International façade

International façade
Ein Planungstool zur Ermittlung der Anforderungen von Fassaden in
verschiedenen Klimazonen
Dipl.-Ing. M. Bilow, TU Delft, Delft, Niederlande
Kurzfassung
Dem Wunsch des Internationalen Stils nachkommend, entstehen weltweit vollverglaste
Bürogebäude. Diese Bürogebäude und deren Fassaden erfordern den massiven Einsatz von
Technik und Energie, das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erstellung eines
Planungstools mit dessen Hilfe sich die Anforderungen an Fassaden in verschiedenen
Klimazonen aufzeigen lassen, um dem Architekten in der frühen Planungsphase
Möglichkeiten zur sinnvollen Kombination von Fassadentechnologien und haustechnischen
Komponenten aufzuzeigen. Das Ergebnis soll Gebäude ermöglichen, die nicht gegen,
sondern mit dem vorherrschenden Klima einen behaglichen Aufenthalt und einen
energetisch reduzierten Betrieb ermöglichen.
1. Hintergrund
Niemand nimmt nur die Badehose mit, wenn er im Dezember nach Moskau reist, genauso
wenig wird man dick gefütterte Wintermäntel bei Reisenden nach Dubai finden. Unsere
Erfahrung bringt das Wissen mit, welche Temperaturen uns erwarten, wenn wir uns auf eine
Reise in ein anderes Land begeben. Und genau so wie wir anhand der Urlaubsbilder auf das
Klima in dem das Bild aufgenommen worden ist schließen können, so können wir auch die
Herkunft von verschiedenen Bewohnern aus unterschiedlichen Klimazonen relativ gut an
ihrer Kleidung und deren Behausungen erkennen. Jede Klimazone hat ihre eigene Hülle.
Diese Hülle spiegelt sich sowohl in der Kleidung als auch in der Architektur wieder. Die
Materialien die Verwendung finden sind auf regionale Verfügbarkeit hin ausgelegt und je
nach Wechsel der Jahreszeiten oder äußeren Einflüsse anpassbar. Die Inuit als Bewohner
der nordischen Arktisregion beziehen beispielsweise ihre Materialien zum großen Teil aus
der Vollverwertung der gejagten Tiere. Diese Tiere liefern neben Fleisch und Fett für die
Ernährung auch Felle und Leder für die Herstellung von Kleidung und Unterkunft. Der häufig
falsch verwendete Begriff Eskimo wurde mit Rohfleischesser übersetzt, die richtige
Bedeutung lautet aber nach der Sprache der Cree eines großen nordamerikanischen
Indianervolkes viel treffender Schneeschuhmacher, der den Umstand der autonomen
Selbstversorgung der Inuit passender erklärt.
Traditionelle Bauweisen sind weltweit immer an die vor Ort verfügbaren Ressourcen und an
das Klima angepasst. Stets versuchte man mit eigenen Mitteln das Optimum an
Behaglichkeit zu erreichen. Blickt man heute auf die aktuellen Bauvorhaben die in den
Boomtowns der Welt entstehen, scheint dieses Wissen vollständig verdrängt worden zu sein.
Der Internationale Stil - der als Synonym für Weltoffenheit, Erfolg aber auch Macht und
Reichtum mit vollverglasten und den Elementen zu trotzenden Gebäuden - scheint das
Wissen um energieeffiziente Bauweisen und die Ausnutzung der lokalaktiven Energien
verdrängt zu haben. Der Vergleich ist provokant, traditionelle Architektur bezieht sich in den
meisten Fällen auf Wohngebäude und der erreichbare Komfort ist eher mit „Ertragen“ zu
beschreiben als „sich wohl fühlen“. Aktuelle Gebäude egal an welchem Standort sie errichtet
werden, haben höhere Anforderungen als die traditionellen Bauweisen in der Lage wären zu
erfüllen. Bürogebäude, bedingt durch ihre differenzierten Anforderungen stellen nocheinmal
ein höheres Anforderungsprofil an Planer und Ausführende. Sicherlich werden wir in Dubai
nicht Hochhäuser aus Lehm errichten können, wohl aber aus den jeweiligen traditionellen
Bauweisen lernen können, um mit den vorherrschenden Klimaverhältnissen zu arbeiten, als
mit aller Kraft – häufig in Form von riesigen Klimaanlagen und dementsprechend hohen
Energieverbräuchen– dagegen anzukämpfen.
2. Zielsetzung des Forschungsvorhabens
Als Ziel einer Forschungsarbeit an der TU Delft mit dem Titel „ International Facade“ soll
ermittelt werden welche Anforderungen an Gebäudehüllen gestellt werden, die in
verschiedenen Klimazonen errichtet werden sollen. Als Resultat ist nicht die Entwicklung
einer Fassade, die als Produkt in jeder Klimazone eingesetzt werden kann, sondern ein
Anforderungsprofil die in Form einer Guideline für Architekten helfen soll, um in der frühen
Planungsphase bereits Anhaltspunkte für die Fassadengestaltung liefern soll. Die zentrale
Frage der Arbeit lässt sich in folgender Fragestellung zusammenfassen: „Wie und mit
welchen Methoden kann eine Bürofassade gestaltet werden, die ein Optimum an Komfort
und den wirtschaftlichen Betrieb des Gebäudes in verschiedenen Klimazonen unterstützt?“
Das Thema lässt sich mit dem Reisen auf dem Wasser vergleichen, jeder kann Motorboot
fahren, wenn man in der Lage ist die Rechnung für den Treibstoff zu zahlen. Möchte man
sich hingegen wirtschaftlicher über das Wasser bewegen kann man Segeln. Beim Segeln
muss man jedoch die Techniken beherrschen, mit denen man sich die Kraft des Windes zu
Nutze macht. Wer niemals das Kreuzen vor dem Wind gelernt hat, der wird sich nur
schwerlich in einem Segelboot auf dem Wasser bewegen können. Das Ziel ist also: Segeln
lernen! Wie aber lernt man Segeln mit Gebäuden?
Um die Forschungsarbeit auf ein überschaubares Maß für die ersten Schritte zu fokussieren
sind acht Boomtowns die sich über den Globus erstrecken und ein Gros der Klimazonen
abdecken, in denen vermehrt gebaut wird, ausgewählt worden. Innerhalb dieser Boomtowns
soll der derzeitige Technologiestand des Bauens aufgezeigt werden, parallel dazu werden
Prinzipien des klimagerechten Bauens analysiert und auf ihre Transfermöglichkeit hin
untersucht. So sind beispielsweise die Abluftkamine in Pakistan ein effizientes Prinzip um die
vorherrschende Hauptwindrichtung zur natürlichen Durchlüftung des gesamten Gebäudes
herangezogen werden kann. Das Prinzip der thermischen Masse die bedingt durch ihre
langsame Erwärmung und Temperaturpufferung Räume vor Überhitzung schützen kann, wie
sie in vielen arabischen Lehmbauten bis hin zu den Erdwohnungen in Süd China zu finden
sind, bei denen die gesamte Nutzfläche unterirdisch angeordnet ist, dient als weiteres
Beispiel klimagerechten Bauens. Um bei der Metapher des Segelns zu bleiben wird eine
Klimaanalyse der Arbeit vorangestellt um den „Wind“ besser verstehen zu lernen.
3. Verwendung von Psychrometric Charts / Carrier Diagramm
3.1 Grundlagen des Carrier Diagramms
In der Bauphysik und in der Klimatechnik ist das Mollier Diagramm oder h-x Diagram bestens
bekannt, mit Hilfe dieses Diagramms lassen sich die zur Klimatechnik gehörenden LuftZustände
und
Luft-Zustandsänderungen
grafisch
darstellen
und
berechnen.
Im
Internationalen Gebrauch wird es als Carrier-Diagramm oder Psychrometric Chart mit
vertauschten Achsen verwendet. Der Name Carrier beruht hier auf den Namen des Erfinders
der Klimaanlage Willis Carrier, dessen Firma heute noch unter diesem Namen Klimageräte
herstellt. Im weiteren wird das Carrier Diagramm als Grundlage des international
ausgelegten Forschungsarbeit genutzt.
Auf der x-Achse des Diagramm ist die Temperatur in °C angegeben und auf der y-Achse die
absolute Feuchte in Gramm pro kg trockene Luft abgetragen. Der Wärmeinhalt h (Enthalpie)
wird in KJ/kg angegeben und verläuft diagonal von oben links nach unten rechts. Genauere
Informationen zum Wärmeinhalt der Enthalpie werden an dieser Stelle ausgelassen, da
diese Funktion des Diagramms für die weiteren Betrachtungen nicht von Bedeutung ist.
Verfolgt man die Zustandsänderungen der Luft, die man mit Hilfe des Psychrometric Charts
eintragen kann, lassen sich eindeutige Richtungen ablesen wenn die Luft hinsichtlich Ihrer
Eigenschaften und Parametern
verändert werden soll. Das Bild 1 zeigt die möglichen
Zustandsänderungen denen die Luft unterzogen werden muss oder kann, um sie den
Anforderungen anzupassen. So ist beispielsweise die trockene Zufuhr von Wärme als
Heizvorgang von links aus niedrigen Temperaturen parallel zur x-Achse zu verzeichnen.
Sobald
Temperatur
und
Feuchte
reguliert
werden
müssen
verlaufen
die
Zustandsänderungen in diagonaler Richtung, wie die Grafik leicht verständlich darstellt.
Bild 1: Zustandsänderungen der Luft im Carrier Diagramm eingetragen
3.1. Überlagerung des Komfortbereichs
Neben den Zustandsänderungen der Luft lassen sich ebenfalls die thermische Behaglichkeit,
die den Komfort eines Menschen in einem Raum beschreibt in das Diagramm eintragen. Die
thermische Behaglichkeit lässt sich als umschriebenen Bereich von Temperatur, absoluter
sowie relativer Feuchte beschreiben. Ausgehend von den Festlegungen nach ASHRAE (
American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers ) also der
amerikanischen Vereinigung der Heizungs-und Klimaingenieure, die als internationalen
Komfortparameter anerkannt sind. Diese Festlegungen sind zwar für den Bereich der
natürlichen Belüftung mit erhöhtem Toleranzbereich der Nutzer kritisch betrachtet, dienen
aber in diesem Verfahren als vorläufiger Anhaltspunkt. Der Komfortbereich wie im Bild 2
illustriert, wird durch eine Minimaltemperatur von 20°C, einer relativen Mindestfeuchte von
30%, dem Temperaturmaximum von 26°C und einer relativen Maximalfeuchte von 65%
umschrieben. Die absolute Feuchte von 11.5g pro kg trockener Luft begrenzt zudem noch
diesen Bereich. 12g/kg werden bereits als schwül empfunden, ein Schwimmbad wird bei ca.
14g absolute Feuchte betrieben um ein Gefühl für die absolute Feuchte zu vermitteln. Solang
sich die Temperaturen in diesem Behaglichkeitsbereich befinden fühlt sich der Nutzer wohl.
Überlagert man nun die Inhalte der Luftkonditionierung und den Behaglichkeitsbereich dient
diese Grafik bereits der Auswahl geeigneter Strategien der Luftaufbereitung zur Erreichung
der Komfortzone.
Bild 2 : Eintragen des Komfortbereichs nach ASHRAE und der Bereich
natürlicher Lüftung in das Carrier Diagramm
Um die Komfortzone lässt sich ein weiterer Bereich ziehen, der die Möglichkeit natürliche
Lüftung beschreibt. In diesem Bereich ist die Luft noch der innerhalb der Komfortzone
ähnlich, die Ausweitung beinhaltet dabei das Phänomen, das sich der Nutzer bei freier
individueller
Lüftung
beispielsweise
über
ein
Fester eine größere Feuchte- und
Temperaturschwankung zulässt.
3.2. Klimaanalysen
Ausgehend von langjährigen Wettermessungen erstellt man Testreferenzjahre die das Klima
einer Stadt oder Region abbilden. Da ein Zeitraum von 30 Jahren in die Erstellung dieser
Testreferenzjahre eingeflossen ist und zudem alle Extreme ebenso integriert wurden bildet
ein Testreferenzjahr die beste Grundlage für die Analyse der klimatischen Bedingungen in
einer Region. Aus den Wetterdaten lassen sich Temperaturverlauf und Feuchtegehalt der
Luft entnehmen, diese lassen sich dann als Koordinate aus Temperatur und absoluter
Feuchte in das Psychrometric Chart eintragen. Die Abbildung 3 zeigt die Testreferenzjahre
von Abu Dhabi, Singapur und Berlin als Punktwolke. Diese Punktwolke ist wie der Fingerprint
einer Stadt charakteristisch und lässt auf die Klimazone und die vorherrschenden
Luftkonditionen schließen. Jede Klimazone hat ihre spezielle typische geometrische
Ausdehnung, das Diagram in Bild 4 fasst diese charakteristischen Merkmale der
Punktwolken zusammen. Überlagert man nun diese Punktwolken in die zuvor vorgestellte
Grafik in Bild 2 lassen sich die Luftkonditionierungsmaßnahmen aufzeigen, die man
vornehmen muss, um die Behaglichkeitszone zu erreichen.
Bild 3: Die Testreferenzjahre von Abu Dhabi, Singapur und Berlin zeigen
eine deutlich unterscheidbare Signatur im Carrier Diagram
Bild 4: Aus den jeweiligen Punktwolken der untersuchten Städte lässt sich
die Klassifikation der Klimazonen ableiten
3.3. Überlagerung von Fassaden und haustechnischen Komponenten
Ausgehend
von
den
Grundlagen
der
Wetteranalyse
und
der
vorangegangenen
Untersuchungen kann man sich aus technischer Sicht die verschiedenen haustechnischen
Komponenten
und
Fassadentechnologien
auf
ihre
Möglichkeit
der
Luftkonditionierungsfähigkeit hin betrachten und als erste Einschätzung in die Grafik
eintragen.
Die verschiedenen Doppelfassadentechnologien wie Kastenfensterfassaden, Zweite Haut
Fassaden oder Korridorfassaden eignen sich bevorzugt zur natürlichen Lüftung in
exponierter Lage. [1] Diese Fassaden lassen sich nahe der Behaglichkeitszone im
erweiterten Bereich der natürlichen Lüftung in das Psychrometric Chart eintragen.
Komponentenfassaden, die über integrierte haustechnische Komponenten wie dezentrale
Klimageräte verfügen, sind neben der klassischen zentralen Klimaanlage oder dezentralen
Klimageräten die fassadennah angebracht sind, in der Lage sowohl die Temperatur als auch
die Feuchte auf ein niedrigeres Niveau zu bringen. Sie lassen sich im feuchtwarmen Bereich
oben rechts im Diagramm eintragen.
Betonkernaktivierung, Kühlsegel und Kühldecken lassen sich als technische Komponenten
der reinen Kühlung eintragen. In den Bereich der Kühlung und Befeuchtung lassen sich
wieder die Komponentenfassade sowie die zentrale als auch dezentrale Klimaanlage
einzutragen. Für den Heizfall lassen sich klassische Konvektoren im Brüstungsbereich sowie
auch im Unterflurbereich sowie Radiatoren eintragen.
3.4. Überlagerung von Klimaanalysen
Blendet man zusätzlich in die Grafik die Punktwolke eines Testreferenzjahres einer zu
untersuchenden Stadt ein, lässt sich sehr einfach die Anforderung der Fassade und
Haustechnik an diese Klimazone oder das zu beplanende Gebiet ablesen. Betrachten wir
uns beispielsweise das Klima von Las Vegas in Bild 5 lässt sich daraus ableiten, das die
Fassaden und haustechnischen Komponenten die Anforderungen Heizen, Kühlen und
Befeuchten erfüllen müssen.
Bild 5: Überlagerung der Fassaden und haustechnischen Komponenten
und das Testreferenzjahr von Las Vegas lassen die Anforderungen
in dieser Klimazone deutlich werden.
Zur einfachen Lesbarkeit der Grafik wird diese in Bereiche aufgeteilt werden um klarere
Definitionen daraus ableiten zu können. Der vorgestellte Ansatz ist noch nicht
wissenschaftlich exakt bestimmt, einzelne Untersuchungen und Berechnungen müssen
folgen, um die Leistungsfähigkeit und deren einzelne Einordnung in die Grafik genau zu
bestimmen.
4. Fazit
Als erste Erkenntnis kann die Grafik bereits eine deutliches Entwicklungspotential von
dezentralen Fassaden oder Komponentenfassaden aufzeigen. Betrachtet man sich die
Leistungsfähigkeit von diesen Komponenten genauer im Detail, beispielsweise für das
Planungsgebiet Singapur (Bild 6) . Die Anforderungen an Fassaden in diesem Gebiet sind
Kühlen und Entfeuchten.
Betrachtet man die zuvor entwickelte Grafik sind dezentrale und zentrale Klimaanlagen
neben der Komponentenfassade wie sie beispielsweise beim Capricorn Gebäude in
Düsseldorf von Gatermann und Schossig eingesetzt wurde, sinnvoll. (Bild 7) Die Zentrale
Klimaanlage ist in der Lage kontrolliert zu entfeuchten, im Prinzip kühlt man dabei die Luft so
weit herunter, bis Tauwasser ausfällt, die Temperatur und die absolute Feuchte sinkt dabei
weiter. Danach wird die Luft die nun stark abgekühlt wurde wieder erwärmt um den
Anforderungen der Komfortzone zu entsprechen. Das ausgefallene Tauwasser wird zentral
abgeführt. Dezentrale Klimaeinheiten sind jedoch bisher nur in der Lage unkontrolliert zu
entfeuchten, d.h. die Luft wird abgekühlt, dadurch sinkt die absolute Feuchte zwar - eine
Erreichung der Komfortzone ist aber nicht möglich. Was bedeutet das für die Baupraxis? In
allen Tropischen und Subtropischen Klimazonen können hoch entwickelte HightechFassaden mit integrierten Klimakomponenten nicht eingesetzt werden, hier ist nach wie vor
der Einsatz von großen zentralen Klimazentralen notwendig.
Wollen wir uns weiter mit hoch entwickelten Fassaden und haustechnischen Komponenten
dem
internationalen
Markt
stellen,
bestehet Entwicklungsbedarf und -potential in
Technologien, die auf diesen Markt und deren klimatischen Anforderungen abgestimmt sind.
Das Thema der Entfeuchtung spielt für den Betrieb von Gebäuden in tropischen und
subtropischen Gebieten eine elementare Rolle.
Bild 6: Überlagerung der Grafik mit dem Testreferenzjahr von Singapur deutlich
sind die Anforderungen Kühlen und Entfeuchten ablesbar
Bild 7: Komponentenfassade des Capricorn Gebäudes in Düsseldorf von
Gatermann und Schossig mit fassadenintegrierten dezentralen
Klimamodulen in den unverglasten Bereichen
Die Möglichkeit der natürlichen Lüftung ist momentan mit keiner Fassade realisierbar. Als
mögliche Entwicklungen sind Elemente denkbar die beim Durchströmen von Außenluft an
kalten Rohrregistern ihre Luftfeuchtigkeit durch Kondensation verringern und dann als
individuell zu steuernde Lüftung ein Plus an Raumkomfort bieten könnten. Weiter sind
Kühlmaßnahmen wie Kühldecken oder Betonkernaktivierungen, die in Mitteleuropa häufig
Verwendung finden in diesen Klimazonen nicht verwendbar. Bedingt durch die hohe
Temperatur und die hohe Luftfeuchtigkeit würde unter den gekühlten Decken schnell der
Taupunkt unterschritten und Kondenswasser in Form von Regen herabfallen.
Im weiteren Verlauf des Vorhabens soll der vorgestellte Ansatz zu einem leicht lesbaren
Planungstool weiterentwickelt werden, bei dem sich zusätzlich die Energiemenge
prognostizieren lassen soll, die aufgewendet werden muss um aus den jeweiligen
Klimazonen den behaglichen Bereich zu
erreichen. Weiter sollen beispielsweise
Untersuchung zum Wind und weiteren Klimakonditionen Anforderungen und Hilfestellungen
für die frühe Planungsphase des Architekten aufzeigen, um Gebäude zu entwickeln, die sich
der Einflüsse ihrer Umgebung bedienen als gegen sie anzukämpfen – kurz gesagt, in der
Lage sind zu Segeln!
[1]
Typisierung der Fassaden siehe: Knaack, U.; Klein, T.; Bilow, M.; Auer, T.: „Prinzipien
der Konstruktion – Fassaden“ , Berlin: Birkhäuser 2007