Symposium Passivhaus in Sachsen – 11./12. Juni 2004 Vortrag
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Symposium Passivhaus in Sachsen – 11./12. Juni 2004 Vortrag Energieeffizientes Bauen, Techniken des sommerlichen Wärmeschutzes, Sächsisches Staatsministerium der Finanzen Bauoberrat Marcus van Reimersdahl Symposium Passivhaus in Sachsen – 11./12. Juni 2004 Vortrag Energieeffizientes Bauen, Techniken des sommerlichen Wärmeschutzes, Sächsisches Staatsministerium der Finanzen, Bauoberrat Marcus van Reimersdahl Gliederung: I. • • • II. • • • Einführung Aufgaben der Staatlichen Hochbauverwaltung Innovative Energieeinsparmaßnahmen des Freistaates Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen von Wärmeschutzmaßnahmen Energieoptimierte Fassadenkonstruktionen Grundprinzipien energiesparender Konzepte Hauptproblem sommerlicher Wärmeschutz Vergleich verschiedener Fassaden- / Verschattungskonzepte Wärmeschutzverglasungen - Einschalige Wärmeschutzverglasung (Computerfirma, Lustenau) Geschossweise durchlüftete Pufferfassade (Bürogebäude, Hamburg) Starre Sonnenschutzsysteme - Massivkonstruktion mit Lochfassade (BioCity, Leipzig) Massivkonstruktion als „Brise soleil“ (Service-Center, Coesfeld) Massivkonstruktion mit Horizontalverschattung (Schule, Eichstätt) Halbtransparente Verschattungstafeln (Klinik, Brandenburg) Massivkonstruktion mit Screenfassade (Bioinnovationzentrum, Dresden) Leichtkonstruktion mit starren Lamellen (Kinder- und Frauenklinik, Dresden) Verschattungslamellen (Laborhalle Westsächsische Hochschule Zwickau) Bewegliche Sonnenschutzsysteme - - III Glasfassade mit verstellbaren Verschattungslamellen (Schulzentrum, Linz) Verstellbare und schwenkbare Verschattungslamellen (Institut in der Estremadura) Wärmeschutzverglasung mit außenliegenden Markisen (Kinder- und Frauenklinik Dresden, Landesgymnasium St. Afra Meißen, Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden) Variable Lamellen mit Vertikalschotten (Operatives Zentrum, Dresden) Variable vertikale Lamellen (Labore Boeringer, Ingelheim) Resumé Abkehr von der Doppelfassade – Wiederentdeckung der klassischen Prinzipien „Verschattung und Masse“ 2 Symposium Passivhaus in Sachsen – 11./12. Juni 2004 Vortrag Energieeffizientes Bauen, Techniken des sommerlichen Wärmeschutzes I. Einführung Aufgaben der Staatlichen Hochbauverwaltung Die Baumaßnahmen des Freistaates sind sehr vielgestaltig. Dazu gehören unter anderem die Bauten für die Hochschulen und Universitätsklinika, für die Justiz, Bauten für die Polizei und für den Zoll, für die Forstverwaltung und für die Landeskrankenhäuser. Die Projektleitung für diese staatlichen Baumaßnahmen führt der im letzten Jahr neugegründete „Staatsbetrieb Sächsisches Immobilien- und Baumanagement (SIB)“ durch. Aspekte des energiesparenden Bauens werden bei den Bauvorhaben des Freistaates berücksichtigt. Eine Reihe von Pilotvorhaben sind vom Staatsbetrieb SIB begonnen worden. Diese Maßnahmen haben ihren Schwerpunkt auf einer besonders energiesparenden Gebäudetechnik. Im Hauptteil des Referats wird ein Thema aus dem Bereich des Gebäudeentwurfes behandelt. Die Erfahrungen der Staatlichen Bauverwaltung auf dem Gebiet der energieoptimierten Fassadenkonstruktionen wird erläutert und dabei ein besonderes Augenmerk auf das Problem des sommerlichen Wärmeschutzes gelegt. Dieses Thema hat sich in den letzten Jahren als ein Hauptproblem des Gebäudeentwurfes herausgestellt. Innovative Energieeinsparmaßnahmen des Freistaates Abb.2: Anlagentechnik In welcher Form bei Baumaßnahmen des Freistaates energiesparende Konzepte der Anlagentechnik umgesetzt wurden, zeigt die nachfolgende Auflistung: 3 Verfeuerung von Biomasse (Hackschnitzel/Pellet/Scheitholz) • Maschinenstation Leupoldishain, Hackschnitzel-Holzheizung (errichtet 1998) • Forsthaus Kreyern / Moritzburg (geplant 2004) • Lehrwerkstatt Cunnersdorf (errichtet 1999) • TUD, Forstbotanischer Garten Tharandt (errichtet 2001) Blockheizkraftwerke • TU Dresden, Bioinnovationszentrum (errichtet 2004) • JVA Bautzen (errichtet 1997) Nutzung von Geothermie (Wärmepumpenanlagen) • FHS Zittau, Lehr- und Laborgebäude (geplant 2005) Nutzung von Geothermie (Erdwärmetauschern) • TU Dresden, Neubau Informatik (geplant 2004) Solaranlagen zur Warmwasserbereitung • Justizvollzugsanstalt Zeithain (geplant 2004/5) Solaranlagen zur Kälteerzeugung • Nationalparkhaus Bad Schandau (errichtet 2001) Bauteilaktivierung (Kühlung über Energiegewinn Solaranlagen) • Militärhistorisches Museum Dresden, Hauptdepot (geplant 2004) Bauteilaktivierung (Kühlung über Absorptionskälte) • TU Dresden, Neubau Informatik (geplant 2004) Absorptionskälteanlagen (fernversorgt) • Deutsches Hygienemuseum (errichtet 2003) Kälteverbund (Dresdner Schloss/Semperoper/Sempergalerie) • UKD, Kinder- und Frauenklinik, Haus 21 (errichtet 2001) • TU Dresden, Neubau Informatik (geplant 2004) • Sächs. Landesbibliothek, Staats- und Universitätsbibliothek Dresden (SLUB - errichtet 2001) Sorptionsanlagen (DEC-Raumluftkühlung) • Sächsischer Landtag Dresden • TU Dresden, Hörsaalzentrum (errichtet 1998) • TU Dresden, Neubau Informatik (geplant 2004) Regenwassernutzung • TU Dresden, Neubau Informatik (geplant 2004) • TU Dresden, Neubau Biologische Institute Aus der Zusammenstellung kann man erkennen, dass diese Maßnahmen Pilotcharakter besitzen. Sie sind bei staatlichen Bauvorhaben nicht der Regelfall. Grund für diese „Zurückhaltung“ ist die Tatsache, dass der Freistaat die Mehrkosten für diese Anlagentechnik nicht aus Förderprogrammen finanzieren darf. Diese sollen vollständig Privatleuten und den Kommunen zur Verfügung stehen. Insofern besteht aufgrund des Gebotes nach einem sparsamen Umgang mit den Steuermitteln für die Hochbauverwaltung bei diesem Thema ein Interessenskonflikt. 4 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen von Wärmeschutzmaßnahmen Problematisch ist bei den meisten Investitionen zur Verringerung des Heizenergieaufwandes der lange Amortisationszeitraum. Anhand eines Beispiels aus dem Bereich der Fassadendämmung kann man dieses gut veranschaulichen: Amortisationszeitpunkt für Wärmedämmmaßnahmen An einem fünfgeschossigen Wohnhaus: ca. 23 Jahre A B C Auswirkung der Kompaktheit auf die Effektivität von Wärmeschutzmaßnahmen Gelb: Grün: Grün: Gelb: vor der Sanierung nach der Sanierung A: B: C: fünfgeschossiges Wohnhaus Reihenhaus Bungalow Investitionskosten eingesparte Heizenergie Abb. 3 und 4 Wirtschaftlichkeit von Wärmeschutzmaßnahmen In einer Studie am Lehrstuhl für Baukonstruktion und Bauphysik an der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus wurde die Wirtschaftlichkeit von Wärmeschutzmaßnahmen untersucht. Drei Gebäudetypen wurden dafür ausgewählt: Ein Bungalow, ein Reihenhaus und ein fünfgeschossiges Wohnhaus. Für uns als Staatliche Bauverwaltung ist der letztgenannte Typus besonders interessant, da er dem Bauvolumen der staatlichen Baumaßnahmen nahe kommt. Alle Gebäude sind vor der ersten Wärmeschutzverordnung erbaut worden und sollen nach den „bedingten Anforderungen“ an Altbauten der Energieeinsparverordnung (EnEV) energetisch verbessert werden. Man hat errechnet, ob Investitionen in Außendämmung und Anlagentechnik profitabel sind, sie sich also in einer überschaubaren Zeit amortisieren. Dies ist zu dem Zeitpunkt der Fall, bei dem der Barwert der Investitionen gleich ist wie der Barwert der eingesparten Heizenergie. Unter Einrechnung eines Zinspreisfaktors und 5 einer jährlichen Verteuerung des Wärmepreises hat der Lehrstuhl folgende Ergebnisse erhalten: 1. Bei einem Zinssatz von 6% für die Investition, einer 4%igen jährlichen Verteuerung der Heizenergie und einem Energiepreis von 0,05 €/kWh liegt die Zeit für die Amortisation bei allen Gebäudetypen zwischen 23 und 25 Jahren 2. Gleiche Wärmeschutzmaßnahmen wirken sich bei kompakten Gebäuden stärker aus, als bei kleinen Bauwerken mit vergleichbar größeren Außenflächen Anhand dieser Untersuchung wird deutlich, dass eine Verbesserung der Energiebilanz bereits wesentlich vom Entwurf eines Gebäudes abhängt. Ist die einmal gewählte Gliederung des Baukörpers ungünstig gewählt, ist dieses auch durch spätere Wärmedämmmaßnahmen oder Verbesserungen der Anlagentechnik nicht mehr optimal zu beheben. II. Energieoptimierte Fassadenkonstruktionen Grundprinzipien energiesparender Konzepte Der architektonische Entwurf eines Gebäudes ist die Grundlage für ein energetisch optimiertes Konzept. Folgende Grundregeln lassen sich aufstellen: • Kompaktkeit des Baukörpers zur Verringerung der wärmeübertragenden Außenhüllfläche • Richtige Ausrichtung der Baukörper zur Sonneneinstrahlung • Geplanter Sonnenschutz Himmelsrichtung • Beschränkung der Gebäudetiefe auf ca. 12m zur natürlichen Belichtung und Belüftung der Arbeitsräume • Bauteilaktivierung: Massive Bauteile werden zur Stabilisierung der Raumtemperatur mit herangezogen unterschiedlich differenziert je nach 6 Hauptproblem sommerlicher Wärmeschutz Der Hauptanteil von Energie entfällt bei Bürobauten auf Kühlung und Stromverbrauch. Daher sind vollverglaste Fassaden höchst problematisch. Glasbauten müssen immer mit hohem Energieaufwand belüftet und gekühlt werden, sei es mit Klimageräten oder moderneren Kühltechniken. Beim CommerzbankHochhaus in Frankfurt am Main entfallen 13% des jährlichen Energieverbrauchs auf die Beheizung, 42% auf den Stromverbrauch (Beleuchtung, Antriebe, EDV) und 45% auf die Kälteversorgung des Gebäudes. Es ist bei Bürogebäuden relativ einfach, einen geringen Heizenergieverbrauch zu erzielen, da Personen und Geräte Wärme abgeben und zusammen mit der Sonneneinstrahlung das Gebäude mit beheizen. Den Winter hat man also schnell im Griff, dafür hat man bei Glasfassaden ein mächtiges Sommerproblem. Abbildung 5: Bürogebäude am Elbufer In einem aktuellen Artikel in der Zeitschrift bauwelt wird die derzeitige Glasarchitektur im Bürohausbau äußerst kritisch hinterfragt. Der Autor hat die Temperaturbedingungen und den Energieaufwand von 13 Bürogebäuden untersucht. Die Ergebnisse sind insbesondere für die Gebäude mit Doppelglasfassaden alarmierend: • • • • Bei verglasten Gebäuden liegen die Innentemperaturen tagsüber fast durchweg über den Außentemperaturen Das Innenklima wird durch großzügig dimensionierte Klimaanlagen oder durch Kühldecken etc. stabil gehalten Eine „natürliche Belüftung“ über eine doppelschalige Glasfassade ist nicht möglich, die Einleitung dieser aufgeheizten Luft in die Innenräume führt zu einer Verschlechterung des Raumklimas Messtechnische Untersuchungen zu Energie- und Luftmassenströmungen für die bereits realisierten Gebäude sind nicht verfügbar 7 • • Lamellen im Scheibenzwischenraum heizen sich auf und geben die Wärme an das Gebäudeinnere ab Energiekennwerte sind verheerend, die Messwerte bei realisierten Gebäuden erreichen Werte von über 300 kWh/(m²xa), was dem Niveau von sehr schlechten Altbauten entspricht Mehrere Bürohäuser, die noch vor wenigen Jahren als Leitbilder für energieeffizientes Bauen gegolten haben, z. B. das Haus der Wirtschaftsförderung in Duisburg von Sir Norman Foster, stehen nun wegen ihres unbehaglichen Raumklimas in der Kritik. Letztgenanntes Gebäude steht mittlerweile aufgrund der Unzufriedenheit der Mieter zu einem Drittel leer. Vergleich verschiedener Fassaden- / Verschattungssysteme Der Freistaat Sachsen ist als öffentlicher Auftraggeber im Bauwesen sowohl für eine Vielzahl von Neubauvorhaben als auch für den Bauunterhalt von bestehenden Gebäuden verantwortlich. Die Entwicklungen auf dem Gebiet der Bürohausfassaden betreffen daher unmittelbar auch das Arbeitsfeld des Staatsbetriebes SIB. Die Entscheidung für ein Fassadenkonzept wird meist schon bei der Auswahl eines Entwurfes im Rahmen eines Wettbewerbsverfahrens getroffen. Aufgabe der Staatlichen Hochbauverwaltung ist es dabei, solide energiesparende Konzepte zu erkennen und von gestalterischen „Modeerscheinungen“ zu unterscheiden. Im Folgenden werden verschiedene Neubauten betrachtet. Hauptkriterium für die Auswahl der Objekte ist jeweils ein Fassadensystem, das eine besondere Lösung für die sommerliche Verschattung aufweist. Die Prinzipien des sommerlichen Wärmeschutzes als ein wesentliches Merkmal energieoptimierten Bauens können an diesen Beispielen gut veranschaulicht werden. Inwieweit diese Lösungen überzeugen oder eher als kritisch angesehen werden müssen, wird jeweils untersucht. Es handelt sich sowohl um Bauten der freien Wirtschaft als auch um Bauten des Staatsbetriebes SIB. Die verschiedenen Konzepte lassen sich in drei Hauptgruppen zusammenfassen: 1. Wärmeschutzverglasungen 2. Starre Sonnenschutzsysteme 3. Bewegliche Sonnenschutzsysteme 8 Wärmeschutzverglasungen Einschalige Wärmeschutzverglasung – Firmensitz einer Computerfirma in Lustenau, Österreich, Arch.: Marte.Marte Architekten, Weiler Büro- und Werkstättentrakte sind auf nutzungsvariablen Ebenen übereinander gestapelt. Es entsteht eine sehr qualitätsvolle und ungewöhnliche Atmosphäre im Innenraum durch eine Vielzahl von Emporen und Lufträumen. Abb. 6: Bürohaus SIE Passend zum blockhaften Erscheinungsbild der Außenfassade wurde auf einen äußeren Sonnenschutz verzichtet. Statt dessen ist eine DreifachWärmeschutzverglasung ausgeführt mit einem 50 cm von der Fassade nach innen rückversetzten Sonnen- und Blendschutz. Wie die Architekten in ihrem Bericht selber schreiben, lässt sich dieses Konzept nur mit einer Vollklimatisierung realisieren. 9 Abb. 7: Bürohaus SIE, Fassadenansicht innen Schnitt Die Klarheit der Gebäudeform wird durch einen extrem hohen klimatechnischen Aufwand erkauft. Die Dreifachverglasung führt zu einer Veränderung der Lichtfarbe in den Innenräumen. Ein Öffnen der Fassade ist nicht möglich. Als Musterlösung für öffentliche Bauten ist dieses Konzept nicht geeignet. Geschossweise durchlüftete Pufferfassade – Bürogebäude am Elbufer in Hamburg, Arch.: Grüntuch Ernst Architekten, Berlin Alle Geschosse sind raumhoch verglast und kragen weit zum Hamburger Hafenbecken hin aus. Der Baukörper sollte nach dem Entwurfskonzept der Architekten so transparent wie nur möglich erscheinen. Im Sommer können die Schiebetüren der Isolierverglasung geöffnet werden, so dass nur noch die rahmenlose Einfachverglasung von außen trennt. Die umlaufenden Doppelfassaden sind zum Wasser hin 1,50 m tief und sollen einen zusätzlichen nutzbaren Bereich zwischen innen und außen schaffen. Heizung, Lüftung und Kühlung sind in die 40 cm starken Betondecken integriert, die als Speichermassen genutzt werden. Verschattungsrollos befinden sich an der Innenseite der äußeren Verglasung. 10 Abb. 8: Bürogebäude am Elbufer, Pufferfassade Dieses Konzept ist äußerst energieaufwendig. Im Sommer geben die Verschattungsrollos Strahlungswärme in den Fassadenzwischenraum ab, der sich stark aufheizt. Werden die Schiebetüren der Isolierverglasung geöffnet, strömt die überhitzte Luft in den klimatisierten Innenraum und führt zu einer extremen Erhöhung der Kühllast. Auch im Winter ist eine Öffnung der Schiebetüren problematisch, da die 11 warme feuchte Innenluft an der kalten Oberfläche der äußeren Einfachverglasung kondensiert. Gleichzeitig verschlechtert sich der Wärmedurchlasswiderstand der Fassade mit Öffnen der Schiebetüren dramatisch. Der Bau ist gestalterisch äußerst elegant, energetische Vorteile der Doppelfassade sind aber nicht zu erkennen. Die vielen doppelten Glasflächen führen zu einem hohen Reinigungsaufwand. Starre Sonnenschutzsysteme Massivkonstruktion mit Lochfassade - Biotechnologie-Biomedizin-Zentrum in Leipzig, Arch.: Spengler Wiescholek, Hamburg Abb. 9 Biotechnologie-Biomedizin-Zentrum Leipzig Das Lehr- und Forschungsgebäude ist ein Fertigteilbau mit tragenden Außenwänden und Stahlbetonstützen im Innern. Damit ist die Aufteilung der Grundrisse sehr flexibel. Innen- und Außenräume wechseln durch die bandförmige Anordnung der Gebäuderiegel miteinander ab. Neben der städtebaulichen Qualität, die diese so geschaffenen Innenbereiche besitzen, wird auch ein gegenseitiger Schutz der Fassaden vor zu starker Sonneneinstrahlung erreicht. Alle Fassaden sind einheitlich mit einem roten Ziegelstein gestaltet, die Fensterflächen sind zurückversetzt, so dass sie durch die tiefe Leibung teilverschattet sind. Innerhalb der Leibung werden zusätzlich Sonnenschutzmarkisen geführt. Es handelt sich um ein ganzheitlich konzipiertes energetisches Konzept, das bei der gewählten städtebaulichen Anordnung der Gebäudeteile beginnt. Größere Glasfronten werden durch die Endseiten der massiven Riegel verschattet. Die Wahl 12 Abb. 10: Biotechnologie-Biomedizin-Zentrum Leipzig, Glashalle einer „klassischen“ Ziegelfassade schützt die Laborbereiche vor sommerlicher Aufheizung. Der halböffentliche Bereich wird von einem Glasdach überspannt. Im Winter wirkt dieser Bereich als wärmespeichernder Puffer, im Sommer kann ein Wärmestau in der Halle durch Lüftung über die großen gegenüberliegenden Öffnungen verhindert werden. Abb. 11: Biotechnologie-Biomedizin-Zentrum Leipzig 13 Massivkonstruktion als „Brise soleil“ Service-Center in Coesfeld, Arch.: David Chipperfield, London Die Tragkonstruktion aus Sichtbetonelementen bestimmt das Erscheinungsbild dieses Bürobaus. Die vollverglasten Fassaden liegen weit zurückgesetzt von der Vorderfront des Gebäudes, so dass auf der Südseite kein zusätzlicher Sonnenschutz mehr benötigt wird. Abb. 12, 13: Service-Center in Coesfeld Große innenliegende Atrien werden über obergadenähnliche Verglasungen belichtet, die im Gegensatz zu einem Glasdach nur wenig Wärmeeintrag hervorrufen. Das Gebäude ist ein schönes Beispiel, dass mit „sonnenbrechenden“ Dachüberständen und Wandschotten ein Großteil der Sonneneinstrahlung abgehalten werden kann, ohne den Ausblick zu behindern. Nachteilig an einem solchen Konzept ist die reduzierte Helligkeit der Büroräume im Winter. Massivkonstruktion mit Horizontalverschattung Förderschule in Eichstätt, Arch.: Diezinger und Kramer, Eichstätt An dieser Schule wurde der gleiche Grundgedanke verwirklicht, wie in dem zuvor beschriebenen Bau von Chipperfield, auch wenn die Schule eine völlig andere Architektursprache besitzt: Durch vorgelagerte horizontale Elemente soll ein Teil der Sonnenstrahlung von den Fensterflächen abgehalten werden. Dieses erfolgt bei der Schule durch hellgraue Stahlbleche oberhalb der Fensterbänder. In Verbindung mit innenliegenden Rollos scheint es, dass hier ein sehr wirtschaftlicher und funktioneller Sonnenschutz realisiert worden ist. Die Schule trägt eine sehr elegante Handschrift und erinnert an Bauten der 20er Jahre. Bemerkenswert ist, dass diese Eleganz durch die Horizontalverschattung nicht gestört wird. 14 Abb. 14: Förderschule in Eichstätt Halbtransparente Verschattungstafeln Städtisches Klinikum Brandenburg, Arch.: Heinle, Wischer und Partner Abb. 15: Klinikum Brandenburg Eine Variante des Sonnenschutzes, die seit Anfang der 90er Jahre auch im Wohnungsbau öfter verwendet wird, sind verschiebbare Tafeln aus perforiertem Metall. Einerseits halten sie die Sonne ab, anderseits gewähren sie noch eine Durchsicht nach außen. Das Konzept wird kritisch gesehen. Der Durchblick durch die gestanzten Metallplatten ist wenig attraktiv, bei schräg stehender Sonne blenden die ins Gebäudeinnere einfallenden Lichtpunkte. 15 Massivkonstruktion mit Screenfassade Bioinnovationszentrum Dresden, Arch.: Henn Architekten, Berlin Folie 16: Bioinnovationszentrum Dresden Das für das Grundstück sehr große Raumprogramm führte zu einem hochverdichtetem Gebäude in Form einer Blockrandbebauung. In allen Gebäudeflügeln befinden sich Labore, die vor Sonneneinstrahlung geschützt werden müssen. Ausgeführt wurde ein starrer Sonnenschutz in Form von waagerechten Lamellen, die in Tafeln zusammengefasst sind und das Gebäude wie ein Schirm umhüllen. Die steile Südsonne wird vollständig ausgeblendet, die tiefer stehende West- und Ostsonne wird zu einem großen Anteil abgehalten. 21. Juni 21. März / 21. September 21. Dezember Abb. 17: Bioinnovationszentrum Dresden, Innenraum Sonnenlichteinfall auf eine vertikale Fläche: Im Frühjahr und Herbst erhalten OstWestfassaden mehr Sonneneinstrahlung Südfassaden und als 16 Der Ausblick nach außen wird nicht behindert, da auf Augenhöhe der Screen unterbrochen ist. Ergänzt werden die Lamellen durch einen innenliegenden Blendund Sonnenschutz hinter der Wärmeschutzverglasung. Leichtkonstruktion mit starren Lamellen Kinder- und Frauenklinik Universitätsklinikum Carl Gustav Carus Dresden, Arch.: Heinle, Wischer und Partner, Berlin Die langgezogene Besucherhalle mit Café, Verkaufsstellen, Hörsaal und Begrünung bestimmt wesentlich die außerordentlich hohe innenräumliche Qualität des Gebäudes. Sie verbindet die einzelnen Kliniken zu einer funktionalen Einheit. Die Fassade ist genau nach Süden ausgerichtet. An ihr wurde eine starre waagerechte Lamellenverschattung angewendet, die sich für die senkrecht stehende Südsonne anbietet. Abb. 18: Kinder- und Frauenklinik Universitätsklinikum Carl Gustav Carus Dresden, Ansicht 17 Abb. 19: Kinder- und Frauenklinik Universitätsklinikum Carl Gustav Carus Dresden, Innenraum Glashalle Nach einjähriger Betriebsdauer muss allerdings festgestellt werden, dass in den Sommermonaten die Aufheizung der Glashalle höher ist, als vermutet. Ursache ist vermutlich der Energieeintrag durch die morgendliche Sonnenstrahlung aus OstSüdost. Der weit auskragende horizontale Sonnenschutz oberhalb der Lamellen sollte gerade diese morgendliche Sonneneinstrahlung abhalten, jedoch reicht die Tiefe des waagerechten Paneels nicht aus, um die Fassade vollständig zu verschatten. Die Aufheizung der Metalllamellen ist zusätzlich problematisch. Offenbar befinden sich die Lamellen noch zu nah an der Glasfassade, so dass Strahlungswärme in das Gebäudeinnere abgegeben wird. Abb. 20: Kinder- und Frauenklinik Universitätsklinikum Carl Gustav Carus Dresden, Grundriss EG 18 Verschattungslamellen Laborhalle Westsächsische Hochschule Zwickau Arch.: Schäfer Rüdenauer Feuerstein, Stuttgart-München Abb. 21: Laborhalle Westsächsische Hochschule Zwickau Bei der Laborhalle für Kfz-Technik in Zwickau sind die Lamellen mit einem großen Abstand vor der Glasfassade angeordnet, um einen betretbaren Zwischenraum für die Reinigung zu erhalten. Damit kann die Wärmestrahlung aus den Lamellen nicht auf den Innenraum übergreifen. Bewegliche Sonnenschutzsysteme Glasfassade mit verstellbaren Verschattungslamellen Schulzentrum Solar-City Linz, Arch.: Michael Lourdon, Wien Abb. 22: Schulzentrum Solar-City Linz Die Schule in der Solar-City von Linz kann man gut mit der Glashalle der Dresdener Kinder- und Frauenklinik vergleichen. Die Sonnenschutzlamellen an der Schule sind in einem weiten Abstand vor die Fassade gehängt. Damit ist ein Abstrahlen von Wärmestrahlung an die Glasfassade nicht möglich. Auch diese Fassade ist nach 19 Süden ausgerichtet. Die Lamellen sind allerdings steuerbar, um auf die tiefstehende Sonneneinstrahlung aus Südost und Südwest reagieren zu können. Verstellbare und schwenkbare Verschattungslamellen Institutsgebäude der Universität der Estremadura in Merida, Arch.: Ábalos & Herreros, Madrid Abb. 23: Institutsgebäude der Universität der Estremadura Um gute Beispiele für einen hocheffektiven Sonnenschutz zu erhalten, lohnt der Blick in heißere Klimaregionen, z. B. in die Region Estremadura in Spanien. Ein Institutsgebäude wurde dort mit einem minimalen Kostenbudget als Stahlbau errichtet. Außen liegende Sonnenstores sind wie die gesamte Fassade aus weiß lackiertem Aluminium gefertigt. Die Lamellen der Verschattungsstores lassen sich verdrehen, außerdem kann man die gesamten Paneele bei senkrechtem Sonnenstand nach oben klappen. Als zusätzlicher Sonnenschutz wurde eine Reihe von Gingko-Bäumen rund um das Gebäude gepflanzt. Begrünt ist auch die Dachfläche, auf der sich unter einem Baumdach eine Langlaufstrecke befindet. Abb. 24: Institutsgebäude der Universität der Estremadura, Dachsituation 20 Die Kombination von drehbaren Lamellen, die auch als ganzes hochgeschwenkt werden können, ist wahrscheinlich die effektivste Form eines Sonnenschutzes, die überhaupt möglich ist. Einerseits ist zu jedem Sonneneinfallswinkel eine komplette Ausblendung des Lichteinfalls möglich, andererseits kann bei hochstehender Südsonne auf die störenden Lamellen verzichtet werden und man hat einen ungestörten Ausblick ins Freie. Gerade letzteres ist eines der größten Probleme herkömmlicher Verschattungen. Warum also ist eine solche Lösung nicht häufiger auch bei uns verbreitet? Grund dafür ist die Störanfälligkeit der vielen beweglichen Elemente, insbesondere in den Wintermonaten, wenn die Drehgelenke vereisen. Die weit auskragenden Klapppaneele sind zudem stark windgefährdet. Um eine solche Konstruktion in unseren Breitengraden zu realisieren, müsste die Konstruktion entsprechend massiv ausgeführt werden, was einen erheblichen Kostenaufwand darstellen würde. Wärmeschutzverglasung mit außenliegenden Markisen Kinder- und Frauenklinik Universitätsklinikum Carl Gustav Carus Dresden, Arch.: Heinle, Wischer und Partner, Berlin Abb. 25: Kinder- und Frauenklinik, Pflegebereiche Am häufigsten verwendet wird die „klassische“ Lösung des Sonnenschutzes in Form von außenliegenden Markisen. Beim Neubau der Kinder- und Frauenklinik bilden 21 diese in Kombination mit einem innenliegenden Blendschutz den Sonnenschutz für die Pflegebereiche. Diese Fassaden auf der West- und Ostseite sind raumhoch verglast, eine entsprechend große Fläche muss verschattet werden. Es hat sich gezeigt, dass außenliegende Markisen nicht zu groß sein dürfen, da sie ansonsten der Windbelastung nicht mehr standhalten. Gerade in höheren Etagen ist eine Verschattung mit Markisen aus diesem Grund problematisch. Landesgymnasium St. Afra, Meißen Arch.: Maedebach, Redeleit & Partner Abb. 26, 27: Landesgymnasium St. Afra, Meißen, Sporthalle Die Sporthalle des Landesgymnasiums ist ein gutes Beispiel, wie die Tragkonstruktion eines großflächigen Sonnenschutzes von der Fassade entkoppelt werden kann. Die Vertikalmarkisen sind in einer freistehenden Rahmenkonstruktion geführt, der Zwischenraum zur Glasfassade ist luftumspült zum Schutz vor Aufheizung. 22 Erweiterungsbau Hochschule für Technik und Wirtschaft, Dresden, Arch.: Burger Rudacs Architekten, München Abb. 28: Hochschule für Technik und Wirtschaft Der Neubau für die HTW in Dresden besitzt eine bandförmige Fassade. Die einzelnen Fensterelemente sind schmal und werden paarweise durch außenliegende Markisen verschattet. Mit dieser Lösung ist die Windanfälligkeit gering. Man sieht, dass eine moderne Fassade nicht unbedingt vollverglast und transparent sein muss, die klassische Lösung mit Brüstung und Fenster ist oftmals energetisch sinnvoller und gestalterisch ebenso ausbaufähig. Variable Lamellen mit Vertikalschotten Neubau Operatives Zentrum Universitätsklinikum Carl Gustav Carus, Dresden Arch.: Hoppe, Sommer & Partner, Tiemann-Petri, Stuttgart Abb. 29: Neubau Operatives Zentrum 23 Die OP-Säle sind aus funktionalen Gründen auf der Südseite angeordnet und erhalten durch eine Wärmeschutzverglasung Ausblick auf die Baumallee. Horizontale verstellbare Lamellen mindern den Wärmeeintrag. Eine Besonderheit sind die vertikalen Stahlschwerter, die windfest die Lamellen aufnehmen und zudem die schräg stehende Sonne aus Südost und Südwest ausblenden. Variable vertikale Lamellen Boehringer Ingelheim Pharma, Biberach, Arch.: sauerbruch hutton architekten, London/Berlin Abb. 30: Boehringer Ingelheim Pharma, Biberach Mit einer sehr „radikalen“ Lösung für ein Forschungsgebäude schließt die Reihe der Beispielbauten ab. Im letzten Jahr ist dieser Bau in vielen Architekturfachzeitschriften besprochen worden, so ungewöhnlich ist sein Äußeres: Die Laborräume werden von einer äußeren Lamellenfassade vor der Sonne geschützt. Diese Lamellen bestehen aus farbig bedrucktem Glas und sind vertikal gelagert. Von der Ferne gesehen bilden diese Glaslamellen die Kristallstruktur einer Boehringer Substanz auf der Fassade ab. Was zunächst als eine dekorative Spielerei anmutet, offenbart ein solides energiesparendes Konzept. Die Lamellen können aufgrund ihrer senkrechten Ausrichtung auch die tiefstehende Sonne problemlos ausblenden. Gleichzeitig kann man von innen entlang der schräg stehenden Lamellen immer noch nach außen sehen. Die Lamellen sind windunempfindlich im Vergleich zu Markisen. Sie sind luftumströmt und in einem großen Abstand vor dem Gebäude montiert, so dass sie 24 ihre Wärme nicht gegen die Fassade abstrahlen. Zusammen mit einem Nachtauskühlungskonzept über ein innenliegendes Atrium haben es die Architekten geschafft, die Laborräume natürlich zu belüften. Klimatisiert werden nur die innenliegenden Dunkelbereiche mit hohen inneren Wärmelasten. Abb. 31: Boehringer Ingelheim Pharma, Biberach, Detail Fassade Resumé Die Beispielbauten haben gezeigt, dass es eine allgemein gültige Lösung nicht gibt. Im Vergleich zum Forschungsstand von vor 10 Jahren lässt sich aber mittlerweile folgendes zusammenfassen: • • • • Doppelschalige Glasfassaden ohne äußeren Sonnenschutz sind nicht energiesparend. Massivdecken sollten unverkleidet bleiben, damit sie als Speichermasse für Wärme bzw. Kühle herangezogen werden können. Durch eine sinnvolle Gebäudegeometrie soll das Gebäude größere verglaste Flächen selber verschatten können. Südseiten sind einfacher zu verschatten als West- und Ostseiten, allerdings werden vertikale Elemente benötigt, um die am Vormittag und Nachmittag schräg auf die Südfassade einfallende Sonne abzuhalten. 25 • • • Lamellen vor Glasfassaden müssen in einem großen Abstand vor der Fassade angebracht werden, um einen Eintrag von Strahlungswärme zu verhindern. Schmale Fensterabmessungen mit schmalen Markisenbreiten sind geeignet, um die Verschattungen windsicher führen zu können. Horizontal aufschwenkbare Lamellenpaneele sind auf der Südseite ideal, da sie im ausgeklappten Zustand nicht den Ausblick behindern. Schluss Aus der Verpflichtung der Verwaltung mit den Steuermitteln sparsam umzugehen, wird man bei Planungen weiterhin genau zwischen architektonischen Modeerscheinungen und soliden energetischen Konzepten unterscheiden müssen. Der Freistaat Sachsen wird sich aber auch in Zukunft zu seiner baukulturellen Vorbildrolle bekennen. Weiterhin wird die Staatliche Hochbauverwaltung für die Bürger hochwertige öffentliche Gebäude in einer anspruchsvollen Architektursprache erstellen. Dazu können auch großflächige Verglasungen gehören, die aufgrund ihrer räumlichen Qualität nach wie vor ihre Berechtigung haben. Anhand der Beispiele sieht man, wie man diese auch energetisch richtig einsetzen kann. Ästhetik und Energieeffizienz im Staatlichen Hochbau können aber nur dann zu einer Einheit zusammengeführt werden, wenn der Staat Schritt hält mit den aktuellen Entwicklungen der Bautechnik. Die Erfahrungen bei den künftigen Pilotvorhaben, z.B. auf dem Gebiet des Passivhausbaus sind daher so wichtig. Die gemeinsamen Projekte zwischen der Architektenschaft und der Staatlichen Hochbauverwaltung mögen auch künftig für alle Seiten Gewinn bringen: Der Baukultur, der Umwelt und langfristig - auch dem Staatshaushalt. 26 Abbildungsnachweis Abb. 1: Abb. 2: Abb. 3,4: (Deckblatt) Freistaat Sachsen Freistaat Sachsen Prof. Dr. Klaus W. Liersch, Normen Langner: „Wirtschaftlichkeit von Wärmeschutzmaßnahmen“ in BundesBauBlatt 05/2004 Abb. 5: Kaye Geipel, bauwelt 3/2003 Abb. 6: Marte.Marte Architekten in bauwelt 35/2003 Abb. 7: Marte.Marte Architekten in bauwelt 35/2003 Abb. 8: Kaye Geipel, bauwelt 3/2003 Grafik: Marcus van Reimersdahl in: Referendararbeit: „Neue Techniken energiesparender Fassaden im Bürohausbau und ihre Anwendungsmöglichkeiten bei der Umnutzung von alter Bausubstanz“, Oberste Baubehörde im Bayerischen Staatsministerium des Innern, München 1997 Abb. 9: wettbewerbe aktuell 12/2003 Abb. 10: wettbewerbe aktuell 12/2003 Abb. 11: wettbewerbe aktuell 12/2003 Abb. 12: wettbewerbe aktuell 12/2002 Abb. 13: wettbewerbe aktuell 12/2002 Abb. 14: wettbewerbe aktuell 2/2003 Abb. 15: wettbewerbe aktuell 3/2004 Abb. 16: henn architekten, Berlin, Grafik: Oswalt, Philipp: Wohltemperierte Architektur, Neue Techniken energiesparenden Bauens, Heidelberg: Verlag C.F. Müller Abb. 17: henn architekten, Berlin Abb. 18: Freistaat Sachsen Abb. 19: Freistaat Sachsen Abb. 20: Freistaat Sachsen Abb. 21: Freistaat Sachsen Abb. 22: bauwelt 18/2004 Abb. 23: bauwelt 42/2003 Abb. 24: bauwelt 42/2004 Abb. 25: Freistaat Sachsen Abb. 26,27: Maedebach, Redeleit & Partner Abb. 28: Freistaat Sachsen Abb. 29: Freistaat Sachsen Abb. 30: bauwelt 19-20/2003 Abb. 31: bauwelt 19-20/2003 27
