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REPORT Gebäudehülle / Dach I Bauen mit Glas
ETA-Fabrik – Ein Industriegebäude als Teil der Prozesskette
Die Reduktion des Primär und Endenergiebedarfs
sowie der CO2- Emissionen bei gleichzeitiger Steigerung der Produktivität und der Lastflexibilität
stellen gegenläufige Ziele dar, die aus politischer,
ökologischer und ökonomischer Sicht in den kommenden Jahren in Deutschland umzusetzen sind.
Im Rahmen des von BMWi sowie Land Hessen
geförderten und von der TU Darmstadt gemeinsam
mit Industriepartnern unterstützten Forschungsprojektes ETA-Fabrik sollte ein neues Verständnis
von Energieeffizienz entwickelt werden. Energiesysteme zu verstehen und Abhängigkeiten zu
erkennen standen im Vordergrund.
Durch den Einsatz der richtigen Energieform in der
notwendigen Menge zur richtigen Zeit am richtigen
Abb. 2: Schema der gebäudeintegrierten thermischen Vernetzung2
Ort werden Überkapazitäten vermieden und die
Energieeffizienz wird auf diese Weise gesteigert.
nen Temperaturniveaus sinnvoll gespeichert werden?
zung der Produktionsmaschinen, der Versorgungs-
Über eine isolierte Optimierung jeder Subeinheit hin-
Wie kann eine Interaktion zwischen Produktion und
technik und des Gebäudes. Technisch bilden drei
aus (z. B. Einzelmaschine, Heizungssystem, Kühlsy-
Gebäude bzw. seiner umgebenden und tragenden
wasserbasierte thermohydraulische Rohrleitungssy-
stem) wurde das System Produktionsfabrik als
Hülle von statten gehen? Kann beispielsweise die
steme gemäß Abb. 2 die Grundstruktur zum Aus-
Ganzes betrachtet und dadurch zusätzliche Einspar-
thermische Aktivierung von Flächen der Gebäudehül-
schöpfen der Effizienzpotenziale.
potenziale identifiziert. Die ETA-Fabrik steht so für die
le aktiv zur Erwärmung und Kühlung des Gebäudes
Ein Kaltwasserniveau (ca. 15°C) zur Versorgung von
energetische Systemoptimierung durch Verschieben
genutzt werden?
Produktionsmaschinen, zur Kühlung und wasserba-
der Systemgrenzen. Durch diesen Ansatz werden
Dafür wurde, zur Sicherstellung der Übertragbarkeit
sierten Abwärmeabfuhr, ein Warmwasserniveau (ca.
marktfähige, wirtschaftlich realisierbare Energieeins-
der im Projekt erzielten Ergebnisse auf möglichst vie-
35°C) zur Rückkühlung einer Absorptionskältema-
parpotenziale von rund 40 % (Abb. 1) gegenüber einer
le Unternehmen, eine typische Produktionsprozess-
schine und zur Niedertemperaturbeheizung des
konventionellen Produktionsstätte erwartet unter
kette der metallverarbeitenden Industrie in ein eigens
Gebäudes sowie ein Heißwasserniveau (ca. 85°C)
Wahrung der Systemeffizienz und Wirtschaftlichkeit.
entwickeltes Fabrikgebäude am Campus Lichtwiese
zum Antrieb der Absorptionskältemaschine, gespeist
In einer interdisziplinären Projektstruktur bestehend
der TU Darmstadt integriert. Durch die Verknüpfung
aus Hochtemperaturabwärme sowie durch Block-
aus Maschinenbauern, Bauingenieuren, Architekten,
von den Produktionsprozessen, der Gebäudetechnik
heizkraftwerke. Die bedarfsabhängig optimale Be-
Verfahrenstechniker und den industriellen Anwen-
sowie des Gebäudes und seiner Konstruktion wird
triebsweise des Gesamtsystems wird mit ca. 100
dern wurde das Produktionsgebäude als „Maschine
das Effizienzpotenzial des Gesamtsystems erforscht
Feldgeräten (Pumpen, Ventilen, Großgeräten) der
um die Maschine“ betrachtet. Somit ergaben sich
und demonstriert. Diese Betrachtungsweise ermög-
haustechnischen Anlagen sowie einem innovativen
als wesentliche wissenschaftliche Fragestellungen:
licht die Rückgewinnung bisher ungenutzter Verlust-
System der Gebäudeleittechnik mit ca. 600 Daten-
Wie kann unvermeidlich entstehende Abwärme im
wärme sowie eine effiziente Abfuhr von Wärmeüber-
punkten realisiert. Hierbei werden nicht nur konven-
Produktionsgebäude weiterverwendet werden und
schüssen aus dem Gebäude. Die Planung zu einem
tionelle, statische Regelungsstrategien angewendet,
wie kann dafür thermische Energie auf verschiede-
derartigen Gebäude kann nur in einem integralen
sondern auch prädiktive Verfahren unter Einbezie-
und interdisziplinären Prozess erfolgen, sodass die-
hung zukünftiger Prognosedaten (Produktionspro-
ser bereits Teil des Gebäudeansatzes ist: Energieeffi-
gramm, Wetter, etc.) sowie Simulationsdaten. Die
zienz und Nachhaltigkeit. Bereits der architektoni-
Gebäudehülle spielt eine wichtige Rolle bei der Opti-
sche Entwurf des Gebäudes orientiert sich also ne-
mierung energieintensiver Produktionsprozesse. Ziel
ben den Randbedingungen aus der Funktionalität
ist es, Energie aus der Solarstrahlung (außen) und
vor allem an den energetischen Fragestellungen.
der Abwärme aus der Prozesskette (innen) zu wandeln, zu speichern und entsprechend ihrer Eignung
Abb. 1: Einsparpotentiale bei ganzheitlicher Betrachtung
einer industriellen Fertigung1
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Energie- und gebäudetechnisches Konzept
zur energetischen Wiederverwendung in das System
Im Fokus der gebäudetechnischen Anlagen liegen
zurückzuführen. Die in der Raumluft befindliche pro-
insbesondere die Systeme zur thermischen Vernet-
zessbedingte Überschusswärme wird gesammelt
Fotos: Eibe Sönnecken, Darmstadt
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Abb. 3: Blick auf die büroseitige Gebäudenordfassade und die thermisch aktivierte
Westfassade
Abb. 4: Blick auf die hallenseitige Gebäudesüdfassade und die thermisch aktivierte
Ostfassade
und einem geeigneten Produktionsschritt zugeführt
Gestalt und Funktion der ETA-Fabrik
der damit verbundene unkontrollierte thermische Ein-
oder in Speichern konserviert. Zur Gebäudekühlung
Die Modellfabrik befindet sich prominent am Eingang
trag durch die Sonne zu vermeiden. Dies wird im
werden die Wand- und Dachelemente raumseitig mit
zum Campus Lichtwiese in einem Bereich, der mit
oberen Bereich der Glasfassaden durch wartungs-
im Verhältnis zur Raumluft kühlerem Wasser aus
dem bereits bestehenden Blockheizkraftwerk dem
freie Lichtlenklamellen in den Scheibenzwischenrau-
dem Kaltwasserspeicher oder direkt aus dem Kühl-
Thema „Energie“ gewidmet ist. Der in Nord-Süd-
men garantiert. Im unteren bodennahen Fassaden-
prozess mittels Absorptionskältemaschine durch ein
Richtung linear ausgerichtete Baukörper wird im
bereich wird der Sonnenschutz von parametrischen
oberflächennahes und feines, kapillarähnliches Lei-
nördlichen Teil erschlossen und beherbergt einen
Glaselementen übernommen. Hierbei dienen geome-
tungsnetz durchströmt. Darüber hinaus verfügbare
dreigeschossigen Bürobereich mit Seminar- und Be-
trisch auskragende, mit Siebdruck belegte Glas-
Abwärme wird durch den Transport von warmem
sprechungsräumen. Im südlichen Gebäudeteil befin-
teilflächen, deren Neigung nach den Parametern des
Wasser durch den äußeren Teil der Gebäudehülle
det sich der eingeschossige Hallenbereich für typi-
standortspezifischen Sonnenverlaufs im Jahresrhyth-
passiv an die Umgebung abgeführt. Falls kein Tem-
sche Produktionsanlagen der metallverarbeitenden
mus festgelegt wurde, der Verschattung des Innen-
peraturgefälle zwischen aktivierten Fassaden- und
Industrie. Der gesamte Baukörper wird von einer ein-
raumes. Das nach außen gekippte Mittelfeld jedoch
Dachplatten und der Umgebungsluft sich einstellt,
heitlichen, in Dach- und Wandbereich identischen
wird mit Klarglas belegt und ermöglicht aufgrund sei-
lässt sich dieses mit einer Berieselung des Daches
Hüllkonstruktion aus Betonfertigteilen umschlossen.
ner Schrägstellung Sichtbezüge nach innen und eine
mit Grauwasser und der einhergehenden Verdun-
Die beiden Gebäudestirnseiten sind jeweils als Ganz-
Entspiegelung des Glases (Abb. 4).
stungskühlung herstellen.
glasfassaden konzipiert. Nach Norden, im Bereich
Zur Beheizung des Gebäudes im Winter kann war-
der Büros konfiguriert sich die Fassade als Pfosten-
Thermisch aktivierte Hüllelemente
mes Wasser aus den Speichern oder dem Maschi-
Riegel-Structural-Glazing-Konstruktion. Darin sind
Eine schnelle thermische Aktivierung bedarf im Indu-
nenkühlprozess durch die kapillarähnlichen Rohrlei-
opake Flächen integriert, die gleichzeitig die Öff-
striebau spezieller Hüllelemente im Dach- und Wand-
tungen geführt werden. Durch die Funktion der
nungselemente bilden (Abb. 3). Mit dem Ziel der
bereich. Hierfür eignet sich besonders der Werkstoff
äußeren Gebäudehülle als Massivabsorber kann auf-
Optimierung der Dämmeigenschaften der Fassade
Beton, da eine statisch optimierte Geometrie, der
genommene solare Energie in das Speichersystem
bezüglich des U- und g-Wertes wurden in die Schei-
Einbau und die Nutzung erforderlicher Träger- und
abgeführt werden.
benzwischenräume der opaken Isolierverglasung
Leitmedien sowie eine materialeinheitliche Umset-
Auch das elektrische Anlagensystem wurde energe-
erstmals in einer Fassade vliesbelegte Vakuumiso-
zung architektonisch ansprechend realisierbar sind
tisch optimiert. Hierdurch konnte die Anschlusslei-
lierpaneele eingelegt.
und brandschutztechnische Anforderungen gut um-
stung des Gesamtgebäudes schlank umgesetzt wer-
Die nach Süden orientierte Halle erhält eine Element-
gesetzt werden können. Darüber hinaus ist er über-
den. Dies ermöglicht der Einsatz eines im For-
fassade mit integrierter Toranlage und vorgelagerter
regional verfügbar, auf weite Sicht ausreichend vor-
schungsprojekt weiterentwickelten kinetischen Ener-
Anlieferzone. Um die Präzision des Produktionspro-
handen und bietet viel Potenzial hinsichtlich einer Re-
giespeichers, welcher Lastspitzen glättet und zu-
zesses zu gewährleisten, müssen selbst geringste
duzierung des Primärenergiebedarfs.
künftig darauf vorbereitet wird, Netzdienstleistungen
Verformungen der Maschinen vermieden werden.
Der modulare Aufbau des Gebäudes entsteht durch
wie Blindleistungskompensation zu übernehmen.
Aus diesem Grund sind die direkte Besonnung und
die mittels oberflächennaher integrierter feiner und
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Abb. 5 links: Hüllelement
für Dach- und Wandbauteile aus Beton3
Abb. 7 rechts: Statisches
System des Primärtragwerks Halle mit Wegaufnahmemöglichkeit der
Dachbinder
kapillarähnlicher Leitungen thermisch aktivierbaren
Wand- und Dachelemente mit einer Länge von 10 m
bzw. 20 m, eine Dämmung aus mineralisiertem
Schaum (MF) sowie deren Verkleidung mit Dachund Fassadenplatten aus mikrobewehrtem ultrahochfestem Beton (mrUHPC) (Abb. 5).
Die Stahlbetonfertigteile vereinen bereits die Funktionen des Tragens und Hüllens und stellen gleichzeitig
eine Schalung für den neu entwickelten, zementgebundenen, mineralisierten Schaum dar. Dieser wurde
werkseitig mit einer Rohdichte von nur 180 kg/m³ bei
einer Wärmeleitfähigkeit von 0,06 W/mK aufge-
Abb. 6: Kapillarrohrmatten vor der Betonage, mineralisierter Schaum in der Fertigung, PI-Platten nach der Montage,
mrUHPC-Elemente der Gebäudehülle
bracht4. Den äußeren Abschluss der Hüllkonstruktion
Zusammenfassung
Projektpartner Okalux
bilden 5 cm starke hinterlüftete und aktivierte Fassa-
In der ETA-Fabrik wird die Gebäudehülle thermisch
Okalux brachte umfangreiches Know-how in die
den- und Dachplatten aus mikrobewehrtem, ultra-
aktiviert und mit der Konstruktion und den thermi-
Glasfassadengestaltung ein. In der ETA-Fabrik wur-
hochfestem Beton5.
schen Speichern in den Gebäudeenergiekreislauf
den passgenaue Lösungen mit verschiedenen Sys-
Die thermische Aktivierung erfolgt durch ein ober-
einbezogen. Die Integration einer Niedertemperatur-
temen gefunden. So kam mit Okasolar F an der voll-
flächennah eingebautes und wassergefülltes Rohrlei-
Flächenheizung in die Hallentragkonstruktion, die
verglasten Südfassade ein richtungsselektives Ta-
tungsnetz aus Polypropylen. Hiermit kann die in einer
Aktivierung der Gebäudeteile an sich, die damit ver-
geslichtsystem zum Einsatz. Speziell geformte, fest-
Fabrik nötige hohe thermische Dynamik des
bundene Möglichkeit der Nutzung der Abwärme so-
stehende Lamellen im Scheibenzwischenraum len-
Systems erreicht werden (Abb. 6).
wie die umgekehrte Möglichkeit der Kälteerzeugung
ken das Tageslicht zur Decke, von dort wird es re-
Das somit aktivierte Betonbauteil fungiert als riesige
der thermisch aktivierten Dachflächen wurden nur
flektiert und der Innenraum indirekt belichtet. Durch
Heiz- oder Kühlfläche, die schnell auf die Erfordernis-
durch einen integrativen Planungsprozess von An-
diese optimale Tageslichtnutzung entsteht eine ange-
se der Raum- und Maschinenklimatisierung reagie-
fang an erreicht. Weitere Elemente sind die Integrati-
nehme Atmosphäre für die Mitarbeiter. Gleichzeitig
ren kann. Die Energiespeicherung erfolgt in externen
on der Belüftung des Seminarraums in die Hohlräu-
bietet das System nahezu 60 % Durchsichtigkeit und
Betonbehältern. Die thermische Aktivierung der Trag-
me der Hohlkammerdecken, neuartige Vakuumiso-
hohen Wärmeschutz. An der Ost- und Westfassade
struktur führt zu einer ungleichmäßigen Temperatur-
lierpaneele, die in die nordseitigen Fassadenelemen-
sorgt ein transluzentes Kapillarsystem für eine gleich-
verteilung im Querschnitt. In Kombination mit weite-
te integriert wurden und die innovativen Verglasun-
mäßige, diffuse Lichtstreuung in den Raum.
ren Belastungen (Kranbahnbetrieb, Imperfektionen)
gen zur Lichtstreuung, Lichtlenkung und Verschat-
Okalux+ integriert Kapillarplatten zwischen zwei Iso-
entstehen erhebliche statische Zusatzbelastungen.
tung in den Seitenfenstern und der Südfassade.
lierglasscheiben, die eine hohe Lichttransmission
und guten Sonnenschutz gewährleisten. Darüber
Diesen wird durch die Einführung von zwei unterschiedlich ausgebildeten Querkraftgelenken im Übergang von Wand- zu Dachelement entsprechend
Abb. 7 begegnet.
Durch die Verwendung von beinahe ausschließlich
zementösen Baustoffen, können die Schichten einfach getrennt und aufgrund ihres mineralischen Charakters später der Wiederverwertung zugeführt werden. Als weitere Besonderheit wurde die Decke des
Seminarraums als Hypokaustendecke ausgebildet,
bei der eine thermische Speichermasse über temperierte Zuluft aktiviert wird. In diesem Deckensystem
werden die Hohlräume von Hohlkammerdecken zur
Luftführung genutzt und die Luft über Bohrungen in
den Seminarraum eingeblasen. Das Luftkanalnetz ist
so vollständig in die Konstruktionshöhe der Decke
integriert; Tragwerk und Lüftungssystem werden zu
einer Einheit.
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xia 07-09 2016
Autoren
Andreas Maier, Jens Schneider, Ulrich Knaack, TU Darmstadt,
Institut für Statik und Konstruktion (ISM+D, ehemals IWMB)
Martin Beck, TU Darmstadt, Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW)
hinaus wirken die Kapillarröhrchen im Scheibenzwi-
Literaturverzeichnis
1 Abele, E. ET AL.: Skizze des Forschungsprojektes „ η-Fabrik“
Vorhabensbeschreibung des Forschungsprojektes „ η-Fabrik“ im
Rahmen des 5. Energieforschungsprogrammes der Bundesregierung „Innovation und neue Energietechnologien“, gefördert
durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie. TU
Darmstadt 2013. 2 Dietz-Joppien Architekten AG: Energieschema. Frankfurt.2016. 3 Schneider, J.; Garrecht, H.; Maier, A.;
Gilka-Bötzow, A.: Ein multifunktionales und energetisch aktives
Fassadenelement aus Beton. Bautechnik 91 (2014), Heft 3, Berlin: Ernst&Sohn Verlag, S. 167–174.
4 Gilka-Bötzow, A.; Röser, F; Koenders, E.A.B.: Mineral Foam in
energy active Buildings. Nagasaki: International Conference on
the Regeneration and Conservation of Concrete Structures
(RCCS) 2015, S. 8
5 Wörner, J.D.; Hauser, S.: DUCON, ein innovativer Hochleistungsbeton. Beton und Stahlbetonbau Hefte 2 und 3. Berlin:
Ernst&Sohn Verlag 1999, S. 66-75 und S. 141-145.
Nordseitig kam an den nichttransparenten Flächen
schenraum als kleine Luftpolster und reduzieren
Konvektion und Wärmestrahlung. So erreicht das
Fassadensystem einen Ug-Wert von 0,9 W/m2K.
Okalux HPI zum Einsatz. Das innovative Hochleistungs-Isolierglasmodul garantiert den auf der Nordseite notwendigen Wärmeschutz. Dank einer im
Scheibenzwischenraum integrierten Vakuumisoliereinheit glänzt das System mit einem hervorragenden
Ug-Wert von 0,23 W/m2K. Okalux HPI lässt sich
nahtlos in alle gängigen Fassadensysteme integrieren – die konstruktive Tiefe der Vakuummodule entspricht der Tiefe herkömmlicher Isoliergläser.
Weitere Informationen:
www.okalux.com
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Gebäudehülle / Dach I Bauen mit Glas REPORT
Forschungsprojekt
Neubau der ETA-Fabrik auf
dem Campus Lichtwiese der
TU Darmstadt, www.etafabrik.tu-darmstadt.de
Architektur
Dietz-Joppien Architekten AG,
Prof. Dipl.-Ing. Anett-Maud
Joppien, Dipl.-Ing. Joachim
Stephan
Eisele Staniek Architekten,
Prof. Dipl.-Ing. Johann Eisele
Foto: Eibe Sönnecken, Darmstadt
Tageslichtsystem Okasolar F in der Südfassade – angenehme Atmosphäre und Durchblick nach außen
Funktionsgläser Okalux+ mit Kapillareinlage im Scheibenzwischenraum sind in der Ost- und Westfassade verbaut.
Foto: Schüco International KG
Foto: Eibe Sönnecken, Darmstadt
Tragwerk, thermische Aktivierung und Fassaden
TU Darmstadt, Institut für Statik und Konstruktion ISMD
(ehemals IWMB), Prof. Dr.-Ing.
Jens Schneider
Haustechnik, Energiekonzept und Maschineninterieur
TU Darmstadt, Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW), Dipl.-Wirtsch.-Ing.
Martin Beck
Schüco Parametric System
Projektpartner Schüco
mit aufwendigen Sonderlösungen realisierbar. Mit
Vollständig verglaste Stirnseiten sind ein Gestal-
dem Schüco Parametric System lassen sich dreidi-
tungsmerkmal der Zukunftsfabrik: Auf der Nordseite
mensionale Freiform-Fassaden nun erstmals als ein-
schützt eine Schüco FW60+ Structural Glazing (SG)-
fach zu planende Systemlösung umsetzen und mit
Fassade die Büros vor Überhitzung.
der Sicherheit eines Serienprodukts kalkulieren. Die
Ein Eyecatcher ist die spektakulär gestaltete Vergla-
Projektbeteiligten können dabei in allen Entwurfs-,
sung an der stark dem Zenitlicht ausgesetzten Süd-
Planungs- und Fertigungsstufen auf eine durch-
fassade. Hier wurde erstmals das Schüco Parame-
gehend geschlossene digitale Prozesskette zurück-
tric System an einem Gebäude verbaut. Die parame-
greifen. So lassen sich Schnittstellenprobleme umge-
trischen Glaselemente im unteren Fassadendrittel er-
hen und Kosten für Änderungswünsche frühzeitig
lauben einen effektiven Sonnenschutz und ermögli-
bilanzieren. Weiterer Vorteil: Durch Kombination und
chen zugleich vielfältige Sichtbezüge zwischen Innen
Fügung der Einzelelemente lassen sich verschiedene
und Außen. Die Fassade besteht aus sechs vorge-
Geometrien abbilden und unterschiedliche Gläser
fertigten, je 3,5 x 2,4 m großen Elementen, die mit
oder Füllungen einsetzen. „Man kann Fassaden-
einem Autokran in das zuvor aufgestellte Stahlskelett
strukturen ein anderes Gesicht geben“, sagt Bauin-
eingehängt wurden. Bei den drei oberen, stärker der
genieur Prof. Jens Schneider. „Die dreidimensionale
Sonne ausgesetzten Scheiben sind 32 % des Glases
Faltung der Fassade ermöglicht es, lokale Gegeben-
mit einem Punktmuster als Sonnenschutz bedruckt.
heiten aufzugreifen, Sichtbezüge herzustellen und
Die unterste Scheibe ist transparent und nach vorn
großflächige Fassaden zu gliedern. Vor allem bei
zum Boden geneigt: So lassen sich störende Refle-
Bürogebäuden oder Hochhäusern entstehen da-
xionen vermeiden und Passanten können von außen
durch interessante Gestaltungsmöglichkeiten.“
blendfrei in die Halle schauen. Die Konstruktion kragt
um knapp 70 Zentimeter aus.
Weitere Informationen:
Bislang waren individuell gestaltete 3D-Fassaden nur
www.schueco.de