schützen speichern optimieren kühlen pflanzen

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1 schützen speichern optimieren kühlen pflanzen

2 Impressum Inhalt 4 Einleitung 10 Leitfaden 11 Städtebauliche Aspekte 11 Standort 12 Baukörper 13 Atrien 14 schützen Verminderung des Wärmeeintrags Impressum O. Ö. Energiesparverband 15 Verglasungsanteil Fassadenfarbe Landstraße 45, A-4020 Linz Glasqualitäten Telefon: Sonnenschutz Fax: Transmission durch nichttransparente Bauteile office@esv.or.at Exkurs: Berechnung des sommerlichen Klimas 18 Lüftung/Luftwechsel Mit freundlicher Genehmigung der Interne Wärmequellen Bremer Energie-Konsens GmbH 20 speichern Text Klaus Beck 22 Wärme /Kühlespeicherung optimieren Jörg Probst Optimierung der Tageslichtversorgung unter Mitwirkung von 23 Einstrahlungswinkel / Grundrissgestaltung Jürgen Frantz, Patrick Jung, 24 Verglasungsanteile Winfried Klimesch, Alex Lohr Sonderfall Dachverglasung Redaktion Martin Grocholl 25 Lichtlenkung Exkurs: Doppelfassaden Tim Schomacker 26 kühlen Grafische Gestaltung Designbüro Möhlenkamp, Bremen 27 Technische Gebäudeausrüstung Nachtkühlung Marlis Schuldt, Jörg Möhlenkamp 28 Kühlung und Erwärmung von Gebäuden Fotos Luis Asín, Madrid (Titel, Seite 25) 29 Lüftungskamine Erdreichwärmetauscher / Luftkanäle im Erdregister Klaus Beck (Seite 35) Betonkernaktivierung Werner Huthmacher (Seite 22, 32) 30 Erdsonden und Wärmepumpen Steffi Kollmann (Seite 9, 13, 14) Entfeuchtungskühlung Ingo Lütkemeyer (Seite 28) Kühlmöbel Jörg Michaelis (Umschlag, Seiten 6, 13, 14, 20, 26, 31, 33) Palazzi Verlag Bremen (Seite 10) O. Ö. Energiesparverband (Seite 34) Stadtkommunikation Linz (Seite 7) Druck Asco Sturm Druck / Bremen, Jänner pflanzen Fazit Literatur 7 Sommertauglich Entwerfen und Bauen

3 Einleitung Um klimawirksame Treibhausgase zu Seit Mies van der Rohe reduzieren, wurden in Mitteleuropa in den das erste Glas-Hochhaus entwarf, müssen Archi- vergangenen Jahrzehnten intensiv Möglich- tekten über das Problem des sommertauglichen Bauens nachdenken. keiten zur Verringerung von Heizwärmeverlusten bei Gebäuden diskutiert. So konnte im Neubaubereich in Oberösterreich mit der Einführung von Energiekennzahlen-Grenzwerten eine signifikante Reduzierung der Wärmeverluste durch Transmission und Lüftung erreicht werden. Gleichzeitig kommen verstärkt energie-effiziente Wärmeerzeuger und Ökoenergieträger zum Einsatz. In dieser Broschüre werden Entwurfsansätze und Handlungsempfehlungen vorgestellt, die Wege zum Bau sommertauglicher, energieoptimierter und nutzerorientierter Verwaltungsgebäude weisen sollen. Sommertauglich meint: Gebäude bleiben bei optimaler Tageslichtversorgung weitgehend vor Überhitzung und Blendung geschützt und ermöglichen auch in den heißen Sommermonaten angenehme Raumtemperaturen und dies ohne erheblichen mechanischen Energieaufwand. Hierzu ist es unabdingbar, dem sommerlichen Wärmeschutz schon in der Planungsphase große Bedeutung beizumessen. Es macht Sinn, dass bereits in der Planungsphase eines Gebäudes der sommerliche Wärmeschutz mit einbezogen wird, damit bereits durch bauliche Maßnahmen verhindert wird, dass unzumutbar hohe Innentemperaturen entstehen. entwerfenbauen Rückblende form follows climate Die gesamte menschliche Baugeschichte ist geprägt von der Anpassung an unterschiedliche klimatische Verhältnisse. Der Mensch ist als einziges Lebewesen in der Lage, sowohl unter den extremen Hitzebedingungen sommertauglich energieoptimiert nutzerorientiert Der hohe Energiebedarf aktiver sommerlicher Kühlung fand und findet des äquatorialen Raumes als auch in den Kältezonen der Polregionen zu überleben und dauerhaft zu siedeln. Dies wäre ohne seine Fähigkeit, Kleidungen und Be- dagegen deutlich weniger Beachtung. Und das, obwohl dieser Bedarf gerade im hausungen herzustellen, kaum möglich. Klimagerechte Architektur war somit notwendige Voraussetzung zur Besiedlung vielfältiger Lebensräume. modernen Verwaltungs- und Dienstleistungs- Da der menschliche Organismus auf Temperaturen bereich dem Aufwand für Heizung gleich- besonders empfindlich reagiert, ist der Wärme-/Kältehaushalt von herausragender Bedeutung. Je nach klima- kommt oder diesen sogar noch übertrifft. tischer Situation orientierte sich die Entwicklung von Gebäuden an einer rationellen Erwärmung (Iglu) oder aber am Schutz vor Überhitzung. In vielen Regionen Das Know-how für wintertaugliches Entwerfen und Bauen ist unter Architekten mussten Gebäude beiden klimatischen Situationen gerecht werden, sofern nicht jeweils Winter- oder Som- und Ingenieuren mittlerweile weit verbreitet sommertaugliche Gebäude ohne großen Die wesentlichen Komponenten eines Entwurfs die Stellung und Ausrichtung von Gebäuden, ihre Gestalt und Form sowie die verwendeten Materialien standen technischen Aufwand sind dagegen immer noch die Ausnahme. 4 stets im direkten Bezug zu den klimatischen Bedingungen. Kurz gesagt gilt: form follows climate. 5 mersiedlungen bewohnt wurden.

4 Einleitung Einstweilen aber blieben fossile Energien billig und der beinahe religiöse Glaube an technologische Lösungen wie Kernenergie oder Wasserstofftechnologie ungebrochen. Eine frühzeitige Umsetzung energieeffizienter Architektur im großen Stil wurde so verhindert. Dies galt vor allem im gewerblichen und öffentlichen Bereich, da dort die Energiekosten verglichen mit jenen für Personal, Einrichtung und Unterhalt kaum nennenswert zu Buche schlugen. Deutlichere Anstrengungen waren im Wohngebäudebereich zu verzeichnen. In den 1980er Jahren wurde erstmals der Niedrigenergie-Standard realisiert und zu Beginn der neunziger Jahre gelang mit den ersten Passivhäusern der Durchbruch zu hochenergieeffizienten Gebäuden. Der Energiebedarf konnte um den Faktor 10 verringert werden. Die Entwicklung dieser Gebäude wurde manchmal so eng mit der Zielsetzung Energieeffizienz verknüpft, dass eine Auseinandersetzung mit Architekturqualität in den Hintergrund rückte. Der Entwurfsprozess wurde zunehmend von bauphysikalischen Berechnungen geleitet, Bauphysiker übernahmen bei den Baukonzepten manchmal die Rolle der Architekten und Ingenieure. Der Nutzer wurde im schlimmsten Fall zum Störfaktor degradiert, der den ausgeklügelten Systemen der rationellen Energieverwendung nicht gewachsen war. Parallel entstanden jedoch auch Tendenzen, die den Menschen als Bewohner und Benutzer von Gebäuden stärker in den Blickpunkt rücken. Neue Perspektiven und Fragestellungen entstehen: Wie wirkt Architektur auf die Umwelt? Und vor allem: Wie wirkt sie auf den Menschen? Komfort, Behaglichkeit, Wohlbefinden, Gesundheit und Entwicklungsmöglichkeiten werden zu entscheidenden Faktoren für die Entwurfskonzepte in Rückbesinnung auf die Erkenntnis, dass Gebäude zunächst Lebens- und Entwicklungsräume ( Biotope ) für Menschen sind. Erst die Verfügbarkeit scheinbar unbegrenzter fossiler denken, welchen Energiebedarf ein solches Gebäude Energievorräte veränderte die klimatische Ausrichtung für winterliche Erwärmung und sommerliche Kühlung der Architektur. Der Wärme-/Kältehaushalt von Gebäu- gehabt hätte. Gleichwohl gilt dieser Entwurfsansatz nach den war nicht länger eine Frage von Entwurf und Form, bald einem Jahrhundert immer noch als innovativ und sondern richtete sich einseitig an technisch möglichen bestimmt die Architektursprache vieler Verwaltungs- Versorgungssystemen aus. Klimatisierung emanzipierte gebäude. sich gegenüber den äußeren Standortbedingungen und Da Brennstoff ausreichend und preiswert zur Verfü- löste sich schließlich aus dem architektonischen Ent- gung stand, nahm man bei den im Zuge der Industria- wurfsprozess. Die Sorge für die Temperierung und Klima- lisierung errichteten Gebäuden wenig Rücksicht auf tisierung von Gebäuden oblag nicht länger den Archi- den Heizwärmebedarf. Und sommerliche Kühlung war in tekten, sondern wurde Gebäudetechnikern und Ingeni- Mitteleuropa kaum ein Thema. euren übertragen. Ab der Mitte des 19. Jahrhunderts wurde die Bau- Die Grenzen des Wachstums technik in den industrialisierten Ländern durch die groß- Erst mit der sogenannten Ölkrise 1973 und nachdem der technischen Einsatzmöglichkeiten der neuen Materialien Club of Rome im selben Jahr seinen Bericht Die Grenzen Stahl, Glas und Stahlbeton revolutioniert. Es dauerte des Wachstums veröffentlicht hatte, rückte das Wissen allerdings noch rund ein halbes Jahrhundert, bis Gewächshausarchitektur mit Glas als zentralem Baustoff auch auf Gebäude für Menschen übertragen wurde entwarf Mies van der Rohe als Erster ein ganz von Glas umschlossenes Hochhaus. Angesichts der seinerzeit gängigen Einfachverglasung ist kaum auszu- 6 um die begrenzte Verfügbarkeit fossiler Energieträger nachhaltig ins Bewusstsein. Auch in der Architektur begann ein zartes Nach- und Umdenken. Passivhäuser in der Solarcity Linz 7

5 Einleitung aus: Handbuch der passiven Kühlung (%) Leistungsfähigkeit Fingerfertigkeit Zufriedene Arbeitstakt Unfälle geistige Arbeit Temperatur ( 0 C) bei sitzender Beschäftigung und sommerlicher Kleidung ( 0 C) bei leichter Beschäftigung und sommerlicher Kleidung 35 ( 0 C) Leistungsfähigkeit und Zufriedenheit von Menschen sind stark von der Raumtemperatur abhängig. Glasarchitektur Zahlreiche technologische Innovationen lassen Glas als Fassadenbaustoff immer größere Bedeutung zukommen. In der offiziellen Architektursprache gelten Ganzglasgebäude als Bedeutungsträger für einen bestimmten Wertekontext. Sie stehen für Transparenz, Offenheit, Kommunikation und Innovation. Nicht zuletzt darum werden viele dieser Gebäude realisiert, obwohl sie zwangsläufig Innenklimaprobleme erzeugen, die nur mit erheblichem technischen Aufwand gemeistert werden können. Diese Architektur steht für eine Entwicklung, bei der zunächst nicht Fragen nach der Gebrauchstauglichkeit, der Wirkung auf den Nutzer oder die Auswirkungen auf die Umwelt bedacht werden, sondern eine bestimmte formale und materialbezogene Architektursprache realisiert werden soll. Die wachsende Verbreitung dieser Glasarchitektur führte zwangsläufig zu einer intensiven Auseinandersetzung mit dem sommerlichen Wärmeschutz und der Vermeidung von Blendung und Überhitzung. Dabei ist die Sonneneinstrahlung der wesentliche Faktor für die Erwärmung. Ursache des sogenannten Treibhauseffektes sind die in das Gebäude einstrahlenden langwelligen Sonnenstrahlen. Diese elektromagnetischen Wellen werden absorbiert und führen zu einer Erwär- mung der inneren Oberflächen, von denen kurzwellige Wärmestrahlung reflektiert wird. Diese kurzwelligen Strahlen können die Wärmeschutzverglasung nicht durchdringen und erhitzen so das Gebäudeinnere. Bei der Tageslichtplanung wie beim sommerlichen Wärmeschutz ist davon auszugehen, dass im Regelfall nicht klare Sonneneinstrahlung, sondern diffuse Lichtverhältnisse bei bedecktem Himmel vorherrschen, deren Strahlungsanteil ebenso zu einer wesentlichen Erwärmung führt. Das wird dadurch verstärkt, dass sich mit der steigenden Anzahl elektronischer Bürogeräte die internen Wärmelasten kontinuierlich erhöht haben. Wie Untersuchungen der vergangenen Jahre belegen, erfüllen nur wenige Gebäude die Anforderungen an eine sommertaugliche Nutzung. Dieser Leitfaden präsentiert eine Methodik zum sommertauglichen Entwerfen und Bauen und verdeutlicht die Entwurfsansätze an realisierten Beispielen. Die hier vorgestellten Konzepte orientieren sich an den durchschnittlichen klimatischen Bedingungen in Mitteleuropa und müssen im Einzelfall an örtliche Gegebenheiten angepasst werden. Der Mensch als Maß der Dinge Was für den privaten Wohnbereich gilt, trifft auf den Diese zentralen Erkenntnisse bestimmen gewerblichen Bereich nicht minder zu: Einsatzfreude, diesen Leitfaden: Gesundheit, Kreativität, Motivation und damit die Der Mensch ist der Indikator für den nachhaltigen Produktivität der Gebäudenutzer (Mitarbeiter/innen) ist Effizienzerfolg eines Gebäudes. vor allem bei Dienstleistern und Verwaltungen das Menschengemäß wohltemperierte Gebäude entscheidende Unternehmenskapital. Diesem Kapital sind zunächst und vor allem anderen eine muss auch die Entwicklung von Dienstleitungs- Entwurfsaufgabe. und Verwaltungsgebäuden Rechnung tragen. Die Gebäudetechnik hat dienende Funktion. Untersuchungen zeigen, dass die Leistungsfähigkeit Die Gestaltung des Innenklimas wird zu einer heraus- von Menschen eine deutliche Abhängigkeit von Raum- ragenden integralen Entwurfsaufgabe. Das bezieht temperaturen aufzeigt. So ist die geistige und körperliche sich auf städtebauliche Entwicklung, Orientierung, Leistungsfähigkeit bei 23 C Raumtemperatur am besten Gebäudegestalt und -form, Grundrissgestaltung, und sinkt bei steigender Temperatur. Materialien und Konstruktion. Tageslichtversorgung und Temperierung sind Die entscheidende Erkenntnis die auch diesem Entwurfsaufgaben. Leitfaden zu Grunde liegt lautet folgendermaßen: Gebäude, die sich weitgehend an den physiologischen Bedürfnissen des Menschen orientieren, erfüllen gleichermaßen das Gebot der Energieeffizienz. 8 Passive, selbstregulierende Konzepte stehen im Mittelpunkt des Architekturkonzeptes, aktive technische Komponenten werden so weit wie möglich reduziert. Nur menschengemäße Gebäude sind langfristig auch energieeffizient. Ein großzügiges Atrium mit einem elektrochromen Dach zeichnet das ECOTEC V-Gebäude in Bremen aus. 9

6 Leitfaden Unterschiedliche thermische Verhältnisse zwischen Kernstadt und Umland Städtebauliche Aspekte Wesentliche Grundlagen sowohl für die thermischen Bedingungen als auch für die Belichtung von Gebäuden ergeben sich aus der städtebaulichen Situation. Entwurfsziele sind die Berücksichtigung und Verbesserung des Stadtklimas, die Gestaltung eines förderlichen Mikroklimas im gebäudenahen Bereich und die Bezugnahme auf die umgebende räumliche Situation in Form von Topografie, Bebauung, Bepflanzung etc. Innenstadträume heizen sich im Sommer stark auf. Im Vergleich zum Umland sind Temperatursteigerungen von bis zu über 10 K zu verzeichnen. Für das städtebauliche Konzept sind die Erhaltung von Frischluftkorridoren sowie großzügige Freiflächen mit Begrünungen von zentraler klimatischer Bedeutung. Leitfaden Standort Grundlage der konkreten Gebäudeplanung ist eine weitgehende Erforschung des Standortes. Das beinhaltet: Klärung planungsrechtlicher Vorgaben: Erschließung, überbaubare Flächen, Festlegungen bezüglich Höhenentwicklung, Möglichkeiten nachbarlicher Bebauung, Abstandsflächen etc. Bestandsaufnahme der umliegenden Gebäude Ziel der Gebäudeplanung ist eine optimale Temperierung. insbesondere in Hinblick auf Verschattung Diese orientiert sich an den bekannten Wärme/Kälteverhältnissen des menschlichen Organismus (Behaglich- Verschattung des Grundstücks zu unterschiedlichen Überprüfung der Belichtung/Besonnung bzw. keit, thermischer Komfort) und ist verbunden mit einer Jahreszeiten weitgehenden Ausleuchtung der Aufenthaltsräume Überprüfung des vorhandenen Baumbestands mit Tageslicht. Im Entwurfsprozess ist der Konflikt zwischen dem Wunsch nach Licht- (und damit Wärme-) Eintrag und dem Wunsch, Überhitzung zu vermeiden, durch architektonische Kunst zu meistern. Die Entwurfsinstrumente sind die Orientierung des Gebäudes, die Gestaltung des Verhältnisses von transparenten und geschlossenen Fassadenflächen, die Grundrissgestaltung, der Einsatz dämmender und speichernder Materialien sowie die Berücksichtigung nächtlicher Wärmeabfuhr. Gleiche Baumassen können je nach städtebaulicher Anordnung sehr unterschiedliche Belichtungssituationen ermöglichen. oben: ursprünglicher Entwurf rechts: überarbeiteter Entwurf aus: Natürliche Klimatisierung

7 Leitfaden Vorentwurf Verglaste Lichthöfe Verschiedene Gestaltungs- und Nutzungsmöglichkeiten von Lichthöfen überlegen, dabei dem Problem der Beschattung hohe Prioritäten beimessen. Der Effekt der Tageslichtnutzung im verglasten Lichthof hängt wesentlich von der Beschattung ab. (Keine oder ungenügende Beschattung: Überhitzung, unangenehmes Raumklima. Geschlossene Beschattung: Lichteinbuße) Gute Tageslichtversorgung entscheidet sich teilweise bereits in der städtebaulichen Situation. Durch Verschattung bedingte Minderungen des Lichteinfalls können nicht durch gebäudebezogene Maßnahmen kompensiert werden. Ein Schutz vor Überhitzung hingegen ist durch Gestaltung der Fassade, Sonnenschutz und Kühlung Die flachstehende Ost- und Westsonne kann zu erheblicher Blendwirkung führen Reine Nordfassaden weisen in der Regel keine Blendungs- und Überhitzungsprobleme auf, die Tageslichtversorgung ist aber eingeschränkt Die Gebäudegliederung orientiert sich an der B < 28 Trichterförmiger Lichthof Für eine wirksame Nutzung des Tageslichtes sollte die Höhe weniger als die doppelte Durchschnittsbreite betragen. Lichthof integriert im Innenraum gebäudebezogen zu erreichen. Optimierung der Belichtungssituation (z. B. in Form eines Atriums) Baukörper Für die Stellung des Baukörpers auf dem Grundstück, seine Ausrichtung und Orientierung gilt: Raumtiefen auf Tageslichtnutzung abstimmen Lichthof für die Erschließung und den Aufenthalt Lichthof als Erschließung und zur Belichtung der Innenräume Anordnung des Baukörpers unter höchstmöglicher Wahrung ganzjährig verschattungsfreier Belichtung der Hauptnutzflächen Wärmebelastung von Südfassaden ist im Sommer geringer als bei Ost- oder Westfassaden, der steile Einfallswinkel ermöglicht eine Reduzierung des Wärmeeintrags durch feststehende waagerechte Lichthof zur Belichtung der Innenräume Lichthof als Lichtkerbe zur Belichtung der Verkehrszone Verschattungsmaßnahmen Im Sommer entsteht der maßgebliche Wärmeeintrag über die Ost- und Westfassaden, die südliche Sonneneinstrahlung ist wegen des steilen Einfallswinkels von geringerer Bedeutung. Die stärkste Wärmebelastung entsteht auf Westfassaden. Die durch die akkumulierten internen Wärmelasten und hohe Außentemperaturen bereits ganztägig aufgeheizte Fassade wird durch die tiefstehende Nachmittags- und Abendsonne zusätzlich thermisch belastet. Abb. aus: Energieger. Bauen und Modernisieren 12 Gesamtstrahlung [W/m 2 ] Gesamtstrahlung [W/m 2 ] Gesamtstrahlung [W/m 2 ] Sommer Sonnenzeit [h] Frühjahr/Herbst Sonnenzeit [h] Winter Sonnenzeit [h] Atrien Einen Sonderfall der städtebaulichen Anordnung stellen Atriumgebäude dar. Atrien ermöglichen eine Erhöhung der Tageslichtversorgung und eine zweiseitige natürliche Belichtung der Räume. Grundsätzlich zu unterscheiden sind offene oder überdeckte Atrien. Atrien müssen im Sommer durch kontrolliertes Öffnen von Lüftungsvorrichtungen und/oder beweglicher Dachflächen vor Überhitzung geschützt werden. Die Temperatur in Atrien, die bei unzureichender Lüftung im Hochsommer Temperaturen von über 45 C erreichen können, sollte auf max. 30 C begrenzt werden. Bei größeren Atrien sind Simulationsrechnungen zu empfehlen, um die Steuerungsmöglichkeiten wie Verglasungsqualität (z. B. Sonnenschutzglas), Dimensionierung und Anordnung der Lüftungsklappen bzw. Verschattungselemente für die Temperaturbegrenzung abzustimmen. aus: Tageslichtnutzung in Gebäuden 13

8 schützen PV-Lamellen dienen bei ECOTEC V neben der Stromerzeugung auch zur Verschattung. Verglasungsanteil Der Verglasungsanteil orientiert sich bei einer an Nutzung, Wohlbefinden und Energieeffizienz ausgerichteten Planung an der erforderlichen Belichtung und der Möglichkeit eines ausreichenden visuellen Außenbezugs. Das bedeutet einen transparenten Anteil von max. 50 Prozent der Fassadenfläche. Grundsätzlich gilt, dass Ganzglasfassaden ohne technische Klimatisierung nur mit großem technischen und finanziellen Aufwand zu beherrschen sind und an Südund Westseiten häufig keinen ausreichenden Schutz vor sommerlicher Überhitzung gewährleisten können. Glasqualitäten Von zentraler Bedeutung ist die Qualität der Verglasungen. Sowohl mit Blick auf Wärme- und Energiefluss als auch bezüglich der Lichtdurchlässigkeit müssen sie die widersprüchlichen Anforderungen des Winter- wie des Sommerbetriebs erfüllen. Für das thermische Verhalten sind zwei wesentliche Glaseigenschaften von Bedeutung. Zum einen der Wärmedurchgang beschrieben als Wärmedurchgangskoeffizient durch den U-Wert, zum anderen der Gesamtenergiedurchlassgrad beschrieben durch den g-wert. schützen Für die Lichtversorgung ist die Lichtdurchlässigkeit von Bedeutung, die der Transmissionswert (t-wert) beschreibt. Wärme- und Energiedurchgang werden von Anzahl und Dicke der Scheiben, Größe und Anzahl der Scheibenzwischenräume, Füllungen der Scheibenzwischenräume Entwurf/Ausführungsplanung Bei Bürogebäuden tragen Verglasungen unterhalb der sowie Beschichtungen der Gläser beeinflusst. Arbeitsfläche weder zur Belichtung noch zum Ausblick Um einen hohen sommerlichen Wärmeschutz zu Verminderung des Wärmeeintrags Der Wärmeeintrag wird bestimmt von bei, erhöhen aber den Wärmeeintrag bei solarer Einstrahlungdurchgang erreichen, sollten Verglasungen einen geringen Wärme- Besonnungszeit/Dauer des solaren Eintrags (= niedriger U-Wert) und einen niedrigen Aus der Entscheidung über die Ausrichtung und Einstrahlungswinkel Grundsätzlich lassen sich Lochfassaden thermisch besser Energiedurchlass (= hoher g-wert) aufweisen. Für Orientierung und damit der Lage auf dem Grundstück Verhältnis: Größe verglaste Fläche/Größe regulieren und optimieren. Unter thermischen und eine gute Tageslichtversorgung ist ein hoher t-wert entwickelt sich die Grundrissgestaltung nebst der nichttransparente Fläche energetischen Gesichtspunkten ist die Ganzglasfassade anzustreben. Erschließung und Verteilung der einzelnen Nutzungsbereichetransparenten (Tatsächlich sind die Wärmeerträge über die nicht- immer die schlechtere Lösung. Flächen im Vergleich zu den trans- Damit werden auch die Beziehungen der Räume zur parenten Flächen für den Sommerfall eher zu Fassadenfarbe Himmelsrichtung festgelegt. Daraus resultieren die vernachlässigen, beim Wärmeabfluss im Winter Auch die Fassadenfarbe hat Auswirkungen. Dunkle Farben thermischen Bedingungen in Hinblick auf Lichteintrag spielen sie allerdings eine wesentliche Rolle.) bewirken höhere Oberflächentemperaturen, die bei und solare Einstrahlung. Aus Wärmeeintrag und Wärmeabfuhr Glasqualitäten: Transmissionsgrad, geöffneten Fenstern in die Räume eingetragen werden. in Abhängigkeit von tages- und jahreszeitlichen Energiedurchlassgrad und U-Wert Klimabedingungen lässt sich das thermische Potenzial Wärmedurchgang und Wärmekapazität sowie der potenzielle Tageslichteintrag der einzelnen nichttransparenter Flächen Räumlichkeiten ermitteln. Möglichkeiten der Verschattung durch Sonnenschutz, auskragende Bauteile, Bepflanzung etc. interne Wärmequellen (Personen, Beleuchtung, Geräte) Außenlufteintrag (Lüftung, Luftwechsel)

9 schützen Sonnenschutz Bei Gebäuden ohne technische Klimatisierung ist auf den besonnten Fassaden ein Sonnenschutz unverzichtbar. Beschichtungen von Gläsern gewährleisten bis dato keinen ausreichenden Schutz vor Überhitzung. Ein wirksamer Sonnenschutz in Kombination mit natürlicher Lüftung ermöglicht unter hiesigen klimatischen Bedingungen den Verzicht auf technische Klimatisierung. Zu unterscheiden ist zwischen Passivem, feststehendem Sonnenschutz Aktivem, beweglichem Sonnenschutz Als passiver Sonnenschutz dienen feststehende Überstände, Auskragungen oder Schilde über den verglasten Öffnungen. Diese Maßnahmen wirken allerdings wegen des Einstrahlungswinkels nur auf der Südfassade, auf anderen Fassadenseiten verhindern sie die Sonneneinstrahlung nicht, mindern aber den Tageslichtertrag. Aktive Sonnenschutzsysteme können vor der Fassade im Scheibenzwischenraum innen angeordnet werden. aus: Natürliche Klimatisierung Dabei können außenseitige Sonnenschutzsysteme den Wärmeeintrag wesentlich stärker mindern als innenliegende. 13% 17% Die Schutzleistung der Sonnenschutzvorrichtungen vari- Exkurs: In Österreich gibt es seit vielen Jahren eine iert je nach Wölbung, Einstellwinkel und Reflexionsgrad Norm, nach der die Vermeidung der sommerlichen der Lamellen. Neben ihrer Sonnen- und Blendschutz- Überwärmung nachgewiesen werden kann. Dabei wird Funktion können Lamellen auch lichtlenkend eingesetzt die thermische Trägheit des Raumes vorzüglich werden. Zu beachten ist, dass ein außenliegender des ungünstigsten Raumes berechnet und dann in 6% 27% 46% ) 14% 27% 13% ) 54% 16% 5% 48% 86% 14% Sonnenschutz bei größeren Gebäudehöhen wegen der Windbelastung nicht einsetzbar ist. Transmission durch nichttransparente Bauteile Bei gut gedämmten Konstruktionen ist die Transmission durch Außenwände als Wärmeeintrag zu vernachlässi- Abhängigkeit von Lüftungsmöglichkeiten und Immissionsflächen mit Anforderungen verglichen. Diese Anforderungen basieren auf einem ausgewählten Sommerklima, das für Österreich ein statistisches Maximum darstellt, und der Annnahme, dass Menschen grundsätzlich an Wohlbefinden verlieren, gen. Wärmeeinträge durch Dachflächen fallen deutlicher wenn die Lufttemperatur über 27 Grad Celsius ins Gewicht und sind gegebenenfalls in die Berechnun- ansteigt. Allerdings setzt die Norm auch voraus, dass gen einzubeziehen. jedenfalls Lüftung zu einem Zeitpunkt stattfindet, wo 16 Strahlungsbilanz am Fenster. Links mit innenliegender Jalousie, rechts mit außenliegender Jalousie. aus: Handbuch der passiven Kühlung Bei freier Lüftung sind auch Lüftungsgewinne zu berechnen, die sich durch den Eintrag erwärmter Außenluft in das Gebäude ergeben. dies überhaupt sinnvoll ist also in den kühleren Nachtstunden und dass allenfalls innerhalb des Nachweises verwendete Abschattungseinrichtungen auch während der Immissionszeit in Verwendung kommen. 17

10 schützen Leistung (W/m 2 ) Personen Beleuchtung Sonstiges Typischer Tagesgang der internen Lasten bei administrativer Nutzung Ist ein Raum dicht mit Arbeitsplätzen belegt, wird man schwer ohne mechanische Klimatisierung auskommen. 15 Arbeitshilfen Pro Computerarbeitsplatz sind ca. 150 Watt Wärmeabgabe zu veranschlagen. Moderne Computer mit Abschattungsvorrichtung Faktor Keine Abschattungsvorrichtung 1,00 10 LCD/TFT-Bildschirmen verringern die Wärmeabgabe Außenjalousie, Fensterläden mit Jalousie- um bis zu 50 Prozent. Zeitgleich mit wärmetechnischen füllung (beweglich, unterlüftet, Belichtung 05 Verbesserungen sind die Gerätedichte und die Nut- ohne künstliche Beleuchtung möglich) 0,27 zungsdauer elektronischer Geräte gestiegen, so dass Zwischenjalousie 0, :00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 24:00 Tageszeit auch längerfristig mit entsprechendem Strombedarf und Wärmeabgabe zu rechnen ist. Innenjalousie (je nach Farbe und Material) 0,75 Beschattungswirksame Vordächer, Bei einer Büroflächenvor- Es können also maximal Überhitzung Elektrische Beleuchtung als Wärmequelle lässt sich durch Tageslichtnutzung wesentlich reduzieren. Zur Balkone und horizontale Lamellenblenden 0,32 Markisen (seitlicher Lichteinfall möglich) 0,43 haltung bis zu 12 qm/ Person ist ein Verzicht auf zusätzliche Kühlung 25 Personen auf 315 qm arbeiten. Bei einer dichteren Belegung nimmt Beleuchtungsergänzung ist der Einsatz tageslichtabhängiger Steuerungssysteme für Kunstlicht sinnvoll. Rollläden, Fensterläden mit voller Füllung 0,32 Helle Innenvorhänge, Reflexionsvorhänge denkbar. Die Fensterlüftung hat dann das Potenzial zur Verhinderung von zu hohen sommerlichen Temperaturen. Voraussetzung ist ein außenliegender Sonnenschutz und ausreichende die Überhitzung rapide zu. In diesem Fall macht der Versuch, einen Raum ausschließlich über freie Lüftung zu kühlen keinen Sinn, es müssen Kühlungsstrategien oder Klimageräte geprüft Für ein konventionelles Großraumbüro gilt, dass jeder Nutzer täglich ca. 75 W Körperwärme an den Raum abgibt. Der Verzicht auf mechanische Kühlung ist nur bis zu einer Büroflächenvorhaltung von 12 m 2 je Person und bei ausreichend Sonnenschutz und Speichermassen und Innenmarkisen 0,75 Bepflanzung 0,50 1,00 Richtwerte für Abschattungsfaktoren gem. ÖNORM Raumspeichermassen. werden. aus: Skript P. Jung sowie Fensterlüftung zur Kühlung lösbar. Bei dichterer Belegung ist eine Kühlung über freie Lüftung nicht Anzahl von Personen (Raumgrundfläche 315 qm) ausreichend. Komfortgrenze Häufigkeit von zu hoher Raumtemperatur Soll der Abminderungsfaktor 0,3 bei feststehenden Verschattungselementen angerechnet werden, Lüftung /Luftwechsel Interne Wärmequellen so fordert die NORM eine Verschattung, die Bei der Beheizung von Gebäuden ist der Luftwechsel signifikant. Hohe Luftwechselraten ergeben durch den Interne Wärmequellen spielen bei Verwaltungsgebäuden eine entscheidende Rolle. Belegungsdichte, Beleuchtung eine direkte Besonnung der Fensterfläche verhindert. Der erforderliche Austausch warmer Innenluft gegen kalte Außenluft sowie der Einsatz von Geräten tragen wesentlich zu einer 1,50 1,50 Abdeckwinkel erfordert in diesem Beispiel eine größere Wärmeverluste. Aufheizung bei. Auskragung von 3 m. Bei hohen Außentemperaturen, etwa im Sommer, gilt, dass die Luftwechselrate tagsüber auf das hygienisch erforderliche Maß zurückgefahren wird, um den Eintrag Gerät Standby- Gerät ausgeschaltet Leistung in Watt in Watt warmer Außenluft gering zu halten. Unkontrollierte PC < 30 < 1 5 natürliche Lüftung führt tagsüber häufig zu unerwünschtem Wärmeeintrag. Der Großteil der Wärmelasten sollte ß2 Monitor < 5 15 < 1 4 Tintenstrahldrucker < 5 < 1 ß1 durch einen hohen Luftwechsel in den kühlen Nachtstunden aus dem Gebäude abgeführt werden. Im Gegensatz zur natürlichen Lüftung bieten mechanische Lüftungen eine zuverlässige Gebäudedichtheit Laserdrucker < 5 10 < 1 Scanner < < 1 (Klein-) Kopierer < ,50 vorausgesetzt konstante und steuerbare Luftwechsel. Mechanische Lüftungsanlagen lassen sich mit anderen Systemen verzahnen (Erdreichwärmetauscher, Wärmerückgewinnung für den Winterfall, Bauteilkühlung etc.) und ermöglichen den Einsatz von Filtern (Pollen, Schadstoffe etc.). 18 Faxgerät < 1 2 Quelle: Gertec 19

11 speichern Schwereklassenbestimmung Fensterflächenanteil Südfassade leicht schwer 10 % 25 % 40 % 55 % 70 % 85 % 100 % Das stabilisierende Element der Innenraumtemperatur ist die Speichermasse des Gebäudes. Die Speichermasse berechnet sich aus Rohdichte x Wärmekapazität. Daneben spielt der Wärmeeindringkoeffizient (Maß für die Geschwindigkeit des Eindringens von Wärme in einen Stoff) eine wichtige Rolle beim Dämpfen der Temperaturspitzen. speichern Für den Entwurfsprozess ist ein Gespür für jenen Gleichgewichtspunkt zu entwickeln, der sich zwischen transparentem Fassadenanteil und Baukonstruktion einstellt. So kann ein Gebäude mit großer Masse mit einem deutlich größeren prozentualen Fensterflächenanteil sommertauglicher sein als ein leicht konstruiertes mit geringerem Fensteranteil. Sommertauglichkeit bei Fenster mit äußerem Sonnenschutz, U=1,3 W/m 6 2 K 5 4 Schwere Baustoffe haben wesentlich bessere thermische Eigenschaften. Die Wärmekapazität steht für die potenziell vorhandene Speichermasse, die Wärmeeindringzahl für die Geschwindigkeit der Wärmeaufnahme bzw. Abgabe. Oft ist bei natürlicher Lüftung letztere Eigenschaft ausschlaggebend. aus: Handbuch der passiven Kühlung Wärme /Kühlespeicherung Material Wärmekapazität pc Wärmeeindring- MJ/(m 3 K) koeffizient b Ws 1/2 /(m 2 K) Wärmedämmung Holz Gips Spanplatten Eiche Leichtbeton Isoliersteine Ziegel normal Ziegel voll Zementsteine Stahlbeton Granit Stahl Große Speichermasse und hoher Wärmeeindringkoeffizient ermöglichen eine optimale Aufnahme und Speicherung von Kühle. Je träger das Temperaturverhalten, desto langsamer die Wärmeaufnahme und desto wirkungsvoller die Kühlespeicherung. In der Regel ist durch ausreichenden Einsatz massiver Bauteile (Betondecken, gemauerte Innenwände) ausreichend Speichermasse gegeben, wenn diese nicht durch Verkleidungen (z.b. abgehängte Decken etc.) von der umströmenden kühlen Nachtluft abgeschirmt werden. Anzustreben ist eine mindestens mittelschwere Bauweise mit wirksamer Speichermasse von >300 kg/m 2. Praktisch bedeutet das, dass neben massiven Wänden mindestens eine massive Decke oder Boden in direktem Kontakt zur Raumluft stehen müssen. Leichtbauweisen wie etwa Gipskartonwände weisen bei abgehängten Decken eine zu geringe Speicherkapazität für eine Nachtkühlung auf. Ein direkter und berechenbarer Zusammenhang besteht zwischen dem Fensterflächenanteil und der thermischen Masse eines Raumes % 25 % 40 % 55 % 70 % 85 % 100 % Fensterflächenanteil in der Fassade kühl Nomogramm zur Optimierung der Sommertauglichkeit (Serie A) Ein Beispiel soll die Anwendung des Nomogramms erläutern: Gegeben sei ein Fensterflächenanteil von 40 % in der Südfassade. Wird der Raum in reiner Holzbauweise erstellt, so gilt Schwereklasse 1. Am Schnittpunkt der Achsen 1 und Fensterflächenanteil 40% lässt sich ablesen, dass der Raum im Sommer als Warm, aber nicht unzulässig heiß eingestuft wird. Der gleiche Raum in Beton ausgeführt ergibt für eine Einstufung auf Achse 6 und gleicher Fensterfläche das Prädikat kühl, was bedeutet, dass Tage mit Innentemperaturen über 26 C nicht zu erwarten sind. Werden nun beide Räume gedanklich mit 70% Fensterflächenanteil ausgeführt (zwei Felder nach rechts), so muss der Raum in extrem leichter Ausführung als unzulässig heiß eingestuft werden, wobei der Raum in Beton seine Sommertauglichkeit bewahrt. aus: Beton in der Solararchitektur warm zu heiss viel zu heiss 3 2 Schwereklasse (1=leicht, 6=schwer)

12 optimieren Physikinstitut Berlin, Architekten Augustin und Frank Einstrahlungswinkel/Gundrissgestaltung Inwieweit in einem Gebäude Tageslicht genutzt werden kann, wird vorrangig durch die Entfernung von der Lichtquelle sowie der Höhe des Lichteinfalls bestimmt. Entscheidend sind die Lichtverhältnisse auf der Arbeitsfläche. Die Raumtiefen sollten max. 4 5 m betragen. Als Regel gilt: Eine ausreichende Tageslichtversorgung wird nur bis zu einer Entfernung entsprechend der doppelten Höhe von der Oberkante der Verglasung gewährleistet (z. B. Verglasungsoberkante 2,30 m, Tageslichtversorgung bis max. 4,60 m Raumtiefe). Eine Erhöhung des Lichteintrags ist durch zweiseitige Tageslichtversorgung möglich, beispielsweise durch eine mögliche flurseitige Belichtung bei Atrien. Auch die Dachflächen eines Gebäudes können im darunter liegenden Geschoss zur Tageslichtversorgung genutzt werden. Das Zenitlicht erbringt eine um mehr als Optimierung der Tageslichtversorgung Die Tageslichtversorgung wird bestimmt von: Besonnungszeit Einstrahlungswinkel Grundrissgestaltung (z. B. Beziehung Sonnenlichteintrag/Raumtiefe) Größe der verglasten Fläche Glasqualität: Transmissionsgrad Verschattung/Verschmutzung Verhältnis Glas-/Rahmenanteil Anordnung/Lage der transparenten Fläche (je höher, desto raumtiefer der Lichteinfall; Anhaltspunkt ist die Größe des Himmelsausschnitts, der von der Arbeitsfläche sichtbar ist) Lichtlenkung optimieren den Faktor 3 größere Lichtmenge. Die Tageslichtversorgung eines bestimmten Punktes im Raum wird über den Tageslichtquotienten (auch: Tageslichtfaktor, Daylight Factor) D angegeben. Dieser ergibt sich aus dem Verhältnis von Beleuchtungsstärke außen und Beleuchtungsstärke innen. Der in Prozent angegebene Tageslichtquotient soll 3 Prozent für alle Arbeitsflächen betragen. Anforderungen an die Helligkeit: Feinstarbeit Lux Büroarbeit Lux Verkehrsflächen Lux >12% <12%>7% <7%>4% <4%>2% <2% >1% <1% Tageslichtfaktor Betroffene Zone Helligkeitseindruck Visueller Eindruck sehr hoch hoch mittel mäßig schwach sehr schwach Nahe bei den Fenstern Weit vom Fenster entfernt (ca. 3 4 mal Fensterhöhe) Hell bis sehr hell Wenig beleuchtet bis hell Dunkel bis wenig beleuchtet Diese Zone scheint von dieser getrennt zu sein Atmosphäre Dieser Raum öffnet sich nach außen Dieser Raum scheint geschlossen zu sein Quelle: Energieagentur NRW

13 optimieren Ausgleich der Gebäudeverschattung durch große Fensterflächen Lichtlenkung Lichtumlenkung gründet auf drei verschiedenen physikalischen Prinzipien: Reflexion (Einsatz von spiegelnden Flächen) Brechung (Einsatz von Prismen) Beugung (holografische Beschichtungen auf der Glasfläche) Durch unterschiedliche Maßnahmen kann Tageslicht in die Raumtiefe gelenkt werden: Lamellen von Sonnenschutz Feststehende oder bewegliche Reflektoren, außen oder innen Lichtlenkende Verglasungen Lichtlenkende Elemente sollten oberhalb der Augenhöhe eingesetzt werden, um Blendung zu vermeiden. Es ergibt sich eine funktionale Teilung der Verglasungsflächen in Belichtungsfunktion (oben angeordnet) und Außenbezug (unterer Teil). Lichtlenkende Elemente verhindern die direkte Bestrahlung des Arbeitsplatzes und nutzen das Licht zur Raumbeleuchtung. Dabei ist die Lichtausbeute des natürlichen Lichtes mit lm/w bei Sonne und ca. 80 lm/w bei bedecktem Himmel höher als die künstlicher Beleuchtung ( lm/w). Durch den mög- lichen Verzicht auf künstliche Beleuchtung wird die Wärmebelastung reduziert. Wesentlichen Einfluss auf die Wirkung von Lichtlenkung hat die Gestaltung der Decke. Nur helle reflektierende Farben und Beschichtungen können das Tageslicht in die Raumtiefe umlenken. Lichtumlenkung kann auch die Tageslichtversorgung von Nordräumen signifikant verbessern. Bei starken Wandbauteilen erhöht eine Abschrägung der Sturz- und Leibungsflächen den Lichteinfall. Exkurs: Doppelfassaden Seit 1990 werden vor allem bei hohen Verwaltungsgebäuden Doppelfassaden realisiert. Im Allgemeinen verursachen Doppelfassaden eine Verschlechterung des sommerlichen Komforts, können aber bei besonderen Anforderungen und entsprechender Optimierung auch zu guten Ergebnissen führen. Grundsätzlich sind Doppelfassaden bei Hochhauskonzepten von Bedeutung, da durch sie trotz starker Windbelastung ein außenliegender Sonnenschutz im Fassadenzwischenraum angebracht werden kann und die Nutzer Fenster zum Fassadenzwischenraum öffnen können. Glasdoppelfassaden sind hochspezialisierte Planungsaufgaben, die nur für den jeweiligen Einzelfall in Abwägung bauphysikalischer, klimatischer und technischer Anforderung konzipiert werden können. Verglasungsanteile Sonderfall Dachverglasung Optimale Verglasungsanteile liegen bei Prozent Grundsätzlich führen Dachverglasungen im Vergleich zu der Fassade. Je nach städtebaulicher Situation kann vertikalen Glasflächen zu einer deutlich höheren Ein- in unteren Stockwerken die geringere Einstrahlung durch strahlung im Sommer und starker Abstrahlung im Winter. größere transparente Flächen ausgeglichen werden. Je Entsprechend muss die Planung sehr detailliert auf den nach Geschoss können unterschiedliche Anteile trans- konkreten Einzelfall abgestimmt werden und ist beson- parenter und geschlossener Flächen sinnvoll sein. Durch deren Anforderungen unterworfen. Simulationen lässt sich deren Verhältnis bei gleichblei- Auch überdeckte verglaste Atrien können die Tages- bendem Lichteintrag in Abhängigkeit von der Gebäude- lichtversorgung optimieren, gleichzeitig aber auch zu situation zuverlässig ermitteln. deutlich steigenden Wärmelasten führen. Atrien, die Die optimale Lösung für Tageslichtversorgung sind im Sommer nicht intensiv belüftet werden, können im sturzfreie Verglasungen. So reduziert ein Fenstersturz von Hochsommer Temperaturen von deutlich über 45 C 40 cm Tiefe den Tageslichtfaktor in 5 m Raumtiefe um erreichen. Deshalb ist eine ausreichende Lüftung von bis zu 40 Prozent. Dagegen ergeben Verglasungen unter- zentraler Bedeutung. Die Auslegung der Zu- und halb der Arbeitsfläche keinen nennenswerten Beitrag Abluftöffnungen reguliert die sommerliche Temperatur- zur Tageslichtversorgung. entwicklung. Die Verglasung (g-wert) sowie die Anord- Rahmenanteile, aber auch Verschmutzungen beeinflussen die Tageslichtversorgung deutlich. Anzustreben ist eine möglichst großflächige Verglasung der Rohbauöffnung. Sind Überstände über den Fenstern nicht aus Gründen des Sonnenschutzes und der Vermeidung von Überhitzung notwendig, sollte auf diese verzichtet werden. 24 nung, Dimensionierung und Regelung/Steuerung der Zu- und Abluftöffnungen wirken sich auf das sommerliche Verhalten aus. Auditorium in Léon, Architekten Mansilla und Tuñón 25

14 kühlen kühlen Technische Gebäudeausrüstung Bei längeren Sonnenperioden im Sommer müssen Gebäude gekühlt werden. Dies kann durch passive, hybride oder aktive Kühlung geschehen. Als passive Kühlung bezeichnet man Systeme, die ohne mechanische Antriebe arbeiten. Dazu gehören bauliche Vorkehrungen zum sommerlichen Wärmeschutz, Beschattung und Belüftung bzw. Gestaltung des Mikroklimas. Hybride Systeme gründen auf einfachen haustechnischen Komponenten und nutzen natürliche Nachtkühlung Die einfachste Form passiver Kühlung ist die Nachtkühlung. Diese wirkt, wenn die Nachttemperatur für mindestens fünf Stunden unter 21 C liegt. Dies ist in unseren Klimazonen nahezu immer gegeben. Die Fensterlüftung als einfachste Form verlangt allerdings ein entsprechendes Verhalten der Nutzer. Durch Einsatz von Querlüftungen kann das Ergebnis leicht optimiert werden. Mit einem mechanischen Lüftungssystem können Kühllasten nachts gezielter und gesteuert abgeführt werden, wobei der Hilfsenergieaufwand für den notwendigen Luftwechsel zu berücksichtigen ist. Zu Planen sind Positionierung und Dimensionierung der Zu- und Abluftöffnungen auch in Hinblick auf äußere Luftbelastung durch Schadstoffe oder Lärm. Die Planung derartiger Kühlungen muss Luftwechselrate und Speichermassen berücksichtigen. Bei natürlicher Lüftung können die Luftwechselraten bis zu zehn Stunden betragen, bei mechanischer Lüftung sind sie wegen des Hilfsenergiebedarfs nur bis vier Stunden sinnvoll. Auch wenn damit die Anforderungen an eine ausreichende Kühlung erfüllt werden könnten, ist für größere Bürobauten unter Aspekten der Sicherheit (Einbruch), der Nutzerabhängigkeit und der Zufälligkeit der Wetterbedingungen (Wind, Regen etc.) die natürliche Fensterlüftung nicht als Regelfall zu empfehlen. Natürlich lüften ist effizient, aber schwierig zu steuern und zu kontrollieren. Kältequellen wie z. B. Erdreich, kühle Nachtluft, Grundwasser in Verbindung mit Speichermedien wie z. B. Betondecken. Passive und hybride Systeme werden als Passivsysteme bezeichnet. Aktive Systeme wie z. B. Kältemaschinen müssen dann eingesetzt werden, wenn aus Planungsdefiziten oder speziellen Nutzungsansprüchen besondere Wärmelasten entstehen, die mit Passivsystemen nicht steuerbar sind. Diese Systeme werden in diesem Leitfaden nicht dargestellt

15 kühlen Lüftungskamine Erdreichwärmetauscher mit Wasser Kühlung und Erwärmung von Gebäuden Freie und natürliche Belüftung In den beschriebenen Luftkanälen kann gerade im Sanie- Bis vor wenigen Jahren wurde die Erwärmung von Hierauf folgend lassen sich dann Erwärmungs- und Zu den passiven Systemen zählt die Nutzung der freien rungsfall die Erdwärme auch über erdverlegte Kunst- Gebäuden und deren Kühlung sowohl im Verwaltungs- Kühlpotenziale ermitteln und mit endogenen Potenzialen Be- und Entlüftung von Räumen. Zurückgegriffen wird stoffrohre mit Wasserfüllung gewonnen werden. Gerade bereich als auch bei allen Sondernutzungen inhaltlich in Verbindung bringen. hierbei auf das physikalische Grundprinzip, dass durch wenn Feuchtigkeitsprobleme bei Gebäuden bestehen und planerisch voneinander getrennt. Die Erwärmung So entstehen vernetzte Systeme, wenn z. B. Temperaturunterschiede in der Luft eine Druckdifferenz und deshalb der Sockel freigelegt werden muss, kann in vollzog sich über Warmwasserverteilungen und Heiz- Wärme aus thermischen Solaranlagen zur Kühlung entsteht, die zu einem Schornsteineffekt (thermischer einer Tiefe von 1 2 m und einer Breite von 1 m ein anlagen, die Kühlung erfolgte in der Regel durch die von Gebäuden genutzt wird, Auftrieb) führt. Ab einer Gebäudehöhe von 10 m bieten Rohrbündel mit Solefüllung verlegt werden, das der Lüf- Lüftungsanlage. Abwärme aus Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen zur Treppenhäuser, Türme und andere vertikale Einrichtun- tungsanlage über ein Register Erdwärme bzw. -kälte In den letzten Jahren sind bei innovativen Verwal- Kühlung von Bürogebäuden genutzt wird, gen die Möglichkeit, einen Luftzug zu erzeugen und zuführt. So kann ein Erdkanal praktisch und mit optima- tungsgebäuden Systeme entwickelt worden, bei denen Minimierungen von Lüftungsanlagen durch den somit Luft in den unteren Räumlichkeiten anzusaugen len Ergebnissen simuliert werden. Dabei bietet sich die die unterschiedlichen Nutzungen vernetzt sind. Einsatz von Kühldecken erhöhte Raumhöhen ermög- und über das Dach abzuführen. Allerdings können schon Einbindung in notwendige Sanierungsmaßnahmen an, Am Anfang eines vernetzten Systems steht dabei lichen, bei geringen Windgeschwindigkeiten in der umgeben- da in jedem Falle Tiefbauarbeiten anstehen. Der Betrieb nicht die Wahl der Technologie, sondern die Einschrän- freie Kühltürme zur energieoptimierten Kühlung von den Landschaft umgekehrte Effekte entstehen, da der der Anlagen ist einfacher als der des Luftkanals, da keine kung und Steuerung der Bedarfssituation. Zunächst Verwaltungsgebäuden genutzt werden. natürliche Sog nur sehr sensible Druckverhältnisse hygienischen Anforderungen entstehen. gilt es, den Energiebedarf des Gebäudes zu steuern und erzeugt. Bereits ab 4 5 m/sec. Windgeschwindigkeit die inneren Lasten zu minimieren. Nur wenn die Aufgaben und Fragestellungen der Nutzer kehren sich die Effekte um und die natürlichen Wirkprin- Betonkernaktivierung Bis in die Organisation des Schreibtisches hinein, des- und des Gebäudes vernetzt betrachtet werden, kann zipien sind nicht mehr nutzbar. Im Rahmen der Betonkernaktivierung wird in die Beton- sen Beleuchtung und dessen tageslichtabhängige Steue- ein Mehrnutzen und damit eine Effizienz in der Energie- decke ein Kunststoffrohr eingebracht, das mit Wasser rung, sind Optimierungsmaßnahmen durchzuführen. versorgung und -anwendung entstehen. Erdreichwärmetauscher durchspült wird. Hierdurch wird die Speichermasse des Luftkanäle im Erdregister Gebäudes aktiviert, ein Potenzialausgleich zwischen Die Nutzung von Luftkanälen wurde in der Schweiz ent- den einzelnen Räumen kann stattfinden (z. B. indem wickelt und ist mittlerweile auch in Österreich weit Energiegewinne aus dem Serverraum zur Beheizung in Verstärkte Abwasserrohre dienen beim Erdwärmetauscher des Schulzentrums Sandwehen in Bremen als Lüftungsleitungen (unten). Die Zuluft wird durch zwei Edelstahlansaugtürme herangeführt (oben). verbreitet. Hierbei wird in direkter Umgebung zu dem Gebäude, zum Teil auch unter der Bodenplatte, ein Luftkanal geführt, der zur Konditionierung der Zuluft genutzt wird. Nach optimierter Auslegung über eine Simulation entsteht dabei im Mittel eine sommerliche Kühlung und eine winterliche Erwärmung der Luft um jeweils 3 5 C. andere Räume transportiert werden). Der wesentliche Nutzen der Betonkernaktivierung liegt jedoch in der Zuführung von Umweltenergie über die Speicherkapazität der Masse. Es entsteht so die Möglichkeit, den durch die Speichermasse gegebenen Tag- und Nachtausgleich weiter zu fördern und z. B. mit Erdwärme oder Umgebungs- Diese Luft kann entweder direkt für die Belüftung der energie aus nahegelegenen Teichen und Flüssen zu ver- Räume oder als Zufuhr für eine Lüftungsanlage einge- binden. setzt werden (hierbei entfallen dann sonst notwendige Die konstruktive Ausführung ist einfach, die Regelme- frostschützende Maßnahmen der Lüftungsanlage). chanismen sind vielfach erprobt. Lediglich die Verbin- Bei einer Verlegung von 2 5 m ist eine Luftgeschwin- dung zwischen Kühlung und Heizung in den Übergangs- digkeit von 2 m/sec. ausreichend. Besonderer Aufmerk- zeiten bedarf genauer Aufmerksamkeit. Nicht selten samkeit bedarf die Lufthygiene. Die Rohrleitungen müs- wird im Frühjahr am Vormittag im Verwaltungsgebäude sen grundsätzlich mit Gefälle verlegt werden, so dass noch Erwärmung benötigt, während ab der Mittagszeit auftretendes Kondensat bei der Taupunktunterschreitung ein Kühlbedarf entsteht. abgeführt werden kann. Die zunehmenden hygienischen Anforderungen an luftführende Rohre und die notwen- 28 dige Revisionsfähigkeit erschweren den Einsatz der Luftkanäle. 29 Sommertauglich Entwerfen entwerfen und bauen Bauen

16 kühlen Erdsonden Durch in der Regel auf 100 m Tiefe ausgebrachte Bohrungen wird ein Kunststoffrohr mit Hin- und Rückleitung installiert, in dem ein Energieaustausch mit der Umgebung stattfindet. Dabei kann sowohl Wärme aufgenommen (Winterfall) als auch Wärme abgegeben werden. Erreicht die Fließgeschwindigkeit des umgebenden Grundwassers mehr als 50 cm pro Tag, findet ein vollständiger Energieabtransport der saisonalen Zugewinne oder Entnahmeleistungen statt. Auch die saisonale Nutzung ist möglich. Bei geringe- Entfeuchtungskühlung ren Fließgeschwindigkeiten wird die Energie, die im Die auch als adiabate Kühlung bezeichnete Konditionie- Sommer in das Erdreich abgegeben wurde, im Winter rung von Luft durch Verdunstung beruht auf dem wieder aufgenommen. natürlichen Effekt, dass mit der Verdunstung von Wasser Häufig wird Erdwärme in Verbindung mit Wärme- die Temperatur der umgebenden Luft sinkt. pumpen und in Vernetzung mit einer Betonkernaktivie- Dabei sind sowohl Systeme der direkten Nutzung rung genutzt. Ein optimiertes Verhältnis entsteht bei der Verdunstungskühlung im Einsatz, als auch die Ver- einem Energiezugewinn durch Bauteilaktivierung von wendung dieses Effekts durch Einzelaggregate in Klima- 50 Prozent und einem Energietransport durch Lüftung anlagen, dem sogenannten Dessicant Cooling (DEC). von ebenfalls 50 Prozent. Im Rahmen des DEC-Verfahrens wird die Zuluft Über die Länge der Energiepfähle sowie deren Ent- zunächst durch einen sorptiven Prozess entfeuchtet. nahmeleistungen entscheiden die Kriterien des geologi- Hierbei erwärmt sich die Luft, so dass eine Abkühlung an schen Gutachtens. Kurze Pfähle dienen eher zur Kühlung der Außenluft ermöglicht wird. Die abgekühlte, aber im Sommer, lange Pfähle werden zur Erwärmung im trockene Luft, kann durch eine Befeuchtung wieder auf Winter genutzt. eine angemessene Raumluftkondition gebracht werden, Im Durchschnitt ist mit einer Wärmeleistung von wodurch sie weiter heruntergekühlt wird. Die Besonder- Kühlmöbel 60 W/m Bohrtiefe zu rechnen, so dass eine überschlä- heit des DEC-Verfahrens besteht darin, dass die wesentli- Nach der Optimierung des Energiebedarfs durch innere Entsprechend sind an verschiedenen Stellen Spezial- gige Bemessung erfolgen kann. che Energieaufwendung der Regeneration des sorptiven Lasten verbleiben vor allem in Büro- und Verwaltungs- anwendungen wie gekühlte Schreibtische entwickelt Entfeuchters auch durch Solarenergie, Biomasse oder gebäuden erhebliche Wärmeleistungen aus PCs. In spezi- worden. Die Energie von drei bis fünf Computern pro Fernwärme erfolgen kann. ellen Anwendungen wie etwa in Handelsräumen von Arbeitsplatz kann durch eine Kühltruhe mit Kaltwasser- Dessicant Cooling-Systeme werden bisher kaum ver- Banken, Leitzentralen von Feuerwehrstationen oder Ser- anschluss in das Kühlsystem der Klimaanlage überführt wendet. Sie bedürfen der detaillierten Planung und verräumen muss diese Energie abtransportiert werden. werden, wodurch Lüftungskanäle reduziert werden. Simulation und einer korrekten Auslegung. Besondere Um übermäßige Lüftungskanäle mit hohen Druckverlu- Speziell im Sanierungsfall erweist sich diese Maß- Schwierigkeiten können hier durch die enormen Druck- sten im Lufttransport und geringer Energiedichte im nahme als wirkungsvoll. Durch die Reduktion der Luft- verluste in den Wärmetauschern entstehen, die auch Energietransport zu vermeiden, empfiehlt es sich hier, mengen (die nicht mehr zum Energietransport benötigt mit einer nicht unerheblichen Geräuschbelästigung am die unvermeidliche Wärmeabfuhr mit dem Energieträger werden) ist eine größere Deckenhöhe und somit eine Aufstellungsstandort einhergehen. Wasser durchzuführen. neue Raumgestaltung möglich Sommertauglich Entwerfen entwerfen und bauen Bauen

17 pflanzen Physikinstitut Berlin, Architekten Augustin und Frank, Vorsatzsüdfassade mit Rankhilfe aus Bambusstäben pflanzen Verbesserung In Ermangelung eines objektiven Temperaturmessorgans empfindet der Mensch Temperatur als Zusammenspiel unterschiedlicher Wahrnehmungsfaktoren. Bei kalten Temperaturen sprechen die Meteorologen beispielsweise vom Windchill, wenn gemessene Temperatur und Temperaturempfindung erheblich auseinanderliegen, weil durch den Wind die Auskühlung sehr verstärkt empfunden wird. Genauso wenig entspricht das Wärme- und Hitzeempfinden zwangsläufig den gemessenen Temperaturen. Luftbewegung, Schatten, Feuchtigkeit oder sogar Wassergeräusche wirken auf das Hitzeempfinden. Pflanzen, insbesondere in Form ausgedehnter Waldökosysteme sind für das Makroklima von herausragender Bedeutung. Aber auch das Mikroklima am und im Gebäude wird von Pflanzen beeinflusst. Als lebendige und damit organgemäße Schattierung und Lichtfilterung spenden Pflanzen Schatten, sie regulieren durch Verdunstung auf den Blattoberflächen den Feuchtehaushalt und tragen so zur Kühlung von Räumen bei. Die Relevanz von Pflanzen bezüglich des empfundenen Raumklimas unterstreichen Forschungsreihen, in denen über 90 Prozent der befragten Mitarbeiter in einem Pflanzenbüro im Vergleich zu zwei unbegrünten Referenzräumen eine signifikante des empfundenen Raumklimas angaben. aus: Skript Frantz/Klimesch Auf die Frage: Haben Sie das Empfinden, dass die Pflanzen Einfluss auf die Luftqualität haben, antworten 99% mit ja. Die Fragen: Fühlen Sie sich nach der Bepflanzung wohler als vorher? und: Haben Sie das Gefühl, dass sich der Schallpegel veringert hat? beantworteten jeweils 93% mit ja. Ebenfalls 93% würden lieber in einem begrünten als in einem herkömmlichen Büro arbeiten Ergebnisse Innenraumemissionen (Formaldehyd, Aceton, Benzol, Butanol, Cyclohexal): Messungen Pflanzenbüro 321ug/cbm, Referenzbüro 995ug/cbm Keimbelastung in KB/cbm: Draußen: 360, Pflanzenbüro 220, Referenzbüro 560, Klimabüro 660, Luftfeuchte: Pflanzenbüro: 40 55%, Klima- und Referenzbüro: 20 45%

18 pflanzen Fazit Die Wirkung von Pflanzen beschränkt sich nicht nur auf das subjektive Empfinden, sondern Pflanzen sind tatsächlich Klimamacher. Obgleich es viele wichtige Vorteile von Pflanzen in Innenräumen gibt Schallabsorption, Reduzierung von Schadstoffen in der Raumluft, Staubbindung ist in begrünten Innenräumen vor allem die Kühlleistung der Pflanzen von Bedeutung. Pflanzen kühlen durch Transpiration. Über die Blattunterseiten wird Wasser verdunstet und Kühlenergie erzeugt. Dabei ist die Klimawirksamkeit von Pflanzen sehr unterschiedlich. Wichtig ist daher die richtige Auswahl leistungsstarker, klimaaktiver Pflanzen. Mit zunehmendem Alter wird das Pflanzenaggregat dabei immer leistungsfähiger. Auch eine jahreszeitlich wechselnde Verschattung lässt sich für besonnte Fassaden mit Bäumen, Rank- oder Kletterpflanzen erreichen. Eine Architektur, die sich der Pflanzenpower bedient, kann bei geschickter Planung auf zahlreiche technische Komponenten verzichten, die sonst üblicherweise bei konventionellen Gebäuden notwendig wären, bzw. deren Umfang reduzieren. Zudem können Kosten eingespart werden. So kann zum Beispiel durch den Einsatz von Pflanzen ein aufwändiger Sonnenschutz oder in größeren Bürogebäuden eine Klimaanlage vermieden werden. Der Einsatz von Pflanzen ist als eigenständiger Bestandteil des Entwurfsprozesses zu verstehen. Auswahl der Pflanzen, mögliche Standorte, die klimatischen Bedingungen sowie die Pflege müssen fachkundig geplant werden. Pflanzen bedürfen bestimmter Lichtverhältnisse, ausreichender Luftfeuchtigkeit, entsprechender Bewässerung und eines häufigen Luftwechsels zur Vermeidung von Kondensatbildung. Transpirationsleistung von Pflanzen im Jahresdurchschnitt Pflanze Baum, solitär Höhe 5 6 m Volumen 3,5 cbm Blattoberfläche 7,0 qm Transpirattionsleistung pro Tag 0,4 l/qm pro Pflanze gesamt pro Tag 2,8 l/qm aus: Skript Frantz/Klimesch Baum, solitär 2 m 1,75 cbm 3,5 qm 0,4 l/qm 1,4 l/qm Bei einer auf den Men- Hier wird die Einstrah- Büsche Bodendecker 1 1,5 m pro qm 1 cbm 2,0 qm 1,5 qm 0,4 l/qm 0,4 l/qm 0,8 l/qm 0,6 l/qm Der Mensch im Zentrum einer neuen Planungskultur schen abgestimmten Gesamtwirkung als Zielvorgabe sollte ein Gebäudeentwurf auf lung durch die Glasfassade von einer Stampflehmwand aufgenommen und verschiedenen Ausgangs- gespeichert, ein Innerhalb eines Jahrhunderts hat sich der Mensch in seinen Gebäuden vollständig von den äußeren Klimaeinflüssen emanzipiert. Getragen von geringst möglichen Energiepreisen sowie aufwändiger Gebäudetechnik wurden und werden gerade im Dienstleistungsbereich Bau- punkten gründen: Licht und Besonnung, Wärme- / Kühlespeicherung und Feuchteausgleich. Ein gelungenes Beispiel für das Zusammenspiel dieser Aspekte stellt das Foyer des Landes- intensiv bepflanzter Bachlauf auf der Innenseite der Glasfassade wirkt kühlend und feuchtigkeitsspendend. werke errichtet, die sich ausschließlich am technisch Machbaren orientieren. Grundsätzlich können bei ent- krankenhauses Feldkirch (Foto) dar. sprechendem Energieeinsatz unter allen denkbaren klimatischen Außenbedingungen beheizte oder gekühlte Innenräume realisiert werden. Im Sinne einer zukunft- Dabei kann nicht länger die Frage nach der architektoni- sorientierten Entwicklung ist dieser Weg jedoch falsch. schen Ästhetik den Entwurf bestimmen. Vielmehr ist In Hinblick auf den noch immer anhaltenden Trend zu zunächst zu fragen, wozu das Gebäude dienen soll und hochtransparenten Bauten ist im Sinne einer zukünftigen sodann, was es dafür können muss. Am Beginn des Entwicklung eine neue Planungskultur gefordert. Entwurfs steht somit die Nutzungs- und Nutzeranalyse, 34 am Ende das Fähigkeitenpotenzial des Gebäudes. Das bedeutet aber keinesfalls einen geduldeten Verzicht auf ästhetische Qualitäten, sondern steht vielmehr für einen erweiterten Entwurfsprozess im Sinne tatsächlich integraler Lösungen. 35 Sommertauglich Entwerfen entwerfen und bauen Bauen