Das Klima als Entwurfsfaktor – Architektur und Energie
Werbung
Architektur und Energie: Das Klima als Entwurfsfaktor Prof. Urs-Peter Menti Leiter Kompetenzzentrum T direkt +41 41 349 33 17 [email protected] Luzern, 13.01.2014 Energieapéro Luzern 2014 Kurzvorstellung - Urs-Peter Menti - Dipl. Masch.-Ing. ETH/SIA, MAS-BA - Hochschule Luzern – Technik & Architektur - Leiter Zentrum für Integrale Gebäudetechnik - Prof., Hauptamtlicher Dozent für Gebäudetechnik - Fachbereichsleiter Minergie-P bei Minergie - Leiter Zertifizierungsstelle Minergie Zentralschweiz - 1995 – 2004 Amstein + Walthert AG - 2004 – heute Hochschule Luzern Folie 2, 16.01.2014 ZIG: Forschung, Dienstleistung, Lehre, Weiterbildung Konzepte, Studien Feldmessungen Folie 3, 16.01.2014 Simulationen Labormessungen Zertifizierung Minergie(-P,-A,-Eco) Akkreditierte Prüfstelle Forschungsthemen ZIG Mit dem Fokus Gebäude und Gebäudetechnik orientieren wir uns in einer gesamtheitlichen Betrachtung an den Werten Energieeffizienz, Emissionsfreiheit und Behaglichkeit. Gebäude – Mensch – Energie Folie 4, 16.01.2014 Energieversorgung von Quartieren und Arealen Transformation Gebäudepark Luft- und Wasserreinheit Radonstudie Kanton Luzern Analyse Zusammenhang «energieeffizientes Bauen – Radonbelastung» Phase I: Radonmessungen in energieeffizienten Gebäuden Phase II: Radonmessungen vor / nach energetischen Sanierungen Kanton Luzern / Bundesamt für Gesundheit 2011-2012 // 2013 - 2015 Folie ZIG Prof. Dr. Heiner Manz Hotel THE CHEDI, Andermatt Überprüfung Kondensationsrisiko an Glaswänden im Pool-Bereich mittels CFD-Simulationen Basler & Hofmann ZIG Iwan Plüss 2012 Folie Zentrum für Integrale Gebäudetechnik I 6 Energieversorgung Zug (Machbarkeitsstudie) Wissenschaftliche Begleitung ZIG Kanton / Stadt Zug Matthias Sulzer 2013 Folie Zentrum für Integrale Gebäudetechnik I 7 Energieeffizientes und schadstoffarmes Fahrgastschiff Optimierungen der Schiffsaufbauten (Hülle) und Zusatzsysteme (Heizung, Kühlung, Lüftung, Beleuchtung, etc.) mit Hilfe von Simulationsrechnungen KTI, Shiptec Prof. Urs-Peter Menti 2013 - 2015 Folie Zentrum für Integrale Gebäudetechnik I 8 Architektur und Energie Kann sich Architektur um Fragen der Energie kümmern? Ja! Muss sich Architektur um Fragen der Energie kümmern? (Ja!?) Folie 9, 16.01.2014 Aussage A: Aussage B: „Die (Gebäude / Energie-)Technik wird es dann schon richten…“ „Das beste Gebäude ist ein Gebäude, welches keine (Gebäude)Technik braucht„ >>> >>> Völlige Freiheit für die Architektur Einschränkungen für Architektur Folie 10, 16. Januar 2014 Wie sieht ein architektonischer Entwurf für hohe Energieeffizienz aus? - Ausrichtung des Gebäudes nach Süden - «Öffnung» des Gebäudes nach Süden - Beschattung Fassade im Sommer (Balkone) - Sehr gut gedämmte Gebäudehülle - «Vernünftiger» Glasanteil (Tageslicht / th. Last) - Kompakte Bauweise - ... Wohnüberbauung Bern Brünnen Baufeld 2 Folie 11, 16.01.2014 Kugelhaus Dresden Wie sieht ein architektonischer Entwurf mit hoher Energieeffizienz aus? - Ausrichtung des Gebäudes nach Süden - «Öffnung» des Gebäudes nach Süden - Beschattung Fassade im Sommer (Balkone) - Sehr gut gedämmte Gebäudehülle - «Vernünftiger» Glasanteil Ist das immer noch so? Sind diese Ansätze heute noch richtig? (Tageslicht / th. Last) - Kompakte Bauweise - ... ? Folie 12, 16.01.2014 Veränderungen - Indikatoren CO2-Thematik rückt ins Zentrum - Systemgrenzen Gesamtheitlichere Betrachtung - Technologien Erneuerbare Energien, Energieeffiziente Technik Folie 13, 16.01.2014 Die Beurteilungskriterien verändern sich… Heizwärme Gesamte Betriebsenergie Betriebsenergie + Graue Energie Betriebsenergie + Graue Energie + gebäudeind. Mobilität Nutz- oder Endenergie Primärenergie Primärenergie + Treibhausgasemissionen Folie 14, 16.01.2014 Die Systemgrenzen verändern sich… - Die einzelne Komponente Wirkungsgrad, Leistungszahl, U-Wert, g-Wert, … - Das Gebäude als System Jahresarbeitszahl, Gesamtenergiebedarf, Graue Energie, … - Das Gebäude im System Areal- und Quartierbetrachtungen, regionale oder überregionale Themen, Smart Grid, … Folie 15, 16.01.2014 Ausweiten der Betrachtungsgrenzen in 3 Dimensionen BE + GE + Mobilität BE + Graue Energie (GE) Betriebsenergiebedarf (BE) CO2 / THG Primärenergie Heizwärmebedarf Endenergie Nutzenergie Komponente Folie 16, 16.01.2014 Gebäude Areal/Quartier/… Energieeffizienz heute und morgen… - Gesamtheitlichere Betrachtung wird nötig - Lebenszyklusbetrachtung: Erstellung + Betrieb + Rückbau - Bewertung auf Stufe Primärenergie / Treibhausgasemissionen - … Welche Massnahmen sind nun richtig? Auf was kann / soll der architektonische Entwurf Rücksicht nehmen? Folie 17, 16.01.2014 Gesamtheitliche Betrachtung: Einflussfaktoren auf die Gesamtenergie(effizienz) Weitere Einflussfaktoren Weitere Einflussfaktoren Gebäudeinduzierte Mobilität Graue Energie Verdichtung Kompaktheit Gesamtenergieeffizienz Beleuchtung Sommerlicher Wärmeschutz Verluste (T/L) Solarer Eintrag (G/L) Tageslichtnutzung Raumheizung Betriebsenergie Raumkühlung Folie 18, 16. Januar 2014 Weitere - Heizwärmebedarf (Raumheizung, Warmwasser) - Beleuchtungsenergiebedarf - Kühlenergiebedarf - Lüftungsenergiebedarf - Hilfsenergiebedarf - Prozessenergiebedarf - Graue Energie - Gebäudeinduzierte Mobilität Wird durch architektonische Entscheide kaum beeinflusst Folie 19, 16. Januar 2014 Wird durch architektonische Entscheide wesentlich beeinflusst Gesamtheitliche Betrachtung nötig! Was wird durch Entscheide im Entwurf beeinflusst? Wie geht man mit diesen Anforderungen und dieser Komplexität im architektonischen Entwurf um? - Umfassendere Beurteilungskriterien und Systemgrenzen - Reaktion mit verschiedenen Strategien im architektonischen Entwurf - Überprüfung der verschiedenen Strategien hinsichtlich der Zielerfüllung Ansatz A: Projektspezifische Analysen (z.B. mittels Simulationsrechnungen in frühen Projektphasen) Folie 20, 16.01.2014 Ansatz B: Systematische, (typologische) Analysen; veröffentlicht in «Das Klima als Entwurfsfaktor» Folie 21, 16.01.2014 Exkurs: Gesamtenergiebetrachtung und ihre Konsequenzen - Forschungsprojekt Hochschule Luzern (finanziert durch BFE, AHB, AUE) aus dem Jahre 2010 - Macht eine ‘maximal’ gedämmte Gebäudehülle bei grösseren Bürobauten aus gesamtenergetischer Sicht Sinn? - Integrale Berücksichtigung > > > > Raumwärme Klimakälte (für vergleichbaren Komfort) Beleuchtungsenergie z.T. Graue Energie - Bewertung: auf Stufe Primärenergie (Jahresenergiebedarf) bzw. auf Stufe Treibhausgasemissionen Folie 22, 16.01.2014 Ausgangslage - Variationen: - Typologie U-Wert Hülle (opak) U-Wert Verglasung g-Wert Verglasung Glasanteil Fassade interne Lasten - Wärmeerzeugung (Holz, Gas, Fernwärme, Erdsonden-WP) - mit / ohne Ökostrom -… Folie 23, 16.01.2014 Primärenergiebedarf vs. Heizwärmebedarf 2 Primärenergiebedarf Heizen, Kühlen, Beleuchtung Primärenergie in kWh/m a (Heizen, Kühlen, Beleuchtung) 90 80 Pellet 70 Gas 60 Fernwärme 50 WP 40 30 20 10 Qh,li,MeP Qh,li 0 40 60 80 100 120 2 Qh MJ/m (SIA 380/1:2009) Heizwärmebedarf (SIA 380/1:2009) Fernwärme Gas Qh Wärmepumpe Holz Folie 24, 16. Januar 2014 140 160 Primärenergiebedarf und Kompaktheit Primärnergiebedarf Energiebedarf total Energiebedarf künstliche Beleuchtung Energiebedarf Raumheizung hoch Folie 25, 16. Januar 2014 Kompaktheit tief Erkenntnisse /Konsequenzen - Eine Gesamtbetrachtung führt zu neuen Gesichtspunkten - Eine Betrachtung auf Stufe Primärenergie oder Treibhausgasemissionen favorisiert andere Lösungen als eine Betrachtung auf Stufe Nutzenergie - Minergie-P lockerte aufgrund der vorgestellten Studie für grosse Gebäude (> 5000m2 EBF) mit hohen internen Lasten (z.B. Bürobauten) die Primäranforderung (Anforderung an die Gebäudehülle). Für diese Gebäude muss die Dämmung der Gebäudehülle «nur» Minergie entsprechen. Folie 26, 16. Januar 2014 Beispiele zur zunehmenden Komplexität des Planens… Raumheizung? Raumkühlung? Beleuchtung? Graue Energie? Primärenergie? Lohnt sich ein Balkon rein aus energetischer Sicht? Treibhausgasemissionen? ? Gesamtbetrachtung! Folie 27, 16. Januar 2014 Lohnt sich ein sehr hoher Glasanteil rein aus energetischer Sicht? … und der Versuch Antworten darauf zu liefern! Das Klima als Entwurfsfaktor Architektur und Energie Herausgegeben von Tina Unruh Autoren: Christian Hönger, Roman Brunner, Urs-Peter Menti, Christoph Wieser Mit Positionen von: Roger Boltshauser, Gion Caminada, Philippe Rahm, Sascha Roesler Erschien Mitte September 2013 im Quart-Verlag, Luzern Zweite, aktualisierte und erweiterte Auflage Folie 28, 16. Januar 2014 Folie 29, 16.01.2014 Architektur und Energie: neues Thema? Traditionelle Bauformen • Belegung von sonnigen und windgeschützten Plätzen • Schutz vor Kälte in Höhlen (Mitteleuropa) • Nutzung der Windströmung (Arabien) Hassan Fathy: Qa`a des Muhib Ad-Din Ash-Shaf i Al-Mawaqqi, Kairo, 1350. Aus: Arch+ Feb. 1987, Aachen. S. 43 Vordenker der Nachhaltigkeit • Richard Buckminster Fuller: bereits 1940 Dymaxion-Karte (Weltklimakarte), Dymaxion-Kuppel • Kuppeln als material- und energieeffiziente Gebäudekonzepte Richard Buckminster Fuller (1895-1983) Folie 30, 16.01.2014 Architektur und Energie: Strategien I Sparen • Verdicken Volumen grösser, Oberfläche kleiner Zehnderhütte, Schnitt Aus: die Bauernhäuser im Kanton Luzern, Ernst Brunner, 1977 Luzern, S. 178 • Schrumpfen zusammengezogene Gestalt (Winterhaus) • Eingraben, mit Erde zudecken Peter Vetsch, Wohnhaus Raven, Ascona Aus: Vetsch 1994, S. 44 Folie 31, 16.01.2014 Architektur und Energie: Strategien II Gewinnen • Aussetzen: die sonnengeformte Gestalt • Blähen, das Sommerhaus Arup Associates: Schule , Ladalch Indien 2001 (Sonnenfänger) Aus: Energie Atlas Nachhaltige Architektur Egger, Fuchs, Stark, Zeumer, 2008, Basel/Boston/Berlin S. 231 • Umhüllen, raumhaltige Hülle Folie 32, 16.01.2014 Martin Wagner, das wachsende Haus, Berlin, 1932 Aus: das wachsende Haus – Ein Beitrag zur Lösung der städtischen Wohnungsfrage, 1932, Berlin S. 149 Architektur und Energie: Strategien III Ausweichen • Einschliessen (raumhaltige Hülle) • Durchlüften Querlüftung durch tiefe Volumen • Wandern (nutzungsneutrale Räume) Candilis Josic, Wohnblock Semiramis, Casablanca 1953 Aus: Candilis Josic Woods, A decade of architecture and urban design, 1968, Stuttgart/Bern S. 26-28 Folie 33, 16.01.2014 Untersuchungsobjekte (Wohnbau / Bürobau) «Wohn-Block» «Büro-Block» • 4-geschossiger Zweispänner • 4-geschossig mit Infrastrukturkern • 8 Wohneinheiten à 300m3 (LxBxH = 10x10x3m) • 4 Büroeinheiten à 2’100m3 (LxBxH = 15x40x3.5m) • Massivbau mit Kompaktfassade • Massivbau mit Kompaktfassade • Fensteranteil ca. 50% • Fensteranteil ca. 75% • WP Luft/Wasser • WP Sole/Wasser 40 15 14 Folie 34, 16.01.2014 Wohngebäude: Gebäude-«Zoo»(Variationen) Zusätzliche Parameter • U-Werte Gebäudehülle und Fenster • Fensterverteilung • Verglaster Balkon • Konstruktion • Eingraben Ziel • Einfluss frühkonzeptioneller Entscheide auf Energiebilanz erkennen • Handlungsempfehlungen für eine energieeffiziente Architektur Folie 35, 16.01.2014 Energetische Analyse eines «Zoos» von Gebäuden Nutzung: Wohnen Folie 36, 16. Januar 2014 Energetische Analyse verschiedener Variationen Basis: 8-FH Variationen Bewertung: • Nutzenergiebedarf Raumheizung, Raumkühlung, Beleuchtung • Primärenergiebedarf n.e. (Betrieb) • Graue Energie (Erstellung) • Primärenergiebedarf (Betrieb + Erstellung) Folie 37, 16. Januar 2014 (Wohnen) Ergebnisse (qualitativ): Balkon Basis: 8-FH Variationen Nutzenergiebedarf - Raumheizung - Raumkühlung - Beleuchtung Primärenergiebed. n.e. Graue Energie (Wohnen) (Betrieb) (Erstellung) Primärenergiebedarf () () () (Betrieb + Erstellung) Folie 38, 16. Januar 2014 Nutzung: Wohnen Energetische Analyse verschiedener Variationen Basis: 8-FH Variationen Bewertung: • Nutzenergiebedarf Raumheizung, Raumkühlung, Beleuchtung • Primärenergiebedarf n.e. (Betrieb) • Graue Energie (Erstellung) • Primärenergiebedarf (Betrieb + Erstellung) Folie 39, 16. Januar 2014 (Wohnen) Ergebnisse (qualitativ): Glasanteil Basis: 8-FH Variationen Nutzenergiebedarf - Raumheizung - Raumkühlung - Beleuchtung Primärenergieb. n.e. Graue Energie (Wohnen) (Betrieb) (Erstellung) Primärenergiebedarf (Betrieb + Erstellung) Folie 40, 16. Januar 2014 Nutzung: Wohnen Ergebnisse (quantitativ): Balkon Nutzung: Wohnen Folie 41, 16. Januar 2014 Ergebnisse (quantitativ): Glasanteil Nutzung: Wohnen Folie 42, 16. Januar 2014 Wohngebäude: Resultate (Auswahl) 100% 115% 116% 117% «Balkon 2m» Fazit 100% 118% 98% 107% «Balkon Nord verglast» • positiver Effekt der kompakten Bauweise • Eingrabungen nachteilig (Formfaktor!, Beleuchtung) 100% 100% 100% 100% «Basis» • Verformungen kontraproduktiv 100% 103% 103% 103% «Verformung» 140 • Balkone aus energetischer (!) Sicht nicht wünschenswert • Verglaste Balkone können sich (je nach Beurteilungskriterium) wiederum positiv auswirken 100% 121% 119% 120% «Eingrabung» 120 100 80 % 60 40 Betriebsenergie (PEne) 20 Betrieb+Erstellung (PEne) Betrieb+Erstellung (THG) Folie 43, 16.01.2014 0 "Basis": 0.47 "Eingrabung": "Verformung": "Balkon 2m": 0.77 0.51 0.47 "Balkon Nord vergl.": 0.47 Bürogebäude: Gebäude-«Zoo» und Resultatübersicht Verdicken Verformen I Verformen II Verformen III Folie 44, 16.01.2014 Bürogebäude: Gebäude-«Zoo» und Resultatübersicht Balkon Konstruktion Ausrichtung Verglasung Fensteranteil Folie 45, 16.01.2014 Bürogebäude: Gebäude-«Zoo» und Resultatübersicht Hofsituationen unterschiedlicher Anordnung Folie 46, 16.01.2014 Bürogebäude: Auswahl einiger Ergebnisse Folie 47, 16.01.2014 Bürogebäude: Einfluss Standort Relevanz Klima • Heizung vs. Kühlung: Reaktion Architektur erforderlich! • Einfluss der Beleuchtung 25 25 Nutzenergie 20 kWh/m2a kWh/m2a 20 Primärenergie n.e. 15 15 Beleuchtung 10 Kühlung Heizung5 10 5 0 Beleuchtung Kühlung Heizung 0 Diagramme: Standortvergleich Bürogebäude (Basisvariante). Stufe Nutzenergie und Primärenergie nicht erneuerbar. Zur Ermittlung der PEne wurden Werte des CH-Srommix und übliche JAZ einer Sole-Wasser-WP für die Wärme-/ Kälteerzeugung verwendet (3.9/3.8). Folie 48, 16.01.2014 Bürogebäude: Kompaktheit des Baukörpers Kompakte Körper • Wichtigkeit des Formfaktors bei gleichbleibender EBF 120 100 80 % 60 40 Betriebsenergie (PEne) Betrieb+Erstellung (PEne) 20 Betrieb+Erstellung (THG) 0 2a "langgezogen": 0.350 Folie 49, 16.01.2014 0 "BASIS": 0.326 2b "quadratisch": 0.306 3d "zwölfeckig": 0.288 Bürogebäude: Kompaktheit des Baukörpers Kompakte Körper • Wichtigkeit des Formfaktors bei gleichbleibender EBF • Relevanz der Beleuchtung 120 sowie der Grauen Energie und Grauen THG-Emissio- 100 nen in der detaillierten Dar80 stellung ersichtlich % 60 40 Beleuchtung Betriebsenergie (PEne) Betrieb+Erstellung (PEne) Betrieb+Erstellung (THG) Kühlung 20 Heizung Erstellung 0 2a "langgezogen": 0.350 0 "4 Einheiten": 0.326 2b "quadratisch": 0.306 3d "zwölfeckig": 0.288 2a «langgezogen» 0 «BASIS» 2b «quadratisch» 3d «zwölfeckig» 0.350 0.326 0.306 0.288 Folie 50, 16.01.2014 Bürogebäude: Volumenvergrösserung Volumenvergrösserung • Strategie «Verdicken» • Wichtigkeit Formfaktor • Relevanz Beleuchtung 160 140 120 100 % 80 60 Betriebsenergie (PEne) Betrieb+Erstellung (PEne) 40 20 Betrieb+Erstellung (THG) 0 Folie 51, 16.01.2014 0 "4 Einheiten": 0.326 10a "16 Einheiten": 0.235 10b "32 Einheiten": 0.210 10c "64 Einheiten": 0.189 Bürogebäude: Volumenvergrösserung Volumenvergrösserung • Strategie «Verdicken» • Wichtigkeit Formfaktor • Relevanz der Beleuchtung sowie der Grauen Energie und Grauen THG-Emissionen in der detaillierten Darstellung ersichtlich 160 140 120 100 % 80 60 Beleuchtung Betriebsenergie (PEne) Betrieb+Erstellung (PEne) Betrieb+Erstellung (THG) Folie 52, 16.01.2014 40 Kühlung Heizung 20 Erstellung 0 0 "4 Einheiten": 0.326 10a "16 10a Einheiten": 0.235 10b "32 Einheiten": 0.210 10c "64 Einheiten": 0.189 0 «4 Einheiten» «16 Einheiten» 10b «32 Einheiten» 10c «64 Einheiten» 0.326 0.235 0.210 0.189 Bürogebäude: Fensteranteil Fensteranteil • Optimum bei ca. 50% • Wichtigkeit des Aufwands für die Erstellung, insbesondere bei den THGEmissionen 140 120 100 80 % 60 Betriebsenergie (PEne) 40 Betrieb+Erstellung (PEne) Betrieb+Erstellung (THG) 20 0 6a "Fenster 25%" Folie 53, 16.01.2014 6b "Fenster 50%" 6c "BASIS 75%" 6c "Fenster 100%" Bürogebäude: Zusammenfassung Zusammenfassung • Standort entscheidend 160 • Relevanz Beleuchtung 140 • Optimierung des Fensteranteils ist vorteilhaft • Stellenwert der Grauen Energie und insbesondere der Grauen Treibhausgasemissionen 120 100 % 80 60 40 20 • Wichtigkeit Formfaktor Betriebsenergie (PEne) Betrieb+Erstellung (PEne) Betrieb+Erstellung (THG) Folie 54, 16.01.2014 0 Hinweis Das Klima als Entwurfsfaktor Architektur und Energie In diesem Buch sind nur die Resultate für Wohnbauten dokumentiert. Die Resultate für Bürobauten werden in einer späteren Publikation veröffentlich Interessenten für die Publikation mit den Resultaten für die Bürobauten melden sich bei: [email protected] Zweite, aktualisierte und erweiterte Auflage Folie 55, 16. Januar 2014 Zusammenfassung • Veränderungen bei Systemgrenzen / Indikatoren / Technologien • Bisherige Grundregeln für energieeffiziente Architektur: immer noch korrekt? • Fragestellung wird zunehmender komplexer (gesamtheitliche Betrachtung) Einsatz von Simulationen. • Gesamtbetrachtung (insbesondere Berücksichtigung der Grauen Energie und der Treibhausgasemissionen) führen teilweise zu neuen Lösungsansätzen • Entwurf ist immer noch massgebend für eine hohe Energieeffizienz • • • • • Verformungen lohnen sich kaum Beleuchtungsenergiebedarf hat zentralen Einfluss (Tageslichtnutzung) Massnahmen mit hohem Anteil Grauer Energie sind meist kontraproduktiv Tiefer Formfaktor bleibt weiterhin ein zentrales Element der Energieeffizienz Die Architektur muss für eine hohe Energieeffizienz immer auf den Standort reagieren Folie 56, 16.01.2014 Architektur und Energie: Das Klima als Entwurfsfaktor Last but not least: • Energieeffizienz kann durchaus auch eine Quelle für architektonische Inspiration sein. ETH Studio Monte Rosa / Bearth & Deplazes Architekten AG, SAC Hütte Sektion Monte Rosa, Zermatt Norman Foster Solar Award 2010 Solaragentur Schweiz Viridén + Partner AG, MFH Eco Renova, Romanshorn Norman Foster Solar Award 2013 Solaragentur Schweiz Folie 57, 16.01.2014 Besten Dank! Folie 58, 16.01.2014
