35 mm Stahlbetondecke 220 mm Innenputz 15 mm Bodenaufbau Erdgeschoss: Jura-Marmor grau 25 mm Mörtelbett 30 mm Heizestrich 80 mm Trennlage Dämmung 60 mm Trennlage Stahlbetondecke 240 mm Innenputz 15 mm

6

11

9

8

7

7 8 9 10

11

12

10

12

9

8

7

bb

223

Beispiel 09

Thema

Qualitative Merkmale

Kennwert / Indikator

Standortqualität

Energieangebot: Erdgasanschluss Grundversorgung / Nutzungsmischung: Wohngebiet; Stadtrandlage Integration / Durchmischung: gemischte Altersstruktur, Studentenwohnheim, Altersheim Nutzung: Mehrgenerationenhaus Mobilität: Tiefgaragenzufahrt von Hauptstraße; vier behindertengerechte Pkw-Stellplätze auf dem Grundstück Lärm / Erschütterung: hohe Grundstücksmauer als Schallschutzwand gegen Hauptstraße

• Globalstrahlung: 1100 kWh / m2a • Dichte: 1156 EW / km2 • Entfernung ÖPNV: 200 m (Bus); 3000 m (Fernbahn)

Objektqualität Erschließung / Kommunikation

• GFZvorh.: 1,0 Verkehr: Tiefgarage unter dem Gebäude Soziale Kontakte: gemeinsame Erschließungshalle; Lichthöfe zwi• BGF: 1 490 m2 schen den Wohneinheiten als Gemeinschaftsfläche; gemeinsam nutzbare Freiflächen Zugänglichkeit und • unversiegelte Fläche: ca. 70 %Grundstück Nutzbarkeit: Fußweg zum gemeinsamen Eingang; zwei separate Eingänge sind erweiterbar; schwellenfreie • Dachbegrünung: ca. 70 %überbaute Fläche Übergänge der Innen- und Außenräume; Aufzug im Lichthof nachrüstbar • Lüftung: natürlich 100 %NF Grundstück Freifläche: Außenfläche unversiegelt; Fußweg und Tiefgaragenzufahrt mit offenen Pflastersteinen befestigt • U-Werte Gebäudehülle [W / m2K]: Gestaltung Baukultur: Einbindung in historische bauliche Umgebung; reduzierte geometrische Formen in Anlehnung an Dach 0,26; Außenwand 0,24; Fenster 1,4; die klassische Moderne; Neuinterpretation des generationenübergreifenden Wohnens durch flexible RaumBoden 0,35 struktur Personalisierung: private Einheiten individuell gestaltbar; Gemeinschaftsflächen nach Absprache • Heizwärmebedarf: 70 kWh / m2a Wohlbefinden / Sicherheit: hohe soziale Kontrolle durch offene Baustruktur; Gemeinschaftsräume und zahlreiche Sichtver• Endenergieverbrauch Erdgas: Gesundheit bindungen Schall: akustische Entkopplung der Individualräume durch Lichthöfe Licht: gute Raumausca. 58 500 kWh / a leuchtung durch hohen Verglasungsanteil sowie Lichthöfe mit Dachverglasung Raumklima: hohe Oberflächentemperaturen, sehr hohe wirksame Speichermasse; außen liegender Sonnenschutz im Bereich der • barrierefrei1 Dachverglasung • emissionsarme bzw. -freie Baustoffwahl Gebäudesubstanz Bausubstanz: statisch minimiertes Grundraster aus Stahlbetonwandscheiben; Fassade mit hinterlüftetem Vollklinker Gebäudestruktur / Ausbau: Wohnkonzept mit hoher Flexibilität bei der Raumzuordnung; Gebäude mit drei bis sechs Wohneinheiten nutzbar, Gemeinschaftsräume können den Individualräumen flexibel zugeordnet werden, dadurch schrittweise individuelle Anpassung an veränderte Bedürfnisse möglich Baukosten Investitionskosten: Nutzung hochwertiger Materialien im Hinblick auf hohe Dauerhaftigkeit und niedrigen Instandhaltungsaufwand; minimierte Technikinstallation; Synergieeffekte durch Haus-in-Haus-Konzept Betriebs- und Betrieb und Instandhaltung: wartungsfreie Fassade, pflegeleichte Bodenbeläge aus Naturstein und MassivUnterhaltskosten holz; Fensterrahmen aus Metall; extensive Dachbegrünung Instandsetzung: geringer Verschleiß durch hohe Bauqualität mit sehr dauerhaften Materialien Baustoffe Rohstoffe / Verfügbarkeit: Naturstein und Klinker aus regionalem Abbau Umweltbelastung: Dachbegrünung als Ausgleichsfläche für die Bodenversiegelung Schadstoffe: Holzböden gewachst; Innenwände mit Mineralfarbe gestrichen Betriebsenergie Gebäudeheizung: hohe passive Solargewinne; Wohn- und Schlafräume im Süden; Erschließungsbereich und Lichthöfe als Klimapuffer; Fußbodenheizung Beleuchtung: minimierter Kunstlichtbedarf durch sehr hohe Tageslichtversorgung Energiebedarfsdeckung: Gasbrennwerttechnik • nachhaltigkeitsorientierte Benchmarks Prozessqualität Nachhaltiges Bauen: Wahl des Grundstücks und der Gebäudestruktur im Hinblick auf alters- und familien• Partizipationskonzept gerechtes Wohnen Partizipation: Mitwirkung der Nutzer als Projektentwickler, Architekt und Bauherr 1 EG-Wohnungen bei Nachrüstung einer Rampe im Eingangsbereich, Gesamtwohnfläche bei Nachrüstung eines Aufzugs (vorgesehen)

224

Sporthalle

Sporthalle Tübingen, D 2004 Architekten: Allmann Sattler Wappner, München Mitarbeiter: Dirk Bauer, Birgit Bader, Eva Hartl, Kai Homm, Christof Kilius, Thomas Meusburger, Martin Plock, Ulf Rössler, Steffen Schwarz Tragwerksplanung: Werner Sobek Ingenieure, Stuttgart Energiekonzept: Transsolar Energietechnik, Stuttgart

Die Multifunktionshalle befindet sich in unmittelbarer Nachbarschaft zum Sportgelände der Stadt Tübingen und zum großzügigen Freibadareal entlang der Auenlandschaft des Neckars. Der monolithische Kubus markiert hier den Endpunkt des Sportgeländes. Da die Halle vielfältig nutzbar sein soll – für den Profi- und Leistungssport ebenso wie für den Schulsport sowie für den Trend- und Breitensport –, wurde nicht nur das innere Volumen voll ausgenutzt, sondern auch die Außenwände so weit wie möglich in das Raumprogramm integriert. Alle vier Fassaden übernehmen neben der Funktion der Wetterhaut weitere Aufgaben, etwa als vollflächige Solarfassade, Outdoor-Kletterwand oder Halfpipe. Innen bildet das um ein Geschoss abgesenkte Sportfeld den Mittelpunkt der Halle, die ringsherum angeordneten Zuschauertribünen nehmen den Höhenversprung der Eingangsebene auf. Diese dient als Verteiler- und Servicezone, während sich im Untergeschoss die Umkleideräume befinden und das Obergeschoss für besondere Veranstaltungen genutzt wird. Überspannt wird die Sporthalle von Stahlfachwerkbindern, die sich auf Sichtbetonaußenwände und drei Kerne stützen. Ein möglichst geringer Einsatz von Primärenergie und die Nutzung natürlicher Ressourcen sind die Kernpunkte des Energiekonzepts. Die Kühlung der Frischluft im Sommer erfolgt über einen Erdkanal, welcher auch die Zuluft im Winter erwärmt. Bei Großveranstaltungen mit bis zu 3000 Personen wird eine Kältemaschine zugeschaltet. Mittels Wärmetauschern im Dachbereich wird die Wärme der Abluft zurückgewonnen. Die grünlich schimmernden Solarmodule mit weißem Randverbund nehmen die gesamte Fläche der Südwestfassade ein; der erzeugte Strom wird in das öffentliche Netz eingespeist. Das extensiv begrünte Flachdach dient u. a. der Luftreinigung und Temperaturregulierung. Per Nahwärmenetz wird das Wasser zur Heizungsversorgung aus dem benachbarten Schwimmbad bezogen und die Halle damit in den kalten Monaten über die Deckenstrahlungsheizung erwärmt. º

Baumeister 3 / 2005 GLAS 2 / 2005

aa

bb

b

a

a

b Schnitte • Grundriss EG Maßstab 1:1000

225

Beispiel 10

1

2

3

4

226

Sporthalle

5 8 9

7 6

Vertikalschnitt Maßstab 1:20 Energie- und Lüftungsschema 1

2

Dachaufbau: extensive Begrünung Substrat Drainage- und Filtermatte Abdichtung Elastomerbitumen Wärmedämmung Steinwolle bitumenkaschiert 140 mm Dampfsperre Elastomerbitumen Akustiksickenfüller, Vlieskaschierung Stahltrapezblech 100/275/0,75 mm Wandaufbau: Photovoltaikfassade: ESG-Laminatverbund an Auflagerwinkel, Unterkonstruktion Wandhalter (Gleit-Festlager) Luftschicht 85 mm Mineralwolle mit Vlieskaschierung 100 mm

3

4

5 6 7 8 9

Stahlbeton 300 bzw. 360 mm Wandaufbau: Festverglasung Sonnenschutzverglasung mit innen liegendem Blendschutz, SZR mit Argonfüllung, Außenscheibe Siebdruck 50 % Bodenaufbau: Zementestrich 50 mm PE-Folie Trittschalldämmung 20 mm Hartschaum 30 mm PE-Folie Stahlbeton 250 mm Frischluftansaugung über Erdkanal Wärmetauscher Quelllüftung Wärmerückgewinnung mittels Kreislaufverbundsystem Deckenstrahlheizung

Thema

Qualitative Merkmale

Kennwert / Indikator

Standortqualität

Energieangebot: Deckung Heizwärmebedarf durch Nahwärmeverbund mit benachbartem Schwimmbad Nutzung: Standortwahl ergänzt sinnfällig vorhandene Freizeiteinrichtungen (Schwimmbad, Sportvereine, Festplatz); Nutzung durch ortsnahe Ganztagsschulen Mobilität: kompakte Anordnung der Stellplätze im Verbund mit angrenzenden Einrichtungen Lärm / Erschütterung: Ausrichtung des Gebäudes sowie Lage der Öffnungen berücksichtigt Lärmemissionen der nördlichen Hauptverkehrsstraße

• Globalstrahlung: 1120 kWh / m2a • Dichte: 775 EW / km2 • Entfernung ÖPNV: 30 m (Bus); 1000 m (Regional- und Fernbahn)

Objektqualität Erschließung / Kommunikation

Verkehr: Haupteingang orientiert sich zur verkehrsberuhigten Nebenstraße; auskragendes Obergeschoss erzeugt wettergeschützten Vorplatz Soziale Kontakte: Ausprägung der Außenfassaden eröffnet ganztägige Freizeitmöglichkeiten (Skaten, Streetball, Kletterwand) Zugänglichkeit und Nutzbarkeit: klare, übersichtliche Gebäudestruktur; Absenkung der Halle ermöglicht schwellenlosen Zugang; Rampentreppe EG / UG Grundstück Grundstücksfläche: Reduktion des Grundflächenbedarfs durch Überlagerung unterschiedlicher Sportarten und Mehrfachnutzungen Freifläche: extensive Dachbegrünung Gestaltung Baukultur: öffentlicher Bau markiert Stadteinfahrt; Signalwirkung der vollflächigen PV-Südfassade; differenzierte Grüntöne der unterschiedlichen Fassaden schaffen spezifische Identität und stellen Bezüge zur Auenlandschaft her; gestaltete Dachlandschaft aufgrund der Topografie sichtbar Wohlbefinden / Sicherheit: Prallwände im Bereich der Sportarena; Brandgasventilator mit 10-fachem Luftwechsel Schall: Gesundheit geräuscharme Lüftungsanlage Licht: optimierte Flächenanteile der Dach- und Fassadenöffnungen; Ausleuchtung über transluzente Oberlichter gewährleistet blendfreie und gleichmäßige Ausleuchtung; Kunstlichtkonzept erzeugt 1000 Lux auf Spielfläche (fernsehtauglich); helle Oberflächengestaltung der Decke und Fachwerkträger (Reflexionsgrad > 70 %) Raumluft: Querlüftung möglich; zugluftfreie Quelllüftung Raumklima: offene Speichermassen; max. Sommertemperaturen 27 °C; VIP-Breiche teilklimatisiert (Kühlung) Gebäudesubstanz Bausubstanz: robuste Materialien im Innen- und Außenbereich Gebäudestruktur / Ausbau: Nutzungsflexibilität durch ausfahrbare Tribünen; multifunktionale, teilbare Arena Betriebs- und Betrieb und Instandhaltung: niedrige Energiekosten; Lüftungskonzept reduziert jährliche Betriebskosten um Unterhaltskosten ca. 36 % (im Vergleich mit konv. Systemen) Instandsetzung: klare Trennung von Tragwerk und Ausbau Betriebsenergie Gebäudeheizung: kompakter Baukörper; Windfang; vorkonditionierte Zuluft; Abluftanlage mit WRG; effiziente Deckenstrahlungsheizung Gebäudekühlung: Erdkanal für Grundversorgung (normaler Sportbetrieb); zusätzliche Kältemaschine mit 180 KW zur Spitzenlastabdeckung (Großveranstaltungen) Luftförderung: minimierter Luftwechsel durch Quelllüftung (2,5-fach); Reduktion von Ventilatoren – Abluftsystem nutzt Thermik Beleuchtung: sehr gute Tageslichtversorgung; Kunstlichtkonzept basiert auf Leuchtstofflampen (Grundausleuchtung) sowie zusätzlichen Halogenmetalldampflampen (1000 Lux) Energiebedarfsdeckung: 4 Erdkanäle à 50 m – Kühlleistung ca. 70 kW, Heizleistung ca. 90 kW; Stromertrag PV-Fassade mind. 24 000 KWh / a; Reduktion der CO2-Emissionen durch Energiekonzept um ca. 40 t / a Prozessqualität Integrale Planung: interdisziplinäres Planungsteam seit Wettbewerb Analysen: umfangreiche Tageslicht- und Kunstlichtsimulation; thermisch-dynamische Simulation 1 D: Dach (massiv) / A: Außenwände / F: Fenster / O: Oberlichter / B: Boden gegen Erdreich

• Fahrradabstellplätze: 25 m2 • GFZvorh.: 1,4 • BGF Neubau: 6500 m2 • unversiegelte Fläche: 20 %Grundstück • Dachbegrünung: 60 %überbaute Fläche • Tageslichtautonomie: 4 % • Lüftung: maschinell 100 %NF • U-Werte Gebäudehülle1 [W / m2K]: D: 0,27 / A: 0,36 / F: 1,5 / O: 2,5 / B: 0,38 • Baukosten KG 300 – 400: 7 150 000 ™ • Verhältnis KG 300 / 400: ca. 80 / 20 • Baukosten: 1100 ™ / m2BGF • solaraktive Flächen: PV 525 m2 • Wettbewerb

• Simulationsverfahren

227

Beispiel 11

Fortbildungsakademie Herne, D 1999 Architekten: Jourda et Perraudin, Lyon / Paris Hegger Hegger Schleiff, Kassel Tragwerksplanung: Ove Arup and Partners, London Schlaich Bergermann und Partner, Stuttgart Energiekonzept: Ove Arup and Partners, London HL-Technik, München

Mit der Fortbildungsakademie Mont-Cenis wurde ein ganzer Stadtteil neu gestaltet: Das Areal von 25 ha umfasst auch einen Landschaftspark und ein 5 ha großes Wohngebiet. Die Glashalle der Akademie wurde mit einer überbauten Grundfläche von 16 000 m2 als »mikroklimatische Hülle« zur passiven Solarenergienutzung entwickelt, unter der die verschiedenen Gebäudeteile als eigenständige Baukörper untergebracht sind. PhotovoltaikGlas-Module bedecken etwa die Hälfte der Dach- und Fassadenfläche und sind integraler Bestandteil des Gestaltungskonzepts; sie übernehmen außer der Energiegewinnung auch Aufgaben des Sonnenschutzes und der Tageslichtkontrolle. Um den Wolkeneffekt erlebbar zu machen, wurden die Module in unterschiedlicher Dichte verlegt. Öffnungsflügel im Mittelbereich des Daches sorgen für Entlüftung. Der Witterungsschutz und die solaren Energieeinträge bewirken ein mildes Klima, welches die Halle als Außenraum nutzbar macht und den Energiebedarf der in ihr befindlichen Gebäude senkt. Die Hüllflächen der eingestellten Baukörper müssen weder wind- noch regendicht sein und können in einfacher Bauweise erstellt werden. Beheizte Fläche wird eingespart, da große Teile der Erschließung in die Halle verlegt werden. Die Nutzung warmer Luft, die sich unter dem Glasdach staut, spart im Winter zusätzlich Heizenergie. Tragwerk und Fassadenkonstruktion bestehen aus Holz als nachwachsender Rohstoff. Zum Energiekonzept gehört auch ein Blockheizkraftwerk: Dort wird Grubengas, das aus den ehemaligen Bergwerksschächten strömt, zur Stromerzeugung genutzt. Da bei einer sonnenlosen Tiefdruckwetterlage besonders viel Gas anfällt, gleicht die Anlage dann die geringeren Erträge des Solarkraftwerks aus. Der Gesamtenergiebedarf beträgt bei optimaler Steuerung der Anlagen ca. 32 kWh/m2a. º

228

Architectural Review 10 / 1999 Hagemann, Ingo: Gebäudeintegrierte Photovoltaik. Köln 2002

3 1

3

3

2

a a

8 9 5 4

6

6 6

7

Fortbildungsakademie

10

11

12

13 14

14

15 16

17 18

18

bb

b 14

b 19

Grundriss Maßstab 1:1500 Vertikalschnitt • Horizontalschnitt Maßstab 1:20 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Bibliothek städtische Verwaltung Hotel / Wohnungen Bürgersaal Casino, Freizeitbereich Fortbildungsakademie Verwaltung Akademie Wasserfläche Holzterrasse

10 Dachverglasung VSG aus: Weißglas TVG 6 mm Photovoltaikzellen in Gießharz 2 mm TVG 8 mm 11 Wechselrichter 12 Stahlrinne verzinkt 13 Regenwasser Schnellablaufsystem 14 Fassade Einfachverglasung: Structural Sealant Glazing auf Fassadenpfosten BSH 160/60 mm; einzelne Scheiben in Teilbereichen aus Photovoltaikmodulen 15 Randträger BSH 300/400 mm 16 Öffnungsflügel 17 Dachträger Holzfachwerk 18 Holzfachwerk zur Aufnahme der Windkräfte 19 Fassadenriegel BSH

229

Beispiel 11

A

B

C Schema Klimakonzept A Sommer B Übergangszeit C Winter

Schnitt Maßstab 1:1000

aa Thema

Qualitative Merkmale

Kennwert / Indikator

Standortqualität

Energieangebot: Grubengas Grundversorgung / Nutzungsmischung: Akademie, Hotel, Restaurant, Sporteinrichtung, Bürgerzentrum, öffentliche Bibliothek, Stadtteilverwaltung Integration / Durchmischung: Landesbildungseinrichtung sowie öffentliche Einrichtungen für den Stadtteil in einkommensschwachem Umfeld Nutzung: Zeichen für den Strukturwandel einer Region Mobilität: Fahrradstellplätze, Leihräder im Haus Lärm / Erschütterung: Schallimmissionsschutz durch Klimahülle Strahlung: Abdichtung gegen Grubengas

• Globalstrahlung: 960 kWh / m2a • Dichte: 3231 EW / km2 • Entfernung ÖPNV: 100 m (Bus)

Verkehr: Haupteingang über städtischen Platz Soziale Kontakte: Klimahülle als zentraler und öffentlicher Kommunikationsraum; Akademiegäste und lokale Bevölkerung mischen sich; Vernetzung über zugeordnete Treppen und Laubengänge Zugänglichkeit und Nutzbarkeit: Rezeption; 24 h öffentliche Zugänglichkeit Grundstücksfläche: Flächenrecycling; ehem. Zechen- und Kokereigelände Freifläche: flächige, elliptische Niederschlagsversickerung »Pappelellipse« mit Überlauf in Vorfluter (Bach) als gestalterisches Element Baukultur: Endpunkt eines regionalen Grünzugs; hohe Signifikanz schafft lokale Identität im Stadtteil Sicherheit: übersichtliche Gestaltung von Außenraum und Klimahülle; behindertengerechte Orientierung Schall: absorbierende Innenfassaden Licht: optimierte Fensterflächenanteile; Light Shelves und HOE zur Tageslichtlenkung Raumluft: Erdkanäle zur Lüftung der Innenhäuser; nat. Lüftung von Büros und Seminarräumen Raumklima: hohe Raumlufthygieneforderungen; offene Speichermasse; Zwischenklima in Klimahülle Bausubstanz: dauerhafte Materialien und Details Gebäudestruktur / Ausbau: Trennung von Rohbau, Ausbau und Installationen Investitionskosten: nutzungsübliche Baukosten trotz zusätzlichen Baus der Klimahülle Finanzierung: Finanzierung des gebäudeintegrierten Photovoltaik-Kraftwerks durch lokales Energieversorgungsunternehmen Betrieb und Instandhaltung: planungsbegleitende Variantenanalyse von Investitions- und Betriebskosten, niedrige Energiekosten Instandsetzung: Einsatz dauerhafter und alterungsfreundlicher Materialien Rohstoffe / Verfügbarkeit: Konstruktion / Ausbau in unbehandeltem Holz Umweltbelastung: Planung gemäß Ökobilanz-Daten Schadstoffe: Schadstoffprüfung von Ausbaumaterial Rückbau: elementierte Konstruktion Gebäudeheizung: reduzierter Energiebedarf durch unbeheizte Klimahülle, hohe Dämmqualität der Innenfassaden, Heizung über Nahwärmenetz, Lüftungsanlagen mit WRG Gebäudekühlung: Speichermasse in dauerhaft genutzten Gebäuden, Nachtauskühlung Warmwasserbereitung: zentral über Nahwärmenetz Luftförderung: dezentral je Baukörper, natürliche Lüftung (außer Küche) Beleuchtung: Regelung über Präsenzund Tageslichtsensoren Energiebedarfsdeckung: dach- und fassadenintegrierte Photovoltaik 1 MWpeak mit Batteriespeicher 1200 kWh zur Spitzenlastabdeckung, Grubengas-BHKW 2,9 MW (1150kWel +1740 kWtherm) Abfälle aus Betrieb und Nutzung: Wertstoff-Sammelstelle im UG Wasser: wassersparende Armaturen Nachhaltiges Bauen: Modellprojekt des Landes NRW für nachhaltiges Bauen, energieeffizientes Bauen und behindertengerechtes Bauen Bautradition: Holztragwerk assoziiert ehem. Anwendung als Stützwerk im Bergbau Partizipation: prozessbegleitende Information der lokalen Öffentlichkeit; »offene Baustelle« Integrale Planung: interkulturelles und -disziplinäres Planungsteam mit Nutzerbeteiligung während des Planungs- und Bauprozesses Analysen: thermische Simulation, Strömungs-, Energiebedarfs- und Tageslichtsimulation, Windkanaluntersuchungen Facility Management: planungsbegleitende Einführung

• Fahrradabstellplätze: 80 m2 • GFZvorh.: 0,48 • BGF Klimahülle: 12 326 m2 Innenhäuser: 14 346 m2 • unversiegelte Fläche: ca. 40 %Grundstück • Lüftung: natürlich 100 %NF Klimahülle maschinell 100 %NF Innenhäuser • Betriebsstunden über 26 °C / a: ca. 80 h • projekt. wirtschaftl. Nutzungsdauer: 50 a • Baukosten KG 300 – 400: 41 500 000 ™ Innenhäuser (KG 300: 15,5 Mio. ™; KG 400: 5 Mio. ™) Klimahülle (KG 300: 11,5 Mio. ™; KG 400: 9,5 Mio. ™ inkl. PV) • Verhältnis KG 300 / 400: 65 / 35 • Baukosten: 2896 EUR / m2BGF • Anteil nachw. Rohstoffe: ca. 50 Vol.-% • Heizwärmebedarf: 56 kWh / m2a • Deckungsrate ern. Energien: 100 % (Plusenergiehaus) • solaraktive Flächen: PV 8400 m2

Objektqualität Erschließung / Kommunikation Grundstück Gestaltung Wohlbefinden / Gesundheit

Gebäudesubstanz Baukosten Betriebs- und Unterhaltskosten Baustoffe Betriebsenergie

Infrastruktur Prozessqualität

230

• barrierefrei • Wettbewerb • emissionsarme bzw. -freie Baustoffwahl • Regen- / Grauwassernutzung • nachhaltigkeitsorientierte Benchmarks • Partizipationskonzept • Simulationsverfahren • FM-Konzept

Schule

Schule Ladakh, IND 2001 Architekten: Arup Associates, London Tragwerksplanung: Arup & Arup Associates, London Energiekonzept: Arup & Arup Associates, London

º

5

a

4

3 2

4

2 4 b

b

a

Weitläufige Gebirgsketten und tibetischbuddhistische Kultur prägen den Distrikt Ladakh im indischen Himalaya. Das Gebiet liegt im Durschnitt 3500 m über dem Meeresspiegel. Das Klima ist äußerst trocken, auch in heißen Monaten kann es durch die Nachtabkühlung bis auf -10 C zu extremen Temperaturgefällen kommen. In dieser Umgebung eine Schulanlage für 750 Jungen und Mädchen zu entwickeln, die neben Religion und Kultur auch auf traditionelle Bauweisen mit lokalen Materialien und die klimatischen Bedingungen eingeht, war das Ziel der Londoner Architekten. Der Grundriss des Schulkomplexes basiert auf der Form eines Mandalas und orientiert sich in Größe und Form an den umgebenden Dorfund Klosterstrukturen. Mithilfe von Computersimulationen und Analysen wurde die Wirtschaftlichkeit traditioneller Baustoffe und die Nutzung des Solarangebots optimiert. Durch den Einsatz von solarbetriebenen Wasserpumpen zur Bewässerung, blendfreier Lichtführung, natürlicher Querlüftung und passiver Verschattung konnte eine weitgehend autarke Wasser- und Energieversorgung erreicht werden. Die Internatsräume im Norden der Gesamtanlage werden durch Trombewände erwärmt – vor der schwarzen Oberfläche der massiven Wände befindet sich im Abstand von 10 bis 15 cm eine Isolierverglasung. Die tagsüber absorbierte Strahlung wird langsam in das Innere abgegeben, Lüftungsöffnungen im oberen und unteren Bereich sorgen für Konvektion. Alle Wasch- und Toilettenräume wurden ausgelagert und die traditionelle Form der Trockentoilette weiterentwickelt. Es handelt sich um ein Zweikammernsystem mit einer Trockengrube, einer Sickerfläche und einem vorgelagerten, solarunterstützten Lüftungsschacht. Mauern aus Stein, innen mit Lehm verputzt, bilden die Außenwände der Gebäude; die inneren Trennwände bestehen aus Lehmziegeln. Aus Gründen der Erdbebensicherheit trägt das Dach eine von den Wänden unabhängige Holzkonstruktion. Granitsteine, Weiden- und Pappelholz stammen aus der näheren Umgebung.

1

Lageplan Maßstab 1:4000

1 2 3 4

Hauptzugang Schulbereich zentraler Versammlungsplatz Internatsbereich

5

zentrale Energieversorgungsstelle mit Wasserbohrstelle und Solarpumpe

Architectural Review 05 / 2002 Casabella Dez / Jan 2006 / 2007

231

Beispiel 12

c

8 c

1 1 10

9 6

12

4

11

12 13

11

13

3 a b

5

a

14

14

14

14

b

16

6

2

14

14

15

15

7 1

aa

232

bb

Schule

30

Grundrisse • Schnitte Schule, Internat Maßstab 1:500 Schnitt Wasch- und Toilettenanlage Maßstab 1:100 Temperaturdiagramm Klassenraum

Klassenzimmer

25 20 15 10 5

Außenraum

0ºC -5 Tag Uhrzeit

1

2

3

4

5

6

7

9h/16h

9h/16h

9h/16h

9h/16h

9h/16h

9h/16h

9h/16h

1 2 3 4 5 6 7 8 9

17

10 11 12 13 14 15 16

21 18

17 19

17

20 cc

18 19 20 21

Zugang Unterrichtsraum im Freien Spielplatz mit Brunnen Kinderkrippe Kindergarten Klassenraum Lehrerzimmer Wasch- und Toilettenräume Luftschleuse mit Schließfächern beheizter Ruheraum Eingangsbereich Wohnraum Schlafzimmer Lehrer Schlafzimmer Schüler Waschraum Innenhof Stahlblech verzinkt, dunkel gestrichen Waschrinne Trockengrube Sickerfläche Lüftungsschacht

Thema

Qualitative Merkmale

Kennwert / Indikator

Standortqualität

Energieangebot: Lage 3500 m ü. NN; hohe Temperaturschwankungen (auch in Sommernächten bis - 10 °C); sehr trocken und windig; kaum öffentliche Infrastruktur (kein Strom, Wasser oder Abwasser) Grundversorgung / Nutzungsmischung: Masterplan umfasst neben Schule und Internat auch berufsbildende Workshops, Computerarbeitsplätze, Küche, Krankenstation Integration / Durchmischung: Unterricht für alle Bevölkerungsschichten und Altersstufen von Kindergarten bis High-School; Unterkünfte für Schüler aus entfernten Dörfern Solidarität / Gerechtigkeit: Entwicklungshilfeprojekt; Unterstützung und Berufsqualifikation der einkommensschwachen Landbevölkerung Mobilität: Nähe zur Hauptverkehrsverbindung; Bushaltestelle

• Globalstrahlung: ca. 1800 kWh / m2a • standortrelevante Klimadaten: Außenlufttemperatur im Winter bis - 30 °C • Dichte: 3 EW / km2

Soziale Kontakte: zentraler Versammlungsplatz; Sportplatz; Bibliothek; Unterrichtsräume im Außenbereich; Spielplatz; Ruheräume; Gemeinschaftswohnbereiche Freifläche: Vegetation gewährleistet Wind- und Sonnenschutz; befestigte Flächen überwiegend unversiegelt Baukultur: Orientierung des Baukörpers am Erscheinungsbild der ortsnahen Klöster- und Dorfstrukturen; unmittelbarer Ortsbezug durch Verwendung von Granitstein der direkten Umgebung Personalisierung: Innovationen im Kontext von »Low-Tech« (Bautradition) und »High-Tech« (Optimierung durch Simulation) Sicherheit: erdbebensichere Dachkonstruktion Licht: großflächige Südverglasung; gleichmäßige und blendfreie Tageslichtausleuchtung der Klassenräume durch zusätzliches Nordlicht; helle Oberflächen von Wänden und Decken Raumluft: Querlüftung der Klassenräume; solar unterstützte Entlüftung der Sanitärräume Raumklima: passive Verschattung, windgeschützte Innenhöfe Bausubstanz: Auswahl robuster und alterungsfähiger Materialien und Konstruktionen Gebäudestruktur / Ausbau: Massivbau; flexible Klassenräume; kaum Installationen; Sanitäranlagen in separatem Gebäude Investitionskosten: geringe Baukosten; Minimierung des Kapitaleinsatzes Finanzierung: ca. 40 % Spenden Betrieb und Instandhaltung: geringe Betriebs-, Unterhalts- und Energiekosten Instandsetzung: reparaturfreundliche und austauschfähige Konstruktions- und Detailausbildung; minimale Anlagentechnik Rohstoffe / Verfügbarkeit: überwiegend erneuerbare bzw. lokal verfügbare Baustoffe wie Holz, Lehm, Naturstein Umweltbelastung: geringer Primärenergiegehalt Rückbau: z. T. lösbare Verbindungen Gebäudeheizung: maximale Ausnutzung der solaren Gewinne; Klassenräume süd-ost-orientiert; Windfang; Trombewand; Holzöfen Gebäudekühlung: Speichermassen; Dachüberstände Beleuchtung: Klassenräume ohne Kunstlicht Energiebedarfsdeckung: PV für Wasserpumpe und elektr. Geräte; Biomasse (Holz) Wasser: Wasserversorgung aus Grundwasser (30 m Tiefe); Vorratstank; wasserlose Komposttoiletten; Bewässerung der Vegetation durch Grauwassernutzung Nachhaltiges Bauen: Modellprojekt zur nachhaltigen Entwicklung; autarke Energieversorgung; Vermittlung von Nachhaltigkeit als Bestandteil des Schulunterrichts Bautradition: Materialwahl, Konstruktions- und Detailausbildungen auf Basis lokaler Bautraditionen und -techniken; Wissenstransfer Partizipation: Selbsthilfe; Einbindung ortsansässiger Handwerker und Tagelöhner in den Bauprozess Integrale Planung: zweijährige Studien der spezifischen Standortbedingungen; interdisziplinäres Vor-Ort-Planungsteam aus Ingenieuren und Architekten Analysen: Trombewand; Tageslicht- und thermisch-dynamische Simulation

• BGF Neubau: 4445 m2 • unversiegelte Fläche: ca. 40 %Grundstück • Lüftung: natürlich 100 %NF • Baukosten KG 300 – 400: 1 900 000 ™ • Verhältnis KG 300 / 400: ca. 93 / 7 • Baukosten: 430 ™ / m2BGF • Anteil nachw. Rohstoffe: 40 Vol.-% • Deckungsrate ern. Energien: 100 %

Objektqualität Erschließung / Kommunikation Grundstück Gestaltung

Wohlbefinden / Gesundheit

Gebäudesubstanz Baukosten Betriebs- und Unterhaltskosten Baustoffe Betriebsenergie

Infrastruktur Prozessqualität

• emissionsarme bzw. -freie Baustoffwahl • Baustoffkataster • Regen- / Grauwassernutzung

• nachhaltigkeitsorientierte Benchmarks • Partizipationskonzept • Simulationsverfahren

233

Beispiel 13

Hotel- und Tourismusinstitut Montreal, CDN 2005 Architekten: Lapointe Magne & Ædifica, Montreal Michel Lapointe, Robert Magne Mitarbeiter: Guy Favreau, Jean-Luc Vadeboncoeur Tragwerksplanung: Les Consultants Géniplus, Montreal

Der 21 000 m2 Geschossfläche umfassende Gebäudekomplex des Instituts für Tourismus und Hotelwesen des kanadischen Staates Quebec, kurz ITHQ, wurde 1970 erbaut. Das blockfüllende viergeschossige Sockelgeschoss mit aufgesetztem, siebengeschossigem Hochhaus setzt eine wichtige Landmarke innerhalb der Stadtstruktur Montreals. Mit einer integrierten U-Bahn-Station im Erdgeschoss nimmt die renommierte internationale Ausbildungseinrichtung des Tourismus-, Hotel- und Gastronomiewesens zudem einen Teil der öffentlichen Infrastruktur auf. Um die Bedeutung und Funktion der Einrichtung der Öffentlichkeit zeitgemäß zu vermitteln, wurde die Bausubstanz im Inneren grundlegend saniert und dem ursprünglich, hermetisch abgeschlossenen Baukörper aus Stahlbeton durch eine vorgehängte zweite Fassade aus Glas mehr Transparenz und Tiefe verliehen. Außerdem ist der Baukörper nun durch farblich und strukturell variierende Glaselemente entsprechend den unterschiedlichen Gebäudefunktionen gegliedert: Die öffentlich zugänglichen Einrichtungen wie Restaurant, Foyerbereich und Lobby im Erdgeschoss sind durchgängig verglast und rund um die Uhr einsehbar. Die großformatig aufgedruckten Lettern des glatt umlaufenden Glasbands im Sockelgeschoss transportieren die Gebäudefunktionen nach außen. Die Längsfassaden des Hochhauses werden im Hotel- und im darüberliegenden Verwaltungsbereich durch hervortretende Balkonelemente plastisch gestaltet. Dagegen produziert der Wechsel zwischen klarem und grün gefärbtem Glas der geschuppten Fassade zur Rue SaintDenis je nach Standpunkt des Betrachters unterschiedliche Farbeffekte. Durch die Doppelfassade wird der Energiehaushalt des Gebäudes optimiert: Im Winter werden die Luftmassen im Fassadenzwischenraum durch solare Energieeinträge erwärmt und dem Heizsystem zugeführt. Im Sommer wird die erwärmte, verbrauchte Luft durch die natürliche Thermik über Fassadenöffnungen im Attikabereich abgeführt.

12 15 17 16 15 14 10 18

11 10 aa

a

6

4

7

5

1

9

2

3

º Canadian Architect 05 / 2006 a

234

8

12

Hotel- und Tourismusinstitut

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Schnitt Grundrisse Erdgeschoss 10. Obergeschoss Maßstab 1:1000 Horizontalschnitt • Vertikalschnitt Doppelfassade Maßstab 1:20

Foyer Lobby Hotel Lobby Schule Restaurant Küche Zufahrt Parkhaus Anlieferung Lounge Studenten Zugang U-Bahn offene Büroeinheiten Büro Verwaltung Unterrichtsräume Büro Lehrer Technik Bankettsäle Hotelzimmer

18 Fassadenelement Aluminiumrost kalt gekantet 475/40/5 mm, befestigt an 19 Stahlwinkel ∑ 50/50/3 mm 20 Klarglas 200 ≈ 340 mm 21 Grünglas 55 ≈ 340 mm 22 Pressleiste Aluminium ¡ 20 ≈ 60 mm 23 Profilleiste Aluminium schwarz galvanisiert fi 65/30/3mm 24 Fassadenträger Stahlprofil schwarz galvanisiert ¡ 100/65/5mm 25 Halterung Fassadensteg Stahlrohr | 50/50/3 mm 26 Tragkonstruktion Stahlprofil schwarz ¡ 150/75/5 mm 27 Träger Fassadensteg

Stahlprofil ¡ 100/200/5 mm 28 Rost Streckmetall 700/5 mm 29 Glastür zur thermischen Trennung 30 Einfachverglasung Balkon zur klimatischen Trennung 31 Brüstung Balkon VSG 2≈ 10 mm, eingespannt in Stahlprofil 32 Rost Streckmetall 1350/5 mm 33 Bodenplatte Balkon Stahlblech 650/5 mm 34 Stahlträger Balkon IPE-Profil 310 35 Verkleidung Innenfassade Metall grau lackiert 5 mm 36 Dämmung 140 mm 37 Stahlbeton 550 mm 38 Doppelverglasung zur thermischen Trennung

18 19

29

20

35

21

30

26

36 37 31

27

24 23 25

22

28

33

32

38

bb

b 20

b 24

26

29

31

34

32

33

35

34

28 25

27

235

Beispiel 13

A

B Energieschema Doppelfassade A Sockelgebäude Winter / Sommer B Turmgebäude Winter / Sommer Thema

Qualitative Merkmale

Kennwert / Indikator

Standortqualität

Energieangebot: Erdgasanschluss Grundversorgung / Nutzungsmischung: zentrale, innerstädtische Lage; Angebote für unterschiedliche Nutzergruppen Integration / Durchmischung: Trainingshotel, Hörsaal, Multimedia-Dokumentationszentrum Nutzung: Repräsentations-, Forschungs- und Ausbildungsstätte des Tourismus-, Hotel- und Gaststättengewerbes, öffentlichkeitswirksame Neuprägung des Standorts Mobilität: gebäudeintregrierte U-Bahn-Station im Erdgeschoss

• Globalstrahlung: 1200 kWh / m2a • Dichte: 4439 EW / km2 • Entfernung ÖPNV: 0 m (U-Bahn)

Verkehr: hohe Einbindung in das öffentliche Wegennetz durch zahlreiche Zugänge, nach Himmelsrichtungen unterschiedliche Fassadengestaltung Soziale Kontakte: öffenlich zugängliche Flächen im Erdgeschoss, Kommunikationsflächen, Workshopangebote (z. B. in Demonstrationsküchen) Zugänglichkeit und Nutzbarkeit: großzügige Verkehrs- und Bewegungsfläche Grundstücksfläche: Weiternutzung und Revitalisierung des Gebäudebestands Baukultur: verlängerte Nutzungsdauer des Bestands durch Umgestaltung, Erhöhung von Transparenz verstärkt die Wechselbeziehungen (z. B. Kommunikation der Nutzung) zum Umfeld Schall: reduzierte Schallimmissionen durch Doppelfassade Licht: gute Tageslichtversorgung durch hohen Verglasungsanteil Raumluft: maschinelle Lüftung; Fensterlüftung im Hotelbereich möglich; Zuluftvorerwärmung durch Doppelfassade Raumklima: Steigerung des thermischen Komforts durch erhöhte Oberflächentemperaturen der Bestandsfassade Bausubstanz: Substanznutzung eines Gebäudes aus den 1970er-Jahren Investitionskosten: Sanierungskosten entsprechen ca. 50 % der Kosten eines vergleichb. Neubaus; reduzierte Betriebskosten ermöglichen verdoppelte Öffnungszeiten mit erhöhtem Dienstleistungsangebot bzw. Umsatz Betrieb und Instandhaltung: langlebige Materialwahl (Fassade); leicht zu reinigende Oberflächen Instandsetzung: modularer Stahlbau; einfache Regeldetails Schadstoffe: schadstoffreduzierte Beschichtungen und Bodenbeläge (z. B. Linoleum) Rückbau: modulare, rückbaufähige Stahlkonstruktion Gebäudeheizung: energetische Sanierung durch Doppelfassade als Klimapuffer; Lüftung mit WRG; Energiebedarf < 40 % unter nationalem Standard Gebäudekühlung: effiziente Kompressionskältemaschinen Luftförderung: strombedarfsreduzierte Ventilatoren Sonst. elektr. Verbraucher: alternativ betriebene Küchengeräte (Gas) Energiebedarfsdeckung: Strom (100 % Wasserkraft) Abfälle aus Betrieb und Nutzung: Recyclingstation pro Etage; nachgeschaltete Sortierung im Gebäude Wasser: vorbereitende Planung von Regen- und Grauwassernutzung Nachhaltiges Bauen: energetische Sanierung; Erhöhung der Akzeptanz des Gebäudes durch deutliche Umprägung; Anregung einer Architekturdiskussion durch eine Ausstellung in ortsnaher Galerie Bautradition: Weiterentwicklung industrieller Vorfertigungsprozesse zur Bauzeitverkürzung Integrale Planung: interdisziplinäres Planungsteam (z. B. Beteiligung von Restaurationsberatung) Analysen: thermisch-dynamische Simulation Monitoring: Vorbereitung von Messpunkten Facility Management: extern

• GFZvorh.: 5,9 • BGF Bestand : 27 000 m2 • Lüftung: mechanisch 100 %NF • unversiegelte Fläche: 0 %Grundstück • Baukosten KG 300 – 400: 25 000 000 ™ • Baukosten: 930 ™ / m2BGF • Energieverbrauch (2002 – vor Sanierung) Betriebsstunden: 8 108 h / a Gasverbrauch: 3 407 580 kWh / a Stromverbrauch: 8 873 794 kWh / a Endenergieverbrauch (Heizen, Kühlen, Licht, Geräte): 455 kWh / m2a • Energieverbrauch (2005 – nach Sanierung) Betriebsstunden: 16 712 h / a Gasverbrauch: 2 871 690 kWh / a Stromverbrauch: 8 100 000 kWh / a Endenergieverbrauch (Heizen, Kühlen, Licht, Geräte): 406 kWh / m2a • Energiekosten: 2002: 1 810 ™ / m2a 2005: 1 755 ™ / m2a • Deckungsrate ern. Energien: Strombedarf 100 %

Objektqualität Erschließung / Kommunikation

Grundstück Gestaltung Wohlbefinden / Gesundheit

Gebäudesubstanz Baukosten Betriebs- und Unterhaltskosten Baustoffe Betriebsenergie

Infrastruktur Prozessqualität

236

• barrierefrei • emissionsarme Baustoffwahl • Simulationsverfahren • FM-Konzept

Institutsgebäude

Institutsgebäude Freiburg, D 2006 Architekten: pfeifer. kuhn. architekten, Freiburg Mitarbeiter: Alwin Neuss (Projektleitung), Achim Schneider, Wolfgang Stocker, Johannes Abele, Bendix Pallesen-Mustikai, Dominic Ikic, Marcus Hannemann, Sebastian Fiedler Tragwerksplanung: Mohnke Bauingenieure, Denzlingen Energiekonzept: Ingenieurbüro Kuder, Flein (technische Gebäudeausrüstung), Delzer Kybernetik, Lörrach (Simulation) Das Institut für Umweltmedizin und Krankenhaushygiene ist das zweite von sechs geplanten Neubauten der medizinischen Fakultät und gliedert sich im Südwesten an das Gesamtensemble des Klinikums an. Sie orientieren sich entlang der sogenannten Forscherstraße und können später über Stege miteinander verbunden werden. Die Grundrissorganisation richtet sich nach der Nutzung und den damit verbundenen energetischen Anforderungen. Die Versorgungsschächte der Labore wurden als begehbare Zellen mit Wartungsloggien in die Nordostfassade integriert, wodurch eine flexible und offene Grundrissstruktur erreicht wird. Der nach Südwesten ausgerichtete offene Bürobereich wird durch dreigeschossige Wintergärten gegliedert. Die Mittelzone des Dreibundriegels ist Erschließung und Lüftungsschächten vorbehalten. Die optmierte Nutzung regenerativer Energien steht im Vordergrund des Energiekonzepts. Wesentlicher Bestandteil ist dabei die Luftkollektorfassade sowie die Wintergärten auf der Südseite, die gleichzeitig der Gewinnung solarer Energie sowie der natürlichen Belüftung der Bürobereiche dienen. Im Winter wird die in der Kollektorfassade vorgewärmte Luft in die Büroräume geführt und strömt durch die innenliegenden Schächte über Dach ab, wo eine Wärmerückgewinnung erfolgt. Im Sommer wird umgekehrt über die innenliegenden Luftschächte die über Erdregister gekühlte Außenluft in die Bürobereiche geführt und durch die in der Kollektorfassade entstehende Thermik über gesteuerte Klappen in der Fassade nach außen transportiert. In Abstimmung mit den Behörden wurde für die mechanische Belüftung der Laborräume eine Lösung erarbeitet, die eine Grundbelüftung mit vierfachem Luftwechsel anstatt der vorgeschriebenen achtfachen Wechselrate erlaubt; nach Erfordernis kann der Luftwechsel punktuell erhöht werden. Dadurch konnte eine erhebliche Energieeinsparung und eine Verkleinerung der Lüftungsanlage erreicht werden.

Schnitt • Grundriss 1. Obergeschoss Maßstab 1:500 1 2 3 4

Versorgungsschacht Labor Büro Wintergarten

aa

a

1 2

b

c

b

c

3

4

a

237

Beispiel 14

2 1 4

3

8

12

13

7 8 10

4

4

bb

1 Dachaufbau: Vegetationsschicht 100 mm Filtervlies, Drainschicht Speichermatte, Wurzelschutz Abdichtung Polymerbitumenbahn, zweilagig Wärmedämmung Schaumglas 200 mm Bitumenvoranstrich Stahlbetondecke 300 mm 2 Lüftungsklappe 3 Wandaufbau: Pfosten-Riegel-Konstruktion mit ESG 8 mm Zwischenraum für Luftströmung 260 mm Brettstapelwand 180 mm OSB-Platte 12 mm Zwischenraum für Luftströmung 210 mm Metallständerkonstruktion 50 mm Aufhängung 25 mm Dreischichtplatte 20 mm

238

4

5

6 7 8 9 10 11 12 13

Deckenaufbau: Beschichtung PU–Harz 2 mm Verbundstrich 50 mm Stahlbeton 350 mm mit Betonkernaktivierung Bodenaufbau: Beschichtung PU–Harz 2 mm Estrich auf Trennlage 50 mm Bodenplatte Stahlbeton 250 mm Dämmung 100 mm Filterkies 4/8 Ø 100 mm Lüftungsgitter (Insektenschutz) Blende Dreischichtplatte 15 mm Lüftungsklappe (mit Stellmotor) Lüftungsklappe Konvektor Filter Holz-Aluminium-Fenster Isolierverglasung 2≈ ESG 4 mm Dreischichtplatte geschlitzt

6

5

9 10

11

cc

Institutsgebäude

1

3

2

A

1

Vertikalschnitte Maßstab 1:20 Energieschema A Sommer B Winter

3

1 2 3 2

Wärmetauscher Erdregister Kollektorfassade

B

Thema

Qualitative Merkmale

Kennwert / Indikator

Standortqualität

Energieangebot: Fernwärme KWK; zentrales Kältenetz Nutzung: Standortwahl im Kontext des Neuordnungskonzepts der klinisch-theoretischen Institute Mobilität: zentrale Tiefgarage für alle Institutsgebäude (geplant) Lärm / Erschütterung: Anordnung der Nutzungen gemäß akustischen Anforderungen, Labore straßenseitig orientiert

• Globalstrahlung: 1160 kWh / m2a • Dichte: 1411 EW / km2 • Entfernung ÖPNV: 50 m (Bus); 150 m (Straßenbahn)

Verkehr: Erschließung über autofreie »Forscherstraße«; gute Vernetzung mit den benachbarten Nutzungen Soziale Kontakte: Verkehrs- und Erschließungsbereiche als Kommunikationszonen ausgebildet (z. B. Bibliothek, offene Teeküchen) Grundstücksfläche: kompakter Baukörper Freifläche: minimierter Versiegelungsanteil; Versickerungsmulden Baukultur: gestaltprägende Kollektorfassade; Mehrfachcodierung aller Bauteile und -systeme (funktional, energetisch, konstruktiv, visuell) Sicherheit: gute Orientierung durch klare Grundrisszonierung; Sichtverbindung zu den Laboren (Glastrennwände); im Brandfall achtfacher Luftwechsel Schall: partiell abgehängte Akustikelemente Licht: optimierte Fensterflächenanteile; gute Tageslichtversorgung Raumluft: Erdkanal; Büros natürlich, Labore maschinell belüftet Raumklima: offene Speichermassen; Sommertemperaturen max. 26,7 °C; »Energiegärten« Bausubstanz: Materialwahl unter Berücksichtigung der Dauerhaftigkeit Gebäudestruktur / Ausbau: Skelettbau mit aussteifenden Kernen; flexible Grundrisszonierung; außenseitige, gut revisionierbare Schächte Investitionskosten: Lebenszykluskostenbetrachtung Finanzierung: Förderung durch Innovationsfond Betrieb und Instandhaltung: sehr geringe Betriebs-, Unterhalts- und Energiekosten Instandsetzung: wartungsarme Oberflächen; gute Zugänglich- und Austauschbarkeit von Bauteilen und Installationen Rohstoffe / Verfügbarkeit: bevorzugte Baustoffe sind Holz (18 cm Brettstapelfassade), Beton, Glas Gebäudeheizung: kompaktes Volumen; passive solare Gewinne aus Kollektorfassade und »Energiegärten«; vorkonditionierte Zuluft; Abluftanlage mit WRG; Wärmepumpe; Bauteilaktivierung; zusätzliche Heizkörper nur für extreme Kälteperioden Gebäudekühlung: Nord-Süd-Ausrichtung mit abgestimmtem Fensterflächenanteil; hohe Speicherkapazität; Nachtauskühlung; Wärmepumpe; Sorptionskältemaschine; Bauteilaktivierung Warmwasserbereitung: nur Kaltwasser in den WCs Luftförderung: minimierter Luftwechsel (vierfach statt achtfach); Luftkollektor reduziert Anzahl an Abluftventilatoren durch thermischen Auftrieb Beleuchtung: Tageslichtsensoren; Präsenzmelder Energiebedarfsdeckung: Erdkanal; Luftkollektor; Strombedarfsdeckung durch »Ökostrom«; Ertrag PV ca. 20 000 kWh / a Abfälle aus Betrieb und Nutzung: Anbindung an unterirdische Klinikum-Versorgungsstraße, automatisches Ver- und Entsorgungssystem, zentrale Abfallsammelstelle Wasser: Zisterne; Grauwassernutzung für WCSpülung und Bewässerung der Außenanlagen; wasserlose Urinale Nachhaltiges Bauen: Modellprojekt; ökologisch orientierte Wettbewerbsvorgaben: Ressourenschonung (Material und Energie), Regenwassernutzung Integrale Planung: seit Wettbewerb Analysen: kybernetischer Entwurfsansatz; Tageslichtsimulation, thermisch-dynamische Simulation Monitoring: 12 Monate (relative Feuchte, Temperatur)

• Fahrradabstellplätze: 40 m2 • BGF Neubau: 5076 m2 • Dachbegrünung: 90 %überbaute Fläche • Lüftung: nat. 56 %NF , masch. 44 %NF • U-Werte Gebäudehülle: H'T 0,55 W / m2K • Betriebsstunden über 26 °C / a: 160 h • wirks. Speicherkapazität: 218,5 Wh / m2NF • Baukosten KG 300 – 400: 7 084 000 ™ • Verhältnis KG 300 / 400: 61 / 39 • Baukosten: 1395 ™ / m2BGF • Betriebskosten: 20,26 ™ / m2aNF • Energiekosten: 22,77 ™ / m2aNF • Heizwärmebedarf: 47,6 kWh / m2a • Primärenergiebedarf (Q) Heizung und Warmwasser: 26,8 kWh / m2a • Q Kühlung: 7,5 kWh / m2a • Q Luftförderung: 12,0 kWh / m2a • Q Beleuchtung: 31,0 kWh / m2a • solaraktive Flächen: PV 145 m2

Objektqualität Erschließung / Kommunikation Grundstück Gestaltung Wohlbefinden / Gesundheit

Gebäudesubstanz Baukosten Betriebs- und Unterhaltskosten Baustoffe Betriebsenergie

Infrastruktur

Prozessqualität

• barrierefrei • Wettbewerb • Regen- / Grauwassernutzung

• nachhaltigkeitsorientierte Benchmarks • Simulationsverfahren • Monitoring

239

Beispiel 15

Institutsgebäude Dübendorf, CH 2006 Architekten: Bob Gysin + Partner, Zürich Mitarbeiter: Rudolf Trachsel, Marco Giuliani, Daniel Leuthold, Reto Vincenz Tragwerksplanung: Henauer Gugler, Zürich Energiekonzept: 3-Plan Haustechnik, Winterthur

Auf dem Forschungsgelände der ETH Zürich hebt sich der Kubus des Instituts für Wasserforschung durch seine Hülle aus siebbedruckten, blauen Glaslamellen ab. Unterbrochen wird seine homogene Struktur von einem eingeschobenen Vorbau aus Sichtbeton, der den Eingang markiert. Mit einem Gebäudevolumen von 38 500 m3 gilt das kompakte Verwaltungsgebäude als eines der größten Nullenergiehäuser in Europa. Mithilfe zahlreicher dynamischer Simulationen (Lüftung, Thermik, Beschattung, Rauch) gelang es, die Temperatur ohne aktive Kühlung und konventionelle Heizung zwischen 20 und 26,5 C zu halten. Den Kern bildet das innen liegende, überhöhte Atrium, um das sich Büros, eingeschobene Sitzungszimmer und Vortragssäle gruppieren. Über sein Glasdach lässt das Atrium Tageslicht in das Gebäudeinnere und fungiert als Klimapuffer. In den warmen Monaten wird nachts die in den Massivbauteilen wie Betondecken, Steinholzböden und Lehmwänden gespeicherte Wärme über geöffnete Lüftungsklappen in den Büros an das Atrium abgegeben und über das Dach abgeführt. In den Wintermonaten wird die Speicherwärme in den Bauteilen genutzt und langsam an das Gebäude abgegeben. Die Glaslamellen der äußeren Hülle steuern den Strahlungseinfall; die innere, dichte Gebäudehülle aus vorfabrizierten, hoch wärmegedämmten Holzelementen verhindert unerwünschtes Durchdringen von Wärme und Kälte. Die Frischluftzufuhr, das Ableiten von Schadstoffen und der Wärmeausgleich wird über die zentrale Lüftungsanlage geregelt. Die Außenluft durchläuft dabei die Stationen Erdregister, Wärmerückgewinnung und Luftfilter. Ein Drittel des Strombedarfs wird durch die Photovoltaikanlage auf dem Dach gedeckt, weitere elektrische Energie wird über das Gesamtnetz des Areals bezogen. Über die extensiv begrünten Dachflächen wird Regenwasser gesammelt und als WC-Spülung verwendet. º Werk, Bauen und Wohnen 11 / 2006

240

aa

a

a

Institutsgebäude

6 Schnitt • Grundrisse Erdgeschoss 1. Obergeschoss Maßstab 1:750 Vertikalschnitt Maßstab 1:20 1 5

2

3

4 5 6

Bodenaufbau: Hartsteinholz 10–12 mm Zementüberzug mit Glasfaserarmierung 70–68 mm Trittschalldämmung 20 mm Stahlbetondecke schlaff armiert 360 mm Wandaufbau, U = 0,114 W/m2K: Faserzementplatte 8 mm Lattung 40/60 mm Konterlattung 40/60 mm / Hinterlüftung 40 mm Dichtungsbahn diffusionsoffen Wärmedämmung Mineralwolle 180 mm Holzfaserplatte diffusionsoffen 15 mm Dämmung Mineralwolle 120 mm Gipsfaserplatte 15 mm Dampfbremse PE-Folie Mineralfaserdämmplatte 30 mm Akustikplatte MDF-Platte gerillt 17 mm Fensterelemente: Holzrahmen Fichte Isolierverglasung Float 6 + SZR 12 + ESG 5+ SZR 12 + Float 4 mm, U = 0,5 W/m2K Flachstahl ¡ 150/10 mm feuerverzinkt Glaslamelle mit Siebdruck Photovoltaikelement

3 1

4

2

241

Beispiel 15

4

3

1 2 A

4

B

Raumluftschema A Lüftung B Nachtauskühlung

1 2

Frischluftspeicher Erdregister Lüftungszentrale

3 4

Fortluft mit Wärmerückgewinnung Natürliche Entlüftung / Abluft

Thema

Qualitative Merkmale

Kennwert / Indikator

Standortqualität

Energieangebot: Fernwärme KWK (Energiebezug nur bei sehr niedrigen Außentemperaturen); zentrales Kältenetz Grundversorgung / Nutzungsmischung: Tagesstätte für Kinder von Beschäftigten auf dem Grundstück Nutzung: Standortwahl ergänzt sinnfällig bestehendes Forschungsareal der EAWAG und EMPA Mobilität: Reduktion von Pkw-Stellplätzen (sechs Besucherparkplätze, keine Neuausweisung)

• Globalstrahlung: 1300 kWh / m2a • Dichte: 1671 EW / km2 • Entfernung ÖPNV: 200 m (Straßenbahn, geplant); 700 m (S-Bahn)

Objektqualität Erschließung / Kommunikation

Verkehr: Areal öffentlich zugänglich; gute Wegevernetzung mit benachbarten Gebäuden; markanter Haupt- • Fahrradabstellplätze: 60 m2 • BGF Neubau: 8533 m2 eingang Soziale Kontakte: Atrium bietet Orientierung und Raum für informelle Gespräche; Restaurant; • Dachbegrünung: 55 %überbaute Fläche Bibliothek; Seminar- und Vortragsräume Zugänglichkeit und Nutzbarkeit: alle Geschosse barrierefrei • Lüftung: maschinell 100 %NF erschließbar, mit Behinderten-WCs • U-Werte Gebäudehülle1 [W / m2K]: Grundstück Grundstücksfläche: kompakter Baukörper Freifläche: naturnah gestalteter Freiraum, heimische Vegetation; D: 0,10 / A: 0,11 / F: 0,7 / B: 0,13 geplante Renaturierung des angrenzenden Chriesbach; geringer Versiegelungsanteil; offene Wasserfläche • Baukosten KG 300 – 400 2: 13 430 000 ™ Gestaltung Baukultur: zukunftsweisendes Nachhaltigkeitskonzept, Reduktion Primärenergie um Faktor 4 (entsprechend • Baukosten: 1575 ™ / m2BGF Vision 2000-Watt-Gesellschaft) Personalisierung: identitätsstiftender, offener Innenraum für Kommunikation • Heizwärmebedarf: 14,4 kWh / m2a Wohlbefinden / Sicherheit: gute Sichtverbindungen; umlaufende Fluchtbalkone; Sprinkleranlage Schall: Schallschutzgläser • Primärenergiebedarf (Q) Heizung und Gesundheit zwischen Büros / Atrium, schallabsorbierende Bürotrennwände (perforiert) Licht: lichtlenkende GlaslamelWarmwasserbereitung: 2,7 kWh / m2a len; separater Blendschutz; Büros zweiseitig belichtet Raumluft: Erdkanal; maschinelle Zu- und Abluft • Q Kühlung: 1,2 kWh / m2a Raumklima: außen liegender Sonnenschutz; offene Speichermassen; z. T. Lehmtrennwände; Nachtlüftung • Q Elektroenergiebedarf: 48,6 kWh / m2a Gebäudesubstanz Bausubstanz: sehr dauerhafte Bodenbeläge (Steinholz) und Wetterschutzschicht (Glaslamellen) Gebäude• Deckungsrate ern. Energien: 46 % struktur / Ausbau: Skelettbau; flexible Bürogrundrisse; konsequente Trennung von Tragwerk / Ausbau / TGA • solaraktive Flächen: Solarthermie 50 m2, PV 459 m2 Betriebs- und Betrieb und Instandhaltung: sehr niedrige Energie- und Betriebskosten Instandsetzung: gut zugängliche Unterhaltskosten Schächte, flexible Installationen; Auswahl wartungsarmer Materialien und Oberflächen • barrierefrei Baustoffe Rohstoffe / Verfügbarkeit: Recyclingbeton; elementierte Holzaußenwände; Lehmtrennwände Umweltbelas• Wettbewerb tung: geringer Primärenergiegehalt (43 201 GJ); Vorgabe 5000 MJ / m2BGF Schadstoffe: Einzelprüfung aller • emissionsarme bzw. -freie Baustoffwahl Baustoffe; Verzicht auf Lösemittel Rückbau: Rückbaukonzept Bestandteil der Entwurfsplanung • Baustoffkataster Betriebsenergie Gebäudeheizung: minimierte Transmissionswärmeverluste durch Kompaktheit, hohen Dämmstandard, luft• Rückbaukonzept dichte Hülle, thermische Zonierung (Büros 20 °C, Verkehrsflächen 18 °C); Pufferzonen; keine konventionelle • Regen- / Grauwassernutzung Heizanlage (Zulufterwärmung, Nutzung der Serverabwärme); Abluftanlage mit WRG Gebäudekühlung: nachgeführter Sonnenschutz; Nachtauskühlung; hohe Speicherkapazität; vorkonditionierte Zuluft; Kühldecken in Seminarräumen Luftförderung: minimierter Luftwechsel Beleuchtung: Tageslichtsensoren; Präsenzmelder Sonst. elektr. Verbraucher: energieeffiziente Geräte Energiebedarfsdeckung: 80 Erdkanäle à 20 m; Ertrag Vakuumröhrenkollektoren 24 000 kWh / a, PV 60 300 kWh / a Infrastruktur Wasser: Gründach; Wassergarten; wasserlose Urinale; No-Mix-Toiletten (Regenwassernutzung) • nachhaltigkeitsorientierte Benchmarks Prozessqualität Nachhaltiges Bauen: Modellprojekt; vorbildliche Wettbewerbsvorgaben: Ressourcenschonung, »Nullener• Simulationsverfahren giegebäude«, Strombedarfsdeckung PV 33 %, Regenwassernutzung Integrale Planung: seit Wettbewerb; • Monitoring frühzeitige Einbindung Generalunternehmer Analysen: umfangreiche Simulationen Monitoring: 2 Jahre 1 D: Dach (im Mittel) / A: Außenwände (im Mittel) / F: Fenster / B: Boden gegen Erdreich; 2 Angaben entsprechen 22 070 000 CHF (BKP 2)

242

Bürogebäude

Bürogebäude Landshut, D 2003 Architekten: Hascher Jehle Architektur, Berlin Mitarbeiter: Thomas Weber, Thomas Breunig, Carsten Burghardt, Andreas Dalhoff, Matthias Rempen, Friedrich Rohdich, Ulrike von Schenk Tragwerksplanung: Seeberger, Friedl und Partner, München Energiekonzept: Climaplan GmbH, München

Am Stadtrand von Landshut erwarb die Landund Forstwirtschaftliche Sozialversicherung (LSV) ein 30 000 m2 großes Grundstück, um seine vier Körperschaften Alterskasse, Krankenkasse, Pflegekasse und Berufsgenossenschaft in einem neuen Verwaltungsbau zu vereinen. Der weitläufige Gebäudekomplex umfasst im Wesentlichen drei Elemente: den konvex geformten Kopfbau im Osten mit Sitzungssälen und Bibliothek, den 120 m langen, sich zum Eingang hin aufweitenden gläsernen Verbindungsgang und die im rechten Winkel angelagerten ost-west-orientierten Büroriegel. Während das Tragwerk der Bürotrakte aus einem flexibel aufteilbaren Stahlbetonskelett besteht, ist die Erschließungshalle aus regional verfügbarem Holz konstruiert. Die geschwungenen Brettschichtholzbinder der Südfassade werden von bis zu 17 m hohen, baumartigen Stützen aus verleimtem Brettschichtholz getragen; Holzstege in jedem Geschoss verbinden die Büroriegel miteinander. Als Lärmschutzschild und thermische Pufferzone konzipiert, bilden die natürliche Be- und Entlüftung des Gebäudevolumens und eine Aktivierung der Speichermassen die wesentlichen Grundlagen des sommerlichen Klimakonzeptes der Glashalle. Der thermische Auftrieb wird durch Zuluftöffnungen am Fußpunkt der Südfassade und Abluftöffnungen im nördlichen Dachbereich unterstützt. Die Eigenverschattung durch den Kopfbau reduziert die Erwärmung, und eine gezielte Hinterlüftung des innen liegenden Sonnenschutzes verhindert das weitere Eindringen der Stauwärme in die Aufenthaltsbereiche. Um im Winter an der Fassade extremem Kaltluftabfall und dadurch erhöhten Strömungsgeschwindigkeiten entgegenzuwirken, sind Deckenheizstrahlplatten unterhalb der Verkehrsstege, Fußbodenheizung und Heizkonvektorenbänder integriert. Insgesamt unterschreiten die Energiekennwerte des Gebäudekomplexes die Vorgaben der Energieeinsparverordnung deutlich. º

a

a

AIT 12 / 2003 db 04 / 2005 aa

Grundriss Erdgeschoss • Schnitt Maßstab 1:1000

243

Beispiel 16

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Vertikalschnitte Maßstab 1:20 1

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Sonnenschutzverglasung 400 ≈ 165 cm, zweiseitig oben und unten gehalten, seitlicher Glasstoß mit Auflagerprofil ohne Pressleiste Riegel BSH 80/140 mm, mit 11  Neigung auf Bindern Binder BSH 14/360 mm, unterer Teil als Kreisbogenabschnitt mit bogenförmiger Verleimung Aluminium-Stehfalzprofildeckung 1,5 mm Gefälledämmung 180–260 mm Dampfsperre Brettstapeldecke 100 mm Träger 2≈ Flachstahl ¡ 6/330 mm Dach-Randträger BSH 140/240 mm

6 7 8

9 10 11 12

13 14 15

Attikablech Aluminium gekantet Wärmeschutzverglasung Pfosten-Riegel-Konstruktion Stahl, mit Stegen an Zugstab Stahlrohr Ø 101,6 mm angeschlossen Auskreuzung Stahlrohr Ø 44 mm Stützenkopf mit 4 Kragarmen, BSH 140/280–840 mm Stütze BSH Ø 300 mm Stahllasche 300–350/600/10 mm, eingeschlitzt in Binder, mit Schlaufenbewehrung in Sichtbeton-Sockel einbetoniert Lüftungskasten Wetterschutzgitter Edelstahl Gitterrost Stahl

15

12 13 14

244

Bürogebäude

Thema

Qualitative Merkmale

Kennwert / Indikator

Standortqualität

Nutzung: landschaftlich reizvolle Umgebung mit angrenzenden städtischen, kommerziellen und ehemals militärischen Nutzungen; Flächenangebot ermöglicht Zusammenlegung aller Unternehmensteile Lärm / Erschütterung: Erschließungshalle (Magistrale) entlang der Haupteinfahrtstraße nach Landshut schirmt die Büronutzungen vor Lärmimmissionen ab

• Globalstrahlung: 1100 kWh / m2a • Dichte: 944 EW / km2 • Entfernung ÖPNV: 200 m

Objektqualität Erschließung / Kommunikation

Verkehr: kompakte Stellplatzorganisation unter Einbeziehung der vorhandenen Vegetation; markante Gestaltung des Eingangsbereichs Soziale Kontakte: lärmgeschützte Innenhöfe; Magistrale dient als Foyer, Haupterschließungsachse, Kantine und bietet Raum für informelle Kontakte Zugänglichkeit und Nutzbarkeit: klare Baukörperstruktur – gute Übersichtlichkeit, Nutzbarkeit sowie Organisation der Aufzugsanlagen Grundstück Grundstücksfläche: Revitalisierung eines ehemaligen Kasernengeländes Freifläche: die Positionierung des Baukörpers sichert den Erhalt des straßenseitigen Baumbestands; Förderung der Artenvielfalt durch Wasserflächen und vielschichtige Bepflanzungen; spezifisch gestaltete Themenhöfe zwischen Büroriegeln Gestaltung Baukultur: Kopfbau und Magistrale erzeugen signifikante Landmarke; kammartig angelagerte Büroriegel stellen Bezüge zum Raster der benachbarten Kasernenbauten her; komplexe Geometrie der Südfassade und ausgereiftes Hallentragwerk durch umfangreichen Formfindungsprozess Wohlbefinden / Sicherheit: trotz Holzkonstruktion der Halle durch entsprechende Dimensionierung der Profilquerschnitte Gesundheit Verzicht auf Brandabschnitte möglich Schall: Akustikdecken in Sitzungssaal und Besprechungsräumen Licht: gute Tageslichtversorgung; Ost-west-Ausrichtung der Büroriegel; Zellenbüros mit Oberlichtern zum Flur Raumluft: natürliche Querlüftung der Magistrale; Fensterlüftung in den Büros; Sitzungsbereiche, Kantine und Küche maschinell belüftet Raumklima: Büros mit außen liegendem Sonnenschutz; umfangreiche Maßnahmen gewährleisten Behaglichkeit der Magistrale – innen liegender, hinterlüfteter Sonnenschutz; Wintertemperaturen > 18 °C; Vermeidung von Kaltluftabfall ( u. a. Fußbodenheizung, Deckenheizstrahlplatten); Teich erzeugt angenehmes Mikroklima im Restaurantbereich Gebäudesubstanz Gebäudestruktur / Ausbau: funktional autarke Riegel; flexible Nutzung möglich Baukosten Investitionskosten: wirtschaftlicher Bürogrundriss (Zweibund); effiziente Tragstruktur; baugleiche Riegel Betriebs- und Betrieb und Instandhaltung: Reduktion der Energiekosten um etwa 15 % (im Vergleich zu konventionellen Unterhaltskosten Bürogebäuden) Instandsetzung: zugängliche Schächte Baustoffe Rohstoffe / Verfügbarkeit: regionale Hölzer (z. B. Dachstühle, Tragwerk Erschließungshalle, Fenster, Parkett) Umweltbelastung: Reduktion CO2-Emissionen um 110 t (Vergleich: Holz- zu Stahlkonstruktion / Halle) Betriebsenergie Gebäudeheizung: thermische Zonierung, Pufferzone, solare Gewinne der Magistrale Gebäudekühlung: Berücksichtigung von Eigenverschattung und Baumbestand; offene Speichermassen; natürliche Lüftung der Halle; Verdunstungskühlung Teich; Sonnenschutzverglasung; effektiver Sonnenschutz; Nachtauskühlung Infrastruktur Wasser: Regenwassernutzung zur Gartenbewässerung Prozessqualität Bautradition: Förderung der regionalen Holzbautradition Integrale Planung: interdisziplinäre Entwicklung der Magistrale – Formfindung, Thermodynamik, effizientes Tragwerk Analysen: Tageslicht-, Verschattungs- und Strömungssimulation; thermisch-dynamische Simulation 1 D: Dach (im Mittel) / A: Außenwände (im Mittel) / F: Fenster (Büroriegel und Magistrale) / B: Boden gegen Erdreich

• Fahrradabstellplätze: 80 m2 • GFZvorh.: 0,6 • BGF Neubau: 18 000 m2 • unversiegelte Fläche: 65 %Grundstück • Lüftung: natürlich 95 %NF, masch. 5 %NF • U-Werte Gebäudehülle1 [W / m2K]: D: 0,23 / A: 0,27 / F: 1,4 / B: 0,44 • Baukosten KG 300 – 400: 24 500 000 ™ • Verhältnis KG 300 / 400: 73 / 27 • Baukosten: 1360 ™ / m2BGF • Heizwärmebedarf: 60,0 kWh / m2a • barrierefrei • Wettbewerb • Regen- / Grauwassernutzung

• Simulationsverfahren

245

Beispiel 17

Verwaltungsgebäude Cambridge, USA 2003 Architekten: Behnisch, Behnisch & Partner, Stuttgart / Venice Mitarbeiter: Martin Werminghausen (Projektleitung), Maik Neumann; Tim Krebs, Claus Mihm, Sarah Straubenmueller Tragwerks- und Haustechnikplanung: Buro Happold, Bath / New York Lichtplaner: Bartenbach Lichtlabor, Aldrans

Die neue Hauptverwaltung des Biotechnologieunternehmens soll einen Identifikationspunkt für die 920 Mitarbeiter und die Besucher bilden, Funktionalität und Flexibilität mit angenehmer, kommunikativer Arbeitsatmosphäre und moderner Umwelttechnik verbinden. Strikte städtebauliche Vorgaben führten zu einer zurückhaltend ausgebildeten Gebäudehülle. Elementierte, einschichtige Vorhangfassaden im Wechsel mit Doppelfassaden mit begehbaren »Loggien« als Klimapuffer und Erlebnisraum, manuell wie elektronisch zu öffnende Fenster für freie Nachtlüftung, bewegliche Sonnenschutzelemente und farbige Vorhänge kombinieren energetische Aspekte mit gestalterischer und räumlicher Differenzierung. Das Zentrum des Gebäudes bildet ein komplex durchgestuftes, lichtdurchflutetes Atrium, das sich über alle Geschosse erstreckt. Sieben computergesteuerte Heliostaten auf dem Dach lenken über eine Fixspiegelbrücke Licht in die Halle. Drehbare prismatische Lamellen streuen das einfallende Tageslicht und verhindern durch vollständige Reflexion des direkten Sonnenlichts einen übermäßigen Hitzeeintrag. Im Innern zerlegen Mobiles aus frei beweglichen, lichtstreuenden Plättchen das Licht in seine spektralen Bestandteile, Vertikallamellen verteilen das Licht in der Halle. Weitere Reflexionsflächen wie Edelstahlpaneele und Wasserbecken in der großzügigen Lobby bringen Tageslicht tief ins Gebäude. Das Atrium dient ebenso als riesiger Entlüftungsraum. Frischluft wird über Fenster in der Klimafassade oder über Lüftungsgitter in der Decke in die Büroräume eingeblasen, dann durch den Luftdruckunterschied in den Lichthof geleitet und über die Entlüftungsventilatoren im Glasdach abgeführt. Die Heiz- und Kühlanlage wird mit Abwärme aus einem zwei Blocks entfernten, mit modernen Emissionsfiltern ausgestatteten Kraftwerk betrieben. Regenwassertanks decken einen Teil des Bedarfs für Kühlwasser und die Bewässerung des Gründachs. º

246

Architectural Review 04 / 2004 Steele, James: Genzyme Center. Stuttgart 2004

11

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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Lesezone Atrium Wasserbecken Garten Empfang Arbeitsplätze Vortragssaal Anlieferung Loggia Teeküche Heliostat sonnenstandgesteuert, Spiegelfläche 1600 ≈ 1600 mm 12 Fixspiegelbrücke 13 Oberlicht mit Wärmeschutzverglasung

und Entlüftungsventilatoren 14 prismatische Lamellen Acrylglas, drehbar, sonnenstandgesteuert 15 »Lichtwand« aus hochglanzverspiegelten, computergesteuerten Vertikallamellen 16 Edelstahlpaneele 17 »Kronleuchter« aus 16 Mobiles mit insgesamt 768 frei beweglichen, lichtstreuenden Plättchen 18 Entlüftung durch Kamineffekt 19 Lüftungsöffnungen 20 öffenbare Fenster 21 Doppelfassade

Verwaltungsgebäude

11

Schnitt Maßstab 1:500 Schnitt Atriumdach Maßstab 1:250 Grundrisse 1. Obergeschoss 4. Obergeschoss Maßstab 1:1000

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247

Beispiel 17

2

3 1

Lichtlenklamellen Maßstab 1:20 1 2 3 3

prismatische Lamellen Acrylglas drehbar, sonnenstandgesteuert Antrieb Lamellen Stahlträger Å zwischen Lamellen

2

1

Thema

Qualitative Merkmale

Kennwert / Indikator

Standortqualität

Energieangebot: Fernwärme KWK Grundversorgung / Nutzungsmischung: öffentliche Nutzungen im Erdgeschoss vorgehalten (z. B. Läden, Café) Nutzung: Standortwahl befördert Entwicklung eines neuen Subzentrums; Harvard University und Massachusetts Institute of Technology (MIT) fußläufig erreichbar Mobilität: firmeneigener Fuhrpark mit vier Hybrid-Pkw, Stromtankstelle für Elektroautos

• Globalstrahlung: ca. 1450 kWh / m2a • Dichte: 6086 EW / km2 • Entfernung ÖPNV: ca. 500 m (U-Bahn)

Objektqualität Erschließung / Kommunikation

• Fahrradabstellplätze: ca. 70 m2 Verkehr: Pkw-Tiefgarage mit Fahrradabstellplätzen (inkl. Umkleiden, Duschen) Soziale Kontakte: vielfältige • GFZvorh.: 11,2 Kommunikations- und Begegnungsbereiche: unternehmensinterne Kantine im 12. OG; Gärten; Bibliothek; • BGF Neubau: 32 500 m2 Konferenzbereich; Ruhezonen; Cafébar pro Geschoss Zugänglichkeit und Nutzbarkeit: gute Orientierung • unversiegelte Fläche: 0 %Grundstück und Nutzbarkeit; großzügige Verkehrs- und Bewegungsflächen • Dachbegrünung: 20 % Grundstück Grundstücksfläche: Flächenrecycling einer ehemaligen Industriebrache, hohe Ausnutzung der Grundfläche • Tageslichtautonomie1: 2 % (12 Geschosse) Freifläche: versiegelt, vereinzelte Straßenbäume; z. T. Dachbegrünung als Ausgleich • Lüftung: maschinell 100 %NF Gestaltung Baukultur: entsprechend den strikten städtebaulichen Vorgaben ausgeformtes Bauvolumen; differenzierte • Baukosten KG 300 – 400 2: Fassadengestaltung; Ausbildung des Innenraums als vertikale Stadt, Atrium erzeugt horizontale und vertica. 107 500 000 ™ kale Nachbarschaften Personalisierung: vielfältige, flexible Bürolandschaft (Einzel-, Kombi-, Grossraum• Baukosten2: ca. 3300 ™ / m2BGF büros); hohe Identifikation der Beschäftigten • solaraktive Flächen: PV 30 m2 Wohlbefinden / Sicherheit: gute Übersichtlichkeit; Zugangskontrolle ab 1. OG Schall: Akustikdecken und Teppichböden in Gesundheit den Büros Licht: alle Büroarbeitsplätze mit Außenbezug; lichtlenkende Jalousien; Atrium mit sehr guter • barrierefrei Tageslichtversorgung, sieben Heliostaten mit zusätzlichen Lichtlenkelementen (»Lightwall«, »Mobile«) • Wettbewerb Raumluft: Büros mit maschineller Zuluft (vollklimatisiert), Abluft über Atrium; Fenster individuell öffenbar; • emissionsarme bzw. -freie Baustoffwahl CO2-Sensoren Raumklima: seit Neubezug 5 % geringerer Krankenstand • Regen- / Grauwassernutzung Gebäudesubstanz Gebäudestruktur / Ausbau: Skellettbau; alle Geschosse mit unterschiedlichen, z. T. flexiblen Grundrissen Baukosten Investitionskosten: Abwägung von Investitions- und Betriebskosten (Lebenszykluskostenbetrachtung) Betriebs- und Betrieb und Instandhaltung: Reduktion der Energiekosten um 42 % (im Vergleich zum amerikanischen StanUnterhaltskosten dard); pflegeleichte Bodenbeläge in den Verkehrszonen Baustoffe Rohstoffe / Verfügbarkeit: Minimierung der Transportdistanz (50 % innerhalb 800 km-Radius); zertifiziertes Holz Umweltbelastung: Baustoffe mit erhöhtem Recyclinganteil Schadstoffe: zertifizierte Baustoffe (Label) Betriebsenergie Gebäudeheizung: solare Gewinne aus Doppelfassade, Klimapuffer Gebäudekühlung: Atriumdach mit Prismen-Sonnenschutzsystem; innen liegender Sonnenschutz in den Büros; Nachtauskühlung; Kühldecken; dezentrale Absorptionskühlgeräte Luftförderung: Minimierung von Ventilatoren durch thermischen Auftrieb im Atrium Beleuchtung: hohe Tageslichtautonomie; Tageslichtsensoren; Spiegelrasterleuchten (Büros), Halogenmetalldampfleuchten (Atrium) Energiebedarfsdeckung: Strombedarfsdeckung durch »Öko-Strom« Infrastruktur Abfälle aus Betrieb und Nutzung: Recycling von 90 % der Bauabfälle Wasser: Reduktion des Wasserverbrauchs um 32 %; wasserlose Urinale; Regenwassernutzung (Bewässerung, Vegetation, Kühlwasser) • Simulationsverfahren Prozessqualität Nachhaltiges Bauen: höchste Zertifizierung nach US Green Building Council (»LEED Platinum«) • Monitoring Integrale Planung: seit Wettbewerb Analysen: Tageslicht, thermisch-dynamische Simulation 1 bezogen auf mindestens 75 % der Bürogeschossfläche; 2 Angaben entsprechen 140 000 000 US-Dollar brutto, einschließlich Innenausstattung

248

Konferenz- und Ausstellungsgebäude

Konferenz- und Ausstellungsgebäude Osnabrück, D 2001 Architekten: Herzog + Partner, München Thomas Herzog + Hanns Jörg Schrade Mitarbeiter: Stefan Sinning, Kirsten Braun, Patrick Bröll, Peter Gotsch, Matthias Lettau, Sybille Fries Gebäudetechnik: NEK Ingenieurgruppe, Braunschweig Energietechnik: ZAE Bayern, Garching

Für das Konferenz- und Ausstellungsgebäude der Deutschen Bundesstiftung Umwelt waren neben optimaler Tageslichtnutzung ein nachhaltiges und Ressourcen schonendes Energiekonzept, flexible Nutzbarkeit und die Verwendung naturnaher Materialien entwurfsbestimmende Kriterien. Den Mittelpunkt des als Holzskelett konstruierten Gebäudes bildet der 6,50 m hohe Konferenzraum, an den sich ein Bürotrakt sowie Verkehrs- und Ausstellungsflächen anschließen. Ein dreigeschossiger, aussteifender Stahlbetonkern, auf dem eine Photovoltaikanlage und Vakuumröhrenkollektoren installiert sind, enthält die sanitären und technischen Einrichtungen. Das transparente, durchlüftete Membrandach bildet den äußeren Wetterschutz. Die einlagige, vorgespannte ETFE-Folie ist vollständig wiederverwendbar und durch ihre antiadhäsiven Eigenschaften selbstreinigend. Jedes Dachfeld kann durch den mehrlagigen Aufbau den klimatischen Anforderungen an die darunterliegende Raumnutzung angepasst werden. Während über Bürobereich und Lager die innen liegende Schicht aus einer stark gedämmten opaken Ebene besteht, ist der Aufbau über Konferenz- und Ausstellungsräumen transluzent. Durch die Ausleuchtung mit Zenitlicht wird eine erheblich höhere Leuchtdichte im Vergleich zu Seitenlicht erzielt. Sonnenschutz, Verdunklung und Tageslichtsteuerung erfolgen über lenkbare Lamellen, die zwischen Membran und Verglasung angeordnet sind. Der Dachaufbau trägt nicht nur wesentlich zur Einsparung elektrischer Beleuchtungsenergie bei, sondern ermöglicht auch einen hohen passiven Wärmeeintrag. Trotzdem entsteht im Sommer aufgrund effektiver Verschattungsmöglichkeiten kein großer Kühlenergiebedarf. Im Winter versorgt ein Blockheizkraftwerk den Neubau und das bestehende Verwaltungsgebäude mit Heizenergie. Im Sommer senkt eine mit der Fußbodenheizung kombinierte Grundwasserkühlung die Raumtemperaturen. Ein Wärmetauscher kühlt die über die Lüftungsanlage einströmende Außenluft bzw. erwärmt sie in der Heizperiode. º

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a

Grundrisse Maßstab 1:1000

Archicreation 06 / 2003 Rassegna 12 / 2006

249

Beispiel 18

7

Schnitt Maßstab 1:750 A Schema Lüftung B Schema Grundwasserkühlung Vertikalschnitte Maßstab 1:20 1 ETFE-Folie einlagig, vierseitig vorgespannt 2 Stahlrohr verzinkt ¡ 120/80 mm 3 Lamellen Aluminium drehbar für Sonnenschutz / Tageslichtsteuerung / Verdunkelung 4 Abdeckblech zur Abdunkelung 5 Dreifach-Isolierverglasung ESG 6 mm Low-E-beschichtet + SZR 12 mm Argonfüllung + Float 5 mm + SZR 12 mm Argonfüllung + VSG 10 mm Low-E-beschichtet 6 Wärmedämmung weiß kaschiert 160 mm Furnierschichtholzplatte 39 mm 7 Fliegenschutzgitter Textilglasgewebe weiß 8 Zweifach-Isolierverglasung ESG 10 mm + SZR 16 mm Argonfüllung + ESG 6 mm Low-E-Beschichtung 9 Sonnenschutz feststehend Aluminiumblech gekantet 3 mm an Edelstahlseil Ø 8 mm

8

9

aa

A

26 °C

16 °C B

250

Konferenz- und Ausstellungsgebäude

1

2

3

4

6

5

Lüftung Neben der individuellen Lüftung über Fenster gibt es für die Büros, Konferenz- und Ausstellungsräume eine mechanische Lüftungsanlage. Ein Wärmetauscher senkt mithilfe der Grundwasserkühlung auch an heißen Tagen die zugeführte Außenluft auf ca. 23 °C ab. Über lange Zeit des Jahres ermöglicht ein kombinierter Zu- und Abluftkanal eine Wärmerückgewinnungsrate von über 80 %. In die Konferenz- und Ausstellungsräume wird die Zuluft mit geringer Geschwindigkeit von unten eingeblasen. Über dem Boden befindet sich so immer frische, im Sommer auch relativ kühle Luft. Verbrauchte, erwärmte Luft steigt auf und wird unter der Decke abgesaugt – nur der untere

Teil des großen Volumens muss konditioniert werden. Die Anlage dient im Brandfall zur Entrauchung. Die Zuluftrate entspricht der hygienisch notwendigen Frischluftmenge, die Zuluft wird zentral gefiltert. Umluftbetrieb und Be- und Entfeuchtung erfolgen nicht. Technischer Aufwand und Energiebedarf sind dadurch gering, allerdings entspricht so die relative Luftfeuchte im Innern derjenigen der Außenluft – im Winter ist sie sehr niedrig, im Sommer relativ hoch. Heizung und Kühlung Ein Blockheizkraftwerk beheizt Neubau und bestehendes Verwaltungsgebäude; erhebliche Wärmegewinne bringt

die direkte Sonneneinstrahlung auf die Fassade und vor allem das Dach. Durch effektive Verschattungsmöglichkeiten entsteht im Sommer kaum Bedarf an Kühlenergie. Eine Grundwasserkühlung erbringt die nötige Kühlleistung: Wasser wird durch Schläuche im oberflächennahen Grundwasser unterhalb der Sohlplatte gepumpt und über die Rohrleitungen der Fußbodenheizung im Gebäude verteilt. Wassertemperaturen um 20 °C kühlen die Raumlufttemperatur auf ca. 26 °C ab. Bei der nächtlichen Wärmeabfuhr müssen im Vergleich zu einer Luftkühlung wesentlich geringere Volumenströme bewegt werden, auch in längeren Hitzeperioden können die Raumtemperaturen relativ niedrig gehalten werden.

Thema

Qualitative Merkmale

Kennwert / Indikator

Standortqualität

Energieangebot: Versorgungsstruktur der Bestandsgebäude der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU); oberflächennahes Grundwasser Integration / Durchmischung: Veranstaltungen für unterschiedliche Bevölkerungsgruppen Solidarität / Gerechtigkeit: Veranstaltungen zu Umweltgerechtigkeit Nutzung: Standortwahl ergänzt den DBU-Gebäudebestand; Nähe zu städtischem Park Mobilität: gute Verkehrs- und ÖPNV-Anbindung; fußläufig durch Park erschlossen Lärm / Erschütterung: Orientierung der Haupträume zu Freiflächen

• Globalstrahlung: 960 kWh / m2a • Dichte: 1364 EW / km2 • Entfernung ÖPNV: 200 m (Bus); 900 m (Regionalbahn)

Verkehr: Areal öffentlich zugänglich; Pkw-Stellplätze an einer Einfallstraße; gut sichtbarer Eingangsbereich Soziale Kontakte: kommunikationsfördernde Erschließungs-, Versammlungs- und Ausstellungsflächen; definierter Übergang zu Büronutzung; Terrasse mit direktem Zugang zum Park, der als Ruhebereich mitgenutzt werden kann Zugänglichkeit und Nutzbarkeit: barrierefreie Gestaltung aller Innen- und Außenräume Grundstücksfläche: kompakte Bauweise, Verdichtung im Areal der DBU Freifläche: differenzierte Grünflächen für hohe Artenvielfalt; Wasserbecken zur Mikroklimaregelung; wasserdurchlässige Pkw-Stellplätze Baukultur: markantes »Leuchtturmprojekt« für ökolog. und energieeffizientes Bauen; Holzbau durch farbige Holzlasur herausgestellt; Innovation Dach weithin sichtbar; Eingliederung des Baukörpers in die Landschaft Schall: guter Schallschutz Licht: hoher Tageslichtanteil, Beleuchtung über transluzente Dach-Verglasung, hohe und gleichmäßige Leuchtdichteverteilung Raumluft: maschinelle, bedarfsgesteuerte Lüftungsanlage Raumklima: außen liegender, tageslichtgesteuerter Sonnenschutz, mechanische Nachtlüftung Bausubstanz: dauerhafte Holzskelettkonstruktion; konstruktiver Holzschutz Gebäudestruktur / Ausbau: nutzungsflexible Raumanordnung innerhalb der Skelettkonstruktion, Umnutzbarkeit und Teilrückbau möglich Investitionskosten: nutzungsübliche Investitionskosten Betrieb und Instandhaltung: Kostenreduktion in Betrieb und Instandhaltung durch effiziente Gebäudetechnik Instandsetzung: bewusste Umsetzung bekannter und innovativer Elemente mit einfacher Austauschbarkeit Rohstoffe / Verfügbarkeit: hoher Anteil an ern. Rohstoffen mit naturnaher Verwendung Umweltbelastung: Holzbaustoffe mit CO2-Bindung Rückbau: Rückbaufähigkeit durch Modulbauweise; Verzicht auf Verbundwerkstoffe Gebäudeheizung: minimierte Transmissionswärmeverluste, thermische Zonierung, Blower-Door-Test; Wärmeerzeugung mit KWK (Gas); Wärmeübergabe durch Zuluft- und Fussbodenheizung; Abluftanlage mit WRG Gebäudekühlung: energieeintragsgesteuerter Sonnenschutz; mech. Nachtlüftung; Sohlplattenaktivierung zur Grundwasserkühlung Warmwasserbereitung: solarthermisch unterstützte Warmwasserbereitung Luftförderung: minimierter Luftwechsel Beleuchtung: Sonnenschutz zur Sicherstellung eines bedarfsgerechten Tageslichtangebots Energiebedarfsdeckung: Grundwasser; BHKW fossil (Gas); Photovoltaik; Solarthermie Abfälle aus Betrieb und Nutzung: Sammlung in funktional gelegener Abfallbucht, Standard- und Sonderfraktionen (z. B. Toner, Batterien, Paletten) Wasser: Mulden-Rigolen-System zur Niederschlagsversickerung Nachhaltiges Bauen: Programmatik der DBU; Unterschreitung von Energiebenchmarks Bautradition: Fortentwicklung des Holzbaus Integrale Planung: interdisziplinäres Planungsteam Analysen: dynamische Simulation (z. B. Heizwärme, Kühllast, Behaglichkeit); Heiztechniksystemvergleich; Dachstudie am 1:7 Modell Monitoring: Heizwärme- sowie Luftqualitätsmonitoring (z. B. CO2) Facility Management: Betreibermanagement

• Fahrradabstellplätze: ca. 25 m2 • GFZvorh.: 0,4 • BGF Neubau: 3000 m2 • unversiegelte Fläche: ca. 40 %Grundstück • Lüftung: maschinell 100 %NF • U-Werte Gebäudehülle: [W / m2K] Dach 0,20; Außenwand (Holzständerbau) 0,23; Außenwand (Beton) 0,20; Boden 0,25 U-Werte dynamisch berechnet: Pfosten-Riegel-Fassade : N 0,53, O / W 0,11, S 0,34; opakes Membrandach 0,25 • Baukosten KG 300 – 400: 6 750 000 ™ • Baukosten: 2250 ™ / m2BGF • Heizwärmebedarf: 29 kWh / m2a • Kühlenergiebedarf: 8 kWh / m2a • Strombedarf: 18 kWh / m2a • solaraktive Flächen: Solarthermie ca. 5 m2, PV ca. 38 m2

Objektqualität Erschließung / Kommunikation

Grundstück Gestaltung Wohlbefinden / Gesundheit Gebäudesubstanz Baukosten Betriebs- und Unterhaltskosten Baustoffe Betriebsenergie

Infrastruktur Prozessqualität

• barrierefrei • Wettbewerb • Regen- / Grauwassernutzung

• nachhaltigkeitsorientierte Benchmarks • Simulationsverfahren • Monitoring • FM-Konzept

251

Beispiel 19

Wohn- und Büroanlage London, GB 2002 Architekten: Bill Dunster architects, ZEDfactory, Surrey Tragwerksplanung: Ellis & Moore, London Energiekonzept: Ove Arup & Partners, London

aa

»BedZED«, Beddington Zero Energy Development, befindet sich im südlichen Stadtbezirk Londons und gilt mit 82 Wohnungen und Büros als erste Nullenergiesiedlung Großbritanniens. Auf der brachliegenden Fläche eines ehemaligen Klärwerks entstanden acht Gebäude, deren Lage, Form und Nutzung auf die äußeren klimatischen Bedingungen abgestimmt sind. Das Grundmodul bildet ein dreigeschossiges Reihenhaus, das sich auf der Nordwestseite nach oben hin verjüngt und je nach Bedarf in unterschiedlich große Wohneinheiten gesplittet werden kann. Die Organisation im Inneren gliedert sich in drei Zonen: im Südosten vorgelagerte Wintergärten, die als thermischer Puffer fungieren, daran anschließende Wohnräume sowie Büroflächen und Sondernutzungen im Nordwesten. Die Materialien der in Massivbauweise ausgeführten Baukörper wurden überwiegend aus der näheren Umgebung bezogen; natürlich nachwachsende Rohstoffe wie Holz und Naturstein fanden bevorzugt Verwendung. Die optimale Ausnutzung der Sonne als Lichtund Wärmequelle wird durch die vollständig verglaste Südfassade gewährleistet. Eine Dreifachverglasung und Außenwände mit einem U-Wert von 0,1 W / m2 K sorgen für eine gute Dämmung, ein natürliches Ventilationssystem mit Wärmerückgewinnung sichert einen ständigen Luftaustausch. Über 700 m2 Photovoltaik versorgen die Siedlung zu 11 % mit Strom. Der Restenergiebedarf wird durch ein Blockheizkraftwerk gedeckt, das Holzabfälle aus der Umgebung verbrennt. Es sichert gleichzeitig die Warmwasserversorgung. Das Abwasser wird in einer eigenen Pflanzenkläranlage mikrobiologisch aufbereitet und für die Toilettenspülungen sowie zur Bewässerung der Außenanlagen verwendet. Gegenüber herkömmlichen Wohnbauten konnte der Energiebedarf um 60 % gesenkt werden. Um das umweltschonende Grundkonzept konsequent weiterzuführen, wurde eine eigene kleine Infrastruktur geschaffen: Ein Kindergarten, Clubräume, ein Sportzentrum, Cafès und Car-Sharing ersparen unnötig weite Wege. º Architectural Review 11 / 2003 A+U 8 / 2004

252

4

4

a

a

1

4

3 2

b

b

c

c

Wohn- und Büroanlage

5

7 6

Schnitt Gesamtanlage Maßstab 1:500 Grundriss Erdgeschoss Maßstab 1:1000 Schnitte Reihenhaus Maßstab 1:200 1 2 3 4

Kindergarten Sportzentrum Cafè Büro

5

Dachaufbau: extensive Begrünung Substrat Drainage- und Filtermatte Abdichtung Elastomerbitumen Wärmedämmung Hartschaum 300 mm Dampfsperre Elastomerbitumen Betonfertigteil 225 mm Anstrich Wandaufbau: Blendmauerwerk 102 mm Wärmedämmung Steinwolle 300 mm Betonwerkstein 100 mm Innenputz 15 mm Bodenaufbau: Bodenbelag, Estrich 60 mm Bodenplatte Stahlbeton 200 mm Wärmedämmung Hartschaum 300 mm

6

7

bb

cc

253

Beispiel 19

3 2 1

1

4

A

B Energieschema A Technik B Lüftung / Kühlung 1 Sammelstelle Regenwasser 2 Photovoltaikelemente für

3 4

Elektroautos natürliche Ventilation mit Wäremrückgewinnung Blockheizkraftwerk

Thema

Qualitative Merkmale

Kennwert / Indikator

Standortqualität

Grundversorgung / Nutzungsmischung: 82 Wohnungen, 2400 m2 Gewerbe, Kindergarten, Clubraum, Sportzentrum, Café, Supermarkt Integration / Durchmischung: vielfältiges Wohnungsangebot: Stadthäuser, Maisonett-, 1- und 2- Zimmerwohnungen; anmietbare Flächen für Kleinunternehmen Solidarität / Gerechtigkeit: 23 Wohnungen staatlich teilfinanziert, 10 Wohnungen mit vergünstigten Mieten, 15 Sozialwohnungen Nutzung: standortkonform; gute Anbindung an städtische Nutzungen Mobilität: umfassendes Mobilitätskonzept: Reduktion der Personenkilometer um 65 %, Car-Sharing-Pool, Stromtankstelle für 40 Elektroautos

• Globalstrahlung: ca. 800 kWh / m2a • Dichte: 787 EW / ha (Metropolregion; London / Stadt 4784 EW / ha) • Entfernung ÖPNV: 100 m

Objektqualität Erschließung / Kommunikation

Verkehr: Konzentration der Stellplätze, autofreie Erschließung über Wohnwege Soziale Kontakte: hohe Qualität der Außen- und Erschließungszonen, viele Gemeinschaftsbereiche und Treffpunkte, differenzierte Ausbildung halböffentlicher und privater Bereiche, gemeinsame Homepage aller BedZED-Bewohner Grundstück Grundstücksfläche: Flächenrecycling ehemaliges Klärwerk Freifläche: private Gärten, Dachbegrünung Gestaltung Baukultur: größte CO2-neutrale Wohnsiedlung in GB; signifikante Lüftungskamine Personalisierung: Vor-, Winter- und Dachgärten bieten individuelle Gestaltungsspielräume; hohe Identifikation der Bewohner Wohlbefinden / Sicherheit: gute Übersichtlichkeit; soziale Kontrolle Licht: Tageslichtoptimierung, Gewerbe mit Nordlicht Gesundheit Raumluft: maschinelle Zu- und Abluft Raumklima: hoher baulicher Wärmeschutz, offene Speichermassen Gebäudesubstanz Bausubstanz: Auswahl von alterungsfähigen und dauerhaften Materialien (z. B. Klinker, unbehandelte Eichenschalung) Gebäudestruktur / Ausbau: flexible Grundrisse und Wohnungsgrößen möglich Betriebs- und Betrieb und Instandhaltung: Minimierung der Anlagentechnik, sehr geringe Betriebs-, Unterhalts- und EnerUnterhaltskosten giekosten Instandsetzung: Haustechnik gut zugänglich; reparaturfreundliche Materialien Baustoffe Rohstoffe / Verfügbarkeit: hoher Anteil an Recyclingbaustoffen und wiederverwendeten Bauteilen; überwiegend regional verfügbare Baustoffe (52 % innerhalb 55 km-Radius); zertifiziertes Holz Umweltbelastung: Verzicht auf Unterkellerung; Reduktion der CO2-Emissionen auf 675 kg / m2 (< 20 – 30 % gegenüber Vergleichsbauten) Schadstoffe: Einzelprüfung aller Baustoffe Rückbau: keine Verbundbaustoffe Betriebsenergie Gebäudeheizung: Ausrichtung; thermische Zonierung; Wintergarten; geschosshohe Südverglasung; hoher baulicher Wärmeschutz; Dreifachverglasung; keine konventionelle Heizanlage (Zulufterwärmung); Abluftanlage mit WRG Gebäudekühlung: Ost-West-Fassaden überwiegend geschlossen; Nachtauskühlung Luftförderung: Windfänger erzeugen Überdruck, keine Ventilatoren Beleuchtung: gute Tageslichtversorgung Energiebedarfsdeckung: BHKW nutzt Holzabfälle der Kommunalverwaltung; 11 % Strombedarfsdeckung aus PV Infrastruktur Abfälle aus Betrieb und Nutzung: Zielvorgabe – Reduktion der Haushaltsabfälle um 60 %; zentrale Recyclingstation Wasser: Grauwassernutzung für Toilettenspülung und Dachgärten; Reduktion des Trinkwasserverbrauchs um 50 % durch wassersparende Armaturen und WCs, Pflanzenkläranlage Prozessqualität Nachhaltiges Bauen: Passivhausstandard; Reduktionsziele: Personenkilometer 50 %, Heizung 90 %, Warmwasser 33 %, Elektrizität 33 %, Wasserverbrauch 33 % Integrale Planung: interdisziplinäre Planung zwischen Architekt, Ingenieur, örtlicher Umweltorganisation und Wohnungsbaugesellschaft Analysen: umfangreiche Simulationen Monitoring: fünfjähriges Monitoringkonzept, ausführliche Projektdokumentation 1 D: Dach (im Mittel) / A: Außenwände (im Mittel) / F: Fenster / B: Boden gegen Erdreich

254

• Fahrradabstellplätze: 115 m2 • GFZvorh.: 0,6 • BGF Neubau: 10 388 m2 • Dachbegrünung: ca. 20 %überbaute Fläche • Lüftung: natürlich 100 %NF • U-Werte Gebäudehülle1 [W / m2K]: D: 0,10 / A: 0,11 / F: 1,20 / B: 0,10 • projekt. wirtschaftl. Nutzungsdauer: 120 a • Baukosten KG 300 – 400: 10 200 000 ™ • Baukosten: 1620 ™ / m2BGF • Anteil Sekundärrohstoffe: 15 Vol.-% • Deckungsrate ern. Energien: 100 % • solaraktive Flächen: PV 777 m2 • emissionsarme bzw. -freie Baustoffwahl • Baustoffkataster • Raumluftmessung • Regen- / Grauwassernutzung

• nachhaltigkeitsorientierte Benchmarks • Simulationsverfahren • Monitoring

Umweltbundesamt

Umweltbundesamt Dessau, D 2005 Architekten: sauerbruch hutton, Berlin Matthias Sauerbruch, Louisa Hutton, Jens Ludloff, Juan Lucas Young Projektleiter: Andrew Kiel, René Lotz Tragwerksplanung: Krebs und Kiefer, Berlin Energiekonzept: Zibell, Willner & Prtner, Köln / Berlin

Schnitte • Grundriss Erdgeschoss 3. Obergeschoss Maßstab 1:2000

aa

bb

b

Als Modellprojekt für innovatives Bauen schlängelt sich das 460 m lange Gebäude des Umweltbundesamts in Dessau, kurz UBA genannt, demonstrativ dynamisch und farbenfroh auf dem innenstadtnahen Gelände des ehemaligen Wörlitzer Bahnhofs. In seiner Großmaßstäblichkeit und Kontinuität setzt der zweihüftige Verwaltungsbau einen klaren Akzent innerhalb der heterogenen, kleinteiligen Umgebung. Mit seinen Windungen reagiert der Bau, der auf vier Geschossen rund 800 Arbeitsplätze beherbergt, auf die verschiedenen städtischen Situationen und erzeugt differenzierte Raumqualitäten im Außen- und Innenbereich. Ein halbrundes Forum öffnet sich mit einer Glasfassade zur Umgebung. Hier finden öffentliche Veranstaltungen und Ausstellungen statt. Daran schließt ein begrünter Innenhof an, überspannt von einem vollverglasten Dachtragwerk mit integriertem Sonnenschutz. Die Außenfassade unterstreicht in Material und Farbgestaltung das Konzept des langen Bandes: 33 Farben aus sieben Farbfamilien gliedern in chromatischer Abstufung das Gebäude. Durchlaufende, vorgefertigte Brüstungselemente mit Lärchenholzschalung alternieren mit zurückgesetzten Fenstern und bündigen, farbig bedruckten Glasflächen. Die Fensterlaibungen sind mit pulverbeschichteten Stahlblechen bzw. mit lackierten Aluminiumlamellen verkleidet. Über motorisch gesteuerte Klappen hinter opakem Glas erfolgt die Nachtlüftung der Büroräume. Atrium und Forum dienen neben der Belichtung innen liegender Büroräume der Optimierung des Energie- und Klimahaushalts: Das gesamte Gebäude wird über die Dachebene des zentralen Falttragwerks entlüftet, der Innenhof fungiert als thermische Pufferzone. Durch hoch wärmegedämmte Außenwände, Photovoltaikanlagen zur Stromerzeugung und einen großen Erdwärmetauscher erreicht der Verwaltungsbau fast den Energiestandard eines Passivhauses. Den Anspruch, umweltgerechtes Bauen mit zeitgemäßer Gestaltung zu verbinden, erfüllt das Umweltbundesamt damit gleichermaßen.

a b

?

a

º

Architecutral Review 02 / 1999 Intelligente Architektur 18, 1999

255

Beispiel 20

1

2

3

9 4 5 6 7 8 c

c

4

1

Abdeckblech Kupfer verzinnt 0,8 mm Dichtung Bitumenbahn zweilagig Dämmung Mineralfaser 72 mm Dampfsperre Stahlbeton 200/650 mm 2 Lärchenholz 20/150 mm Holzunterkonstruktion 40/40 mm Hinterlüftung 40 mm 3 Paneel: Gipsfaserplatte 15 mm Rahmen BSH 100/160 mm Zellulosefaser 160 mm Holzzementfaserplatte 29 mm 4 Kantblech Kupfer verzinnt 1 mm 5 Blendschutzlamellen 25 mm 6 Isolierverglasung in Holzrahmen Lärche lasiert, U = 0,8 W/m2K ESG 4 + SZR 16 + ESG 4 mm 7 Stahlblech pulverbeschichtet 1,5 mm 8 Vorsatzscheibe ESG 8 mm 9 Fensterlaibung Holzwerkstoffplatte,

10

11 12

13

14 15

Lärchenfurnier lasiert 340/25 mm ESG farbig emailliert 10 mm in Aluminiumprofil fi 20 mm Hinterlüftung 52 mm Lüftungslamellen Aluminium lackiert Lüftungsklappe motorisch gesteuert: Sperrholz beschichtet 14 mm Dampfsperre Zellulose 70 mm Sperrholz Lärche furniert 14 mm Gipsfaserplatte 2≈ 12,5 mm Dämmung Zelluloseplatte 90 mm Federschiene 27 mm Holzunterkonstruktion 63 mm, Auflager Edelstahl L 240/500/20 mm Verkleidung Holzwerkstoffplatte Lärchenfurnier lasiert 23 mm Dämmung Zelluloseplatte 40 mm

9

10

11

9

13

6

8 7

11

15

12 14 10

3 cc

256

12

4

Umweltbundesamt

Schnitte Außenfassade Maßstab 1:20 Raumluftschema A Sommetag B Wintertag

A

B

Thema

Qualitative Merkmale

Kennwert / Indikator

Standortqualität

Energieangebot: Fernwärme KWK (z. T. Deponiegas) Grundversorgung / Nutzungsmischung: öffentliche Einrichtungen, z. B. Informationszentrum, Bibliothek, Hörsaal, Cafeteria Nutzung: Standortwahl als Zeichen für den Strukturwandel der Region; Revitalisierung innerstädtischer Flächen Mobilität: ÖPNV-Anreizsystem für Beschäftigte Lärm / Erschütterung: Verbundfenster; maschinelle Lüftung schallexponierter Büros

• Globalstrahlung: 1000 kWh / m2a • Dichte: 423 EW / ha • Entfernung ÖPNV: 100 m (Bus); 350 m (Regional- und Fernbahn)

Objektqualität Erschließung / Kommunikation

Verkehr: Anbindung des Haupteingangs zum Park; rückseitige Besucherstellplätze mit Zufahrt zur Tiefgara- • Fahrradabstellplätze: 120 m2 ge; Forum dient als Foyer Soziale Kontakte: öffentlich zugänglicher Park; Atrium bildet internen Kommunikati- • GFZvorh.: 1,5 • BGF Bestand: 522 m2 onsraum – gute Vernetzung der Nutzungsbereiche durch Brücken; prägnantes Gebäudeleitsystem • BGF Neubau: 39 265 m2 Grundstück Grundstücksfläche: Flächenrecycling – Austausch kontaminierter Böden; Bestandsnutzung Freifläche: • unversiegelte Fläche: 40 %Grundstück heimische Kulturpflanzen in Kombination mit exotischen Gehölzen; Wasserflächen; hohe Artenvielfalt • Dachbegrünung: 30 %überbaute Fläche Gestaltung Baukultur: Außenraumgestaltung markiert ehemaligen Eingang zum Wörlitzer Gartenreich; Integration denk• Lüftung: nat. 10 %NF , masch. 90 %NF malgeschützter Industriebauten; hohe Gestaltqualität und räumliche Identität; Gebäudeform erzeugt vielfäl• U-Werte Gebäudehülle1 [W / m2K]: tige Raumqualitäten; prägnantes Farbkonzept Personalisierung: hohe Identifikation der Mitarbeiter H'T: 0,49 / D: 0,13 / A: 0,23 / F: 1,2 / B: 0,35 Wohlbefinden / Sicherheit: Rezeption; Sicherheitskontrolle Licht: tageslichtoptimierte Fensterflächenanteile; Tageslichtlen• Betriebsstunden über 26 °C / a: 200 h Gesundheit kung; reflektierende Oberflächen im Atrium Raumluft: Erdkanal; Fensterlüftung aller Büroräume möglich • Baukosten KG 300 – 400: 56 500 000 ™ Raumklima: außen liegender Sonnenschutz; Nachtlüftung; offene Speichermassen; z. T. Lehmtrennwände • Verhältnis KG 300 / 400: ca. 68 / 32 Gebäudesubstanz Bausubstanz: Materialwahl unter Berücksichtigung hoher Dauerhaftigkeit Gebäudestruktur / Ausbau: flexible • Baukosten: 1420 ™ / m2BGF Grundrisszonierung der Fachbereiche möglich, z. T. Doppelböden, Trennung von Rohbau und Ausbau • Heizwärmebedarf: 38,5 kWh / m2a • Primärenergiebedarf gesamt: Betriebs- und Betrieb und Instandhaltung: niedrige Energiekosten; planungsbegleitende Variantenuntersuchung von 76,6 kWh / m2a Unterhaltskosten Investitions- und Betriebskosten Instandsetzung: Auswahl wartungsarmer Materialien und Oberflächen • Deckungsrate ern. Energien2: 11 % Baustoffe Rohstoffe / Verfügbarkeit: Holzelementfassade; Zellulosedämmung Umweltbelastung: Berücksichtigung von • solaraktive Flächen: Solarthermie 354 m2, Ökobilanzdaten; hoher Vorfertigungsgrad der Fassade und Dachkonstruktion Schadstoffe: Vermeidung PV 228 m2 von Risikostoffen; planungsbegleitende Einzelprüfung aller Baustoffe; sehr hohe Raumhygiene Betriebsenergie Gebäudeheizung: kompakter Baukörper (A / V-Verhältnis 0,34); Unterschreitung H'Tmax 53 %; Atrium als Kli• barrierefrei mapuffer; Abluftanlage mit WRG Gebäudekühlung: effektiver Sonnenschutz; Nachtauskühlung; hohe Spei• Wettbewerb cherkapazität; solargestützte Adsorptions- (EDV-Räume) bzw. Kompressionskältemaschine (Hörsaal) • emissionsarme bzw. -freie Baustoffwahl Warmwasserbereitung: dezentral (Teeküchen, Putzräume) Beleuchtung: Tageslichtsensoren; Präsenzmel• Baustoffkataster der Sonst. elektr. Verbraucher: effiziente Geräte und Anlagen Energiebedarfsdeckung: Vakuumröhrenkollek• Raumluftmessung toren; dachintegrierte PV (Forum); Erdkanal mit 86 000 kWh / a Wärme- bzw. 125 000 kWh / a Kälteleistung Infrastruktur Abfälle aus Betrieb und Nutzung: Wertstoffsammelstelle Wasser: Gründach; Zisterne; Rigolen • nachhaltigkeitsorientierte Benchmarks Prozessqualität Nachhaltiges Bauen: Modellprojekt; vorbildliche Wettbewerbsvorgaben: Unterschreitung WSVO 1995 um • Simulationsverfahren 50 %, Heizwärmebedarf < 30 kWh / m2a, ökologische Baustoffwahl Integrale Planung: interdisziplinäres • Monitoring Expertenteam während der gesamten Planungsphase Analysen: Strömungs-, Tageslicht- und thermischdynamische Simulation; Ökobilanzierung Monitoring: drei Jahre, Teilnahme »SolarBau: MONITOR« 1 H'T: mittlerer U-Wert / D: Dach (im Mittel) / A: Außenwände (im Mittel) / F: Fenster (Außenfassade) / B: Boden gegen Erdreich 2 In den ersten fünf Jahren beträgt die Deckungsrate erneuerbarer Energien 20 %, aufgrund der »Ausgasung« der Deponie reduziert sich der Anteil ab dem sechsten Jahr auf 11 %.

257

Glossar: Kennwerte

Kennwerte

Übergeordnete Energiebegriffe Energieträger / Energiequelle Der Begriff Energieträger umfasst im eigentlichen Sinn Rohstoffe der Natur, die aufgrund ihrer gespeicherten, chemisch oder nuklear umsetzbaren Energie zur Energiegewinnung einsetzbar sind (Biomasse, fossile und nukleare Brennstoffe). Im Sprachgebrauch werden aber auch Energiequellen wie Solarenergie, Geothermie, Wind- oder Wasserkraft dazugerechnet, die physikalisch Träger thermischer, potenzieller oder kinetischer Energie sind. Primärenergie [J] Primärenergie ist die in den auf der Erde natürlich vorkommenden Energieträgern enthaltene Energie. Zu diesen Energieträgern gehören die fossilen Brennstoffe wie Kohle, Erdöl, Erdgas oder Mineralien wie Uranerz und die regenerativen Energieträger wie Sonne, Wind, Wasser, Biomasse und Geothermie. Durch Transformation von Primärenergie in die vom Verbraucher letztlich verwendete Nutzenergie treten Verluste durch Umwandlungsund Übertragungsprozesse auf. Primärenergiefaktor fp [-] Der Primärenergiefaktor drückt das Verhältnis von eingesetzter nicht erneuerbarer Primärenergie (inklusive der bei Erzeugung, Verteilung und Speicherung entstehenden Verluste) zu abgegebener Endenergie aus. Typische Primärenergiefaktoren sind z. B. bei Heizöl und Erdgas 1,1, bei Strom 2,7 oder bei Holz 0,2. Je niedriger der Primärenergiefaktor, desto effizienter ist die Energieerzeugung auf Basis der entsprechenden Primärenergieträger. Primärenergiebedarf Qp [kWh / a] Bei der Berechnung des Primärenergiebedarfs eines Gebäudes nach EnEV wird zunächst der Endenergiebedarf ermittelt. Die Umwandlungsverluste finden durch den Primärenergiefaktor fp Berücksichtigung. Der Zusammenhang zwischen Endenergiebedarf Qe, Primärenergiebedarf Qp und Primärenergiefaktor fp ist Qp = Qe • fp. Sekundärenergie [J] Sekundärenergie ist die nach der Umwandlung der Primärenergieträger in sogenannte Nutzenergieträger wie Strom, Heizöl, Fernwärme oder Holzpellets verbleibende Energie. Sie bezieht sich auf den Entstehungsort des Nutzenergieträgers. Endenergie [J] Durch den Transport der Sekundärenergie zum Verbraucher entstehen Verluste. Die Endenergie bezeichnet die Energiemenge, die nach Abzug aller Umwandlungsund Verteilungsverluste dem Endverbraucher am Verbrauchsort zur Verfügung steht, z. B. in Form von Strom, Holzpellets, Heizöl oder Fernwärme. Die Endenergie ist zumeist die Basis für die Energiekostenabrechnung. Endenergiebedarf Qe [kWh / a] Der Endenergiebedarf ist die erforderliche Energiemenge zur Bereitstellung der Nutzenergie (z. B. Beheizung, Trinkwassererwärmung, Beleuchtung etc.) eines Gebäudes.

258

Größe

Einheit

weitere Einheiten

Beziehung zwischen den Einheiten

Energie

Joule [J]

Wattsekunde [Ws] Kilowattstunde [kWh] Kalorie [cal] Steinkohleeinheit [SKE]

1 J = 1 Ws 1 J = 2,778 • 10-7 kWh 1 J = 0,239 cal 1 J = 3,412 • 10-7 SKE

Druck

Pascal [Pa]

Bar [bar] Atmosphäre [atm]

1 Pa = 10-5 bar 1 Pa = 9,87 • 10-6 atm

Volumen

[cm3]

Liter [l] US-Barrel [US-bbl] UK-Barrel [UK-bbl] US-Gallone [US-gal] UK-Gallone [UK-gal]

1000 cm3 = 1 Liter 1 Liter = 0,00611 US-bbl 1 Liter = 0,008386 US-bbl 1 Liter = 0,264 US-gal 1 Liter = 0,220 UK-gal

Fläche

[m2]

Square inch [in2] Square foot [ft2] Hektar [ha]

1 m2 = 1550 in2 1 m2 = 10,764 ft2 1 m2 = 0,0001 ha

Temperatur

Grad Celsius [° C]

Kelvin [K] Grad Fahrenheit [° F]

° C = K - 273,15 ° C = (° F - 32) / 1,8

Der Endenergiebedarf Qe ist dabei ein nach EnEV rechnerisch ermittelter Wert. Berücksichtigt werden Verluste bei Übergabe, Verteilung, Speicherung und Umwandlung im Gebäude. Er wird für genormte Bedingungen (z. B. definiertes Nutzerverhalten, Innenraumtemperatur etc.) ermittelt und getrennt nach verwendeten Energieträgern angegeben. Sie wird an der Systemgrenze des betrachteten Gebäudes bestimmt. Endenergieverbrauch [kWh / a] Der Endenergieverbrauch bezeichnet im Gegensatz zum Endenergiebedarf Qe eine tatsächliche, am Gebäude gemessene Energiemenge. Er berücksichtigt z. B. auch das Nutzerverhalten und klimatische Schwankungen. Physikalisch gesehen ist jedoch dieser Begriff nicht korrekt. Nach dem Energieerhaltungssatz kann Energie in einem geschlossenen System nicht verbraucht, sondern nur in eine andere Energieform umgewandelt werden. Nutzenergie [J] Die Nutzenergie ist die vom Endverbraucher letztendlich genutzte Energie. Dazu muss die Endenergie meist verlustbehaftet umgewandelt werden. Formen der Nutzenergie sind Wärme, Kälte, Licht, Bewegung oder Schallwellen. Die Nutzenergie definiert die Grundlage für die Berechnung des Primärenergiebedarfs nach EnEV. Heizwärmebedarf QH [kWh / a] Der Heizwärmebedarf ist die rechnerisch ermittelte Energiemenge, die in der Heizperiode dem Gebäude zugeführt werden muss, um bei der geforderten Innenraumtemperatur die Wärmeverluste zu decken. Sie ergibt sich aus den Transmissions- und Lüftungswärmeverlusten Qv abzüglich der solaren und internen Gewinne. Energieausweis Nach EnEV 2007 besteht ab Juli 2008 in Deutschland die Pflicht für Hausbesitzer, neuen Mietern und Eigentümern Energieausweise für ihr Bestandsgebäude vorzulegen. Der verbrauchsorientierte Ausweis bezieht sich auf den gemessenen Energieverbrauch, der vom Verhalten des jeweiligen Nutzers und von Klimaschwankungen abhängig ist. Der bedarfsorientierte Ausweis basiert auf einem berechneten, theoretischen Energiebedarf, um somit objektive und vergleichbare Aussagen zur Qualität und Energieeffizienz von Gebäuden und ihrer Anlagentechnik machen zu können. Der Energieausweis bleibt – außer bei vorgenommenen Sanierungen – zehn Jahre gültig.

Wärmedurchgangskoeffizient U (U-Wert) [W / m2K] Der U-Wert ist ein Maß für den Wärmestrom durch ein Bauteil. Er gibt den Wärmestrom an, der bei einem Temperaturunterschied von 1 K je Sekunde durch eine 1m2 große Fläche des Bauteils von der einen zur anderen Seite fließt. Der U-Wert berücksichtigt dabei die Wärmeleitfähigkeiten und Schichtdicken der Baustoffe sowie die Wärmeübergangswiderstände zwischen Bauteil und Luft. Bei inhomogenen Bauteilen sind je nach Aufbau einzelne U-Werte zu errechnen und diese flächenproportional zu mitteln. Je niedriger der U-Wert, desto geringer ist der Transmissionswärmeverlust. Ug-Wert der Verglasung [W / m2K] Der Ug-Wert bezeichnet als spezifischer U-Wert den Wärmestrom durch eine Verglasung (g = »glazing«). Dabei werden Anzahl der Scheiben, Art und Anzahl der Glasbeschichtungen sowie die Füllung des Scheibenzwischenraums (z. B. Edelgas) berücksichtigt. Uf-Wert des Fensterrahmens [W / m2K] Neben dem Ug-Wert steht als spezifischer U-Wert für Fensterrahmen der Uf-Wert zur Verfügung (f = »frame«). In der Regel sind die Wärmeschutzeigenschaften des Fensterrahmens schlechter als die der Verglasung. Durch die Wahl der Werkstoffe, der Materialstärken und die Qualität der Dichtungen kann der Uf-Wert verbessert werden. UW-Wert von Fenstern [W / m2K] Kennwert zur Beurteilung des Wärmedurchgangs durch ein Fenster ist der Uw-Wert (w = »window«). Er setzt sich flächenproportional aus Ug- und Uf-Wert sowie den Verlusten infolge des Randverbunds der Verglasung und der Fensteranschlüsse zusammen. spezifischer Transmissionswärmeverlust HT [W / K] Transmissionswärmeverluste entstehen infolge von Wärmeleitung durch die Umschließungsflächen beheizter Räume (Dach, Außenwände, Fenster, Türen und Kellerdecke) sowie aufgrund von Wärmebrücken. Dieser Wert beschreibt somit die energetische Qualität der thermischen Hülle. Die Geometrie des Baukörpers und die UWerte der Bauteile beeinflussen maßgeblich die Höhe der Transmissionswärmeverluste. Spezifischer Transmissionswärmeverlust H'T[W / m2K] Die EnEV definiert mit H'T einen über alle Gebäudehüllflächen gemittelten und auf 1 m2 Hüllfläche bezogenen Wert für Transmissionswärmeverluste. In Abhängigkeit von der Kubatur des Gebäudes wird dabei auch ein maximal zulässiger Wert ausgewiesen.

Dämmung und Dichtung Wärmeleitfähigkeit λ [W / mK] Die Wärmeleitfähigkeit gibt als materialspezifischer Kennwert die Wärmemenge an, die bei einer Temperaturdifferenz von 1 K pro Sekunde durch einen 1 m3 großen Würfel des Materials strömt. Niedrige Werte zeigen hohe Wärmedämmeigenschaften des Materials an. Da Feuchtigkeit einen negativen Einfluss auf die Wärmeleitung hat, bezieht sich der Kennwert auf trockene Baustoffe.

Lüftungswärmeverluste Qv [kWh / a] Wird warme Raumluft gegen kältere Außenluft ausgetauscht, entstehen Lüftungswärmeverluste. Dieser Luftaustausch ist aus hygienischen Gründen erforderlich, um die verbrauchte Raumluft abzuführen. Durch undichte Bauteil- und Anschlussfugen können zusätzlich unkontrollierte Lüftungswärmeverluste den Heizenergiebedarf deutlich erhöhen. Kontrollierte Lüftung und Wärmerückgewinnung kann die Lüftungswärmeverluste reduzieren.

Glossar: Kennwerte

SI - Vorsätze

Zeichen

Faktor

nano mikro milli zenti dezi deka hekto kilo mega giga tera peta exa zetta

n μ m c d da h k M G T P E Z

10-9 10-6 10-3 10-2 10-1 10 102 103 106 109 1012 1015 1018 1021

Einstrahlung und Licht Globalstrahlung [W / m²hor] Die Globalstrahlung ist die Menge solarer Energie, die bezogen auf eine horizontale Fläche auf die Erdoberfläche trifft. Sie besteht aus direkter und diffuser, ungerichteter Strahlung und ist abhängig vom Sonnenstand (je nach Breitengrad und Jahreszeit) und von atmosphärischen Störungen (Bewölkung, Partikel). An stark bewölkten Tagen erreicht nahezu nur der diffuse Anteil die Erdoberfläche. Die Globalstrahlung sinkt dann in Mitteleuropa unter 100 W / m2. Bei wolkenlosem Himmel werden etwa 700 W / m2 erreicht. Die Gobalstrahlung kann auch als Jahressumme angegeben werden [kWh / m2hora]. Sie eignet sich dann z. B. zur Berechnung von Energieerträgen aktiver Solartechnik. In Deutschland liegt die Jahressumme zwischen 900 und 1200 kWh / m2a. Gesamtenergiedurchlassgrad g (g-Wert) [-] Der Gesamtenergiedurchlassgrad ist das Maß für den Energiefluss durch transparente Bauteile. Er bezieht sich auf das gesamte Strahlungsspektrum, d. h. den Wellenlängenbereich zwischen 300 und 2500 nm. Trifft Strahlung auf ein transparentes Bauteil, dringt ein Teil der Energie durch Transmission unmittelbar in den Innenraum ein (primärer Energiedurchlass). Ein weiterer Teil wird vom Bauteil absorbiert und in der Folge als Infrarotstrahlung emittiert (sekundärer Energiedurchlass). Der g-Wert ergibt sich aus der Addition des primären und sekundären Energiedurchlasses. Bei der Kombination von Verglasung und Sonnenschutzsystemen müssen zum Teil gegenseitige Einflüsse berücksichtigt werden. Solare Gewinne Qs [kWh / a] Wärmemengen, die aufgrund der Einstrahlung von Solarenergie auf transparente und opake Gebäudeteile zur Erwärmung des Gebäudeinneren und zur Reduzierung des Heizwärmebedarfs beitragen, werden als solare Gewinne bezeichnet. Standort des Gebäudes, Orientierung, Neigung und Größe der Bauteile und die Strahlungsabsorption des Fassadenmaterials beeinflussen diesen Energieeintrag. Solare Gewinne entstehen an allen Bauteilen. Bei transparenten Bauteilen sind sie im Verhältnis zu anderen Bauteilen um ein Vielfaches höher. Hohe solare Gewinne können wesentlich zur Reduktion des Heizwärmebedarfs QH beitragen, im Sommer aber auch zur Überwärmung des Gebäudes führen. Äquivalenter U-Wert von Fenstern [W / m2K] Solare Energiegewinne während der Heizperiode werden bei der energetischen Beurteilung von Fenstern durch den sogenannten äquivalenten U-Wert einbezogen. Dabei wird der g-Wert der Verglasung und der Strahlungsgewinn in Abhängigkeit von der Orientierung berücksichtigt. Bei Wärmeschutzverglasungen ist ein äquivalenter U-Wert im negativen Bereich möglich, d. h. im Tagesmittel wird mehr Energie durch solare Einstrahlung in den Innenraum eingetragen als durch Transmission verloren geht. Lichttransmissionsgrad τ [-] Je nach Stoffeigenschaften eines transparenten Bauteils

wird Strahlung teilweise an den Grenzflächen reflektiert, transmittiert oder beim Durchgang absorbiert. Der Lichttransmissionsgrad gibt das Verhältnis von auftreffendem Licht der Wellenlängen 380 – 780 nm zum durchgelassenen Licht an. Je höher der Wert, desto mehr Tageslicht steht im Inneren zur Verfügung. Er ist u. a. abhängig von Material, Materialstärke und Beschichtungssystemen. Tageslichtautonomie [%] Die Tageslichtautonomie gibt den prozentualen Anteil der Nutzungszeit eines Raums an, in der das zur Verfügung stehende Tageslicht im Innenraum die Beleuchtungsanforderungen für die vorgesehene Nutzung vollständig erfüllt. In dieser Zeit ist, z. B. für die Ausleuchtung eines Arbeitsplatzes, kein Kunstlicht erforderlich. Raumgeometrie, Anteil an opaken und transparenten Fassadenflächen, Rahmenanteile der Fenster und auch die Glasart beeinflussen die Tageslichtautonomie.

verwendet. Bezogen auf den Wärmepumpenprozess beschreibt der Wert das Verhältnis von abgegebener nutzbarer Wärmeleistung zur aufgewendeten (z. B. elektrischen) Antriebsleistung inklusive Hilfsenergie unter genormten Bedingungen. Ein COP von 2,0 bedeutet, dass doppelt soviel Nutzenergie zur Verfügung gestellt wird wie Antriebsenergie eingesetzt werden muss. Der Wert ist nur als Bewertung der Effizienz des Geräts zu verstehen. Eine energetische Betrachtung der Gesamtanlage ist damit nicht möglich. Jahresarbeitszahl β [-] Zur Bewertung der Energieeffizienz von Wärmepumpen wird die Jahresarbeitszahl herangezogen. Sie beschreibt das Verhältnis von abgegebener Kälte- bzw. Wärmeleistung (Heizwärme) zur aufgewendeten Antriebsleistung (z. B. elektrische Energie) einer Wärmepumpe innerhalb eines Jahres. Somit ist die Jahresarbeitszahl ein Maßstab für den Gesamtwirkungsgrad einer Wärmepumpe über einen Jahreszyklus.

Speicherung Spezifische Wärmespeicherkapazität c [J / kgK] Die Wärmespeicherkapazität ist eine materialspezifische Größe. Sie bezeichnet die Wärmemenge, die benötigt wird, um 1 kg Material um 1 K zu erwärmen. Die spezifische Wärmespeicherkapazität ist insbesondere abhängig von der Struktur eines Stoffes. Wärmespeicherfähigkeit Qsp [Wh / m2K] Die Wärmespeicherfähigkeit bezeichnet die Wärmespeicherkapazität eines im Gebäude eingebauten Bauteils. Sie errechnet sich aus dem Produkt der spezifische Wärmespeicherfähigkeit, der Rohdichte ρ und der Schichtdicke d des betrachteten Bauteils: Qsp= c • ρ • d. Schmelzenthalpie [kJ / kg] Die Schmelzenthalpie bezeichnet die Wärmemenge, die benötigt wird, damit ein Stoff von einem festen in einen flüssigen Aggregatszustand übergehen kann. Die Schmelzenthalpie wird durch Phase Change Materials (PCM) genutzt, die beim Wechsel zwischen den Aggregatszuständen Energie ohne eigene Temperaturänderung speichern können. Die potenzielle Energieaufnahme durch Schmelzenthalpie entspricht in einem Temperaturbereich von 4 °C z. B. 90 kg PCM einem 1 m3 Beton.

Gebäudetechnik Heizlast φhl [kW] Die Heizlast ist die Leistung, die gebäudespezifisch zur Aufrechterhaltung der geforderten Innenraumtemperatur unter ungünstigsten Bedingungen notwendig ist. Die Berechnung der Heizlast wird in der Regel für jeden Raum des Gebäudes einzeln vorgenommen. Hierfür werden der Transmissionswärmebedarf (Verluste über die Umfassungsflächen des Gebäudes) und der Lüftungswärmebedarf ermittelt. Interne und solare Wärmegewinne bleiben rechnerisch unberücksichtigt. Die Heizlast ist die Grundlage für die Dimensionierung der Heizkörper und Wärmeerzeuger. Wirkungsgrad [-] Der Wirkungsgrad bezeichnet das Verhältnis von abgegebener Leistung (Nutzen) zu zugeführter Leistung (Aufwand) unter genormten Bedingungen. Der Wirkungsgrad ist somit das Maß für die Effizienz von Energieumwandlung und Energieübertragungen und gibt für Energieerzeugungsanlagen das Verhältnis zwischen nutzbarer und aufgewendeter Energie wieder. Während theoretisch nur Wirkungsgrade unter 100 % möglich sind, werden in der Praxis, z. B. bei Brennwertkesseln, Wirkungsgrade über 100 % ausgewiesen. Die zugeführte Leistung wird auf den Heizwert des Brennstoffs bezogen; zusätzlich wird die Kondensationswärme des Abgasstroms (Brennwert) beim Umwandlungsprozess genutzt. Leistungszahl / Coefficient of Performance COP [-] Der COP ist analog zum Wirkungsgrad ein Kennwert zur Bewertung der Effizienz bei der Energieumwandlung und wird vor allem bei Wärmepumpen und Kältemaschinen

Anlagenaufwandszahl ep [-] Die Anlagenaufwandszahl ist ein Kennwert für die Gesamteffizienz von gebäudetechnischen Anlagen (z. B. Heizsystem). Sie weist das Verhältnis von Nutzenergie zur aufzuwendenden Primärenergie aus. Da in die Errechnung des Werts erneuerbare Energieträger mit ihren entsprechenden Primärenergiefaktoren einfließen, kann die Anlagenaufwandszahl unter 1 sinken.

Materialkennwerte Primärenergieinhalt PEI [MJ] Der Primärenergieinhalt, auch als »Graue Energie« bezeichnet, umfasst den Energieaufwand, der zur Herstellung und Nutzung eines Produkts aufgewendet werden muss. Dabei werden alle Energiemengen eingerechnet, die für Herstellung, Transport und Lagerung (inklusive aller Vorprodukte) notwendig sind. Er dient als Indikator für eine mögliche Umweltbelastung durch das Produkts sowie zur Beurteilung der technischen und ökologischen Effizienz des Herstellungs- und Nutzungsprozesses. Je kleiner der Wert, desto besser ist das betrachtete Material ökologisch zu bewerten. Der PEI wird gemäß den zur Herstellung genutzten Energiequellen getrennt nach erneuerbaren und nicht erneuerbaren Energieträgern angegeben. Er kann für Materialien auf Gewicht oder Volumen bezogen ausgewiesen werden, sich jedoch auch auf Bauteile oder komplette Gebäude beziehen. Treibhauspotenzial (Global Warming Potential – GWP 100) [kg CO2-eq] Die Anreicherung von Treibhausgasen in der Troposphäre führt über eine erhöhte Reflexion der Infrarotstrahlung zur Erderwärmung. Das Treibhauspotenzial fasst alle Treibhausgase im Verhältnis zur Wirkung von CO2 zusammen. Da die schädlichen Gase unterschiedlich lange in der Troposphäre bleiben, muss der betrachtete Zeithorizont mit ausgewiesen werden; üblicherweise wird ein Zeitraum von 100 Jahren betrachtet. Dauerhaftigkeit von Bauteilen [a] Die Dauerhaftigkeit beschreibt als Potenzial den Zeitraum, in dem ein Baustoff bei der ihm zugeordneten Nutzung seine Funktion aufrechterhalten kann, z. B. tragfähig und gebrauchstauglich bleibt. Meist wird eine Zeitspanne angegeben, in der der niedrigere Wert die Dauerhaftigkeit bei üblicher Nutzung angibt, der höhere eine optimierte Planung voraussetzt. Heizwert [J / kg oder J / m³] Der Heizwert ist die Maßeinheit für die bei der Verbrennung eines Stoffs freigesetzte Wärmeenergie. Dabei wird nur die nutzbare Wärmemenge berücksichtigt, d. h. ohne die Kondensationswärme des entstehenden Wasserdampfs. Zum Vergleich mit den Heizwerten von Baustoffen können folgende Werte von Brennstoffen dienen: Holz 7 – 16 MJ / kg, Braunkohlekoks 29,9 MJ / kg, Erdöl (bei 25 °C) 42,8 MJ / kg und Erdgas (bei 25 °C) 35 – 45 MJ / m3. Wird die Kondensationswärme hinzugerechnet, ergibt sich der »Brennwert« eines Stoffs.

259

Glossar: Klimadaten

Klimadaten • Berlin

• Chicago

• Tokio • Kairo • Dakar Äquator

• Jakarta • Rio de Janeiro

125

20

100

10

75

0

50

-10

25

-20

0 F M A M J

J

A

S O N D

30

125

20

100

10

75

0

50

-10

25

-20

0

Temperatur [°C]

J

F M A M J

J

A

S O N D

30

20

100

10

75

0

50

-10

25

-20

0 J

F M A M J

J

A

S O N D

Min.

Monat

Max.

Monat

Jahresmittel

Lufttemperatur mittlere tägliche Höchsttemperatur mittlere tägliche Tiefsttemperatur absolute Höchsttemperatur absolute Tiefsttemperatur

[°C] [°C] [°C] [°C] [°C]

- 3,3 0 - 7,7 18,3 - 30,6

Jan Jan Jan Jan Dez

27,3 27,2 18,9 40,6 9,4

Jul Jul Jul Jul Jul

mittlere relative Luftfeuchtigkeit mittlerer Niederschlag max. Niederschlag min. Niederschlag max. täglicher Niederschlag Niederschlagstage Verdunstung

[%] [mm] [mm] [mm] [mm] [d] [mm]

66,0 41,0 85,0 8,0 39,0 7,0 118,0

Mai Feb Feb Feb Feb Okt Dez

76,0 103,0 228,0 34,0 159,0 13,0 333,0

Dez Jun Jul Jul Jul Apr Jul

71,0 843,0 k.A. k.A. 159,0 120,0 2611,0

mittlere Sonnenscheindauer Strahlung 1

[h] [Wh / m2d]

76,0 884,0

Dez Dez

473,0 5501,0

Jul Jul

273,0 3175,0

mittlere Windgeschwindigkeit

[m / s]

3,0

Jul, Aug

5,0

Nov – Mai

10,5 13,9 5,6 40,6 - 30,6

4,0

Jahreseinstrahlungssumme horizontal 1158 kWh / m2a

Dakar

Min.

Monat

Max.

Monat

Jahresmittel

Lufttemperatur mittlere tägliche Höchsttemperatur mittlere tägliche Tiefsttemperatur absolute Höchsttemperatur absolute Tiefsttemperatur

[°C] [°C] [°C] [°C] [°C]

21,3 26,0 17,0 37,0 12,0

Jan Jan Feb Jul Dez

28,0 32,0 26,0 43,0 21,0

Okt Okt Mai Mär Jul

24,7 29,0 21,0 43,0 12,0

mittlere relative Luftfeuchtigkeit mittlerer Niederschlag max. Niederschlag min. Niederschlag max. täglicher Niederschlag Niederschlagstage Verdunstung

[%] [mm] [mm] [mm] [mm] [d] [mm]

64,0 < 1,0 6,0 0 2,0 0 58,0

Dez Apr Mär Jan Jan Jan Jan

82,0 254,0 476,0 56,0 213,0 13,0 164,0

Sep Aug Aug Sep Aug Aug Jul

76,0 540,0 901,0 273,0 213,0 38,0 1370,0

mittlere Sonnenscheindauer Strahlung 1

[h] [Wh / m2d]

181,0 4931,0

Aug Dez

295,0 7164,0

Apr Apr

2719,0 5815,0

mittlere Windgeschwindigkeit

[m / s]

1,9

Jan

6,1

Apr

3,9

1

125

• Sydney

Chicago

1

Niederschlag [mm]

Temperatur [°C]

J

260

Niederschlag [mm]

30

Niederschlag [mm]

Temperatur [°C]

feucht-warm trocken-heiß gemäßigt kalt

Jahreseinstrahlungssumme horizontal 2122 kWh / m2a

Jakarta

Min.

Monat Jan Jan, Feb Jul, Aug Feb, Mär, Jul Sep

Max. 27,2 31,1 23,9 36,7 20,6

Monat Mai Sep Apr, Mai Okt Jan

Jahresmittel

Lufttemperatur mittlere tägliche Höchsttemperatur mittlere tägliche Tiefsttemperatur absolute Höchsttemperatur absolute Tiefsttemperatur

[°C] [°C] [°C] [°C] [°C]

26,1 28,9 22,8 33,3 18,9

mittlere relative Luftfeuchtigkeit mittlerer Niederschlag max. Niederschlag min. Niederschlag max. täglicher Niederschlag Niederschlagstage Verdunstung

[%] [mm] [mm] [mm] [mm] [d] [mm]

71,0 43,0 135,0 0 20,0 4,0 115,0

Sep Aug Jul Jun – Sep Aug Aug Feb

85,0 300,0 779,0 91,0 71,0 18,0 144,0

Jan Jan Jan Feb Feb Jan Okt

80,0 1799,0 k. A. k. A. 71,0 125,0 1590,0

mittlere Sonnenscheindauer Strahlung

[h] [Wh / m2d]

182,0 k. A.

Feb k. A.

295,0 k. A.

Aug k. A.

2975,0 k. A.

mittlere Windgeschwindigkeit

[m / s]

1,5

Mär

1,8

Jul

26,8 30,0 23,3 36,7 18,9

1,6

125

20

100

10

75

0

50

-10

25

-20

0 J

A

S O N D

30

125

20

100

10

75

0

50

-10

25

-20

0

Temperatur [°C]

J

F M A M J

J

A

S O N D

30

20

100

10

75

0

50

-10

25

0 J

F M A M J

J

A

S O N D

30

20

100

10

75

0

50

-10

25

-20

0 J

F M A M J

J

A

Monat

[°C] [°C] [°C] [°C] [°C]

13,3 19,0 9,0 30,0 1,0

Jan Jan Jan, Feb Jan Feb

mittlere relative Luftfeuchtigkeit mittlerer Niederschlag max. Niederschlag min. Niederschlag max. täglicher Niederschlag Niederschlagstage Verdunstung

[%] [mm] [mm] [mm] [mm] [d] [mm]

34,0 0 0 0 0 0 22,0

mittlere Sonnenscheindauer Strahlung 1

[h] [Wh / m2d]

mittlere Windgeschwindigkeit

[m / s]

Max.

Monat

Jahresmittel

28,3 35,0 22,0 47,0 18,0

Jul, Aug Jun, Aug Jul, Aug Mai Jul

21,7 28,0 16,0 47,0 1,0

Mai Jun – Sep Jun, Jul, Sep Jan, Dez Jun, Jul, Sep Jul – Sep Jan

56,0 8,0 54,0 k. A. 44,0 3,0 184,0

Dez Dez Dez k. A. Dez Jan, Dez Jul

47,0 24,0 63,0 3,0 44,0 10,0 1170,0

236,0 k. A.

Dez, Jan k. A.

391,0 k. A.

Jul k. A.

3717,0 5592,0

3,0

Jun – Dez

4,0

Jan – Mai

3,0

Jahreseinstrahlungssumme horizontal 2041 kWh / m2a

Rio de Janeiro

Min.

Monat

Lufttemperatur mittlere tägliche Höchsttemperatur mittlere tägliche Tiefsttemperatur absolute Höchsttemperatur absolute Tiefsttemperatur

[°C] [°C] [°C] [°C] [°C]

20,2 23,9 17,2 32,6 10,2

Jul Jul, Sep Jul Jun Sep

mittlere relative Luftfeuchtigkeit mittlerer Niederschlag max. Niederschlag min. Niederschlag max. täglicher Niederschlag Niederschlagstage Verdunstung

[%] [mm] [mm] [mm] [mm] [d] [mm]

75,0 40,0 91,0 2,0 51,0 7,0 61,0

mittlere Sonnenscheindauer Strahlung 1

[h] [Wh / m2d]

151,0 k. A.

mittlere Windgeschwindigkeit

[m / s]

2,7

Max.

Monat

Jahresmittel

25,6 29,4 22,8 39,1 17,6

Feb Feb Jan, Feb Jan Mär

22,7 26,1 20,0 39,1 10,2

Aug Aug Jul Aug Aug Jul Jul

81,0 157,0 318,0 41,0 223,0 14,0 137,0

Mär Jan Jan Nov, Dez Apr Nov, Dez Jan

78,0 1039,0 k. A. k. A. 223,0 131,0 1130,0

Okt k. A.

222,0 k. A.

Jan k. A.

2350,0 4630,0

3,9

Okt

3,2

Apr, Jun, Jul

Jahresseinstrahlungssumme horizontal 1690 kWh / m2a

Sydney

Min.

Monat

Max.

Lufttemperatur mittlere tägliche Höchsttemperatur mittlere tägliche Tiefsttemperatur absolute Höchsttemperatur absolute Tiefsttemperatur

[°C] [°C] [°C] [°C] [°C]

11,8 15,6 7,8 25,7 2,1

Jul Jul Jul Jul Jun

22,0 25,6 18,3 45,3 10,6

mittlere relative Luftfeuchtigkeit mittlerer Niederschlag max. Niederschlag min. Niederschlag max. täglicher Niederschlag Niederschlagstage Verdunstung

[%] [mm] [mm] [mm] [mm] [d] [mm]

62,0 72,0 282,0 1,0 121,0 11,0 25,0

Okt Sep Okt Aug Dez Aug Jul

76,0 141,0 643,0 11,0 281,0 14,0 122,0

mittlere Sonnenscheindauer Strahlung 1

[h] [Wh / m2d]

180,0 2919,0

Mai Jul

229,0 6792,0

mittlere Windgeschwindigkeit

[m / s]

1

125

Min.

Lufttemperatur mittlere tägliche Höchsttemperatur mittlere tägliche Tiefsttemperatur absolute Höchsttemperatur absolute Tiefsttemperatur

1

125

-20

Kairo

1

Niederschlag [mm]

F M A M J

Niederschlag [mm]

Temperatur [°C]

J

Temperatur [°C]

Niederschlag [mm]

30

Niederschlag [mm]

Temperatur [°C]

Glossar: Klimadaten

3,2

Apr, Mai

4,1

Monat Jan Jan, Feb Jan, Feb Jan Jan

Jahresmittel 17,4 21,1 13,3 45,3 2,1

Jun Jun Jun Mär Mär Jan, Mär, Apr Jan

69,0 1205,0 2102,0 546,0 281,0 152,0 838,0

Okt, Dez Nov

2463,0 4675,0

Jan

3,7

Jahresseinstrahlungssumme horizontal 1706 kWh / m2a

Tokio

Min.

Monat

Max.

3,7 8,3 - 1,7 21,3 - 9,2

Jan Jan Jan Jul Dez, Jan

mittlere relative Luftfeuchtigkeit mittlerer Niederschlag max. Niederschlag min. Niederschlag max. täglicher Niederschlag Niederschlagstage Verdunstung

[%] [mm] [mm] [mm] [mm] [d] [mm]

60,0 48,0 k. A. k. A. 48,0 5,0 4,0

Feb Jan k. A. k. A. Jan Dez Jan

80,0 217,0 k. A. k. A. 393,0 13,0 161,0

Jul, Sep Sep k. A. k. A. Sep Sep Jul

72,0 1562,0 k. A. k. A. 393,0 115,0 809,0

mittlere Sonnenscheindauer Strahlung

[h] [Wh / m2d]

Sep, Okt k. A.

204,0 k. A.

Aug k. A.

2020,0 k. A.

mittlere Windgeschwindigkeit

[m / s]

3,0

Dez

4,3

Aug Aug Aug Aug Aug

Jahresmittel

[°C] [°C] [°C] [°C] [°C]

136,0 k. A.

26,4 30,0 22,2 38,4 15,4

Monat

Lufttemperatur mittlere tägliche Höchsttemperatur mittlere tägliche Tiefsttemperatur absolute Höchsttemperatur absolute Tiefsttemperatur

Mär, Apr

14,7 18,9 10,0 38,4 - 9,2

3,7

S O N D

261

Glossar: Ökobilanzdaten

Ökobilanzdaten

Außenwandbekleidungen pro m2 Schichtaufbau

PEI Primärenergie n. erneuerbar [MJ]

PEI Primärenergie erneuerbar [MJ]

GWP Klimagase

Dauerhaftigkeit

[kg CO2eq]

[a]

5,4

80 – 100

10

80 – 100

Naturstein angemörtelte Natursteinplatten, Kalkstein

71

3,5

Kalksteinplatte geschnitten, 20 mm Kalkzementmörtel MG II, 15 mm vorgehängte Natursteinfassade, Kalkstein

168

17

88

38

3,4

40 – 60

320

10

33

60 – 80

680

36

55

≥ 80

285

50

21

≥ 80

400

9

51

60 – 80

416

43

25

70 – 100

832

168

55

70 – 100

41

226

- 21

40 – 70

189

613

- 29

40 – 70

PEI Primärenergie erneuerbar [MJ]

GWP Klimagase

Dauerhaftigkeit

[kg CO2eq]

[a]

Kalksteinplatte geschnitten, 30 mm Edelstahlanker (V4A), 140 mm Baustoffe mit mineralischen Bindemitteln Faserzementplatten Faserzementplatten, 8 mm Holzunterkonstruktion, 30 mm Kalksandstein, hinterlüftet Außenwandbekleidungen Die Haut eines Gebäudes prägt das äußere Erscheinungsbild. Sie übernimmt vielfältige Austauschfunktionen zwischen innen und außen und bietet Schutz, insbesondere vor Witterungseinflüssen. Eingerechnet in die funktionale Bauteilschicht ist neben der schützenden Fläche auch die notwendige Haltekonstruktion. An die Sicherheit und Dauerhaftigkeit des gesamten Aufbaus bestehen hohe Anforderungen. In Bezug auf den Primärenergieinhalt und die daraus resultierenden Umwelteinflüsse weisen Außenwandbekleidungen große Unterschiede auf (siehe Material, S. 162, Abb. B 5.56). Hinsichtlich des Gesamtgebäudes sind der prozentuale Anteil an grauer Energie der Fassade (siehe Material, S. 162, Abb. B 5.55) wie auch sein Kostenanteil in der Regel sehr hoch; entsprechend hohe Aufmerksamkeit sollte der Planung gewidmet werden. Gerade vorgehängte, massive Außenwandbekleidungen enthalten einen Großteil der grauen Energie in Unterkonstruktion und Befestigung (siehe Material, S. 163, Abb. B 5.60). Eine optimierte Materialstärke und das Gewicht verringern den Primärenergieinhalt des Bauteils. Erhöhte Dauerhaftigkeit kann ggf. den Einsatz energiearmer Metallwerkstoffe rechtfertigen. Holzkonstruktionen ermöglichen die Bindung von CO2 und reduzieren so unerwünschte Klimawirkungen.

Kalksandstein (KS Vb 20 / 1,8), Mörtel MG II, 115 mm Maueranker Stahl, 80 mm Ortbeton Ortbeton armiert, 2 % Stahlanteil (FE 360 B), 100 mm Betonanker Stahl hochlegiert, 120 mm Keramische Baustoffe Keramikplatten, hinterlüftet VFH-Keramikplatten, 30 mm Aluminiumprofil, 60 mm Verblendmauerwerk, hinterlüftet Vollziegel (VMz 28 / 1,8), Mörtel MG II, 115 mm Maueranker Stahl, 80 mm Metall Titanzinkblech Titanzinkblech Winkelstehfalz, 0,7 mm Spanplatte, P5, 22 mm Aluminium-Wellblechprofil Aluminium-Wellblechprofil, 1 mm Unterkonstruktion Aluminium, 30 mm Holz Holzschindeln Holzschindeln Red Cedar gespalten, zweilagig, 16 mm Holzunterkonstruktion, 48 mm Sperrholzplatten BFU-Platte, 16 mm Holzunterkonstruktion, 30 mm

Transparente Bauteile Transparente Bauteile bestehen aus einem transparenten Element und seiner zwängungsfreien Lagerung. Sie stellen flächenbezogen die energetisch aufwendigste Funktionsschicht dar (siehe Material, S. 162, Abb. B 5.56). Ihr Einsatz sollte daher möglichst Zusatzfunktionen erfüllen, wie z. B. eine verbesserte Tageslichtversorgung oder die Erschließung von solaren Energieerträgen (siehe Gebäudehülle, S. 83, Abb. B 3.2). Das Glas wird dabei nur selten tragend, selbsttragend oder aussteifend ausgebildet, wodurch die Bedeutung der Unterkonstruktion steigt. Eine hohe Rohdichte sowie erhöhte Anforderungen an Dämmung und Dichtung wirken sich zusätzlich negativ aus.

Transparente Bauteile pro m2 Schichtaufbau

PEI Primärenergie n. erneuerbar [MJ]

Glas Wärmeschutzglas Ug = 1,1

547

65

29

50

837

70

40

50

2162

353

131

50

1099

63

52

25

Zweischeiben-Wärmeschutzglas, Argonfüllung, 24 mm Klemmpressprofil Aluminium, EPDM-Dichtung, 40 mm Wärmeschutzglas Ug = 0,7 Dreischeiben-Wärmeschutzglas, Argonfüllung, 36 mm Klemmpressprofil Aluminium, EPDM-Dichtung, 40 mm Doppelfassade ESG, 6 mm Tragkonstruktion Aluminium, 250 mm Zweischeiben-Wärmeschutzglas, Argonfüllung, 24 mm Kunststoff Stegplatten Dreikammer-Stegplatte Polycarbonat, 40 mm Klemmpressprofil Aluminium, EPDM-Dichtung

262

Glossar: Ökobilanzdaten

Putze und WDVS pro m2 Schichtaufbau

Kalkzementputz innen, zweilagig

PEI Primärenergie n. erneuerbar [MJ]

PEI Primärenergie erneuerbar [MJ]

GWP Klimagase

Dauerhaftigkeit

[kg CO2eq]

[a]

110

1,8

7,2

80

97

1,5

5,9

80

237

3,4

Kalkzementmörtel P II gerieben, 15 mm Grundierung Gipsputz innen, zweilagig Gipsputz glatt, 15 mm Grundierung Wärmedämmputz

16

60

31

30

Putze und WDVS Putze und Wärmedämmverbundsysteme (WDVS) stellen eine Sondergruppe der Außenwandbekleidungen dar. Je nach Anforderungen können sie eine Vielzahl an Einzelschichten umfassen. Putze sind eine effiziente Alternative zu Außenwandbekleidungen. Dämmputze und Wärmedämmverbundsysteme erfüllen die Funktion von Außenwandbekleidung und Dämmung in einem Bauteil. Sie lassen sich durch die Addition beider Schichten mit anderen Aufbauten vergleichen. Hinsichtlich Revisionsfähigkeit weisen sie jedoch wegen ihrer Verbundeigenschaften gewisse Nachteile auf.

Kalkzementputz mit Blähperlitezuschlag, 50 mm Grundierung Wärmedämmverbundsystem (WDVS)

561

24

Kalkzementputz mit Glasvliesarmierung, 3 mm EPS, ¬ = 0,035 W / m2K, ρ = 30 kg / m3, 100 mm Kleber UF-Basis, 3,2 mm Lehmputz innen, zweilagig

61

0,9

3,8

80

Grundlehmputz, 10 mm Feinlehmputz, 5 mm

Dämmungen pro m2 Schichtaufbau

PEI Primärenergie n. erneuerbar [MJ]

PEI Primärenergie erneuerbar [MJ]

GWP Klimagase

Dauerhaftigkeit

[kg CO2eq]

[a]

511

17

28

30

405

12

21

30

349

13

17

30

Platten expandiertes Polystyrol (EPS) EPS-Platte, ¬ = 0,04 W / mK, ρ = 25 kg / m3, 120 mm Kleber Polyvinylacetat (PVAC) extrudiertes Polystyrol (XPS) XPS-Platte, ¬ = 0,04 W / mK, ρ = 20 kg / m3, 120 mm Kleber Polyvinylacetat (PVAC) Polyurethan PUR PUR-Platte, ¬ = 0,035 W / mK, ρ = 20 kg / m3, 100 mm Kleber Polyvinylacetat (PVAC) Backkork ICB

15

0,24

1,1

40 – 60

0,8

30 – 50

Dämmungen Dämmschichten bestehen aus einem Dämmstoff und seiner Befestigung am Untergrund (z. B. durch Verklebung oder Verdübelung). Der Primärenergieinhalt von Dämmstoffen kann bei gleicher Dämmwirkung um mehr als den Faktor zehn differieren. Der Einsatz von Dämmungen reduziert jedoch generell die Energieaufwendungen für den Betrieb eines Gebäudes und erhöht den Komfort für den Gebäudenutzer. So amortisieren sich alle Dämmstoffe in typischen Dämmstoffdicken energetisch innerhalb kurzer Zeiträume (siehe Material, S. 152). Die Auswahl eines Dämmstoffs bestimmt sich auch durch die weiteren an ihn gestellten Anforderungen (z. B. Druckfestigkeit im Erdbereich). Erscheint z. B. extrudiertes Polystyrol (XPS) generell als energieaufwendig, so stellt es in der Gruppe der druckfesten Dämmungen ein energetisch vergleichsweise günstige Lösung für die Aufgabenstellung dar.

Backkorkplatte, ¬ = 0,04 W / mK, 120 mm Klebemörtel Holzwollemehrschichtplatte WW-C, verlorene Schalung

89

68

436

79

19

20 – 50

1030

29

49

100

16

40

WW-C-Platte, ¬ = 0,04 W / mK, ρ = 30 kg / m3, 125 mm magnesiagebunden, innenseitig Mineralfaser Holzfaserdämmplatte WF WF-Platte, ¬ = 0,04 W / mK, ρ = 160 kg / m3, 120 mm Klebemörtel Schaumglas CG, Perimeterdämmung Schaumglas, ¬ = 0,04 W / mK, ρ = 100 kg / m3, 120 mm Kleber Bitumen Kalziumsilikatplatte

96

3,7

74

1,4

187

2,1

33

1,7

Kalziumsilikat, ¬ = 0,04 W / mK, ρ = 20 kg / m3, 120 mm Tellerdübel Polyamid Vliese Mineralwollevlies

5,4

30 – 50

Mineralwollevlies, ¬ = 0,04 W / mK, ρ = 20 kg / m3, 120 mm Tellerdübel Polyamid Schüttungen Perliteschüttung

11

k. A.

Blähperlite, ¬ = 0,065 W / mK, ρ = 100 kg / m3, 160 mm (auf Bodenplatte) Zelluloseschüttung

1,8

35 – 50

Zellulose, ¬ = 0,04 W / mK, ρ = 50 kg / m3, 120 mm (zwischen TJI-Holzträgern)

263

Glossar: Ökobilanzdaten

Dachbeläge Die funktionale Schicht der Dachbeläge besteht aus der Dachhaut (Deckung oder Dichtung) und der dazu erforderlichen Unterkonstruktion. Als Teil der Gebäudehaut sind Dachbeläge ähnlich energieaufwendig wie Fassaden. Wegen der hohen Anforderungen des Witterungsschutzes ist besonders auf eine hohe Dauerhaftigkeit Wert zu legen, andernfalls entstehen durch Austauschund Reparaturprozesse über den Lebenszyklus erhöhte Energieaufwendungen und Kosten. Bei komplizierten Dachformen sind hohe Energiemengen in den Anschlusselementen gebunden; geometrisch einfache Konstruktionen verringern diesen Aufwand. Die besonders bei Metalldeckungen in der Unterkonstruktion eingesetzten Holzschichten können den CO2Ausstoß für die Metallschicht nicht aufwiegen, sie verfügen dafür über eine vergleichsweise hohe Dauerhaftigkeit. Bei Flachdächern binden extensiv begrünte Dächer mit PVC- oder EPDM-Dichtbahnen in der Regel weniger graue Energie als Bitumenbahnen und verfügen gleichzeitig über eine höhere Dauerhaftigkeit.

Dachbeläge pro m2 Schichtaufbau

PEI Primärenergie n. erneuerbar [MJ]

PEI Primärenergie erneuerbar [MJ]

GWP Klimagase

Dauerhaftigkeit

[kg CO2eq]

[a]

331

180

11

50

288

155

4

50

458

143

17

70

830

130

35

80

689

197

26

40

999

138

24

70

501

708

- 44

40

1355

38

40

25 – 30

394

28

17

25 – 35

GWP Klimagase

Dauerhaftigkeit

[kg CO2eq]

[a]

45

70 – 100

Dachdeckungen Flachdachpfanne, Anschlüsse Titanzink Ziegelflachdachpfanne, 20 mm Holzlattung, 24 / 48 mm, Spannbahn PE-HD 0,5 mm Betonstein, Anschlüsse Titanzink Betondachstein, 20 mm Holzlattung, 24 / 48 mm, Spannbahn PE-HD 0,5 mm Titanzinkblech Titanzinkblech Doppelstehfalz, 0,7 mm Holzschalung Bretter, 24 mm Kupferblech Kupferblech Doppelstehfalz, 0,7 mm Holzschalung Bretter, 24 mm Faserzementplatte, Anschlüsse Titanzink Faserzement-Wellplatte, 8 mm Holzlattung, 24 / 48 mm, Spannbahn PE-HD 0,5 mm MDF-Platte, 18 mm Schieferschindel, Anschlüsse Kupfer Schieferschindel altdeutsche Deckung, 5 mm Bitumendachbahn V 13, 5 mm Holzschalung Bretter, 24 mm Holzschindel, Anschlüsse Kupfer Holzschindel dreifach, 24 mm Holzlattung, 24 / 48 mm, Spannbahn PE-HD 0,3 mm Holzschalung Bretter, 24 mm Dachabdichtungen Bitumenbahn, bekiest Kies, 50 mm Polyestervlies (PES), 2 mm Dachabdichtung Bitumenbahn (PYE PY200 S5), 5 mm Dachabdichtung Bitumenbahn (G200 S4), 4 mm EPDM, bekiest Kies, 50 mm Dachabdichtung EPDM-Bahn, 1,2 mm Lochglasvliesbahn, 3 mm, Dampfsperre PE-HD 0,4 mm

Wände Die funktionale Schicht der Wände betrachtet die Wand ohne ihre Oberflächengestaltung. Auf die Gesamtbilanz bezogen binden Wände nach dem Tragwerk zumeist den zweithöchsten Anteil der grauen Energie (siehe Material, S. 162, Abb. B 5.55). Die Primärenergieaufwendungen korrespondieren weitgehend mit dem in das Gebäude eingebrachten Gewicht. Leichte Konstruktionen sollten bevorzugt werden, soweit dies die weiteren Anforderungen an die Wand (z. B. Schallschutz) zulassen. Holz- und Metallständerwände bieten dabei neben geringer gebunderer Energie auch leichtere Austauschmöglichkeiten und gestatten eine einfache Technikintegration. Metallständerwände verfügen dabei im Vergleich zu Holzständerwänden über einen geringeren Primärenergieinhalt (320 MJ / m2), der jedoch zu großen Teilen aus nicht erneuerbaren Quellen gedeckt wird (307 MJ / m2). Holzständerwände binden demgegenüber CO2.

Wände pro m2 Schichtaufbau

PEI Primärenergie n. erneuerbar [MJ]

PEI Primärenergie erneuerbar [MJ]

Massive Wände Stahlbeton

650

83

Stahlbeton (C 25 / 35), 2 % Stahlanteil (FE 360 B), 200 mm Lehmstein

96

1,2

4,2

70 – 90

Lehmstein luftgetrocknet, ρ = 1400 kg / m3, 240 mm Lehmmörtel Porenbetonstein

410

14

65

70 – 90

26

80 – 90

56

90 – 100

Porenbetonstein (PPW 4-0,6 NuF), 240 mm Mauermörtel MG III Bims-Leichtbetonstein

247

5,1

Bims-Leichtbetonstein (VBL 2), 240 mm Mauermörtel MG III Kalksandstein

517

14

Kalksandstein (KSL 12 / 1,4), 240 mm Mauermörtel MG II Gipsdiele Gipsdiele, 100 mm Gipsmörtel MG IV

264

186

2,5

8,9

90

Glossar: Ökobilanzdaten

Wände pro m2 Schichtaufbau

PEI Primärenergie n. erneuerbar [MJ]

PEI Primärenergie erneuerbar [MJ]

GWP Klimagase

Dauerhaftigkeit

[kg CO2eq]

[a]

79

90 – 100

- 5,9

40 – 60

Massive Wände Hochlochziegel

599

12

182

179

PEI Primärenergie n. erneuerbar [MJ]

PEI Primärenergie erneuerbar [MJ]

Hochlochziegel (HLz 12 / 1,2), 240 mm Mauermörtel MG II Ständerwände Holzständerwand Gipsplatte (Typ A), 12,5 mm Holzständer, 80 / 40 mm, Mineralwolle, 40 mm Gipsplatte (Typ A), 12,5 mm

Wandbekleidungen pro m2 Schichtaufbau

GWP Klimagase

Dauerhaftigkeit

[kg CO2eq]

[a]

Mineralische Bekleidungen Gipsplatte

97

50

1,2

40 – 60

84

2

- 0,2

k. A.

40

281

- 26

50 – 90

177

540

- 23

50 – 90

40

87

Gipsplatte (Typ A), 12,5 mm geschraubt, Randanschluss Nadelschnittholz Lehmbauplatte Lehmfeinputz, Jutegewebe, 4 mm Lehmbauplatte, 20 mm Holzunterkonstruktion geschraubt, 24 mm

Wandbekleidungen Wandbekleidungen variieren hinsichtlich ihres Primärenergieinhalts weniger als andere Bauteilgruppen, wobei die Bekleidung immer einschließlich des notwendigen Befestigungsmaterials bilanziert ist. Übliche Materialien wie Holzwerkstoff- oder Gipsplatten stellen aus Sicht des Primärenergieinhalts besonders günstige Optionen dar. Die wahrgenommene Wertigkeit des Materials und der Primärenergieinhalt korrespondieren weitgehend miteinander; allerdings verfügen hochwertigere Oberflächen meist auch über eine dauerhafte Nutzbarkeit.

Holzbekleidungen Holzverschalung Holzverschalung (Fichte NuF), 19,5 mm geschraubt Furniersperrholz Furniersperrholz, 22 mm geschraubt Spanplatte (vergleichbar zu OSB)

- 9,7

50 – 60

Spanplatte P1, 19 mm geschraubt

Unterdecken pro m2 Schichtaufbau

Holzwolleplatte

PEI Primärenergie n. erneuerbar [MJ]

PEI Primärenergie erneuerbar [MJ]

GWP Klimagase

Dauerhaftigkeit

[kg CO2eq]

[a]

110

381

- 28

30 – 50

136

109

Holzwolleplatte mineralisch gebunden, 25 mm Unterkonstruktion Holzlattung, 24 mm Flachpressplatte

- 5,8

50

4,5

40

1,2

40 – 60

3,3

80

Flachpressplatte Eiche furniert, 19 mm Unterkonstruktion U-Profile Stahl verzinkt, 40 mm Mineralfaservlies, 40 mm Kalziumsilikatplatte

56

1,3

Unterdecken Der Primärenergieinhalt von Unterdecken wird neben ihrer Oberfläche ganz wesentlich durch die Unterkonstruktion beeinflusst. Unterschiedliche Systeme und Anforderungen erzeugen hier im Gegensatz zu den Wandbekleidungen stark differierende Primärenergieaufwendungen. Klassische Materialien des Innenausbaus wie z. B. Putz stellen primärenergetisch effiziente Optionen dar. Abgehängte Decken erzeugen durch einen erhöhten Materialeinsatz im Allgemeinen einen deutlich höheren Primärenergieeinsatz als flächig aufgebrachte oder direkt montierte Unterdecken.

Kalziumsilikatplatte, 20 mm Unterkonstruktion U-Profile Stahl, 50 mm Gipsfaserplatte

97

50

Gipsfaserplatte, 12,5 mm Unterkonstruktion Holzlattung, 24 mm Putzdecke

56

0,8

Gipsputz, 15 mm Unterkonstruktion Schilfrohrmatte, 5 mm Paneeldecke, Stahl

375

14

22

40 – 70

Stahlblechkassette gelocht, 0,88 mm Stahlträger U-Profil Bandraster 840 mm, 7,5 mm Mineralfaserplatte, 40 mm kaschierte PE-Folie

265

Glossar: Ökobilanzdaten

Schwimmende Estriche Die funktionale Schicht der Estriche bedingt sich insbesondere durch die Auflastverteilung und den Schallschutz. Sie besteht aus dem Estrich, einer Trennschicht und einer Trittschalldämmung. Dabei ist die Dauerhaftigkeit der Schallschutzschicht meist geringer als die der Tragschicht. Der Einsatz von Zement-, Gussasphaltestrich oder OSBPlatten kann mit einem funktionalen Mehrwert einhergehen, wenn diese gleich als nutzfertige Oberflächen dienen oder, wie Gussasphaltestrich, Vorteile in der Schalldämmung aufweisen.

Schwimmende Estriche pro m2 Schichtaufbau

PEI Primärenergie n. erneuerbar [MJ]

PEI Primärenergie erneuerbar [MJ]

GWP Klimagase

Dauerhaftigkeit

[kg CO2eq]

[a]

18

50 – 80 1

Nass- / Mörtelestriche Zementestrich

203

3,8

71

2,2

443

5,1

Zementestrich (CT 20-S50), 50 mm Bitumenpapier, 0,2 mm Mineralfaserdämmung, 20 / 15 mm Kalziumsulfatestrich

5,8

40 – 60 1

Kalziumsulfatestrich (CA 20-S50), 50 mm Bitumenpapier, 0,2 mm Mineralfaserdämmung, 20 / 15 mm Gussasphaltestrich

11

k. A. 1

Gussasphaltestrich, 25 mm Bitumenpapier, 0,2 mm Kokosplatte, 10 mm Trockenestriche Gipsfaserplatte

138

10

8,2

k. A. 1

71

88

- 8,3

k. A. 1

GWP Klimagase

Dauerhaftigkeit

[kg CO2eq]

[a]

Gipsfaserplatte, zweilagig, 20 mm Mineralfaserdämmung, 25 / 20 mm Spanplatte Spanplatte (P1) verleimt, 19 mm Mineralfaserdämmung, 20 / 15 mm Polyethylenvlies (PE), 1 mm 1

Bodenbeläge Bodenbeläge bestehen aus der eigentlichen Nutzschicht sowie ihrer Befestigung am Untergrund. Starke Beanspruchung und häufige Reinigungsprozesse (siehe Material, S. 172) belasten die Bodenbeläge intensiv und können einen hohen Primärenergieverbrauch bewirken. Aber auch der Primärenergieinhalt der Bodenbeläge selbst differiert stark, zudem kann er sich über geringe Dauerhaftigkeiten schnell kumulieren. Natursteinbeläge bieten die höchsten Dauerhaftigkeiten bei gleichzeitig niedrigem Primärenergieinhalt. Die Befestigungsart der Bodenbeläge innerhalb des Gebäudes ist dabei mit ausschlaggebend für den Primärenergieinhalt. Dies zeigt sich insbesondere bei elastischen Bodenbelägen und Teppichen, bei denen Kautschuk als synthetisches Produkt einen sehr hohen Primärenergieinhalt besitzt. Bei Vollholzprodukten (z. B. Langstabparkett oder Mosaikparkett) zeigt sich, dass sich eine Vielzahl von Arbeitsschritten und ein damit verbundener erhöhter Verschnitt deutlich auf die CO2-Bilanz auswirken.

Die Dauerhaftigkeit von Trittschalldämmungen liegt bei 50 Jahren

Bodenbeläge pro m2 Schichtaufbau

PEI Primärenergie n. erneuerbar [MJ]

PEI Primärenergie erneuerbar [MJ]

Platten Kalkstein

16

0,7

1

70 – 100

43

1,1

3,5

70 – 100

137

3,2

Kalksteinplatten 305 / 305 mm, verfugt MG III, 10 mm Dünnbettmörtel, 3 mm Schiefer Schieferplatten 300 / 300 mm, verfugt MG III, 20 mm Mörtelbett MG II, 12 mm Cotto

14

40 – 80

Cotto-Platten geölt 300 / 300 mm, verfugt MG III, 15 mm Mörtelbett MG II, 12 mm Vollholzprodukte und Holzwerkstoffe Langstabparkett

66

447

- 42

20 – 50

79

174

- 13

20 – 50

74

311

- 27

20 – 50

91

54

- 2,6

10 – 15

24

29

- 0,4

15 – 40

702

15

21

15 – 40

Langstabparkett Buche geölt, 22 mm Kleber Alkydharzbasis Mosaikparkett Mosaikparkett Eiche versiegelt, 8 mm Kleber Alkydharzbasis Fertigparkett Fertigparkett Buche, 15 mm Kleber PUR-Basis Laminat Laminat Melaminharzbeschichtung, 8 mm Kleber PUR-Basis Polyethylenvlies Elastische Bodenbeläge Linoleum Linoleumbahn, 2,5 mm Kleber Polyvinylacetat (PVAC) Kautschuk Kautschukbahn ohne Einlage synthetisch, 4,5 mm Kleber PUR-Basis

266

Glossar: Ökobilanzdaten

Bodenbeläge pro m2 Schichtaufbau

PEI Primärenergie n. erneuerbar [MJ]

PEI Primärenergie erneuerbar [MJ]

GWP Klimagase

Dauerhaftigkeit

[kg CO2eq]

[a]

22

54

- 5,2

15 – 40

118

23

9,9

15 – 30

164

33

3,3

5 – 15

39

27

- 1,1

5 – 12

7,3

5 – 12

GWP Klimagase

Dauerhaftigkeit

[kg CO2eq]

[a]

0,01

0,22

5

7,3

1,4

0,26

20 – 25

4,8

1,4

0,13

15

4,6

0,14

0,15

10

1,5

1,9

15 – 35

GWP Klimagase

Dauerhaftigkeit

[kg CO2eq]

[a]

Elastische Bodenbeläge Kork gewachst Korkplatten gewachst, 6 mm Kleber Latexbasis PVC PVC-Bahn, 2 mm Kleber Polyvinylacetat (PVAC) Textile Bodenbeläge Teppich, Sisal natur Teppich Sisal natur, Naturlatexrücken, 6 mm Kleber Alkydharzbasis Teppich, Schurwolle Teppich Schurwolle, Schlinge, 6 mm Jutefilz Kleber Polyvinylacetat (PVAC) Teppich, vollsynthetisch

225

5,2

Teppich Schnittflor, Schaumrücken, 7 mm Mörtelbett MG II, 12 mm

Beschichtungen pro m2 Schichtaufbau, Schichtdicken gemäß EN 1062

PEI Primärenergie n. erneuerbar [MJ]

PEI Primärenergie erneuerbar [MJ]

Mineralische Beschichtungen, außen Kalkbeschichtung

2

Kalkhydratbeschichtung Grundierung Silikatbeschichtung 1K 1K-Silikatdispersion Grundierung Organische Beschichtungen, außen Alkydharzbeschichtung

Beschichtungen Beschichtungen bestehen aus der eigentlichen Beschichtung sowie einer zumeist notwendigen Vorbehandlung des Untergrunds. Die energetischen Wirkungen von Beschichtungen bestimmen sich insbesondere aus ihrer Dauerhaftigkeit. Als »Nulloption« bietet der Verzicht auf Beschichtungen eine äußerst effiziente Optimierungsmöglichkeit. Weitere Optimierungsansätze bestehen im Bereich der gesundheitlichen Unbedenklichkeit (siehe Material, S. 171). Andererseits lassen Beschichtungen Bauteile dauerhaft werden oder qualifizieren diese zusätzlich, indem sie weitere Funktionen übernehmen (wie z. B. Schallschutz oder Brandschutz). Eine Estrichversiegelung stellt z. B. eine energieeffiziente Alternative zu Bodenbelägen dar.

Alkydharzlack Grundierung Acrylbeschichtung Dickschichtlasur Acrylbasis Grundierung PUR-Beschichtung (Estrichversiegelung)

36

2K-Polyurethanbeschichtung (PUR) Grundierung

Abdichtungen pro m2 Schichtaufbau

Reaktionsharzabdichtung

PEI Primärenergie n. erneuerbar [MJ]

PEI Primärenergie erneuerbar [MJ]

94

3,4

5,8

80

kunststoffmodifizierte Bitumendickbeschichtung (KMB) 373

1,1

6,4

80

10

0,2

0,8

k. A.

294

5,6

7,4

80

Epoxidmörtel, 2 mm Voranstrich Epoxid

Abdichtungen Als Funktionsschicht aus Dichtebene und Untergrundvorbehandlung bieten Abdichtungen mit ihren hohen Differenzen in der grauen Energie verschiedene Möglichkeiten zur energetischen Optimierung, die jedoch stark vom Anforderungsprofil (z. B. drückendes Wasser) abhängen.

Schutzbahn Kunststoffnoppenbahn (HDPE) Bitumenemulsion, 3 mm mineralische Dichtungsschlämme Dichtungsschlämme Zementbasis, 2 mm Voranstrich Wasserglas Bitumenbahn, einlagig Bitumenbahn (G 200 S4), 4 mm Bitumenvoranstrich

267

Verordnungen, Richtlinien, Normen

Verordnungen, Richtlinien, Normen

Teil A Positionen DIN EN ISO 9000: 2000 Qualitätsmanagementsysteme – Grundlagen und Begriffe. 2005-12

Teil B

Die EU hat für eine Anzahl von Produkten Richtlinien erlassen, um insbesondere Sicherheit und Gesundheit der Anwender zu gewährleisten. Diese Richtlinien müssen in den Mitgliedsstaaten in verbindliche Gesetze und Verordnungen umgesetzt werden. Die Richtlinien selbst enthalten keine technischen Details, sondern nur verbindliche grundlegende Anforderungen. Die technischen Werte dafür sind in zugeordneten technischen Regeln und in Form von europaweit harmonisierten Normen (EN-Normen) festgelegt. Allgemein stellen technische Regeln Arbeitshinweise und Hilfsmittel für den Arbeitsalltag dar. Sie sind keine Rechtsvorschriften, sondern geben Entscheidungshilfen, bilden eine Richtschnur für einwandfreies technisches Vorgehen und / oder konkretisieren Inhalte von Verordnungen. Grundsätzlich steht die Anwendung der technischen Regeln jedermann frei. Erst wenn diese in Gesetzen, Verordnungen oder Vorschriften vorgesehen sind, werden sie rechtsverbindlich (z. B. im Baurecht) – oder wenn vertraglich die Verbindlichkeit einzelner Normen zwischen den Vertragspartnern festgelegt wird. Zu den technischen Regeln gehören u.a. DIN-Normen, VDI-Richtlinien und die als Regeln der Technik bezeichnenten Werke (z. B. Technische Regeln für Gefahrstoffe TRGS). Die Normen unterscheiden sich in Produkt-, Anwendungs- und Prüfnormen. Oftmals beziehen sie sich nur auf eine spezifische Material- oder Produktgruppe. Diesen Normen liegen entsprechende Prüf- und Rechenmethoden für die jeweiligen Materialien zugrunde. Grundsätzlich gilt immer die neueste Version einer Norm, die dem Stand der Technik entsprechen soll. Eine neue oder überarbeitete Norm wird in Form eines Normentwurfs öffentlich zur Diskussion gestellt, um später als Norm verabschiedet zu werden. Welchen Ursprung und Einflussbereich eine Norm hat, lässt sich aus ihrer Bezeichnung ersehen: DIN plus Zählnummer (z. B. DIN 4108) besitzt überwiegend nationale Bedeutung (Entwürfe werden mit »E« und Vornormen mit »V« gekennzeichnet). Bei DIN EN plus Zählnummer (z. B. DIN EN 572) handelt es sich um die deutsche Ausgabe einer europäischen Norm, die unverändert von der europäischen Normungsorganisation CEN übernommen wurde. Bei DIN EN ISO (z. B. DIN EN ISO 18 064) spiegelt sich der nationale, europäische und weltweite Einflussbereich wider. Auf Grundlage einer Norm der internationalen Normungsorganisation ISO wurde eine europäische Norm erarbeitet, die als DIN-Norm übernommen wurde. Bei DIN ISO (z. B. DIN ISO 21 930) handelt es sich um eine unveränderte Übernahme einer Norm der ISO als nationale Norm. Die nachfolgende Zusammenstellung ist eine Auswahl von Verordnungen, Richtlinien und Normen, die den Stand der Technik wiedergibt (August 2007).

Allgemein Energieeinsparverordnung (EnEV) – Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden. 2004-12 Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) 2002 – Gesetz zur Neuregelung des Rechts der Erneuerbaren Energien im Strombereich. 2004-07 Wärmeschutzverordnung (WSVO) – Verordnung über einen energiesparenden Wärmeschutz. 1987 Novellierung Wärmeschutzverordnung. 1984 Novellierung Wärmeschutzverordnung. 1995

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Planung

Grundlagen DIN EN 1946-2 Wärmetechnisches Verhalten von Bauprodukten und Bauteilen – Technische Kriterien zur Begutachtung von Laboratorien bei der Durchführung der Messungen von Wärmeübertragungseigenschaften – Teil 2: Messung nach Verfahren mit dem Plattengerät. 1999-04 CEN-Bericht CR 1752 Anforderungen für die Innenraumqualität und die Verfahren zur Darstellung der Innenraumqualität hinsichtlich Auslegung, Inbetriebnahme, Betrieb und Regelung der raumlufttechnischen Anlagen. 1998 DIN EN ISO 7730 Ergonomie der thermischen Umgebung – Analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen Behaglichkeit durch Berechnung des PMVund des PPD-Indexes und Kriterien der lokalen thermischen Behaglichkeit. 2007-06 Arbeitsplatzgrenzwert (AGW). 2005 Biologischer Grenzwert (BGW). 2005 DIN EN 200 Sanitärarmaturen – Auslaufventile und Mischbatterien (PN 10) – allgemeine technische Spezifikation. 2005-06 DIN 4261 Kleinkläranlagen. 2002-12 Stadtraum und Infrastruktur DIN 1986 Entwässerungsanlagen für Gebäude und Grundstücke. 2004-11 Gebäudehülle DIN 4108 Wärmeschutz und Energieeinsparung in Gebäuden. 2006-03 Energieeinsparungsgesetz (EnEG) – Gesetz zur Einsparung von Energie in Gebäuden. 2005-09 VDI 2067 Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen. 2000-09 DIN 5034 Tageslicht in Innenräumen. 1999-10 Arbeitsstättenrichtlinien (ASR), gemäß: Verordnung über Arbeitsstätten (Arbeitsstättenverordnung – ArbStättV). 2004-12 Technik DIN 1946 Raumlufttechnik. 1999-03 DIN 1988 Technische Regeln für Trinkwasserinstallationen (TRWI). 1988-12 DIN V 4701 Energetische Bewertung heiz- und raumlufttechnischer Anlagen. 2003-08 DIN 4702 Heizkessel. 1990-03 DIN 4703 Raumheizkörper. 1999-12 DIN 4708 Zentrale Wassererwärmungsanlagen. 1994-04 DIN 4725 Warmwasser-Fußbodenheizungen. 2001-03 DIN 4726 Warmwasser-Fußbodenheizungen und Heizkörperanbindungen. 2000-01 DIN 4747 Fernwärmeanlagen. 2003-11 DIN V 4759 Wärmeerzeugungsanlagen für mehrere Energiearten. 1986-05 DIN 5035 Beleuchtung mit künstlichem Licht. 1990-09 DIN 6280 Stromerzeugungsaggregate – Unterbrechungsfreie Stromversorgung. 1994-12 DIN 8901 Kälteanlagen und Wärmepumpen – Schutz von Erdreich, Grund- und Oberflächenwasser – Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen und Prüfung. 2002-12 DIN 18012 Hausanschlusseinrichtungen in Gebäuden – Raum- und Flächenbedarf – Planungsgrundlagen. 2000-11 DIN 18 015 Elektrische Anlagen in Wohngebäuden. 2004-08 DIN 18 017 Lüftung von Bädern und Toilettenräumen ohne Außenfenster. 1987-02 DIN V 18 160 Abgasanlagen. 2006-01 DIN V 18 599 Energetische Bewertung von Gebäuden – Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und

Beleuchtung. 2007-02 DIN 44 576 Elektrische Raumheizung; Fußboden-Speicherheizung; Gebrauchseigenschaften. 1987-03 DIN EN 307 Wärmeaustauscher – Anleitung für die Anfertigung von Einbau- und Betriebsanleitungen und Wartungsanweisungen zum Erhalt der Leistung von Wärmeaustauschern jeglicher Bauart. 1998-12 DIN EN 1264 Fußbodenheizung – Systeme und Komponenten. 1997-11 DIN EN 12 097 Lüftung von Gebäuden – Luftleitungen – Anforderungen an Luftleitungsbauteile zur Wartung von Luftleitungssystemen. 2006-11 DIN EN 12 098 Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen für Heizungen. 1996-09 DIN EN 12 464 Licht und Beleuchtung – Beleuchtung von Arbeitsstätten. 2003-03 DIN EN 12 665 Licht und Beleuchtung – grundlegende Begriffe und Kriterien für die Festlegung von Anforderungen an die Beleuchtung. 2002-09 DIN EN 12 792 Lüftung von Gebäuden – Symbole, Terminologie und grafische Symbole. 2004-01 DIN EN 12 828 Heizungssysteme in Gebäuden – Planung von Warmwasser-Heizungsanlagen. 2003-06 DIN EN 12 831 Heizungsanlagen in Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast. 2003-08 DIN EN 13 141 Lüftung von Gebäuden – Leistungsprüfungen von Bauteilen / Produkten für die Lüftung von Wohnungen. 2004-09 DIN EN 13 465 Lüftung von Gebäuden – Berechnungsverfahren zur Bestimmung von Luftvolumenströmen in Wohnungen. 2004-05 DIN EN 13 779 Lüftung von Nichtwohngebäuden – allgemeine Grundlagen und Anforderungen für Lüftungsund Klimaanlagen und Raumkühlsysteme. 2005-05 DIN EN 14 134 Lüftung von Gebäuden – Leistungsprüfung und Einbaukontrollen von Lüftungsanlagen von Wohnungen. 2004-04 DIN EN 14 336 Heizungsanlagen in Gebäuden – Installation und Abnahme der Warmwasser-Heizungsanlagen. 2005-01 DIN EN 14 337 Heizungssysteme in Gebäuden – Planung und Einbau von elektrischen Direktraumheizungen. 2006-02 DIN EN 14 511 Luftkonditionierer, Flüssigkeitskühlsätze und Wärmepumpen mit elektrisch angetriebenen Verdichtern für die Raumbeheizung und Kühlung. 2004-07 DIN EN 14 706 Wärmedämmstoffe für die Haustechnik und für betriebstechnische Anlagen – Bestimmung der oberen Anwendungsgrenztemperatur. 2006-03 DIN 5035 Beleuchtung mit künstlichem Licht. 1994-05 DIN 51 731 Prüfung fester Brennstoffe – Presslinge aus naturbelassenem Holz – Anforderungen und Prüfung. 1996-10 VDI 3803 Raumlufttechnische Anlagen – bauliche und technische Anforderungen. 2002-10 Material DIN 4102 Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen. 1998-05 DIN EN ISO 6946 Bauteile – Wärmedurchlasswiderstand und Wärmedurchgangskoeffizient – Berechnungsverfahren. 2003-10 DIN EN 10 077 Wärmetechnisches Verhalten von Fenstern, Türen und Abschlüssen – Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten. 2006-12 DIN EN 410 Glas im Bauwesen – Bestimmung der lichttechnischen und strahlungsphysikalischen Kenngrößen von Verglasungen. 1998-12 DIN 4108-2 Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Teil 2: Mindestanforderungen an den Wärmeschutz. 2003-07 Gewerbeabfallverordnung (GewAbfV). 2003-01 Kreislaufwirtschaftsgesetz KrW / AbfG. 1996-10 DIN EN ISO 14 024 Umweltkennzeichnungen und -deklarationen (Umweltkennzeichnung Typ I) – Grundsätze und Verfahren. 2001-02 DIN EN ISO 14 021 Umweltkennzeichnungen und -deklarationen – umweltbezogene Anbietererklärungen (Umweltkennzeichnung Typ II). 2001-12 DIN EN ISO 14 040 Umweltmanagement – Ökobilanz – Grundsätze und Rahmenbedingungen. 2006-10

Verordnungen, Richtlinien, Normen / Literatur

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Literatur

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Staufen 1997 Jones, David Lloyd: Architektur und Ökologie. Zeitgenössische bioklimatische Bauten. Stuttgart 1998 Knissel, Jens; Institut Wohnen und Umwelt (Hrsg.): Energieeffiziente Büro- und Verwaltungsgebäude. Hinweise zur primärenergetischen und wirtschaftlichen Optimierung. Darmstadt 1999 Kohler, Stephan u. a.: Energieeffizienz von Gebäuden / Wüstenrot-Stiftung. Ludwigsburg 2006 Königstein, Thomas: Ratgeber energiesparendes Bauen. Auf den Punkt gebracht: Neutrale Fachinformationen für mehr Energieeffizienz. Stuttgart 2007 Krusche, Per u. a.: Ökologisches Bauen / Umweltbundesamt. Wiesbaden / Berlin 1982 Luebkeman, Chris / Arup: Drivers of Change 2006. London 2006 Moewes, Günther: Weder Hütten noch Paläste. Architektur und Ökologie in der Arbeitsgesellschaft. Eine Streitschrift. Basel / Berlin / Boston 1995 Moschig, Guido F.: Bausanierung. Grundlagen – Planung – Durchführung. Stuttgart / Leipzig / Wiesbaden 2004 Musso, Florian; Schittich, Christian (Hrsg.): Im Detail. Einfach Bauen. München / Basel / Boston / Berlin 2005 O.Ö. Energiesparverband (Hrsg.): Climasol. Leitfaden zum Thema solares Kühlen. Linz 2005 Ranft, Fred; Frohn, Bernhard: Natürliche Klimatisierung. Basel 2003 Ray-Jones, Anna: Sustainable Architecture in Japan. The Green Buildings of Nikken Sekkei. London 2000 Reiß, Johann; Erhorn, Hans; Reiber, Martin: Energetisch sanierte Wohngebäude. Maßnahmen, Energieeinsparung, Kosten. Stuttgart 2002 Rötzel, Adolf: Praxiswissen umweltfreundliches Bauen. Stuttgart 2005 Schneider, Astrid (Hrsg.): Solararchitektur für Europa. Basel / Berlin / Boston 1996 Schulze Darup, Burkhard; BINE-Informationsdienst (Hrsg.): Energieeffiziente Wohngebäude. Einfamilienhäuser mit Zukunft. Köln 2002 Slessor, Catherine: Sustainable Architecture and High Technology. London 1997 Steckeweh, Carl (Hrsg.): Tendenz: nachhaltig. Info-Börse Wohnungsbau. Darmstadt 1998 Tomm, Arwed: Ökologisch planen und bauen. Das Handbuch für Architekten, Ingenieure, Bauherren, Studenten, Baufirmen, Behörden, Stadtplaner, Politiker. Braunschweig / Wiesbaden 2000 Voss, Karsten u. a.: Bürogebäude mit Zukunft. Konzepte, Analysen, Erfahrungen. Berlin 2006 Wines, James: Grüne Architektur. Köln / London / Madrid, New York / Paris / Tokyo 2000

Teil B

Planung

Grundlagen BINE Informationsdienst (Hrsg.): Basis Energie 1: Klima und Energie. Bonn 2003 BINE Informationsdienst (Hrsg.): Basis Energie 7: Energie im Wandel. Bonn 2000 BINE Informationsdienst (Hrsg.): Basis Energie 15: Was ist Energie? Bonn 2003 Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) (Hrsg.): Umweltpolitik. Erneuerbare Energien in Zahlen – nationale und internationale Entwicklung. Berlin 2007 Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) (Hrsg.): Erneuerbare Energien – Innovationen für die Zukunft. Berlin 2004 Fischer, Ernst Peter; Wiegandt, Klaus (Hrsg.): Die Zukunft der Erde. Was verträgt unser Planet noch? Frankfurt am Main 2005 Hellwig, Runa Tabea: Thermische Behaglichkeit. Unterschiede zwischen frei und mechanisch belüfteten Bürogebäuden aus Nutzersicht. Dissertation der Technischen Universität München. München 2005 Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC): Fourth Assessment Report. Summary for Policymakers (AR4). Genf 2007 Meadows, Dennis u. a.: Die Grenzen des Wachstums. Bericht des Club of Rome zur Lage der Menschheit.

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Literatur

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270

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Literatur

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271

Abbildungsnachweis

Abbildungsnachweis

B 1.5

B 1.6 B 1.31 B 1.34 B 1.35

Allen, die durch Überlassung ihrer Bildvorlagen, durch Erteilung von Reproduktionserlaubnis und durch Auskünfte am Zustandekommen des Buches mitgewirkt haben, sagen die Autoren und der Verlag aufrichtigen Dank. Sämtliche Zeichnungen in diesem Werk sind eigens angefertigt. Fotos, zu denen kein Fotograf genannt ist, sind Architektenaufnahmen, Werkfotos oder stammen aus dem Archiv der Zeitschrift DETAIL. Trotz intensiven Bemühens konnten wir einige Urheber der Abbildungen nicht ermitteln, die Urheberrechte sind jedoch gewahrt. Wir bitten in diesen Fällen um entsprechende Nachricht. Die Zahlen beziehen sich auf die Abbildungsnummern.

Fotos Teil A

Positionen

A

NASA, US-Houston

Globaler Wandel A 1.2 Keren Su / corbis A 1.5 Barry Howe / corbis Energiewende A 2.1 Curtis Morton, AUS-Adelaide A 2.5 Till Leeser, Hamburg Architektur und Nachhaltigkeit – eine schwierige Beziehung A 3.2 Jan Bitter, Berlin A 3.3 Damjan Gale, Ljubljana A 3.4 Frank Kaltenbach, München A 3.5 Paul Ott, Graz A 3.6 Jörg von Bruchhausen, Berlin A 3.7 Stefan Müller-Naumann, München A 3.8 Frank Kaltenbach, München Die Dinge richtig tun – über Effizienz und Nachhaltigkeit A 4.1 a Burgess / SPL / Agentur Focus, Hamburg A 4.3 a Eye Of Science / Agentur Focus, Hamburg A 4.3 b Constantin Meyer, Köln A 4.5 a Tobias Bindhammer, Ulm Solare Architektur A 5.1 Dieter Leistner / artur, Essen A 5.5 Dieter Leistner / artur, Essen A 5.6 Robertino Nikolic / artur, Essen A 5.7 Dieter Leistner / artur, Essen A 5.8 Robertino Nikolic / artur, Essen Planen und Bauen in Lebenszyklen A 6.1 Tomas Riehle / artur, Köln A 6.4 Tomas Riehle / artur, Köln A 6.6 Tomas Riehle / artur, Köln

Teil B Planung B

IKONOS satellite / GeoEye, US-Thornton

Grundlagen B 1.1 NASA, US-Houston B 1.4 Bernd Lötsch, A-Wien

272

aus: Smith, Courtenay; Topham, Sean: Extreme Houses. München / Berlin / London / New York 2002, S.13 aus: Behling, Sophia und Stefan: Sol Power. München / New York 1996, S. 188 Marine Current Turbines Ltd, Bristol Richard Davis, London Schlaich Bergermann und Partner, Stuttgart

Stadtraum und Infrastruktur B 2.1 Margherita Spiluttini, Wien B 2.4 TU Darmstadt, Bildarchiv GTA B 2.9 W. Willi Engel, Berlin B 2.10 Eduard Hueber, New York B 2.11 Oliver Heissner, Hamburg B 2.13 fabuloussavers.com B 2.21 Hervé Abbadie, Paris B 2.23 Rupert Steiner, Wien B 2.37 Isbrand Penner, Ettlingen B 2.57 TU Darmstadt, Bildarchiv FG EE B 2.58 Thomas Ott, Mühltal B 2.62 Der Grüne Punkt B 2.69 Atelier 5, Bern B 2.70 a – c Jan Gerrit Schäfer, Hannover B 2.71 Stefan Schilling, Köln B 2.76 Alex S. MacLean, US-Cambridge Gebäudehülle B 3.1 Sunways AG, Konstanz B 3.4 Frank Kaltenbach, München B 3.5 H. G. Esch, Hennef B 3.6 Ruedi Walti, Basel B 3.16 Thomas Dix / archenova, Düsseldorf B 3.17 Lukas Roth, Köln B 3.18 Corinne Rose, Berlin B 3.19 Roger Frei, Zürich B 3.20 Christian Richters, Münster B 3.21 Thomas Dix, Grenzach-Wyhlen B 3.22 Jens Willebrand, Düsseldorf B 3.23 Dieter Leistner / artur, Essen B 3.24 Delugan-Meissl, Wien B 3.25 Christian Richters, Münster B 3.26 Roland Halbe / artur, Essen B 3.27 Greenpeace B 3.28 Ibewert, Tröstau B 3.33 Eduard Hueber, New York B 3.34 Manfred Hegger, Kassel B 3.35 Institut für Gebäude + Energie + Licht Planung, Wismar B 3.36 Toni Küng, Herisau B 3.37 Francesca Giovannelli, Zürich B 3.39 Gaston Wicky, Zürich B 3.40 Jens Willebrand, Köln B 3.42 Margherita Spiluttini, Wien B 3.43 Hinrich Reyelts, Karlsruhe B 3.44 Beat Kämpfen, Zürich B 3.46 Frank Dierks, Darmstadt B 3.47 EGS-plan, Stuttgart B 3.48 Ivar Mjell, Århus B 3.49 Jörg Lange, Freiburg B 3.60 Klaus Frahm / artur, Essen B 3.61 Waltraud Krase, Frankfurt B 3.62 Christian Kandzia, Stuttgart B 3.63 Martin Duckek, Ulm B 3.73 Jan Bitter, Berlin B 3.74 Thomas Gerken, Ulm B 3.75 Moritz Korn / artur, Essen B 3.76 Jörg Hempel, Aachen B 3.77 Peter Cook / view / artur, Essen B 3.78 Dieter Leistner / artur, Essen B 3.79 Peter Hübner, Neckartenzlingen B 3.83 Rainer Rehfeld, Köln B 3.92 a – b fbta, Universität Karlsruhe B 3.94 Oliver Schuster, Stuttgart B 3.100 Georg Nemec, Freiburg B 3.101 ARS, Schwerin B 3.104 Schaudt Architekten, Konstanz B 3.105 Jens Passoth, Berlin B 3.106 Jürgen Schmidt, Köln B 3.107 Ferit Kuyas / Sunways AG, Konstanz B 3.108 Peter Ferstl, Regensburg

B 3.109 Christian Richters, Münster B 3.111 Constantin Meyer, Köln Technik B 4.1 Manfred Hegger, Kassel B 4.4 aus: Mouchot, Augustin: Die Sonnenwärme und ihre industriellen Anwendungen. Oberbözberg 1987, S. 199 B 4.6 – 8 aus: Butti, Ken; Perlin, John: A Golden Thread. Palo Alto 1980, S. 119 B 4.9 Richard Schenkirz, Leonberg B 4.10 triolog, Freiburg B 4.20 a – c Jenni Energietechnik AG, CH-Oberburg B 4.26 Westerwälder Holzpellets GmbH, Langenbach B 4.30 Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme, Freiburg B 4.37 Matthias Weissengruber, A-Kennelbach B 4.41 Viessmann Werke GmbH & Co. KG, Allendorf B 4.46 Viessmann Werke GmbH & Co. KG, Allendorf B 4.55 Wagner & Co Solartechnik GmbH, Cölbe B 4.76 Christian Kandzia, Stuttgart B 4.91 Denis Gilbert / VIEW / artur, Essen B 4.92 TU Darmstadt, Bildarchiv FG EE B 4.96 Wolf GmbH, Mainburg B 4.104 Thomas Mayer / www.erco.com, Lüdenscheid B 4.105 Sunways AG, Konstanz B 4.110 a – b Nigel Young, London B 4.110 c SCHOTT Solar GmbH, Alzenau B 4.110 d Zentrum für Sonnenergie- und WasserstoffForschung Baden Würtemberg B 4.110 e First Solar GmbH, Berlin B 4.114 United Solar Ovonic, Michigan B 4.115 – 117 Michael Bender, Darmstadt B 4.118 Andreas Keller, Altdorf B 4.124 SenerTec GmbH, Schweinfurt B 4.126 Viessmann Werke GmbH & Co. KG, Allendorf B 4.131 Volker Quaschning, Berlin B 4.132 Kramer Junction, USA B 4.133 Peter Grell, CH-Rheinfelden Material B 5.1 Alvar Aalto Museum, FIN-Jyväskylä B 5.2 aus: Curtis, William J.R.: Le Corbusier – Ideen und Formen. Stuttgart 1987, S.135 B 5.3 The Estate of R. Buckminster Fuller, Santa Babara B 5.4 aus: Werner, Ernst: der Kristallpalast zu London. 1851, Düsseldorf 1970 B 5.7 Francis Jonckheere, Brüssel B 5.8 James Thornett, Birmingham B 5.9 Anne Bousema, Rotterdam B 5.10 a – c Frank Kaltenbach, München B 5.19 Wolfgang Wittmann, München B 5.27 Peter Bonfig, München B 5.37 Andreas Keller, Kirchentellinsfurt B 5.38 Hugo Jehle, Stuttgart B 5.39 Gesimat GmbH, Berlin B 5.42 Gaston Wicky, Zürich B 5.43 Foto Claytec, Duisburg B 5.58 Ignacio Martinez, A-Hard B 5.64 Herbert Schwingenschlögl, Wien B 5.65 Christian Schittich, München B 5.66 Roland Halbe / artur, Essen B 5.67 Duccio Malagamba, Barcelona B 5.68 David Joseph, New York B 5.75 Naoya Hatakeyama, Tokio, aus: Berg, Stephan: Naoya Hatakeyama, Ostfildern-Ruit 2002, S. 56 B 5.76 Luis Ferreira Alves, Porto B 5.82 Jussi Tiainen, Helsinki B 5.86 Peter Kasper, Gundelfingen B 5.89 Serge Brison, Brüssel B 5.90 Hélène Binet, London B 5.96 – 97 Christiane Sauer, Berlin B 5.99 Torsten Seidel, Berlin Strategien B 6.1 Reuters / corbis B 6.6 Frei Otto, Leonberg-Warmbronn B 6.12 HHS-AG, Kassel B 6.15 aus: Field, Marcus: Future Systems. Wien 1999, S. 58

Abbildungsnachweis

B 6.16

aus: Field, Marcus: Future Systems. Wien 1999, S. 192 B 6.17 – 18 HL-Technik, München

Teil C

Gebaute Beispiele im Detail

C

Jason Hawkes / corbis

S. 200 oben S. 201 S. 202 – 204

Wilfried Dechau, Stuttgart Thomas Banfi, CH-Paverne Matthias Weissengruber, A-Kennelbach Jeroen Musch, Amsterdam Johan Fowelin / B. Martin, Stockholm Bernd Borchardt, Berlin Günter Richard Wett, Innsbruck

S. 205, 207 S. 206 S. 208 S. 213–215 S. 216, 217, 218 unten S. 219–221 S. 222–224 S. 225–227 S. 228 – 29 S. 230 S. 231 oben, 232 links S. 231 unten, 232 rechts, 233 S. 234 S. 236 S. 237, 239 S. 240–242 S. 243 S. 244 S. 245 S. 246 S. 247 – 248 S. 249 – 250 S. 252 S. 253 links S. 253 rechts S. 255 S. 256 S. 257

Georg Aerni, Zürich Paul Ott, Graz Dirk Altenkirch, Karlsruhe Jens Passoth, Berlin Manfred Hegger, Kassel Monika Nikolic / artur, Essen Caroline Sohie, London Christian Richters, Münster Michel Brunelle, Montréal Michel Tremblay, Montréal Guido Kirsch, Freiburg Roger Frei, Zürich Ralph Richter, Düsseldorf Svenja Bockhop, Berlin Sebastian Jehle, Berlin Anton Grassl, Boston Roland Halbe, Stuttgart Bertram Kober / punctum, Leipzig Linda Hancock, London Graham Gaunt, UK-St. Ives Dennis Gilbert / view / artur, Essen Ralf-Peter Busse, Leipzig Frank Kaltenbach, München Paul Raftery / view / artur, Essen

Grafiken Teil A

Positionen

A 1.6

A 4.7

Deutsche BP AG: Solarstrom aus Sonnenenergie. Bochum 2004 Kondratieff, Nikolai: Die langen Wellen der Konjunktur. In: Archiv für Sozialwissenschaft und Sozialpolitik, Jg. 56/1926 Nefiodow, Leo A.: Der sechste Kondratieff. Sankt Augustin 2007 Die Welt, Nr. 8/2006, S. 20

Teil B

Planung

A 4.4

Grundlagen B 1.2 Meadows, Dennis u. a.: Die Grenzen des Wachstums. Bericht des Club of Rome zur Lage der Menschheit. Stuttgart 1992, S. 166 B 1.3 nach Daten von Petit, J. R.; Jouzel, J. u. a.: Temperatur und CO2- Konzentration in den vergangenen 400 000 Jahren (ermittelt am WostokEiskern). In: Nature, Nr. 369/1999 B 1.7 Stern Review Report on the Economics of Climate Change: Voraussichtliche Folgen des Klimawandels. London 2006 B 1.8 nach Daten von Nitsch, Joachim: Ein globales Nachhaltigkeitsszenario. Stuttgart 2004, S. 1 B 1.9 in Anlehnung an das Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung: Tipping Points im Klimasystem. Potsdam 2007

B 1.10

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Abbildungsnachweis

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Der Fachbereich Architektur der Technischen Universität Darmstadt ist um Richtigkeit und Aktualität der im Energie Atlas bereitgestellten Informationen bemüht. Die Inhalte des Energie Atlas wurden mit größter Sorgfalt erstellt. Trotzdem können Fehler und Unklarheiten nicht vollständig ausgeschlossen werden. Der Fachbereich Architektur der Technischen Universität Darmstadt übernimmt deshalb keine Gewähr für die Aktualität, Richtigkeit, Vollständigkeit oder Qualität der bereitgestellten Informationen. Für Schäden materieller oder immaterieller Art, die durch die Nutzung oder Nichtnutzung der dargebotenen Informationen bzw. durch die Nutzung fehlerhafter und unvollständiger Informationen unmittelbar oder mittelbar verursacht werden, haftet der Fachbereich Architektur der Technischen Universität Darmstadt nicht, sofern ihr nicht vorsätzliches oder grob fahrlässiges Verschulden nachgewiesen werden kann.

Autoren und Verlag danken den nachfolgend genannten Personen für ihre fachliche Beratung und Unterstützung: Jens Hornung, Darmstadt Martin Huber, Stuttgart Verena Klar, Tübingen Jörg Lange, Freiburg Dirk Mangold, Stuttgart Thomas Rühle, München Jürgen Schreiber, Ulm

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Sachregister

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2000-Watt-Gesellschaft ∫ 177 A Abbaumethode ∫ 168 Abbaustätte ∫ 167 Abbruch ∫ 175 Abdichtung ∫ 162 Abfall ∫ 169, 197 Abfallbehandlung ∫ 174 Abfallsammlung ∫ 77 Abfallverschwefelung ∫ 78 Abflussbeiwert ∫ 67f. Abluftanlage ∫ 134 Abluftfassade ∫ 101 Abriebfestigkeit ∫ 169 Abschattungswinkel ∫ 103 Absorber ∫ 118f. Absorption ∫ 118, 130, 154, 158 Absorptionsgrad ∫ 158 Absorptionskältemaschine ∫ 74, 130 absolute Luftfeuchtigkeit ∫ 54 Abwärmenutzung ∫ 131 Abwasserbehandlung ∫ 75ff. Abwasserbehandlungsanlagen ∫ 76 Abwassernutzung ∫ 75 Abwasserteich ∫ 77 Abwindfahne ∫ 66 Adaption ∫ 109 adaptive Verglasung ∫ 157 Addition ∫ 109 adiabate Kühlleistung ∫ 68 adiabate Kühlung ∫ 130 Adsorption ∫ 130, 159 Akkumulator ∫ 145 aktive Solarenergienutzung ∫ 118 aktive Solartechniksysteme ∫ 93 akustischer Komfort ∫ 59 Albedo ∫ 66 Algenwachstum ∫ 173 Altbau ∫ 171 Altlasten ∫ 63 Amortisation ∫ 152 Analyse ∫ 197 Anergie ∫ 43, 121f. Anpassungsfähigkeit ∫ 27 Aquifer ∫ 45 Aquiferspeicher ∫ 125 Arbeitsplatzgrenzwert ∫ 60 Arbeitsstättenrichtlinie ∫ 100 Architekt ∫ 189 architektonische Bewertung ∫ 181 Argon ∫ 155 Asbest ∫ 170 Atmosphärenwärme ∫ 48 Atrium ∫ 65 Aufstockung ∫ 64 Aufwindkraftwerk ∫ 144 Ausbau ∫ 195 Ausführende ∫ 189 Ausführungsplanung ∫ 180 Ausschreibung ∫ 180 Austauschzyklus ∫ 33, 163, 165 Auswertung ∫ 167 Außendämmung ∫ 87 Außenwandbekleidung ∫ 162 autogerechte Stadt ∫ 20 automatische Parksysteme ∫ 81 Automatisierung ∫ 137 A / V-Verhältnis ∫ 65, 86, 180 B Barackenklima ∫ 98, 158 barrierefreies Bauen ∫ 172 Barrierefreiheit ∫ 64 Baufirma ∫ 189 Bauherr ∫ 189 Baukosten ∫ 27, 196 Baukultur ∫ 194 Bauprozess ∫ 169

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Baustoff ∫ 169, 196 Baustoffklasse ∫ 150f. Bausubstanz ∫ 39, 171, 195 Bauteilaktivierung ∫ 128, 132 Bauteilgruppe ∫ 162 Bauteilzyklus ∫ 169 Bautradition ∫ 197 Bautypologie, traditionelle ∫ 66 Bauweise ∫ autochton ∫ 146 inhomogen ∫ 151 leicht ∫ 163, 168 lichtdurchlässig ∫ 152 massiv ∫ 168 modular ∫ 147 Bauxit ∫ 160 bedingte Nutzungsdauer ∫ 33 Behaglichkeit ∫ 54f., 59 Belagsmaterial ∫ 173 Belebtschlammverfahren ∫ 76 Beleuchtung ∫ 103, 137, 197 Beleuchtungskonzept ∫ 137 Beleuchtungsstärke ∫ 58, 103, 136 Beleuchtungstechnik ∫ 136 Beschichtung ∫ 171f. Bestandssanierung ∫ 20 Betonkernaktivierung ∫ 128 Betreiber ∫ 189 Betrieb ∫ 196 Betriebskosten ∫ 22, 27, 32f., 180, 196 Betriebskostensenkung ∫ 39 Betriebsenergie ∫ 196 Betriebssicherheit ∫ 171 Bevölkerungsdichte ∫ 11 Bevölkerungsrückgang ∫ 34 Bevölkerungswachstum ∫ 41f. Bewegungsmelder ∫ 138 Bewertung ∫ 181 Bilanzierungsgrenze ∫ 181, 185 Bilanzierungsumfang ∫ 183 Biodiesel ∫ 116 Biodiversität ∫ 64 Biogas ∫ 71, 116 biologische Reinigung ∫ 75f. biologische Restmasse ∫ 77f. biologischer Grenzwert ∫ 60 biologisch-mechanische Vorbehandlung ∫ 77 Biomasse ∫ 47, 115 Biomasseaufkommen ∫ 115 Biomass-to-liquid-Verfahren ∫ 116 Blauer Engel ∫ 170 Blendfreiheit ∫ 104 Blendung ∫ 58 Blockheizkraftwerk ∫ 131, 143 Blockstruktur ∫ 62 Boden ∫ 166 Bodenbelag ∫ 169, 173 Bower-Door-Test ∫ 93 Brandschutz ∫ 171 Brandungsenergie ∫ 48 Braunkohletagebau ∫ 167 Braunwasser ∫ 75 Brennbarkeitsklasse ∫ 151 Brennstoffzelle ∫ 143, 145 Brennwerttechnik ∫ 114 Brennwerttechnologie ∫ 114 Brise Soleil ∫ 97, 146 Brundtland-Kommission ∫ 183 Bruttoinlandsprodukt ∫ 12, 41, 49 Bruttosozialprodukt ∫ 45 BREEAM ∫ 191 Bundesimmissionsschutzgesetz ∫ 184 Bürogebäude ∫ 27, 32 C Cadmium-Tellurid (CdTe) ∫ 139 Car-Sharing ∫ 78 Charta von Athen ∫ 30, 62 chemische Reinigung ∫ 76 chemischer Speicher ∫ 124 CO2-Konzentration ∫ 40 CO2-neutral ∫ 113, 115 CO2-neutrales Gebäude ∫ 181

Coeffizient of Performance ∫ 130 Cosmic Conceptioning ∫ 19 Customised Production ∫ 168 D Dachabdichtung ∫ 162 Dachbegrünung ∫ 88 Dachdeckung ∫ 162 Dachkollektor ∫ 95 Dampfdiffusionsnachweis ∫ 151 Dampfdiffusionswiderstandszahl ∫ 151 Dämmebene ∫ 163 Dämmmaterial ∫ 151 Dämmpaneel ∫ 88f. Dämmstoff ∫ 150ff. Dämmung ∫ 162 Dauerhaftigkeit ∫ 20, 33, 163ff., 169, 173 Daylight Factor ∫ 102 DDT ∫ 170 Deckenbekleidung ∫ 162 Deckenheizung ∫ 127 Dematerialisierung ∫ 26 demografischer Wandel ∫ 11, 34 demontagegerechte Konstruktion ∫ 175 Deponiegas ∫ 116 Deponierung ∫ 175 dezentrale Fassadenlüftung ∫ 127 dezentrale Lüftung ∫ 134 dezentrale Stromerzeugung ∫ 138 Dezentralisierung ∫ 16, 70ff. Dezipol ∫ 60 Diagnosesystem Nachhaltige Gebäudequalität ∫ 192f. Dichte ∫ 18, 27, 31, 63 Diffusstrahlung ∫ 53 DIN 18 599 ∫ 185 Dioxin ∫ 170 Direktgewinnsystem ∫ 150 direkte Kühlung ∫ 128 Direktstrahlung ∫ 53 Dish-Konzentrator ∫ 144 Dokumentation ∫ 183 Doppelfassade ∫ 91, 98 Doppelparker ∫ 81 Downcycling ∫ 35, 174 Drei-Säulen-Modell ∫ 190 Druckluftspeicher ∫ 145 Dünnschichtmodul ∫ 141 Dünnschicht-Solarzelle ∫ 139 Dünnschichttechnologie ∫ 139 Durchlauferhitzer ∫ 114 Durchmischung ∫ 194 dynamische Dämmung ∫ 93, 149f. dynamischer U-Wert ∫ 154 E Eco-Zertifikat ∫ 170 Effektivität ∫ 24f. Effizienz ∫ 24f., 50 Einfachverglasung ∫ 153 Einflussfaktoren ∫ 83 Eisspeicher ∫ 131 elektrische Energie ∫ 114 elektrische Kälteerzeugung ∫ 130 elektrochrome Schichten ∫ 157 Empfindungstemperatur ∫ 57 EMI Code ∫ 170 Emission ∫ 25, 167 Emissionsquelle ∫ 170 Emissivität ∫ 154 Endenergie ∫ 50 energetische Amortisationszeit ∫ 142 energetische Bewertung ∫ 184 energetische Sanierung ∫ 152 energetisches Ziel ∫ 181 Energie ∫ 43ff., 63f. atomar ∫ 14 gebunden ∫ 160 erneuerbar ∫ 13f., 110 fossil ∫ 14 Energieangebot ∫ 194 Energieausweis ∫ 185f. energieautark ∫ 181 Energiebedarf ∫ 28, 60f.

Energiebedarfsdeckung ∫ 197 Energiebereitstellungkette ∫ 14, 50 Energiebilanz ∫ 43, 182 Energiebilanzierung ∫ 110 Energiedienstleistung ∫ 60, 179 Energiedurchlassgrad ∫ 97 Energieeffizienz ∫ 26, 41, 110 Energieeinsparungsgesetz (EnEG) ∫ 184 Energieeinsparverordnung (EnEV) ∫ 25, 183f. Energieerhaltungssatz ∫ 43 Energieerzeugung ∫ 64, 181f. dezentral ∫ 181 Energieformen ∫ 43f. Energieinfrastruktur ∫ 42, 71 Energiekonzept ∫ 177ff., 181 Energiekosten ∫ 49 Energiekrise ∫ 25 Energienetzwerk ∫ 71 Energiepflanze ∫ 116 Energiepreis ∫ 41 Energiequelle ∫ 12, 43, 179 Energiereserven ∫ 41, 43f. Energiesystem ∫ 15 Energieträger ∫ 16, 25, 44, 71 erneuerbar ∫ 46f. fossil ∫ 114 nicht erneuerbar ∫ 41 solar ∫ 16 speicherfähig ∫ 71 Energieverbrauch ∫ 23, 25, 32f., 39, 43ff., 148, 182 Energieversorgung ∫ 14, 61, 64, 179 Energiewende ∫ 14 Energiewirtschaft ∫ 45, 50 Energy Performance of Building Directive (EPBD) ∫ 183 Entaschung ∫ 117 Entflechtung ∫ 108 Entropie ∫ 22, 43, 159f., 168 Entsiegelung ∫ 67 Entwicklungsländer ∫ 38, 42 Entwurfsplanung ∫ 180 Environmental Product Declaration ∫ 161 Erdgas ∫ 71 Erdgasreserven ∫ 41 Erdkanal ∫ 129 Erdkollektor ∫ 124 Erdölreserven ∫ 41 Erdregister ∫ 129 Erdreich ∫ 68, 122 Erschütterung ∫ 194 Erdsonde ∫ 121, 129 Erdsondenspeicher ∫ 125 Erdwärme ∫ 43, 48, 123 Erdwärmekollektor ∫ 121 Erdwärmesonde ∫ 122 Erdwärmetauscher ∫ 129, 135 Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) ∫ 17, 72 Ernterückstand ∫ 116 Erschließung ∫ 195 Erweiterung ∫ 64 ETFE-Folie ∫ 148 Estrich ∫ 162 EU-Gebäuderichtlinie ∫ 186 EU-Richtlinie ∫ 183 Euroblume ∫ 170 Europäische Bauproduktenrichtlinie ∫ 27 Evaluationswerkzeug ∫ 191 Exergie ∫ 43, 121f. externe Kosten ∫ 40, 46ff. externe Wärmelast ∫ 96 F Fachingenieur ∫ 189 Facilitymanagement ∫ 34, 189, 197 Faktor-4-Modell ∫ 26 Farbgestaltung ∫ 59 Farbwiedergabe ∫ 59, 154 Fassadenheizung ∫ 128

Sachregister

Fassadenkollektor ∫ 94f. Fassadenlüftung ∫ 102 Fassadenlüftungsgerät ∫ 102, 133 Feinstaub ∫ 67, 115 Fensterflächenanteil ∫ 95, 104 Fensterlüftung ∫ 93, 100, 135 Fensterrahmen ∫ 156 Fernkältenetz ∫ 74 Fernwärme ∫ 73f. Fernwärmenetz ∫ 73f. Feuchteabsorption ∫ 151 Feuchterückgewinnung ∫ 135 Feuchteschaden ∫ 90 Feuchteschutz ∫ 172 Feuerwiderstandsklasse ∫ 172 Finanzierung ∫ 196 Finanzierungsträger ∫ 188 Flachheizkörper ∫ 127 Flachkollektor ∫ 94, 119 Flächenheizung ∫ 123, 127 Flächennutzung ∫ 62ff. Flächenoptimierung ∫ 86 Flächenverbrauch ∫ 31, 63 Flammschutzmittel ∫ 170 Flexibiltät ∫ 27 Flexibilisierunsstrategien ∫ 165 Flugverkehr ∫ 79 Förderschnecke ∫ 117 Folgekosten ∫ 18, 32, 34 Formaldehyd ∫ 170 Formfaktor ∫ 86 fossile Energie ∫ 30 fossile Energiewirtschaft ∫ 41 fossile Rohstoffe ∫ 41 Freianlage ∫ 194 freie Lüftung ∫ 93, 99f. Freiraum ∫ 62 Frischluftzufuhr ∫ 67 Frischluftschneise ∫ 67 ESC Zertifikat ∫ 170 funktionale Schichten ∫ 162 Funktionsäquivalent ∫ 160 Furan ∫ 170 Fußbodenheizung ∫ 127, 132 G Gartenstadt ∫ 62 Gasnetz ∫ 71f. gasochrome Beschichtung ∫ 157 gasochrome Verglasung ∫ 157 Gebäudeausrichtung ∫ 180 Gebäudebestand ∫ 26 Gebäudeheizung ∫ 196 Gebäudehülle ∫ 83ff. Gebäudelabel ∫ 191 Gebäudeleittechnik ∫ 28 Gebäudekühlung ∫ 196 Gebäudesanierung ∫ 88 Gebäudestruktur ∫ 195 Gebäudesubstanz ∫ 195 Gebäudetechnik ∫ 28, 110 Gebäudetypologie ∫ 70 Gebläsekonvektor ∫ 132 Gegenstromwärmetauscher ∫ 136 gekoppelte Systeme ∫ 150 Gelbwasser ∫ 75 gemäßigte Zone ∫ 52, 65 Gemeinschaft ∫ 194 Genehmigungsplanung ∫ 180 Gerechtigkeit ∫ 194 Geruchssinn ∫ 60 Gesamtenergie ∫ 43 Gesamtenergiedurchlassgrad ∫ 28, 153f. Gesamtenergiedurchlasskoeffizient ∫ 150 Gesamtenergieeffizienz ∫ 183 Gesamtkosten ∫ 33 Gesamtwärmedurchgangskoeffizient ∫ 156 Gestaltqualität ∫ 194 Gestaltung ∫ 194 Gesellschaft ∫ 191f., Gesetz zur Einsparung von Energie

in Gebäuden (EnEG) ∫ 84 gespeicherte Solarenergie ∫ 115 Gesundheit ∫ 39 gesundheitliche Unbedenklichkeit ∫ 171 Gezeiten ∫ 48 Gezeitenkraftwerk ∫ 48 Gewerbeabfallverordnung ∫ 169 Glas ∫ lichtlenkend ∫ 157 phototrop ∫ 157 schaltbar ∫ 106 thermotrop ∫ 157 Glasfalztiefe ∫ 156 Glasqualität ∫ 90 Glaszwischenraum ∫ 155 Glaswolle ∫ 151 Gleichgewichtsfeuchte ∫ 159 globale Erwärmung ∫ 38 Global Governance ∫ 10, 12 Globalstrahlung ∫ 47, 51, 53, 68 Graue Energie ∫ 148, 160 Grauwasser ∫ 75 Gravitation ∫ 43 Großklima ∫ 52 Grubengas ∫ 71 Grüngürtel ∫ 67 Grundlagenermittlung ∫ 180 Grundrisszonierung ∫ 69f. Grundstück ∫ 27 Grundstücksfläche ∫ 194 Grundversorgung ∫ 194 Grundwasser ∫ 66, 129 Grundwassernutzung ∫ 122 Grundwasserspiegel ∫ 66, 167 Güterverkehr ∫ 78 g-Wert ∫ 28, 92, 97f. H Halbwertszeit ∫ 45 Halbzeuge ∫ 174 Hackschnitzelanlage ∫ 117 Handwerker ∫ 189 Hard-Coating ∫ 155 Heat-Pipe-Prinzip ∫ 120 Heizanlagenverordung ∫ 184 Heizfläche ∫ 126 Heizkessel ∫ 39 Heizkörper ∫ 126f. Heizkosten ∫ 39 Heizlast ∫ 114 Heizperiode ∫ 114 Heizregister ∫ 102, 126 Heiztechnik ∫ 180 Heizwärmebedarf ∫ 84, 86 Heizwert ∫ 117 Heliostat ∫ 106 Herstellungskreislauf ∫ 168 Hightech ∫ 61 Hochgarage ∫ 81 Hochspannung ∫ 72 holographisch-optische Elemente (HOE) ∫ 105, 156 Holzgas ∫ 71 Holzhackschnitzel ∫ 117 Holzpellet ∫ 117 Holzwolleplatte ∫ 151 Horizontwinkel ∫ 103 Hüllgeometrie ∫ 86 I IBR-Prüfsiegel ∫ 170 Identifikation ∫ 169 Identitätsbildung ∫ 64 Indikator ∫ 193 Industriealisierung ∫ 26 Industrielandschaft ∫ 168 Infeldleuchtendichte ∫ 58 inerte Masse ∫ 169 Infrastruktur ∫ 197 Infrastrukturkosten ∫ 31 inhomogener Wandaufbau ∫ 88 Innendämmung ∫ 87ff. Instandhaltung ∫ 172f., 196 Instandhaltungskosten ∫ 33

Instandsetzung ∫ 164f., 173, 196 Instandsetzungszyklen ∫ 33 Intensivreinigung ∫ 172f. intelligente Gebäude ∫ 29 Integrale Planung ∫ 187, 197 Integration ∫ 65, 109, 194 interne Wärmelast ∫ 96 Inversionswetterlage ∫ 67 Investitionskosten ∫ 22, 32, 180 IPPC-Bericht ∫ 39f. Isolierverglasung ∫ 152f., 155 J Jahresarbeitszahl ∫ 123 Jahresaufwandszahl ∫ 123 Jahresbilanz ∫ 182 Jahresheizwärmebedarf ∫ 114 Jalousien ∫ 97, 105 K Kälteerzeugung ∫ 130f., 143 Kälteleistung ∫ 128 Kältemittel ∫ 123 Kältemittelkreis ∫ 131 Kältenetz ∫ 73f. Kälterückgewinnung ∫ 136 Kältespeicher ∫ 131 kaltes Verfahren ∫ 77 Kälteübergabe ∫ 132 Kälteverteilung ∫ 132 Kaltwasserspeicher ∫ 131 Kastenfenster ∫ 91, 97, 155 Kaverne ∫ 71 Kerndämmung ∫ 87ff. Kernenergie ∫ 45, 114 Kernfusion ∫ 45 Kies-Wasser-Speicher ∫ 75ff. Kläranlage ∫ 75ff. Klima ∫ 51ff., 65 Klimadaten ∫ 54 Klimaanlage ∫ 133 Klimaelemente ∫ 52 Klimafaktoren ∫ 52 Klimahülle ∫ 52 Klimakomfort ∫ 25, 57 Klimaschutz ∫ 38 Klimaschutzpolitik ∫ 42 Klimawandel ∫ 18, 39ff., 171 Klimazonen ∫ 52f., 65ff. Kohlendioxidsequestierung ∫ 45 Kollektor ∫ 93f. Kollektorkreis ∫ 120 Komfort ∫ 39, 51, 56ff. Kompaktheit ∫ 86, 103 Kompaktlüftungsgerät ∫ 135 Komplexität ∫ 19 Kompostierung ∫ 174 Kompressionskältemaschine ∫ 74, 130 Kompressionswärmepumpe ∫ 123 Kondensator ∫ 130 Konditionierung ∫ 134 Kondratieff-Zyklen ∫ 25 Konsistenz ∫ 50 kontrollierte Be- und Entlüftung ∫ 122 Konvektion ∫ 149 Konvektor ∫ 127 Konversion ∫ 64 konzentrierende Solarkollektoren ∫ 144 Konzeptentwicklung ∫ 176, 179 Körperschall ∫ 59 Korklogo ∫ 170 Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ∫ 72f., 81, 116, 131, 143 Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung ∫ 131, 143f. Kreislaufwirtschaft ∫ 23 Kreislaufwirtschaftsgesetz ∫ 169, 174 Kreisverbundwärmetauscher ∫ 136 Kreuzstromwärmetauscher ∫ 136 kristalline Solarzelle ∫ 139 Krypton ∫ 155 Kühlbedarf ∫ 128 Kühlenergiebedarf ∫ 95 Kühllast ∫ 95, 128 Kühlregister ∫ 102, 132

Kühlsegel ∫ 132 Kühlturm ∫ 130 Kunstlicht ∫ 102, 136 künstliche mineralische Fasern (KMF) ∫ 170 Kupfer-Indium-Selen (CIS) ∫ 139 Kurzzeitspeicher ∫ 75 Kurzzeitwärmespeicher ∫ 125 kybernetisches System ∫ 61 Kyoto-Protokoll ∫ 42 L Label ∫ 171 Lamellen ∫ 105 Lamellenjalousien ∫ 98, 105 Lampe ∫ 137 ländlicher Raum ∫ 63ff. Lärm ∫ 194 Landschaftsarchitekt ∫ 189 Landverbrauch ∫ 31, 167 Langzeitspeicher ∫ 74f. Langzeitwärmespeicher ∫ 73f., 121, 125 Laser-Cut-Panels (LCP) ∫ 105, 157 Latentspeichermaterial ∫ 158 latente Wärmespeicher ∫ 93 Laufwasser ∫ 48 Lebensdauer ∫ 27, 32ff., 160 Lebenszyklus ∫ 20, 27, 32ff., 163, 165ff. Lebenszyklusanalyse ∫ 166, 188 Lebenszyklusbetrachtung ∫ 165 lebenszyklusgerechtes Planen ∫ 32f. Lebenszykluskostenberechnung ∫ 32 LEED ∫ 191 Leichtbauweise ∫ 168 Leistungszahl ∫ 123 Leitfaden Nachhaltiges Bauen ∫ 190 Leitkriterien ∫ 190 Leitungsverlust ∫ 126 Leuchten ∫ 137 Leuchtenbetriebswirkungsgrad ∫ 137 Leuchteneffizienzfaktor ∫ 137 Leuchtdichte ∫ 105, 137 Leuchtdichteverhältnis ∫ 58 Leuchtdichteverteilung ∫ 103 Leuchtmittel ∫ 137 Licht ∫ 195 Lichtausbeute ∫ 137 Lichtdurchlass ∫ 154 Lichtfarbe ∫ 59 Lichtleistung ∫ 137 lichtlenkende Systeme ∫ 104 Lichtlenklamellen ∫ 105 Lichtlenkung ∫ 104ff. Lichtplanung ∫ 136 Lichtschwert ∫ 105 Lichtstreuung ∫ 104, 106 Lichtstrom ∫ 137 Lichttransmission ∫ 59 Lichttransmissionsgrad ∫ 104 Lichttransport ∫ 105f. Lightpipe ∫ 106 Light Shelve ∫ 105 Life Cycle Assessment (LCA) ∫ 166ff. Life Cycle Costing (LCC) ∫ 27, 32 Liquid Crystal ∫ 157 Lizenzgeber ∫ 170 lösbare Verbindungen ∫ 33 Lokalklima ∫ 52, 66 Low-E-Beschichtung ∫ 153, 155, 157 Low-E-Glas ∫ 154 Lowtech ∫ 61 Luftaustausch ∫ 99 Luftbewegung ∫ 57f. Luftdichtheit ∫ 93 Lüften ∫ 99f. Luftfeuchte ∫ 54, 172 Luftfeuchtigkeit ∫ 133 Luftfilter ∫ 102 Luftförderung ∫ 197 Luftführung ∫ 99, 134 Luftgeschwindigkeit ∫ 133 Luftheizung ∫ 94, 120 Luftkollektor ∫ 94, 119

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Luftkollektorfassade ∫ 94 Luftkühlung ∫ 132 Luft/Luft-Wärmepumpe ∫ 124 Luftschall ∫ 59 Lüftung ∫ 93, 98ff., 133ff. Lüftungsanlage ∫ 133 Lüftungsantrieb ∫ 135 Lüftungswärmeverluste ∫ 86, 93, 135 Lüftungszentrale ∫ 133 Luftvolumenstrom ∫ 133f. Luftwärmetauscher ∫ 121 Luft/Wasser-Wärmetauscher ∫ 129 Luftwechsel ∫ 100, 132, 134 Luftwechselraten ∫ 60 M Makroklima ∫ 52, 65f. MAK-Werte ∫ 60 Manipulation ∫ 29 Marktanreizprogramm ∫ 186 maschinelle Fassadenlüftung ∫ 102 maschinelle Lüftung ∫ 93, 133ff. Massivabsorber ∫ 122, 129 Massivbauweise ∫ 168 Massivwandsystem ∫ 150 Material ∫ 146ff. Materialintensität ∫166 Materialkreislauf ∫ 175 Materialvielfalt ∫168 mechanische Reinigung ∫ 75f. Meeresströmung ∫ 48 Meereswärme ∫ 49 Meereswärmekraftwerk ∫ 49 mehrschichtiger Aufbau ∫ 87 Mehrzonenmodell ∫ 185 Membranfilterverfahren ∫ 76 Mesoklima ∫ 52, 66ff. Methan ∫ 71 Mikroklima ∫ 52, 68f. Minderungsfaktor ∫ 98f. Mindestwärmedämmstandard ∫ 184 MINERGIE-ECO ∫ 192 MIPS-Konzept ∫ 166 Mischbauweise ∫ 168 Mischkanalisation ∫ 75 Mischlüftung ∫ 132 Mitbestimmung ∫ 65 Mittelspannung ∫ 72 Mobilität ∫ 20, 78f., 194 Mobilitätsbedarf ∫ 79 Mobilitätskosten ∫ 79 Modernisierung ∫ 64, 164f. Modulwirkungsgrad ∫ 140 Monitoring ∫ 197 motorisierter Individualverkehr ∫ 78 N Nachhallzeit ∫ 59f. nachhaltige Architektur ∫ 190 nachhaltige Entwicklung ∫ 19, 26 nachhaltiges Bauen ∫ 19ff., 197 Nachhaltigkeit ∫ 19f., 23, 27, 35, 177, 183 Nachnutzung ∫ 35, 175 Nachströmöffnung ∫ 101, 134 Nachtabsenkung ∫ 126 Nachtluftkühlung ∫ 68 Nachverdichtung ∫ 64 nachwachsender Rohstoff ∫ 115, 161f. Nachweisverfahren ∫ 184 Nahwärme ∫ 73 Nahwärmenetz ∫ 73ff., 121 Natureplus ∫ 170 Naturland ∫ 170 natürliche Lüftung ∫ 68, 99, 101 Negawatt ∫ 50 Netzverbund ∫ 1f.81 Netzwerk ∫ 70f. Niederschlag ∫ 67 Niederspannung ∫ 72 Niedrigenergiestandard ∫ 63 Normheizlast ∫ 114 Nutzbarkeit ∫ 195 Nutzenergie ∫ 50, 121

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Nutzer ∫ 189 Nutzerakzeptanz ∫ 181 Nutzerverhalten ∫ 23 Nutzoberfläche ∫ 164 Nutzung ∫ 194f. Nutzungsdauer ∫ 165 bedingte ∫ 33 technische ∫ 33 wirtschaftliche ∫ 34 Nutzungsflexibilität ∫ 165 Nutzungsintensität ∫ 164 Nutzungskonzept ∫ 34 Nutzungskosten ∫ 189 Nutzungsmischung ∫ 64, 194 Nutzungszeitraum ∫ 35 O Oberfläche ∫ 103 Oberflächenbeschichtung ∫ 173 Oberflächenwasser ∫ 129 Objektqualität ∫ 193f. Objektüberwachung ∫ 180 offener Absorber ∫ 119 öffentlicher Personennahverkehr ∫ 78f. Ökobilanz ∫ 166ff. Ökologie ∫ 24f., 192 ökologische Bewertung ∫ 181 ökologischer Rucksack ∫ 166 ökologisches Bauen ∫ 19 Ökonomie ∫ 25, 192 ökonomische Bewertung ∫ 181 Ökopunkte ∫167 Ökosystem ∫ 19, 40 olfaktorischer Komfort ∫ 60 Ölfördermaximum ∫ 41 Ölkrise ∫ 39 operative Temperatur ∫ 57ff., 95 ÖPNV-Anbindung ∫ 79 optische Linsen ∫ 157 optischer Verschleiß ∫ 164 Ortsbezug ∫ 169 Ozonzerstörungspotenzial (ODP) ∫ 167 P Pan European Forest Certifikation (PEFC) ∫ 170 Parabolrinnenkollektor ∫ 144 Parabolspiegel ∫ 106 Parafin ∫ 158 Park ∫ 67 Parkfläche ∫ 81 Partizipation ∫ 189, 197 passive Solarenergienutzung ∫ 118 Passivhaus ∫ 25, 69 Passivhausstandard ∫ 63 Peak-Oil ∫ 41 Pelletanlage ∫ 117 Performance Ratio ∫ 140 Perimeterdämmung ∫ 90 Personalisierung ∫ 194 Pflanzenkläranlage ∫ 77 horizontal ∫ 77 vertikal ∫ 77 Pflanzenöl ∫ 115 Pflege ∫ 172 Pflegeaufwand ∫ 172 pflegeleichte Öberfläche ∫ 172 pflegeleichte Fassade ∫ 173 pflegeleichter Bodenbelag ∫ 173 Phase Changing Materials (PCM) ∫ 124, 158 Phasenverschiebung ∫ 159 photochemisches Oxidanzienbildungs potenzial (POCP) ∫ 167 Photoeffekt ∫ 138 Photosynthese ∫ 115 phototermischer Effekt ∫ 118 Photovoltaik ∫ 106ff., 138 Photovoltaikdach ∫ 107 Photovoltaikfassade ∫ 107 Photovoltaikmodul ∫ 106, 140f. Planung ∫ 166 Planungshilfe ∫ 182f. Planungsprozess ∫ 169, 186 Planungsteam ∫ 187

Plattenheizkörper ∫ 127 PMV-Wert ∫ 57 Polarzone ∫ 52, 65 Politiker ∫ 188 Polystyrol-Extruderschaum (XPS) ∫ 150f. Polystyrol-Hartschaum (EPS) ∫ 151 Polyurethan-Hartschaum (PUR) ∫ 151 Porenbeton ∫ 87 poröser Absorber ∫ 172 Potenzial ∫ 46 PPD-Wert ∫ 57 Primärenergie ∫ 28, 50 Primärenergiebedarf ∫ 49 Primärenergiebilanz ∫ 114 Primärenergiefaktor ∫ 114, 184 Primärenergieinhalt (PEI) ∫ 148, 160, 167 Primärenergieträger ∫ 165 erneuerbar ∫ 44 Primärenergieverbrauch ∫ 41, 44ff., 49 Prismenplatten ∫ 157 Projektentwicklung ∫ 166 Projektkonstellation ∫ 187 Pro-Kopf-Energieverbrauch ∫ 12, 177 Pro-Kopf-Wohnfläche ∫ 20 Prozesskette ∫ 168 Prozessqualität ∫ 193, 197 Prozesswärme ∫ 73 Public Private Partnership (PPP) ∫ 32, 188 Pufferspeicher ∫ 120, 125 Pufferung ∫ 124 Pumpspeicherwerk ∫ 72 Putz ∫ 162 pyrogene Kieselsäure ∫ 155 Pyrolyse ∫ 78 Q Quartiersgarage ∫ 81 Quelllüftung ∫ 132 Querlüftung ∫ 99 R Randverbund ∫ 155 Radiatoren ∫ 127 Randbedingungen ∫ 177f. Rapsöl ∫ 116 Rauigkeit ∫ 66 Raum ∫ 63f., 103 Raumausleuchtung ∫ 104 Raumgeometrie ∫ 103 Raumklima ∫ 55, 195 Raumkonditionierung ∫ 133 räumliche Identität ∫ 194 Raumluft ∫ 60, 195 Raumluftfeuchte ∫ 56f. Raumluftgeschwindigkeit ∫ 56 raumlufttechnische Anlage ∫ 133 Raumprogramm ∫ 27 Raumumschließungstemperatur ∫ 56ff. Recycling ∫ 35, 77, 174 Reflexion ∫ 118, 158 Regionalplaner ∫ 188 Reinigung ∫ 75f., 172f. Reinigungsarten ∫ 173 Reinigungskosten ∫ 172 Reinigungsmittel ∫ 173 Reinigungszyklus ∫ 172f. Regenwasser ∫ 75 Regenwasserrückhaltebecken ∫ 67 Rekultivierung ∫ 168 Renaturierung ∫ 168 Ressourcen ∫ 24, 166 Ressourceneffizienz ∫ 26f., 168 Ressourcennutzung ∫ 39 Ressourcenproduktivität ∫ 26f. Ressourcenschonung ∫ 38 Ressourcenverbrauch ∫ 33, 165, 167 reversible Wärmepumpe ∫ 130 Rigole ∫ 67 Rohdichte ∫ 148 Rohstoff ∫ 196 Rohstoffgewinnung ∫ 167 Rohstoffquellen ∫ 25

Rohstoffreserven ∫ 16 Rohwasser ∫ 74f. Rotationswärmetauscher ∫ 136 Rückbau ∫ 174, 196 Rückkühlwerk ∫ 130 Rücknahmeverpflichtung ∫ 175 Rugmark ∫ 170 ruhender Verkehr ∫ 80 Runder Tisch nachhaltiges Bauen ∫ 167 S Sachbilanz ∫ 166 Sacksilo ∫ 117 Sägezahnmodell ∫ 163ff. Sammelstelle ∫ 77 Sanierung ∫ 64 Saubere Baustelle ∫ 169 Sauberlaufzone ∫ 172 Saugförderung ∫ 117 Schacht ∫ 164 Schadstoff ∫ 171, 196 Schadstoffemission ∫ 60 Schadstoffpotenzial ∫ 171 Schall ∫ 59, 195 Schalldruckpegel ∫ 59 Schallleistung ∫ 59 Schallschutz ∫ 172 schaltbare Gläser ∫ 97 schaltbare Systeme ∫ 150 Schaumglas ∫ 151f. Scheibenzwischenraum ∫ 155 Scheitholzkessel ∫ 117 Schichtentrennung ∫ 163, 175 Schienennahverkehr ∫ 78 Schimmelpilze ∫ 59 Schmelzenthalpie ∫ 159 Schmutzeintrag ∫ 172 Schneckenaustragung ∫ 117 Schwarzwasser ∫ 75 Schwellenländer ∫ 26, 38, 42 Schwermetall ∫ 171 Schwungradspeicher ∫ 145 Seeklima ∫ 66 Seewind ∫ 66 Sekundärenergie ∫ 50 selektiver Absorber ∫ 118 semitransparentes Modul ∫ 141 sensible Wärmespeicherung ∫ 124 SIA Effizienzpfad Energie ∫ 177 SIA-Empfehlung 112 / 1 ∫ 190 Sicherheit ∫ 195 Sick-Building-Syndrom ∫ 27, 39, 58 Sickerfläche ∫ 67 Silizium ∫ 139 Simulation ∫ 29 Simulationsverfahren ∫ 180 Sogkraft ∫ 101 Solarabsorber ∫ 124 Solararchitektur ∫ 84, 91 Solardach ∫ 95 solare Absorption ∫ 66 solare Deckungsrate ∫ 142 solare Exponiertheit ∫ 68 solare Kühlung ∫ 131 Solarenergie ∫ 28, 93, 115 Solarenergienutzung ∫ 118 solare Pufferräume ∫ 92 solares Kühlsystem ∫ 28 solarer Deckungsanteil ∫ 119 solarer Deckungsgrad ∫ 95 solarer Gewinn ∫ 28, 65, 150, 180 solarer Sonnenschutz ∫ 108 Solarertrag ∫ 141f. solarer Trinkwasserspeicher ∫ 125 Solarfassade ∫ 94 Solarkamin ∫ 102 Solarkonstante ∫ 44 Solarstrahlung ∫ 43f., 53f., 86, 91, 118 Solarthermie ∫ 118 solarthermische Anlage ∫ 120 solarthermische Energiegewinnung ∫ 86 solarthermischer Kollektor ∫ 94, 108

Sachregister

solarthermische Stromerzeugung ∫ 144 solarthermische Wärmeerzeugung ∫ 120 Solarzelle ∫ 139f. Sole/Wasser-Wärmepumpe ∫ 124 Solidarität ∫ 194 Sommersmogpotenzial ∫ 167 Sonne ∫ 13, 43, 53f. Sonnenbahn ∫ 96 Sonneneintragskennwert ∫ 95, 98f. Sonnenlaufbahn ∫ 96 Sonnenschutz ∫ 97, 108, 157 Sonnenschutzbeschichtung ∫ 157 Sonnenschutzglas ∫ 97, 157 Sonnenschutzsystem ∫ 98 Sonnenschutzverglasung ∫ 155 Sonnenstandsdiagramm ∫ 54 Sonnenstandsmodell ∫ 68 Sonnenverlauf ∫ 54 Sorption ∫ 159 Sorptionsfähigkeit ∫ 159 Sorptionskältemaschine ∫ 73f., 130 Sorptionsmittel ∫ 130 Sorptionsrad ∫ 131 Sorptionswärmepumpe ∫ 122 Speicher ∫ 124 Speicherfähigkeit ∫ 66 Speicherkollektor ∫ 120 Speichermasse ∫ 65f., 69f., 92, 98, 158 Speicherprinzipien ∫ 124 spezifische Wärmekapazität ∫ 134, 158 Stadtatmosphäre ∫ 66 Stadtdurchlüftung ∫ 67 Stadtökologie ∫ 18 Stadtplaner ∫ 188 Stadtraum ∫ 62ff. Stadtstruktur ∫ 62 Stadtverkehr ∫ 79 Städtebau ∫ 18 Städtewachstum ∫ 13 standardisierte Produkte ∫ 174 Standort ∫ 27 Standortqualität ∫ 193f. Standsicherheit ∫ 171 Steinwolle ∫ 151 Stellfläche ∫ 81 Stellplatzfläche ∫ 81 Stern-Report ∫ 40f. Stirlingmotor ∫ 144 stoffliche Verwertung ∫ 77 Stoffstromanalyse ∫ 166, 175 Strahllüftung Lüftung ∫ 132 Strahlung ∫ 102, 149, 194 diffus ∫ 102, 105 direkt ∫ 105 gerichtet ∫ 102 Strahlungsbilanz ∫ 157 Straßennetz ∫ 78 Straßenraum ∫ 80 Strömungswiderstand ∫ 135 Strom ∫ 72 Strombedarf ∫ 138 Stromheizung ∫ 114 Stromkennzahl ∫ 143 Stromleitungen ∫ 72 Strommix ∫ 114 Stromnetz ∫ 72 Stromspannung ∫ 72 Stromspeicherung ∫ 145 Stromstärke ∫ 72 Stromversorgung ∫ 72 Stückholz ∫ 117 Subtropen ∫ 52, 65 Suffizienz ∫ 50 Superglazing ∫ 155 Synergieeffekt ∫ 179 T Tageslicht ∫ 28, 102 Tageslichtangebot ∫ 104 Tageslichtautonomie ∫ 103, 136 Tageslichtergänzungsbeleuchtung ∫ 138

Tageslichtnutzung ∫ 136 Tageslichtoptimierung ∫ 103 Tageslichtquotient ∫ 102 Tageslichtsystem ∫ 104 Tageslichttransmission ∫ 154 Taktung ∫ 124 Tank-in-Tank-System ∫ 125 Tauchkörperverfahren ∫ 76 Taupunkt ∫ 132 Tauwasserabfall ∫ 151 technische Gebäudeausrüstung ∫ 33 technische Infrastruktur ∫ 70ff. technische Lebensdauer ∫ 34 technische Nutzungsdauer ∫ 33 technischer Ausbau ∫ 110 Technisierungsgrad ∫ 32 Technologieniveau ∫ 61 Temperatur ∫ 54 Temperaturamplitude ∫ 158 Temperaturamplitudenverhältnis ∫ 96 Temperaturleitzahl ∫ 159 temporärer Wärmeschutz ∫ 91 Terrazzoestrich ∫ 164 Thermik ∫ 101f. thermische Abfallbehandlung ∫ 78 thermische Baukörperzonierung ∫ 69 thermische Behaglichkeit ∫ 55 thermische Entspeicherung ∫ 99 thermische Hülle ∫ 87 thermischer Auftrieb ∫ 101, 135 thermischer Kreisprozess ∫ 122 thermischer Komfort ∫ 56f. thermischer Speicher ∫ 124 thermische Trennung ∫ 88 thermische Verwertung ∫ 174 thermische Zonierung ∫ 23, 86 thermoaktive Bauteile ∫ 127 thermochemischer Speicher ∫ 125 thermochemische Wärmespeicherung ∫ 124 Thermodynamik ∫ 22, 43 Thermografieaufnahme ∫ 90 Thermohaut ∫ 88 Tiefgarage ∫ 81 Torf ∫ 115 Total Volatile Organic Compounds (TVOC) ∫ 170 Toxproof ∫ 170 Tragsystem ∫ 147 Transformator ∫ 72 transluzent ∫ 158 Transmission ∫ 118, 149, 153f. Transmissionsgrad ∫ 154 Transmissionswärmeverlust ∫ 86, 148f. transparente Bauteile ∫ 162 transparente Wärmedämmung (TWD) ∫ 92f., 105 Transparenz ∫ 97, 153f. Transportarten ∫ 79 Transportmittel ∫ 78 Trassierung ∫ 164 Treibhauseffekt ∫ 91, 153 Treibhausgas ∫ 38, 40, 42, 114 Treibhauspotenzial ∫ 167 Trinkwasser ∫ 74f. Trinkwassererwärmung ∫ 120 Trinkwasserspeicherung ∫ 125 Trinkwasserverbrauch ∫ 74 Trombewand ∫ 112, 150 Tropen ∫ 52, 66 Tropfkörperverfahren ∫ 76 Typ-I-Umweltdeklaration ∫ 171 Typ-II-Umweltdeklaration ∫ 171 Typ-III-Umweltdeklaration ∫ 161 U Überdüngunspotenzial ∫ 167 Überhangwinkel ∫ 103 Überhitzung ∫ 92, 95, 98 Übertemperatur ∫ 95 Uferfiltrat ∫ 75 Umfeldleuchtendichte ∫ 58 Umgebungswärme ∫ 121 Umnutzung ∫ 64

Umspannwerk ∫ 72 Umwandlunsprozess ∫ 50 Umwälzpumpe ∫ 126 Umwelt ∫ 24, 191 Umweltbelastung ∫ 196 Umweltbewusstsein ∫ 18 Umweltenergie ∫ 21, 28 Umweltkennzeichnung ∫ 171 Umweltkurve von Kuznets ∫ 26 Umweltwirkung ∫ 165ff. UN-Weltklimarat ∫ 39 Unterflurkonvektor ∫ 127 Unterhaltskosten ∫ 33, 196 Unterkomplexität ∫ 19 Upcycling ∫ 75 urbaner Raum ∫ 63ff., 79 Urbanität ∫ 30 U-Wert ∫ 28, 83, 87, 150f., 184 V Vakuum ∫ 155 Vakuumdämmpaneel ∫ 88 Vakuumisolationspaneel (VIP) ∫ 88, 149, 151 Vakuumröhrenkollektor ∫ 94f., 119 Vegetationszonen ∫ 53 Ventilation ∫ 102 Ventilator ∫ 135 Venturiflügel ∫ 135 Verbrennung ∫ 114 Verdunstung ∫ 67f. Verdunstungskühlung ∫ 66, 130 Verflechtung ∫ 108 Verfügbarkeit ∫ 162, 196 Vergabe ∫ 180 Verglasung ∫ 104, 153ff. Verglasungsanteil ∫ 90, 92, 97 104 Verkehr ∫ 78ff., 195 Verkehrsaufkommen ∫ 79 Verkehrsinfrastruktur ∫ 78 Verluste ∫ 72 Versauerungspotenzial ∫ 167 Verschattungsanalyse ∫ 96 Verschattungssystem ∫ 97 Verschmelzung ∫ 108 Versorgungssicherheit ∫ 12, 38, 71, 142 Verwertungsarten ∫ 174 visuelle Behaglichkeit ∫ 58 visueller Komfort ∫ 58 Vorkonditionierung ∫ 99 Vorlauftemperatur ∫ 123 Vorplanung ∫ 180 Vortemperierung ∫ 129 Vorfertigung ∫ 168 W Wachstumsgrenze ∫ 25, 39 Wahrnehmungsebene ∫ 55 Wandbekleidung ∫ 162 Wandheizung ∫ 127 Wandkonstruktion ∫ 162 Wärmeabsorption ∫ 119 Wärmebedarf ∫ 86, 114 Wärmebilanz ∫ 86f., 96 Wärmebrücke ∫ 90, 151f., 180 Wärmedämmung ∫ 86, 150 Wärmedämmverbundsystem ∫ 88 Wärmedurchgangskoeffizient ∫ 87, 151, 154 Wärmedurchlasswiderstand ∫ 86 Warm Edge ∫ 156 Wärmeeintrag ∫ 96 Wärmeerzeuger ∫ 114 Wärmeerzeugung ∫ 113 Wärmefalle ∫ 91, 153 Wärmefluss ∫ 158 Wärmegewinn ∫ 86 Wärmehaushalt ∫ 55f., 61 Wärmelast ∫ 96f. Wärmeleitfähigkeit ∫ 87, 149ff. Wärmeleitung ∫ 118 Wärmenetzversorgung ∫ 72 Wärmepuffer ∫ 87 Wärmepumpe ∫ 48, 114, 121, 130 Wärmepumpentechnologie ∫ 122

Wärmequelle ∫ 121, 124 Wärmerückgewinnung ∫ 102, 122, 135 Wärmeschutz ∫ 95, 148ff., 158 Wärmeschutzbeschichtung ∫ 153 Wärmeschutz-Isolierglas ∫ 153 Wärmeschutzverglasung ∫ 91, 155 Wärmeschutzverordnung ∫ 63, 84 Wärmesenke ∫ 128 Wärmespeicher ∫ 124f. Wärmespeicherfähigkeit ∫ 98, 158 Wärmespeicherung ∫ 119, 124f. Wärmestrahlung ∫ 118 , 150 Wärmetauscher ∫ 93, 136 Wärmetechnik ∫ 113 Wärmeträgermedium ∫ 119, 121, 125 Wärmetransmission ∫ 96 Wärmetransport ∫ 119 Wärmeübergabesystem ∫ 126f. Wärmeübergang ∫ 87 Wärmeübergangskoeffizient ∫ 156 Wärmeverlust ∫ 86 Wärmeversorgung ∫ 113 Wärmeverteilung ∫ 125 Warmfenster ∫ 154, 156 Warmwasserbereitung ∫ 196 Wartungsaufwand ∫ 172 Wartungszugriff ∫ 163 Wasser ∫ 68, 74ff., 166, 197 Wasseraufbereitung ∫ 74 Wasserkreislauf ∫ 67 Wasserkraft ∫ 48, 145 Wasserkraftwerk ∫ 145 Wasserkühlung ∫ 132 Wasserlangzeitwärmespeicher ∫ 125 Wasserrückhaltung ∫ 67f. Wasserstoff ∫ 145 Wasserversickerung ∫ 68 Wasserversorgung ∫ 75 Wechselrichter ∫ 141 Weiterverwendung ∫ 174 Wellenenergie ∫ 48 Wellenkraftwerk ∫ 49 Weltbevölkerung ∫ 27 Werkstoffauswahl ∫ 160 Werterhaltung ∫ 39 Wetter ∫ 52 Wiedererkennung ∫ 194 Wiederverwendung ∫ 174 Wiederverwertung ∫ 174 Wind ∫ 54 Winddruckkraft ∫ 101 Windenergie ∫ 48, 145 Windexponiertheit ∫ 68 Windgenerator ∫ 145 Windkraft ∫ 71, 101 Windkraftanlage ∫ 72 Windsogkraft ∫ 101 Windturm ∫ 135 Windwiderstand ∫ 65 Winkelselektivität ∫ 157 Wirkungsgrad ∫ 114 Wirtschaft ∫ 191 wirtschaftliche Nutzungsdauer ∫ 34 Wirtschaftlichkeit ∫ 27 Wirtschaftswachstum ∫ 49 Witterung ∫ 52 Wohlbefinden ∫ 55, 195 Wohnflächenbedarf ∫ 20, 38 Wohnraumlüftung ∫ 133 X Xenon ∫ 155 Z Zellulosefaser ∫ 151 Zielkonflikt ∫ 180, 189 Zirkulationsleitung ∫ 126 Zisterne ∫ 67 Zonierung ∫ 69, 86 Zugänglichkeit ∫ 195 Zuluft ∫ 132 Zuluftanlage ∫ 134 Zuluftöffnungen ∫ 101 Zwischensparrendämmung ∫ 88

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Die Erarbeitung des Diagnosesystems Nachhaltige Gebäudequalität (DNQ) war nur durch eine Unterstützung der Deutschen Bundesstiftung Umwelt möglich.

Autoren und Verlag danken den folgenden Sponsoren für die Förderung der Publikation:

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