Planung nach Maß für energieeffiziente und behagliche
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bauklimatik Bild: HARO/ Hamberger Industriewerke VertriebsgmbH Bild 1: Trotz aller Subjektivität und Individualität müssen für die Planung Anforderungen definiert werden, die Behaglichkeit fassen lassen. Teil 1: Gegenstand und die Ziele der bauklimatischen Planung Planung nach Maß für energieeffiziente und behagliche Gebäude Gebäude bilden einen Großteil des Lebensumfeldes des Menschen. Einerseits wird rund 40% des Endenergieeinsatzes in Europa für das Heizen und Kühlen sowie für die Errichtung von Gebäuden und die Warmwasseraufbereitung aufgewendet. Andererseits bestimmt das Innenraumklima wesentlich unsere Lebensqualität und Leistungsfähigkeit, da wir einen Großteil unseres Lebens innerhalb von Gebäuden verbringen. D er Gebäudebereich gehört damit zu den ressourcenintensivsten Bereichen und trägt auch erheblich zu den umwelt- und klimaschädlichen Schadstoffemissionen bei. Jedes energetisch nicht optimierte Gebäude stellt auf Jahrzehnte eine Belastung für Betreiber, Nutzer und Umwelt dar, die – wenn überhaupt – nur unter hohen finanziellen Aufwendungen korrigierbar ist. Neben der Forderung nach geringem Ressourcenverbrauch, niedrigen Emissionen und niedrigen Betriebskosten werden an die Gebäude in verstärktem Masse Anforderungen wie Behaglichkeit und Nutzerfreundlichkeit gestellt. Mit ihrem gesamtheitlichen Ansatz setzt hier die Bauklimatik an. In dieser HLK-Ausgabe soll der Gegenstand und die Ziele der bauklimatischen Planung beschrieben werden. Im zweiten Teil (HLK-Ausgabe 10/08) werden Praxisbeispiele und Simulationstools der Bauklimatik vorgestellt. 10 Ganzheitliche Behaglichkeit Die Normen haben die Behaglichkeit in Gebäuden auf wenige Größen reduziert, die alle mit der thermischen Behaglichkeit zusammenhängen: Die Raum- und Oberflächentemperatur, die Luftfeuchtigkeit und Luftgeschwindigkeit sowie Bekleidungs- und Aktivitätsgrad. Mittels Formeln werden Größen berechnet und daraus Behaglichkeit abgeleitet. Trotzdem fühlen sich viele Menschen in vollklimatisierten Büros mit normiertem Klima nicht wohl. Um ganzheitlich von Behaglichkeit zu sprechen müssen auch andere, nicht normierbare Anforderungen des Wohlbefindens in die Überlegungen und Planungen mit einbezogen werden [1]. Hier zwei Beispiele: Heizung: Viele Menschen fühlen sich in der Umgebung eines Kachelofens sehr wohl, obwohl die objektiv als behaglich definierte Temperatur deutlich zu hoch ist. Sicher spielt etwas Nostalgie eine Rolle, entscheidend ist aber, dass man die Möglichkeit hat, sich je nach Stimmung und Verfassung der Wärme auszusetzen oder zu entziehen. Kaltluft: Die meisten Menschen haben das tiefe Bedürfnis, selbst das Fenster auf und zu machen zu können, anstatt permanent einer zentral gesteuerten Klimaanlage ausgesetzt zu sein. Öffnet man im Winter ein Fenster, fällt kalte Luft herein, was objektiv unbehaglich ist. Subjektiv kann es jedoch sehr angenehm sein, die kalte, frische Luft zu spüren und zu riechen. Und man kann das Fenster wieder zu machen, wenn es zu kalt wird. Sonnenschutz: In Bürogebäuden werden Sonnenblenden oft über eine zentrale Steuerung je nach Himmelsrichtung und Strahlungseinfall geregelt. Objektiv ist das richtig, damit die Raumtemperatur nicht zu hoch wird. Subjektiv kann das automatisch heruntergefahrene Rollo jedoch als sehr störend empfunden werden, weil sich der Einzelne zwischendurch gern von der Sonne anstrahlen lassen möchte. Tageslicht: Natürliches Licht lässt sich nur in wenigen physikalischen Werten durch Kunstlicht ersetzen. Tageslicht ist für die meisten Menschen, die sich fast ausschließlich in Gebäuden aufhalten, die Verbindung zur Natur. Über Veränderungen von Lichtqualität, Farbe und Einfall wird einerseits der direkte Außenbezug hergestellt, andererseits bedeutet Kunstlicht erhöhte innere Lasten und zusätzlichen Energieverbrauch. Trotz aller Subjektivität und Individualität müssen für die Planung Anforderungen definiert werden, die Behaglichkeit fassen lassen. Einige dieser lassen sich Hand in Hand erfüllen: Die Bereitstellung eines angenehmen Raumklimas durch natürliche Lüftung und Verwendung schadstoffarmer, erneuerbarer Materialien lässt den Komfort steigen, gleichzeitig sinkt der Energieverbrauch und die Umweltbelastung wird verringert. Andere Kriterien führen zu Zielkonflikten: Die Wünsche nach hellen Räumen, angenehmen raumklimatischen Bedingungen, Energieeinsparung und niedrigen Kosten stehen bis zu einem gewissen Grad im Widerspruch. Große südseitig gelegene Glasflächen bedeuten hohe Solargewinne, die aber leicht zur Überhitzung führen können, wenn nicht ausreichend Speichermassen und Abschattungen vorgesehen sind. Im Winter verliert der Raum durch Glasflächen viel Energie. Konventionelle Planung Ein gewerkeorientierter Prozess Bedingt durch den historisch gewachsenen gewerkeorientierten Ansatz wird in der Planung häufig so vorgegangen, dass der durch die Architektur gegebene Baukörper mit den ihm eigenen bauphysikalischen Randbedingungen losgelöst von der Technik betrachtet wird. Die Architektur dominiert dabei während Österreichs einzige spezialisierte Fachzeitschrift für die Bereiche Heizung, Lüftung, Klima- und Kältetechnik Heizung Lüftung Klimatechnik – 8-9/2008 Heizung Lüftung Klimatechnik bauklimatik des gesamten Planungsprozesses horizontal, die Fachplanung erfolgt vertikal (Bild 2). Die vielfältiger und komplexer werdenden Anforderungen an Form und Funktion eines Gebäudes können im Rahmen einer derart voneinander unabhängigen Fachplanung der Gewerke oft nur unzureichend berücksichtigt werden. Obwohl die einzelnen Gewerke in sich optimiert werden entstehen vielfach Gebäude mit einem hohen Technikanteil, die gekennzeichnet sind durch: – Geringe individuelle Einflussmöglichkeit des Nutzers. – Wenig Behaglichkeit und hohe Kosten. – Hohen Energieverbrauch und hohe Emissionen. Eine standardisierte Lösung für diese Probleme zu finden fällt einerseits auf Grund der Nutzungs- und Formenvielfalt schwer und ist andererseits vielfach nicht sinnvoll. Zur qualitativen und quantitativen Entwicklung von maßgeschneiderten, miteinander harmonierenden Lösungen aus Architektur, Bauphysik, Gebäudetechnik, Tageslicht, Akustik und Brandschutz bietet sich ein ganzheitlicher Optimierungsansatz: Die Bauklimatik. Bauklimatische Planung Ein ganzheitlicher Prozess Bauklimatik ist interdisziplinäre Energie-, Behaglichkeits- und Sicherheitsplanung. Sie betrachtet das Gebäude als Gesamtsystem, berücksichtigt die komplexen Wechselwirkungen zwischen Fassade, Gebäudestruktur und technischer Gebäudeausrüstung und verfolgt damit einen ganzheitlichen Planungsansatz: Es geht um maximales Ausschöpfen der natürlichen Ressourcen, um maximalen Außenbezug des Nutzers durch weitgehend natürliche Klimatisierung, Belüftung und Beleuchtung. Die Behaglichkeit – definiert als umfassendes Wohlbefinden des Menschen im Gebäude – rückt mit Bauklimatik in den Mittelpunkt des Planungsinteresses. Das Ziel der Bauklimatik sind energieeffiziente Gebäude mit einer an die jeweilige Nutzung angepassten hohen Behaglichkeit. Das Gebäude wird als Ganzes betrachtet – ein komplexes Gesamtsystem, dass es zu optimieren gilt. Bauklimatik ist damit kein neues Fachgebiet, Bauklimatik führt im Rahmen des Planungsprozesses die gewerkespezifisch erarbeiteten Einzellösungen zu einem gewerkeübergreifenden Gesamtoptimum. Als systemischer Ansatz bedient sich die Bauklimatik in starkem Maße dynamischer Simulationen wie Gebäude- und Anlagensimulationen, CFD-Simulationen (Strömung, Entrauchung) und Tageslichtsimulationen. Das Werkzeug Simulation erlaubt es, virtuell am Computer zu „experimentieren“ und nicht erst am Gebäude und den Anlagen [2]. Vielfältige Varianten werden zunächst intensiv getestet. Deren Auswirkungen – ob sofort oder über mehrere Jahre – werden für jede Stunde des Jahres berechnet, bewertet und optimiert. Bauklimatisch Planen heißt aber auch zu berücksichtigen, dass jedes (größere) Gebäude ein Unikat ist. Anders als im Automobilbau können Gebäude nicht umfangreichen Testreihen unterzogen werden und die optimierten Prototypen dann vervielfältigt werden. An Gebäude wird der hohe Anspruch gestellt, sofort nach Fertigstellung funktionieren zu müssen. Dies erfordert eine gewisse Einfachheit und Robustheit. Nur durch Einfachheit und Robustheit ist es aber auch im späteren Betrieb beherrschbar. Und dies bei vertretbaren Unterhaltskosten, also Energie-, Wartungs-, Reini- Tabelle 1: Arbeitsbereiche, Leistungen und Zielgruppen der Bauklimatik. Dienstleistung Klimakonzepte Energiekonzepte Brandrauch Strömung Tageslicht Gebäudebetrieb Werkzeuge Gebäudesimulation – Thermische Behaglichkeit – Wärme- und Feuchteschutz Anlagensimulation – Energieverbrauch – Energieverteilung – Energieversorgung CFD-Simulationen – Entrauchung – Brandschutzkonzepte CFD-Simulationen – Raumluftströmung – Fassadendesign (Doppelfassaden) – Windkomfort (außen) – Windlast (außen) Tageslichtsimulationen – passive Tageslichtnutzung (Raum) – aktive Solarnutzung (Gebäude) Besonnungs- und Verschattungsanalysen (Städtebau) Energie-Audits – Lastganganalysen – Betriebsführungskonzepte Sicherheitskonzepte Österreichs einzige spezialisierte Fachzeitschrift für die Bereiche Heizung, Lüftung, Klima- und Kältetechnik Heizung Lüftung Klimatechnik 8-9/2008 – Heizung Lüftung Klimatechnik Hauptzielgruppen Architekten Planer Behörden Architekten Planer Architekten Projektentwickler Facility Manager Bild 2: Konventionelle Planung – ein gewerkeorientierter Ansatz. Bild 3: Bauklimatik – ein gesamtheitlicher Ansatz. gungs- und Instandhaltungskosten. Einfachheit ermöglicht schlussendlich auch viel eher den Umbau, die Umnutzung und das Recycling eines Gebäudes. Ein strukturiertes Vorgehen Die Fragen, die im Rahmen der bauklimatischen Planung auftreten, sind vielfältig. Einige typische, immer wiederkehrende Fragen sind: – Wie muss die Fassade gestaltet werden, um die solare Einstrahlung optimal zu nutzen (solare Gewinne im Winter vs. Überhitzungen im Sommer, Tageslichtnutzung)? – Wie kann man die natürliche Lüftung optimal einsetzen? – Wie kann man die Speichermassen optimal nutzen? – Welche Maßnahmen führen zu welchem Raumklima? – Was sind die klimasensiblen Elemente der Planung? – Welcher Technikeinsatz ist erforderlich? – Welche Versorgungsmöglichkeiten sind möglich? Für strukturierte Antworten auf diese Fragen ist ein strukturiertes Vorgehen notwendig. Dies bedeutet, dass nach einer genauen Definition der Anforderungen und Randbedingungen zuerst das Gebäude an sich so optimiert wird, dass es möglichst geringe Investitionsund Betriebskosten aufweist (Energie, Reinigung, Wartung). Dies wird z. B. durch eine günstige Kubatur, eine Wärmedämmung, die neben winterlichem Wärmeschutz auch die sommerlichen Überhitzungen berücksichtigt, angemessene Fensterflächen sowie ausreichende Speichermassen erreicht. Als nächster Schritt wird die Gebäudetechnik zur Abdeckung der verbleibenden Heizund Kühllasten möglichst einfach und kostengünstig hinsichtlich Investition 11 bauklimatik Bild 4: Vorgehen der Bauklimatik in den Phasen nach SIA. und Wartungsaufwand geplant. Zuletzt wird die Frage der Energieversorgung entschieden. Je früher die Bauklimatik einbezogen wird desto höher ist das Potenzial (Einsparungen, Verbesserungen in der Behaglichkeit etc.) und desto geringer ist der Aufwand (Bild 4). Schritt 1: Ziele und Prioritäten klären Am Anfang jedes Projektes stehen eine Vielzahl von Wünschen des Kunden, Architekten und Planers: Behaglichkeit, Betriebskosten, Investitionskosten, Ästhetik, Tageslichtnutzung, Versorgungssicherheit, Feuchteschutz, Zugfreiheit, CO2-Reduktion, Umweltverträglichkeit, Haltbarkeit, technische Sicherheit. Nicht alle sind zielführend und gleich wichtig. Daher ist es im ersten Schritt überaus wichtig, gemeinsam mit allen Beteiligten Ziele und Prioritäten festzulegen (Bild 5). In der Schweiz ist dieses Vorgehen mit der Empfehlung 112/1 des Schweizerischen Ingenieur- und Architektenvereins (SIA) als Zielvereinbarungsmodell bereits normiert [3]. Aus dieser Festlegung heraus – die ein gemeinsames und verbindliches Commitment sein sollte – folgen alle weiteren Schritte. Gruner Basel Die Gruner-Gruppe (www.gruner.ch) beschäftigt rund 550 Mitarbeitende aus über 30 Berufen und positioniert sich als führender Anbieter von Ingenieur- und Planerleistungen an über 20 Standorten in der Schweiz, in Österreich und in Deutschland. Im Geschäftsbereich Umwelt, Sicherheit sind derzeit mehr als 40 erfahrene Mitarbeitende in den Abteilungen Akustik und Erschütterung, Brandschutz und Entrauchung, Tunnelsicherheit und Tunnellüftung, Umweltplanung sowie Bauklimatik tätig. Mit der Dienstleistung Bauklimatik ist die Gruner AG ist das führende Ingenieurbüro in der Schweiz. Sie wird von den Kunden als innovativ, zuverlässig und stabil beurteilt. Die Referenzen empfehlen die Gruner AG zur Ausführung auch anspruchsvollster Aufgaben. Mit Rechenclustern von über 100 Prozessoren ist die Gruner AG einer der führenden Anbieter von Simulationslösungen in den Bereichen CFD (Brandrauch, Strömung) und dynamischer Gebäude- und Anlagensimulation. 12 Bild 5: Ziele und Prioritäten festlegen. Schritt 2: Randbedingungen definieren Vor der eigentlichen Phase der Konzeptentwicklung und Optimierung steht bei einer bauklimatischen Planung die Klärung der Annahmen und der im Projekt noch möglichen Optionen. Gerade hier herrscht große Unsicherheit, da einerseits Randbedingungen nicht oder nicht genau definiert werden. Andererseits wird vielfach nicht diskutiert, welche Konsequenzen gewisse Annahmen nach sich ziehen können. Erwartungshaltungen werden häufig enttäuscht, da Optionen nicht oder nur eingeschränkt vorhanden oder gewollt sind. Schritt 2.1: Randbedingungen diskutieren – Nutzungstyp (Büro, Besprechung, Aufenthalt etc.) – innere Lasten (Personen, Geräte, Beleuchtung) – Raumklima (ideal, noch zulässig, stundenweise tolerierbar) – energetische Anforderungen und Konsequenzen Schritt 2.2: Mögliche Optionen diskutieren – Gebäudestruktur (Form, Orientierung) – Gebäudehülle (Verglasung, Verschattung) – bauliche Maßnahmen (aktivierbare Speichermassen) – Gebäudetechnik (Heizung, Kühlung, Lüftung, Beleuchtung) – Versorgung (Gas, Öl, Fernwärme, Strom, Erneuerbare Energie) Schritt 3: Konzepte erarbeiten In der konzeptionellen Phase geht es um die nachhaltige, energie- und kosteneffiziente Umsetzung der definierten Ziele und Prioritäten. Es werden die Planungswerkzeuge festgelegt (rechnerische oder messtechnische Verfahren, statische oder dynamische Berechnungen, ein- oder mehrdimensionale Simulationen). In frühen konzeptionellen Phasen (Vorprojekt) sollte das Planen noch in Varianten erfolgen: Intuition, Erfahrung, Parameterstudien. Hier entstehen die Grobkonzepte, aus denen die Vorgaben für Bau, Technik und Betrieb abgeleitet werden. Die Ergebnisse sollten frühzeitig mit dem Bauherren und dem Architekten diskutiert und im Verlaufe des Projektfortschrittes kontinuierlich eingeengt werden. In späteren Phasen (Bauprojekt) erfolgt die Verfeinerung und Optimierung der Grobkonzepte und die Erstellung von Feinkonzepten. Hier ist eine vertiefte Diskussion und eine iterative Optimierung mit den Fachplanern notwendig. Am Schluss der Bauprojektphase ist „Weniger Mehr“: Intelligente Gebäude statt intelligenter Technik. Schritt 3.1: Bauliche Maßnahmen Ziel: Minimierung des Energiebedarfs an sich – Gebäudestruktur (Form, Orientierung) – Gebäudehülle (Verglasung, Verschattung) – bauliche Maßnahmen (aktivierbare Speichermassen) Schritt 3.2: Technische Maßnahmen Ziel: Optimale Deckung des Restenergiebedarfs – Gebäudetechnik (Heizung, Kühlung, Lüftung, Beleuchtung) – Versorgung (Gas, Öl, Fernwärme, Strom, Erneuerbare Energie) Schritt 3.3: Organisatorische Maßnahmen Ziel: Energie- und kostenminimaler Betrieb – Betriebsführung – Betriebscontrolling – Energiebeschaffung Weitere Schritte: Qualitätssicherung in der Ausschreibung, Justierung der Konzepte in der Phase der Realisierung und Überwachung der richtigen Ausführung und schlussendlich ein aktives Betriebscontrolling sind zentrale Faktoren, dass die bauklimatischen Konzepte nicht nur Theorie bleiben. Ein wesentlicher Punkt der Qualitätssicherung stellt dabei eine klare Definition der Prüfungen dar, die vor der Inbetriebnahme des Gebäudes durchgeführt werÖsterreichs einzige spezialisierte Fachzeitschrift für die Bereiche Heizung, Lüftung, Klima- und Kältetechnik Heizung Lüftung Klimatechnik – 8-9/2008 Heizung Lüftung Klimatechnik bauklimatik Zu den Autoren DI Dr. Axel Seerig: Jahrgang 1962;1983 Studium Verfahrenstechnik und 1992 Promotion Thermodynamik an der TU Berlin; 1994 Einstieg bei der Deutschen Babcock-Borsig AG; 1996–2003 Entwickler und Energy Consultant für u. a. Deutsche Bank, RWE, HEW und BEWAG; 2004–2005 Studiengangsleitung Gebäudetechnik, FH Burgenland; 2007–2008 arsenal research, Wien; Portfoliomanager Gebäude/Nachhaltige Energiesysteme; seit Juli 2008 Abteilungsleiter Bauklimatik, Gruner AG, Basel/Schweiz. den (z. B. Blower-Door, Thermografie, Funktionsprüfungen von Sicherheitskonzepten, integrale Abnahmen etc.). Konsequente Bauklimatik bedeutet: Dabei bleiben. Arbeitsbereiche, Leistungen und Zielgruppen der Bauklimatik In Tabelle 1 sind als Übersicht Arbeitsbereiche, Leistungen und Zielgruppen der Bauklimatik dargestellt. Eine Beschreibung von Praxisbeispielen und Simulationstools der Bauklimatik erfolgt im zweiten Teil der nächsten HLK-Ausgabe 10/08. Zusammenfassung Wie in vielen Berufszweigen führt die Technisierung auch heim Bauen zu immer größerer Spezialisierung. Ein Archi- DI Jon Mengiardi: Jahrgang 1963; 1987 Diplom Bauingenieurwesen an der ETH Zürich; 1999 Master of Science als Umweltingenieur an der TU Kopenhagen; 1988–1997 Bauingenieur bei der Firma Rapp AG in Basel; 2000 Einstieg bei der Gruner AG in Basel, seit 2002 Leiter des Geschäftsbereichs Umwelt, Sicherheit und Mitglied der Geschäftsleitung. tekt kann heute nicht mehr – wie früher der Baumeister – alle Zusammenhänge des Bauens alleine erfassen. Vielmehr ist es seine Aufgabe, Spezialisten im Planungsprozess zu koordinieren. Dabei kommt der Bauklimatik eine zentrale Rolle zu. Sie betrachtet Zusammenhänge von Entwurf, Konstruktion, Raumklima, Energieversorgung und Technik von Planungsbeginn an ganzheitlich und schafft ein gewerkeübergreifendes Optimum. Das Ziel der Bauklimatik sind energieeffiziente Gebäude mit einer an die jeweilige Nutzung angepassten hohen Behaglichkeit. Der Einsatz von technischen Systemen ist hierfür lediglich Mittel zum Zweck, das Wohlbefinden des Menschen sicherzustellen oder zu steigern. Sie ist das Hilfsmittel, die Un- Manche halten es für Magie. Für uns ist es einfach Know-how: Dynamic Watermanagement zulänglichkeiten auszugleichen, die mit baulichen Maßnahmen nicht zu leisten sind. Wenn es schlussendlich gelingt, dies mit geringem Energieaufwand und bei geringer Umweltbelastung zu tun, dann hat die Bauklimatik ihre Aufgabe erfüllt. DI Dr. Axel Seerig, Abteilungsleiter Bauklimatik, Gruner AG, Basel/CH und DI Jon Mengiardi, Leiter des Geschäftsbereichs Umwelt, Sicherheit und Mitglied der Geschäftsleitung Quellenangabe [1] Hausladen, Gerhard: ClimaDesign; Callwey, 2005 [2] Seerig, Axel: Doppelter Wohlstand, halbierter Energieverbrauch. Facility Management, 4/1A, 2004 [3] SIA-Empfehlung 112/1: Nachhaltiges Bauen im Hochbau. 2004 0NEUMATEXHATRAFüNIERTEUNDEINFACHE 'ER»TEENTWICKELTDIE(EIZUND+ÓHL SYSTEMESTÍRUNGSFREIHALTEN %XPANSIONSGEF»SSEMITDEREINZIGAR TIGENAIRPROOF"UTYL"LASEDIEDEN 6ORDRUCKDAUERHAFTSTABILHALTENUND WIRKSAME!BSCHEIDERFÓR,UFTUND 3CHLAMM WWWPNEUMATEXCOM Tour & Andersson Ges.m.b.H., 2353 Guntramsdorf, Tel. 02236 230 00-0, [email protected]
