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2002-03: Passivhäuser

Gebaute Beispiele

Ein 13.000 m² großer Neubau in Freiburg ersetzt die bisher gemieteten Gebäude für die 300 Mitarbeiter-Innen des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE.

Der Neubau des Fraunhofer ISE für ein sonniges Jahrtausend

Von Karsten Voss*

Unter dem Motto "vorbildliches Bauen mit der Sonne" nahmen sich das Planungsteam mit dem dänischem Architekturbüro Dissing + Weitling, dem Stuttgarter Ingenieurbüro Rentschler & Riedesser und den Fachingenieuren der Gruppe Solares Bauen des Fraunhofer ISE vor, hohe Arbeitsplatzqualität und Funktionalität mit geringem Energieverbrauch und hoher gestalterischer Qualität zu verbinden. Am 23. November fand die Einweihung statt.

Integrale Planung von Anfang an

Der nach gründlicher Evaluierung ausgewählte und weiterentwickelte Entwurf nimmt die für derartige Nutzungen bewährte Flügelstruktur auf und reagiert damit auf die ausgeprägte Nord-/Süderstreckung des Grundstücks (Abbildung 1). Die drei Gebäudeflügel sind jeweils Ost/westorientiert, die Abstände mit Rücksicht auf den Lichteinfall groß. Auf der Sonnenseite liegen die nicht klimatisierten Büros, auf der Schattenseite die notwendigerweise klimatisierten Labors.

Abbildung 1: Die drei konkurrierenden Entwurfsideen und das Ergebnis ihrer Evaluierung

Eine zentrale Erschließungsachse, die sogenannte "Magistrale", verläuft über 120 m in Nord/Südrichtung und schützt Innenhöfe wie Fassaden der Flügel vor der nachmittäglichen Sommersonne. Ein städtebaulich markanter Kopfbau an der Südspitze der Magistrale bündelt die Verwaltung und zentrale Dienste. An der westlichen Seite schließen parallel zu der Magistrale Technikum, Reinraum und Werkstätten an.

Abbildung 2: Das Erdgeschoß im Grundriß (Quelle: Dissing+Weitling)

Abbildung 3:bc Eine zentrale Erschließungsachse, die sogenannte "Magistrale", verläuft über 120 m in Nord/Südrichtung und schützt Innenhöfe wie Fassaden der Flügel vor der nachmittäglichen Sommersonne

Die Baukonstruktion besteht aus einem Stahlbeton-Skelett mit Decken und Stützen. In dem funktionalen und gestalterischen Konzept der Fassaden zeigt sich die planerische Reaktion auf Nutzung, Orientierung und klare Kostenziele:

• Eine vorgehängte Fassade als gestalterisch prägendes Element des Kopfbaus und der Flügelsüdseiten mit Fassadenpaneelen aus Stahlblech. Konstruktionsmaterial ist Holz mit Fenstern als Holz/Aluminium-Verbund.
• Eine Bandfassade mit Holz/Aluminium-Fenstern Wärmedämmverbundsystem an den Nordseiten der Flügel und dem gesamten Technikum.
• Eine Glasfassade in Holz/Aluminium für die Erschließungsachse.

Lüftungskonzepte für hohe Funktionalität und gutes Raumklima

Da 2/3 der Hauptnutzfläche von Labors und Produktionsstätten mit zum Teil sehr hohen Anforderungen an die Konstanz des Raumklimas eingenommen wird (u.a. ein Reinraum für Herstellung von hocheffizienten Solarzellen), liegt mit Blick auf den Energiehaushalt ein Schwerpunkt auf einem energiesparenden Lüftungs- und Klimatisierungskonzept, das durch Anpassung der Volumenströme an den momentanen Bedarf unnötige Lüftung vermeidet (z. B. geregelte Laborabzüge), und Wärme aus der Abluft zurückgewinnt [1]. Das Kreislaufverbundsystem mindert zwar den Wirkungsgrad des Wärmetauschs (2-facher Wärmetausch), erhöht aber die Sicherheit im Fall von internen Leckagen am Wärmetauscher.
Die Labors werden versorgungstechnisch durch ein vertikales Schachtprinzip erschlossen. Lüftungs und Klimatechnik befinden sich entsprechend im Untergeschoß (Zuluft) bzw. in Dachzentralen (Abluft). Erstmalig wurde ein System zur sorptiven Entfeuchtung der großen Zuluftmengen für einen Reinraum realisiert. Das Konzept basiert auf den Arbeiten des Fraunhofer ISE zur solaren Klimatisierung durch Sorption. Die Sorptionstechnik verschiebt Kälte- zu Wärmelasten und erlaubt damit bei hohen Entfeuchtungsleistungen eine primärenergetisch günstigere Betriebsweise und geringere elektrische Lastspitzen.
Passive Kühlung für die Büros
Charakteristisch für die Büroarbeitsplätze ist die hohe Dichte von Personen und EDV-Geräten. Nicht aktiv kühlen oder klimatisieren zu wollen heißt, im Rahmen einer integralen Planung alle Möglichkeiten der passiven Kühlung ausschöpfen:

• ein geeigneter Gebäudeentwurf
• angepaßte Glasflächen und Glastypen in der Fassade,
• wirkungsvoller Sonnenschutz mit automatischer Steuerung (manuell jederzeit anpassbar),
• Verzicht auf eine Deckenabhängung zur intensive thermische Ankopplung der Raumluft an die Gebäudemasse,
• nächtliche Lüftung zur sommerlichen Entwärmung des Baukörpers und
• Luftvorkühlung via Erdregister für besonders kritischen Zonen.

Wesentliches Planungswerkzeug war die dynamische Simulation. Damit eine ganzheitlich überzeugende Lösungen entstand, unterstützte die Tageslichtsimulation die Raumklimasimulation; beide können mit am Fraunhofer ISE entwickelten Werkzeugen dynamisch gekoppelt werden [2].
Im Tagesbetrieb versorgt eine Abluftanlage die Büros mit einem Grundlüftung (1-facher Luftwechsel). Die Außenluft strömt über Spalte in den Rahmenprofilen der Oberlichter in die Büros und via Unterdruck durch Lüftungsflügel oberhalb der Türen in den Flur. Von dort wird die Abluft zentral entnommen und die enthaltene Wärme der Wärmerückgewinnung der Labore zugeführt. Ziel ist die Verbesserung der Luftqualität in den dicht belegten Büros. Das realisierte Anlagenkonzept minimiert den dafür erforderlichen Aufwand mit Kompromissen sowohl beim Schallschutz zwischen Büros und Fluren als auch bei der Sicherheit eines definierten Luftwechsels gegenüber Winddruckänderungen am Bauwerk. Im nächtlichen Betrieb mit 4-fachem Luftwechsel sorgt die Abluftanlage in Verbindung mit den frei liegenden Stahlbetondecken für die Entwärmung des Gebäudes im Sommer. Dazu werden die Oberlichter manuell geöffnet. Erst der Verzicht auf motorisch bediente Fenster machte die Investitionskosten für die Nachtlüftung vertretbar. Überzeugt die Wirkung in der Praxis, werden die Nutzer das System auch entsprechend bedienen. Von Messungen und Nutzerbefragungen werden wertvolle Ergebnisse erwartet [4].
Im Rahmen der Produktentwicklung mit der Industrie besitzen einige Büros einen neu entwickelten Gipsputz an Decke und Seitenwänden. Die Wärmekapazität wird durch Beimischung von mikroverkapseltem Phasenwechselmaterial deutlich erhöht [3]. Damit kann die Wirkung bzw. der Einsatzbereich der passiven Kühlung zukünftig erweitert werden.
Ein Luft-/Erdregister zur Kühlung und Vorwärmung der Zuluft ist zusätzliches Element der Lüftung des Kopfgebäudes. Seminarraum, Küche und Kantine sind Räume mit erhöhtem Wärmeanfall und Lüftungsbedarf. Das zentrale Atrium ist funktional als Zuluftraum für die umliegenden Büros einbezogen. Als Verkehrsfläche erlaubt das Atrium eine hohe Temperaturtoleranz bis hinunter zu winterlichen 15°C. Das Erdregister für einen Durchsatz von 9.000 m³/h liegt kostengünstig im Arbeitsraum der Ausschachtung für das 2. UG der 120 m langen Magistrale. Es besteht aus 7 PE-Rohren mit 250 mm Durchmesser [5].
Die Magistrale erhält als thermischer Pufferraum keinerlei Heizung oder aktive Lüftung. Wiederum wurde die größere Komforttoleranz einer Verkehrsfläche in enger Abstimmung mit dem Bauherrn zur Senkung der Investitionskosten genutzt. Voraussetzung ist die hohe thermische Qualität der Fassadenkonstruktion (UV=0,9 W/m²K, minimaler Rahmenanteil). Der sommerliche Sonnenschutz für die vollverglasten Flächen entfällt zugunsten einer freien Auftriebslüftung mit großen Lüftungsklappen. Kostenneutrales Mittel zur Senkung der sommerlichen Wärmelast ist der seitenverkehrte Einbau der Wärmeschutzverglasungen; ihr Energiedurchlass nimmt so um 15% ab.

Gutes Licht für hohe Arbeitsplatzqualität

Angenehmes Tageslicht für die (Abbildungschirm-) Arbeitsplätze war bereits wesentliches Kriterium für die Auswahl des Entwurfs: Die Flügelstruktur bewirkt günstige Raumtiefen, die gewählte Ausrichtung minimiert die wegen ganzjährig tiefem Sonnenstand ungünstigen Ost- und Westfassaden (Blendgefahr bzw. mangelhafter Ausblick wegen ständig geschlossenem Blendschutz). Aus der Kombination von Labors und Büros auf einem Geschoß folgen Raumhöhen von 3,3 m. Verbunden mit Raumtiefen von 5 m ist das Raumpotential für gute Tageslichtnutzung hoch.
Im Dialog von Architekt und Fachingenieuren entstand ein Fassadentyp mit vier Segmenten: Brüstung, Fenster, Paneel, Oberlicht. Das Oberlicht ist deckenbündig, um Licht möglichst hoch einfallen zu lassen. Angesichts der großen Raumhöhe reduziert das Paneel die sommerliche Wärmelast gegenüber einer Ganzglaslösung wesentlich bei zugleich immer noch hohem Tageslichtangebot. Sonnenschutz gewährleistet eine durchgehende Außenjalousie mit zweigeteilter Bedienung: Ist die Jalousie ganz heruntergefahren, schließen die Lamellen vor dem Fenster, während sie im Bereich des Oberlichts in waagerechter Stellung verbleiben. Als nachteilig erweist sich nach der Fertigstellung die große Fassadentiefe, vor allem durch gestalterische Integration der Sonnenschutzanlagen: Der Lichteinfall wird durch den reduzierten Einfallswinkelbereich mehr als ursprünglich vorgesehen reduziert.
Die Ergebnisse der Lichtsimulationen zeigten, dass die tageslichtangepasste Dimmung der Beleuchtung angesichts des hohen Tageslichtangebotes keine hohen Einsparungen erschließen kann. Das abgestimmte, nutzungsflexible Kunstlichtkonzept lautet: Grundbeleuchtung durch je eine indirekt strahlende Stehleuchte pro Büro, deren Stromkreis bei ausreichender Außenhelligkeit zentral abgeschaltet wird; Arbeitsplatzbeleuchtung durch eine individuelle Tischleuchte. In Summe beträgt die installierte elektrische Leitung 8 W/m². Für die Bereiche mit ungünstigeren Tageslichtverhältnissen enthält die Tischleuchte ein Modul zur präsenzgesteuerten Abschaltung und tageslichtgeregelten Dimmung. Kosten für eine Lichtsteuerung treten damit nur dort auf, wo sie amortisierbar sind. Nach Optimierung der Lichtplanung ist der jährliche Stromverbrauch des (nicht optimierten) Telephons pro Arbeitsplatz heute in annähernd der gleichen Größenordnung wie der der Beleuchtung!
In Teilen des Gebäudes werden 2002 weltweit erstmalig die in der Transparenz schaltbaren Fenster auf der Basis gaschromer Scheiben eingesetzt, ein Resultat der Forschungskooperation des Fraunhofer ISE mit der Glasindustrie [6].

Eine zukunftsfähige Energieversorgung

Wegen des ganzjährig hohen elektrischen Energiebedarfs von Reinraum, Labor- und Produktionsstätten (u.a. elektr. Diffusionsöfen mit 300 kW elektrischer Anschlussleistung) ist die Eigenstromerzeugung via Blockheizkraftwerk das naheliegende Konzept. Voraussetzung ist, dass es gelingt, die ganzjährige Nutzung der Abwärme sicherzustellen. Erreicht wird dies durch die Kombination von zwei gasbetriebenen BHKW´s mit einer Absorptionskältemaschine zum Kraft/Wärme/Kälte-Verbund (Abbildung 4).

Abbildung 4: Schematische Darstellung und Kenndaten der Energieversorgung (AKM: Absorptionskältemaschine, KKM: Kompressionskältemaschine, PV: Photovoltaik)

Eine Kompressionskältemaschine und ein Gaskessel unterstützen das System zur Leistungsanpassung. Wirtschaftlichkeit wird trotz günstiger Voraussetzungen erst durch den hohen Stellenwert einer ausfallsicheren Stromversorgung erreicht: Die BHKW´s arbeiten bei Netzausfall als Notstromsystem und verringert die damit verbundenen Investitionen. Trotz ökologischer Vorteile läßt die derzeit gültige Tarifstruktur für Strom und Gas den Nachtbetrieb des BHKW aus wirtschaftlichen Gründen eigentlich nicht zu, so dass in Summe mit nur 4.500 jährlichen Betriebsstunden gerechnet werden müßte. Mit Nachtbetrieb sind fast 6.000 Betriebsstunden möglich. Die Investitionskosten sind fast doppelt so hoch wie diejenigen einer konventionellen Versorgung. Durch die 15% geringeren Verbrauchskosten sind die Jahreskosten der Energieversorgung jedoch günstiger. Als Amortisationszeit werden 8 Jahre erwartet. Als Option ist danach die Umrüstung oder Ergänzung durch eine mit Erdgas betriebene Brennstoffzelle vorgesehen.
Die solaren Komponenten der Energieversorgung sind 20 m² Flachkollektoren auf dem Dach des Kopfbaus zur zentralen Warmwasserbereitung der Kantine und Solarstromanlagen unterschiedlicher Bauart mit einer Spitzenleistung von 21 kWp. 70 m² Solarzellen befinden sich im Wärmeschutzglas als südlicher Teil der Sheddachkonstruktion für das Atrium und 30 m² in der Glasfassade am südlichen Ende der Magistrale. Die Module übernehmen neben dem Wärmeschutz (U=1,1 W/m²K) auch die Sonnenschutzfunktion (g=0,25). Die Planung erfordert dazu eine besonders intensive Abstimmung und Abwägung zwischen Anlagenertrag, Tageslichtangebot und sommerlichem Raumklima.
Ziel des Konzeptes aus Energieeinsparung und effizienter Energieversorgung ist, dass der gesamte Primärenergiebedarf trotz wesentlicher Aufstockung in Größe, Ausstattung und Funktionalität der Labor und Produktionsstätten sinkt. Dies wird im wesentlich durch den Kraft-/Wärme-/Kälteverbund erreicht, da der Stromverbrauch der Geräteausstattung und der daraus resultierender Prozesskältebedarf die Energiebilanz dominieren. Eine alleinige Betrachtung der Bürobereiche des Gebäudes zeigt eine 40%ige Reduktion des Primärenergieeinsatzes gegenüber einer konventionellen Planung; das Primärenergieäquivalent des Ertrags der installierten Solarstromanlagen deckt annähernd 30% dieses Bedarfs.

Fazit

Institutsgebäude für die Forschung sind durch umfangreiche Geräteausstattung und hohe Ansprüche an das Raumklima in Laboren hohe Energieverbraucher. Ihnen das abzugewöhnen ist weniger eine Frage von Architektur und Gebäudehülle als die einer der energiekritischen Prüfung jeder einzelnen Gerätebeschaffung und einer umsichtigen Betriebsweise der Anlagen. Das vorgestellte Gebäudekonzept motiviert dazu, weil es gebäude- und versorgungstechnisch vorAbbildunglich ist. VorAbbildunglich deshalb, weil es ganzheitlich den vielfältigen Anforderungen gerecht werden kann und dabei die Kosten nicht aus dem Blick verliert. Die Bauwerkskosten liegen mit knapp 750 DM/m³ bzw. 3.500 DM/m²NGF (KG 300/400, brutto) im üblichen Rahmen anderer Institutsbauten der Fraunhofer-Gesellschaft mit vergleichbarer Nutzung. Auf diese Weise ist Solares Bauen heute selbstverständlich und nicht mehr spektakulär, weder von den Kosten, noch von der Technik, noch von der Architektursprache.

Dank

Die Planung und die zukünftige Evaluierung des Gebäudes fördert das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie BMWi im Rahmen des Programms Solaroptimiertes Bauen [7,8]. Über das Förderprogramm, die realisierten Gebäude und deren Ergebnisse informiert das Internet unter http://www.solarbau.de.

Referenzen
[1] RELAB-Energieeinsparung in Laboratorien durch Reduzierung der Luftströme, Hrsgb: Universität Stuttgart, IKE, 1998
[2] Reinhart, Chr., RADIANCE - Jahressimulationen des Tageslichtangebots in gebäuden: Ein Raytracer, viele Ergebnisse, 6. Symposium Innovative Lichttechnik in Gebäuden, Staffelstein, 2000
[3] Zimmermann, M.: Handbuch der Passiven Kühlung, Dübendorf, CH, 1999
[4] Schossig, P., Henning, H.-M., Raicu, A.: Mikroverkapselte Phasenwechselmaterialien in Wandverbundsystemen, 11. Symposium Thermische Solarenergienutzung, Staffelstein, 2001
[5] Pfafferot, J., Gerber, A., Herkel, S.: Erdwärmetauscher zur Luftkonditiuonierung, Gesundheitsingenier, 119/4, 1998
[6] Gombert, A. et. al.: Innovative Verglasungen für hohe solare Gewinne und Tageslichtnutzung, 5. Symposium Innovative Lichttechnik in Gebäuden, Staffelstein, 1999
[7] Energieeffizienz und Solarenergienutzung im Nichtwohnungsbau - Konzepte und Bauten, Journal, Fraunhofer ISE, 2001, Bezug via Internet unter http://bine.fiz-karlsruhe.de
[8] Voss, K.: Schlanke Gebäude - Hohe Arbeitsplatzqualität bei geringem Energieverbrauch, Energieeffizientes Bauen, Heft 3, 2001

*) Dr. Karsten Voss, Gruppenleiter Solares Bauen am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg. Das Fraunhofer ISE unterstützt seit vielen Jahren die Planung von Gebäuden durch Konzepte, Simulationsrechnungen, Messungen und Monitoring. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! [^]