G.I.T. Siegen Bericht der energetischen Optimierung SolarBau
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98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht G.I.T. Siegen Bericht der energetischen Optimierung SolarBau Teilkonzept 3 Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite I 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht G.I.T. Siegen Bericht der energetischen Optimierung SolarBau Teilkonzept 3 Phase 1: Planung, Optimierung Universität Stuttgart IKE Lehrstuhl für Heiz- und Raumlufttechnik, Forschungsgesellschaft Heizung-Lüftung-Klimatechnik mbH M. Schmidt, H. Bach, M. Bauer, M. Treiber Antragssteller und Bauherr: Berater des Bauherrn: Projektsteurer: Generalplaner und Architekt: Generalplanmanagement und Gesamtbauleitung: Energie- und Tageslichtkonzept: Planungsplattform: Tragwerksplanung: Fachingenieur TGA: Fachingenieur Elektrotechnik: Landschaftsarchitektur: Gesellschaft für Innovation und Transfer Siegen Fachbereich Bauphysik & Solarenergie Büro Planbau Rau & Partners, Amsterdam Haack+Klauke+Schlüter Ingenieurgesellschaft mbH, Holzminden Forschungsgesellschaft HLK Stuttgart mbH, Universität Stuttgart IKE/LHR Institut für Industrielle Bauproduktion, Universität Karlsruhe abt Adviesbureau Bouw, NL- Arnheim Rauls Ingenieur GmbH, Holzminden Gertec, Essen Frau Marianne Schubert Im Auftrag des: Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie Förderkennzeichen: Zeitraum: 0335006P 01.06.1998-31.10.2000 Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite II 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Innhaltsverzeichnis 1 Einleitung .............................................................................................................................................1 1.1 Eingesetzte Planungswerkzeuge....................................................................................................................2 2 Projektbeschreibung ...........................................................................................................................4 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 Gesamtkonzept ...............................................................................................................................................4 Äußere Erschließung......................................................................................................................................5 Innere Erschließung .......................................................................................................................................6 Ökologie...........................................................................................................................................................7 Flexibilität .......................................................................................................................................................8 Baubeschreibung ............................................................................................................................................9 3 Vorstudie zum Gebäude und Tageslichtkonzept............................................................................11 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 Optimierung der Massenverteilung............................................................................................................12 Reduzierung der wärmeübertragenden Außenfläche...............................................................................12 Analyse der Flächenverteilung....................................................................................................................12 Vergrößern der südlichen Fensterflächen in den Büroflügeln.................................................................13 Angepasstes Gebäudemodell .......................................................................................................................13 4 Konzeptentwicklung..........................................................................................................................14 4.1 4.2 4.3 4.4 Maßnahmenkatalog......................................................................................................................................14 Zieldefinition und ko-Kriterien...................................................................................................................15 Pflichtenheft ..................................................................................................................................................16 Randbedingungen der Simulation ..............................................................................................................20 5 Optimierung Baukörper ...................................................................................................................21 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.2 5.3 5.3.1 5.3.2 5.4 5.4.1 5.5 5.5.1 5.6 5.7 5.8 Modellbildung...............................................................................................................................................21 Beschreibung der thermische Zonen im TRNSYS-Modell .........................................................................24 Nutzungszeiten ............................................................................................................................................26 Innere Lasten ...............................................................................................................................................28 Lüftung ........................................................................................................................................................28 Variantenvergleich zur Optimierung des Gebäudes .................................................................................29 Analyse des ersten Grundmodells E000 .....................................................................................................30 Reduzierung des Kühlenergiebedarfs – Bürobereich ..................................................................................30 Verringerung des Heizenergiebedarfs im Seminar- und Labor-/Entwicklungs-bereich .............................44 Entwicklung des Modells E100 aus der Variantenuntersuchung E000...................................................47 Verringerung des Kühlenergiebedarfs - Ausstellungsbereich .....................................................................48 Entwicklung des Modells E200 aus der Variantenuntersuchung E100...................................................55 Optimierung des Kühlenergiebedarfs im Seminarbereich...........................................................................55 Entwicklung des Modells E300 und E400 ..................................................................................................58 Entwicklung des Modells E500 aus der Variantenuntersuchung E400...................................................59 Darstellung der Entwicklung des Simulationsmodells..............................................................................62 Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite III 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 6 Tageslichtkonzept ..............................................................................................................................63 6.1 6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4 6.1.5 6.1.6 6.1.7 6.2 6.2.1 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.4 6.5 6.5.1 6.5.2 6.5.3 6.5.4 6.6 6.6.1 6.6.2 6.6.3 6.6.4 6.6.5 6.6.6 6.7 Büroräume ....................................................................................................................................................63 Raumhöhe/Neigung der Außenwand...........................................................................................................63 Fensterfläche................................................................................................................................................64 Verglasungseigenschaften ...........................................................................................................................65 Oberlichter...................................................................................................................................................67 Thermischer Sonnenschutz..........................................................................................................................68 Blendschutz .................................................................................................................................................71 Jahresbetrachtung Büroräume .....................................................................................................................72 Flure in den Büroflügeln..............................................................................................................................74 Lichtdurchlässe in der Zwischendecke........................................................................................................74 Ausstellungsfläche ........................................................................................................................................75 Verglasungseigenschaften ...........................................................................................................................75 Sonnenschutz...............................................................................................................................................75 Blendschutz .................................................................................................................................................75 Seminarräume ..............................................................................................................................................76 Labor- und Entwicklungsbereich ...............................................................................................................77 Modellbildung .............................................................................................................................................77 Modell der anidolisch optischen Decke.......................................................................................................78 Verglasungseigenschaften ...........................................................................................................................80 Nicht weiter untersuchte Tageslichtsysteme ...............................................................................................80 Simulationsergebnisse im Labor- und Entwicklungsbereich ...................................................................81 Parameterstudien im Labor- und Entwicklungsbereich...............................................................................81 Verglasungseigenschaften ...........................................................................................................................82 Transparente Anbindung an die Ausstellung...............................................................................................82 Balkon vor den Seminarräumen ..................................................................................................................83 Anidolisch optische Decke ..........................................................................................................................84 Empfehlung zu den tageslichtoptimierenden Maßnahmen..........................................................................88 Tageslichtoptimierte Zonen.........................................................................................................................88 7 Konzept zur technischen Gebäudeausrüstung ...............................................................................89 7.1 7.1.1 7.1.2 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.3 7.3.1 7.3.2 7.4 7.5 Nutzenübergabe Heizung.............................................................................................................................90 Büros ...........................................................................................................................................................90 Übriges Gebäude .........................................................................................................................................90 Lüftung ..........................................................................................................................................................91 Büroräume ...................................................................................................................................................91 Freie Lüftung in den Bürofluren und der Ausstellung.................................................................................91 Seminarräume und Labor- Entwicklungsbereich ........................................................................................91 Wärmerückgewinnung aus der Abluft .......................................................................................................92 Wärmetauscher ............................................................................................................................................92 Wärmepumpe ..............................................................................................................................................92 Erdwärmetauscher.......................................................................................................................................95 Sensitivitätsanalyse der einzelnen TGA-Maßnahmen ..............................................................................98 8 Bedarfsgerechte Raumregelung .....................................................................................................100 8.1 8.2 8.3 8.4 Tageslichtsystem bzw. Sonnenschutz........................................................................................................100 Kunstlicht ....................................................................................................................................................101 Nutzenübergabe Heizsystem......................................................................................................................102 Lüftungsanlage Seminar / Abluftanlage in den Büros ............................................................................102 Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite IV 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 8.5 8.6 Schlussbericht Aktive Kühlung der Büros.........................................................................................................................103 Zentrale Netzfreischaltung in den Büroräumen......................................................................................103 9 Aufwände und sommerliche Behaglichkeit „TK3-Werte“ ..........................................................104 9.1 Referenzenergiebedarf bzw. „Heizenergiebedarf“..................................................................................105 9.2 Bedarfsentwicklung und TK3-Grenzwerte ............................................................................................106 9.3 Sommerliche Behaglichkeit .......................................................................................................................109 9.3.1 Büroräume .................................................................................................................................................110 9.3.2 Büroflur .....................................................................................................................................................113 9.3.3 Ausstellung................................................................................................................................................114 9.3.4 Seminarräume /Labor und Entwicklungsräume ........................................................................................116 10 Zusammenfassung ...........................................................................................................................117 11 Ausblick Integrale Planung ............................................................................................................118 Literatur Anhang A1 ..................................................................................... Wärmeschutznachweis G.I.T. und Gästehaus A2 ......................................................................................... Strombedarf TGA, Strombedarf Kunstlicht A3 .................................................. Vergleich der Anlagenkonzepte Standard- und Deckeninselvariante A4 ........................................................................Randbedingungen der Jahresbetrachtung, TK3-Werte A5 ........................................................ Simulationseingabedateien (Gebäudedatei und Kopplungsdatei) Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite V 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: INTESOL- Navigator mit den Kontextbereichen des G.I.T-Projekts ............................................... 2 Abbildung 2: Konzeptstudie zur Form und Ausrichtung des Baukörpers............................................................. 11 Abbildung 3: Erstes Modell aus dem Architektenwettbewerb.............................................................................. 11 Abbildung 4: Flächenaufstellung in Abhängigkeit der Orientierung .................................................................... 12 Abbildung 5 Angepasstes Gebäudemodell ........................................................................................................... 13 Abbildung 6: Darstellung des Simulationsklimas für die Außenluft, Globalstrahlung und die diffuse Strahlung in Tages-Jahres-Diagrammen......................................................................................... 20 Abbildung 6a: Benennung der thermische Zonen im TRNSYS-Modell für das Beispielprojekt.......................... 22 Abbildung 7: Belegungsprofil für den Bürobereich (wochentags) ....................................................................... 26 Abbildung 8: Belegungsprofil für den Seminarraum (wochentags)...................................................................... 27 Abbildung 9: Belegungsprofil für den Labor-/Entwicklungsbereich (wochentags).............................................. 27 Abbildung 10: Außenlufttemperaturen und operative Raumtemperaturen des Grundmodells E000 für die Zone 211 (östlicher Bürobereich im 2. OG.) und Zone 210 (Büroflur im 2. OG). ....................... 31 Abbildung 11: Auswirkung veränderter Glasflächenanteile im Dach des Büroflurs (Zone 211) auf das energetische Verhalten des Gebäudes in der Optimierungsstufe ................................................... 32 Abbildung 12: Variation der Qualität der Dachverglasung (Zone 210) Dach....................................................... 33 Abbildung 13: Variation des volumenbezogenen Außenluftstroms innerhalb der Nutzungszeit (erhöhte Taglüftung) ..................................................................................................................... 34 Abbildung 14: Variation des volumenbezogenen Außenluftstroms außerhalb der Nutzungszeit (erhöhte Nachtlüftung) – Zone 210 ............................................................................................ 5-36 Abbildung 15: Variation des volumenbezogenen Außenluftstroms außerhalb der Nutzungszeit (erhöhte Nachtlüftung) – Zone 210 ............................................................................................ 5-36 Abbildung 16: Variation der Fensterfläche in den Büros...................................................................................... 37 Abbildung 17: Feststehender Sonnenschutz an den südlichen Fensterbändern im Bürobereich........................... 38 Abbildung 18: Gesteuerter Sonnenschutz an den Bürofenstern............................................................................ 39 Abbildung 19: Geregelter Sonnenschutz an den Bürofenstern. ............................................................................ 40 Abbildung 20: Variation des volumenbezogenen Außenluftstroms innerhalb der Nutzungszeit (erhöhte Taglüftung). .................................................................................................................... 41 Abbildung 21: Variation des volumenbezogenen Außenluftstroms außerhalb der Nutzungszeit (erhöhte Nachtlüftung) .................................................................................................................. 43 Abbildung 22: Variation des volumenbezogenen Außenluftstroms außerhalb der Nutzungszeit (erhöhte Nachtlüftung) .................................................................................................................. 43 Abbildung 23: Variation des Wärmedurchgangskoeffizienten des Daches im Seminarbereich ........................... 45 Abbildung 24: Variation Oberlichtgröße im Seminarraum................................................................................... 46 Abbildung 25: Variation der Qualität der Oberlichtverglasung im Ausstellungsbereich...................................... 49 Abbildung 26: Feststehender Sonnenschutz an der südlichen Glasfassade im Ausstellungsbereich EG und 2. OG................................................................................................................................ 50 Abbildung 27: Feststehender Sonnenschutz an der südlichen Glasfassade im Ausstellungsbereich 2. OG. ........ 51 Abbildung 28: Variation des volumenbezogenen Außenluftstroms innerhalb der Nutzungszeit (erhöhte Taglüftung) im Ausstellungsbereich. .............................................................................. 52 Abbildung 29: Variation des volumenbezogenen Außenluftstroms außerhalb der Nutzungszeit (erhöhte Nachtlüftung) im Ausstellungsbereich........................................................................... 54 Abbildung 30: Variation des volumenbezogenen Außenluftstroms außerhalb der Nutzungszeit (erhöhte Taglüftung) im Labor- und Entwicklungsbereich .......................................................... 56 Abbildung 31: Variation des volumenbezogenen Außenluftstroms außerhalb der Nutzungszeit (erhöhte Nachtlüftung) im Labor- und Entwicklungsbereich....................................................... 57 Abbildung 32: Bandbreite des relativen bewerteten Jahresenergiebedarfes in der Zone 212 im 2. Obergeschoss bezogen auf das Modell E500 in Abhängigkeit der inneren Lasten durch Beleuchtung.................................................................................................................................. 60 Abbildung 33: Variation der visuellen und thermische Apertur ........................................................................... 61 Abbildung 34: Darstellung der Entwicklung des Simulationsmodells für das Gesamtgebäude ........................... 62 Abbildung 35: Tageslichtquotient für einen Fensterflächenanteil von 26 % (alt) und 36 % (neu) über der Raumtiefe aufgetragen. .................................................................................................. 64 Abbildung 36: Durchschnittlicher Abminderungsfaktor des Sonnenschutzes in Abhängigkeit der Anbringung . 68 Abbildung 37: Einfluss der unterschiedlichen Schaltkonzepte für den Raum ES08............................................. 72 Abbildung 38: Einfluss des Glasflächenanteils und der Nennbeleuchtungsstärke auf den Strombedarf zur Beleuchtung mit Kunstlicht für den Raum ohne Südverglasung 2S08.............. 73 Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite VI 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Abbildung 39: Position der Lichtdurchlässe im Büroflur ..................................................................................... 74 Abbildung 40: Sonnenschutz mit Überstand zur Lichtlenkung............................................................................. 76 Abbildung 41: Fassade vor dem Labor und Entwicklungsbereich........................................................................ 77 Abbildung 42: Modellbildung der anidolisch optischen Decke ............................................................................ 78 Abbildung 43: Modellbildung Ausstellung und Raum EN02 mit SUPERLINK .................................................. 79 Abbildung 44: Bild einer Light-Pipe..................................................................................................................... 80 Abbildung 45: Tageslichtquotient der Standardvariante....................................................................................... 81 Abbildung 46: Tageslichtquotient bei transparenter Innenwand........................................................................... 82 Abbildung 47: Strombedarf bei transparenter Innenwand im Vergleich zur Standardvariante............................ 83 Abbildung 48: Verlauf des Tageslichtquotienten hinter dem Fenster (Bild links) und hinter der Tür (Bild rechts) über der Raumtiefe. ................................................................................................. 84 Abbildung 49: Tageslichtautonomie des Referenzfalls für eine Nennbeleuchtungsstärke von 300 Lux hinter der Fenstermitte ................................................................................................................. 85 Abbildung 50: Tageslichtautonomie des Referenzfalls für eine Nennbeleuchtungsstärke von 500 Lux hinter der Fenstermitte ................................................................................................................. 85 Abbildung 51: Zonierung des Labor-/Entwicklungsbereichs................................................................................ 86 Abbildung 52: Verbesserung des VCP Werts im Raum EN02 ............................................................................ 87 Abbildung 52a: Tageslichtoptimierte Zonen im Erdgeschoss............................................................................... 88 Abbildung 53: Vereinfachtes Kennlinienfeld des Erdwärmetauschers Heidt ....................................................... 96 Abbildung 54: Einfluss der Erdwärmetauscher auf die sommerliche Behaglichkeit ............................................ 97 Abbildung 55: Anlagenschema im GIT-Siegen Projekt...................................................................................... 104 Abbildung 56: Referenzenergiebedarf der einzelnen Zonen............................................................................... 105 Abbildung 57: Vom Referenzenergiebedarf zum Aufwand an den Wärmeerzeugern nach der Methodik der Bedarfsentwicklung ............................................................................................. 106 Abbildung 58: Anteile der verschiedenen Maßnahmen zur Wärmeerzeugung................................................... 107 Abbildung 59: Aufsummierte Aufwände an Wärme und Strom mit den TK3-Grenzwerten.............................. 108 Abbildung 60: Vergleich der Siegener Wetterdaten mit dem Testreferenzjahren TRY 4 und TRY 11.............. 109 Abbildung 61: Optimierte sommerliche Behaglichkeit in den einzelnen Büroetagen ( Zone E11, 111, 211) .... 110 Abbildung 62: Optimierungspotential nach dem Zeitpunkt der Ausschreibung ................................................. 111 Abbildung 63: Sommerliche Behaglichkeit der Büroräume im Fall des Testreferenzjahres 4 ........................... 112 Abbildung 64: Sommerliche Behaglichkeit in den Bürofluren (Zone E10, 110 und 210).................................. 113 Abbildung 65: Optimierte sommerliche Behaglichkeit in der Ausstellung (Zone E60, 160 und 260)................ 114 Abbildung 66: Sommerliche Behaglichkeit in der Ausstellung im Fall des Testreferenzjahres 4 ...................... 115 Abbildung 67: Optimierte sommerliche Behaglichkeit in den Nordräumen (Seminarraum, Labor- und Entwicklung ............................................................................................................. 116 Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Zusammenstellung der Parameter in der Tageslichtsimulation.............................................................60 Tabelle 2: Technische Daten der Wärmeschutzverglasung....................................................................................66 Tabelle 3: Durchschnittliche Einsparung beim Kunstlicht.....................................................................................86 Tabelle 4: Technische Daten verschiedener Wärmepumpen .................................................................................93 Tabelle 5: Auslegungsdaten und Kostenbewertung der Erdwärmetauscher ..........................................................95 Tabelle 6: Energetische Rangfolge einzelner Einsparungsmaßnahmen .................................................................99 Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite VII 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 1 Schlussbericht Einleitung Innerhalb des zur Verfügung stehenden finanziellen Rahmens soll ein Gebäude entstehen, das den innovativen Charakter der einziehenden Existenzgründer unterstreicht, durch eine flexible Raumaufteilung und Technik viel Platz für Veränderungen lässt und von den Vorteilen der nahen Universität Siegen im Bereich moderner Kommunikationstechniken profitiert. Um einen wirtschaftlichen Betrieb des Gebäudes zu gewährleisten und die hohen TK3 Vorgaben einzuhalten, wird ein solaroptimiertes Gebäude ausgeführt, das durch eine frühzeitig aufeinander abgestimmte Planung sicherstellt, dass die hohen Vorgaben erreicht werden können. Dazu sind die solaren Zustrahlungen zu den gewünschten Zeiten zu maximieren, die energetischen Verluste auf ein Minimum zu reduzieren sowie eine ungewollte Überhitzung im Sommer zu vermeiden. Damit das hohe Einsparpotential während des Betriebs auch genutzt werden kann, ist die Raumregelung bedarfsorientiert auszuführen und so zu planen, dass eine individuelle Anpassung an die Nutzerbedürfnisse schnell vorgenommen werden kann. Dies gewährleistet ein gutes Zusammenspiel zwischen dem Nutzer, dem Gebäude und der Anlagentechnik. Um einen optimalen Planungsablauf sicherzustellen, wird frühzeitig ein interdisziplinäres Planungsteam gebildet, welches eine integrale Zusammenarbeit mit Hilfe moderner Planungswerkzeuge und Verfahren ermöglicht. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 1 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 1.1 Schlussbericht Eingesetzte Planungswerkzeuge In diesem Projekt werden eine Reihe von neu entwickelten Methoden und Werkzeugen eingesetzt. Dazu gehören die Planungsplattform INTESOL /1/, die Bewertung der Nutzenübergabe nach der neuen VDI 2067 Richtlinie, die energetische Gebäudesimulation, die Tageslichtsimulation sowie eine Lebenszyklusbetrachtung auf Gebäudeebene. Planungsplattform INTESOL Als zentrales Planungswerkzeug wird die am Institut für Industrielles Bauen ifib1 in enger Abstimmung mit dem LHR2 und den EB-Ingenieuren entwickelte Planungsplattform INTESOL eingesetzt. INTESOL ist eine Internetanwendung, welche als computerbasierte, ortsunabhängige Arbeitsumgebung die Verknüpfung komplexer Teilaspekte der Bauplanung im Sinne eines integralen Lösungsansatzes technisch ermöglicht und methodisch unterstützt. Die Planungsplattform ist in eine Client-Server Architektur mit http-Protokoll umgesetzt, so dass relativ niedrige Anforderungen an die Arbeitsplatzrechner gestellt werden und eine flexible Nutzung des Werkzeugs ermöglicht wird. Dazu wird die Projektstruktur auf der Softwareoberfläche abgebildet und zentral auf einem Server verwaltet. Die Projektbeteiligten sind über einen Internetzugang an die Plattform angeschlossen und erhalten nach Eingabe ihres Benutzernamens und eines Passworts Zugang zu ihrer virtuellen Arbeitsumgebung, die sie mit den anderen Projektbeteiligten verbindet. Die Arbeitsumgebung wird am Anfang des Projekts entsprechend der spezifischen Erfordernisse eingerichtet und im Laufe der Projektbearbeitung den Erfordernissen angepasst (vgl. Abbildung 1). Abbildung 1: INTESOL- Navigator mit den Kontextbereichen des G.I.T-Projekts 1 2 Institut für Industrielle Bauproduktion, Universität Karlsruhe IKE- Lehrstuhl für Heiz- und Raumlufttechnik, Universität Stuttgart Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 2 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Energetische Gebäudesimulation und Optimierungsverfahren Für die Modellbildung des Gebäudes wird das im Projekt INTESOL entwickelte Kopplungsprogramm OPTIMA verwendet. Hier kann das vom Architekten erstellte CADModell weiter verwendet werden. Derzeit bieten marktübliche CAD-Programme keine geeignete Datenschnittstelle, z.B. nach dem Datenaustauschverfahren VDI 6021 Bl.1 /2/ „Datenaustausch für die thermische Lastberechnung von Gebäuden“ oder nach dem internationalen Verfahren IAI-IFC /3/, an. Mit Hilfe der AutoCad Applikation VECTORPLAN 3D /4/ konnte jedoch ein der VDI 6021 ähnliches Datenaustauschformat erstellt werden. Mit OPTIMA können topologische Gebäudedaten eingelesen, kontextbezogen in einer Datenbank abgelegt und je nach Fragestellung zu einem Gebäudemodell für die energetische Gebäudesimulation mit TRNSYS zusammengestellt und erweitert werden. Das Erstellen des TRNSYS-Eingabefiles mit Hilfe von OPTIMA erfolgt somit weitaus einfacher und effektiver als seither. Fehler bei der Dateneingabe und Inkonsistenzen zwischen den Architektenplänen und dem Gebäudemodell können damit weitgehend vermieden werden. Tageslichtsimulationsprogramm Für den Bereich der Tageslichtsimulation werden verschiedene Programme eingesetzt. Das Programm SUPERLITE /5/ ermöglicht Sensitivitätsanalysen der Fenstereigenschaften (Fensterflächenanteil, Art der Verglasung, Orientierung, Verschattungssystem), der Nutzung (Arbeitszeit, Urlaub), dem Raum (Geometrie, Reflexionseigenschaften der Hüllflächen, Standort) und den Parametern der Beleuchtung (Kontrollstrategie, Nennbeleuchtungsstärke, Lampenart, Leuchtenwirkungsgrad). SUPERLINK /6/ berechnet für die verschiedenen Fälle den jährlichen Aufwand an Strom zur Beleuchtung mit Kunstlicht. Das Programm RADIANCE /7/ wird bei der Auslegung und Dimensionierung von Tageslichtsystemen eingesetzt. Gebäudelebenszyklusbetrachtung /8/ Erst mit der Betrachtung des gesamten Gebäudelebenszyklus wird es möglich, einzelne Aspekte hinsichtlich ihrer Wirkung auf ökologische Indikatoren zu bewerten. Beginnend bei den Vorstufenbelastungen der Produktion der Baustoffe (Herstellung) über den Bauprozess und die Stoff- und Energieverbräuche des Gebäudes im Laufe seiner Existenz bis hin zur künftigen Aufwendung für Abriss und Entsorgung werden die verschiedenen Belastungsgrößen ermittelt und verglichen. Mit dem am ifib entwickelten Softwareprototyp ECOPRO wird das Gebäude und die TGA-Technik modular aufgebaut. Für den Bauprozess werden auf der untersten Stufe existierende Sachbilanzen für Konstruktionsprodukte und Bauleistungen verwendet und mit den Prozessdaten für die vorgelagerten Stufen verknüpft. Daraus lassen sich die wesentlichen beim Bau eingesetzten Elemente erstellen. Das Gebäude selbst wird als Aggregation dieser Elemente dargestellt. Die Erneuerung und der Unterhalt des Gebäudes werden durch vereinfachte Ersatzmodelle abgebildet, die Energieströme der Nutzungsphase werden als entscheidender Faktor ebenfalls berücksichtigt. Die Abbruchphase wird über Berücksichtigung der Entsorgungsprozesse für die verschiedenen Abfallkategorien in die Betrachtung integriert. Diese Berechnung führt letztendlich zu einer Quantifizierung des Ressourcenverbrauchs und der Emissionen, die durch Bau, Nutzung und Entsorgung des Gebäudes entstehen. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 3 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 2 2.1 Schlussbericht Projektbeschreibung Gesamtkonzept "Die Stadt ist ein großes Gebäude und das Gebäude ist eine kleine Stadt." Die Bauaufgabe erfordert ein Gesamtkonzept, das der Gesellschaft für Innovation und Transfer eine architektonische Identifikation (Bau als Kulturträger) verleiht und sich städtebaulich - bei aller Selbständigkeit - in die charakteristischen Wege- und Blickbeziehungen dieses Standortes eingliedert. Das Projekt GIT/GH soll als Vorbild für Bauaufgaben konzipiert und gestaltet werden, deren Anspruch sowohl in ökologischen, ökonomischen als auch in solaroptimierten Konzepten liegt. Dafür ist eine Gestaltung im ganzheitlichen Sinne notwendig, die Integration der Lebens- und Arbeitsqualitäten sowohl materiell als auch formal. Nicht allein die "Funktion" steht im Mittelpunkt, sondern der Mensch in Begegnung mit seiner Umwelt. Es ist ein Baukonzept, das den Bewusstwerdungsprozess im lebendigen Sinne fördern möchte und gleichzeitig allen energetischen, wirtschaftlichen und funktionellen Aspekten höchste Priorität einräumt. Ein Konzept, das durch Rationalität eine wirtschaftliche, solaroptimierte Baustruktur ermöglicht, durch Individualität Variationen im Innenbereich zulässt und durch Funktionalität künftige Anforderungen an eine moderne Büronutzung erfüllt. Ausgangspunkt ist die bauliche Thematisierung und energetische Optimierung der verschiedenen Qualitätsrichtungen (Himmelsrichtungen) dieses Standortes „Am Eichenhang“. Die Gebäudestruktur ist durch den “kreisförmigen” Mittelbau in West-Ostrichtung (5- bis 2geschossig) und die rechtwinklig angegliederten Flügel (1- bis 3-geschossig) in Nord- bis Südrichtung und den tangential angegliederten Nordbau geprägt. Der Baukörper öffnet sich dabei in Richtung Süden. Das Gästehaus orientiert seine Gästezimmer nach Osten auf die Landschaft des Siegerland. Kennzeichnend für den Gebäudekomplex sind die drei Flügel (Bürobereiche) im Südbereich, ein kompaktes Bauvolumen (Labor-/Entwicklungsbereiche und Seminarräume) im Nordbereich, ein vertikal orientiertes Gästehaus und der Haupteingangsbereich im Westen. Als “Zwischenraum” vereinigt die Ausstellungshalle, der eigentliche Bewegungsraum, die unterschiedlichen Bereiche zu einem Gesamtkonzept. Die Freiflächengestaltung umgreift die Flügel zu einem Ganzen und thematisiert gleichzeitig die Trennung. Zwischen den Flügeln entsteht eine Verzahnung von Aspekten und Qualitäten, die kennzeichnend für dieses Konzept sind: die Integration von Mensch, Natur und Technik. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 4 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 2.2 Schlussbericht Äußere Erschließung “Durch welche Pforte wird er kommen?" Verkehrserschließung Die Verkehrserschließung von Parkplätzen, Müllabfuhr, notwendigem Liefer- und Ladeverkehr (Müll, Druckerei, etc.) erfolgen über eine “Planstraße” mit Ein- und Ausfahrt über die Straße „Am Eichenhang“. Besucher- und Behindertenparkplätze werden ebenfalls über die Planstraße erschlossen, um so eine leichte Orientierung und eine kurze Wegebeziehung für den Besucher zu gewährleisten. Der Anlieferverkehr für den Labor- und Entwicklungsbereich erfolgt ebenerdig über den Parkplatz auf der Nordseite. Der heutige Weg in Ost-Westrichtung entlang der vorhandenen Baumreihe wird auch als Zugang des Gebäudes aufgegriffen und durch den Baukörper geführt. Fußläufige Erschließung Die fußläufige Haupterschließung der GIT und des Gästehauses erfolgt ausschließlich über die Planstraße mit Anschluss an die Straße „Am Eichenhang“. Der gesamte fußläufige Verkehr wird über den vorgelagerten Platz in die zentrale Eingangshalle geführt. Besucher betreten das GIT Gebäude und das Gästehaus ebenfalls über den Haupteingang an der Westseite des Gebäudes. Außerdem besteht die Möglichkeit, den vorhandenen ‘Notausgang” des Gästehauses als Eingang zu nutzen, z.B. in der Zeit nach offiziellem Geschäftsschluss der G.I.T. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 5 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 2.3 Schlussbericht Innere Erschließung "Kommen Sie rein, dann können Sie raus schauen“ Die Haupterschließung während der allgemeinen Öffnungszeiten für Besucher, Gäste und Mieter erfolgt über das zentrale Foyer, die Ausstellungshalle. Von hier können alle Geschosse, Bereiche, Säle und Appartements kontrolliert erschlossen werden. Die vertikale Haupterschließung des Gebäudes erfolgt über die zentrale Ausstellungshalle. Von hier kann der Mieter, Nutzer und Besucher alle Bereiche wie Labor- und Entwicklungsbereich im EG, Seminarräume im 1.OG, alle Geschosse der Büroflügel und auch das Gästehaus erschließen. Geschossübergreifende Lichtverhältnisse sowie vielfältige Bewegungsund Blickbeziehungen kennzeichnen die Ausstellungshalle als zentralen “Erlebnisraum”, rhythmisiert durch Lufträume und Lichthöfe. Aufgrund der transparenten Gestaltung ist eine gute Orientierung nach außen möglich. Besucher und Nutzer erleben sowohl aus der Eingangshalle als auch aus der Ausstellungshalle den Übergang von außen nach innen. Neben dieser Haupterschließung sind alle Geschosse Ausstellungshalle unabhängig, intern zugänglich. der Büroflügel, von der Das Gästehaus ist nur über den EG-Bereich zugänglich, weil die Geschosshöhen aus ökonomischen Gründen von denen des Hauptgebäudes abweichen. Neben dieser Haupterschließung sind die folgenden Bereiche zusätzlich von außen erschlossen: - Labor- und Entwicklungsbereich - Gästehaus - Hausanschlussräume Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 6 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 2.4 Schlussbericht Ökologie "Fordere nicht mehr, als du zu geben bereit bist." Ausgangspunkt ist die Doppelnatur des Klimabegriffes und des Energiebegriffes: Ökologie: Der richtige Umgang mit der Energie erzeugt das richtige Umweltklima. Arbeitswelt: Der richtige Umgang mit der (Lebens-) Energie der Menschen erzeugt das richtige, sozialverantwortliche Arbeitsklima. Außer den geforderten selbstverständlichen Maßnahmen sind folgende Aspekte im Gesamtkonzept berücksichtigt: zusätzlich In diesem Gebäude wird versucht, für die zukünftigen Nutzer eine angenehme, gesunde und inspirierende Umgebung zu schaffen. Es soll ein Gebäude entstehen, das dem Menschen dient, in dem der Mensch seine direkte Umgebung nach seinen Wünschen einrichten kann. Dieses bezieht sich sowohl auf die räumlichen Nutzungsmöglichkeiten, das heißt, es werden verschiedenartige Arbeitsräume angeboten, wie auch auf das individuell regelbare Raumbzw. Gebäudeklima. Die Integration verschiedenster ökologischer Maßnahmen im Entwurf kann dabei ein wichtiger Impuls sein, den Bezug des Menschen zu seiner Umgebung zu vergrößern . Durch sichtbare und verständliche Gebäudetechnik wird umweltbewusstes Handeln stimuliert. Installationstechnik kann, wenn sie kreativ gestaltet wird, einen wichtigen positiven Beitrag zu der architektonischen Qualität leisten, anstatt hinter Decken und Wänden sich zu verstecken und dem Nutzer das unbehagliche Gefühl zu verschaffen, keinen Einfluss zu haben und kontrolliert zu werden. Ausgangspunkt ist, dass der Mensch direkten Einfluss auf seine Umgebung ausüben kann. Die Gebäudetechnik wird weitestgehend mit einfachen, natürlichen Systemen gestaltet. Moderne Technik wird dort eingesetzt, wo sie sinnvoll ist. Individuelle Kontrollierbarkeit des Arbeitsplatzes ist integriert mit zentral geschalteten Systemen, um maximale Energiesparung mit optimaler Nutzerzufriedenheit zu kombinieren. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 7 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 2.5 Schlussbericht Flexibilität “Standbein und Spielbein” Der Grundrissorganisation liegt ein Fassadenraster von 3,40 m zugrunde. Durch die tragende Fassadenkonstruktion können die Zwischenwände flexibel gestaltet werden. Die unterschiedlichen Arbeitsformen der einzelnen Bürobereiche in der G.I.T. werden in die neu entwickelte Gebäudeform problemlos umgesetzt. Die Aufweitungen der Flügelbereiche ermöglichen alle Büroformen und erlauben überdies, die durch Wandel und Umstrukturierungen nötigen Grundrissänderungen, ohne Eingriffe in die Tragkonstruktion ändern zu können. Die folgenden Büroorganisationen sind u.a. im G.I.T. vorgesehen: • Konzentrierte Einzeltätigkeit im Zellenbüro • Spontane, projektorientierte Kommunikation in kleinen Einheiten (4-8 Personen) im Gruppenbüro • Zugriff auf abteilungsbezogene Infrastruktur wie Drucker, Fax, Kopierer etc. Die Gebäudestruktur gewährleistet neben höchster Flexibilität Investitionskosten bei Veränderungen durch eine optimale Gebäudetiefe. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 8 auch geringe 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 2.6 Schlussbericht Baubeschreibung Das neue Gebäude der GIT und das Gästehaus der UNI/GH Siegen werden zu einem Ensemble zusammengefasst. Dieses ermöglicht es, ein energieoptimiertes Gesamtkonzept für beide Gebäude umzusetzen. In den Bauteilen der GIT werden Büroflächen, Ausstellungsräume, Labor-/Entwicklungsbereiche und Seminarräume untergebracht. Das Ensemble gliedert sich in vier Teile, die jeweils ihrer Funktion entsprechend orientiert und gestaltet sind. Im Norden die Labor-/Entwicklungsbereiche und Seminarräume, im Osten das Gästehaus, nach Süden die drei Flügel, in denen sich die Büros befinden und nach Westen der Haupteingang, an den sich die Halle mit den Ausstellungsflächen und der Haupterschließung anfügt. Nur ein kleiner Teil des Gebäudes wird unterkellert, um darin die haustechnischen Anlagen unterzubringen. Die notwendigen Parkplatzflächen werden im Norden des Gebäudes auf dem Grundstück angelegt. Erschlossen wird das Gebäude über die Straße “Am Eichenhang”. Der Hauptzugang des Gebäudes liegt ebenfalls nach Westen zu dieser Straße hin. Die Freiflächen werden mit ortstypischen Pflanzen entsprechend den unterschiedlichen Standorten gestaltet. Aus den unterschiedlichen Funktionen ergeben sich verschiedene Geschosshöhen und Geschossigkeiten. So hat das Gästehaus Geschosshöhen von 2,70 m und ist deshalb auch nur im EG von der Halle aus intern zugänglich. Der externe Zugang erfolgt durch einen ebenerdigen Zugang im Osten. Dieses Bauteil ist fünfgeschossig, wobei ein Geschoss in den Hang eingegraben wird. Dies wird durch das im Osten stark abfallende Gelände möglich. Alle anderen Bauteile haben eine Geschosshöhe von 3,4 m bzw. in den oberen Geschossen auch mehr. Sie werden über die zentrale Halle erschlossen bzw. über die in den Flügeln liegenden Treppen. Für das Gästehaus und das GIT steht ein Lift zur Verfügung. Auch in den unterschiedlich genutzten Bauteilen der GIT gibt es verschiedene Geschossigkeiten. So ist in den Büroflügeln der vorderen Bereiche ein Vollgeschoss untergebracht, während sich im nördlichen Ende der Flügel drei Vollgeschosse befinden. Dies wird durch eine stark gegliederte Dachlandschaft möglich, die sich den solaren und funktionalen Gegebenheiten anpasst. Das Bauteil, das die Labor-/ Entwicklungsbereiche und Seminarräume enthält, ist zweigeschossig. Die zentrale Ausstellungs- und Eingangshalle verbindet die unterschiedlichen Bauteile und fasst diese zu einer Gesamtkomposition zusammen. Das Gebäude wird als Ortbetonkonstruktion erstellt, wobei die Außenwände als tragende Wände ausgebildet werden, um im Inneren eine möglichst flexible Aufteilung zu ermöglichen. Innere Trennwände werden als Gipskartonwände ausgeführt bzw. aus Ortbeton, wo dies aus statischen oder brandschutztechnischen Gründen nötig ist. Die unterschiedlichen Neigungen der Außenwände und deren Krümmungen prägen das äußere Erscheinungsbild der Fassaden. Außerdem ist die Ausrichtung der drei Büroflügel zur Sonne hin entscheidend. Diese sind um jeweils 17,5 Grad gegeneinander verschwenkt. Als Material für die Fassaden kommen Glas und Verputz oder, wie bei den Dächern, Metall zur Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 9 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Ausführung. Die Dächer werden teilweise mit Oberlichtern versehen, um eine optimale Belichtung im Inneren zu gewährleisten. Bei den Fenstern und Türen kommen wärmedämmende Bauteile zum Einsatz, die den Anspruch eines solaroptimierten Gebäudes gerecht werden. Diese werden durch unterschiedliche Maßnahmen wie Lamellen, feststehender Sonnenschutz und dgl. verschattet, wo dies notwendig ist. Im Labor- und Entwicklungsbereich sind Lichtlenksysteme vorgesehen, um auch in diesen tiefen Räumen den Lichtertrag zu optimieren. An der Ostfassade werden vor den Gästewohnungen Balkone über die ganze Breite des Gebäudes angeordnet. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 10 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 3 Schlussbericht Vorstudie zum Gebäude und Tageslichtkonzept Die erste Konzeptstudie wird vom Büro Rau & Partners unter dem Aspekt der ganzheitlichen Planung durchgeführt. Dabei wurde ein Optimum zwischen Ort und Zeit sowie Orientierung und Rhythmus angestrebt. Die charakteristische Gebäudestruktur hat sich von der energetisch optimalen Halbkugel, über mehrere Zwischenschritte, zu einem im Norden kompakten und nach Süden geöffnetem Ensemble entwickelt (vgl. Abbildung 3). Abbildung 2: Konzeptstudie zur Form und Ausrichtung des Baukörpers Die Ideen und Ergebnisse der Konzeptstudie führen zum ersten Gebäudemodell, das bei der Architektenselektion den Zuschlag erhielt (vgl. Abbildung 4). Abbildung 3: Erstes Modell aus dem Architektenwettbewerb Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 11 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht In der ersten Optimierungsphase wird die Verschattungssituation der Gebäudebereiche untereinander untersucht, die wärmeübertragenden Außenflächen an den Stellen reduziert, wo es aus ästhetischen Gesichtspunkten möglich ist, sowie der Glasflächenanteil in der Fassade bestimmt. 3.1 Optimierung der Massenverteilung Unter dem Aspekt der solaren Zustrahlung wird vorgeschlagen, den Abstand zwischen den Büroflügeln soweit als möglich zu vergrößern. Dies reduziert die gegenseitige Verschattung der Büroflügel und gewährleistet mehr solare Gewinne durch einen Zugewinn an Südfensterfläche im Ausstellungsbereich. Zu diesem Zweck wurde der Abstand zwischen den Büroflügeln ca. verdoppelt. 3.2 Reduzierung der wärmeübertragenden Außenfläche Die als Membran ausgebildeten Wände der Ausstellung ragen als gestalterisches Element weit aus dem Baukörper heraus. Dies verursacht bei gleichem Gebäudevolumen eine größere wärmeübertragende Außenfläche und somit höhere Transmissionsverluste. Soweit es unter ästhetischen Gesichtspunkten vertretbar erscheint, werden die Überstände dieser beiden Wände verkleinert, was sich in einem verbesserten Verhältnis der wärmeübertragenden Außenflächen zum Gebäudevolumen bemerkbar macht. 3.3 Analyse der Flächenverteilung Die Analyse der Flächenverteilung ergab ein Maximum der transparenten Außenbauteile im Nordosten und im Süden (vgl. Abb. 4). Die großen Fensterflächen im Nordosten sind im Gästehaus in einer vollflächig verglasten Fassade angeordnet. Da im Wohnbereich ein maximaler Fensterflächenanteil im Nordosten nur einen geringen Nutzen verspricht wurde vorgeschlagen, diesen unter 40% zu reduzieren. Die großen Fensterflächen im Seminar- und Labor-/Entwicklungsbereich im Norden, Nordwesten und Nordosten wurden im Planungsverlauf zur Verbesserung des mittleren Wärmedurchgangskoeffizienten auf einen Flächenanteil von ca. 50% reduziert. Dies stellt einen Wert dar, der im frühen Planungsstadium als ein Optimum zwischen Wärmeverlusten und Tageslichtgewinn angesehen werden kann. Abbildung 4: Flächenaufstellung in Abhängigkeit der Orientierung Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 12 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 3.4 Schlussbericht Vergrößern der südlichen Fensterflächen in den Büroflügeln Um die solare Zustrahlung weiter zu optimieren, wurde angeregt, in den Büroflügeln südlich orientierte Glasflächen einzubringen. 3.5 Angepasstes Gebäudemodell Ergebnis der ersten Optimierungsstufe auf Gebäudeebene ist das in Abbildung 5 gezeigte angepasste Gebäudemodell. Gut zu erkennen ist der größere Abstand zwischen den Büroflügeln, die kleiner gewordenen Membranwände im Außenbereich sowie die hufeisenförmigen Glasstreifen in den Büroflügeln zur Vergrößerung der südlichen Fensterflächen. Abbildung 5 Angepasstes Gebäudemodell Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 13 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 4 Schlussbericht Konzeptentwicklung Zu Beginn der integralen Planung wurden in einem Brainstorming die Ideen und Vorschläge der verschiedenen Teammitglieder gesammelt und in einem Maßnahmenkatalog zusammengefasst. Diese sind bei der weiteren Konzeptentwicklung in Betracht zu ziehen und auf ihre Realisierbarkeit zu überprüfen. Für die eigentliche Bewertung wird zu Beginn der Planung eine Reihe von Zielen und Kriterien definiert, die später zur Bewertung herangezogen werden können. Im Anschluss daran werden ein Pflichtenheft erstellt und die Randbedingungen festgelegt. 4.1 Maßnahmenkatalog Die unterschiedlichen Vorschläge sind in einem Maßnahmenkatalog zusammengefasst: A Verbesserung der Umfeldbedingungen des Gebäudes 1 Oberflächenversieglung reduzieren 2 Einsatz von Dachbegrünung 3 Regenwasserversickerung / Regenwassernutzung B Auswahl von Konstruktionen 1 Demontierbarkeit von Konstruktionen 2 Baumasse zur Wärmespeicherung 3 Keine geschlossenen abgehängten Decken C Optimierung der Tageslichtnutzung 1 Grundrissanordnung und Zonierung 2 Tageslicht orientierte Raumtiefen 3 Zonale Steuerung der Beleuchtung 4 Verglasung mit hoher Lichtdurchlässigkeit 5 Lichtlenkende Maßnahmen 6 Blendenfreie Bildschirmarbeitsplätze 7 Reduzierung des elektrischen Energiebedarfs D Passive Nutzung von Solarenergiegewinnen 1 Solaroptimierte Grund- und Aufrissgestaltung 2 Optimierung der Solargewinne durch Fenster 3 Variable Verschattungsmöglichkeiten E Reduzierung von Wärmeverlusten 1 Luftdichte Umfassungsflächen 2 Unbeheizte Windfänge 3 Fensterlüftung in der Übergangszeit 4 Bedarfsabhängige Luftwechselzahlen 5 Teilweise Lüftungswärmerückgewinnung 6 Nutzung von internern Gewinnen 7 Frischluftanwärmung in Pufferzonen 8 Kompakte Gebäudeform 9 Gebäudehülle mit hohem Wärmeschutzstandard F Optimierung von sommerlichem Wärmeschutz/Passivkühlung 1 Thermischer Sonnenschutz 2 Freie Lüftung 3 Aktivierung der thermischen Massen G Anlagenkonzept 1Bedarfsgerechte Anlagentechnik 2 Nutzergerechtes Regelkonzept 3 Möglichkeiten zur Wärmerückgewinnung ausschöpfen Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 14 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 4 Aktive Kühlung vermeiden H Aktive Nutzung von Solarenergie 1 Warmwasserbereitung/Heizungsunterstützung 2 Frischluftvorverwärmung durch Luftkollektoren 3 PV Zentrale I Auswahl von Materialien 1 Umwelt- und gesundheitsverträgliche Bauprodukte und Baustoffe 2 Recycling-Materialien und Recyclingfähige-Materialien 3 Materialien mit günstigen thermischen Eigenschaften J Abfallkonzept 1 Abfalltrennung und optimale getrennte Entsorgung K Ganzheitliches Brandschutzkonzept 4.2 Zieldefinition und ko-Kriterien Vor der eigentlichen Optimierung werden gemeinsam die Ziele festgelegt, mit deren Hilfe die unterschiedlichen Ansätze bewertet werden können. Allgemeine Ziele 1. Flexible Raumnutzung 2. hohe ästhetische Ansprüche an die Architektur 3. Einsatz innovativer Komponenten 4. Ökologisch sinnvolle Materialauswahl 5. niedrige Energiebedarfswerte des Gebäudes 6. bedarfsgerechte Raumregelung 7. wirtschaftliche Betriebsweise Ko-Kriterien 1. Einhaltung des Gesamtbudgets 1. Gebäudeentwurf mit einem Jahresheizwärmebedarf von 50 % unter dem Grenzwert der aktuellen Wärmeschutzverordnung 2. Referenzenergiebedarf für das Gebäude inkl. Nutzung < 40 kWh/m²a 3. Summe der thermischen und elektrischen Aufwände < 70 kWh/m²a 4. Summe der CO2 bewerteten Aufwände < 100 kWh/m²a 5. Gewährleistung der sommerlichen Behaglichkeit ohne aktive Kühlung Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 15 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 4.3 Schlussbericht Pflichtenheft In dem Pflichtenheft sind die Anforderungen an die Nutzung, die Anforderungen an die thermische Behaglichkeit und sonstige Vorgaben an die einzelnen Räume bzw. Zonen in einer Art „Raumbuch“ eingetragen. Die Vorgaben werden parallel zum Planungsstand konkretisiert und detailliert. Im weiteren Planungsverlauf dienen sie als Vorgaben für die Randbedingungen der Simulation und der Auslegung und Auswahl von Anlagen. In der Inbetriebnahme- und der Abnahmephase dienen die festgeschriebenen Vorgaben an die Nutzung und die thermische Behaglichkeit als „Abnahmemaß“ für die installierte Anlagentechnik. Darauf aufbauend können dann Optimierungsstrategien für die Betriebsführung konkretisiert und umgesetzt werden. Das „Pflichtenheft Heizung“ beschreibt die Vorgaben und Anforderungen zur Konzeption und Auswahl von Heizflächen in den genutzten Räumen. Das „Pflichtenheft Nutzung“ beschreibt die Vorgaben und Anforderungen für die Nutzung des Gebäudes und der Räume. Die Angaben dienen als Randbedingungen für die Simulationen. Das „Pflichtenheft Tageslicht“ beschreibt die Vorgaben und Anforderungen an die Beleuchtungsstärke und den Sonnen- und Blendschutz in den verschiedenen Nutzungs- und Aufenthaltsbereichen des Gebäudes. Die Angaben dienen als Randbedingungen für die Tageslichtsimulation. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 16 von bis 7 - 18 7 - 18 7 - 18 nach Anwesenheit wie Flur 7 - 18 7 - 18 nach Anwesenheit nach Anwesenheit 0-24 in W - - - - - - - - - - Bereich Flur Empfang Hauptflure Flure in den Flügeln Büro Kopieren Teeküche WC Produktion Seminar F Anwesenheit - - Küche Bad 24 20 20 20 15 20 20 20 20 18 - 20 18 - 20 22 ϑ i,a in °C stützung Unter- Unterstützungstemp. Unterstützungstemp. 15 Unterstützungstemp. 15 15 wie Flur ϑ Αbsenk in °C Innentemperatur 3 2 3 3 3 2 2 wie Flure 3 2 2 3 - max. sensible Bereiche max. max. max. sensible Bereiche sensible Bereiche max. sensible Bereiche sensible Bereiche max. - Behaglichkeitszone 5) wie Flure Anforderungsstufe 4) Behaglichkeitsvorgaben Schlussbericht Ja Ja Ja Ja Ja Ja Nein Ja nein Ja Nein - Stufe 1: keine Beseitigung von Behaglichkeitsdefiziten (nur Deckung der Normheizlast) Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 17 5) Teil des beheizten Raumes, in dem die Anforderung unter 4) erfüllt ist Handtuchhalter Erwärm. v. Außenluft Erwärm. v. Außenluft Erwärm. v. Außenluft Erwärm. v. Außenluft Erwärm. v. Außenluft Erwärm. v. Außenluft z.B. Geländer z.B. Geländer evtl. el FB-Hzg - Zusatznutzen sonst. Vorgaben Aufheizreserve 4) Stufe 3: keine Behaglichkeitsdefizite in 5) spürbar; Stufe 2: nur Strahlungsausgleich in 5) hergestellt (Behaglichkeitsdefizit durch Kaltluftabfall an kalten Umfassungsflächen wird akzeptiert); 3) bei mechanischer Lüftung (m) zusätzliche Informationen zum Zuluftstrom in m³/h; sonst nur m oder F (freie Lüftung) angeben 2) Grenze zwischen niedrig und hoch : Innenlast/Normheizlast > 0.2 1) nach Rechnung oder geschätzt: 65 W/m² für Räume mit einer Außenwand, 105 W/m² für Naßräume oder Räume mit mehreren Außenwänden (Werte abgestimmt auf WSVO 95) m/F F nach - Schlafen F F m/F m/F m F m m/F F F F - - hoch mittel hoch hoch - Lüftungsart 3) Wohnen Treppenhaus Gästehaus - - - Raumart Heizzeiten Bezeichnung Ebene innere Lasten 2) Nutzung Normheizlast 1) Raumbuch Projekt: TK 3 Gebäude: GIT Siegen Version: Vorplanung V02 Pflichtenheft Heizung 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Seminar Gästehaus 140/240 U30/ E30/ 130/ 230/ 330 Rau & partners Amsterdam Generalplaner Produktion E40 - - 6 -22 nach Anwesenheit nach Anwesenheit 7 - 18 - WC 161 - 7 - 18 - Teeküche 162 7 - 18 7 - 18 Büro 7 - 18 7 - 18 7 - 18 211-212 111-112 - - 210 E11-E13 Flure in den Flügeln 7 - 18 110 E10 7 - 18 7 - 18 von bis Heizzeit Mo-Fr 7 - 18 in W Normheizlast 260 160 Empfang/ Hauptflure - - E60 Bezeichnung TK 3 GIT Siegen Zonen Projekt: Gebäude: Pflichtenheft Nutzung 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 5,0 22-6 6-9 9-12 12-14 14-17 17-22 Seite 18 5,0 5,0 nach Anwesenheit nach Anwesenheit 5,0 5,0 8-13 13-14 14-18 8 - 18 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 Personen W/m² 8-13 + 14-18 8-13 + 14-18 8-13 + 14-18 8-13 + 14-18 8-13 + 14-18 8-13 + 14-18 8-13 + 14-18 8-13 + 14-18 8-13 + 14-18 von bis Innenlastprofil Mo-Fr Nutzung 11 1,10 1,49 0,46 1,19 0,46 1,99 6,20 8,46 2,59 6,77 2,59 11,30 11 5,0 (10,0) 5,0 (10,0) 7,5 (11,0) 7,5 (11,0) 7,5 (11,0) 5,0 (10,0) 5,0 (10,0) 5,0 (10,0) 2,2 15 - 5,0 15 15 15 11,5 11,5 11,5 20 max. bei T > 22 (Hysterese) Mo Di Mi Do Fr 2,5 1,5 0,0 1,5 0,0 2,5 0,197 0,39 0,39 0,197 0,588 0.114 0,5 20 20 20 0,5 (ausgenommen Absaugung) 40-50 m³/Pers./h 20 4,0 20 0,0 5,0 0,0 0.3 20 0.5 20 18 18 18 18 18 18 ϑi,a in °C 15 16 16 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 ϑΑbsenk in °C Innentemperatur 40m³/per für T < 24 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 1/h Lüftung Behaglichkeitsvorgaben 0.114 0.114 0.114 (0,0023) (0,0025) (0,0026) (0,0011) 5,0 (10,0) - (0,0017) Pers./(Bel.h*m²) Belegung - 5,0 (10,0) Licht W/m2 (0,0011 bei 0% Seminarraum) 5,0 (10,0) (0,0060 bei 100% Seminarraum) - Geräte W/m2 innere Lasten (konv. 0.6 / rad. 0.4) Schlussbericht 0 0 1 2 von bis 7 - 18 7 - 18 7 - 18 - Empfang Hauptflure Flure in den Flügeln 0 2 Rau & partners Amsterdam Generalplaner 3) 2 Farbtemperatur ww=warmweiß, nw=naturweiß Seite 19 2) Fensterorientierte Büroarbeitsplätze nach DIN 5035 300 Lux ansonsten 500 Lux 1) Anforderungsstufe 0 niedrig, 1 mittel, 2 hoch nach Anwesenheit Seminar 0 7 - 18 nach Anwesenheit WC Produktion 0 7 - 18 Teeküche 0 nach Anwesenheit nach Anwesenheit Büro Kopieren Bezeichnung Anforderungszeit Nutzung Schlussbericht ja - - - - teilweise - - - - Verdunkelt 300*/500 300*/500 100 200 300*/500 100 100 200 Lux 2) ww, nw ww, nw 2 2 0 0 ww, nw ww, nw 1 2 1 0 ww, nw ww, nw ww, nw ww, nw 1 ww, nw Sonnenschutz 1) Farbtemp 3) Beleuchtugsstärke Anforderungen an den visuellen Komfort nach Bildschirmarbeitsplatzverordnung, DIN 5034 und 5035 Tageslichtoptimierung 1) Raumbuch Projekt : TK 3 Gebäude: GIT Siegen Version : Vorplanung V01 Pflichtenheft Tageslicht / Kunstlicht 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 2 2 0 0 1 2 1 1 1 - Blendschutz 1) 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 4.4 Schlussbericht Randbedingungen der Simulation Das Gebäude befindet sich 300 m über dem Meeresspiegel auf dem 50,9 nördlichen Breitengrad bei 8° östlicher Länge. Der Baukörper liegt an einem nach Osten abfallenden Hang. Im Westen oberhalb des geplanten Gebäudes besteht eine Bebauung, die den Baukörper in den Abendstunden verschattet. Nach Osten zum Tal, nach Süden und Norden ist das Gebäude nicht verschattet. Auf Wunsch des Bauherrn wird bei den Randbedingungen zur Simulation nicht wie üblich auf das entsprechende Testreferenzjahr zurückgegriffen, sondern auf Messwerte aus dem Siegener-Raum. Diese werden vom Fachgebiet Bauphysik & Solarenergie für die Jahre 1995, 1996 und 1997 zur Verfügung gestellt. Zur Berücksichtigung der ungünstigen Extrembedingungen wird auf Wunsch des Bauherrn für den Winterfall eine Messreihe mit geringen Einstrahlwerten und niedrigen Außenlufttemperaturen (1996) und für die sommerliche Periode Daten mit hohen Außenlufttemperaturen und großer solarer Einstrahlung zu Grunde gelegt (1995). Die Datenbasis setzt sich zusammen aus Messwerten der Station am Standort Paul-Bonatz-Straße (Institut für Energietechnik), ergänzt um Messwerte für Lufttemperatur, Direkt- und Diffusstrahlung aus der Datenbasis des Standorts Adolf-Reichwein-Straße (vgl. Abbildung 6). Die fehlenden Messwerte der relativen Luftfeuchte wurden errechnet oder sinnvoll ergänzt. Ein Vergleich der Siegener Wetterdaten mit den Daten aus den Testreferenzjahren 4 und 11 vom deutschen Wetterdienst ist im Anhang 4 dargestellt. Abbildung 6: Darstellung des Simulationsklimas für die Außenluft, Globalstrahlung und die diffuse Strahlung in Tages-Jahres-Diagrammen. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 20 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 5 Schlussbericht Optimierung Baukörper Die Optimierung des Baukörpers stammt aus der frühen Planungsphase und ist im Wesentlichen einer Diplomarbeit, die in Kooperation zwischen dem Lehrstuhl für Heiz- und Raumlufttechnik und dem Fraunhofer-Institut für Bauphysik an der Universität Stuttgart durchgeführt wurde, entnommen /9/. 5.1 Modellbildung Vorüberlegungen zur Untersuchung des thermischen Gebäudeverhaltens ergeben, dass das Gebäude als Gesamtheit verstanden werden muss. Die Wechselwirkung der verschiedenen Gebäudebereiche untereinander bestimmen wesentlich das thermische Verhalten in den einzelnen Räumen. Auf der anderen Seite sind der Modellierung des Gebäudes durch die Begrenzung des Simulationsprogrammes auf 25 thermische Zonen Grenzen gesetzt. Zur Modellierung des Gebäudemodells werden Räume gleicher Nutzung und ähnlicher Randbedingungen zu einer thermischen Zone zusammengefasst. Es werden nur Räume auf dem gleichen Geschoss zu Zonen vereinigt. Da das thermische Verhalten der Bürobereiche in Abhängigkeit von der Orientierung untersucht werden soll, werden die östlichen und die westlichen Büroräume innerhalb eines Büroflügels als getrennte Zonen betrachtet. Weil eine weitere Reduzierung der thermischen Zonen notwendig ist, wird stellvertretend für die drei Büroflügel nur der mittlere Büroflügel im Modell abgebildet. Für die Parametervariation wird dabei angenommen, dass sich die Flügel trotz der unterschiedlichen Verschattungssituation und der geringfügig anderen Orientierung gleichartig verhalten. Die Teeküche und die Sanitärbereiche werden nur im 1. Obergeschoß modelliert und die berechneten Raumtemperaturen als Randbedingungen in den anderen Geschossen angesetzt. Die Anbindung des Hauptgebäudes an das Gästehaus wird als thermisch neutral angesetzt und das Gästehaus in dieser Arbeit nicht untersucht. Der Seminarraum erstreckt sich über zwei Geschosse, der Aufenthaltsbereich wird in Zone 140 und der Dachbereich in Zone 240 abgebildet. Durch die horizontale Teilung des Raumes in zwei Zonen kann die Luftschichtung im Modell angenähert berücksichtigt werden. Die modellierte Zonierung ist auf der folgenden Seite dargestellt. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 21 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Erdgeschoss ZoneE40 ZoneE60 ZoneE13 ZoneE11 ZoneE10 ZoneE12 1. Obergeschoss Zone140 Zone160 Zone162 Zone161 Zone112 Zone111 Zone110 2. Obergeschoss Zone240 Zone260 Zone212 Zone211 Zone210 Abbildung 6a: Benennung der thermische Zonen im TRNSYS-Modell für das Beispielprojekt Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 22 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Orientierungen Zur Berechnung der solaren Einstrahlung auf die Bauteile des Gebäudemodells wird jedem Außenbauteil eine Orientierung zugeordnet. Um das Simulationsmodell zu vereinfachen, werden die Orientierungen so zusammengefasst, dass das gesamte Gebäude mit 20 Orientierungen abgebildet werden kann. Da das Simulationsprogramm die Einstrahlwerte nicht pro Fensterfläche, sondern pro Orientierung berechnet, müssen Flächen gleicher Orientierung aber unterschiedlicher Verschattungssituation unterschiedliche Orientierungen zugeordnet werden. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 23 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 5.1.1 Schlussbericht Beschreibung der thermische Zonen im TRNSYS-Modell Bürobereich (Zonen E11-E13, 111-112 und 211-212) Die Einteilung der Bürobereiche soll weitgehend flexibel möglich sein. Um nachträgliche Umbauten zu ermöglichen, sollen die Bürotrennwände nichttragend ausgeführt werden. Der Flur in den Büroflügeln soll als notwendiger Fluchtweg dienen. Die Flurwände werden daher aus feuerschutzrechtlichen Gründen in Brandschutzklasse F90 ausgeführt. Für das statische System sind durch die nichttragenden Bürotrennwände schwere tragende Außen- und Flurwände erforderlich. Die Geschosstrenndecken sind als Beton-Estrich-Aufbau geplant. Eine abgehängte Decke soll in den Büros nicht eingebaut werden. Die Bauteile innerhalb einer Zone werden für die Berechnungen als interne Speichermassen angesetzt. Für die Fenster des gesamten Gebäudes wird zunächst eine einheitliche Verglasungsqualität vorgesehen. Als erster Ansatz wird eine Dreifachverglasung mit einem Wärmedurchgangskoeffizienten von 0,87 W/m²K und einem Gesamtenergiedurchlassgrad von 0,57 gewählt. In den Büroräumen sind Fenster von ca. 3,2 m² pro Arbeitsplatz vorgesehen; zusätzlich sind vertikale Fensterbänder in den südlichen Flächen an den Wandversätzen eingeplant. In den Zonen 211 und 212 soll nach dem Architektenentwurf der südliche Giebel vollflächig verglast werden. Flur in den Büroflügeln (Zonen E10, 110 und 210) Die Flure in den Büroflügeln sind im Wesentlichen von Innenwänden zum Ausstellungsbereich und zu den Büros, Sanitärräumen und zu der Teeküche begrenzt. Im Erdgeschoss führt ein Gang als Fluchtweg direkt nach draußen, hier ist innerhalb des Fensterbandes, das sich über alle Bürogeschosse erstreckt, eine Fluchttür integriert. Der Fußboden im Erdgeschoss grenzt an Erdreich, die Dachfläche im 2. Obergeschoss ist zu 37 % verglast, die restliche Dachfläche ist opak mit einem hohen Wärmedämmwert ausgeführt. Im Architektenentwurf sind die südwestlichen und südöstlichen Giebelflächen im 2. Obergeschoss vollflächig verglast. Teeküche und Sanitärraum (Zonen 161 und 162) Die Teeküche und der Sanitärbereich werden mit den gleichen Bauteilen wie die Bürobereiche modelliert. Die Anbindung an den Ausstellungsbereich erfolgt über schwere, opake Innenwände. Ausstellungsbereich (Zonen E60, 160 und 260) Der Ausstellungsbereich liegt zentral im Gebäude. Er wird durch opake Innenbauteile von den Büroflügeln, dem Labor-/Entwicklungsbereich und Seminarbereich und vom Gästehaus getrennt. Für die großflächigen transparenten Außenbauteile im Westen, Osten und Süden wird im ersten Ansatz eine Dreifachverglasung, die der Verglasung im Bürobereich entspricht, gewählt. Die Geschosstrenndecke ist als Beton-Estrich-Aufbau geplant. Der Fußboden Aufbau zum Erdreich ist teilweise als Doppelboden angelegt, um die notwendigen Installationen unterzubringen. Etwa 15 % der Dachfläche im 2. Obergeschoss sind als Oberlicht ausgeführt, für die restliche Fläche ist ein hoher Wärmedämmwert vorgesehen. Labor- und Entwicklungsbereich (Zone E40) Der Labor- und Entwicklungsbereich liegt im Erdgeschoss im nördlichen Bereich des Gebäudes. Der 300 m² große Raum wird mit leichten Trennwänden in vier Abschnitte geteilt. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 24 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Zum Ausstellungsbereich wird der Labor-/Entwicklungsbereich durch eine schwere tragende opake Innenwand abgegrenzt. Die Nordfassade ist zu ca. 50 % verglast, die andere Hälfte der Fläche wird in schwerer Bauweise ausgeführt. Die Geschosstrenndecke zum Seminarraum ist als Beton-Estrich-Aufbau ohne abgehängte Decke geplant. Seminarbereich (Zonen 140 und 240) Im 1. Obergeschoss über dem Labor-/Entwicklungsbereich liegt der Seminarbereich. Dieser Bereich beinhaltet einen Seminarraum, der mit leichten Trennwänden in bis zu drei Teilräume unterteilt werden kann, und einen Medienbereich, der durch eine schwere Trennwand abgeteilt ist. Der Seminarraum wird wie der Labor-/Entwicklungsbereich durch eine schwere tragende opake Innenwand vom Ausstellungsbereich abgegrenzt. Die Nordfassade ist zu ca. 50 % verglast, die andere Hälfte der Fläche wird in schwerer Bauweise ausgeführt. Die Geschosstrenndecke ist als Beton-Estrich-Aufbau geplant. Den Abschluss nach oben bildet ein leichte geschlossene Dachkonstruktion mit einem hohen Wärmedämmwert. Die im Grundmodell eingesetzten Bauteile sind auf den folgenden Seiten zusammengestellt und mit ihren Bauteileigenschaften beschrieben. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 25 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 5.1.2 Schlussbericht Nutzungszeiten Die für die Simulation anzusetzenden Nutzungszeiten werden für die unterschiedlichen Bereiche des Gebäudes gemeinsam mit dem Bauherren als Planungsvorgaben erarbeitet und im Pflichtenheft Nutzung (siehe Kap. 4) niedergeschrieben. Die Nutzungszeiten in den Nebenräumen werden durch die Belegung in den Nutzzonen (Büroräume, Seminar- und Labor-/Entwicklungsbereich) vorgegeben. Büroräume Für die Büroräume wird eine Belegung von einer Person pro 8 m² Grundfläche angenommen. Innerhalb der Belegungszeit, wochentags von 9 bis 12 Uhr und von 14 bis 17 Uhr, wird eine 100 %-ige Belegung angesetzt. In der Zeit von morgens 8 bis 9 Uhr, abends von 17 bis 19 Uhr wird eine Teilbelegung und über Mittag keine Belegung angesetzt. Außerhalb der Belegungszeit werden keine Innenlasten im Büro angenommen. 100% 80% 60% 40% 20% 0% 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Uhrzeit Abbildung 7: Belegungsprofil für den Bürobereich (wochentags) Flure in den Büroflügeln Für die Belegungszeit in den Fluren zwischen den Büros wird das Belegungsprofil in den Büros angesetzt. Die inneren Lasten sind im Vergleich zu den Büros in diesem Bereich reduziert. Teeküche, Sanitärbereich Der Sanitärbereich und die Teeküche werden vereinfachend in der Simulationsrechnung wie die angrenzenden Büros behandelt. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 26 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Seminarraum Für den Seminarraum wird eine im Wochengang wechselnde Belegung angesetzt. Der Gesamtraum ist für 199 Personen ausgelegt und es wird angenommen, dass er montags und donnerstags zu 33 % (66 Personen), dienstags und mittwochs zu 66 % (132 Personen) und freitags zu 100 % innerhalb der Zeit zwischen 8 und 13 Uhr und zwischen 14 und 17 Uhr belegt ist. 100% Belegung 80% 60% 40% 20% 0% 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 U hrzeit M ontag/D onnerstag D ienstag/M ittwoch Freitag Abbildung 8: Belegungsprofil für den Seminarraum (wochentags) Belegung Labor-/Entwicklungsbereich Die Arbeitszeiten im Labor-/Entwicklungsbereich werden für die Simulationsrechnungen entsprechend der Belegungszeiten in den Büroräumen angesetzt. 100% 80% 60% 40% 20% 0% 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Uhrzeit Abbildung 9: Belegungsprofil für den Labor-/Entwicklungsbereich (wochentags) Ausstellungsbereich Der Ausstellungsbereich wird als Verkehrsfläche zu und von den Nutzungsbereichen (Büroflügel, Gästehaus, Labor-/Entwicklungsbereich und Seminarraum) genutzt. Die Nutzungszeiten werden entsprechend denen im Bürobereich angesetzt. Heizzeiten Die Heizzeit wird einheitlich für das gesamte Gebäude, außer dem Seminarbereich, werktags auf 6 bis 20 Uhr und für den Seminarbereich auf 6 bis 19 Uhr festgelegt. Zu diesen Zeiten werden im Büro-, Seminar-, Labor-/Entwicklungs- und im Sanitärbereich 20 °C und in den Flurbereichen 18 °C gehalten. Als Absenktemperatur in der Zwischenzeit wird im Labor/Entwicklungs- und Seminarbereich 16 °C und im übrigen Gebäude 15 °C zugelassen. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 27 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 5.1.3 Innere Lasten Die Innenlasten setzen sich aus den Energieeinträgen durch Personen, Beleuchtung und der technischen Büroausstattung zusammen. Die Zusammensetzung sowie die Absolutbeträge unterscheiden sich in Abhängigkeit der Nutzung und werden den Räumen nur während der Nutzungszeit zugeführt. Büroräume In den Büroräumen wird mit einer Belegung von einer Person pro 10 m² gerechnet. Eine Person gibt bei sitzender Tätigkeit 100 W ab. Für die inneren Lasten durch die technische Ausstattung wird mit 15 W/m² gerechnet; dies entspricht einer Ausstattung pro Arbeitsplatz mit einem Computer mit Farbbildschirm und einem Drucker. Für die Beleuchtung wird eine Leistung von 7,5 W/m² angesetzt. Dieser Wert entspricht einer sehr energiesparenden Ausstattung für die Beleuchtung. Eine Lichtsteuerung in Abhängigkeit von der Beleuchtung mit Tageslicht ist zur Berücksichtigung eines ungünstigen Nutzerverhaltens in der Grundvariante nicht vorgesehen. Die inneren Lasten wirken nur während der Belegungszeit. Flure in den Büroflügeln In den Fluren im Bürobereich werden als innere Lasten für Geräte und Personen 300 W angesetzt. Dies entspricht etwa dem Wert für ein Kopiergerät und eine Person. Für die Beleuchtung wird mit einer Last von 7,5 W/m² gerechnet. Die inneren Lasten wirken nur während der Belegungszeit. Teeküche, Sanitärbereich Der Sanitärbereich und die Teeküche werden vereinfachend in der Simulationsrechnung wie die angrenzenden Büroräume behandelt. Seminarbereich Im Seminarbereich wird entsprechend der Belegung 100 W pro Person angesetzt. Die Belegungen wechseln im Wochengang zwischen 66, 132 und 200 Personen. Zusätzliche Lasten aus Geräten werden nicht angesetzt. Für die Beleuchtung wird mit 7.5 W/m² bezogen auf die belegte Fläche (abgetrennte Bereiche) innerhalb der Belegungszeit gerechnet. Labor-/Entwicklungsbereich Da die Art der Produktionsstätten in der Planungsphase noch nicht feststeht, wird eine Belastung von 25 W/m² für die Personen und die Geräte angesetzt. Die Beleuchtung wird während der gesamten Nutzungszeit mit 7,5 W/m² berechnet. Ausstellung Im Ausstellungsbereich werden 7,5 W/m² innerhalb der Belegungszeit für die Beleuchtung angesetzt. 5.1.4 Lüftung In dem Simulationsgrundmodell wird als Grundlüftung ein volumenbezogener Außenluftstrom von 0,2 1/h angesetzt, innerhalb der Belegungszeit wird in den Büros gemäß DIN 1946 mit einem personenbezogenen Außenluftstrom von 40 m³/h, das heißt mit einem 1,3-fachen volumenbezogenen Außenluftstrom gerechnet. In den Labor-/Entwicklungs- und Seminarräumen wird ein 2-facher und im Ausstellungsbereich weiterhin ein 0,2-facher volumenbezogener Außenluftstrom angesetzt. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 28 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 5.2 Variantenvergleich zur Optimierung des Gebäudes In der ersten Phase wird vorrangig das thermische Gebäudeverhalten optimiert. Die thermischen Vorgänge im Gebäude werden analysiert und mögliche Verbesserungsmaßnahmen entwickelt. Der Einfluss von Einzelmaßnahmen wird in der folgenden Parameterstudie systematisch untersucht und an Hand von relativen bewerteten Jahresenergiebedarfswerten miteinander verglichen. Es werden die Heiz-, Kühl- und Strombedarfswerte nach CO2-Emissionen gewichtet zu einem Gesamtenergiebedarf zusammengefasst und auf den Gesamtenergiebedarf des Grundsimulationsmodells des jeweiligen Optimierungsschrittes bezogen. In fünf Optimierungsschritten wird aus dem Grundmodell E000 das Modell E500 entwickelt, das als Referenz zur Untersuchung der Anlagenkonzepte abgeleitet dient. Methodik des Variantenvergleichs In der Wertanalyse zum Variantenvergleich wird der Kühlenergiebedarf gegenüber dem Heizenergiebedarf mit dem Faktor 2 bewertet. Dieser Ansatz gibt die vereinfachende Annahme wieder, nach der eine Kilowattstunde Kälte etwa den doppelten Endenergieeinsatz, bewertet nach CO2-Emissionen, erfordert wie eine Kilowattstunde Wärme. Eine Kilowattstunde Strom wird in der Bewertung gemäß den Vorgaben der TK3-Richtlinien mit einem Faktor von 2,8 bezogen auf eine Kilowattstunde Wärme angesetzt. Die Gewichtung der Energiearten über angenommene CO2-Emissionen, ohne die möglichen Anlagenkonzepte zur Bereitstellung zu bewerten, ist subjektiv und nur in erster Näherung zulässig. Im Beispielprojekt GIT Siegen ist die Bewertung von Strom aus dem Elektritätsnetz mit dem Faktor 2,8 vorgegeben. Andere Stromquellen wie z.B. Kraft-Wärme-Kopplung können nach den örtlichen Gegebenheiten gewichtet werden. Die Gewichtung von Kälte gegenüber Wärme wird dadurch erschwert, dass konventionelle maschinelle Kühlung im Beispielprojekt den Richtlinien nach vermieden werden soll. Obwohl der Kühlenergiebedarf daher vorrangig reduziert werden muss, ist es sinnvoll, die Energiearten an Hand von objektiven Größen z.B. Kosten oder CO2-Emission zu gewichten und zusätzlich absolute Zielgrößen als Planungsvorgaben einzuführen. Eine subjektiv überhöhte Gewichtung der Kühlung, um die Planungsvorgaben in die Gewichtung einzubeziehen, reduziert die Aussagekraft des Verfahrens. In der folgenden Betrachtung wird daher vereinfachend der Faktor 2 als Wert für eine Anlage mit Kompressionskältemaschine eingesetzt. Genauere Betrachtungen, auch zur Bewertung möglicher Anlagenkonzepte schon in der Wertanalyse innerhalb der Gebäudeoptimierung, werden zum Beispiel mit dem Verfahren der neuen VDI-Richtlinie 2067 möglich. Die Verhältnisse der dort angegebenen Aufwandszahlen für Heizen und Kühlen und in Fortsetzung der Methodik der VDI 2067 auch für Beleuchtung ergeben die Gewichtung der Energieformen (bezogen auf die gleiche Systemgrenze) in der Wertanalyse. In dieser Systematik können bauphysikalische Optimierungsmaßnahmen am Gebäude schon in einer frühen Planungsphase unter Berücksichtigung möglicher Anlagenkonzepte bewertet und die Auswirkung dieser Maßnahmen auf unterschiedliche Anlagenvarianten (Übergabe, Verteilung und Erzeugung) einfach verglichen werden. Der Planer kann das energetische Gebäudeverhalten so frühzeitig integral bewerten. In gleicher Weise wie das energetische Gebäudeverhalten können Kriterien anderer Aspektbereiche bewertet und unterschiedliche Bewertungsmaßstäbe, wie z.B. Energiefolgekosten oder Investionskosten, angesetzt werden. Um objektivere Entscheidungen im Planungsprozess zu erhalten, müssen die Planungsvorgaben, Kriterien und Maßstäbe unter den Projektbeteiligten abgestimmt und im Projekthandbuch festgeschrieben werden. Mit einer Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 29 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht so abgestimmten Basis kann die Planung als Controllingprozess verstanden und die Konsequenzen aus Planungsentscheidungen auf das Gebäudeverhalten aufgezeigt werden. Diese Arbeit ist auf die energetische Betrachtung des Gebäudes beschränkt und die Energieformen werden mit dem vereinfachenden Ansatz über die CO2-Emissionen gewichtet. Der Maßstab wird mit dem Wissen um die diskutierte Problematik als 1 für Wärme, 2 für Kälte und 2,8 für Strom festgelegt. Die Simulationsergebnisse werden ungewichtet angegeben und mit der beschriebenen Gewichtung in Diagrammen dargestellt. 5.3 Analyse des ersten Grundmodells E000 Zur Ermittlung wirkungsvoller Optimierungsmaßnahmen werden zunächst die Ergebnisse der Simulationsrechnungen mit dem Grundsimulationsmodell auf Optimierungspotentiale analysiert. Die Werte geben den Energiebedarf bei idealer Bereitstellung -ohne Regel- und Anlagenaufwand- wieder. Für die erste Auswertung werden die Zonen des Gebäudes in drei Hauptbereiche (Bürobereich, Ausstellungsbereich, Seminar- und Labor-/Entwicklungsbereich) zusammengefasst. Der Seminar und Labor-/Entwicklungsbereich weist mit nur 19,7 % der Nutzfläche (von der Gesamtnutzfläche) 41,5 % des Heizenergiebedarfes auf. Der Kühlenergiebedarf ist im Bürobereich mit 76,5 % des Energiebedarfs auf 57,7 % der Nutzfläche - bezogen auf die Fläche - überdurchschnittlich hoch. Innerhalb der betrachteten Gebäudebereiche ist eine weitere Staffelung der Optimierungsprioritäten erkennbar. Bereiche mit großen Defiziten haben Auswirkungen auf die benachbarten Zonen. Für die Verbessungsmaßnahmen am Gebäude ergibt sich daraus die Forderung, dass zuerst Bereiche mit großen Heiz- bzw. Kühllasten behandelt werden und danach eine Neubewertung der energetischen Gesamtsituation erfolgt. Mit dem so schrittweise entwickelten und an den Planungsstand angepassten Modell wird eine Parameterstudie und Variantenuntersuchung durchgeführt. 5.3.1 Reduzierung des Kühlenergiebedarfs – Bürobereich Ein Vergleich der inneren und solaren Lasten zeigt für den Kühlfall, dass etwas mehr Wärme über die internen Lasten der Nutzung als durch Sonneneinstrahlung eingetragen wird. In ca. 700 Stunden erhalten die Büroräume einen Wärmeeintrag durch Transmission und in geringerem Maße über Lüftung. In dieser Zeit entfällt durch die hohen Außentemperaturen die kühlende Wirkung der Wärmeabgabe nach außen über Transmission und Lüftung. In der Heizzeit sind die maximalen Transmissionslasten höher als die maximalen Lüftungslasten Da die internen Lasten nicht ohne weiteres reduziert werden können, bleibt als Maßnahme zur Reduzierung der Lasten nur die Verbesserung des Sonnenschutzes durch die Veränderung der Fensterqualität, die Änderung des Fensterflächenanteils und durch einen externen beweglichen oder feststehenden Sonnenschutz. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 30 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Abbildung 10: Außenlufttemperaturen und operative Raumtemperaturen des Grundmodells E000 für die Zone 211 (östlicher Bürobereich im 2. Obergeschoss) und Zone 210 (Büroflur im 2. Obergeschoss). Der Vergleich der Tages-Jahres-Darstellungen der Raumtemperaturen in der Zone 211 (östlicher Bürobereich 2. OG) und Zone 210 (Büroflur 2. OG) und der Außenlufttemperaturen in Abbildung 10 zeigt, dass die Kühllasten durch die Nutzung des dynamischen Gebäudeverhaltens reduziert werden können. Durch die Anordnung von internen Speichermassen im Gebäude und durch Nachtlüftung kann das Temperaturniveau gesenkt werden. Die Betrachtung der Tages-Jahres-Diagramme für die operativen Raumtemperaturen zeigt, dass in den Büroräumen Tag und Nacht 4 Monate lang Temperaturen über 24 °C vorliegen. Diese Raumtemperaturen liegen zwar unterhalb der vorgegebenen Behaglichkeitsgrenze, sollen aber doch im Laufe der Optimierung reduziert werden. Dazu wird untersucht, wie sich ein veränderter Wärmeschutz der Außenwände im Bürobereich auf das Temperaturniveau und die Energiebedarfswerte auswirkt. In gleicher Weise soll die Wirkung einer erhöhten Taglüftung zu Zeiten hoher Raumtemperaturen und niedrigerer Außenlufttemperaturen bewertet werden. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 31 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 1. Variation Glasflächenanteil in der Flurdachverglasung (Zone210) In den Varianten EK001 bis EK003 wird der Einfluss des Anteils der Dachverglasung an der Gesamtdachfläche im Flur des modellierten Büroflügels untersucht. Die Gesamtdachfläche beträgt 54,3 m², im Grundfall E000 sind davon 37 % verglast. Es werden zusätzlich mit Modellen mit 12,5 % (EK001), 25 % (EK002) und 50 % (EK003) Dachverglasung Simulationsrechnungen durchgeführt. Die Verglasungsqualität (k=0,87 W/m²K; g=0,57; τ=0.62) wird entsprechend der im Grundsimulationsmodells E000 beibehalten. EK001 EK002 E000 EK003 12,5 % verglast 25 % verglast 37 % verglast 50 % verglast Reduzierung der Dachglasfläche auf 12,5 % der Gesamtfläche Reduzierung der Dachglasfläche auf 25 % der Gesamtfläche Grundsimulationsmodell (Gesamtfläche 54,3 m²) Vergrößerung der Dachglasfläche auf 50 % der Gesamtfläche Die Auswertung der Simulationsergebnisse zeigt, dass der Heizenergiebedarf im Büroflügel weitgehend unabhängig von der Dachglasfläche ist. Es können also keine zusätzlichen nutzbaren solaren Gewinne über eine größere Glasfläche realisiert werden. Der Kühlenergiebedarf bezogen auf den gesamten Bürobereich steigt linear von 37,5 kWh/m²a (bewertet 67,15 %) bei 12,5 % auf 45,8 kWh/m²a (bewertet 81,99 %) bei 50 % Glasflächenanteil an und zeigt damit eine starke Abhängigkeit von diesem Parameter Abbildung 11: Auswirkung veränderter Glasflächenanteile im Dach des Büroflurs (Zone 211) auf das energetische Verhalten des Gebäudes in der Optimierungsstufe; Relativer bewerteter Jahresenergiebedarf im Bürobereich bezogen auf das Grundmodell E000. 140% Heizen Kühlen 120% gesamt 100% 80% 60% 40% 20% EK001 EK002 E000 EK003 0% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% Empfehlung: Aus energetischen Gründen wird empfohlen die Dachverglasung stark zu reduzieren. Da in diesem Bereich nur eine kleine Nennbeleuchtungsstärke von 50 Lux gefordert wird, ist dies auch unter Tageslichtaspekten zu empfehlen. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 32 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 2. Variation der Qualität der Flurdachverglasung – (Zone210 Dach) In den Varianten EK004 bis EK006 wird der Einfluss der Verglasungsqualität der Dachverglasung behandelt. Es werden neben der Verglasungsart im Grundmodell drei weitere marktgängige Verglasungsqualitäten untersucht. Das Grundmodell (E000) beinhaltet eine 3fach-Verglasung mit den Werten für den Wärmedurchgangskoeffizient k=0,87 W/m²K, für den Gesamtenergiedurchgangskoeffizient g=0,57 und für den visuellen Transmissionsgrad τ=0,62. In den anderen Varianten werden 2- bzw. 3-fach Sonnenschutzverglasungen eingesetzt. E000 3-fach-Verglasung Grundsimulationsmodell Dreifachverglasung: k = 0,87 W/m²K; g = 0.57; τ = 0,62 Sonnenschutzverglasung Zweifachverglasung: k = 1,75 W/m²K; g = 0,38; τ = 0,50 Sonnenschutzverglasung Zweifachverglasung: k = 1,39 W/m²K; g = 0,28; τ = 0,53 Sonnenschutzverglasung Dreifachverglasung: k = 0,59 W/m²K; g = 0,42; τ = 0,65 EK004 2-fach-Verglasung (iplussolar) EK005 2-fach-Verglasung (ipasolneutral) EK006 3-fach-Verglasung (iplus3C_10) 140% Heizen Kühlen 120% gesamt E000 EK004 EK005 EK006 100% Abbildung 12: Variation der Qualität der Dachverglasung (Zone 210) Dach; Relativer bewerteter Jahresenergiebedarf im Bürobereich bezogen auf das Grundmodell E000. 80% 60% 40% 20% 0% k=0.87W/m²K g=0.57 k=1.75W/m²K k=1.39W/m²K g=0.38 g=0.28 k=0.59W/m²K g=0.42 Glasqualität des Dachfensters in Zone210 Die Auswertung in Abbildung 12 und die absoluten Werte der Simulationsergebnisse zeigen, dass der Heizenergiebedarf im Büroflügel weitgehend unabhängig von der Verglasungsqualität der Glasdachfläche ist. Der Kühlenergiebedarf bezogen auf den gesamten Bürobereich bewegt sich zwischen von 39,5 kWh/m²a (bewertet 70,8 %) im Fall EK005 und 42,9 kWh/m²a (bewertet 76,9 %) im Grundfall E000. Empfehlung: Da der k-Wert der Flurdachverglasung keinen wesentlichen Einfluss auf die Bedarfswerte hat, schlägt das Planungsteam eine kostengünstigere Wärmeschutzverglasung mit einem k-Wert von 1,1 W/m²K vor. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 33 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 3. Erhöhte Taglüftung in den Bürofluren - (Zone 210) Aus dem Vergleich der Außenlufttemperaturen mit den operativen Raumtemperaturen in Zone 210 in Abbildung 10 wird deutlich, dass die Außenlufttemperatur zur überwiegenden Zeit unterhalb der operativen Raumtemperatur liegt. In den Varianten EK020 bis EK025 wird die Wirkung eines erhöhten volumenbezogenen Außenluftstroms innerhalb der Nutzungszeit auf die Temperaturverhältnisse im Raum untersucht. Die Lüftung wird nach der operativen Raumtemperatur und der Außenlufttemperatur geregelt. E000 Grundlüftung EK020 geregelte Taglüftung 0.2-facher volumenbezogener Außenluftstrom innerhalb der Betriebszeit Raumtemperatur > 23°C (Hysterese bis < 22°C) und Außentemperatur < Raumtemperatur: 2-facher volumenbezogener Außenluftstrom innerhalb der Betriebszeit Raumtemperatur > 23°C (Hysterese bis < 22°C) und Außentemperatur < Raumtemperatur: 4-facher volumenbezogener Außenluftstrom innerhalb der Betriebszeit Raumtemperatur > 23°C (Hysterese bis < 22°C) und Außentemperatur < Raumtemperatur: 6-facher volumenbezogener Außenluftstrom EK021 geregelte Taglüftung EK022 geregelte Taglüftung Abbildung 13: Variation des volumenbezogenen Außenluftstroms innerhalb der Nutzungszeit (erhöhte Taglüftung); Relativer bewerteter Jahresenergiebedarf im Bürobereich bezogen auf das Grundmodell E000. 140% Heizen Kühlen 120% gesamt 100% Die Auswertung der Ergebnisse zeigt, dass durch die erhöhte Taglüftung der Heizenergiebedarf leicht steigt und der Kühlenergiebedarf deutlich reduziert werden kann. Aus den Ergebnissen für den relativen bewerteten Jahresenergiebedarf ist ersichtlich, dass der zusätzliche Nutzen der Lüftung mit steigendem volumenbezogenen Außenluftstrom abnimmt. Während der relative bewertete Jahresenergiebedarf bei einer Erhöhung des volumenbezogenen Außenluftstroms von 0,2 1/h (E000) auf 2 1/h (EK020) um 5,8 % fällt, beträgt die Reduzierung zwischen 4 1/h (EK021) und 6 1/h (EK022) nur noch 1 %. 80% 60% 40% 20% E000 EK020 EK021 EK022 0% 0 1 2 3 4 5 6 Empfehlung: Aus energetischen Gründen ist in den thermisch stark belasteten Fluren in jedem Fall eine erhöhte Taglüftung in der genannten Größenordnung zu empfehlen. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 34 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 4. Erhöhte Nachtlüftung in den Bürofluren – (Zone210) Der Verlauf der Außenlufttemperaturen im Vergleich mit dem der operativen Raumtemperaturen zeigt, dass in Zeiten mit Überhitzung der Räume ein erhöhter Außenluftstrom zur nächtlichen Kühlung des Gebäudes genutzt werden kann. In den Varianten EK026 bis EK031 wird die Wirkung eines erhöhten volumenbezogenen Außenluftstroms außerhalb der Nutzungszeit auf die Temperaturverhältnisse im Raum untersucht. Die Lüftung wird nach der operativen Raumtemperatur und der Außenlufttemperatur geregelt. Die Lüftung wird in der Zeit von 0.00 bis 6.00Uhr betrieben, wenn am vorhergehenden Tag die Raumtemperatur 23 °C überschritten wurde, die erhöhte Lüftung wird abgestellt, wenn 20 °C im Raum erreicht werden. Zur Beurteilung der Wirkung der internen Speichermassen auf das dynamische Gebäudeverhalten wird in den Varianten EK026 bis EK028 die Flurwand flurseitig mit 3 cm verputzter Dämmung untersucht. In den Varianten EK029 bis EK031 wird die Dämmung büroseitig angebracht. EK013 Grundlüftung EK026 geregelte Nachtlüftung EK027 geregelte Nachtlüftung EK028 geregelte Nachtlüftung EK015 Grundlüftung EK029 geregelte Nachtlüftung EK030 geregelte Nachtlüftung EK031 geregelte Nachtlüftung k = 0,85 W/m²K, 3cm Dämmung 040/verputzt, flurseitig innerhalb der Zeit von 0.00 bis 6.00 Uhr Raumtemperatur > 23 °C (Hysterese bis < 20,1 °C) und Außentemperatur < Raumtemperatur: 2-facher volumenbezogener Außenluftstrom k = 0,85 W/m²K, 3 cm Dämmung 040/verputzt, flurseitig innerhalb der Zeit von 0.00 bis 6.00 Uhr Raumtemperatur > 23 °C (Hysterese bis < 20,1 °C) und Außentemperatur < Raumtemperatur: 4-facher volumenbezogener Außenluftstrom k = 0,85 W/m²K, 3 cm Dämmung 040/verputzt, flurseitig innerhalb der Zeit von 0.00 bis 6.00 Uhr Raumtemperatur > 23 °C (Hysterese bis < 20,1 °C) und Außentemperatur < Raumtemperatur: 6-facher volumenbezogener Außenluftstrom k = 0,85 W/m²K, 3 cm Dämmung 040/verputzt, flurseitig k = 0,85 W/m²K, 3cm Dämmung 040/verputzt, büroseitig innerhalb der Zeit von 0.00 bis 6.00 Uhr Raumtemperatur > 23 °C (Hysterese bis < 20,1 °C) und Außentemperatur < Raumtemperatur: 2-facher volumenbezogener Außenluftstrom k = 0,85 W/m²K, 3 cm Dämmung 040/verputzt, büroseitig innerhalb der Zeit von 0.00 bis 6.00 Uhr Raumtemperatur > 23 °C (Hysterese bis < 20,1 °C) und Außentemperatur < Raumtemperatur: 4-facher volumenbezogener Außenluftstrom k = 0,85 W/m²K, 3 cm Dämmung 040/verputzt, büroseitig innerhalb der Zeit von 0.00 bis 6.00 Uhr Raumtemperatur > 23 °C (Hysterese bis < 20,1 °C) und Außentemperatur < Raumtemperatur: 6-facher volumenbezogener Außenluftstrom k = 0,85 W/m²K, 3 cm Dämmung 040/verputzt, büroseitig Die Ergebnisdarstellung in Abbildung 14 zeigt, dass der Heizenergiebedarf von der Nachtlüftung nicht beeinflusst wird. Die Wirksamkeit der Nachtlüftung auf den Kühlenergiebedarf wird von der Anordnung der Dämmschicht bestimmt. Bei einer flurseitigen Dämmung ist die Wirkung der Nachtlüftung erwartungsgemäß geringer. Wie bei der Taglüftung ergibt sich auch bei der Nachtlüftung bei einer Erhöhung des Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 35 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht volumenbezogenen Außenluftstroms von 0,2 1/h auf 2 1/h ein größerer Nutzen als bei der Erhöhung von 4 1/h auf 6 1/h. Insgesamt kann an Hand der Simulationsergebnisse gezeigt werden, dass eine Nachtlüftung im Bereich des Büroflurs im 2. Obergeschoss durch die Ausnutzung des dynamischen Gebäudeverhaltens wirksam zur Reduzierung des Kühlenergiebedarfs im Bürobereich beitragen kann. 140% Abbildung 14: Variation des volumenbezogenen Außenluftstrom außerhalb der Nutzungszeit (erhöhte Nachtlüftung) – Zone 210; Relativer bewerteter Jahresenergiebedarf im Bürobereich bezogen auf das Grundmodell E000. Heizen Kühlen 120% gesamt 100% 80% 60% 40% 20% EK016 EK026 EK028 EK027 0% 0 1 2 3 4 5 6 volumenbezogener Außenluftstrom 1/h 140% Abbildung 15: Variation des volumenbezogenen Außenluftstrom außerhalb der Nutzungszeit (erhöhte Nachtlüftung) – Zone 210; Relativer bewerteter Jahresenergiebedarf im Bürobereich bezogen auf das Grundmodell E000. Heizen Kühlen 120% gesamt 100% 80% 60% 40% 20% EK018 EK029 EK030 EK031 0% 0 1 2 3 4 5 6 Empfehlung: Aus Gründen der sommerlichen Behaglichkeit ist im Büroflur eine Nachtlüftung mit einem volumenbezogene Außenluftstrom von 4 1/h empfehlenswert. volumenbezogener Außenluftstrom 1/h Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 36 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 5. Variation der gesamten Bürofensterfläche In den Varianten EK032 bis EK035 wird der Einfluss der Bürofensterfläche auf die Energiebedarfswerte untersucht. Es werden, bezogen auf die Bürofassadenfläche ohne die Südverglasungen, die Fensterflächenanteile 25, 37,5, 50 und 62,5 % variiert. Die Fensterflächenanteile werden ohne Rücksicht auf die Größe der realen Fensterelemente und die Realisierbarkeit modelliert. In den Varianten EK032 bis EK035 ist keine Verschattung vorgesehen, die Verglasung entspricht der im Grundfall E000 (k=0,87 W/m²K; g=0,57; τ=0,62). Da in dieser Optimierungsstufe nur die Heiz- und Kühlenergiebedarfswerte untersucht werden, kann an dieser Stelle keine Aussage über die Auswirkung der Fensterfläche auf die Tageslichtnutzung gemacht werden. EK032 EK033 EK034 EK035 25 % verglast 37,5 % verglast 50 % verglast 62,5 % verglast Bürofenster 25 % der Fassadenfläche Bürofenster 37,5 % der Fassadenfläche Bürofenster 50 % der Fassadenfläche Bürofenster 62,5 % der Fassadenfläche 140% Heizen Kühlen 120% gesamt 100% Abbildung 16: Variation der Fensterfläche in den Büros; Relativer bewerteter Jahresenergiebedarf im Bürobereich bezogen auf das Grundmodell E000. 80% Die Auswertung für die Variation der Fensterfläche zeigt eine deutliche Abhängigkeit der Heiz- und Kühl60% EK032 EK033 EK034 EK035 energiebedarfswerte vom Fensterflächenanteil. Sowohl die Heiz- wie auch die 40% Kühlenergiebedarfswerte steigen mit dem Fensterflächenanteil linear an. Der Heizenergiebedarf steigt zwischen 25 % 20% und 62,5 % Fensterflächenanteil um 4,1 kWh/m²a (bewertet 3,5 % bezogen auf den 0% Fall E000) und der Kühlenergiebedarf um 0% 20% 40% 60% 80% 19,9 kWh/m²a (bewertet 35,6 % bezogen Verglasungsflächenanteil der Bürofassade auf den Fall E000). Der Anstieg des Heizenergiebedarfs zeigt, dass die höheren Transmissionsverluste über die großen Fensterflächen nicht durch die zusätzlichen solaren Gewinne innerhalb der Heizzeit ausgeglichen werden. Der solare Eintrag über die größeren Fensterflächen führt im Sommer ohne aktiven Sonnenschutz zu einer stärkeren Überhitzung der Räume. Empfehlung: Werden die Fensterflächen tageslichtoptimiert ausgeführt, ist in jedem Fall ein externer Sonnenschutz vorzusehen. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 37 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 6. Feststehender Sonnenschutz an den südlichen Fensterbändern im Bürobereich Mit den Varianten EK042 bis EK044 wird die Wirkung eines feststehenden Sonnenschutzes an den südlichen Fensterbändern im Bürobereich behandelt. Der Sonnenschutz wird als feststehender opaker Überstand über den Glasflächen modelliert. Es werden Zenitwinkel zwischen 0° (E000) und 70° (EK044) ausgeblendet. Die Wirkung des Sonnenschutzes wird durch die Verschattung der Südfenster durch das Gebäude überlagert. Aus dem Sonnenstand kann ermittelt werden, zu welchen Zeiten die direkte Einstrahlung durch den untersuchten Überstand ausgeblendet wird. E000 EK042 EK043 EK044 Kein Sonnenschutz Feststehender Sonnenschutz Feststehender Sonnenschutz Feststehender Sonnenschutz Grundsimulationsmodell Zenitwinkel < 30° ausgeblendet Zenitwinkel < 50° ausgeblendet Zenitwinkel < 70° ausgeblendet Abbildung 17: Feststehender Sonnenschutz an den südlichen Fensterbändern im Bürobereich; Relativer bewerteter Jahresenergiebedarf im Bürobereich bezogen auf das Grundmodell E000. 140% Heizen Kühlen 120% gesamt 100% 80% 60% 40% 20% E000 EK042 EK043 EK044 0% 0 20 40 60 80 Die Auswertung der Simulationsergebnisse zeigen, dass der Heizenergiebedarf in weiten Teilen des Variationsbereiches von dem feststehenden Sonnenschutz ausgeblendeten Zenitwinkel unabhängig ist. Er steigt erst zwischen 50 und 70° ausgeblendetem Zenitwinkel um 2,4 kWh/m²a (bewertet 3,6 %) an. Der Kühlenergiebedarf sinkt zwischen 0° im Fall E000 und 30° im Fall EK042 von 42,9 kWh/m²a auf 39,2 kWh/m²a (um bewertet 6,6 %), bleibt zwischen 30 und 50° nahezu konstant und sinkt zwischen 50° im Fall EK043 und 70° im Fall EK044 von 38,6 kWh/m²a auf 29,7 kWh/m²a (um bewertet 15,8 %). Eine Bewertung der Auswirkung des Überstandes auf die Lichtverhältnisse im Raum kann in dieser Optimierungsphase nicht erfolgen. ausgeblendeter Zentitwinkel in ° Empfehlung: Aufgrund des Einflusses auf die Kühllast wird an allen Südfenstern ein Zenitwinkel von mindestens 30° ausgeblendet. Im 2. OG wird empfohlen 70° auszublenden oder andere Maßnahmen zur Reduktion der Kühllast zu treffen. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 38 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 7. Gesteuerter Sonnenschutz an den Bürofenstern In den Varianten EK045 bis EK047 wird die Wirkung eines nach der Gesamtstrahlung auf die horizontale Fläche gesteuerten Sonnenschutzes an den Bürofenstern untersucht. In Abhängigkeit von der Einstrahlung, bei der der Sonnenschutz zu 90 % zufährt, wird der Heiz~, der Kühlenergiebedarf und die Verschattungszeiten (also die Zeiten, in denen die Grenzeinstrahlwerte überschritten werden) ermittelt. E000 EK045 EK046 EK047 kein Sonnenschutz gesteuerter Sonnenschutz gesteuerter Sonnenschutz gesteuerter Sonnenschutz Grundsimulationsmodell immer bei Globalstrahlung >200 W/m², 90 %-ige Verschattung immer bei Globalstrahlung >300 W/m², 90 %-ige Verschattung immer bei Globalstrahlung >400 W/m², 90 %-ige Verschattung Während der Heizenergiebedarf mit steigender Grenzeinstrahlung nur geringfügig steigt, reduziert sich der Kühlenergiebedarf zwischen der Variante ohne Sonnenschutz (E000) und der Variante mit hoher Grenzeinstrahlung von 400 W/m² (EK012) im gesamten Bürobereich um 5,1 kWh/m²a (bewertet um 9,1 %). Im Fall der hohen Grenzeinstrahlung wird 646 h verschattet. Eine Herabsetzung der Grenzeinstrahlung auf 200 W/m² (EK010) bewirkt eine Reduzierung des Kühlenergiebedarfs um weitere 6,7 kWh/m²a (bewertet um 12,1 %) und eine Erhöhung der Verschattungszeit auf 1172 h. 140% Heizen Kühlen 120% gesamt EK045 EK046 1857h 1766h EK047 E000 1640h Abbildung 18: Gesteuerter Sonnenschutz an den Bürofenstern; Relativer bewerteter Jahresenergiebedarf im Bürobereich bezogen auf das Grundmodell E000. 0h 100% 80% 60% 40% 20% 0% >200W >300W >400W keine Verschattung Globalstrahlung auf die Fensterfläche Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 39 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 8. Geregelter Sonnenschutz an den Bürofenstern In den Varianten EK048 bis EK050 wird die Wirkung eines geschossweise nach der Raumtemperatur in den östlichen Zonen (Zone E11, Zone 111, Zone 211) geregelten Sonnenschutzes untersucht. In Abhängigkeit von der Raumtemperatur, bei der die Verschattung zu 90 % zufährt bzw. öffnet (Hysterese), wurden der Heiz- und der Kühlenergiebedarf ermittelt. E000 kein Sonnenschutz Grundsimulationsmodell EK048 geregelter Sonnenschutz immer bei Raumtemperaturen >22/21°C, geschossweise geregelt, 90 %-ige Verschattung EK049 geregelter Sonnenschutz immer bei Raumtemperaturen >23/22°C, geschossweise geregelt, 90 %-ige Verschattung EK050 geregelter Sonnenschutz immer bei Raumtemperaturen >24/23°C, geschossweise geregelt, 90 %-ige Verschattung Der Heizenergiebedarf bleibt in den Varianten EK048 bis EK050 im Vergleich zum Grundmodell E000 nahezu konstant. Der Kühlenergiebedarf ist in allen Varianten im Vergleich zum Grundmodell E000 unabhängig von der Grenztemperatur um ca. 13 kWh/m²a (bewertet 24 %) reduziert. Diese Unabhängigkeit von der Grenztemperatur lässt auf eine sofortige Reaktion des Gebäudes auf die solare Einstrahlung schließen. 140% Abbildung 19: Geregelter Sonnenschutz an den Bürofenstern; Relativer bewerteter Jahresenergiebedarf im Bürobereich bezogen auf das Grundmodell E000. Heizen Kühlen 120% gesamt EK048 EK049 EK050 E000 100% 80% 60% 40% 20% 0% >22/21°C >23/22°C >24/23°C keine Verschattung Im Gegensatz zu den Varianten EK045 bis EK047, in denen eine geregelte Verschattung untersucht wird, ist die Regelgröße Globalstrahlung in den Varianten EK048 bis EK050 von der Zielgröße Raumtemperatur unabhängig. Zur Steuerung des Sonnenschutzes nach der Globalstrahlung am realen Gebäude muss die Steuergröße im Betrieb eingestellt werden, damit die Vorgaben an die Raumtemperatur eingehalten werden. Die nicht nutzbaren solaren Gewinne sollen dabei ausgeblendet werden und der Sonnenschutz die Tageslichtnutzung nur so wenig wie möglich reduzieren. Verschattung bei Raumtemperatur Empfehlung: Die nach der Raumtemperatur geregelte Variante zeigt deutlich niedrigere Kühllasten und ist daher der gesteuerten Variante vorzuziehen. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 40 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 9. Erhöhte Taglüftung in den Büroräumen Aus dem Vergleich der Außenlufttemperaturen mit den operativen Raumtemperaturen in Zone 211 wird deutlich, dass die Außenlufttemperatur zur überwiegenden Zeit unterhalb der operativen Raumtemperatur liegt. In den Varianten EK055 bis EK057 wird die Wirkung eines erhöhten volumenbezogenen Außenluftstroms innerhalb der Nutzungszeit auf die Temperaturverhältnisse im Raum untersucht. Die Lüftung wird nach der operativen Raumtemperatur und der Außenlufttemperatur geregelt. In den Varianten EK055 bis EK057 wird nach der Raumtemperaturpaarung (Hysterese) 23/22 °C geregelt. E000 Grundlüftung EK055 geregelte Taglüftung 0.2-facher volumenbezogener Außenluftstrom innerhalb der Betriebszeit Raumtemperatur > 23 °C (Hysterese bis < 22 °C), geschossweise geregelt und Außentemperatur < Raumtemperatur: 2-facher volumenbezogener Außenluftstrom innerhalb der Betriebszeit Raumtemperatur > 23 °C (Hysterese bis < 22 °C), geschossweise geregelt und Außentemperatur < Raumtemperatur: 4-facher volumenbezogener Außenluftstrom innerhalb der Betriebszeit Raumtemperatur > 23 °C (Hysterese bis < 22 °C), geschossweise geregelt und Außentemperatur < Raumtemperatur: 6-facher volumenbezogener Außenluftstrom EK056 geregelte Taglüftung EK057 geregelte Taglüftung Abbildung 20: Variation des volumenbezogenen Außenluftstrom innerhalb der Nutzungszeit (erhöhte Taglüftung); Relativer bewerteter Jahresenergiebedarf im Bürobereich bezogen auf das Grundmodell E000. 140% Heizen Kühlen 120% gesamt 100% 80% 60% 40% 20% E000 EK055 EK056 EK057 0% 0 1 2 3 4 5 volumenbezogener Außenluftstrom in 1/h 6 Die Auswertung der Ergebnisse zeigt, dass der Heizenergiebedarf leicht ansteigt und der Kühlenergiebedarf deutlich reduziert werden kann. Aus den Ergebnissen für den relativen bewerteten Jahresenergiebedarf ist ersichtlich, dass der zusätzliche Nutzen der Lüftung mit steigendem volumenbezogenen Außenluftstrom abnimmt. Während der relative bewertete Jahresenergiebedarf bei einer Erhöhung des volumenbezogenen Außenluftstroms von 1,3 [1/h] (E000) auf 2 [1/h] (EK055) um 8,9 % fällt, beträgt die Reduzierung zwischen 4 [1/h] (EK056) und 6 [1/h] (EK057) nur noch 3,6 %. Empfehlung: Aus Gründen der sommerlichen Behaglichkeit ist in allen Büroräumen eine erhöhte Taglüftung mit dem 4-fachen volumenbezogenen Außenluftstrom empfehlenswert. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 41 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 10. Erhöhte Nachtlüftung in den Büroräumen Der Verlauf der Außenlufttemperaturen im Vergleich mit dem der operativen Raumtemperaturen ergibt, dass in Zeiten mit Überhitzung der Räume ein erhöhter Außenluftstrom zur nächtlichen Kühlung des Gebäudes genutzt werden kann. In den Varianten EK058 bis EK066 wird die Wirkung eines erhöhten volumenbezogenen Außenluftstroms außerhalb der Nutzungszeit auf die Temperaturverhältnisse im Raum untersucht. Die Lüftung wird nach der operativen Raumtemperatur und der Außenlufttemperatur geregelt. Die Lüftung wird in der Zeit von 0.00 bis 6.00 Uhr betrieben, wenn am vorhergehenden Tag die Raumtemperatur 23°C überschritten hat; die erhöhte Lüftung wird abgestellt, wenn 20°C erreicht werden. Zur Beurteilung der Wirkung der internen Speichermassen auf das dynamische Gebäudeverhalten wird in den Varianten EK058 bis EK060 die Lüftung mit leichten Bürotrennwänden, in den Varianten EK061 bis EK063 die Lüftung mit mittelschweren und in den Varianten EK064 bis EK068 mit schweren Bürotrennwänden untersucht. E000 Grundlüftung EK058 geregelte Nachtlüftung EK059 geregelte Nachtlüftung EK060 geregelte Nachtlüftung EK051 Grundlüftung EK061 geregelte Nachtlüftung EK062 geregelte Nachtlüftung EK063 geregelte Nachtlüftung Gipskarton/Flachpressplatte/Mineralwolle innerhalb der Zeit von 0.00 bis 6.00 Uhr Raumtemperatur > 23 °C (Hysterese bis < 20,1 °C), geschossweise geregelt und Außentemperatur < Raumtemperatur: 2-facher volumenbezogener Außenluftstrom Gipskarton/Flachpressplatte/Mineralwolle innerhalb der Zeit von 0.00 bis 6.00 Uhr Raumtemperatur > 23 °C (Hysterese bis < 20,1 °C), geschossweise geregelt und Außentemperatur < Raumtemperatur: 4-facher volumenbezogener Außenluftstrom Gipskarton/Flachpressplatte/Mineralwolle innerhalb der Zeit von 0.00 bis 6.00 Uhr Raumtemperatur > 23 °C (Hysterese bis < 20,1 °C), geschossweise geregelt und Außentemperatur < Raumtemperatur: 6-facher volumenbezogener Außenluftstrom Gipskarton/Flachpressplatte/Mineralwolle Rohdichte ρ = 600kg/m³; Wärmeleitfähigkeit λ = 0,20 W/(mK) innerhalb der Zeit von 0.00 bis 6.00 Uhr Raumtemperatur > 23 °C (Hysterese bis < 20,1 °C), geschossweise geregelt und Außentemperatur < Raumtemperatur: 2-facher volumenbezogener Außenluftstrom Rohdichte ρ = 600 kg/m³; Wärmeleitfähigkeit λ = 0,20 W/(mK) innerhalb der Zeit von 0.00 bis 6.00 Uhr Raumtemperatur > 23 °C (Hysterese bis < 20,1 °C), geschossweise geregelt und Außentemperatur < Raumtemperatur: 4-facher volumenbezogener Außenluftstrom Rohdichte ρ = 600 kg/m³; Wärmeleitfähigkeit λ = 0,20 W/(mK) innerhalb der Zeit von 0.00 bis 6.00 Uhr Raumtemperatur > 23°C (Hysterese bis < 20,1°C), geschossweise geregelt und Außentemperatur < Raumtemperatur: 6-facher volumenbezogener Außenluftstrom Rohdichte ρ = 600 kg/m³; Wärmeleitfähigkeit λ = 0,20 W/(mK) Die Ergebnisse zeigen, dass der Heizenergiebedarf von der Nachtlüftung nicht beeinflusst wird. Die Wirkung der Nachtlüftung auf den Kühlenergiebedarf wird von der Masse der Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 42 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Bürotrennwände bestimmt. Bei leichter Ausführung ist die Wirkung der Nachtlüftung erwartungsgemäß geringer, als bei den schwereren Bauarten. Wie bei der Taglüftung ergibt sich auch bei der Nachtlüftung bei einer Erhöhung des volumenbezogenen Außenluftstroms von der Grundlüftung auf 2 1/h ein größern Nutzen als bei der Erhöhung von 4 1/h auf 6 1/h. Insgesamt kann an Hand der Simulationsergebnisse gezeigt werden, dass eine Nachtlüftung im Bürobereich durch die Ausnutzung des dynamischen Gebäudeverhaltens wirksam zur Reduzierung des Kühlenergiebedarfs im Bürobereich beitragen kann. Abbildung 21: Variation des volumenbezogenen Außenluftstrom außerhalb der Nutzungszeit (erhöhte Nachtlüftung); Relativer bewerteter Jahresenergiebedarf im Bürobereich bezogen auf das Grundmodell E000. 140% Heizen Kühlen 120% gesamt 100% 80% 60% 40% 20% EK058 E000 EK059 EK060 0% 0 1 2 3 4 5 6 140% Abbildung 22: Variation des volumenbezogenen Außenluftstrom außerhalb der Nutzungszeit (erhöhte Nachtlüftung); Relativer bewerteter Jahresenergiebedarf im Bürobereich bezogen auf das Grundmodell E000. Heizen Kühlen 120% gesamt 100% 80% 60% 40% 20% EK051 EK061 EK062 EK063 0% 0 1 2 3 4 5 volumenbezogener Außenluftstrom in 1/h Rau & partners Amsterdam Generalplaner 6 Empfehlung: Obwohl die Ergebnisse für die Tag- und die Nachtlüftung der ersten Optimierungsstufe noch nicht zur Dimensionierung der Lüftungsanlage oder der notwendigen Öffnungen zur freien Lüftung herangezogen werden können, ist aus ihnen erkennbar, dass es einen sinnvollen, am Bedarf orientierten, maximalen volumenbezogenen Außenluftstrom gibt, bei dem der Nutzen im sinnvollen Verhältnis zum technischen Aufwand steht. Dieser Wert muss am entwickelten Endmodell ermittelt werden. Seite 43 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 5.3.2 Verringerung des Heizenergiebedarfs im Seminar- und Labor-/Entwicklungsbereich Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der Seminar- und Labor-/Entwicklungsbereich im Verhältnis zur Nutzfläche den größten Heizenergiebedarf aufweist. Dabei sind im Seminarund Labor-/Entwicklungsbereich die internen Lasten höher als die solaren Lasten und die Lüftungslasten überschreiten die Transmissionslasten. Die großen Energieverluste durch Lüftung sind durch den großen nutzungsbedingt notwendigen Außenluftstrom begründet. Da diese Größe durch bauliche Maßnahmen nicht beeinflusst werden kann, bietet hier nur eine Wärmerückgewinnung über eine Abluftanlage oder eine Vorwärmung ohne zusätzlichen Energiebedarf ein weiteres Reduktionspotential für den Jahresenergiebedarf für Heizen. Die Auswirkungen einer Reduzierung des Dämmwertes des Daches, einer Veränderung der Nordverglasung sowie der Dämmung der Innenwand zum Ausstellungsbereich wird im Folgenden untersucht. Weiter wird der Einfluss der Ausführung des Daches gezeigt. Auf der Seite der Energiegewinne im Heizfall sind nur die solaren Einträge durch bauliche Maßnahmen beeinflussbar. Es wird untersucht, welchen Einfluss ein gegen Süden geneigtes Oberlicht mit geeigneter Verschattung auf den Jahresenergiebedarf für Heizen hat. 1. Variation des Wärmedurchgangskoeffizienten des Daches - Seminarbereich In den Varianten EH001 bis EH003 wird die Wirkung des Wärmedurchgangskoeffizienten des Daches im Seminarbereich auf die Energiebedarfswerte untersucht. Im Grundfall E000 wird mit einem Wärmedurchgangskoeffizienten von k=0,11 W/m²K und einer Dämmschichtdicke von 30 cm gerechnet. In den Varianten EH001 bis EH003 wird mit einer demgegenüber reduzierten Dämmschichtdicke und damit höheren WärmedurchgangsKoeffizienten simuliert. E000 niedriger Wärmedurchgangskoeffizient EH001 mittlerer Wärmedurchgangskoeffizient EH002 mittlerer Wärmedurchgangskoeffizient EH003 höherer Wärmedurchgangskoeffizient k = 0,11 W/m²K, Dämmung 040 k = 0,16 W/m²K, Dämmung 040 k = 0,21 W/m²K, Dämmung 040 k = 0,31 W/m²K, Dämmung 040 leichte Ausführung, 30 cm leichte Ausführung, 20 cm leichte Ausführung, 15 cm leichte Ausführung, 10 cm Aus den untersuchten Varianten mit den Wärmedurchgangskoeffizienten k=0,16 W/m²K (EH001), k=0,21 W/m²K (EH002) und k=0,31 W/m²K (EH003) kann ein linearer Zusammenhang zwischen dem Wärmedurchgangskoeffizienten der Außenwand und den Heiz- und Kühlenergiebedarfswerten festgestellt werden. Der Kühlenergiebedarf ist weitgehend unabhängig von dem Wärmedurchgangskoeffizienten des Daches, während der Heizenergiebedarf mit steigendem Wärmedurchgangskoeffizienten ansteigt. Die Gesamtauswertung über die relativen gewichteten Jahresenergiebedarfswerte ergibt eine leicht ungünstige Bewertung der Varianten mit erhöhten Wärmedurchgangskoeffizienten. Der relative bewertete Jahresenergiebedarf liegt für den Fall EH003 3,9 % über dem des Grundfalles E000. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 44 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Abbildung 23: Variation des Wärmedurchgangskoeffizienten des Daches im Seminarbereich; Relativer bewerteter Jahresenergiebedarf im Labor- und Entwicklungsbereich bezogen auf das Grundmodell E000. 140% Heizen Kühlen 120% gesamt 100% 80% 60% 40% 20% E000 EH001 EH002 EH003 0% k=0.11W/m²K 30cm Dämmung k=0.16W/m²K k=0.21W/m²K k=0.31W/m²K 20cm Dämmung 15cm Dämmung 10cm Dämmung Wärmedurchgangskoeffizient des Daches Empfehlung: Aus wirtschaftlichen Gründen entscheidet sich das Planungsteam die Dachkonstruktion mit einem Wärmedurchgangskoeffizienten von 0,16 W/m²K auszuführen. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 45 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 2. Untersuchungen zum Oberlicht im Seminarraumdach In den Varianten EH018 bis EH024 wird untersucht, ob mit einem Oberlicht im Dach des Seminarraumes zusätzlich solare Lasten für Heizzwecke genutzt werden können. In allen untersuchten Fällen wird das Oberlicht bei Raumtemperaturen von 23/22°C (Hysterese) extern verschattet und die Verschattung nachts als temporärer Wärmeschutz eingesetzt. Die Auswertungen zeigen, dass keine der untersuchten Maßnahmen geeignet ist, den Heizenergiebedarf im Seminarbereich zu reduzieren. Für alle untersuchten Maßnahmen ist auch der relative bewertete Jahresenergiebedarf größer als 100 %. In allen Fällen liegt also ein energetisch ungünstigeres Verhalten als im Grundfall E000 vor. Dreifachverglasung: k = 0,87 W/m²K; g = 0,57; τ = 0,62 20 % der Dachfläche verglast, 40° geneigt immer bei Raumtemperaturen >23/22 °C, temporärer Wärmeschutz außerhalb der Betriebszeit Zweifachverglasung: k = 1,75 W/m²K; g = 0,38; τ = 0,50 20 % der Dachfläche verglast, 40° geneigt, immer bei Raumtemperaturen >23/22 °C, temporärer Wärmeschutz außerhalb der Betriebszeit Zweifachverglasung: k = 1,39 W/m²K; g = 0,28; τ = 0,53 20 % der Dachfläche verglast, 40° geneigt, immer bei Raumtemperaturen >23/22 °C, temporärer Wärmeschutz außerhalb der Betriebszeit Dreifachverglasung: k = 0,59 W/m²K; g = 0,42; τ = 0,65 20 % der Dachfläche verglast, 40° geneigt, immer bei Raumtemperaturen >23/22 °C, temporärer Wärmeschutz außerhalb der Betriebszeit EH018 3-fach-Verglasung EH022 2-fach-Verglasung (iplussolar) EH023 2-fach-Verglasung (ipasolneutral) EH024 3-fach-Verglasung (iplus3C_10) 140% Abbildung 24: Variation Oberlichtgröße im Seminarraum; Relativer bewerteter Jahresenergiebedarf im Labor- und Entwicklungsbereich bezogen auf das Grundmodell E000. Heizen Kühlen 120% gesamt 100% 80% 60% 40% EH014 EH016 EH017 EH018 10 20 30 40 20% 0% 0 50 Neigung gegen Süden in ° Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 46 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 5.4 Schlussbericht Entwicklung des Modells E100 aus der Variantenuntersuchung E000 Aus der Parameteruntersuchung mit dem Ziel die Kühllast im Bürobereich und die Heizlast im Seminar- und Labor-/Entwicklungsbereich zu reduzieren, wird das Modell E100 entwickelt. Die Entscheidungen für die Übernahme der untersuchten Maßnahmen in den Gebäudeentwurf, fällt in Anlehnung an das reale Projekt in Abstimmung mit den anderen Projektbeteiligten. Daher werden nicht nur die energetischen Aspekte berücksichtigt. Als wirkungsvollste Maßnahmen zur Reduzierung der Kühllast im Bürobereich konnten in der Parameteruntersuchung die Tag- und Nachtlüftung, der geregelte externe Sonnenschutz über dem Büroflurdach und vor den Bürofenstern ermittelt werden. In das neue Modell E100 wird über dem Büroflur ein Sonnenschutz nach EK014 aufgenommen, vor den Bürofenstern wird ein geregelter Sonnenschutz nach EK049 modelliert, für die Verglasung der Südfenster wird ein feststehender Sonnenschutz nach EK042 vorgesehen. Es werden geregelte Tag- und Nachtlüftungsmaßnahmen im gesamten Bürobereich zur Reduzierung der Kühllasten in das Modell aufgenommen. In Zone 210 wird die Tag- und Nachtlüftung mit einem volumenbezogenen Außenluftstrom von 4 1/h und in allen anderen Büroräumen mit einem volumenbezogenen Außenluftstrom von 6 1/h eingeführt. Zur Unterstützung der günstigen Wirkung der Nachtlüftung werden die Bürotrennwände in mittelschwerer Bauweise nach EK052 ausgeführt. Da aus Gründen der Tageslichtnutzung ein größerer Fensterflächenanteil sinnvoll ist, wird für die weitere Untersuchung mit einem höheren Fensterflächenanteil von 50 % gerechnet. Der mit den Varianten EH001 bis EH003 gezeigte geringe Einfluss des Wärmedurchgangskoeffizienten des Seminarraumdaches auf den relativen bewerteten Jahresenergiebedarf, lässt eine Reduzierung der Dämmschichtdicke aus wirtschaftlichen Gründen (Investionskosten) als vertretbar erscheinen. Analyse des Modells E100 Der Vergleich der Ergebnisse des Grundmodells für den 2. Optimierungsschritt E100 mit denen des Grundmodells E000 zeigt, dass der Kühlenergiebedarf durch die Maßnahmen im Bürobereich in allen Zonen des Gebäudemodells reduziert werden konnte. Der Heizenergiebedarf ist dabei in allen Zonen gestiegen. Der flächenbezogene Gesamtgebäudeenergiebedarf für Kühlen ist von 31,96 kWh/m²a auf 9,16 kWh/m²a gefallen, der entsprechende Heizenergiebedarf ist von 27,98 kWh/m²a auf 33,68 kWh/m²a gestiegen. Der relative bewertete Jahresheizenergiebedarf für das gesamte Gebäude konnte durch die Maßnahmen in Modell E100 bezogen auf die Ergebnisse aus Modell E000 um 43,4 % reduziert werden. Die Analyse des neuen Modells zeigt, dass - abgesehen von den schon behandelten Heizenergiebedarfswerten im Labor- und Entwicklungsbereich - jetzt der Bürobereich im Verhältnis zur Grundfläche den größten Heizenergiebedarf aufweist. Im folgenden Optimierungsschritt sollte daher der Heizenergiebedarf im Bürobereich reduziert werden. Der Kühlenergiebedarf mit 43,86 % des gesamten Kühlenergiebedarfs auf nur 23,59 % der Fläche bietet noch ein größeres Optimierungspotential im Ausstellungsbereich. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 47 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 5.4.1 Verringerung des Kühlenergiebedarfs - Ausstellungsbereich Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Kühllasten im Ausstellungsbereich im Wesentlichen durch die Sonneneinstrahlung entstehen. Der Anteil der internen Lasten an der Überhitzung des Ausstellungsbereiches ist im Vergleich zur Sonneneinstrahlung sehr gering. Der Vergleich der Kühlenergiebedarfswerte in den drei Geschossen des Ausstellungsbereiches zeigt, dass das größte Überhitzungsproblem im 2. Obergeschoss und das geringste im Erdgeschoss auftritt. Entwicklung der Maßnahmen im Ausstellungsbereich In der folgenden Parameterstudie wird die Wirkung einer erhöhten Tag- und Nachtlüftung untersucht. Die Wirkung des Sonnenschutzes wird durch die Variation der Verglasungsqualität in den Süd-, den Ost- und Westfassaden und im Oberlicht im 2. Obergeschoss behandelt. In zwei Studien wird der Nutzen eines feststehenden Sonnenschutzes vor den Südfassaden untersucht. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 48 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 1. Variation der Qualität der Verglasung im Ausstellungsbereich Zur Nutzung größerer Tageslichtanteile wurde im Architektenentwurf ein Oberlicht im Dach des Ausstellungsbereiches vorgesehen. In den Varianten EK122 bis EK124 wird untersucht, wie sich eine veränderte Fensterqualität auf das energetische Verhalten des Raumes auswirkt. Es werden neben der Verglasungsart im Modell E100 jeweils drei weitere marktgängige Verglasungsqualitäten untersucht. E100 3-fach-Verglasung EK122 2-fach-Verglasung (iplussolar) EK123 2-fach-Verglasung (ipasolneutral) EK124 3-fach-Verglasung (iplus3C_10) Grundsimulationsmodell Dreifachverglasung: k = 0,87 W/m²K; g = 0,57; τ = 0,62 Sonnenschutzverglasung Zweifachverglasung: k = 1,75 W/m²K; g = 0,38; τ = 0,50 Sonnenschutzverglasung Zweifachverglasung: k = 1,39 W/m²K; g = 0,28; τ = 0,53 Sonnenschutzverglasung Dreifachverglasung: k = 0,59 W/m²K; g = 0,42; τ = 0,65 Der Kühlenergiebedarf im Ausstellungsbereich kann durch die Veränderung der Glasqualität in der im Verhältnis kleinen Oberlichtfläche am wirksamsten reduziert werden. Der absolute Kühlenergiebedarf von 17,0 kWh/m²a im Modell E100 kann in dem Modell EK123 auf 13,5 kWh/m²a reduziert werden. Mit dieser Maßnahme steigt der Heizenergiebedarf von 9,5 kWh/m²a auf 11,3 kWkh/m²a. Der relative bewertete Jahresenergiebedarf im Ausstellungsbereich fällt in diesem Fall um 22,2 % so, dass diese Maßnahme in dem zugrunde gelegten Bewertungssystem die günstigste Variante ist. 140% Heizen Kühlen 120% gesamt E100 EK122 EK123 EK124 Abbildung 25: Variation der Qualität der Oberlichtverglasung im Ausstellungsbereich; Relativer bewerteter Jahresenergiebedarf im Ausstellungsbereich bezogen auf das Modell E100. 100% 80% 60% Empfehlung: Im Fall mit Dachverglasung sind wirksame Maßnahmen, für den sommerlichen Wärmeschutz zu treffen. Aufgrund der guten Tageslichtsituation in der Ausstellung wird empfohlen, die Dachverglasung so weit wie möglich zu schließen. 40% 20% 0% k=0.87W/m²K g=0.57 k=1.75W/m²K g=0.38 k=1.39W/m²K g=0.28 k=0.59W/m²K g=0.42 Glasqualität im Oberlicht Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 49 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 2. Feststehender Sonnenschutz an der südlichen Glasfassade im Ausstellungsbereich In den Varianten EK107 bis EK108 und EK110 bis EK111 wird die Auswirkung von feststehenden Verschattungselementen vor den Südfassaden untersucht. In den Varianten EK107 bis EK108 wird der feststehende Sonnenschutz als horizontaler Überstand über den Südfensterflächen in jedem Geschoss und in den Varianten EK110 bis EK111 nur über der Fassadenfläche im 2. Obergeschoss ausgebildet. E100 keine Verschattung EK107 passive Verschattung EK108 passive Verschattung Grundsimulationsmodell Zenitwinkel < 30° ausgeblendet Zenitwinkel < 50° ausgeblendet E100 keine Verschattung EK110 passive Verschattung EK111 passive Verschattung Grundsimulationsmodell Zenitwinkel < 30° ausgeblendet Zenitwinkel < 50° ausgeblendet Die Auswertung der Ergebnisse ergibt, dass die Verschattungselemente in den unteren Geschossen bei gleichem ausgeblendeten Zenitwinkel nur einen geringen zusätzlichen Nutzen für die Reduzierung der Kühlenergiebedarfswerte bringen. Der relative bewertete Jahresenergiebedarf kann bei Verschattungselementen in allen Geschossen im Fall EK108 um 33,1 % reduziert werden. Werden die Verschattungselemente nur über dem 2. Obergeschoss angeordnet, kann im Fall EK111 noch eine Reduzierung des relativen bewerteten Jahresenergiebedarf um 30,8 % erreicht werden. Abbildung 26: Feststehender Sonnenschutz an der südlichen Glasfassade im Ausstellungsbereich EG und 2. OG; Relativer bewerteter Jahresenergiebedarf im Ausstellungsbereich bezogen auf das Modell E100. 140% Heizen Kühlen 120% gesamt 100% 80% 60% 40% 20% E100 EK107 EK108 0% 0 10 20 30 40 50 60 ausgeblendeter Zenitwinkel in ° Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 50 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Abbildung 27: Feststehender Sonnenschutz an der südlichen Glasfassade im Ausstellungsbereich 2. OG; Relativer bewerteter Jahresenergiebedarf im Ausstellungsbereich bezogen auf das Modell E100. 140% Heizen Kühlen 120% gesamt 100% 80% 60% 40% 20% E100 EK110 EK111 0% 0 10 20 30 40 50 60 ausgeblendeter Zenitwinkel in ° Empfehlung: Aufgrund der geringen Unterschiede zwischen einem und mehreren Verschattungselementen entscheidet sich das Planungsteam aus architektonischen Gründen, den Sonnenschutz über dem 2. Obergeschoss auszuführen. Der ausgeblendete Zenitwinkel sollte größer als 40° sein. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 51 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 3. Erhöhte Taglüftung im Ausstellungsbereich Aus dem Vergleich der Außenlufttemperatur mit den operativen Raumtemperaturen wird deutlich, dass die Außenlufttemperatur überwiegend unterhalb der operativen Raumtemperatur liegt. In den Varianten EK113 bis EK115 wird die Wirkung eines erhöhten volumenbezogenen Außenluftstroms innerhalb der Nutzungszeit auf die Temperaturverhältnisse im Raum untersucht. Die Lüftung wird geschossweise nach der operativen Raumtemperatur und der Außenlufttemperatur geregelt. In den Varianten EK113 bis EK115 wird nach der Raumtemperaturpaarung (Hysterese) 23/22 °C geregelt. E100 Grundlüftung EK113 geregelte Taglüftung 0,2-facher volumenbezogener Außenluftstrom immer wenn innerhalb der Betriebszeit Raumtemperatur > 23 °C (Hysterese bis < 22 °C) und Außentemperatur < Raumtemperatur: 2-facher volumenbezogener Außenluftstrom immer wenn innerhalb der Betriebszeit Raumtemperatur > 23 °C (Hysterese bis < 22 °C) und Außentemperatur < Raumtemperatur: 4-facher volumenbezogener Außenluftstrom immer wenn innerhalb der Betriebszeit Raumtemperatur > 23 °C (Hysterese bis < 22 °C) und Außentemperatur < Raumtemperatur: 6-facher volumenbezogener Außenluftstrom EK114 geregelte Taglüftung EK115 geregelte Taglüftung Die Auswertung der Ergebnisse zeigt, dass für beide Grenztemperaturpaarungen der Heizenergiebedarf leicht steigt und der Kühlenergiebedarf deutlich reduziert werden kann. Aus den Ergebnissen für den relativen bewerteten Jahresenergiebedarf ist ersichtlich, dass der zusätzliche Nutzen der Lüftung mit steigendem volumenbezogenen Außenluftstrom abnimmt. Während der relative bewertete Jahresenergiebedarf bei einer Erhöhung des volumenbezogenen Außenluftstroms von 0,2 1/h (E100) auf 2 1/h (EK113) um 15,1 % fällt, beträgt die Reduzierung zwischen 4 1/h (EK115) und 6 1/h (EK118) nur noch 2,7 %. Abbildung 28: Variation des volumenbezogenen Außenluftstrom innerhalb der Nutzungszeit (erhöhte Taglüftung) im Ausstellungsbereich; Relativer bewerteter Jahresenergiebedarf im Ausstellungsbereich bezogen auf das Modell E100. 140% Heizen Kühlen 120% gesamt 100% 80% 60% 40% 20% E100 EK113 EK114 EK115 0% 0 1 2 3 4 5 6 volumenbezogener Außenluftstrom 1/h Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 52 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 4. Erhöhte Nachtlüftung im Ausstellungsbereich Der Verlauf der Außenlufttemperaturen im Vergleich mit dem der operativen Raumtemperaturen macht deutlich, dass in Zeiten mit Überhitzung der Räume ein erhöhter Außenluftstrom zur nächtlichen Kühlung des Gebäudes genutzt werden kann. In den Varianten EK116 bis EK118 wird die Wirkung eines erhöhten volumenbezogenen Außenluftstroms außerhalb der Nutzungszeit auf die Temperaturverhältnisse im Ausstellungsbereich untersucht. Die Lüftung wird geschossweise nach der operativen Raumtemperatur und der Außenlufttemperatur geregelt. Die Lüftung wird in der Zeit von 0.00 bis 6.00 Uhr betrieben, wenn am vorhergehenden Tag die Raumtemperatur 23 °C überschritten hat, die erhöhte Lüftung wird abgestellt, wenn 20 °C erreicht werden. E100 Grundlüftung EK116 geregelte Nachtlüftung EK117 geregelte Nachtlüftung EK118 geregelte Nachtlüftung 0,2-facher Luftwechsel immer wenn innerhalb der Zeit von 0.00 bis 6.00 Uhr Raumtemperatur > 23 °C (Hysterese bis < 20,1 °C), geschossweise geregelt und Außentemperatur < Raumtemperatur: 2-facher volumenbezogener Außenluftstrom immer wenn innerhalb der Zeit von 0.00 bis 6.00 Uhr Raumtemperatur > 23 °C (Hysterese bis < 20,1 °C), geschossweise geregelt und Außentemperatur < Raumtemperatur: 4-facher volumenbezogener Außenluftstrom immer wenn innerhalb der Zeit von 0.00 bis 6.00 Uhr Raumtemperatur > 23 °C (Hysterese bis < 20,1 °C), geschossweise geregelt und Außentemperatur < Raumtemperatur: 6-facher volumenbezogener Außenluftstrom Die Ergebnisse zeigen, dass der Heizenergiebedarf von der Nachtlüftung nicht beeinflusst wird. Wie bei der Taglüftung ergibt sich auch bei der Nachtlüftung bei einer Erhöhung des volumenbezogenen Außenluftstroms von 0,2 1/h auf 2 1/h ein größerer Nutzen als bei der Erhöhung von 4 1/h auf 6 1/h. Insgesamt kann an Hand der Simulationsergebnisse gezeigt werden, dass eine Nachtlüftung im Ausstellungsbereich durch die Ausnutzung des dynamischen Gebäudeverhaltens wirksam zur Reduzierung des Kühlenergiebedarfs beitragen kann. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 53 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Abbildung 29: Variation des volumenbezogenen Außenluftstroms außerhalb der Nutzungszeit (erhöhte Nachtlüftung) im Ausstellungsbereich; Relativer bewerteter Jahresenergiebedarf im Ausstellungsbereich bezogen auf das Modell E100. 140% Heizen Kühlen 120% gesamt 100% 80% 60% 40% 20% E100 EK117 EK116 EK118 0% 0 1 2 3 4 5 6 volumenbezogener Außenluftstrom 1/h Obwohl die Ergebnisse für die Tag- und die Nachtlüftung der zweiten Optimierungsstufe noch nicht zur Dimensionierung der Lüftungsanlage oder der notwendigen Öffnungen zur freien Lüftung herangezogen werden können, ist aus ihnen erkennbar, dass es einen sinnvollen, am Bedarf orientierten, maximalen volumenbezogenen Außenluftstrom gibt, bei dem der Nutzen im sinnvollen Verhältnis zum technischen Aufwand steht. Dieser Wert muss am entwickelten Endmodell ermittelt werden. Empfehlung: Wie im Bürobereich sind auch in der Ausstellung seitens der TGA geeignete Maßnahmen zu berücksichtigen, die einen volumenbezogenen Außenluftstrom von 4 1/h ermöglichen. Alternativ kann der Glasflächenanteil verringert oder der Sonnenschutz verbessert werden. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 54 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 5.5 Entwicklung des Modells E200 aus der Variantenuntersuchung E100 Als wirkungsvollste Maßnahmen zur Reduzierung der Kühllast im Ausstellungsbereich konnten in der Parameteruntersuchung die Tag- und Nachtlüftung, der feststehende Sonnenschutz vor der Südfassade sowie eine veränderte Fensterqualität im Oberlicht über dem Ausstellungsbereich im 2. Obergeschoss ermittelt werden. In das neue Modell E200 wird ein Überstand mit 4.05 m Länge vor der Südfassade im 2. Obergeschoss nach Modell EK111 eingeführt; dieser blendet Zenitwinkel >50° aus. Die Verglasungsqualität im Oberlicht wird entsprechend Variante EK123 gewählt. Die Tag- und die Nachtlüftung wird wie in den Modellen EK116 und EK118 mit einem 6-fachen volumenbezogenen Außenluftstrom in das Modell E200 eingeführt. Die Verglasungsqualität in den großen Fassadenflächen wird entsprechend dem Grundmodell beibehalten. Analyse des Modells E200 Der Vergleich der Ergebnisse des Grundmodells für den 3. Optimierungsschritt E200 mit denen des Modells E100 zeigt, dass der Kühlenergiebedarf durch die Maßnahmen im Ausstellungsbereich in allen Zonen des Gebäudemodells, mit Ausnahme der Zone E12, reduziert werden konnte; der Heizenergiebedarf ist dabei in allen Zonen gestiegen. Der flächenbezogene Gebäudeenergiebedarf für Kühlen ist von 9,16 kWh/m²a auf 5,13 kWh/m²a gefallen, der entsprechende Heizenergiebedarf ist von 33,68 kWh/m²a auf 35,39 kWh/m²a gestiegen. Der relative bewertete Jahresheizenergiebedarf für das gesamte Gebäude könnte durch die Maßnahmen in Modell E200 bezogen auf die Ergebnisse aus Modell E100 - um 12,2 % (bezogen auf E000 um 50,3 %) reduziert werden. 5.5.1 Optimierung des Kühlenergiebedarfs im Seminarbereich Die Auswertung der Simulationsergebnisse aus Modell E200 zeigt, dass der Kühlenergiebedarf im Seminar- und Labor-/Entwicklungsbereich mit 50,26 % des Kühlenergiebedarfs auf nur 19,45 % der Fläche im Verhältnis am größten ist. Der Heizenergiebedarf im Ausstellungsbereich ist in der Parameterstudie noch nicht behandelt worden. Im dritten Schritt der Optimierung soll daher der Kühlenergiebedarf im Seminarbereich und Heizenergiebedarf im Ausstellungsbereich untersucht werden. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 55 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 1. Erhöhte Taglüftung im Seminar- und Labor-/Entwicklungsbereich Die Variation des volumenbezogenen Außenluftstroms innerhalb der Nutzungszeit im Seminarund Labor-/Entwicklungsbereich in den Modellen EK207 bis EK209 zeigt, wie mit einer erhöhten Lüftung die Raumtemperatur im Seminar- und Labor-/Entwicklungsbereich im Sommer reduziert werden kann. Die Lüftung wird für den Seminar- und Labor-/Entwicklungsbereich - getrennt nach der operativen Raumtemperatur und der Außenlufttemperatur - geregelt. E200 Grundlüftung EK207 geregelte Taglüftung EK208 geregelte Taglüftung EK209 geregelte Taglüftung 0,2-facher volumenbezogener Außenluftstrom Immer wenn innerhalb der Betriebszeit Raumtemperatur > 23 °C (Hysterese bis < 22 °C) und Außentemperatur < Raumtemperatur: 2-facher volumenbezogener Außenluftstrom Immer wenn innerhalb der Betriebszeit Raumtemperatur > 23 °C (Hysterese bis < 22 °C) und Außentemperatur < Raumtemperatur: 4-facher volumenbezogener Außenluftstrom Immer wenn innerhalb der Betriebszeit Raumtemperatur > 23 °C (Hysterese bis < 22 °C) und Außentemperatur < Raumtemperatur: 6-facher volumenbezogener Außenluftstrom Abbildung 30: Variation des volumenbezogenen Außenluftstroms außerhalb der Nutzungszeit (erhöhte Taglüftung) im Laborund Entwicklungsbereich; Relativer bewerteter Jahresenergiebedarf im Laborund Entwicklungsbereich bezogen auf das Modell E200. 140% Heizen Kühlen 120% gesamt 100% 80% 60% 40% 20% E200 EK207 EK208 2 4 6 EK209 0% 0 8 volumenbezogener Außenluftstrom 1/h Die Ergebnisse der Simulationsrechnungen zeigen, dass der Kühlenergiebedarf durch eine erhöhte Lüftung während der Nutzungszeit reduziert werden kann. Der Heizenergiebedarf steigt dabei leicht an. Der relative bewertete Jahresenergiebedarf für Heizen kann mit einem 6-fachen volumenbezogenen Außenluftstrom im Fall EK208 im Vergleich zu einem 2-fachen Luftwechsel im Fall E200 um 5 % reduziert werden. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 56 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 2. Erhöhte Nachtlüftung im Seminar- und Labor-/Entwicklungsbereich Mit den Varianten EK210 bis EK212 wird die Auswirkung des volumenbezogenen Außenluftstroms außerhalb der Nutzungszeit im Seminar- und Labor-/Entwicklungsbereich gezeigt. Die Lüftung wird für den Seminar- und Labor-/Entwicklungsbereich getrennt nach der maximalen operativen Raumtemperatur im Laufe des vorangegangenen Tages, der Außenlufttemperatur und nach einer Zeitschaltung gesteuert. E200 Grundlüftung EK210 geregelte Nachtlüftung 0,2-facher Luftwechsel Immer wenn innerhalb der Zeit von 0.00 bis 6.00 Uhr Raumtemperatur > 23 °C (Hysterese bis < 20,1 °C), geschossweise geregelt und Außentemperatur < Raumtemperatur: 2-facher volumenbezogener Außenluftstrom Immer wenn innerhalb der Zeit von 0.00 bis 6.00 Uhr Raumtemperatur > 23 °C (Hysterese bis < 20,1 °C), geschossweise geregelt und Außentemperatur < Raumtemperatur: 4-facher volumenbezogener Außenluftstrom Immer wenn innerhalb der Zeit von 0.00 bis 6.00 Uhr Raumtemperatur > 23 °C (Hysterese bis < 20,1 °C), geschossweise geregelt und Außentemperatur < Raumtemperatur: 6-facher volumenbezogener Außenluftstrom EK211 geregelte Nachtlüftung EK212 geregelte Nachtlüftung 140% Abbildung 31: Variation des volumenbezogenen Außenluftstrom außerhalb der Nutzungszeit (erhöhte Nachtlüftung) im Labor- und Entwicklungsbereich; Relativer bewerteter Jahresenergiebedarf im Laborund Entwicklungsbereich bezogen auf das Modell E200. Heizen Kühlen 120% gesamt 100% 80% 60% 40% 20% E200 EK210 EK211 EK212 0% 0 1 2 3 4 5 volumenbezogener Außenluftstrom 1/h 6 Die Ergebnisse der Varianten zeigen, dass der Kühlenergiebedarf durch eine erhöhte Lüftung außerhalb der Nutzungszeit reduziert werden kann. Der Heizenergiebedarf steigt dabei leicht an. Der relative bewertete Jahresenergiebedarf für Heizen kann mit einem 4-fachen volumenbezogenen Außenluftstrom im Fall EK211 im Vergleich zu einem 0,2-fachen Luftwechsel im Fall E200 um 8,9 % reduziert werden. Da der Anteil des Kühlenergiebedarfs am bewerteten Jahresenergiebedarf im Vergleich zum Heizenergiebedarf in den Fällen EK207 bis EK212 relativ gering ist, kann mit einer Maßnahme zur Reduzierung des Kühlenergiebedarfs nur eine geringe Verbesserung der Gesamtwerte erzielt werden. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 57 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 5.6 Entwicklung des Modells E300 und E400 An Hand der Parameteruntersuchung in den Modellen EK204 bis EK212 kann gezeigt werden, dass eine erhöhte Lüftung innerhalb und außerhalb der Nutzungszeiten und eine externe Verschattung zur Reduzierung der Kühlenergiebedarfswerte genutzt werden kann. Im Modell E300 werden eine Taglüftung nach Modell EK208 und eine Nachtlüftung nach Modell EK212 vorgesehen. Die Verschattung, die auch zur Verdunkelung der Seminarräume benötigt wird, wird zur Reduzierung der solaren Gewinne geregelt. Parallel zur Parameteruntersuchung in den Optimierungsschritten 1 bis 3 werden im Planungsprozess des Beispielprojektes Entscheidungen getroffen, die das energetische Verhalten des Gebäudes beeinflussen. Die sich daraus ergebenden Änderungen werden aufbauend auf dem Modell E300 in das Modell E400 eingearbeitet. In Abstimmung mit dem Tageslichtplaner und dem Statiker wird die Größe der Fassadenöffnungen in den tragenden Außenwänden des Bürobereiches festgelegt. Anders als im Vorplanungsentwurf werden jetzt nicht mehr nur eine große Fensteröffnung pro Arbeitsplatz, sondern drei kleinere Öffnungen vorgesehen. Damit ergibt sich eine gleichmäßigere Ausleuchtung der Arbeitsfläche und im Vergleich zum Vorplanungsentwurf (ca. 26 %) ein größerer Fensterflächenanteil (ca. 36 %). Als zweite Änderung wird die verglaste südliche Giebelfassade in den Bürozonen des 2. Obergeschosses (Zone 211 und Zone 212) aus statischen und thermischen Gründen des thermischen Gebäudeverhaltens geschlossen. Bezogen auf die Bedarfswerte des Modells E000 ergibt sich zwischen den Ergebnissen für das Modell E300 und E400 eine Reduzierung des relativen bewerteten Jahresenergiebedarfs um 6,6 %. Dies zeigt, dass die eingeführten Maßnahmen den Heiz- und auch den Kühlenergiebedarf weiter reduzieren. Die Ergebnisse der Varianten E401 bis E404 zeigen, dass die Taglüftung im Erdgeschoss und im 1. Obergeschoss nur eine geringe Wirkung hat, und dass im 2. Obergeschoss die Taglüftung zur Reduzierung der Kühllast genutzt werden kann. Dabei sind für alle drei Geschosse die Veränderungen am Kühl- und Heizenergiebedarf gegenläufig. Mit steigendem volumenbezogenen Außenluftstrom ist der Heizenergiebedarf höher und der Kühlenergiebedarf geringer. Für den relativen bewerteten Jahresenergiebedarf liegt das Minimum in allen drei Geschossen bei einem volumenbezogenen Außenluftstrom von 4 1/h. Die Auswertung der Ergebnisse zeigt darüber hinaus, dass ein Modell mit einem volumenbezogenen Außenluftstrom von 6 1/h, wie es im Modell E400 modelliert ist, gesamtenergetisch genauso zu bewerten ist, wie ein Modell, in dem nur die Grundlüftung vorgesehen ist. Es kann also gezeigt werden, dass im entwickelten Modell - im Vergleich zu den Modellen EK055 bis EK057 - der für das energetische Optimum notwendige volumenbezogene Außenluftstrom im Bürobereich durch die Optimierung des Gesamtgebäudes reduziert werden konnte. Die Veränderung der Nachtlüftung in den Varianten E405 bis E408 führt auch in dem entwickelten Modell zu dem Ergebnis, dass der Heizenergiebedarf von der Nachtlüftungsmaßnahme unabhängig ist. Der Kühlenergiebedarf wird mit steigendem volumenbezogenen Außenluftstrom in den einzelnen Etagen deutlich reduziert. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 58 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 5.7 Entwicklung des Modells E500 aus der Variantenuntersuchung E400 Aus der Variationsstudie über das Modell E400 wird das Modell E500 entwickelt. Es wird ein volumenbezogener Außenluftstrom von 4 1/h für die erhöhte Tag- und Nachtlüftung im Bürobereich im ersten und zweiten Obergeschoss und im Flur des Erdgeschosses angesetzt. In den Büroräumen des Erdgeschosses wird ein volumenbezogener Außenluftstrom von 6 1/h für die Nachtlüftung und von 4 1/h für die erhöhte Taglüftung angesetzt. In den Modellen E601 bis E609 wird mit einer gekoppelten Gebäude- und Tageslichtsimulation das energetische Verhalten der Zone 212 (westliche Bürozone im 2. Obergeschoss) untersucht. Zunächst wird am Modell E500 der Gebäudesimulation die Bandbreite der Energiebedarfswerte zwischen den Ergebnissen mit und ohne innere Lasten durch Beleuchtung ermittelt. Das zeigt für den Heiz- und Kühlenergiebedarf sowie für den Strom- und Gesamtbedarf die Bandbreite, in der sich der relative bewertete Jahresenergiebedarf für die Zone 212 bewegt. Dabei wird Wärme mit dem Faktor 1, Kälte mit dem Faktor 2 und Strom mit 2,8 gewichtet. Für die Beleuchtung wird eine Leistung von 7,5 W/m² bzw. 0 W/m² angesetzt. Die Auswertung zeigt, dass der Strombedarf zur Beleuchtung das größte Potential zur weiteren Reduzierung der bewerteten Gesamtenergiebedarfswerte aufweist. Der Einfluss der inneren Lasten aus der Beleuchtung auf die Werte für Heizen und Kühlen ist verglichen mit den Strombedarfswerten gering. Abhängig von der Tageslichtautonomie des Raumes, der Regelstrategien der Beleuchtung und des Sonnenschutzes stellen sich die in der gekoppelten Tageslicht-Gebäudesimulation ermittelten Bedarfswerte innerhalb der dargestellten Bandbreiten ein. Der bewertete Jahresenergiebedarf der Zone 212 mit einer idealen Dimmung der Beleuchtung und einer angepassten Lichtleistung (<7,5 W/m²) beträgt 67,14 % zu der bewerteten Energie mit 100 % Lichtleistung in der Nutzungszeit im Modell E500. In den Varianten E601 bis E609 wird in Anlehnung an /10/ der Einfluss des Fensters auf das energetische Verhalten der Zone 212 über die Variation der relativen thermischen und visuellen Apertur untersucht. In dem Parameter „thermische Apertur“ sind die Fensterfläche und der Gesamtenergiedurchlassgrad und in dem Parameter „visuelle Apertur“ die Fensterfläche und die visuelle Transmission zu stetigen Größen zusammengefasst. Beide Parameter werden auf die Bürofassadenfläche der betrachteten Zone bezogen. Der mittlere Wärmedurchgangskoeffizient der Außenhaut der Zone wird in allen Varianten beibehalten. Durch die Betrachtung der Fensterparameter als stetige Größen ist in der Planung eine bedarfsorientierte Auslegung der erforderlichen Fensterqualitäten und -flächen möglich. Für die Untersuchung werden zunächst für die beiden Räume der Zone 212 mit dem Tageslichtsimulationsprogramm SUPERKLINK aus dem Programmpaket ADELINE /11/ die erforderlichen stündlichen Lichtleistungswerte ermittelt. Dazu werden die Anschlusswerte und Materialdaten aus der Planung des Beispielprojektes angesetzt und eine ideal angepasste Dimmung vorgesehen. Eine tageslichtgeregelte Verschattung wird in den Varianten E601 bis E609 nicht untersucht. Die ermittelten Werte werden in die Gebäudesimulation eingeführt und als innere Lasten innerhalb der Nutzungszeit in Zone 212 angesetzt, außerhalb der Nutzungszeit wird die Beleuchtungsanlage abgeschaltet. In Zeiten, in denen aus thermischen Gründen verschattet wird, wird die Beleuchtung mit der optimalen Leistung aus der Tageslichtsimulation angesetzt. Für die Auswertung der Ergebnisse muss beachtet werden, dass die Anordnung der Fensterflächen in der Außenfassade in dem Modell zur Simulation des thermischen Gebäudeverhaltens keinen Einfluss auf die Ergebnisse hat und dass die Ergebnisse der visuellen Betrachtung nur für eine gleichartige Fensterflächenverteilung wie im untersuchten Modell aussagekräftig ist. Die Tabelle 1 gibt eine Übersicht über die Parameter in den Varianten E601 bis E609. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 59 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Tabelle 1: Zusammenstellung der Parameter in der Tageslichtsimulation Thermische Apertur Visuelle Apertur 0,188 (τ=0,50) 0,282 (τ=0,75) 0,376 (τ=1,00) 0,086 (g=0,23) E603 E606 E609 0,150 (g=0,40) E602 E605 E608 0,214 (g=0,57) E601 E604 E607 100% Abbildung 32: Bandbreite des relativen bewerteten Jahresenergiebedarfes in der Zone 212 im 2. Obergeschoss bezogen auf das Modell E500 in Abhängigkeit der inneren Lasten durch Beleuchtung. mit 100% Beleuchtung 90% Variante E601 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Heizen Kühlen Strom gesamt Energiebedarfsbandbreiten - Zone212 Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 60 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Abbildung 33: Variation der visuellen und thermische Apertur; relativer bewerteter Jahresenergiebedarf in der Bürozone 212 im 2. Obergeschoss bezogen auf das Modell E601. 140% 120% Heizen 0.214 Licht 0.214 Heizen 0.150 Licht 0.150 Heizen 0.086 Licht 0.086 Kühlen 0.214 gesamt 0.214 Kühlen 0.150 gesamt 0.150 Kühlen 0.086 gesamt 0.086 100% 80% 60% E601 E602 E603 40% E604 E605 E606 E607 E608 E609 20% 0% 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 relative visuelle Apertur in % Die Auswertung der Ergebnisse zeigen, dass sich durch die Veränderung der visuellen Apertur der Stromenergiebedarf für die Beleuchtung verändert und alle anderen Bedarfswerte bei dieser Variation konstant bleiben. Die Veränderung der thermischen Apertur ergibt, dass sich der Heizenergiebedarf deutlich und der Kühlenergiebedarf geringfügig verändert. Die erforderliche Beleuchtungsenergie bleibt für diesen Fall konstant. Gesamtenergetisch sind nach den ermittelten Ergebnissen mit der vorgenommenen Gewichtung Verglasungen mit großen Werten für die visuelle Transmission und den Gesamtenergiedurchlassgrad für die betrachtete Zone günstig. Die bei der Tageslichtsimulation ermittelten Werte für die Tageslichtautonomie liegen bezogen auf das gesamte Jahr mit 24 Stunden am Tag zwischen 22,7 % und 37,5 % für den nördlichen Raum und zwischen 32,5 % und 42,3 % für den südlichen Raum der Zone 212. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 61 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 5.8 Darstellung der Entwicklung des Simulationsmodells In den fünf Optimierungsschritten kann der relative bewertete Jahresenergiebedarf für Heizen und Kühlen des Gesamtgebäudes um 60 % reduziert werden. Der bewertete Kühlenergiebedarf ist in den Schritten E000 bis E500 um 64,8 % gefallen und der bewertete Heizenergiebedarf um 4,8 % gestiegen. Das zeigt die Entwicklung der bewerteten Jahresenergiebedarfswerte bezogen auf die Ergebnisse des Modells E000 für das gesamte Gebäude. 140% Heizen Kühlen 120% gesamt Abbildung 34: Darstellung der Entwicklung des Simulationsmodells für das Gesamtgebäude; Relativer bewerteter Jahresenergiebedarf bezogen auf das Grundmodell E000. 100% 80% 60% 40% 20% 0% E000 E100 E200 E300 E400 E500 Optimierungsschritte - gesamtes Gebäude Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 62 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 6 Schlussbericht Tageslichtkonzept Übergeordnetes Ziel im Sinne des solaroptimierten Bauens ist es, unter den gegebenen Randbedingungen, ein Optimum zwischen den erforderlichen Schutz- und den gewünschten Versorgungsfunktionen zu ermitteln. Dabei kommt es häufig zu Konflikten, weil physikalische Gesetze die gleichzeitige Erfüllung von Funktionen eingrenzen. Besonders gilt dies für die Kombination Durchsicht und Blendschutz, aber auch thermischer Sonnenschutz und Tageslichtnutzung sowie der Konflikt zwischen solaren Gewinnen im Winter und Überhitzung im Sommer. Zur Lösung dieser Anforderungskonflikte wird eine hohe Variabilität bezüglich des Gesamtenergiedurchlassgrads und eine gute Selektivität zwischen Licht- und Energieeintrag ins Rauminnere angestrebt /12/. 6.1 Büroräume Die Büroflügel sind so angeordnet, dass alle Büroräume mit ihrer Stirnseite an die Fassade stoßen. Aufgrund der gewählten Fensterbreite, des Glasflächenanteils in der Fassade und der gewählten Raumaufteilung können alle Arbeitsplätze in Fensternähe angeordnet werden, was auf der Nutzerseite den Außenbezug zur Umgebung sicherstellt, ein hohes Tageslichtpotential ermöglicht und die wärmeübertragende Außenfläche des Gebäudes nur soweit als unbedingt nötig vergrößert. Aufgrund des hohen Dämmstandards und der intensiven Nutzung sind die inneren Lasten in diesem Gebäudeabschnitt die bestimmende Größe. Der Kunstlichtanteil fällt aufgrund der guten Tageslichtsituation relativ gering aus. Durch den erklärten Verzicht auf eine aktive Kühlung und die thermisch belastete Ost-Westfassade, ist in diesem Gebäudeabschnitt ein externer Sonnenschutz mit hohem Abminderungsfaktor (z=0,1) vorgesehen. Dieser ist an allen Fenstern variabel ausgeführt, welches ein Optimum zwischen solarer Zustrahlung im Heizfall und geringen solaren Lasten im Sommer gewährleistet. 6.1.1 Raumhöhe/Neigung der Außenwand Die lichte Raumhöhe ist mit 3,1 m vorgegeben. Mit dem Einsatz des Deckensegels (vgl. Kap. 7) verringert sich die lichte Raumhöhe im fensternahen Bereich von 3,1 auf ca. 2,5 m. Parameterstudien haben gezeigt, dass sich die Tageslichtsituation im Raum nur unwesentlich ändert. So steigt der Strombedarf für die Beleuchtung um ca. 1 %. Die Neigung der Außenfassade von 6° gegenüber der Horizontalen hat keinen erkennbaren Einfluss auf die Tageslichtsituation bzw. die Strombedarfswerte. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 63 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 6.1.2 Schlussbericht Fensterfläche Ausgangssituation ist im Büroraum ES08 ein Glasflächenanteil von 26 %. In einem ersten Schritt wird geprüft, ob die gesetzlichen Vorschriften für Bildschirmarbeitsplätze erfüllt sind /13/. Dem entsprechend wird die Fensterfläche so weit vergrößert, bis die für Bildschirmarbeitsplätze vorgeschriebene Sichtverbindung nach außen gewährleistet und der Arbeitsplatz als fensterorientiert einzustufen ist . Dazu wird das bisherige Fenster in drei Fensterelemente aufgeteilt. Der Glasflächenanteil erhöht sich durch diese Maßnahme auf 36 %. Der Tageslichtquotient beider Varianten ist nach der DIN 5034 /14/ berechnet und in Abbildung 35 über der Raumtiefe aufgetragen. Raum EW 08 6 Fensterfläche - alt 5 Fensterfläche - neu 4 3 2 1 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 Fensterabstand Abbildung 35: Tageslichtquotient für einen Fensterflächenanteil von 26 % (alt) und 36 % (neu) über der Raumtiefe aufgetragen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Ausgangssituation deutlich verbessert hat. Der durchschnittliche Tageslichtquotient in halber Raumtiefe liegt demnach bei 1,6. Damit sind die Arbeitsplätze als tageslichtorientiert einzustufen und die geforderte Nennbeleuchtungsstärke kann von 500 auf 300 Lux reduziert werden. Welchen Einfluss diese Maßnahme auf die Tageslichtautonomie und den Energiebedarf zur Beleuchtung hat, wird am Ende des Kapitel 6.1 in den Simulationsergebnissen dargestellt. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 64 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 6.1.3 Schlussbericht Verglasungseigenschaften Die Verglasungsart hat einen wesentlichen Einfluss auf die lichttechnischen Eigenschaften des Raumes. Beeinflusst wird der Anteil des in den Raum gelangenden Tageslichts, dessen Verteilung und die äußeren Lasten. In den Büroräumen soll untersucht werden, ob eine Wärmeschutzverglasung oder Sonnenschutzverglasung besser geeignet ist, und welche Vorteile sich durch den Einsatz einer Diodenverglasung oder elektrochromer Gläser ergeben. Anforderungen an das Tageslichtsystem • Geringe solare Lasten im Sommer: Daraus resultiert ein niedriger Gesamtenergiedurchlassgrad Sonnenschutzsystem von ca. 0,06. der Verglasung inkl. • Geringe Transmissionsverluste im Winter / Keine Zugerscheinungen in der Anforderungszone: Daraus resultiert ein mittlerer Wärmedurchgangskoeffízient des Fensters von kleiner 1 W/m²K. • Hohe solare Gewinne zur Reduktion der Heizlast im Winter (guter Gesamtenergiedurchlassgrad) sowie eine gute Durchlässigkeit für sichtbares Licht. Diodenverglasung Gegenüber der üblichen Verglasung wird eine Diodenverglasung betrachtet. Bei diesen Systemen kann das Fenster jahreszeitbedingt im Rahmen gedreht werden und eine Sommer- sowie Winterposition einnehmen. Hierdurch ergeben sich zwei von der Wirkungsweise unterschiedliche Stellungen des Fensters. Ist die Absorptionsscheibe dem Raum zugewandt, ist der Energiedurchlassgrad deutlich größer als umgekehrt. Damit wird es laut Hersteller möglich, die solaren Gewinne im Winter zu maximieren, wohingegen im Sommer die solaren Lasten so klein als möglich ausfallen. Das Produkt ist am Markt verfügbar. Bewertung: Energetisch ist beim Einsatz der Diodenfenster, unter den gegebenen Randbedingungen, nur von einer geringfügigen Einsparung auszugehen. Der Grund liegt darin, dass der Energiedurchlassgrad in der Winterposition nicht deutlich über dem der Wärmeschutzverglasung liegt und der hohe Dämmstandard sowie die inneren Lasten keine signifikante Verbesserung des solaren Deckungsbeitrags erwarten lassen. In der Sommerposition ist der g-Wert nicht so niedrig, dass auf den externen Sonnschutz verzichtet werden kann. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass der geringe Vorteil auf Seiten des Heizenergiebedarfs einen deutlich höheren Systempreis, einen zusätzlichen Aufwand, die Fenster der Jahreszeit entsprechend in die jeweilige Position zu bringen, und einen größeren Rahmenanteil nicht rechtfertigt. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 65 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Sonnenschutzverglasung Sonnenschutzgläser zeichnen sich gegenüber der Wärmeschutzverglasung durch einen deutlich geringeren Gesamtenergiedurchlassgrad, bei nahezu identischer Durchlässigkeit für sichtbares Licht, aus. Der durch den geringeren Energieeintrag verbesserte thermische Sonnenschutz bedingt aber auch niedrigere solare Gewinne im Winter. Aufgrund der niedrigen Variabilität bezüglich des Gesamtenergiedurchlassgrads eignet sich die Sonnenschutzverglasung in einem solaroptimierten Gebäude deutlich schlechter als die Wärmeschutzverglasung. Elektrochrome Gläser Ähnlich wie bei den Sonnenschutzgläsern liegt der Energiedurchlassgrad unter dem der Wärmeschutzverglasung, was sich nachteilig auf die solaren Gewinne auswirkt. Im aktivierten Zustand kann der geforderte niedrige g-Wert ohne zusätzliche Maßnahmen nicht erreicht werden. Aufgrund der hohen Investitionskosten und der Lichtverfärbung im aktivierten Zustand entscheidet sich der Bauherr, diese Gläser in diesem Bereich nicht einzusetzen. Wärmeschutzverglasung Das Planungsteam entscheidet sich - aufgrund der besten Variabilität bezüglich des Gesamtenergiedurchlassgrades - in den Büros eine hochgedämmte Wärmeschutzverglasung mit einer guten Durchlässigkeit für sichtbares Licht einzusetzen (Dreischeibenverglasung mit Kryptonfüllung). Entsprechende Fensterelemente sind mit verschiedenen Rahmenmaterialien lieferbar und erfüllen die hohen Anforderungen an den Wärmedämmstandard. Das Planungsteam empfiehlt eine Wärmeschutzverglasung mit Lärchenholzrahmen. In Tabelle 2 sind die zugehörigen technischen Daten zusammengestellt. Tabelle 2: Technische Daten der Wärmeschutzverglasung Wärmedurchgangskoeffizient Glas Wärmedurchgangskoeffizient Fenster Gesamtenergiedurchlassgrad Visuelle Transmission Rau & partners Amsterdam Generalplaner 0,70 0,87 42 62 Seite 66 W/m² k W/m² k % % 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 6.1.4 Schlussbericht Oberlichter Oberlichter existieren in verschiedenen Ausführungen. Beim Projektbeginn wird über den Einsatz von diffusen Oberlichtern über den Fensterelementen sowie Oberlichter mit integrierten verspiegelten Tageslichtlenklamellen nachgedacht. Die Systeme mit der innenliegenden Lichtlenkung zeigen eine verbesserte Grundausleuchtung des hinteren Raumabschnitts. Das diffuse Oberlicht bringt keine nennenswerten Vorteile gegenüber der Einzelfensterlösung. Entscheidung: Mit der Entscheidung die Nutzenübergabe mittels eines Deckensegels zu realisieren, verlieren diese Systeme ihren tagelichtspezifischen Vorteil und werden daher nicht zum Einbau empfohlen. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 67 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 6.1.5 Schlussbericht Thermischer Sonnenschutz Diskutiert wird neben verschiedenen externen Systemen der mögliche Einsatz einer innen bzw. zwischen den Scheiben liegenden Sonnenschutzvorrichtung. Eine aktuelle wissenschaftliche Untersuchung zum Gesamtenergiedurchlassgrad von Einfach- und Verbundfenstern /15/ kommt zu dem Ergebnis, dass bei einem hohen Energiedurchlassgrad der Verglasung ein niedriger Gesamtenergiedurchlassgrad (gF-Werte) von 0,1 nur mit einem externen Sonnenschutz realisierbar ist (vgl. Abb. 36). . Abbildung 36 Durchschnittlicher Abminderungsfaktor des Sonnenschutzes in Abhängigkeit der Anbringung Aufgrund der Ost- bzw. Westorientierung der Bürofassade mit den höchsten Maximalwerten der solaren Zustrahlung entscheidet sich das Planungsteam für den Einsatz eines externen Systems. Von den verschiedenen Möglichkeiten wird ein von unten nach oben schließendes Stoffrollo, eine einfache Jalousie sowie eine tageslichtoptimierte Jalousie mit drei funktionalen Bereichen verglichen. Mit dem Ziel, beide Extremfälle abzudecken, wird die Bewertung einmal für einen tiefstehenden Sonnenstand und einmal für die hochstehende Sonne durchgeführt. Bewertet werden die Funktionen: TS Thermischer Sonnenschutz TN Tageslichtnutzung BB Blendbegrenzung SV Sichtverbindung Die Bewertungsskala reicht von + gewünschte Funktion wird erfüllt, über 0 gewünschte Funktion wird nur teilweise erfüllt, bis zu – die Funktionalität wird vom System nur ungenügend oder nicht erbracht. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 68 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Stoffrollo 3/4 geschlossen, von unten nach oben schließend TS 0 TN 0 BB - SV - Einfache Jalousie geschlossen, von oben nach unten schließend TS TN BB SV + 0 0 - Tageslichtoptimierte Jalousie geschlossen, von oben nach unten schließend TS TN BB SV + + 0 + Die Bewertung ergibt für das Stoffrollo in der 3/4-Stellung in der Summe ein ähnliches Ergebnis wie die einfache geschlossene Jalousie. Der nichtverschattete Fensterbereich bewirkt beim Stoffrollo einen relativ großen Lichteintrag im oberen Fensterdrittel, der solange genutzt werden kann, bis das einfallende Sonnenlicht den Kopfbereich an den Arbeitsplätzen erreicht. Gleichzeitig verschlechtert sich in der 3/4-Stellung der Energiedurchlassgrad, was vor allem nachmittags an der Westfassade dazu führt, dass aus Gründen der sommerlichen Behaglichkeit das Rollo ganz geschlossen werden muss und der Tageslichtnutzen entfällt. Die Bewertung für den niedrigen Sonnenstand zeigt, dass die tageslichtoptimierte Jalousie am besten abschneidet. Diese reflektiert im oberen Drittel das einfallende Licht an die Decke, was zu der besten Tageslichtnutzung der verglichenen Systeme führt. Auf Wunsch besteht zudem die Möglichkeit die unteren Lamellen teilperforiert auszuführen, was die geforderte Sichtverbindung ins Freie garantiert. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 69 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Thermischer Sonnenschutz bei hohem Sonnenstand (minimaler g-Wert) Bei hohem Sonnenstand sind aufgrund der Blendbegrenzung und des thermischen Sonnenschutzes alle Systeme im geschlossenen Zustand verglichen. Das externe Stoffrollo erfüllt in diesem Zustand zwar die Anforderungen des thermischen Sonnenschutzes, weist aber keinerlei lichtlenkende Eigenschaften sowie Sichtverbindung ins Freie auf. Dies verursacht, ähnlich der einfachen Jalousie, einen hohen Kunstlichtanteil der sich neben den größeren Strombedarfswerten auch negativ auf die sommerliche Behaglichkeit und die menschliche Psyche auswirkt. Die tageslichtoptimierte Jalousie gewährleistet aufgrund der lichtlenkenden Eigenschaften auch bei Vollverschattung die beste Tageslichtautonomie aller untersuchten Systeme bei gleichzeitiger Gewährleistung der sommerlichen Behaglichkeit. Stoffrollo ganz geschlossen TS TN BB SV + - + - TS TN BB SV + 0 0 - TN BB SV + 0 + Jalousie geschlossen Tageslichtoptimierte Jalousie geschlossen TS + Empfehlung thermischer Sonnenschutz: Innenliegende sowie zwischen den Scheiben liegende Sonnenschutzsysteme kommen aufgrund des Defizits beim thermischen Sonnenschutz (zu hoher g-Wert) nicht in Betracht. Dies hat eine drastische Verschlechterung der sommerliche Behaglichkeit zur Folge. Soll das solare Potential vollständig genutzt und auch im Fall der Vollverschattung weitgehend auf den Einsatz von Kunstlicht verzichtet werden, ist ein Sonnenschutzsystem mit mehreren funktionalen Bereichen unumgänglich. Die Empfehlung fällt daher zugunsten der Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 70 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht tageslichtoptimierten Jalousie aus. Diese gewährleistet als einziges der untersuchten Systeme aufgrund ihrer verschiedenen Funktionsbereiche einen ausreichenden Tageslichteintrag (oberes Drittel) bei niedrigem g-Wert und über gelochte Lamellen den geforderten Sichtkontakt ins Freie (unteres Drittel). 6.1.6 Blendschutz Nach den gültigen Vorschriften und Richtlinien ist an Bildschirmarbeitsplätzen für einen ausreichenden Blendschutz zu sorgen. Der Blendschutz sollte individuell vom Nutzer zu bedienen sein und bei der vorgeschriebenen Schutzfunktion (Blendschutz) gleichzeitig die gewünschten Versorgungsfunktionen (solarer Eintrag) ermöglichen. Empfehlung: Aus Kostengründen entscheidet sich das Planungsteam keinen separaten Blendschutz an den Bildschirmarbeitsplätzen einzusetzen. Damit es bei geschlossenem Sonnenschutz zu keiner Blendung kommt, wird ein System mit am Rand aufgehängten Lamellen eingesetzt, das an den Randbereichen sehr dicht abschließt. Damit werden laut Herstellerangaben DINILUX zu hohe Leuchtdichten an den Bildschirmarbeitsplätzen vermieden. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 71 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 6.1.7 Schlussbericht Jahresbetrachtung Büroräume Die Beleuchtung kann das Tageslichtangebot im Raum nicht beeinflussen, sondern reagiert je nach Schaltkonzept unterschiedlich auf das im Raum zur Verfügung stehende Tageslichtangebot. Zunächst wird der Einfluss auf den Strombedarf für den ungünstigen Raum (zum Betrachtungszeitraum ES07) für die Ausgangssituation mit einem Fensterelement ermittelt. Als Schaltkonzepte sind in Abbildung 37 eine ideal gedimmte Beleuchtung (rot, ES07diso), ein automatisches Schalten in Abhängigkeit der Beleuchtungsstärke auf der Arbeitsfläche (rosa, ES07miso) und ein manuelles Ein- bzw. Ausschalten (gelb, ES07siso) gezeigt. An dem errechneten und in der Abbildung 37 gezeigten Einsparpotential der verschiedenen Varianten wird deutlich, dass durch ideales Dimmen am meisten Energie eingespart wird. Abbildung 37: Einfluss der unterschiedlichen Schalt- bzw. Regelkonzepte für den Raum ES07 Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 72 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Abschließend wird der Strombedarf zur Beleuchtung für einen Raum im zweiten Obergeschoss mit einem Glasflächenanteil von 26 % und einer Nennbeleuchtungsstärke von 500 Lux berechnet und der aktuellen Variante mit einem Glasflächenanteil von 36 % und einer Nennbeleuchtungsstärke von 300 Lux gegenübergestellt. Die Tageslichtautonomie des Raumes verbessert sich von 32 % auf 50 %. Der Energiebedarf zur Beleuchtung kann um 60% reduziert werden. Ausgangsbasis ist ein ideal gedimmtes Beleuchtungssystem und ein optimierter Sonnenschutz vor den Fenstern. Abbildung 38: Einfluss des Glasflächenanteils und der Nennbeleuchtungsstärke auf den Strombedarf zur Beleuchtung mit Kunstlicht für den Raum ohne Südverglasung 2S07. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 73 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 6.2 Schlussbericht Flure in den Büroflügeln Die Dachfläche im Flur ist im ursprünglichen Gebäudeentwurf zu 37 % verglast. Zusätzlich sind die südöstlichen und südwestlichen Giebelwände im 2. Obergeschoss verglast. Da die energetische Gebäudesimulation ein Einsparpotential durch die Verkleinerung dieses Glasflächenanteils gezeigt hat, soll untersucht werden, welchen Einfluss dieser Vorschlag auf die Tageslichtsituation hat. Empfehlung: Auf Seiten der Tageslichtnutzung sind keine deutlichen Nachteile durch einen verkleinerten Glasflächenanteil zu erwarten, da die geforderte Nennbeleuchtungsstärke im Fall von Verkehrsflächen bei 50 Lux /16/ liegt, woraus nur eine sehr geringe Einsparung auf der Kunstlichtseite resultiert. Das Planungsteam entscheidet sich aus Gründen der sommerlichen Behaglichkeit, den Glasanteil in der Dach- und Südverglasung soweit als möglich zu reduzieren. Aus dem gleichen Grund wird an allen Glasflächen ein externes Sonnenschutzsystem mit sehr gutem Abminderungsfaktor empfohlen. In jedem Fall sind an allen Fensterflächen in diesem Gebäudebereich geeignete Vorsorgemaßnahmen zu treffen, um die sommerliche Behaglichkeit zu gewährleisten. Momentan wird geprüft, ob eine zwischen den Scheiben liegende Photovoltaikanlage oder elektrochrome Gläser finanziell gefördert werden. 6.2.1 Lichtdurchlässe in der Zwischendecke Der Flur im Erdgeschoss hat keine direkte Verbindung zur Gebäudehülle. Tageslicht gelangt über die Ausstellungsfläche in den nördlichen Flurabschnitt. Zusätzlich sorgen zwei in der Flurdecke angebrachte Lichtdurchlässe für einen zusätzlichen Lichteinfall aus den oberen Stockwerken. Durch Simulationsergebnisse konnten diese so positioniert werden, dass sich bei der zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche ein maximaler Nutzen einstellt. Die ursprüngliche und optimierte Position ist der Abbildung 39 zu entnehmen. Abbildung 39: Position der Lichtdurchlässe im Büroflur Entscheidung: Aufgrund des geringen Einsparpotentials auf der Kunstlichtseite entscheidet sich das Planungsteam gegen Lichtdurchlässe in den Flurböden. Dafür wird die Treppe mittig im Flur angeordnet und als leichte Stahlkonstruktion mit großzügigem Treppenausschnitt ausgeführt. Dadurch ergibt sich eine flexiblere Raumnutzung sowie eine größere Verkehrsfläche als in den ursprünglich geplanten Varianten. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 74 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 6.3 Schlussbericht Ausstellungsfläche In der Ausstellung öffnet sich das Gebäude mit dem maximal möglichen Glasflächenanteil nach Süden und ermöglicht dem Nutzer einen tageslichtdurchfluteten Zutritt in die angrenzenden Bereiche. Die Hauptnutzung als Ausstellung- und Verkehrsfläche bedingt sehr niedrige innere Lasten und führt damit zu einer maximalen Effektivität der solaren Zustrahlung. Ein kurzfristig auftretendes Über- bzw. Unterschwingen der Raumtemperatur kann hier toleriert werden und führt zu einer optimalen Aktivierung der Speichermasse des Gebäudes. Diese ist durch die Wahl der Brandabschnitte in der Ausstellung besonders groß und wirkt sich somit dämpfend auf auftretende Lastsprünge aus. In der wärmsten Jahreszeit blendet ein feststehender Sonnenschutz, der zwischen den Büroflügeln über der raumhohen Südverglasung angeordnet ist, die Direktstrahlung ab den Vormittagsstunden weitgehend aus. Die Größen und Anordnung ist so berechnet, dass in der Übergangszeit und im Winter der niedrige Sonnestand einen hohen solaren Deckungsanteil sicherstellt. Wird es dennoch zu warm, öffnen die Brandschutzklappen im Dach der Ausstellung und den Bürofluren automatisch und sorgen für eine energetisch günstige freie Lüftung. Zusätzlich kann bei Bedarf vorgekühlte Luft vom Erdwärmetauscher in die Ausstellung eingebracht werden. Ansonsten wird die austretende Luft über Öffnungen in der Fassade nachgeführt. 6.3.1 Verglasungseigenschaften Aus optischen und statischen Gründen entschließt sich das Planungsteam in der Ausstellung die zwei raumhohen Glasflächenelemente von jeweils 36 m² nicht als Dreischeibenverglasung, sondern als Zweischeibenverglasung auszuführen. Der Wärmedurchgangskoeffizient verschlechtert sich damit von 0,87 W/m²K auf 1,1 W/m²K, was auf der energetischen Seite nur zu einer geringfügigen Verschlechterung der Bedarfswerte führt (vgl. Kap 5). 6.3.2 Sonnenschutz Aus Gründen der sommerlichen Behaglichkeit ist ein externes Verschattungssystem vor den südorientierten Fensterflächen im Ausstellungsbereich notwendig. Soll dies zu keiner nennenswerten Beeinträchtigung der Sichtverbindung nach außen führen und ein möglichst großer Anteil des Tageslichts ins Rauminnere gelangen, bietet sich ein feststehender Überhang zwischen den Büroflügeln an. Dieser ist so dimensioniert, dass in den warmen Sommermonaten ein Zenitwinkel von mindestens 30° ausgeblendet wird und deshalb in den Sommermonaten nicht zu viel Direktstrahlung ins Gebäudeinnere gelangt. Die tiefstehende Abend- und Morgensonne wird weitgehend von den vorgelagerten Büroflügeln abgehalten. Ein entsprechender Sonnenschutz ist im Bild rechts dargestellt. 6.3.3 Blendschutz Aufgrund der Nutzung als Ausstellungsfläche entscheidet sich der Bauherr in der Ausstellung auf einen innenliegenden Blendschutz zu verzichten. Er nimmt damit billigend in Kauf, dass im Fall der niedrigstehenden Sonne auch direktes Licht ins Gebäudeinnere gelangt und es zu sehr hohen Leuchtdichten auf hellen oder reflektierenden Flächen sowie zu einer Direktblendung durch die Sonne selbst kommt. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 75 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 6.4 Schlussbericht Seminarräume In den Seminarräumen entscheidet sich der Bauherr aus repräsentativen Gründen für einen 50 %igen Glasanteil in der Fassade, was dem Tageslichtanteil zugute kommt. Durch die maximale Raumtiefe von über 10 Metern und der Nordorientierung der Fassade könnte das Lichtangebot im Rauminneren nur über Oberlichter im Dach oder lichtlenkende Maßnahmen entscheidend verbessert werden. Eine frühe Konzeptstudie, wie ein externer Sonnenschutz auch als lichtlenkendes System ausgeführt werden kann, ist in Abbildung 40 gezeigt. Abbildung 40: Sonnenschutz mit Überstand zur Lichtlenkung Das Planungsteam entscheidet sich aufgrund der überwiegend abgedunkelten Nutzung der Seminarräume zu Präsentations- und Schulungszwecken gegen weitere Maßnahmen zur Verbesserung der Tageslichtsituation. Als Optimierungsmaßnahme wird der als Fluchtweg unabdingbare Balkon vor den Seminarräumen so lichtdurchlässig wie möglich ausgeführt. Dazu ist der Boden mit flachen Gitterrosten belegt, die entgegen der üblichen Praxis mit Rechtecken, die mit dem langen Schenkel vom Gebäude wegzeigen, ausgestattet sind. Der Vorteil ist, dass die darunter liegenden Fenster durch den Bodenbelag einen Teil des darüber liegenden Himmels sehen und damit mehr Tageslicht ins Gebäudeinnere gelangt, als wenn der Balkon mit herkömmlichen Gitterosten belegt wird oder im Extremfall massiv ausgeführt wird . Als Blend- und Lichtschutz wird ein Rollosystem vorgeschlagen, dass die Räume im Bedarfsfall verdunkelt und in den Wintermonaten als temporärer Wärmeschutz genutzt werden kann. . Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 76 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 6.5 Schlussbericht Labor- und Entwicklungsbereich Aufgrund der Nordorientierung, der großen Raumtiefe und dem geringen Öffnungsindex der Fassade ist es vor allem im Labor- und EN02 Entwicklungsbereich nötig, verschiedene Alternativen zu entwickeln und zu bewerten. Zu den Tageslichtlenksystemen (Lightpipe, Anidolisch optische Systeme und holographisch optische Elemente), die den Lichtanteil in den tieferliegenden Raumabschnitten verbessern, werden die herkömmlichen Maßnahmen untersucht. Dazu gehört der Glasflächenanteil der Fassade, verschiedene Verglasungsarten und transparente Wandelemente zur Ausstellungsfläche. Neben den Genannten werden auch andere Maßnahmen zur Tageslichtoptimierung untersucht. Zur Bewertung der diskutierten Maßnahmen werden Untersuchungen mit verschiedenen Tageslichtsimulationsprogrammen durchgeführt. Nachfolgend ist die Modellbildung für SUPERLITE und SUPERLINK beschrieben. Die Untersuchungen der holgraphisch optischen Elemente und der Anidolik wird mit RADIANCE durchgeführt. 6.5.1 Modellbildung Alle Untersuchungen im Labor- und Entwicklungsbereich werden repräsentativ am Raum EN02 durchgeführt. In der Fassade stehen zur Tageslichtversorgung ein Oberlichtband, ein Fensterelement und ein senkrechter Glasstreifen neben der Eingangstür zur Verfügung (vgl. Abbildung 41) Dreifachverglasung (Transmissionsgrad = 62 %) (3) (1) Tür (2) Abbildung 41: Fassade vor dem Labor- und Entwicklungsbereich (1) Standardfenster 3 m x 1,8 m (2) Glasstreifen neben der Tür 0,5 m x 2,5 m (3) Oberlicht 5 m x 0,5 m Als externe Verschattung ist der Balkon mit 1,1 m über dem Oberlicht mit berücksichtigt. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 77 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Die Raumgeometrie kann mit einer Trapezfläche hinreichend genau beschrieben werden. Die Maße sind im Folgenden beschrieben: Raumbreite 7 m Kurzer Trapezschenkel 10,5 m Langer Trapezschenkel 11,5 m Lichte Raumhöhe 3,0 m 6.5.2 Modell der anidolisch optischen Decke In Zusammenarbeit mit dem EPFL in Lausanne ist eine anidolische Decke dimensioniert und anschließend bewertet worden. Der vollständige Bericht dieser Arbeit befindet sich im Anhang. Abbildung 42: Modellbildung der anidolisch optischen Decke Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 78 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Modell der Ausstellungsfläche Die Rückwand des Labors- und Entwicklungsbereichs grenzt an die Ausstellungsfläche. Aufgrund des großen Glasflächenanteils in der Fassade ist diese sehr gut mit Tageslicht beleuchtet. Inwieweit durch transparente Wandelemente zur Ausstellungsfläche das Tagslichtangebot im Labor und Entwicklungsbereich verbessert werden kann, wird an einem vereinfachten Modell untersucht. Dieses bildet die Ausstellungsfläche als rechteckiges Atrium ab, an das der Raum EN02 mit seiner Rückwand grenzt sowie die Verschattungssituation durch die anderen Gebäudeteile berücksichtigt (vgl. Abbildung 43). Abbildung 43: Modellbildung Ausstellung und Raum EN02 mit SUPERLINK Lichttechnische Eigenschaften Die diffusen Eigenschaften der berücksichtigten Elemente sind wie folgt: Boden 40 % , Decke 70 %,Wände 60 % Externe Verschattung (Balkon, Fensterrahmen usw.) 60 % Bodenfläche im Freien 20 % Die Transmissionswerte der Glasflächenelemente sind: Fensterelement 62 % alternativ 80 % Transmissionswerte der transparenten Innenwand 50 % Nutzung Die Nutzungszeit ist analog zum Pflichtenheft zwischen 7-18 Uhr festgelegt. Bei einer maximalen Nutzung ist von 4015 Betriebsstunden auszugehen. Die geforderte Beleuchtungsstärke beträgt 500 Lux. Im Fall der ADS Elemente wird zusätzlich eine Variante mit 300 Lux betrachtet. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 79 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 6.5.3 Verglasungseigenschaften Momentan wird von einer hochwertigen Wärmeschutzverglasung mit einem k-Wert von 0,87 und einer Lichtdurchlässigkeit von 62 % ausgegangen. Auf der Gebäudenordseite wird untersucht, welchen Vorteil eine Verglasung mit einer Lichtdurchlässigkeit von 80 % hat. 6.5.4 Nicht weiter untersuchte Tageslichtsysteme Light-Pipe Soll im Labor-/Entwicklungsbereich ein System zur Lichtleitung eingesetzt werden, ist eine Anbindung an das Sonnenlicht nur über den Dachbereich in der Ausstellungsfläche möglich. Ein entsprechendes System wird unter dem Namen Light-Pipe vermarktet. Ein Anwendungsbeispiel wird im Bild unten gezeigt. Abbildung 44: Bild einer Light-Pipe Begründung: Lichtleitsysteme zwischen mehreren Geschossen werden in Deutschland nur äußerst sporadisch eingesetzt. Der Grund liegt zum einen in der aufwendigen Technik zur Lichtleitung, was die Systeme teuer macht, als auch in den bestehenden Brandschutzvorschriften in öffentlichen Gebäuden. Aus den genannten Gründen entscheidet sich das Planungsteam, diese Systeme nicht in die engere Auswahl zu ziehen. Holographisch optische Elemente Die HO Elemente werden an der Außenfassade in Form einer Glasscheibe oberhalb der Fenster mit einem Anstellwinkel von 45° angebracht. Über ein holographisches Beugungsgitter, das zwischen zwei Glasscheiben eingebettet ist, wird diffuses Licht ins Gebäudeinnere gelenkt. Begründung Die Einsparung durch die holographisch optischen Elemente ist bei gleichen Randbedingungen und zur Verfügung stehender Fläche kleiner als bei den ADSElementen. Aufgrund der großen Raumtiefe entscheidet sich das Planungsteam - trotz der deutlich höheren Kosten - nur das System mit dem größten Nutzen zu bewerten. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 80 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 6.6 Schlussbericht Simulationsergebnisse im Labor- und Entwicklungsbereich Dimensionierung und Bewertung der anidolisch optischen Elemente wird mit RADIANCE vorgenommen, da sich diese Systeme mit den herkömmlichen Simulationsprogrammen nicht beschreiben lassen. Alle anderen Parameterstudien werden mit SUPERLITE und SUPERLINK durchgeführt. Um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse sicherzustellen, wird ein Referenzfall mit beiden Programmen berechnet. Anhand dieser Ergebnisse können die Parameter in SUPERLITE soweit angepasst werden, dass für den Referenzfall ähnliche Resultate erzielt werden. 6.6.1 Parameterstudien im Labor- und Entwicklungsbereich Zunächst wird als Referenzfall eine Variante ohne tageslichtoptimierende Maßnahmen im Raum EN02 betrachtet. Alle folgenden prozentualen Angaben sind auf diesen Fall bezogen. Der Tageslichtquotient der Variante ohne tageslichtoptimierende Maßnahmen ist in Abbildung 45 gezeigt Abbildung 45: Tageslichtquotient der Standardvariante Gut zu erkennen ist der Einfluss des Fensters auf der Nordseite des Raumes. Ab einer Raumtiefe von 4 m fällt der Tageslichtquotient unter einen Wert von 1. Das Maximum liegt bei 9,13 Der Mittelwert über der Raumfläche bei 1,07 Das Minimum in den hinteren Raumabschnitten unter einem Wert von 0,3. Wird im Raum EN02 von einer installierten Leistung von 1000 W ausgegangen, ergibt sich ein Strombedarf von 4015 kWh pro Jahr. Mit der manuellen Schaltweise fällt die jährliche Einsparung mit 48,8 kWh pro Jahr erwartungsgemäß nur geringfügig aus. Die maximal mögliche Einsparung von 1171 kWh wird mit einer ideale gedimmten Betriebsweise erreicht. Das entspricht einer Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 81 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Einsparung von 28 %. Bei den folgenden Betrachtungen wird gemäß dem derzeitigen Planungsstand nur noch von einer gedimmten Betriebsweise ausgegangen. 6.6.2 Verglasungseigenschaften Der Tageslichtanteil im vorderen Raumdrittel verbessert sich mit der tageslichtoptimierten Verglasung deutlich. Die Variante mit der lichtoptimierten Verglasung hat einen Strombedarf von 2622 kWh pro Jahr. Gegenüber der Standardvariante können damit maximal 8 % Strom zur Beleuchtung bei ansonst identischen Randbedingungen eingespart werden. 6.6.3 Transparente Anbindung an die Ausstellung Im Bereich der Innenwände zur Ausstellung sind mehrere transparente Wandelemente möglich. Dazu gehören Oberlichter und transparente Innentüren. Um das maximale Einsparpotential abzuschätzen, wird eine Variante mit einer, auf der gesamten Fläche lichtdurchlässigen Wand (Transmissionseigenschaft der Innenwand 50 %) untersucht. Wie in Abbildung 46 gezeigt, verbessert sich der Tageslichtquotient, vor allem im hinteren Raumbereich, gegenüber der Standardvariante deutlich. Abbildung 46: Tageslichtquotient bei transparenter Innenwand Gut zu erkennen ist der Einfluss des Fensters und der transparenten Innenwand auf den Tageslichtquotienten. Weniger auffallend ist, dass sich der Mittelwert auf einen Wert von 1,07 auf 2,04 verbessert und der Flächenanteil im Raum mit einem Tageslichtquotient kleiner 1 nur noch in einem schmalen Streifen in der Raummitte zu finden ist . Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 82 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Aus der Jahresbetrachtung resultiert der in Abbildung 3.4 gezeigte Strombedarf zur Beleuchtung mit Kunstlicht (gelb). Als Vergleich ist die Standardvariante (rot) mit dargestellt. Abbildung 47: Strombedarf bei transparenter Innenwand im Vergleich zur Standardvariante Die Variante mit transparenter Innenwand hat einen Strombedarf von 1759 kWh pro Jahr. Das entspricht einer Einsparung von 38 %. Zu beachten ist, dass in der Realität nicht von einer vollständig transparenten Fläche ausgegangen werden kann. Wird der Anteil der transparenten Wandfläche aber günstig platziert und entsprechend groß gewählt (50 %), ist von einer Einsparung zwischen 20 % und 30 % auszugehen. 6.6.4 Balkon vor den Seminarräumen Aus Gründen der Sicherheit kann auf den Balkon vor den Seminarräumen nicht verzichtet werden. Tageslichttechnisch beschattet der Balkon die Fensterelemente vor den Labor- und Entwicklungsbereichen und verschlechtert damit den Tageslichtanteil im Gebäudeinneren. Damit dieser Effekt soweit als möglich reduziert werden kann, ist der Bodenbelag aus tageslichtoptimiertem Gitterrost ausgeführt. Die Rechtecke, aus denen sich der Gitterrost zusammensetzt, haben eine Abmessung von 31 mm x 9 mm. Wobei der lange Schenkel senkrecht zum Gebäude angeordnet ist. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 83 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 6.6.5 Schlussbericht Anidolisch optische Decke In Zusammenarbeit mit dem EPFL in Lausanne wird untersucht, inwieweit anidolisch optische Decken zur Verbesserung der Tageslichtsituation in den tiefer liegenden Raumabschnitten beitragen können /17/. 9,0 9,0 7,0 7,0 5,5 Profil hinter dem Fenster 4,0 4,0 3,0 3,0 Tageslichtquotient [%] Tageslichtquotient [%] 5,5 mit ADS 2,0 1,5 1,0 ohne ADS 0,5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Abstand vom Fenster [m] Profil hinter der Tür 2,0 1,5 mit ADS 1,0 ohne ADS 0,5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Abstand vom Fenster [m] Abbildung 48: Verlauf des Tageslichtquotienten hinter dem Fenster (Bild links) und hinter der Tür (Bild rechts) über der Raumtiefe. Deutlich zu erkennen ist der Anstieg des Tageslichtquotienten in Raumtiefen größer 2 Metern hinter den Fensterelementen (Abb. 48 linkes Bild). Wesentlich geringer ist der Anstieg des Tageslichtquotienten hinter der Eingangstür (Abb. 48 rechtes Bild). Die Anidolik ist die einzige untersuchte Maßnahme, die im mittleren Raumabschnitt eine entscheidende Verbesserung der Tageslichtverhältnisse ermöglicht. Die daraus resultierende Tageslichtautonomie ist für eine Nennbeleuchtungsstärke von 300 und 500 Lux in den Abbildungen 49 und 50 gezeigt. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 84 9 1 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Profil hinter dem Fenster Tageslicht Autonomie ohne ADS mit ADS Abstand vom Fenster [m] Abbildung 49: Tageslichtautonomie des Referenzfalls für eine Nennbeleuchtungsstärke von 300 Lux hinter der Fenstermitte Profil hinter dem Fenster ohne ADS Tageslicht Autonomie mit ADS Abstand vom Fenster [m] Abbildung 50: Tageslichtautonomie des Referenzfalls für eine Nennbeleuchtungsstärke von 500 Lux hinter der Fenstermitte Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 85 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Zone I 0 3m 3.0 Die resultierende Einsparung durch die Anidolik wird für die Zone I mit 3 bis 6 m Fensterabstand und die Zone II mit 6 bis 9 m Fensterabstand angegeben. Zone II 6m 9m Abbildung 51: Zonierung des Labor-/Entwicklungsbereichs Tabelle 3: Durchschnittliche Einsparung beim Kunstlicht Profil hinter Fenster Profil hinter der Tür Zone I 35 15 0 0 required : 300 Lux required : 500 Lux required : 300 Lux required : 500 Lux Zone II 0 0 0 0 Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die anidolische Decke die einzige untersuchte Maßnahme ist, mit der das Tagelichtniveau in der Raummitte deutlich verbessert werden kann. In Abhängigkeit der gewünschten Nennbeleuchtungsstärke liegt die Einsparung in der mittleren Zone zwischen 35 und 15 %. Bezogen auf die gesamte Raumfläche resultiert daraus eine Einsparung von 6 % bei einer Nennbeleuchtungsstärke von 300 Lux oder eine Einsparung von 2,5 % bei einer Nennbeleuchtungsstärke von 500 Lux. Würde die gesamte Oberlichtfläche anidolisch genutzt werden, resultiert daraus eine Einsparung von 11,6 % bei 300 Lux und 5 % bei 500 Lux für den gesamten Raum. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 86 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Neben den rein finanziellen Gesichtspunkten stellt sich durch die ADSysteme eine Verbesserung des visuellen Komforts im Raum ein. Bewertet wird der visuelle Komfort nach dem VCP-Wert (Visual Comfort Probability). Dieser gibt den wahrscheinlichsten Anteil zufriedener Personen an. Die Verbesserung des VCP-Wertes bewirkt, dass die Zufriedenheit und somit auch die Produktivität der Mitarbeiter steigt. Ökonomisch betrachtet ist dieser Wert nicht quantifizierbar. Abbildung 52: Verbesserung des VCP Werts im Raum EN02 /18/ Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 87 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 6.6.6 Empfehlung zu den tageslichtoptimierenden Maßnahmen Dem Bauherrn wird zur Tageslichtoptimierung empfohlen, im fassadennahen Bereich das Lichtangebot durch folgende Maßnahmen zu verbessern: • ein zusätzlicher raumhoher Glasstreifen neben der Eingangstür • eine lichttechnisch günstige Verglasung aller transparenten Flächen • die Balkonkonstruktion möglichst lichtdurchlässig auszuführen In den hinteren Raumabschnitten ist durch eine transparent ausgeführte Innenwand ein erhebliches Potential gegeben. Soll zusätzlich in der Raummitte das Tageslicht optimiert werden, ist die anidolisch optische Decke ein geeignetes Mittel. Entscheidung des Bauherrn: Aufgrund der vorgesehenen Nutzung und der hohen Investitionskosten entscheidet sich der Bauherr im Erdgeschoss für folgende Maßnahmen: Die Innentüren zur Ausstellung werden mit einem kleinen Fensterelement zur Durchsicht in die Laborräume ausgestattet. Der Balkon wird nicht massiv, sondern mit einem tageslichtoptimierten Gitterrost ausgeführt. Auf den Einbau einer anidolischen Decke wird verzichtet. Begründung: In den Labor- und Entwicklungsbereichen wird mit einem zukünftigen Pächter verhandelt, der lichtempfindliche Materialien verarbeitet, was einen hohen Tageslichtanteil von vorneherein ausschließt. Zudem bedingt eine Brandschutzwand zwischen den Nordräumen und der Ausstellung einen hohen finanziellen Aufwand beim Einsatz transparenter Innenwände. Ein weiteres Hindernis ist der große Wandflächenbedarf einer möglichen Ausstellung im Erdgeschoss. In diesem Fall sollen die Wandflächen möglichst harmonisch wirken, was Oberlichter und andere optisch auffällige Lösungen von vorneherein ausschließt. 6.7 Tageslichtoptimierte Zonen Eine Überblick der tageslichtoptimierten Zonen wird im Folgenden gezeigt: Abbildung 52a: Tageslichtoptimierte Zonen im Erdgeschoss Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 88 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 7 Schlussbericht Konzept zur technischen Gebäudeausrüstung Im Folgenden wird kurz auf die wesentlichen Erkenntnisse aus der Gebäudesimulation eingegangen, die zusammen mit der vorgesehenen Nutzung die Anforderungen an ein energetisch günstiges und bedarfsoptimiertes Anlagenkonzept liefern. Bürobereich Die Nutzenübergabe in den Büroräumen ist bedarfsorientiert auszuführen und eine ausreichende Belüftung sicherzustellen. Aufgrund der flexiblen Nutzung ist die Anlage so zu dimensionieren, dass jeder Arbeitsplatz mit zwei Personen belegt werden kann. Bei einfacher Belegung 45 m³/h*pers ergibt sich ein Auslegungsvolumenstrom von 3750 m³/h. Im Fall der intensiven Nutzung wächst dieser auf den doppelten Wert an. Aufgrund des hohen Dämmstandards der Gebäudehülle und der intensiven Nutzung besteht vor allem im Bereich der Lüftungsverluste ein hohes Einsparpotential, das in geeigneter Form von der Anlagentechnik ausgeschöpft werden soll. Die umfangreichen Parameterstudien im Gebäudebereich haben gezeigt, dass das Gebäude mit der vorgesehenen Nutzung ohne aktive Kühlung betrieben werden kann, wenn die Vorgaben an den externen Wärmeschutz eingehalten werden und auf eine ausreichende Aktivierung der Speichermassen geachtet wird. Gegebenenfalls sind zusätzliche Maßnahmen im Bereich der erhöhten Taglüftung in Betracht zu ziehen. Der benötigte Außenluftstrom muss in den Raum so eingetragen werden, dass im Nutzungsbereich keine Zugerscheinungen entstehen. Durch die guten Wärmedämmwerte der Außenwände und der Fenster in den Büroräumen ergeben sich hohe Oberflächentemperaturen der umschließenden Bauteile, so dass eine Einschränkung der thermischen Behaglichkeit durch kalte Umschließungsflächen nicht zu erwarten ist. Die Anordnung von Flächenheizkörpern vor den Außenbauteilen ist daher zur Herstellung der thermischen Behaglichkeit nicht zwingend erforderlich. Büroflure und Ausstellungsbereich In den Bürofluren und Ausstellungsbereichen bestehen aufgrund der Hauptnutzung als Verkehrsfläche keine besonderen Anforderungen an die Nutzenübergabe. Durch die großflächige Verglasung im Dachbereich und der Südfassade sind seitens des externen Sonnenschutzes und der TGA geeignete Maßnahmen vorzusehen, die eine Überhitzung in den Sommermonaten verhindern. Dazu gehört eine freie Lüftung mit Luftdurchlässen, die eine volumenbezogene Außenluftrate von 4 1/h sowie eine Anbindung an den vorgesehenen Erdwärmetauscher ermöglichen. Seminar- und Labor-/Entwicklungsbereich Im Seminar- und Labor-/Entwicklungsbereich ist aufgrund der vorgesehenen Nutzung eine Zu- und Abluftanlage nötig. Zur Reduktion der hohen Lüftungswärmeverluste sind hier geeignete Maßnahmen vorzusehen. Insbesondere ist der Einsatz eines Erdwärmetauschers in Betracht zu ziehen, der neben den Vorteilen im Heizbetrieb auch einen Beitrag zur Verbesserung der sommerlichen Behaglichkeit leistet. Die Anlage ist so auszuführen, dass eine erhöhte Tag- und Nachtlüftung möglich ist. Durch die unregelmäßige Nutzung werden dem Raum starke Lastsprünge aufgeprägt, was eine schnell reagierende Heizung erforderlich macht. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 89 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 7.1 Schlussbericht Nutzenübergabe Heizung 7.1.1 Büros Im Bereich der Nutzenübergabe existieren folgende Möglichkeiten: 1. Standardvariante mit Heizkörpern und Fensterlüftung 2. Deckensegel in Kombination mit einer Abluftanlage 3. Eine Zu- und Abluftanlage zur Lüftung und Beheizung Zur Entscheidungsunterstützung wird per Simulation ein Systemvergleich zwischen der Alternative 1 (Heizkörpern) und Alternative 2 (Deckensegel) durchgeführt3. Dabei sind die Betriebskosten, die Investitionskosten und der Heizenergieaufwand zu ermitteln und gegenüberzustellen. Die technischen Daten des Deckensegels werden auf dem Prüfstand der FG-HLK in einer wärmetechnischen Untersuchung ermittelt und als Grundlage bei der Gegenüberstellung herangezogen /19/. Daraus geht hervor, dass die Deckensegel den Hauptteil der Leistung an der Oberseite abgeben. Dazu ist das Segel so aufgebaut, dass sich die Unterseite nur soweit erwärmt, dass keine Behaglichkeitsdefizite in der Aufenthaltszone zu erwarten sind. Systembedingt stellt sich bei zu geringer oder deaktivierter Zuluft eine Temperaturschichtung im Raum ein. Der im Prüfstand gemessene Temperaturgradient ist nicht so groß, dass Behaglichkeitsdefizite zu erwarten wären und löst sich nach dem Aktivieren der Lüftung relativ schnell auf. Die Variante mit einer Zu- und Abluftanlage wird nicht näher betrachtet, da auf der Seite der Investitionskosten und dem Platzbedarf für das Kanalnetz deutliche Nachteile gegenüber den beiden anderen Varianten zu erwarten sind. Ergebnisse: Der Heizenergieaufwand liegt bei der Standardvariante, im Fall der intensiven Nutzung durch die hohen Lüftungsverluste, deutlich über dem TK3-Grenzwert von 40 kWh/m²a. Im Fall der Nutzenübergabe durch Deckensegel besteht die Möglichkeit die Abluftanlage mit einer Wärmepumpe zu kombinieren. Mit der Kombination aus Abluftanlage und einer optimierten Wärmepumpe kann der Grenzwert von 40 kWh/m²a deutlich unterschritten werden. Der größere Heizenergieaufwand der Standardvariante verursacht ca. 30 % mehr Betriebskosten als die Variante mit Deckensegel. Im Fall der Deckensegel ist aufgrund der aufwendigeren Anlagentechnik mit 6 % höheren Investitionskosten zu rechnen. Bei beiden Varianten liegt die Gesamtannuität für einen Betrachtungszeitraum von 20 Jahren zwischen 1 und 3 % und damit aufgrund der Vorhersage der zu erwartenden Preis- und Zinsentwicklung im Bereich der Ungenauigkeit. Aufgrund der geringen Unterschiede bei der Annuität, der Zuordnung zu dem Forschungsprojekt TK3 und aus ökologischen Gründen entscheidet sich das Planungsteam, dem Bauherrn die Deckensegel-Variante zu empfehlen. 7.1.2 Übriges Gebäude In allen anderen Gebäudebereichen erfolgt die Nutzenübergabe mittels Heizkörper, die soweit als möglich unterhalb der Fensterflächen angebracht werden. 3 Anlage A3: Vergleich der Anlagenkonzepte „Standardvariante“ und „Deckeninselvariante“ als Basis für eine Planungsentscheidung, Dokument 5.5, Bauer Michael Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 90 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 7.2 Schlussbericht Lüftung Das Lüftungskonzept ist so entwickelt, dass die Behaglichkeit jederzeit gewährleistet wird und hygienische Mindestansprüche eingehalten werden. Dazu ist die Luft temperiert und strömungsfrei in die Aufenthaltszone einzubringen und pro Person der geforderte Volumenstrom vorzuhalten. Soweit als möglich wird die sommerliche Behaglichkeit über eine freie Nachtlüftung gewährleistet. In den intensiver genutzten Gebäudebereichen mit maschineller Abluft sind die Komponenten so ausgelegt, dass zur Auskühlung der rauminneren Speichermassen ein vierfacher volumenbezogener Außenluftstrom gefahren werden kann. Die Wärmerückgewinnung aus der Abluft und die bedarfsgerechte busgestützte Raumregelung gewährleisten die niedrigen Bedarfswerte bzw. das Einhalten der TK3Grenzwerte trotz der intensiv genutzten Gebäudebereiche. 7.2.1 Büroräume Die Zuluft wird über Lüftungsöffnungen in der Außenwand oberhalb der Fenster durch den Unterdruck der Abluftanlage angesaugt und über eine „Deckeninsel“ weit in den Raum eingetragen. Damit es zwischen der Eintrittsöffnung und dem Deckensegel zu keinem Kaltluftabfall und damit verbundenen Behaglichkeitsdefiziten kommt, ist eine formschlüssige Verbindung dieser Bauteile vorgesehen. In den Büroräumen wird die Abluft mit einer Abluftanlage erfasst, wobei der Luftvolumenstrom zwischen 0 m³/h (unbelegt), 45 m³/h (einfache Nutzung), 90 m³/h (intensive Nutzung) und <300 m³/h (Nachtlüftung) dem Bedarf angepasst werden kann. Da der Büroflur als getrennter Brandabschnitt ausgewiesen ist, werden die Abluftkanäle durch die Bürotrennwände geführt. Die Luft wird in einer Ringleitung gesammelt und den Wärmepumpen zugeführt. Zu Beginn der Entwicklung des Lüftungskonzepts wurde untersucht, ob es auch in den Büroflügeln mit einer freien Lüftung möglich ist, die sommerliche Behaglichkeit zu gewährleisten. Dazu sollte die Luft über die Zugluftöffnung in die Büros gelangen, über Luftdurchlässe in die Flure überströmen und von dort aus durch Rauchabzugsklappen ins Freie abgeführt werden. Zu diesem Zweck wurden die erforderlichen Luftströme berechnet, die Querschnitte dimensioniert und die Kosten abgeschätzt. Diese Berechnungen haben gezeigt, dass die Überströmöffnungen zwischen Büro und Flur mit ausreichendem Querschnitt, Schall- und Brandschutz den Kostenrahmen um ein Vielfaches überschreiten. 7.2.2 Freie Lüftung in den Bürofluren und der Ausstellung In der Ausstellung und den Bürofluren ist zur Gewährleistung der sommerlichen Behaglichkeit eine freie Lüftung realisiert. Dazu wird im Bodenbereich der Ausstellung vorgekühlte Außenluft vom Erdwärmetauscher in die Ausstellung eingebracht. Die Luft wird über die Konvektorschächte unterhalb der Südverglasung impulsarm eingeleitet und verhindert in der Aufenthaltszone, dass die Raumtemperatur 30°C überschreitet. Die erwärmte Luft steigt nach oben und wird über die Rauchabzugsklappen im Dach der Ausstellung und der Büroflure ins Freie geführt. Bei ungünstigen Druckverhältnissen am Gebäude kann ein Ventilator die freie Lüftung unterstützen. 7.2.3 Seminarräume und Labor-und Entwicklungsbereich In den Seminarräumen werden die Luftöffnungen aus Platzgründen unterhalb der Decke angeordnet. Damit eine gute Durchmischung erreicht wird, wird die Zuluft über sogenannte Weitwurfdüsen in den Raum eingebracht. In Abhängigkeit der Belegungssituation kann der Volumenstrom der Nutzung angepasst werden. Damit das hohe Potential aus der Abluft nicht als Verlust an die Umwelt abgeben wird, sorgt ein hochwertiger Kreuzstromplattenwärmetauscher dafür, dass mindestens 60 % der Abluftwärme an die Zuluft abgegeben wird. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 91 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 7.3 Wärmerückgewinnung aus der Abluft In den Bürobereichen und der Ausstellung ist eine Wärmepumpe zu planen, die einen großen Teil des Wärmeinhalts aus der Abluft zu Heizzwecken nutzbar macht. In den Seminarräumen sowie den Labor- und Entwicklungsbereichen wird über einen Wärmetauscher der Abluft Wärme entzogen und damit die Zuluft vorgewärmt. 7.3.1 Wärmetauscher Der Kreuzstromplattenwärmetauscher im Seminarraum ist für einen Volumenstrom von 6000 m³/h auszulegen, im Labor- und Entwicklungsbereich sind 2000 m³/h vorzusehen. Die Wärmetauscher sind so ausgelegt, dass mindestens 60 % der Abluftwärme an die Zuluft übertragen werden können. Über einen integrierten Bypass kann zu den Zeiten, an dem der Einsatz keinen Vorteil bringt, der Wärmetauscher umgangen werden, um unnötige Druckverluste oder eine nachteilige Betriebsweise zu vermeiden. 7.3.2 Wärmepumpe Nach der konzeptionellen Entscheidung für das Anlagenkonzept Deckensegel in Kombination mit einer Wärmepumpe ist zu überprüfen, welche Wärmepumpe die Anforderungen an den energiesparenden Betrieb in der geplanten Weise erfüllen kann. Nach einem ersten Auswahlverfahren werden die Produkte der Firma KVS-Klimatechnik Stuttgart und der Carrier GmbH Unterschließheim auf ihre Eignung geprüft. In Abhängigkeit der Anlagengröße des Abluftvolumens der Betriebstemperaturen im Heiznetz ist projektbedingt die optimale Auslegung der Wärmepumpe zu berechnen. Die Wärmepumpe ist zudem so auszulegen, dass sie im Grundlastbetrieb immer dann läuft, wenn die Abluftanlage in Betrieb ist und die erzeugte Wärme in das Heiznetz oder die Speicher eingespeist werden kann. • • • • • • Die maximale Leistungsabgabe der Wärmepumpe sollte nicht größer sein als der Grundlastbetrieb des Gebäudes (72 kW). Der Volumenstrom der Büroabluft beläuft sich im Fall der intensiven Nutzung auf 7000 m³/h und der einfachen Nutzung auf 3500 m³/h während der Vollbelegung. Das Potential der Büroabluft ist im Fall der Vollbelegung 44 kW und soll möglichst vollständig genutzt werden. Das Temperaturniveau der Wärmequelle (Büroabluft) liegt während der Heizzeit zwischen 20 und 25 °C. Die Wärmesenke ist das Heiznetz, dass im Auslegungsfall eine maximale Vorlauftemperatur von 52 °C und eine Rücklauftemperatur von 42 °C hat. In der Übergangszeit wird die Vorlauftemperatur in Abhängigkeit der Außenlufttemperatur eingestellt. Ein geeigneter Pufferspeicher ist zu dimensionieren. Anlagenschaltung der Wärmepumpen: Auf der Wärmequellenseite können zur Büroabluft bis zu 3000 m³/h aus der Ausstellungshalle entnommen werden. Damit stehen im Fall der intensiven Nutzung bei einer Vollbelegung 10000 m³/h Luftvolumen auf Raumtemperaturniveau zur Verfügung. Ist dies nicht ausreichend, kann über einen Bypass Außenluft zugemischt werden. Auf jeden Fall ist die gesamte Büroabluft über die Wärmepumpe zu führen. Mit dem Ziel möglichst lange Laufzeiten der Wärmepumpe zu erzielen, sollte eine bivalent parallele Betriebsweise von Wärmepumpe und Kessel gewählt werden. Dies bedeutet, dass der Kessel erst dann zugeschaltet wird, wenn die Wärmepumpe zusammen mit dem Pufferspeicher nicht mehr in der Lage ist, die Gebäudeheizlast zu decken. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 92 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Auf der Wärmesenkenseite wird die Wärmepumpe an einen Pufferspeicher angeschlossen, damit ein Takten der Wärmepumpe vermieden wird, wenn das Heiznetz die abgegebene Wärmepumpenleistung nicht vollständig aufnehmen kann. Zudem kann somit eine zeitliche Verschiebung von Bedarf und Angebot kompensiert werden, wodurch die Effizienz der Anlage steigt. Der Pufferspeicher ist so auszulegen, dass nachts, wenn die Abluftanlage nicht in Betrieb ist, die Transmissions- und Infiltrationsverluste abgedeckt werden können. Dazu müsste die Speichergröße 3000 l betragen. Soll neben dem Nachtbetrieb die eingespeicherte Heizenergie für den Wochenendbetrieb genutzt werden, ist ein Speicher mit 6000 l nötig. Die Beladung des Speichers sollte so gelegt werden, dass morgens mit der Inbetriebnahme der Wärmepumpe zunächst die volle Leistung zur Deckung des Energiebedarfs im Gebäude zur Verfügung steht. Erst in den Nachmittagsstunden, wenn nicht mehr die volle Wärmepumpenleistung dem Gebäude zugeführt werden kann, sollten die Speicher über die Wärmepumpen beladen werden. Da sowohl der Nutzungsgrad des Brennwertkessels als auch die Arbeitszahl der Wärmepumpe von einer niedrigen Auslegungstemperatur im Heiznetz abhängen, müssen die Auslegungstemperaturen entsprechend niedrig gewählt werden. Eine Vorlauftemperatur von 55 °C ist durch den geplanten Einsatz einer Wärmepumpe sicherlich die obere Grenze. Bei der hydraulischen Anbindung der Wärmepumpe in das Heiznetz ist unbedingt darauf zu achten, dass die Wärmepumpe nicht direkt die Temperatur im Kondensationsbereich des Brennwertkessels anhebt. Bei der hydraulisch einfacheren Reihenschaltung zwischen Kessel und Wärmepumpe ist dies nur möglich, wenn zwischen Kondensationswärmetauscher und Brennerkammer am Kessel eine separate Einspeisung der „Wärmepumpenleistung“ ermöglicht wird. Im Fall der Parallelschaltung wird die von der Wärmepumpe abgegebene Heizleistung in den Vorlauf des Kesselkreises eingespritzt und beiden Wärmeerzeugern steht die niedrige Rücklauftemperatur zur Verfügung. Auswahl einer geeigneten Wärmepumpe: Die Wärmepumpe ist so auszulegen, dass eine möglichst hohe Arbeitszahl erreicht wird. Keinesfalls darf eine Arbeitszahl von 2,8 unterschritten werden, da sich sonst der CO2 bewertete Gesamtenergiebedarf verschlechtert und die Wirtschaftlichkeit deutlich abnimmt. Als relevante Bewertungskriterien werden in diesem Bereich die Investitionskosten und die Wirtschaftlichkeit herangezogen. Zu diesem Zeck wird die mittlere Arbeitszahl per Simulation ermittelt und in Tabelle 4 den Investitionskosten gegenübergestellt. Tabelle 4: Technische Daten verschiedener Wärmepumpen Carrier 30YQ-H010 KVS BIVA 0501 KVS POOL 3003 Li Heizleistung kW 40 kW Nennvolumenstrom ∅ Arbeitszahl ∅ Arbeitszahl m³/h intensive Nutzung einfache Nutzung <10000 3 2.5 Nettopreis 11 kW 4800 3.5 3.0 nicht ausgeschrieben 20000 DM 12 kW 3500 4.0 4.0 11800 DM Die Ergebnisse der Simulation zeigen, dass die leistungsstärkste Wärmepumpe der Firma Carrier im Fall der Vollbelegung die geforderte Arbeitszahl von 2,8 im Fall der intensiven Nutzung knapp erreicht. Im Fall der einfachen Nutzung führt das Beimischen von Außenluft zu niedrigeren Lufttemperaturen an der Wärmepumpe und damit zu einer Arbeitszahl kleiner 2,8. Diese Wärmepumpe erfüllt daher nicht die geforderten Ansprüche und wird nicht ausgeschrieben. Ein Vergleich der beiden Wärmepumpen von KVS zeigt deutliche Vorteile des Typs POOL 3003 gegenüber der BIVA 0501. Ein Grund dafür ist der niedrigere Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 93 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Nennvolumenstrom der POOL, der andere ein besser passendes Temperaturniveau auf Seiten der Lufteintrittstemperatur der POOL Wärmepumpe. Dieses reicht bei der BIVA von –15 bis +15 °C und bei der POOL von 10 bis 28 °C Trockentemperatur. Um auch im Fall der Teilbelegung auf ein Zumischen von Außenluft verzichten zu können, werden zwei Wärmepumpen vom Type POOL 3003 eingesetzt. Damit kann mit dem Aktivieren der Abluftanlage die erste Wärmepumpe in Betrieb gehen. Stehen aufgrund einer Teilbelegung keine 3500 m³/h zur Verfügung, wird der fehlende Luftvolumenstrom in der Büroabluft der Ausstellung entnommen. Ab einem Abluftvolumenstrom von 4000 m³/h kann die zweite Wärmepumpe zugeschaltet werden. Dies gewährleistet das höchste Temperaturniveau auf der Wärmequellenseite und damit die maximale Arbeitszahl. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 94 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 7.4 Schlussbericht Erdwärmetauscher Auslegungsdaten: Ein Erdwärmetauscher kann beim bisherigen Anlagenkonzept in den Seminarräumen, den Labor- und Entwicklungsbereichen und der Ausstellung genutzt werden. Der maximal benötigte Luftvolumenstrom ist damit auf 10000 m³/h festgelegt. Aufgrund der Planung im Außenbereich steht zwischen den Eintrittsöffnungen und dem Sammlerstück am Gebäude eine Länge von 65 m zur Verfügung, in der die Rohre des Erdwärmetauschers verlegt werden können. Erdwärmetauschervarianten Aufgrund verschiedener Vorschläge im Planungsteam werden zwei Erdwärmetauscher dimensioniert und vergleichend gegenübergestellt. Die beiden Varianten werden entsprechend der planenden Parteien mit Rauls und Heidt bezeichnet. Die Dimensionierung und Bewertung wird aus Gründen der Vergleichbarkeit mit identischem Werkzeug GAEA /20/ durchgeführt (vgl. Tabelle 5). Tabelle 5 Auslegungsdaten und Kostenbewertung der Erdwärmetauscher EWT Rauls EWT Heidt Rohrmaterial Rohrdurchmesser Rohrlänge [m] Anzahl der Rohre Rohroberfläche in [m²/m] Druckabfall im Rohr [Pa] Ventilatorleistung [W] Luftgeschwindigkeit im Rohr Wärmeaufnahme [kWh/a] davon Ventilatorstrom [kWh/a] Wärmeabgabe [kWh/a] Beton DN 1000 65 2 6,28 4,23 856,79 1,77 19545 ca. 2889 2637 PVC DN 300 65 10 9,42 50,05 1111,62 3,93 47499 ca. 4139 7359 Investitionskosten [DM]4 Energiegewinn [kWh/a] Verhältnis Invest.K./E.Gewinn 128335 22182 5,79 364711 54858 6,65 Der vom Büro Rauls vorgeschlagene Erdwärmetauscher ist kostengünstiger, liefert aber auch eine deutlich geringere Wärmemenge als die aufwendigere Variante. Werden die Investitionskosten auf den Energiegewinn bezogen, schneidet der EWT Rauls etwas besser ab. Grundsätzlich muss bei der mit GAEA ermittelten nutzbaren Wärme- und Kälteenergie berücksichtigt werden, dass von einem konstanten Volumenstrom über 24 h ausgegangen wird. In der Realität werden nur die Labor- und Entwicklungsbereiche während der Arbeitszeit noch nahezu konstant belüftet. Die Seminarräume sind nur an einem Tag voll belegt, an zwei Tagen zu zwei Dritteln und an den verbleibenden zwei Werktagen nur zu einem Drittel. In der Ausstellung wird nur Luft aus dem Erdwärmetauscher zugeführt, wenn im Sommer damit gekühlt werden kann oder während der Heizzeit die Wärmepumpen mehr Luft benötigen als in der Büroabluft vorhanden ist. Damit liegt der mittlere Volumenstrom um ein Vielfaches unter der Annahme von 10000 m³/h. Zusätzlich ist die Einsparung noch um den Betrag zu korrigieren, den der Plattenwärmetauscher aufgrund der geringeren Temperaturdifferenz weniger an Wärme Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 95 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht liefert. Dies führt dazu, dass mit steigender Wärmelieferung des Erdwärmetauschers die Einsparung am Plattenwärmetauscher geringer wird. Simulationsergebnisse Damit die tatsächliche Einsparung durch den Erdwärmetauscher quantifizierbar wird, erfolgt für beide EWT-Varianten eine vereinfachte Modellbildung für das Simulationsprogramm TRNSYS. Die Modellbildung erfolgt auf Basis der GAEA Rohdaten, welche die Temperaturdifferenz des EWT in Abhängigkeit der Außentemperatur wiedergibt. Bei der Modellbildung über einem dreidimensionalen statischen Kennlinienfeld werden die dynamischen Ein- bzw. Ausspeichervorgänge im EWT über das Jahr gemittelt. Der Vorteil ist in der schnellen Modellbildung und in der Anbindung an die tatsächlichen Luftvolumenströme im Gebäude sowie an die übrige Anlagentechnik zu sehen. Abbildung 53 zeigt ein vereinfachtes Kennlinienfeld des EWT Heidt. Abbildung 53 Vereinfachtes Kennlinienfeld des Erdwärmetauschers Heidt . Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 96 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Die Jahresbetrachtung der energetischen Gebäude- und Anlagensimulation zeigt, dass die überschlägig mit GAEA ermittelten Energiemengen weit von den mit TRNSYS simulierten Beträgen abweichen. Die tatsächlich vom Erdwärmetauscher gelieferte Energiemenge zur Unterstützung der Heizung liegt bei der hochwertigeren Ausführung (EWT Heidt) bei 7715 kWh/a. Die der kostengünstigeren Ausführung (EWT Rauls) bei 3575 kWh/a. Wird dieser Anteil um den Betrag korrigiert, den der Plattenwärmetauscher durch den Erdwärmetauscher weniger abgibt, bleibt unterm Strich nur noch eine Einsparung von ca. 50 % der angegebenen Beträge übrig. . Neben der Einsparung auf der Heizenergiebedarfsseite trägt der Erdwärmetauscher zur Verbesserung der sommerlichen Behaglichkeit in den angebunden Gebäudebereichen bei. Am deutlichsten zeigt sich die kühlende Wirkung in den Seminarräumen. Hier wird die Anzahl der Stunden oberhalb 30 °C von 67 h auf Null reduziert. Im Fall des EWT-Rauls wird eine Reduktion um 25 h erreicht. 1000 Ohne EWT EWT - Heidt EWT - RAULS 900 Stunden pro Jahr 800 700 600 500 400 300 200 100 0 26 28 30 32 Temperatur in °C Abbildung 54 Einfluss der Erdwärmetauscher auf die sommerliche Behaglichkeit Anmerkung zum derzeitig vorgesehenen EWT-Rauls: Aufgrund der konzeptbedingten Randbedingungen im GIT-Projekt ist der Deckungsanteil des Erdwärmetauschers auf Seiten der Heizenergie fast vernachlässigbar. Ein wesentlicher Grund dafür ist der geringe durchschnittliche Volumenstrom von ca. 900 m³/h im Vergleich zum Auslegungsvolumenstrom von 10000 m³/h und die systembedingte Konkurrenz zum Plattenwärmetauscher. Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung führt unter Berücksichtigung von Reinigungs- und Wartungsarbeiten, wenn überhaupt, zu sehr langen Amortisationszeiten. Auf der Seite der sommerlichen Behaglichkeit verbessert der geplante Erdwärmetauscher die Situation nur unzureichend. Hier würde sich erst mit dem Entwurf von Prof. Heidt eine deutliche Reduktion der Stundenanzahl über 28 ° C einstellen. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 97 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 7.5 Schlussbericht Sensitivitätsanalyse der einzelnen TGA-Maßnahmen Mit dem Ziel, die Entscheidungsfindung im Bereich der technischen Gebäudeausrüstung zu unterstützen, sind verschiedene TGA-Maßnahmen in ihrem Einfluss auf die TK3-Grenzwerte in eine energetische Rangfolge gebracht. Da es aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht sinnvoll ist alle Einzelfälle abzudecken, ist die Studie auf einige Komponenten beschränkt. Dazu gehört die Lüftungs- und Lichtregelung, der Erdwärmetauscher und die Arbeitszahl der Wärmepumpen sowie die Rückwärmzahl des Plattenwärmetauschers. Die angegebene prozentuale Verschlechterung bezieht sich auf die beim Planertreffen vom 31.10.2000 vorgestellte Basisvariante die unter TK3-Gesichtspunkten optimiert wurde. Diese geht von einer Anbindung aller wesentlichen Raumfunktionen (Sonnenschutz, Bürolüftung, Heizung und Kunstlichtregelung) an die Gebäudeleittechnik aus. Im Folgenden wird untersucht, wie sich einfachere bzw. kostengünstigere TGAKomponenten bzw. Regelstrategien auf die TK3-Werte auswirken. Folgende Komponenten wurden näher betrachtet: 1. Kein Anbinden der Büroabluftanlage an die GLT Wird die Lüftungsanlage nicht über die Gebäudeleittechnik in Abhängigkeit der Nutzerpräsenz ein- bzw. ausgeschaltet, ist davon auszugehen, dass öfters Luft aus den Büros abgesaugt wird, obwohl dazu kein Bedarf besteht. Zudem besteht die Möglichkeit, dass die Anlage länger in Betrieb bleibt als raumweise nötig, bzw. im ungünstigen Fall nachts nicht abgestellt wird. Zudem ist durch die verschiedenen Volumenströme 45 m³, 90 m³ und max. die Möglichkeit gegeben, dass nach einer Vollbelegung nicht wieder auf den reduzierten Volumenstrom umgeschaltet wird. Per Simulation wird ein Fall untersucht, bei dem der Volumenstrom von 90 m³ pro Dechensegel abgesaugt (intensive Nutzung) wird, obwohl der Arbeitsplatz nur einfach belegt ist. 2. Nutzer- und tageslichtabhängige Kunstlichtregelung im Büro Wird das Kunstlicht nicht in Abhängigkeit vom Tageslicht geregelt bzw. nach längerer Nutzerabwesenheit ausgeschaltet, vergrößert sich der Strombedarf zur Beleuchtung, was zwangsläufig zu einem Anstieg der inneren Lasten und damit schlechterer sommerlicher Behaglichkeit führt. Untersucht wird der Extremfall, bei dem das Kunstlicht während der Arbeitszeit zu 100 % eingeschaltet bleibt. 3. Niedrigere Arbeitszahl der Wärmepumpe (2,5 anstatt 5) Werden anstelle von zwei Wärmepumpen nur eine eingesetzt, muss im Fall der Teilbelegung zu der Büroabluft Außenluft beigemischt werden. In diesem Fall reduziert sich die Arbeitszahl entsprechend dem niedrigeren Temperaturniveau. Untersucht wird eine Variante bei der anstelle einer Arbeitszahl von 5 eine Arbeitszahl von 2,5 angenommen wird. 4. Wärmerückgewinner mit geringerer Qualität (Rückwärmzahl 0,3) Ein schlechter oder undichter Wärmerückgewinner führt zu kleineren Rückwärmzahlen als in der Simulation angenommen wurde. Untersucht wird der Einfluss auf die Bedarfswerte bei einer Rückwärmzahl von 0,3 anstelle 0,6 im Fall der Basisvariante. 5. Verzicht auf den Einsatz eines Erdwärmetauschers Gegenüber der Basisvariante wird eine Variante ohne Erdwärmetauscher untersucht. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 98 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Tabelle 6: Energetische Rangfolge einzelner Einsparungsmaßnahmen P(1) Kein Anbinden der Büroabluftanlage an die GLT P (2) keine Lichtregelung in den Büros P (3) Variante mit einer schlechteren Wärmepumpe P (4) Variante mit einem schlechterern Plattenwärmetauscher P (5) Variante ohne Erdwärmetauscher CO2 Bewerteter Aufwand an (Wärme+Strom) + 20 % Grenzwertüberschreitung Sommerliche Behaglichkeit ja Büro schlechter + 8% nein Büro schlechter + 7% nein Kein Einfluss + 5% nein Kein Einfluss + 1% nein Seminarräume schlechter Die in Tabelle 6 aufgeführten Werte dienen der Entscheidungshilfe zur Bewertung einzelner Maßnahmen in Form einer übersichtlichen Darstellung. Exakte Angaben und Absolutwerte zu den einzelnen Varianten sind den zugehörigen Dokumenten auf der INTESOL Plattform zu entnehmen. Die dargestellten Zahlenwerte dürfen nicht addiert werden, sondern stellen die Verschlechterung der singulären Maßnahme gegenüber der Basisvariante dar. Empfehlung zur Ausführung: Die präsenzabhängige Betriebsweise der Büroabluftanlage trägt erheblich zu den guten energetischen Eigenschaften des gesamten Gebäudes bei. Wird die Abluftanlage nicht, wie bei den bisherigen Untersuchungen angenommen, nur dann genutzt, wenn auch ein Bedarf vorliegt, hat dies einen deutlichen Anstieg der Bedarfswerte zur Folge. Der untersuchte Fall, bei dem die Abluftanlage den Auslegungsvolumenstrom von 90 m³ pro Arbeitsplatz absaugt, obwohl die Büros nur zur Hälfte belegt sind, hat zu einer Grenzwertüberschreitung bei den TK3-Werten geführt. Aufgrund des erheblichen Einsparpotentials sollte die Lüftung nur dann eingeschaltet werden, wenn die Büros auch belegt sind sowie bei längerer Nutzerabwesenheit automatisch abgeschaltet werden. Im Fall der Anbindung der Lichtregelung an das Bussystem ist - aufgrund der niedrigen installierten Beleuchtungsleistung - mit langen Amortisationszeiten zu rechnen. Wird auf die Busanbindung der einzelnen Leuchten verzichtet und jede fensterorientierte Arbeitsplatzleuchte mit einem vorgeschalteten Dimmer ausgerüstet, wird ein Teil der Investitionskosten (Busankoppler) gespart und das tageslichtabhängige Potential trotzdem ausgeschöpft. In diesem Fall fällt die präsenzabhängige Schaltung der Bürobeleuchtung weg, was zu etwas höheren Aufwänden führt. Aufgrund der zentralen Netzfreischaltung einzelner Stockwerke bei Nutzerabwesenheit, ist aber keine deutliche Verschlechterung der Bedarfswerte zu erwarten. Im Bereich der Anlagenkomponenten tragen die Wärmepumpe sowie der Plattenwärmetauscher in den Seminar- und Laborräumen wesentlich zu den niedrigen Lüftungsverlusten bei. Demgegenüber bietet der Erdwärmetauscher nur ein geringes Einsparpotential (1 %) bezüglich der Aufwände, zeichnet sich aber durch eine verbesserte sommerliche Behaglichkeit in den Seminarräumen sowie der Ausstellung aus. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 99 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 8 Schlussbericht Bedarfsgerechte Raumregelung Durch ein aufeinander abgestimmtes Regel- und Steuerverhalten der einzelnen Teilsysteme wird eine Betriebsweise des Gebäudes gewährleistet, welche den Wünschen und Bedürfnissen der Nutzer gerecht wird und gleichzeitig eine wirtschaftliche Betriebsweise garantiert. 8.1 Tageslichtsystem bzw. Sonnenschutz Zur Gewährleistung der sommerlichen Behaglichkeit und des Blendschutzes sind an allen Bildschirmarbeitsplätzen außenliegende Jalousien vorgesehen. Im Winterbetrieb sollte die Jalousie nachts ab einer Außentemperatur kleiner 10 °C generell zugefahren werden. Damit dient der Behang als temporärer Wärmeschutz und verringert die Transmissionsverluste durch die Fensterelemente. Tagsüber sollten die Jalousien nur zugefahren werden, wenn der Nutzer über den Jalousientaster den Fahrbefehl aus Blendschutzgründen auslöst. Unterschreitet der Messwert des Differenzlichtsensors über einen festgelegten Zeitraum einen Grenzwert, geht das System davon aus, dass der Nutzer nicht mehr durch direktes Außenlicht geblendet wird und fährt den Behang ein. Dies gewährleistet ein Maximum an solarer Zustrahlung, was zur Reduktion der Heizlast und einem hohen Tageslichtanteil im Gebäude führt. Im Sommerfall wird aus Gründen der Überhitzung und Blendung der Fahrbefehl von einem Differenzlichtsensor (Wetterzentrale) für ganze Fassadenabschnitte ausgelöst. Diese Fahrbefehle sind sonnenstandsabhängig und können von den einzelnen Nutzern wieder aufgehoben werden. Wird ein Temperaturgrenzwert im Gebäudeinneren überschritten (ca. 24 °C Raumtemperatur), sollten alle Jalousien in Räumen ohne Nutzeranwesenheit vollständig geschlossen werden, um die solare Zustrahlung auf ein Minimum zu reduzieren. Wird ein Wind- oder Eisregenalarm von der Wetterzentrale ausgelöst, muss der Behang eingefahren werden, um mechanischen Schäden vorzubeugen. In diesem Fall ist die Nutzervorrangschaltung solange zu blockieren, bis der Alarm wieder aufgehoben wird. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 100 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 8.2 Schlussbericht Kunstlicht Mit der guten Tageslichtsituation im Gebäude ist die Grundlage geschaffen, den Strombedarf auf ein Minimum zu reduzieren. Soll dieses Potential genutzt werden, ist darauf zu achten, dass die Beleuchtung immer dann ausgeschaltet wird, wenn der Raum nicht in Betrieb ist oder ausreichend mit Tageslicht versorgt wird. Die Steuerung ist demnach tageslicht- und nutzerabhängig auszuführen. Prinzipiell gibt es folgende Realisierungsmöglichkeiten: • Präsenzmelder und Dimmer Die energetisch beste Lösung wird erreicht, wenn die Leuchten über einen Präsenzmelder geschaltet und in Abhängigkeit des Tageslichtangebots auf der Arbeitsfläche gedimmt wird. • Manuelles Schalten und Dimmer Im Fall einer manuell geschalteten Variante kann mit einem Dimmer der an einem geeigneten elektronischen Vorschaltgerät betrieben wird die Lichtleistung an den tatsächlichen Bedarf angepasst werden, ohne die Leuchten an den Bus anzukoppeln. • Manuell geschaltete Variante ohne Lichtregelung Bleibt dem Nutzer das Ein- bzw. Ausschalten überlassen, wird das maximale Einsparpotential nicht ausgeschöpft. • Gesteuerte Variante Von einer zonenweise nach dem orientierungsabhängigen Lichtangebot im Freien (Wetterstation) gesteuerten Variante des Kunstlichts wird abgeraten. Der Aufwand, die externe Verschattungssituation zentral abzubilden, ist durch die Gebäudeform und die gekrümmten Fassaden besonders anspruchsvoll und könnte nur über einen hohen Aufwand seitens der Kennlinienerstellung abgebildet werden. Empfehlung: Aufgrund der niedrigen installierten Leistung amortisieren sich die Investitionskosten für die Anbindung des Kunstlichts an die GLT nur relativ langsam. Das Planungsteam entscheidet sich deshalb, dem Bauherrn zu raten, auf die Busankopplung zu verzichten und die fensterorientierten Leuchten mit einem Dimmer auszustatten. Damit werden die Kosten für die GLT-Anbindung des Kunstlichts eingespart und trotzdem der wesentliche Teil der Tageslichtautonomie zur Reduktion des Strombedarfs genutzt. Damit verbunden ist die Empfehlung, die zentrale Netzfreischaltung zu realisieren, die eventuell vergessene Leuchten ausschaltet, wenn der letzte Nutzer die Büroetage verlassen hat.Wird das Kunstlicht nicht an die GLT angeschlossen und kein dezentraler Dimmer vorgesehen, verschlechtert sich die Summe der CO2 bewerteten Aufwände auf Gebäudeebene um ca. 7 kWh/m²a. Damit findet zwar noch keine Überschreitung der TK3-Grenzwerte statt, aber doch eine deutliche Verschlechterung der bisherigen Werte. Einschaltvorgang Energetisch günstig ist es, das Einschalten der Beleuchtungsautomatik dem Nutzer zu überlassen. Beim Einschalten ist die Leistungsaufnahme der jeweiligen Lampen zunächst auf 50 % zu begrenzen. Nachdem die Leuchtmittel ihren Betriebszustand erreicht haben, ermittelt der Helligkeitssensor die Beleuchtungsstärke auf der Arbeitsfläche und regelt die Lampenleistung auf den erforderlichen Sollwert ein. Ausschalten/Einschalten des Lichts während der Betriebszeit Ist das Tageslichtangebot im Raum ausreichend, sendet der Helligkeitssensor den Befehl zum Ausschalten der Beleuchtung. Fällt der Tageslichtanteil im Raum ab, kann die Beleuchtung automatisch aktiviert werden. Energetisch günstiger ist es jedoch, dem Nutzer das Einschalten zu überlassen. Verlässt der letzte Nutzer den Raum, gibt der Bewegungsmelder nach einer gewissen Verzögerung das Signal zum Ausschalten der Beleuchtung. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 101 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 8.3 Nutzenübergabe Heizsystem Ein PI-Regler mit Raumtemperaturfühler gewährleistet auch bei veränderlichen inneren sowie äußeren Lasten, dass die gewünschte Raumtemperatur von 20 °C während der Heizzeit eingehalten wird. Damit nach Betriebsunterbrechungen (z.B. Wochenendabsenkung) die Räume auf das gewünschte Temperaturniveau gebracht werden können, muss die Heizung vor dem Betreten des Nutzers in Betrieb genommen werden. Energetisch am günstigsten sind raumweise einstellbare Absenkzeiten, die individuell an die jeweiligen Arbeitszeiten angepasst werden können. Verlässt der letzte Nutzer das Büro, wird die Heizung nach einer einstellbaren Wartezeit automatisch in den Absenkbetrieb umgeschaltet. In den Büros und Seminarräumen wird aus energetischen Gründen die Wärmezufuhr automatisch gestoppt, sobald die Fenster oder die Außentür geöffnet wird. 8.4 Lüftungsanlage Seminar / Abluftanlage in den Büros Die Lüftungsanlage gewährleistet in der Nutzungsphase, dass die verschiedenen Gebäudebereiche mit ausreichend Frischluft versorgt werden. Dazu sind in den Büros und den Seminar- sowie Labor- und Entwicklungsbereichen regelbare VVS-Klappen vorgesehen. Da sich die VVS-Klappen ohne nennenswerten Zeitverzug öffnen lassen, werden die Klappen erst aufgefahren, wenn der Nutzer den Raum betritt (Präsenzmelder). Der Volumenstrom ist standardmäßig auf die normale Nutzung (45 m³/h eine Person pro Deckensegel) eingestellt. Erst bei Bedarf kann der Nutzer manuell den vollen Abluftstrom von 90 m³/h anfordern. Verlässt der letzte Nutzer den Raum (Präsenzmelder), reduziert das Bussystem nach einer festgelegten Wartezeit den Volumenstrom um die Hälfte und schaltet nach einer weiteren Verzögerungszeit die Abluft aus. Außerhalb der Belegungszeit und während des Aufheizbetriebs ist die Lüftung deaktiviert. Dies gewährleistet eine wirtschaftliche Betriebsweise, da die Lüftungsverluste erst dann auftreten, wenn der Nutzer im Raum ist. Erhöhte Taglüftung im Sommerfall In den Büros ist unabhängig von der Belegung beim Überschreiten einer Grenztemperatur (ca. 23 °C) die Abluftanlage auf den hohen Volumenstrom 90 m³/h einzustellen, wenn die Außentemperatur unterhalb der Raumtemperatur liegt. Die volumenbezogene Außenluftrate sollte in diesem Fall mindestens bei 3 1/h und aus Behaglichkeitsgründen nicht über 4 1/h liegen. Während dieser Zeit ist unbedingt darauf zu achten, dass die Fenster geschlossen bleiben. Ansonsten wird die Außenluft nicht aus den vorgesehnen Bereichen ins Gebäude geführt, sondern transportiert die zwischen den Scheiben und Sonnenschutz anfallende Wärme ins Rauminnere. Idealerweise wird der Nutzer mit dem Anschalten der Taglüftung bei geöffnetem Fenster (Fensterkontakt) auf diesen Misstand aufmerksam gemacht. Erhöhte Nachtlüftung im Sommerfall Zur weiteren Optimierung der sommerlichen Behaglichkeit wird, außerhalb der Betriebszeit (0:00 bis 6:00), die Nachtlüftung aktiviert, wenn damit eine Reduktion der Raumtemperatur erreicht wird. Dazu prüft das Gebäudemanagementsystem, ob die Raumtemperatur über der Außentemperatur liegt und aktiviert für den Fall, dass die Innentemperatur am vorherigen Tag größer 23 °C war, die Nachtlüftung in der Ausstellung, den Büros, dem Seminarraum sowie den Labor- und Entwicklungsbereichen. Ab einer Raumtemperatur von 20 °C wird die Nachtlüftung in den einzelnen Räumen wieder deaktiviert. Damit die Nachtlüftung ihr volles Potential entfalten kann und kein unnötiger Aufwand zur Beheizung entsteht, ist die Wärmeabgabe vom Heizsystem an das Gebäude während dieser Zeit zu deaktivieren. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 102 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Lüftung in der Übergangsjahreszeiten (Frühjahr/Herbst) Liegt weder der Heiz- noch der Kühlfall vor, ist aus energetischen Gründen die maschinelle Lüftung, wann immer es möglich ist, zu deaktivieren und im Gebäude auf eine Fensterlüftung umzustellen. In den Büros ist diese Funktionalität über die Fensterkontakte realisiert, die die Abluftanlage deaktivieren, wenn eines der Bürofenster geöffnet wird. In den Seminarräumen wird im Fall der Teilbelegung die gleiche Maßnahme empfohlen. Erst mit dem Überschreiten einer Raumtemperatur von beispielweise 23 °C sollte die Lüftungsanlage wieder in Betrieb genommen werden. Freie Lüftung in der Ausstellung Über die Rauchabzugsklappen im Dachbereich der Ausstellung und der Büroflure wird eine freie Lüftung realisiert. Dazu werden die Abzugsklappen ab einer Raumtemperatur von 22 °C aufgefahren. Im Bodenbereich der Ausstellung strömt kalte Luft über den Erdwärmetauscher nach. Kommt die dazu nötige Thermik aufgrund ungünstiger Druckverteilung nicht zustande, wird diese über einen Ventilator aktiviert. Im Fall eines Gewitters oder von Platzregen fahren die Klappen automatisch zu. 8.5 Aktive Kühlung der Büros Übersteigt die Raumtemperatur einen festgelegten Grenzwert von beispielsweise 24 °C, können die Deckensegel als Kühldecke betrieben werden. Dazu ist im Wasserkreislauf der Deckensegel ein Luft/Wasser Wärmetauscher vorzusehen, der als Umgebungsmedium kühlere Außenluft oder besser vom Erdwärmetauscher vorgekühlte Luft ansaugt. Die Temperatur des Kühlmediums sollte dabei zwischen 18 und 22 °C liegen. Der am Deckensegel angeordnete PI-Regler übernimmt analog zum Heizfall die Regulierung des Massenstroms in Abhängigkeit der Raumtemperatur. 8.6 Zentrale Netzfreischaltung in den Büroräumen Eine weitere mit dem EIB verbundene Maßnahme zum Energiesparen ist die zentrale Netzfreischaltung. Verläßt der letzte Mitarbeiter abends eine Zone des Gebäudes, so geht die zentrale Netzfreischaltung in Betrieb. Damit wird ein Großteil der elektrischen Anschlüsse vom Netz getrennt. Es handelt sich dabei um Geräte, die nicht in Betrieb sein müssen, wenn sich am Wochenende oder am Abend niemand mehr in den Räumen befindet. Dazu zählen die nicht automatisch gesteuerten Beleuchtungen oder auch Kopierer und Drucker. Von Kaffeemaschinen, die versehentlich nicht ausgeschaltet wurden, kann durch die Netzfreischaltung keine Brandgefahr mehr ausgehen. Die Einrichtung der zentralen Netzfreischaltung verfolgt damit sowohl sicherheitstechnische als auch energiesparende Aspekte. Für Geräte, die nicht abgeschaltet werden dürfen, wie z.B. Server und Anrufbeantworter, ist ein eigener Stromkreis mit drei Steckdosen pro Arbeitsplatz vorgesehen. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 103 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 9 Schlussbericht Aufwände und sommerliche Behaglichkeit „TK3-Werte“ Mit Baubeginn werden alle in den vorangegangenen Kapiteln beschriebenen Maßnahmen in die Simulationsmodelle integriert. Eine Übersicht der wesentlichen TGA-Komponenten ist in Abbildung 55 gezeigt. Lediglich die Photovoltaik ist im Simulationsmodell nicht modelliert, da die Realisierung momentan noch fragwürdig ist. PV Generator Strom Netzstrom Wärme Wärmepumpe Erdgas Brennwertkessel Erdwärmetauscher Wärmerückgewinnung Kälte Abbildung 55: Anlagenschema im GIT-Siegen Projekt Zur Bestimmung der aktuellen Bedarfswerte (Stand Baubeginn) sind im Gebäudemodell die Wand- und Fensterflächen mit den zugehörigen Wärmedurchgangskoeffizienten dem aktuellen Planungsstand angepasst und die wesentlichen Anlagenkomponenten, wie beispielsweise der Erdwärmetauscher (EWT-Rauls) sowie die Wärmepumpen, ins Simulationsmodell eingebunden. Alle Berechnungen werden mit den lokalen Wetterdaten aus Siegen 95/96 (kalter Winter & warmer Sommer) unter der Annahme der sowohl für den Heizals auch Kühlfall kritischeren intensiven Nutzung mit zwei Personen pro Arbeitsplatz durchgeführt (vgl. Anhang 4). Damit soll gezeigt werden, dass auch unter ungünstigen Randbedingungen ein Gebäude entwickelt werden kann, das nutzergerecht geplant ist und ein hohes Tageslichtpotential bei gleichzeitigem Verzicht auf eine aktive Kühlung gewährleistet. Die zugehörige Gebäudebeschreibung sowie die Randbedingungen sind der Anlage 5 zu entnehmen. Im Folgenden wird nun auf die Ergebnisse aus der Jahresbetrachtung eingegangen. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 104 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 9.1 Schlussbericht Referenzenergiebedarf bzw. „Heizenergiebedarf“ Der Referenzenergiebedarf Q0N ist auf Basis des aktuellen Gebäudemodells unter Berücksichtigung der intensiven Nutzung und den beschriebenen Randbedingungen über eine gekoppelte Gebäude- und Tageslichtsimulation mit TRNSYS berechnet. Definitionsbedingt ist der Referenzenergiebedarf das Integral über der Heizlast, welche dem Raum zugeführt werden muss, um die aus der Nutzung resultierenden Anforderungen gerade zu erfüllen. Nicht berücksichtigt bleibt dabei der Aufwand zur Nutzenübergabe, Verteilung und Erzeugung. Damit dient der Referenzenergiebedarf als Vergleichsgröße für alle nachfolgenden Prozesse, die bei der Bedarfsdeckung nötig werden /21/. Zusätzlich wird der Referenzenergiebedarf dazu verwendet, den TK3-Grenzwert „Heizenergiebedarf“ nachzuweisen. Aufsummiert über das gesamte Gebäude wird ein Wert von 120200 kWh/a erreicht. Bezogen auf die Nettogeschossfläche von 3311 m² ergibt dies einen Heizenergiebedarf von 36,30 kWh/m²a. Welchen Anteil die einzelnen Zonen dazu beitragen, ist in Abbildung 56 gezeigt. Labor und Entwicklung 4,1% Seminarräume 30,2% Büros 53,1% Ausstellung 12,2% Verkehrsflächen 0,4% Abbildung 56: Referenzenergiebedarf der einzelnen Zonen Die Ergebnisse zeigen, dass es trotz intensiver Nutzung möglich ist, unter dem TK3Grenzwert von 40 kWh/m²a zu bleiben. Würde anstatt der hohen realen Luftvolumenströme der entsprechende Normwert /22/ von 0,5 1/h für die Außenluftrate zugrunde gelegt, könnte der Referenzenergiebedarf noch deutlich unter 30kWh/m²a korrigiert werden. Der mit dem Rechenverfahren der Wärmeschutzverordnung von 1995 /23/ ermittelte Heizwärmebedarf liegt mit Berücksichtigung des Gästehauses (vgl. Anhang 1) - bezogen auf die Nettogeschossfläche - bei 45.64 kWh/m²a. Der Unterschied in den Ergebnissen liegt an den völlig unterschiedlichen Berechnungsverfahren, den stark pauschalierten Annahmen zur Nutzung und den solaren Gewinnen beim Verfahren der WSVO 95. Zudem ist das Verfahren der WSVO 95 für den Wohnungsbau entwickelt worden und stößt sicherlich bei hochgedämmten Gebäuden mit hohen solaren und inneren Lasten an seine Grenzen. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 105 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 9.2 Schlussbericht Bedarfsentwicklung und TK3-Grenzwerte Da jede Anlagentechnik durch Trägheitsverluste und Regelabweichung mehr Wärme an den Raum abgibt als zur Bedarfsdeckung nötig ist, entsteht ein über den Referenzenergiebedarf hinausgehender Aufwand. Das Verhältnis zwischen der von der Anlagentechnik an den Raum abgegebenen Wärmemenge zum Referenzenergiebedarf Q0,N wird mit der Aufwandszahl zur Nutzenübergabe e1 bezeichnet /24/. Entsprechend den Arbeiten zur neuen VDI Richtlinie 2067 werden die Aufwandszahlen der wärmeabgebenden Systeme (Nutzenübergabe) wie folgt festgelegt: Aufwandszahl Deckensegel e1 = 1,20 Aufwandszahl Heizkörper e1 = 1,15 Aufwandszahl Luftheizung e1 = 1,00 Aus dem zugehörigen Referenzenergiebedarf und der entsprechenden Aufwandszahl zur Nutzenübergabe e1 wird der Aufwand über die Beziehung Q0,N x e1 = Q1 berechnet. Davon zu subtrahieren ist die Einsparung durch den Erdwärmetauscher und die am Plattenwärmetauscher zurückgewonnene Wärmemenge. Daraus resultiert ein Aufwand von 32,75 kWh/m²a, der vom Verteilungssystem ins Gebäude gebracht werden muss. Der zur Verteilung gehörende Aufwand wird analog zur Nutzenübergabe über die Aufwandszahl e2 berechnet. Diese wird unter Berücksichtigung des gewählten Verteilungssystems, der zugrundeliegenden Gebäudetopologie, mit e2 = 1,05 festgelegt. Die von den Wärmeerzeugern zu liefernde Wärmemenge Q2 ist demnach 34,38 kWh/m²a. Referenzwert Nutzenübergabe Q0,N=36,30 kWh/m²a Q1=32,75 kWh/m²a Verteilung Q2=34,38 kWh/m²a Erzeugung Q3=29,39 kWh/m²a Heizkessel Referenzenergiebedarf Büro e1 = 1,20 Büroflur e1 = 1,15 Ausstellung e1 = 1,15 Seminar e1 = 1,00 e2 = 1,05 Gas e3 = 1,10 Wärmepumpe Strom Abwärme Plattenwärmetauscher Erdwärme Erdwärmetauscher Abbildung 57: Vom Referenzenergiebedarf zum Aufwand an den Wärmeerzeugern nach der Methodik der Bedarfsentwicklung Dieser Bedarf wird über ein bivalentes System zur Wärmeerzeugung gedeckt. Die beiden Wärmepumpen sind im Simulationsprogramm abgebildet und liefern über das Jahr gesehen einen Beitrag von 8,43 kWh/m²a am Heizenergiebedarf. Der Strombedarf beider Wärmepumpen beläuft sich auf 2,1 kWh/m²a. Wann immer die abgegebene Leistung der Wärmepumpe nicht ausreicht, stellt der Kessel die verbleibende Leistung zur Bedarfsdeckung mit einem Aufwand von e1 =1,1 bereit. In Abbildung 58 sind die prozentualen Anteile der einzelnen Maßnahmen zur Wärmerückgewinnung und Erzeugung aufgetragen. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 106 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Plattenwärmetauscher 15,1 % Heizkessel 64,2 % Erdwärmetauscher 2,4 % Wärmepumpe 18,3 % Abbildung 58: Deckungsanteile der verschiedenen Maßnahmen an der Wärmeerzeugung Der elektrische Aufwand im Bereich der technischen Gebäudeausrüstung liegt auf die Netto-Geschoss-Fläche bezogen bei 4,8 kWh/m²a. Davon sind 43 % den Wärmepumpen zuzuordnen, 36% werden für die Lüftungsanlagen benötigt, 11% für die Wasserverteilung im Heiznetz. Die verbleibenden 10 % werden als Hilfsenergien an den Wärmeerzeugern benötigt. Der Aufwand zur Beleuchtung mit Kunstlicht liegt bei 8,8 kWh/m²a. Eine Auflistung der einzelnen Bedarfswerte ist in Anlage 2 zu finden. Zu beachten ist, dass im Fall des Kunstlichts von einer ideal gedimmten Beleuchtung mit hochwertigen Spiegelrasterleuchten und dimmbaren elektronischen Vorschaltgeräten ausgegangen wird. Wird die Beleuchtung nicht wie vorgesehen in Abhängigkeit des Tageslichtangebots gedimmt (Büro) oder geschaltet (Ausstellung und Büroflur), ist von deutlich höheren Bedarfswerten auszugehen. Zusammen mit dem Strombedarf zur Beleuchtung sind alle Aufwände aus dem Heizfall sowie der Verteilung und Lüftung im Sinne der TK3-Richtlinien zu addieren. Die Summe sollte ein Grenzwert von 70 kWh/m²a nicht überschreiten. In einem zweiten Schritt sind die elektrischen Aufwände mit dem CO2 Faktor von 2,8 zu gewichten. Die Ergebnisse sind zusammen mit dem Referenzenergiebedarf und den zugehörigen Grenzwerten in Abbildung 59 gezeigt. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 107 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 100 100 kWh/m²a 90 Energiebedarf in kWh/m²a 80 70 kWh/m²a 70 60 Licht-Strom 50 40 kWh/m²a 40 30 Gebäude Nutzung 20 Licht-Strom TGA-Strom Gas TGA-Strom Gas 10 0 Referenzenergiebedarf Aufwand Wärme/Strom CO2 bewerteter Aufwand W+S Abbildung 59: Aufsummierte Aufwände an Wärme und Strom mit den TK3Grenzwerten . Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 108 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 9.3 Schlussbericht Sommerliche Behaglichkeit Mit der konsequenten Umsetzung von Maßnahmen zur Verbesserung der sommerlichen Behaglichkeit konnte ein hochgedämmtes, in den gewünschten Bereichen tageslichtoptimiertes, Gebäude mit intensiver Nutzung und passiver Kühlung realisiert werden. Zur Bewertung der sommerlichen Behaglichkeit ist die Anzahl an Stunden mit Raumtemperaturen oberhalb 26 °C, 28 °C, 30 °C und 32 °C aufsummiert und in Diagrammen dargestellt. Inwieweit das Ziel, dem Nutzer einen hohen Tageslichtanteil bei gleichzeitiger Gewährleistung der sommerlichen Behaglichkeit zu bieten, erreicht wurde, ist in den folgenden Abschnitten gezeigt. Bei der Ergebnisinterpretation muss jedoch berücksichtigt werden, dass alle Parameterstudien mit lokalen Messwerten aus Siegen durchgeführt wurden. Diese sind in Kap. 4 beschrieben und in Abbildung 60 dem Testreferenzjahr 4 (nördliche und westliche Mittelgebirge ohne Hochlagen) und dem Testreferenzjahr 11 (Hochlagen der nördlichen und westlichen Mittelgebirge) gegenübergestellt. 500 TRY 11 - Hochlagen der nördlichen und westlichen Mittelgebirge TRY 4 - Nördliche und westliche Mittelgebirge ohne Hochlagen Siegen 95_96 - Lokaler Wetterdatensatz Stunden pro Jahr 400 300 200 100 0 26 28 30 32 Aussentemperatur in °C Abbildung 60: Vergleich der Siegener Wetterdaten mit dem Testreferenzjahren TRY 4 und TRY 11 Unschwer zu erkennen ist, dass die Temperaturen des Siegener Sommers deutlich über denen der Testreferenzjahre liegt. Der Bauherr hat sich am Anfang der Konzeptentwicklung bewusst für diesen extrem warmen Sommer und einen kalten Winter entschieden, um im realen Betrieb immer über eine ausreichende Reserve zu verfügen. Als Vergleichsgröße ist in allen Diagrammen der entsprechende Wetterdatensatz mit aufgenommen. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 109 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude 9.3.1 Schlussbericht Büroräume Die Büroräume stellen aufgrund der hohen solaren Zustrahlung auf die Fassade und der hohen inneren Lasten ein Optimierungsschwerpunkt dar. Inwieweit das Ziel, eine gute Tageslichtautonomie bei gleichzeitiger Gewährleistung der sommerlichen Behaglichkeit erreicht wurde, ist für die kritischen Büroräume mit dem größten Glasflächenanteil über die verschiedenen Büroetagen gezeigt. 1000 Büros EG Büros 1.OG Büros 2.OG Siegen 95_96 900 Stunden pro Jahr 800 700 600 500 400 300 200 100 0 26 28 30 32 Temperatur in °C Abbildung 61: Optimierte sommerliche Behaglichkeit in den einzelnen Büroetagen ( Zone E11, 111, 211) In Abbildung 61 ist an dem niedrigen Temperaturniveau im Erdgeschoss (schwarze Kurve) und im ersten Obergeschoss (rote Kurve) die gute sommerliche Behaglichkeit zu erkennen. Die Häufigkeit der warmen Stunden pro Jahr liegt in den beiden ersten Etagen immer unter den Werten der Außentemperatur. Zusätzlich kann dem Diagramm entnommen werden, an wieviel Stunden im Jahr ein Temperaturniveau von 26 °C, 28 °C, 30 °C oder 32 °C erreicht wird. Beispielsweise wird im 1. Obergeschoss an 200 h im Jahr eine Raumtemperatur von 26°C erreicht. Ein Temperaturniveau von 28 °C wird so gut wie nie überschritten. Damit kann gezeigt werden, dass die Summe der getroffenen Maßnahmen ausreicht, um einer Überhitzung in den Sommermonaten entgegenzuwirken. Etwas problematischer stellt sich die Situation in den wärmsten Räumen im 2. Obergeschoss dar. Positiv zu werten ist, dass die Summenhäufigkeit der Raumtemperaturen über 28 °C unter der entsprechenden Kurve für die Außentemperatur liegt (grüne Kurve schneidet blaue Kurve). An 600 Stunden wird ein Temperaturniveau von 26°C erreicht, die Raumtemperatur liegt dabei aber nur an 200 Stunden oberhalb der Außentemperatur. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 110 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Eine Erklärung des verhältnismäßig starken Anstiegs des Temperaturniveaus zwischen dem 1. und 2. Obergeschoss ist die kleiner werdende Speichermasse im Rauminneren. Hier steht die thermisch aktivierbare Zwischendecke nicht zur Verfügung. Zusätzlich erreicht die solare Zustrahlung - aufgrund der fehlenden Eigenverschattung - durch das Gebäude in der obersten Etage ihr Maximum. Inwieweit das Temperaturniveau im 2. Obergeschoss durch zusätzliche Maßnahmen gesenkt werden konnte, ist in Abbildung 62 dargestellt. Zwischen der Variante zum Zeitpunkt der Ausschreibung (1) und der aktuellen Variante (2) trägt die erhöhte Nachtlüftung und eine an die Außentemperatur gekoppelte Taglüftung deutlich zur Reduktion des Temperaturniveaus bei (vgl. Abb. 62). Zusätzlich ist der Fensterflächenanteil in der bisher unbeschatteten Südverglasung reduziert und mit einem feststehenden Sonnenschutz ausgestattet worden. Damit ist die Situation in den kritischen Räumen soweit entschärft, dass ein Aufschaukeln des Temperaturniveaus, trotz der extremen Randbedingungen, verhindert werden kann. 1000 (1) Ausschreibung (2) aktuelle Version (3) passive Kühlung 900 Stunden pro Jahr 800 700 600 500 400 300 200 100 0 26 28 30 32 Temperatur in °C . Abbildung 62: Optimierungspotential nach dem Zeitpunkt der Ausschreibung Umfangreiche Parameterstudien haben gezeigt, dass eine weitere Reduktion des Temperaturniveaus nur durch einen kleineren Glasflächenanteil in der Fassade oder eine massive Bauweise aller Rauminnenwände erreicht werden könnte. Alternativ können die Deckensegel zur Unterstützung der Wärmeabfuhr genutzt werden. Damit lassen sich auch bei der derzeitigen Variante Raumtemperaturen oberhalb 30 °C vermeiden (3). Beide Maßnahmen sind im momentanen Gebäude- und Anlagenkonzept nicht vorgesehen. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 111 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Welchen Einfluss die extremen Randbedingungen auf das Temperaturniveau des kritischen Büroraums haben ist in Abbildung 63 gezeigt. Hier ist, bei ansonst identischen Parametern, anstelle des Siegener Wetters das Testreferenzjahr 4 (nördliche und westliche Mittelgebirge ohne Hochlagen) zugrundegelegt. Zusätzlich ist die Summenhäufigkeit der Außentemperatur aus dem TRY 4 aufgetragen. Prinzipiell ist der gleiche Verlauf zwischen der Temperatur im Gebäudeinneren und der Außentemperatur zu beobachten. Die Anzahl der unbehaglichen Stunden über 26 °C ist im Fall des TRY 4 deutlich geringer als mit dem Siegener Wetter. Temperaturen über 30 °C sind demnach nicht zu erwarten. Ähnlich wie bei den Wetterdaten verhält sich das Ergebnis, wenn - anstelle der intensiven Nutzung mit zwei Personen pro Arbeitsplatz - die einfache Nutzung mit einer Person pro Arbeitsplatz zugrunde gelegt wird. Auch in diesem Fall treten keine Raumtemperaturen oberhalb 30 °C auf. 1000 Büros EG Büros 1.OG Büros 2.OG Wetter TRY 4 900 Stunden pro Jahr 800 700 600 500 400 300 200 100 0 26 28 30 32 Temperatur in °C Abbildung 63: Sommerliche Testreferenzjahres 4 Rau & partners Amsterdam Generalplaner Behaglichkeit Seite 112 der Büroräume im Fall des 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 9.3.2 Büroflur In den Bürofluren kann durch den niedrigen Gesamtenergiedurchlassgrad der Glasflächen die sommerliche Behaglichkeit mittels einer freien Tag- sowie Nachtlüftung realisiert werden. Dazu sind im 2. Obergeschoss Rauchabzugsklappen in der Dachverglasung vorgesehen. Diese sind über das Gebäudemanagementsystem an die Rauminnentemperatur gekoppelt und sorgen bei Bedarf für eine ausreichende Abfuhr der inneren sowie solaren Lasten. Damit liegt das Temperaturniveau im Gebäudeinneren immer unter dem der Außentemperaturen (vgl. Abb. 64). 1000 Büroflur EG Büroflur 1.OG Büroflur 2.OG Wetterdaten Siegen 95_96 900 Stunden pro Jahr 800 700 600 500 400 300 200 100 0 26 28 30 32 Temperatur in °C Abbildung 64: Sommerliche Behaglichkeit in den Bürofluren (Zone E10, 110 und 210) Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 113 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 9.3.3 Ausstellung Wie der Abbildung 65 zu entnehmen ist, sind im Erdgeschoss und dem 1. Obergeschoss keine Raumtemperaturen oberhalb 28 °C zu erwarten. Die großen Glasflächen der Ausstellung bewirken in Kombination mit einer galerieartigen Gestaltung, dass im 2. Obergeschoss das Temperaturniveau schnell ansteigt, sobald direkte Strahlung auf die Glasfläche trifft . Die damit verbundenen solaren Lasten bewirken einen Anstieg der Innentemperatur bis zum Außentemperaturniveau. Wie in den Bürofluren öffnen bei einer Grenzwertüberschreitung die Rauchabzugsklappen automatisch und sorgen für eine erhöhte Taglüftung. Zusätzlich wird die Speichermasse der angrenzenden Innenwände über eine Nachtlüftung aktiviert. Steigt die Raumtemperatur weiter an, wird vorgekühlte Luft aus dem Erdwärmetauscher in den Bodenbereich der Ausstellung eingebracht. Wie in Abbildung 65 gezeigt ist, kann durch diese Maßnahmen ein Anstieg der Raumtemperaturen über die Außentemperatur wirkungsvoll verhindert werden. 1000 900 Ausstellung EG Ausstellung 1.OG Ausstellung 2.OG Wetterdaten Siegen 95_96 Stunden pro Jahr 800 700 600 500 400 300 200 100 0 26 28 30 32 Temperatur in °C Abbildung 65: Optimierte sommerliche Behaglichkeit in der Ausstellung (Zone E60, 160 und 260) Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 114 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht Wird anstelle des Siegener Wetters das Testreferenzjahr 4 gewählt, zeigen die Simulationsergebnisse eine deutlich geringere Anzahl unbehaglicher Temperaturen (vgl. Abb. 66). Raumtemperaturen über 28 °C kommen unter diesen entschärften Randbedingungen so gut wie nicht mehr vor. 1000 900 Ausstellung EG Ausstellung 1.OG Ausstellung 2.OG Wetterdaten TRY 04 Stunden pro Jahr 800 700 600 500 400 300 200 100 0 26 28 30 32 Temperatur in °C Abbildung 66: Sommerliche Behaglichkeit in der Ausstellung im Fall des Testreferenzjahres 4 Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 115 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 9.3.4 Seminarräume /Labor und Entwicklungsräume Die sommerliche Behaglichkeit wird in den nordorientierten Gebäudebereichen maßgeblich von den inneren Lasten geprägt. Diese sind im Erdgeschoss aufgrund der vorgesehenen Nutzung relativ gering, was sich an der geringen Anzahl hoher Rauminnentemperaturen zeigt (vgl. Abb. 67). Etwas kritischer ist die Situation im 1. Obergeschoss zu bewerten. Hier ist an ca. 30 Stunden eine Raumtemperatur von 30 °C zu erwarten. Stunden pro Jahr 1000 900 Labor und Entwicklung EG Seminarraum 1.OG 800 Wetterdaten Siegen 95_96 700 600 500 400 300 200 100 0 26 28 30 32 Temperatur in °C Abbildung 67: Optimierte sommerliche Behaglichkeit in Nordräumen Seminar (Zone 140), Labor- und Entwicklung (Zone E40)) Wird anstelle des Siegener Wetters das Testreferenzjahr 4 zugrunde gelegt, ist eine deutliche Reduktion der Anzahl an Stunden mit hohen Raumtemperaturen bei prinzipiell ähnlichem Verlauf zu beobachten. Sollen auch in einem extrem warmen Sommer Raumtemperaturen oberhalb 30 °C vermieden werden, ist der hochwertigere Erdwärmetauscher von Professor Heidt zu empfehlen. Dieser bewirkt durch seine deutlich verbesserten Kühleigenschaften, dass die niedrigere Zuglufttemperatur effektiver zur Kühlung genutzt werden kann als es bei der bisherigen Variante der Fall ist. Beide Erdwärmetauscher sind in Kapitel 7.4 ausführlich beschrieben und mit ihren Temperaturverläufen gegenübergestellt. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 116 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 10 Zusammenfassung Die durchgeführten Berechnungen zeigen, dass die angestrebten Grenzwerte eingehalten bzw. deutlich unterschritten werden können. Der Referenzenergiebedarf für das Gebäude inkl. Nutzung liegt aufgrund der hohen Lüftungsverluste relativ dicht an dem TK3-Grenzwert von 40 kWh/m²a. Dabei muss jedoch berücksichtigt werden, dass sowohl bei der Nutzung als auch bei den Wetterdaten kritische Randbedingungen gewählt wurden. Werden diese entschärft und beispielsweise anstelle der intensiven Nutzung mit hohen Luftwechseln von einer üblichen Vergleichsgröße (ß=0,8h-1) ausgegangen, verringern sich die Bedarfswerte um bis zu 20%. Mit den geplanten Maßnahmen zur Wärmerückgewinnung (Wärmepumpen, Wärmetauscher etc.) können die Lüftungsverluste erheblich reduziert werden und der Aufwand für Wärme und Strom ist sowohl im unbewerteten als auch im CO2-bewerteten Fall deutlich unter den TK3-Grenzwerten. Hier zeigt sich, wie ein solaroptimiertes Gebäude mit energiesparender Technologie ausgerüstet werden kann, das deutlich unter den Zielvorgaben liegt. Ohne Frage stellt der Verzicht auf eine aktive Kühlung im Fall von hochgedämmten, tageslichtoptimierten Gebäuden hohe Anforderungen an alle bei der Planung und Ausführung beteiligten Parteien. Aufgrund der intensiven Nutzung und der ausgeprägten Ost- und West Ausrichtung der Fassade liegt der Optimierungsschwerpunkt in den Büroflügeln und den benachbarten Zonen. Hier wird mit einem hochwertigen Sonnenschutz an allen Glasflächen ein übermäßiger Energieeintrag in das Gebäude verhindert. Zusätzlich sorgt in den intensiv genutzten Räumen eine erhöhte Taglüftung für eine zusätzliche Wärmeabfuhr, wenn die Außentemperatur unterhalb der Raumtemperatur liegt. Zusätzlich ist die Lüftungsanlage so dimensioniert, dass während der Nutzungszeit eingespeicherte Wärme nachts automatisch an die Umgebung abgeführt wird. Die Summe der Maßnahmen ermöglicht, dass selbst in einer Hitzeperiode die Raumtemperatur unterhalb der Außentemperatur bleibt. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 117 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht 11 Ausblick Integrale Planung Positiv ist die frühzeitige Bildung des TK3-Projekteams zu werten. Wie in den Anforderungen an TK3-Projekte verlangt, konnten bereits in einem frühen Stadium wichtige Planungsfragen gemeinsam geklärt werden. So konnten zahlreiche Erkenntnisse aus der Simulation in das Gesamtkonzept einfließen und relevante Fragestellungen im Projektverlauf zeitnah beantwortet werden. Unter diesem Gesichtspunkt ist vor allem die gute Zusammenarbeit zwischen den Architekten und den Energie- und Tageslichtplanern sowie dem Projektsteurer hervorzuheben. Verbesserungswürdig ist die Schnittstellendefinition zwischen den Fachplanern und den Konzeptentwicklern. Hier hätte eine frühzeitige Klärung der Zuständigkeiten sowie der auszutauschenden Ergebnisse und Informationen die Arbeit im Team erleichtert. Bei der Bewältigung der Anforderungen durch die gewünschte integrale Vorgehensweise erfuhren die Projektteams durch den Einsatz der internetbasierten Planungsplattform INTESOL sowohl technische als auch methodische Unterstützung. So wurde durch Darstellung der organisatorischen Zusammenhänge und Zuständigkeiten innerhalb des Projektes für den einzelnen Planer eine erhöhte Transparenz und eine gesamtheitliche Sicht auf die komplexe und dynamische Organisationsstruktur erreicht. Die simultane Bereitstellung von Planungsdokumenten auf der Plattform und die jederzeit nachvollziehbare Kommunikation zwischen den Planern eliminierte zeitliche Reibungsverluste und Unsicherheiten ob der Aktualität beim Informationsaustausch und sorgte gleichzeitig für eine umfassende Dokumentation des Planungsablaufs. Nur durch konsequente Nutzung der Planungsplattform seitens aller Teammitglieder über den gesamten Planungszeitraum kann der gewünschte Effekt und eine hohe Akzeptanz erreicht werden. Hierfür ist eine enge informelle Verzahnung des Projektmanagements und der Betreiber der Plattform essentielle Voraussetzung um Veränderungen im Projekt zeitnah in die Struktur der Plattform einfließen lassen zu können. Unter diesen Voraussetzungen ist die internetbasierte Planungsplattform, gerade bei räumlich verteilten Planungsteams und komplexer Aufgabenstellung, ein geeignetes Medium zur Unterstützung der integralen Vorgehensweise. Im Bereich der Modellbildung für die Gebäude- und Tageslichtsimulation existieren mittlerweile geeignete Ansätze und Spezifikationen /1/,/25/ für den Datenaustausch zwischen CAD-Systemen und den Simulationsprogrammen. In der Praxis zeigen sich aber deutliche Defizite bei der automatischen Generierung der Gebäudemodelle aus den CAD-Plänen. Hier besteht noch ein umfangreicher Handlungsbedarf seitens der Softwarehersteller, die vorhandenen Ansätze in ihre Programme zu integrieren. Erst damit gelingt es, die Simulationsmodelle den sich schnell ändernden Gebäudemodellen anzupassen und auftretende Fragestellungen kurzfristig zu beantworten. Auch unter diesem Aspekt zeigt das Solarbau Teilkonzept 3 positive Wirkung, in dem eingesetzte Werkzeuge in praxisnahen Projekten auf ihre Tauglichkeit überprüft und gegebenenfalls weiterentwickelt werden können. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 118 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht /1/ Schmidt, M. et al.: Endbericht des Verbundprojekts INTESOL. Energetische Bewertung von Entwürfen solaroptimierter Bauten und ihrer technischen Anlagen. BMWi Vorhaben Förderkennzeichen 0329132E. Universität Stuttgart, IKE Lehrstuhl für Heiz- und Raumlufttechnik, Entwurf der Schlussversion, Februar 2001. /2/ VDI 6021 Blatt 1: Datenaustausch für die thermische Lastberechnung von Gebäuden. VDI-Verlag, Düsseldorf, Entwurf, Januar 1998. /3/ International Alliance for Interoperability: Industry Foundation Classes Release 2.x, Oktober 2000. /4/ VECTORPLAN 3D: AutoCad-Applikation zur Unterstützung des Datenaustauschs nach VDI 6021. Zu beziehen über Gesellschaft für Technische Software-Entwicklung und-Vertrieb mbH, Wiesbaden. /5/ Szermann, M.: Auswirkung der Tageslichtnutzung auf das energetische Verhalten von Bürogebäuden; Dissertation, Universität Stuttgart, Lehrstuhl für konstruktive Bauphysik, 1994. /6/ Szermann, M.: SUPERLINK – Ein dynamisches Rechenverfahren zur Bestimmung der Lichteinschaltzeiten tageslichtabhängig geregelter Beleuchtung; GesundheitsIngenieur Haustechnik-Baupysik-Umwelttechnik 117 (1996), Heft 1. /7/ Radiance 3.0 (A suite of programs for simulating and visualizing lighting in and around architectural spaces), Registered copyright of the Regents of the University of California. /8/ Kohler, N: Schlussbericht KOBEK Methode zur kombinierten Berechnung von Energiebedarf, Umweltbelastungen und Baukosten in frühen Planungsstadien. Universität Karlsruhe, Institut für Industrielle Bauproduktion, Schlussbericht September 1996. /9/ Schwede, D: Integrale Planung der Gebäudetechnik für ein Bürogebäude, abgestimmt auf Nutzeranforderungen und gesamtenergetische Zielvorgaben, Diplomarbeit IKE 7-D396, Universität Stuttgart, IKE Lehrstuhl für Heiz- Raumlufttechnik, September 1999. /10/ Lam, J.C.; Li, DH.W.: An Analysis of Daylighting and Solarheat for CoolingDominated Office Building; Solar Energy; March 1999; Number P.251-262; Pergamon. /11/ ADELINE Advanced Day- and Electric Lighting Integrated New Environment Lighting design & analysis tool, Version 3. /12/ VDI 6011 Entwurf Blatt 1 Grundlagen Optimierung der Tageslichtnutzung und künstlicher Beleuchtung, Entwurf zum Blatt 1 der VDI-Richtlinie 6011, Februar 2001. Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 119 98.044 G.I.T Siegen Neubau Mehrzweckgebäude Schlussbericht /13/ ASR 7/3 Künstliche Beleuchtung; Nennbeleuchtungsstärke; Ausgabe November 1993. /14/ DIN 5034 Teil 3 Berechnung Tageslicht in Innenräumen, September 1994. /15/ Vergleichende Untersuchung zum Gesamtenergiedurchlassgrad von Einfach- und Verbundfenstern mit integrierten Sonnenschutzvorrichtungen, Durchgeführt am i.f.t Rosenheim, Juni 1998. /16/ DIN 5035 Teil 2 Beleuchtung mit künstlichem Licht, September 1990. /17/ G. Courret, ANIDOLIC DAYLIGHTING SYSTEM Laboratoire d'Energie solaire et de physique du bâtiment - ITB – DA, September 1999. /18/ Guth S. K. Computing Visual Comfort Ratings For a Specific Interior Lighting Installation, Illuminating Engineering, pp. 634-642 (October 1966). /19/ Bach, H; Kochendörfer, C. Ermittlung der Heizleistung eines Deckensegels sowie der Temperaturverteilung im Modellraum, Bericht Nr. 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Rau & partners Amsterdam Generalplaner Seite 120
