Museum als Niedrigenergiegebäude
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BINE Informationsdienst ▼ Verzicht auf Klimatisierung trotz konservatorischer Anforderungen erfolgreich ▼ Stabilisierung der Raumluftfeuchte durch hygroskopische Materialien ▼ Abb 1 Energetische Optimierung durch abgestimmtes Paket baulicher und anlagentechnischer Maßnahmen ▼ Museum als Niedrigenergiegebäude Tageslichttechnik an zentraler Stelle des Planungskonzepts Luftbild – Erweiterungsbau des Deutschen Technikmuseums Berlin, rechts der Ausstellungstrakt mit der abgehängten C47 „Rosinenbomber“, links der Versorgungstrakt B eim Bau eines Museums sind konservatorische Aspekte zum Projektablauf. Dennoch konnte das Energiekonzept in seinen we- Erhalt der Exponate zu beachten, die über die bei anderen sentlichen Bestandteilen umgesetzt werden. Der Ansatz, durch eine Bautypen einzuhaltenden Anforderungen an das Raumkli- gesamtheitliche Optimierung des Gebäudes die Wirtschaftlichkeit ma hinausgehen. Dennoch konnte im Erweiterungsbau des Deut- und Energieeffizienz zu steigern, ist auch heute gültig. schen Technikmuseums in Berlin auf eine Klimatisierung - künstliche Das Energiekonzept ist selbst ein Exponat im Deutschen Technik- Kälte und Entfeuchtung - verzichtet werden. Während der Pla- museum. In einer multimedialen Präsentation werden den nungsphase wurden das Temperatur- und Feuchteverhalten sowie die Museumsbesuchern die eingesetzten Technologien zur Steigerung Energiebilanz in umfangreichen Simulationen untersucht und Maß- der Energieeffizienz des Gebäudes nahegebracht. Mit Tageslicht- nahmen mit Blick auf ihre Wirksamkeit aufeinander abgestimmt. transportsystemen wird die Möglichkeit, fensterferne Innenbereiche Die Tageslichtbeleuchtung bildet einen weiteren Schwerpunkt. Die mit Sonnenlicht zu beleuchten, demonstriert. verschiedenen Fassaden wurden hinsichtlich der Versorgungsfunk- Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) tionen und Schutzfunktionen optimiert: der Ausblick ins Freie und geförderte Forschungsprojekt „Museum als Niedrigenergiegebäude die Tageslichtbeleuchtung mit dem Sonnen- und Blendschutz sowie mit optimierter Tageslichtbeleuchtung“ hatte das Ziel, die Energie- dem Schutz der Exponate vor Strahlung in Einklang gebracht. Die einsparpotenziale großer öffentlicher Gebäude aufzuzeigen. Durch Untersuchungen mündeten in innovative, baulich integrierte Tages- die gesamtheitliche Optimierung des Gebäudes soll der Energiever- lichtstrategien. brauch gesenkt und die Behaglichkeit in den Räumen optimiert wer- Eine lange Bauzeit - 14 Jahre von der ersten Architektenskizze bis zur den. Eine zweijährige Messphase soll zeigen, ob das Gebäude die Schlüsselübergabe - bedingt durch besondere finanzielle Belastungen Erwartungen hinsichtlich des Energieverbrauchs und der Aufent- im Zuge der Wiedervereinigung führte zu Brüchen und Defiziten im haltsbedingungen erfüllt. ▼ Abb 3 Grundriss, 2.OG – Eingangsebene Bauherr (Rohbau): Senatsverwaltung für kulturelle Angelegenheiten, Berlin Bauherr (Ausbau): CommerzLeasing und Immobilien Vertrieb, Berlin Baudienststelle: Senatsverwaltung für Stadtentwicklung, Berlin Nutzer: Deutsches Technikmuseum Berlin Architektur: Architektengemeinschaft Museum für Verkehr und Technik, Ulrich Wolff, Helge Pitz, Berlin Forschungsvorhaben Deutsches Technikmuseum Berlin Fraunhofer-Institut für Bauphysik, Stuttgart ■ Institut für Bau-, Umwelt- und Solarforschung, Berlin ■ Technische Universität Berlin ■ Standort: Trebbiner Straße 9, 10963 Berlin-Kreuzberg am U-Bf. Gleisdreieck Planungs- und Ausführungszeitraum: 1987 – 2001 Baukonstruktionen: ■ Gründung: Wannengründung ■ Kellergeschoss: Massivbau ■ Tragende Wände/aussteifende Kerne: Stahlbeton ■ Stützen/Träger/Decken: Verbundbau ■ Außenwände: Zweischalig, nicht tragend ■ Stahl-Glasfassaden: Pfosten/Riegel-Konstruktion ■ Dach: Gründach Wärmeversorgung: Fernwärme BRI (Bruttorauminhalt): 158.968 m3 BGF (Bruttogeschossfläche): 29.936 m2 NGF (Nettogeschossfläche): 27.023 m2 N Optimierung erarbeitete Entwurfskonzept barg Chancen, allerdings auch Probleme für die energetische Optimierung. Günstig war beispielsweise der kompakte Baukörper sowie die als Erdreichwärmetauscher verwendbare Hohlbodenkonstruktion. Das Zeigen der tragenden Konstruktion im Außenraum machte auf der anderen Seite die Durchdringung der wärmedämmenden Gebäudehülle erforderlich und die großen Gebäudetiefen lassen nur eine teilweise Beleuchtung mit Tageslicht zu. A/V-Verhältnis: 0,16 m-1 Energiekonzept Abb 4 Maßnahmenbereiche des Energiekonzeptes Stromverbrauch für Anlagen Gebäude über keine aktive Kälteanlage verfügt, kommt der Beherrschung des Sommerfalls besondere Bedeutung zu. Weitere Elemente des sommerlichen Wärmeschutzes sind ein effektiver Sonnenschutz, die Aktivierung thermischer Speichermassen, Lüftungsöffnungen in den Oberlichtern sowie eine besucherabhängige Regelung der Lüftungsanlage. Eine Maßnahmenübersicht des Energiekonzeptes zeigt Abb 4. Beleuchtung Zu den Maßnahmen für eine Reduzierung des Heizwärmebedarfs gehören die Verbesserung des U-Wertes aller Hüllflächenbauteile, die baukonstruktive Optimierung und die Sicherstellung der Luftdichtheit. Insgesamt wird eine Erhöhung der Oberflächentemperatur der Fassaden auf der Innenseite erreicht. In Verbindung mit einer optimierten Beheizung führt dieses zum Behaglichkeitsempfinden bereits bei einer Raumlufttemperatur von 18°C. Durch die abgesenkte Raumlufttemperatur konnten wiederum die Lüftungswärmeverluste reduziert werden. Besonders wirksam bei der Verbesserung der Gebäudehülle erwies sich die Verwendung einer Dreifachverglasung mit einem U-Wert des Glases von 0,7 W/m2K. Der zum Grundwasserschutz der Archivräume im Keller ‚bauseits‘ vorhandene Hohlboden wurde zur Vorkonditionierung der Zuluft als Erdreich-Wärmetauscher in das Lüftungskonzept eingebunden. Da das Wärmeschutz der Gebäudehülle Solargewinn Fußbodenheizung in Randstreifen der Fassade Bodenkanal zur Zuluftvorkonditionierung bedarfsgerechte Lüftung Wärmerückgewinnung Öffenbarkeit der Oberlichter Tageslichtnutzung tageslichtabhängige Kunstlichtregelung eisenfreie Verglasung Sonnenschutz hygroskopische Materialien Wärmespeicherfähigkeit des Baukörpers Projektablauf Die erste Architektenskizze zum Museum datiert vom Oktober 1987. Zwei Jahre danach, 1989, startete das Forschungsvorhaben. Die bereits abgeschlossene Entwurfsplanung konnte optimiert, nicht jedoch revidiert werden. Der Fall der Berliner Mauer wirkte sich auch auf dieses Projekt aus. Kurz nach der 2 Abb 2 Gebäudesteckbrief Kühlung ▼ Das Deutsche Technikmuseum Berlin erstreckt sich über das Gelände des ehemaligen Anhalter Güterbahnhofs. Am Landwehrkanal, an der Nordspitze des Museumsparks, wurde mit dem als Niedrigenergiegebäude entwickelten Erweiterungsbau ein weiterer Baustein auf dem Wege der Umsetzung der Gesamtplanung für das Deutsche Technikmuseum Berlin abgeschlossen. Der Bau mit seiner Nutzfläche von etwa 20.000 m2 gliedert sich in den Ausstellungstrakt für die Abteilungen Luftfahrt- und Schifffahrt im Norden und den Versorgungstrakt im Süden (Abb 3). Die Anordnung der Ausstellungsflächen im Norden dient der Vermeidung direkter Sonneneinstrahlung in die Ausstellungsflächen. Der Versorgungstrakt mit Bibliothek, Werkstätten, Foyer und Gastronomie öffnet sich nach Süden und ist durch eine transparentere Fassadengestaltung geprägt. Der Entwurf des Gebäudes behandelt die Baukonstruktionen und die in dem Gebäude installierte Technik selbst als Exponate. Daher ist der Rohbau mit dem Ausbauzustand identisch und alle Medien bleiben unverdeckt sichtbar. Das bereits vor Beginn der energetischen Heizwärme ▼ Gebäudekonzept BINE projektinfo 9/01 Grundsteinlegung 1996 fehlten dem Berliner Senat nötige Geldmittel. Der Rohbau konnte nur durch die Vorfinanzierung der beteiligten Bauunternehmen fertiggestellt werden – im Mai 1999 wurde das Richtfest gefeiert. Im gleichen Jahr wurde der Ausbau des Museums in einem Finanzratenkauf beauftragt. Grundlage war ein funktionales Leistungsverzeichnis, das deutliche Abstriche gegenüber der ursprünglichen Planung aufwies. Die sehr lange Planungs- und Bauzeit hatte eine personelle Diskontinuität bei den Projektbeteiligten zur Folge, die zu Informationsverlusten führte. ▼ Tageslichtsysteme Die Oberlichtbelegung und der Einsatz von Tageslichtsystemen wurden in detaillierten Studien im künstlichen Himmel optimiert. An der Ostfassade im Ausstellungstrakt beispielsweise galt es, ein Tageslichtsystem zu entwickeln, das den attraktiven Ausblick in den Stadtraum erhält, dabei jedoch die Funktionen des Sonnen- und Blendschutzes erfüllt und zusätzlich lichtlenkende Eigenschaften hat. Eingesetzt wurden Großlamellen im Rhythmus der Geschossteilung. Ein innerer transluzenter Lamellenflügel wurde mit einem äußeren Flügel aus Lochblech kombiniert. Je nach Stellwinkel der Lamelle kann der Grad der Abschirmung des Tageslichtes variiert werden, ohne die Beleuchtungstiefe zu reduzieren. Ausgewo- ▼ Abb 5 Auswirkung verschiedener Maßnahmen auf den jährlichen Neben der VorHeiz- und Kühlenergiebedarf sowie die Aufwendungen zur konditionierung Be- und Entfeuchtung – Simulation in der frühen Projektphase der Zuluft trägt 150.000 500.000 Befeuchtung [kg/a] dazu insbesondere Entfeuchtung [kg/a] 120.000 400.000 Kühlung [kWh/a] der Einsatz hygrosHeizung [kWh/a] kopischer Aus90.000 300.000 baumaterialien 60.000 200.000 bei - der Blähton der Wände sowie 30.000 100.000 das Holzpflaster der Fußböden. 0 0 HeizsollSorptionsGrundfall Nachtlüftung Erdkanal / 3/h Die relative Raumtemperatur fläche 9.000m = 18°C + Wände Infil. = 0,05 h-1 luftfeuchte bleibt keine Kühlung in einem Band vorkonditionierung unter den angenommezwischen 45% bis 55%. Die Temperatur ernen Randbedingungen ein Niveau von reicht in einer warmen Sommerperiode trotz 27°C. effektiver Sonnenschutzsysteme und ZuluftHeizung / Kühlung [kWh/a] Abhängig von den Ausstellungsobjekten werden Anforderungen an das Niveau und die Veränderung von Raumlufttemperatur und -feuchte gestellt. Langsame Änderungen mit geringen Amplituden sind eher tolerierbar, kurzfristige und heftige Schwankungen müssen dagegen strikt vermieden werden. Während in anderen Museen Klimaanlagen unter hohem Energieeinsatz für das gewünschte Raumluftklima sorgen, bedeutet der Verzicht auf künstliche Entfeuchtung und Kälte, dass Temperatur und Feuchte nach oben frei schwingen können. Daher wurde das Gebäude hinsichtlich des Temperaturund Feuchteverhaltens intensiv simuliert und optimiert, um Überhitzung und eine zu hohe Raumluftfeuchte im Sommer zu vermeiden. Be-/Entfeuchtung [kg/a] ▼ Raumklima – konservatorische Anforderungen gene Leuchtdichten im Fassadenbereich sorgen für eine blendfreie Umgebung. Bei den Oberlichtern im westlichen Teil des Ausstellungstraktes wurden feststehende Tageslichtsysteme eingesetzt. Neben dem Schutz vor direkt einfallender Sonneneinstrahlung wurde durch die Streuung des einfallenden Lichtes die Vertikalkomponente der Beleuchtungsstärke hervorgehoben. Um auch mit feststehenden Systemen ein ganzjährig angemessenes Tageslichtniveau zu erhalten, wurde ein außen liegender Sonnenschutzrost als saisonaler Sonnenschutz eingebaut. Weitere Elemente der Tageslichtstrategie sind die tageslichtabhängige Regelung des Kunstlichts sowie einiger Tageslichtsysteme. Abb 6 Ausstellungstrakt, 4.OG, Blick zur Ostfassade, Tageslichtsystem mit zweiflügeligen Großlamellen Tageslichttransportsysteme Die tiefen, über Fassaden nicht mehr mit Tageslicht zu versorgenden Geschossflächen des Deutschen Technikmuseums führten zu der Idee, entlang des Weges der Museumsbesucher in die Ausstellungsflächen Tageslichttransportsysteme einzusetzen. Drei unterschiedliche Systeme wurden eingebaut (Abb 7): ■ Tageslichtleuchte Der Sonne nachgeführte Fresnellinsen auf dem Dach koppeln Sonnenlicht in Flüssigkeitslichtleiter ein. Diese werden bis in das Foyer im 1.OG geführt und versorgen vier als Wegeleitsystem gestaltete Lichtröhren mit Sonnenlicht. Kunstlichteinspeiser schalten sich ein, wenn die Sonne nicht scheint . ■ Sonneninstallation Eine Spiegelanlage - bestehend aus einem einachsig der Sonne nachgeführten Kollektorspiegel und einem feststehenden Reflektor - projiziert Sonnenlicht in einen Lichtschacht, der beim Eintritt in den Ausstellungstrakt durchschritten wird. ■ Heliostatenanlage Ein Heliostat mit einer Fläche von etwa 14 m2 versorgt über Umlenk- und Beleuchtungsreflektoren das Innere des Museums mit Sonnenlicht. Die Anlage ist veränderbar und kann innerhalb des Ausstellungstraktes vielfältige Beleuchtungsaufgaben erfüllen. Abb 7 Tageslichttransportsysteme Obere Reihe: Lichtsammler (nachgeführte Fresnellinsen), Sonneninstallation, Heliostatenanlage, untere Reihe: durch die Systeme erfüllte Beleuchtungsaufgaben im Inneren des Gebäudes BINE projektinfo 9/01 3 ▼ PROJEKTORGANISATION Fazit Große öffentliche Gebäude bieten vielfältige Ansatzpunkte für eine energetische Optimierung. Maßnahmen zur Energieeinsparung können auch zur Stabilisierung des Raumklimas beitragen - insbesondere ein optimierter Wärmeschutz, eine dichte Gebäudehülle und ein effektiver Sonnenschutz kommen sowohl dem Raumklima als auch der Senkung des Energiebedarfs zugute. Durch die Aktivierung thermischer Speichermassen, die Verwendung hygroskopischer Materialien im Innenausbau sowie die Integration eines Erdreichwärmetauschers in die Lüftungsstrategie konnten die Anforderungen an das Raumklima im Rahmen der angenommenen Besucherdichte und der inneren Wärmelasten ohne künstliche Kälte und Entfeuchtung erfüllt werden. Auch in Fällen, in denen eine Klimatisierung aufgrund höherer Anforderungen an das Raumklima erforderlich ist, tragen solche Maßnahmen erheblich zur Senkung des Energiebedarfs bei. Kritisch sind im Ausstellungsbereich Direktgewinnsysteme zu werten, da Strahlungsgewinne, soweit diese nicht für die Beleuchtung erforderlich sind, aus konservatorischer Sicht problematisch sind. Aus diesem Grund muss die Tageslichtbeleuchtung im Museumsbau Abb 8 Oberlichter im Westteil des besonders intensiv untersucht werAusstellungstraktes – den. Hohe Anforderungen an eine Lüftungsklappen geöffnet attraktive und blendfreie visuelle Umgebung gehen mit der Forderung nach einem Schutz der ausgestellten Objekte vor Strahlung einher. Der Steuerung stellbarer und rückziehbarer Systeme kommt daher besonderes Gewicht zu. Doch auch feststehende Systeme können Bestandteil einer optimierten Tageslichtstrategie sein, vorausgesetzt sie sind richtig in den Baukörper integriert. Entscheidend für eine zielgerichtete energetische Optimierung ist die frühe Festlegung von Grenz- und Zielwerten der konservatorischen Anforderungen. Sie müssen durch den gesamten Planungs- und Bauprozeß verfolgt werden. Die Optimierung muss bereits mit dem Gebäudeentwurf beginnen – andernfalls werden Optimierungspotenziale verschenkt. In zwei Jahren, wenn die Ergebnisse der Messphase vorliegen, ist das Gebäude endgültig zu bewerten. ■ Förderung des Vorhabens Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) 53182 Bonn Projektträger Jülich (PTJ) des BMWi Forschungszentrum Jülich GmbH Dr. Hans-Georg Bertram 52425 Jülich ■ Förderkennzeichen 0329084B IMPRESSUM ■ ISSN 0937 – 8367 ■ Herausgeber Fachinformationszentrum Karlsruhe, Gesellschaft für wissenschaftlich-technische Information mbH 76344 Eggenstein-Leopoldshafen ■ Nachdruck Nachdruck des Textes nur zulässig bei vollständiger Quellenangabe und gegen Zusendung eines Belegexemplares; Nachdruck der Abbildungen nur mit Zustimmung der jeweils Berechtigten. ■ Redaktion Roman Jakobiak (IBUS), Paul Feddeck BINE – INFORMATIONEN UND IDEEN ZU ENERGIE & UMWELT BINE ist ein vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie geförderter Informationsdienst. BINE informiert über neue Energietechniken und deren Anwendung in Wohnungsbau, Industrie, Gewerbe und Kommunen. PROJEKTADRESSEN . Institut für Bau-, Umwelt- und Solarforschung GmbH Roman Jakobiak Caspar Theyß Straße 14a 14193 Berlin . Fraunhofer-Institut für Bauphysik Hans Erhorn Nobelstraße 12 70569 Stuttgart ▼ ▼ BINE bietet Ihnen folgende kostenfreie Informationsreihen ERGÄNZENDE INFORMATIONEN Literatur Deutsches Technikmuseum Berlin: http://www.dtmb.de . Service Ergänzende Informationen wie Literatur, Adressen, Ansprechpartner, Bilder und Grafiken sind unter www.bine.info, „Service/Infoplus“ abrufbar. . ■ Projekt-Infos ■ Profi-Infos ■ basisEnergie Nehmen Sie mit uns Kontakt auf, wenn Sie vertiefende Informationen, spezielle Auskünfte, Adressen etc. benötigen, oder wenn Sie allgemeine Informationen über neue Energietechniken wünschen BINE Informationsdienst Fachinformationszentrum Karlsruhe Büro Bonn Mechenstr. 57 53129 Bonn 0228 / 9 23 79-0 0228 / 9 23 79-29 eMail: [email protected] Internet: www.bine.info 4 BINE projektinfo 9/01 eden design, bonn Fon: Fax:
