Sanierung Punkthaus Mannheim. fondation kybernetik. Punkthaus in mannheim

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1 Sanierung Punkthaus Mannheim fondation kybernetik. Punkthaus in mannheim

2 FONDATION KYBERNETIK. PUNKTHAUS IN MANNHEIM 2 Typologische und energetische Sanierung von Gebäuden Ziel: Energetische Sanierung auf der Grundlage des kybernetischen Prinzips mit passiven Technologien und klimaaktiven Fassadenelementen Objekt: Punkthaus in Mannheim Ortsteil Schönau mangelwirtschaft der 50Er - jahre Den in den 50er-Jahren dringend benötigten und schnell gebauten Wohnraum kennen wir heute als das typische Bild der in die Jahre gekommenen Zeitzeugen der Nachkriegszeit, die den Anforderungen der Nutzer heute nicht mehr gerecht werden. Die Bauten sind in der Nachkriegszeit mit Ziegelsplittbeton - auch Schüttbeton genannt - aus dem Schutt der zerbombten Gebäude errichtet worden. Die hohe Porosität der Wände ist zwar statisch problematisch, als Speichermasse für Energiegewinne jedoch geradezu ideal. Im Mittelpunkt der energetischen Sanierung standen deshalb Überlegungen zur aktiven Speicherung von solaren Wärmegewinnen sowie die Entwicklung und Gestaltung einer klimaaktiven Fassade. Projektpartner: GBG Mannheim Wohnungsbaugesellschaft mbh Ulmenweg Mannheim Technische Universität Darmstadt Fachbereiche Entwerfen und Stadtentwicklung Prof. Dr. Annette Rudolph-Cleff Entwerfen und Wohnungsbau Prof. Günter Pfeifer Team: Dipl. Ing. Sarah Hantke Dipl. Ing. Teresa Rossignol Dipl. Ing. Peter Becker Unter Mitwirkung des Fachgebietes Tragwerksentwicklung Prof. Dr. Karsten Tichelmann Kooperationspartner: Balck + Partner, Facility Engineering Obere Neckarstrasse 21, Heidelberg Dipl.-Ing. Gerhard Kuder Förderung: Der Antrag für eine Förderung durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) ist in Bearbeitung. Publikation zu diesem Projekt: Auf den Punkt Typologische + energetische Sanierung eines Punkthauses syntagma - Verlag Freiburg 2014

3 fondation kybernetik. Punkthaus in mannheim 3 Energetisches und Typologisches Konzept Typologische Veränderung Aus vier kleinen Wohnungen pro Geschoss wurden zwei großzügige, moderne 3-Zimmer-Wohnungen mit 90 m² Wohnfläche und zwei Balkonen, die verglast wurden und nun als Energiegärten funktionieren. Architektur: Die Gestaltungsabsichten der Architektur der 50er-Jahre wurden transformiert. Die Proportionen von Dachvorsprung, Dachkanten und Balkonprofilen konnten in ihrer Schlankheit erhalten bleiben. Der lichte helle Charakter wird mit der reflektierenden Fassade, den weißen Fenstern und Zargen unterstützt. Die klimaaktive Fassade Die neue Fassade ist eine klimaaktive Fassade. Die Polycarbonatplatten sind lichtdurchlässig und sammeln solar erwärmte Luft, die über das Dach von Osten nach Westen und umgekehrt geschickt wird. Im Keller sind die ehemals großen Abstellräume nun mit aufgeschichteten Steinen zur Speicherung der warmen Luft vorgesehen. Im Sommer wird die warme Luft über Luken im Dach abgeführt. Der Steinspeicher kann dann zur Kühlung benutzt werden. Anders als eine herkömmliche Wärmedämmung können die Polycarbonatplatten demontiert werden. Ein zweijähriges Monitoring ist gestartet. Die erzielten Werte werden danach veröffentlicht. Heizenergiekennwert des alten Gebäudes: 273 kwh/m²a Neuer Energiestandard nach der Sanierung: Heizenergiekennwert: 11 kwh/m²a Primärendenergiekennwert: 40 kwh/m²a Winterfall Winterfall Winterfall Bestand Bestand Planung Sommerfall Bestand Planung Sommerfall Sommerfall Bestand Planung Bestand Bestand Planung

4 fondation kybernetik. Punkthaus in mannheim 4 Bad 6,6 m² WM Schlafen I 18,7 m² Verteiler 7,4 m² Treppenhaus Fahrstuhl Loggia 4,4 m² Schlafen II 14,8 m² Küche 11,1 m² Essen 15,5 m² Wohnen 15,6 m² Loggia 4,7 m² Ehemalige Struktur mit zwei kleinen Wohungen Typologische Veränderung 1:100

5 fondation kybernetik. Punkthaus in mannheim 5 Verglaster Balkon Wohn- und Essbereich

6 fondation kybernetik. Punkthaus in mannheim 6 Gebäudehülle aus Lichtbauelementen Detail Unterkonstruktion Fassade Die bestehende Außenwand wurde um eine transluzente Haut aus Polycarbonat mit einem U-Wert von 0,83W/m²K und eine dahinter liegende zirkulierende Luftschicht ergänzt. Dieser Kamin wurde über ein Leitungssystem mit einer locker geschichteten Speichermasse im Keller und über das Dach verbunden. Das so entstandene geschlossene Luftsystem verteilt mit minimalem mechanischem Antrieb die Energie der Sonneneinstrahlung im Winterfall morgens (Sonne im Osten) und abends (Sonne im Westen) auf die gesamte Gebäudeaußenfläche. Im Sommerfall kann durch die im Keller eingelagerte Speichermasse Erdkühle über die gesamte Gebäudeaußenfläche gleichmäßig verteilt werden. Als Material wurde eine 9-Kammer-Polycarbonatplatte verwendet. Das kostengünstige Material erlaubte auch bei einem knappen Budget wie hier im sozialen Wohnungsbau eine innovative energetische Fassadengestaltung. Energiedurchlass und ein geringer Wärmeverlust standen bei diesem Material in einem für diesen Ansatz optimalen Verhältnis. Die neue Gebäudehülle hat sich wie eine Haut über den gesamten Bestand gelegt. Die Tiefe der Fassade bleibt dennoch durch die Wahl des Materials als ein Spiel aus Licht und Schatten erlebbar. Das Material ist auch wegen des geringen Gewichts der Polycarbonatplatten für Fassadenkonstruktionen interessant. Abstand ca. 5cm Stoß- und Lagerfuge punktuell mit Mörtelbett verbunden Abstand ca. 5cm Thermodynamische Simulationen Mit Hilfe von thermodynamischen Simulationen konnte anhand verschiedener Varianten der Gebäudeentwurf energetisch optimiert werden. Dazu wurde das Gebäude in drei Zonen unterteilt. Zone 1: Wohnungen mit Ostausrichtung Zone 2: Wohnungen mit Westausrichtung Zone 3: Keller Höhe ca. 2,0m Stoßfugen zwischen Wandscheiben punktuell mit Mörtelbett verbunden Die Berechnung der internen Wärmelasten durch Geräte und Speichermassen von Inneneinrichtungen beruhte auf Erfahrungswerten, die von Variante zu Variante unverändert blieben. In diesen internen Wärmelasten waren Personen und Beleuchtung nicht enthalten. Die Beleuchtung der Wohnräume wurde als geregelt angesetzt. Dies blieb innerhalb der Varianten unverändert. Zone Seite Massen Wärmelasten während der Betriebszeit Wärmelasten außerhalb der Betriebszeit Zone 1 Ostseite 239 kg/m² 18,3 kwh/m² 1,8 kwh/m² Zone 2 Westseite 239 kg/m² 18,3 kwh/m² 1,8 kwh/m² Zone 3 Keller 26 kg/m² - - Die Raumtemperaturen waren bei den Wohnräumen nach der Empfindungstemperatur auf 20 C geregelt, wobei ein Strahlenaustausch der Wandflächen berücksichtigt wurde. Es wurde ein außen angebrachter Sonnenschutz berücksichtigt. Steinspeicher

7 fondation kybernetik. Punkthaus in mannheim 7 Südseite mit verglasten Balkonen Eingang Fassadenecke

8 fondation kybernetik. Punkthaus in mannheim 8 Bauaufnahme Wände aus Schüttbeton Um für die weiteren Berechnungen des Tragwerkplaners Kenngrößen wie die Bauwerksdruckfestigkeit zu ermitteln, wurde eine Beton- und Bodenprüfstelle mit der Entnahme von Bohrkernen zur Bestimmung der Druckfestigkeit beauftragt. Insgesamt wurden sechs Bohrkerne mit einem Durchmesser von 129 mm aus den Wänden entnommen. Die Lage der Prüfstellen wurde durch die TU Darmstadt angegeben und dokumentiert. Die Beschaffenheit dieser Wände hat uns alle überrascht. Aus heutiger Sicht kann man von einer Meisterleistung ausgehen, ein Gebäude angesichts dieser Baustoffqualitäten überhaupt zum Stehen zu kriegen. In der weiteren Durchplanung der Grundrisse hat uns diese Materialität zu konstruktiven Zusatzmaßnahmen gezwungen. Bei den überprüften Bauteilen handelte es sich um einen Trümmerverwertungsbeton aus Ziegelsplitt, der sich keiner aktuell gültigen Norm zuordnen ließ. So war bedingt durch die geringen Festigkeiten auch keine Zuordnung in eine Druckfestigkeitsklasse nach alter bzw. neuer DIN 1045 oder Leichtbetonklasse möglich. Anhand der ermittelten durchschnittlichen Druckfestigkeit konnten alle weiteren Planungsschritte statisch überprüft werden. Aus energetischer Sicht jedoch hatte der hohe Anteil an Lufteinschlüssen in der Schüttbetonstruktur den Vorteil, für Beton ungewöhnlich gute Dämmwerte aufzuweisen. Entnommene Bohrkerne Detail Ziegelsplittbeton

9 fondation kybernetik. Punkthaus in mannheim 9 Verankerung der Fassade in aussenwänden aus Schüttbeton Mit dem Institut für Massivbau der TU Darmstadt wurden Dübelauszugsversuche in den Außenwänden durchgeführt, um Kennwerte für die Belastbarkeit der Bestandsaußenwände für die Befestigung der vorgehängten hinterlüfteten Fassade zu ermitteln. Es stellte sich überraschenderweise heraus, dass die Bestandswände den zu erwartenden Lasten der vorgehängten Fassade nicht standhalten würden. Es musste nach einer Lösung gesucht werden, die Fassade unabhängig von den nicht tragfähigen Außenwänden vor der Außenwand aus Schüttbeton zu befestigen. Die transluzente Fassade aus Polycarbonatplatten lässt die Unterkonstruktion erahnen und zeigt mannigfaltige Lichtspiegelungen. Innenecke

10 utz 15 mm Bestand fasertapete Farbe nach Angabe Architekt odenaufbau nach Bauteilkatalog eum 0,5 cm dridfließestrich 4,5 cm lage und gleichzeitig Dampfbremse z.b. 2 * 0,2 mm PE-Folie ralwolledämmplatten 2,0 cm feste Polystyrol-Hartschaumplatte EPS 3,0 cm htungsbahn aus Polymerbitumen 0,1 cm ndsdecke Stahlbeton 12,0 cm ung Kellerdecke im Bereich des Speichers m Mineralwolle, WLG 040 fondation kybernetik. Punkthaus in mannheim 10 80/80/ /30/3 Insektenschutzgitter Zur Belüftung von Traufe / Fassade nach DIN 4108, Lochanteil ca. 80%, Anthrazit Zuluftklappe PE-Folie 2 mm öffnet sich automatisch bei Unterdruck liegt auf Maschendrahtzaun 10 mm Fugendichtband schlagregensicher 60-01,20 m =95,22 m ü. NN Fassadendetail 1:5

11 fondation kybernetik. Punkthaus in mannheim 11 Projektfortschritt Neben einer sehr intensiven Planungs- und Entwicklungsphase haben insbesondere die unvorhersehbaren baulichen Mängel des Bestandsgebäudes zu einer langen Bauzeit geführt. Der Wechsel in der Bauleitung während der Bauphase und ein Wechsel in der Verantwortlichkeit der Bauherrenschaft haben zu weiteren Verzögerungen geführt. Das realisierte Gebäude wurde im Juli 2013 fertiggestellt und übergeben. Monitoring Ein anschließendes Monitoring soll das realisierte Energiekonzept validieren. Alle wichtigen Kenndaten werden systematisch überwacht, erfasst und ausgewertet, um in bestmöglicher Art und Weise das Forschungsvorhaben zu dokumentieren und im Notfall steuernd eingreifen zu können. Da hier in der Forschung und Planung Verfahren angewendet wurden, die bisher im Markt nicht üblich sind, wurden Berechnungen für das Gebäude erstellt, die den Betrieb des Gebäudes darstellen. Im Betrieb soll gemessen und nachvollzogen werden, ob die hier errechneten Werte mit den tatsächlichen Verbräuchen übereinstimmen. Zur Steuerung der Anlage können verschiedene Parameter verändert werden. Energetische Ziele Das als Prototyp für eine energetische Sanierung ausgewählte Mehrfamilienwohnhaus in Mannheim hat seit seinem Erstbezug in den 1950er- Jahren keine grundlegenden Umbau- und Sanierungsmaßnahmen erfahren. Das Bestandsgebäude hatte aufgrund nicht gedämmter Dach-, Fassaden- und Balkonflächen einen Heizenergiebedarf von rund 273 kwh/a. Neben einem sinnvollen typologischen Ansatz setzt sich das energetische Konzept aus vier Bausteinen (klimaaktive Fassade, Steinspeicher, kontrollierte Lüftung und Wärmerückgewinnung) zusammen, die in wechselseitigem Zusammenspiel funktionieren und so im Gesamtergebnis den jährlichen Heizenergiebedarf auf ca kwh/a reduzieren. Das energetische Konzept ist als Low-Tech- Lösung zu verstehen. Die Ergebnisse der Simulationen werden im Monitoring überprüft. Die klimaaktive Gebäudehülle, bestehend aus einer zweischaligen Fassade mit einem Luftkollektor aus einer Polycarbonatplatte mit dem U-Wert von 0,83 W/m2K, kann als energetisch sinnvolle, wirtschaftliche und gestalterische Alternative zum passiven Wärmschutz und der herkömmlichen Dämmung mit WDVS gesehen werden.

12 FONDATION KYBERNETIK Technische Universität Darmstadt El - Lissitzky - Straße Darmstadt pfeifer@fondation.tu-darmstadt.de mikolic@fondation.tu-darmstadt.de