Architektur und Energie: Das Klima als Entwurfsfaktor

Transkript

1 Architektur und Energie: Das Klima als Entwurfsfaktor Prof. Urs-Peter Menti Leiter Kompetenzzentrum T direkt urs-peter.menti@hslu.ch Luzern, Energieapéro Luzern 2014

2 Kurzvorstellung - Urs-Peter Menti - Dipl. Masch.-Ing. ETH/SIA, MAS-BA - Hochschule Luzern Technik & Architektur - Leiter Zentrum für Integrale Gebäudetechnik - Prof., Hauptamtlicher Dozent für Gebäudetechnik - Fachbereichsleiter Minergie-P bei Minergie - Leiter Zertifizierungsstelle Minergie Zentralschweiz Amstein + Walthert AG heute Hochschule Luzern 2,

3 ZIG: Forschung, Dienstleistung, Lehre, Weiterbildung Konzepte, Studien Simulationen Zertifizierung Minergie(-P,-A,-Eco) Feldmessungen 3, Labormessungen Akkreditierte Prüfstelle

4 Forschungsthemen ZIG Mit dem Fokus Gebäude und Gebäudetechnik orientieren wir uns in einer gesamtheitlichen Betrachtung an den Werten Energieeffizienz, Emissionsfreiheit und Behaglichkeit. Gebäude Mensch Energie Energieversorgung von Quartieren und Arealen Transformation Gebäudepark Luft- und Wasserreinheit 4,

5 Radonstudie Kanton Luzern Analyse Zusammenhang «energieeffizientes Bauen Radonbelastung» Phase I: Radonmessungen in energieeffizienten Gebäuden Phase II: Radonmessungen vor / nach energetischen Sanierungen Kanton Luzern / Bundesamt für Gesundheit // ZIG Prof. Dr. Heiner Manz

6 Hotel THE CHEDI, Andermatt Überprüfung Kondensationsrisiko an Glaswänden im Pool-Bereich mittels CFD-Simulationen Basler & Hofmann 2012 ZIG Iwan Plüss Zentrum für Integrale Gebäudetechnik I 6

7 Energieversorgung Zug (Machbarkeitsstudie) Wissenschaftliche Begleitung Kanton / Stadt Zug 2013 ZIG Matthias Sulzer Zentrum für Integrale Gebäudetechnik I 7

8 Energieeffizientes und schadstoffarmes Fahrgastschiff Optimierungen der Schiffsaufbauten (Hülle) und Zusatzsysteme (Heizung, Kühlung, Lüftung, Beleuchtung, etc.) mit Hilfe von Simulationsrechnungen KTI, Shiptec Prof. Urs-Peter Menti Zentrum für Integrale Gebäudetechnik I 8

9 Architektur und Energie Kann sich Architektur um Fragen der Energie kümmern? Ja! Muss sich Architektur um Fragen der Energie kümmern? (Ja!?) 9,

10 Aussage A: Die (Gebäude / Energie-)Technik wird es dann schon richten Aussage B: Das beste Gebäude ist ein Gebäude, welches keine (Gebäude)- Technik braucht >>> Völlige Freiheit für die Architektur 10, 16. Januar 2014 >>> Einschränkungen für Architektur

11 Wie sieht ein architektonischer Entwurf für hohe Energieeffizienz aus? - Ausrichtung des Gebäudes nach Süden - «Öffnung» des Gebäudes nach Süden - Beschattung Fassade im Sommer (Balkone) - Sehr gut gedämmte Gebäudehülle - «Vernünftiger» Glasanteil (Tageslicht / th. Last) - Kompakte Bauweise -... Wohnüberbauung Bern Brünnen Baufeld 2 Kugelhaus Dresden 11,

12 Wie sieht ein architektonischer Entwurf mit hoher Energieeffizienz aus? - Ausrichtung des Gebäudes nach Süden - «Öffnung» des Gebäudes nach Süden - Beschattung Fassade im Sommer (Balkone) - Sehr gut gedämmte Gebäudehülle Ist das immer noch so? Sind diese Ansätze heute noch richtig? - «Vernünftiger» Glasanteil (Tageslicht / th. Last) - Kompakte Bauweise -...? 12,

13 Veränderungen - Indikatoren CO2-Thematik rückt ins Zentrum - Systemgrenzen Gesamtheitlichere Betrachtung - Technologien Erneuerbare Energien, Energieeffiziente Technik 13,

14 Die Beurteilungskriterien verändern sich Heizwärme Gesamte Betriebsenergie Betriebsenergie + Graue Energie Betriebsenergie + Graue Energie + gebäudeind. Mobilität Nutz- oder Endenergie Primärenergie Primärenergie + Treibhausgasemissionen 14,

15 Die Systemgrenzen verändern sich - Die einzelne Komponente Wirkungsgrad, Leistungszahl, U-Wert, g-wert, - Das Gebäude als System Jahresarbeitszahl, Gesamtenergiebedarf, Graue Energie, - Das Gebäude im System Areal- und Quartierbetrachtungen, regionale oder überregionale Themen, Smart Grid, 15,

16 Ausweiten der Betrachtungsgrenzen in 3 Dimensionen BE + GE + Mobilität BE + Graue Energie (GE) Betriebsenergiebedarf (BE) Heizwärmebedarf Endenergie CO2 / THG Primärenergie Nutzenergie Komponente Gebäude Areal/Quartier/ 16,

17 Energieeffizienz heute und morgen - Gesamtheitlichere Betrachtung wird nötig - Lebenszyklusbetrachtung: Erstellung + Betrieb + Rückbau - Bewertung auf Stufe Primärenergie / Treibhausgasemissionen - Welche Massnahmen sind nun richtig? Auf was kann / soll der architektonische Entwurf Rücksicht nehmen? 17,

18 Gesamtheitliche Betrachtung: Einflussfaktoren auf die Gesamtenergie(effizienz) Weitere Einflussfaktoren Weitere Einflussfaktoren Gebäudeinduzierte Mobilität Graue Energie Verdichtung Gesamtenergieeffizienz Kompaktheit Sommerlicher Wärmeschutz Verluste (T/L) Solarer Eintrag (G/L) Beleuchtung Betriebsenergie Raumheizung Tageslichtnutzung Raumkühlung Weitere 18, 16. Januar 2014

19 Was wird durch Entscheide im Entwurf beeinflusst? - Heizwärmebedarf (Raumheizung, Warmwasser) - Beleuchtungsenergiebedarf - Kühlenergiebedarf - Lüftungsenergiebedarf - Hilfsenergiebedarf - Prozessenergiebedarf - Graue Energie - Gebäudeinduzierte Mobilität Wird durch architektonische Entscheide kaum beeinflusst Wird durch architektonische Entscheide wesentlich beeinflusst Gesamtheitliche Betrachtung nötig! 19, 16. Januar 2014

20 Wie geht man mit diesen Anforderungen und dieser Komplexität im architektonischen Entwurf um? - Umfassendere Beurteilungskriterien und Systemgrenzen - Reaktion mit verschiedenen Strategien im architektonischen Entwurf - Überprüfung der verschiedenen Strategien hinsichtlich der Zielerfüllung Ansatz A: Projektspezifische Analysen (z.b. mittels Simulationsrechnungen in frühen Projektphasen) Ansatz B: Systematische, (typologische) Analysen; veröffentlicht in «Das Klima als Entwurfsfaktor» 20,

21 21,

22 Exkurs: Gesamtenergiebetrachtung und ihre Konsequenzen - Forschungsprojekt Hochschule Luzern (finanziert durch BFE, AHB, AUE) aus dem Jahre Macht eine maximal gedämmte Gebäudehülle bei grösseren Bürobauten aus gesamtenergetischer Sicht Sinn? - Integrale Berücksichtigung > Raumwärme > Klimakälte (für vergleichbaren Komfort) > Beleuchtungsenergie > z.t. Graue Energie - Bewertung: auf Stufe Primärenergie (Jahresenergiebedarf) bzw. auf Stufe Treibhausgasemissionen 22,

23 Ausgangslage - Variationen: - Typologie - U-Wert Hülle (opak) - U-Wert Verglasung - g-wert Verglasung - Glasanteil Fassade - interne Lasten - Wärmeerzeugung (Holz, Gas, Fernwärme, Erdsonden-WP) - mit / ohne Ökostrom - 23,

24 Primärenergiebedarf vs. Heizwärmebedarf 90 Primärenergie in kwh/m 2 a (Heizen, Kühlen, Beleuchtung) Primärenergiebedarf Heizen, Kühlen, Beleuchtung Pellet Gas Fernwärme WP Q h,li,mep Q h MJ/m 2 (SIA 380/1:2009) Heizwärmebedarf Qh (SIA 380/1:2009) Fernwärme Gas Wärmepumpe Holz Q h,li 24, 16. Januar 2014

25 Primärenergiebedarf und Kompaktheit Primärnergiebedarf Energiebedarf total Energiebedarf künstliche Beleuchtung Energiebedarf Raumheizung hoch 25, 16. Januar 2014 Kompaktheit tief

26 Erkenntnisse /Konsequenzen - Eine Gesamtbetrachtung führt zu neuen Gesichtspunkten - Eine Betrachtung auf Stufe Primärenergie oder Treibhausgasemissionen favorisiert andere Lösungen als eine Betrachtung auf Stufe Nutzenergie - Minergie-P lockerte aufgrund der vorgestellten Studie für grosse Gebäude (> 5000m 2 EBF) mit hohen internen Lasten (z.b. Bürobauten) die Primäranforderung (Anforderung an die Gebäudehülle). Für diese Gebäude muss die Dämmung der Gebäudehülle «nur» Minergie entsprechen. 26, 16. Januar 2014

27 Beispiele zur zunehmenden Komplexität des Planens Raumheizung? Raumkühlung? Beleuchtung? Graue Energie? Primärenergie? Lohnt sich ein Balkon rein aus energetischer Sicht? Treibhausgasemissionen?? Gesamtbetrachtung! Gesamtbetrachtung! Lohnt sich ein sehr hoher Glasanteil rein aus energetischer Sicht? 27, 16. Januar 2014

28 und der Versuch Antworten darauf zu liefern! Das Klima als Entwurfsfaktor Architektur und Energie Herausgegeben von Tina Unruh Autoren: Christian Hönger, Roman Brunner, Urs-Peter Menti, Christoph Wieser Mit Positionen von: Roger Boltshauser, Gion Caminada, Philippe Rahm, Sascha Roesler Erschien Mitte September 2013 im Quart-Verlag, Luzern Zweite, aktualisierte und erweiterte Auflage 28, 16. Januar 2014

29 29,

30 Architektur und Energie: neues Thema? Traditionelle Bauformen Belegung von sonnigen und windgeschützten Plätzen Schutz vor Kälte in Höhlen (Mitteleuropa) Nutzung der Windströmung (Arabien) Hassan Fathy: Qa`a des Muhib Ad-Din Ash-Shaf i Al-Mawaqqi, Kairo, Aus: Arch+ Feb. 1987, Aachen. S. 43 Vordenker der Nachhaltigkeit Richard Buckminster Fuller: bereits 1940 Dymaxion-Karte (Weltklimakarte), Dymaxion-Kuppel Kuppeln als material- und energieeffiziente Gebäudekonzepte Richard Buckminster Fuller ( ) 30,

31 Architektur und Energie: Strategien I Sparen Verdicken Volumen grösser, Oberfläche kleiner Schrumpfen zusammengezogene Gestalt (Winterhaus) Zehnderhütte, Schnitt Aus: die Bauernhäuser im Kanton Luzern, Ernst Brunner, 1977 Luzern, S. 178 Eingraben, mit Erde zudecken Peter Vetsch, Wohnhaus Raven, Ascona Aus: Vetsch 1994, S ,

32 Architektur und Energie: Strategien II Gewinnen Aussetzen: die sonnengeformte Gestalt Blähen, das Sommerhaus Arup Associates: Schule, Ladalch Indien 2001 (Sonnenfänger) Aus: Energie Atlas Nachhaltige Architektur Egger, Fuchs, Stark, Zeumer, 2008, Basel/Boston/Berlin S. 231 Umhüllen, raumhaltige Hülle 32, Martin Wagner, das wachsende Haus, Berlin, 1932 Aus: das wachsende Haus Ein Beitrag zur Lösung der städtischen Wohnungsfrage, 1932, Berlin S. 149

33 Architektur und Energie: Strategien III Ausweichen Einschliessen (raumhaltige Hülle) Durchlüften Querlüftung durch tiefe Volumen Wandern (nutzungsneutrale Räume) Candilis Josic, Wohnblock Semiramis, Casablanca 1953 Aus: Candilis Josic Woods, A decade of architecture and urban design, 1968, Stuttgart/Bern S ,

34 Untersuchungsobjekte (Wohnbau / Bürobau) «Wohn-Block» 4-geschossiger Zweispänner 8 Wohneinheiten à 300m 3 (LxBxH = 10x10x3m) Massivbau mit Kompaktfassade Fensteranteil ca. 50% WP Luft/Wasser «Büro-Block» 4-geschossig mit Infrastrukturkern 4 Büroeinheiten à 2 100m 3 (LxBxH = 15x40x3.5m) Massivbau mit Kompaktfassade Fensteranteil ca. 75% WP Sole/Wasser ,

35 Wohngebäude: Gebäude-«Zoo»(Variationen) Zusätzliche Parameter U-Werte Gebäudehülle und Fenster Fensterverteilung Verglaster Balkon Konstruktion Eingraben Ziel Einfluss frühkonzeptioneller Entscheide auf Energiebilanz erkennen Handlungsempfehlungen für eine energieeffiziente Architektur 35,

36 Energetische Analyse eines «Zoos» von Gebäuden Nutzung: Wohnen 36, 16. Januar 2014

37 Energetische Analyse verschiedener Variationen (Wohnen) Basis: 8-FH Variationen Bewertung: Nutzenergiebedarf Raumheizung, Raumkühlung, Beleuchtung Primärenergiebedarf n.e. (Betrieb) Graue Energie (Erstellung) Primärenergiebedarf (Betrieb + Erstellung) 37, 16. Januar 2014

38 Ergebnisse (qualitativ): Balkon (Wohnen) Basis: 8-FH Variationen Nutzenergiebedarf - Raumheizung - Raumkühlung () () () - Beleuchtung Primärenergiebed. n.e. (Betrieb) Graue Energie (Erstellung) Primärenergiebedarf (Betrieb + Erstellung) 38, 16. Januar 2014 Nutzung: Wohnen

39 Energetische Analyse verschiedener Variationen (Wohnen) Basis: 8-FH Variationen Bewertung: Nutzenergiebedarf Raumheizung, Raumkühlung, Beleuchtung Primärenergiebedarf n.e. (Betrieb) Graue Energie (Erstellung) Primärenergiebedarf (Betrieb + Erstellung) 39, 16. Januar 2014

40 Ergebnisse (qualitativ): Glasanteil (Wohnen) Basis: 8-FH Variationen Nutzenergiebedarf - Raumheizung - Raumkühlung - Beleuchtung Primärenergieb. n.e. (Betrieb) Graue Energie (Erstellung) Primärenergiebedarf (Betrieb + Erstellung) 40, 16. Januar 2014 Nutzung: Wohnen

41 Ergebnisse (quantitativ): Balkon Nutzung: Wohnen 41, 16. Januar 2014

42 Ergebnisse (quantitativ): Glasanteil Nutzung: Wohnen 42, 16. Januar 2014

43 Wohngebäude: Resultate (Auswahl) Fazit positiver Effekt der kompakten Bauweise 100% 115% 116% 117% «Balkon 2m» 100% 118% 98% 107% «Balkon Nord verglast» Eingrabungen nachteilig (Formfaktor!, Beleuchtung) Verformungen kontraproduktiv 100% 100% 100% 100% «Basis» % 121% 119% 120% «Eingrabung» 100% 103% 103% 103% «Verformung» Balkone aus energetischer (!) Sicht nicht wünschenswert Verglaste Balkone können sich (je nach Beurteilungskriterium) wiederum positiv auswirken % , Betriebsenergie (PEne) Betrieb+Erstellung (PEne) Betrieb+Erstellung (THG) 20 0 "Basis": 0.47 "Eingrabung": 0.77 "Verformung": 0.51 "Balkon 2m": 0.47 "Balkon Nord vergl.": 0.47

44 Bürogebäude: Gebäude-«Zoo» und Resultatübersicht Verdicken Verformen I Verformen II Verformen III 44,

45 Bürogebäude: Gebäude-«Zoo» und Resultatübersicht Balkon Konstruktion Ausrichtung Verglasung Fensteranteil 45,

46 Bürogebäude: Gebäude-«Zoo» und Resultatübersicht Hofsituationen unterschiedlicher Anordnung 46,

47 Bürogebäude: Auswahl einiger Ergebnisse 47,

48 Bürogebäude: Einfluss Standort Relevanz Klima Heizung vs. Kühlung: Reaktion Architektur erforderlich! Einfluss der Beleuchtung 25 Nutzenergie 25 Primärenergie n.e kwh/m 2 a kwh/m 2 a 15 Beleuchtung 10 Kühlung Heizung 5 Beleuchtung Kühlung Heizung 0 0 Diagramme: Standortvergleich Bürogebäude (Basisvariante). Stufe Nutzenergie und Primärenergie nicht erneuerbar. Zur Ermittlung der PEne wurden Werte des CH-Srommix und übliche JAZ einer Sole-Wasser-WP für die Wärme-/ Kälteerzeugung verwendet (3.9/3.8). 48,

49 Bürogebäude: Kompaktheit des Baukörpers Kompakte Körper Wichtigkeit des Formfaktors bei gleichbleibender EBF % Betriebsenergie (PEne) Betrieb+Erstellung (PEne) 20 Betrieb+Erstellung (THG) 0 2a "langgezogen": "BASIS": b "quadratisch": d "zwölfeckig": ,

50 Bürogebäude: Kompaktheit des Baukörpers Kompakte Körper Wichtigkeit des Formfaktors bei gleichbleibender EBF Relevanz der Beleuchtung sowie der Grauen Energie und Grauen THG-Emissionen in der detaillierten Darstellung ersichtlich % 60 Betriebsenergie (PEne) Betrieb+Erstellung (PEne) Betrieb+Erstellung (THG) Beleuchtung Kühlung Heizung Erstellung a "langgezogen": 2a «langgezogen» "4 Einheiten": 0 «BASIS» b "quadratisch": 2b «quadratisch» d "zwölfeckig": 3d «zwölfeckig» ,

51 Bürogebäude: Volumenvergrösserung Volumenvergrösserung Strategie «Verdicken» Wichtigkeit Formfaktor Relevanz Beleuchtung % Betriebsenergie (PEne) 40 51, Betrieb+Erstellung (PEne) Betrieb+Erstellung (THG) "4 Einheiten": a "16 Einheiten": b "32 Einheiten": c "64 Einheiten": 0.189

52 Bürogebäude: Volumenvergrösserung Volumenvergrösserung Strategie «Verdicken» Wichtigkeit Formfaktor Relevanz der Beleuchtung sowie der Grauen Energie und Grauen THG-Emissionen in der detaillierten Darstellung ersichtlich % Betriebsenergie (PEne) Betrieb+Erstellung (PEne) Betrieb+Erstellung (THG) 52, Beleuchtung Kühlung Heizung Erstellung "4 Einheiten": 0 «4 Einheiten» a "16 10a Einheiten": «16 Einheiten» b "32 Einheiten": 10b «32 Einheiten» c "64 Einheiten": 10c «64 Einheiten»

53 Bürogebäude: Fensteranteil Fensteranteil Optimum bei ca. 50% Wichtigkeit des Aufwands für die Erstellung, insbesondere bei den THG- Emissionen % Betriebsenergie (PEne) Betrieb+Erstellung (PEne) Betrieb+Erstellung (THG) a "Fenster 25%" 6b "Fenster 50%" 6c "BASIS 75%" 6c "Fenster 100%" 53,

54 Bürogebäude: Zusammenfassung Zusammenfassung Standort entscheidend Relevanz Beleuchtung Optimierung des Fensteranteils ist vorteilhaft Stellenwert der Grauen Energie und insbesondere der Grauen Treibhausgasemissionen % Wichtigkeit Formfaktor 0 Betriebsenergie (PEne) Betrieb+Erstellung (PEne) Betrieb+Erstellung (THG) 54,

55 Hinweis Das Klima als Entwurfsfaktor Architektur und Energie In diesem Buch sind nur die Resultate für Wohnbauten dokumentiert. Die Resultate für Bürobauten werden in einer späteren Publikation veröffentlich Interessenten für die Publikation mit den Resultaten für die Bürobauten melden sich bei: Zweite, aktualisierte und erweiterte Auflage 55, 16. Januar 2014

56 Zusammenfassung Veränderungen bei Systemgrenzen / Indikatoren / Technologien Bisherige Grundregeln für energieeffiziente Architektur: immer noch korrekt? Fragestellung wird zunehmender komplexer (gesamtheitliche Betrachtung) Einsatz von Simulationen. Gesamtbetrachtung (insbesondere Berücksichtigung der Grauen Energie und der Treibhausgasemissionen) führen teilweise zu neuen Lösungsansätzen Entwurf ist immer noch massgebend für eine hohe Energieeffizienz Verformungen lohnen sich kaum Beleuchtungsenergiebedarf hat zentralen Einfluss (Tageslichtnutzung) Massnahmen mit hohem Anteil Grauer Energie sind meist kontraproduktiv Tiefer Formfaktor bleibt weiterhin ein zentrales Element der Energieeffizienz Die Architektur muss für eine hohe Energieeffizienz immer auf den Standort reagieren 56,

57 Architektur und Energie: Das Klima als Entwurfsfaktor Last but not least: Energieeffizienz kann durchaus auch eine Quelle für architektonische Inspiration sein. ETH Studio Monte Rosa / Bearth & Deplazes Architekten AG, SAC Hütte Sektion Monte Rosa, Zermatt Norman Foster Solar Award 2010 Solaragentur Schweiz Viridén + Partner AG, MFH Eco Renova, Romanshorn Norman Foster Solar Award 2013 Solaragentur Schweiz Besten Dank! 57,

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