Sanierung von Bürohochhäusern der 1960er und 1970er Jahre
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Sanierung von Bürohochhäusern der 1960er und 1970er Jahre Möglichkeiten bau- und betriebskostenoptimierter, komfort- und energiegerechter Sanierung mit gläsernen Vorsatzschalen von der Fakultät Architektur, Bauingenieurwesen und Umweltwissenschaften der Technischen Universität Carolo Wilhelmina zu Braunschweig zur Erlangung der Würde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation von Dipl.-Ing. Architekt Matthias Rozynski aus Hagen Eingereicht am: 16.07.2004 Mündliche Prüfung am: 24.04.2006 Referent: Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Referent: Prof. Werner Kaag 2006 Sanierung von Bürohochhäusern der 1960er und 1970er Jahre i Inhaltsverzeichnis 1 Entwicklung der Hochhausarchitektur 1 2 Stand der Technik, Gebäudebestand und Sanierungspotenzial 3 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.3 2.3.1 2.3.2 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5 Bauwerk Rohbau Ausbau Fassaden Sanierungspotenzial des Bauwerks Gebäudetechnik Heizung, Lüftung und Klimatechnik Sanierungspotenzial der Lüftungs- und Klimatechnik Medienversorgung, Kunstlicht Sanierungspotenzial der Kunstlichtanlage Sick Building Syndrom Gesundheits- und Befindensstörungen in klimatisierten Gebäuden Sanierungspotenzial zur Vermeidung des Sick Building Syndroms Wirtschaftlichkeit Flächenkennwerte Baukosten Energieverbrauch Betriebskosten Wirtschaftliches Sanierungspotenzial 3 3 4 5 10 11 11 14 14 16 17 17 18 19 19 23 26 28 31 3 Ausgangspunkt und Ziel der Arbeit 31 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben 33 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.3 4.3.1 4.3.2 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 Kreisverwaltung Bad Segeberg Projektbeschreibung Wirtschaftlichkeit Komfortumfrage Vergleich mit den Sanierungszielen R+V Versicherung Domstraße Hamburg Projektbeschreibung Wirtschaftlichkeit Komfortumfrage Vergleich mit den Sanierungszielen Demonstrationsvorhaben „BS4“ der TU Braunschweig Projektbeschreibung Wirtschaftlichkeit Gegenüberstellung der Gebäude Gebäudekenndaten im Vergleich Sanierungskonzepte im Vergleich Wirtschaftlichkeit im Vergleich Komfortkriterien im Vergleich 34 34 41 45 50 51 51 55 58 61 61 61 66 71 72 72 74 78 ii Sanierung von Bürohochhäusern der 1960er und 1970er Jahre 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.3 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.4.5 5.5 5.6 5.7 Randbedingungen Immissions- und Witterungsschutz Dämpfung des Winddrucks Schlagregenschutz und Kondensatbildung Schallschutz Luftwechsel Sommerliche Überhitzung Temperaturen im Fassadenzwischenraum Lüftungsstrategie Öffnungsgrößen Speichermassenaktivierung Wärmebilanz Winterlicher Wärmeschutz PV-Integration Tageslicht 79 89 89 97 97 101 108 108 109 113 115 121 123 125 126 6 Demonstrationsdoppelfassade thermische Simulation 127 6.1 6.1.1 6.1.2 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 Validierung Datensatz und Simulationsmodell Abgleich mit den Messwerten Variantenvergleich Randbedingungen Sommerliche Überhitzung Datensatz Sommer 2003 Sommerliche Überhitzung Datensatz Sommer TRY 02 Jahresüberhitzung Datensatz TRY 02 128 128 128 132 133 135 144 147 7 Zusammenfassung 149 8 Literaturverzeichnis 157 Anhang 78 Sanierung von Bürohochhäusern der 1960er und 1970er Jahre iii Abkürzungsverzeichnis AP Arbeitsplatz APTK Ethylen-Propylen-Terpolymer-Kautschuk ASR Arbeitstättenrichtlinie BGF Bruttogeschossfläche BGFg Bruttogeschossfläche im Regelgeschoss ohne Doppelfassadenflächen BGFr Bruttogeschossfläche ohne Fahrzeugabstellflächen und ohne für Verwaltungsgebäude untypische Hauptnutzflächenanteile wie Verkaufsund Sporträume, Speiseräume und Großküchen sowie ohne Doppelfassadenflächen BKI Baukosteninformationsdienst der deutschen Architektenkammern BNF Büronutzfläche nach Siegel & Wonneberg [17] Bsim Building Simulation, Programm zur thermischen Gebäudesimulation C.I.E. International Commission on Illumination DIN Deutsche Industrie Norm DWD Deutscher Wetterdienst EBF Energiebezugsfläche EPDM Ethylen-Propylen-Dien-Monomer ESG Einscheibensicherheitsglas FF Technikfläche F90 Feuerwiderstandsklasse 90 Minuten GEMIS Globales Emissionsmodell-Modell Integrierter Systeme GVK Großraum vollklimatisiert HNF Hauptnutzfläche HNFg Hauptnutzfläche im Regelgeschoss IGS Institut für Gebäude- und Solartechnik, TU Braunschweig KF Konstruktionsfläche KFg Konstruktionsfläche im Regelgeschoss ohne Doppelfassadenflächen KVS konstanter Volumenstrom KW Kalenderwoche KWK Kraft-Wärme-Kopplung LW Luftwechsel MBO Musterbauordnung NF Nutzfläche NGF Nettogrundfläche NK Nicht klimatisiert NNF Nebennutzfläche OF Oberfläche PCB Polychlorierte Biphenyle iv Sanierung von Bürohochhäusern der 1960er und 1970er Jahre PCP Pentachlorphenol PTB Physikalisch Technische Bundesanstalt PV Photovoltaik RLT Raumlufttechnik RMG Rahmenmaterialgruppe SIA Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein SSV Sonnenschutzverglasung TK Teilklimatisiert TRY 01 Test Reference Year Bremerhaven TRY 02 Test Reference Year Hanover UTC Universal Time Code VDI Verein deutscher Ingenieure VF Verkehrsfläche VK Vollklimatisiert VSG Verbundsicherheitsglas WDVS Wärmedämmverbundsystem WRG Wärmerückgewinnung WSV Wärmeschutzverglasung WSVO Wärmeschutzverordnung ZNK Zellenbüro nicht klimatisiert ZTK Zellenbüro teilklimatisiert ZVK Zellenbüro vollklimatisiert ZWR Fassadenzwischenraum einer Doppelfassade Formelzeichen A [m²] -1 Fläche A/V [m ] Oberflächen- / Volumenverhältnis C [ppm] Konzentration, hier CO2 als Tracergas c [J/kgK] spezifische Wärmekapazität dB(C) [dB] Frequenzbewertung C, Lautstärke niedriger Frequenzen dB(A) [dB] Frequenzbewertung A, der Empfindlichkeit des menschlichen Ohres angepasst zur Angabe einer annähernd gehörrichtigen Lautstärke FC [-] Sonnenschutz-Abminderungsfaktor g [%] Gesamtenergiedurchlassgrad Hz [Hz] Frequenz in Hertz k [W/m²K] Wärmedurchgangskoeffizient aus DIN 4108 1974-10 kF [W/m²K] Index für das Bauteil Fenster aus DIN 4108 1974-10 km(W+F) [W/m²K] Index für den mittleren Wärmedurchgangskoeffizient Bauteil Wand und Fenster aus DIN 4108 1974-10 Sanierung von Bürohochhäusern der 1960er und 1970er Jahre kR [W/m²K] Index für das Bauteil Rahmen aus DIN 4108 1974-10 kV [W/m²K] Index für das Bauteil Verglasung aus DIN 4108 1974-10 lx [lx] Beleuchtungsstärke -1 v n nL nm n50 QL QT Rw [h ] [h-1] [h-1] [h-1] [Wh] [Wh] [dB] Luftwechselzahl Raumluftwechsel Luftwechselzahl Messwert Luftwechsel bei einer Druckdifferenz von 50 Pa Lüftungswärmeverlust Transmissionswärmeverlust bewertetes Schalldämm-Maß ohne Schallübertragung über flankierende Bauteile Rw,P Rw,R R`w [dB] [dB] [dB] bewertetes Schalldämm-Maß im Prüfstand gemessen bewertetes Schalldämm-Maß – Rechenwert bewertetes Schalldämm-Maß mit Schallübertragung über flankierende Bauteile R`w,res [dB] R´tr,s,w T Ti Tm Tzu t U [dB] [K] [K] [K] [K] [h] [W/m²K] resultierendes bewertetes Schalldämm-Maß des gesamten Bauteils bewertetes Bauschalldämm-Maß traffic surface thermodynamische Temperatur thermodynamische Temperatur des Innenraums mittlere thermodynamische Temperatur thermodynamische Temperatur der Zuluft Zeit Wärmedurchgangskoeffizient Uf [W/m²K] Index für das Bauteil Rahmen Ug [W/m²K] Index für das Bauteil Verglasung Uw [W/m²K] Index für das Bauteil Fenster V V& [m³] Volumen vW [m³/h] [m/s] Volumenstrom Windgeschwindigkeit akonv [W/m²K] konvektiver Wärmeübergangeskoeffizient arad [W/m²K] radiativer Wärmeübergangeskoeffizient ε [-] Emissionsgrad λ [W/mK] Wärmeleitkoeffizient ρ [kg/m³] Dichte der Luft σ [W/m²K4] Stefan-Boltzmann-Konstante tL [%] Lichtdurchlässigkeit des sichtbaren Strahlungsanteils τP [s] lokales Luftalter q [°C] Temperatur vi Sanierung von Bürohochhäusern der 1960er und 1970er Jahre Dank An dieser Stelle möchte ich mich bei allen bedanken, die zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben, insbesondere bei Herrn Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch und Herrn Prof. Werner Kaag für die wertvollen Anregungen, bei Herrn Rust, der als Nutzer die Versuche an der Demonstrationsfassade aktiv unterstützte, bei Frau Remann und Herrn Fähse, die die Analysen der Vergleichsgebäude ermöglichten, Herrn Plagge, Herrn Altendorf, Herrn Brügger und Herrn Ellermann für die Unterstützung bei der Installation der Messtechnik, dem Aufbau der Datenbank und der Datenaufbereitung und nicht zuletzt bei meiner Frau und meinem Sohn Alban, ohne die diese Arbeit nicht zustande gekommen wäre. Sanierung von Bürohochhäusern der 1960er und 1970er Jahre vii Kurzfassung In naher Zukunft stehen die Verwaltungsgebäude der 1960er und 1970er Jahre für eine Grundsanierung an. Diese Gebäude entsprechen nicht mehr heutigen Komfortkriterien und Anforderungen an die Arbeitsplatzqualität. Gleiches gilt in den meisten Fällen auch für die Gebäudetechnik und den Energieverbrauch. Die Wirkung der Gebäude im öffentlichen Raum und oft auch in seinem Inneren ist nicht mehr zeitgemäß. Sie sind nur noch eingeschränkt nutzbar und schwer vermietbar. Der Erhalt der Gebäude ist daher unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nur durch eine deutliche Wertsteigerung vertretbar. Gegenstand dieser Arbeit ist die Zusammenstellung typologischer Merkmale hoher Verwaltungsgebäude der 1960er und 1970er Jahre, die vergleichende Analyse bereits sanierter Bürohochhäuser mit gläsernen Vorsatzschalen sowie die Auswertung und Validierung von Modellversuchen an einer Demonstrationsfassade. Dabei zeigen drei untersuchte Gebäude die Bandbreite möglicher Sanierungen auf. Zum Einsatz kamen unterschiedliche Fassadensysteme, die Kastenfassade, die Mehrgeschossfassade und die unsegmentierte Vorhangfassade. Die Sanierungskosten reichten von 350 im einfachen bis 1.000 €/m² BGF netto im gehobenen Standard. Ziel der Arbeit ist es, unter vergleichbaren Rahmenbedingungen die Möglichkeiten und Grenzen der Sanierung mit gläsernen Vorsatzschalen und deren Vergleich mit Einfach-Fassaden herauszuarbeiten. Zwei im Jahr 2002 fertig gestellte Vorhaben wurden im Rahmen einer Grobanalyse evaluiert. Diese bestand in der Erfassung von Gebäudekenndaten und –kosten, der technischen Ausstattung und Energieverbräuche sowie in der Durchführung und Auswertung einer Nutzerumfrage. An einem Institutsgebäude der TU Braunschweig konnte ein Geschoss beispielhaft saniert und diese Sanierung modellhaft auf das Gesamtgebäude übertragen werden. Für zukünftige Sanierungen lassen sich aus diesen Beispielen Hinweise darauf herleiten, welche Ziele mit welchen Mitteln erreicht werden können und wo mögliche Risiken verborgen sind. Antworten auf die sich aus diesem Gebäudevergleich ergebenden bauphysikalischen Fragen geben die Messungen an einer Demonstrationsdoppelfassade. Am oben genannten Gebäude der TU Braunschweig wurden im Rahmen einer Parameterstudie unterschiedliche Öffnungsgrade und Betriebsweisen in der ein- und zweigeschossigen Ausführung der Doppelfassade in ihren Auswirkungen auf das Raumklima und den Immissionsschutz miteinander verglichen. Ein thermisches Simulationsmodell wurde auf der Grundlage der Messergebnisse mit dem Programm Bsim validiert, die Modellvarianten für unterschiedliche Klimadatensätze miteinander verglichen. Eine Entscheidungshilfe zur Anwendung von Doppelfassaden im Sanierungsfall gibt diese Arbeit insbesondere für den sommerlichen Überhitzungsschutz und den Schallund Witterungsschutz. Sie gibt Antworten auf Fragen zur Flächenwirtschaftlichkeit, zu den Baukosten und zum Energieverbrauch. Fazit: Die Baukosten eines Sanierungsvorhabens liegen um bis zu 70 % unter vergleichbaren Neubaukosten. Doppelfassaden müssen Einfach-Fassadensystemen bezüglich des sommerlichen Überhitzungsschutzes und der Baukosten nicht nachstehen. Passive Doppelfassaden eignen sich für alle Betriebszustände. Für die thermische Gebäudesimulation wurden Kriterien aufgestellt, die die Ergebnisse transparent, vergleichbar und realistisch darstellen. Bei fachgerechter Planung und Ausführung wird die Doppelfassade gerade in der Sanierung noch häufig zur Anwendung kommen. Kapitel 1 Entwicklung der Hochhausarchitektur 1 Entwicklung der Hochhausarchitektur Die Katastrophe zweier Stadtbrände Chicagos 1871 und 1874 war gleichzeitig die Geburtsstunde des Hochhauses. Konstruktive Voraussetzung war die Übernahme der im Industriebau erprobten Skelettbauweise des Tragwerks in den Verwaltungsbau. Die „First Chicago School of Architecture“, mit Daniel Burnham, Dankmar Adler, John Root, William Holabird, Martin Roche, William Le Baron Jenney und Louis Sullivan entstand. Ihr gemeinsames Bemühen bestand darin, die Struktur des Tragwerks in der Fassade sichtbar werden zu lassen und transparent auszufachen. So entstanden eindrucksvolle, meist horizontal entsprechend den Geschossdecken gegliederte Gebäude, wie das Reliance Building von Daniel H. Burnham 1894 oder der Schlesinger and Meyer Store von Louis Sullivan 1899. 1918 hängt Willis J. Polck erstmals eine Glasfassade über 4 Geschosse vor ein innerstädtisches Bürogebäude: das Halladie Building in San Francisco. Am Lever Building (s. Abb. 1 und 2) wagen SOM 1952 den Prototyp der filigranen Curtain Wall. Abb. 1 / Abb. 2: Lever Building Gesamtansicht (links) und Grundriss Regelgeschoss (rechts) aus [2] Ein gleichförmiges Netz aus minimierten, polierten Edelstahlprofilen überzieht die Fassade. Sie sind in den Decken- und Brüstungsbereichen mit grünem Glas ausgefacht und heben sich so als horizontale Bänder von den beschichteten Fensterflächen ab. Diese Reduktion kann nur durch eine Festverglasung erreicht werden. Bei dieser Fassade fehlten jedoch noch die Kenntnisse der beweglichen und gleichzeitig luft- und wasserdichten Elementverbindungen. Das Gebäude konnte erst sehr viel später durch dauerelastische Dichtungsprofile und Versiegelungsnähte abgedichtet werden. Die erforderliche Klimatisierung wird nicht in Frage gestellt. Werden zu Beginn dieser Entwicklung die Details noch sorgfältig erarbeitet, so sind sie dennoch unabhängig von Ort 1 2 Kapitel 1 Entwicklung der Hochhausarchitektur und Inhalt der Bauaufgabe. Dies ermöglicht die rasche weltweite Verbreitung der Curtain Wall. Das mit der Ölkrise 1973 einsetzende ökologische Bewusstsein begründet eine rasante konstruktiv-technische Entwicklung in den Bereichen der Glas- und Profiltechnik, sowie der Gebäudetechnik. In Deutschland wurden die ersten hohen Häuser in den 20er Jahren als städtebauliche Dominanten errichtet. Den Nationalsozialisten galten sie zunächst als Vertreter der Moderne, bevor sie als Repräsentationsbauten für das nationalsozialistischen System entdeckt, jedoch nie ausgeführt wurden. Nach dem 2. Weltkrieg wurde in Deutschland neu und mit unterschiedlichem Ergebnis über das Hochhaus diskutiert. In weniger als 50 Jahren wurden in der 2. Hälfte des 19. Jahrhunderts die Grundlagen für die moderne Gebäudetechnik entwickelt. Die Erfindung des absturzsicheren Aufzugs im Jahre 1853 durch den US-Amerikaner und Gründer der Otis Elevator Company Elisha Graves Otis ermöglichte die Erschließung hoher Häuser. 1888 wurden in Manhattan erste Häuser mit elektrischem Strom versorgt. 1904 realisierte Frank Lloyd Wright im Larkin Building in Buffalo, NY, den ersten vollständig künstlich „luftkonditionierten“ Bürogroßraum der USA. Das Turmhaus existiert nach Lewis Mumford immer nur in der „Dreifaltigkeit von Klimaanlage, Aufzug und elektrischer Transluzenz“ (zitiert nach Hoesch in [1] S. 103). Die Erfindungen, z.B. des Willis Carrier, Anlagenentwickler und „Vater der Klimaanlagentechnik“ (zitiert nach Hoesch in [1] S. 110), waren auf deren industrielle Anwendung und weniger auf die speziell haustechnische Nutzung ausgerichtet. Technische Anlagen wurden daher so konzipiert, das sie an einen Baukörper angebaut, oder in ihn hinein addiert werden konnten. Die Integration oblag dem Architekten. Bis 1950 besaß in Nordamerika jeder Verwaltungsbau Anlagen zur Raumkonditionierung, während in Europa Lüftung und Klimatisierung aus dem Gesundheitsingenieurwesen als Beitrag zur Steigerung der Volksgesundheit nur punktuell in Krankenhäusern, Theatern oder Parlamentsgebäuden eingesetzt wurden. Der erste und zweite Weltkrieg brachten die Entwicklungsanstrengungen in Europa fast vollständig zum Erliegen. Erst nach dem zweiten Weltkrieg setzten sich auch in Europa Gebäude von mehr als 6-10 Stockwerken durch. Klimatisierungen und schnell regelbare, ölbetriebene Heizungen und aus den USA übernommene Standards der Steuerund Regelungstechnik gehörten am Ende der 1950er Jahre bei allen größeren Bauvorhaben in Europa zum gebäudetechnischen Standard. Mit der Ölkrise 1973 und der anschließenden Rezession wurde ein nachhaltiger Perspektivenwechsel eingeleitet. Neben der lastorientierten, ökonomischeren Auslegung der Komponenten der Heizungs- und Lüftungstechnik werden präzisere Berechnungsmethoden zur Auslegung der gebäudetechnischen Anlagen entwickelt, die die bisher approximativern Verfahren ablösen. Aufwändige Betriebskostenstudien ergänzen den differenzierteren Planungsansatz. Mit der Tages- und Kunstlichtplanung entsteht ein bisher kaum beachteter neuer Bestandteil gebäudetechnischer Konzepte. Im Know-How Wettbewerb der Anlagenbauer und Planer überflügeln die Europäer ab ca. 1975 die nordamerikanische Konkurrenz mit ihren standardisierten und zu wenig differenzierten gebäudetechnischen Konzepten. Haben bis in die 1960er Jahre die gebäudetechnische Hardware und ihre Hersteller das Entwicklungstempo bestimmt, so übernehmen mit der Überwindung der Rezession die Planer die Rolle des Entwicklungs- und Innovationsträgers. Neue Konzepte entwickeln sich damit wieder unmittelbar aus dem Arbeitszusammenhang der am Planungsprozess beteiligten. Kapitel 2 Stand der Technik 2 3 Stand der Technik, Gebäudebestand und Sanierungspotenzial Es gibt z. Zt. keine Zusammenstellung typologischer Merkmale hoher Verwaltungsgebäude der 1960er und 1970er Jahre und dem daraus resultierenden eigenen Sanierungspotenzial. Weder für Energiekennzahlen, noch für spezifische Flächenkennwerte oder Baukosten gibt es eine Zusammenstellung von Bestandskennwerten dieser Gebäudekategorie. Die allgemeinen Ziele einer Sanierung, das Erzielen einer hohen Flächenwirtschaftlichkeit bei geringen Bau- und Betriebskosten und hohem Nutzerkomfort werden auf der Grundlage der Bestandsaufnahme über Grenz- und Zielwerte für diese Gebäudegruppe hergeleitet. Im Folgenden werden die typischen Bauweisen von Hochhäusern der 1960er und 1970er Jahre beschrieben und im Hinblick auf eine Sanierbarkeit bewertet. 2.1 Bauwerk Schon in der ersten Musterbauordnung [3] wurden Hochhäuser als Gebäude definiert, deren Fußboden mindestens eines Aufenthaltsraumes mehr als 22 m über der festgelegten Geländeoberfläche liegt. Die Definition der Hochhausgrenze ist bis heute unverändert gültig [5]. Schon in der Hochhausrichtlinie von 1957 (in der Fassung von 1957 abgedruckt in [4]) wie auch in [3] werden für Hochhäuser zwei Treppenhäuser gefordert. Um flexibel auf mögliche Funktionsänderungen reagieren zu können, verfügen viele Verwaltungsbauten der 1960er und 1970er Jahre zur langfristigen Erweiterungsfähigkeit über eine Grundstücksvorhaltung, über eine hohe Deckentragfähigkeit von 5 kN/m² und ein einheitliches Konstruktions- und Versorgungsraster. Diese nachhaltigen Planungsgrundsätze bieten dem Planer heute gute Voraussetzungen für die Sanierbarkeit dieser Gebäude. So können z.B. die zusätzlichen Lasten aus Doppelfassadensystemen oft ohne konstruktiven Aufwand in das Gebäude eingeleitet werden. 2.1.1 Rohbau Im Verwaltungsbau der 1960er und 1970er Jahre finden sich Skelettkonstruktionen aus Stahlbeton oder Stahl. Nach Verlauf und Anordnung der Hauptträger unterschied man Längsträger- und Querträgersysteme. Im Stahlbetonbau kann die Deckenplatte dann als massive Vollplatte (Spannweite 2,5 bis 5,5 m) oder Rippendecke (Spannweite 5 bis 8 m, maximal 12 bis 14 m) ausgebildet werden. Im Stahlbau werden Haupt- und Nebenträger benötigt, um das Stahlskelett beim Aufbauen auszusteifen. Die Frage der Wirtschaftlichkeit beantwortete Joedicke 1962 [6]: „Wird der Stahlbetonbau von den Lohnkosten, so wird der Stahlbau von den Materialkosten bestimmt“. In Europa war im Gegensatz zu den USA zur damaligen Zeit der Stahlbetonbau im mehrgeschossigen Verwaltungsbau um 15 bis 30 % wirtschaftlicher als der Stahlbau (nach [6]). Nachteilig wirken sich im Stahlbau auch die Brandschutzanforderungen an tragende Bauteile aus. Die Festlegung von Konstruktions- und Büroachsen sowie der Stützenstellung bestimmen das statische System und den Ausbau. Der bestimmende Faktor der gesamten Konstruktionslösung ist bei Hochhäusern jedoch die Windaussteifung. Die massiven Kerne oder deren Querwände übernehmen windaussteifende Funktionen. Dennoch 4 Kapitel 2 Stand der Technik waren zusätzliche Maßnahmen erforderlich, da die Lastresultierende aus Wind- (W) und Eigenlast (G) von einer bestimmten Höhe an außerhalb des Gebäudequerschnitts verläuft. Gängige Lösungen waren ein breites, massives Untergeschoss (s. Abb. 3), in das die vertikalen Scheiben als senkrechte Kragarme eingespannt werden oder die Erhöhung der Lasten auf die aussteifenden Wände (s. Abb. 4). Dies geschah z.B. durch vergrößerte Spannweiten der Decken in oberen Geschossen, so dass höhere Lastanteile auf den Kern abgesetzt werden konnten. Abb. 3 / Abb. 4: Windaussteifung von Hochhäusern schematischer Querschnitt breites Untergeschoss (links) und Lasterhöhung (rechts) aus [6] 2.1.2 Ausbau Aufgrund der im Ausbau geforderten Variabilität und Reversibilität beliebig großer Räume kamen fast ausschließlich Verbundestriche als Zement- oder Anhydritestriche zum Einsatz. Zur Verbesserung des Trittschallschutzes wurde in den meisten Fällen ein Teppichbodenbelag – antistatisch durch Stahlfasereinlage und rollstuhlgerecht aufgebracht. In Nebenräumen war der PVC-Belag als preiswerte und robuste Auflage verbreitet. Die Decken waren in Hochhäusern fast immer abgehängt, um die erforderliche Gebäudetechnik im Deckenhohlraum verlegen zu können. Sie trugen zur Verbesserung des Luft- und Trittschallschutzes sowie der Reduzierung der Nachhallzeiten - im Großraumbüro wurden 0,3 bis 0,5 Sekunden angestrebt - bei und waren gegebenenfalls aus Brandschutzanforderungen erforderlich. Eingesetzt wurden Rabitzdecken mit zweilagigem Kalkgipsputz, Metall- oder Kunststoff-Paneeldecken oder Kassettendecken. Die letztgenannten wurden je nach Anforderung als Schallschutzdecke gelocht, profiliert oder mit zusätzlicher Dämmstoffauflage ausgeführt. Als Trennwandsysteme kamen Gipskarton-Wände auf Metallständern in ein- oder zweilagiger Ausführung zur Anwendung. In geringem Umfang kamen auch demontable mehrschalige Wände zum Einsatz, z.B. Hartspan oder Eternitplatten auf einer Trag- oder Rahmenkonstruktion. Als Sonnen- und Blendschutz kamen in Hochhäusern zusätzlich zu beschichteten Gläsern Gardinen und innenliegende Jalousetten zum Einsatz. Kapitel 2 Stand der Technik 5 2.1.3 Fassaden Im Folgenden wird ein kurzer Überblick über die im Hochhausbau eingesetzten Fassadensysteme und Materialien in der typologischen Einordnung nach [7], [8] und [9] gegeben. Betonsandwichfassade Seit Ende der 1950er Jahre besonders im Hochhausbau häufig eingesetzt, bestand die Betonsandwichfassade (s. Abb. 5) aus einer äußeren Schale als Betonsichtfläche, häufig Waschbeton in einer Stärke von 6 cm als Mindestdicke. Aufgrund der besseren Bewehrungsüberdeckung wurden in [8] bereits 8 cm vorgeschlagen. Die Dämmstoffstärke lag zwischen 2 und 5 cm, meist extrudiertes Polystyrol. Seit 1974 wurden auch 8 cm Dämmstärke verwendet. Die die beiden Schichten verbindenden Anker waren aus Edelstahl. Eine besondere Bedeutung kam der konstruktiven Fugenausbildung zu, die die Fertigteilelemente schlagregendicht verbinden. Als Material kamen dauerelastische Kitte auf Polysulfidbasis (Thiokol) zur Anwendung. Bei Räumen mit künstlicher Luftbefeuchtung und einer Ausführung ohne raumseitige Dampfsperre auf dem Dämmstoff waren schon früh Schäden durch Diffusionskondensation bekannt. 1. 2. 3. 4. 5. Innere Schale, statisch tragendes oder ausfachendes Bauteil, z.B. aus Mauwerk oder Beton, meist als Betonfertigteil Wärmedämmung aus geschlossenporigem Schaumkunststoff Äußere Schale, in der Regel Bauteil aus Beton zum Witterungsschutz und zur optischen Gestaltung Fuge, horizontales Abdichtungsprinzip Schwelle, vertikales Abdichtungsprinzip Labyrinth Edelstahl Trag- und Torsionsanker Abb. 5: Betonsandwichfassade Schnitt und Grundriss aus [8] Hinterlüftete zweischalige Fassade Über eine nach außen hinterlüftete 50 mm starke Luftschicht konnte in die Dämmschicht (50 - 80 mm Mineralwolle) eingedrungenes Kondensat abgeführt werden. Es kamen folgende Materialien zum Einsatz: als äußere Schale: Betonwerkstein, Naturstein, Asbestzementplatten, Aluminium, Edelstahl, „COR-TEN“ Stahl; als Wärmedämmstoff: offenporige Glas- oder Mineralwolleplatten; als innere Schale: Mauerwerk, Beton, Leichtbauelemente auf Basis Asbestzement, Gipskarton, Metall. Kunstund Natursteinbekleidungen (s. Abb. 6), witterungsbeständig und wartungsfrei wurden mit offenen Fugen zur Aufnahme thermischer Dehnungen und Hinterlüftung ausgeführt. Leichtbaufassaden (s. Abb. 7) wurden z.B. aus eloxiertem oder pulverbeschichtetem Aluminium meist mit geschossweise offenen Fugen und akustischer Entkopplung in Form einer Neoprenunterlage realisiert. Diese Bauweise war zudem ausführungsfehlertolerant, Mängel konnten mit vertretbarem Aufwand behoben wer- 6 Kapitel 2 Stand der Technik den. Ende der 1970er Jahre kam dieser Konstruktionstyp bei etwa 25 % aller Hochhausbauten teilweise oder insgesamt zur Anwendung. 1. 2. 3. 4. 5. Innere Schale, statisch tragendes oder ausfachendes Bauteil, z.B. aus Mauwerk oder Beton Wärmedämmung, vorrangig aus offenporigem Material, bevorzugt unkaschierte, nicht brennbare Mineralwolle Hinterlüftete Luftschicht, der erforderliche Belüftungsquerschnitt wird über offene Fugen gewährleistet Kunst- oder Natursteinplatte zugelassener Edelstahlanker Abb. 6 Hinterlüftete zweischalige Fassade Beton- oder Naturwerksteinfassade aus [8] 1. 2. 3. 4. Innere Schale, statisch tragendes oder ausfachendes Bauteil, z.B. aus Mauwerk oder Beton Wärmedämmung, vorrangig aus offenporigem Material, bevorzugt unkaschierte, nicht brennbare Mineralwolle Hinterlüftete Luftschicht, der erforderliche Belüftungsquerschnitt wird über offene Fugen gewährleistet Metall- oder anderweitige leichte Fassadenbauplatten, Fugen geschossweise mit Überhang Abb. 7 Hinterlüftete zweischalige Leichtbaufassade aus [8] Curtain Wall Die Curtain Wall als Warmfassade wurde ausschließlich im Verwaltungsbau eingesetzt und verfügte dort über einen Anteil von ca. 40 % aller Fassadesysteme. Das geringe Gewicht, die Unabhängigkeit von Rohbautoleranzen, der hohe Grad an Vorfertigung waren unter der Voraussetzung hoher Dichtigkeit und gleitfähiger Lagerung die Grundlagen ihres Erfolgs. Die Curtain Wall gab es in 3 verschiedenen Erscheinungsformen: Pfosten-Riegel-Konstruktion: Ein- bis zweigeschossig abgesetzte Pfosten wurden durch die horizontalen Riegel gleitend – meist über Kunststoffschuhe – miteinander verbunden. Eine oft angewendete Konstruktion war die Verblendung von Stahlbetonbrüstung und –sturz mit einem Aluminiumpaneel (s. Abb. 8), da Aluminium die für Hochhausbrüstungen geforderte Feuerwiderstandsklasse F90 nicht erreicht. Der zwischen Paneel und Brüstung entstehende Hohlraum sollte keine Verbindung zwischen den Geschossen zulassen, da eine hohe Brandüberschlagsgefahr bestand. Rahmenkonstruktion: Geschosshohe Rahmen wurden durch bewegliche Falze miteinander verbunden. Sie wurden bereits mit Paneelen ausgefacht, oft schon verglast geliefert und montiert. Mischformen der Rahmen Riegel Konstruktion: Jeweils zwei Rahmenelemente wurden durch Riegel gleitend miteinander verbunden. Kapitel 2 Stand der Technik 7 1. 2. 3. 4. 5. Fassadenverankerung, Lospunkt in vertikaler Richtung Betonbrüstung als problemloser Schutz gegen Feuerüberschlag Brüstungshohlraum; zur Sicherung von Kondensatfreiheit ist eine ausreichende Dämmstärke und der dichte Abschluss zum Raum erforderlich Fassadenverankerung, Festpunkt Geschossweise angeordnete Gleitfuge an Doppelriegeln Abb. 8: Curtain Wall am Beispiel der Brüstungsverblendung aus [8] Horizontal abgesetzte Fassade Bei diesem Fassadentyp wurden zwischen außen geschossweise sichtbaren Geschossdecken oder kragenden Balkonen beispielsweise Leichtmetallfassaden in Rahmen- oder Pfosten-Riegel Bauweise eingesetzt. Diese Bauweise erforderte besondere konstruktive Details, um Kondensationsschäden zu vermeiden. Für solche Sichtbetonanwendungen und tragende Bauteile wie z.B. außen sichtbare Stützen wurde Leichtbeton als Ort- oder Fertigbeton verwendet. Zum Einsatz kamen Blähton- und Blähschieferbeton, Hüttenbimsbeton und Aschen- und Schlackensinterbeton mit Rohdichten von 1,2 bis 2,0 kg/dm³ und Wärmeleitfähigkeiten von 0,3 bis 0,8 W/mK. Seit 1974 war die Anwendung von Leichbeton in der Fassade ohne zusätzliche Wärmedämmassnahmen oder eine thermische Entkopplung nicht mehr durchsetzbar. Elemente der Curtain Wall Am Beispiel der Elemente der Curtain Wall wird aufgezeigt, welchen Einfluss die Entwicklung des baulichen Wärmeschutzes auf die Ausbildung des konstruktiven Details und die Fassadengestaltung haben. Die Entwicklung des baulichen Wärmeschutzes in der BRD 1952-1977 ist tabellarisch im Anhang Abb. 1 zusammengestellt. Der bauliche Wärmeschutz erreichte in den ergänzenden Bestimmungen zur DIN 4108 1974-10 einen Standard, der Isolierverglasungen mit kF ≤ 3,5 W/m²K forderte und den mittleren Wärmedurchgang für Außenwandflächen auf km(W+F) ≤ 1,9 W/m²K begrenzte. Einfachverglasungen und die zum Schutz von Oberflächenkorrosion eingesetzten Dämmstoffstärken von 20 mm waren seit dem in der Fassade nicht mehr einsetzbar. Thermisch getrennte Rahmenprofile, Isolierverglasungen mit 6 bis 12 mm Scheibenzwischenraum und Dämmstoffstärken 50 mm wurden zum technischen Standard. Die mehrschichtig aufgebauten Paneelelemente wurden dampfdicht mit k < 0,7 W/m²K ausgebildet. Mit reflektierend beschichteten Isoliergläsern mit z.B. kV = 1,7 W/m²K blieben bei einem Rahmenanteil von weniger als 20 % und z.B. kR = 2,4 W/m²K sogar Ganzglasfassaden technisch realisierbar. Die Kenntnis der eingesetzten Materialen und deren bauphysikalischen Eigenschaften ist bei der Erstellung eines Sanierungskonzepts, das den Erhalt wesentlicher Teile der Konstruktion zum Ziel hat, unerlässlich. 8 Kapitel 2 Stand der Technik Verglasung Im Verfahren der Gussglasherstellung wurden Einscheibenverglasungen seit 1919 durch beidseitiges Schleifen und Polieren der Tafelgläser in Stärken von 4 bis 21 mm als Kristallspiegelgläser mit einem kV von 5,8 W/m²K hergestellt. Sie wurden mit und ohne Drahteinlage, farbig oder ornamentiert, lichtdurchlässig aber nur beschränkt durchsichtig hergestellt. Seit 1958 wurde Floatglas durch die Firma Pilkington Brothers industriell hergestellt. Schon bei Einscheibenverglasungen wurde versucht, mit veredelten Gläsern besonderen Anforderungen Rechnung zu tragen. Die Glasveredelung zur Veränderung der physikalischen Eigenschaften wurde durch Einfärbung von Glas und die Beschichtung mit zumeist dünnen Metallschichten zur Reduzierung des Strahlungsdurchgangs und der Emissivität erreicht. Ziel war damals wie heute die Optimierung der wesentlichen Kenngrößen des Wärmedurchgangs, der Farbwiedergabe, der Tageslichttransmission, des Gesamtenergiedurchlassgrades und des Schalldämmasses. Einfachverglasungen kamen bis Ende 1960er Jahre auch als Kastenfenster zum Einsatz. Veredelte Gläser waren z.B. das „PARELIO 24“ der Firma Flachglas AG, ein mit Metallsalzen beschichtetes, vorgespanntes und eingefärbtes Kristallspiegelglas mit einem g - Wert von 61 % oder das „PARASOL bronze“ mit einem g - Wert von 49 %. Konnten auf Einfachglas nur Hardcoatings eingesetzt werden, so begann mit Mehrscheibenglas auch die Entwicklung von Softcoatings. Die Herstellung von Mehrscheibenglas lässt sich nach der Art des Randverbunds unterscheiden: Geschweißtes Isolierglas: Hierbei wurde durch Verpressen der Ränder von zwei Glastafeln der Randverbund hergestellt. Gängige Produkte waren die Isolierscheiben der Firma DETAG mit der Typenbezeichnung „Gado - Glanzglas-Doppel-Scheibe“ seit dem Jahre 1955. Gelötetes Isolierglas: Der Randverbund wurde mit einem Abstandshalter aus Blei auf einem Haftgrund hergestellt. Gängiges Produkt waren die Isolierscheiben der Firma DELOG und der Glas und Spiegelmanufaktur AG mit der gemeinsamen Typenbezeichnung „THERMOPANE“ seit dem Jahre 1954. Seit Anfang der siebziger Jahre wurde die eingeschlossene Feuchtigkeit nicht mehr herkömmlich ausgeblasen, sondern mit Hilfe eines Trocknungsmittels in eine kleine Patrone adsorbiert. Organisch geklebt bzw. gedichtet: Es handelte sich um eine Kombination plastischer und elastischer Dichtungssysteme mit einem Edelstahl Kantenschutz, der federartig den Randverbund zusammenfasste. Als bedeutende Technologien etablierten sich zu Beginn der 1970er Jahre das Cudo-, Polyglas- und Multipane System. Als Isolierverglasungen standen in den 1970er Jahren zur Verfügung: die unbeschichtete Zweischeiben-Isolierverglasung mit kV = 3,1 W/m²K, die reflektierend beschichtete Isolierverglasung mit kV = 1,7 W/m²K, die z.B. beim goldbedampften „Cudo Auresin“ mit einer Tageslichttransmission von 66 % und einem Gesamtenergiedurchlassgrad von 44 % gleichzeitig Sonnenschutzverglasung war. Ebenso verspiegelte Isoliergläser, z.B. „Calorex A0“ mit kV = 3,1 W/m²K und einer Tageslichttransmission von 45 % sowie einem Gesamtenergiedurchlassgrad von 41 %. Als Fugenversiegelung wurden Nass, Trocken- und Druckverglasungen eingesetzt. Nur für zu öffnende Fenster waren seit 1969 Fugendichtigkeiten für Gebäude über 8 m Höhe mit a ≤ 1,0 m3/hmPa2/3 vorgeschrieben. Mit „schwerer“ Isolierverglasung im Aufbau 8/12/4 ließ sich eine Kapitel 2 Stand der Technik 9 Schalldämmung von R`w = 32 dB erreichen. Der aus einem Aluminiumabstandhalter, dem Molekularsieb als Trocknungsmittel, innerer plastischer (Butyl) und äußerer elastischer (z.B. Polysulfid) Dichtung bestehende Randverbund wurde Ende der 1970er Jahre entwickelt. Farbneutrales Isolierglas wurde erst Anfang der 1980er Jahre z.B. 1982 „Iplus-neutral“ [10] eingeführt. Die Befüllung des Isolierglaszwischenraums mit Edelgasen (SF6 / Argon) erfolgt seit Mitte der 1980er Jahre. Der Marktanteil beschichteter Isoliergläser stieg erst in den 1990er Jahren von 8 auf über 90 %. Paneel Als Verkleidung von Fassaden wurde Aluminium in Tafeln, Well- oder Trapezblech verwendet. Da die Oberfläche unbehandelten Aluminiums im Laufe der Zeit trüb und grau wird, wurde zur Oberflächenveredelung oft die anodische Oxidation eingesetzt. Das Eloxieren bot neben der Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit der Fassade auch die Möglichkeit der Einfärbung von hochglanz - natur über bronze bis schwarz. Das Erscheinungsbild wurde auch durch die Oberflächenvorbehandlung bestimmt, unterschieden nach DIN 17611 in E0 bis E6, je nachdem ob eine oberflächenabtragende Vorbehandlung – Schleifen, Polieren, Bürsten – erfolgte oder nicht. Ende der 1970er Jahre setzten sich auch Farbbeschichtungen im Nasslack- oder Pulverbeschichtungsverfahren durch. Der Einsatz von Edelstahl für Fassadenverkleidungen und Befestigungsteile war erst bei großen Stückzahlen wirtschaftlich. Je nach Anforderungsprofil z.B. normale oder aggressive Atmosphäre kamen unterschiedliche Legierungen zum Einsatz. Die Paneelelemente wurden umlaufend über Druckeindichtung oder dauerelastisch nasse Versiegelung eingedichtet. Profilsystem Wesentlichen Anteil am Witterungs- und Wärmeschutz des Gebäudes hat bei Rahmenanteilen von 15 bis 35 % das Profilsystem. Konstruktiver thermischer Dehnungsausgleich, die Verhinderung der Tauwasserbildung und die Sicherstellung der Schlagregendichtigkeit waren die wesentlichen Ziele der Entwicklung. Hohen Schallschutzanforderungen wurde mit Kastenfensterkonstruktionen mit mehr als 10 cm Scheibenzwischenraum entsprochen. Bis Ende der 1960er Jahre kamen neben Stahlprofilen thermisch nicht getrennte Aluminium Systeme, für Einfach- oder Isolierverglasung, nass verglast oder für eine außen liegende Dichtschnur bzw. abgesiegeltes Vorlegeband vorbereitet, zum Einsatz. Sie verfügten über eine außen umlaufende Dichtebene aus PVC grau, die Anschlagdichtung war für Beschläge unterbrochen, eine Falzbelüftung war nicht vorhanden z.B. Profil „2000“ (s. Abb. 9) der Firma Hartmann 1968 [11]. Die tragenden Profile bestanden oft aus Stahl. Wesentliche Veränderungen wurden zu Beginn der 1970er Jahre marktreif entwickelt. Das Hauptaugenmerk lag dabei bei den im Verwaltungsbau dominierenden Aluminiumprofilen: die Umstellung auf Mitteldichtungen verbunden mit dem Materialwechsel auf EPDM (frühere Bezeichnung APTK), durchgehende Anschlagdichtung, Falzbelüftung, Trocken- und Druckverglasungen sowie erste thermisch getrennte Profile. Die bis Mitte der siebziger Jahre am Markt befindlichen Profilsysteme reduzierten die Wärmeübertragung in der Regel nur in Teilbereichen, z.B. durch das Ausschäumen des Hohlraums oder die Unterbrechung der durchgehenden Metallste- 10 Kapitel 2 Stand der Technik ge. Die Kombination aller Maßnahmen war z.B. ab 1975 mit dem Profil „E 5000“ (s. Abb. 10) der Firma Hartmann [12] erhältlich. System 2000 System E 5000 Abb. 9 / Abb. 10: Profilsystem „2000“, thermisch nicht getrenntes Aluminiumprofilsystem für Einfach-, oder Isolierverglasung mit Außen- und Innenanschlagdichtung, Grundriss und Schnitt (links), Profilsystem „E 5000“, thermisch getrenntes Aluminiumprofilsystem mit Mittel- und Innendichtung und Glasfalzbelüftung, Schnitt (rechts ) aus [11], [12] Eine Übersicht mit den den Rahmenmaterialgruppen zugeordneten Profildarstellungen findet sich in der WSVO 1977 Anlage 1 zu § 2, Tabelle 3. In der Mitte der siebziger Jahre existierten auch eine Reihe in statischer Hinsicht gleichwertiger Varianten der Rahmeneckverbindungen: Geschweißte und hartgelötete, sowie geschraubte und gespreizte Eckverbindungen, Spezial-Bolzen-Verbindungen und geklebte Eckverbindungen. Daneben gab es entsprechend der Anzahl der Profilhersteller (in Deutschland 1972: 71, 1973: 62 [13]) zahlreiche Sonderkonstruktionen, wie z.B. außenliegende Tragprofile. 2.1.4 Sanierungspotenzial des Bauwerks Rohbau und Ausbau können im Sanierungsfall weitgehend erhalten bleiben, sofern die Sanierungsziele der neuen Nutzung auf die Möglichkeiten des baulichen Bestands abgestimmt sind. Die vielfach angesetzten hohen Deckentragfähigkeiten bieten planerischen Gestaltungsspielraum, die Grundstücksvorhaltung ermöglicht Erweiterungen. Kapitel 2 Stand der Technik 11 Die Bestandsfassaden erfordern eine differenzierte Beurteilung. Zum einen sind die Schadensbilder an Hochhausfassaden und die Sanierungsmöglichkeiten zu vielfältig als dass sie typologisiert oder bewertet werden können. Zum anderen ist die Fassade als Schnittstelle zur Gebäudetechnik wesentlicher Bestandteil komfort- und energiegerechter Sanierungsziele. Als wichtiger technologischer Fortschnitt kann der Einsatz thermisch getrennter Profile zu Beginn der 1970er Jahre festgehalten werden. Dies kann eine Voraussetzung für die Sanierbarkeit einer bestehenden Primärfassade sein, da die Mindestwerte der Energieeinsparverordnung 2004 für Vorhangfassaden mit 1,9 W/m²K eingehalten werden können. Zu berücksichtigen ist die Tatsache, dass im Ausbau und der Gebäudetechnik zur Verbesserung der Baustoffeigenschaften insbesondere im Zeitraum von 1960 bis Mitte der 1980er Jahre Stoffe wie Asbest, PCB, PCP und Lindan häufig eingesetzt wurden. In diesen Fällen bedarf es einer bauwerksbezogenen Schadstofferkundung, einer Bewertung der Erkundungsergebnisse und eines Rückbau- und Entsorgungskonzepts. 2.2 Gebäudetechnik Im Folgenden werden die eingesetzten Systeme und deren Sanierungspotenzial beschrieben. 2.2.1 Heizung, Lüftung und Klimatechnik Unterschieden wurden damals wie heute grundsätzlich 3 Arten der Raumlufttechnik. Reine Be- und Entlüftungsanlagen gewährleisten den Außenluftwechsel. Die benötigte Frischluft wird im Winter aufgeheizt, eine sommerliche Kühlung ist nicht möglich. Die Anlagen können mit und ohne Wärmerückgewinnung aus der Abluft ausgeführt werden. Teilklimatisierungsanlagen bieten darüber hinaus die Möglichkeit die Zulufttemperaturen im Sommer zu beeinflussen, so dass ganzjährige Temperaturregelungen möglich sind. Eine Entfeuchtung wird im Regelfall nicht vorgenommen. Vollklimaanlagen dienen zur Erhaltung eines vorgegebenen Raumklimas hinsichtlich der Raumluftfeuchte und der Raumlufttemperatur, d.h. im Winter wird die zugeführte Luft beheizt und befeuchtet, im Sommer gekühlt und entfeuchtet. Die Dimensionierung dieser Anlagen nach der erforderlichen Kühlleistung führte zu 5 bis 7-fachen Luftwechseln (nach [15]), einem Vielfachen des Mindestfrischluftbedarfs für Personen mit entsprechend hoher Leistungsaufnahme der Ventilatoren. Der dem Kühllastbedarf des Gebäudes angepasste Gesamtvolumenstrom konnte daher aus bis zu 80 % Umluft bestehen. Vollklimaanlagen können die gesamte für die Beheizung erforderliche Energie zur Verfügung stellen. Aus wirtschaftlichen Gründen wurde zumeist ein statisches Heizsystem zur Deckung der Transmissionswärmeverluste installiert. Anforderungen Die DIN 1946 1951-04 bezog sich auf die mechanische Lüftung von Versammlungsräumen. Auf Büroräume waren die Regeln sinngemäß anzuwenden. Die erforderliche Luftwechselrate betrug 20 m³/h Person mit Rauchverbot und 30 m³/h Person mit Raucherlaubnis. Bei Außentemperaturen unter 0 °C durften dieser Werte halbiert werden. Mit der Ausgabe 1960-04 „Lüftungstechnische Anlagen“ wurde der Geltungs- 12 Kapitel 2 Stand der Technik bereich auf mechanische Lüftungsanlagen in Aufenthalts- und Arbeitsräumen erweitert. Die erforderliche Außenluftrate änderte sich nicht, jedoch wurde eine detaillierte Reduzierung bei Außenlufttemperaturen <0 °C und >26 °C zur Vermeidung unwirtschaftlich großer Erhitzer bzw. Kühler angegeben. 1979 nannte Gottschalk in [15] für die in der DIN nicht benannten Großraumnutzungen als Richtwert 40 m³/h Person und einen unteren Grenzwert von 15 m³/h Person, der aus hygienischen Gründen auch bei niedrigen Außentemperaturen nicht unterschritten werden sollte. Erst die Überarbeitung in der Ausgabe des Teils 2 der DIN 1946 1983-01 „Raumlufttechnik“ unterschied zwischen Einzel- und Großraumbüros mit 30 bzw. 50 m³/h Person und enthielt erstmals die Angabe eines empfohlenen Bereichs operativer Raumlufttemperaturen. Bei Raucherlaubnis sollten die genannten Werte um 20 m³/h Person erhöht werden. Die DIN 1946/2 1994-01 enthält die in Abb. 11 dargestellte Angabe eines empfohlenen Bereichs operativer Raumlufttemperaturen in Abhängigkeit von der Außentemperatur. Abb. 11: Operative Raumtemperaturen nach DIN 1946/2 1994-01 Der personenbezogene Mindest-Außenluftvolumenstrom wird über den m² Nutzfläche oder je Person als dem jeweils höheren Wert berechnet und beträgt im Einzelbüro 40 m³/h Person, im Großraumbüro 60 m³/h Person. Bei Raucherlaubnis soll dieser Wert um 20 m³/h Person erhöht werden. Die DIN 1946/2 wird 2005 durch die DIN EN 13779 abgelöst werden. Auf die Regeln für die Berechnung des Wärmebedarfs von Gebäuden DIN 4701 1947-07 folgte die Ausgabe 1959-01, auf deren Grundlage die Berechnungen durchgeführt wurden. Da der mit der Höhe zunehmende Winddruck großen Einfluss auf den Lüftungswärmbedarf hat, musste für Hochhäuser eine von der DIN abweichende Berechnung über ein Staudruckprofil durchgeführt werden. Die Einflüsse der Qualität einzelner Bauteile, der Gebäudegeometrie und -ausrichtung auf das winterliche und sommerliche Raumklima führt Spaehte [16] schon 1964 aus. Im Hinblick auf Hochhäuser heißt es darin: „Bei Hochhäusern, bei denen der jeweilige Windeinfluss immer schwer abzuschätzen ist, wird es zweckmäßig sein, die Heizfläche eines Raumes auf 2 oder 3 Heizkörper aufzuteilen, wodurch die Regelung der Raumtemperatur den jeweiligen Anforderungen leichter angepasst werden kann. Günstig ist auch die Gruppeneinteilung nach Himmelsrichtungen und eventuell auch nach der Höhe,...“. Kapitel 2 Stand der Technik 13 Eine Novellierung erfuhr die DIN 4701 zuletzt 1983 bzw. 1989. Sie wurde 2003 durch die DIN EN 12831 2003-08 ersetzt. Bestehende Klimaanlagen Die Auswertung der Untersuchung von Siegel und Wonneberg [17] ergab eine Verteilung von 27 % nicht klimatisierten, 15 % teilklimatisierten und 58 % vollklimatisierten1 Verwaltungsbauten in Deutschland und der Schweiz. Alle untersuchten Hochhäuser sowie auch alle Großräume2 – mit je einer Ausnahme - waren vollklimatisiert. Die meisten Gebäudetypen wie mehrbündige Zeilenbauten oder kompakte Verwaltungsgebäude lassen sich aufgrund der großen Gebäudetiefe in eine künstlich belichtete und belüftete Innenzone und eine natürlich belicht- und belüftbare Außenzone aufteilen. Die verschiedenen Luftverteilsysteme im Gebäudebestand sowie deren Sanierungsmöglichkeiten und -potenzial sind in [18] ausführlich beschrieben. Die Luftaufbereitungstechnik in der Lüftungszentrale ist in den verschiedenen Systemen ähnlich. Alle Anlagen wurden mit konstantem Volumenstrom (KVS-Anlagen) ausgeführt. Erste Regenerativ-Wärmetauscher kamen zum Zweck der Wärmerückgewinnung zum Einsatz. Hierbei wurden Wärmerückgewinnungsgrade von bis zu 60 % erreicht. Zur Kühlung wurden meist Kompressionskältemaschinen eingesetzt. Allen Einkanal- und Mehrzonen-Anlagen wurde die Kombination mit einem statischen Heizsystem empfohlen. Da auf raumlufttechnische Anlagen nach der Sanierung mit gläsernen Vorsatzschalen weitestgehend verzichtet werden soll, beschränkt sich die Ausführung hier beispielhaft auf die Beschreibung der Einkanalklimaanlagen mit konstantem Volumenstrom: Einkanalklimaanlagen versorgten Räume gleicher Luftzustände (s. Abb. 12). Die Verteilung der Zuluft erfolgte meist über ein Blechkanalsystem zu einem oder mehreren Räumen. Eine Einzelraumregelung war bei diesem Anlagensystem nicht möglich. Entlüftet wurden die Räume entweder über Einzelraumentlüfter oder ein dem Zuluftkanalnetz parallel geführtes Abluftkanalnetz, welches einen energiesparenden Umluftbetrieb ermöglichte. Einkanalklimaanlagen mit konstantem Volumenstrom wurden als Niederdruckanlagen ausgeführt mit Kanal-Luftgeschwindigkeiten von 4 bis 8 m/s. Abb. 12: Vereinfachtes Anlagenschema Einkanal - Klimaanlage mit konstantem Luftvolumenstrom aus [18] 1 unter nicht - klimatisierten Gebäuden wurden auch teilbelüftete Gebäude erfasst, unter teil - klimatisierten Gebäuden wurden Gebäude, die in der Gesamtkonzeption nicht oder teilbelüftet sind, jedoch „in Teilen“, z.B. EDV, Kantine, Sitzungszimmer vollklimatisiert sind, erfasst. 2 Objekte mit mehr als 70 % Einzel- und Gruppenräumen wurden zu den Zellenbauten, solche mit mehr als 70 % Großräumen zu den Großraumbauten gezählt. Dazwischen lagen die Mischtypen. 14 Kapitel 2 Stand der Technik Im Anlagenbestand fanden sich auch Lüftungsüberdruckdecken, in denen der Hohlraum zwischen der abgehängten Decke und der Rohdecke aufgeteilt in Deckenfelder als Zuluftverteiler benützt wurde. Dieses System wurde auch als Unterdruckdecke eingesetzt. Die ungleichmäßige Durchlüftung und schwierige Abdichtung der Deckenfelder führten jedoch bald zur Aufgabe dieser Systeme. Weitere Systeme waren die Mehrzonenklimaanlage mit konstantem Volumenstrom, die Zweikanalklimaanlage mit konstantem Luftvolumenstrom und Mischkästen als Niederoder Hochdruckanlage und Induktionsklimaanlagen mit Heizwasser- und Kaltwassersystemen mit Zweileiter- oder Vierleitersystem. Diese Anlagen sind in [18] ausführlich beschrieben. Freie Lüftung Schon in den 1970er Jahren wurden z.B. von Lampe 1974 [19] und Gottschalk 1979 [15] die Voraussetzungen für eine natürliche Lüftung in Kombination mit einer einfachen Heizungsanlage unter Einhaltung komfortabler Arbeitsbedingungen formuliert, da die Bau- und Betriebskosten der Klimatisierung einen wesentlichen Anteil an der Wirtschaftlichkeit des Gebäudes hatten. Als Bedingungen wurden in [15] genannt: eine Raumtiefe von <8 m (Zellenbüro); eine Traufhöhe von bis zu 20 m, je nach Lage auch bis zu 40 m und keine störenden Umwelteinflüsse wie z.B. Lärm. Darüber hinaus sollte der Fensterflächenanteil zur Begrenzung der sommerliche Überhitzung und Reduzierung der Strahlungsasymmetrie 35 % der Fassadenfläche nicht überschreiten. Zur Dämpfung und Verschiebung der Oberflächentemperaturamplituden sollten schwere Bauteile mit hohem Speichervermögen zum Einsatz kommen. Für die natürliche Lüftung sind heute Raumtiefen von 2,5 * lichter Raumhöhe bei einseitiger Lüftung und 5,0 * lichter Raumhöhe bei Querlüftung zulässig (vgl. Arbeitstättenrichtlinien ASR 5 1979-10). 2.2.2 Sanierungspotenzial der Lüftungs- und Klimatechnik Nach der Definition eines Sanierungsziels können Sanierungsvarianten für die unterschiedlichen Anlagentypen erarbeitet werden. Die Ziele werden beschrieben über die gewünschten Raumkonditionen, die zulässige Abweichung von diesen Zielgrößen, die gewünschte Energieeinsparung, die geltenden Richtlinien, die Raumnutzung, die Bauund Betriebskosten und die Art der Realisierung z.B. in Bauabschnitten im genutzten Bestand. Gegenstand dieser Untersuchung ist die Sanierung der Gebäudehülle sowie die Integration von freier Lüftung und passiver Kühlung. Dies führt zu Um- und Rückbauten der Anlagen im Rahmen eines integralen Planungsprozesses. Bestehende statische Heizsysteme können z.B. mit geringfügigen Änderungen oft erhalten bleiben. Die Energieeinsparmöglichkeiten für die Sanierung bestehender Anlagen sind in [18] beschrieben. 2.2.3 Medienversorgung, Kunstlicht Stromversorgung Je Schreibtisch bzw. Fassadenraster außen liegender Arbeitsplätze wurde je eine „Büromaschinensteckdose“ und ein Telefonanschluss vorgesehen. Die Verteilung im Kapitel 2 Stand der Technik 15 Boden erfolgte über ein oft flächenbündig mit dem Verbundestrich ausgeführtes Kanalsystem, welches zur Versorgung der Innenzonen Überflurdosen erforderte, selten in einem Doppelboden. Estrichbündige Auslässe erforderten eine Hauptzuführung in oder unter der Konstruktionsdecke. Die Dimensionierung sollte eine Nachinstallation gewährleisten. An der Fassade erfolgte die Verteilung über einen Brüstungs- oder Bodenkanal. Eine Versorgung von der Decke wurde nur in Einzelfällen durchgeführt. Beleuchtung Die arbeitsphysiologischen Anforderungen an das Kunstlicht betrafen nach Gottschalk in Flexible Verwaltungsbauten ([14], erste Auflage 1968 und [15], zweite Auflage 1979) die Helligkeit, Kontraste, Gleichmäßigkeit, Direkt- und Reflexblendung, Schattigkeit, Farbcharakter und Farbwiedergabe. In der ersten Auflage von 1968 [14] wurden ausschließlich 1 - Komponenten-Systeme zur Beleuchtung von variabel nutzbaren Großräumen empfohlen. Die zusätzliche Arbeitsplatzbeleuchtung wurde ausdrücklich abgelehnt, da sie zu hohe Leuchtdichtekontraste und starke Schlagschatten verursache. Viel Aufmerksamkeit erfuhr der Übergang von vorwiegend mit Tageslicht und ausschließlich mit Kunstlicht versorgten Zonen. Hohe Fassadenverglasungsanteile erforderten eine hohe Lichtleistung (1000 lx) in der Innenzone zur Vermeidung starker Kontraste und unterschiedlicher Arbeitsplatzqualitäten. Für den Großraum wurde eine Reduzierung auf 20 bis 40 % Fassadenverglasungsanteil empfohlen, denn sie verringerte die erforderliche Mindestbeleuchtungsstärke in der Innenzone auf 750 lx. Diese Maßnahme reduzierte außerdem die sommerliche Überhitzung und damit die erforderliche Kühlleistung, die winterlichen Zugerscheinungen und die Bau- und Betriebskosten für Fassade und Sonnenschutz. Für die fensternahe Zone galt 1968 ohne weitere Begründung: „...ein Kunstlichtanteil von 500 lx muss bei Tageslichteinfall eingeschaltet sein“ (zitiert nach [14] S. 146). Das Kunstlicht sollte in Feldern von 50 bis 80 m² zweistufig schaltbar ausgeführt werden. Die installierte Kunstlichtleistung betrug ca. 25 bis 55 W/m² und trug mit etwa 40 % zur Gesamtkühlleistung des Gebäudes bei. Als Leuchten standen in den 1960er und 1970er Jahren zur Verfügung: indirekt strahlende, abgehängte Pendelleuchten, Auf- und Rastereinbauleuchten als Einzelleuchten in versetzter oder gereihter Anordnung sowie Lichtleisten mit und ohne Reflektor und einem darunter abgehängten Wabenraster. Zur direkten Wärmeabfuhr wurden bei Beleuchtungsstärken über 500 lx Abluftleuchten empfohlen. Der Beleuchtungswirkungsgrad der Anlagen betrug ca. 40 bis 60 %. Die Kritik am Großraum fand in der 2. Auflage von 1979 [15] auch Ihren Niederschlag in den Vorschlägen zur Beleuchtung: 2 - KomponentenSysteme wurden sowohl im Zellen als auch im Großraumbüro als sinnvoll empfohlen, da sie den individuellen Eingriff ermöglichten und damit auch Betriebskosten senken halfen. Auch die Beleuchtung von Zellenbüros war wieder eine planerische Aufgabe, die „von den Bedingungen des Tageslichts“ (zitiert nach [15] S. 114) ausgingt. Bis zu einer Raumtiefe von 5 m benötigten diese Bereiche nur zu gewissen Tages- und Jahreszeiten eine künstliche Zusatzbeleuchtung. Der Tageslichtquotient am Arbeitsplatz sollte 10 % betragen. Die Berechnung des Tageslichtquotienten nach [15] ging von 5000 lx als minimalem Wert im Freien an einem bedeckten Wintertag zwischen 10:00 und 14:00 Uhr aus. Eine gänzlich neue arbeitsplatzphysiologische Forderung war: 16 Kapitel 2 Stand der Technik „Erkennen von Lichtzeichen an glasabgedeckten Geräten mit unter Umständen störenden Spiegelungen“ (zitiert nach [15] S. 114): der Bildschirmarbeitsplatz entstand. Die Anforderungen an die Beleuchtungsstärke und installierte Leistung der 1960er und 1970er Jahre fasst Tabelle 1 zusammen. Anforderung [lx] Leistung von bis [W/m²] Verkehrswege 120 6,0 7,0 Archiv, Registratur, Pausenzone 250 12,5 14,0 Büroarbeitsplätze 500 25,0 27,5 1.000 50,0 55,0 Zeichnen, EDV, Großräume Tabelle 1: Kunstlicht Anforderungen und installierte Leistungen nach [14], [15] Die Anforderungen an die Beleuchtungsstärke haben sich in den 30 Jahren seit der Errichtung der untersuchten Verwaltungsbauten für die Großräume von 1000 lx auf 750 lx und die Bildschirmarbeit von 1000 lx auf 500 lx reduziert. Die übrigen Funktionen weisen gleiche oder leicht reduzierte Anforderungen auf. Zusammen mit der in ihren Wirkungsgraden erheblich verbesserte Lampen- und Leuchtentechnik können die heute installierten Leistungen im Mittel für Verkehrswege um 33 %, für Büroräume um 50 % und für Großräume um 66 % geringer ausfallen. Dies zeigt der Vergleich der Tabelle 1 mit Tabelle 2. Anforderung [lx] Leistung von bis [W/m²] Flure, Verkehrswege in Gebäuden 100 3,5 4,5 Büroräume (fensterorientierte Arbeitsplätze) 300 7,5 10,5 Büroräume 500 11,0 15,0 EDV, Datenverarbeitung, CAD 500 11,0 15,0 Großraumbüros 750 16,0 20,0 Tabelle 2: Kunstlicht Anforderungen und installierte Leistungen nach DIN 5035 und [20] 2.2.4 Sanierungspotenzial der Kunstlichtanlage Auf der Grundlage dieser installierten Leistungen wurde der Energieverbrauch für eine 11-stündige tägliche Betriebszeit von 6:00 - 17:00 Uhr an 250 Tagen im Jahr hochgerechnet 3. Die so ermittelten Verbräuche und Vollaststunden sind für den Gebäudebestand in Tabelle 3 und für die Sanierung in Tabelle 4 abgebildet. Verkehrswege (ohne Tageslichtnutzung) Verbrauch von bis [kWh/m²a] 8 18 1.400 Vollaststunden [h] 2.750 Büroarbeitsplätze (zum Teil Tageslicht.) 30 44 1.200 1.600 Zeichnen, EDV, Großräume 138 151 2.750 2.750 Tabelle 3: Kunstlicht errechnete Verbräuche 1960er und 1970er Jahre nach [14], [15] Verkehrswege (ohne Tageslichtnutzung) Verbrauch von bis [kWh/m²a] 3 11 Vollaststunden [h] 900 2.500 Büroräume (überwiegend Tageslichtnutzung) 3 7 400 650 Büroräume (zum Teil Tageslichtnutzung) 11 20 1000 1.300 Großraumbüros 44 55 2.750 2.750 Tabelle 4: Kunstlicht errechnete Verbräuche und Ziel und Grenzwerte nach [20] 3 Die Flächenangaben beziehen sich auf die mit der Energiedienstleistung versorgte Nettonutzfläche. Die Nutzungs-, Regelungs- und Tageslichtfaktoren wurden nach [20] ermittelt. Die Tageslichtautonomie wurde für überwiegende Tageslichtnutzung mit 60 bis 75 %, für teilweise Tageslichtnutzung mit 20 bis 40 % angenommen. Für die Flure wurde für den Bestand aus der 1960er und 1970er Jahren ein optimales Nutzer-verhalten bzw. Dauerlicht, bei einer Neuinstallation Bewegungsmelder bzw. Zeitschaltuhren angenommen. Kapitel 2 Stand der Technik 17 Sie liegen im Sanierungsfall innerhalb der vom Leitfaden Elektrische Energie [20] vorgegebenen Grenz- und Zielwerte. Damit ergeben sich mittlere mögliche Reduzierungen für Verkehrswege um ca. 45 %, für Büroräume (jeweils zum Teil tageslichtversorgt) um fast 60 % und für Großräume bis zu 70 %. Die Reduzierung des Verbrauchs fällt um 10 % größer als die mögliche Reduzierung der installierten Leistung aus. Die Ursache dafür liegt in veränderten Beleuchtungskonzepten (z.B. der 2 - Komponenten Beleuchtung) und den Regelungsstrategien. Das vollständige Einsparungspotential erschließt sich im Vergleich mit den Büroräumen mit überwiegender Tageslichtnutzung: es beträgt bis zu 90 % bei einer Tageslichtautonomie von 75 %, die im Rahmen einer Fassadensanierung durchaus erreichbar ist. Eine neue Beleuchtungsanlage kann also insgesamt weniger als die Hälfte der installierten Leistung und weniger als 40 % des Verbrauchs benötigen. Voraussetzungen sind der Einsatz von Lampen mit hoher Lichtausbeute und von Leuchten mit hohen Wirkungsgraden, die Optimierung der Tageslichtautonomie sowie die Nutzung von Regelungsmöglichkeiten. 2.3 Sick Building Syndrom Die in klimatisierten Gebäuden auftretenden Gesundheits- und Befindlichkeitsstörungen und deren Einfußfaktoren wurden seit Ende der 1960er Jahre als „Building Illness“ oder „Sick Building“ Syndrom untersucht. Die Resultate dieser Untersuchungen und deren planerische Konsequenzen sind im Folgenden kurz zusammengefasst. 2.3.1 Gesundheits- und Befindensstörungen in klimatisierten Gebäuden Die von Kröling in [21] 1985 veröffentlichten Untersuchungen zeigten in klimatisierten Verwaltungsgebäuden im Vergleich zu älteren, konventionellen Gebäuden massiver Bauart mit Lochfassade einen auffällig hohen Dauerschallpegel oberhalb von 50 dB(C), eine im Tagesverlauf sehr breitbandige Verteilung der Temperaturen von 16 bis 26 °C, wie auch der Raumluftfeuchten von 45 bis 65 %. Die Werte in den zum Vergleich untersuchten Altbauten ließen dagegen kaum eine Veränderung erkennen. Durch die Befragungen konnten Beschwerdegruppen isoliert werden, die sich plausibel bestimmten physikalischen, psychologischen, architektonischen Bedingungen zuordnen lassen. Konventionelle Gebäude waren dabei beschwerdemäßig unauffällig. Eine wesentliche Ursache der Störungen waren die hohen Luftwechselraten, die in Messungen 4 bis 8-mal höher als in nicht klimatisierten Gebäuden nachgewiesen wurden. Sie waren wie unter 2.2, Gebäudetechnik beschrieben technisch erforderlich, um auf das sich schnell ändernde Raumklima reagieren zu können. Ursachen waren die geringe Gebäudeträgheit, der aus heutiger Sicht geringe Wärme- und Sonnenschutz, sowie die Fugenundichtigkeiten. Die Folge waren Regelschwankungen mit den beklagten wechselhaften Temperaturen, die Aufhebung der Temperaturschichtung und hohe Luftgeschwindigkeiten, die im Heiz- und Kühlfall zur lokalen Entwärmung führen. Diese wiederum führt zu einer reflektorischen Tonuserhöhung der Nacken- und Schultermuskulatur, bei Dauerexposition zu schmerzhaften Verspannungen und daraus resultierend Kopfschmerzen. Trotz des großen Angebots an aufbereiteter Frischluft wurde die Luftqualität dennoch als unbefriedigend beurteilt. Dem subjektiven Bedürfnis nach „frischer Luft“, oft identisch mit kühler Luft, konnte aufgrund der häufig nicht zu 18 Kapitel 2 Stand der Technik öffnenden Fenster nicht entsprochen werden. Mögliche Ursachen bestanden auch in der Geruchsübertragung durch Umluftanteile und der fehlenden Oxydation der Geruchstoffe durch Ozon. Der medizinische und komfortbedingte Nutzen der Raumluftbefeuchtung, verantwortlich für die Keimbelastungen mit der Folge möglicher allergischer Reaktionen, wurde angezweifelt. Durch die Luftbefeuchtung und die Aufhebung der Temperaturschichtung wurde auch die Wärmeabgabe erschwert. Ermüdung, Konzentrationsschwächen und Leistungsabfall konnten die Folge sein. Der durch RLT-Anlagen gut übertragene niederfrequente Schall (< 100 Hz) wirkt als unspezifischer Stressor und sollte vermieden werden. Mangelnde Selbstbestimmung wie freie Temperaturwahl, Fensterlüftung und Beleuchtung war ein weiterer wichtiger Grund für die mangelnde Akzeptanz. Die Beschwerden in Zellen- und Großraumbüros unterschieden sich allerdings nur in zusätzlichen Kriterien wie dem Mangel an Privatheit im Großraum. Die beschriebenen Ursachen führten wahrscheinlich erst sekundär zu psychologischen Reaktionsmustern, die die Beschwerden verstärkten. 2.3.2 Sanierungspotenzial zur Vermeidung des Sick Building Syndroms Dem Beschwerdebild des Sick Building Syndroms kann in der Sanierung abgeholfen werden durch die Verbesserung des Wärme- und Sonnenschutzes, der Reduzierung des Luftwechsels auf das hygienisch notwendige Maß, der Realisierung einer natürlichen Lüftung oder der Wahl eines geeigneten Lüftungssystems, z.B. einer Verdrängungsströmung mit geringen Luftgeschwindigkeiten und dem Erhalt der vertikalen Temperaturschichtung. Der Verzicht auf Befeuchtung, die Schallentkopplung der Lüftungsanlage und die Integration individueller Regelungsmöglichkeiten sowie der Verzicht auf bis dahin bekannte Großraumstrukturen tragen ebenfalls zur Reduzierung des Sick Building Syndroms bei. Diese Annahme bestätigt die ProKlimA Studie [22] des Jahres 2003. Sie kommt zu dem Schluss, dass psychosoziale Faktoren die Akzeptanz eines Arbeitsplatzes weit mehr bestimmen als angenommen. Der Einfluss von Geschlecht, Arbeitszufriedenheit und Tätigkeitscharakteristika sei ungleich höher zu bewerten als das Raumklima. Die Auswertung lässt kein signifikantes Risiko durch Klimaanlagen mehr erkennen: „Umweltfaktoren des Innenraums zeigen ... keine Assoziationen zu Befindlichkeitsstörungen“ (zitiert nach [22] S. 208). Veraltete und schlecht gewartete Anlagen wiesen allerdings eine höhere Rate an Befindlichkeitsstörungen auf. Die Akzeptanz von Klimaanlagen könne durch die Möglichkeit des direkten Nutzereingriffs deutlich erhöht werden. In natürlich belüfteten Gebäuden wurden Lüftungsqualität und frische der Raumluft besser bewertet, als es die objektiven Parameter erwarten ließen. In klimatisierten Gebäuden wurde den Parametern Luftfeuchte, Raumtemperatur, Luftbewegung, Be- und Entlüftung eine signifikant höhere Bedeutung für das Wohlbefinden zugewiesen. Erst das Zusammenspiel von Tätigkeit, Ausstattung und Raumklima wird gebäudebezogene Befindlichkeitsstörungen vermeiden können. Gebäudespezifische und gebäudetechnische, sowie die im Folgenden beschriebenen wirtschaftlichen Faktoren sollten Eingang in ein integrales Sanierungskonzept finden. Kapitel 2 Stand der Technik 2.4 19 Wirtschaftlichkeit Wesentliche Parameter zur Beurteilung des Bestands im Hinblick auf eine mögliche Sanierung sind die Gebäudeflächenkennwerte, die Höhe der Baukosten sowie die Betriebskosten und der Energieverbrauch. 2.4.1 Flächenkennwerte Vorgehensweise Die für den Gebäudebestand hoher Verwaltungsbauten typischen Flächenkennwerte lassen sich auf der Grundlage der Gebäudedaten von 23 Hochhäusern der Untersuchung von Siegel & Wonneberg [17] ermitteln. Diese 23 Hochhäuser verfügten mit einer Ausnahme über bis zu 19 Geschosse, eine Geschosshöhe von im Mittel 3,6 m und bestanden zu fast gleichen Teilen aus Zellen-, Misch- und Großraumbüros. Es handelte sich also um vergleichsweise „kleine“ Hochhäuser. Sie waren mit einer Ausnahme vollklimatisiert. Aus dem Datensatz für Flächenkennwerte wurden das 26-geschossige und das nicht klimatisierte Hochhaus ausgeschlossen (s. Liste der Hochhäuser im Anhang Tab. 1). Die Untersuchung „Bau- und Betriebskosten von Verwaltungsgebäuden“ [17] erfasste 1977 insgesamt 110 Verwaltungsgebäude. Zur Beurteilung der Flächenwirtschaftlichkeit eines Gebäudes werden im Rahmen dieser Untersuchung die folgenden flächen- und arbeitsplatzbezogenen, spezifischen Kennwerte gebildet: die Hauptnutzflächenkonzentration als m² HNF/m² BGF [%] als Maß für die Flächeneffektivität des Gebäudes, der arbeitsplatzspezifische Flächenbedarf als m² BGF/AP und als m² HNF/AP als Arbeitsplatzdichte bzw. Maß für den Flächenkomfort. Aus diesen statistisch ermittelten Werten werden Grenz- und Zielwerte abgeleitet, die als Vergleichsgrundlage künftiger Sanierungen von Hochhäusern herangezogen werden können. Bei der Bewertung der Flächeneffektivität ist zu berücksichtigen, dass der Anteil von Garagen- und Sonderflächen an der Bruttogeschossfläche eines Gesamtgebäudes für Hochhäuser bis zu 43 % beträgt. Um den Einfluss dieser „untypischen“ Flächen zu eliminieren, wurde mit dem Index r eine nicht genormte, um diese Flächen reduzierte BGFr definiert. Die Bruttogeschossfläche eines Regelgeschosses wird mit dem Index g als BGFg bezeichnet. Für den Vergleich unterschiedlicher Gebäude weist die Betrachtung der Flächenkennwerte für ein Regelgeschoss die geringste Unschärfe auf. Büronutzung Neben dem klassischen und mit Abstand beliebtesten Bürotyp des Zellenbüros fanden sich in den hohen Verwaltungsbauten der 1960er und 1970er Jahre vor allem Großraumbüros. Den Großraum gab es als Bürosaal mit weitgehend offener Strukturierung, als Bürolandschaft oder Raum-in-Raum System. Großraumbüros stellten eine flächenwirtschaftliche Büroform dar, die auch immer einer Klimatisierung bedurfte und den Nachteil ungleichwertiger Arbeitsplätze aufwies. Es wurden Raumtiefen bis zu 30 m genutzt. Hochhaus, Großraumnutzung und Curtain Wall ergänzten einander in idealer Weise. Die Arbeitsplätze konnten flurlos erschlossen werden, die Innenzonen waren 20 Kapitel 2 Stand der Technik jedoch dauernd künstlich beleuchtet. Den vergleichsweise hohen Bauwerks- und Technikkosten stand die große Arbeitsplatzdichte gegenüber. Diese Großraumbüros gelten heute zumeist als Sanierungsfälle, da sie aktuellen Komfortansprüchen nicht gerecht werden können. Aus dem in die Kritik geratenen Großraum entstand Ende der 1970er Jahre das teamorientierte Gruppenbüro, das rasch auf Änderungen der Organisationsstrukturen reagieren kann. Die gemeinsamen Nutzungen wurden häufig in der Nähe der Erschließungsbereiche angeordnet. Den niedrigeren Bau- und Betriebskosten stand eine geringere Arbeitsplatzdichte gegenüber. Einen kurzen Überblick über die Planungskennwerte möglicher Bürotypen im Rahmen der Sanierung gibt die folgende Tabelle 5. Die Flächenangaben beziehen sich dabei auf die BGF eines Regelgeschosses auf der Grundlage von Typengrundrissen. Arbeitsplätze [AP] Fläche [m²] Raumtiefe [m] Klimatisierung Zellenbüro 1-6 10 - 50 4 - 5,5 Fensterlüftung Gruppenbüro 8 - 25 100 - 300 15 - 18* oft teilklimatisiert 25 - 100 400 - 1200 20 - 30 vollklimatisiert 1-2 9 - 12 4 - 5** Fensterlüftung Großraumbüro Kombibüro * bei Fensterlüftung 12 - 15 m ** Gebäudetiefe 15 - 17 m Tabelle 5: Planungskennwerte unterschiedlicher Büronutzungen aus [23] Flächeneffektivität Zunächst wird der Frage nachgegangen, ob Hochhäuser über eine erwartungsgemäß geringere Flächeneffektivität verfügen und welchen Einfluss die Klimatisierung hat. Dazu werden die Angaben aus Siegel & Wonneberg für das Mittel aller Gebäude mit der Auswertung für Hochhäuser verglichen. Die erwartete signifikante Zunahme des Verkehrsflächenanteils bei Hochhäusern kann nicht nachgewiesen werden (s. Tabelle 6). Die Gesamtdifferenz aus Nebennutz-, Funktions-, Verkehrs- und Konstruktionsflächen führt zu der erwarteten Reduzierung des Büronutzflächenanteils bei Hochhäusern im Vergleich zum Mittel aller Gebäude. Er beträgt 3 % bei den Zellenbüros und 7 % bei den Großraumbüros. Maß für den Einfluss der Klimatisierung ist die Größe des Funktionsflächenanteils. Nicht klimatisierte Gebäude weisen einen deutlich reduzierten Funktionsflächenanteil auf. So halbiert sich z.B. der Funktionsflächenanteil im nicht klimatisierten Hochhaus mit Zellenbüros auf 5 %. Der Büronutzflächenanteil erhöht sich jedoch nicht im gleichen Maß, da sich der Bezugsflächenanteil der BGFr entsprechend reduziert. Für nicht klimatisierte Gebäude kann von einer Erhöhung des Hauptnutzflächenteils von 2 % ausgegangen werden. Unter der Voraussetzung, dass auch Großraumbüros nicht vollständig vollklimatisiert errichtet werden müssen, kann diese Erhöhung auch für Großraumbüros in gleicher Größe angenommen werden. Mittelwerte vollklimatisierter Büroräume alle Gebäude Zellenbüros 4 BNF/BGFr NNF/BGFr FF/BGFr VF/BGFr KF/BGFr 50 % 9% 8% 21 % 10 % Hochhäuser Zellenbüro 47 % 8% 10 % 21 % 15 % alle Gebäude Großraum 57 % 10 % 10 % 17 % 7% Hochhäuser Großraum 50 % 9% 11 % 19 % 10 % Tabelle 6: Flächenanteile des Gesamtgebäudes bezogen auf BGFr in [%] nach [17] 4 Objekte mit mehr als 70 % Einzel- und Gruppenräumen wurden in [17] zu den Zellenbauten, solche mit mehr als 70 % Großräumen zu den Großraumbauten gezählt. Nicht klimatisierte Zellenbüros enthalten einen Gruppenraumanteil von 13,5 %, voll klimatisierte Zellenbüros einen Gruppenraumanteil von 46,1 %. Kapitel 2 Stand der Technik 21 Im Sanierungsfall werden sich die aufgrund der Vollklimatisierung höheren Funktionsflächenanteile im Gesamtgebäude nur in Ausnahmefällen in Hauptnutzflächen umnutzen lassen, da sich die Technikzentralen bei den betrachteten „kleinen“ Hochhäusern zumeist auf dem Dach oder im Untergeschoss befinden. Die Umnutzung von Schachtflächen in den Geschossen ist mit einem hohen konstruktiven Aufwand verbunden und setzt voraus, dass sich keine weiteren Medien mehr darin befinden. Für die Sanierung behalten daher die Flächenanteile aus dem Gebäudebestand Gültigkeit. Im Regelgeschoss (s. Tabelle 7) führt die Reduzierung der Nebennutz-, Funktions- und Konstruktionsflächenanteile zu einer deutlichen Erhöhung der Büronutzflächenkonzentration von Hochhäusern. Diese unterscheiden sich im Normalgeschoss nicht vom Mittel aller Gebäude. Die Flächenkonzentrationen des Regelgeschosses können auch auf nicht klimatisierte Gebäude angewendet werden, da der Funktionsflächenanteil nur 1 % beträgt. Mittelwerte vollklimatisierter Büroräume BNF/BGFg NNF/BGFg FF/BGFg VF/BGFg KF/BGFg alle Gebäude Zellenbüros 62 % - - - - Hochhäuser Zellenbüro 62 % 4% 1% 21 % 12 % alle Gebäude Großraum 76 % - - - - Hochhäuser Großraum 72 % 4% 1% 15 % 6% Tabelle 7: Flächenanteile im Regelgeschoss bezogen auf BGFg in [%] nach [17] Die Gültigkeit dieser Ergebnisse beschränkt sich auf „kleine“ Hochhäuser mit bis zu 20 Geschossen, wie der Vergleich mit dem nicht ausgewerteten 26-geschossigen Hochhaus zeigt: Die Hauptnutzflächenkonzentration reduziert sich im Regelgeschoss dieses Gebäudes mit Mischbürotypologie auf 51 %, verursacht durch einen Verkehrsflächenanteil von 30 %. Der Kennwert für das Kombibüro als mögliche Organisationsform im Sanierungsfall wird nach Schütz [24] bestimmt. Die Daten dieser Arbeit beruhen auf einer idealtypischen Grundrissplanung eines Regelgeschosses. Es werden daher nur relative Kennwerte aus dem Vergleich der Büroorganisationsformen verwendet. Die mittlere Hauptnutzflächenkonzentration des Kombibüros liegt danach um ca. 4 % unter der des Großraums und ca. 10 % über der des Zellenbüros. Diese Verhältnismäßigkeit wird auch auf das Gesamtgebäude übertragen. Aus der Auswertung des Datensatzes für Hochhäuser ergeben sich die in der folgenden Tabelle 8 genannten Grenz- und Zielwerte der Flächeneffektivität für die Sanierung von Hochhäusern. Sie werden für den Gebäudevergleich im Rahmen dieser Untersuchung verwendet. Da die Flächen gläserner Vorsatzschalen, die als Konstruktionsflächen Bestandteil der BGF sind, die BGF im Kennwertvergleich untypisch beeinflussen können, bleiben diese Flächen in der BGFg und BGFr unberücksichtigt. Die Grenzwerte entsprechen dabei dem unteren, die Zielwerte dem oberen Quartil des Datensatzes aus [17]. Hochhäuser bis 20 Geschosse Zielwert Grenzwert [HNFg/BGFg] [HNFg/BGFg] Grenzwert [HNF/BGFr] Zielwert [HNF/BGFr] Grenzwert [HNF/BGF] Zielwert [HNF/BGF] Zellenbüro 61 %* 64 %* 51%** 58 %** 38 %** 50 %** Großraum 69 % 77 % 55 %** 63 %** 39 %** 55 %** Kombibüro 66 % 73 % 54 %** 61 %** 39 %** 53 %** * reine Gruppenbüros weisen im Regelgeschoss aufgrund geringerer Verkehrs- und Funktionsflächenteile eine bis zu 4 % höhere Hauptnutzflächenkonzentration nach Schütz auf ** im Bestand nicht vollklimatisierte Gebäude können mit 2 % höheren Werten angenommen werden Tabelle 8: Grenz- und Zielwerte der Flächeneffektivität nach [17], [24] 22 Kapitel 2 Stand der Technik Zum Vergleich: Für Hochhäuser beträgt die Flächeneffektivität im Gesamtgebäude im Mittel 45,5 % HNF/BGF. Sie liegt damit erwartungsgemäß um 3 bis 4 % unter der mittleren Hauptnutzflächenkonzentration HNF/BGF der Verwaltungsgebäude des BKI von 49 % (Mittelwert der 28 Verwaltungsgebäude mit mehr als 5.000 m² BGF aus [25]) und 48 % nach VDI 3807. Im Regelgeschoss unterscheiden sich nach [17] die Hochhäuser nicht von Verwaltungsgebäuden geringer und mittlerer Höhe. Bezogen auf die BGFr des Gesamtgebäudes entsprechen die Zielwerte der Hochhäuser nach [17] den Mittelwerten der Verwaltungsgebäude geringer und mittlerer Höhe. Das vollständige Optimierungspotenzial im Sanierungsfall zeigt sich im Vergleich mit den erreichten Maximalwerten der Hochhäuser nach Siegel & Wonnenberg: Zellenbüros wiesen eine Hauptnutzflächenkonzentration im Regelgeschoss von bis zu 72 % auf, Großraumbüros von bis zu 90 %. In der Umnutzung von Nebennutz- und Verkehrsflächen zu Hauptnutzflächen liegt in vielen Gebäuden ein erhebliches, planerisches Optimierungspotenzial. Flächenkomfort Die Auswertung auf der Grundlage der Daten von Siegel & Wonneberg zeigt, dass der Großraum erwartungsgemäß die Nutzungsform mit der größeren Arbeitsplatzdichte im Vergleich zum Zellenbüro war. Hochhäuser wiesen im Flächenkomfort des Regelschosses bei nahezu gleicher Büronutzflächenkonzentration mit 12 bzw. 13 m² BNF/AP eine um jeweils ca. 1 m² höhere Arbeitsplatzdichte im Vergleich zum Mittel aller Gebäude auf. Sie verfügen also über eine größere Anzahl von Arbeitsplätzen auf gleicher Fläche und gleichen so den höheren Funktions-, Verkehrs- und Konstruktionsflächenbedarf des Gesamtgebäudes aus. Da es in [17] keine Angaben zur Anzahl der Arbeitsplätze im Regelgeschoss gibt, wird nach stichprobenartiger Überprüfung angenommen, dass die Arbeitsplatzdichte als BNF/AP im Regelgeschoss und im Gesamtgebäude gleich groß ist. Die Kennwerte der Arbeitsplatzdichte erhöhen sich proportional zu den im Gesamtgebäude sinkenden Büronutzflächenkonzentrationen. Die Arbeitsplatzdichte im Gebäudebestand zeigt die nachfolgende Tabelle 9. Mittelwert Mittelwert Mittelwert aller Gebäude Hochhäuser aller Gebäude Hochhäuser aller Gebäude Hochhäuser [m² BGFg /AP] [m² BGFg /AP] [m² BGFr /AP] [m² BGFr/AP] [m² BGF/AP] [m² BGF/AP] Zellenbüro voll klimatisiert 20,4 m² 19,7 m² 26,2 m² 25,4 m² 31,7 m² 31,0 m² Großraum voll klimatisiert 18,5 m² 18,0 m² 24,5 m² 26,5 m² 31,1 m² 33,4 m² Tabelle 9: arbeitsplatzspezifische Flächenkennwerte nach [17] Auch die Gültigkeit dieser Ergebnisse beschränkt sich auf „kleine“ Hochhäuser mit bis zu 20 Geschossen. Im 26-geschossigen Hochhaus z.B. steigt der Flächenkomfort auf 22,5 m² BGFg /AP obwohl der mit 51 % geringen Hauptnutzflächenkonzentration durch eine vergleichsweise hohe Arbeitsplatzdichte mit 11,4 m² BNF/AP begegnet wird. Zur Bestimmung von Grenz- und Zielwerten für die Sanierung stellt sich die Frage, welche arbeitsplatzspezifischen Flächenkennwerte dem heutigen Arbeitsplatzkomfort entsprechen. In Siegel & Wonneberg wird eine Zunahme des Flächenbedarfs um durchschnittlich mehr als 2 m² BNF je Arbeitsplatz von 1967 bis 1977 dokumentiert und mit einem gestiegenen Flächenanspruch begründet. Die Untersuchung von Schütz weist 1994 für das Zellenbüro im Vergleich zu 1977 keine weitere Steigerung aus. Da keine aktuellen statistischen Auswertungen zur Arbeitsplatzdichte im Verwaltungsbau zur Verfügung stehen, werden die Kennzahlen des Hochhausdatensatzes nach Kapitel 2 Stand der Technik 23 [17] auch in der Sanierung angewendet. Den Angaben für das Kombibüro liegt eine um 5 % höhere Arbeitsplatzdichte im Vergleich zum Zellenbüro nach Schütz zugrunde. Die Grenz- und Zielwerte der auf die Bruttogeschossfläche bezogenen Arbeitsplatzdichte (s. Tabelle 10) wurden aus dem oberen bzw. unteren Quartil des Datensatzes berechnet. Aus den Tabellen 8 und 10 ergeben sich die in Tabelle 11 genannten, auf die Hauptnutzfläche bezogenen Arbeitsplatzdichten. Hochhäuser bis 20 Geschosse Zielwert Grenzwert Zielwert Grenzwert Zielwert Grenzwert [m² BGFg /AP] [m² BGFg /AP] [m² BGFr /AP] [m² BGFr /AP] [m² BGF/AP] [m² BGF/AP] Zellenbüro 23 m² * 17 m² * 28 m² ** 22 m² ** 36 m² ** 27 m² ** Großraum 20 m² 16 m² 27 m² ** 21 m² ** 37 m² ** 24 m² ** Kombibüro 24 m² 18 m² 31 m² ** 25 m² ** 43 m² ** * reine Gruppenbüros weisen im Regelgeschoss einen um 10 % größeren Flächenbedarf nach Schütz auf ** im Bestand nicht vollklimatisierte Gebäude können mit 5 % geringeren Werten angenommen werden 28 m² ** Tabelle 10: Grenz- und Zielwerte der Arbeitsplatzdichte bezogen auf die BGF nach [17], [24] Hochhäuser bis 20 Geschosse Zielwert Grenzwert Zielwert Grenzwert [m² HNFg /AP] [m² HNFg /AP] [m² HNF/AP] [m² HNF/AP] Zellenbüro 13,7 m² * 11,2 m² * 14,5 m² ** 12,8 m² ** Großraum 13,8 m² 12,2 m² 14,9 m² ** 13,3 m² ** Kombibüro 15,7 m² 13,5 m² 16,8 m² ** 15,0 m² ** * reine Gruppenbüros weisen im Regelgeschoss einen um 20 % größeren Flächenbedarf nach Schütz auf ** im Bestand nicht vollklimatisierte Gebäude können mit 2 % geringeren Werten angenommen werden Tabelle 11: Grenz- und Zielwerte der Arbeitsplatzdichte bezogen auf die HNF nach [17], [24] 2.4.2 Baukosten Vorgehensweise Zunächst werden die Angaben zu Neubaukosten auf der Grundlage des BKI [25] und der Untersuchung „Bau- und Betriebskosten von Verwaltungsgebäuden“ [17] ausgewertet und einander gegenübergestellt. Die Kostenkennwerte des Neubaus dienen als Vergleichswerte für die im Sanierungsfall entstehenden Baukosten, die unter Zugrundelegung sanierungsspezifischer Baukostenteile aus den Angaben nach [25] ermittelt und stichprobenartig überprüft werden können. Die Erhebung des BKI [25] umfasst 73 Gebäude, beinhaltet jedoch keine Hochhäuser. Die Einordnung in die Standards kann anhand einer nach Kostengruppen gegliederten Punktewertung (s. Anhang Abb. 2) erfolgen. Dabei haben die Qualitätskriterien der Kostengruppe 300 einen mit steigender Gebäudequalität abnehmenden Anteil an der Gesamtbewertung. Wesentlichen Einfluss auf die qualitative Einordnung haben die Fassadenausbildung in Material und Fassadentypologie, die Qualität des Ausbaus und der gebäudetechnische Ausstattungsstandard. Die 23 vergleichsweise „kleinen“ Hochhäuser der Untersuchung aus [17] wurden zu 43 % mit einer Vorhangfassade und zu 57 % mit einer Bandfassade ausgeführt. Sie waren mit einer Ausnahme vollklimatisiert. Nur zwei Hochhäuser wurden als Stahlbauten ausgeführt. Sie lagen in den Herstellungskosten je m² BGF um 12 % über den Stahlbetonskelettkonstruktionen. Die Baukosten nach Siegel & Wonnenberg [17] wurden über den Baupreisindex mehrwertsteuerbereinigt auf das 1.Quartal 2004 hochgerechnet und mit den Mittelwerten für Verwaltungsbauten aus [25] verglichen. Der Baupreisindex stieg seit 1975 um 60 %. Die Auswertung des Datensatzes aus [17] unterschied nach Klimatisierung und Gebäudehöhe. 24 Kapitel 2 Stand der Technik Alle flächen- und arbeitsplatzbezogenen, spezifischen Kostenangaben beziehen sich auf den m² Bruttogeschossfläche nach DIN 277 und sind Nettobaukosten der Kostengruppen 300 und 400 nach DIN 276. Neubaukosten Die Gegenüberstellung der Mittelwerte der spezifischen Kostenanteile für Rohbau, Ausbau und Technik nach Gebäudekategorien in Abb. 13 zeigt, dass die Verwaltungsgebäude des einfachen Standards nach BKI in den Gesamtkosten den nicht klimatisierten Gebäuden nach Siegel & Wonneberg mit für Technik und Ausbau jeweils leicht reduzierten Anteilen entsprechen. Gebäude des mittleren Standards nach BKI liegen in den Gesamtkosten um 20 % über den teilklimatisierten Gebäuden, im hohen Standard sogar um 36 % über den vergleichbar aufwändigsten Gebäuden der Untersuchung nach Siegel & Wonneberg. Verantwortlich für diese deutliche Kostendifferenz ist der heute signifikant höhere Kostenanteil des Ausbaus. Er verursacht 60 % der Kostendifferenz zu den vollklimatisierten „nicht - Hochhäusern“. Die Technikkosten hingegen weisen mit höherem Gebäudestandard nach BKI eine in absoluten Zahlen vergleichbare Steigerung zu den Technikkosten nach Siegel & Wonnenberg bei steigendem Klimatisierungsgrad auf. Die Baukosten der vollklimatisierten Hochhäuser liegen mit 106 % nur geringfügig über den Kosten vergleichbarer „nicht - Hochhäuser“. Bei diesem Vergleich ist zu berücksichtigen, dass die Erhebung des BKI eine mittlere Gebäudegröße von 6.000 m² BGF im mittleren und hohen Standard umfasst. Für Gebäude von mehr als 5.000 m² BGF nehmen die Baukosten um 3 bis 8 % ab. Der Datensatz der Gebäude aus der Untersuchung von Siegel & Wonnenberg weist eine mittlere Gebäudegröße von 11.000 m² BGF für die vollklimatisierten Gebäude bis mittlere Höhe und von 32.000 m² BGF für die Hochhäuser auf. Hier gab es keinen statistisch signifikanten Zusammenhang zwischen der Gebäudegröße und den Kosten. 1.400 Baukosten [€/m²BGF netto] 1.200 1.000 800 600 400 200 0 NK bis TK bis BKI einf ach mittlere Höhe mittlere Höhe BKI Mitte VK bis mittlere Höhe BKI hoch VK, Hochhaus Technik 145 128 231 249 333 359 364 Ausbau 270 236 310 384 325 530 318 Rohbau 294 301 349 443 332 456 372 Abb. 13: Neubau Netto-Baukosten je m² BGF nach Klimatisierung, Gebäudehöhe und Alter 5 5 Unter nicht - klimatisierten Gebäuden (NK) wurden auch teilbelüftete Gebäude erfasst. Unter teilklimatisierten Gebäuden (TK) wurden Gebäude erfasst, die in der Gesamtkonzeption nicht oder teilbelüftet und in Sonderräumen vollklimatisiert sind. Nicht- und teilklimatisierte Gebäude bis mittlerer Höhe bestanden zu 100 % aus Zellenbüros, voll klimatisierte Gebäude bis mittlerer Höhe bestanden zu 19 bzw. 68 % aus Zellen-, bzw. Großraumbüros, Hochhäuser bestanden zu 36 bzw. 41 % aus Zellen-, bzw. Großraumbüros. Kapitel 2 Stand der Technik 25 Die im wesentlichen auf den heute höheren Ausbaustandard zurückzuführenden gestiegenen Baukosten nach BKI werden für den Kostenvergleich in dieser Untersuchung zugrunde gelegt. Da sich mit zunehmender Gebäudegröße im mittleren und hohen Standard des BKI eine Kostenreduzierung abzeichnet, wird angenommen, dass sich für „kleine“ Hochhäuser die hochhausspezifischen Mehrkosten in etwa gegen diese Kostenreduzierung aufheben. Weiterhin wird davon ausgegangen, dass Hochhausneubauten in den meisten Fällen als Stahlbetonskelettkonstruktionen mit Band- oder Vorhangfassaden errichtet werden. Diese Bauwerkstypologie findet sich einer entsprechenden BKI Auswertung zufolge ausschließlich im mittleren und hohen Standard, so dass insgesamt mit mittleren Neubaukosten von ca. 1.100 €/m² BGF bis ca. 1.350 €/m² BGF netto gerechnet werden kann. Sanierungskosten Da keine statistisch relevanten Angaben zu Sanierungskosten großer Verwaltungsgebäude zur Verfügung stehen, werden je nach Sanierungsumfang anteilige Kosten aus den Neubaukennzahlen des BKI bestimmt und stichprobenartig mit zwei im BKI dokumentierten Objekten verglichen. Der einfache Sanierungsstandard umfasst dabei keine Eingriffe in den konstruktiven Bestand und geht vom Erhalt weiter Teile des Ausbaus und einer einfachen gebäudetechnischen Ausstattung aus. Der hohe Sanierungsstandard beschreibt eine Kernsanierung mit geringen Eingriffen in den konstruktiven Bestand und einen Ausbau- und Technikanteil, der dem des hohen Neubaustandards entspricht. Aus dieser qualitativen Beschreibung lassen sich Sanierungskostenanteile (Tabelle 12) bezogen auf die Neubaukosten des hohen Standards nach BKI ermitteln. Sanierungsstandard Rohbau Ausbau inkl. Abbruch Technik inkl. Demontagen einfach 0% 44 % 30 % mittel 5% 71 % 60 % hoch 10 % 110 % 110 % Tabelle 12: Kostenanteile nach Sanierungsstandards bezogen auf die Neubaukosten des hohen Standards nach [25] Auf der Basis dieser Annahmen ergeben sich die in Abb. 14 dargestellten Sanierungskosten von 340 bis 1.020 €/m² BGF netto. 1.400 Baukosten [€/m²BGF netto] 1.200 1.000 800 600 400 200 0 Sanierung einfacher Standard Sanierung mittlerer Standard Sanierung hoher Standard Technik incl. Demontagen 108 215 394 Ausbau incl. Abbruch 233 379 583 0 23 46 Rohbau Abb. 14: Sanierung Netto-Baukosten je m² BGF 26 Kapitel 2 Stand der Technik Die Kosten gläserner Vorhangfassaden sind Bestandteil der Ausbaukosten. Die Sanierungskosten sind im hohen Standard dreimal höher als im einfachen Standard. Diese im Vergleich zu den Neubaukennwerten große Preisspanne lässt auf ein hohes Optimierungspotenzial schließen. Mit 340 bis 1.020 €/m² BGF netto liegen die Sanierungskosten damit im hohen Standard um 25 % und im einfachen Standard um 70 % unter den entsprechenden Neubaukennwerten. Da bei der Sanierung von Hochhäusern mit gläsernen Vorsatzschalen das Konzept der freien Lüftung ein wesentliches Ziel ist, sollten die Technikkosten nicht über den Anteil im mittleren Standard hinaus reichen. Der Vergleich mit zwei im BKI [25] dokumentierten Sanierungsvorhaben bestätigt die ermittelten Kostenkennwerte für die Sanierung. Hierbei bleibt das Objekt 4100-027 Schulzentrum sogar noch unter dem einfachen Standard. Das Objekt 1300-092 Verwaltungsgebäude liegt als Kernsanierung mit den Bauwerkskosten im hohen, mit den Technikkosten als nicht klimatisiertes Gebäude mit hohem Anteil zentraler Dienstleistungen im mittleren Standard. Legt man die Richt- und Zielwerte des Flächenbedarfs von 34 - 43 m² BGF/AP bzw. 23 bis 28 m² BGF/AP aus Tabelle 10 zugrunde, so lassen sich arbeitsplatzspezifische Sanierungskosten für Hochhäuser errechnen (s. Tabelle 13). Die Zielwerte liegen hier jeweils um ca. 33 % unter den Grenzwerten. Hohe Hauptnutzflächenkonzentrationen und geringer arbeitsplatzspezifischer Flächenbedarf führen zu geringen arbeitsplatzspezifischen Baukosten, einer Kennzahl, die die Gebäudequalität und den Gebäudenutzen zugleich beschreibt. Sanierungsstandard Hochhäuser bis 20 Geschosse Grenzwert [€/AP] Zielwert [€/AP] einfach 11.500 – 14.500 8.000 – 9.500 mittel 21.000 – 26.500 14.000 – 17.500 hoch 35.000 – 44.000 23.500 – 29.000 Tabelle 13: Grenz- und Zielwerte der arbeitsplatzspezifischen Sanierungskosten für Hochhäuser, netto 2.4.3 Energieverbrauch Vorgehensweise Zunächst werden Ziel- und Grenzwerte des Energieverbrauchs für die Sanierung von Hochhäusern ermittelt. Der Vergleich mit den Verbrauchswerten im Gebäudebestand beschreibt das energetische Sanierungspotenzial dieses Gebäudetyps. Alle Angaben beziehen sich auf die Nettogrundfläche und sind Jahresverbräuche. Energiekennwerte Auf der Grundlage der Energiebedarfskennzahlen von „typischen“ Verwaltungsgebäuden gemäß SIA 380/4 aus SolarBau Monitor [26] wurden Energiekennzahlen für die Sanierung von Hochhäusern abgeleitet, die deren typische Merkmale berücksichtigen (s. Tabelle 14). Die Grenz- und Zielwerte des Wärmeverbrauchs wurden um 30 % erhöht, um den höheren Lüftungswärmebedarf aufgrund des mit der Höhe zunehmenden Winddrucks zu berücksichtigen. Die häufig diskutierte Reduzierung des Transmissions- und Lüftungswärmebedarfs durch Doppelfassaden wurde nicht in Ansatz gebracht (vgl. Kapitel 6.2.4, Jahreswärmebilanz). In der Summe kann der Primärenergieverbrauch einschließlich der Arbeitshilfen 160 kWh/m² betragen. Zur Abschätzung des Sanierungspotenzials werden diese Energiekennwerte den Verbräu- Kapitel 2 Stand der Technik 27 chen des ausgewerteten Gebäudebestands aus Siegel & Wonneberg [17] und ausgewählten Literurangaben in Abb. 15 gegenübergestellt. Für ca. 60 % der in [17] untersuchten Gebäude wie auch der Hochhäuser standen verwertbare Energiekennzahlen zur Verfügung. Typ 1* Typ 2* Typ 3* Hochhaussanierung** Typ I geringe Ausstattung Hochhaussanierung** Typ II mittlere Ausstattung Hochhaussanierung** Typ III hohe Ausstattung Wärme 58-84 58-84 58-84 75-109 75-109 75-109 Summe Strom 70-100 17-34 28-56 68-100 28-46 38-73 Beleuchtung 5-9 8-16 8-16 5-9 8-16 8-16 Lüftung, Klima 3-6 6-12 16-25 3-6 8-18 16-25 Arbeitshilfen 3-8 5-11 5-11 3-8 5-11 5-11 Zentrale Dienste 2-3 5-9 36-40 10-15 12-20 36-40 Diverse Technik 5-8 5-8 5-8 5-8 5-8 5-8 115-194 148-260 268-392 161-258 197-339 293-420 Summe Primärenergie 23—39 30-53 56-82 32-52 40-70 61-87 Summe Emissionen * Typ 1: Einzel- oder Gruppenbüros, normaler Technisierungsgrad EDV, hoher Anteil fensternaher Arbeitsplätze, keine oder nur geringfügige raumlufttechnische Anlagen * Typ 2: Gruppen- oder Großraumbüros, überdurchschnittlicher Technisierungsgrad EDV, Arbeitsplätze z.T. mit wenig Tageslicht, höherer Anteil an raumlufttechnisch behandelten Flächen * Typ 3: wie 2, zusätzlich zentrale EDV-Anlage und Serviceleistungen **Typ I: geringe technische Ausstattung wie Typ1 zusätzlich Aufzuganlagen als zentrale Dienste **Typ II: mittlere technische Ausstattung wie Typ 2, Teilbereiche mechanisch gekühlt, zusätzlich Aufzuganlagen als zentrale Dienste **Typ III: hohe technische Ausstattung wie Typ 3 Tabelle 14: Grenz- und Zielwerte des Endenergieverbrauchs in kWh/m²NGFa, Emissionen kgCO2/m²NGFa; die Umrechnung in Primärenergie und CO2 Emissionen erfolgt unter der Annahme einer Beheizung mit Erdgas, Primärenergiefaktor nach DIN V 4701-10 2003-08, Emissionsfaktor nach GEMIS in [26] Der durchschnittliche Wärmeverbrauch nicht klimatisierter Objekte betrug nach Siegel & Wonneberg ca. 130 kWh/m². Vollklimatisierte Objekte benötigten ca. 180 kWh/m². Diese Werte stimmen mit den Angaben aus SIA 380/1 1993 [28] für Bestandsgebäude außerordentlich gut überein. 250 Wärmeverbrauch [kWh/m²NGFa ] ZVK Hochhäuser GVK Hochhäuser SIA VK typischer Bestand 200 SIA TK typischer Bestand SIA NK typischer Bestand 150 GVK ZVK VDI Mittelw ert ZTK ZNK 100 VDI Richtw ert SIA NK soll Sanierung SIA NK soll Neubau 50 SIA VK soll Sanierung SIA TK soll Sanierung SIA TK soll Neubau SIA VK soll Neubau 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Stromverbrauch [kWh/m²NGFa] Ziel- und Grenzwerte für die Sanierung von Hochhäusern Verbräuche und Vergleichsw erte für Verw altungsgebäude aus VDI 3801*und SIA 380/1 ** * die VDI 3807 [30] bezieht sich auf [31] ohne Berücksichtigung des Gebäudealters; Faktor BGF/NGF: 0,87 ** der in der SIA 380/1 [28] genannte Flächenbezug EBFbrutto wurde NGF gemäß SIA 180/4 [29] gleichgesetzt Abb. 15: Wärme- und Stromverbrauch im Vergleich 28 Kapitel 2 Stand der Technik Der mittlere Wärmeverbrauch von Hochhäusern liegt mit rd. 240 kWh/m² um mehr als 30 % über dem Mittel aller vollklimatisierten Gebäude. Auch die Wärmekosten von Hochhäusern liegen nach OSCAR 2004 [32] signifikant um mehr als 30 % über dem Mittel aller Gebäude (s. Kapitel 2.4.4, Betriebskosten). Auf der Datengrundlage von [17] stellt Treuter in [27] einen mit der Gebäudehöhe zunehmenden Wärmeverbrauch unter Berücksichtigung aller vollklimatisierten Gebäude fest. Das 26-geschossige Gebäude mit einem Wärmeverbrauch von 450 kWh/m² wurde aufgrund seiner im Vergleich außerordentlichen Höhe aus dem Vergleich ausgeschlossen. Der Wärmeverbrauch von Hochhäusern kann nach der Sanierung, unabhängig vom Grad der technischen Ausstattung, 75 kWh/m² erreichen. Die Reduzierung ist abhängig vom Grad der Klimatisierung des Bestandsgebäudes. Sie sollte mehr als 50 % betragen. Der durchschnittliche Stromverbrauch nicht klimatisierter Zellenbauten nach Siegel & Wonnenberg in Höhe von ca. 25 kWh/m² war im wesentlichen auf die künstliche Beleuchtung und einen kleinen Anteil für Arbeitsmittel und zentrale Dienste zurückzuführen. Vollklimatisierte Gebäude benötigten im Mittel ca. 100 bzw. 175 kWh/m² für Zellen- bzw. Großraumbüros. Diese Differenz war wesentlich in dem ständig erforderlichen Kunstlicht begründet. Der Verbrauch von Hochhäusern mit 120 bzw. 180 kWh/m² liegt leicht über dem des Mittels aller Gebäude. Bei diesen Verbrauchswerten ist zu berücksichtigen, dass der Ausstattungsstandard mit Arbeitshilfen und zentralen Diensten zur Zeit der Untersuchung 1977 als gering angenommen werden kann. Auch bezüglich des Stromverbrauchs weisen die Mittelwerte eine gute Übereinstimmung mit den Angaben nach SIA auf. Einzig der Stromverbrauch von Großraumbauten scheint dort nicht berücksichtigt worden zu sein. Das Einsparpotenzial des Stromverbrauchs ist in hohem Masse abhängig vom geforderten Grad der technischen Ausstattung des zu sanierenden Gebäudes und weist demzufolge eine große Spannweite auf. Gegenüber dem vollklimatisierten Bestand kann der Stromverbrauch um 15 bis 75 % beim Zellenbüro bzw. um 45 bis 85 % beim Großraumbüro reduziert werden. Im Fall eines nicht klimatisierten Bestandsgebäudes kann sich der Stromverbrauch im Gegenteil sogar erhöhen. Das Einsparpotenzial betrifft vor allem die Bereiche Lüftung und Klima sowie Beleuchtung (vgl. Kapitel 2.2.2 bzw. 2.2.4, Sanierungspotenzial der Lüftungstechnik bzw. der Kunstlichtanlage). 2.4.4 Betriebskosten Vorgehensweise Als Grundlage für die Betriebskostenkennwerte werden die Angaben in der jährlich erscheinenden Betriebskostenanalyse OSCAR [32] ausgewertet. Dabei wird der Fragestellung nachgegangen, inwieweit sich Hochhäuser von anderen Gebäuden unterschieden und wie groß ein mögliches Sanierungspotenzial ist. Als Nebenkosten gelten alle umlegbaren Kosten. Alle Kostenangaben beziehen sich auf die oberirdische NGF und sind monatliche Nettokosten. Kostenkennwerte Der Durchschnittswert aller umlegbaren Nebenkosten betrug in der Ausgabe 2004 [32] 2,97 € und lag damit um 8 % über dem Vorjahreswert. Im langjährigen Vergleich verzeichneten die vollklimatisierten Gebäude einen Rückgang um mehr als 30 %, die nicht Kapitel 2 Stand der Technik 29 klimatisierten Gebäude erreichen 2004 wieder den Kostenstand von 1996. Der Anteil der Kostengruppe Dienstleistung und Versicherung beträgt im Mittel 56 %, der Versorgung 26 % und der öffentlichen Abgaben 18 % der Nebenkosten. In der Gruppe Versorgung entfallen 51 % der Kosten auf die Heizung, 32 % auf Stromkosten. Für die Zukunft wird in allen Bereichen mit weiter steigenden Nebenkosten gerechnet. Der mittlere Anteil der Nebenkosten an den Bürokosten betrug 19 % bei einer mittleren Nettokaltmiete von 13,12 €. Der Vergleich der Nebenkosten in Abhängigkeit von der Geschosszahl, der seit 2003 durchgeführt wird, zeigt, dass die durchschnittlichen Nebenkosten bei einem Hochhaus um 15 % höher als bei einem Gebäude mit weniger als 8 Geschossen liegen. Dabei sind die Kosten bei beiden Häuserarten im Vergleich zum Vorjahr in ähnlicher Größenordnung gestiegen. „nicht - Hochhäuser“ haben eine Kostensteigerung von 10 %, Hochhäuser eine Erhöhung von 7 % zu verzeichnen. Die größten Unterschiede in den Nebenkosten sind in den Kostenkategorien Wartung, Strom, Bewachung und Heizung zu finden. Hier liegen die Nebenkosten in Hochhäusern absolut betrachtet bedeutend höher als in kleineren Gebäuden. Die hohen Heizenergiekosten der Hochhäuser entsprechen dem hohen Heizenergiekennwert. Da die Nebenkosten auch in hohem Masse von der Gebäudequalität abhängen, wird dieser Nebenkostenvergleich der Auswertung nach Geschosszahl gegenübergestellt (vgl. Tabelle 15 und Abb. 16). Der Vergleich der Nebenkosten in Abhängigkeit von der Gebäudequalität wird seit 2002 für alle Gebäude durchgeführt (s. Anhang Abb. 3, Kriterien der Gebäudequalität) und zeigt im mittleren Standard in den 4 Kostenkategorien Wartung, Strom, Bewachung und Heizung ähnliche Differenzen wie die „nicht Hochhäuser“ zu den Hochhäusern auf. Der mittlere Standard entspricht den Gebäudequalitätskriterien zufolge einem Hochhaus mit mittlerer technischer Ausstattung. Von der Annahme ausgehend, dass die Strom- und Wartungskosten des mittleren Standards auch für Hochhäuser mit mittlerer technischer Ausstattung gelten, wird mit den hochhausspezifischen Mehrkosten aus Heizung und Bewachung eine Nebenkostensumme von ca. 3,00 € erwartet. Im hohen Standard sind nur die Wartungskosten signifikant kleiner als in Hochhäusern. Hier wird eine Nebenkostensumme für Hochhäuser mit hoher technischer Ausstattung von ca. 3,30 € erwartet. €Netto/m²NGFMonat bis 8 Hochhaus einfach mittel hoch Mittel 2004 Öffentliche Abgaben 0,51 € 0,54 € 0,50 € 0,52 € 0,52 € 0,53 € Strom 0,23 € 0,34 € 0,17 € 0,23 € 0,34 € 0,24 € Heizung 0,38 € 0,43 € 0,36 € 0,38 € 0,42 € 0,39 € Wasser, Kanal 0,13 € 0,11 € 0,11 € 0,13 € 0,14 € 0,13 € Summe Versorgung Versicherung 0,74 € 0,15 € 0,88 € 0,15 € 0,64 € 0,12 € 0,74 € 0,15 € 0,90 € 0,18 € 0,76 € 0,16 € Wartung 0,29 € 0,47 € 0,24 € 0,32 € 0,37 € 0,32 € Reinigung 0,26 € 0,28 € 0,27 € 0,26 € 0,26 € 0,27 € Bewachung 0,22 € 0,27 € 0,19 € 0,23 € 0,24 € 0,23 € Verwaltung 0,35 € 0,37 € 0,36 € 0,34 € 0,37 € 0,36 € Hausmeister 0,26 € 0,28 € 0,25 € 0,26 € 0,25 € 0,25 € Sonstiges 0,08 € 0,06 € 0,14 € 0,07 € 0,07 € 0,08 € Summe Dienst. / Vers. 1,61 € 2,86 € 1,88 € 3,30 € 1,57 € 2,71 € 1,63 € 2,89 € 1,74 € 3,16 € 1,67 € 2,97 € Gesamtkosten unterstrichen hochhausspezifische Kostenkategorien Tabelle 15: Nebenkosten nach Geschosszahl und Qualitätsstandard (einfach, mittel, hoch) im Vergleich zum Mittel aller Gebäude, OSCAR 2004 [32] 30 Kapitel 2 Stand der Technik Außerdem stehen Auswertungen nach Klimatisierung, Standort, und Gebäudegröße zur Verfügung. Dabei weisen unklimatisierte Gebäude nur in den Stromkosten einen signifikanten Unterschied zum mittleren Standard auf. Vollklimatisierte Gebäude entsprechen dem hohen Standard. Die Auswertung nach Standort vergleicht nur Gebäude in den Metropolregionen, so dass dieses Kriterium im Rahmen dieser Untersuchung unberücksichtigt bleibt. Die Auswertung nach Gebäudegröße zeigt mit zunehmender Gebäudegröße steigende Kostenanteile für Strom und Bewachung. Alle anderen Kostenkategorien weisen mit zunehmender Gebäudegröße fallende Kosten aus, so dass auch die Summe der Nebenkosten sinkt. Das Kriterium der Gebäudegröße bleibt in dieser Untersuchung unberücksichtigt, da es sich bei Hochhäusern um vergleichsweise große Gebäude handelt, die größenabhängige Kostenentwicklung also bereits in den Nebenkosten für Hochhäuser enthalten ist. Doppelfassadenspezifische Nebenkostenanteile wurden [32] nicht betrachtet. Umlegbare Nettobetriebskosten 3,50 € 3,00 € 2,50 € 2,00 € 1,88 € 1,61 € 1,57 € 1,63 € 1,74 € 1,74 € 1,63 € 1,67 € 1,50 € 1,00 € 0,74 € 0,88 € 0,64 € 0,74 € 0,90 € 0,51 € 0,54 € 0,50 € 0,52 € 0,52 € bis 8 2,86€ Hochhaus 3,30€ einfach 2,71€ mittel 2,89€ hoch 3,16€ 0,67 € 0,89 € 0,76 € 0,54 € 0,53 € 0,50 € - 0,53 € € Öffentliche Abgaben Versorgung unklimatisiert vollklimatisiert Mittel 2004 2,83€ 3,17 € 2,97€ Dienstleistung/Versicherung Abb. 16: Nebenkostenvergleich nach Gebäudehöhe, Klimatisierung und Qualität, OSCAR 2004 [32] Der nur in der Ausgabe 2000 durchgeführte Vergleich nach Gebäudealtersklassen und Klimatisierung kann als Referenz für die Betriebskosten im Gebäudebestand herangezogen werden. Ein Sanierungspotenzial kann für Hochhäuser nicht abgeschätzt werden, da zum einen die Größe der hochhausspezifischen Kostenanteile nicht bekannt ist und zum anderen der Einfluss der langfristigen Nebenkostenentwicklung nicht abgeschätzt werden kann. Mit Hilfe der in OSCAR seit 1996 jährlich durchgeführten Datenerhebung können die im Rahmen dieser Untersuchung erfassten Betriebskosten mit den entsprechenden Abrechnungszeiträumen verglichen werden. Differenzen in einzelnen Kategorien können hier Optimierungspotentiale aufzeigen. Für Daten aus Bestandsgebäuden kann die Auswertung nach Gebäudealtersklassen herangezogen werden. Nebenkosten nach der Sanierung werden den Auswertungen nach Geschosszahl und Gebäudequalität gegenübergestellt. Auch bei Siegel & Wonneberg [17] wurden 1977 Betriebskosten erhoben. Für 17 von 23 Hochhäusern und 77 von 110 Gebäuden insgesamt standen z.T. unvollständige Angaben zu den Nebenkosten zur Verfügung. Hochhäuser lagen dieser Untersuchung zufolge in der Kategorie „Wartung und Hausverwaltung“ um 20 % über vergleichbaren Nebenkostenanteilen, für Wärme und Strom um mehr als 40 %. Dies bestätigt die Ergebnisse der Nebenostenauswertung für Hochhäuser nach OSCAR. Ein Vergleich Kapitel 3 Ausgangspunkt und Ziel der Arbeit 31 mit den einzelnen Kategorien der Betriebskostenanalyse OSCAR lässt sich nicht herstellen, da die Daten nicht vollständig erhoben wurden und die Inhalte der einzelnen Kostengruppen nicht vergleichbar sind. 2.4.5 Wirtschaftliches Sanierungspotenzial Anhand der im Vorhergehenden ermittelten flächenwirtschaftlichen Kenngrößen für die Sanierung von Hochhäusern der 1960er 1970er Jahre lässt sich zum einen der Gebäudebestand einordnen und es wird zum anderen das Optimierungspotenzial einer Sanierung aufgezeigt. Die Baukosten weisen mit ca. 350 im einfachen bis ca. 1.000 €/m² BGF im hohen Sanierungsstandard eine große Preisspanne auf, die auf ein großes Optimierungspotenzial schließen lässt. Die Sanierungskosten liegen damit im einfachen Standard um 70 % und im hohen Standard um 25 % unter den entsprechenden Neubaukennwerten. Die Höhe des Gesamtenergieverbrauchs ist vor allem vom geforderten technischen Ausstattungsstandard des sanierten Gebäudes abhängig. Der Wärmeverbrauch kann im Vergleich zum Gebäudebestand in jedem Fall deutlich reduziert werden. Der Primärenergieverbrauch eines sanierten Hochhauses kann ohne Berücksichtigung der Arbeitshilfen 150 kWh/m²NGFa betragen. Er liegt damit um 50 % über dem in [26] genannten Zielwert für Verwaltungsgebäude. Ein Betriebskostenvergleich des Gebäudebestands mit bereits sanierten Gebäuden konnte aufgrund fehlender Datengrundlage nicht erstellt werden. Hochhäuser weisen jedoch in den Kategorien Wartung, Strom, Bewachung und Heizung signifikant höhere Kosten auf. 3 Ausgangspunkt und Ziel der Arbeit Diese Arbeit betrachtet speziell die Sanierungsmöglichkeit mit Doppelfassaden in ihrem Einsatz an Hochhäusern. Die Grundlagen der Funktionsweisen von Doppelfassaden sind z.B. in [33], [34], [35] und [36] ausführlich dokumentiert. Eine Übersicht über die in Deutschland realisierten Vorhaben gibt Pottgießer in [37]. Der Einsatz in der Sanierung mit dem speziellen Anforderungsprofil war bisher nur Gegenstand weniger Einzelstudien in [38], [39], [40] und [41]. Erfahrungsberichte aus realisierten Vorhaben gibt es mit Ausnahme des in [39] beschriebenen Siemens Gebäudes nicht. Mit der Realisierung einer Demonstrationsdoppelfassade am Institutsgebäude „BS4“ der TUBraunschweig im Frühjahr 2002 stand ein Testmodul zur Durchführung von Parameterstudien im Hinblick auf sanierungsspezifische Anforderungen zur Verfügung. Erste Ergebnisse wurden in [42] veröffentlicht. Das Anforderungsprofil an ein Sanierungskonzept für den Gebäudebestand ist vielfältig. Wichtige Kriterien sind die funktionalen, baurechtlichen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen. Die typologischen Merkmale des Gebäudebestands und sein Sanierungspotenzial wurden im vorhergehenden Kapitel 2 Stand der Technik zusammengestellt. So können die funktionalen Planungsanforderungen wie die Art der neuen Büronutzung, der gewünschte Komfort und Ausstattungsstandard und das angestrebte Raumklima auf die baulichen Gegebenheiten abgestimmt werden. Für die wirtschaftlichen und ökologischen Anforderungen wie die Bau- und Betriebskosten, die Flächenwirtschaftlichkeit und den Energieverbrauch stehen jetzt aus dem Gebäudebestand entwickelte Grenz- und Zielwerte für ein Benchmarking zur Verfügung. Auf diese 32 Kapitel 3 Ausgangspunkt und Ziel der Arbeit Weise können bedarfsgerechte Sanierungsvarianten entwickelt, bewertet und mit dem Bauherrn abgestimmt werden. Die vorliegende Untersuchung geht auf der Grundlage dieser Anforderungen, häufiger Bestandsschadensbilder und der Analyse des Sanierungspotentials von folgenden Zielen für die Sanierung hoher Verwaltungsgebäude mit gläsernen Vorsatzschalen im Vergleich zur Einfachfassade aus: Die Gebäude sollen zur Gewährleistung einer hohen Nutzerakzeptanz natürlich belüftet und belichtet werden können. Diese gebäudetechnischen Ausstattungsmerkmale wurden auch in [43] am höchsten bewertet. Der Immissionsschutz soll sichergestellt werden. Auch bei hohem Außenlärmpegel soll eine gute Sprachverständlichkeit bei Dauerlüftung ermöglicht, die Schlagregendichtigkeit gewährleistet und das Entstehen von Pfeifgeräuschen verhindert werden. Der sommerliche Überhitzungsschutz soll mit freier Lüftung und passiver Nachtkühlung gewährleistet werden. Die Doppelfassade soll anderen Fassadensystemen mit passiver Kühlung mindestens gleichwertig sein. Die gebäudetechnischen Anlagen sollen minimiert werden. Ziel ist der Nachweis, dass passive Fassadensysteme sich für den sommerlichen und winterlichen Betrieb eignen. Mechanische Be- und Entlüftung sowie Kühlung sollen auf Teilbereiche des Gebäudes beschränkt werden. Die Sanierung soll ohne Einschränkung des Gebäudebetriebs realisiert werden können. Ziel ist der Nachweis, dass eine Sanierung mit gläsernen Vorsatzschalen ohne Nutzungsunterbrechung realisiert werden kann, indem z.B. die Fassadensanierung zeitlich unabhängig von der Geschosssanierung erfolgt, die dann zu einem späteren Zeitpunkt durchgeführt werden kann. Ziel ist es, einen Primärenergiekennwert von 150 kWh/m²NGFa für die Wärmeund Stromversorgung ohne Berücksichtigung der Arbeitshilfen zu erreichen. Der Wärmeverbrauch von Hochhäusern soll durch eine Sanierung auf ca. 75 kWh/m²NGFa reduziert werden. Das Einsparpotenzial des Stromverbrauchs ist zum einen in hohem Masse abhängig vom geforderten technischen Ausstattungsstandard des zu sanierenden Gebäudes und zum anderen von der Gebäudetechnik im Bestandsgebäude. Zielwert des elektrischen Energieverbrauchs ohne Arbeitshilfen sind 25 kWh/m²NGFa. Die Flächeneffektivität soll durch die funktionale Neuorganisation erhöht werden und den Kennwerten eines „nicht – Hochhauses“ nicht nachstehen. Im Regelgeschoss sollen Hauptnutzflächenkonzentrationen von mehr als 70 % HNFg/BGFg, im Gesamtgebäude mehr als 60 % HNF/BGFr erreicht werden. Die Flächeneffektivität ist der in [43] am höchsten bewertete Gestaltaspekt zukunftsorientierter Bürokonzepte. Die Baukosten der Sanierung eines Gebäudes mit einer Doppelfassade sollen nicht höher sein, als die vergleichbaren Sanierungskosten, die durch den Ersatz der Primärfassade entstehen. Die Gesamtbaukosten einer nachhaltigen Gebäudesanierung sollen im einfachen Standard nur rd. 350 €/m²BGF netto für die Kostengruppen 300 und 400 betragen und damit um 70 % unter vergleichbaren Neubaukennwerten liegen. Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben 33 Der Betriebskostenvergleich soll das Potenzial der Sanierung aufzeigen. Hohe Verwaltungsgebäude mit Doppelfassaden sollen sich nicht von Neubauten vergleichbaren Standards mit einfacher Primärfassade unterscheiden. Gegenstand der Arbeit ist im Folgenden die Möglichkeiten und Grenzen der Sanierung von Hochhäusern mit gläsernen Vorsatzschalen anhand von drei realisierten Projektbeispielen systematisch zu untersuchen und mit den Sanierungszielen zu vergleichen. Zwei im Jahr 2002 fertig gestellte Vorhaben wurden im Rahmen einer Grobanalyse evaluiert. Diese bestand in der Erfassung von Gebäudekenndaten und –kosten, der technischen Ausstattung und Verbrauchswerte, sowie in der Durchführung und Auswertung einer Nutzerumfrage. An einem Institutsgebäude der TU Braunschweig konnte ein Geschoss beispielhaft saniert (s. [44]) und diese Sanierung modellhaft auf das Gesamtgebäude übertragen werden. Die sich aus dem Vergleich mit den Sanierungszielen ergebenden offenen Fragen können mit der Auswertung und Validierung von Modellversuchen an einer Demonstrationsdoppelfassade beantwortet werden. Dies betrifft die bauphysikalischen Anforderungen an eine gläserne Vorsatzschale in der Sanierung und die Bewertung von Simulationsergebnissen. Im Rahmen einer Parameterstudie wurden unterschiedliche Öffnungsgrade und Betriebsweisen in der ein- und zweigeschossigen Ausführung im sommerlichen und winterlichen Betrieb betrachtet. Ein thermisches Simulationsmodell wurde auf der Grundlage der Messergebnisse mit dem Programm Bsim validiert, die Modellvarianten in Bezug auf Überhitzungsanteile und Wärmeverbrauch miteinander verglichen. Der Variantenvergleich umfasst dabei die Fassadensanierungsmöglichkeiten vom einfachen Primärfassadensystem bis zum vollständig neuen Doppelfassadensystem. Für zukünftige Sanierungen werden sich aus dieser Arbeit Hinweise herleiten lassen, welche Ziele mit welchen Mitteln erreicht werden können, und wo mögliche Risiken verborgen sind. Damit gibt diese Arbeit eine Entscheidungshilfe zur Anwendung von Doppelfassaden im Sanierungsfall anhand. 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben Zunächst werden die Ergebnisse der Grobanalyse für die Gebäude der Kreisverwaltung Bad Segeberg und der R+V Versicherung in Hamburg aufgezeigt. Die Geschosssanierung im Gebäude der TU Braunschweig und die modellhafte Übertragung auf das Gesamtgebäude wird im Anschluss ausgewertet. Das Kapitel schließt mit der Gegenüberstellung dieser drei Gebäude. Das Vorgehen zur Beurteilung der Sanierungskonzepte im Rahmen der Grobanalyse ist zweiteilig: Die sich aus dem Nutzungskonzept und dem Gebäudebestand ergebenden Sanierungsziele werden im Rahmen einer Projektbeschreibung erfasst. Zur Erfassung des wirtschaftlichen Sanierungspotentials wurden die Flächenkennwerte, die Bau- und Betriebskosten und die Energieverbrauchswerte des Gebäudes über ein Datenformular gesammelt, auf Plausibilität geprüft und mit den in Kapitel 2.4, Wirtschaftlichkeit hergeleiteten Ziel- bzw. Grenzwerten und den formulierten Planungszielen verglichen. Im zweiten Teil der Auswertung wurden mittels Nutzerfragebogen Daten über die Komfortverhältnisse gesammelt. Hieraus leiten sich die Beurteilung des Sanierungserfolges und Vorschläge für eventuelle weitere Untersuchungsschritte ab. 34 4.1 Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben Kreisverwaltung Bad Segeberg Der Sitz der Kreisverwaltung Bad Segeberg ist ein 1971-73 erbauter zehngeschossiger, Ost-West orientierter Zweispänner in lärmexponierter Lage an der B 206 (UG, EG, 8 Obergeschosse). Als die Keramikplatten in den Brüstungsbereichen herabzufallen drohten, wurde das Gebäude 2001/02 mit einer unsegmentierten Doppelfassade saniert (s. Abb. 17). Datenblatt der Kreisverwaltung Bad Segeberg mit allgemeinen Angaben zum Gebäude, zur Doppelfassade und zum Energiekonzept im Anhang Tab. 2. Abb. 17: Kreisverwaltung Ansicht Nord-Ost nach der Sanierung 4.1.1 Projektbeschreibung Bestand In Erweiterung der bestehenden Kreisverwaltungsgebäude entstand von 1971-1973 der hier behandelte Gebäudeteil, ein zehngeschossiger Stahlbetonskelettbau mit massiven Geschossdecken und Flachdach. Der Ost-West-gerichtete Zweispänner von 45 m Länge und 13,5 m Breite hat im Süden und Norden einen Vorsprung von jeweils 1,50 m über die äußeren 2 der insgesamt 11 4 m-Achsen. Im Erdgeschoss ist die Fassade eingezogen, die tragenden Stützen stehen frei. Die öffentliche Haupterschließung erfolgt im 1. OG über einen flachen Verbindungsbau, die vertikale interne Erschließung über ein offenes Treppenhaus mit Aufzuganlage in der Gebäudemitte. Direkt südlich des Gebäudekomplexes verläuft vierspurig die Bundesstrasse 206 (s. Abb. 18). Abb. 18: Kreisverwaltung Ansicht Süd-Ost vor der Sanierung An der östlichen und westlichen Längsseite liegen achsweise aufgereiht Zellenbüros mit Arbeitsplätzen für 1-2 Personen mit 18,0 bzw. 26,5 m² Nutzfläche, die Flurwände sind beiderseits des 10 cm dicken Mauerwerks mit Einbauschränken versehen. Im Süden und Norden befinden sich z.T. Büroeinheiten über zwei Achsen mit 50,5 m² (s. Abb. 21). Die in den oberen Geschossen vorgeschriebene Brüstungshöhe von 1,20 m wurde in allen Geschossen realisiert und ist Ursache für den eingeschränkten Sichtkontakt nach außen. Der Brüstungsbereich war ursprünglich mit Keramikplatten verkleidet, die Dämmschichtstärke betrug dort ca. 4 cm, auf dem Flachdach 5 cm. Für die Fensterbänder wurden Holz-Aluminium-Rahmen mit 2-Scheiben Isolierglas eingesetzt. Die Belüftung erfolgte ausschließlich über die Dreh-Kipp-Fensterflügel, es gab außenliegende Lamellen als Sonnen- und innenliegende Vertikallamellen als Blendschutz. Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben 35 Abgehängte Decken in den Bürobereichen dienten dem Schallschutz und trugen Anbauleuchten mit opaker Milchglasabdeckung. Die Wärmeversorgung erfolgt über einen Fernwärmeanschluss. Die Raumheizung ist mit konventionellen Flachheizkörpern mit Thermostatventilen im Brüstungsbereich realisiert. Sie besteht unverändert seit der Erbauung. Ein dezentrales Klimagerät im Serverraum war die einzige Maßnahme zur aktiven Kühlung, Raumlufttechnische Anlagen existierten nicht. Die Elektro- und Medienversorgung erfolgte über Brüstungskanäle. Sanierungsziele Die Keramikplatten in den Brüstungsbereichen drohten aufgrund korrodierter Halterungen abzufallen. Ein Sicherungsgerüst musste aufgestellt werden. Das fehlende zweite Fluchttreppenhaus, die ohnehin erforderliche Dachsanierung, undichte Fenster, Klagen über Lärmimmissionen, sommerliche Überhitzung und Zugerscheinungen sowie steigende Energieverbräuche und -preise führten zur Ausschreibung eines Gesamtsanierungskonzepts. Eine Konzeption zur energie- und komfortgerechten Sanierung mit einer Doppelfassade wurde bei Florian Lichtblau, München in Auftrag gegeben. Ausgeführt wurde nach einem beschränkten Wettbewerb im Jahr 2000 ein neuer Entwurf des Architekturbüros Brockstedt Bergfeld und Petersen (BBP), Kiel von August 2001 bis Sommer 2002 im laufenden Betrieb. Das Vorhaben war eine Low - Tech Sanierung mit geringstmöglichen Bau- und Betriebskosten. Neben der Energiekostensenkung sind ein verbesserter Schall-, Wind- und Witterungsschutz sowie die Vermeidung sommerlicher Überhitzungen als Ziele explizit genannt worden. Sanierungsstudie Als Auszug aus [45] wird im Folgenden das o.g. Doppelfassadenkonzept von Florian Lichtblau, München mit Transsolar, Stuttgart wiedergegeben: An Stahlseilen über das neue Dachtragwerks abgehängt interpretiert die zweite Fassade die vorgefundene Grundrissform völlig neu. Vertikal sind die Lufträume jeweils dreier Geschosse zusammengefasst, die Windlasten werden geschossweise auf die Deckenkanten Bestand „abgenadelt“. Die Maßnahmen: Austausch der bestehenden Isolierverglasung durch Wärmeschutzverglasung (U = 1,1 W/m²K) und Verstärkung der Dämmung hinter den Brüstungsbändern (U = 0,35 W/m²K). Die Ost- und die West-Fassaden des Gebäudes werden mit einer „zweiten Haut“, bestehend aus einer Einfachverglasung, versehen. An den Stirnseiten sind bis auf die Ecksituationen opake Außenschilde vorgesehen, hinter denen die vertikale Luftverteilung erfolgt und die südseitig auf 280 m² zu photovoltaischer Stromerzeugung belegt werden können. Der Sonnenschutz, im Sturzbereich Lichtlenkung, wird witterungsgeschützt hinter der Außenfassade angeordnet. Im Norm-Betriebsfall (Winter/Übergangszeiten, s. Abb. 19) erfolgt die Zulüftung über den Fassadenzwischenraum, die Abluft wird über Schlitzöffnungen zum Flur geleitet und dort über einen vorhandenen Kamin abgezogen. Sollte der natürliche Kaminzug nicht ausreichen, wird mit einem Ventilator mechanisch unterstützt. Die Zuluft zur Doppelfassade wird von einem Fassadenkanal bereitgestellt. Über einen Erdkanal vorkonditioniert, d.h. um einige Kelvin gegenüber der Außenluft erwärmt, wird saubere Frischluft aus dem parkähnlichen Bereich im Norden des Kreisverwaltungshauses 36 Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben herangeführt. Damit ist sichergestellt, dass weder Schadstoff- noch Lärmemissionen der Bundesstraße in die Arbeitsräume gelangen. Abb. 19: Gebäudeschnitt und Isometrie eines Regelgeschosses (Inlet) mit prinzipieller Luftführung für den Norm-Betriebsfall aus [45] Im Sommerfall (s. Abb. 20) wird nun die Lüftungsrichtung umgekehrt und die Doppelfassade zur Ablüftung betrieben. Die Zuluft gelangt jetzt vom Erdkanal vorgekühlt in den Kamin und wird von dort auf die Flure der 9 Etagen verteilt mit Überströmung in die Einzelräume. Ein Solarkamin im Süden des Gebäudes erzeugt einen strahlungsgeführten Unterdruck in den Fassaden-Abluftkanälen, der dann verbrauchte Luft über geöffnete Fenster aus den Büroräumen absaugt. Um eine Überhitzung des Fassadenzwischenraumes bei extremen Sommerbedingungen sicher auszuschließen, wird über Zu- und Abluftklappen die Wärme mittels starker Durchlüftung des Schlitzes zwischen Außenscheibe und Sonnenschutz abgeführt. Diese Fassadenklappen öffnen immer nur auf der bestrahlten Seite (also West oder Ost). Damit wird eine Quer-Durchströmung bei Wind mit Umkehrung der erwünschten Strömungsrichtung auf einer Gebäudeseite verhindert. Für aerodynamischen Druckausgleich bei gleichzeitiger Windbeaufschlagung sorgen stirnseitig in die Doppelfassade integrierte Klappen. Abb. 20: Gebäudeschnitt und Isometrie eines Regelgeschosses (Inlet) mit prinzipieller Luftführung für den Sommerfall aus [45] Mit diesem Konzept soll: die Übertemperatur im Fassadenzwischenraum im Sommerfall durch die Umkehr der Lüftungsrichtung reduziert werden. Im Gegensatz zu einer konventionellen, einschaligen Variante werden die Räume von im Erdkanal vorgekühlter Luft durch- Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben 37 strömt. Damit erhöht sich der sommerliche Komfort. die Zuluft gezielt aus unbelasteten Bereichen herangeführt und am Erdkanaleintritt wirksam gefiltert werden. Die Reinheit und Qualität der Frischluft ist also besser als bei konventioneller Fassadentechnik. ein erhöhter Aufwand zur Fassadenreinigung vermieden werden. Die äußere Haut ist sehr glattflächig, so dass Regenwasser gut ablaufen kann. Damit ist der Selbstreinigungseffekt viel größer als bei konventionellen Fassaden. Auch die Innenflächen sind weit weniger schmutzanfällig, da sie fast nur unbelasteter Erdkanalzuluft ausgesetzt sind. der um 40 % oder 1,1 Mio € höhere investive Aufwand im Vergleich zu einer Standardsanierung mehr als ausgeglichen werden durch die beschriebenen raumklimatischen Vorteile im Vergleich zur einschaligen Variante. Realisierung Die Sanierung erfolgte nach dem Entwurf der BBP Architekten im laufenden Betrieb von August 2001 bis Sommer 2002. Das aus Brandschutzgründen erforderliche zweite Treppenhaus wurde auf der Nordseite als außenliegendes Treppenhaus nachgerüstet, das Flachdach saniert und die Außenanlagen im EG-Bereich des Hochhauses neu gestaltet. Die Grundrissorganisation wurde nicht verändert (s. Abb. 21). 1 1 N Abb. 21: Regelgeschoss Kreisverwaltung aus Entwurfsplanung BBP Architekten Abb. 22: Gebäudeschnitt 1-1 Mittelteil (links) und Kopf (rechts) aus Entwurfsplanung BBP Architekten Gebäudehülle Das Gebäude der Kreisverwaltung erreicht ein A/V-Verhältnis von 0,31 m-1 und einen mittleren U - Wert der Gebäudehülle von 0,99 W/m²K. Alle in diesem Abschnitt genannten bauphysikalischen Werte sind dem Wärmeschutznachweis nach [46] entnommen. Im Brüstungsbereich wurden die Keramikplatten abgenommen und im Mittelteil durch 38 Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben ein WDVS in der Dämmstärke 12 cm (U = 0,27 W/m²K), in den Gebäudeköpfen eine Dämmstärke von 10 cm (U = 0,32 W/m²K) hinter den Screens ersetzt. Die isolierverglasten Fensterbänder in einer Holz-Aluminiumkonstruktion (Uw= 3,0 W/m²K) blieben auf den Ost- und Westseiten erhalten. Der Fensteranteil an der Fassade beträgt dort ca. 52 %. Auf der Nord- und Südseite wurden die Fensterbänder durch 2 Fensterelemente je Geschoss ersetzt. Das Flachdach wurde mit einer Dämmstärke von i. M. 13 cm (U = 0,25 W/m²K) erneuert. Die Kellerdecke wurde unterseitig mit einer 10 cm starken Dämmung versehen (U = 0,28 W/m²K). Die Sekundärfassade ist als zweiseitig horizontal linienförmig gelagerte ESG - Verglasung (1,33 m breite und 3,12 m hohe Scheiben) ausgeführt, die zusätzlich in den vertikalen Drittelspunkten punktweise ausgesteift wird. Zwischen den Glasscheiben befinden sich 1 cm breite, offene Vertikalfugen, die der Kondensatvermeidung dienen. Auf der Ost- und Westseite beträgt der Abstand zur Primärfassade in der Gebäudemitte 2,0 m (s. Abb. 22). Geschossweise in den Deckenebenen weit auskragende Gitterroste im Fassadenzwischenraum dienen der Begehbarkeit zu Reinigungszwecken und dem Sonnenschutz. Die Belüftung des Fassadenzwischenraums erfolgt über den Rost auf Höhe der Erdgeschossdecke. Für die Abluft befinden sich im Bereich der Attika feststehende, vertikale Glaslamellen im 45° - Winkel. Der obere Abschluss des Fassadenzwischenraums ist in VSG ausgeführt. Am Gebäudekopf im Süden bzw. Norden beträgt die Tiefe des Fassadenzwischenraumes 50 cm (s. Abb. 22). Die Sekundärfassade ist hier bis ins Erdgeschoss heruntergeführt und enthält auf jeder Fassadenseite vom 1.OG an ein in 45° - Position feststehendes, geschosshohes Lamellenelement in VSG. Diese Elemente sind versetzt angeordnet und dienen sowohl der Be- als auch der Entlüftung. Die Zuluft erfolgt über einen 15 cm hohen Schlitz direkt oberhalb der Geländeoberfläche. Die Abluftführung erfolgt über einen 10 cm hohen Spalt zwischen Attika und Blechabdeckung. Der Sonnenschutz erfolgt über rote Screens in den Fensterlaibungen (s. Abb. 23). Abb. 23: Ausschnitt Doppelfassade Schallschutz Planungsrichtwerte für das erreichbare Bauschalldämmass und den sich einstellenden Raumschallpegel sind nicht bekannt. Sommerliche Überhitzung Der Bauherr beauftragte das Ingenieurbüro Priedemann mit einer thermischen und einer Strömungssimulation [47], um die Effekte der Doppelfassade beurteilen zu können und die Öffnungsgrößen zu dimensionieren. Das ifes, Institut für angewandte Energiesimulationen und Facility Management, Frechen, führte diese Simulationen für das Büro Priedemann durch. Beschrieben wird im Folgenden die Variante, die „im Sommerfall zu einer maximalen Belüftung der Fassade und den günstigsten Temperaturverhältnissen führt“ (zitiert nach [47], S.3). Das Resultat gründet auf der Bewertung des wärmsten Sommertags des TRY 01. Bei einer Tageshöchsttemperatur von 27,9 °C, einem maximalen Strahlungseintrag von 944 W/m² und einer mittleren Windgeschwindigkeit von 3,6 m/s wird auf der Südseite eine maximale Übertemperatur im Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben 39 Bereich der Attika im Fassadenzwischenraum von 3 K über Außentemperatur erreicht, die maximale Temperaturschichtung im Fassadezwischenraum beträgt auf der Ostseite über die Gebäudehöhe von 26,4 m 2 K mit einer Maximaltemperatur von 31 °C. Die effektiven Öffnungsflächen für die Abluft betragen dabei in Prozent der Fassadenfläche: 1,7 % im tiefen Mittelteil und 0,7 % im schmaleren Gebäudekopf. Realisiert wurde im Mittelteil ein ungefähr dreimal so großer effektiver Abluftquerschnitt mit 5,8 %, im Gebäudekopf ein halb so großer Querschnitt mit 0,3 %. Die in den Gebäudeköpfen geschossweise realisierten Lamellenelemente wurden im Modell nicht berücksichtigt. Die Temperaturen in den Büros steigen an diesem Tag auf 32 °C bei einem angenommenen Luftwechsel von 1 h-1 und internen Lasten von 28 W/m² von 8:00 bis 18:00 Uhr. Vorgeschlagen wird ein „effektiver Sonnenschutz“, der die durch die Doppelfassade „thermisch höhere Belastung der Büros … kompensiert“ (zitiert nach [47], S.3) und die Temperaturen in den Büros auf 29°C reduziert. Für den Winterfall werden temperaturgeregelte Klappensteuerungen vorgeschlagen, die die angenommenen Querschnitte um 70 % reduzieren können. Eine Bewertung dieser Angaben ist nicht möglich, da die Randbedingungen nicht vollständig angegeben werden, z.B. Angaben zum Luftwechsel im Fassadenzwischenraum. Darüber hinaus gibt es keine Angaben wo im Gebäude die angegebenen Bürotemperaturen auftreten. Eine Jahressimulation mit Angabe der Jahresüberhitzungsstunden wurde nicht durchgeführt. Die mit den Oberflächentemperaturen aus der thermischen Simulation erstellte 2 D Strömungssimulation bildet den tiefen Bereich der Doppelfassade auf der Ostseite ab. Eine Angabe zur angenommenen Luftwechselrate im Fassadenzwischenraum fehlt. Das Modell bildet die gebaute Realität insbesondere im Zu- und Abluftbereich nur unvollständig ab. Die sich aus der thermischen Simulation ergebenden Lufttemperaturen im Fassadenzwischenraum finden keine Entsprechung im Fassadenschnitt der Strömungssimulation. Eine Optimierung der Lage des vorgeschlagenen Sonnenschutzes hinsichtlich der Durchströmung und Verweildauer der Luft wurde nicht durchgeführt. Statik Die Lasten der Doppelfassade mit einer Gesamtfläche von 3,375 m² werden nach Auskunft des Ing. Büros Pape + Dingeldein, Schackendorf an den Kopfenden im Norden und Süden über Kragträger und im mittleren Ost- und Westbereich über ein Zugseil aus der Attika abgehängt und in den Baukörper eingeleitet. Die Vertikallasten der neuen Doppelfassade konnten durch die Reduzierung der Verkehrslasten der Geschossdecken von ursprünglich 7,5 KN/m² auf 5 KN/m² in die Stützen des Stahlbetonskelettbaus geleitet werden. Für die Horizontallasten wird davon ausgegangen, dass die Doppelfassade die Windlasten nicht verändert. Brandschutz Die Rauchentwicklung im Brandfall soll in einem in situ Versuch in der Doppelfassade nachgestellt werden. Zusätzliche Brandschutzmaßnahmen wie z.B. die mechanische Entlüftung des Fassadenzwischenraums bleiben diesem Versuch vorbehalten. Lüftung Um eine manuelle Fensterlüftung in den Büros vorsehen zu können, muss über die Doppelfassade eine ausreichende Zuluftmenge bereitgestellt werden. Im Gebäudemit- 40 Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben telteil beträgt der effektive Öffnungsanteil für die Zuluft über das Gitterrost 7,4 % und für die Abluft im Bereich der Attika 5,8 % der Fassadenfläche. Der Zuluftschlitz den Gebäudeköpfen entspricht 0,5 % Öffnungsanteil, der Abluftschlitz unter der Attikaabdeckung 0,3 % Öffnungsanteil. Zusätzlich tragen die geschossweise versetzt angeordneten Lamellenelemente mit einem effektiven Öffnungsanteil von 11,3 % zur Be- und Entlüftung bei. Legt man einen im Winter über einen Kippflügel erreichbaren Volumenstrom von 300 m³/h (aus Kapitel 5.3, Luftwechsel) zugrunde, werden für die einachsigen Zellenbüros mit 58 bis 76 m³ Rauminhalt Luftwechselzahlen von 4 bis 5 h-1 erreicht. Geht man weiter von einer Belegung mit 2 Personen in den 20 bis 25 m² großen Räumen aus, so kann der erforderliche Außenluftstrom von 40 m³ pro Person und Stunde mit einer Lüftungszeit von ca. 15 min sichergestellt werden. Im Sommer kann der erforderliche Luftwechsel bei einem Volumenstrom von 80 m³/h mit einer Dauerlüftung in Kippstellung sichergestellt werden. Die mit 150 m³ Raumvolumen größeren Büros in den Gebäudeköpfen haben zusätzlich die Möglichkeit der Diagonallüftung. Eine nächtliche Querlüftung zur Reduzierung der sommerlichen Überhitzung ist nicht vorgesehen. Innenausbau In wenigen neu genutzten Bereichen wurde ein neuer Bodenbelag verlegt und die Wände gestrichen. In allen Büros wurden die abgehängten Decken erneuert und die vorhandene Beleuchtung durch abgependelte direkt - indirekt Leuchten in zweireihiger Anordnung mit Bewegungsmelder und tageslichtabhängiger Steuerung der Firma AEG ersetzt (s. Abb. 24). Die Nachlaufzeit beträgt ca. 5 Minuten, die Lampenreihen verfügen entsprechend des Tageslichteinfalls über unterschiedliche Dimmwerte. Zusätzlich kann das Kunstlicht reihenweise über einen Schalter betätigt werden. Der Bewegungsmelder ist ständig in Betrieb, wenn nicht der manuelle Aus-Schalter bedient wurde. Das insbesondere im Gebäudemittelteil im Vergleich zum Bestand erheblich verringerte Tageslichtangebot kann bei aktiviertem Blendschutz, der durch die bestehenden innenliegenden Vertikallamellen gewährleistet wird, zu einem Dauerbetrieb des Kunstlichts führen. Die Beleuchtung der Erschließungsflure erfolgt manuell zentral, die der sanitären Anlagen über Tastschalter. Da die Flurwände beidseitig als Schrankwände ausgebildet sind, wir das Kunstlicht morgens durch den Hausmeister ein- und abends durch die Reinigungskräfte ausgeschaltet, so dass von einer ganzjährigen Kunstlichteinschaltzeit von ca. 7:00 Uhr bis ca. 20:00 Uhr ausgegangen werden kann. Abb. 24: sanierter Gruppenraum im Gebäudekopf Gebäudetechnik Es wurden keine Veränderungen der Gebäudetechnik vorgenommen: Die Fernwärmezentrale und -verteilung blieb bestehen. Die Heizungsregelung erfolgt manuell über Thermostatventile unterschiedlicher Altersklassen. Die Elektro- und Medienversorgung wurde nicht erneuert. Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben 41 4.1.2 Wirtschaftlichkeit Flächenkennwerte Vergleicht man die Anteile der einzelnen Flächenarten an der Bruttogeschossfläche eines Normalgeschosses (s. Tabelle 16), so liegen die Verkehrs- und Konstruktionsflächenanteile der Kreisverwaltung nach der Sanierung um ca. 3,5 % über den Vergleichswerten des Mittelwerts der Bestandsgebäude für das Normalgeschoss. Verantwortlich dafür sind die drei Treppenhäuser und die massiven Brüstungen. Gleichzeitig sind die Nebennutz- und Funktionsflächenanteile sehr gering, so dass der Hauptnutzflächenanteil im Normalgeschoss mit 61 % dem Grenzwert (s. Tabelle 17) entspricht. Die Flächenkennwerte sind im Vergleich zum Bestand im Wesentlichen unverändert, da die Grundrissorganisation erhalten blieb und nur das Fluchtreppenhaus auf der Südseite ergänzt wurde. Flächenkennwerte Angaben für das Normalgeschoß KV Bad Segeberg KV Bad Segeberg vor Sanierung nach Sanierung Mittelwert Hochhaus Zellenbüro Mittelwert Hochhaus Großraum Bruttogeschossfläche (BGFg) 664 m² 100,0 % 678 m² 100,0 % 100 % 100 % Konstruktionsfläche (KFg) 95 m² 14,3 % 98 m² 14,4 % 12 % 6% Nettogrundfläche (NGF) 569 m² 85,7 % 580 m² 85,6 % 88 % 94 % Funktionsfläche (FF) - - - - 1% 1% Verkehrsfläche (VF) 139 m² 21,0 % 150 m² 22,2 % 21 % 15 % Nutzfläche (NF) 430 m² 64,7 % 430 m² 63,4 % 66 % 78 % Nebennutzfläche (NNF) 16 m² 2,5 % 16 m² 2,4 % 4% 4% Hauptnutzfläche (HNF) 413 m² 62,2 % 413 m² 61,0 % 62 % 74 % Tabelle 16: Flächenaufstellung des Regelgeschosses Kreisverwaltung Bad Segeberg Die Flächeneffektivität HNF/BGFr des Gesamtgebäudes (s. Tabelle 17) erreicht durch die einheitliche Büronutzung über alle Geschosse mit sehr geringen Nebennutz- und Funktionsflächenanteilen fast den Zielwert, so dass es sich insgesamt um ein sehr flächenwirtschaftliches Gebäude handelt. Der Anteil BGFr /BGF betrug vor der Sanierung 100 %, danach 85 % aufgrund der durch die Doppelfassade vergrößerten BGF. Zielwert Grenzwert Zielwert Grenzwert Zielwert Grenzwert [HNFg/BGFg] [HNFg/BGFg] [HNF/BGFr] [HNF/BGFr] [HNF/BGF] [HNF/BGF] Zellenbüro 61 % 64 % 53 % 60 % 40 % 52 % KV Bad Segeberg Zelle vor Sanierung 62,2 % 58,4 % 58,4 % KV Bad Segeberg Zelle nach Sanierung 61,0 % 57,3 % 49,0 % * Es wurden die Grenz- und Zielwerte der Flächenkennwerte für im Bestand nicht vollklimatisierte Gebäude nach Tabelle 8 verwendet. Hochhäuser bis 20 Geschosse * Tabelle 17: Hauptnutzflächenkonzentration Kreisverwaltung im Vergleich mit Grenz- und Zielwerten Zu der eher geringen Flächeneffektivität im Normalgeschoss kommt eine geringe Arbeitsplatzdichte mit fast 25 m² BGFg/AP oberhalb des Grenzwerts. Im Gesamtgebäude liegt die Arbeitsplatzdichte BGFr/AP dann unterhalb des Grenzwerts aufgrund des im Regelgeschosses und Gesamtgebäudes gleichen Flächenkomforts mit 15,1 bzw. 15,3 m²HNF/AP (s. Tabelle 18). Hochhäuser bis 20 Geschosse Zellenbüro KV Bad Segeberg Zelle vor Sanierung KV Bad Segeberg Zelle nach Sanierung Zielwert Grenzwert Zielwert Grenzwert Zielwert Grenzwert [m² BGFg/AP] [m² BGFg/AP] [m² BGFr/AP] [m² BGFr/AP] [m² BGF/AP] [m² BGF/AP] 23 m² 17 m² 27 m² 21 m² 34 m² 26 m² 24,2 m² 26,2 m² 26,2 m² 24,7 m² 26,7 m² 31,2 m² Tabelle 18: Arbeitsplatzdichte Kreisverwaltung Bad Segeberg im Vergleich mit Grenz- und Zielwerten 42 Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben Ein flächenwirtschaftliches Optimierungspotenzial durch eine Reorganisation des 2-Spänners ist nicht erkennbar, da das nicht notwendige 3. Treppenhaus in der Gebäudemitte aus funktionalen Gründen unverzichtbar ist. Baukosten Die aufgeführten Kosten beinhalten auf der Grundlage der Haushaltsunterlage Bau alle Sanierungsmaßnahmen, u.a. auch den Austausch der Beleuchtung und der abgehängten Decken. Die Baukosten der Kostengruppen 300 und 400 betragen 2,69 Mio. € netto. Die Kosten für die Doppelfassade einschließlich der Sonnenschutzbehangs und der Sanierung der Brüstungsbereiche der Primärfassade liegen bei etwa 550 €/m² Fassadenfläche, was einer Summe von ungefähr 1,85 Mio. € netto entspricht. Mit Ausnahme der Beleuchtung wurden keine weiteren technischen Anlagen installiert oder erneuert, so dass Technikkosten nur in geringem Maße anfallen. Die Baukosten für das Bauwerk liegen mit 340 €/m²BGF zwischen den Vergleichswerten des einfachen bzw. mittleren Standards (s. Tabelle 19). Der Anteil der Doppelfassade an diesen Bauwerkskosten beträgt 242 €/m²BGF, also ca. 70 %. Hochhäuser bis 20 Geschosse Gesamtkosten [€ /m² BGF] KG 300 [€ /m² BGF] KG 400 [€ /m² BGF] Sanierung einfacher Standard 341 € 233 € 108 € KV Bad Segeberg 349 € 340 € 9€ 617 € 402 € 215 € 1.023 € 629 € 394 € Sanierung mittlerer Standard Sanierung hoher Standard Tabelle 19: Baukostenvergleich Kreisverwaltung Bad Segeberg, netto Der arbeitsplatzbezogene Vergleichswert der Sanierungskosten liegt zwischen dem Ziel- und Grenzwert für ein Zellenbüro (s. Tabelle 20). Es handelt sich bei der Sanierung der Kreisverwaltung um eine „preiswerte“ Lösung mit ganzheitlichem Ansatz. Hochhäuser bis 20 Geschosse Grenzwert [€/AP] Zielwert [€/AP] Sanierung einfacher Standard Zellenbüro 11.500 € 9.000 € KV Bad Segeberg 10.900 € Sanierung mittlerer Standard Zellenbüro 21.000 € 16.000 € Sanierung hoher Standard Zellenbüro 35.000 € 26.500 € Tabelle 20: Arbeitsplatzkostenvergleich Kreisverwaltung im Vergleich mit Grenz- und Zielwerten, netto Energieverbrauch Da das hier behandelte Hochhaus Teil eines Gesamtkomplexes der Kreisverwaltung ist und nicht über eigene Zähler verfügt, mussten die Verbräuche über den BGF - Anteil des Hochhauses an der jeweiligen Gebäudegruppe umgelegt werden. Der Anteil des Hochhauses beträgt dabei mehr als 50 %. Trotz gleicher Nutzung ist aufgrund unterschiedlicher Gebäudequalitäten mit einer Unschärfe der Kenndaten zu rechnen. Im Gebäudebestand lag der Wärmeverbrauch danach um 16 % unter den typischen mittleren Verbrauchszahlen nach [28], der Stromverbrauch in gleicher Größenordnung (s. Tabelle 21). Zum Zeitpunkt der Datenerhebung im Frühjahr 2003 lag die Fertigstellung der Sanierung bereits ein dreiviertel Jahr zurück, so dass es sich hierbei um Verbrauchsdaten des ersten Betriebswinters handelt, die erfahrungsgemäß in den folgenden Jahren noch sinken. Der Stromverbrauch liegt nahe dem Zielwert des geringen technischen Ausstattungsstandards in der Hochhaussanierung. Dies ist schlüssig, da alle Arbeitsplätze fensternahe Einzel- oder Gruppenarbeitsplätze sind, die Beleuch- Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben 43 tungsanlage neu ist und das Gebäude ausschließlich frei gelüftet wird. Der Verbrauch der aus der Nutzerumfrage hervorgehenden Ausstattung mit Arbeitshilfen von 150 W/Person reduziert sich durch einen geringen Vollbetriebszeitfaktor. Eine weitere Reduzierung des Stromverbrauchs ist nicht zu erwarten. Der Wärmeverbrauch betrug im ersten Jahr nach der Sanierung 93 kWh/m²NGFa. Dies entspricht einem Jahresverbrauch von 527 MWh, während der Wärmeschutznachweis lediglich von einem berechneten Jahres-Heizwärmebedarf von 355 MWh entsprechend 63 kWh/m²NGFa ausgeht. Die Berechnung nach WSVO 95 berücksichtigt jedoch weder den mit der Gebäudehöhe zunehmenden Wärmeverbrauch, noch mögliche Reduzierungen durch die Doppelfassade. Der gemessene Wärmeverbrauch liegt in einer für ein natürlich gelüftetes Gebäude mit teilsanierter Primärfassade plausiblen Größenordnung. Wärme [kWh/m²NGFa] Strom [kWh/m²NGFa] typischer Bestand SIA NK 152 38 281 56 KV Bad Segeberg Bestand* 127 38 279** 75** Hochhaussanierung Typ I 75-109 28-46 161-258 32-52 KV Bad Segeberg nach Sanierung Hochhaussanierung Typ II Primärenergie [kWh/m²NGFa] Emissionen [kgCO2 /m²NGFa] 93 31 158*** 39*** 75-109 38-73 197-339 40-70 Hochhaussanierung Typ III 75-109 70-100 293-420 61-87 * Mittelwerte aus den Verbräuchen 1999 / 2000 ** Primärenergiefaktor für den Gebäudebestand Fernwärme aus Heizwerken, fossiler Brennstoff Primärenergiefaktor 1,3; CO2 Emission 400 gCO2/kWhEnd *** Primärenergiefaktor nach der Sanierung Fernwärme aus KWK seit 2004, fossiler Brennstoff, Primärenergiefaktor 0,7 nach Angabe E.ON Hanse; CO2 Emission 215 gCO2/kWhEnd Tabelle 21: Energieverbräuche der Kreisverwaltung Bad Segeberg im Vergleich Der Erfolg der Sanierung zeichnet sich bereits im ersten Betriebsjahr ab: Der Wärmeverbrauch sank um fast 30 %, der Stromverbrauch um fast 20 %. Betriebskosten Auch für die Betriebskosten gilt, dass die Summen der einzelnen Positionen entsprechend ihres BGF - Anteils auf das Hochhaus umgelegt werden mussten. Es wird daher auf die hochhausspezifische Auswertung der Kostenkategorien Wartung, Strom, Bewachung und Heizung verzichtet. Als Nebenkosten gelten für diesen Vergleich nur umlegbare Kosten. Die nutzerspezifischen Betriebskosten wie z.B. Reinigung und Stromverbrauch der Mietbereiche wurden mit erfasst. Dies wird im Vergleich dadurch berücksichtigt, dass diese beiden Positionen mit dem Faktor aus Vollkosten zu umlegbaren Kosten (nach [32]) bewertet werden. Im Gebäudebestand sind die Nebenkosten im Vergleich der Gebäude gleicher Altersklassen (s. Tabelle 22) für die öffentlichen Abgaben auffallend gering, da für das Kreishaus keine Grundsteuern und Straßenreinigungsgebühren anfallen. Auch in der Kostengruppe Versorgung liegen die Nebenkosten signifikant unter den Vergleichswerten. Ursache sind die vergleichsweise geringen Kosten in den Kategorien Strom- und Wasserversorgung. Die Stromkosten betragen dabei nur ca. 50 % des Vergleichwerts. Dies steht im Widerspruch zu dem typischen mittleren Stromverbrauch für nicht klimatisierte Gebäude wie im vorigen Kapitel Energieverbrauch beschrieben. Auffällig sind in der Kostengruppe Dienstleistung und Versicherung die Positionen Wartung, die mit fallender Tendenz aus 1999 im Jahr 2000 um 40 % unter dem Vergleichswert lag und Hausmeister, mit dem doppelten des Vergleichswerts. Wenn die Wartungskosten kurz vor der Sanierung also auf das Notwendigste beschränkt wurden, so ist mit einem 44 Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben Anstieg auf ein durchschnittliches Niveau nach der Sanierung zu rechnen. Die Beurteilung der hohen Hausmeisterkosten ist schwierig, da die Inhalte möglicherweise nicht mit denen des Vergleichs übereinstimmen. In der Kostengruppe Dienstleistung / Versicherung lag die Kreisverwaltung noch unter dem Vergleichswert der Gebäude der gleichen Alterklasse. In der Summe lagen die umlegbaren Nebenkosten deutlich unter dem Vergleichswert aller Gebäude der gleichen Alterklasse. Dafür sind mit über 70 % die geringen Kosten für die öffentlichen Abgaben verantwortlich. KV Bad Segeberg KV Bad Segeberg OSCAR * OSCAR ** OSCAR ** Gebäudealter 1970- Gebäudequalität mittel Hochhaus Bestand 1999 Bestand 2000 1979 unklimatisiert Öffentliche Abgaben 0,12 0,10 0,63 0,52 0,54 Strom 0,08 0,07 0,16 0,23 0,34 Heizung 0,44 0,40 0,40 0,38 0,43 Wasser, Kanal 0,08 0,08 0,13 0,13 0,11 Summe Versorgung 0,60 0,55 0,69 0,74 0,88 Versicherung 0,09 0,12 0,12 0,15 0,15 Wartung 0,14 0,12 0,20 0,32 0,47 Reinigung 0,24 0,23 0,22 0,26 0,28 Bewachung k.A. k.A. 0,12 0,23 0,27 Verwaltung 0,40 0,39 0,49 0,34 0,37 Hausmeister 0,57 0,60 0,29 0,26 0,28 Sonstiges k.A. k.A. 0,09 0,07 0,06 Summe Dienstleistung / Versicherung 1,44 1,45 1,53 1,63 1,88 Gesamtkosten * Abrechnungszeitraum Kalenderjahr 1999 ** Abrechnungszeitraum Kalenderjahr 2003 2,17 2,11 2,85 2,89 3,30 [€Netto/m²NGFMonat] unterstrichen hochhausspezifische Kostenkategorien Tabelle 22: Umlegbare monatliche Netto-Betriebskosten der KV Bad Segeberg im Vergleich mit [32] Zum Erhebungszeitpunkt im Frühjahr 2003 standen die Nebenkosten für das 1. Betriebsjahr nach der Sanierung noch nicht zur Verfügung. Die Auswertung beschränkt sich daher auf eine Prognose der zu erwartenden Betriebskosten im Vergleich zum Bestand. Für die Kosten der Kategorie öffentliche Abgaben sind auch nach der Sanierung keine inhaltlichen Veränderungen zu erwarten. In der Kostengruppe Versorgung ist mit den oben ausgeführten zurückgehenden Energieverbräuchen nach der Sanierung trotz steigender Energiepreise auch mit rückläufigen Energiekosten zu rechen, so dass das Gebäude in allen Positionen der Kategorie Versorgung unter den Vergleichswerten liegen sollte. In den Positionen der Kostengruppe Dienstleistung / Versicherung sind keine wesentlichen Änderungen, die auf die Baumaßnahme zurückgeführt werden können, zu erwarten. Zwar sind mit der Doppelfassade höhere Glasreinigungskosten verbunden, jedoch kann das Reinigungsintervall der Primärfassade aufgrund geringerer Verschmutzung gestreckt werden. Die Fassade ist im Wesentlichen wartungsfrei, die Gebäudetechnik blieb bis auf den Austausch der Beleuchtungsanlage unverändert. Für die Positionen Wartung und Reinigung werden also geringfügige Steigerungen erwartet. In der für 2003 zu erwartenden Nebenkostensumme sollte eine Kostensteigerung in Höhe von 10 % im Vergleich zum Bestand berücksichtigt werden, wie sie die Kostenentwicklung der unklimatisierten Gebäude von 1999 bis 2003 nach OSCAR [32] ausweist. Als Referenzwerte sind in Tabelle 22 die Kosten für den mittleren Gebäudestandard angegeben, da die Betriebskosten weiterhin den BGF - Anteilen des Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben 45 Gesamtkomplexes entsprechend umgelegt werden müssen. Zu Vergleichszwecken sind zusätzlich die Nebenkosten für Hochhäuser aufgeführt. Insgesamt liegen abgesehen von der Prüfung der Inhalte der Position Hausmeister keine offensichtlichen Einsparpotenziale vor. 4.1.3 Komfortumfrage Randbedingungen 25% 20% 16% 16% 14% 15% 12% 10% 10% 10% 8% 6% 5% 0% Ost (M it te) Ost (Kopf ) 2. OG West (M itt e) 8. OG West (Kopf ) Anteil an der Gesamtzahl der Fragebogen Anteil an der Gesamtzahl der Fragebogen Ausgewählt zur Befragung im Rahmen dieser Arbeit (s. Musterfragebogen Sanierung im Anhang) wurden 52 Personen im 2. und im 8. OG. Die Fragebögen wurden am Dienstag, 04. Februar 2003 verteilt und am selben bzw. nächsten Tag eingesammelt. Zu diesem Zeitpunkt war die Sanierung seit ca. einem halben Jahr abgeschlossen. Der gute Rücklauf, die Fülle der frei formulierten Bemerkungen und die Tatsache, dass 14 % der Befragten die Ergebnisse der Umfrage erfahren wollen, lässt auf ein hohes Interesse an dem Gebäude schließen. Die 51 ausgewerteten Fragebögen stellen bei den prozentual verteilten Antworten 100 % dar. Eine detaillierte Auswertung wurde für die thermische Behaglichkeit und den Schallschutz vorgenommen, deren Verbesserung explizit Sanierungsziel war. Zusätzliche erfolgten genauere Betrachtungen bei Sachverhalten, die durch besonders viele Negativ - Voten (mehr als 15 %) als mögliche weitere Problemstellungen hervortreten. Die Befragten verteilen sich relativ gleich auf beide Geschosse: 26 Personen arbeiten im 2. OG, 25 im 8. OG. Diese bilden die beiden Gruppen bei der Gegenüberstellung nach Geschossen. Der Vergleich unterschiedlicher Fassadentypologien erforderte eine Unterscheidung nach der Lage der Büros im Gebäudemittelteil, bzw. den Gebäudeköpfen, und ihrer Orientierung (s. Abb. 25). Aufgrund fehlender Zuordnungsmöglichkeit bezieht diese Auswahl nur 46 Fragebögen ein. Eine Auswertung nach Orientierungen vergleicht die Büros im Gebäudemittelteil mit den an die nördliche bzw. südliche Gebäudeabschlusswand grenzenden Büros. Hier sind 38 Fragebögen Grundlage des Vergleichs (s. Abb. 26). 25% 20% 16% 14% 15% 12% 10% 10% 10% 6% 4% 5% 4% 0% Ost (M it te) West (M itt e) 2. OG Süden Norden 8. OG Abb. 25 / Abb. 26: Gruppenzuordnung nach Fassadentypologie (links), Gruppenzuordnung nach Orientierung (rechts) Auswertung Teil A: Fragen zur Person In der Kreisverwaltung Bad Segeberg herrscht fast ein Geschlechtergleichgewicht bei etwas mehr Männern (57 %) als Frauen (43 %). Das Alter der Befragten beträgt über- 46 Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben wiegend 41 bis 50 Jahre (43 %), nur wenige sind unter 30 oder über 60 Jahre alt. 80 % der Befragten sind über ein Jahr in ihrem Raum tätig, können also die Situation vor und nach der Sanierung miteinander vergleichen. 33 % der Befragten arbeiten in einem Einzel-, 63 % in einem Doppel- und 4 % in einem Dreierbüro. Die Bürogrößen betragen im Gebäudemittelteil 18,0 m² und in den Gebäudeköpfen 26,5 m² bzw. 50,5 m². Eine knappe Mehrheit (56 %) der Befragten verrichten vorwiegend Bildschirmarbeit und 92 % verbringen den größten Teil der Arbeitszeit am Arbeitsplatz. Teil B: allgemeine Behaglichkeit Die empfundene Luftfeuchte beurteilen 69 % als manchmal oder häufig zu trocken. Beklagt werden auch trockene Schleimhäute (53 %) und trockene Augen (31 %). Dieser Zustand wird von 71 % als unverändert, von 18 % der Befragten als verschlechtert beurteilt. Die aufgrund trockener Luft geäußerte Kritik ist eine häufig zu beobachtende Folge eines natürlichen Lüftungskonzepts mit entsprechend geringen Raumluftfeuchten im Winter. Die deutliche Kritik an diesem Zustand kann zum Teil auch auf den Umfragezeitpunkt Anfang Februar zurückzuführen sein. Die Frische der Luft beurteilen 59 % der Befragten gering, aber immerhin auch 39 % gut. Das ist ein unerwartet schlechtes Ergebnis für ein natürlich gelüftetes Gebäude. Die Situation wird mehrheitlich (53 %) als unverändert bewertet, allerdings auch von 32 % als verschlechtert. Da das Bedürfnis nach „frischer Luft“ oft identisch mit kühler Luft ist, kann dieses Ergebnis ein Hinweis auf ein sommerliches Überhitzungsproblem sein. Aber auch unangenehme Gerüche können das Urteil beeinträchtigen. Sie werden nur von 27 % der Befragten beanstandet, die jedoch im Bemerkungsfeld auf die Ursachen hinwiesen: „Gerüche aus dem Sanitärbereich ... teilweise bis ins Büro“ und „Rauch von den Kollegen im unteren Geschoss“. Ersteres ist möglicherweise die Folge unzureichender Ablufteinrichtungen oder mangelhafter Geruchverschlüsse in den Sanitärbereichen, letzteres vermutlich auf die Reinfiltration über den Fassadenzwischenraum bei unsegmentierten Vorhangfassaden zurückzuführen. Der aufgrund der Raucherlaubnis um 50 % auf 60 m³/h Person erhöhte hygienische Luftwechsel kann mit einem natürlichen Lüftungskonzept nur eingeschränkt sichergestellt werden (s. Kap. 4.1.1, Lüftung). Aus diesen Gründen ist ein Rauchverbot am Arbeitsplatz zu empfehlen. Bei der Frage nach Luftzug ergab sich eine recht gleichmäßige Verteilung: 53 % der Befragten beschwerten sich über ziemlich oder sehr starke Zugerscheinungen, für 47 % sind sie kaum oder gar nicht wahrnehmbar. Der Zustand erscheint 47 % unverändert, 20 % als etwas oder sehr verschlechtert, 27 % als etwas verbessert. Mögliche Ursachen können Undichtigkeiten der nun 30 Jahre alten Fenster in der Primärfassade und deren Bauteilanschlüsse sein, die für hohe auftretende Luftgeschwindigkeiten am Arbeitsplatz verantwortlich sein können, aber auch die sich im Winter zwischen den Raum- und den Glas- bzw. Rahmenoberflächen einstellende Strahlungsasymmetrie. Da die alten Fensterelemente der Primärfassade im gesamten Gebäude immer noch von hoher Qualität sind, können wahrscheinlich auch mit einer Wartung der Elemente verbesserte Werte in der Fugendichtigkeit erzielt werden. Physische Einschränkungen (Kopfschmerzen, Benommenheit u. ä.) werden unverändert selten oder nie erfahren. Entsprechend sind hier keine Einflüsse, die die Leistungsfähigkeit einschränken (Konzentrationsschwäche, Müdigkeit u. ä.) zu erwarten und wurden auch nicht erklärt. Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben 47 Trotz der Beschwerden in einzelnen Punkten wird die Behaglichkeit in der Kreisverwaltung mehrheitlich angenehm eingeschätzt (61 % der Befragten). Für immerhin 25 % hat sich die Situation durch die Sanierung verbessert, 48 % halten sie für unverändert und 14 % für verschlechtert. Insgesamt zeigt sich im Vergleich also ein neutrales Bild, das die Erwartungen an die Sanierung nicht erfüllt. Teil C: technische Ausstattung / Lüftung Die typische Arbeitsplatzausstattung in Bad Segeberg besteht aus Computer (92 %), Monitor (85 %) und Drucker (94 %). Schreibtischleuchten sind nicht die Regel (41 %). Die Frage, ob es Geräte gibt, die ständig oder im stand - by - Modus laufen, wurde zu 63 % bejaht. Daraus ergibt sich eine installierte Leistung von 100 bis 150 W/Person. Da jedoch nur 56 % der Befragten vorwiegend Bildschirmarbeit ausüben, ist für den entstehenden Verbrauch bzw. die interne Last der Vollbetriebszeitfaktor von hoher Bedeutung. Das allgemeine winterliche Lüftungsverhalten ist den Nutzerangaben zufolge vorbildlich: im Durchschnitt wird viermal täglich für im Mittel ca. 15 Minuten gelüftet, zu 73 % bei gekipptem Fenster. Diese Stoßlüftung ist eine für natürlich gelüftete Verwaltungsgebäude sinnvolle Lüftungsstrategie, die den erforderlichen Luftwechsel im Winterfall (ohne Raucherlaubnis s. Kap. 4.1.1, Lüftung) sicherstellen kann. Als Begründung für das Lüften werden erwartungsgemäß sauerstoffarme (33 %) und geruchsbelastete Luft (24 %) angegeben. Ursache sind also wahrscheinlich steigende CO2 Konzentrationen im Raum. Das Fenster wird allerdings auch geöffnet, wenn die Luft zu warm ist (24 %). Hier handelt es sich entweder um eine Fehlbedienung des Nutzers oder möglicherweise defekte Thermostatventile. Da sich die Angaben zu Lüftungsstrategie auf den Zeitpunkt der Befragung bezog, stehen Angaben zum sommerlichen Lüftungsverhalten nicht zur Verfügung. Teil D: Beheizung siehe dazu die Detailauswertung Teil B und D: thermische Behaglichkeit und Heizung. Teil E: visuelle Behaglichkeit und Beleuchtungstechnik Im Frageteil B zu gesundheitlichen Einschränkungen haben 82 % der Befragten nie oder selten Sehbeschwerden angegeben. Mehrheitlich (76 %) wird die Situation als unverändert angesehen. Die Handhabung bzw. Qualität des Kunstlichtes wird sehr positiv bewertet: zu 73 % wurden die Noten gut und sehr gut vergeben und zu 84 % auch eine Verbesserung durch die Sanierung bemerkt. Eine „blendfreie, gute Ausleuchtung“ wurde erreicht. Die Regelung über Bewegungsmelder wird als „gut und unkompliziert“ angesehen. Die Tageslichtsituation erhält zwar zu 58 % die Noten befriedigend bis sehr gut, aber 60 % der Befragten beschreiben eine Verschlechterung. Dies wird begründet mit der Verringerung der Tageslichtmenge durch die Vermauerung von Fensteröffnungen in den Kopfbüros, dem Beschlagen der äußeren Glasfassade und der Blendung wegen „fehlenden“ Sonnenschutzes dort, wo die horizontalen Gitterroste diese Funktion übernehmen sollen. Tatsächlich obliegt der Blendschutz allerdings den innenliegenden Vertikallamellen. Die Lichtverhältnisse am Arbeitsplatz erhalten bei aktiviertem Sonnenschutz zu 52 % die Noten mangelhaft und ungenügend und werden zu 61 % als verschlechtert bewertet. Grund hierfür ist die rote Farbe, die als „unangenehm, belastend“ und „kein Schutz 48 Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben vor Überhitzung“ bezeichnet wird. Eine umfassende Beschreibung der Situation gibt folgende Bemerkung: „Wenn die roten Jalousien nötig sind, entstehen im Raum außerordentlich unangenehme „rote“ Lichtverhältnisse, die nur durch Nutzung der Innenlamellen gemildert werden können. Aber dann muss oft die Deckenbeleuchtung eingeschaltet werden.“ Der Bedienkomfort der Screens wird positiv kommentiert, er ist „über einen Tippschalter einfach zu regeln und windgeschützt“, und bekommt Noten zwischen gut und befriedigend. Die Tageslichtqualität bei aktiviertem Blendschutz bekommt zu 65 % und dessen Bedienkomfort zu 63 % die Noten befriedigend bis sehr gut. Dabei handelt es sich um die bestehenden innenliegenden Vertikallamellen. Teil F: Alltag Zunächst sollten die Nutzer Dinge nennen, die ihnen am Gebäude gut oder gar nicht gefallen. Mehrfach positive Erwähnung fand die Architektur. Hauptkritikpunkt waren einmal mehr die roten Screens. Eine bessere Aufklärung über die Funktionsweise der Doppelfassade wird von immerhin 27 % der Befragten gewünscht. Fast alle frei formulierten Fragen beziehen sich auf die Wirkungsweise der Doppelfassade. Von Interesse ist außerdem der Sanierungserfolg „was wurde erreicht“, im Hinblick auf Energieeinsparung und Schallschutz. Die Gebäudetechnik wird insgesamt nur mit ausreichend bewertet. Detailauswertung Teil B: Schallschutz Die allgemeine Bewertung von Geräusche wird von 80 % der Interviewten als störend oder sehr störend bezeichnet. Seit der Sanierung beobachten 37 % eine Verbesserung, 47 % bezeichnen die Situation als unverändert. Da der Schallschutz Sanierungsziel war, wurde er mit zwei Fragen nach der Geräuschquelle vertieft. Den Außenlärm empfinden 76 % als störend oder sehr störend, 37 % der Befragten halten die Situation für verbessert. Die Frage nach störendem Außenlärm unterschied nicht zwischen geöffnetem und geschlossenem Fenster. Die Bewertung der allgemeinen Geräuschbelastung deckt sich also mit den Ergebnissen der Frage nach dem Außenlärm. Die Detailauswertung nach Orientierung zeigt das erwartete Bild: die am stärksten belastete Personengruppe ist die im Süden, aber auch im Osten und Westen werden noch erhebliche Belästigungen beanstandet, im Norden ist der Außenlärm hingegen kaum wahrnehmbar. Erfreulicherweise kann die Personengruppe im Süden eine Entlastung durch die Sanierung berichten (für 14 % leicht, 29 % deutlich verbessert). Im Übrigen ist die Situation leicht verbessert bis unverändert. Ein Unterschied zwischen dem 2. OG und dem 8. OG kann nicht festgestellt werden. So wird die B 204 im Süden des Gebäudes als Hauptgeräuschquelle identifiziert und die positive Auswirkung der Sanierung bezüglich des Immissionsschutzes bestätigt. Das Bauschalldämmass wird auf der Nord- und Südseite durch die nach der Sanierung weitgehend geschlossene Fassade und den Einbau neuer Fenster wesentlich verbessert. Auf der Ost- und Westseite kann für eine geschlossene Doppelfassade eine Verbesserung von ca. 5 dB im Vergleich zum Bestand (aus Kapitel 5.2.3, Schallschutz) angenommen werden. Der Raumschallpegel wird bei geschlossener Doppelfassade und einem zu Lüftungszwecken geöffnetem Kippflügel deutlich reduziert, so dass eine sehr gute Sprachverständlichkeit erreicht werden kann. Die Ergebnisse der Detailauswertung sind schlüssig im Hinblick auf Immissionsbelastung und Immissionsschutz. Dennoch wäre insbesondere für die Veränderung durch die Sanierung ein positiveres Urteil zu erwarten gewesen. Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben 49 Einige Nutzer nannten in den Bemerkungen auch zeitweise Windgeräusche als Lärmquelle. Mögliche Entstehungsorte sind u.a. die offenen Fugen der Glasfassade oder Undichtigkeiten der alten Fenster in der Primärfassade. Die Geräuschbelastung aus Nachbarbüros ist ebenfalls signifikant: für immerhin 43 % insgesamt störend. Dies wird aber nicht der Sanierung zugeschrieben (84 % unverändert). Die Auswertung nach Orientierung ergibt Störungen aufgrund von Geräuschen aus Nachbarräumen vor allem in den Gebäudeköpfen (60 % Nordseite bzw. 71 % Südseite störend). Auch hier wird kein Zusammenhang mit der Sanierung festgestellt. Da die Geräuschbelastung im Wesentlichen unverändert fortbesteht, kann angenommen werden, dass es sich hierbei nicht um eine geschossweise Schallübertragung durch den Fassadenzwischenraum handelt, sondern um eine Körperschallübertragung von Raum zu Raum. Das schlechtere Abschneiden der Kopfbüros ist möglicherweise auf die durch die höhere Arbeitsplatzdichte größere Belastung aus dem eigenen Raum zurückzuführen. Detailauswertung Teil B und D: thermische Behaglichkeit und Heizung Die empfundene Raumtemperatur im Winter liegt breit gestreut: 46 % der Befragten ist es häufig oder manchmal zu kalt, 20 % manchmal oder häufig zu warm, für 35 % ist sie gerade richtig. Die Aussagen, es sei zu kalt, werden mit den Bemerkungen „montags und morgens“ erklärt, d.h. aus der Nacht- bzw. Wochenendabsenkung kann die Raumtemperatur nicht schnell genug erreicht werden. Für 66 % gab es keine Veränderung im Vergleich zur Situation vor der Sanierung, für 14 % eine geringe Verbesserung und für 15 % eine Verschlechterung, obwohl die Heizanlage ohne Veränderungen besteht. Die Klagen über zu geringe Temperaturen treten im Wesentlichen im 2. OG (66 %) auf, wohingegen im 8. OG die Mehrheit (52 %) die Raumtemperatur für gerade richtig hält. Die Heizanlage erhält entsprechend die Note ausreichend oder schlechter. Als Hauptkritikpunkte wurden wie beschreiben die Raumtemperaturen, die Größe des wählbaren Temperaturbereiches, eine schlechte Regelbarkeit und Geräuschentwicklungen genannt. Das ist sowohl bei der Behaglichkeit als auch der Handhabung ein überraschend schlechtes Votum für eine gewöhnliche Heizungsanlage mit Thermostatventilen, die normalerweise eine gute individuelle Regelbarkeit sicherstellt. Überprüft werden könnten der hydraulische Abgleich der Heizungsanlage und das Zeitprofil der Wochenend-, bzw. Nachtabsenkung, aber auch die Ursachen für die beschriebenen Zugerscheinungen. Bei der Frage zum Sommertag gab es ein deutliches Ergebnis: 86 % der Interviewten ist es etwas oder sehr zu warm, 76 % nennen eine Tageszeit, zu der es regelmäßig Überhitzungen gibt. Insgesamt hat sich die Sommersituation für 50 % der Befragten verschlechtert, weitere 27 % betrachten die Situation als unverändert. In der Geschossauswertung zeigt sich, dass das 2. OG geringfügig weniger Probleme als das 8. OG hat. Die sich am Sommertag einstellende Temperaturschichtung im Fassadenzwischenraum mit entsprechenden Übertemperaturen im Vergleich zur Außentemperatur ist wahrscheinlich die Ursache für diesen Geschossunterschied. Eine Auswertung nach Tageszeit und Himmelsrichtung zeigt deutlich die Überhitzung am Vormittag im Osten, die auch nachmittags in Teilen aufrecht erhalten bleibt und die nachmittägliche Überhitzung im Westen. Eine Person aus einem Ostbüro im 8. OG bemerkt dazu: „die Hitze beginnt vormittags und zieht nicht wieder ab“, das erklärt die vielen Doppelnennungen auf die Frage, wann Überhitzungen auftreten: ein Drittel der 50 Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben Personen im Osten hat zusätzlich zu vormittags auch nachmittags angekreuzt. All diese Aussagen sind in sich schlüssig, so dass davon ausgegangen werden kann, dass es sich um signifikante Ergebnisse handelt. Bei der Auswertung nach Fassadentypologie und Orientierung zeigt sich, das die Klagen über zu warme Temperaturen in den Gebäudeköpfen mit 95 % im Westen und 100 % im Osten höher sind, als im Mittelteil mit 75 % im Westen und 86 % im Osten. Das Ergebnis lässt darauf schließen, dass das gewählte Fassadensystem im Gesamtaufbau in den Gebäudeköpfen den sommerlichen Überhitzungsschutz weniger gut gewährleistet als das System im Gebäudemittelteil trotz des im Fassadenzwischenraum angeordneten Sonnenschutzes. Als mögliche Ursachen kommen in Betracht: die Anordnung der Screens in den Laibungen der Primärfassade, der geringe Reflexionsgrad der Screens, der geringe Abluftquerschnitt des Fassadenzwischenraums über Dach, aber auch die möglicherweise höheren internen Lasten, aufgrund der größeren Arbeitsplatzdichte. Ein ähnliches Bild ergibt die Auswertung des Vergleichs zum Zustand vor der Sanierung: Als etwas und sehr verschlechtert beanstanden 67 % der Befragten in den Gebäudeköpfen im Osten und 73 % im Westen die Situation. In der Gebäudemitte sind dies im Osten 50 % und im Westen 42 %. Einzelne Aussagen konstatieren eine geringfügige Verbesserung. Messungen zur Prüfung der sich einstellenden Temperaturen im Fassadenzwischenraum über die Gebäudehöhe und in den angrenzenden Büros jeweils nach Orientierung und Fassadentypologie erscheinen sinnvoll, um geeignete Maßnahmen zur Reduzierung der Überhitzungsproblematik im Gebäude vorschlagen zu können. Eine Strategie zur Gebäudeentwärmung kann z.B. die Realisierung einer nächtlichen Querlüftung über nachträglich einzubauende Türoberlichter sein. 4.1.4 Vergleich mit den Sanierungszielen Unzufriedenheit mit auftretenden Überhitzungen äußern fast alle Befragten. Die Hälfte beurteilt die Situation als verschlechtert, ein Viertel als unverändert. Die Überhitzungen werden im 8. OG häufiger beklagt als im 2. OG, in den Gebäudeköpfen häufiger als im Gebäudemittelteil. Die möglichen Ursachen sind wie oben im Einzelnen beschrieben vielfältig. Ein Konzept zur Reduzierung der sommerlichen Überhitzungsprobleme auf der Grundlage von Temperaturmessungen zur Überprüfung der Umfrageergebnisse sollte in Erwägung gezogen werden. Die Nutzerumfrage stellte bezüglich des Immissionsschutzes eine deutliche Verbesserung des Schutzes gegen Außenlärm im Allgemeinen und insbesondere in den exponierten Südbüros fest. Dennoch empfinden mehr als die Hälfte der Befragten den Außenlärm als in hohem Maße störend. Als Lärmquelle neben dem Verkehrslärm werden zeitweise Windgeräusche genannt. Der interne Schallschutz wird unverändert beklagt. Insofern kann angenommen werden, dass es sich hierbei nicht um eine geschossweise Schallübertragung durch den Fassadenzwischenraum handelt. Erheblich Kritik erfährt auch die rote Farbatmosphäre in den Räumen der Kopfbüros. Erstaunlich schlecht war die Beurteilung der Heizanlage. Insgesamt wird die Behaglichkeit im Gebäude gleichwohl mit gut bewertet, das Nutzerverhalten bezüglich der natürlichen Lüftung ist vorbildlich. Als Maßnahmen, die mit sehr geringem Aufwand zur Verbesserung beitragen können, können empfohlen werden: eine Überprüfung der Heizanlage bezüglich des hydraulischen Abgleichs und des Zeitprofils für Nacht- und Wochenendabsenkung, das Nachstellen der Fensterbeschlä- Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben 51 ge und eine ausführliche Nutzerinformation zur Funktionsweise der Doppelfassade. Die Betriebskosten beinhalten abgesehen von der Prüfung der Inhalte der Position Hausmeister keine offensichtlichen Einsparpotenziale. Die z.B. aus dem Erhalt weiter Teile des Bestands und der Ausbildung einer 2 m tiefen Vorhangfassade resultierenden möglichen strukturellen Probleme des Sanierungskonzepts waren vor der Realisierung bekannt. Insofern wurden die Sanierungsziele bezüglich des Schall-, Wind- und Witterungsschutzes sowie des sommerlichen Überhitzungsschutzes weitgehend erreicht. Insbesondere die gelungene Revitalisierung, neue städtebauliche Bedeutung und das Beispiel für den Umgang mit vorhandener Bausubstanz in engem Kostenrahmen sind erwähnenswert. Die nun auftretende Kritik der Nutzer bestätigt allerdings die Erwartung, dass noch Handlungsbedarf besteht. Ein Vorschlag zur nachhaltigen Verbesserung der Situation kann Ergebnis ergänzender Messungen und Interviews sein. 4.2 R+V Versicherung Domstraße Hamburg Für das Verwaltungsgebäude der R+V Versicherung in Hamburg wurde 2001 / 2002 eine Sanierung verwirklicht, die als Gebäudehülle eine Kasten - Doppelfassade vorsieht. Es handelt sich bei dem Bau um einen 1961 errichteten, zwölfgeschossigen Ost – West orientierten Zweispänner (zwei Untergeschosse, EG und neun Obergeschosse). Datenblatt des Gebäudes der R+V Versicherungen mit allgemeinen Angaben zum Gebäude, zur Doppelfassade und zum Energiekonzept im Anhang Tab. 3. Abb. 27: R+V Versicherung Ansicht Süd-West, im Vordergrund die Domstraße 4.2.1 Projektbeschreibung Bestand Der Ost – West gerichtete Zweispänner in der Hamburger Innenstadt entstand 1961 als Stahlbetonskelettbau mit Flachdach. Das Erdgeschoss mit einem komplexen Grundriss dient als Sockel für die neun im Grundriss rechteckigen Obergeschosse von jeweils 14,3 m Tiefe und 34,6 m Länge. Die zwei Untergeschosse beinhalten neben Lager- und Technikräumen auch 32 Stellplätze. Vertikal erschlossen wird das Gebäude über einen massiven Kern mit Treppenhaus und zwei Fahrstuhlkörben. Die U - Werte der Bestandsfassade mit Stahlrahmen lagen für die Verglasung bei 2,8 W/m²K und für die Brüstung bei 2,5 W/m²K [49]. Auf der Basis von Verkehrszählungen wurde ebenfalls in [49] eine Einstufung der Fassaden in Pegelbereiche von III bis VI vorgenommen. Im Süden und Westen, zur Kleinen Reichenstraße und Domstraße, erreichen die Außenlärmpegel 70-75 dB(A) bis 75-80 dB(A) in den Pegelbereichen V und IV. Die Gebäudeschmalseiten sind nord - bzw. südorientiert, es ist keine Fremdverschattung vorhanden. Das Achsraster des Bestandes variiert zwischen 1,39 m und 1,44 m. Die Geschosshöhe beträgt 3,2 m. 52 Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben Sanierungsziele Die Planung ging ursprünglich nicht von einer Totalsanierung aus. Erst im Bauablauf stellte sich eine hohe Schadstoffbelastung (z.B. asbesthaltige Putze) heraus, so dass der Erhalt von Teilbereichen verworfen wurde. Die Realisierungsphase gestaltete sich dadurch aufwändiger als gedacht. Aufgrund des geringen Erschließungsanteils – nur ein notwendiges Treppenhaus – ist eine hohe Flächenwirtschaftlichkeit zu erwarten. Es wurde ein hoher Ausbaustandard angestrebt. Das Fassadenkonzept des Büros Lange vom September 2001 [49] basiert auf den Randbedingungen einer freistehenden Hochhaussituation, dem hohen Außenschallpegel durch Verkehrslärm, einer freien Fensterlüftung und maximalem Außenkontakt sowie einer windreichen Lage in Hamburg. Als Ziele wurden der Witterungs-, Schallund Wärmeschutz mit der Minimierung der winterlichen Wärmeverluste und Begrenzung der sommerlichen Wärmeeinträge genannt. Realisierung Das Gebäude wurde 2001/02 kernsaniert, die Gebäudehülle, der Ausbau und die Gebäudetechnik wurden vollständig erneuert. In der untenstehenden Abb. 28 ist ein Regelgeschoss abgebildet. N Abb. 28: Grundriss Regelgeschoss Domstraße aus Ausführungsplanung ASTOC ARCHITECTS & PLANNERS und HÖHLER & PARTNER Gebäudehülle Das Gebäude der R+V Versicherung erreicht ein A/V Verhältnis von 0,29 m-1 und einen mittleren U - Wert der Gebäudehülle von 0,75 W/m²K. Die neuen Fenster der Primärfassade erreichen einen Wärmedurchgangskoeffizienten von 1,6 W/m²K mit Rahmen der Materialgruppe 2.1 und einer Wärmeschutzverglasung mit Ug = 1,2 W/m²K. Die Sekundärfassade und der Fassadenzwischenraum blieben im Wärmeschutznachweis unberücksichtigt. Der Gesamtenergiedurchlassgrad g der Fassade von 0,43 setzt sich zusammen aus dem g – Wert der Wärmeschutzverglasung mit 0,63 und der in Teilen bedruckten Sekundärverglasung mit 0,68. Die neue Brüstung erreicht einen U - Wert von 0,4 W/m²K, die sanierte Dachdecke des Hochhauses einem U - Wert von 0,4 W/m²K (alle Angaben gem. Wärmeschutznachweis [48]). Die Sekundärfassade ist in ESG ausgeführt und zweiseitig vertikal achsweise linienförmig gelagert. Es handelt sich um eine geschossweise getrennte, schuppenartig angeordnete Kastenfassade in einer Tiefe von ca. 15 bis 45 cm über je 2 Achsen von ca. 1,4 m mit diagonaler Durchlüftung (s. Abb. 29, 30 und 31). Als Sonnenschutz wurde eine tageslichtoptimierte Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben 53 Warema Horizontallamelle im Fassadenzwischenraum angebracht und die Verglasung der Sekundärfassade in der oberen Hälfte mit Horizontalstreifen mit einem Deckungsgrad von ca. 40 % bedruckt (s. Abb. 29, 34). Abb. 29 / Abb. 30 / Abb. 31: Fassadenausschnitt (links), Schnitt (Mitte), Grundriss (rechts) der Doppelfassade Domstraße aus Regeldetails ASTOC Architects & Planners, Köln und Höhler & Partner, Aachen Schallschutz Die Anforderungen an das Bauschalldämmass der Primärfassade reduzieren sich nach [49] durch die Doppelfassade um ca. 4 dB für das Bauteil Fenster, so dass handelsübliche, genormte Bauteile für die Schallschutzklasse 4 eingesetzt werden können (s. Tabelle 23). Pegelbereich VI (76-80 dB(A)) Pegelbereich V (71-75 dB(A)) Pegelbereich IV (66-70 dB(A)) erf. für Außenbauteil (DIN 4109) R’w,res = 45 dB R’w,res = 40 dB R’w,res = 35 dB gewählt für Fenster inkl. Rahmen Rw,R = 41 dB Rw,R = 36 dB Rw,R = 32 dB gewählt für Brüstung inkl. Rahmen Rw,R = 44 dB Rw,R = 38 dB Rw,R = 36 dB Bauteil Tabelle 23: Bauschalldämmass der Primärfassade bei vorgegebenen Öffnungsweiten nach [49] Bei Einhaltung des Raumschallpegels von 55 dB(A) ist nach [49] für die Doppelfassade mit 47 bis 49 min/h nahezu eine Dauerlüftung in Kippstellung möglich, während eine Normalfassade mit 11 min/h nur eine kurze Stoßlüftung zugelassen hätte, die für den hygienisch notwendigen Luftwechsel nicht mehr ausreicht. Die Bestimmung der Lüftungszeiten und die erreichbaren Raumschallpegel sind jedoch in hohem Maß von der Nachhallzeit des Raums und der den Jahreszeiten angepassten Lüftungsstrategie zur Sicherstellung des erforderlichen Raumluftwechsels abhängig. Da entsprechende Angaben im Fassadenkonzept hierzu fehlen, sind die Aussagen zu den Lüftungszeiten nicht bewertbar. Sommerliche Überhitzung In [49] wurde eine thermische Gebäudesimulation mit dem Programm TRNSYS durchgeführt. Ausgewertet wird die Ausführung als Doppelfassade im Vergleich zu einer Einfachfassade mit außenliegendem Sonnenschutz. Als wesentlicher Unterschied wird 54 Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben die Möglichkeit der witterungsunabhängigen Nachtlüftung bei der Doppelfassade genannt. Eine Handlungsempfehlung auf der Grundlage der Prognose einer Jahresüberhitzung von ca. 25 % der Jahresarbeitszeit erscheint schwer verständlich. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass der verwendete Wetterdatensatz Hamburg, Meteonorm keine ausgeprägt warmen Perioden aufweist. Statik Den Angaben in [50] zufolge erfahren die Randbalken der Decken eine Lasterhöhung durch den Austausch der alten einschaligen, schweren Stahlfassade des Hochhauses gegen eine neue Aluminium Pfosten - Riegel Konstruktion als Primär- und einer Sekundärfassade. Diese ist jedoch für die Standsicherheit des Randbalkens unbedenklich. Unter Berücksichtigung der vorhandenen Sicherheit von 1,75 konnte eine Lasterhöhung um etwa 5 % von 36 kN/m auf 38 kN/m als unbedenklich betrachtet werden. Ertüchtigungsmaßnahmen für die Randbalken waren nicht erforderlich. Brandschutz Der erste und zweite Rettungsweg des Gebäudes verläuft über ein druckbelüftetes, außenliegendes Sicherheitstreppenhaus. Die notwendigen Flure wurden mit einer Brandmeldeanlage ausgestattet. Als weitere Brandschutzvorkehrungen wurde die tragende Decke F90 bekleidet, die Brüstungen erhielten zur Verhinderung des Brandüberschlags ein F90 Schott. Lüftung Die natürliche Belüftung erfolgt über den Fassadenzwischenraum. Die angrenzenden Räume sind ca. 17 bis 40 m² groß und verfügen über ein Raumvolumen von ca. 47 bis 110 m³. Die Öffnungsfläche eines gekippten Fensterflügels der Innenfassade beträgt: 0,12 m². Die lichten Öffnungsflächen der äußeren Fassade betragen für das 1,4 m Raster unten oder oben jeweils 0,1 m², wie sie auch als Ergebnis der thermischen Simulation gefordert wurden. Es erfolgt über die beiden Fassadenrasterfelder eines Kastens eine diagonale Durchlüftung (s. Abb. 32), wobei die Strömung am Einlass vertikal erfolgt und am Auslaß über ein Leitblech unter die Schuppe des darüberliegenden Kastens umgeleitet wird. Die Zuluft strömt über ein Lochblech in Sohlbankhöhe (s. Abb. 33) ein, für das ein Korrekturfaktor von 0,8 als Druckverlustbeiwert bei der Berechnung der effektiven Öffnungsfläche angenommen wurde. Abb. 32 / Abb. 33 / Abb. 34: Versetzte Zu- und Abluftöffnungen (links), Abbildung Zuluft über Lochblech (Mitte), Abbildung Abluft und Sonnenschutz (rechts) Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben 55 Das ergibt für die Zuluft eine effektive Öffnung von 1,7 % und für die Abluft eine effektive Öffnung von 2,2 % je m² Sekundärfassadenfläche. Eine witterungsgeschützte einseitige Nachtlüftung ist Bestandteil der Maßnahmen zur Reduzierung der sommerlichen Überhitzung. Eine nächtliche Querlüftung ist nicht vorgesehen. Innenausbau Der Innenausbau der im Grundriss neu organisierten Zellenbüros erfolgt durch doppelt beplankte GK-Ständerwände. Die Medienversorgung erfolgt nach der Sanierung in einem Überflurkanal und entlang der Außenfassade (s. Abb. 35). In den Büros befinden sich abgehängte Decken aus glatten Gipskartonplatten sowie ein neuer Textilbodenbelag. Die Büromöblierung wurde komplett erneuert. Das neue Kunstlichtsystem besteht aus zweistufig schaltbaren, mobilen direkt - indirekt Stehleuchten (4 x 55 W) und optionalen Arbeitsplatzleuchten. Abb. 35: Heizkörper / Bodenkanal im Zellenbüro Gebäudetechnik Die Gebäudetechnik wurde vollständig erneuert. Das Konzept gründet auf dem Prinzip der freien Lüftung mit der Möglichkeit der einseitigen sommerlichen Nachtlüftung. Kühlung und Belüftung sind in Sonderräumen über raumweise dezentrale Kühlungsund Belüftungseinheiten (Fancoils) über den Bürotüren realisiert. Die Kühlleistung wurde für das Gesamtgebäude ausgelegt, das Netz wird in jedem Geschoss vorgehalten. Die Beheizung erfolgt über einen Fernwärmeanschluss mittels achsweise angeordneten Radiatoren im Brüstungsbereich (s. Abb. 35). 4.2.2 Wirtschaftlichkeit Flächenkennwerte Vergleicht man die Anteile der einzelnen Flächenzuordnungen an der Bruttogeschossfläche eines Normalgeschosses, so erreicht das Gebäude der R+V Versicherung in den Verkehrs- und Konstruktionsflächen um 5 % geringere Flächenanteile im Vergleich mit dem Mittelwert der Bestandshochhäuser für das Normalgeschoss (s. Tabelle 24). Flächenkennwerte Angaben für das Normalgeschoß R+V Domstraße R+V Domstraße vor Sanierung nach Sanierung Bruttogeschossfläche (BGFg) k.A. - Konstruktionsfläche (KFg) k.A. Nettogrundfläche (NGF) k.A. Funktionsfläche (FF) Mittelwert Hochhaus Zellenbüro Mittelwert Hochhaus Großraum 100 % 495 m² 100,0 % 100 % - 55 m² 11,2 % 12 % 6% - 440 m² 88,8 % 88 % 94 % k.A. - - - 1% 1% Verkehrsfläche (VF) k.A. - 84 m² 17,0 % 21 % 15 % Nutzfläche (NF) k.A. - 356 m² 71,8 % 66 % 78 % Nebennutzfläche (NNF) k.A. - 17 m² 3,4 % 4% 4% Hauptnutzfläche (HNF) k.A. - 339 m² 68,4 % 62 % 74 % Tabelle 24: Flächenaufstellung des Regelgeschosses R+V Domstraße 56 Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben Die Gründe dafür sind, dass das Gebäude über nur ein notwendiges Treppenhaus verfügt, keine massiven Brüstungen besitzt und flächenwirtschaftliche Trennwandkonstruktionen gewählt wurden. Die hier gewonnenen Flächen kommen dem Hauptnutzflächenanteil zugute, der 6,4 % größer als die Referenz ist. Alle anderen Flächenanteile entsprechen mit nur leichten Abweichungen der Referenz, so dass hier insgesamt ein sehr wirtschaftlicher Grundriss mit hohem Hauptnutzflächenanteil vorliegt. Die Zielwerte der Flächenkonzentrationen werden in Bezug auf das Regelgeschoss und die BGFr überschritten (s. Tabelle 25). Da das Gebäude mit 78 % BGFr /BGF über einen hohen Anteil „untypischer“ Flächen verfügt, wird in Bezug auf die BGF des Gesamtgebäudes der Zielwert hingegen nicht erreicht. Hochhäuser bis 20 Geschosse* Zellenbüro Zielwert Grenzwert [HNFg/BGFg] [HNFg/BGFg] 61 % 64 % R+V Domstraße Zelle nach Sanierung Grenzwert [HNF/BGFr] 53 % 68,4 % Zielwert [HNF/BGFr] 60 % Grenzwert [HNF/BGF] 40 % 60,9 % Zielwert [HNF/BGF] 52 % 47,3 % * Es wurden die Grenz- und Zielwerte der Flächenkennwerte für im Bestand nicht vollklimatisierte Gebäude nach Tabelle 8 verwendet. Tabelle 25: Hauptnutzflächenkonzentration R+V Domstraße im Vergleich mit Grenz- und Zielwerten Die Arbeitsplatzdichte zeigt die Domstraße im Bereich des Grenzwerts (s Tabelle 26). Der sehr guten Flächeneffizienz einerseits steht ein sehr hoher Flächenkomfort andererseits gegenüber. Im Regelgeschoss beträgt die Arbeitsplatzdichte bezogen auf die Hauptnutzfläche entsprechend 15,4, im Gesamtgebäude 16,9 m² HNF/AP. Hochhäuser bis 20 Geschosse Zellenbüro R+V Domstraße Zelle nach Sanierung Zielwert Grenzwert Zielwert Grenzwert Zielwert Grenzwert [m² BGFg/AP] [m² BGFg/AP] [m² BGFr/AP] [m² BGFr/AP] [m² BGF/AP] [m² BGF/AP] 23 m² 17 m² 27 m² 21 m² 34 m² 26 m² 22,5 m² 27,8 m² 35,8 m² Tabelle 26: Arbeitsplatzdichte R+V Domstraße im Vergleich mit Grenz- und Zielwerten Baukosten Die in Tabelle 27 aufgeführten Kosten beinhalten alle vorliegenden Sanierungsmaßnahmen, u.a. auch die Schadstoffentsorgung. Die Baukosten der Kostengruppen 300 und 400 betragen 8,6 Mio. € netto. Die Kosten für die gesamte Fassade einschließlich des Sonnenschutzbehangs und der Demontage der alten Hülle liegen nach Angaben des Eigentümers bei etwa 3,58 Mio. € netto, was umgerechnet einem flächenbezogenen Wert von ungefähr 1.000 €/m² Fassadenfläche entspricht. Die Baukosten für das Bauwerk (KG 300) erreichen mit 631 €/m²BGF den Vergleichswert des gehobenen Standards. Der Anteil der Gesamtfassade an diesen Bauwerkskosten beträgt 443 €/m²BGF, also ca. 70 %. Bemerkenswert hoch ist der Kostenanteil der Gebäudetechnik für ein im Wesentlichen natürlich belüftetes Gebäude trotz des Vorhaltens der Kühlung und der Druckbelüftung des Treppenhauses. Hochhäuser bis 20 Geschosse Gesamtkosten [€/m² BGF] KG 300 [€/m² BGF] KG 400 [€/m² BGF] Sanierung einfacher Standard 341 € 233 € 108 € Sanierung mittlerer Standard 617 € 402 € 215 € Sanierung hoher Standard 1.023 € 629 € 394 € R+V Domstraße 1064 € 631 € 433 € Tabelle 27: Baukostenvergleich R+V Domstraße, netto Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben 57 Der arbeitsplatzbezogene Vergleichswert liegt über dem Grenzwert der Sanierungskosten je Arbeitsplatz (s. Tabelle 28). Es spiegeln sich zum einen die hohen Baukosten, aber auch der hohe Flächenkomfort aufgrund der geringen Arbeitsplatzdichte trotz hoher Flächenkonzentration wieder. Es handelt sich bei der Sanierung des R+V-Hochhauses also um eine hochwertige Totalsanierung. Hochhäuser bis 20 Geschosse Grenzwert [€/AP] Zielwert [€/AP] Sanierung einfacher Standard Zellenbüro 11.500 € 9.000 € Sanierung mittlerer Standard Zellenbüro 21.000 € 16.000 € Sanierung hoher Standard Zellenbüro 35.000 € 26.500 € R+V Domstraße 38.100 € Tabelle 28: Arbeitsplatzkostenvergleich R+V Domstraße im Vergleich mit Grenz- und Zielwerten, netto Energieverbrauch Zum Zeitpunkt der Datenerhebung Ende 2003 lag die Fertigstellung der Sanierung bereits anderthalb Jahre zurück, so dass es sich hierbei um die Jahresverbrauchsdaten des ersten Betriebsjahres handelt. Der Stromverbrauch liegt im Bereich des mittleren technischen Ausstattungsstandards. Der Wärmeverbrauch für 2003 erreicht mit 104 kWh/m²NGFa den Grenzwert (s. Tabelle 29). Dies entspricht einem Jahresverbrauch von 713 MWh, während der Wärmeschutznachweis lediglich von einem berechneten Jahres-Heizwärmebedarf von 351 MWh entsprechend 51 kWh/m²NGFa ausgeht. Da die gebäudehöhenabhängige Verbrauchszunahme ebenso wie mögliche Reduzierungen durch die Doppelfassade dort jedoch unberücksichtigt blieben, wird der so errechnete Verbrauch nicht erreicht werden können. Dennoch sollte der Wärmeverbrauch in den kommenden Jahren sinken. In Betriebsanpassungen besteht gerade in der Einregelphase ein zusätzliches Optimierungspotential. Wärme [kWh/m²NGFa] Strom [kWh/m²NGFa] Primärenergie [kWh/m²NGFa] Emissionen [kgCO2/m²NGFa] Hochhaussanierung Typ I 75-109 28-46 161-258 32-52 Hochhaussanierung Typ II 75-109 38-73 197-339 40-70 R+V Domstraße nach Sanierung 104 57 244* 57* Hochhaussanierung Typ III 75-109 70-100 293-420 61-87 * Primärenergiefaktor Fernwärme aus KWK, fossiler Brennstoff Primärenergiefaktor 0,7; CO2 Emission nach Angabe der HEW 200 gCO2/kWhEnd Tabelle 29: Energieverbräuche R+V Domstraße im Vergleich Betriebskosten Im Bestand (s. Tabelle 30) zeigen sich im Vergleich der Gebäude gleicher Altersklassen in der Kostengruppe Versorgung fast keine Stromkosten, die auf einen vollständigen Gebäudeleerstand vor der Sanierung oder einen Datenerhebungsfehler schließen lassen. Die Heizkosten liegen dagegen um fast 50 % über den Vergleichskosten. Auch unter Berücksichtigung hochhaustypischer Mehrkosten ein signifikant hoher Wert. In der Kostengruppe Dienstleistung und Versicherung fallen die hohen Versicherungs- und Hausmeisterkosten auf. Aufgrund der unvollständigen Datenlage wird für den Bestand keine Nebenkostensumme angegeben. Für den Vergleich nach der Sanierung (s. Tabelle 30) werden die Daten der Gebäude mittlerer Qualität, die einem Hochhaus mit mittlerem technischem Standard entsprechen, herangezogen. Für die hochhausspezifische Auswertung der Kostenkategorien Wartung, Strom, Bewachung und Heizung stehen zusätzlich die Nebenkosten für 58 Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben Hochhäuser zur Verfügung. Nach der Sanierung sinken die öffentlichen Abgaben um mehr als 20 % und liegen unter den Vergleichswerten. In der Kostengruppe Versorgung reduzieren sich die Heizkosten erwartungsgemäß zwar um mehr als 30 %, liegen aber noch signifikant über dem Vergleichswert der Hochhäuser. Dies entspricht dem nahe am Grenzwert liegenden Heizenergiekennwert. Die Stromkosten liegen leicht über den Kosten des mittleren Qualitätsstandards. In der Kostengruppe Dienstleistung und Versicherung liegen die Kosten in den Kategorien Wartung und Bewachung in dem für Hochhäuser typischen hohen Kostenrahmen. Dabei haben sich die Wartungskosten im Vergleich zum Bestand mehr als verdoppelt. Sehr hoch ist auch das im Vergleich zum Bestand gestiegene Kostenniveau in den Kategorien Versicherung und Hausmeister, das deutlich über den Vergleichswerten der mittleren Gebäudequalität liegt. Eine Beurteilung der Hausmeisterkosten ist schwierig, weil die Aufgabenbereiche möglicherweise nicht mit denen des Vergleichs übereinstimmen. Signifikant gering sind die Reinigungskosten mit weniger als der Hälfte des Vergleichswerts. [€Netto/m²NGFMonat] R+V Domstraße Gebäudealter 1970- R+V Domstraße OSCAR ** OSCAR ** Gebäudequalität mittel Bestand 2000 1979 unklimatisiert nach Sanierung 2003 Hochhaus Öffentliche Abgaben 0,57 0,63 Strom 0,01 0,16 0,44 0,52 0,54 0,28 0,23 Heizung 0,76 0,34 0,40 0,51 0,38 0,43 Wasser, Kanal Summe Versorgung 0,07 0,13 0,09 0,13 0,11 0,84 0,69 0,88 0,74 0,88 Versicherung 0,27 0,12 0,35 0,15 0,15 Wartung 0,24 0,20 0,49 0,32 0,47 Reinigung k.A. 0,22 0,13 0,26 0,28 Bewachung k.A. 0,12 0,24 0,23 0,27 Verwaltung k.A. 0,49 k.A 0,34 0,37 Hausmeister 0,39 0,29 0,41 0,26 0,28 Sonstiges 0,01 0,09 0,04 0,07 0,06 Summe Dienstleistung / Versicherung 0,90 1,53 1,65 1,63 1,88 - 2,85 2,97 2,89 3,30 Gesamtkosten * Abrechnungszeitraum Kalenderjahr 1999 ** Abrechnungszeitraum Kalenderjahr 2003 OSCAR * unterstrichen hochhausspezifische Kostenkategorien Tabelle 30: Umlegbare monatliche Netto-Betriebskosten im Vergleich R + V Domstraße im Vergleich mit [32] Die Nebenkostensumme ist mit 2,97 € gleich der in den Kategorien Heizung und Bewachung um die hochhausspezifischen Mehrkosten erhöhten Summe der Gebäude des mittleren Qualitätsstandards und liegt damit in der für den mittleren technischen Ausstattungsstandard erwarteten Größenordung. Aufgrund der großen Differenzen in einzelnen Kategorien ist der Vergleich der Nebenkostensummen nur von geringer Aussagekraft. Eine Prüfung der Leistungsinhalte in den Kategorien Versicherung und Hausmeister kann Einsparpotenziale aufweisen. 4.2.3 Komfortumfrage Randbedingungen Die Nutzerumfrage wurde im Rahmen dieser Untersuchung (s. Musterfragebogen Sanierung im Anhang) am Dienstag, 20. Mai 2003 im R+V-Gebäude Hamburg Domstraße durchgeführt. Der Fragebogen wurde an 10 zufällig ausgewählte Nutzer im Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben 59 gesamten Gebäude vom EG bis zum 8. OG verteilt. Die Auswertung umfasst acht Rückläufer, von denen zwei aus dem EG kommen, das aufgrund der Andersartigkeit zu den übrigen Geschossen gesondert bewertet werden muss. Die Auswertung kann daher als Ergebnis einer Stichprobe nur Hinweise auf mögliche Problembereiche geben. In den meisten Fällen wird daher auf genaue Prozentangaben verzichtet. Im Folgenden wird, wenn nicht anders erwähnt, bei den Ergebnissen der Umfrage ausschließlich Bezug auf die Nutzer in den Obergeschossen genommen. Auswertung Teil A: Fragen zur Person Unter den sechs befragten Nutzern gibt es sowohl hinsichtlich der Altersstruktur als auch der Geschlechterzugehörigkeit und der Lage der Büroräume im Gebäude (2. bis 8. OG) eine gemischte Verteilung. Die meisten Büros der Umfrage liegen auf der Ostseite des Gebäudes. Alle Befragten arbeiten entweder seit dem Bezug vor etwa einem Jahr oder seit ungefähr einem halben Jahr in den jeweiligen Räumen, die mit ein oder zwei Personen belegt sind. Die Arbeitszeit wird überwiegend am Schreibtisch und mit Bildschirmarbeit verbracht. Teil B: allgemeine Behaglichkeit Die Frage nach der empfundenen Raumtemperatur wird von mehreren Personen mit manchmal oder häufig zu warm beantwortet, z.B. „Im Sommer unerträgliche Temperaturen, über 30 °C im Büroraum“. Hier können Temperatur- und Luftwechselmessungen im Büro- und im Fassadenzwischenraum Aufschluss über die Ursachen möglicher Überhitzungserscheinungen geben. Auch die Frage nach der empfunden Luftfeuchtigkeit lässt eine Tendenz zur Beschwerde erkennen, drei von sechs Antworten lagen in den Bereichen manchmal oder häufig zu trocken. Aufgrund des Konzepts der natürlichen Fensterlüftung nimmt die Gebäudetechnik keinen Einfluss auf die Luftfeuchte, so dass vor allem im Winter mit naturgemäß relativ trockener Raumluft und daraus resultierend möglichen Beschwerden trotz richtigen Lüftungsverhaltens zu rechnen ist. Die Frische der Luft erhält eine tendenziell gute Beurteilung, fast alle Aussagen bescheinigen eine ziemlich oder sehr gute Qualität. Im Erdgeschoss, das von vielbefahrenen Straßen umgeben ist und in dem sich die Fenster lediglich in Kippstellung öffnen lassen, bemängeln beide Befragten allerdings die Luftqualität. Luftzug wird von den Nutzern der Obergeschosse kaum wahrgenommen, die allgemeine Geräuschbelastung im Büro bewerten vier von sechs Personen jedoch als etwas störend. Die abschließende Frage nach der empfundenen Behaglichkeit beantwortet die Mehrheit mit angenehm oder sehr angenehm, so dass das allgemeine Raumklima zusammengefasst trotz der Beschwerden in Einzelfragen eine positive Bewertung erfährt. Der nächste Block mit Fragen zum gesundheitlichen Wohlbefinden am Arbeitsplatz weist nur in einem Punkt eine negative Tendenz auf. Zwei der sechs Mitarbeiter klagen oft oder ständig über zu trockene Augen. Das Thema Akustik wird mit einigen weiteren Fragen vertieft. Auch hier lässt sich eine Beschwerdetendenz erkennen. Sowohl der Außenlärm als auch Geräusche aus Nachbarräumen und Geräusche aus dem eigenen Raum werden von mindestens der Hälfte der Nutzer als sehr oder etwas störend empfunden. Geräuschübertragungen aus den Nachbarräumen über die Doppelfassade können aufgrund der Ausführung als Kastenfassade ausgeschlossen werden. Die 60 Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben doppelt beplankten Bürotrennwände verfügen über eine gute Luftschalldämmung. Problematisch könnte jedoch die Schallübertragung über den Fußboden sein, der aus einem Verbundestrich ohne Trittschalldämmung besteht. Gestört von Geräuschen aus den Nachbarräumen zeigen sich auch die zwei Umfrageteilnehmer aus dem Erdgeschoss. Die geringe Arbeitsplatzdichte sowie die Zellenbürostruktur sprechen eigentlich gegen eine starke akustische Belastung aus dem eigenen Büro, allerdings führen unter anderem die glatten Gipskartonplatten der abgehängten Decke wahrscheinlich zu einer verhältnismäßig langen Nachhallzeit im Raum. Die Bestimmung der Nachhallzeit kann mögliche Ursachen für den eingeschränkten akustischen Komfort aufzeigen. Messungen zur Bestimmung des Raumschallpegels können Grundlage einer Bewertung der Klagen über störenden Außenlärm sein. Möglicherweise könnten Nachhallzeitverbesserungen im Büroraum oder zusätzliche schallabsorbierende Flächen im Fassadenzwischenraum Abhilfe schaffen. Die thermische Behaglichkeit wird ebenfalls mit weiteren Fragen genauer untersucht. Hier zeigt sich, dass die Situation im Winter von fast allen als gerade richtig eingestuft wird, während es im Sommer fast nur Beschwerden über zu hohe Raumtemperaturen gibt. Teil C: technische Ausstattung / Lüftung Das Ergebnis der Frage nach Angaben zu den technischen Geräten am Arbeitsplatz ist ein typischer Büroarbeitsplatz mit Monitor bzw. Flachbildschirm, Computer, Drucker und oft einer Schreibtischleuchte. Die Annahmen der thermischen Simulation in [49] bezüglich der internen Lasten aus Arbeitshilfen werden mit 100 bis 150 W/Person bestätigt. Die Frage nach dem Lüftungsverhalten der Nutzer ergab eine übliche und der Witterung angepasste Strategie. Im Sommer wird größtenteils 24 Stunden täglich in Kippstellung gelüftet, im Winter zumeist mehrmals täglich für etwa 15 Minuten ebenfalls in Kippstellung. Damit kann voraussichtlich der hygienisch notwendige Luftwechsel sichergestellt werden. Tracergasmessungen zur Luftwechselbestimmung können Aufschluss über die Lüftungseffektivität unterschiedlicher Fensteröffnungsgrade geben, so dass auch die Wirksamkeit der einseitigen Nachtlüftung abgeschätzt werden kann. Teil D: Beheizung Die Fragen in diesem Abschnitt zeigten keine Probleme, da die Behaglichkeit überwiegend als angenehm und die Handhabung der statischen Heizflächen mit Thermostatventil meistens als einfach empfunden wird. Teil E: Behaglichkeit und Beleuchtungstechnik Die Bewertung der zweistufig schaltbaren direkt - indirekt Beleuchtung ergab kaum Auffälligkeiten. Auf Wunsch der Nutzer kann der Arbeitsplatz zusätzlich mit einer Schreibtischleuchte ausgestattet werden, was über die Hälfte der Befragten auch in Anspruch genommen haben. Die Fragen nach der Tages- und Kunstlichtqualität sowie nach dem Bedienkomfort des Kunstlichts werden mit Noten von im Schnitt besser als gut bewertet. Zusätzliche innenliegende Blendschutzlamellen waren nur bei einem Nutzer vorhanden. Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben 61 Teil F: Alltag Mehrfach positive Erwähnung fand die Architektur (Eingang, Außengestaltung). Eine bessere Aufklärung über die Technik wird nicht gewünscht. 4.2.4 Vergleich mit den Sanierungszielen Zusammenfassend wird die Behaglichkeit von der Mehrheit der Befragten als angenehm eingestuft. Insbesondere die thermische Behaglichkeit im Winter und der visuelle Komfort werden als „gerade richtig“ empfunden. Trockene Luft im Winter als Folge der natürlichen Lüftung und die sommerliche Überhitzung beeinflussen das positive Gesamturteil nur wenig. Das Nutzerverhalten insbesondere bezüglich des Lüftungsverhaltens erscheint vorbildlich: Dauerlüften im Sommer und Stoßlüften im Winter. Das zeigt einmal mehr die selbstverständliche Akzeptanz der natürlichen Lüftung. Bezüglich der sommerlichen Überhitzung und des Schallschutzes wäre eine messtechnische Überprüfung des Erreichens der Ziele ratsam. Der hohe Wärmeverbrauch des ersten Betriebsjahres sollte im Auge behalten werden. Betriebsanpassungen können den Verbrauch weiter senken. Die Betriebskosten können wahrscheinlich auch durch die Überprüfung der Leistungsinhalte der Kategorien Versicherung und Hausmeister reduziert werden. Insgesamt handelt es sich um eine gelungene Revitalisierung mit hoher Flächeneffizienz und hohem Komfort- und Ausbaustandard. 4.3 Demonstrationsvorhaben „BS4“ der TU Braunschweig Der Entwurf des Gebäudes vom Büro Jessen & Stahrenberg - als Wettbewerbsbeitrag mit dem ersten Preis für das Göttinger Rathaus ausgezeichnet - sah ursprünglich drei Türme in unterschiedlichen Höhen vor. Realisiert wurde schließlich nur ein Teil des Entwurfs, das 14-geschossige Bauteil A (UG, EG, 12 Obergeschosse) als Mehrzweckgebäude für die Universität Braunschweig, (s. Abb. 36). Auf der Grundlage der Ergebnisse der modellhaften Geschosssanierung im 10. OG [44] und der Auswertung der Messergebnisse der Demonstrationsdoppelfassade, s. Kapitel 5, soll das Gebäude saniert werden. Datenblatt des Gebäudes der TU Braunschweig mit allgemeinen Angaben zum Gebäude, zur Doppelfassade und zum Energiekonzept im Anhang Tab. 4. Abb. 36: Institutsgebäude „BS4“ Ansicht West mit Anbau Informatikzentrum und Demonstrationsdoppelfassade (Quelle: Luftbild Prof. Gockell) 4.3.1 Projektbeschreibung Bestand Das vierzehngeschossige Punkthochhaus „BS4“, Baujahr 1973 - 75, beherbergt Institute der Universität mit Büros und Seminarräumen, jedoch keine Labore oder 62 Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben Werkstätten, welche den Energieverbrauch untypisch beeinflussen könnten. Das Hochhaus, in Stahlbetonskelettbauweise errichtet, ist aus außen liegenden, die Fassade durchstoßenden, ungedämmten Beton - Stützenpaaren und Massivdecken mit Randunterzügen konstruiert. Die vorhandene Fassade besteht aus einer Aluminium Pfosten - Riegelkonstruktion mit außen liegenden Tragprofilen. Es handelt sich um thermisch getrennte Profile, die Flügel sind mit einer einfachen Falzmitteldichtung ausgestattet. Die Verglasung besteht aus Sonnenschutz-Isolierglas Schott Calorex, die Fensterbrüstungen aus wärmegedämmten Glaspaneel-Elementen. Im September 2001 wurde der sechsgeschossige Neubau des Informatikzentrums „NIZ“ fertig gestellt, der vom Erdgeschoss bis zum vierten Obergeschoss an das bestehende Hochhaus anschließt und dessen Infrastruktur nutzt (s. Abb. 36). Verbunden mit der neuen Nutzung fand eine Geschosssanierung im 1 - 3. OG des Hochhauses statt. Nutzung Der Gebäudeplanung liegt ein variables, funktionsneutrales Ausbauraster 80/80 cm zugrunde. Der 25 m tiefe Gebäudekörper eignet sich für eine Mischnutzung aus Großraum- und Zellenbüronutzung. Im Bestand finden sich jedoch vorwiegend Zellen- und Gruppenbüros, die eine nicht natürlich belicht- und belüftbare Innenzone einschließen. Technik Die Wärmeversorgung des Gebäudes erfolgt über Fernwärme aus dem SteinkohleHeizkraftwerk der Stadt Braunschweig, Wasser wird dezentral elektrisch erwärmt. Das Gebäude wird mit statischen Heizflächen (im Fassadenbereich angeordnet, getrennte Heizkreise für Nord- und Südseite, Nachtabsenkung) und durch Vorwärmung der Zuluft über Heizregister in einer zentralen Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung über einen Rotationswärmetauscher beheizt. Diese einfache Lüftungsanlage ist in zwei Lüftungskreise für die Innen- und Außenzonen der Geschosse unterteilt und kann in zwei Gebläsestufen für einen ca. 2 bzw. ca. 4-fachen Luftwechsel betrieben werden. Die Außenzonen können über ein nachgeschaltetes zweites Heizregister mit einer höheren Lufttemperatur versorgt werden. Die geplante Kühlung der Innenzone wurde nicht realisiert. Die Anlage ist somit eine Variante der in Kapitel 2.2.1 Bestehende Klimaanlagen beschriebenen Einkanal - Klimaanlage mit konstantem Volumenstrom. Die nutzungsneutrale Installation der Lüftungsanlage hat zur Folge, dass in Abhängigkeit der Grundrissaufteilung Bereiche über- oder unterversorgt werden (mit Luftwechselraten < 0,5 h-1). Der Jahresstromverbrauch der 3 Ventilatoren hat mit mehr als 40 MWh/a einen Anteil von fast 25 % am Gesamtstromverbrauch des „BS4“ (s. auch Abb. 42). Fassade Die bestehende Primärfassade ist an mehreren Stellen undicht. Schlagregen drückt in die Innenräume, Pfeifgeräusche verhindern bei hohen Windgeschwindigkeiten konzentriertes Arbeiten, Zugerscheinungen wird durch eine im Überdruck arbeitende RLTAnlage entgegengewirkt. Eine im Winter 1998 durchgeführte Nutzerbefragung bestätigte dieses Schadensbild. Die Kartierung von Wasserschäden ergab am 28.10.1998 bei einer Windstärke von 5 bis 7 folgendes Bild (s. Abb. 37). Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben 63 Abb. 37: Fassadenundichtigkeiten am „BS4“ (Westwind, vW = 8,5 bis 13 m/s ≅ Windstärke 5 bis 7) Signifikant ist eine Zunahme der Schäden in den unteren Geschossen, was auf das an der Fassade ablaufende Wasser zurückzuführen ist. Auf der Westseite, der Hauptwindrichtung, bestimmt bei einer Schadensquote von 70 % ein gleichmäßiges Schadensbild den Eindruck. An der Südwestfassade sind bei einer Schadensquote von 50 % in den Geschossen 6-12 die Flügelelemente ursächlich für den Wassereintritt verantwortlich. Bei Versuchen, den Weg des eingedrungenen Wassers nachzuvollziehen, wurde Wasser in den Glasfalz der Flügelelemente eingefüllt. Es ergaben sich nicht nachvollziehbare Wasseraustritte über zwei Geschosse nach innen und nach außen an den Profilstößen. Wenig betroffen sind die Nord- und Südfassade, die Schäden im Osten sind wahrscheinlich auf nicht geschlossene Kippflügel zurückzuführen. Diese Schadensaufnahme unterstreicht eindringlich die Ergebnisse der Nutzerbefragung und die Notwendigkeit einer Fassadensanierung. Die Bestandsfassade setzt sich aus folgenden Bauteilen zusammen: Verglasung Schott „Calorex IRO“: Ug = 3,0 W/m²K, g = 41 %, τ L = 45 % Fenster mit RMG 2.2: Uw = 3,1 W/m²K Paneelelemente vor Brüstung und Sturz: U = 0,56 W/m²K Fertigteilbetonstützen: U = 2,6 W/m²K Die Kippflügel weisen im Bestand einen Fugendurchlasskoeffizienten von 0,53, die Festverglasung von 0,36 und die Bauteilanschlussfugen von ca. 2,0 m³/hmPa2/3 auf und liegen damit im Rahmen typischer Undichtigkeiten. Aus diesen Fugendurchlässen resultiert ein Luftwechsel n50 von 3,4 h-1 und ein Luftwechsel n10 aus Infiltration von 1,25 h-1. Sanierungsziele Die Fassadensanierung kann unabhängig von der Geschosssanierung mit sehr geringer Beeinträchtigung des laufenden Betriebs - Umglasen und Überarbeiten der Dichtungen und Beschläge der Primärfassade und Einsetzen neuer Flügel - realisiert werden. So kann der Tatsache Rechnung getragen werden, dass Teile des Gebäudes bereits saniert wurden. Das Gebäude soll weitestgehend frei belüftet werden, die sommerliche Überhitzung auf ein zuträgliches Maß reduziert und der Schallschutz 64 Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben deutlich verbessert werden. Die Schlagregendichtigkeit soll sichergestellt und die Geräuschentwicklung bei hohen Windgeschwindigkeiten unterbunden werden. Eine Primärenergiekennzahl von 150 kWh/m²a und Baukosten von 350 €/m²BGF netto für die Kostengruppen 300 und 400 sollen nicht überschritten werden. Realisierung Nutzung Eine funktionale Neuorganisation auf der Grundlage eines Kombibürotypus gewinnt durch die Umnutzung von Verkehrsflächen ca. 50 m² Hauptnutzfläche je Geschoss, so dass nun 26 statt bisher 20 Arbeitsplätze zur Verfügung stehen (s. Abb. 38 und 39). Abb. 38 / Abb. 39: Innenzone vor (links) und nach (rechts) der Sanierung im 10. OG Eine offene Grundrissgestaltung, ermöglicht neben der natürlichen Belichtung großer Raumtiefen auch ein einfaches Querlüftungskonzept (s. Abb. 40 und 41). Abb. 40 / Abb. 41: Grundriss vor(links) und nach (rechts) der Sanierung im 10. OG Gebäudehülle Im Rahmen der Gesamtsanierung erfolgt ein Umglasen mit Wärmeschutzverglasung und die Überarbeitung der Dichtungen für die gesamte Bestandsfassade. Die einfache Fassadensanierung auf der Nord- und Ostseite umfasst darüber hinaus den Austausch der Kippflügel, den innenliegenden Blendschutz auf der Ostseite und im Südosten eine Sonnenschutzverglasung. Im Bereich der Doppelfassade (s. Kapitel 5) auf der Süd-, Südwest und Westseite werden zusätzlich die Beschläge der Flügel nachgestellt und einige Kippflügel in Drehflügel zu Wartungs- und Reinigungszwecken im Fassadenzwischenraum umgerüstet. Die Doppelfassade soll als geschossweise Kastenfassade Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben 65 zwischen den Stützenpaaren und mit feststehenden Öffnungen und Sonnenschutzanlagen im Fassadenzwischenraum ausgeführt werden. Auch nach Errichtung der Doppelfassade kann die bestehende Fassadenbefahranlage weiter genutzt werden. Die realisierte Demonstrationsdoppelfassade (s. Abb. 46) unterscheidet sich bezüglich der Primärfassade nur durch den Austausch der Verglasung und das Nacharbeiten der Dichtungen und Beschläge, soll jedoch in einem Gesamtsanierungskonzept auch die Innendämmung der Stützen und die Verbesserung der Paneelelemente umfassen. Die Gebäudehülle besteht dann aus folgenden Bauteilen: Primärfassade: Verglasung Interpane „Iplus C“: Ug = 1,1 W/m²K, g = 58 %, τL = 76 % Fenster mit 25 % Bestandsrahmenanteil RMG 2.2: Uw = 1,65 W/m²K Paneelelemente vor Brüstung und Sturz mit Hinterfüllung des Luftzwischenraums aus 50 mm Mineralwolle: U = 0,36 W/m²K Fertigteilbetonstützen mit Innendämmung aus Gipsverbundplatten 50 mm WLG 040: U = 0,59 W/m²K Sekundärfassade: ESG ( Klappen 8 mm): Ug = 5,8 W/m²K, g = 83 %, τ L = 88 % ESG ( Festverglasung 12 mm): Ug = 5,8 W/m²K, g = 79 %, τ L = 86 % Die Hüllflächenanteile betragen für die Primärfassade: Fenster 53 %, Paneelelemente 37 %, Fertigteilbetonstützen 10 %. Witterungsschutz Die Schlagregendichtigkeit soll durch die Sekundärfassade sichergestellt werden und die Geräuschentwicklung um 90 % reduziert werden. Dauergeräusche sollen vollständig unterbunden werden. Die Reduzierung der Pfeifgeräusche war Bestandteil des Messkonzepts an der Demonstrationsfassade (s. Kapitel 5.2.1: Dämpfung des Winddrucks und 5.2.2: Schlagregenschutz und Kondensatbildung). Schallschutz Deckensegel über den Arbeitsplätzen reduzieren die Nachhallzeit und reflektieren den indirekten Lichtanteil der abgependelten Beleuchtung. Die neuen Trennwände wurden auf den bestehenden Verbundestrich gestellt und sind zur Kombizone doppelt, im Übrigen einfach beplankt ausgeführt. Die Verbesserungen des Bauschalldämmasses und der erreichbare Raumschallpegel mit der Doppelfassadenkonstruktion waren Teil des Messkonzepts an der Demonstrationsfassade (s. Kapitel 5.2.3, Schallschutz). Lüftung Die erreichbaren Luftwechselraten im Fassadenzwischenraum und im Büro in Abhängigkeit von der Lüftungsstrategie, der Jahreszeit und dem Öffnungsgrad der Sekundärfassade waren Teil des Messkonzepts (s. Kapitel 5.3, Luftwechsel). Sommerliche Überhitzung Die Kombination des Sonnenschutzes im Fassadenzwischenraum mit unterschiedlichen natürlichen Lüftungsstrategien zur Reduzierung der jährlichen Überhitzungsstunden war Bestandteil der Parameterstudie (s. Kapitel. 5.4, Sommerliche Überhitzung) und der anschließenden Simulation (s. Kapitel 6.2, Variantenvergleich). 66 Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben Statik Die Doppelfassade wurde in einer Bautiefe von 100 cm bündig zwischen den tragenden Leichtbetonstützen mit unterspannten Trägern, die alle 2 Geschosse erforderlich sind, ohne Eingriff in die Bestandsfassade eingehängt. Die Verglasung der Sekundärfassade besteht aus ESG in oben genannten Stärken. Brandschutz Das Kombibürokonzept erfordert als Brandschutzmaßnahme Rauchmelder in den Büros, sowie Sichtkontakt aus den Büros in die Kombizone. Bei dem empfohlenen Fassadensystem handelt es sich um eine geschossweise getrennte Kastenfassade. Der vertikale Brandüberschlag wird durch die massive Brüstung in einer Höhe von 1,5 m gewährleistet. Zusätzliche Brandschutzmaßnahmen sind nicht erforderlich. Innenausbau Im Rahmen der Geschosssanierung im 10. OG wurden ausgeführt: Abbruch bzw. neue GK-Trennwände entsprechend der neuen Grundrissorganisation, neue Bodenbeläge und teilabgehängte Decken, neue Türen mit Oberlichtern zur Ermöglichung einer Querlüftung, Ersatz der schadhaften Fensterbänke, Innendämmung der Stützen und Malerarbeiten. Gebäudetechnik Die im Rahmen einer Sanierung erforderlichen gebäudetechnischen Maßnahmen sind im Folgenden gewerkeweise kurz beschrieben: Sanitär: geringfügige Um- oder Rückbauten. Elektro: Rückbau der bestehenden Installationen, neue Unterverteilung, neue Fernmelde- und Datenverkabelung in vorhandenen Boden- und Brüstungskanälen, neue Beleuchtungsanlage, in den Büros direkt - indirekt abgependelt mehrstufig schaltbar und zusätzliche Schreibtischleuchten. Heizung: Umsetzen bzw. neue Radiatoren, wo es aufgrund neuer Raumzuschnitte erforderlich ist, Anpassen der Regelung für die bestehenden Heizkreise hinsichtlich der Leistungsabgaben und Regelparameter (Heizkurven, Vorlauftemperaturen, Zonenregelung), Einbau von Strangregulierventilen und neuen Thermostatventilen mit Voreinstellung. Lüftung: Rückbau der Altanlage und Installation einer neuen Anlage auf dem Dach des Gebäudes mit frequenzabhängig geregeltem Zuluftvolumenstrom und WRG über einen Plattenwärmetauscher. Die für Sondernutzungen und übertiefe Gebäudebereiche erforderliche neue RLT - Anlage wird für das Gesamtgebäude vorgerüstet und kann im Zuge der Geschosssanierungen installiert werden. 4.3.2 Wirtschaftlichkeit Flächenkennwerte Durch die Sanierung konnten die Verkehrsflächenanteile deutlich um 8 % reduziert werden. Der Hauptnutzflächenanteil erhöht sich im Regelgeschoss auf 64,8 % und liegt Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben 67 in der Nähe des Grenzwerts für Kombibüros (s. Tabelle 31 und Tabelle 32). Ursache für den sehr hohen Verkehrsflächenanteil des Bestandsgebäudes war die geplante Erweiterbarkeit des Gebäudekomplexes mit dem Vorhalten des 2. Rettungswegs im Regelgeschoss. Mit der Sanierung kann die Flächeneffektivität im Regelgeschoss wesentlich verbessert werden. Flächenkennwerte Angaben für das Normalgeschoß Bruttogeschossfläche (BGFg) TU BS TU-BS vor Sanierung nach Sanierung 620 m² 100,0 % Konstruktionsfläche (KFg) 83 m² Nettogrundfläche (NGF) 537 m² Mittelwert Hochhaus Zellenbüro Mittelwert Hochhaus Großraum 100 % 620 m² 100,0 % 100 % 13,4 % 79 m² 12,8 % 12 % 6% 86,6 % 541 m² 87,2 % 88 % 94 % Funktionsfläche (FF) 11 m² 1,8 % 11 m² 1,8 % 1% 1% Verkehrsfläche (VF) 166 m² 26,7 % 116 m² 18,7 % 21 % 15 % Nutzfläche (NF) 360 m² 58,1 % 414 m² 66,7 % 66 % 78 % Nebennutzfläche (NNF) 12 m² 1,9 % 12 m² 1,9 % 4% 4% Hauptnutzfläche (HNF) 348 m² 56,2 % 402 m² 64,8 % 62 % 74 % Tabelle 31: Flächenaufstellung des Regelgeschosses TU Braunschweig Eine Verbesserung in ähnlicher Größenordung zeigt sich auch für das Gesamtgebäude in Bezug auf die BGFr. Der Zielwert in Bezug auf die BGF wird überschritten, da das Gebäude über einen nur sehr geringen Anteil „untypischer“ Flächen verfügt. Das Verhältnis BGFr /BGF betrug vor der Sanierung 100 %, danach 96 % aufgrund der durch die Doppelfassade vergrößerten Bruttogeschossfläche. Hochhäuser bis 20 Geschosse* Zellenbüro TU Braunschweig vor Sanierung Zelle Kombibüro TU Braunschweig nach Sanierung Kombi Zielwert Grenzwert [HNFg/BGFg] [HNFg/BGFg] 61 % 64 % 56,2 % 66 % Grenzwert [HNF/BGFr] Zielwert [HNF/BGFr] Grenzwert [HNF/BGF] 53 % 60 % 40 % 52,8 % 73 % 56 % 64,8 % Zielwert [HNF/BGF] 52 % 52,8 % 63 % 41 % 60,2 % 55 % 58,0 % * Es wurden die Grenz- und Zielwerte der Flächenkennwerte für im Bestand nicht vollklimatisierte Gebäude nach Tabelle 8 verwendet. Tabelle 32: Hauptnutzflächenkonzentration TU Braunschweig im Vergleich mit Grenz- und Zielwerten Erst die Umnutzung der Verkehrsflächen mit dem Gewinn von 6 Arbeitsplätzen führt zu einer wirtschaftlichen Arbeitsplatzdichte von 23,8 m² BGFg/AP im Regelgeschoss im Bereich des Grenzwerts für Kombibüros (s. Tabelle 33). Dies entspricht 15,4 m²HNFg/AP. Durch den großen Anteil an Flächen für Vorträge und Seminare scheint das Geschoss zunächst nur durchschnittlich belegt zu sein, tatsächlich aber wird die vorhandene reine Bürofläche nahezu optimal genutzt. Im Gesamtgebäude erreicht die Arbeitsplatzdichte mit 31 m² BGF/AP fast den Zielwert. Dies entspricht einer Arbeitsplatzdichte von 17,9 m²HNF/AP im Gesamtgebäude. Hochhäuser bis 20 Geschosse Zellenbüro TU Braunschweig vor Sanierung Zelle Kombibüro TU Braunschweig nach Sanierung Kombi Zielwert Grenzwert Zielwert Grenzwert Zielwert Grenzwert [m² BGFg/AP] [m² BGFg/AP] [m² BGFr/AP] [m² BGFr/AP] [m² BGF/AP] [m² BGF/AP] 23 m² 17 m² 31,0 m² 24 m² 23,8 m² 27 m² 21 m² 38,8 m² 18 m² 29 m² 34 m² 26 m² 38,8 m² 23 m² 41 m² 29,8 m² Tabelle 33: Arbeitsplatzdichte TU Braunschweig im Vergleich mit Grenz- und Zielwerten 27 m² 31,0 m² 68 Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben Baukosten Die im Folgenden genannten Kostenangaben beziehen sich auf eine vollständige Fassadensanierung über 11 Geschosse und die Geschosssanierung über 12 Geschosse, da die Zahlen nur so vergleichbar mit anderen Sanierungsvorhaben sind. Tatsächlich sind die Geschosse 1 bis 3 innen bereits saniert und Teile der Nord- bzw. Ostfassade entfallen durch den Anbau des Informatikzentrums. Das reduziert die Gesamtkosten um 24 %. Die Kostenangaben beruhen auf einer Kostenschätzung des Büros Pysall, Stahrenberg & Partner (PSP) Architekten, Braunschweig und den Angaben des Ingenieurbüros Meyer, Braunschweig und umfassen alle unter 4.3.1, Realisierung genannten Maßnahmen auf der Grundlage der in [44] erfolgreich realisierten modellhaften Geschosssanierung im 10. OG. Die möglicherweise erforderliche Kühlung von Sonderräumen ist nicht enthalten, ebenso wenig die Erneuerung des Kaltwassernetzes und der Sanitärinstallationen. Auch die Photovoltaikintegration (s. Kapitel 5.6, PV-Integration) ist in dieser Schätzung nicht enthalten. Sie sollte zum Zeitpunkt der Erstellung der Haushaltsunterlage Bau mit dem Fassadenentwurf wirtschaftlich bewertet und eingearbeitet werden. Das Bauvolumen der Gesamtsanierung beträgt nach der Kostenschätzung für die Kostengruppen 300, 400 netto ca. 3,27 Mio €, das entspricht Nettobaukosten in Höhe von 338 €/m²BGF. Davon entfallen 131 €/m²BGF auf die Fassadensanierung, 103 €/m²BGF auf die Geschosssanierung und 105 €/m²BGF auf die technischen Anlagen (s. Tabelle 34). Bezogen auf die Fassadenfläche betragen die Kosten für die Fassadensanierung auf der Nord- und Ostseite 202 €/m² und für die Doppelfassade auf der Süd, Südwest und Westseite 705 €/m². Eine neue Einfachfassade liegt mit 760 €/m² in der Summe für das Gesamtgebäude um 45 % über den vergleichbaren Fassadeninvestitionskosten und sogar im direkten Vergleich 8 % über den Kosten der Doppelfassade, die auch die Sanierung der Primärfassade enthält. Die Kosten einer neuen Fassade schließen die Gerüststellung und den Abbruch der alten Fassade ein. Damit liegen die Sanierungskosten mit einem Technikanteil von 45 % an den Gesamtkosten sowohl in der Kostengruppe 400 als auch in der Kostengruppe 300 im einfachen Standard der Sanierungskosten. Hochhäuser bis 20 Geschosse Gesamtkosten [€/m²BGF] KG 300 [€/m²BGF] KG 400 [€/m²BGF] Sanierung einfacher Standard 341 € 233 € 108 € TU Braunschweig 338 € 234 € 105 € 617 € 402 € 215 € 1.023 € 629 € 394 € Sanierung mittlerer Standard Sanierung hoher Standard Tabelle 34: Baukostenvergleich TU Braunschweig, netto Der arbeitsplatzbezogene Vergleichswert der Sanierungskosten für ein Kombibüro liegt nahe dem Zielwert im einfachen Standard entsprechend der guten Arbeitsplatzdichte im Gesamtgebäude (s. Tabelle 35). Die modellhafte Sanierung des 10. OG zeigt, dass auch mit geringem investiven Aufwand eine funktional und ästhetisch anspruchsvolle Geschosssanierung gelingen kann. Hochhäuser bis 20 Geschosse Sanierung einfacher Standard Kombibüro Grenzwert [€/AP] 14.000 € TU Braunschweig Zielwert [€/AP] 9.000 € 10.500 € Sanierung mittlerer Standard Kombibüro 25.500 € 16.500 € Sanierung hoher Standard Kombibüro 42.000 € 27.500 € Tabelle 35: Arbeitsplatzkostenvergleich TU Braunschweig im Vergleich mit Grenz- und Zielwerten, netto Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben 69 Energieverbrauch Im Gebäudebestand lag der Wärmeverbrauch im 5-Jahresmittel mit 1.016 MWh/a um 17 % unter den typischen mittleren Verbrauchszahlen nach [28], der Stromverbrauch mit 175 MWh/a sogar um mehr als 40 %. Dieser geringe Stromverbrauch erklärt sich durch die geringe Arbeitsplatzdichte von 31 m²BGFg/AP, die in weiten Teilen nicht vorhandene technische Ausstattung und dem Semesterbetrieb des Gebäudes. Dennoch sind Einsparpotenziale in der Beleuchtung und Lüftungstechnik vorhanden. Eine Zusammenstellung der Stromverbrauchswerte vor und nach der Sanierung ist in Abb. 42 und 43 dargestellt. Anteile am Stromverbrauch im Bestand 8% 1,6 kWh/m²a Anteile am Stromverbrauch nach Sanierung 7% 2,0 kWh/m²a 22% 4,8 kWh/m²a 28% 8,0 kWh/m²a 34% 7,4 kWh/m²a Lüftungsanlage 36% 7,7 kWh/m²a Aufzug Flächenangaben bezogen auf den m²[NGF] Beleuchtung Arbeitsmittel / zentrale Dienste 58% 17 kWh/m²a Lüftungsanlage 7% 2,0 kWh/m²a Aufzug Beleuchtung Arbeitsmittel / zentrale Dienste Flächenangaben bezogen auf den m²[NGF] Abb. 42 / Abb. 43: Stromverbrauch TU Braunschweig vor (links) und nach (rechts) der Sanierung Die Prognose des Stromverbrauchs nach einer Sanierung gründet auf den Messungen im sanierten Demonstrationsgeschoss. In der Summe erhöht sich der Verbrauch um mehr als 30 % und erreicht mit 29 kWh/m²a den Zielwert des geringen technischen Standards nach Tabelle 14. Zu den einzelnen Positionen: Das Gebäude wird von einer Doppelaufzugsanlage, die 1991 generalüberholt wurde erschlossen. Der gemessene Verbrauch betrug 7,7 kWh/m²a. Die auf Sondernutzungen und nicht frei belüftbare Nutzflächen reduzierte Lüftungsanlage wurde mit nur noch 2 kWh/m²a angesetzt und liegt damit unter dem Zielwert. Für die Beleuchtung fallen nur 2 kWh/m²a an, zurückzuführen auf die mit 76 % sehr gute Tageslichtautonomie (50 % Fensterflächenanteil, helle Raumoberflächen) in den Bürobereichen und die der Nutzung angepasste Kunstlichtversorgung mit geringer installierter Leistung bei gleichzeitig hoher Beleuchtungsqualität (2-Komponenten Systeme mit direkt - indirekter Grundlichtversorgung). Bei aktivem Sonnen- und Blendschutzschutzsystem wird eine ausreichende Tageslichtversorgung gewährleistet. Dies gilt auch für die Innenzone durch den großzügigen Verglasungsanteil der Bürotrennwände. Nicht zuletzt trägt die Kunstlichtsteuerung über Bewegungsmelder in den zentralen Verkehrszonen zum geringen Energieverbrauch bei. Der Anteil der passiven, baulichen Maßnahmen an der Verbrauchsreduzierung kann mit 50 % abgeschätzt werden. So können insgesamt Verbrauchswerte erreicht werden, die noch deutlich unter den Zielwerten von 5 bis 9 kWh/m² für einen hohen Anteil fensternaher Arbeitsplätze liegen. Eine tageslicht- und präsenzabhängige Kunstlichtregelung, die jederzeit einen Nutzereingriff erlaubt, kann den Komfort noch erhöhen, hat jedoch auf den Verbrauch aufgrund der beschriebenen guten Rahmenbedingungen nur einen geringen Einfluss. Dabei haben die sogenannten 'stand - alone' - Applikationen, also 'Insellösungen', die Mess- und Steuerfunktionen in einem einzigen, herstellerspezifischen Gerät beinhalten, im Gegensatz zu den vernetzten Automationslösungen den Vorteil, in ihrer Funktion und Gewährleistung unabhängig von anderen Systemen zu sein. Sie lassen sich ohne den Aufwand der 70 Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben Netzwerkverkabelung, des Bindings und der Systeminbetriebnahme insbesondere bei Sanierungen einfach installieren. Der Verbrauch für Arbeitsmittel und zentrale Dienste hat sich mit 17 kWh/m²a im Vergleich zum Bestand verzehnfacht. Der Anteil der Arbeitsmittel beträgt daran ca. 10 kWh/m²a. Der Stand - by Verbrauch des gesamten Geschosses betrug mit 10 kWh/m²a mehr als ⅓ des Gesamtverbrauchs. Trotz des nur geringen Gesamtverbrauchs besteht hier noch ein Optimierungspotenzial. Einen Vergleich des Stromverbrauchs der einzelnen Verbrauchergruppen mit den in Kapitel 2.4.3, Energieverbrauch hergeleiteten Grenz- und Zielwerten zeigt Tabelle 36. Beleuchtung [kWh/m²NGFa] Lüftung, Klima [kWh/m²NGFa] Arbeitshilfen [kWh/m²NGFa] Zen. Dienste [kWh/m²NGFa] Div. Technik [kgCO2/m²NGFa] Hochhaussanierung Typ I 5-9 3-6 3-8 10-15 5-8 TU Braunschweig Berechnung 2 2 10 15 - Tabelle 36: Endenergieverbrauch Strom der TU Braunschweig im Vergleich mit Grenz- und Zielwerten Der Wärmeverbrauch reduziert sich um 50 % auf 509 MWh/m²a und liegt mit 63 kWh/m²NGFa noch unter dem Zielwert. Die bestehende RLT-Anlage (2-facher Luftwechsel für die Zuluft, WRG 65 %, wochentags 7:00 - 18:00, Infiltration aus Fugendurchlass 0,6 h-1) wird durch ein natürliches Lüftungskonzept (hygienisch erforderlicher Luftwechsel 0,6 h-1, Infiltration aus Fugendurchlass 0,25 h-1) ersetzt. Die Infiltration wird durch die Abdichtung von Bauteilfugen, das Nachstellen der Fensterbeschläge und das Einbringen von Fugenbändern zwischen der Glasfalz der Festverglasung und dem Rahmen deutlich reduziert. Die Lüftungswärmeverluste werden dadurch um ca. 45 % reduziert. Die Transmissionswärmeverluste über die Fenster können durch das Umglasen um ca. 40 %, über die Pfeiler durch die Innendämmung um ca. 80 % reduziert werden. Die solaren und inneren Gewinne steigen trotz des deutlich höhern Technisierungsgrads und des Umglasens nur um etwas mehr als 10 %, da von einer hohen Vollbetriebszeit der bestehenden Beleuchtungsanlage ausgegangen wurde. Diese Berechnung nach DIN EN 832 berücksichtigt weder den mit der Gebäudehöhe zunehmenden Wärmeverbrauch, noch mögliche Reduzierungen durch die Doppelfassade. Den Vergleich der Verbrauchskennwerte für den Gebäudebestand und das Sanierungspotenzial zeigt die folgende Tabelle 37 auf. typischer Bestand SIA NK Wärme [kWh/m²NGFa] Strom [kWh/m²NGFa] Primärenergie [kWh/m²NGFa] Emissionen [kgCO2/m²NGFa] 152 38 281 56 TU Braunschweig* Bestand 126 22 205** 53** Hochhaussanierung Typ I 75-109 28-46 161-258 32-52 TU Braunschweig Berechnung 63 29 156** 38** Hochhaussanierung Typ II 75-109 38-73 197-339 40-70 Hochhaussanierung Typ III 75-109 70-100 293-420 61-87 * Mittelwerte aus den Verbräuchen 1995 bis 1999 ** Primärenergiefaktor Fernwärme aus 35% KWK fossiler Brennstoff Primärenergiefaktor 1,1; CO2 Emission 306 gCO2/kWhEnd Tabelle 37: Energieverbräuche der TU Braunschweig im Vergleich Betriebskosten Die Betriebskosten standen für das Abrechnungsjahr 2002 bezogen auf den gesamten Gebäudekomplex aus dem 5-geschossigen Neubau des Informatikzentrums und dem teilsanierten Institutsgebäude zur Verfügung. Die Positionen wurden entsprechend der NGF – Anteile, jeweils ca. 50 %, umgelegt. Auf die hochhausspezifische Auswertung Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben 71 der Kostenkategorien Wartung, Strom, Bewachung und Heizung wird daher verzichtet. Da sich sowohl die Nutzung als auch die Gebäudequalität erheblich voneinander unterscheiden ist insbesondere bezüglich der Wärme- und Stromkosten mit einer Unschärfe zu rechnen. Die üblicherweise nutzerspezifischen Betriebskosten wie z.B. Reinigung und Stromverbrauch der Mietbereiche wurden mit erfasst. Da als Nebenkosten nur umlegbare Kosten gelten, wird dies im Vergleich dadurch berücksichtigt, dass diese beiden Positionen mit dem Faktor aus Vollkosten zu umlegbaren Kosten bewertet werden. Da wesentliche Positionen der Kostengruppen Dienstleistung / Versicherung nicht zur Verfügung standen, wird auf die Angabe einer Gesamtsumme verzichtet. Wie für öffentliche Gebäude typisch, fallen so gut wie keine öffentlichen Abgaben an. Trotz des im Gebäudebestand gemessenen geringen Stromverbrauchs, sind die Kosten derart niedrig, dass ein Datenerhebungsfehler nahe liegt. Eine Bewertung der Wärmekosten ist aufgrund der unterschiedlichen Bauteilqualitäten im Gesamtkomplex nicht möglich. Die zur Verfügung stehenden Kosten der Positionen in der Kostengruppe Dienstleistung / Versicherung entsprechen dem mittleren Gebäudequalitätsstandard mit Ausnahme der Kategorie Wartung, die über dem Vergleichswert liegt. In Tabelle 38 werden die für das „BS4“ erhobenen Nebenkosten mit Auswertungen entsprechender Abrechnungszeiträume aus [32] vergleichen. [€Netto/m²NGFMonat] TU Braunschweig OSCAR * OSCAR ** OSCAR ** Gebäudealter 1970- Gebäudequalität mittel Hochhaus TU Braunschweig Bestand 2002 1979 unklimatisiert Öffentliche Abgaben 0,02 k. A. 0,48 0,48 k. A. Strom 0,02 k. A. 0,21 0,29 k. A. Heizung 0,31 k. A. 0,39 0,42 k. A. Wasser, Kanal 0,06 k. A. 0,12 0,12 k. A. Summe Versorgung 0,39 k. A. 0,72 0,83 k. A. Versicherung k.A. k. A. 0,10 0,12 k. A. Wartung 0,41 k. A. 0,30 0,38 k. A. Reinigung 0,26 k. A. 0,24 0,32 k. A. Bewachung k.A. k. A. 0,22 0,28 k. A. Verwaltung k.A. k. A. 0,31 0,35 k. A. Hausmeister 0,23 k. A. 0,22 0,23 k. A. Sonstiges 0,01 k. A. 0,04 0,08 k. A. Summe Dienstleistung / Versicherung 0,90 k. A. 1,43 1,76 k. A. 3,07 k. A. nach Sanierung k. A. Gesamtkosten 2,63 * es stehen keine Angaben im Abrechnungszeitraum Kalenderjahr 2002 zur Verfügung ** Abrechnungszeitraum Kalenderjahr 2002 unterstrichen hochhausspezifische Kostenkategorien Tabelle 38: umlegbare Netto-Betriebskosten im Vergleich TU Braunschweig im Vergleich mit [32] Auf eine Bewertung und eine Prognose für die zu erwartenden Nebenkosten nach der Sanierung wird aufgrund der schwer bewertbaren Datengrundlage verzichtet. 4.4 Gegenüberstellung der Gebäude Die Gegenüberstellung dieser drei Gebäude zeigt zum einen die Bandbreite der bautechnischen und wirtschaftlichen Möglichkeiten von der Kasten- bis zur unsegmentierten Vorhangfassade, vom einfachen bis zum gehobenen Standard auf, zum anderen ein sich aus den Umfragen ergebendes planerisches Optimierungspotenzial. 72 Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben 4.4.1 Gebäudekenndaten im Vergleich Die drei untersuchten Gebäude liegen in einer ähnlichen Gebäudegrößenklasse. Die Gebäude der R+V Versicherung und der Kreisverwaltung Bad Segeberg sind Zweispänner mit geringen Gebäudetiefen, bei denen sich eine Zellenstruktur anbietet. Das Gebäude der TU Braunschweig ist mit einer Gebäudetiefe von 25 m ein kompaktes Punkthochhaus. Die baulichen Maßnahmen der drei Doppelfassadenkonstruktionen kommen ohne manuell oder motorisch betriebene bewegliche Konstruktionen aus, sind daher sogenannte passive Systeme. Die Gebäude liegen mit mindestens einer Seite lärmexponiert an vielbefahrenen Straßen. Alle Gebäude wurden im städtebaulichen Rahmen nachhaltig aufgewertet. Die Gebäudekennwerte stellt Tabelle 39 dar. Gebäudetyp R+V Domstraße Hamburg KV Bad Segeberg vor / nach Sanierung TU Braunschweig vor / nach Sanierung gestreckter Baukörper gestreckter Baukörper kompakter Baukörper Nutzung Bürogebäude Verwaltung Lehre und Forschung Büroform Zellenbüros Zellenbüros Zelle/Großraum Kombibüro 226 247 240 312 1961-1962 1971-73 Stahlbetonskelett Stahlbetonskelett Stahlbetonskelett Stahlvorhangfassade Bandfassade Aluminiumvorhangfassade Arbeitsplätze Errichtung Rohbaukonstruktion Bestandsfassade Sanierung Primärfassade Sekundärfassade 1973-1975 2001-02 2001-02 Teilsanierung 1999 neue Vorhangfassade Brüstungen mit WDVS saniert neue Verglasung Kasten Vorhang unsegmentiert Kasten A/V Verhältnis [m-1] 0,29 0,31 U Gebäudehülle [W/m²k] 0,75 0,99 0,28 Gebäudetiefe [m] 14,30 13,40 und 16,50 BRI [m³] 26.883 20.540 24.655 35.829 37.218 BGF [m²] 8.082 6.468 7.712 9305 9.666 BGFr [m²] 6.277 6.468 6.592 9305 9305 NGF [m²] 6.847 5.562 5.667 8.075 8.125 NGF oberirdisch [m²] 4.751 5.049 5.145 7.393 7.443 HNF [m²] 3.820 3.777 3.777 4.914 5.603 2,4 0,96 25,00 Tabelle 39: Gegenüberstellung der Gebäudekennwerte der evaluierten Gebäude 4.4.2 Sanierungskonzepte im Vergleich Ausstattungs- und Qualitätsstandard In den Gebäuden der Kreisverwaltung und der TU Braunschweig konnte die Primärfassade erhalten und teilweise saniert werden. Die Geschosssanierung erfolgte unter weitgehendem Erhalt des Ausbaus. Mit vergleichsweise geringem Aufwand bieten die Gebäude einen hohen Nutzungskomfort. Aufgrund der Schadstoffbelastung wurde im Gebäude der R+V Versicherung eine ursprünglich nicht geplante Totalsanierung realisiert. Es entstand ein Gebäude mit sehr hohem Qualitätsstandard. Gebäudetechnik Die drei untersuchten Gebäude sind fernwärmeversorgt und werden über statische Heizflächen beheizt. Die ausschließlich natürlichen Lüftung, bzw. Querlüftung ist Grundlage der Klimakonzepte. Elektro- und Medienversorgung können in der beste- Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben 73 Kühlung Induktionskühlgeräte TU Braunschweig Statische Heizflächen (Radiatoren) KV Bad Segeberg Heizung R+V Domstraße henden Trassenführung erhalten oder erneuert werden, wie im Gebäude der Kreisverwaltung bzw. der TU Braunschweig, oder über Bodenkanäle erfolgen, wie im Gebäude der R+V Versicherung. Eine zentrale Gebäudeleittechnik, die die einzelnen Komponenten der Gebäudetechnik steuert, regelt und überwacht ist in keinem Gebäude vorhanden. Unterschiede gibt es vor allem bei der Belüftung und Kühlung: Hohe Komfortansprüche und das Vorhalten von Systemen begründen den vergleichsweise hohen technischen Ausstattungsstandard im Gebäude der R+V Versicherung. Die technische Ausstattung der evaluierten Gebäude vergleicht Tabelle 40. x x x x 1 3 Kaltwassertruhen x 2 Einzelklimagerät Nachtlüftung Lüftung GLT/ Regelung x einseitige Lüftung einseitige Lüftung Querlüftung Fensterlüftung x x X RLT-Anlage mit WRG x 4 5 Kunstlicht Heizung x x x x 6 Lüftung x Sonnenschutz x x x Brandschutz Brandmeldeanlage x x x sonstiges Photovoltaikanlage x 1 Raumweise dezentrale Kühlungs- und Belüftungseinheiten (Fancoils) in den Türoberlichtern in Sonderräumen, Kompressionskälteanlage auf dem Dach 2 dezentrale Kühlung eines Sonderraums 3 Kühlung von Sonderräumen nach Erfordernis 4 in den Sonderräumen s. Kühlung 5 stand – alone, präsenz- und tageslichtabhängig 6 in den Sonderräumen s. Kühlung Tabelle 40: Gegenüberstellung der technischen Ausstattung der evaluierten Gebäude Statik Alle drei Gebäude verfügen über Voraussetzungen, die eine Doppelfassade ohne zusätzliche konstruktive Eingriffe ermöglicht: In der Kreisverwaltung die ursprünglich sehr hohen Verkehrslasten, bei der R+V Versicherung die durch eine leichte Aluminiumkonstruktion ersetzte schwere Stahlfassade im Gebäudebestand und am Institutsgebäude der TU Braunschweig die außenliegenden Stützenpaare. Brandschutz Im Gebäude der Kreisverwaltung wurde ein zweites notwendiges Fluchttreppenhaus ergänzt, das Gebäude der R+V Versicherung verfügt über nur ein notwendiges, druckbelüftetes Treppenhaus. Alle Gebäude verfügen über eine flächendeckende 74 Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben Brandmeldeanlage. Die für die Flächenwirtschaftlichkeit wichtige Größe des Verkehrsflächenanteils (s. folgendes Kapitel 4.4.3) wird vom Flucht und Rettungswegkonzept bestimmt. Ein optimales, auf die Nutzung und die Funktion abgestimmtes Brandschutzkonzept konnte am Institutsgebäude der TU Braunschweig realisiert werden: Kombibüro, transparente Raumverbindungen und Querlüftung ergänzen sich. Werden Doppelfassaden als Kastenfassaden ausgebildet, so ist in der Regel nicht mit zusätzlichen brandschutztechnischen Anforderungen zu rechnen. 4.4.3 Wirtschaftlichkeit im Vergleich Flächenkennwerte Im Gebäudevergleich (s. Tabelle 41) zeigt sich, dass im Regelgeschoss mit 65 bis 68 % HNFg/BGFg eine gute bis sehr gute Flächeneffektivität nach der Sanierung erreicht werden kann. Das Gebäude der Kreisverwaltung schneidet aufgrund der hohen Verkehrs- und Konstruktionsflächenanteile mit 61 % weniger gut ab. Bezogen auf das Gesamtgebäude kann in den Gebäuden der R+V Versicherung und der TU Braunschweig mit mehr als 60 % HNF/BGFr eine gute Flächeneffizienz erreicht werden. Zur Beurteilung der Hauptnutzflächenkonzentration in Bezug auf die BGF ist eine Einzelfallbetrachtung unerlässlich, da der Anteil „untypischer“ Flächen wie z.B. für Tiefgaragen einer sehr großen Varianz unterliegt. Er beträgt im Gebäude der R+V Versicherung z.B. 22 %, im Gebäude der TU Braunschweig hingegen nur 4 % mit entsprechendem Einfluss auf die Kennwerte. Die Kennwerte der BGF einzelner Gebäude eignen sich daher nicht für den direkten Vergleich. Unter wirtschaftliche Gesichtspunkten kann die Flächenkonzentration eine für die Sanierung ausschlaggebende Kenngröße sein, wenn z.B. wie im Gebäude der R+V Versicherung der Bestand im Regelgeschoss bereits über eine sehr gute Flächeneffizienz verfügt oder wie im Gebäude der TU Braunschweig die Flächeneffizienz wesentlich verbessert werden kann. Von entscheidendem Einfluss ist dabei der Verkehrsflächenanteil. Dieser liegt im Gebäude der R+V Versicherung, welches nur über ein notwendiges Treppenhaus verfügt, bei nur 17 %. Im Gebäude der TU Braunschweig konnte der Verkehrsflächenanteil durch eine Grundrissneuorganisation um 8 % auf 19 % reduziert werden. Hochhäuser bis 20 Geschosse Zellenbüro Zielwert Grenzwert Grenzwert [HNFg/BGFg] [HNFg/BGFg] [HNF/BGFr] 61 % R+V Domstraße Zelle nach Sanierung 64 % 53 % 68,4 % Zielwert [HNF/BGFr] Grenzwert [HNF/BGF] 60 % 40 % Zielwert [HNF/BGF] 52 % 60,9 % 47,3 % KV Bad Segeberg Zelle vor Sanierung 62,2 % 58,4 % 58,4 % KV Bad Segeberg Zelle nach Sanierung 61,0 % 57,3 % 49,0 % TU Braunschweig Zelle vor Sanierung 56,2 % TU Braunschweig Kombi nach Sanierung 64,8 % Kombibüro 66 % 52,8 % 52,8 % 60,2 % 73 % 56 % 63 % 58,0 % 41 % 55 % Tabelle 41: Hauptnutzflächenkonzentrationen der evaluierten Gebäude im Vergleich mit Grenz- und Zielwerten Die Arbeitsplatzdichte ist mit 22 bis 25 m² BGFg/AP für die drei Gebäude im Regelgeschoss eher gering. Das deutet auf einen in allen drei Gebäuden hohen Flächenkomfort hin. Dies lässt jedoch keinen Rückschluss auf eine signifikante Zunahme des arbeitsplatzspezifischen Flächenbedarfs seit der Datenerhebung 1977 Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben 75 (s. Kapitel 2.4.1, Flächenkomfort) zu, da die Gebäude bereits im Bestand über einen sehr hohen Flächenkomfort verfügten. In Bezug auf das Gesamtgebäude der BGFr zeigt sich ein ebenfalls hoher Flächenkomfort. Im Gebäude der TU Braunschweig tragen hier u.a. Seminar-, Ausstellungs- und Bibliotheksflächen zur geringen Arbeitsplatzdichte bei. Bei der Beurteilung der Arbeitsplatzdichte in Bezug auf die BGF ist aus den oben genannten Gründen eine Einzelfallbetrachtung erforderlich. Die Kennwerte der BGF eigenen sich auch hier nicht für den direkten Vergleich. Die Kennwerte der Arbeitsplatzdichte der drei Gebäude zeigt die folgende Tabelle 42. Hochhäuser bis 20 Geschosse Zellenbüro Zielwert Grenzwert Zielwert Grenzwert Zielwert Grenzwert [m² BGFg/AP] [m² BGFg/AP] [m² BGFr/AP] [m² BGFr/AP] [m² BGF/AP] [m² BGF/AP] 23 m² 17 m² 27 m² R+V Domstraße Zelle nach Sanierung 22,5 m² 27,8 m² KV Bad Segeberg Zelle vor Sanierung 24,2 m² 26,2 m² KV Bad Segeberg Zelle nach Sanierung 24,7 m² 26,7 m² TU Braunschweig Zelle 31,0 m² 38,8 m² vor Sanierung TU Braunschweig Kombi nach Sanierung Kombibüro 23,8 m² 24 m² 21 m² 34 m² 26 m² 35,8 m² 26,2 m² 31,2 m² 38,8 m² 29,8 m² 18 m² 29 m² 31,0 m² 23 m² 41 m² 27 m² Tabelle 42: Arbeitsplatzdichte der evaluierten Gebäude im Vergleich mit Grenz- und Zielwerten Die Arbeitsplatzdichte als m² HNFg/AP betrug in allen Gebäuden etwas mehr als 15 m². Baukosten Die Gegenüberstellung in Tabelle 43 und Abb. 44 zeigt die mögliche Spannweite der Baukosten auf: Die hochwertige Totalsanierung des Gebäudes der R+V Versicherung im hohen Sanierungsstandard mit mehr als 1.000 €/m²BGF auf der einen Seite und die sich auf notwendige Maßnahmen unter weitgehendem Erhalt des Bestands beschränkenden Sanierungen der Kreisverwaltung und der TU Braunschweig im einfachen Sanierungsstandard mit 350 €/m²BGF auf der anderen Seite. Vergleichbare Baukosten eines Hochhausneubaus (s. Kapitel 2.4.2, Neubaukosten) in Höhe von ca. 1.100 €/m²BGF liegen um mehr als das 3-fache über den Sanierungskosten der Gebäude der TU Braunschweig und der KV Bad Segeberg. Auch das Gebäude der R+V Versicherung liegt um 25 % unter vergleichbaren Neubaukosten in Höhe von ca. 1.350 €/m²BGF. Neben den o. g. flächenwirtschaftlichen Kenngrößen ist auch der Baukostenvergleich Grundlage für die Entscheidung über ein Sanierungsvorhaben. Hochhäuser bis 20 Geschosse Gesamtkosten [€/m² BGF] KG 300 [€/m² BGF] KG 400 [€/m² BGF] Sanierung einfacher Standard 341 € 233 € 108 € TU Braunschweig 338 € 234 € 105 € KV Bad Segeberg 349 € 340 € 9€ Sanierung mittlerer Standard 617 € 402 € 215 € Sanierung hoher Standard 1.023 € 629 € 394 € R+V Domstraße 1.064 € 631 € 433 € Neubau einfacher Standard 1.076 € 827 € 249 € Neubau hoher Standard 1.345 € 986 € 359 € Tabelle 43: Baukostenvergleich der evaluierten Gebäude, netto 76 Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben Sanierung einfacher Standard 233 108 TU Braunschw eig 234 105 340 KV Bad Segeberg 9 215 402 Sanierung mittlerer Standard Sanierung hoher Standard 629 R+V Domstraße 631 Neubau einfacher Standard 394 433 249 827 359 986 Neubau hoher Standard 0 200 400 600 800 KG 300 [€/m² BGF] 1000 1200 1400 1600 KG 400 [€/m² BGF] Abb. 44: Netto-Baukosten der evaluierten Gebäude im Vergleich mit hochhaustypischen Referenzkosten Die arbeitsplatzspezifischen Baukosten (s. Tabelle 44) liegen aufgrund des hohen Flächenkomforts für die Gebäude der TU Braunschweig und der Kreisverwaltung mit 10.500 bzw. 10.900 €/AP über dem Zielwert und für das Gebäude der R+V Versicherung mit 38.100 €/AP über dem Grenzwert, bezogen auf den jeweiligen Büronutzungstyp. Hochhäuser bis 20 Geschosse Sanierung einfacher Standard Kombibüro Grenzwert [€/AP] 14.000 € TU Braunschweig Kombibüro Sanierung einfacher Standard Zellenbüro Zielwert [€/AP] 9.000 € 10.500 € 11.500 € KV Bad Segeberg Zellenbüro 9.000 € 10.900 € Sanierung mittlerer Standard Zellenbüro 21.000 € 16.000 € Sanierung hoher Standard Zellenbüro 35.000 € 26.500 € R+V Domstraße Zellenbüro 38.100 € Tabelle 44: Arbeitsplatz-Baukostenvergleich der evaluierten Gebäude, netto Eine passive Doppelfassadenkonstruktion unter Erhalt der bestehenden Primärfassade einschließlich ihrer Sanierung erfordert als unsegmentierte Vorhangfassade am Gebäude der Kreisverwaltung oder Kastenfassade am Gebäude der TU Braunschweig mit 550 bzw. 430 €/m²Fassadenfläche erheblich geringere Baukosten als die Errichtung einer neuen Primärfassade. Eine Doppelfassade kann einen Beitrag zu geringen Baukosten leisten, sofern die Primärfassade sanierbar ist. Die Fassadeninvestitionskosten der drei Gebäude stellt Tabelle 45 einander gegenüber. Baukosten [€/m² Fassadenfläche] Baukosten [€/m² BGF] neue Primärfassade als Vorhangfassade * 760 € - TU Braunschweig ** 430 € 131 € KV Bad Segeberg *** 550 € 242 € R+V Domstraße **** 1.000 € 443 € * einschließlich Sonnenschutz, Gerüststellung und Abbruch der Bestandsfassade ** Primärfassadensanierung Nord/Ost einschließlich Blendschutz 200 €, Doppelfassade Süd/Südwest/West einschließlich Sonnenschutz und Primärfassadensanierung 700 € *** Doppelfassade einschließlich Sonnenschutz und der Sanierung der Brüstungen **** neue Primärfassade einschließlich Sonnenschutz und Abbruch der Bestandsfassade Tabelle 45: Fassaden-Baukostenvergleich der evaluierten Gebäude, netto Kapitel 4 Evaluierung von Sanierungsvorhaben 77 Energieverbrauch Wärme und Stromverbräuche lagen im Gebäudebestand für die evaluierten Gebäude unterhalb der Vergleichswerte, der auffällig geringe Stromverbrauch der TU Braunschweig war auf Besonderheiten im Gebäudebetrieb zurückzuführen. Nach der Sanierung zeigen sich für die Gebäude der R+V Versicherung mit über 100 kWh/m²NGFa und der Kreisverwaltung mit mehr als 90 kWh/m²NGFa im ersten Betriebsjahr vergleichsweise hohe Wärmeverbräuche. Der dargestellte Wärmeverbrauch der TU beruht dagegen auf einer Berechnung. Im Gebäude der Kreisverwaltung konnte der Wärmeverbrauch durch die Sanierung um 30 % reduziert werden. Große Unterschiede zeigen sich in den gemessenen Stromverbräuchen. Aufgrund des geringen technischen Standards erreichen das Gebäude der Kreisverwaltung und die Berechnung für die TU Braunschweig mit ca. 30 kWh/m²NGFa hier fast den Zielwert. Der im Gebäudevergleich höhere technische Standard der R+V Versicherung – Arbeitsmittel, zentrale Dienste, Klimatisierung von Teilbereichen – drückt sich auch in einem fast doppelt so hohen Stromverbrauch von 57 kWh/m²NGFa aus. Die Energieverbrauchskennwerte der drei Gebäude zeigen die folgende Tabelle 46 und Abb. 45. Wärme [kWh/m²NGFa] Strom [kWh/m²NGFa] Primärenergie [kWh/m²NGFa] Emissionen [kgCO2/m²NGFa] typischer Bestand SIA NK 152 38 281 56 TU Braunschweig Bestand 126 22 205 53 KV Bad Segeberg Bestand 127 38 279 75 Hochhaussanierung Typ I 75-109 28-46 161-258 32-52 TU Braunschweig Berechnung 63 29 156 38 KV Bad Segeberg nach Sanierung 93 31 158 39 Hochhaussanierung Typ II 75-109 38-73 197-339 40-70 R+V Domstraße nach Sanierung 104 57 244 57 Hochhaussanierung Typ III 75-109 70-100 293-420 61-87 Tabelle 46: Energieverbräuche der evaluierten Gebäude im Vergleich Wärmeverbrauch [kWh/m²NGFa] 200 typischer Bestand SIA NK 150 TU Braunschw eig Bestand 100 KV Bad Segeberg Bestand R+V Domstraße nach Sanierung KV Bad Segeberg nach Sanierung TU Braunschw eig Berechnung 50 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Stromverbrauch [kWh/m²NGFa] Ziel- und Grenzwerte für die Sanierung von Hochhäusern Vergleichsw erte für Verw altungsgebäude aus SIA 380/1 Abb. 45: Gegenüberstellung Wärme- und Stromverbrauch der evaluierten Gebäude 80 78 Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse Die Kreisverwaltung Bad Segeberg erreicht mit den im Jahre 2003 gemessenen Energieverbräuchen eine Primärenergiekennzahl von 158 kWh/m²NGFa. Ohne Berücksichtigung der Arbeitshilfen sinkt diese Kennzahl unter den Zielwert von 150 kWh/m²NGFa für Hochhaussanierungen. Betriebskosten Auf eine Gegenüberstellung der Betriebskosten der drei untersuchten Gebäude wird verzichtet, da für die TU Braunschweig eine nur schwer bewertbare Datengrundlage, für die Kreisverwaltung nur Daten vor der Sanierung und nur für die R+V Versicherung Daten vor und nach der Sanierung vorliegen. Ein Sanierungspotenzial ist aus den Daten dieses einen Gebäudes nicht abzuleiten. Signifikante Unterschiede zwischen Gebäuden mit gläsernen Vorsatzschalen und den Kennwerten für das Gebäudemittel waren nicht erkennbar. Es wird daher an dieser Stelle auf die Ausführungen in den jeweiligen Kapiteln der Gebäude verwiesen. 4.4.4 Komfortkriterien im Vergleich Die in den sanierten Gebäuden durchgeführte Nutzerumfrage bewertet die allgemeine Behaglichkeit in den Gebäuden als gut. Das Nutzerverhalten bezüglich der natürlichen Lüftung ist im Sommer wie im Winter vorbildlich. Dennoch werden Überhitzungen von fast allen Befragten beklagt. In der Kreisverwaltung wird die Situation von der Hälfte der Befragten als verschlechtert beurteilt. Intensive Farben, hervorgerufen durch die roten Sonnenschutzscreens, stoßen im Gebäude der Kreisverwaltung Bad Segeberg auf geringe Nutzerakzeptanz. Die große Anzahl der Umfrageteilnehmer ermöglicht eine räumliche Zuordnung der Beschwerdehäufigkeit und damit auch das Isolieren wahrscheinlicher Ursachen. Der Außenlärm wird im Gebäude der R+V Versicherung und der Kreisverwaltung trotz der dort festgestellten Verbesserungen von mehr als der Hälfte der Befragten als in hohem Maße störend empfunden. Überhitzungs- und Schallschutz sollten demnach einen höheren Stellenwert im Planungsprozess erhalten, um diesen Komforteinschränkungen vorzubeugen. Hinweise für entsprechende Planungskriterien geben die im Folgenden ausgeführten Mess- und Simulationsergebnisse an der Demonstrationsdoppelfassade der TU Braunschweig. Das Instrument der Nutzerumfrage eignet sich sehr gut, um mögliche Komforteinschränkungen zu bewerten und zu lokalisieren. Die Aussagen waren in sich schlüssig, so dass davon ausgegangen werden kann, dass es sich um signifikante Ergebnisse handelt. Temperatur-, Luftwechsel- und Schallmessungen sollten bei Bedarf die Ergebnisse der Umfrage ergänzen und können Grundlage für konkrete Verbesserungsvorschläge sein. 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse Antworten auf die bauphysikalischen Anforderungen einer gläsernen Vorsatzschale in der Sanierung gibt die Auswertung eines Modellversuchs an einer Demonstrationsdoppelfassade (s. Abb. 46). Als wichtige Anforderungen können aus den Erfahrungen der evaluierten Gebäude (s. Kapitel 4.4) der Überhitzungs- und der Schallschutz genannt werden. Betrachtet wurden im Rahmen einer Parameterstudie unterschiedliche Öffnungsgrade der gläsernen Vorsatzschale und Lüftungsstrategien in der ein- und Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse 79 zweigeschossigen Ausführung in ihren Auswirkungen auf den sommerlichen und winterlichen Betrieb. Die Messungen fanden im 3. und 4. OG an der Westfassade des in Kapitel 4.3 beschriebenen Gebäudes der TU Braunschweig von Mai 2002 bis September 2003 statt. Die Ergebnisse dieses Versuchs sind im folgenden Kapitel beschrieben. In Kapitel 6 wird dann ein thermisches Simulationsmodell auf der Grundlage der Messergebnisse mit dem Programm Bsim validiert. Modellvarianten werden in Bezug auf Überhitzungsanteile und Wärmeverbrauch miteinander verglichen. Der Variantenvergleich umfasst dabei die Möglichkeiten der Fassadensanierung vom einfachen Primärbis zum vollständig neuen Doppelfassadensystem. Abb. 46: Demonstrations-Doppelfassade am Institutsgebäude „BS4“ der TU Braunschweig 5.1 Randbedingungen Fassadengeometrie Die Demonstrations-Doppelfassade wurde im 3. und 4. OG im April / Mai 2002 vor Ort zusammengesetzt und zwischen den Stahlbetonstützen eingefädelt (Firma Otto Künnecke Stahlbau). Der Zwischenboden ist zu Versuchszwecken - geschossweise oder zweigeschossige Ausführung demontierbar mit einem Stahlblech unter einem Gitterrost ausgebildet. Die Zu- und Abluftklappen der Sekundärfassade sind manuell in 5° - Schritten bis zu einem Winkel von 30° verstellbar. Die obere Klappenreihe wurde auf der Außenseite mit PVElementen BP „MST 50“ versehen wie in Abb. 46 erkennbar. Als Sonnenschutz kam ein Prototyp einer horizontalen Klapplamelle der Firma Warema zum Einsatz (s. Abb. 47). Abb. 47: Fassadenzwischenraum der Demonstrationsdoppelfassade Die lichte Breite zwischen den Stützen beträgt 6,55 m, die Geschosshöhe jeweils 3,85 m, die Tiefe des Fassadenzwischenraums beträgt 1 m. Das Achsraster der Primärfassade beträgt 0,8 m, das Achsraster der Sekundärfassade 1,6 m. Die Fassadenbauteile und deren bauphysikalische Werte sind in 4.3.1 Gebäudehülle beschrieben. Im 3. OG befindet sich an die Doppelfassade angrenzend ein bereits sanierter Büroraum, im 4. OG der Messraum zu Prüf- und Vergleichszwecken. Ein Fassadenschnitt und die Grundrisse sind in Abb. 48, 49 und 50 dargestellt. 80 Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse 4.OG Primärfassade 4. OG Fassadenzwischenraum Sekundärfassade 1 3. OG 3.OG Primärfassade Schnitt 1-1 Fassadenzwischenraum Sekundärfassade 1 N Abb. 48 / Abb. 49 / Abb. 50: Fassadenschnitt 1-1 (links), Grundriss 4. OG (rechts oben) und 3. OG (rechts unten) jeweils mit Deckenspiegeln Die Höhenlage der Geschosstrennung sowie die horizontale und vertikale Position des Sonnenschutzes im Fassadenzwischenraum wurden tageslicht- und strömungsoptimiert geplant. Die Strömungssimulation zur Optimierung der Position des Sonnenschutzes wurde mit dem Programm Fluent durchgeführt. Es gehört zur Klasse der CFD (computational fluid dynamics) Programme. Die 60 s Berechnung erfolgt auf dem numerischen Grundprinzip der Finiten-Volumen-Methode. Das lokale Luftalter τ P [s] an einem beliebigen Punkt P ist 30 s 0s definiert durch die durchschnittliche Zeit, die die Luftmoleküle vom Eintritt in den Raum bis zum Erreichen des Punktes benötigen. Das Ergebnis der im Hinblick auf eine geringe Verweildauer und gute Durchströmung optimierten Variante zeigt die Abb. 51. Der Abstand des Sonnenschutzes beträgt 25 cm von der gläsernen Vorsatzschale. Gleichzeitig wird mit der Klapplamelle der Blendschutz gewährleistet. Abb. 51: Optimierung der Geometrie des Behangs im Fassadenzwischenraum, Verteilung des lokalen Luftalters Zur Erläuterung der verwendeten Begriffe: Die „Primärfassade“ bezeichnet die bestehende Fassade, den thermischen Raumabschluss, die „Sekundärfassade“ die äußere Ebene der Doppelfassade. Die Funktionsweise der Demonstrationsfassade wird in zwei prinzipiell unterschiedlichen Ausführungsarten untersucht: dabei bezeichnet „zweigeschossige Ausführung“ den Betrieb als Mehrgeschossfassade über zwei Geschosse und „geschossweise Ausführung“ den Betrieb als Kastenfassade mit geschossweiser Trennung. Zur Bezeichnung der Klappenstellungen der Sekundärfas- Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse 81 sade wird folgende Namenskonvention verwendet: 4 Zahlen beschreiben vom 3. OG unten bis 4. OG oben den Öffnungswinkel der Klappflügel, die römischen Zahlen I und II den geschossweisen oder zweigeschossigen Betrieb. So zeigt z.B. der Fassadenschnitt in Abb. 48 mit 30/30/30/30 I die 4 Klappenreihen geöffnet jeweils in der 30° Stellung und die Kastenfassade mit Geschosstrennung. Raumgeometrie Die Nutzfläche beträgt im 3. OG 25,5 m², im 4. OG 20,8 m², der Nettorauminhalt 89,2 bzw. 61,4 m³. Eine Querlüftungsmöglichkeit besteht in die großen Verkehrszonen im 3. OG über ein Türoberlicht und im 4. OG über einen Türschlitz. Das 3. OG wurde mit einer teilabgehängten Streckmetallrasterdecke über 90 % der Deckengrundfläche ausgestattet (s. Abb. 52). Zur Reflexion des indirekten Lichtanteils der abgependelten Leuchten und zur Reduzierung der Nachhallzeit sind 60 % der abgehängten Decke mit einem Flies belegt. Die lichte Raumhöhe beträgt 3,5 m, unter dem Deckensegel 3 m. Im 4. OG sind die Trennwände zu den benachbarten Büroräumen unter eine abgehängte Akustikdecke gesetzt. Die lichte Raumhöhe beträgt 2,95 m. Der abgeschlossene Luftraum zwischen der abgehängten Decke mit 40 mm Mineralwolleauflage und der Massivdecke beträgt ca. 0,5 m. Unter der abgehängten Decke befindet sich noch ein zusätzliches Blendschutzraster (s. Abb. 53). Abb. 52 / Abb. 53: Büro 3. OG Westseite (links), Messraum 4. OG Westseite (rechts) Raumoberflächen Die Oberflächen des Büroraums im 3. OG: Linoleum auf Verbundestrich, Sichtbetonbrüstung, Wärmeschutzverglasung „I-Plus C“ mit Ug = 1,1 W/m²K im Bestandsrahmen RMG 2.2 mit einem Rahmenanteil von 25 %, UW = 1,65 W/m²K, Sichtbetonsturz, Stahlbetondecke mit teilabgehängter Decke wie in Raumgeometrie beschrieben, raumhohe Gipskarton - Wände. 82 Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse Die Oberflächen des 4. OG: Nadelfilz auf Verbundestrich, Brüstung und Fassade wie im 3. OG, abgehängte Decke mit Steinwolleauflage (s. Raumgeometrie), deckenhohe Gipskarton - Wände. Die bauphysikalischen Werte der übrigen Bauteile der Gebäudehülle sind in Kapitel 4.3.1 beschrieben. Messkonzept Die Messphase 1 bestand im Sommer von Juli bis September 2002 und im Winter von November 2002 bis Februar 2003 jeweils aus einer Parameterstudie zu unterschiedlichen Öffnungsanteilen der Sekundärfassade und der geschossweisen bzw. zweigeschossigen Ausführung. In der Primärfassade konnten bis zu 4 Kippflügel (s. Abb. 54 und 55) je Raum geöffnet werden. Die Querlüftungsmöglichkeit des 3. OG über ein Türoberlicht in eine große Innenzone ohne direkte Ankopplung an die gegenüberliegende Gebäudeseite zeigt Abb. 56. Abb. 54 / Abb. 55 / Abb. 56: Kippflügelgeometrie der Primärfassade (links), Kippflügel in der sanierten Primärfassade (Mitte) und Türoberlicht im 3. OG (rechts) Auf der Grundlage der Ergebnisse aus der Messphase 1 erfolgte im Sommer 2003 in der Messphase 2 eine Optimierung hinsichtlich einer weiteren Reduzierung der Klappenstellung und eine Bewertung des Einflusses der unterschiedlichen Speichermassen in den Messräumen. Dies geschah in 3 jeweils 3-wöchigen Messperioden von Juni bis August 2003. Eine Auswahl der untersuchten Klappenstellungen und deren entsprechenden Öffnungsanteile nach [51] gibt Tabelle 47 an. Klappenstellung Sekundärfassade [°] Korrekturfaktor nach [51] [-] effektive Öffnung gesamt [Aeff] effektiver Öffnungsanteil an der Fassade [%] 30/30/30/30 I oder II 0,800 6,36 m² 25,2% 20/20/20/20 I oder II 0,440 3,50 m² 13,8% 10/10/10/10 I oder II 0,175 1,39 m² 5,5% 5/5/5/5 I oder II 0,081 0,64 m² 2,5% 30/0/0/30 II 0,800 6,36 m² 12,6% 20/0/0/20 II 0,440 3,50 m² 6,9% 10/0/0/10 II 0,175 1,39 m² 2,8% 5/0/0/5 II 0,081 0,64 m² 1,3% Türoberlicht 23° 0,33 0,17 m² Kippflügel 4,1° 0,08 0,1 m² Tabelle 47: Klappenstellungen und deren effektive Öffnungsfläche nach [51] Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse 83 Folgende Parameter wurden in den Messphasen 1 und 2 variiert: Die Klappenstellungen der Sekundärfassade in 5° Schritten (s. Abb. 57). Die ein- bzw. zweigeschossige Ausführung der Doppelfassade. Die Lüftungsstrategie. Untersucht wurden die einseitige Lüftung über die Kippflügel der Primärfassade, die nächtliche und die 24h Querlüftung. Messtechnik Die Montage der Messtechnik der Messphase 1 erfolgte bis Mitte Juni 2002. Kalibrierungen, Inbetriebnahme und Auswertmethodik konnten bis Ende Juni 2002 abgeschlossen werden. Es handelte sich um 65 Messfühler und ergänzende Kurzzeitmessungen. Beschreibung der eingesetzten Messfühler (Anordnung s. Abb. 58): Insgesamt 22 Temperaturfühler PT 1000 im 3., 4. und 6. OG, im Fassadenzwischenraum (s. Abb. 59) und vor der Fassade zur Bestimmung der Raumlufttemperaturentwicklung, sowie ausgewählte Bauteil-Oberflächentemperaturen. Acht Luftgeschwindigkeitsfühler sowie Schließkontakte in den Fensterflügeln und einem Türoberlicht zur Erfassung der Strömungsverhältnisse in den Belüftungsöffnungen und zur Positionskontrolle. Vier CO2-Sensoren in den Räumen, im Fassadenzwischenraum und vor der Fassade zur Bestimmung der Luftqualität und zur Durchführung von Luftwechselmessungen. Fünf Differenzdrucksensoren, zur Bestimmung des möglichen Druckabbaus durch die Doppelfassade im Hinblick auf die Tragwerksdimensionierung und die Reduzierung der Pfeifgeräusche der Primärfassade. Globalstrahlungssensor auf einem PV-Element sowie ein Ertragszähler für die PV - Module. Drei Windgeschwindigkeitssensoren zur Erfassung von Aufwind, Seitenwind und Wind senkrecht auf die Fassade. Nutzung einer vorhandenen Wetterstation auf dem Gebäudedach zur Messung von Windstärke, Außentemperatur, Globalstrahlung West und Niederschlag. Positions- und Fahrursachenerfassung der Sonnenschutzbehänge im 3. und 4. OG über Hallsensoren. Die Differenzdruckerfassung erfolgte in minütlichen Mittelwerten, alle übrigen Werte wurden in fünfminütigen Intervallen aufgezeichnet. Die Daten wurden wöchentlich ausgelesen und einer standardisierten Plausibilitätsprüfung unterzogen. An Kurzzeitmessungen wurden durchgeführt: Schallschutzmessungen in Zusammenarbeit mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, Prof. Dr. Goydke. Blower-Door-Messungen zur Bestimmung der Fugendurchlasskoeffizienten. CO2-Tracergas-Messungen zur Bestimmung des Luftwechsels im Fassadenzwischenraum und den Büroräumen. Hochauflösende Differenzdruckmessung in sekündlichen Mittelwerten. Luftgeschwindigkeits- und Temperaturmessungen am Arbeitsplatz. 84 Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse ϑ 10.1 ϑ 6.1 Co2 4 GS 1 ϑ 4.7 ϑ 4.4 ϑ 4.8 ϑ 4.5 P 4.3 P 4.2 ϑ 4.9 ϑ 4.6 ϑ 3.7 ϑ 3.4 ϑ 3.8 ϑ 3.9 Wind P 4.1 Co2 3 ϑ 4.2 ϑ 4.1 ϑ 4.3 ϑ 3.0 R,V 3.3 ϑ 3.2 ϑ 3.1 ϑ 3.5 P 3.2 Co2 1 ϑ 6.2 ϑ 3.6 P 3.1 Co2 2 ϑ 3.3 Legende zu Abb. 58: verwendete Zeichen: q Temperaturen, CO2, P Differenzdruck, GS Globalstrahlung, R Reedkontakt, V Volumenstrom; verwendete Ziffern: 3.x: 3. OG und Fühlernummerierung, entsprechend 4.x, 6.x und 10.x Abb. 57 / Abb. 58: Öffnungsklappen der Sekundärfassade (links), Anordnung der Messfühler im Systemschnitt Messphase 1 (rechts) Für die Messphase 2 (Anordnung s. Abb. 61) wurden Temperaturmessfühler strahlungsgeschützt auf den Deckenoberflächen und im Deckenzwischenraum des 4. OG, sowie in der Betondecke des 3. OG in einer Tiefe von 2,5 cm installiert. Die Wirksamkeit von Sonnenschutz und Verglasung, bzw. die Größe des solaren Eintrags in den Raum, wurde mit zusätzlichen Globalstrahlungssensoren vor der Sekundärfassade sowie vor und hinter der Primärfassade überprüft (s. Abb. 60) . Die Gesamtanzahl der Messfühler wurde auf 36 reduziert. Legende zu Abb. 62: verwendete Zeichen: q Temperaturen, CO2, GS Globalstrahlung, R Reedkontakt, A außen, D Decke, ZWR Fassadenzwischenraum; verwendete Ziffern: 3.x: 3. OG und Fühlernummerierung, entsprechend 4.x und 6.x Abb. 59 / Abb. 60 / Abb. 61: strahlungsgeschützter Temperaturfühler im Fassadenzwischenraum (links oben), Globalstrahlungssensoren an der Primärfassade (links unten), Anordnung der Messfühler im Systemschnitt Messphase 2 (rechts) Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse 85 Als Kurzzeitmessung wurden die CO2 Tracergas - Messungen zur Bestimmung des Luftwechsels im Fassadenzwischenraum und den Büroräumen fortgesetzt. Die Messintervalle und die Auswertmethodik änderten sich nicht. In einer 2-wöchigen Kalibrierungsphase wurden die Luftwechselraten für die einseitige Lüftung der beiden Räume des 3. und 4. OG abgeglichen. Anzahl und Weite der zu öffnenden Kippflügel für die einseitige Lüftung wurden festgelegt. Die Luftwechselraten wurden stichprobenartig 3 bis 4 mal pro Woche überprüft. Die internen Lasten des genutzten 3. OG wurden wie schon in der Messphase 1 im 4. OG nachgestellt. Luftwechselraten In der Messphase 1 wurde überprüft, ob der hygienisch notwenige Luftwechsel in den Büroräumen durch freie Lüftung sichergestellt werden kann und welchen Einfluss die variierten Parameter auf die Luftaustauschrate haben. In der Messphase 2 unterscheiden sich die Luftwechselraten in den Referenzräumen untereinander und für die untersuchten Klappenstellungen 10/10/10/10 I bzw. 5/5/5/5 I nicht. Tracergas - Messungen nach der Abklingmethode ergaben bei Kontrollmessungen einen Raumluftwechsel von im Mittel ca. 2 h-1 für die einseitige Lüftung und ca. 6 h-1 für die Querlüftung. Interne Lasten Die internen Lasten aus Arbeitsmitteln und Personen betrugen im genutzten 3. OG tagsüber 17,5, nachts 12,5 und am Wochenende 10,4 W/m². Dabei wurde die sensible Wärmeabgabe der Person mit 80 W/Person angesetzt, die elektrische Leistung der Arbeitsmittel wurde gemessen. Wochentags ergeben sich damit als Summe 95 Wh/m³d, am Wochenende 71 Wh/m³d oder 330 bzw. 250 Wh/m²d am Wochentag bzw. Wochenende. Für das 3. OG ergibt sich das in Abb. 62 dargestellte Lastprofil für einen Wochentag. Interne Lasten 3.OG (Tagesprofil Wochentag) 20 18 Interne Last [W/m²] 16 14 12 10 8 6 4 2 Uhrzeit PC Laptop Mensch Abb. 62: Tagesprofil der internen Lasten wochentags im 3.OG 22:00 20:00 18:00 16:00 14:00 12:00 10:00 8:00 6:00 4:00 2:00 0:00 0 86 Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse Da die Messräume über eine unterschiedliche lichte Raumhöhe verfügen, wurde als Bezug für den Abgleich der internen Lasten in den beiden Geschossen der Nettorauminhalt gewählt. Zum Vergleich: Legt man einen hohen Technisierungsgrad von 150 W/Person während der Betriebszeit nach [20] zugrunde und nimmt zusätzlich 50 W/Person außerhalb der Betriebszeit an, so ergeben sich mit 15 m²NF/Person als Summe der internen Lasten ca. 60 Wh/m³d bzw. 180 Wh/m²d. Das gleichmäßige Tagesprofil im Büroraum des 3. OG und der hohe Technisierungsgrad führen so im Vergleich mit [20] zu überdurchschnittlich hohen internen Wärmelasten in den untersuchten Büroräumen. Externe Lasten Die verwendeten Strahlungssensoren wurden zu Beginn der Messungen kalibriert und nach Abschluss der Messungen noch einmal überprüft. Sie erfassen die Globalstrahlung auf der Westfassade in W/m² im Bereich der Wellenlängen von 380 bis 1050 nm. Ca. 25 % der einfallenden Sonneneinstrahlung von 1050 bis 2500 nm werden also nicht erfasst (Globalstrahlungsverteilung nach C.I.E.). Die Transmission einer 10 mm ESG-Verglasung beträgt in dem Bereich von 1050 – 2500 nm im Mittel 71 %, der Wärmeschutzverglasung 8,5 %. Im Referenzraum stimmen dann die gemessenen mit den absoluten Werten der transmittierten Globalstrahlung annähernd überein. Dies ist bei der Bewertung der Messwerte zu berücksichtigen. Die Globalstrahlung beträgt an einem Tag mit bedecktem Himmel im Fassadenzwischenraum konstant ca. 53 % und im Raum ebenfalls konstant ca. 28 % der außen anliegenden Globalstrahlung West. Auf der Nordseite des Büros sind es ca. 32 %. Im Mittel über 24 h werden damit außen 27,5 W/m², im Zwischenraum 13 W/m², im Raum 7 W/m² und auf der Nordseite 7,5 W/m² eingestrahlt (s. Abb. 63 und 64). Transmissionsanteile am 29.08.2003 Globalstrahlung am 29.08.2003 600 70,0% 35 33 60,0% 31 400 27 25 300 23 21 200 19 Außentemperatur [°C] Globalstrahlung [W/m²] 29 17 Globalstrahlung in % außen west 500 40,0% 30,0% 20,0% 10,0% 15 100 50,0% 13 ZWR 4.OG West Raum 4.OG West Raum 4.OG Nord % Raum 4.OG West 22:15 21:20 20:20 19:30 18:30 17:35 16:35 15:40 14:40 13:40 12:40 11:41 9:45 % ZWR 4.OG West Außentemperatur 10:45 8:45 7:50 6:50 5:50 4:00 22:15 21:20 20:20 19:30 18:30 17:35 16:35 15:40 14:40 13:40 12:40 11:41 9:45 10:45 8:45 7:50 6:50 5:50 4:55 außen West 4:55 0,0% 11 4:00 0 % Raum 4.OG Nord Abb. 63 / Abb. 64: Globalstrahlung (links) eines bedeckten Tages und Transmissionsanteile (rechts) Globalstrahlung am 10.08.2003 Transmissionsanteile am 10.08.2003 70,0% 35 600 33 60,0% 27 400 25 23 300 21 19 200 17 100 15 Außentemperatur [°C] Globalstrahlung W/m²] 29 Globalstrahlung in % außen west 31 500 50,0% 40,0% 30,0% 20,0% 10,0% 13 außen West ZWR 4.OG West Raum 4.OG West Raum 4.OG Nord Außentemperatur % ZWR 4.OG West % Raum 4.OG West 22:55 21:55 20:55 19:55 18:55 17:55 16:55 15:55 14:55 14:00 13:00 12:00 11:00 10:00 9:00 8:00 7:00 6:00 5:00 0,0% 4:00 22:55 21:55 20:55 19:55 18:55 17:55 16:55 15:55 14:55 14:00 13:00 12:00 11:00 10:00 9:00 8:00 7:00 6:00 5:00 11 4:00 0 % Raum 4.OG Nord Abb. 65 / Abb. 66: Globalstrahlung (links) eines strahlungsreichen Tages und Transmissionsanteile (rechts) Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse 87 Bis zu dem Zeitpunkt, an dem der Sonnenschutz an einem sonnigen Tag herunterfährt, zeigt sich das gleiche Verhältnis wie oben: im ZWR ca. 55 %, im Raum ca. 30 % des Strahlungseinfalls auf die Sekundärfassade. Nach Aktivierung des Sonnenschutzes reduzieren sich diese Einträge auf ca. 3,8 % im Fassadenzwischenraum und ca. 2 % im Büroraum. Im Mittel über 24h werden damit außen 187,5 W/m², im Zwischenraum 21 W/m², im Raum 11,5 W/m² und auf der Nordseite 13 W/m² eingestrahlt (s. Abb. 65 und 66). Die mittleren Einstrahlungssummen je m² Fassadenfläche bleiben wie in der folgenden Abb. 67 dargestellt unabhängig von der Einstrahlung außen auf die Fassade konstant bei ca. 240 Wh/m²d auf der Westseite. Auf der Nordseite ohne Doppelfassade bei konstant ca. 330 Wh/m²d. Daraus kann geschlossen werden, dass der Strahlungseintrag im Raum in der Tagesumme für die untersuchten sonnigen Tage annähernd konstant und orientierungsunabhängig ist. Sortierte Tagessummen Globalstrahlung 10/10/10/10 I Globalstrahlungssumme [Wh/m²d]] 4.000 3.500 3.000 2.500 2.000 1.500 1.000 500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Aussen West 1329 1698 1855 1938 2067 2270 2291 2364 2496 2701 3036 3069 3264 3777 ZWR West 341 507 418 463 409 705 456 480 439 363 437 355 391 381 Raum West 186 280 227 246 216 383 229 263 246 199 236 190 221 223 Raum Nord 298 314 254 378 334 258 242 359 408 456 415 332 288 316 Abb. 67: Sortierte Tagessummen der Globalstrahlung je m² Fassadenfläche für 14 Messtage der Messreihe 10/10/10/10 I Witterungsvergleich Zur Beurteilung des lokalen Mikroklimas werden die Außenlufttemperaturen, die in einem Abstand von ca. 50 cm vor der Demonstrationsfassade gemessen wurden, mit dem Temperaturdatensatz des deutschen Wetterdienstes für Braunschweig Völkenrode, der über einer Grünfläche am Stadtrand erfasst wurde, und dem des TRY 02, der Grundlage thermischer Simulationen ist, verglichen. Im Sommer 2003 ergeben sich die in Tabelle 48 genannten Mitteltemperaturen. Außenlufttemperatur Messdaten [°C] DWD Braunschweig [°C] TRY 02 [°C] 20,7 19,0 15,0 Monatsmittel Juli 21,0 19,6 17,1 Monatsmittel August 22,0 20,5 17,1 Sommermittel Juni - August 21,3 19,7 16,4 Monatsmittel Juni Tabelle 48: Außenlufttemperaturvergleich aus Stundenmitteln Sommer 2003 / TRY 02 88 Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse Im Mittel über die drei Sommermonate liegen die Außenlufttemperaturen am Gebäude um 1,6 K über dem Temperaturmittel des DWD und 4,9 K über dem des TRY 02. Die Tagesgänge der wärmsten Sommerwoche zeigt Abb. 68. Die maximale Außenlufttemperatur liegt am Gebäude mit über 38 °C um fast 3 K über dem Tageshöchstwert des DWD. Auch nachts bleibt die Temperaturdifferenz erhalten. Die Tagesamplitude ist annähernd gleich groß. 40 1600 35 1400 30 1200 25 1000 20 800 15 600 10 400 5 200 Globalstrahlung [W/m²] Außenlufttemperatur [°C] Witterungsvergleich 3. - 10 August 2003 * 0 0 3 4 5 Temp Messw erte 6 7 Temp DWD 8 Temp TRY 02 9 Glob DWD 10 Glob West Messw erte * durchschnittliche Windgeschwindigkeit aus Stundenmittelwerten 2,1 m/s Messwerte, 2,6 m/s DWD, 3,0 m/s TRY 02 Abb. 68: Außentemperaturvergleich 03. – 10. August 2003 Wesentlichen Einfluss auf die Temperaturdifferenzen hat die Globalstrahlung. An strahlungsarmen Tagen sind die Tagesgänge der gemessenen und der DWD Außenlufttemperaturen nahezu identisch (s. Abb. 69). Die Temperaturdifferenz beträgt am Tag und in der Nacht weniger als 1 K. 40 1600 35 1400 30 1200 25 1000 20 800 15 600 10 400 5 200 0 Globalstrahlung [W/m²] Außenlufttemperatur [°C] Witterungsvergleich 1. - 7 Juli 2003 * 0 1 2 Temp Messw erte 3 Temp DWD 4 5 Temp TRY 02 6 Glob DWD 7 Glob West Messw erte * durchschnittliche Windgeschwindigkeit aus Stundenmittelwerten 3,1 m/s Messwerte, 4,0 m/s DWD, 3,8 m/s TRY 02 Abb. 69: Außentemperaturvergleich 01. – 07. Juli 2003 Die Temperaturdifferenz der Messwerte zum DWD ist zum einen in den höheren Temperaturen des Stadtklimas und zum anderen in der Temperaturerhöhung im fassaden- Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse 89 nahen Bereich begründet. Im Abstand von z.B. ca. 50 cm wurde in [52] an einem warmen, sonnigen Sommertag eine Temperaturdifferenz von ca. 1 K gemessen. Schichtstärke und Übertemperatur sind nach [52] abhängig von den Windverhältnissen und der Gebäudehöhe. Die Auswirkungen dieser höheren Außenlufttemperaturen auf die Ergebnisse der thermischen Simulation werden in Kapitel 6.2.2, Lokales Mikroklima untersucht. Die am Gebäude gemessenen mittleren Windgeschwindigkeiten sind aufgrund der Rauhigkeit der Stadt erwartungsgemäß geringer als die Werte des DWD. Insbesondere windreiche Tage mit Windgeschwindigkeiten von 5 bis 8 m/s zeigten ausgeprägt reduzierte innerstädtische Windgeschwindigkeiten von durchschnittlich mehr als 50%. Windgeschwindigkeit Monatsmittel Juni Messdaten [m/s] DWD Braunschweig [m/s] TRY 02 [m/s] Datensatz unvollständig 2,8 3,0 Monatsmittel Juli 2,3 3,0 2,8 Monatsmittel August 2,4 3,1 2,6 Sommermittel Juni - August 2,3 3,0 2,8 Tabelle 49: Vergleich der Windgeschwindigkeiten aus Stundenmitteln Sommer 2003 5.2 Immissions- und Witterungsschutz 5.2.1 Dämpfung des Winddrucks Ziele Eine Doppelfassade reduziert die am Gebäude anliegenden windverursachten Drücke. Dies ist für die statische Auslegung von Doppelfassadensystemen, die Druckverteilung im Gebäude sowie der sich am untersuchten Gebäude bei Staudrücken >55 Pa einstellenden Pfeifgeräusche aufgrund schlecht andichtender Kippflügel in der Primärfassade von Interesse. Daher wurde untersucht, inwieweit eine Sekundärfassade zur Reduzierung der grenzwertüberschreitenden Drücke, die die Pfeifgeräusche auslösen, beitragen kann und welchen Einfluss der Öffnungsanteil der Sekundärfassade auf die Dämpfung im Fassadenzwischenraum hat. Auswertmethodik Es wurden im Winter 2003 bei wöchentlich wechselnder Klappenstellung im eingeschossigen Betrieb Differenzdrücke im 1-Minuten-Mittel erfasst. Es wird die Druckdifferenz zwischen einem Messpunkt im Büroraum und im Fassadenzwischenraum sowie außen auf der Sekundärfassade erfasst. Dies geschieht messtechnisch durch die beidseitige Belastung einer Membranfeder (dem Drucksensor „PTLNK“ Airflow) für beide Differenzdrücke. Neben den bei wöchentlich wechselnder Klappenstellung erfassten Minutenmittelwerten, wurde in einer 24-stündigen Messung durch eine hochauflösende Aufzeichnung mit dem APT (automated performance system) während des Auftretens kritischer Drücke, das örtliche Differenzdruckspektrum vor der Sekundärfassade und im Fassadenzwischenraum in 1-Sekunden-Mittelwerten erfasst. Eine Übersicht über die meteorologischen Daten und Differenzdrücke der windreichsten Woche (KW 5) mit der Klappenstellung 20/20 im 4. OG gibt Tabelle 50. 90 Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse KW 5 2003 28.01.03 29.01.03 30.01.03 31.01.03 01.02.03 02.02.03 Mittelwert außen/innen [Pa] 20,34 35,40 18,50 19,17 13,02 16,64 18,71 Mittelwert ZWR/innen [Pa] 13,60 22,50 12,32 13,53 8,42 13,49 11,58 7,13 Reduzierung [Pa] 6,74 12,90 6,18 5,64 4,60 3,15 min außen/innen [Pa] -11,88 -1,07 1,56 -11,88 -2,00 8,87 5,50 min ZWR/innen [Pa] -16,56 -16,13 -2,94 -16,56 -7,25 4,06 -3,38 max außen/innen [Pa] 93,31 93,31 56,19 44,25 25,25 23,87 44,75 max ZWR/innen [Pa] 60,94 60,94 39,88 32,19 18,38 19,69 27,13 Windgeschwindigkeit [m/s] 3,63 4,96 3,46 2,57 3,71 1,99 4,48 S SSW SSW SW OSO S SSW 1,76 6,14 2,98 1,13 -2,79 -2,16 0,54 Windrichtung Außentemperatur [°C] Tabelle 50: Mittelwerte, Minima und Maxima der Minutenwerte der Differenzdrücke und der Wetterdaten Ergebnisse Ergebnisse Dämpfung und Klappenstellungsabhängigkeit Beispielhaft werden für die Auswertung einzelne Tage in der Messwoche mit der Klappenstellung 20/20 (KW 5, s. Tabelle 50) mit Tagen eines entsprechenden Differenzdruckprofils bei geschlossener Sekundärfassade verglichen. An Tagen geringer anliegender Differenzdrücke bis ca. 25 Pa ist auch die Amplitude der Druckdifferenzen sehr gering. Es handelt sich dann um einen sehr gleichmäßigen Amplitudenverlauf. Dieser setzt sich auch in den Zwischenraum fort wie es am Beispiel des 01. Februar (s. Abb. 70) deutlich wird. Es handelt sich also um eine konstante mittlere Differenzdruckreduzierung von ca. 3 Pa bei gleichbleibend kleiner Amplitude von ca. 1 bis 7 Pa. Ein Unterschied zum 09. Januar (s. Abb. 71), einem Tag mit vergleichbarer Differenzdrucksituation und geschlossener Sekundärfassade, ist nicht erkennbar. In den Inlets sind jeweils die Minutenmittelwerte der Differenzdrücke des entsprechenden Tages gegeneinander aufgetragen. 60 55 50 Differenzdruck [Pa] 45 40 Differenzdruck ZWR/innen [Pa] - 60 20/20 1. Februar 2003 50 40 30 20 10 0 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Differenzdruck außen/innen [Pa] 35 Mittel min Druckgleiche 10% Reduzierung 15% Reduzierung 30 25 20 15 10 5 0 sortiertes 10 min Mittel außen/innen Amplitude in 10 min außen/innen 10 min Mittel ZWR/innen Amplitude in 10 min ZWR/innen Abb. 70: Amplitude der Minutenwerte über sortierten 10 Minutenmitteln des Differenzdrucks außen / innen Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse 0/0 9. Januar 2003 Differenzdruck ZWR / innen [Pa] 60 60 55 50 Differenzdruck [Pa] 45 91 50 40 30 20 10 0 0 40 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Differenzdruck außen / innen [Pa] 35 Mittel min Druckgleiche 10% Reduzierung 15% Reduzierung 30 25 20 15 10 5 0 sortiertes 10 min Mittel außen/innen Amplitudel in 10 min außen/innen 10 min Mittel ZWR/innen Amplitude in 10 min ZWR/innen Abb. 71: Amplitude der Minutenwerte über sortierten 10 Minutenmitteln des Differenzdrucks außen / innen Ein Tag mit mäßigem anliegenden Differenzdruck bis ca. 35 Pa am 29. Januar (s. Abb. 72) zeigt eine deutlich größere und wechselnde Amplitude. Mit größer werdender Amplitude nimmt auch die Dämpfung auf bis zu ca. 7 Pa zu. Der Vergleich mit dem windstärksten Tag der Messwoche mit geschlossener Sekundärfassade am 12. Januar (s. Abb. 73) zeigt bei vergleichbarer Differenzdrucksituation keinen Unterschied zur geöffneten Sekundärfassade. Die erwartete bessere Dämpfung stellt sich wahrscheinlich aufgrund der immer noch großen Undichtigkeiten im geschlossenen Zustand nicht ein. So beträgt die Luftwechselrate im Fassadenzwischenraum im geschlossenen Zustand noch 2 bis 5 h-1 (s. Kapitel 5.3, Fassadenzwischenraum). 60 55 50 Differnzdruck [Pa] 45 40 35 Differenzdruck ZWR/innen [Pa] - 60 20/20 29. Januar 2003 50 40 30 20 10 0 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Differenzdruck außen/innen [Pa] Mittel min Druckgleiche 10% Reduzierung 15% Reduzierung 30 25 20 15 10 5 0 sortiertes 10 min Mittel außen/innen Amplitudel in 10 min außen/innen 10 min Mittel ZWR/innen Amplitude in 10 min ZWR/innen Abb. 72: Amplitude der Minutenwerte über sortierten 10 Minutenmitteln des Differenzdrucks außen / innen 92 Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse 0/0 12. Januar 2003 60 55 50 Differenzdruck [Pa] 45 Differenzdruck ZWR / innen [Pa] 60 50 40 30 20 10 0 40 35 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Differenzdruck außen / innen [Pa] Mittel min Druckgleiche 10% Reduzierung 15% Reduzierung 30 25 20 15 10 5 0 sortiertes 10 min Mittel außen/innen Amplitudel in 10 min außen/innen 10 min Mittel ZWR/innen Amplitude in 10 min ZWR/innen Abb. 73: Amplitude der Minutenwerte über sortierten 10 Minutenmitteln des Differenzdrucks außen / innen Der Tag mit dem höchsten Differenzdruckniveau am 28.01.03 (s. Abb. 74) von über 60 Pa im 10 - Minuten Mittel zeigt ausgeprägt wechselnde und mit dem Differenzdruck zunehmende Amplitudenschwankungen von ca. 8 bis 55 Pa. Dies führt zu einer mit dem Differenzdruckniveau zunehmenden mittleren Dämpfung von ca. 10 bis 20 Pa. Der Amplitudenverlauf setzt sich reduziert in den Fassadenzwischenraum fort. 60 55 50 45 Differenzdruck ZWR/innen [Pa] - 60 20/20 28. Januar 2003 50 40 30 20 10 0 Differenzdruck [Pa] -10 40 35 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Differenzdruck außen/innen [Pa] Mittel min Druckgleiche 10% Reduzierung 15% Reduzierung 30 25 20 15 10 5 0 sortiertes 10 min Mittel außen/innen Amplitude in 10 min außen/innen 10 min Mittel ZWR/innen Amplitude in 10 min ZWR/innen Abb. 74: Amplitude der Minutenwerte über sortierten 10 Minutenmitteln des Differenzdrucks außen / innen Die Differenzdruckprofile der einzelnen Wochentage unterscheiden sich so stark, dass ein wochenweiser Vergleich mit unterschiedlichen Öffnungsgraden der Sekundärfassade keine bewertbaren Ergebnisse liefert, da die meteorologischen Bedingungen nicht vergleichbar sind. Eine die Öffnungsgrade vergleichende Untersuchung kann nur im parallelen Vergleich oder über große Zeiträume erfolgen. Die vergleichende Be- Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse 93 trachtung einzelner Tage mit geschlossener und geöffneter Sekundärfassade legt jedoch den Schluss nahe, dass die Differenzdruckreduzierung im wesentlichen von der Größe der anliegenden Differenzdruckschwankungen abhängt, der Öffnungsgrad der Sekundärfassade hingegen nur von untergeordneter Bedeutung ist. In der sekundenweisen Auflösung zeigt sich, dass die Amplitude des Differenzdrucks an windreichen Tagen im Fassadenzwischenraum größer als außen ist (s. Abb. 75). Das ist darauf zurückzuführen, dass sich insbesondere beim schnellen Differenzdruckanstieg aufbauende hohe Differenzdrücke ohne oder mit nur geringer Reduzierung in den Zwischenraum fortsetzten und erst mit dem Druckabfall deutlich reduziert werden (s. Abb. 76). Für instationäre statische Lastannahmen aus Winddruck bedeutet dies, dass eine dämpfende Wirkung der Doppelfassade für die Primärfassade nicht in Ansatz gebracht werden kann. 5/5 Ausschnitt 3h aus 14. Januar 2003 120 110 100 Differenzdruck [Pa] 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1h 2h sortiertes 1 min Mittel außen/innen Amplitude in 1 min außen/innen 1 min Mittel ZWR/innen Amplitude in 1 min ZWR/innen Abb. 75: Amplitude der Sekundenwerte über sortierten 1 Minutenmitteln des Differenzdrucks außen / innen 5/5 Ausschnitt 4 min aus 14. Januar 2003 90 80 Differenzdruck [Pa] 70 60 50 40 30 20 10 0 1 min Dif f erenzdruck außen/innen 2 min Dif f erenzdruck ZWR/innen 3 min Dif f erenzdruck außen/ZWR Abb. 76: Ausschnitt aus dem Differenzdruckverlauf im Sekundenmittel vom 14.01.2003 94 Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse Genauer als die Mittelwertbildung aus den Druckdifferenzen zur Bestimmung der mittleren Dämpfung durch die Doppelfassade ist die Bestimmung der erreichbaren Mindestdämpfung in Abhängigkeit vom Mittlungszeitraum. Am Beispiel des 14. Januar zeigt sich in den Abb. 77 bis 80, dass die Verteilung der Druckdifferenzen mit zunehmendem Mittlungszeitraum flacher und an den Rändern kürzer wird. Erreicht die Dämpfung für das Stundenmittel mehr als 25 %, für das 10 - Minuten Mittel mehr als 20 %, so ist für das Minutenmittel eine differenzierte Betrachtung nach Differenzdruckklassen erforderlich. Im Sekundenmittel überschreiten die Werte sogar die Differenzdruckgleiche. 10 Minutenmittel aus sekundenweiser Auflösung 60 60 50 50 Differenzdruck ZWR / innen [Pa] Differenzdruck ZWR / innen [Pa] Stundenmittel aus sekundenweiser Auflösung 40 30 20 10 40 30 20 10 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 90 10 20 Mittel 1 Stunde Druckgleiche 10% Reduzierung 30 40 50 60 70 80 90 Differenzdruck außen / innen [Pa] Differenzdruck außen / innen [Pa] Mittel 10 Minuten 25% Reduzierung Druckgleiche 10% Reduzierung 20% Reduzierung sekundenweise Auflösung Minutenmittel aus sekundenweiser Auflösung 60 Differenzdruck ZWR / innen [Pa] Differenzdruck ZWR / innen [Pa] 60 50 40 30 20 10 50 40 30 20 10 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Druckgleiche 10% Reduzierung 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Differenzdruck außen / innen [Pa] Differenzdruck außen / innen [Pa] Mittel 1 Minute 90 15% Reduzierung Mittel 1 Sekunde Druckgleiche Abb. 77 / Abb. 78 / Abb. 79 / Abb. 80: Druckdifferenzen unterschiedlicher Mittelwertklassen mit Linien gleicher Reduzierung am 14. Januar 2003, 5/5, 1h (links oben), 10min (rechts oben), 1min (links unten), 1sec (rechts unten) Ergebnisse Geräuschentwicklung Das zwischen Fensterflügel und -rahmen entstehende Pfeifgeräusch entsteht an Tagen hoher anliegender Staudruckdifferenzen. Die Intensität und Dauer des Pfeifens nehmen mit größer werdenden Staudruckdifferenzen zu. Die Tonhöhe liegt im Frequenzbereich von ca. 800 Hz. Das Pfeifen tritt ab einer sekundenweisen Überschreitung von 55 Pa auf, so dass sich die Untersuchung darauf beschränkt. Bei sehr hohen Differenzdrücken ab etwa 100 Pa kommt es zu einer deutlich hörbaren Veränderung des Tones. Er wird höher und damit unangenehmer. Im Zeitraum der 24stündigen hochauflösenden Messung am 14. Januar in der Klappenstellung 5/5 konnten die die Pfeifgeräusche verursachenden Staudrücke größer als 55 Pascal durch die Doppelfassade um 62,5 % reduziert werden. Fast 90 % der außen anliegenden Differenzdrücke, die kein Pfeifen mehr hervorrufen, liegen in einem Differenzdruckbereich von 55 bis 65 Pa (s. Abb. 81). In den Messräumen war sogar keine Geräuschentwicklung mehr wahrnehmbar, während sie in den unsanierten Nachbarräumen weiterhin auftrat. Daraus kann geschlossen werden, dass die Differenzdruckschwelle auf mehr Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse 95 als 75 Pa angehoben wurde. Zurückzuführen ist dies auf das Nachstellen der Fensterbeschläge und das Überarbeiten der Flügeldichtungen in den Messräumen. Pfeifen verursachender Differenzdruck >55Pa 100 Differenzdruck ZWR-Innenraum [Pa]. 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 50 60 70 80 90 100 Differenzdruck Außen-Innenraum [Pa] kein Pfeifen verbleibendes Pfeifen Druckgleiche Grenzlinie Abb. 81: Differenzdruckschaar für außen anliegende bzw. im ZWR verbleibende Differenzdrücke >55Pa Um eine Aussage über die Reduzierung von Pfeifgeräuschen im Messzeitraum machen zu können, ist es erforderlich, von den im Minutenmittel gemessenen Differenzdrücken auf das Auftreten sekundenweiser Überschreitungen schließen zu können. Für die Minutenmittel der sekundenweisen Messung der Differenzdrücke werden dazu Verteilungen für die Häufigkeiten des Auftretens der sekundenweisen Überschreitung des Grenzwerts von 55 Pa bestimmt. Als Referenz dient die Verteilung der Minutenmittel, in denen der Grenzwert nie überschritten wird. Differenzdruckverteilungen außen / innen 55Pa Differenzdruckverteilungen ZWR / innen 55Pa 20% 20% 15% 15% 10% 10% 5% 5% 0% 0% 2 8 14 20 26 32 38 Differenzdruckklassen [Pa] 44 50 56 2 8 14 20 26 32 38 Differenzdruckklassen [Pa] 44 50 Häufigkeit der Grenzw ertüberschreitung außen im Minutenmittel: nie Häufigkeit der Grenzw ertüberschreitung innen im Minutenmittel: nie Häufigkeit der Grenzw ertüberschreitung außen im Minutenmittel: >5mal Häufigkeit der Grenzw ertüberschreitung innen im Minutenmittel: >5mal 56 Abb. 82 / Abb. 83: Differenzdruckverteilungen für das Auftreten sekundenweiser Überschreitungen des Grenzwerts von 55 Pa außen / innen (links), ZWR / innen (rechts) Die Referenzverteilung und die Verteilung für das Auftreten von mehr als 5 Überschreitungen der Sekundenwerte im Minutenmittel überschneiden sich nur geringfügig. Für die außen anliegenden Differenzdrücke kann so ein Grenzwert des Minutenmittels von 35 Pa (s. Abb. 82) bestimmt werden, ab dem mehr als 5 Überschreitungen der Sekundenwerte und damit eine wahrscheinliche Geräuschentwicklung vorliegen. Für die im ZWR anliegenden Differenzdrücke liegt dieser Grenzwert bei 30 Pa (s. Abb. 83). Der Grund für die unterschiedliche Höhe der Grenzwerte liegt wie oben bereits beschrieben 96 Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse darin, dass die Amplitude der Sekundenwerte bei ähnlichen Maximalwerten und hohem Differenzdruckniveau außen geringer als innen ist. Die Verteilung beschreibt einen Zeitraum sehr hoher Differenzdrücke und Amplituden mit geringer Reduzierung der maximalen Differenzdrücke durch die Doppelfassade. Es kann damit davon ausgegangen werden, dass die Grenzwerte für die Minutenmittel auch auf Tage mit geringerem Differenzdruckniveau und daraus resultierenden geringeren Amplituden auf der sicheren Seite angewendet werden können. Aus den vorliegenden Minutenmittelwerten kann so die Reduzierung der Geräuschentwicklung im Vergleich zum Bestand bestimmt werden. Da die Klappenstellung für die Differenzdruckreduzierung nur von untergeordneter Bedeutung ist, kann die Woche mit dem höchsten Differenzdruckniveau im Messzeitraum (KW 5, 20/20 s. auch Tabelle 50) ausgewertet werden. Es ergibt sich eine Reduzierung im Vergleich zum Bestand von 16 % auf 8 % der Zeit, in der mit Geräuschbelästigungen aufgrund der mehr als 5-maligen Überschreitung des Grenzwerts gerechnet werden muss. In den gut 50 Stunden, die während der Betriebszeit von 7:00 - 18:00 ausgewertet werden konnten, entspricht das einer Reduzierung der Zeit mit Geräuschbildung von 480 Minuten auf immer noch inakzeptable 240 Minuten. Erst die Annnahme, dass durch das Nachstellen der Fensterbänder die Auslöseschwelle auf über 75 Pa angehoben werden kann, reduziert dann das Störpotential auf 1 bis 2 %, d.h. ca. 30 bis 60 Minuten, in denen mit Störungen gerechnet werden muss. Da das Pfeifen nach Erreichen der Auslöseschwelle für wenige Sekunden nachläuft, wird ein Dauerpfeifen bei einer Grenzwertüberschreitung von mehr als 15-mal in der Minute angenommen. Ein minutenlanges Dauerpfeifen kann für einen Grenzwert von 55 Pa von 120 auf 25 Minuten reduziert werden. Mit der Erhöhung der Auslöseschwelle auf 75 Pa treten keine Dauergeräusche mehr auf. Zusammenfassung Die Reduzierung des Auftretens von Pfeifgeräuschen durch die Doppelfassade allein ist nicht ausreichend. Zusätzliche Maßnahmen wie das Nachstellen der Fensterbeschläge sind erforderlich, die den Grenzwert der Auslöseschwelle von 55 auf über 75 Pa erhöhen. Dauergeräusche von mehr als 1 Minute Länge treten dann nicht mehr auf, kurzzeitige Störungen innerhalb einer Minute können um ca. 90 % auf 30 bis 60 Minuten während der Betriebszeit einer sehr windreichen Winterwoche reduziert werden. Diese Grenzwerte gelten für die hier untersuchte Fassade. An Tagen mit geringem Differenzdruckniveau bis ca. 25 Pa und kleinen Differenzdruckschwankungen von 1 bis 7 Pa wird das mittlere Niveau um ca. 3 Pa durch die Doppelfassade reduziert. Die Schwankungen setzten sich um das Maß der Dämpfung versetzt in den Fassadenzwischenraum fort, unabhängig vom Öffnungsgrad der Sekundärfassade. Verantwortlich für das Maß der Dämpfung ist die Größe der anliegenden Differenzdruckschwankungen, das mikroklimatische Windprofil des Tages, repräsentiert durch deren Amplitude. Je gleichmäßiger und kleiner die Belastung, desto geringer ist die Dämpfung. An Tagen mit hohem Differenzdruckniveau bis ca. 60 Pa liegen große wechselnde Differenzdruckschwankungen mit Amplituden von 8 bis 55 Pa an. Dies hat eine mit steigendem Differenzdruck zunehmende mittlere Dämpfung von 10 bis 20 Pa zur Folge, unabhängig vom Öffnungsgrad der Sekundärfassade (s. Abb. 84 / 85). Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse 97 Abb. 84 / Abb. 85: Differenzdruckschwankungen und Dämpfungen an Tagen mit geringem (links) und hohem (rechts) Differenzdruckniveau In der sekundenweisen Auflösung zeigt sich, dass sich die bei einem schnellen Anstieg aufbauenden hohen Differenzdrücke ohne oder mit nur geringer Reduzierung in den Zwischenraum fortsetzten und erst mit dem Druckabfall deutlich reduziert werden. Für instationäre statische Lastannahmen aus Winddruck bedeutet dies, dass eine dämpfende Wirkung der Doppelfassade für die Primärfassade nicht in Ansatz gebracht werden kann. Dies widerspricht den in [34] gemachten Aussagen über den Wellenbrechereffekt der Doppelfassade, nach dem die innere Fassade von kurzzeitigen Windkräften abgeschirmt würde. Die Reduzierung des Differenzdruckniveaus steht ebenfalls im Widerspruch zu den in [34] S. 113 gemachten Aussagen, das „die gleichmäßigen Anteile des Winds in den Fassadenzwischenraum hinein wirken“. Genauer als der Mittelwert zur Bestimmung der Dämpfung des Differenzdrucks durch die Doppelfassade ist die Bestimmung der Mindestdämpfung. Sie kann in Abhängigkeit eines gewählten Mittelwertintervalls für unterschiedliche Differenzdruckklassen bestimmt werden. Damit wird die Streuung der Differenzdruckschwankungen berücksichtigt. 5.2.2 Schlagregenschutz und Kondensatbildung Der Schlagregenschutz kann, die Realisierung der Doppelfassade über die gesamte Gebäudehöhe vorausgesetzt, sichergestellt werden. Die raumhoch festverglasten Gebäudeecken zwischen den Stützenpaaren sollten ebenfalls einen Schlagregenschutz erhalten. Auf der Nord- und Ostseite, kann der Schlagregenschutz mit der sanierten Einfach – Fassade zwar nicht vollständig garantiert, durch die neuen Flügel jedoch nachhaltig verbessert werden. Die Bestandsflügel waren im wesentlichen für das Schadensbild verantwortlich (s. Abb. 37). Ein Beschlagen der Sekundärfassade wurde im Winter 2002/03 nur an 3 Tagen jeweils morgens auf den ausgestellten Klappen und nur für kurze Zeit beobachtet. 5.2.3 Schallschutz Ziele Die Messung hat zum einen das Ziel, das Bauschalldämm-Maß der bestehenden Fassade im Vergleich zur Demonstrationsdoppelfassade ermitteln, zum anderen über 98 Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse das A-bewertete Schalldämmass die Geräuschimmissionen am Arbeitsplatz bei geöffneten Fenstern mit dem Bestand zu vergleichen und zu bewerten. Eine gute Sprachverständlichkeit bei geöffnetem Fenster ist die Voraussetzung für die freie Lüftung. Auswertmethodik Die Auswertung erfolgt nach DIN EN ISO 140-5: 1998-12. Der Frequenzbereich unter 100 Hz und über 3125 Hz wird zur Bestimmung des bewerteten Bauschalldämmmaßes nicht herangezogen. Die Schallquelle war der Verkehrslärm auf der vierspurigen Mühlenpfordtstraße, das Mikrofon auf der Fassade positioniert (s. Abb. 86). Die Messungen wurden am 24. September 2002 von der PTB Braunschweig durchgeführt. Die Auswertung wird für die Westseite der Räume durchgeführt. Die ebenfalls verglaste Nordseite bleibt unberücksichtigt, da sie senkrecht zur Schallquelle nur einen sehr geringen Anteil an den Immissionen hat. Die Messungen wurden für unterschiedliche Öffnungskombinationen der Primär- und Sekundärfassade durchgeführt bei zweigeschossigem Fassadenzwischenraum der Doppelfassade. Legende zu Abb. 86: verwendete Zeichen: M Mikrofon, A außen; verwendete Ziffern: 2 2. OG, 4 4. OG Abb. 86: Messanordnung Systemschnitt Pegel Raum A-bewertet, Nachhallzeit 1 Sekunde [dB(A)] Bauschalldämm-Maß nachhallzeitbereinigt je m² Bauteil R´tr,s,w [dB] ohne 68,6 34,9 37,9 35 geschlossen aktiv 68,8 34,6 37,6 - geschlossen 10/0/0/10 II ohne 68,6 35,6 38,6 33 geschlossen 30/0/0/30 II ohne 69,2 36,0 39,0 33 1 Flügel geschlossen ohne 69,8 38,0 41,0 31 1 Flügel 10/0/0/10 II ohne 69,2 43,9 46,9 22 1 Flügel 30/0/0/30 II ohne 68,3 43,9 46,9 22 1 Flügel 10/0/0/30 II ohne 69,6 44,5 47,5 22 1 Flügel 10/0/0/30 II aktiv 69,2 44,1 47,1 23 geschlossen ./. ./. 70,3 40,2 43,2 30 1 Flügel ./. ./. 70,0 51,0 54,0 10 3 Flügel ./. ./. 70,4 56,4 59,4 - 4.OG Doppelfassade 2.OG Bestand Pegel Raum A-bewertet, Nachhallzeit 0,5 Sekunden [dB(A)] geschlossen geschlossen Pegel Straße A-bewertet, [dB(A)] Sonnenschutz geschlossen Primärfassade Sekundärfassade Übersicht der Messergebnisse Tabelle 51: Schallmessungen an der Demonstrationsdoppelfassade, Zusammenstellung der Messwerte Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse 99 Messungen zur Bestimmung des internen Schallschutzes über den offenen Fassadenzwischenraum zur Ermittlung des Störgeräuschabstandes als Maß für die Wirkung informationshaltiger Geräusche fanden nicht statt. Ergebnisse Bauschalldämm-Maß Für die Bestandsfassade im 2. OG ergibt sich im geschlossenen Zustand ein R´tr,s,w von 30 dB, für die Doppelfassade im geschlossenen Zustand 35 dB (s. auch Tabelle 51). Da der Grundgeräuschpegel im Raum nicht ermittelt werden konnte, ist die berechnete Schallpegeldifferenz der Messwerte kleiner als die tatsächliche, d.h. das tatsächliche Dämmmaß der Bauteile ist geringfügig (ca. 1 bis 2 dB) größer. Bei einem mittleren maßgeblichen Außenlärmpegel von 69,3 dB(A) im Messzeitraum, d.h. im oberen Lärmpegelbereich 4 (66 - 70dB(A)) erfüllt die Doppelfassade die Anforderungen der DIN 4109 mit einem R´w,res von 35 dB. Da in der Praxis die Sekundärfassade jedoch nur selten geschlossen sein wird, wurden zusätzlich Messungen bei 10/0/0/10 II und 30/0/0/30 II Grad Klappenöffnungen in der Sekundärfassade und geschlossener Primärfassade durchgeführt. In beiden Fällen ergab sich ein Bauschalldämm-Maß von 33dB. Der Öffnungsgrad hat für die betrachteten Fälle keine Auswirkungen auf die Fassadendämmung obwohl die effektive Öffnung 2,8 % (10° Stellung) bzw. 12,6 % (30° Stellung) betrug. Unter Berücksichtigung des nicht angesetzten Grundgeräuschpegels wird auch die geöffnete Sekundärfassade die Anforderungen der DIN knapp erfüllen können. Die Bestandsfassade ist mit 30 dB hingegen nur für den Lärmpegelbereich 3 geeignet. Sie setzt sich zusammen aus dem Bauteil Fenster mit ca. R´w = 28 dB und den Bauteilen massive Stahlbetonbrüstung und Sturz, die mit einem Bauschalldämm-Maß R´w von ca. 50 dB angenommen werden können (Berechnungsansatz für zusammengesetzte Bauteile nach DIN 4109: 1989-11, Beiblatt 1 Abs. 11) Zum Vergleich: Neue Aluminiumfassaden erreichen mit handelsüblicher Wärmeschutzverglasung ein Bauschalldämm-Maß von 36 bis 38 dB. Wird nun zu Lüftungszwecken ein Flügel der Primärfassade geöffnet, reduzieren sich die Bauschalldämm-Maße auf 31 dB bei geschlossener Sekundärfassade und auf 22 dB für die Klappenstellungen 10/0/0/10 II und 30/0/0/30 II. Eine Vergleichsmessung mit heruntergelassenem Sonnenschutz ergab für die Stellung 10/0/0/30 II eine Verbesserung um 1 dB auf 23 dB. Eine Reduzierung der Immissionen über die Gebäudehöhe kann für einen maximalen Abstand von ca. 50 m im 12. OG mit 2,5 dB angenommen werden. Entsprechend verringern sich die Raumschallpegel, der Außenlärmpegelbereich ändert sich nicht. Ergebnisse Raumschallpegel Vor den tatsächlichen Schallmessungen wurde jeweils im 2. OG und 4. OG die Nachhallzeit bestimmt. Sie betrug im Büroraum im 4.OG 0,5 Sekunden und im 2. OG 1,0 Sekunde. Durch die Bestimmung der Nachhallzeit können die Messungen in den beiden Räumen bezüglich der A - bewerteten Raumpegel miteinander verglichen werden. Die Raumschallpegeldifferenz beträgt für diese Nachhallzeiten konstant 3 dB. Zur Beurteilung von Lärm am Arbeitsplatz wird zu den Arbeitsstättenrichtlinien die VDI 2058 Blatt 3 1999-2 herangezogen. Der Beurteilungspegel für überwiegend geistige Tätigkeiten an Arbeitsplätzen darf nach diesen Vorschriften höchstens 55 dB(A) betragen. Als Beispiele werden genannt: Besprechungen, Lehrtätigkeiten, wissenschaftliches Arbeiten, Operationen, Entwerfen, Übersetzen, Diktieren usw. Nur für 100 Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse besonders hohe geistige Anforderungen und direkte Sprachkommunikation kann dieser Pegel zu hoch sein. Als Kriterien für die Sprachverständlichkeit werden genannt: 30 bis 40 dB(A) für sehr gute Sprachverständlichkeit (entspannter und normaler Sprechaufwand und einer Entfernung der Gesprächspartner von 2 bis 4 m), 45 bis 55 dB(A) für gute Sprachverständlichkeit (normaler / angehobener Sprechaufwand und einer Entfernung der Gesprächspartner von 1 bis 2 m). Der Grenzwert von 55 dB(A) ist hoch angesetzt, Zielwerte sind je nach Anforderung eher 45 bis 52 dB(A). Die nachfolgenden Messergebnisse beziehen sich auf eine Nachhallzeit von 0,5 Sekunden (s. auch Tabelle 51). Für die geschlossene Primärfassade werden 40 dB(A) im Bestand und 36 dB(A) für die Doppelfassade in den Klappenstellungen 10/0/0/10 II und 30/0/0/30 II erreicht. Wird zu Lüftungszwecken zusätzlich 1 Kippflügel der Primärfassade geöffnet, werden 44 dB(A) für die Doppelfassade - unabhängig vom Öffnungsgrad und 51 dB(A) im Bestand gemessen. Alle Werte liegen unterhalb der zulässigen 55 dB(A), jedoch verbessert die Doppelfassade bei geöffnetem Kippflügel die Situation um 7 dB deutlich. Erst beim Öffnen von 3 Flügeln in der Bestandsfassade werden die zulässigen 55 dB(A) überschritten. Zur Beantwortung der Frage nach der Wirksamkeit des Sonnenschutzbehangs, der Warema Klapplamelle, wurde auch hier eine Vergleichsmessung durchgeführt. Dabei ergab sich nur eine geringfügige Verbesserung von ca. 0,5 dB(A) der bewerteten Pegeldifferenzen. Im Sommer kann also mit einer leichten Verbesserung des Schallschutzes bei heruntergelassenem Behang gerechnet werden. Eine geringe Nachhallzeit des Raums vorausgesetzt, ist eine Dauerlüftung über einen Kippflügel bei hoher Sprachverständlichkeit mit der Doppelfassade möglich. Zusammenfassung Es wird eine Verbesserung des Bauschalldämmmaßes R´tr,s,w durch die geöffnete Sekundärfassade im Vergleich zum Bestand um 3 dB auf 33 dB erreicht (s. Abb. 87). Eine Abhängigkeit vom Öffnungsanteil der Sekundärfassade mit 3 bzw. 12 % konnte nicht festgestellt werden. Da für die Realisierung eine geschossweise Ausführung empfohlen wird, sind zusätzliche Öffnungen auf Geschossdeckenhöhe erforderlich. Es kann aufgrund des großen Fassadenabstands von 1 m dennoch weiterhin von einem diffusen Schallfeld im Fassadenzwischenraum ausgegangen werden, so dass die Reduzierung des Abstands zwischen den Öffnungen in der Sekundär- und Primärfassade nur von geringfügiger Bedeutung sein wird. Abb. 87: Ergebnisse der Schallmessungen, Systemschnitt Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse 101 Die Doppelfassade erreicht eine Verbesserung des Raumschallpegels um 7 dB auf 44 dB(A) (s. Abb. 87) bei einem geöffneten Fensterflügel und gewährleistet damit eine gute bis sehr gute Sprachverständlichkeit bei im Sommer dauerhaft geöffnetem Kippflügel; womit auch die erforderliche Luftaustauschrate sichergestellt ist. Eine wichtige Planungsanforderung ist eine geringe Nachhallzeit des Raums von 0,5 Sekunden. Die in [34], S. 27 genannten Pegelminderungen für das Bauschalldämmass von 3 bis 6 dB bei 10 % Öffnungsfläche und fast 10 dB bei 5 % Öffnungsfläche werden nicht erreicht. Die Abhängigkeit vom Öffnungsgrad konnte für die Messungen nicht bestätigt werden. Der Raumschallpegel liegt hingegen deutlich unter den in [34], Nomogramm S. 40 angegebenen Werten. Bei einem Außenlärmpegel von 70 dB(A) kann danach ein empfohlener Raumschallpegel von 50 dB(A) im Mittel über einen 8-stündigen Betriebstag nur bei einem während 4 Stunden geöffneten Fenster eingehalten werden. Da die im Sommer erforderliche Luftwechselrate nur durch eine Dauerlüftung sichergestellt werden kann, wäre dies das Aus für die Fensterlüftung. Eine Überprüfung der in [34] zur Diskussion gestellten Gleichungen ist nicht möglich, da sie erheblich vom Öffnungsgrad abhängig sind. Aufgrund des hohen Außenlärmpegels von 69,3 dB(A) im Messzeitraum ist nicht mit Problemen der Schallübertragung von Raum zu Raum über einen offenen Fassadenkorridor zu rechnen. Eine neue „Einfach – Fassade“ ist bezüglich des Bauschalldämmmaßes mit ca. 37 dB in einer Standardausführung der Doppelfassadenlösung überlegen. Der Raumschallpegel bei einem geöffnetem Flügel wird sich jedoch nicht deutlich von den Messungen der Bestandsfassade unterscheiden und bei gleichem Außenlärmpegel von ca. 70 dB(A) bis nahe an den Grenzwert des Beurteilungspegels von 55 dB(A) reichen. Das weiterhin zunehmende Verkehrsaufkommen und die Entwicklung leiserer Motoren werden sich wahrscheinlich gegeneinander aufheben, so dass von einem zunächst konstanten Außenlärmpegel ausgegangen werden kann. 5.3 Luftwechsel Ziele Ziel ist die Gewährleistung des hygienisch notwendigen Luftwechsels in den an die Doppelfassade angekoppelten Büroräumen durch natürliche Lüftung im Sommer- und Winterfall und dessen Abhängigkeit von den Öffnungsgraden in beiden Fassadenebenen. Für die sommerliche Entwärmung werden die Volumenströme der Querlüftung für unterschiedliche Randbedingungen bestimmt. Die sich im Fassadenzwischenraum einstellenden Luftwechselraten wurden in je einer Messreihe für den Sommer- und Winterfall bestimmt. Auswertmethodik Die Bestimmung der Luftaustauschrate durch natürliche Lüftung erfolgte mit CO2 als Tracergas nach der Konzentrationsabklingmethode. Die Tracergas-Messungen erfolgten jeweils morgens und abends im Sommer 2002 in der Messphase 1 parallel im 102 Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse 3. und 4. OG ohne Anwesenheit von Personen. Die Auswertung wurde berechnet nach der Gleichung aus [53]: nm = Tzu 1 ⎧ ΔC (t ) ⎫ -1 ⎬ [h ] ⎨ln Ti Δt ⎩ ΔC (t + Δt ) ⎭ Gleichung 1 Da die Temperaturdifferenz [Kelvin] zwischen dem Messraum und dem Fassadenzwischenraum im Sommer gering ist, wurde vereinfachend Tzu / Ti=1angenommen. Eine CO2 - Reinfiltration aus dem 3. in das 4. OG ist weder in der geschossweisen, noch in der zweigeschossigen Ausführung aufgrund des hohen Luftwechsels im Fassadenzwischenraum nachweisbar. Die Messung ist beendet, wenn die Ausgangskonzentration um 95 % (mindestens 90 % nach [51], [54]) abgenommen hat. In der Literatur wird der Gesamtfehler in Feldversuchen [54] mit 20 bis 30 % angegeben. Der so bestimmte mittlere Luftaustausch entspricht dem Luftwechsel im Raum, da bei freier Lüftung (bei Querlüftung für Luftaustauschraten >2 h-1 [55]) von einer vollständigen Mischung ausgegangen werden und die Lüftungseffektivität, d.h. der Abtransport von Luftverunreinigungen mit εV=1 angesetzt werden kann. Der Volumenstrom ergibt sich aus der Definition der globalen Luftwechselzahl. n= V& VRaum [h-1] Gleichung 2 Ausgewertet wurde getrennt nach Klappenstellungen und Querlüftung sowie der einbzw. zweigeschossigen Ausführung. Ergebnisse Fassadenzwischenraum Im Sommer fanden die Messungen am 21. Juli 2003 statt. Besonderes Interesse galt der 5° und der 30° Stellung aufgrund ihrer extremen Öffnungsanteile. Die mittlere Windstärke betrug 1,4 m/s, die Globalstrahlung West im Mittel 150 W/m² und mittlere Außentemperatur 27,3 °C. Das Messintervall betrug 5 Sekunden. Bei geschlossener Sekundärfassade stellte sich ein 5-facher Luftwechsel bei einer Temperaturdifferenz von 5 K ein, entsprechend einem Volumenstrom von 125 m³/h. Der Luftwechsel steigt von einem 50-fachen Luftwechsel bei 5° Klappenöffnung auf einen 80-fachen Luftwechsel bei 30° Klappenöffnung. Die Messungen im Winter fanden am 08. Februar 2003 bei einer mittleren Windstärke von 0,8 m/s, sehr geringer Globalstrahlung - im Mittel 80 W/m² - und einer mittleren Außentemperatur von 4 °C statt. Bei geschlossener Sekundärfassade stellte sich ein 2,2-facher Luftwechsel bei einer Temperaturdifferenz von 4,5 K ein, entsprechend einem Volumenstrom von 58 m³/h. Der Luftwechsel steigt von einem 25-fachen Luftwechsel bei 5° Klappenöffnung auf einen 55-fachen Luftwechsel bei 30° Klappenöffnung, entsprechend einem Volumenstrom von 660 bis 1400 m³/h. Größere Klappenöffnungen bewirken dann keine weitere Steigerung (s. Abb. 88). Da die Messungen bei relativ geringen Strahlungseinträgen und Windgeschwindigkeiten stattfanden, kann in Normalfällen von höheren mittleren Luftwechselraten ausgegangen werden. Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse 103 Luftwechsel im Fassadenzwischenraum (Mittelwerte) 100 90 80 40 - 80 50 - 83 55 - 85 10/10/10/10 I 20/20/20/20 I 30/30/30/30 I Luftwechsel [1/h] 70 60 25 - 50 50 40 30 20 10 2-5 0 0/0/0/0 I 5/5/5/5 I Klappenstellung Abb. 88: Luftwechselraten im Fassadenzwischenraum Diese Abhängigkeit vom Öffnungsgrad widerspricht den in [40] auf eine Korridorfassade bezogenen Angaben, der Volumenstrom im Fassadenzwischenraum sei mit dem Faktor 5,78 linear abhängig vom Öffnungsanteil der Fassade. Büroraum In der geschossweisen Ausführung ohne Querlüftung ergeben sich für die Klappenstellungen 30/30/30/30 I bzw. 10/10/10/10 I fast gleiche Volumenströme im 3. und 4. OG durch je einen Kippflügel. Sie liegen mit im Mittel 85 m³/h bei einer mittleren Windgeschwindigkeit von 1,35 m/s und Temperaturdifferenzen von bis zu 8 K über dem notwendigen Volumenstrom für zwei Personen. Auch der geringste Wert lag mit 44 m³/h noch bei 55 % des notwendigen Minimums (s. Abb. 89). Das entspricht den Ergebnissen von [51], nach denen 60 % des Normluftwechsels auch bei ungünstigen Witterungsbedingungen erreicht werden. Das gleichzeitige Öffnen von 2 Kippflügeln im 3. OG ergab eine nur geringfügige Erhöhung des Volumenstroms von 5 %. Der Volumenstrom steigt in der zweigeschossigen Ausführung auf mehr als 100 m³/h. Die sich für 10/0/0/10 II einstellende Temperaturschichtung im Fassadenzwischenraum (s. Kap. 5.4.1, Temperaturen im Fassadenzwischenraum) hat keinen Einfluss auf die Volumenströme, da auch ohne diese Schichtung, die in der Stellung 10/10/10/10 II zusammenbricht, sich das gleiche Verhältnis vom 3. zum 4. OG einstellt (s. Abb. 89). Weder die im 3.OG um 20 % höheren Volumenströme noch die allgemein deutliche Erhöhung der Volumenströme in der 2-geschossigen Ausführung sind erklärbar, da die mittleren Witterungsbedingungen der geschossweisen Versuchsdurchführung ähnlich sind. Mit Querlüftung werden in der geschossweisen Ausführung und einem geöffneten Kippflügel im Mittel ca. 400 m³/h erreicht. Im 3.OG werden um 30 % höhere Werte erreicht, da das 4. OG nur eingeschränkt über einen 3. Raum quergelüftet werden konnte. Der kleinste gemessene Volumenstrom erreicht im 3. OG noch 221 m³/h (s. Abb. 90). 104 Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse Volumenstrom im Sommer einseitige Lüftung 200 180 Volumenstrom [m³/h] 160 140 120 100 80 60 40 20 median mittelw ert min 4.OG 3.OG 10/10/10/10 II * 4.OG 3.OG 10/0/0/10 II * 4.OG 3.OG 10/10/10/10 I * 4.OG 30/30/30/30 I * 3.OG 0 max * 1 geöffneter Kippflügel Abb. 89: Messwerte der Volumenströme Sommer einseitige Lüftung In der zweigeschossigen Ausführung erhöht sich der Volumenstrom im 3. OG auf 450 m³/h während er im 4. OG auf 260 m³/h fällt (s. Abb. 90). Die im 3. und 4. OG für die zweigeschossige Ausführung unterschiedlich großen Volumenströme bei der einseitigen Lüftung finden sich auch in der Querlüftung wieder. Werden alle Kippflügel geöffnet, die effektive Öffnungsfläche der Kippflügel ist dann etwa doppelt so groß wie die des Türoberlichts, erhöht sich der Volumenstrom in den Geschossen jeweils um ca. 20 %. Volumenstrom im Sommer Querlüftung 800 Volumenstrom [m³/h] 700 600 500 400 300 200 100 mittelw ert max * 1 geöffneter Kippflügel ** alle Kippflügel geöffnet Abb. 90: Messwerte der Volumenströme Sommer Querlüftung 4.OG 3.OG 4.OG 3.OG 10/0/0/10 II ** min 10/10/10/10 II ** median 4.OG 3.OG 10/0/0/10 II * 4.OG 3.OG 5/5/5/5 I / 10/10/10/10 I * 0 Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse 105 Im Vergleich mit den Angaben nach [53] und [56] ist die Lüftungseffektivität einer Doppelfassade derjenigen einer Einfachfassade gleichwertig, wenn man die gemessenen Volumenströme auf ein Standardbüro mit 20 m² Nettogrundfläche und 60 m³ Nettorauminhalt anwendet. Für einen Kippflügel wird dort ein Luftwechsel von 0,8 bis 2,5 h-1 angegeben – mit den höheren Werten wahrscheinlich im Winterfall – und für einen Kippflügel mit Querlüftung ein Luftwechsel von 2 bis 4 h-1. Im Rahmen der Versuchsauswertung wurde weiterhin die isolierte Betrachtung der Einflüsse von Temperaturdifferenz und Windgeschwindigkeit untersucht. Werden die Volumenströme bei kleinen Windgeschwindigkeiten wie in Abb. 91 dargestellt aufgetragen, so zeigt sich eine Zunahme des Volumenstroms mit größer werdender Temperaturdifferenz. Ob sich der Volumenstrom proportional zur Wurzel der Temperaturdifferenz wie in [53] dargestellt verhält, kann für die vorliegenden Messergebnisse nicht abgeleitet werden. Einseitige Lüftung, Windgeschw indigkeit <0,5m/s 160 Volumenstrom [m³/h] 140 120 100 80 60 40 20 0 0K 2K 4K 6K 8K 10 K 12 K Temperaturdifferenz [K] 30/30/30/30 I 20/20/20/20 I 10/10/10/10 I 5/5/5/5 I Abb. 91: einseitige Lüftung über einen Kippflügel, Volumenstrom in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz Die Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit bei Temperaturdifferenzen < 2 K kann für die vorliegenden Messwerte nicht dargestellt werden. Die Überlagerung von Temperaturdifferenz und Windgeschwindigkeit führte zu einem diffusen Feld. Die Auswertung mit Querlüftung ergab in allen Fällen diffuse Felder. Für die einseitige Lüftung ergeben sich nach [53] bei gleichzeitiger Einwirkung von Thermik und Wind Bereiche, in denen der reine Temperatureinfluss überwiegt, und Bereiche, in denen der Volumenstrom maßgeblich vom Wind beeinflusst wird. Trägt man die Volumenströme der Doppelfassade für das 3. und 4. OG in der geschossweisen Ausführung in die Messdatenauswertung für senkrechte Anströmung nach [53], Bild 6.9 wie in Abb. 92 dargestellt ein, so liegen sie für Temperaturdifferenzen von 3 bis 8 K im Bereich der Streuung der dort dokumentierten Volumenströme. Temperaturdifferenzen von 1 bis 3 K weisen erwartungsgemäß im Mittel geringere Volumenströme auf. Die Volumenströme der Extremwerte liegen um 50 bis 100 % über den Vergleichswerten. 106 Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse Abb. 92 / Abb. 93: Überlagerung von Windgeschwindigkeit und Temperaturdifferenz Vergleich mit [53] und [56] bei einem geöffnetem Kippflügel; einseitige (links) und Querlüftung( rechts) Bei gleichzeitigem Temperatur- und Windeinfluss ist für Querlüftung die Volumenstromerhöhung selbst bei extremen Temperaturdifferenzen der Wirkung der Windgeschwindigkeit untergeordnet. Trägt man die Volumenströme der Doppelfassade für das 3. OG in der geschossweisen Ausführung in die Messdatenauswertung nach [56], Bild 10 wie in Abb. 93 dargestellt ein, so liegen auch diese Werte für Temperaturdifferenzen von 0,4 bis 8 K im Bereich der dargestellten Streuung. Der mit einen Kippflügel erreichbare Volumenstrom kann in Abhängigkeit des Öffnungsgrads der Sekundärfassade in einer einfachen Kennlinie für mittlere sommerliche Witterungsbedingungen abgebildet werden (s. Abb. 94). Werden alle Datensätze verwendet, so zeichnet sich für Öffnungsgrade von < 5 % eine deutliche Verringerung der Volumenströme ab. Für große Öffnungsgrade zeichnet sich wie schon beim Luftwechsel im Fassadenzwischenraum eine asymptotische Annäherung an einen Grenzwert ab. Kennlinien gleicher effektiver Öffnungsgrade, einseitige Lüftung 115 105 Volumenstrom [m³/h] 95 85 75 65 55 45 35 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% effektiver Öffnungsanteil Sekundärfassade [%] geschossw eise zw eigeschossig Logarithmisch (geschossw eise) Logarithmisch (zw eigeschossig) Abb. 94: Volumenstromkennlinien bei einem geöffneten Kippflügel Im Winter ergaben die Messungen einen Volumenstrom von im Mittel 300 m³/h, was für ein Standardbüro mit 60 m³ Nettorauminhalt einem 5-fachen Luftwechsel entspricht Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse 107 (s. Abb. 95). Zur Sicherstellung des hygienisch notwendigen Luftwechsels sind so 16 min/h Lüftungsdauer bzw. 8min/h bei halbierter Anforderung aufgrund geringer Außentemperaturen erforderlich. Es konnten keine Zusammenhänge zwischen den Klappenstellungen, der geschossweisen und der zweigeschossigen Ausführung hergestellt werden. Ebenso wenig zwischen den Windgeschwindigkeiten und den Temperaturdifferenzen, die im Mittel zwischen 9,8 und 17,7 K bzw. 1,4 und 3,3 m/s betrugen. Auffällig ist, dass auch bei geschlossener Sekundärfassade sich im Büroraum ein Volumenstrom einstellt, der in der Größe des mittleren Volumenstroms liegt. Da keine Klappenstellungsabhängigkeit erkennbar ist, kann ein Diagramm mit Kennlinien gleicher äquivalenter Öffnungsgrade wie für den Luftwechsel im Sommer nicht erstellt werden. Volumenstrom im Winter einseitige Lüftung 700 Volumenstrom [m³/h] 600 500 400 300 200 100 median mittelw ert min 30/30/30/30 I * 20/20/20/20 I * 10/10/10/10 I * 0/0/0/0 I * 30/0/0/30 II * 10/0/010 II * 5/5/5/5 II * 5/0/0/5 II * 0/0/0/0 II * 0 max * 1 geöffneter Kippflügel Abb. 95: Messwerte der Volumenströme im Winter im 4. OG einseitige Lüftung Der bei 300 m³/h erreichte 5-fache Raumluftwechsel im 4. OG liegt bei Temperaturdifferenzen von 10 bis 20 K und Windgeschwindigkeiten von 2 bis 4 m/s um das 2 bis 2,5-fache über den Messwerten nach [53] (vgl. Abb. 92). Eine Abhängigkeit von Windund Temperatureinflüssen ist nicht erkennbar, ebenso wenig der Grund für diesen deutlichen Unterschied im Winter. Die Doppelfassade ermöglicht also die natürliche Fensterlüftung auch im Winter. Sie ist witterungsunabhängig und wie in Gebäuden mit gewöhnlichen Lochfassaden mit geringen winterlichen Komforteinbußen bei gleichzeitig hoher Nutzerakzeptanz möglich. Im 3. OG wurde die winterliche Lüftungsstrategie vom Nutzer frei gewählt und fand ausschließlich über das Türoberlicht statt. Die Kippflügel der Primärfassade wurden vom Nutzer nicht geöffnet. Für das Türoberlicht ergaben sich Volumenströme von 45 110 m³/h, die mit im Mittel 75 m³/h den erforderlichen Luftwechsel eines Standardbüros bei Dauerlüftung sicherstellen können. Die CO2 Konzentration stieg bei der Belegung mit einer Person auf Tageshöchstwerte von 900 ppm. 108 Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse Zusammenfassung Der klappenstellungsabhängige Luftwechsel im Fassadenzwischenraum nähert sich asymptotisch einem Grenzwert für Klappenstellungen > 30°, entsprechend einer effektiven Öffnung von 25 %. Übertemperaturen im Fassadenzwischenraum, die auf zu geringe Luftwechselraten zurückzuführen sind, können mit einem 40 bis 80-fachen Luftwechsel bei einer Klappenstellung von 10°, einem effektiven Öffnungsgrad von 5 % entsprechend, ausgeschlossen werden. Für einen effektiven Öffnungsgrad von mehr als 5 % kann der Normluftwechsel mit einseitiger Dauerlüftung über einen Kippflügel während der Betriebszeit sichergestellt werden. Es wird für die eingeschossige Doppelfassade ein Volumenstrom von im Mittel 85 m³/h erreicht. Das Öffnen eines zweiten Kippflügels erhöht den Volumenstrom nur geringfügig. Für Öffnungsgrößen von weniger als 5 % ist eine detailliertere Betrachtung erforderlich. Die nächtliche Querlüftung erreicht für die eingeschossige Fassade im Mittel 400 m³/h bei einem geöffneten Kippflügel. Im Vergleich mit [53] und [56] zeigt sich, dass die Doppelfassade die Lüftungseffektivität im Vergleich zu einer Einfachfassade nicht einschränkt. Im Winter wird bei einseitiger Lüftung ein Volumenstrom von im Mittel 300 m³/h erreicht. Einseitige Fensterlüftung stellt im Winter den hygienisch notwendigen Luftwechsel bei einer ca. 15 minütigen Stosslüftung sicher, den reduzierten Luftwechsel in halber Zeit. Auch die Dauerlüftung über ein Türoberlicht kann den erforderlichen Luftwechsel sicherstellen. Diese durch den Nutzer gewählte und einfach handhabbare Lüftungsstrategie koppelt eine große, zur Zeit nicht kontrolliert be- oder entlüftete Innenzone an das Büro an. In [39] am Siemensgebäude dokumentierten Messungen ergaben sich im Gegensatz zu den oben ausgeführten Ergebnissen jahreszeitliche Unterschiede von nur 0,4 h-1 bei allerdings sehr hohen durchschnittlichen mittleren Luftwechseln von 3,5 h-1 für einen einseitig über Kippflügel belüfteten Büroraum. Dabei handelte es sich um ein passives Doppelfassadensystem als Korridorfassade mit einem Öffnungsanteil der Sekundärfassade von 6,5 %. 5.4 Sommerliche Überhitzung In der Messphase 1 im Sommer 2002 fanden im Rahmen der Parameterstudie Messungen bei unterschiedlichen Klappenstellungen, der ein- oder zweigeschossigen Ausführung und einseitiger oder Querlüftung statt. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse erfolgte im Sommer 2003 in der Messphase 2 bei optimierter Lüftungsstrategie einseitige Lüftung während der Betriebszeit in Kombination mit nächtlicher Querlüftung - eine Messreihe zur Bewertung einer weiteren Reduzierung der Klappenstellung auf 5/5/5/5 I und des Einflusses der unterschiedlichen Speichermassen in den Messräumen. 5.4.1 Temperaturen im Fassadenzwischenraum Im Sommer 2002 wurden im Rahmen der Parameterstudie die ein- und zweigeschossige Ausführung vergleichende Temperaturmessungen im Fassadenzwischenraum Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse 109 durchgeführt. Bei einer Klappenstellung von 10/0/0/10 II, einem Öffnungsgrad von 2,8 % entsprechend, war es im Zwischenraum des 4. OG um 4 K wärmer als im 3. OG. Der Einfluss dieser Schichtung auf die Temperaturdifferenz zwischen den Büros ist mit 0,5 bis 1 K allerdings gering. Zusätzliche Öffnungen auf Geschosshöhe - 10/10/10/10 II - ließen diese Schichtung deutlich auf 0,7 K absinken. Das Mittel der jeweils größten Übertemperaturen aller Messtage des Fassadenzwischenraums zur Außentemperatur betrug im Sommer 2003 für die Stellung 10/10/10/10 I 1,5 bis 2 K bei einer maximalen Differenz im Stundenmittel von 3,5 K (s. Abb. 98/99). Bei Außenlufttemperaturen von mehr als 30 °C lag die Temperatur im Fassadenzwischenraum allerdings nur noch geringfügig über dieser. Übertemperaturen an sehr warmen Tagen von 5 bis 10 K wie in [39], Siemensgebäude, konnten messtechnisch nicht nachgewiesen werden. 5.4.2 Lüftungsstrategie Ziele Ziel des Vergleichs ist es, den unterschiedlichen Einfluss einer 24-stündigen Querlüftung und einer nächtlichen Querlüftung mit einseitiger Dauerlüftung während der Betriebszeit auf die Raumlufttemperaturen aufzuzeigen. Die Messungen fanden in der Klappenstellung 10/10/10/10 I in den Kalenderwochen 27/28/29/35 der Messphase 2 statt. Die 24-stündige Querlüftung fand am Wochenende, die nächtliche Querlüftung in der Woche statt. Die Messungen fanden bei jeweils gleicher Lüftungsstrategie parallel im 3. und 4. OG statt, da die Räume über unterschiedlich große Speichermassen verfügen. Die mittleren Luftwechselraten betrugen ca. 2 h-1 für die einseitige Lüftung und ca. 6 h-1 für die Querlüftung (s. Kapitel 5.1, Luftwechselraten). Ergebnisse Die aus dem arithmetischen Mittel der Messtage gebildete Ausgleichsfunktion gibt hinsichtlich der Phasenverschiebung und Temperaturentwicklung eine gute Übersicht. Die Stundenmittel aller Messtage mit den gleichen Randbedingungen werden über die Uhrzeit sortiert und gegeneinander aufgetragen. Dies ermöglicht den direkten Vergleich zwischen dem 3. und 4. OG bezüglich der Temperaturentwicklungen im Tagesverlauf. Eingetragen sind in den Abb. 96 und 97 zusätzlich blau die Arbeitszeit von 7:00 bis 18:00 Uhr und rot die mittlere Zeit der nächtlichen Querlüftung. Da die Temperaturen im Fassadenzwischenraum in hohem Maß strahlungsabhängig sind, liegen die Höchsttemperaturen für beide Lüftungsfälle dort um ca. 1 bis 2 Stunden vor den Höchstwerten der Außentemperatur. Die Raumlufttemperaturen, die im wesentlichen strahlungsunabhängig sind, folgen der Außentemperatur mit einer kurzen Phasenverschiebung von ca. 15 bis 30 Minuten. Die Außentemperatur weist für die 24-stündige Querlüftung eine mittlere Tagesamplitude von 9,5 K auf, die Temperaturen in den Fassadenzwischenräumen eine Amplitude von 10,5 K, diejenige in den Büroräumen von 4 K. Der Fassadenzwischenraum des 4. OG ist im Tagesminimum und –maximum um ca. 0,5 K wärmer als der Zwischenraum des 3. OG. Die maximale mittlere Übertemperatur des Zwischenraums des 3. OG zur Außentemperatur beträgt 1,5 K zwischen 16:00 und 17:00 Uhr. Die Temperatur im 110 Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse Büro des 3. OG erreicht zwischen 18:00 und 19:00 Uhr mit Außentemperaturgleiche ihr Maximum. Die mittlere maximale Temperatur im 4. OG liegt um ca. 0,3 K unter der Temperatur im 3. OG (s. Abb. 96). Mittelwertausgleichsfunktion 24h Querlüftung 10/10/10/10 I 29 Lufttemperatur [°C] 27 25 23 21 19 17 15 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 Tageszeit aussen 3.OG ZWR 4.OG ZWR 3.OG Büro 4.OG Büro Abb. 96: 24h Querlüftung sortierte Stundenmittel der Lufttemperaturen in der Messperiode Die Tagesamplitude der Außentemperatur beträgt für die nächtliche Querlüftung 7,5 K bei gleicher Tagesminimaltemperatur von 15,5 °C. Die Amplitude der Zwischenräume reduziert sich im gleichen Verhältnis auf nur noch 9 K, während die Amplitude der Büroräume bei 4 K verbleibt. Der Fassadenzwischenraum im 4. OG ist wie schon in der 24h Querlüftung um ca. 0,5 K wärmer als der des 3. OG. Mittelwertausgleichsfunktion nächtliche Querlüftung 10/10/10/10 I 29 Lufttemperatur [°C] 27 25 23 21 19 17 15 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 Tageszeit aussen 3.OG ZWR 4.OG ZWR 3.OG Büro 4.OG Büro Abb. 97: nächtliche Querlüftung sortierte Stundenmittel der Lufttemperaturen in der Messperiode Die Raumlufttemperaturen sind im Tagesverlauf und der Differenz untereinander fast identisch mit dem 24h Querlüftungsfall. Die maximale mittlere Übertemperatur im Zwi- Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse 111 schenraum des 3. OG beträgt 2 K zwischen 15:00 und 16:00 Uhr. Die Temperatur im Büro des 3. OG erreicht zwischen 16:00 und 17:00 Uhr mit 2 K über der Außentemperatur ihr Maximum. Die Temperatur im 4. OG liegt um 0,5 K unter der Temperatur im 3. OG (s. Abb. 97). Nach diesen Ergebnissen führte die nächtliche Querlüftung trotz geringerer Außenund Zwischenraumtemperaturen zu geringfügig höheren Raumlufttemperaturen als die 24-stündige Querlüftung. Die Mittelwertausgleichsfunktion zeigt einen Raumlufttemperaturverlauf, der unabhängig von Außen- und Zwischenraumtemperatur und Lüftungsstrategie zu sein scheint. Für einen Vergleich zwischen den Nachtlüftungsstrategien ist die Streuung der Mittelwerte für die Messtage insbesondere im Bereich der Maximaltemperaturen auffällig hoch. Das kann bedeuten, dass die zur Verfügung stehenden Messtage keine statistische Relevanz im Sinne einer vergleichbaren Mittelwertbildung besitzen. Zur Auswertung der Nachtlüftungsstrategie werden daher im Folgenden die sortierten Zwischenraum- und Raumlufttemperaturen über der Außentemperatur miteinander verglichen. Die Temperaturen im Fassadenzwischenraum des 3. OG liegen in beiden Fällen insbesondere für hohe Außentemperaturen unter denen im 4. OG (s. Abb. 98 und 99). Signifikante Unterschiede zwischen den beiden Lüftungsstrategien lassen sich bezüglich der Temperaturen im Fassadenzwischenraum nicht feststellen. 5 Minuten-Mittel nächtliche Querlüftung 10/10/10/10 I 40 40 35 35 Zwischenraumtemperatur [°C] Zwischenraumtemperatur [°C] 5 Minuten-Mittel 24h Querlüftung 10/10/10/10 I 30 25 20 15 30 25 20 15 10 10 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 10 40 12 14 16 18 20 ZWR 3. OG ZWR 4. OG 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Außentemperatur [°C] Außentemperatur [°C] ZWR 3.OG Temperaturgleiche ZWR 4.OG Temperaturgleiche Abb. 98 / Abb. 99: Fassadenzwischenraum-Lufttemperaturvergleich aufgetragen über die Außenlufttemperatur für die 24h Querlüftung (links) und die nächtliche Querlüftung (rechts) Deutlich erkennbar ist in Abb. 100 und 101 der im wesentlichen lineare Raumlufttemperaturverlauf der einzelnen Tage. Während der Arbeitszeit sind der Globalstrahlungseintrag, die internen Lasten und der Luftwechsel nahezu konstant. Während der Raumerwärmung am Tag liegen dabei die Raumlufttemperaturen bei gleicher Außentemperatur um 1 bis 2 K unter den Temperaturen der nächtlichen Entwärmung. 5 Minuten-Mittel nächtliche Querlüftung 10/10/10/10 I 40 40 35 35 Raumtemperatur [°C] Raumtemperatur [°C] 5 Minuten-Mittel 24h Querlüftung 10/10/10/10 I 30 25 30 25 20 20 15 15 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 10 12 14 16 Außentemperatur [°C] Büro 3. OG Büro 4. OG Grenzen nach DIN 1946 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Außentemperatur [°C] Temperaturgleiche Büro 3. OG Büro 4. OG Grenzen nach DIN 1946 Temperaturgleiche Abb. 100 / Abb. 101: Raumlufttemperaturvergleich aufgetragen über die Außenlufttemperatur für die 24h Querlüftung (links) und die nächtliche Querlüftung (rechts) 112 Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse Dieses Phänomen kann auf die Speichermassen des Gebäudes zurückgeführt werden, die die Erwärmung der Luft am Tag und die Abkühlung in der Nacht verzögern. Dabei lässt sich kein Unterschied zwischen den Raumlufttemperaturen des 3. und 4. OG und den Lüftungsstrategien ausmachen. Das Temperaturniveau in den Büroräumen überscheitet für die nächtliche Querlüftung die Grenzwerte nach DIN 1946/2 1994 - 01 (die empfohlenen Temperaturbereiche sind grün markiert, vgl. Abb. 11) geringfügig. Betrachtet man den für die sommerliche Überhitzung entscheidenden Temperaturbereich von Außentemperaturen größer als 24°C, so ergeben sich die in Abb. 102 und 103 dargestellten Diagramme als Differenzen der sortierten Raum- und ZWR- Lufttemperaturen über der Außentemperatur. Stundenmittel nächtliche Querlüftung 10/10/10/10 I 4 2 2 0 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 -2 -4 37 38 39 Temperaturdifferenz [K] Temperaturdifferenz [K] Stundenmittel 24h Querlüftung 10/10/10/10 I 4 0 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 -2 -4 -6 -6 -8 -8 Außentemperatur [°C] Außentemperatur [°C] Differenz Raum 3.OG - außen Differenz Raum 4.OG - außen Differenz Raum 3.OG - außen Differenz Raum 4.OG - außen Differenz ZWR 3.OG - außen Differenz ZWR 4.OG - außen Differenz ZWR 3.OG - außen Differenz ZWR 4.OG - außen Abb. 102 / Abb. 103: Differenzen der über der Außentemperatur sortierten Raum- und ZWR - Lufttemperaturen für die 24h Querlüftung (links) und die nächtliche Querlüftung (rechts) Es entstehen lineare Trendlinien für die Raumlufttemperaturen in Abhängigkeit von der Außentemperatur. Während der 24h-stündigen Querlüftung liegt die Raumlufttemperatur ab einer Außentemperatur von ca. 28 °C unter dieser und steigt nur noch geringfügig auf nahe 29 °C bei einer mittleren Außentemperatur von 36 °C an. Bei diesen Außentemperaturen unterscheiden sich die Raumlufttemperaturen im 3. und 4. OG kaum voneinander. Die Raumlufttemperaturen nehmen von der Temperaturgleiche an linear um fast 1K / °C Außentemperatur ab. Die Zwischenraumtemperaturen liegen bei hohen Außentemperaturen nicht über dieser. Für die nächtliche Querlüftung zeigen sich bei leicht höheren Zwischenraumtemperaturen größerer Streuung parallel versetzt um etwas mehr als 1 K geringere Raumlufttemperaturen. Ab einer Außentemperatur von ca. 26 °C liegt die Raumtemperatur unter dieser und steigt auf ca. 27 °C bei 34 °C Außentemperatur an. Diese Auswertung der Ergebnisse legt den Schluss nahe, dass die Lüftungsstrategie einen wesentlichen Einfluss auf die Raumtemperaturen hat. Zusammenfassung Die Lüftungsstrategie hat einen nachweisbaren Einfluss auf die Raumtemperaturen. Die Raumtemperaturen liegen bei Außentemperaturen von mehr als 24 °C im Fall der nächtlichen Querlüftung um etwas mehr als 1 K unter denen der 24h Querlüftung. Der im Fall der 24h Querlüftung große Raumluftwechsel ist verantwortlich für den höheren Wärmeeintrag. In einem direkten Vergleich zeigt sich dieses Ergebnis für das 4. OG in Abb. 104 noch einmal vereinfacht. Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse 113 Stundenmittel Vergleich Lüftungsstrategie 10/10/10/10 I 4 Temperaturdifferenz [K] 2 0 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 -2 -4 -6 -8 Außentemperatur [°C] WE 24-h Querlüftung WE nächtliche Querlüftung Abb. 104: Differenzen der über der Außentemperatur sortierten Raumlufttemperaturen im Vergleich der Lüftungsstrategien Dies entspricht der Temperaturdifferenz, die nach Angaben von [57] zwischen keiner und einer Nachtlüftung mit zweifachem Luftwechsel besteht. Da am Wochenende abhängig von den zu erwartenden Witterungsbedingungen nur entweder gar nicht, nur einseitig oder nur quergelüftet werden kann, stellt sich die in der nachfolgenden thermischen Simulation zu beantwortende Frage, ob an warmen Sommertagen die 24stündige Querlüftung der einseitigen Lüftung vorzuziehen ist (s. Kapitel 6.2.2, Lüftungsstrategie). 5.4.3 Öffnungsgrößen Ziele Dieser Versuch gilt der Optimierung der Klappenstellungen. Eine weitere Reduzierung der Öffnungen auf Öffnungswinkel von 5° und die Auswirkung auf die Zwischenraumund Raumtemperaturen wurden für die Klappenstellung 10/10/5/5 I in den Kalenderwochen 30/31/32 und die Klappenstellung 5/5/10/10 I in den Kalenderwochen 33/34 der Messphase 2 gemessen. Ergebnisse Im Fassadenzwischenraum des 4. OG zeigt sich für beide Lüftungsstrategien eine deutliche Übertemperatur von mehr als 2 K im Vergleich zur Zwischenraumtemperatur im 3. OG, also mehr als 1,5 K mehr als im Fall gleicher Öffnungsweiten. Eine Vergleichsmessung in umgekehrter Klappenstellung (5/5/10/10 I) kehrt die Temperaturverhältnisse im Fassadenzwischenraum unabhängig von der Lüftungsstrategie um. Die Übertemperatur im Fassadenzwischenraum des 3. OG beträgt mehr als 1 K, also ebenfalls ca. 1,5 K unter Berücksichtigung der Temperaturdifferenz im Fall gleicher Öffnungsweiten. 114 Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse Die Übertemperatur im Fassadenzwischenraum baut sich auch nachts wie in Abb. 105 zu sehen nicht ab. Dies ist zurückzuführen auf den um ca. 40 % geringeren Luftwechsel Fassadenzwischenraum in der Stellung 5/5. Das Büro im 4. OG erwärmt sich leicht mehr als das 3. OG. Berücksichtigt man auch hier die Tatsache, dass im Fall gleicher Öffnungsweiten die Raumtemperaturen im 4. OG unter den Temperaturen des 3. OG lagen, so ergibt sich eine Temperaturerhöhung von mehr als 0,5 K im 4.OG aufgrund der höheren Temperaturen im Fassadenzwischenraum. Mittelwertausgleichsfunktion nächtliche Querlüftung 10/10/5/5 I 35 33 Lufttemperatur [°C] 31 29 27 25 23 21 19 17 15 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 Tageszeit aussen 3.OG ZWR 4.OG ZWR 3.OG Büro 4.OG Büro Abb. 105: nächtliche Querlüftung sortierte Stundenmittel der Lufttemperaturen in der Messperiode Auch im direkten Temperaturvergleich in den Abb. 106 und 107 bildet sich das unterschiedliche Temperaturniveau im Fassadenzwischenraum deutlich ab. Das Niveau gemessener Raumtemperaturen ist in dieser Messphase sehr hoch und überschreitet deutlich den empfohlenen Bereich operativer Raumtemperaturen nach DIN 1946/2. 5 Minuten-Mittel nächtliche Querlüftung 10/10/5/5 I 40 35 35 Raumtemperatur [°C] Zwischenraumtemperatur [°C] 5 Minuten-Mittel nächtliche Querlüftung 10/10/5/5 I 40 30 25 20 30 25 20 15 15 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 10 12 14 16 Außentemperatur [°C] ZWR 3.OG ZWR 4.OG 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Außentemperatur [°C] Temperaturgleiche Büro 3. OG Büro 4. OG Grenzen nach DIN 1946 Temperaturgleiche Abb. 106 / Abb. 107: Fassadenzwischenraum- (links), Raumlufttemperaturvergleich (rechts) aufgetragen über die Außenlufttemperatur Zusammenfassung Klappenstellungen von weniger als 10°, entsprechend 5 % äquivalentem Öffnungsanteil, führen zu signifikant höheren Temperaturen im Fassadenzwischenraum und in der Folge zu geringfügig höhern Raumtemperaturen. Die Temperaturen im Fassadenzwi- Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse 115 schenraum steigen um mehr als 1,5 K bei einer Halbierung des Öffnungsanteils. Die Auswirkungen auf den Büroraum sind mit einer Temperaturerhöhung um etwas mehr als 0,5 °C absolut zwar gering, bei der statistischen Auswertung der Jahresüberhitzung jedoch durchaus von Bedeutung (s. Kapitel 6.2.2, Öffnungsgrößen). Von einer Außentemperaturgleiche an liegen die Raumtemperaturen um fast 1 K/°C abnehmend unter der Außentemperatur (s. Abb. 108). Messergebnisse in [39] (Siemensgebäude) bestätigen, dass das Außentemperaturniveau an extremen Tagen nicht überschritten wird. Stundenmittel nächtliche Querlüftung 10/10/5/5 10 Temperaturdifferenz [K] 8 6 4 2 0 16 18 20 22 24 26 28 30 32 -2 Außentemperatur [°C] Differenz Raum 3.OG - außen Differenz Raum 4.OG - außen Differenz ZWR 3.OG - außen Differenz ZWR 4.OG - außen Abb. 108: Differenzen der über der Außentemperatur sortierten Raum- und ZWR - Lufttemperaturen 5.4.4 Speichermassenaktivierung Ziele Ziel der folgenden Auswertung ist die Bestimmung und Bewertung des Einflusses einer teil- bzw. vollständigen Abhängung auf die Raumtemperaturentwicklung. Der Raum im 4. OG verfügt über eine vollständig abgehängte Decke, das 3. OG über eine teilabgehängte Decke (s. Kapitel 5.1, Raumgeometrie und Abb. 49 und 50 für die Deckenspiegel). Auswertmethodik Grundlage der Auswertung sind die Messungen in der Klappenstellung 10/10/10/10 I in den Kalenderwochen 27/28/29/35 der Messphase 2. Diese Messperiode lag schon der Auswertung der Lüftungsstrategie in Kapitel 5.4.2 zugrunde. Für diesen Zeitraum werden die Raumlufttemperaturen und die Tagestemperaturamplituden in den beiden Geschossen miteinander verglichen. Die Berechnung der Speicherkapazität der abgehängten Decke mit Hilfe des konvektiven und des radiativen Wärmeübergangs im Vergleich zu einer freien Betondecke erfolgt auf der Grundlage der Messungen in den Kalenderwochen 27/28/29 vom 01. bis 21. Juli 2003. Leistungen und Energien werden aus den 5-Minuten Mitteln der Messwerte berechnet. 116 Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse Ergebnisse Amplitudenverhältnis und Raumlufttemperaturen Falls die Speichermassen des 3. OG einen Einfluss auf die Raumlufttemperaturen haben, sollte sich deren ausgleichender Effekt in einer im Vergleich zum 4. OG höheren Amplitudendämpfung der Raumlufttemperaturen bemerkbar machen. Das Büro im 3. OG sollte also weniger auf Schwankungen der Außentemperatur reagieren als der Raum darüber. Die mittlere Tagesamplitude der Außentemperatur beträgt im betrachteten Zeitraum 11 K, die mittlere Amplitude im Fassadenzwischenraum des 3. und 4. OG liegt um 20 % darüber. Die mittlere Amplitude beträgt im 3. OG nur noch 49 %, im 4. OG 51 % der Außentemperaturamplitude. Der Unterschied zwischen den Geschossen ist also nur gering. Die Lüftungsstrategie, 24-stündige Querlüftung am Wochenende und einseitige Lüftung mit nächtlicher Querlüftung in der Woche, hat keinen erkennbaren Einfluss auf die Größe und das Verhältnis der Tagesamplituden zwischen beiden Räumen. Die mittleren Tageswerte sind im 3. und 4. OG sogar für die beiden Lüftungsstrategien nahezu gleich groß. In Abb. 109 sind die Tagestemperaturamplituden der beiden Räume aufsteigend nach dem 3. OG sortiert gegeneinander aufgetragen. Aus der vorliegenden Anzahl von 18 Tageswerten sollte sich bereits eine Tendenz zur größeren Amplitudendämpfung im 3. OG ablesen lassen. Dies ist nicht der Fall, da die Streuungen der Temperaturamplitudenverhältnisse im Messzeitraum zu groß sind. Auch ein Zusammenhang mit der Außentemperaturamplitude ist nicht herstellbar. Bei den voraussichtlich geringen Unterschieden zwischen dem 3. und 4. OG kann wahrscheinlich nur eine Langzeitmessung mit einer deutlich größeren Anzahl der Messwerte zu einer statistisch signifikante Aussage führen. Sortierte Temperaturamplituden 10/10/10/10 I 18,0 16,0 Temperaturdifferenz [K] 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 Messtage Amplitude 3.OG Amplitude 4.OG Amplitude aussen Abb. 109: sortierte Temperaturamplituden jeweils vom Tagesmaximum zum Tagesminimum Darüber hinaus sollten die Temperaturspitzen im teilabgehängten 3. OG, insbesondere an warmen Tagen, erkennbar kleiner und phasenverschoben sein. Die mittleren Tagesmaximaltemperaturen liegen im 3. OG mit ca. 0,3 K leicht über den Temperaturen im 4. OG wie die Mittelwertausgleichsfunktion der sortierte Stundenmit- Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse 117 tel der Lufttemperaturen über die Zeit (s. Kap. 5.4.2, Abb. 96 und Abb. 97) gezeigt hat. Gleiches gilt für die mittleren Tagesminimaltemperaturen. Auch eine signifikante Phasenverschiebung der Raumlufttemperaturen ist zwischen den beiden Geschossen nicht erkennbar. Aus dieser Auswertung lässt sich also kein Unterschied zwischen dem 3. und 4. OG, also einer Teilabhängung und der vollständig abgehängten Decke ablesen. Auch die Betrachtung weniger aufeinanderfolgender Tagesgänge mit hohem, steigendem oder fallenden Außentemperaturniveau entsprach nicht dem erwarteten Raumlufttemperaturverhalten. Die Tagestemperaturamplituden unterschieden sich kaum voneinander. Weder die aufgrund einer geringern Tagestemperaturamplitude und größeren Trägheit mit steigendem Außentemperaturniveau erwarteten geringeren maximalen Raumlufttemperaturen im 3. OG noch der im Vergleich mit dem 4. OG verlangsamte Temperaturanstieg konnten gemessen werden. Ein ähnliches Bild zeigte sich umgekehrt auch für Tage mit fallenden Außentemperaturen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der tatsächliche Einfluss der unterschiedlich großen, aktivierten Massen so gering ist, dass er mit der ausgeführten Messanordnung nicht nachweisbar ist. Berechnung der Kühl- und Heizleistung Da die Oberflächentemperatur der Streckmetalldecke im 3. OG nicht zur Verfügung stand, bezieht sich die folgende Berechnung nur auf das vollständig abgehängte 4. OG. Die Auswertung unterscheidet nicht zwischen den Lüftungsstrategien oder weist sie getrennt aus. Konvektiver Anteil Die Decke ist das Bauteil mit dem größten Potenzial zum konvektiven Wärmeaustausch, da sich an der Decke die wärmste Luft sammelt und der aufwärtsgerichtete Wärmeübergang an horizontalen Flächen größer ist als an vertikalen. Es entsteht tagsüber eine vorwiegend turbulente Strömung, welche den konvektiven Wärmeübergang begünstigt. Nachts hingegen kehrt sich der Wärmestrom um, die kühlere Raumluft erwärmt sich an der warmen Decke. In diesem Fall kann man von einer laminaren Luftströmung ausgehen, welche weniger Wärme abzuführen vermag als eine turbulente Strömung. Der konvektive Wärmeübergang zwischen Raumluft und Decke lässt sich mit den gemessenen Deckenoberflächen- und den Raumlufttemperaturen berechnen. Der konvektive Anteil ergibt sich nach [58] wie folgt: α konv = λ λ l ⋅ Nu [W/m²K] konvektiver Wärmeübergangskoeffizient, Gleichung 3 l Wärmeleitkoeffizient 0,026 für Luft bei 20 °C nach [59] Anströmlänge hier Grundfläche / Umfang [W/mK] [m] Nu Nußelt-Zahl nach [58] in Abhängigkeit von Strömungsrichtung und –art [-] Diese Gleichungen lassen sich nach [60] auch vereinfacht ausdrücken als: α konv ≈ 1,52 ⋅ 3 Δϑ α konv ≈ 0, 6 ⋅ 4 Δϑ l2 [W/m²K] für einen aufwärts gerichteten Wärmestrom, Gleichung 4 [W/m²K] für einen abwärts gerichteten Wärmestrom, Gleichung 5 118 Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse Die Berechnung nach Gleichung 3 ergibt für die abgehängte Decke im 4. OG einen mittleren konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten für den aufwärts gerichteten Wärmestrom am Tage von 1,15 W/m²K mit Werten von 0,3 bis 1,7 W/m²K und für den abwärts gerichteten Wärmestrom nachts von 0,55 W/m²K mit Werten von 0,2 bis 0,75 W/m²K. Mit den Gleichungen 4 und 5 ergeben sich um konstant 10,5 % bzw. 16,6 % geringere Werte von für den auf- bzw. abwärts gerichteten Wärmestrom im Vergleich zur Berechnung nach [58] (s. Tabelle 52). Radiativer Anteil Alle Raumoberflächen tauschen Wärme mittels Strahlung untereinander aus. Die Strahlungsleistung ist dabei abhängig vom Emissionsgrad des Materials und der Temperatur der Oberfläche. Der radiative Wärmeübergang ergibt sich nach [58] wie folgt: α rad = ε ⋅ 4 ⋅ σ ⋅ Tm3 Tm [W/m²K] radiativer Wärmeübergangskoeffizient, Gleichung 6 mittlere thermodynamische Temperatur der Oberflächen* [K] * Als mittlere thermodynamische Temperatur der Oberflächen wird die Raumlufttemperatur in 1,2 m Höhe angenommen, da nach DIN EN ISO 6946 Anhang A die innere empfundene Temperatur (gleiche Wichtung von Luft- und Strahlungstemperatur) verwendet werden kann, wenn die innere Strahlungs- und Lufttemperatur nicht merklich voneinander abweichen. Eine Abweichung von z.B. 1 K zur gemessenen Raumlufttemperatur verändert den berechneten Mittelwert des radiativen Wärmeübergangskoeffizienten nur um 1 %. Mit Gleichung 6 erhält man einen radiativen Wärmeübergangskoeffizienten von 5,3 bis 6,0 W/m²K, im Mittel 5,65 W/m²K. Der radiative Anteil ist damit am Sommertag 5 mal größer als der konvektive Anteil des Wärmeübergangskoeffizienten, in der Sommernacht sogar 10 mal größer. Die für die Messperiode berechneten Wärmeübergangskoeffizienten stimmen sehr gut mit den Berechnungen nach [60] überein (s. Tabelle 52). Wärmeübergangskoeffizient [W/m²K] berechneter Mittelwert DIN EN ISO 6946: 2003 DIN EN ISO 6946: 2003 Anhang A SIA 180 aus [60] αkonv aufwärts αkonv abwärts α radiativ Summe α aufwärts Summe α abwärts 1,15 0,55 5,65 6,8 6,2 - - - 10,0 5,9 5,0 0,7 5,7* 10,7 6,4 - Zürcher Bauphysik [60] 1,1 * für 20°C Raumlufttemperatur ** Annahme: gleicher Wert wie DIN EN ISO 6946 - - 8,0 6,0 0,45 5,7** 6,8 6,2 Tabelle 52: Vergleich der Wärmeübergangskoeffizienten, berechnet als Mittelwert vom 1. - 21. Juli 2003 Speicherkapazität Mit den berechneten Wärmeübergangskoeffizienten können der Wärmeeintrag und die Wärmeabfuhr für die abgehängte Decke bestimmt werden. Die Abb. 110 zeigt die Temperaturentwicklung im betrachteten Zeitraum vom 01. bis 21. Juli 2003 und den Tagesverlauf der Kühl- und Heizleistungen des radiativen und konvektiven Anteils. Die Wärmeabfuhr durch nächtliche Querlüftung (s. Abb. 111) aus der abgehängten Decke erreicht im betrachteten Zeitraum im Mittel 55 Wh/m² bei einem Maximum von mehr als 80 Wh/m². Das entsprechende Mittel der Leistungen beträgt in den Sommernächten 3,5 W/m² bei einem Maximum von 6 W/m². Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse 119 Decke 4.OG OF Außentemperatur konv. Anteil rad. Anteil 21 20 3 Büro 4.OG 19 -5 18 0 17 0 16 5 15 5 14 10 13 10 12 15 11 15 10 20 9 20 8 25 7 25 6 30 5 30 4 35 2 35 Leistung, Globalstrahlung 100x [W/m²] Kühl- und Heizleistung, 1. - 21. Juli 2003 40 1 Temperatur [°C] Radiativer u. konvektiver Wärmeübergang Glob außen Abb. 110: Übersicht der ausgewerteten Messperiode, orange 24-stündige Querlüftung am Wochenende Der Wärmeeintrag erreicht an warmen, strahlungsreichen Tagen bis zu 40 Wh/m² bei einer Leistung von im Mittel 4 W/m². Die Speicherkapazität kann noch verbessert werden kann, indem die Mineralwolle auf der Abhängung entfernt wird und die Betondecke so besser an den Raum angekoppelt wird. Eine solche Maßnahme ist auf die Anforderungen des Schallschutzes abzustimmen. Der Vergleich mit Abb. 110 zeigt, dass eine Voraussetzung für das Erreichen großer Speicherkapazitäten geringe Außenlufttemperaturen während der nächtlichen Querlüftung sind. Die Größe der Speicherkapazität ist ein Maß für die Dämpfung der Tagestemperaturamplitude. Wärmeabfuhr 20./21. 19./20. 18./19. 17./18. 16./17. 15./16. 14./15. 13./14. 12./13. 11./12. 10./11. 8./9. 9./10. 7./8. 6./7. 5./6. 4./5. 3./4. 2./3. 120 100 80 60 40 20 0 -20 -40 1./2. Wärmemenge [Wh/m²] Wärmeabfuhr und -eintrag je Tagesamplitude 1. - 21. Juli 2003 Wärmeeintrag Abb. 111: Wärmeabfuhr und –eintrag in die abgehängte Decke in der Messperiode, orange 24-stündige Querlüftung am Wochenende Dies ist im Vergleich mit den Angaben nach [57] eine bis ca. 4-fach größere Speicherkapazität für eine abgehängte Decke, die dort mit nur 18 Wh/m² ohne Angaben zum Außentemperaturniveau und den Luftwechselzahlen angegeben wird. Das Potenzial der Nachtlüftung für ein Gebäude ohne abgehängte Decken wird in [57], S. 9 auf der Grundlage von Messungen im Gebäude der DB Netz AG in Hamm beschrieben: „in einer typischen Sommernacht können bei einem zweifachen Luftwechsel ungefähr 100 Wh/m² und bei einem 6-fachen Luftwechsel bis zu 220 Wh/m² abgeführt werden“. Die erzielten Raumtemperaturen lagen nach [57] im Gebäude der DB Netz 120 Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse AG bei einem nur 2-fachen Nachtluftwechsel um 0,5 - 1 K unter denen eines Referenzraumes ohne Nachtlüftung. Eine freie Betondecke verfügt mit nächtlicher Querlüftung an warmen Sommertagen damit im Vergleich zu den Ergebnissen für die abgehängte Decke im Messraum über eine fast 3-fach größere Speicherkapazität und könnte damit einen wesentlichen Beitrag zur Wärmebilanz eines Büroraums beitragen. Die Leistungen betragen dann im Mittel für eine Sommernacht ca. 16 W/m² für die freie Betondecke und ca. 6 W/m² für die abgehängte Decke. Zum Vergleich: Aktive Kühlsysteme erreichen mit der Bauteilaktivierung Leistungen bis ca. 40 W/m² oder mit einem Kühlsegel Leistungen bis ca. 120 W/m². Teilabgehängte Decken Um die Strömung hinter der teilabgehängten Decke im 3. OG quantitativ beurteilen zu können, wurden Luftgeschwindigkeitsmessungen vorgenommen und in einer Strömungssimulation mit dem Programm Fluent (Beschreibung s. Kapitel 5.1, Fassadengeometrie) validiert. Die abgehängte Decke des 3. OG besteht in Form eines Deckensegels aus Streckmetalldeckenplatten im Quadratraster von 62,5 cm (s. Abb. 52). Mit einer Fliesauflage sind 60 % der Deckenplatten belegt. Bezogen auf die durchströmte Gesamtraumtiefe beträgt der freie Deckenrand jeweils 1,3 %, die nicht mit Flies belegen Teilbereiche jeweils 19,5 % und der Bereich fliesgedeckter Platten 58,4 %. In einer Kurzzeitmessung wurden die Luftgeschwindigkeiten an den Fensterkippflügeln, dem Türoberlicht, an den freien Rändern und über den nicht mit Flies gedeckten Streckmetalldeckenplatten bestimmt. Über den nicht mit Flies gedeckten Streckmetallplatten konnte so gut wie keine vertikale Luftströmung gemessen werden. Der Luftaustausch oberhalb der abgehängten Decke erfolgt also im wesentlichen über die freien Ränder. Das Basissimulationsmodell ging daher von einem geschlossenen Deckensegel mit jeweils 1,3 % freiem Rand aus. In einer Variante wurde das Deckensegel auf nur noch 58,4 % der durchströmten Raumtiefe reduziert. Zur Bestimmung des Luftalters und der Lufttemperaturen wurde die Strömung für die beiden Modellvarianten mit folgenden sommerlichen Randbedingungen simuliert: Außentemperatur 26 °C, Temperatur der Innenoberflächen 27 °C, Unterdruck am Türoberlicht 0,2 Pa, freie Nachströmung durch die Kippflügel in der Primärfassade. Für den Büroraum ergaben sich bei Querlüftung Luftwechselzahlen von 4,9 h-1 für das Basismodell und 5,4 h-1 für die Variante mit kleinem Deckensegel, die aus dem Luftalter bestimmt werden können (s. Abb. 112 und 113). 900 s 450 s 0s Abb. 112 / Abb. 113: Verteilung des lokalen Luftalters, Teilabhängung 2 x 1,3 % freier Rand (links), 2 x 20,8 % freier Rand (rechts) Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse 121 Das Modell zeigt sowohl in den Luftwechselzahlen, wie auch in Bezug auf Strömungsgeschwindigkeiten eine sehr gute Übereinstimmung mit den Messwerten. In der Basisvariante ergibt sich trotz des nur kleinen freien Randanteils über der abgehängten Decke ein immerhin ca. 4-facher Luftwechsel. Wird der Randanteil auf jeweils 20,8 % erhöht, unterscheidet sich der Luftwechsel oberhalb der Abhängung nicht vom Raumluftwechsel. Die Lufttemperaturen oberhalb der abgehängten Decke unterscheiden sich in beiden Modellen daher kaum voneinander. Der konvektive Teil der übertragenen Wärme aus der aktivierten Stahlbetondecke kann also in jedem Fall abgelüftet werden, der radiative Anteil wird jedoch entsprechend der Größe der Teilabhängung mit Fliesauflage unterbunden. Bei einem Flächenanteil der Teilabhängung mit Auflage von 55 % der Deckengrundfläche im 3. OG konnten zum vollständig abgehängten 4. OG keine signifikanten Temperaturunterschiede gemessen werden. Der Größe des Deckensegels kommt also entscheidende Bedeutung bei der Aktivierung der Speicherkapazität einer freien Decke zu. Zusammenfassung Die Ergebnisse aus dem Amplituden- und Temperaturvergleich ergeben zwischen der teil- und vollständigen Abhängung keinen nachweisbaren Einfluss auf die Raumtemperaturentwicklung. Zwar kann der konvektive Teil des Wärmeübergangs aus der aktivierten Stahlbetondecke über der Teilabhängung abgelüftet werden, der wesentlich größere radiative Strahlungssaustausch mit speichernden Bauteilen wird jedoch unterbunden. Um die Speicherkapazität mit bis zu 220 Wh/m² bei nächtlicher Querlüftung vollständig aktivieren zu können, muss auf eine Abhängung verzichtet werden. Die Berechnung für die abgehängte Decke ergab eine Speicherkapazität von ca. 80 Wh/m² und eine mittlere Leistung in einer Sommernacht von ca. 6 W/m². 5.4.5 Wärmebilanz Ziele Zur Bestimmung der Einflussgrößen auf die Raumtemperaturentwicklung wird aus den Messwerten der Klappenstellung 10/10/10/10 I in der Messphase 2 nach Lüftungsstrategien getrennt eine Wärmebilanz erstellt. Auswertmethodik Der Energieeintrag für die Globalstrahlung und die internen Lasten wurde direkt aus den zur Verfügung stehenden Messwerten bestimmt. Lüftungs- und Transmissionswärmegewinne und -verluste wurden mit den Gleichungen 7 und 8 nach [60] für die Differenz der Raumluft- zur Zwischenraumtemperatur und mit Luftwechselraten von im Mittel 5,75 h-1 für die Querlüftung und im Mittel 1,8 h-1 für die einseitige Lüftung berechnet. QT = U ⋅ Δϑ ⋅ A ⋅ Δt [Wh] Transmissionswärmeverluste, Gleichung 7 Q L = n L ⋅ V ⋅ ρ ⋅ c ⋅ Δϑ ⋅ Δt [Wh] Lüftungswärmeverluste, Gleichung 8 mit ρ ⋅c = 0,335 [Wh/m³K] nach [59] 122 Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse Vereinfachend wurden die Wärmeleitung und Transmission in die ähnlich temperierten Nachbarräume nicht erfasst. Die Wärmebilanzen der beiden Lüftungsstrategien können miteinander verglichen werden, da die aus der Betrachtung unterschiedlicher Zeiträume mit unterschiedlichen Witterungsbedingungen resultierenden Differenzen gering sind. Dies zeigen die Werte der mittleren Globalstrahlung und der verfügbaren Kelvinstunden in Tabelle 53. 10/10/10/10 I Globalstrahlung West im Raum 3.OG LW Verluste 3.OG LW Gewinne 4.OG LW Verluste 4.OG LW Gewinne mittel 24h Querlüftung 255 Wh/m²d 71 kh/d 14 kh/d 54 kh/d 18 kh/d mittel nächtliche Querlüftung 227 Wh/m²d 90 kh/d 6 kh/d 72 kh/d 8 kh/d Tabelle 53: mittlere Globalstrahlung und Kelvinstunden der betrachteten Lüftungsstrategien Ergebnisse Da sich die Gewinne und Verluste aus Transmission und Strahlung auf der Nordseite der Referenzräume gegeneinander aufheben, ist es zulässig, die Wärmebilanz zu vereinfachen und für westorientierte Räume mit Doppelfassade darzustellen. Die Geschossunterschiede sind für die beiden Lüftungsstrategien nur gering, so dass auf eine Unterscheidung verzichtet und stattdessen der Mittelwert verwendet wird (s. Abb. 114). Gewinne und Verluste heben sich im Bilanzzeitraum nicht vollständig gegeneinander auf. Ursache ist die beschriebene Annahme eines mittleren Luftwechsels für die Berechnungen mit einem möglichen Fehler von 70 bis 150 % für beide Lüftungsarten. Wärmebilanz 10/10/10/10 I 400 300 Wärmemenge [Wh/m²d] 200 100 0 -100 -200 -300 -400 -500 interne Lasten Strahlung LW Gew inne LW Verluste TR Gew inne TR Verluste nächtliche Querlüftung 309 86 33 -418 10 -112 24h Querlüftung 231 97 99 -396 21 -87 Abb. 114: Wärmebilanz Gewinne und Verluste aus den Tagesmittelwerten je m² Bürogrundfläche Lüftungsstrategie und interne Lasten sind die bestimmenden Faktoren der Wärmebilanz. Als Grenze der passiven Kühlung mit Nachtlüftung nach [57] soll die Kühllast eine Tagesumme von 150 Wh/m²d nicht überschreiten. Mit einer Tagessumme von bis zu 310 Wh/m²d liegen die Räume um das 2-fache über diesem Wert. In der nachfolgenden thermischen Simulation wird in Kapitel 6.2, Interne Lasten der Einfluss der Größe der internen Lasten auf die sommerliche Überhitzung und die Grenzen der Kühllast bei natürlicher nächtlicher Querlüftung untersucht. Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse 5.5 123 Winterlicher Wärmeschutz Ziele Eine Doppelfassade kann zur Reduzierung von Heizwärmeverlusten im Winter beitragen. Die Temperaturdifferenz zwischen Außenluft und Fassadenzwischenraum (Übertemperatur) verringert die Transmissionswärmeverluste und die Zulufttemperatur bei freier Lüftung wird erhöht. Die Messungen sollen Aufschluss geben über die entstehenden Übertemperaturen im Fassadenzwischenraum bei unterschiedlichen Klappenstellungen und ein- oder zweigeschossiger Ausführung. Auswertmethodik Um für die Auswertung eine Vergleichbarkeit der mehrtägigen Messreihen im Winter 2002/03 in der Messphase 1 zu gewährleisten, wurden jeweils nur Nachtstunden von 20:00 bis 7:00 Uhr berücksichtigt. Die Einflüsse durch unterschiedlich starke Sonneneinstrahlung am Tag, Auswirkungen des Sonnenschutzes auf Temperatur und Durchströmung u. ä. wurden dadurch ausgeschlossen. Die Innenräume wurden ohne Nachtabsenkung konstant auf ca. 19° bis 20 °C beheizt. Die Fenster der Primärfassade waren geschlossen. Die Ergebnisse der Auswertung stellen noch nicht die durchschnittliche Übertemperatur dar, welche für die Bestimmung der tatsächlich eingesparten Heizwärme entscheidend ist, sondern dienen der Optimierung der Klappenstellungen und der Validierung des Simulationsmodells. Das Wärmeinsparpotenzial unterschiedlicher Sanierungsvarianten während der Heizperiode wird in der anschließenden thermischen Simulation ermittelt (s. Kap.6.2.4, Jahreswärmebilanz Datensatz TRY 02). Ergebnisse Durch den Ausschluss von Solarstrahlung und warmer Abluft aus dem Raum erfolgt die Lufterwärmung im Zwischenraum nur durch den Transmissionswärmestrom aus den Innenräumen. Je geringer die Temperatur im Fassadenzwischenraum, desto größer ist dieser Wärmestrom. Bei allen Klappenstellungen und Wetterbedingungen war zu erkennen, dass mit fallenden Außentemperaturen die Übertemperaturen im Fassadenzwischenraum zunehmen. Eingeschossige Ausführung In der Klappenstellung von 10/10/10/10 I liegen die Übertemperaturen je nach Außentemperatur zwischen ca. 0,5 und 1,5 K (s. Abb. 115). Die Streuung der Messwerte ist auf unterschiedlich große Luftwechselraten im Fassadenzwischenraum zurückzuführen. Diese Stellung wurde in zwei verschiedenen Wochen gemessen, so dass die Messwerte einen Außentemperaturbereich von -8 bis +8 °C abdecken. Die Beschreibung der mittleren Übertemperaturen über Trendlinien ist nur eine Näherung, da sich die Fassadenzwischenraumtemperatur für höhere Außentemperaturen diesen asymptotisch annähert. 124 Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse Nächtliche 5-Minutenmittel 10/10/10/10 I Temperaturdifferenz ZWR-Außen [K] 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 Außentemperatur [°C] 3.OG 4.OG Linear (3.OG) Linear (4.OG) Abb. 115: Übertemperaturen im Fassadenzwischenraum Klappenstellung 10/10/10/10I mit Trendlinien Stellt man die Trendlinien der Messwerte für die verschiedenen Klappenstellungen, wie in Abb. 116 dargestellt, direkt nebeneinander, kann der Einfuß des Öffnungsgrads (vgl. Kapitel 5.3, Fassadenzwischenraum) und der Außentemperatur auf die Übertemperatur im Fassadenzwischenraum direkt miteinander verglichen werden. Signifikant ist die deutlich höhere Übertemperatur bei geschlossener Sekundärfassade. Die auch bei geöffneter Sekundärfassade mit kleiner werdendem Öffnungsgrad erwarteten höheren Übertemperaturen bilden sich nicht eindeutig ab. Ursache dafür ist die aufgrund der nicht vergleichbaren Witterungsbedingungen hohe Varianz der Luftwechselraten im Fassadenzwischenraum. Eine die Öffnungsgrade vergleichende Untersuchung kann nur im parallelen Vergleich der Geschosse oder über große Zeiträume erfolgen. Vergleich der Klappenstellungen, geschossweise Anordnung 6 Übertemperatur im ZWR [K]] 5 4 0/0 3 2 10/10 1 5/5 20/20 0 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 Außentemperatur [°C] Linear (0/0 4.OG) Linear (0/0 3.OG) Linear (5/5 3.OG) Linear (5/5 4.OG) Linear (10/10 4.OG) Linear (10/10 3.OG) Linear (20/20 3.OG) Linear (20/20 4.OG) Abb. 116: Klappenstellungsvergleich geschossweise Ausführung Übertemperaturen im ZWR Zweigeschossige Ausführung Die Gegenüberstellung der Trendlinien für die zweigeschossige Ausführung zeigt in Abb. 117 die Abhängigkeit vom Öffnungsgrad und der Anordnung der Öffnungen in der Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse 125 Sekundärfassade. Es ergibt sich eine geschossweise Temperaturschichtung von 0,5 bis 1,5 K, wenn die mittleren Klappen geschlossen bleiben. Sind alle 4 Klappenreihen geöffnet, bricht die Schichtung zusammen und die Übertemperaturen liegen wie schon in der geschossweisen Ausführung für die Klappenstellung 10/10/10/10 I in der Größenordnung von 0,5 bis 1,5 K bei Außentemperaturen von -8 °C bis +8 °C. Übertemperatur im ZWR [K]] Vergleich der Klappenstellungen, zweigeschossige Anordnung 4 3 0/0/0/0 II 2 10/0/0/10 II 1 10/10/10/10 II 0 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 Außentemperatur [°C] Linear (0/0/0/0 4.OG) Linear (10/0/0/10 4.OG) Linear (10/10/10/10 4.OG) Linear (0/0/0/0 3.OG) Linear (10/0/0/10 3.OG) Linear (10/10/10/10 3.OG) Abb. 117: Klappenstellungsvergleich zweigeschossige Ausführung Übertemperaturen im ZWR Zusammenfassung Je kleiner die Klappenstellung, je geringer also der Luftwechsel im Fassadenzwischenraum und je geringer die Außentemperatur, desto größer ist die sich einstellende Übertemperatur. Die sich darüber hinaus einstellende Temperaturschichtung in der zweigeschossigen Ausführung bricht, wie auch im Sommerfall, bei geschossweise geöffneten Klappen zusammen. Da bei einem Verzicht auf eine unterstützende mechanische Kühlung die sommerliche Überhitzung maßgebend für die Öffnungsgeometrie ist, muss an dieser Stelle auf eine größtmögliche Energieeinsparung verzichtet werden. In der Praxis kommen weder eine geschlossene Sekundärfassade noch eine mehrgeschossiger Fassadenzwischenraum in Frage. Bei geöffneter Sekundärfassade steigen die Übertemperaturen in der geschossweisen Ausführung mit kleiner werdenden Klappenstellungen, die Unterschiede sind jedoch gering. 5.6 PV-Integration Ziele Mit diesem Vorhaben sollen die Anwendungsmöglichkeiten von Photovoltaik als konstruktiver Bestandteil des Bauteils Sekundärfassade überprüft werden. Ergebnisse Es handelt sich um einen integralen Einsatz von Dünnschichtmodulen mit amorpher Silzium-Dünnschicht „BP MST 50“ (s. Abb. 118) als konstruktiver Bestandteil der Sekundärfassade auf Brüstungshöhe. Die Abstimmung der Modulgrößen auf die Rastermaße des Bestandsgebäudes war zum Zeitpunkt der Ausführung noch mit erheblichen Mehrkosten verbunden. In der Demonstrationsfassade kamen daher 4 Standard-Module mit je 50 W installierter Leistung und 0,8 m² Nettofläche zum Ein- 126 Kapitel 5 Demonstrationsdoppelfassade Messergebnisse satz. Die Messung fand in der Zeit vom 28.08.2002 bis 22.07.2003 statt. An 305 aufgezeichneten Tagen wurde ein Ertrag von 75 kWh erzielt. Über das Tagesmittel hochgerechnet ergibt sich ein Jahresertrag von ca. 90 kWh/a bzw. 28 kWh/m²a. Dabei wird vereinfachend von der Annahme ausgegangen, dass der unterdurchschnittliche Tagesmittelwert die höhere Ausgangsleistung in den ersten Betriebsmonaten ausgleicht. Die Jahressumme der Globalstrahlung lag im Jahr 2002 mit 972 kWh/m²a für Braunschweig um 4 % unter dem langjährigen Mittel. Der Systemnutzungsgrad beträgt 4,6 % für die Westfassade bei einer Klappenstellung von 10°. Abb. 118: PV- Modul „BP MST 50“ Hieraus kann für eine Integration von PV-Modulen an der gesamten Süd-, Südwest und Westfassade des Gebäudes für die Energieerträge die folgende Abschätzung getroffen werden. In der Gesamtmaßnahme können ca. 200 m² Fotovoltaik integriert werden. Das entspricht einem Anteil von ca. 15 % der Doppelfassadenfläche. Auf der Süd-, Südwest- und Westseite wird ein Gesamtertrag von ca. 7400 kWh/a (1685 / 4560 / 1162 kWh/a) erzielt werden können. Dieser Ertag deckt mit ca. 1 kWh/m²NGFa 45 % des Beleuchtungsbedarfs des sanierten Gebäudes. Zusammenfassung Die Integration von PV-Modulen in eine Kaltfassade ist ein sinnvolles und empfehlenswertes Einsatzgebiet. Im Bereich der Abluftklappen, in dem sie den Ausblick und Tageslichteinfall nicht behindern reduzieren sie den Strahlungseintrag in die Doppelfassade genau dort, wo der Sonnenschutz die Luftströmung behindern würde. Die Module integrieren sich auch optisch gut in die Fassade. Für eine wirtschaftliche Realisierung müsste jedoch im vorliegenden Fall ein Betreibermodell entwickelt werden, da öffentliche Einrichtungen keine Einspeisevergütung erhalten. Die für eine Wirtschaftlichkeitsberechnung erforderliche Angabe zur Höhe der Baukosten für die PV-Module in Sondermaßen sollte im Rahmen der Gesamtplanung abgefragt werden, da mit sinkenden Baukosten zu rechnen ist. Auf die Mehrkosten für die Photovoltaik können ca. 65 €/m² netto Minderkosten für den Entfall der entsprechenden ESG-Verglasung angesetzt werden. 5.7 Tageslicht Die Tageslichtnutzung einer Doppelfassade ist bei sorgfältiger Planung der einer Einfachfassade ähnlich, da in der Primärfassade Wärmeschutzglas anstelle von Sonnenschutzglas verwendet werden kann (mit einer Tageslichttransmission von ca. 80 % im Vergleich zu ca. 67 %). ESG in einer Stärke von 10 mm verfügt über eine Tageslichttransmission von ca. 88 %. Die Tageslichtberechnungen in [44] ergeben für ein Büro mit Sonnenschutzverglasung einen Tageslichtquotienten von 9 bis 5 % im Arbeitsplatzbereich in 1 bis 2 m Raumtiefe in einer Höhe von 0,85 cm. In 4 m Raumtiefe werden noch fast 2 % erreicht. Die Büroräume besitzen ein nahezu optimales Tages- Kapitel 6 Demonstrationsdoppelfassade thermische Simulation 127 lichtprofil für seitlich belichtete Räume. Die Tageslichtautonomie beträgt sehr gute 76 % bezogen auf eine Sollbeleuchtungsstärke von 300 lx während der Betriebszeit. Abb. 119 / Abb. 120: Warema-Klapplamelle im Fassadenzwischenraum Als Sonnenschutz kam eine Warema-Klapplamelle (s. Abb. 119 und 120) zum Einsatz, die den Überhitzungs- und Blendschutz sicherstellt und zusätzlich tageslichtlenkende Funktion übernimmt. 6 Demonstrationsdoppelfassade thermische Simulation Ein thermisches Simulationsmodell wird auf der Grundlage der Messergebnisse des Sommers 2003 mit dem Programm Bsim validiert. Der auf der Grundlage der Messergebnisse optimierte Fassadenaufbau kann so in Sommer- und Jahresauswertungen z.B. im Hinblick auf die Überhitzungsanteile bewertet werden. Ein Variantenvergleich auf der Grundlage des validierten Modells umfasst dabei die Fassadensanierungsmöglichkeiten vom einfachen Primärfassadensystem bis zum vollständig neuen Doppelfassadensystem. Dabei können die Parameter, die einen wesentlichen Einfluss auf die sommerliche Überhitzung haben variiert werden. Besonderes Augenmerk gilt dem Vergleich von Lüftungsstrategien, unterschiedlichen Öffnungsgraden der Sekundärfassade, den Regelungsparametern des Sonnenschutzes, den in der Primär- und Sekundärfassade verwendeten Gläsern, der Speichermassenaktivierung und den internen Lasten. Nicht variiert wurde der Verglasungsanteil der Primärfassade, da im Gebäudebestand der 1960er und 1970er Jahre Brüstungs- und Sturzbereiche fast ausschließlich opak ausgebildet wurden. In Sommerauswertungen sollen die Grenzen der freien Kühlung mit einem passiven Doppelfassadensystem bestimmt und der Vergleich mit Fassadensanierungsvarianten hergestellt werden. Mit dem Datensatz des Rekordsommers 2003 kann außerdem ein Vergleich mit dem üblicherweise für Simulationen verwendeten Datensatz des Test-Reference-Year und die Auswirkungen auf die Kombination optimaler Parameter zur Gewährleistung des sommerlichen Überhitzungsschutzes erstellt werden. Schließlich soll in einer Jahreswärmebilanz das Einsparpotenzial unterschiedlicher Sanierungsvarianten aufgezeigt werden. 128 6.1 Kapitel 6 Demonstrationsdoppelfassade thermische Simulation Validierung Im Folgenden werden zunächst das Simulationsmodell und dessen Randbedingungen sowie anschließend der Abgleich mit den Messwerten beschrieben. 6.1.1 Datensatz und Simulationsmodell Zur Modellvalidierung wurde das Simulationsprogramm Bsim 2002 in der Version 3,4,1,28, entwickelt vom Danish Building Research Institute, verwendet. Validiert wird das thermische Verhalten des 4. OG, da es sich um den Messraum mit kontrollierten internen Lasten und Lüftungszeiten ohne Nutzereinfluss handelt. Die Messergebnisse der 3-wöchige Messperiode vom 01. bis 21. Juli 2003 in der Stellung 10/10/10/10 I werden mit den Simulationsergebnissen verglichen. Als Wetterdaten stehen in stündlichen Mittelwerten auf die Sommerzeit (UTC+1) abgestimmt vom 01.06. bis 31.08.2003 zur Verfügung: aus eigenen Messwerten die Außentemperatur am Gebäude, um das lokale Mikroklima (vgl. Kapitel 5.1, Witterungsvergleich) zu berücksichtigen Wetterdaten der Station Braunschweig Völkenrode des DWD die horizontale Global- und Diffusstrahlung der Bedeckungsgrad die relative Außenfeuchte die Windrichtung und Geschwindigkeit Die Randbedingungen des zur Validierung benützten Modells sind in Tabelle 54 aufgelistet. Das 3. und 4. OG sind als eigene thermische Zonen abgebildet, ebenso das Bestandsbüro im 5. OG. Die an die thermischen Zonen angrenzenden Räume erhalten die Temperatur der jeweiligen Zone. 1A West Fassade Büro Verglasung außen LW im ZWR Kühlung Lüftung Infiltration Personen Interne Gewinne Sonnenschutz Wärmeschutzverglasung WSV, U - Wert 1,1 W/m²K, g - Wert 0,57, RMG 2.2, Brüstungspaneel U - Wert 0,5 W/m²K, Stütze U - Wert 2,6 W/m²K ESG 10 mm, U - Wert 5,8 W/m²K, g - Wert 0,8 -1 65 h entsprechend einer 10° Klappenstellung -1 Nachtlüftung 6,5 h Sommer Mo - Fr 17 - 8 Uhr und Sa - So 0 - 24 Uhr -1 natürliche Lüftung über Doppelfassade Sommer Mo - Fr 8 - 17 Uhr n = 2 h ; -1 durchgehend 0,15 h 1 Person, Mo - Fr 8 - 12 und 13 - 17 Uhr, 80 W 10,6 W/m² Mo - Fr 24h, 8,7 W/m² Sa - So 24h Sonnenschutz in der Doppelfassade mit einem FC - Wert von 0,1 wirksam ab einer Einstrahlung von 120 W/m² Tabelle 54: Randbedingungen des Simulationsmodells 1A 6.1.2 Abgleich mit den Messwerten Zum Abgleich des solaren Eintrags in den Büroraum des 4. OG wurden die Regelungseinstellungen des Simulationsmodells für das Auslösen des Sonnenschutzes im Fassadenzwischenraum auf die Sonnenschutzpositionen aus den Messwerten abgestimmt. Abb. 121 zeigt in der Summe der Stundenmittelwerte eine Übereinstimmung von 90 % für den betrachteten Zeitraum vom 01. bis 21. Juli 2003. Die Auslöseschwelle wurde dabei in der Simulation mit 120 W/m² angesetzt, der Abminderungsfaktor FC des Sonnenschutzes mit 0,1 den Messwerten entsprechend. In der Demonstrations- Kapitel 6 Demonstrationsdoppelfassade thermische Simulation 129 fassade wurde der Sonnenschutz bei einer Einstrahlung von mehr als 150 W/m² aktiviert, der Nutzereingriff übersteuerte die Regelung für die Dauer einer Stunde. Vergleich der Sonnenschutzpositionen 1. - 21. Juli 2003 100 Öffnungsgrad [%] 80 60 40 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Sonnenschutzpositionen Messw erte Sonnenschutzpositionen Simulation Abb. 121: Vergleich der Aktivierung des Sonnenschutzes: Messwerte und Simulation Der Vergleich der Einstrahlung auf die Sekundärfassade, sowie in den Fassadenzwischenraum weist eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den Messwerten und den Ergebnissen der Simulation auf (s. Abb. 122). Der Gesamtstrahlungseintrag in den Büroraum beträgt im Messzeitraum in der Simulation 186 Wh/m²d, in der Messung 167 Wh/m²d bezogen auf den m² Bürogrundfläche. Globalstrahlungsvergleich West 1. - 21. Juli 2003 700 Globalstrahlung [W/m²] 600 500 400 300 200 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 außen West Messw erte außen West Simulation ZWR West Simulation ZWR West Messw erte Abb. 122: Vergleich der Globalstrahlungen West: Messwerte und Simulation außen und im ZWR Der Vergleich der Zwischenraum- und der Raumtemperaturen zeigt insbesondere für den Büroraum (s. Abbildung Abb. 123) eine sehr gute Übereinstimmung mit den Messwerten. Ausgeschlossen wurden die grau unterlegten Tage mit Ostwind, an denen sich die Strömungsrichtung im Gebäude umkehrt, die Doppelfassade durch die 130 Kapitel 6 Demonstrationsdoppelfassade thermische Simulation Querlüftung zur Abluftfassade wird und daher deutlich geringere gemessene Temperaturen im Büroraum und im Fassadenzwischenraum auftreten. Temperaturvergleich Büroraum 1. - 21. Juli 2003 32 1000 30 Temperatur [°C] 28 800 26 24 600 22 20 400 18 16 200 14 12 Windrichtung [deg] Windspeed 20 * [m/s] 34 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Büro 4.OG Messw erte Büro 4. OG Simulation Windrichtung Windgeschw indigkeit 18 19 Abb. 123: Vergleich der Raumtemperaturen, orange 24-stündige Querlüftung am Wochenende Zur Modellvalidierung wurde auch die Auswirkung eines reduzierten Luftwechsels im Fassadenzwischenraum auf die Zwischenraum- und Raumtemperaturen mit den Messwerten verglichen (s. auch Kapitel 5.3, Fassadenzwischenraum und 5.4.3, Öffnungsgrößen). Die Reduzierung der Luftwechselrate von 65 auf 20 h-1, einer Klappenstellung von 5° entsprechend, erhöht die Zwischenraumtemperaturen um im Mittel fast 1 K über den gesamten Außentemperaturbereich. Die mittlere Raumtemperatur erhöht sich dadurch um ca. 0,5 K. Diese Temperaturentwicklung entspricht den Messergebnissen. Aufgetragen als Summenhäufigkeit der absoluten Abweichung von den Messwerten ergeben sich im Büroraum Abweichungen von 1 K bis maximal 2 K an weniger als 20 % der Stunden und im Fassadenzwischenraum von 1 K bis maximal 3,5 K an weniger als 30 % der Stunden, wie Abb. 124 zeigt. Die Differenzen im Fassadenzwischenraum resultieren aus den dort oft geringeren Tagesspitzentemperaturen an strahlungsreichen Tagen im Simulationsmodell. Der Einfluss auf die Raumtemperatur ist gering, da sich Differenzen von mehr als 2 K nur an wenigen Stunden am späten Nachmittag einstellen, die, sofern sie nicht außerhalb der Arbeitszeit liegen, nur mit einem ca. 2-fachen Luftwechsel Einfluss auf die Raumtemperatur haben. Die Mittelwerte der Lufttemperaturen im Fassadenzwischenraum liegen um 0,4 K unter den Messwerten, im Raum sind die Mittelwerte nahezu gleich. Kapitel 6 Demonstrationsdoppelfassade thermische Simulation 131 Summenhäufigkeit der absoluten Abweichung 100% 90% Summenhäufigkeit [%] 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Abw eichung vom Messw ert [K] Fassadenzw ischenraum 4. OG 3 3,5 4 Büro 4.OG Abb. 124: Summenhäufigkeit der Abweichung vom Messwert Die Wärmebilanz für den Büroraum ergibt eine sehr gute Übereinstimmung mit den Messwerten (s. Abb. 125). Dieser Abgleich zeigt, dass alle Parameter mit sehr hoher Genauigkeit abgebildet werden können. Allein die Varianz der Luftwechselraten der stichprobenartigen Messungen sowohl für den Luftwechsel aus einseitiger Lüftung am Tage wie auch aus Querlüftung in der Nacht kann im Modell nicht abgebildet werden. Das hohe Maß der Übereinstimmung der Raumlufttemperaturentwicklung rechtfertigt jedoch die Annahme eines konstanten mittleren Luftwechsels. Vergleich Wärmebilanz im Referenzraum 300 Wärmemenge [Wh/m²d] 200 100 0 -100 -200 -300 -400 interne Lasten Solarstrahlung Lüftung Transmission Simulation 259 186 -329 -119 Messung 259 167 -305 -111 Abb. 125: Wärmebilanz je m² Bürogrundfläche, Vergleich mit den Messwerten im Zeitraum der Validierung Das Modell wurde schließlich um ein winterliches Lüftungs-, ein Kunstlicht- und ein Heizungsprofil ergänzt. Die sich in der Simulation in der Winternacht einstellenden Lufttemperaturen im Fassadenzwischenraum decken sich für den angenommenen 132 Kapitel 6 Demonstrationsdoppelfassade thermische Simulation 65-fachen Luftwechsel im Fassadenzwischenraum mit den Messergebnissen aus Abb. 115. Somit konnte das Modell auch für den winterlichen Betriebsfall validiert werden. 6.2 Variantenvergleich Auf der Grundlage des validierten Simulationsmodells werden im Folgenden unterschiedliche Sanierungsvarianten mit Bsim 2002 Version 3,4,7,8 vom einfachen Primärfassadensystem bis zum vollständig neuen Doppelfassadensystem und die Bestandsfassade miteinander verglichen. Die Basisvarianten mit der Ziffer 2 beschreiben jeweils einen Büroraum auf der Südwest orientierten Hauptfassade des Gebäudes: Variante 2A: Doppelfassade vor der sanierten Primärfassade Variante 2B: Bestandsfassade Variante 2C: Neue Primärfassade mit innenliegendem Sonnenschutz Variante 2D: Neue Primärfassade mit außenliegendem Sonnenschutz Variante 2E: Doppelfassade vor einer neuen Primärfassade Die wesentlichen Randbedingungen werden auf der Grundlage dieser Basisvarianten mit der Ziffer 3 - Lüftungsstrategie -, der Ziffer 4 - Öffnungsgrad der Sekundärfassade -, der Ziffer 5 - Einschaltschwelle des Sonnenschutzes -, der Ziffer 6 - in den Fassaden verwendete Gläser, der Ziffer 7 – Speichermassenaktivierung -, der Ziffer 8 - interne Lasten - und der Ziffer 9 - Vergleich der Jahreswärmebilanz - variiert und miteinander verglichen. Die Basisvariante 2A wird schließlich zur Untersuchung des Einflusses der Ausrichtung für die Süd- und Westseite ausgewertet. Eine Kurzübersicht über die Modellvarianten und die verwendeten Kurzbezeichnungen gibt Tabelle 55. Eine ausführliche Beschreibung der Modellvarianten befindet sich im Anhang Tab. 5. Das instationäre thermische Verhalten wird mit zwei Datensätzen simuliert: mit dem in der Modellvalidierung beschriebenen und verwendeten Datensatz für den Sommer 2003 (s. Kapitel 6.1.1; im Datensatze des DWD der Wetterstation Braunschweig Völkenrode wurden als Außenlufttemperaturen die Messwerte vor der Demonstrationsfassade eingesetzt) und den Testreferenz - Wetterdaten für Hannover (TRY 02). Die Auswertung umfasst die Bewertung der sommerlichen Komfortbedingungen als anteilige Überhitzungsstunden während der Betriebszeit. Ziel ist es, die Einflussgrößen wesentlicher Randbedingungen und deren Kombinationen in Bezug auf den sommerlichen Überhitzungsschutz miteinander zu vergleichen und zu bewerten. Auf der Grundlage des validierten Simulationsmodells soll so eine optimale Kombination u.a. der Lüftungsstrategie, des Bauteilaufbaus, der Regelungsstrategie des Sonnenschutzes und der Speichermassenaktivierung in Abhängigkeit von der Größe der internen Lasten abgeleitet werden. Diese Optimierung wird für unterschiedliche Sanierungsvarianten durchgeführt. Im direkten Vergleich der Simulationsergebnisse der beiden verwendeten Datensätze sollen auch die üblicherweise verwendeten Bewertungskriterien zur sommerlichen Überhitzung auf der Grundlage von Test Reference Years bewertet werden. Die Jahreswärmebilanz schließlich, berechnet auf der Grundlage des TRY 02, zeigt das Einsparpotenzial der unter sommerlichen Bedingungen optimierten Doppelfassade im Vergleich zum Bestand und den Sanierungsvarianten auf. Kapitel 6 Demonstrationsdoppelfassade thermische Simulation 2A Basis Südwest 133 Doppelfassade vor sanierter Primärfassade, nächtliche Querlüftung 6,5-fach 2B Bestand innenliegender Sonnenschutz 2C Neue Primärfassade innenliegender Sonnenschutz, nächtliche Querlüftung 6,5-fach 2D Neue Primärfassade außenliegender Sonnenschutz, nächtliche Querlüftung 6,5-fach 2E Doppelfassade vor neuer Primärfassade, nächtliche Querlüftung 6,5-fach 3A1 Einseitige Nachtlüftung 2-fach (aus 2 A) 3A2 Lüftung Keine Nachtlüftung (aus 2 A) 3 A 3* Einseitige Nachtlüftung, erweiterter temperaturabhängiger Regelungsbereich (aus 2 A) 3 A 4* Nächtliche Querlüftung, erweiterter temperaturabhängiger Regelungsbereich 3 A 5* 7 Tage 24-h Querlüftung (aus 3 A 4) 3 A 6* 7 Tage 24-h keine Lüftung (aus 3 A 2) 3C1 Einseitige Nachtlüftung 2-fach (aus 2 C) 3C2 Keine Nachtlüftung (aus 2 C) (aus 2 A) 3D1 Einseitige Nachtlüftung 2-fach (aus 2 D) 3D2 Keine Nachtlüftung (aus 2 D) 4A1 Öffnungsgrad 4A2 5A1 Sonnenschutz 5A2 6A1 Glas Sekundärfassade Klappenstellung 5°, LW im Fassadenzwischenraum 20 h-1 (aus 2 A) Sekundärfassade Klappenstellung 30°, LW im Fassadenzwischenraum 100 h-1 (aus 2 A) Einschaltschwelle 180 W/m² (aus 2 A) Einschaltschwelle 250 W/m² (aus 2 A) Primärfassade IPASOL 66/34 (aus 2 A) Sekundärfassade ESG grün 62/48 (aus 2 A) Ohne abgehängte Decke (aus 2 A) 7C1 Ohne abgehängte Decke (aus 2 C) 7D1 Ohne abgehängte Decke (aus 2 D) 6A2 7A1 8A1 Speicher Arbeitshilfen 8A2 9 A 1** Wärmebilanz Reduziert auf 50 W/Person (aus 3 A 1) Erhöht auf 250 W/Person (aus 7 A 1) Einschaltschwelle im Winter 250 W/m² 9 C 1** Sanierte Primärfassade * nur Simulation Sommer 2003 ** nur Jahressimulation TRY 02 (aus 2 A) (aus 2 C) Tabelle 55: Kurzübersicht der Modellvarianten 6.2.1 Randbedingungen Als Basisvariante 2 wird ein einseitig belichtetes Standardbüro auf der Südwestseite der Hauptfassade des Gebäudes abgebildet. Die Geometrie der Basisvariante 2A ist vereinfacht in Abb. 126 dargestellt. Als Standardarbeitszeit werden 11 h/d von 7:00 bis 18:00 Uhr angenommen. Die mittlere interne Wärmelast beträgt 180 Wh/m²d. Sie geht von einem hohen Technisierungsgrad von 150 W/Person an 9 h/d von 8:00 bis 17:00 Uhr und einer Arbeitsplatzdichte je Person von 15 m²NF/Person aus. Die übrige Zeit und am Wochenende werden 50 W/Person angesetzt. Die interne Wärmelast wird für einen geringen und überdurchschnittlichen Technisierungsgrad von 50 bzw. 250 W/Person entsprechend 90 bzw. 275 Wh/m²d variiert. Die Heizgrenztemperatur wird mit 15 °C Außentemperatur angenommen, die Heizperiode von September bis Mai. Die operative 134 Kapitel 6 Demonstrationsdoppelfassade thermische Simulation Raumtemperatur wird mit 21 °C während der Betriebszeit und einer Nacht- von 18:00 bis 7:00 Uhr und Wochenendabsenkung auf 17 °C angenommen. Die installierte Heizleistung beträgt 300 W/lfdm Fassade. thermische Zonen: 4. OG Büro 4. OG Doppelfassade Abb. 126: Modellgeometrie des Basis-Simulationsmodells 2A Die Lüftungsstrategie unterscheidet am Tag in den Basisvarianten zwischen den Fassadensystemen. Es kann wie die Umfrageergebnisse zeigen, davon ausgegangen werden, dass ein Nutzer sein Lüftungsverhalten den sich einstellenden Raumtemperaturen anpasst. Wochenweise wurden so Lüftungsprofile erstellt, die einen 2-fachen Luftwechsel mit einseitiger Lüftung während der Nutzungszeit ansetzen, wenn die Raumtemperaturen 25 °C überschreiten. Dieser 2-fache Luftwechsel entspricht dem Mittelwert der stichprobenartigen Messungen im Sommer 2003. So ist z.B. für die Varianten mit neuer Primärfassade schon im Frühjahr und Herbst ein 2-facher Luftwechsel sinnvoll, da die Strahlungseinträge nicht durch entsprechende Transmissionsverluste ausgeglichen werden können. Aufgrund der zur Verfügung stehenden großen Temperaturdifferenz können die Wärmeeinträge bereits mit einseitiger Lüftung abgelüftet werden, ohne gleichzeitig die Heizgrenztemperatur zu unterschreiten. In der übrigen Zeit wird der erforderliche Luftvolumenstrom mit 30 m³/Person während 8 h/d angenommen. Eine manuelle Nachtlüftung müsste für jede Variante individuell angepasst werden, da unterschiedliche Raumtemperaturniveaus in den einzelnen Modellen zu erwarten sind. Es wird daher ein automatisiertes Nachtlüftungsprofil von Mai bis September in den Kalenderwochen 19 bis 40 eingesetzt, um einen Vergleich der einzelnen Varianten untereinander zu gewährleisten. Als Auslöseschwelle wird eine Raumlufttemperatur von 25 °C angenommen, da davon ausgegangen werden kann, dass ein Nutzer diese Raumtemperatur als Überhitzung empfindet und die Nachtlüftung aktiviert. Für die nächtliche Querlüftung ist eine Nachtamplitude im Büroraum von ca. 5 K erreichbar, so dass eine Auskühlung bis 20 °C eine sehr gute Ausnutzung des Kühlpotenzials beschreibt. Für die einseitige Lüftung liegt die mittlere Nachamplitude bei ca. 3 K, so dass eine Auskühlung bis 22 °C diese Lüftungsstrategie sehr gut beschreibt. Dies gilt für alle Varianten mit abgehängter Decke. Die Varianten mit freigelegter Decke weisen bei nächtlicher Querlüftung aufgrund der höheren Dämpfung eine mittlere Amplitude von Kapitel 6 Demonstrationsdoppelfassade thermische Simulation 135 4 K auf, so dass eine Auskühlung bis 21 °C die manuelle Lüftungsstrategie sehr gut beschreibt. Die Vollaststunden des Kunstlichts betragen 1000 h/a im Bestand (8:00 bis 12:00 Uhr und 13:00 bis 17:00 Uhr von Oktober bis März) und 650 h/a nach der Sanierung (8:00 bis 10:00 Uhr und 14:00 bis 17:00 Uhr von Oktober bis März). Die neue Primärfassade wird als Aluminium Pfosten-Riegel Konstruktion mit einem UW=1,4 W/m²K angenommen. Der Glasflächenanteil im 4,5 m tiefen Basisbüro beträgt 46,5 %, der Rahmenanteil wurde aus den Maßen der Bestandsfassade mit 25 % angesetzt. Die Randbedingungen der Basisvariante 2A sind vereinfacht in tabellarischer Übersicht in Tabelle 56 dargestellt. 2A SW Fassade Büro Verglasung außen LW im ZWR Heizung Kühlung Lüftung Infiltration Personen Arbeitshilfen Beleuchtung Sonnenschutz Wärmeschutzverglasung WSV, U - Wert 1,1 W/m²K, g - Wert 0,57, RMG 2.2; Brüstungspaneel U - Wert 0,5 W/m²K, Stütze U - Wert 0,65 W/m²K ESG 10mm, U - Wert 5,8 W/m²K, g - Wert 0,8 -1 65 h entsprechend einer 10° Klappenstellung TO* TO* Soll - Raumtemperatur Sept. bis Mai Mo - Fr 7 - 18 Uhr 21 °C , sonst 17 °C -1 Nachtlüftung 6,5 h , automatisiert Mai - Sept. Mo - Fr 17 - 8 Uhr und Sa - So 0 24 Uhr ab einer Raumtemperatur >25 °C, Auskühlung bis 20 °C wenn ϑa+1<ϑi -1 Natürliche Lüftung über Doppelfassade; KW 23 - 36 Mo - Fr 8 - 17 Uhr n = 2 h ; sonst Mo - Fr 8 - 12 und 13 - 17 Uhr 30 m³/Person -1 Durchgehend 0,15 h Arbeitsplatzdichte 15 m²HNF/Person, Mo - Fr 8 - 12 und 13 - 17 Uhr 150 W/Person Mo - Fr 8 - 17 Uhr, sonst 50 W/Person Nennbeleuchtungsstärke 500 lx, zweireihig abgependelt manuell, installierte Lampenleistung 11 W/m², 650 Vollaststunden Sonnenschutz in der Doppelfassade mit einem FC - Wert von 0,1 wirksam ab einer Einstrahlung von 120 W/m² * OP operative Raumtemperatur Tabelle 56: Randbedingungen des Basis-Simulationsmodells 2A 6.2.2 Sommerliche Überhitzung Datensatz Sommer 2003 Um das sommerliche Verhalten der Sanierungsvarianten untereinander zu vergleichen, wird zunächst der als Rekordsommer geltende Sommer 2003 betrachtet. Für die beschriebenen Varianten werden die Überhitzungsanteile während der Betriebszeit im Sommer für Außentemperaturen von mehr als 26 °C und die maximalen Raumtemperaturen, wie in Abb. 127 und 129 dargestellt, berechnet. Die Außentemperatur selbst beträgt maximal 37,9 °C und weist einen Überhitzungsanteil von 29,5 % auf. Ziel ist es zum einen, die Anzahl der sommerlichen Überhitzungsstunden zu begrenzen und bei hohem Außentemperaturniveau möglichst hohe Untertemperaturen im Raum zu erreichen. Zum anderen soll die Raumtemperatur auf einen Maximalwert begrenzt werden. Die Modellvarianten, die die sommerliche Überhitzung auf ein sinnvolles Maß begrenzen, erreichen Maximaltemperaturen von ca. 32 °C bis 34 °C und liegen damit um mehr als 4 K unter der maximalen Außentemperatur. Der Überhitzungsanteil sollte mit ca. 34 bis 40 % um nicht mehr als 10 % über dem der Außenluft liegen. Farbig hervorgehoben sind in der Übersicht die Basisvarianten zum Vergleich mit dem rot dargestellten Gebäudebestand (2B). Die Doppelfassade vor der sanierten Primärfassade ist grün (2A) und cyan (7A1) mit aktivierten Speichermassen dargestellt, ocker die neue Primärfassade mit innenliegendem Sonnenschutz (2C), gelb die neue Primärfassade mit außenliegendem Sonnenschutz (2D) und blau die Doppelfassade vor einer neuen Primärfassade (2E). 136 Kapitel 6 Demonstrationsdoppelfassade thermische Simulation Sommer 2003 maximale Temperaturen [°C Betriebszeit] 44 40 40 39 39 38 Temperatur [°C] 38 38 37 36 36 36 35 35 34 34 34 33 34 34 33 35 34 34 33 33 33 33 33 33 33 32 32 8A2 8A1 7D1 7C1 7A1 6A2 6A1 5A2 5A1 4A2 4A1 3D2 3D1 3C2 3C1 3A4 3A3 3A2 2E 3A1 2D 2B 2C 2A Außen 32 Varianten Abb. 127: Variantenvergleich maximaler Raumtemperaturen im Sommer 2003 Sommer 2003 Überhitzungsanteile [% >26°C Betriebszeit] 100 100 90 84 77 80 62 50 50 30 46 46 40 37 53 53 38 36 33 30 43 36 32 34 6A2 57 60 6A1 Überhitzung [%] 70 40 100 93 35 39 44 20 10 8A2 8A1 7D1 7A1 7C1 5A2 5A1 4A2 4A1 3D2 3D1 3C2 3C1 3A4 3A3 3A2 3A1 2E 2D 2C 2B 2A Außen 0 Varianten Abb. 128: Variantenvergleich der Überhitzungsstunden >26° im Sommer 2003 Im Folgenden werden die Optimierungsmöglichkeiten dieser Basisvarianten durch die Veränderung einzelner Randbedingungen näher beschrieben. Vergleich der Fassadensanierungsvarianten Eine nächtliche Querlüftung, die Stellmotoren an den Fenstern erfordert, ist für die Sanierungsvarianten mit neuen, einfachen Primärfassaden mit innen- (vgl. 2C nächtliche Querlüftung, 3C1 einseitige Nachtlüftung, 3C2 keine Nachtlüftung) oder außenliegendem (vgl. Abb. 127 und 128, 2D nächtliche Querlüftung, 3D1 einseitige Nachtlüftung, 3D2 keine Nachtlüftung) Sonnenschutz unverzichtbar. Bei innenliegendem Sonnenschutz muss zudem auf eine abgehängte Decke vollständig verzichtet Kapitel 6 Demonstrationsdoppelfassade thermische Simulation 137 werden (7C1), um die Raumtemperaturen nicht über 34 °C bei einem Überhitzungsanteil von 43 % ansteigen zu lassen. Diese Variante erreicht die Grenzen passiver Kühlung. Die Tagestemperaturspitzen der Einfachfassade mit außenliegendem Sonnenschutz (2D) liegen in der wärmsten Woche geringfügig, diejenigen der Einfachfassade mit innenliegendem Sonnenschutz (2C) mehr als 3 K über Werten für die Basisvariante 2A (s. Abb. 129). Fast kein Unterschied bezüglich der sommerlichen Überhitzung weder im Hinblick auf die maximalen Raumtemperaturen noch bezüglich der Überhitzungsanteile besteht zwischen der Doppelfassade vor einer sanierten Primärfassade (Basisvariante 2A) und vor einer neuen Primärfassade (2E). 40 800 35 700 30 600 25 500 20 400 15 300 10 200 5 100 0 4.8. Globalstrahlung [W/m²] Temperaturen [°C] / Luftwechsel [h-1] KW 32 2003 Vergleich der Fassadensanierungsvarianten 0 5.8. 6.8. 7.8. 8.8. 9.8. 10.8. 2A 2C 2D Außentemperatur 2 A Luftw echsel 2 C Luftw echsel 2 D Luftw echsel Globalstrahlung West Abb. 129: Vergleich der Sanierungsvarianten in der wärmsten Sommerwoche Lüftungsstrategie Auch für die Doppelfassade vor der sanierten Primärfassade ist eine nächtliche Querlüftung unverzichtbar (vgl. Abb. 127, 128 und Abb. 130, 2A nächtliche Querlüftung, 3A1 einseitige Nachtlüftung, 3A2 keine Nachtlüftung). Mit nächtlicher Querlüftung beträgt bei einer maximalen Raumtemperatur von 33 °C der Überhitzungsanteil 37 %. Die einseitige nächtliche Lüftung ist mit einem Überhitzungsanteil von 57 % für die Begrenzung der sommerlichen Überhitzung ungeeignet. Im Vergleich dieser beiden Lüftungsstrategien zeigt sich der sehr große Einfluss des Nutzerverhaltens bei nicht automatisierten Lüftungseinrichtungen. Die Differenz der sommerlichen Überhitzungsanteile liegt bei ca. 20 %. Erst eine Reduzierung der internen Lasten aus Arbeitsmitteln auf 50 W/Person (vgl. 8A1) begrenzt den Überhitzungsanteil im Raum bei einseitiger Nachtlüftung auf 39 %. Dies entspricht einer Halbierung der internen Lasten im Vergleich zur Basisvariante 2A von 180 auf 90 Wh/m²d, erreicht durch energiesparendsten Geräteeinsatz und geringsten Stand-by Verbräuchen oder bei Sondernutzungen (s. Abb. 130). Kapitel 6 Demonstrationsdoppelfassade thermische Simulation KW 32 2003 Vergleich einseitige- und nächliche Querlüftung Temperaturen [°C] / Luftwechsel [h-1] 40 800 35 700 30 600 25 500 20 400 15 300 10 200 5 100 0 Globalstrahlung [W/m²] 138 0 1 25 49 73 97 121 145 2A 3A1 8A1 Außentemperatur 2 A Luftw echsel 3 A 1 Luftw echsel 8 A 1 Luftw echsel Globalstrahlung West Abb. 130: Vergleich von einseitiger und nächtlicher Querlüftung in der wärmsten Sommerwoche Zur Bestimmung einer Wochenendlüftungsstrategie werden die Varianten für keine, einseitige Dauerlüftung sowie Dauerquerlüftung in der wärmsten Sommerwoche miteinander verglichen (s. Abb. 131 und Kapitel 5.4.2, Zusammenfassung). Die Tageshöchsttemperaturen der 24-stündigen Querlüftung (3A5) liegen unter den Temperaturen der einseitigen 24-stündigen Lüftung (3A3). Die größere Tagesamplitude der Querlüftungsstrategie von 6 bis 7 K sorgt für die zu Beginn der Betriebszeit angenehmeren Raumtemperaturen. Als Wochenendlüftungsstrategie wird dem Nutzer daher für warme Sommertage eine 24-stündige Querlüftung empfohlen. KW 32 2003 Vergleich keine, einseitige- und Dauerquerlüftung 800 35 700 30 600 25 500 20 400 15 300 10 200 5 100 0 4.8. Globalstrahlung [W/m²] Temperaturen [°C] / Luftwechsel [h-1] 40 0 5.8. 6.8. 7.8. 8.8. 9.8. 10.8. 3A3 3A5 3A6 Außentemperatur 3 A 3 Luftw echsel 3 A 5 Luftw echsel 3 A 6 Luftw echsel Globalstrahlung West Abb. 131: Vergleich unterschiedlicher Lüftungsstrategien in der wärmsten Sommerwoche Im Abgleich mit den Messergebnissen zeigt die 24-stündige Querlüftung (3A5) auch in der Simulation gegenüber der nächtlichen Querlüftung (2A) eine um bis zu 1 K höhere Kapitel 6 Demonstrationsdoppelfassade thermische Simulation 139 Spitzentemperatur am Tag (s. Kapitel 5.4.2, Lüftungsstrategie). Die Raumtemperaturen gleichen sich jedoch im Verlauf der Nacht wieder einander an. Öffnungsgrad Sekundärfassade Die Basisvariante 2A bildet mit einem Luftwechsel von 65 h-1 die Demonstrationsfassade in einer Klappenstellung von 10° ab. Die Fassadenzwischenraumtemperaturen der Basisvariante 2A gleichen sich der Außentemperatur ab ca. 30 °C an (s. Abb. 137). Dies entspricht den in Kapitel 5.4.1 beschriebenen Ergebnissen der Temperaturmessungen im Fassadenzwischenraum. Der Öffnungsgrad der Sekundärfassade wird für eine Klappenstellung von 5° mit einem 20-fachen Luftwechsel im ZWR (4A1) und für eine Klappenstellung von 30° mit einem 100-fachen Luftwechsel im ZWR (4A2) variiert. Es zeigt sich in der Variante 4A1 eine deutliche Übertemperatur im Fassadenzwischenraum. Sie beträgt bis zu einer Außentemperatur von 30 °C im Mittel ca. 2 K. Diese Übertemperatur baut sich auch nachts nicht ab. Bei Außentemperaturen von mehr als 30 °C gleichen sich die Zwischenraumtemperaturen der Außentemperatur an. Der Einfluss auf die Raumtemperatur ist über den gesamten Außentemperaturbereich mit ca. 0,8 K deutlich geringer. Dies entspricht den Ergebnissen der Messungen in Kapitel 5.4.3 mit Übertemperaturen von 1,5 K im ZWR und einer Erhöhung des Raumtemperaturniveaus von 0,5 K als Ergebnis des Vergleichs der 5° mit der 10° Klappenstellung. Die Reduzierung des Luftwechsels im ZWR von 65 h-1 auf 20 h-1 erhöht den sommerlichen Überhitzungsanteil deutlich um 9 % auf 46 % aufgrund der um ca. 0,8 K höheren Raumtemperaturen. Die Erhöhung des Luftwechsels im ZWR von 65 h-1 auf 100 h-1 reduziert die sommerliche Überhitzung hingegen nur um gut ca. 1 %. Eine Reduzierung des Luftwechsels im ZWR von 65 h-1, einer Klappenstellung von 10° entsprechend, ist also auch nach den Ergebnissen der Simulation nicht sinnvoll. Sonnenschutz Die Auslöseschwelle des Sonnenschutzes sollte ca. 120 W/m² betragen, da der größere solare Eintrag schnell zu einer größeren Anzahl von Überhitzungsstunden führt. Die Variante 5A1 mit einer Auslöseschwelle von 180 W/m² erhöht die Anzahl der Überhitzungsstunden um 9 % auf 46 % im Vergleich zu Basisvariante 2A, die Variante 5A2 bei einer Auslöseschwelle von 250 W/m² sogar auf 53 %. Dieser Parameter ist zwar vor Ort einfach einzustellen und zu verändern, jedoch können ungenaue, verschmutzte oder falsch platzierte Sensoren zu erheblichen Abweichungen von der Planung führen. Empfehlenswert ist eine Kalibrierung der Fühler. Die Nutzerakzeptanz automatisierter Sonnenschutzsysteme als wichtiger Bestandteil der Umsetzung der Planungsziele setzt die Möglichkeit der Übersteuerung durch den Nutzer für einen ausreichenden Zeitraum voraus. Diese nur scheinbar einfache Planungsanforderung ist ein wesentlicher Bestandteil der Maßnahmen zur Reduzierung der sommerlichen Überhitzung. Bauteilvarianten Der Austausch der Wärmeschutzverglasung gegen eine Sonnenschutzverglasung (6A1) in der Primärfassade hat so gut wie keine Auswirkung auf das Raumtemperatur- 140 Kapitel 6 Demonstrationsdoppelfassade thermische Simulation niveau, da der vor der Primärfassade verbleibende Strahlungsanteil bei aktiviertem Sonnenschutz schon sehr gering ist (s. Kapitel 5.1, Externe Lasten). Die höheren Baukosten und die geringere Tageslichttransmission sprechen gegen den Einsatz einer Sonnenschutzverglasung. Die Reduzierung des g - Werts in der Sekundärfassade von 0,8 auf 0,48 durch den Einsatz von farbigem ESG z.B. „Interpane Planibel grün“ in der Variante 6A2 reduziert den Überhitzungsanteil auf nur noch 32 %. Das Raumtemperaturniveau liegt über den gesamten Außentemperaturbereich leicht unter den Werten der Basisvariante 2A (s. Abb. 132). Gleichzeitig wird allerdings auch die Tageslichttransmission von 87 % auf 62 % reduziert, so dass sich der Einsatzbereich auf mit ausreichend Tageslicht versorgte Büroräume beschränkt, die auch bei heruntergelassenem Sonnenschutz kein Kunstlicht benötigen. Nicht zuletzt ist der Einsatz eines grünen Glases auch eine gestalterische und städtebauliche Frage. 40 800 35 700 30 600 25 500 20 400 15 300 10 200 5 100 0 4.8. Globalstrahlung [W/m²] Temperaturen [°C] / Luftwechsel [h-1] KW 32 2003 Bauteilvergleich 0 5.8. 6.8. 7.8. 8.8. 9.8. 10.8. 2A 6A2 Außentemperatur 2 A Luftw echsel 6 A 2 Luftw echsel Globalstrahlung West Abb. 132: Bauteilvergleich mit der Basisvariante in der wärmsten Sommerwoche Speichermassenaktivierung Das Freilegen der Betondecke in der Variante 7A1 reduziert den sommerlichen Überhitzungsanteil gegenüber der Basisvariante 2A von 37 % auf nur noch 34 %. Die Reduzierung der Tagestemperaturamplitude um mindestens 1,5 K in der wärmsten Woche (s. Abb. 133) führt zu geringeren Tages- und höheren Nachttemperaturen. Die maximale Tagestemperatur beträgt während der Betriebszeit im Sommer nur 32 °C. Der Verzicht auf eine abgehängte Decke ist eine einfach zu realisierende Variante mit geringer sommerlicher Überhitzung. Die Sanierungsvarianten mit einfacher Primärfassade reduzieren mit dieser Maßnahme den Überhitzungsanteil von 50 % (2C) auf 43 % (7C1) bzw. von 40 % (2D) auf 35 % (7D1). Die Variante mit innenliegendem Sonnenschutz (7C1) bleibt aber trotz nächtlicher Querlüftung und Speichermassenaktivierung kritisch im Hinblick auf die sommerliche Überhitzung. Kapitel 6 Demonstrationsdoppelfassade thermische Simulation 141 40 800 35 700 30 600 25 500 20 400 15 300 10 200 5 100 0 4.8. Globalstrahlung [W/m²] Temperaturen [°C] / Luftwechsel [h-1] KW 32 2003 Vergleich Speichermassenaktivierung 0 5.8. 6.8. 7.8. 8.8. 9.8. 10.8. 2A 7A1 Außentemperatur 2 A Luftw echsel 7 A 1 Luftw echsel Globalstrahlung West Abb. 133: Vergleich der Speicheraktivierung mit der Basisvariante in der wärmsten Sommerwoche Interne Lasten Die Grenze passiver nachtgekühlter Systeme zeigt die Erhöhung der internen Lasten in der Variante mit freigelegten Speichermassen 7A1 auf. Sie wurden von 150 W/Person entsprechend 180 Wh/m²d auf 250 W/Person entsprechend 275 Wh/m²d in der Variante 8A2 erhöht und liegen damit in fast gleicher Größenordnung wie im Büroraum der Demonstrationsfassade. Dies führt erwartungsgemäß zu einer Erhöhung des Raumtemperaturniveaus und zu einer Steigerung des Überhitzungsanteils um 10 % auf 44 %. Eine Unterstützung durch aktive Kühlsysteme wird hier erforderlich sein. Im Variantenvergleich ist für die wärmste Sommerwoche in Abb. 134 auch die Doppelfassaden-Basisvariante 2A dargestellt. 40 800 35 700 30 600 25 500 20 400 15 300 10 200 5 100 0 Globalstrahlung [W/m²] Temperaturen [°C] / Luftwechsel [h-1] KW 32 2003 Vergleich interne Lasten 0 1 25 49 73 97 121 145 2A 7A1 8A2 Außentemperatur 2 A Luftw echsel 7 A 1 Luftw echsel 8 A 2 Luftw echsel Globalstrahlung West Abb. 134: Vergleich der internen Lasten mit der Basisvariante in der wärmsten Sommerwoche 142 Kapitel 6 Demonstrationsdoppelfassade thermische Simulation Orientierungsabhängigkeit Zur Überprüfung der auf der Grundlage der Messergebnisse in Kapitel 5.1, Externe Lasten getroffenen Annahme, dass der Strahlungseintrag im Raum orientierungsunabhängig ist, wurde das Modell 2A, Doppelfassade vor der sanierten Primärfassade, für eine Süd-, Südwest- und Westorientierung berechnet. Die Varianten unterscheiden sich von Süd nach West zunehmend um jeweils 1 % sommerlichen Überhitzungsanteil bei gleichbleibender maximaler Raumtemperatur von 33,5 °C. Der Überhitzungsanteil liegt bei 36 % für das südorientiert Büro und bei 38 % für das westorientiert Büro. Der solare Eintrag in den Raum steigt von Süd nach West um ca. 10 Wh/m²d. Zwar nimmt die außen anliegende Globalstrahlungssumme auf der Westseite wieder ab, jedoch hat der diffuse Strahlungsanteil am Vormittag einen höheren Anteil an der Strahlungssumme im Raum als der Eintrag bei aktiviertem Sonnenschutz. Die Orientierung der Räume ist also nur von untergeordneter Bedeutung (s. Abb. 135). Sommer 2003 Summenhäufigkeit Orientierung 38 36 34 Lufttemperatur [°C] 32 30 28 26 24 22 20 18 0% 10 % 20 % 30 % Außentemperatur 40 % 50 % 2 A Süd 60 % 70 % 2 A Südw est 80 % 90 % 100 % 2 A West Abb. 135: Vergleich der Summenhäufigkeit unterschiedlicher Orientierungen des Simulationsmodells Lokales Mikroklima Um die Auswirkung des lokalen Mikroklimas auf die Überhitzungsanteile aufzuzeigen, wurde die Variante 2A auch mit den Außentemperaturen der Wetterstation des DWD Braunschweig Völkenrode simuliert (s. Abb. 136). Die Außenlufttemperaturerhöhung aufgrund des lokalen Mikroklimas (s. Kapitel 5.1, Witterungsvergleich, Tabelle 48) führt zu einer Reduzierung des Außentemperaturüberhitzungsanteils von 29,5 % auf 23 % und im Büroraum von 37 % auf 25 %. Damit liegt der Überhitzungsanteil des Büroraums nur noch geringfügig über dem der Außentemperatur. Die Maximaltemperaturen sinken außen und im Büroraum um jeweils mehr als 2 K auf 35,5 °C Außenlufttemperatur und 31,2 °C Raumtemperatur. Die maximale Raumtemperatur bleibt damit für beide Datensätze um mehr als 4 K unter der Außentemperatur. Kapitel 6 Demonstrationsdoppelfassade thermische Simulation 143 Sommer 2003 Summenhäufigkeit lokales Mikroklima 38 36 34 Lufttemperatur [°C] 32 30 28 26 24 22 20 18 0% 10 % 20 % 30 % Außentemperatur 40 % 50 % Außen DWD 60 % 70 % 2 A Südw est 80 % 90 % 100 % 2 A SW DWD Abb. 136: Vergleich der Summenhäufigkeit unterschiedlicher Außentemperaturdatensätze Diese deutlichen Unterschiede zeigen, dass ein wichtiges Kriterium zur Bewertung der Ergebnisse einer thermischen Simulation die Berücksichtigung des lokalen, städtischen Mikroklimas ist. Prognosen über die zu erwartenden Raumtemperaturen erfordern einen der geografischen Situation entsprechenden Außentemperaturdatensatz. Zusammenfassung Die Doppelfassadenvarianten 2A und 2E eignen sich als Systeme mit freier Lüftung und passiver Nachtkühlung in der Hochhaussanierung zur Gewährleistung des sommerlichen Überhitzungsschutzes, wenn die internen Lasten ca. 180 Wh/m²d nicht überschreiten und eine nächtliche Querlüftung realisiert wird. Die zusätzliche Aktivierung von Speichermassen ist eine sinnvolle Optimierungsmöglichkeit. Die Überhitzungsanteile der Raumtemperaturen während der 11-stündigen Betriebszeit von mehr als 26 °C in der Sommermonaten liegen für diese Varianten zwischen 34 und 38 %. Die Raumtemperaturen überschreiten 33,5 °C nicht und liegen damit um 4,5 K unter der höchsten Außentemperatur. Eine einseitige Nachtlüftung kann mit Speichermassenaktivierung nur für Sondernutzungen mit geringem technischen Ausstattungsstandard bis zu internen Lasten von ca. 90 Wh/m²d (8A1) eingesetzt werden. Besondere Nutzungen mit internen Lasten von mehr als ca. 275 Wh/m²d (8A2) werden eine unterstützende Kühlung erfordern. Doppelfassaden stehen Einfach – Primärfassadensystemen mit außenliegendem Sonnenschutz, der an hohen Gebäuden meist nicht realisierbar ist (2D) nicht nach. Primärfassaden mit innenliegendem Sonnenschutz (2C) erreichen trotz nächtlicher Querlüftung und Speichermassenaktivierung die Grenze passiver nachtgekühlter Systeme. Die Simulationen bestätigen die Messergebnisse der Demonstrationsfassade: Klappenstellungen in der Sekundärfassade von weniger als 10° sind nicht sinnvoll, die ZWR Temperaturen gleichen sich der Außentemperatur ab ca. 30 °C an. Aufgrund der geringen Strahlungseinträge ist die Orientierung von untergeordneter Bedeutung. Eine 144 Kapitel 6 Demonstrationsdoppelfassade thermische Simulation Prognose der im Sommer zu erwartenden Raumtemperaturen kann nur unter Berücksichtigung des lokalen Mikroklimas erfolgen. Der Variantenvergleich zeigte, dass die Einschaltschwelle des Sonnenschutzes mit ca. 120 W/m² so gering wie möglich gewählt werden sollte. In der folgenden Abb. 137 sind die Raumtemperaturen der Doppelfassadenvarianten als Temperaturdifferenzen über der Außentemperatur mit linearen Trendlinien dargestellt. Maß für den sommerlichen Überhitzungsschutz ist die Außentemperaturgleiche, von der an die Raumtemperaturen unter der Außentemperatur liegen, und die Steigung der Trendlinie. Für die Variante 7A1 z.B. liegt diese Außentemperaturgleiche bei ca. 27 °C. Die größere Neigung der Trendlinie im Vergleich zu den Basisvarianten 2A und 2D ist in der durch die Speichermassenaktivierung hervorgerufenen kleineren Tagestemperaturamplitude begründet. Die Neigung beträgt 0,5 bis 1 K/°C. Sortierte Temperaturmittelwerte als Differenzen über der Außentemperatur Sommer 2003 4 Temperaturdifferenz [K] 2 0 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 -2 -4 -6 Außentemperatur [°C] ZWR 2 A 2A 2D 7A1 Abb. 137: sortierte Temperaturdifferenzen während der Betriebszeit im Sommer 2003 6.2.3 Sommerliche Überhitzung Datensatz Sommer TRY 02 Die Simulationsergebnisse für den Datensatz des Sommers 2003 werden im Folgenden den Ergebnissen gegenübergestellt, die mit dem üblicherweise für thermische Simulationen verwendeten Datensatz des TRY berechnet werden (s. auch Kapitel 5.1, Witterungsvergleich Tabelle 48). In den Abb. 138 und 139 sind in einer Variantenübersicht die maximalen Temperaturen und die Überhitzungsanteile dargestellt. Farbig hervorgehoben sind wie schon in der Auswertung für den Sommer 2003 die Basisvarianten zum Vergleich mit dem rot dargestellten Gebäudebestand (2B). Die mittleren monatlichen Außenlufttemperaturen des TRY liegen in den Sommermonaten um 4-5 K unter den am Gebäude gemessenen (vgl. Tabelle 48). Kapitel 6 Demonstrationsdoppelfassade thermische Simulation 145 TRY 02 Sommer maximale Temperaturen [°C Betriebszeit] 36 34 33 33 Temperatur [°C] 32 31 31 31 31 31 30 29 29 29 29 28 28 27 29 28 28 28 27 28 27 27 27 27 27 27 26 8A2 8A1 7D1 7C1 7A1 6A2 6A1 5A2 5A1 4A2 4A1 3D2 3D1 3C2 3C1 3A2 2E 3A1 2D 2C 2B 2A Außen 26 Varianten Abb. 138: Variantenvergleich maximaler Temperaturen Sommer TRY 02 Die Außenlufttemperatur des TRY 02 weist einen Überhitzungsanteil von 8 % und ein Temperaturmaximum von 31,2 °C auf. Die Ergebnisse des Sommers 2003 finden sich auch im TRY 02 auf niedrigerem Niveau wieder. Die Modellvarianten, die auch in diesem Fall die sommerliche Überhitzung auf ein sinnvolles Maß begrenzen, erreichen Maximaltemperaturen von ca. 26 °C bis 29 °C und liegen damit um mehr als 2 K unter der maximalen Außentemperatur. Wenn ihr Überhitzungsanteil mit bis zu 8 % den der Außentemperatur nicht überschreitet, gewährleisten sie gute sommerliche Komfortbedingungen. TRY 02 Sommer Überhitzungsanteile [% >26°C Betriebszeit] 29 28 30 89 68 27 Überhitzung [%] 25 20 17 14 15 11 10 8 8 6 4 5 9 8 7 9 6 4 3 4 3 1 0 8A2 8A1 7D1 7C1 7A1 6A2 6A1 5A2 5A1 4A2 4A1 3D2 3D1 3C2 3C1 3A2 3A1 2E 2D 2C 2B 2A Außen 0 Varianten Abb. 139: Variantenvergleich der Überhitzungsstunden >26° Sommer TRY 02 Die Doppelfassadenvarianten 2A und 2E eigenen sich wie zuvor bereits für den Datensatz des Sommers 2003 zur Gewährleistung des sommerlichen Überhitzungsschutzes. 146 Kapitel 6 Demonstrationsdoppelfassade thermische Simulation Dabei können sogar die Grenzen nach DIN 1946 fast zu jederzeit eingehalten werden (vgl. Abb. 140). Vergleich Sommer 2003 / TRY 02 40 Raumtemperatur [°C]] 35 30 25 20 15 15 20 25 30 35 40 Außentemperatur [°C] 2 A Sommer 2003 2 A TRY 02 Grenzen nach DIN 1946 Temperaturgleiche Abb. 140: Vergleich der Basisvariante 2A für die über Außentemperatur sortieren Temperaturwerte während der Betriebszeit in den Sommermonaten Die Speichermassenaktivierung ist wiederum eine sinnvolle Optimierung. Auch hier steht die Doppelfassade einem einfachen Primärfassadesystem mit außenliegendem Sonnenschutz in Variante 2D nicht nach. Die Vergleiche bezüglich des Öffnungsgrads der Sekundärfassade, des Sonnenschutzschwellwerts und der Bauteilvarianten zeigen die gleichen Veränderungen auf geringerem Niveau. Die Zwischenraumtemperatur gleicht sich auch im TRY 02 ab ca. 30 °C der Außentemperatur an. Bei Außentemperaturen von mehr als 25 °C bis 26 °C liegen die Raumtemperaturen unter dieser; die Temperaturgleiche liegt um 2 K unter den Ergebnissen des Sommers 2003. Aufgrund des geringen Außentemperaturniveaus ist der Anteil der Transmissionswärmeverluste an der Wärmebilanz jedoch um mehr als das Doppelte gestiegen. Die solaren Gewinne und die internen Lasten entsprechen denen des Sommers 2003. Das hat zur Folge, dass Varianten, die im Sommer 2003 den Überhitzungsschutz mit freier Lüftung und passiver Kühlung nicht gewährleisten konnten, in einem mäßig warmen Sommer beherrschbar scheinen. So ist z.B. die Nachtlüftungsstrategie von geringerem Einfluss, d.h. die Luftwechselrate kann reduziert werden. In einem mäßig warmen Sommer kann auch eine einseitige nächtliche Dauerlüftung in der Variante 3A1 bei einem Überhitzungsanteil von 7 % komfortable Raumtemperaturen sicherstellen. Alternativ können auch höhere interne Lasten von bis zu 275 Wh/m²d wie in der Variante 8A2 bei einem Überhitzungsanteil von 6 % abgeführt werden. Auch die einfache Primärfassade mit innenliegendem Sonnenschutz scheint in der Variante 7C1 mit nächtlicher Querlüftung und Speicheraktivierung bei einem Überhitzungsanteil von 9 % eine sinnvolle Variante zu sein. Die Variantenoptimierung sollte aus diesen Gründen der Auswertung des Sommers 2003 vorbehalten werden, da passive Lüftungs- und Kühlstrategien sich auch in warmen Sommern bewähren müssen, um die Beeinträchtigung des Raumklimas möglichst gering zu halten. Kapitel 6 Demonstrationsdoppelfassade thermische Simulation 147 6.2.4 Jahresüberhitzung Datensatz TRY 02 Die Jahresüberhitzung auf der Grundlage des TRY 02 ergibt die in Abb. 141 dargestellten Überhitzungsanteile. Die empfohlen Doppelfassadenvarianten 2A und 7A1 weisen eine Jahresüberhitzung von 0 % bzw. 1 % auf. Die Einfachfassade mit außenliegendem Sonnenschutz (2D) immerhin 2 %. TRY 02 Jahresüberhitzungsanteile [% >26°C Betriebszeit] 19 27 12 Überhitzung [%] 10 10 10 8 8 7 6 5 3 4 2 2 2 2 1 2 3 3 2 2 1 1 1 1 0 0 7D1 8A1 8A2 2 0 2E 7A1 7C1 2 2D 7A1 6A2 6A1 5A2 5A1 4A2 4A1 3D2 3D1 3C2 3C1 3A2 2E 3A1 2D 2C 2B 2A Außen 0 Varianten Abb. 141: Variantenvergleich der Überhitzungsstunden >26° TRY 02 Vergleich der Überhitzungsanteile [% >26°C Betriebszeit] 100 90 84 80 60 50 50 30 40 38 37 30 34 28 17 20 8 10 8 4 6 10 7 1 2 1 Außen 40 7A1 Überhitzung [%] 70 Datensatz Jahr 2003 Datensatz Sommer TRY 2B 2C 2A 2E 2D 2C 2B 2A Außen Datensatz Sommer 2003 7A1 2E 2D 2C 2B 2A Außen 0 Varianten Abb. 142: Datensatzvergleich der Überhitzungsstunden >26° TRY 02 Die im Vergleich zu einer sanierten Primärfassade geringen Transmissionswärmeverluste führen in diesem Modell (2D) zu einer kleinen Raumtemperaturamplitude mit einem als angenehm empfundenen ausgeglichenen Raumklima, erfordern aber gleichzeitig differenzierte Lüftungsszenarien insbesondere in der Übergangszeit. Der im Vergleich zur Auswertung des Sommers nach TRY 02 höhere relative Überhitzungsan- 148 Kapitel 6 Demonstrationsdoppelfassade thermische Simulation teil der Einfachfassade mit außenliegendem Sonnenschutz (2D) im Vergleich zur Doppelfassade (2A) ist auf wenige Überhitzungsstunden in der Übergangszeit zurückzuführen. Die Jahresüberhitzung der für den Sommer 2003 geeigneten Varianten überschreitet 1 bis 2 % der Jahresbetriebszeit von 2750 Stunden nicht. Zulässig wäre in der Sommer-Klimaregion B ein Überhitzungsanteil von 10 % bei einer Grenz-Raumtemperatur von 26 °C. Sogar im Gebäudebestand könnten diese 10 % aufgrund der großen Transmissionswärmeverluste und Fassadenundichtigkeiten eingehalten werden. Eine Begrenzung der Jahresüberhitzung auf 1 bis 2 % auf der Grundlage des TRY 02 aus diesen Ergebnissen abzuleiten ist nicht sinnvoll, da zum einen die Anforderung an die Qualität vergleichbarer Simulationsmodelle bei einer so geringen absoluten Anzahl von Überhitzungsstunden sehr hoch ist und Sanierungsvarianten empfohlen werden können, die sich in warmen Sommern nicht eignen. Die Berechnung der sommerlichen Überhitzung sollte vielmehr mit dem Datensatz des Rekordsommers 2003 durchgeführt werden. Aus den in Kapitel 6.2.2 beschriebenen Simulationsergebnissen können als Planungsanforderung an thermische Simulationen im Sinne einer Qualitätssicherung die folgenden Richt- und Zielwerte der sommerlichen Überhitzungsanteile und einzuhaltende maximale Raumtemperaturen abgeleitet werden (s. Abb. 142): Die Berechnungen sollen unter Berücksichtigung des lokalen Mikroklimas mit dem Datensatz des Sommers 2003 von Juni bis August durchgeführt werden. Eine Differenz der Raumtemperaturüberhitzung von 10 % zum Anteil der Außentemperaturüberhitzung soll während der Betriebszeit nicht überschritten, ein Zielwert von 5 % kann erreicht werden. Zusätzlich soll die maximale Raumtemperatur um mindestens 4 K unter der maximalen Außentemperatur liegen. Dabei kann die Einteilung nach Sommer-Klimaregionen mit den entsprechenden Grenz-Raumtemperaturen aus der DIN 4108/2 übernommen werden. Mit dieser Planungsanforderung können die Bedingungen des § 6 ASR, eine Raumtemperatur von 26 °C - bis auf Ausnahmefälle - grundsätzlich nicht zu überschreiten nicht eingehalten werden. Ebenso wenig die für raumlufttechnische Anlagen gültige DIN 1946, deren Bereich zulässiger operativer Raumtemperaturen in Abhängigkeit der Außenlufttemperatur überschritten wird. Die Berechnungsgrundlage der sommerlichen Überhitzung ist eine unbedingt vertraglich zu vereinbarende Beschaffenheit des Bauwerks. Erst diese Vereinbarung sichert die mangelfreie Erstellung gegen Ansprüche aus anderen o.g. Regeln der Technik. Diese Beschaffenheit muss der Eigentümer im Mietvertrag fortschreiben, um sich vor Ansprüchen aus der gebrauchstauglichen Überlassung der Mietsache zu schützen (LG Bielefeld 3 0 411/01 vom 16.April 2003). Jahreswärmebilanz Datensatz TRY 02 Die Jahreswärmebilanz zeigt im Variantenvergleich in Abb. 143 eine Reduzierung des Wärmebedarfs von ca. 40 % im Vergleich zum Bestand für die Doppelfassaden vor einer sanierten Primärfassade (2A und 7A1). Zur Optimierung der winterlichen solaren Gewinne wurde die Auslöseschwelle des Sonnenschutzes gegenüber dem Basismodell 2A von Oktober bis März auf 250 W/m² in Variante 9A1 heraufgesetzt. Dies entspricht einer Reduzierung auf 50 % des Wärmebedarfs. Zum Vergleich: Ein neues Einfach-Fassadensystem mit außenliegendem Sonnenschutz (2D) reduziert den Wärmebedarf um 65 %, mit innenliegendem Sonnenschutz (2C) sogar um 70 %. Kapitel 7 Zusammenfassung 149 Um das sich aus der winterlichen Zulufterwärmung im Fassadenzwischenraum ergebende Einsparpotenzial zu quantifizieren, wurde der oben beschriebenen Variante 9A1 mit der Variante 9C1 ein praxisnahes Referenzmodell gegenübergestellt. Dabei handelt es sich um eine Variante mit sanierter, einfacher Primärfassade und innenliegendem Sonnenschutz, die als einfache Fassadensanierungsmöglichkeit für Hochhäuser in Frage kommt. Lüftungsstrategie, Wärmedurchgang und Tageslichttransmission sind in den beiden Modellen nahezu gleich. Sie unterscheiden sich durch den Entfall der Sekundärfassade und in der Größe des Gesamtenergiedurchlassgrads. Die Lüftungswärmeverluste können in den Wintermonaten durch die Übertemperaturen im Fassadenzwischenraum um ca. 10 %, die Transmissionswärmeverluste um bis zu 5 % reduziert werden. In gleichem Maße erhöhen sich auch die solaren Gewinne durch den innenliegenden Sonnenschutz. Der Jahreswärmebedarf ist in beiden Varianten mit 34 kWh/m²a gleich groß. TRY 02 Jahreswärmebilanz 250 Wärmemenge [kWh/m²a]] 200 150 100 50 0 -50 -100 -150 -200 -250 2A 2B 2C 2D 2E 7A1 9A1 9C1 Lüftung -33 -53 -57 -46 -36 -32 -33 -56 Transmission -85 -159 -75 -74 -71 -90 -84 -90 Solarstrahlung 16 59 49 35 16 16 20 49 Interne Lasten 63 85 63 62 63 63 63 63 Heizung 39 68 20 24 29 43 34 34 Abb. 143: Jahreswärmebilanz je m² Bürogrundfläche der Basisvarianten TRY 02 Die Höhe der Reduzierung der Transmissions- und Lüftungswärmeverluste durch die Übertemperatur im Fassadenzwischenraum ist abhängig vom Sanierungskonzept, d.h. der Qualität der Primärfassade und dem Öffnungsgrad der Sekundärfassade sowie in der Jahressumme von der gewählten Referenz. 7 Zusammenfassung Gegenstand der Arbeit ist die Zusammenstellung typologischer Merkmale hoher Verwaltungsgebäude der 1960er und 1970er Jahre, die vergleichende Analyse bereits sanierter Bürohochhäuser mit gläsernen Vorsatzschalen sowie die Auswertung und Validierung von Modellversuchen an einer Demonstrationsfassade. Dabei zeigen die drei untersuchten Gebäude die Bandbreite möglicher Sanierungen auf. Zum Einsatz kamen unterschiedliche Fassadensysteme, die Kastenfassade, die Mehrgeschossfassade und die unsegmentierte Vorhangfassade. Die Sanierungskosten reichten vom einfachen bis gehobenen Standard. Ziel der Arbeit ist es, unter vergleichbaren Rahmenbedingungen die Möglichkeiten und Grenzen der Sanierung mit gläsernen Vor- 150 Kapitel 7 Zusammenfassung satzschalen und deren Vergleich mit Einfach-Fassaden unter bauphysikalischen, bautechnischen, wirtschaftlichen und energetischen Gesichtspunkten herauszuarbeiten. Zwei im Jahr 2002 fertig gestellte Vorhaben wurden im Rahmen einer Grobanalyse evaluiert. Diese bestand in der Erfassung von Gebäudekenndaten und –kosten, der technischen Ausstattung und Energieverbräuche sowie in der Durchführung und Auswertung einer Nutzerumfrage. An einem Institutsgebäude der TU Braunschweig konnte ein Geschoss beispielhaft saniert und diese Sanierung modellhaft auf das Gesamtgebäude übertragen werden. Für zukünftige Sanierungen lassen sich aus diesen Beispielen Hinweise darauf herleiten, welche Ziele mit welchen Mitteln erreicht werden können und wo mögliche Risiken verborgen sind. Antworten auf die sich aus diesem Gebäudevergleich ergebenden bauphysikalischen Fragen geben die Messungen an einer Demonstrationsdoppelfassade. Am oben genannten Gebäude der TU Braunschweig wurden im Rahmen einer Parameterstudie unterschiedliche Öffnungsgrade und Betriebsweisen in der ein- und zweigeschossigen Ausführung der Doppelfassade in ihren Auswirkungen auf das Raumklima und den Immissionsschutz miteinander verglichen. Ein thermisches Simulationsmodell wurde auf der Grundlage der Messergebnisse mit dem Programm Bsim validiert, die Modellvarianten für unterschiedliche Klimadatensätze miteinander verglichen. Planungskriterien Als Kriterien, die für eine Gebäudesanierung im Allgemeinen oder den Einsatz einer Doppelfassade sprechen, können auf der Grundlage der Auswertung der drei Gebäude die folgenden genannt werden: Verfügt ein Gebäude bereits im Bestand über eine sehr gute Flächeneffizienz oder kann die Flächeneffizienz durch die Sanierung wesentlich verbessert werden und kann diese mit einem Neubau nicht wieder erreicht werden, dann kann die Flächenkonzentration eine für die Sanierung ausschlaggebende Kenngröße sein. Können weite Teile des Bestands erhalten bleiben, ist keine oder eine nur geringe Schadstoffbelastung vorhanden, kann die Primärfassade erhalten oder saniert werden und können die zusätzlichen Lasten einer Doppelfassadenkonstruktion ohne konstruktive Eingriffe in den Bestand eingeleitet werden, so liegen die Baukosten um bis zu 70 % unter vergleichbaren Neubaukosten. Soll die Sanierung im laufenden Betrieb erfolgen, liegt eine hohe Immissionsbelastung vor, ist der Witterungsschutz der bestehenden Fassade nicht gewährleistet und sind passive Fassadensysteme erwünscht, dann ist der Einsatz einer Doppelfassade sinnvoll. In der Planung sollte dem Schall- und sommerlichen Überhitzungsschutz ein wesentlich höherer Stellenwert eingeräumt werden. Das ergaben der Vergleich des Beschwerdebildes der Nutzerumfragen mit den Planungszielen im Rahmen der Grobanalyse. Die der Ausführung dieser Gebäude zugrundeliegenden, aus Simulationsergebnissen abgeleiteten Planungsziele berücksichtigen sommerliche Hitzeperioden nur unzureichend. Kapitel 7 Zusammenfassung 151 Lüftung Messungen an der Demonstrationsfassade ergaben einen klappenstellungsabhängigen Luftwechsel im Fassadenzwischenraum, der sich asymptotisch einem Grenzwert von ca. 85 1/h bei effektiven Öffnungsanteilen von mehr als 25 %, Berechnung der effektiven Öffnungsanteile nach [51], nähert. Übertemperaturen im Fassadenzwischenraum, die auf zu geringe Luftwechselraten zurückzuführen sind, können bereits mit einem 40 bis 80-fachen Luftwechsel bei einem effektiven Öffnungsanteil von 5 % (einer Klappenstellung von 10° entsprechend) nahezu ausgeschlossen werden. Da die Messungen bei relativ geringen Strahlungseinträgen und Windgeschwindigkeiten stattfanden, kann in Normalfällen von höheren mittleren Luftwechselraten ausgegangen werden. Für effektive Öffnungsgrößen in der Sekundärfassade von mehr als 5 % kann der Normluftwechsel im Büroraum mit einseitiger Dauerlüftung über einen Kippflügel während der Betriebszeit im Sommer sichergestellt werden. Es wird für die eingeschossige Fassade ein Volumenstrom von im Mittel 85 m³/h erreicht. Das Öffnen eines zweiten Kippflügels erhöht den Volumenstrom nur geringfügig. Die nächtliche Querlüftung erreicht im Sommer im Mittel 400 m³/h bei einem geöffneten Kippflügel. Im Vergleich mit [53] zeigt sich, dass die Doppelfassade die Lüftungseffektivität im Vergleich zu einer Einfachfassade nicht einschränkt. Im Winter wird bei gleichen Öffnungsgrößen und einseitiger Lüftung im Büroraum ein Volumenstrom von im Mittel 300 m³/h erreicht. Eine ca. 15 minütige Stosslüftung stellt so den hygienisch notwendigen Luftwechsel sicher, den reduzierten Luftwechsel in halber Zeit. Zur Gewährleistung einer hohen Nutzerakzeptanz wird die natürliche Lüftung als gebäudetechnisches Ausstattungsmerkmal in [43] am höchsten bewertet. Das Nutzerverhalten bezüglich des Lüftungsverhaltens war in den evaluierten Gebäuden vorbildlich: Dauerlüften im Sommer und Stoßlüften im Winter über Kippflügel. Das zeigt einmal mehr die selbstverständliche Akzeptanz der natürlichen Lüftung. Sonnenschutz Die Höhenlage der Geschosstrennung sowie die horizontale und vertikale Position des Sonnenschutzes im Fassadenzwischenraum wurden tageslicht- und strömungsoptimiert geplant mit dem Ergebnis einer geringen Verweildauer und guten Durchströmung der Luft. Als Sonnenschutz kam eine LON-geregelte Warema-Klapplamelle zum Einsatz. Die an der Musterfassade hinter der Wärmeschutzverglasung I-Plus C gemessene Einstrahlung betrug im Raum an bedeckten Tagen ca. 28 % und an sonnigen Tagen bei aktivem Sonnenschutz ca. 2 % der außen anliegenden Globalstrahlung West. Die mittleren Einstrahlungssummen je m² Primärfassadenfläche blieben unabhängig von der täglichen Einstrahlungssumme außen im Raum bei annähernd konstant 240 Wh/m²d. Daraus kann geschlossen werden, dass an einem Sommertag auch die Orientierung für den Strahlungseintrag im Raum von untergeordneter Bedeutung ist. Die Musterfassade kombiniert sehr geringe solare Einträge in die Büroräume mit geringstmöglichen Übertemperaturen im Fassadenzwischenraum. Im Gebäude der R+V Versicherung wurde eine Kastenfassade realisiert. Im 45 bis 15 cm tiefen Fassadenzwischenraum befindet sich eine tageslichtoptimierte Warema 152 Kapitel 7 Zusammenfassung Horizontallamelle. Die Verglasung der Sekundärfassade ist zudem in der oberen Hälfte mit Horizontalstreifen mit einem Bedruckungsgrad von ca. 40 % bedruckt. In der Kreisverwaltung Bad Segeberg wurde der ursprünglich im gesamten Gebäude außenliegende Sonnenschutz in den Gebäudeköpfen durch einen roten Screen im witterungsgeschützten, 0,5 m tiefen Fassadenzwischenraum in den Laibungen der Primärfassade ersetzt. Im Mittelteil des Gebäudes übernehmen die geschossweise horizontal kragenden Gitterroste im 2 m tiefen Zwischenraum der unsegmentierten Vorhangfassade die Aufgabe des Sonnenschutzes. Die Ergebnisse der Nutzerumfrage lassen darauf schließen, dass das für die Gebäudeköpfe gewählte Fassadensystem sich für die Reduzierung der sommerlichen Überhitzung weniger eignet als das System im Gebäudemittelteil. Erhebliche Kritik erfährt auch die rote Farbatmosphäre in den Räumen der Kopfbüros. Sommerliche Überhitzung Wichtiges und viel diskutiertes Kriterium der Dimensionierung einer Doppelfassade ist die Reduzierung der sommerlichen Überhitzung, denn das Einhalten behaglicher Raumtemperaturen im Sommer ist eine wesentliche Voraussetzung für die gebrauchstaugliche Überlassung einer Mietsache. Die Angaben zu sommerlichen Überhitzungsanteilen und Maximaltemperaturen sind Ergebnisse von Sommer- und Jahressimulationen auf der Grundlage eines validierten Simulationsmodells. Als Aufenthaltszeit wurde eine auf den Gebäudebetrieb abgestimmte elfstündige Betriebszeit verwendet. Die Primärfassaden der untersuchten sanierten Gebäude weisen einen Verglasungsanteil von ca. 50 % der Fassadenfläche auf. Mehrgeschossfassaden sollten als Ergebnis der Demonstrationsfassade nur mit geschossweise angeordneten Öffnungen über wenige Geschosse geplant werden. Andernfalls ist mit einer deutlichen Temperaturschichtung im Fassadenzwischenraum zu rechnen, die sich gedämpft auch in die Büroräume fortsetzt. Die weiteren Ausführungen legen daher eine geschossweise Trennung der Doppelfassade zugrunde. Die effektive Mindestgröße der Öffnungen in der Sekundärfassade beträgt 5 %. Geringere Öffnungsanteile führen aufgrund der geringern Luftwechselrate zu signifikant höheren Temperaturen im Fassadenzwischenraum, die sich reduziert auch in die Büroräume fortsetzen. Die Gebäudesanierung mit Doppelfassaden gewährleistet in der Hochhaussanierung den sommerlichen Überhitzungsschutz im Sommer 2003 mit freier Lüftung und passiver Nachtkühlung, wenn die internen Lasten ca. 180 Wh/m²d nicht überschreiten und eine nächtliche Querlüftung realisiert wird. Die zusätzliche Aktivierung von Speichermassen durch freie Massivdecken ist eine sinnvolle Optimierungsmöglichkeit. In [57] werden ähnliche Systemgrenzen der passiven Kühlung mit Nachtlüftung genannt. Abgehängte und teilabgehängte Deckensysteme unterscheiden sich kaum voneinander, da der konvektive Anteil am Wärmeübergang gering ist. Er beträgt in der Sommernacht nur 1/10 des radiativen Übergangs. Die Speicherkapazität einer abgehängten Decke beträgt bei einer Luftwechselrate in der Nacht von 6 h-1 ca. 80 Wh/m², die Speicherkapazität einer freien Decke ist mit bis zu 220 Wh/m² fast 3 mal größer. Der Variantenvergleich zeigte, dass die Einschaltschwelle des Sonnenschutzes mit ca. 120 W/m² gering gewählt werden sollte. Eine Prognose der im Sommer zu erwartenden Raumtemperaturen kann nur unter Berücksichtigung des lokalen Mikroklimas Kapitel 7 Zusammenfassung 153 erfolgen. Dieses Mikroklima führt in diesem Fall zu einer mittleren Außentemperaturerhöhung vor der Fassade von 1,5 K. Abb. 144 zeigt die Temperaturentwicklungen mit vereinfachten linearen Trendlinien für den Sommer 2003. Dabei handelt es sich um eine Doppelfassade vor einer sanierten Primärfassade mit den vorgenannten Randbedingungen, der zusätzlichen Aktivierung von Speichermassen und zum Vergleich um eine neue Primärfassade mit außenliegendem Sonnenschutz. Die Überhitzungsanteile der Raumtemperaturen von mehr als 26 °C in den Sommermonaten liegen für diese Varianten zwischen 34 und 40 %. Die Raumtemperaturen überschreiten 34 °C nicht und liegen damit um mehr als 4 K unter der höchsten Außentemperatur von 38 °C. Die Außenlufttemperaturen weisen im gleichen Zeitraum einen Überhitzungsanteil von 29,5 % auf. Sortierte Temperaturmittelwerte als Differenzen über der Außentemperatur Sommer 2003 Temperaturdifferenz [K] 4 2 0 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 -2 -4 -6 Außentemperatur [°C] Fassadenzw ischenraum Doppelfassade Doppelfassade+Speichermassen aktiviert neue Einfachfassade Abb. 144: sortierte Temperaturdifferenzen während der Betriebszeit im Sommer 2003 Die Ergebnisse des Sommers 2003 finden sich auch in den Simulationsergebnissen mit dem Datensatz des TRY 02 auf niedrigerem Niveau wieder. Die Modellvarianten, die auch in diesem Fall die sommerliche Überhitzung auf ein sinnvolles Maß begrenzen, erreichen Maximaltemperaturen von ca. 26 °C bis 29 °C und liegen damit um mehr als 2 K unter der maximalen Außentemperatur. Der Überhitzungsanteil überschreitet mit ca. 1 bis 8 % den der Außentemperatur nicht. Die Sanierung mit Doppelfassaden eignet sich wie zuvor bereits für den Datensatz des Sommers 2003 zur Gewährleistung des sommerlichen Überhitzungsschutzes. Dabei können sogar die Grenzen nach DIN 1946 fast zu jederzeit eingehalten werden. Die Speichermassenaktivierung ist wiederum eine sinnvolle Optimierung. Auch hier steht die Doppelfassade einem einfachen Primärfassadesystem mit außenliegendem Sonnenschutz, der an hohen Gebäuden meist nicht realisierbar ist, nicht nach. Aufgrund des geringen Außentemperaturniveaus ist der Anteil der Transmissionswärmeverluste an der Wärmebilanz jedoch deutlich gestiegen. Das hat zur Folge, dass Varianten, die im Sommer 2003 den Überhitzungsschutz mit freier Lüftung und passiver Kühlung nicht gewährleisten konnten, in einem mäßig warmen Sommer beherrschbar scheinen. So kann z.B. auch eine einseitige nächtliche Dauerlüftung komfortable Raumtemperaturen sicherstellen. Auch höhere interne Lasten von bis zu 275 Wh/m²d können abgeführt werden und die einfache Primärfassade mit innenlie- 154 Kapitel 7 Zusammenfassung gendem Sonnenschutz scheint mit nächtlicher Querlüftung und Speicheraktivierung trotz des hohen solaren Eintrags beherrschbar. In der Jahressimulation mit dem Datensatz des TRY 02 überschreitet die Jahresüberhitzung der genannten Varianten 1 bis 2 % der Jahresbetriebszeit von 2750 Stunden nicht. Eine Begrenzung der Jahresüberhitzung auf diesen Überhitzungsanteil aus diesen Ergebnissen abzuleiten ist nicht sinnvoll, da zum einen die Anforderung an die Qualität vergleichbarer Simulationsmodelle bei einer so geringen, absoluten Anzahl von Überhitzungsstunden sehr hoch ist und Sanierungsvarianten empfohlen werden können, die sich in warmen Sommern nicht eignen. Die Berechnung der sommerlichen Überhitzung sollte vielmehr mit dem Datensatz des Rekordsommers 2003 durchgeführt werden. Aus den Simulationsergebnissen für den Sommer 2003 können als Planungsanforderung an thermische Simulationen im Sinne einer Qualitätssicherung die folgenden Richt- und Zielwerte der sommerlichen Überhitzungsanteile und einzuhaltende maximale Raumtemperaturen abgeleitet werden: Die Berechnungen sollen unter Berücksichtigung des lokalen Mikroklimas mit dem Datensatz des Sommers 2003 von Juni bis August durchgeführt werden. Eine Differenz der Raumtemperaturüberhitzung von 10 % zum Anteil der Außentemperaturüberhitzung soll während der Betriebszeit nicht überschritten, ein Zielwert von 5 % kann erreicht werden. Zusätzlich soll die maximale Raumtemperatur um mindestens 4 K unter der maximalen Außentemperatur liegen. Dabei kann die Einteilung nach Sommer-Klimaregionen mit den entsprechenden Grenz-Raumtemperaturen aus der DIN 4108/2 übernommen werden. Schallschutz Die Verbesserung des Bauschalldämm-Maßes betrug an der Demonstrationsfassade im Vergleich zum Bestand 3 dB und erreicht 33 dB. Es konnte keine Abhängigkeit vom Öffnungsgrad gemessen werden. Der Außenlärmpegel betrug 70 dB(A). Der Raumschallpegel wurde durch die Sekundärfassade ebenfalls unabhängig von deren Öffnungsgrad um 7 dB(A) auf 44 dB(A) reduziert. Dabei waren die Fensterflügel in der Primärfassade zu Lüftungszwecken im Sommer dauerhaft geöffnet. So kann durch die Doppelfassade auch an immissionsbelasteten Standorten bei einer Nachhallzeit im Büroraum von ca. 0,5 s eine gute bis sehr gute Sprachverständlichkeit gewährleistet werden. Der gemessene Raumschallpegel liegt damit deutlich unter den in [34] angegebenen Werten. Zusätzlich sind aber auch den Körper- und Luftschallübertragungen aus benachbarten Räumen, insbesondere bei teilweisem oder weitgehendem Erhalt des Ausbaus, große Aufmerksamkeit zu schenken. Den Schallschutz als Planungskriterium hoher Priorität bestätigt das Ergebnis der Nutzerumfragen in den Vergleichsgebäuden, in denen mehr als die Hälfte der Befragten sowohl einen mangelnden externen wie internen Schallschutz beklagen. Witterungsschutz Die Sekundärfassade stellt die Schlagregendichtigkeit des Gesamtfassadensystems sicher. Die Auswertung der Differenzdruckmessungen an der Demonstrationsfassade der TU Braunschweig ergab, dass die durch die Sekundärfassade erreichbare mittlere Dämpfung des Differenzdrucks abhängig ist vom Niveau und der Größe der anliegen- Kapitel 7 Zusammenfassung 155 den Differenzdruckschwankungen. Sie beträgt an Tagen mit hohem Differenzdruckniveau bis ca. 60 Pa und großen wechselnden Differenzdruckschwankungen zunehmend mit steigendem Differenzdruck 10-20 Pa. Diese Dämpfung ist unabhängig vom Öffnungsgrad der Sekundärfassade. Die durch Druckdifferenzen hervorgerufenen Pfeifgeräusche an der Primärfassade können durch diese Dämpfung und das Erhöhen der Auslöseschwelle von 55 auf über 75 Pa durch das Nachstellen der Fensterbeschläge fast vollständig ausgeschlossen werden. Für instationäre statische Lastannahmen aus Winddruck kann eine dämpfende Wirkung der Doppelfassade für die Primärfassade jedoch nicht in Ansatz gebracht werden, da die sich bei einem schnellen Anstieg aufbauenden hohen Differenzdrücke ohne oder mit nur geringer Reduzierung in den Zwischenraum fortsetzten und erst mit dem Druckabfall deutlich reduziert werden. Energieverbrauch Der Wärmeverbrauch betrug im Gebäude der Kreisverwaltung Bad Segeberg mit einer unsegmentierten Doppelfassade vor einer sanierten Primärfassade 90 kWh/m²a. Erreichbar sind für Hochhäuser in der Sanierung 75 kWh/m²a. Der Stromverbrauch betrug für Gebäude geringer technischer Ausstattung wie der Kreisverwaltung oder der TU Braunschweig 30 kWh/m²a einschließlich der Arbeitshilfen. Zielwert ohne Arbeitshilfen ist eine Kennzahl von 25 kWh/m²a. Der sich daraus ergebende Zielwert einer Primärenergiekennzahl von 150 kWh/m²a wurde in Bad Segeberg erreicht. Um das sich aus der winterlichen Zulufterwärmung im Fassadenzwischenraum ergebende Einsparpotenzial zu quantifizieren, wurde in der thermischen Simulation dem zur Erhöhung winterlicher solarer Gewinne optimierten Doppelfassadenmodell - Auslöseschwelle des Sonnenschutzes im Winter 250 W/m² - ein Referenzmodell ohne Sekundärfassade gegenübergestellt. Die Lüftungswärmeverluste konnten in den Wintermonaten durch die Übertemperaturen im Fassadenzwischenraum um ca. 10 %, die Transmissionswärmeverluste um bis zu 5 % reduziert werden. Im Doppelfassadenmodell wurde dabei ganzjährig von einem effektiven Öffnungsanteil der Sekundärfassade von 5 %, der auch den sommerlichen Anforderungen genügt, ausgegangen. Die Höhe der Reduzierung der Transmissions- und Lüftungswärmeverluste durch die Übertemperatur im Fassadenzwischenraum ist abhängig vom Sanierungskonzept, sowie in der Jahressumme von der gewählten Referenz. Gebäudetechnik Die ausschließlich natürliche Belüftung ist Grundlage der betrachteten Klimakonzepte. Eine zentrale Gebäudeleittechnik, die die einzelnen Komponenten der Gebäudetechnik steuert, regelt und überwacht, ist in den untersuchten Gebäuden nicht vorhanden. Die Raumheizung kann über vorhandene Systeme, zumeist Radiatoren, erfolgen, Elektround Medienversorgung können meist in der bestehenden Trassenführung erneuert werden. 156 Kapitel 7 Zusammenfassung Wirtschaftlichkeit Hauptnutzflächenkonzentration und Flächenkomfort sind die in [43] am höchsten bewerteten Planungskriterien zukunftsorientierter Bürokonzepte. Auf der Grundlage von [17] wurden die für den Gebäudebestand hoher Verwaltungsbauten typischen Flächenkennwerte ermittelt und als Vergleichsgrundlage für die Neuplanung im Rahmen der Sanierung herangezogen. Erreichbar ist danach in der Hochhaussanierung eine Hauptnutzflächenkonzentration für das Zellen- oder Kombibüro von mehr als 70 % (HNFg/BGFg) im Regelgeschoss. Von entscheidendem Einfluss ist dabei der Verkehrsflächenanteil. Die Arbeitsplatzdichte kann 12,5 m² (HNF/AP) betragen. Das entspricht einer maximalen Arbeitsplatzkonzentration von fünf Arbeitsplätzen auf 100 m² BGF im Regelgeschoss. Das Gebäude der R +V Versicherung in der Domstraße erreicht z.B. eine Hauptnutzflächenkonzentration von mehr als 68 %. Die Arbeitsplatzdichte ist in allen 3 Gebäuden mit ca. 15 m² (HNF/AP) eher gering. Kenngrößen zur Flächenkonzentration im Gesamtgebäude sind abhängig von der Nutzungsstruktur des betrachteten Gebäudes und dem Anteil von Sonderfunktionsflächen wie z.B. Tiefgaragen, der einer sehr großen Varianz unterliegt. Sie eigenen sich daher nicht für den Vergleich einzelner Gebäude. Die für die BGFr erzielten Flächenkonzentrationen liegen für alle drei Gebäude bei ca. 60 % HNF/BGFr. Die Flächenkonzentration erreicht damit die Kennwerte von „nicht - Hochhäusern“. Die Sanierungskosten betragen ca. 350,-- €/m²BGF bis 1000,-- €/m²BGF netto für die Kostengruppen 300 und 400 je nach Sanierungsaufwand und Ausbaustandard. Die Sanierungskosten liegen um 70 % bzw. 25 % unter vergleichbaren Neubaukosten. Die Gebäude der TU Braunschweig und der Kreisverwaltung Bad Segeberg entsprechen dem einfachen, das Gebäude der R+V Versicherung dem hohen Sanierungskostenstandard. Eine Doppelfassadenkonstruktion unter Erhalt der bestehenden Primärfassade einschließlich ihrer Sanierung erfordert in den untersuchten Beispielen geringere Baukosten als die Errichtung einer neuen Primärfassade. Der Betriebskostenvergleich ergab keine Antwort auf die Fragen nach dem Potenzial der Sanierung oder den Besonderheiten hoher Häuser mit Doppelfassaden aufgrund der teilweise unvollständigen und schwer bewertbaren Datengrundlage. Fazit Bauwerk und Technik können ressourcenschonend saniert werden. Die Baukosten eines Sanierungsvorhabens liegen um bis zu 70 % unter vergleichbaren Neubaukosten. Doppelfassaden können im Vergleich zu Einfach-Fassadensystemen die wirtschaftlichere Lösung darstellen und müssen ihnen bezüglich des sommerlichen Überhitzungsschutzes nicht nachstehen. Passive Doppelfassaden eignen sich für alle Betriebszustände. Die Mess- und Simulationsergebnisse der Demonstrationsfassade lassen sich zwar nicht in jedem Fall übertragen, zeigen aber doch Erkenntnisse und Größenordnungen für den sommerlichen und winterlichen Betrieb von Doppelfassaden in der Sanierung. Für die thermische Gebäudesimulation werden Kriterien aufgestellt, die die Ergebnisse transparent, vergleichbar und realistisch darstellen, so dass auf der Grundlage dieser Ergebnisse Entscheidungen über die Fassadenkonstruktion getroffen werden können. Bei fachgerechter Planung und Ausführung wird die Doppelfassade gerade in der Sanierung noch häufig zur Anwendung kommen. 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Putz) Fensterbänder, vorgehängte Fassade, mittlere Materialien vorgehängte Fassaden, hochwertige Materialien (z.B. Glas) Massivboden, Einzelsteckdosen oder Brüstungskanäle Massivboden, Brüstungs- oder Bodenkanäle Doppelboden, Hohlraumboden, Kanäle, Bodentanks abgehängte Decken mit Massivdecken, abgehängte hochwertigen Decken mit Deckenleuchten Deckenleuchten abgehängte Decken mit direkt - indirekt strahlenden Leuchten Wärmeversorgung statische Heizung, Naturbelüftung statische Heizung, Sonderbereiche teilweise klimatisiert Sonstige Ausstattung DV-Netzwerk, Zugangskontrolle, Rauchmelder wie vor, zusätzlich Aufzüge, wie vor, zusätzlich GLT, Notstromversorgung Videoüberwachung Anhang Abb. 3: Checkliste Gebäudequalität nach [32] innovative Wärmeversorgung, Teil- und Vollklimatisierung IV Anhang Datenblatt Kreisverwaltung Bad Segeberg Allgemeines Name des Gebäudes Kreisverwaltung Bad Segeberg Standort Hamburger Str. 30, 23795 Bad Segeberg Nutzung Verwaltungsgebäude Gebäudegeometrie Erbauung (Bezug) 10 Geschosse (UG, EG und 8 Obergeschosse), Zweispänner Ost-West Ausrichtung, im Norden und Süden, denn Gebäudeköpfen je 1,24 m Vorsprung über die äußeren 2 der insgesamt 11 Achsabschnitte 1971-1973 (1973) Sanierung (Bezug) 08/2001 – 08/2002 (durchgehend) Kennwerte vorher / nachher 20.540 / 24655 m³ BRI 6.468 / 7.712 m² BGF 5.562 / 5.667 m² NGF (davon. 3.725 m³ Doppel- (davon 1.120 m² Doppelfassade) fassade) Anbau eines dritten Treppenhauses während Sanierung Baukosten 2.690.000 € KG 300+400 netto (davon ca. 1.688.000 € Doppelfassade) Arbeitsplätze 247 Planer Architekt: Dipl.-Ing. P. O. Eberwein / Brockstedt, Bergfeld, Petersen Statik: Pape & Dingeldein Fassadenplanung: Büro Priedemann Doppelfassade Bauart Unsegmentierte Vorhangfassade Konstruktion Zwischenraumtiefe ESG rahmenlos, zweiseitig horizontal linienförmig gelagert, punktweise Aussteifung 5 der Scheiben in vertikalen Drittelspunkten, Achsmaß West / Ost 1,33 m, Nord / Süd 1,21m Mittelteil: 2,00m Kopfenden: 0,50 m Fassadenfläche Gesamt: 3.375 m² Öffnungen Vertikale Konstruktionsfugen 1 cm je Scheibe, Ost und West-Mittelteil: Gitterrostboden im EG + Vertikallamellen in der Attika, Nord und Süd-Kopfende: 64 feststehende Lamellenelemente (je 2 pro Geschoss und Fassadenseite) sowie im Fußpunkt und der Attika Mittelteil: 1255 m² Kopfenden: 2110 m² Energiekonzept Heizung Heizanlage unverändert: Fernwärmeanschluss, Flachheizkörper, Thermostatventile Klimatisierung / Kühlung Keine Klima- oder RLT-Anlage, ein dezentrales Einzelgerät (Klimagerät im Serverraum) Über die bestehenden horizontalen Fensterbänder Belichtung Beleuchtung Brandschutz Vollständiger Ersatz der bestehenden Anbauleuchten durch abgependelte direkt – indirekt - Spiegelrasterleuchten mit Bewegungsmelder und Tageslichtsensor Automatische Früherkennung über Rauchmelder Elektro- Medienversorgung Keine Veränderung, Versorgung über bestehende Brüstungskanäle Winterlicher Wärmeschutz Erhöhung der Dämmung der Gebäudehülle: Dach: von 5 auf 13 cm, Außenwände: von 4 auf 10-12 cm Wärmedämmverbundsystem Der ursprünglich außenliegende Sonnenschutz wurde in den Gebäudeköpfen durch einen roten Screen im witterungsgeschützten Fassadenzwischenraum ersetzt. Im Mittelteil des Gebäudes übernehmen die horizontal kragenden Gitterroste im Zwischenraum die Aufgabe des Sonnenschutzes. Freie Fensterlüftung mit Dreh-Kippflügeln, nach der Sanierung über den Fassadenzwischenraum Über bereits vorhandenen innenliegende Vertikallamellen Sommerlicher Wärmeschutz Belüftung Blendschutz Schallschutz Abgehängte Decken zur Reduzierung der Nachhallzeit, Doppelfassade zur Reduzierung der Lärmimmissionen Anhang Tab. 2: Datenblatt Kreisverwaltung Bad Segeberg Anhang V Datenblatt R+V Versicherung Hamburg Allgemeines Name des Gebäudes R+V Versicherung Standort Domstr. 15, 20095 Hamburg Nutzung Verwaltungsgebäude Gebäudegeometrie Erbauung (Bezug) 12 Geschosse, Zweispänner Ost-West Ausrichtung, EG mit abweichendem Grundriss, zwei Untergeschosse u.a. mit Tiefgaragen 1961(1962) Sanierung (Bezug) 10/2001 – 05/2002 (05/2002) Kennwerte nach Sanierung 21.188 / 26.883 m³ BRI 6.277 / 8.082 m² BGF 5.561 / 6.847 m² NGF (ohne / mit Tiefgarage, (ohne/ mit Tiefgarage, (ohne/ mit Tiefgarage) davon 849 m³ Doppelfas- davon 357 m² Doppelfassade) sade) Keine Veränderung der Nutz- und Funktionsflächen durch die Sanierung Baukosten 8.600.000 € KG 300+400 netto (davon ca. 3.500.000 € Fassade) Arbeitsplätze 226 Planer Architekt: ASTOC – Architects + Planners, Köln Höhler & Partner, Aachen Statik: Windels – Timm – Morgen, Hamburg Gebäudetechnik: IGH Ing. Ges. Höpfner, Köln Fassadenkonzept: Michael Lange, Hamburg Doppelfassade Bauart Kastenfassade Konstruktion Zwischenraumtiefe ESG rahmenlos, zweiseitig vertikal linienförmig gelagert, je zwei Scheiben nebeneinander bilden den Abschluss eines Kastenelements, Achsmaß ca. 1,40 m, Geschosshöhe 3,20 m 0,16 / 0,47 m minimal / maximal (schräggestellte Scheiben) geschosshoch Fassadenfläche Gesamt: 3.538 m² davon Doppelfassade: 2.433 m² Öffnungen Doppelfassade Je 1 feste Zu- und Abluftöffnung im Kastenelement; versetzte Anordnung um Infiltrationen aus der Doppelfassade zu vermeiden Energiekonzept Heizung Heizanlage erneuert: Fernwärmeanschluss, Radiatoren mit Thermostatventilen Klimatisierung / Kühlung Kompressionskälte, KW-Satz auf Dach, luftgekühlter Kondensator, 160 kW, Geschäftsleitungs- und Konferenzräume mit Fancoils aus Fluren, Sonderkühlung für EDV und Kopiercenter, RLT-Anlage mit WRG für die Räume mit Kühlung Freie Fensterlüftung mit Dreh-Kippflügeln, nach der Sanierung über den Fassadenzwischenraum, Treppenhaus mit Druckbelüftung Über die horizontalen Fensterbänder der Primärfassade Belüftung Belichtung Beleuchtung Brandschutz Zweistufig schaltbare direkt – indirekt - Stehleuchten, Tischleuchte auf Wunsch, Flure mit Einbauleuchten (ein/aus Schalter) in abgehängten Decken Rauchmeldeanlage in den Fluren, Druckbelüftung im Treppenhaus Schallschutz Doppelfassade zur Reduzierung der Lärmimmissionen Elektro- Medienversorgung Überflurkanal entlang der Fassade, im EG Doppelboden Winterlicher Wärmeschutz Doppelfassade und Wärmeschutzglas in der Primärfassade Sommerlicher Wärmeschutz Warema Horizontallamelle mit fester Lichtlenkeinstellung ca. 25% oben im ZWR, Verglasung der Sekundärfassade in der oberen Hälfte mit Horizontalstreifen bedruckt (40% Bedruckungsgrad), EG mit Sonnenschutzverglasung Siehe sommerlicher Wärmeschutz Blendschutz Anhang Tab. 3: Datenblatt R+V Versicherung Hamburg VI Anhang Datenblatt Gebäude „BS4“ der TU Braunschweig Allgemeines Name des Gebäudes Hochhaus „BS4“ der TU Braunschweig „BS4“ Standort Mühlenpfordtstr. 23, 38106 Braunschweig Nutzung Forschung und Lehre (Universität) Gebäudegeometrie Erbauung (Bezug) 14 Geschosse (UG, EG, und 12 Obergeschosse), kompakter Baukörper, innenliegende Kombizone, außenliegende Büros, zwei Erschließungstürme 1973-1975 (1975) Sanierung (Bezug) Noch nicht erfolgt, Teilsanierung (10.OG) 1999/2000 Kennwerte vorher / nachher 35.829 / 37218 m³ BRI 9305 / 9666 m² BGF 8.075 / 8.125 m² NGF (davon. 1.389 m³ Doppel- (davon. 361 m² Doppelfasfassade) sade) Geplant: 3.270.000 € KG 300+400 netto (davon ca. 1.265.000 € für die Fassadensanierung) 240 / 312 Mitarbeiter Baukosten Arbeitsplätze vorher / nachher Planer Architekt: Architekten PSP, Braunschweig Statik Doppelfassade: Prof. Sprysch + Partner Planung Doppelfassade: Institut für Gebäude- und Solartechnik / Architekten PSP Doppelfassade Bauart Konstruktion Geschossweise getrennte Kastenfassade im Stützenraster 7,05m auf der Südund Westseite, 10,35m auf der Südwestseite ESG rahmenlos, 4-seitig linienförmig gelagert, punktgehalten Zwischenraumtiefe 1,00 m Fassadenfläche Gesamt: 2.952 m² Öffnungen Je Geschoss und Fassadenrasterfeld eine feststehende linienförmige Zuluftöffnung im Bodenbereich und eine feststehende linienförmige Abluftöffnung im Deckenbereich Doppelfassade: 1.389 m² Energiekonzept Heizung Klimatisierung / Kühlung Belichtung Heizanlage unverändert: Fernwärmeanschluss, Flachheizkörper, Thermostatventile Neue RLT-Anlage für Sondernutzungen und übertiefe Gebäudebereiche Elektro- Medienversorgung Primär über die horizontalen Fensterbänder, sekundär über teilverglaste Bürotrennwände Vollständiger Ersatz der bestehenden Anbauleuchten in den Bürobereichen durch abgependelte direkt - indirekt - Spiegelrasterleuchten und Arbeitsplatzbeleuchtung Automatische Früherkennung über Rauchmelder und Sichtkontakt in die Kombizone Neue Elektroinstallationen in den bestehenden Brüstungs- bzw. Bodenkanälen Winterlicher Wärmeschutz Doppelfassade Süd-, Südwest-, Westseite: Wärmeschutzverglasung Beleuchtung Brandschutz Sommerlicher Wärmeschutz Belüftung Blendschutz Schallschutz Fassadensanierung Nord- Ostseite: Wärme-, bzw. Sonnenschutzverglasung Warema Klapplamelle im ZWR, tages- Sonnenschutzverglasung lichtlenkend Freie Fensterlüftung mit Kippflügeln über Freie Fensterlüftung mit Kippflügeln den Fassadenzwischenraum Siehe sommerlicher Wärmeschutz Innenliegende Blendschutzlamellen auf der Ostseite tageslichtlenkend Teilabgehängte Decken zur ReduzieTeilabgehängte Decken zur Reduzierung der Nachhallzeit, Doppelfassade rung der Nachhallzeit zur Reduzierung der Raumschallpegels Anhang Tab. 4: Datenblatt Gebäude „BS4“ der TU Braunschweig Anhang VII Thermische Gebäudesimulation Variantenbeschreibung 2A SW Fassade Büro Verglasung außen LW im ZWR Heizung Kühlung Lüftung Infiltration Personen Arbeitshilfen Beleuchtung Sonnenschutz 2B wie 2A Fassade Büro Verglasung außen Kühlung Lüftung Infiltration Beleuchtung Sonnenschutz 2C wie 2A Fassade Büro Verglasung außen Lüftung Sonnenschutz 2D wie 2C Fassade Büro Lüftung Sonnenschutz 2E wie 2A Beleuchtung Fassade Büro 3A1 wie 2A Lüftung Kühlung 3A2 wie 2A Kühlung 3A3** wie 2A Kühlung 3A4** wie 2A Kühlung Wärmeschutzverglasung WSV, U - Wert 1,1 W/m²K, g - Wert 0,57, RMG 2.2; Brüstungspaneel U - Wert 0,5 W/m²K, Stütze U - Wert 0,65 W/m²K ESG 10 mm, U - Wert 5,8 W/m²K, g - Wert 0,8, tL = 0,87 -1 65 h entsprechend einer 10° Klappenstellung TO* TO* Soll - Raumtemperatur Sept. bis Mai Mo - Fr 7 - 18 Uhr 21 °C , sonst 17 °C -1 Nachtlüftung 6,5 h , automatisiert Mai - Sept. Mo - Fr 17 - 8 Uhr und Sa - So 0 24 Uhr ab einer Raumtemperatur >25 °C, Auskühlung bis 20 °C wenn ϑa+1<ϑi -1 Natürliche Lüftung über Doppelfassade; KW 23 - 36 Mo - Fr 8 - 17 Uhr n = 2 h ; sonst Mo - Fr 8 - 12 und 13 - 17 Uhr 30 m³/Person -1 Durchgehend 0,15 h Arbeitsplatzdichte 15 m²HNF/Person, Mo - Fr 8 - 12 und 13 - 17 Uhr 150 W/Person Mo - Fr 8 - 17 Uhr, sonst 50 W/Person Nennbeleuchtungsstärke 500 lx, zweireihig abgependelt manuell, installierte Lampenleistung 11 W/m², 650 Vollaststunden Sonnenschutz in der Doppelfassade mit einem FC - Wert von 0,1 wirksam ab einer Einstrahlung von 120 W/m² Sonnenschutzverglasung SSV, U - Wert 3,0 W/m²K, g - Wert 0,41, RMG 2.2, Brüstungspaneel U - Wert 0,5 W/m²K, Stütze U - Wert 2,6 W/m²K Keine Sekundärfassade Keine -1 Wochenweise angepasste Raumlüftung KW 19 - 41 Mo - Fr 8 - 17 Uhr n = 2 h -1 Durchgehend 0,4 h Nennbeleuchtungsstärke 500 lx, Anbauleuchten mit Blendschutzraster, installierte Lampenleistung 28 W/m², 1000 Vollaststunden Innenliegender Sonnenschutz mit einem FC - Wert von 0,8 Wochentags gleichlaufend mit dem Sonnenschutz in 2A Sonnenschutzverglasung SSV, U - Wert 1,1 W/m²K, g - Wert 0,34, Rahmen U Wert 1,8 W/m²K, Brüstungspaneel U - Wert 0,4, Stütze 0,65 W/m²K Keine Sekundärfassade -1 Wochenweise angepasste Raumlüftung KW 16 - 42 Mo - Fr 8 - 17 Uhr n = 2 h Innenliegender Sonnenschutz mit einem FC - Wert von 0,8 (Reflexionsgrad des Sonnenschutzes 0,45, helle Farben, beige) Wochentags gleichlaufend mit dem Sonnenschutz in 2A Wärmeschutzverglasung WSV, U - Wert 1,1 W/m²K, g - Wert 0,57 -1 Wochenweise angepasste Raumlüftung KW 19 - 41 Mo - Fr 8 - 17 Uhr n = 2 h Außenliegend Sonnenschutz mit einem FC - Wert von 0,13 (Strahlungstransmissionsgrad des Sonnenschutzes 0,05, geschlossene, schienengeführte Raffstore, Weißaluminium) Schaltschwelle 120 W/m² automatisiert (entspricht der Schaltschwelle der Variante 2A) 520 Vollaststunden, Tageslichttransmission von 67 % auf 76 % erhöht Rahmen U - Wert 1,8 W/m²K, Brüstungspaneel U - Wert 0,4 W/m²K, Stütze U Wert 0,65 W/m²K -1 Wochenweise angepasste Raumlüftung KW 20 - 38 Mo - Fr 8 - 17 Uhr n = 2 h -1 Nachtlüftung 2 h , automatisiert Mai - Sept. Mo - Fr 17 - 8 Uhr und Sa - So 0 – 24 Uhr ab einer Raumtemperatur >25 °C, Auskühlung bis 22 °C wenn ϑa+1<ϑi Keine -1 3A5** wie 3A4 Kühlung / Lüftung Nachtlüftung 2 h , automatisiert Mai - Sept. Mo - Fr 17 - 8 Uhr und Sa - So 0 24 Uhr ab einer Raumtemperatur >25 °C, Auskühlung bis 17 °C wenn ϑa+1<ϑi -1 Nachtlüftung 6,5 h , automatisiert Mai - Sept. Mo - Fr 17 - 8 Uhr und Sa - So 0 24 Uhr ab einer Raumtemperatur >25 °C, Auskühlung bis 13 °C wenn ϑa+1<ϑi -1 KW 23 - 36 Mo - So 0 - 24 Uhr n = 6,5h 3A6** wie 3A2 Kühlung / Lüftung KW 23 - 36 keine Lüftung 3C1 wie 2C Kühlung 3C2 wie 2C Kühlung Nachtlüftung 2 h , automatisiert Mai - Sept. Mo - Fr 17 - 8 Uhr und Sa - So 0 24 Uhr ab einer Raumtemperatur >25 °C, Auskühlung bis 22 °C wenn ϑa+1<ϑi Keine 3D1 wie 2D Kühlung 3D2 wie 2D Kühlung -1 -1 Nachtlüftung 2 h , automatisiert Mai - Sept. Mo - Fr 17 - 8 Uhr und Sa - So 0 24 Uhr ab einer Raumtemperatur >25 °C, Auskühlung bis 22 °C wenn ϑa+1<ϑi Keine VIII Anhang -1 4A1 wie 2A LW im ZWR 20 h entsprechend einer 5° Klappenstellung 4A2 wie 2A LW im ZWR 100 h entsprechend einer 30° Klappenstellung 5A1 wie 2A Sonnenschutz Einschaltschwelle 180 W/m² 5A2 wie 2A Sonnenschutz Einschaltschwelle 250 W/m² 6A1 wie 2A 6A2 wie 2A 7A1 wie 2A Fassade Büro Beleuchtung Verglasung außen Beleuchtung Kühlung 7C1 wie 2C 7D1 wie 2D 8A1 wie 3A1 Interne Gewinne Einsatz einer Sonnenschutzverglasung 67/34 anstelle der WSV 780 Vollaststunden, Tageslichttransmission von 67 % auf 58 % reduziert Einsatz von ESG grün 62/48 anstelle des ESG 780 Vollaststunden, Tageslichttransmission von 67 auf 54% reduziert -1 Nachtlüftung 6,5 h , automatisiert Mai - Sept. Mo - Fr 17 - 8 Uhr und Sa - So 0 24 Uhr ab einer Raumtemperatur >25 °C, Auskühlung bis 21 °C wenn ϑa+1<ϑi Keine abgehängte Decke -1 Nachtlüftung 6,5 h , automatisiert Mai - Sept. Mo - Fr 17 - 8 Uhr und Sa - So 0 24 Uhr ab einer Raumtemperatur >25 °C, Auskühlung bis 21 °C wenn ϑa+1<ϑi Keine abgehängte Decke -1 Nachtlüftung 6,5 h , automatisiert Mai - Sept. Mo - Fr 17 - 8 Uhr und Sa - So 0 24 Uhr ab einer Raumtemperatur >25 °C, Auskühlung bis 21 °C wenn ϑa+1<ϑi Keine abgehängte Decke 50 W/Person Mo - Fr 8 - 17 Uhr, sonst 16 W/Person 8A2 wie 7A1 Interne Gewinne 250 W/Person Mo - Fr 8 - 17 Uhr, sonst 83 W/Person Speicher Kühlung Speicher Kühlung Speicher -1 9A1*** wie 2A Sonnenschutz Einschaltschwelle 250 W/m² von Oktober bis März 9C1***wie 2C Fassade Büro Sonnenschutzverglasung SSV, U - Wert 1,1 W/m²K, g - Wert 0,34, RMG 2.2; Brüstungspaneel U - Wert 0,5 W/m²K, Stütze U - Wert 0,65 W/m²K * OP operative Raumtemperatur ** nur Simulation Sommer 2003 *** nur Jahressimulation TRY 02 Anhang Tab. 5: Thermische Gebäudesimulation Variantenbeschreibung Anhang IX Musterfragebogen Sanierung Dieser Fragebogen wurde im Rahmen der Arbeit „Sanierung von Bürohochhäusern der 1960er und 1970er Jahre“ entwickelt. Nutzerumfrage zur Sanierung mit Doppelfassaden Im Rahmen Vorhabens „Sanierung von Bürohochhäusern der 1960 und 1970er Jahre“ möchten wir Ihnen einige Fragen zu Ihrem Arbeitsplatz und Arbeitsraum stellen. Durch Ihre Antworten helfen Sie uns, die Komfortbedingungen dieses Gebäudes nach der Sanierung zu bewerten. Ziel des Projektes ist es, diese Erfahrungen auszuwerten um Vorschläge für die kostengünstige und umweltfreundliche Sanierung von Büro- und Verwaltungsgebäuden zu erarbeiten, bei denen das Wohlbefinden der dort arbeitenden Menschen an erster Stelle steht. Alle Angaben in diesem Fragebogen sind freiwillig und anonym. Die Ergebnisse werden von uns ausschließlich für wissenschaftliche Zwecke verwendet, vertraulich behandelt und nicht an Dritte weitergegeben. Bitte beantworten Sie, soweit möglich, alle Fragen. Auch für Anmerkungen, Ideen und Vorschläge sind wir jederzeit dankbar! A Zunächst einige Fragen zu Ihrer Person (Zutreffendes bitte ankreuzen) A1 Alter O unter 20 O 20 – 30 O 31 – 40 O 41 – 50 O 51 – 60 O über 60 O männlich O weiblich A2 Geschlecht A3 In welchem Bereich des Gebäudes haben Sie Ihr Büro? ..................-Geschoss mit Fenstern nach A4 O Norden O Süden O Westen Verbringen Sie den größten Teil Ihrer Arbeitszeit in diesem Raum ? O ja A5 O Osten O nein Wie lange arbeiten Sie schon in diesem Raum? ...................................................................................................................................................... A6 Wie viele Arbeitsplätze befinden sich in Ihrem Büro? Arbeitsplätze für ..................Person/en A7 Wie und wo verbringen Sie den größten Teil Ihrer Arbeitszeit? O am Schreibtisch, kaum Bildschirmarbeit O am Schreibtisch, überwiegend Bildschirmarbeit O andere Tätigkeit X Anhang B Behaglichkeit und Aufenthaltsqualität B1 Allgemein: Beurteilen Sie folgende Aspekte der Aufenthaltsqualität in Ihrem Büro Empfundene Raumtemperatur: Die Situation hat sich durch die Sanierung O häufig zu kalt O sehr verbessert O manchmal zu kalt O etwas verbessert O gerade richtig O nicht verändert O manchmal zu warm O etwas verschlechtert O häufig zu warm O sehr verschlechtert empfundene Luftfeuchtigkeit Die Situation hat sich durch die Sanierung O häufig zu feucht O sehr verbessert O manchmal zu feucht O etwas verbessert O gerade richtig O nicht verändert O manchmal zu trocken O etwas verschlechtert O häufig zu trocken O sehr verschlechtert Frische der Luft Die Situation hat sich durch die Sanierung O sehr gering O sehr verbessert O gering O etwas verbessert O gut O nicht verändert O sehr gut O etwas verschlechtert O sehr verschlechtert Luftzug Die Situation hat sich durch die Sanierung. O sehr stark O sehr verbessert O stark O etwas verbessert O kaum wahrnehmbar O nicht verändert O überhaupt nicht O etwas verschlechtert O sehr verschlechtert Geräusche Die Situation hat sich durch die Sanierung O sehr störend O sehr verbessert O störend O etwas verbessert O kaum wahrnehmbar O nicht verändert O überhaupt nicht O etwas verschlechtert O sehr verschlechtert Anhang XI Gerüche Die Situation hat sich durch die Sanierung O sehr stark O sehr verbessert O stark O etwas verbessert O kaum wahrnehmbar O nicht verändert O überhaupt nicht O etwas verschlechtert O sehr verschlechtert empfundene Behaglichkeit Die Situation hat sich durch die Sanierung O sehr unangenehm O sehr verbessert O unangenehm O etwas verbessert O angenehm O nicht verändert O sehr angenehm O etwas verschlechtert O sehr verschlechtert Wenn es in Ihrem Raum zu Beeinträchtigungen wie Zugerscheinungen, Geruchsbelästigungen, etc. kommt, beschreiben Sie dies bitte kurz ........................................................................................................................................................................................... ........................................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................... B2 Allgemeines: Bitte geben Sie Auskunft über Ihr gesundheitliches Wohlbefinden am Arbeitsplatz. Haben Sie… … trockene Schleimhäute? Die Situation hat sich durch die Sanierung O ständig O sehr verbessert O oft O etwas verbessert O selten O nicht verändert O nie O etwas verschlechtert O sehr verschlechtert … trockene Augen ? Die Situation hat sich durch die Sanierung O ständig O sehr verbessert O oft O etwas verbessert O selten O nicht verändert O nie O etwas verschlechtert O sehr verschlechtert …Sehbeschwerden ? Die Situation hat sich durch die Sanierung O ständig O sehr verbessert O oft O etwas verbessert O selten O nicht verändert O nie O etwas verschlechtert O sehr verschlechtert XII Anhang … Kopfschmerzen? Die Situation hat sich durch die Sanierung O ständig O sehr verbessert O oft O etwas verbessert O selten O nicht verändert O nie O etwas verschlechtert O sehr verschlechtert …Konzentrationsschwäche ? Die Situation hat sich durch die Sanierung O ständig O sehr verbessert O oft O etwas verbessert O selten O nicht verändert O nie O etwas verschlechtert O sehr verschlechtert …Rasche Ermüdung ? Die Situation hat sich durch die Sanierung O ständig O sehr verbessert O oft O etwas verbessert O selten O nicht verändert O nie O etwas verschlechtert O sehr verschlechtert … Benommenheit? Die Situation hat sich durch die Sanierung O ständig O sehr verbessert O oft O etwas verbessert O selten O nicht verändert O nie O etwas verschlechtert O sehr verschlechtert … Reizbarkeit ? Die Situation hat sich durch die Sanierung O ständig O sehr verbessert O oft O etwas verbessert O selten O nicht verändert O nie O etwas verschlechtert O sehr verschlechtert Sonstiges und eigene Anmerkungen zum gesundheitlichen Wohlbefinden am Arbeitsplatz: ................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................... Anhang B3 XIII Spezialfragen: Bewerten Sie die akustische Behaglichkeit in Ihrem Raum Außenlärm bei geöffnetem Fenster Die Situation hat sich durch die Sanierung O sehr störend O sehr verbessert O störend O etwas verbessert O kaum wahrnehmbar O nicht verändert O überhaupt nicht O etwas verschlechtert O sehr verschlechtert Geräusche aus Nachbarräumen Die Situation hat sich durch die Sanierung O sehr störend (Gesprächsinhalte verstehbar) O sehr verbessert O störend O etwas verbessert O kaum wahrnehmbar O nicht verändert O überhaupt nicht O etwas verschlechtert O sehr verschlechtert Geräusche aus dem eigenen Raum Die Situation hat sich durch die Sanierung O sehr störend O sehr verbessert O störend O etwas verbessert O kaum wahrnehmbar O nicht verändert O überhaupt nicht O etwas verschlechtert O sehr verschlechtert B4 Spezialfragen: Bewerten Sie die gefühlte Temperatur in Ihrem Raum… …an einem kalten Wintertag: Die Situation hat sich durch die Sanierung O sehr kalt O sehr verbessert O kalt O etwas verbessert O gerade richtig O nicht verändert O warm O etwas verschlechtert O sehr warm O sehr verschlechtert …an einem warmen Sommertag: Die Situation hat sich durch die Sanierung O sehr kalt O sehr verbessert O kalt O etwas verbessert O gerade richtig O nicht verändert O warm O etwas verschlechtert O sehr warm O sehr verschlechtert Falls es zu warm wird, treten die Überhitzungen eher O am Vormittag oder O am Nachmittag auf? XIV Anhang C Technische Ausstattung C1 Wie ist die technische Ausstattung Ihres Arbeitsplatzes ? Monitor O ja O nein Anzahl ....... LCD-Bildschirm O ja O nein Anzahl ....... Computer O ja O nein Anzahl ....... Laptop O ja O nein Anzahl ....... Drucker O ja O nein Anzahl ....... Schreibtischleuchte O ja O nein Anzahl ....... Sonstiges O ja O nein wenn ja, was .................................................................................................................................................... C2 Gibt es an Ihrem Arbeitsplatz Geräte, die ständig betrieben werden, bzw. im Stand-ByModus laufen? O ja O nein Wenn ja, welche? .................................................................................................................................................... C3 Spielt der Energieverbrauch bei der Anschaffung technischer Geräte an Ihrem Arbeitsplatz eine Rolle? C4 O ja O nein Wann öffnen Sie in der Regel das/die Fenster? O wenn die Luft zu warm ist O wenn die Luft zu kalt ist O wenn die Luft zu trocken ist O wenn die Luft zu feucht ist O wenn die Luft zu sauerstoffarm ist O wenn die Luft zu geruchsbelastet ist O gar nicht O Sonstiges, und zwar .................................................................................................................................................... C6 Wie häufig und wie lange öffnen Sie Ihre Fenster während eines warmen Sommertages Häufigkeit : O gar nicht O .......mal/Tag O weit geöffnet O gekippt Dauer: .......................... Fensterstellung: C7 Wie häufig und wie lange öffnen Sie Ihre Fenster während eines kalten Wintertages? Häufigkeit : O gar nicht O .......mal/Tag O weit geöffnet O gekippt Dauer: .......................... Fensterstellung: Anhang XV D Beheizung D1 Bewerten Sie bitte die Heizungsanlage in Ihrem Büro hinsichtlich Behaglichkeit und Handhabung mit Noten von 1 = sehr gut bis 6 = sehr schlecht Behaglichkeit: Note......., weil: ……………………………………………….. O sehr verbessert ……………………………………………………… O etwas verbessert ……………………………………………………… O nicht verändert ……………………………………………………… O etwas verschlechtert ……………………………………………………… O sehr verschlechtert Handhabung: Note......., D2 Die Situation hat sich durch die Sanierung Die Situation hat sich durch die Sanierung weil: ……………………………………………….. O sehr verbessert ……………………………………………………… O etwas verbessert ……………………………………………………… O nicht verändert ……………………………………………………… O etwas verschlechtert ……………………………………………………… O sehr verschlechtert Welche Verbesserungsvorschläge zur Heizungsanlage haben Sie? ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... E Beleuchtung E1 Bewerten Sie bitte die Beleuchtung in Ihrem Büro hinsichtlich der Lichtverhältnisse am Arbeitsplatz und der Handhabung mit Noten von 1 = sehr gut bis 6 = sehr schlecht Lichtverhältnisse am Arbeitsplatz Tageslicht-Qualität: Note......., Die Situation hat sich durch die Sanierung weil: ……………………………………………….. O sehr verbessert ……………………………………………………… O etwas verbessert ……………………………………………………… O nicht verändert ……………………………………………………… O etwas verschlechtert ……………………………………………………… O sehr verschlechtert XVI Anhang Kunstlicht-Qualität: Note......., Die Situation hat sich durch die Sanierung weil: ……………………………………………….. O sehr verbessert ……………………………………………………… O etwas verbessert ……………………………………………………… O nicht verändert ……………………………………………………… O etwas verschlechtert ……………………………………………………… O sehr verschlechtert Kunstlicht-Regelbarkeit: Note......., Die Situation hat sich durch die Sanierung weil: ……………………………………………….. O sehr verbessert ……………………………………………………… O etwas verbessert ……………………………………………………… O nicht verändert ……………………………………………………… O etwas verschlechtert ……………………………………………………… O sehr verschlechtert Kunstlicht-Bedienungskomfort: Note......., Die Situation hat sich durch die Sanierung weil: ……………………………………………….. O sehr verbessert ……………………………………………………… O etwas verbessert ……………………………………………………… O nicht verändert ……………………………………………………… O etwas verschlechtert ……………………………………………………… O sehr verschlechtert Sonnenschutz: Note......., Die Situation hat sich durch die Sanierung weil: ……………………………………………….. O sehr verbessert ……………………………………………………… O etwas verbessert ……………………………………………………… O nicht verändert ……………………………………………………… O etwas verschlechtert ……………………………………………………… O sehr verschlechtert Sonnenschutz-Handhabung: Note......., Die Situation hat sich durch die Sanierung weil: ……………………………………………….. O sehr verbessert ……………………………………………………… O etwas verbessert ……………………………………………………… O nicht verändert ……………………………………………………… O etwas verschlechtert ……………………………………………………… O sehr verschlechtert Blendschutz: Note......., Die Situation hat sich durch die Sanierung weil: ……………………………………………….. O sehr verbessert ……………………………………………………… O etwas verbessert ……………………………………………………… O nicht verändert ……………………………………………………… O etwas verschlechtert ……………………………………………………… O sehr verschlechtert Anhang XVII Blendschutz-Handhabung: Note......., E2 Die Situation hat sich durch die Sanierung weil: ……………………………………………….. O sehr verbessert ……………………………………………………… O etwas verbessert ……………………………………………………… O nicht verändert ……………………………………………………… O etwas verschlechtert ……………………………………………………… O sehr verschlechtert Bewerten Sie bitte die Beleuchtung in den folgenden Räumlichkeiten hinsichtlich Behaglichkeit und Handhabung mit Noten von 1 = sehr gut bis 6 = sehr schlecht Flure Behaglichkeit: Note..... Handhabung: Toiletten Note..... Behaglichkeit: Note..... Handhabung: Note..... Treppenhaus Behaglichkeit: Note..... Handhabung: E3 Note..... Welche Verbesserungsvorschläge zur Beleuchtung haben Sie? ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... F Alltag F1 Was gefällt Ihnen an dem Gebäude besonders gut? ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... F2 Was gefällt Ihnen gar nicht an dem Gebäude? ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... XVIII F3 Anhang Wünschen Sie sich eine bessere Aufklärung über die Funktionsweise der Doppelfassade und deren Zusammenwirken mit der Gebäudetechnik? O ja O nein Wenn ja, was speziell? ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... F4 Bewerten Sie den Sanierungserfolg mit Noten zwischen 1 = sehr gut und 6 = sehr schlecht geben Sie bitte eine kurze Begründung an Note......, weil................................................................................................................................................ ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... Allgemeine Bemerkungen: ................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................... Sie sind nun am Ende des Fragebogens angelangt. Falls Sie sich für die Gesamtergebnisse dieser Fragebogenaktion interessieren, wenden Sie sich bitte an ………………………………………………………………………………………………… Vielen Dank für Ihre Mitarbeit!
