Some like it hot

Thema
„Some like it hot“ – Lichtblicke und ein kühler Kopf
Thema Sommertauglichkeit
Referat beim Kongress „Häuser der Zukunft“
Zusammenfassung
Tageslichtkomfort, freie Sicht nach außen, Raumakustik, Grundrissflexibilität, thermische Behaglichkeit und nicht zuletzt Aussehen, Kosten- und
Energieeffizienz stellen zum Teil widersprüchliche
Ansprüche an ein Gebäude und an die Gebäudetechnik. Denn wer will nicht einen hellen Arbeitsplatz oder Wohnraum mit gutem Ausblick, der im
Sommer angenehm kühl ist? Speichermassen in
den Decken sind schon ok, aber zu laut soll es
nicht werden, wenn noch wer im Zimmer redet
oder telefoniert. Und wenn die Räume im Verlauf
der Planung oder später bei anderer Raumeinteilung sich verschieben und verändern, so soll dies
einfach und ohne Schwierigkeiten mit Beleuchtung, Heizung, Lüftung und Kühlung funktionieren. Also doch Abhängedecke im Bürobau, oder?
Und wie siehts zuhause aus, wenn ich hier auch
mit dem PC, Bildschirm und Drucker arbeiten
möchte, was machen meine schönen solaren Energiegewinne, die ich durch die hocheffiziente Passivhausverglasung bekomme, dann im Sommer?
Welche Kühlung ist kostengünstig und auch energieeffizient?
Der Schlüssel zur Lösung dieser an sich widersprüchlichen Anforderungen ist das thermisch optimierte Gebäude und eine gesamtheitliche Planung. Unter Beachtung der architektonischen,
städtebaulichen und nutzungsdefinierten Randbedingungen können Gebäudeform, Verglasung,
Sonnenschutz, Fassaden, Speichermassen etc. so
konzipiert werden, dass mit einem geringen Technik- und Energieaufwand hoher Komfort herstellbar ist. Heizungs- und Lüftungskonzepte sind ausgehend vom Wohnbau und der Niedrigenergie/Passivhausdiskussion schon lange „am Markt“.
Entsprechende Konzepte zur Kühlung sind allgemein weniger bekannt und systematisiert – dies
auch deswegen, weil die Randbedingungen projektspezifisch sehr unterschiedlich sind. Mit der
steigenden Bedeutung von Energieeffizienz auch
im Bürobau und mit den zunehmenden Wärmelasten durch EDV und Sonneneinstrahlung im
Wohn- und Schulbau gewinnt jedoch die Bearbeitung des Themas Kühlkomfort mit niedrigem Energieverbrauch und technisch einfachen Systemen
an Bedeutung. Im Folgenden werden prinzipielle
Grundlagen zu Komfort, Klima, Architektur und
Wärmelasten sowie mögliche Kühlkonzepte und
Optimierungsschritte dargestellt. Weiters werden
Beispielprojekte im Büro-, Schul- und Wohnbau
präsentiert, die zeigen, wie mit geringen Kosten
und nachhaltigen Maßnahmen in der thermischen
Gebäudeoptimierung ein angenehm kühles sommerliches Gebäudeverhalten herstellbar ist, ohne
unerwünschte Einschränkungen betreffend Tageslicht, Sichtbezug, Akustik, Flexibilität oder Aussehen in Kauf nehmen zu müssen.
Grundlagen
Komfortbedürfnisse
Neben der maximalen Raumtemperatur bestimmen die Häufigkeit höherer Raumtemperaturen,
Bekleidung, Aktivität, Lüftung, Raumluftfeuchte
und Außenklima die thermische Behaglichkeit im
Sommer. Raumtemperaturen um 28°C werden im
Allgemeinen toleriert, wenn sie selten bzw. nur
bei Außentemperaturen über 30°C auftreten. Dagegen können Raumtemperaturen um 25°C bereits zu Unzufriedenheit führen, wenn außen tiefere Temperaturen vorherrschen.
Im modernen Bürobau kann bei höheren Anforderungen an Leistungsfähigkeit und Motivation
der Mitarbeiter auf ein Kühlkonzept nicht verzichtet werden. Eine mechanische Kühlung kann hier
nur in seltenen Fällen entfallen, die Zielsetzung innovativer und energieeffizienter Konzepte liegt
vielmehr in der Entwicklung einer nutzungsgerechten, ökonomisch und ökologisch vertretbaren
Lösung. Aber auch beim Wohnen und in der Schule soll es im Sommer angenehm kühl oder zumindestens nicht unangenehm heiß sein. Wenn es im
Auto 22°C bis 24°C hat, so wollen die NutzerInnen das dann oft auch im Wohnzimmer und wenn
ab 25 bis 26°C die Leistungs- und Konzentrationsfähigkeit des Menschen deutlich sinkt, so ist
nicht einzusehen, warum ausgerechnet Schulklassen oft schon im Mai deutlich höhere Raumtemperaturen aufweisen. Eine rechtzeitige Einbeziehung des Themas Sommertauglichkeit in Planung
und Realisierung spart auch hier unangenehme
Überraschungen im Betrieb.
Klima, klimatische Veränderungen
Auch wenn besonders heiße Sommer wie der
„Jahrhundertsommer 2003“ als Einzelereignisse
eingestuft werden, zeigt sich deutlich ein Trend zu
steigenden Temperaturen. Statistische Mittel- und
Maximalwerte sowie synthetische Klimadaten und
Kühlungsauslegungen, welche auf Wetterdatenmaterial bis in die 90er Jahre beruhen, geben diesen Temperaturanstieg nur ungenügend wieder.
Z.B. traten in der Umgebung von Berlin zwischen
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Häuser der Zukunft –
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Häuser der Zukunft
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1947 bis 2004 etwa 20 Tage > 34°C auf, davon allein 16 Tage ab 1991. Eine diesbezügliche Untersuchung von Gebäuden und Kühlkonzepten ist jedenfalls zu empfehlen, insbesondere wenn mit
Komponenten wie Nachtauskühlung und Speichermassen geplant wird, da hierbei die Anzahl
heißer hintereinanderliegender Tage und die Möglichkeit der Nachtauskühlung bei Außentemperaturen deutlich unter 20°C von Bedeutung sind.
Abb. 1: Vergleich Heißwetterperiode aus
Testreferenzdaten eines „10 jährig heißen
Julis“ mit Messwerten zum Jahrhundertsommer 2003 im Raum Rheintal/Vorarlberg.
In Abbildung 1 ist deutlich zu sehen, dass Höchsttemperatur außen, Wochenmittelwert und Anzahl
Abb. 2: Wärmelasten in 12 m2 Raum im
Vergleich zu üblichen Kühllasten und
Heizlasten im Allgemeinen sowie zur Leistungsfähigkeit einer rein passiven Kühlung über Fensternachtlüftung und Speichermassen. Einzelne Wärmelasten ohne
Berücksichtigung von Speicherfaktoren
und Gleichzeitigkeiten sind für die Gesamtwärmebelastung des Raums nicht
einfach addierbar.
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hintereinanderliegender heißer Tage im „Jahrhundertsommer 2003“ erheblich über den Testreferenzdaten liegen. Im Allgemeinen sind damit Konzepte mit reiner Nachtkühlung und Speichermassen problematischer. Aber auch stark außenluftund raumluftabhängige Konzepte z.B. mit Lüftungskühlung oder Gebläsekonvektoren (FanCoils) verhalten sich ungünstig, da bei steigenden
Raumtemperaturen komforttechnisch auch die Zulufttemperatur erhöht werden muss und eine
höhere Kühlleistung bei der Außenluftkühlung erforderlich ist. Vorteilhaft dagegen reagieren Kühlkonzepte mit aktiver Speichermassenkühlung über
Decke oder Boden und kontrollierter Lüftung.
Architektur, Gebäudekonstruktion
Art und Regelung des Sonnenschutzes, allfällige
Fixverschattungen, Verglasungsqualität und Verglasungsanteil, Fassadenaufbau, thermische wirksame Speichermassen und Lüftbarkeit des Gebäudes wirken sich auf das thermische Gebäudeverhalten und damit auf die sommerlichen Raumtemperaturen bzw. das Ausmaß der Kühlung in
Herstellung und Betrieb aus. Die in den letzten
Jahrzehnten erheblich verbesserte Verglasungsqualität macht grosse, tageslichttechnisch günstige Glasflächen möglich, deren winterliche Wärmeverluste auf 20–30 W pro m2 Glasfassade reduziert wurden. In Summe ergibt sich mit Ausnahme der Nordseite im Winter oftmals sogar ein
positiver Energiegewinn über die Verglasung. Die
sommerlichen Energiegewinne können aber ohne
erhebliche Verluste beim Tageslicht glastechnisch
und durch allfällige Fixverschattungen nicht unter
etwa 100–150 W pro m2 Glasfassade gesenkt werden. Eine farbneutrale Sonnenschutzverglasung
nimmt den tageslichttechnisch nicht bedeutenden
Energieteil der Einstrahlung weg, was zu g-Werten
der Verglasung um minimal 30 bis 40 % führt,
ohne zusätzliche Verschattung entspricht dies 200
bis 400 W pro m2 Fassade Sonneneintrag! Alles,
was darüber hinaus geht, nimmt gleichzeitig Tageslicht weg ... und in unseren Breitengraden ist
immer noch der Betriebsanteil mit niedrigerem Tageslicht und diffusem Himmel gegenüber den Sonnentagen in der Mehrheit. Eine in Sommer und
Winter sowie auch bezüglich Tageslicht und Aussicht geeignete Fassade ist projektspezifisch zu
entwickeln, wobei einfache außenliegende Sonnenschutzsysteme oft bezüglich Aussehen, Wartung und Windbeständigkeit schwierig und nicht
gewünscht sind. Weiteres architektonisches und
baukonstruktives Thema ist die Speichermasse –
mit teils aus ökologischen, teils aus fertigungstechnischen Gründen sinnvollen Bauweisen in
Leichtbau oder Holzbau, insbesondere auch für
die Decken, ist konzeptionell zu überlegen, wie
mit dem Thema „sommerlicher Wärmeschutz“
umgegangen wird, beziehungsweise die nicht
mehr gegebenen thermischen Speichereigenschaften ersetzt werden.
Innere und solare Wärmelasten
Abbildung 2 zeigt typische Bandbreiten zu inneren
und solaren Wärmelasten im Wohn-, Schul- und
Bürobau im Vergleich mit Heiz- und Kühlleistungen typischer Heiz-/Kühlsysteme. Es ist deutlich,
dass die Größenordnungen der einzelnen Wärmelasten durchaus in der Größenordnung der Heizleistung eines modernen Gebäudes liegen und
dass notwendige Kühlleistungen insbesondere ohne Optimierungsstrategie betreffend Kühlung und
Wärmelasten im Allgemeinen die winterliche Heizlast übersteigen können.
Konzeptkomponenten, Optimierungsstrategin
Grundsätzlich ist im Kühlkonzept zwischen passiver und aktiver Kühlung zu unterscheiden. Als passive Kühlung werden hierbei sämtliche Komponenten bezeichnet, die Wärmelasten vermeiden
oder „natürlich“ abführen z.B. fixer und beweglicher Sonnenschutz der Fassade, Wärmeschutz,
thermisch wirksame Speichermassen, Belüftbarkeit, Nachtquerlüftungsmöglichkeit u.a.. Aktive
Kühlung ist dagegen die durch Kältetechnik und
technische Kälteabgabesysteme hergestellte Kühlung. Aus thermischer, energetischer und komforttechnischer Sicht ist die passive Kühlung vorrangig zu behandeln, im Allgemeinen sind hier
auch deutlich höhere Wärmelasten vermeidbar, als
auf der Kälteabgabeseite mit einfachen und kostengünstigen Systemen erzeugbar sind. Alles, was
das Gebäude nicht kann, muss schließlich die
Technik leisten, wobei im Allgemeinen die Lebensdauer der Technik niedriger ist und sich ein Investment in das länger bestehende Gebäude auch
längerfristig bezahlt macht.
In der Konzeptionierung ist vor allem das Zusammenarbeiten sämtlicher Konzeptkomponenten
entscheidend. Wie Abbildung 3 zeigt, ermöglicht
Thema
erst ein gesamtheitliches Konzept mit mehreren gebündelten Maßnahmen eine relativ einfache, energetisch und ökonomisch günstige Kühlung oder
überhaupt den Verzicht auf eine aktive Kühlung.
Kälteerzeugung
Neben der Optimierung von Gebäude und Kälteabgabesystem ist eine energetisch, ökonomisch
und ökologisch optimierte Kälteerzeugung erforderlich. Mit einfachen Fundamentabsorbern, z.B.
unter Bodenplatten von Tiefgaragen oder Untergeschoßen, oder wenigen Bohrlochsonden lassen
sich zwar nur geringe Kühlleistungen im Dauerbetrieb erzielen. Werden diese Systeme jedoch nur
im Spitzenlastbetrieb betrieben, z.B. ausschließlich
für die Außenluftkühlung an Tagen über etwa
28°C, so sind durchaus höhere Kühlleistungen
möglich. Sind aus statischen Gründen eine Pilotierung oder Schlitzwände für das Gebäude notwendig, so lassen sich diese auch zur Kältegewinnung
nutzen. Bivalente Systeme mit Erdkältenutzung
und konventioneller, technisch effizienter Kältetechnik ermöglichen einen effizienten Kühlbetrieb
mit jeweiliger Nutzung der systemspezifischen Vorteile. Bei solarer Kühlung ist neben der technischen
und solaren Möglichkeit vor allem zu überprüfen,
ob ausreichend Wärmeabgabesysteme und Rückkühlmöglichkeiten zur Verfügung stehen.
➤
Abb. 3: Optimierungsschritte eines Kühlkonzepts (in willkürlicher Reihenfolge),
entsprechende Kühllasten und mögliche
Raumtemperaturbandbreiten ohne Kühlung im Vergleich zu den Kühlleistungen
von Raumkühlungssystemen (Raumkühlungssysteme für sehr hohe Wärmelasten
nicht betrachtet).
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Praxisbeispiele
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Dienstleistungs- und Verwaltungszentrum,
Barnim, Eberswalde
Neben der energetischen Projektzielsetzung eines
Primärenergieverbrauchs für Heizung, Warmwasser, Lüftung, Kühlung, Beleuchtung und technisches Equipment < 100 kWh/m 2a (ohne nutzungsspezifische Einrichtung i.b. ohne EDV) sind
auch hohe Anforderungen an eine kostengünstige Herstellung und an einen guten sommerlichen
Komfort gegeben. Dies hat zu einem relativ einfachen Haustechnikkonzept mit Heizkörpern in
den Büroräumen, einer betondeckenintegrierten
Lüftung sowie einer Fußbodenheizung/-kühlung
in den mittigen Kombi- und Gangflächen geführt.
Darüber hinaus ermöglicht ein natürliches Nachtlüftungskonzept über motorische Fensterflügel eine Querlüftung der Erschließungsflächen mit Zuluft von der Fassade und Abluft über die Brandrauchentlüftungsklappen der Innenhöfe.
Aufgrund der Nachtlüftung und der Fußbodenkühlung werden die innenliegenden Gebäudekerne und Kombiflächen auch bei sehr heißen
Außentemperaturen unter 26°C gehalten. Die
Büros sind transparent und offen zu den Innenzonen gehalten (überwiegend Großraum-/Kombibüros oder Einzelbüros mit Schiebetüre). Sie verfügen über eine speicherwirksame Decke und einen außenliegenden Sonnenschutz. Durch die
thermische Wechselwirkung der Büros mit der Innenzone, die thermische Aktivierungsmöglichkeit
der Decke über die Luftführung sowie durch ein
mit dem Bauherrn vereinbartes energiesparendes
EDV-Konzept können die Büroräume bei angenehmen sommerlichen Raumtemperaturen von in
der Regel um 26°C mit einem geringen Betriebsstundenanteil bis maximal um 28°C gehalten werden. Gleichzeitig ergibt sich ein sehr kosteneffizientes und im Betrieb nachhaltiges Haustechnikkonzept.
Fotos und Grafiken: team gmi
Akademisches Gymnasium, Innsbruck
Im Sommer verträgliche Raumtemperaturen werden im Zubau des Akademischen Gymnasiums
Innsbruck durch einen effizienten Sonnenschutz
der hohen Verglasungen sowie durch eine Nachtlüftungskonzept über motorische Fensterklappen
erreicht. Die im Bestand relativ geringen Speichermassen (Holztramdecken) konnten durch die
ca. 2 m vorgesetzte Fassadenzone des Neubaus
erhöht werden (Untersichten Stahlbeton gespachtelt). Die Nachtlüftung über automatisch öffenbare Fenster wird ebenfalls zur Belüftung der
Klassen verwendet, wobei auch ein für die Nutzer
manuell betätigbarer Fensterflügel vorhanden ist.
Die notwendige Branddruckbelüftung der Stiegenhäuser wird zusätzlich als Zuluftanlage unterstützend für die Nachtlüftung und die natürliche
Klassenraumbelüftung eingesetzt.
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Thema
Passivhaus – StudentInnenheim Molkereistrasse,
Wien
Energetische Zielsetzung in der Errichtung des StudentInnenwohnheims Molkereistrasse ist vor allem die Erreichung der Passivhauskriterien, im Besonderen Heizwärmebedarf < 15 kWh/m2a und
Heizlast < 10 W/m2 gemäß Passivhausprojektierungspaket für jede Wohnung, sowie Primärenergiebedarf < 120 kWh/m 2a. Zudem ergibt sich
durch das entwickelte Gebäudeklimakonzept auch
ein hoher Kühlkomfort, so dass auch eine EDV
Nutzung in den einzelnen Zimmern bei angenehm
kühlen Temperaturen möglich ist. Dies wird erreicht durch einen effizienten außenliegenden
Sonnenschutz, einen moderaten Verglasungsanteil, hohe Speichermassen, eine Nachtbelüftung
und Nachtkühlung des innenliegenden Gebäudekernes sowie eine Kühlung der Außenluftzufuhr
im Sommer über einen wassergeführten Erdreichwärmetauscher (Fundamentabsorber).
Abb. 4: Sommerverhalten PassivhausstudentInnenwohnheim Molkereistrasse, Zimmer = Regelzimmer ohne EDV Nutzung.
Bei EDV-Nutzung ergeben sich je nach
Wärmelast üblicher EDV etwa 2 K höhere
Raumtemperaturen und damit insgesamt
guter Kühlkomfort in Relation zu 31 bis
34°C Außenlufttemperatur
Weitergehende Informationen zu Projekten, Konzepten, und Planung: www.teamgmi.com
Christoph Muss
teamgmi
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