Sommertauglich entwerfen und bauen
Werbung
schützen speichern optimieren kühlen pflanzen Impressum Inhalt 4 Einleitung 10 Leitfaden 11 Städtebauliche Aspekte 11 Standort 12 Baukörper 13 Atrien 14 schützen Verminderung des Wärmeeintrags 15 Verglasungsanteil Impressum O. Ö. Energiesparverband Fassadenfarbe Landstraße 45, A-4020 Linz Glasqualitäten Telefon: 07 32-77 20-1 43 80 16 Sonnenschutz Fax: 07 32-77 20-1 43 83 17 Transmission durch nichttransparente Bauteile Email: [email protected] www.esv.or.at Mit freundlicher Genehmigung der Bremer Energie-Konsens GmbH Exkurs: Berechnung des sommerlichen Klimas 18 Lüftung / Luftwechsel Interne Wärmequellen 20 speichern Wärme / Kühlespeicherung Text Klaus Beck Jörg Probst 22 optimieren Optimierung der Tageslichtversorgung unter Mitwirkung von 23 Einstrahlungswinkel / Grundrissgestaltung Jürgen Frantz, Patrick Jung, 24 Verglasungsanteile Winfried Klimesch, Alex Lohr Sonderfall Dachverglasung 25 Lichtlenkung Redaktion Martin Grocholl Tim Schomacker Exkurs: Doppelfassaden 26 kühlen Technische Gebäudeausrüstung Grafische Gestaltung Designbüro Möhlenkamp, Bremen 27 Nachtkühlung Marlis Schuldt, Jörg Möhlenkamp 28 Kühlung und Erwärmung von Gebäuden 29 Lüftungskamine Luis Asín, Madrid (Titel, Seite 25) Erdreichwärmetauscher / Luftkanäle im Erdregister Klaus Beck (Seite 35) Betonkernaktivierung Werner Huthmacher (Seite 22, 32) 30 Erdsonden und Wärmepumpen Steffi Kollmann (Seite 9, 13, 14) Entfeuchtungskühlung Ingo Lütkemeyer (Seite 28) Kühlmöbel Jörg Michaelis (Umschlag, 32 pflanzen Seiten 6, 13, 14, 20, 26, 31, 33) Palazzi Verlag Bremen (Seite 10) 35 Fazit O. Ö. Energiesparverband (Seite 34) Stadtkommunikation Linz (Seite 7) 36 Literatur Druck Asco Sturm Druck / Bremen, Jänner 2006 7 Sommertauglich Entwerfen und Bauen Fotos Einleitung Um klimawirksame Treibhausgase zu Seit Mies van der Rohe reduzieren, wurden in Mitteleuropa in den das erste Glas-Hochhaus entwarf, müssen Archi- vergangenen Jahrzehnten intensiv Möglich- tekten über das Problem des sommertauglichen Bauens nachdenken. keiten zur Verringerung von Heizwärmeverlusten bei Gebäuden diskutiert. So konnte im Neubaubereich in Oberösterreich mit der Einführung von Energiekennzahlen-Grenzwerten eine signifikante Reduzierung der Wärmeverluste durch Transmission und Lüftung erreicht werden. Gleichzeitig kommen verstärkt energie-effiziente Wärmeerzeuger und Ökoenergieträger zum Einsatz. In dieser Broschüre werden Entwurfsansätze und Handlungsempfehlungen vorgestellt, die Wege zum Bau sommertauglicher, energieoptimierter und nutzerorientierter Verwaltungsgebäude weisen sollen. ›Sommertauglich‹ meint: Gebäude bleiben bei optimaler Tageslichtversorgung weitgehend vor Überhitzung und Blendung geschützt und ermöglichen auch in den heißen Sommermonaten angenehme Raumtemperaturen – und dies ohne erheblichen mechanischen Energieaufwand. Hierzu ist es unabdingbar, dem sommerlichen Wärmeschutz schon in der Planungsphase große Bedeutung beizumessen. Es macht Sinn, dass bereits in der Planungsphase eines Gebäudes der sommerliche Wärmeschutz mit einbezogen wird, damit bereits durch bauliche Maßnahmen verhindert wird, dass unzumutbar hohe Innentemperaturen entstehen. entwerfenbauen Rückblende ›form follows climate‹ Die gesamte menschliche Baugeschichte ist geprägt von der Anpassung an unterschiedliche klimatische Verhältnisse. Der Mensch ist als einziges Lebewesen in der Lage, sowohl unter den extremen Hitzebedingungen sommertauglich – energieoptimiert – nutzerorientiert Der hohe Energiebedarf aktiver sommerlicher Kühlung fand und findet des äquatorialen Raumes als auch in den Kältezonen der Polregionen zu überleben und dauerhaft zu siedeln. Dies wäre ohne seine Fähigkeit, Kleidungen und Be- dagegen deutlich weniger Beachtung. Und das, obwohl dieser Bedarf gerade im hausungen herzustellen, kaum möglich. Klimagerechte Architektur war somit notwendige Voraussetzung zur Besiedlung vielfältiger Lebensräume. modernen Verwaltungs- und Dienstleistungs- Da der menschliche Organismus auf Temperaturen bereich dem Aufwand für Heizung gleich- besonders empfindlich reagiert, ist der Wärme-/Kältehaushalt von herausragender Bedeutung. Je nach klima- kommt oder diesen sogar noch übertrifft. tischer Situation orientierte sich die Entwicklung von Gebäuden an einer rationellen Erwärmung (Iglu) oder aber am Schutz vor Überhitzung. In vielen Regionen Das Know-how für wintertaugliches Entwerfen und Bauen ist unter Architekten mussten Gebäude beiden klimatischen Situationen gerecht werden, sofern nicht jeweils Winter- oder Som- und Ingenieuren mittlerweile weit verbreitet – sommertaugliche Gebäude ohne großen Die wesentlichen Komponenten eines ›Entwurfs‹ – die Stellung und Ausrichtung von Gebäuden, ihre Gestalt und Form sowie die verwendeten Materialien – standen technischen Aufwand sind dagegen immer noch die Ausnahme. 4 stets im direkten Bezug zu den klimatischen Bedingungen. Kurz gesagt gilt: ›form follows climate‹. 5 Sommertauglich entwerfen und bauen mersiedlungen bewohnt wurden. Einleitung Einstweilen aber blieben fossile Energien billig und der manchmal die Rolle der Architekten und Ingenieure. Der beinahe religiöse Glaube an technologische Lösungen ›Nutzer‹ wurde im schlimmsten Fall zum Störfaktor deg- wie Kernenergie oder Wasserstofftechnologie ungebro- radiert, der den ausgeklügelten Systemen der rationellen chen. Eine frühzeitige Umsetzung energieeffizienter Energieverwendung nicht gewachsen war. Architektur im großen Stil wurde so verhindert. Dies galt Parallel entstanden jedoch auch Tendenzen, die den vor allem im gewerblichen und öffentlichen Bereich, da Menschen als Bewohner und Benutzer von Gebäuden dort die Energiekosten verglichen mit jenen für Personal, stärker in den Blickpunkt rücken. Neue Perspektiven Einrichtung und Unterhalt kaum nennenswert zu Buche und Fragestellungen entstehen: Wie wirkt Architektur schlugen. auf die Umwelt? Und vor allem: Wie wirkt sie auf den Deutlichere Anstrengungen waren im Wohngebäudebereich zu verzeichnen. In den 1980er Jahren wurde Menschen? Komfort, Behaglichkeit, Wohlbefinden, Gesundheit erstmals der Niedrigenergie-Standard realisiert und und Entwicklungsmöglichkeiten werden zu entscheiden- zu Beginn der neunziger Jahre gelang mit den ersten den Faktoren für die Entwurfskonzepte – in Rückbe- Passivhäusern der Durchbruch zu hochenergieeffizienten sinnung auf die Erkenntnis, dass Gebäude zunächst Gebäuden. Der Energiebedarf konnte um den Faktor 10 Lebens- und Entwicklungsräume (›Biotope‹) für Men- verringert werden. schen sind. Die Entwicklung dieser Gebäude wurde manchmal so eng mit der Zielsetzung Energieeffizienz verknüpft, dass eine Auseinandersetzung mit Architekturqualität in den Hintergrund rückte. Der Entwurfsprozess wurde zunehmend von bauphysikalischen Berechnungen geleitet, Bauphysiker übernahmen bei den Baukonzepten Erst die Verfügbarkeit scheinbar unbegrenzter fossiler denken, welchen Energiebedarf ein solches Gebäude Energievorräte veränderte die klimatische Ausrichtung für winterliche Erwärmung und sommerliche Kühlung der Architektur. Der Wärme-/Kältehaushalt von Gebäu- gehabt hätte. Gleichwohl gilt dieser Entwurfsansatz nach den war nicht länger eine Frage von Entwurf und Form, bald einem Jahrhundert immer noch als innovativ und sondern richtete sich einseitig an technisch möglichen bestimmt die Architektursprache vieler Verwaltungs- Versorgungssystemen aus. Klimatisierung emanzipierte gebäude. sich gegenüber den äußeren Standortbedingungen und Da Brennstoff ausreichend und preiswert zur Verfü- löste sich schließlich aus dem architektonischen Ent- gung stand, nahm man bei den im Zuge der Industria- wurfsprozess. Die Sorge für die Temperierung und Klima- lisierung errichteten Gebäuden wenig Rücksicht auf tisierung von Gebäuden oblag nicht länger den Archi- den Heizwärmebedarf. Und sommerliche Kühlung war in tekten, sondern wurde Gebäudetechnikern und Ingeni- Mitteleuropa kaum ein Thema. euren übertragen. ›Die Grenzen des Wachstums‹ technik in den industrialisierten Ländern durch die groß- Erst mit der sogenannten Ölkrise 1973 und nachdem der technischen Einsatzmöglichkeiten der neuen Materialien Club of Rome im selben Jahr seinen Bericht ›Die Grenzen Stahl, Glas und Stahlbeton revolutioniert. Es dauerte des Wachstums‹ veröffentlicht hatte, rückte das Wissen allerdings noch rund ein halbes Jahrhundert, bis Ge- um die begrenzte Verfügbarkeit fossiler Energieträger wächshausarchitektur mit Glas als zentralem Baustoff nachhaltig ins Bewusstsein. Auch in der Architektur auch auf Gebäude für Menschen übertragen wurde. begann ein zartes Nach- und Umdenken. 1922 entwarf Mies van der Rohe als Erster ein ganz von Glas umschlossenes Hochhaus. Angesichts der seinerzeit gängigen Einfachverglasung ist kaum auszu6 Passivhäuser in der Solarcity Linz 7 Sommertauglich entwerfen und bauen Ab der Mitte des 19. Jahrhunderts wurde die Bau- Einleitung Glasarchitektur (%) L e i s t u n g s f ä h i g k e i t 140 Unfälle 120 100 Leistungsfähigkeit und Zufriedenheit von Menschen sind stark von der Raumtemperatur abhängig. 80 rt fe 60 r ge mung der inneren Oberflächen, von denen kurzwellige Fassadenbaustoff immer größere Bedeutung zukommen. Wärmestrahlung reflektiert wird. Diese kurzwelligen In der offiziellen Architektursprache gelten Ganzglasge- Strahlen können die Wärmeschutzverglasung nicht bäude als Bedeutungsträger für einen bestimmten Wer- durchdringen und erhitzen so das Gebäudeinnere. Bei tekontext. Sie stehen für Transparenz, Offenheit, Kom- der Tageslichtplanung wie beim sommerlichen Wärme- munikation und Innovation. Nicht zuletzt darum werden schutz ist davon auszugehen, dass im Regelfall nicht klare viele dieser Gebäude realisiert, obwohl sie zwangsläufig Sonneneinstrahlung, sondern diffuse Lichtverhältnisse Innenklimaprobleme erzeugen, die nur mit erheblichem bei bedecktem Himmel vorherrschen, deren Strahlungs- technischen Aufwand gemeistert werden können. anteil ebenso zu einer wesentlichen Erwärmung führt. Diese Architektur steht für eine Entwicklung, bei der Fin steigenden Anzahl elektronischer Bürogeräte die inter- der Wirkung auf den Nutzer oder die Auswirkungen auf nen Wärmelasten kontinuierlich erhöht haben. Wie Untersuchungen der vergangenen Jahre belegen, formale und materialbezogene Architektursprache reali- erfüllen nur wenige Gebäude die Anforderungen an siert werden soll. Die wachsende Verbreitung dieser Glas- eine sommertaugliche Nutzung. architektur führte zwangsläufig zu einer intensiven AusZufriedene 10 15 Arbeitstakt 20 25 35 (0C) 30 Te m p e r a t u r ( 0 C ) bei sitzender Beschäftigung und sommerlicher Kleidung einandersetzung mit dem sommerlichen Wärmeschutz Dieser Leitfaden präsentiert eine Methodik zum som- und der Vermeidung von Blendung und Überhitzung. mertauglichen Entwerfen und Bauen und verdeutlicht Dabei ist die Sonneneinstrahlung der wesentliche Faktor für die Erwärmung. Ursache des sogenannten ›Treib- 10 15 20 25 30 (0C) bei leichter Beschäftigung und sommerlicher Kleidung aus: ›Handbuch Das wird dadurch verstärkt, dass sich mit der zunächst nicht Fragen nach der Gebrauchstauglichkeit, die Umwelt bedacht werden, sondern eine bestimmte geistige Arbeit it e igk Zahlreiche technologische Innovationen lassen Glas als der passiven Kühlung‹ die Entwurfsansätze an realisierten Beispielen. Die hier vorgestellten Konzepte orientieren sich an hauseffektes‹ sind die in das Gebäude einstrahlenden den durchschnittlichen klimatischen Bedingungen in langwelligen Sonnenstrahlen. Diese elektromagnetischen Mitteleuropa und müssen im Einzelfall an örtliche Gege- Wellen werden absorbiert und führen zu einer Erwär- benheiten angepasst werden. Der Mensch als Maß der Dinge Was für den privaten Wohnbereich gilt, trifft auf den Diese zentralen Erkenntnisse bestimmen gewerblichen Bereich nicht minder zu: Einsatzfreude, diesen Leitfaden: Gesundheit, Kreativität, Motivation und damit die Produktivität der Gebäudenutzer (Mitarbeiter/innen) ist vor allem bei Dienstleistern und Verwaltungen das ❚ Der Mensch ist der ›Indikator‹ für den nachhaltigen ›Effizienzerfolg‹ eines Gebäudes. ❚ Menschengemäß ›wohltemperierte‹ Gebäude entscheidende Unternehmenskapital. Diesem Kapital sind zunächst und vor allem anderen eine muss auch die Entwicklung von Dienstleitungs- Entwurfsaufgabe. und Verwaltungsgebäuden Rechnung tragen. Untersuchungen zeigen, dass die Leistungsfähigkeit ❚ Die Gebäudetechnik hat dienende Funktion. ❚ Die Gestaltung des Innenklimas wird zu einer heraus- von Menschen eine deutliche Abhängigkeit von Raum- ragenden integralen Entwurfsaufgabe. Das bezieht temperaturen aufzeigt. So ist die geistige und körperliche sich auf städtebauliche Entwicklung, Orientierung, Leistungsfähigkeit bei 23°C Raumtemperatur am besten Gebäudegestalt und -form, Grundrissgestaltung, und sinkt bei steigender Temperatur. Materialien und Konstruktion. ❚ Tageslichtversorgung und Temperierung sind Leitfaden zu Grunde liegt – lautet folgendermaßen: Entwurfsaufgaben. ❚ Passive, selbstregulierende Konzepte stehen im Mittel- Gebäude, die sich weitgehend an den physiologischen punkt des Architekturkonzeptes, aktive technische Bedürfnissen des Menschen orientieren, erfüllen Komponenten werden so weit wie möglich reduziert. gleichermaßen das Gebot der Energieeffizienz. ❚ Nur menschengemäße Gebäude sind langfristig auch energieeffizient. Ein großzügiges Atrium mit einem elektrochromen Dach zeichnet das ECOTEC V-Gebäude in 8 Bremen aus. 9 Sommertauglich entwerfen und bauen Die entscheidende Erkenntnis – die auch diesem Leitfaden Städtebauliche Aspekte Wesentliche Grundlagen sowohl für die thermischen Bedingungen als auch für die Belichtung von Gebäuden ergeben sich aus der städtebaulichen Situation. Entwurfsziele sind die Berücksichtigung und Verbesserung des Stadtklimas, die Gestaltung eines förderlichen Mikroklimas im gebäudenahen Bereich und die Bezugnahme auf die umgebende räumliche Situation in Form von Topografie, Bebauung, Bepflanzung etc. Unterschiedliche thermische Verhältnisse Innenstadträume heizen sich im Sommer stark auf. zwischen Kernstadt und Umland Im Vergleich zum Umland sind Temperatursteigerungen von bis zu über 10 K zu verzeichnen. Für das städtebauliche Konzept sind die Erhaltung von Frischluftkorridoren sowie großzügige Freiflächen mit Begrünungen von zentraler klimatischer Bedeutung. Leitfaden Standort Grundlage der konkreten Gebäudeplanung ist eine weitgehende Erforschung des Standortes. Das beinhaltet: ❚ Klärung planungsrechtlicher Vorgaben: Erschließung, überbaubare Flächen, Festlegungen bezüglich Höhenentwicklung, Möglichkeiten nachbarlicher Bebauung, Abstandsflächen etc. ❚ Bestandsaufnahme der umliegenden Gebäude insbesondere in Hinblick auf Verschattung Ziel der Gebäudeplanung ist eine optimale Temperierung. ❚ Überprüfung der Belichtung/Besonnung bzw. Diese orientiert sich an den bekannten Wärme/Kälteverhältnissen des menschlichen Organismus’ (Behaglich- Verschattung des Grundstücks zu unterschiedlichen keit, thermischer Komfort) und ist verbunden mit einer Jahreszeiten ❚ Überprüfung des vorhandenen Baumbestands weitgehenden Ausleuchtung der Aufenthaltsräume mit Tageslicht. Im Entwurfsprozess ist der Konflikt zwischen dem Wunsch nach Licht- (und damit Wärme-) Eintrag und dem Wunsch, Überhitzung zu vermeiden, durch architektonische Kunst zu meistern. Die Entwurfsinstrumente sind die Orientierung des transparenten und geschlossenen Fassadenflächen, die Grundrissgestaltung, der Einsatz dämmender und speichernder Materialien sowie die Berücksichtigung nächtlicher Wärmeabfuhr. Gleiche Baumassen können je nach städtebaulicher Anordnung sehr unterschiedliche Belichtungssituationen ermöglichen. oben: ursprünglicher Entwurf rechts: überarbeiteter Entwurf aus: ›Natürliche Klimatisierung‹ 10 11 5 Sommertauglich entwerfen und bauen Gebäudes, die Gestaltung des Verhältnisses von Leitfaden Vorentwurf Verglaste Lichthöfe Verschiedene Gestaltungs- und Nutzungsmöglichkeiten von Lichthöfen überlegen, dabei dem Problem der Beschattung hohe Prioritäten beimessen. Der Effekt der Tageslichtnutzung im verglasten Lichthof hängt wesentlich von der Beschattung ab. (Keine oder ungenügende Beschattung: Überhitzung, unangenehmes Raumklima. Geschlossene Beschattung: Lichteinbuße) Trichterförmiger Lichthof Für eine wirksame Nutzung des Tageslichtes sollte die Höhe weniger als die doppelte Durchschnittsbreite betragen. Lichthof integriert im Innenraum Lichthof für die Erschließung und den Aufenthalt Lichthof als Erschließung und zur Belichtung der Innenräume Lichthof zur Belichtung der Innenräume Lichthof als ›Lichtkerbe‹ zur Belichtung der Verkehrszone ❚ Die flachstehende Ost- und Westsonne kann zu Gute Tageslichtversorgung entscheidet sich teilweise bereits in der städtebaulichen Situation. Durch Verschat- erheblicher Blendwirkung führen B ❚ Reine Nordfassaden weisen in der Regel keine tung bedingte Minderungen des Lichteinfalls können nicht durch gebäudebezogene Maßnahmen kompensiert Blendungs- und Überhitzungsprobleme auf, die werden. Ein Schutz vor Überhitzung hingegen ist durch Tageslichtversorgung ist aber eingeschränkt < 28 ❚ Die Gebäudegliederung orientiert sich an der Gestaltung der Fassade, Sonnenschutz und Kühlung gebäudebezogen zu erreichen. Optimierung der Belichtungssituation (z. B. in Form eines Atriums) ❚ Raumtiefen auf Tageslichtnutzung abstimmen Baukörper Für die Stellung des Baukörpers auf dem Grundstück, seine Ausrichtung und Orientierung gilt: ❚ Anordnung des Baukörpers unter höchstmöglicher Wahrung ganzjährig verschattungsfreier Belichtung der Hauptnutzflächen ❚ Wärmebelastung von Südfassaden ist im Sommer geringer als bei Ost- oder Westfassaden, der steile Einfallswinkel ermöglicht eine Reduzierung des Wärmeeintrags durch feststehende waagerechte Verschattungsmaßnahmen aus: ›Tageslichtnutzung in Gebäuden‹ 600 Atrien 400 Einen Sonderfall der städtebaulichen Anordnung stellen 200 Atriumgebäude dar. Atrien ermöglichen eine Erhöhung 0 6 8 10 12 14 Sonnenzeit [h] 16 18 20 Belichtung der Räume. Grundsätzlich zu unterscheiden Im Sommer entsteht der Westfassaden, die südliche Sonneneinstrahlung ist wegen des steilen Einfallswinkels von geringerer Bedeutung. Die stärkste Wärmebelastung entsteht auf Westfassaden. Die durch Gesamtstrahlung [W/m2] trag über die Ost- und sind offene oder überdeckte Atrien. Frühjahr/Herbst maßgebliche Wärmeein- die akkumulierten inter- 800 Atrien müssen im Sommer durch kontrolliertes Öffnen 600 von Lüftungsvorrichtungen und/oder beweglicher 400 Dachflächen vor Überhitzung geschützt werden. Die 200 Temperatur in Atrien, die bei unzureichender Lüftung im 0 4 6 8 nen Wärmelasten und 10 12 14 Sonnenzeit [h] 16 18 20 Gesamtstrahlung [W/m2] geheizte Fassade wird durch die tiefstehende Nachmittags- und Abendsonne zusätzlich thermisch belastet. Abb. aus: ›Energieger. Bauen und Modernisieren‹ 12 Hochsommer Temperaturen von über 45°C erreichen können, sollte auf max. 30°C begrenzt werden. hohe Außentemperaturen bereits ganztägig auf- der Tageslichtversorgung und eine zweiseitige natürliche Bei größeren Atrien sind Simulationsrechnungen zu Winter 800 empfehlen, um die Steuerungsmöglichkeiten wie Ver- 600 glasungsqualität (z. B. Sonnenschutzglas), Dimensionierung und Anordnung der Lüftungsklappen bzw. 400 Verschattungselemente für die Temperaturbegrenzung 200 0 4 abzustimmen. 6 8 10 12 14 Sonnenzeit [h] 16 18 20 13 Sommertauglich entwerfen und bauen Gesamtstrahlung [W/m2] Sommer 800 schützen PV-Lamellen dienen bei ECOTEC V neben der Stromerzeugung auch zur Verschattung. Verglasungsanteil Glasqualitäten Der Verglasungsanteil orientiert sich bei einer an Nut- Von zentraler Bedeutung ist die Qualität der Verglasun- zung, Wohlbefinden und Energieeffizienz ausgerichteten gen. Sowohl mit Blick auf Wärme- und Energiefluss Planung an der erforderlichen Belichtung und der als auch bezüglich der Lichtdurchlässigkeit müssen sie die Möglichkeit eines ausreichenden visuellen Außenbezugs. widersprüchlichen Anforderungen des Winter- wie des Das bedeutet einen transparenten Anteil von max. Sommerbetriebs erfüllen. 50 Prozent der Fassadenfläche. Grundsätzlich gilt, dass Ganzglasfassaden ohne tech- Für das thermische Verhalten sind zwei wesentliche Glaseigenschaften von Bedeutung. Zum einen der nische Klimatisierung nur mit großem technischen und Wärmedurchgang – beschrieben als Wärmedurchgangs- finanziellen Aufwand zu beherrschen sind und an Süd- koeffizient durch den U-Wert –, zum anderen und Westseiten häufig keinen ausreichenden Schutz der Gesamtenergiedurchlassgrad – beschrieben durch vor sommerlicher Überhitzung gewährleisten können. den g-Wert. schützen Für die Lichtversorgung ist die Lichtdurchlässigkeit von Bedeutung, die der Transmissionswert (t-Wert) beschreibt. Wärme- und Energiedurchgang werden von Anzahl und Dicke der Scheiben, Größe und Anzahl der Scheibenzwischenräume, Füllungen der Scheibenzwi- Entwurf /Ausführungsplanung Bei Bürogebäuden tragen Verglasungen unterhalb der Arbeitsfläche weder zur Belichtung noch zum Ausblick Der Wärmeeintrag wird bestimmt von ❚ Besonnungszeit /Dauer des solaren Eintrags Aus der Entscheidung über die Ausrichtung und ❚ Einstrahlungswinkel Orientierung und damit der Lage auf dem Grundstück ❚ Verhältnis: Größe verglaste Fläche /Größe bei, erhöhen aber den Wärmeeintrag bei solarer Ein- erreichen, sollten Verglasungen einen geringen Wärme- strahlung. durchgang (= niedriger U-Wert) und einen niedrigen Grundsätzlich lassen sich Lochfassaden thermisch bes- eine gute Tageslichtversorgung ist ein hoher t-Wert anzustreben. nichttransparente Fläche energetischen Gesichtspunkten ist die Ganzglasfassade Erschließung und Verteilung der einzelnen Nutzungs- (Tatsächlich sind die Wärmeerträge über die nicht- immer die schlechtere Lösung. bereiche. transparenten Flächen im Vergleich zu den transparenten Flächen für den Sommerfall eher zu Fassadenfarbe Himmelsrichtung festgelegt. Daraus resultieren die vernachlässigen, beim Wärmeabfluss im Winter Auch die Fassadenfarbe hat Auswirkungen. Dunkle Far- thermischen Bedingungen in Hinblick auf Lichteintrag spielen sie allerdings eine wesentliche Rolle.) ben bewirken höhere Oberflächentemperaturen, die bei und solare Einstrahlung. Aus Wärmeeintrag und Wärmeabfuhr in Abhängigkeit von tages- und jahreszeitlichen Klimabedingungen lässt sich das thermische Potenzial sowie der potenzielle Tageslichteintrag der einzelnen Räumlichkeiten ermitteln. ❚ Glasqualitäten: Transmissionsgrad, Energiedurchlass (= hoher g-Wert) aufweisen. Für ser regulieren und optimieren. Unter thermischen und entwickelt sich die Grundrissgestaltung nebst der Damit werden auch die Beziehungen der Räume zur Um einen hohen sommerlichen Wärmeschutz zu geöffneten Fenstern in die Räume eingetragen werden. Energiedurchlassgrad und U-Wert ❚ Wärmedurchgang und Wärmekapazität nichttransparenter Flächen ❚ Möglichkeiten der Verschattung durch Sonnenschutz, auskragende Bauteile, Bepflanzung etc. ❚ interne Wärmequellen (Personen, Beleuchtung, Geräte) ❚ Außenlufteintrag (Lüftung, Luftwechsel) 14 15 5 Sommertauglich entwerfen und bauen Verminderung des Wärmeeintrags schenräume sowie Beschichtungen der Gläser beeinflusst. schützen aus: ›Natürliche Sonnenschutz Klimatisierung‹ Bei Gebäuden ohne technische Klimatisierung ist auf Als passiver Sonnenschutz dienen feststehende Über- den besonnten Fassaden ein Sonnenschutz unverzicht- stände, Auskragungen oder Schilde über den verglasten bar. Beschichtungen von Gläsern gewährleisten bis Öffnungen. Diese Maßnahmen wirken allerdings wegen dato keinen ausreichenden Schutz vor Überhitzung. des Einstrahlungswinkels nur auf der Südfassade, auf Ein wirksamer Sonnenschutz in Kombination mit natür- anderen Fassadenseiten verhindern sie die Sonnenein- licher Lüftung ermöglicht unter hiesigen klimatischen strahlung nicht, mindern aber den Tageslichtertrag. Bedingungen den Verzicht auf technische Klimatisierung. Zu unterscheiden ist zwischen Aktive Sonnenschutzsysteme können ❚ Passivem, feststehendem Sonnenschutz ❚ vor der Fassade ❚ Aktivem, beweglichem Sonnenschutz ❚ im Scheibenzwischenraum ❚ innen angeordnet werden. Dabei können außenseitige Sonnenschutzsysteme den Wärmeeintrag wesentlich stärker mindern als innenliegende. 6% 14% 27% 46% 27% 13% ) 16% 54% 5% 48% 86% Strahlungsbilanz am Fenster. Links mit innenliegender Jalousie, rechts mit außenliegender Jalousie. aus: ›Handbuch der ) Die Schutzleistung der Sonnenschutzvorrichtungen vari- E x k u r s : In Österreich gibt es seit vielen Jahren eine iert je nach Wölbung, Einstellwinkel und Reflexionsgrad Norm, nach der die Vermeidung der sommerlichen der Lamellen. Neben ihrer Sonnen- und Blendschutz- Überwärmung nachgewiesen werden kann. Dabei wird Funktion können Lamellen auch lichtlenkend eingesetzt die thermische Trägheit des Raumes – vorzüglich werden. Zu beachten ist, dass ein außenliegender des ungünstigsten Raumes – berechnet und dann in Sonnenschutz bei größeren Gebäudehöhen wegen der Abhängigkeit von Lüftungsmöglichkeiten und Windbelastung nicht einsetzbar ist. Immissionsflächen mit Anforderungen verglichen. 14% Diese Anforderungen basieren auf einem ausgewählten Transmission durch nichttransparente Bauteile Sommerklima, das für Österreich ein statistisches Bei gut gedämmten Konstruktionen ist die Transmission Maximum darstellt, und der Annnahme, dass durch Außenwände als Wärmeeintrag zu vernachlässi- Menschen grundsätzlich an Wohlbefinden verlieren, gen. Wärmeeinträge durch Dachflächen fallen deutlicher wenn die Lufttemperatur über 27 Grad Celsius ins Gewicht und sind gegebenenfalls in die Berechnun- ansteigt. Allerdings setzt die Norm auch voraus, dass gen einzubeziehen. jedenfalls Lüftung zu einem Zeitpunkt stattfindet, wo Bei freier Lüftung sind auch Lüftungsgewinne zu dies überhaupt sinnvoll ist – also in den kühleren berechnen, die sich durch den Eintrag erwärmter Außen- Nachtstunden – und dass allenfalls innerhalb des Nach- luft in das Gebäude ergeben. weises verwendete Abschattungseinrichtungen auch während der Immissionszeit in Verwendung kommen. passiven Kühlung‹ 16 17 Sommertauglich entwerfen und bauen 17% 13% schützen L e i s t u n g ( W / m 2) 25 Typischer Tagesgang der Personen internen Lasten bei Beleuchtung Ist ein Raum dicht mit Arbeitsplätzen belegt, wird man administrativer Nutzung 20 Sonstiges schwer ohne mechanische Klimatisierung auskommen. Arbeitshilfen Pro Computerarbeitsplatz sind ca. 150 Watt Wärme- Abschattungsvorrichtung abgabe zu veranschlagen. Moderne Computer mit Keine Abschattungsvorrichtung LCD/TFT-Bildschirmen verringern die Wärmeabgabe Außenjalousie, Fensterläden mit Jalousie- um bis zu 50 Prozent. Zeitgleich mit wärmetechnischen füllung (beweglich, unterlüftet, Belichtung Verbesserungen sind die Gerätedichte und die Nut- ohne künstliche Beleuchtung möglich) 0,27 zungsdauer elektronischer Geräte gestiegen, so dass Zwischenjalousie 0,53 auch längerfristig mit entsprechendem Strombedarf Innenjalousie (je nach Farbe und Material) 0,75 und Wärmeabgabe zu rechnen ist. Beschattungswirksame Vordächer, 15 10 00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 24:00 05 Ta g e s z e i t Elektrische Beleuchtung als Wärmequelle lässt sich Überhitzung Bei einer Büroflächenvor- Es können also maximal 0,32 durch Tageslichtnutzung wesentlich reduzieren. Zur Markisen (seitlicher Lichteinfall möglich) 0,43 Beleuchtungsergänzung ist der Einsatz tageslichtabhän- Rollläden, Fensterläden mit voller Füllung 0,32 giger Steuerungssysteme für Kunstlicht sinnvoll. Helle Innenvorhänge, Reflexionsvorhänge 25 Personen auf 315 qm Person ist ein Verzicht arbeiten. Bei einer dich- auf zusätzliche Kühlung teren Belegung nimmt denkbar. Die Fenster- die Überhitzung rapide lüftung hat dann das zu. In diesem Fall macht Potenzial zur Verhinde- der Versuch, einen Raum rung von zu hohen som- ausschließlich über merlichen Temperaturen. freie Lüftung zu kühlen abgibt. Der Verzicht auf mechanische Kühlung ist nur bis Voraussetzung ist ein keinen Sinn, es müssen außenliegender Sonnen- Kühlungsstrategien zu einer Büroflächenvorhaltung von 12 m 2 je Person schutz und ausreichende oder Klimageräte geprüft Für ein konventionelles Großraumbüro gilt, dass jeder und Innenmarkisen Nutzer täglich ca. 75 W Körperwärme an den Raum 0,75 Bepflanzung 0,50–1,00 Richtwerte für Abschattungsfaktoren gem. ÖNORM und bei ausreichend Sonnenschutz und Speichermassen werden. 1,00 Balkone und horizontale Lamellenblenden haltung bis zu 12 qm/ Raumspeichermassen. Faktor sowie Fensterlüftung zur Kühlung lösbar. Bei dichterer aus: Skript P. Jung Belegung ist eine Kühlung über freie Lüftung nicht 15 20 25 30 35 Anzahl von Personen (Raumgrundfläche 315 qm) Komfortgrenze Häufigkeit von zu hoher Raumtemperatur 40 45 ausreichend. Soll der Abminderungsfaktor 0,3 bei feststehenden Verschattungselementen angerechnet werden, Lüftung /Luftwechsel so fordert die NORM Interne Wärmequellen eine Verschattung, die Bei der Beheizung von Gebäuden ist der Luftwechsel Interne Wärmequellen spielen bei Verwaltungsgebäuden eine direkte Besonnung signifikant. Hohe Luftwechselraten ergeben durch den eine entscheidende Rolle. Belegungsdichte, Beleuchtung dert. Der erforderliche Austausch warmer Innenluft gegen kalte Außenluft sowie der Einsatz von Geräten tragen wesentlich zu einer größere Wärmeverluste. Aufheizung bei. der Fensterfläche verhinAbdeckwinkel erfordert 1,50 1,50 in diesem Beispiel eine Auskragung von 3 m. Bei hohen Außentemperaturen, etwa im Sommer, gilt, dass die Luftwechselrate tagsüber auf das hygienisch Gerät ausgeschaltet i n Wa t t warmer Außenluft gering zu halten. Unkontrollierte PC < 30 < 1–5 natürliche Lüftung führt tagsüber häufig zu unerwünsch- Monitor < 5 –15 < 1–4 tem Wärmeeintrag. Der Großteil der Wärmelasten sollte Tintenstrahl- durch einen hohen Luftwechsel in den kühlen Nacht- drucker <5 <1 stunden aus dem Gebäude abgeführt werden. Laserdrucker < 5 –10 <1 Scanner < 10 –15 <1 Im Gegensatz zur natürlichen Lüftung bieten mechanische Lüftungen – eine zuverlässige Gebäudedichtheit (Klein-) Kopierer < 80 –100 vorausgesetzt – konstante und steuerbare Luftwechsel. Faxgerät ß2 ß1 < 1–2 Mechanische Lüftungsanlagen lassen sich mit anderen Systemen verzahnen (Erdreichwärmetauscher, Wärmerückgewinnung für den Winterfall, Bauteilkühlung etc.) und ermöglichen den Einsatz von Filtern (Pollen, Quelle: Gertec Schadstoffe etc.). 18 19 Sommertauglich entwerfen und bauen StandbyL e i s t u n g i n Wa t t 2,50 Gerät erforderliche Maß zurückgefahren wird, um den Eintrag speichern Schwereklassenbestimmung Fensterflächenanteil Südfassade 1400 1200 1000 800 10 % 25 % 40 % 55 % 70 % 85 % 100 % 600 400 200 0 1 2 3 4 5 6 leicht schwer Für den Entwurfsprozess ist ein ›Gespür‹ für jenen Gleichgewichtspunkt zu entwickeln, der sich zwischen Das stabilisierende Element der Innenraumtemperatur transparentem Fassadenanteil und Baukonstruktion ein- ist die Speichermasse des Gebäudes. Die Speichermasse stellt. So kann ein Gebäude mit großer Masse mit einem berechnet sich aus Rohdichte x Wärmekapazität. deutlich größeren prozentualen Fensterflächenanteil Daneben spielt der Wärmeeindringkoeffizient (Maß für sommertauglicher sein als ein leicht konstruiertes mit die Geschwindigkeit des Eindringens von Wärme in geringerem Fensteranteil. einen Stoff) eine wichtige Rolle beim Dämpfen der Temperaturspitzen. Sommertauglichkeit bei Fenster speichern Wärme / Kühlespeicherung mit äußerem Sonnenschutz, U=1,3 W/m2K 6 5 4 3 Große Speichermasse und hoher Wärmeeindringkoeffizi- wesentlich bessere thermische Eigenschaften. Die Wärmekapazität In der Regel ist durch ausreichenden Einsatz massiver 42 Bauteile (Betondecken, gemauerte Innenwände) ausrei- Holz 780 330 chend Speichermasse gegeben, wenn diese nicht durch Gips 779 353 Verkleidungen (z.B. abgehängte Decken etc.) von der Spanplatten 1029 392 Eiche 1620 583 umströmenden kühlen Nachtluft abgeschirmt werden. Anzustreben ist eine mindestens mittelschwere Bau- Leichtbeton 1200 675 weise mit wirksamer Speichermasse von >300 kg/m . Isoliersteine 1027 608 Praktisch bedeutet das, dass neben massiven Wänden 2 mindestens eine massive Decke oder Boden in direktem steht für die potenziell Ziegel normal 1343 912 vorhandene Speicher- Ziegel voll 1501 1102 Kontakt zur Raumluft stehen müssen. Leichtbauweisen 1933 1309 wie etwa Gipskartonwände weisen bei abgehängten masse, die Wärmeeindringzahl für die Geschwindigkeit der Wärmeaufnahme bzw. Abgabe. Oft ist bei natürlicher Lüftung letztere Eigenschaft ausschlaggebend. aus: ›Handbuch der passiven Kühlung‹ 20 kungsvoller die Kühlespeicherung. 42 Wärmedämmung Schwere Baustoffe haben Wärmekapazität pc WärmeeindringM J / ( m 3· K ) k o e ff i z i e n t b W s 1/2/ ( m 2· K ) Zementsteine Stahlbeton 2637 2178 Decken eine zu geringe Speicherkapazität für eine Granit 2621 3028 Nachtkühlung auf. Stahl 3674 14 8 4 6 Ein direkter und berechenbarer Zusammenhang 10 % 25 % 40 % 55 % Fensterflächenanteil in der Fassade 70 % 85 % 1 100 % kühl N o m o g r a m m z u r O p t i m i e ru n g der Sommertauglichkeit (Serie A) Ein Beispiel soll die Einstufung auf Achse 6 Anwendung des Nomo- und gleicher Fensterfläche gramms erläutern: – das Prädikat ›kühl‹, Gegeben sei ein Fenster- mit Innentemperaturen in der Südfassade. über 26°C nicht zu nun beide Räume gedank- so gilt Schwereklasse 1. lich mit 70% Fensterflächenanteil ausgeführt Achsen 1 und Fenster- (zwei Felder nach rechts), flächenanteil 40% lässt so muss der Raum in ex- sich ablesen, dass der trem leichter Ausführung Raum im Sommer als als ›unzulässig heiß‹ ein- ›Warm‹, aber nicht gestuft werden, wobei der unzulässig heiß einge- Raum in Beton seine Som- besteht zwischen dem Fensterflächenanteil und der ther- stuft wird. Der gleiche mischen Masse eines Raumes. führt ergibt – für eine Raum in Beton ausge- viel zu heiss erwarten sind. Werden Holzbauweise erstellt, Am Schnittpunkt der zu heiss was bedeutet, dass Tage flächenanteil von 40 % Wird der Raum in reiner warm mertauglichkeit bewahrt. aus: ›Beton in der Solararchitektur‹ 21 5 Sommertauglich entwerfen und bauen Material 2 desto langsamer die Wärmeaufnahme und desto wir- (1=leicht, 6=schwer) rung von Kühle. Je träger das Temperaturverhalten, Schwereklasse ent ermöglichen eine optimale Aufnahme und Speiche- optimieren Physikinstitut Berlin, Architekten Augustin und Frank Einstrahlungswinkel/Gundrissgestaltung Inwieweit in einem Gebäude Tageslicht genutzt werden kann, wird vorrangig durch die Entfernung von der Lichtquelle sowie der Höhe des Lichteinfalls bestimmt. Entscheidend sind die Lichtverhältnisse auf der Arbeitsfläche. Die Raumtiefen sollten max. 4–5 m betragen. Als Regel gilt: Eine ausreichende Tageslichtversorgung wird nur bis zu einer Entfernung entsprechend der doppelten Höhe von der Oberkante der Verglasung gewährleistet (z. B. Verglasungsoberkante 2,30 m, Tageslichtversorgung bis max. 4,60 m Raumtiefe). Eine Erhöhung des Lichteintrags ist durch zweiseitige Tageslichtversorgung möglich, beispielsweise durch eine mögliche flurseitige Belichtung bei Atrien. Auch die Dachflächen eines Gebäudes können im darunter liegenden Geschoss zur Tageslichtversorgung genutzt werden. Das Zenitlicht erbringt eine um mehr als den Faktor 3 größere Lichtmenge. optimieren Die Tageslichtversorgung eines bestimmten Punktes im Raum wird über den Tageslichtquotienten (auch: Tageslichtfaktor, Daylight Factor) D angegeben. Dieser ergibt sich aus dem Verhältnis von Beleuchtungsstärke außen und Beleuchtungsstärke innen. Der in Prozent angegebene Tageslichtquotient soll 3 Prozent für alle Arbeitsflächen betragen. Optimierung der Tageslichtversorgung Anforderungen an die Helligkeit: Feinstarbeit 1000 – 2000 Lux Büroarbeit 300 – 500 Lux Verkehrsflächen 50 – 100 Lux Die Tageslichtversorgung wird bestimmt von: ❚ Besonnungszeit ❚ Einstrahlungswinkel > 12 % <12 %> 7 % < 7 %> 4 % < 4 %> 2 % <2% > 1% <1% Tageslichtfaktor sehr hoch hoch mittel mäßig schwach sehr schwach Betroffene Zone Nahe bei den Fenstern ❚ Grundrissgestaltung (z. B. Beziehung Sonnenlichteintrag/Raumtiefe) Weit vom Fenster entfernt (ca. 3–4 mal Fensterhöhe) ❚ Größe der verglasten Fläche ❚ Glasqualität: Transmissionsgrad Helligkeitseindruck Hell bis sehr hell Wenig beleuchtet bis hell Dunkel bis wenig beleuchtet ❚ Verschattung/Verschmutzung Visueller Eindruck Diese Zone … scheint von dieser … getrennt zu sein ❚ Anordnung/Lage der transparenten Fläche (je höher, desto raumtiefer der Lichteinfall; Atmosphäre Dieser Raum öffnet sich nach außen Dieser Raum scheint geschlossen zu sein Anhaltspunkt ist die Größe des Himmelsausschnitts, der von der Arbeitsfläche sichtbar ist) ❚ Lichtlenkung Quelle: Energieagentur NRW 22 23 5 Sommertauglich entwerfen und bauen ❚ Verhältnis Glas-/Rahmenanteil optimieren Lichtlenkung Lichtumlenkung gründet auf drei verschiedenen Ausgleich der Gebäude- physikalischen Prinzipien: verschattung durch große Fensterflächen lichen Verzicht auf künstliche Beleuchtung wird die Wärmebelastung reduziert. Wesentlichen Einfluss auf die Wirkung von Lichtlen- ❚ Reflexion (Einsatz von spiegelnden Flächen) kung hat die Gestaltung der Decke. Nur helle reflektie- ❚ Brechung (Einsatz von Prismen) rende Farben und Beschichtungen können das Tageslicht ❚ Beugung (holografische Beschichtungen auf in die Raumtiefe umlenken. der Glasfläche) Lichtumlenkung kann auch die Tageslichtversorgung Durch unterschiedliche Maßnahmen kann Tageslicht von Nordräumen signifikant verbessern. Bei starken in die Raumtiefe gelenkt werden: Wandbauteilen erhöht eine Abschrägung der Sturz- und ❚ Lamellen von Sonnenschutz Leibungsflächen den Lichteinfall. ❚ Feststehende oder bewegliche Reflektoren, E x k u r s : D o p p e l f a s s a d e n Seit 1990 werden vor allem außen oder innen ❚ Lichtlenkende Verglasungen bei hohen Verwaltungsgebäuden Doppelfassaden realisiert. Im Allgemeinen verursachen Doppelfassaden eine Verschlechterung des sommerlichen Komforts, Lichtlenkende Elemente sollten oberhalb der Augenhöhe können aber bei besonderen Anforderungen und ent- eingesetzt werden, um Blendung zu vermeiden. Es ergibt sprechender Optimierung auch zu guten Ergebnissen sich eine funktionale Teilung der Verglasungsflächen führen. Grundsätzlich sind Doppelfassaden bei Hoch- in Belichtungsfunktion (oben angeordnet) und Außen- hauskonzepten von Bedeutung, da durch sie trotz star- bezug (unterer Teil). ker Windbelastung ein außenliegender Sonnenschutz Lichtlenkende Elemente verhindern die direkte Be- Grundsätzlich führen Dachverglasungen im Vergleich zu der Fassade. Je nach städtebaulicher Situation kann vertikalen Glasflächen zu einer deutlich höheren Ein- in unteren Stockwerken die geringere Einstrahlung durch strahlung im Sommer und starker Abstrahlung im Winter. größere transparente Flächen ausgeglichen werden. Je Entsprechend muss die Planung sehr detailliert auf den nach Geschoss können unterschiedliche Anteile trans- konkreten Einzelfall abgestimmt werden und ist beson- parenter und geschlossener Flächen sinnvoll sein. Durch deren Anforderungen unterworfen. lichtversorgung optimieren, gleichzeitig aber auch zu situation zuverlässig ermitteln. deutlich steigenden Wärmelasten führen. Atrien, die können. Glasdoppelfassaden sind hochspezialisierte natürlichen Lichtes mit 100 –120 lm/W bei Sonne und Planungsaufgaben, die nur für den jeweiligen Einzelfall ca. 80 lm/W bei bedecktem Himmel höher als die künst- in Abwägung bauphysikalischer, klimatischer und licher Beleuchtung (60 –100 lm/W). Durch den mög- technischer Anforderung konzipiert werden können. im Sommer nicht intensiv belüftet werden, können im sturzfreie Verglasungen. So reduziert ein Fenstersturz von Hochsommer Temperaturen von deutlich über 45°C 40 cm Tiefe den Tageslichtfaktor in 5 m Raumtiefe um erreichen. Deshalb ist eine ausreichende Lüftung von bis zu 40 Prozent. Dagegen ergeben Verglasungen unter- zentraler Bedeutung. Die Auslegung der Zu- und halb der Arbeitsfläche keinen nennenswerten Beitrag Abluftöffnungen reguliert die sommerliche Temperatur- zur Tageslichtversorgung. entwicklung. Die Verglasung (g-Wert) sowie die Anord- Rahmenanteile, aber auch Verschmutzungen beein- Raumbeleuchtung. Dabei ist die Lichtausbeute des Auch überdeckte verglaste Atrien können die Tages- bendem Lichteintrag in Abhängigkeit von der GebäudeDie optimale Lösung für Tageslichtversorgung sind die Nutzer Fenster zum Fassadenzwischenraum öffnen Sonderfall Dachverglasung Optimale Verglasungsanteile liegen bei 20 – 40 Prozent Simulationen lässt sich deren Verhältnis bei gleichblei- strahlung des Arbeitsplatzes und nutzen das Licht zur nung, Dimensionierung und Regelung/Steuerung der flussen die Tageslichtversorgung deutlich. Anzustreben ist Zu- und Abluftöffnungen wirken sich auf das sommer- eine möglichst großflächige Verglasung der Rohbauöff- liche Verhalten aus. nung. Sind Überstände über den Fenstern nicht aus Gründen des Sonnenschutzes und der Vermeidung von Über- Auditorium in Léon, Architekten hitzung notwendig, sollte auf diese verzichtet werden. 24 Mansilla und Tuñón 25 Sommertauglich entwerfen und bauen Verglasungsanteile im Fassadenzwischenraum angebracht werden kann und kühlen Nachtkühlung Die einfachste Form passiver Kühlung ist die Nachtkühlung. Diese wirkt, wenn die Nachttemperatur für mindestens fünf Stunden unter 21°C liegt. Dies ist in unseren Klimazonen nahezu immer gegeben. Die Fensterlüftung als einfachste Form verlangt allerdings ein entsprechendes Verhalten der Nutzer. Durch Einsatz von Querlüftungen kann das Ergebnis leicht optimiert werden. Mit einem mechanischen Lüftungssystem können Kühllasten nachts gezielter und gesteuert abgeführt werden, wobei der Hilfsenergieaufwand für den notwendi- kühlen gen Luftwechsel zu berücksichtigen ist. Zu Planen sind Positionierung und Dimensionierung der Zu- und Abluftöffnungen auch in Hinblick auf äußere Luftbelastung durch Schadstoffe oder Lärm. Die Planung derartiger Kühlungen muss Luftwechselrate und Speichermassen berücksichtigen. Bei natürlicher Lüftung können die Luftwechselraten bis zu zehn Stunden betragen, Technische Gebäudeausrüstung Bei längeren Sonnenperioden im Sommer müssen bei mechanischer Lüftung sind sie wegen des Hilfsener- Gebäude gekühlt werden. Dies kann durch passive, giebedarfs nur bis vier Stunden sinnvoll. hybride oder aktive Kühlung geschehen. ❚ A l s p a s s i v e K ü h l u n g bezeichnet man Systeme, die Auch wenn damit die Anforderungen an eine ausreichende Kühlung erfüllt werden könnten, ist für ohne mechanische Antriebe arbeiten. Dazu gehören größere Bürobauten unter Aspekten der Sicherheit bauliche Vorkehrungen zum sommerlichen Wärme- (Einbruch), der Nutzerabhängigkeit und der Zufälligkeit schutz, Beschattung und Belüftung bzw. Gestaltung der Wetterbedingungen (Wind, Regen etc.) die natür- des Mikroklimas. liche Fensterlüftung nicht als Regelfall zu empfehlen. ❚ H y b r i d e S y s t e m e gründen auf einfachen haustechnischen Komponenten und nutzen natürliche Natürlich lüften ist effizient, aber schwierig zu steuern und zu kontrollieren. Kältequellen wie z. B. Erdreich, kühle Nachtluft, Grundwasser in Verbindung mit Speichermedien wie z. B. Betondecken. Passive und hybride Systeme werden ❚ A k t i v e S y s t e m e wie z. B. Kältemaschinen müssen dann eingesetzt werden, wenn aus Planungsdefiziten oder speziellen Nutzungsansprüchen besondere Wärmelasten entstehen, die mit Passivsystemen nicht steuerbar sind. Diese Systeme werden in diesem Leitfaden nicht dargestellt. 26 27 5 Sommertauglich entwerfen und bauen als Passivsysteme bezeichnet. kühlen Lüftungskamine – Kühlung und Erwärmung von Gebäuden Freie und natürliche Belüftung Erdreichwärmetauscher mit Wasser In den beschriebenen Luftkanälen kann gerade im Sanie- Bis vor wenigen Jahren wurde die Erwärmung von Hierauf folgend lassen sich dann Erwärmungs- und Zu den passiven Systemen zählt die Nutzung der freien rungsfall die Erdwärme auch über erdverlegte Kunst- Gebäuden und deren Kühlung sowohl im Verwaltungs- Kühlpotenziale ermitteln und mit endogenen Potenzialen Be- und Entlüftung von Räumen. Zurückgegriffen wird stoffrohre mit Wasserfüllung gewonnen werden. Gerade bereich als auch bei allen Sondernutzungen inhaltlich in Verbindung bringen. hierbei auf das physikalische Grundprinzip, dass durch wenn Feuchtigkeitsprobleme bei Gebäuden bestehen Temperaturunterschiede in der Luft eine Druckdifferenz und deshalb der Sockel freigelegt werden muss, kann in entsteht, die zu einem Schornsteineffekt (thermischer einer Tiefe von 1–2 m und einer Breite von 1 m ein Auftrieb) führt. Ab einer Gebäudehöhe von 10 m bieten Rohrbündel mit Solefüllung verlegt werden, das der Lüf- Treppenhäuser, Türme und andere vertikale Einrichtun- tungsanlage über ein Register Erdwärme bzw. -kälte gen die Möglichkeit, einen Luftzug zu erzeugen und zuführt. So kann ein Erdkanal praktisch und mit optima- somit Luft in den unteren Räumlichkeiten anzusaugen len Ergebnissen simuliert werden. Dabei bietet sich die Einsatz von Kühldecken erhöhte Raumhöhen ermög- und über das Dach abzuführen. Allerdings können schon Einbindung in notwendige Sanierungsmaßnahmen an, lichen, bei geringen Windgeschwindigkeiten in der umgeben- da in jedem Falle Tiefbauarbeiten anstehen. Der Betrieb den Landschaft umgekehrte Effekte entstehen, da der der Anlagen ist einfacher als der des Luftkanals, da keine natürliche Sog nur sehr sensible Druckverhältnisse hygienischen Anforderungen entstehen. und planerisch voneinander getrennt. Die Erwärmung vollzog sich über Warmwasserverteilungen und Heizanlagen, die Kühlung erfolgte in der Regel durch die So entstehen vernetzte Systeme, wenn z. B. ❚ Wärme aus thermischen Solaranlagen zur Kühlung von Gebäuden genutzt wird, ❚ Abwärme aus Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen zur Lüftungsanlage. In den letzten Jahren sind bei innovativen Verwaltungsgebäuden Systeme entwickelt worden, bei denen die unterschiedlichen Nutzungen vernetzt sind. Am Anfang eines vernetzten Systems steht dabei nicht die Wahl der Technologie, sondern die Einschränkung und Steuerung der Bedarfssituation. Zunächst Kühlung von Bürogebäuden genutzt wird, ❚ Minimierungen von Lüftungsanlagen durch den ❚ freie Kühltürme zur energieoptimierten Kühlung von Verwaltungsgebäuden genutzt werden. gilt es, den Energiebedarf des Gebäudes zu steuern und die inneren Lasten zu minimieren. Bis in die Organisation des Schreibtisches hinein, des- erzeugt. Bereits ab 4–5 m/sec. Windgeschwindigkeit Nur wenn die Aufgaben und Fragestellungen der Nutzer kehren sich die Effekte um und die natürlichen Wirkprin- und des Gebäudes vernetzt betrachtet werden, kann zipien sind nicht mehr nutzbar. sen Beleuchtung und dessen tageslichtabhängige Steue- ein Mehrnutzen und damit eine Effizienz in der Energie- rung, sind Optimierungsmaßnahmen durchzuführen. versorgung und -anwendung entstehen. Betonkernaktivierung Im Rahmen der Betonkernaktivierung wird in die Betondecke ein Kunststoffrohr eingebracht, das mit Wasser Erdreichwärmetauscher – durchspült wird. Hierdurch wird die Speichermasse des Luftkanäle im Erdregister Gebäudes ›aktiviert‹, ein Potenzialausgleich zwischen Die Nutzung von Luftkanälen wurde in der Schweiz ent- den einzelnen Räumen kann stattfinden (z. B. indem wickelt und ist mittlerweile auch in Österreich weit Energiegewinne aus dem Serverraum zur Beheizung in verbreitet. Hierbei wird in direkter Umgebung zu dem andere Räume transportiert werden). Der wesentliche tauscher des Schul- Gebäude, zum Teil auch unter der Bodenplatte, ein Nutzen der Betonkernaktivierung liegt jedoch in der zentrums Sandwehen in Luftkanal geführt, der zur Konditionierung der Zuluft Zuführung von Umweltenergie über die Speicherkapa- genutzt wird. Nach optimierter Auslegung über eine zität der Masse. Verstärkte Abwasserrohre dienen beim Erdwärme- Bremen als Lüftungsleitungen (unten). Die Zuluft wird durch zwei Edelstahlansaugtürme herangeführt (oben). Simulation entsteht dabei im Mittel eine sommerliche Es entsteht so die Möglichkeit, den durch die Spei- Kühlung und eine winterliche Erwärmung der Luft um chermasse gegebenen Tag- und Nachtausgleich weiter jeweils 3–5°C. zu fördern und z. B. mit Erdwärme oder Umgebungs- Diese Luft kann entweder direkt für die Belüftung der Räume oder als Zufuhr für eine Lüftungsanlage eingesetzt werden (hierbei entfallen dann sonst notwendige frostschützende Maßnahmen der Lüftungsanlage). Bei einer Verlegung von 2–5 m ist eine Luftgeschwin- energie aus nahegelegenen Teichen und Flüssen zu verbinden. Die konstruktive Ausführung ist einfach, die Regelmechanismen sind vielfach erprobt. Lediglich die Verbindung zwischen Kühlung und Heizung in den Übergangs- digkeit von 2 m/sec. ausreichend. Besonderer Aufmerk- zeiten bedarf genauer Aufmerksamkeit. Nicht selten samkeit bedarf die Lufthygiene. Die Rohrleitungen müs- wird im Frühjahr am Vormittag im Verwaltungsgebäude sen grundsätzlich mit Gefälle verlegt werden, so dass noch Erwärmung benötigt, während ab der Mittagszeit auftretendes Kondensat bei der Taupunktunterschreitung ein Kühlbedarf entsteht. abgeführt werden kann. Die zunehmenden hygienischen dige Revisionsfähigkeit erschweren den Einsatz der Luftkanäle. 28 29 Sommertauglich entwerfen Entwerfen und bauen Bauen Anforderungen an luftführende Rohre und die notwen- kühlen Erdsonden Durch – in der Regel – auf 100 m Tiefe ausgebrachte Bohrungen wird ein Kunststoffrohr mit Hin- und Rückleitung installiert, in dem ein Energieaustausch mit der Umgebung stattfindet. Dabei kann sowohl Wärme aufgenommen (Winterfall) als auch Wärme abgegeben werden. Erreicht die Fließgeschwindigkeit des umgebenden Grundwassers mehr als 50 cm pro Tag, findet ein vollständiger Energieabtransport der saisonalen Zugewinne oder Entnahmeleistungen statt. Entfeuchtungskühlung ren Fließgeschwindigkeiten wird die Energie, die im Die auch als adiabate Kühlung bezeichnete Konditionie- Sommer in das Erdreich abgegeben wurde, im Winter rung von Luft durch Verdunstung beruht auf dem wieder aufgenommen. natürlichen Effekt, dass mit der Verdunstung von Wasser Häufig wird Erdwärme in Verbindung mit Wärmepumpen und in Vernetzung mit einer Betonkernaktivie- die Temperatur der umgebenden Luft sinkt. Dabei sind sowohl Systeme der direkten Nutzung rung genutzt. Ein optimiertes Verhältnis entsteht bei der Verdunstungskühlung im Einsatz, als auch die Ver- einem Energiezugewinn durch Bauteilaktivierung von wendung dieses Effekts durch Einzelaggregate in Klima- 50 Prozent und einem Energietransport durch Lüftung anlagen, dem sogenannten Dessicant Cooling (DEC). von ebenfalls 50 Prozent. Über die Länge der Energiepfähle sowie deren Ent- Im Rahmen des DEC-Verfahrens wird die Zuluft zunächst durch einen sorptiven Prozess entfeuchtet. nahmeleistungen entscheiden die Kriterien des geologi- Hierbei erwärmt sich die Luft, so dass eine Abkühlung an schen Gutachtens. Kurze Pfähle dienen eher zur Kühlung der Außenluft ermöglicht wird. Die abgekühlte, aber im Sommer, lange Pfähle werden zur Erwärmung im trockene Luft, kann durch eine Befeuchtung wieder auf Winter genutzt. eine angemessene Raumluftkondition gebracht werden, Kühlmöbel Im Durchschnitt ist mit einer Wärmeleistung von wodurch sie weiter heruntergekühlt wird. Die Besonder- 60 W/m Bohrtiefe zu rechnen, so dass eine überschlä- heit des DEC-Verfahrens besteht darin, dass die wesentli- Nach der Optimierung des Energiebedarfs durch innere Entsprechend sind an verschiedenen Stellen Spezial- gige Bemessung erfolgen kann. che Energieaufwendung der Regeneration des sorptiven Lasten verbleiben vor allem in Büro- und Verwaltungs- anwendungen wie gekühlte Schreibtische entwickelt Entfeuchters auch durch Solarenergie, Biomasse oder gebäuden erhebliche Wärmeleistungen aus PCs. In spezi- worden. Die Energie von drei bis fünf Computern pro Fernwärme erfolgen kann. ellen Anwendungen wie etwa in Handelsräumen von Arbeitsplatz kann durch eine Kühltruhe mit Kaltwasser- Banken, Leitzentralen von Feuerwehrstationen oder Ser- anschluss in das Kühlsystem der Klimaanlage überführt wendet. Sie bedürfen der detaillierten Planung und verräumen muss diese Energie abtransportiert werden. werden, wodurch Lüftungskanäle reduziert werden. Simulation und einer korrekten Auslegung. Besondere Um übermäßige Lüftungskanäle mit hohen Druckverlu- Schwierigkeiten können hier durch die enormen Druck- sten im Lufttransport und geringer Energiedichte im nahme als wirkungsvoll. Durch die Reduktion der Luft- verluste in den Wärmetauschern entstehen, die auch Energietransport zu vermeiden, empfiehlt es sich hier, mengen (die nicht mehr zum Energietransport benötigt mit einer nicht unerheblichen Geräuschbelästigung am die unvermeidliche Wärmeabfuhr mit dem Energieträger werden) ist eine größere Deckenhöhe und somit eine Aufstellungsstandort einhergehen. Wasser durchzuführen. neue Raumgestaltung möglich. Dessicant Cooling-Systeme werden bisher kaum ver- 30 Speziell im Sanierungsfall erweist sich diese Maß- 31 Sommertauglich entwerfen Entwerfen und bauen Bauen Auch die saisonale Nutzung ist möglich. Bei geringe- pflanzen Physikinstitut Berlin, Architekten Augustin und Frank, Vorsatzsüdfassade mit Rank- In Ermangelung eines objektiven Temperaturmessorgans hilfe aus Bambusstäben empfindet der Mensch Temperatur als Zusammenspiel unterschiedlicher Wahrnehmungsfaktoren. Bei kalten Temperaturen sprechen die Meteorologen beispielsweise vom Windchill, wenn gemessene Temperatur und Temperaturempfindung erheblich auseinanderliegen, weil durch den Wind die Auskühlung sehr verstärkt empfunden wird. Genauso wenig entspricht das Wärme- und Hitzeempfinden zwangsläufig den gemessenen Temperaturen. Luftbewegung, Schatten, Feuchtigkeit oder sogar Wassergeräusche wirken auf das Hitzeempfinden. Pflanzen, insbesondere in Form ausgedehnter Waldökosysteme sind für das Makroklima von herausragender Bedeutung. Aber auch das Mikroklima am und im Gebäude wird von Pflanzen beeinflusst. Als ›lebendige‹ und damit organgemäße ›Schattierung‹ und Lichtfilterung spenden Pflanzen Schatten, sie regulieren durch Verdunstung auf den pflanzen Blattoberflächen den Feuchtehaushalt und tragen so zur Kühlung von Räumen bei. Die Relevanz von Pflanzen bezüglich des empfundenen Raumklimas unterstreichen Forschungsreihen, in denen über 90 Prozent der befragten Mitarbeiter in einem ›Pflanzenbüro‹ im Vergleich zu zwei unbegrünten Referenzräumen eine signifikante Verbesserung des empfundenen Raumklimas angaben. Auf die Frage: Haben Sie das Empfinden, dass die Pflanzen Einfluss auf die Luftqualität haben, antworten 99% mit ja. Die Fragen: Fühlen Sie sich nach der Bepflanzung wohler als vorher? und: Haben Sie das Gefühl, dass sich der Schallpegel veringert hat? beantworteten jeweils 93% mit ja. Ebenfalls 93% würden lieber in einem begrünten als in einem herkömmlichen Büro arbeiten Messungen Innenraumemissionen (Formaldehyd, Aceton, Benzol, Butanol, Cyclohexal): Pflanzenbüro 321ug/cbm, Referenzbüro 995ug/cbm Keimbelastung in KB/cbm: Draußen: 360, Pflanzenbüro 220, Referenzbüro 560, Klimabüro 660, Luftfeuchte: Pflanzenbüro: 40–55%, Klima- und Referenzbüro: 20–45%. aus: Skript Frantz /Klimesch 32 33 5 Sommertauglich entwerfen und bauen Ergebnisse pflanzen Fazit Die Wirkung von Pflanzen beschränkt sich nicht nur auf Eine Architektur, die sich der ›Pflanzenpower‹ bedient, das subjektive Empfinden, sondern Pflanzen sind tatsäch- kann bei geschickter Planung auf zahlreiche technische lich ›Klimamacher‹. Obgleich es viele wichtige Vorteile Komponenten verzichten, die sonst üblicherweise bei von Pflanzen in Innenräumen gibt – Schallabsorption, konventionellen Gebäuden notwendig wären, bzw. Reduzierung von Schadstoffen in der Raumluft, Staub- deren Umfang reduzieren. bindung – ist in begrünten Innenräumen vor allem die Zudem können Kosten eingespart werden. So kann Kühlleistung der Pflanzen von Bedeutung. Pflanzen zum Beispiel durch den Einsatz von Pflanzen ein aufwän- kühlen durch Transpiration. Über die Blattunterseiten diger Sonnenschutz oder in größeren Bürogebäuden eine wird Wasser verdunstet und Kühlenergie erzeugt. Dabei Klimaanlage vermieden werden. ist die Klimawirksamkeit von Pflanzen sehr unterschied- Der Einsatz von Pflanzen ist als eigenständiger lich. Wichtig ist daher die richtige Auswahl leistungsstar- Bestandteil des Entwurfsprozesses zu verstehen. Auswahl ker, klimaaktiver Pflanzen. Mit zunehmendem Alter wird der Pflanzen, mögliche Standorte, die klimatischen das ›Pflanzenaggregat‹ dabei immer leistungsfähiger. Bedingungen sowie die Pflege müssen fachkundig Auch eine jahreszeitlich wechselnde Verschattung lässt geplant werden. Pflanzen bedürfen bestimmter Lichtver- sich für besonnte Fassaden mit Bäumen, Rank- oder hältnisse, ausreichender Luftfeuchtigkeit, entsprechender Kletterpflanzen erreichen. Bewässerung und eines häufigen Luftwechsels zur Vermeidung von Kondensatbildung. Tr a n s p i r a t i o n s l e i s t u n g v o n P f l a n z e n i m J a h r e s d u r c h s c h n i t t Baum, solitär Baum, solitär TranspirattionsBlatto b e r f l ä c h e leistung pro Tag pro Pflanze gesamt 3,5 cbm 7,0 qm 0,4 l/qm 2,8 l/qm 2 m 1,75 cbm 3,5 qm 0,4 l/qm 1,4 l/qm Höhe 5–6 m Büsche 1–1,5 m Bodendecker pro qm Vo l u m e n 1 cbm pro Tag 2,0 qm 0,4 l/qm 0,8 l/qm 1,5 qm 0,4 l/qm 0,6 l/qm aus: Skript Frantz /Klimesch Bei einer auf den Men- Hier wird die Einstrah- schen abgestimmten lung durch die Glas- Gesamtwirkung als Ziel- fassade von einer vorgabe sollte ein Stampflehmwand Gebäudeentwurf auf aufgenommen und verschiedenen Ausgangs- gespeichert, ein Innerhalb eines Jahrhunderts hat sich der Mensch in punkten gründen: Licht intensiv bepflanzter und Besonnung, Wärme- Bachlauf auf der seinen Gebäuden vollständig von den äußeren Klimaein- / Kühlespeicherung und Innenseite der Feuchteausgleich. Glasfassade wirkt Der Mensch im Zentrum einer neuen Planungskultur flüssen emanzipiert. Getragen von geringst möglichen Ein gelungenes Beispiel kühlend und feuch- für das Zusammenspiel Energiepreisen sowie aufwändiger Gebäudetechnik wur- tigkeitsspendend. dieser Aspekte stellt den und werden gerade im Dienstleistungsbereich Bau- das Foyer des Landeskrankenhauses Feldkirch werke errichtet, die sich ausschließlich am technisch (Foto) dar. Machbaren orientieren. Grundsätzlich können bei entsprechendem Energieeinsatz unter allen denkbaren klimatischen Außenbedingungen beheizte oder gekühlte Innenräume realisiert werden. Im Sinne einer zukunft- Dabei kann nicht länger die Frage nach der architektoni- sorientierten Entwicklung ist dieser Weg jedoch falsch. schen Ästhetik den Entwurf bestimmen. Vielmehr ist In Hinblick auf den noch immer anhaltenden Trend zu zunächst zu fragen, wozu das Gebäude dienen soll und hochtransparenten Bauten ist im Sinne einer zukünftigen sodann, was es dafür können muss. Am Beginn des Entwicklung eine neue Planungskultur gefordert. Entwurfs steht somit die Nutzungs- und Nutzeranalyse, am Ende das ›Fähigkeitenpotenzial‹ des Gebäudes. Das bedeutet aber keinesfalls einen geduldeten Verzicht auf ästhetische Qualitäten, sondern steht vielmehr für einen erweiterten Entwurfsprozess im Sinne tatsächlich integraler Lösungen. 34 35 Sommertauglich entwerfen Entwerfen und bauen Bauen Pflanze Literatur/Quellen ❚ Bundesamt für Energiewirtschaft (Hrsg.): ❚ Tageslichtnutzung in Gebäuden. Bern 1995. ❚ Frantz, Jürgen; Winfried Klimesch: Ranft, Fred; Bernhard Frohn: ❚ Natürliche Klimatisierung. Herausgegeben von Wärmeschutz und Energie-Einsparung in DIN 4108-2:2003-04 der Energieagentur NRW. Berlin u.a. 2004. Gebäuden – Mindestanforderungen an den Birkhäuser. Wärmeschutz Das grüne Büro. Fraunhofer Office Innovation Center Forum. unveröffentlichtes Manuskript. o. J. ❚ ❚ Schmidt, D.: ❚ Sommerlicher Wärmeschutz im Holzhaus, in: Tageslicht in Innenräumen Quadriga, 3/2004, S. 21–24. Hammer, Renate; Jung, Patrick: Beton in der ❚ Solararchitektur. Herausgegeben von Zement + Beton Handels- und Werbe- GmbH ❚ ❚ Wuppertal Institut; DIN 67507 Lichttransmissionsgrade, Planungs-Büro Schmitz Aachen: Strahlungstransmissionsgrade und Gesamt- Jung, Patrick: Skriptum Solararchitektur und Energiegerechtes Bauen und Modernisieren. energiedurchlassgrad von Verglasungen Klima-Engineering. Herausgegeben vom Zentrum Grundlagen und Beispiele für Architekten, für Bauen und Umwelt. Donau-Universität Krems Ingenieure und Bewohner. Herausgegeben von 2002/2004 der Bundesarchitektenkammer. Berlin u. a. 1996. Birkhäuser. ❚ DIN 5034 Lohr, Alex: Passive Solarenergienutzung. Seminarskript ❚ Zimmermann, Mark: aus dem Impuls-Programm ›Bau und Energie‹ Handbuch der passiven Kühlung. Stuttgart 2003. der Energieagentur NRW. o. J. Fraunhofer IRB-Verlag. ❚ ÖNORM 8110-3
