Ein Institutsgebäude für ein neues Jahrtausend

Ein Institutsgebäude
für ein sonniges Jahrtausend –
Der Neubau des Fraunhofer ISE
Ein 13.000 m2 großer Neubau in Freiburg ersetzt die
bisher gemieteten Gebäude
für die 300 MitarbeiterInnen des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE. Unter dem
Motto „vorbildliches Bauen
mit der Sonne„ nahmen
sich das Planungsteam mit
dem dänischen Architekturbüro Dissing + Weitling, dem Stuttgarter Ingenieurbüro Rentschler &
Riedesser und den Fachingenieuren der Gruppe Solares Bauen des Fraunhofer
ISE vor, hohe Arbeitsplatzqualität und Funktionalität mit geringem Energieverbrauch und hoher gestalterischer Qualität zu
verbinden. Am 23. November fand die Einweihung
statt.
Integrale Planung
von Anfang an
Der nach gründlicher Evaluierung ausgewählte und
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EnergieEffizientes Bauen
weiterentwickelte Entwurf
nimmt die für derartige Nutzungen bewährte Flügelstruktur auf und reagiert damit auf die ausgeprägte
Nord-/Süderstreckung des
Grundstücks (Bild 1). Die
drei Gebäudeflügel sind jeweils ost/west-orientiert,
die Abstände mit Rücksicht
auf den Lichteinfall groß.
Auf der Sonnenseite liegen
die nicht klimatisierten
Büros, auf der Schattenseite
die notwendigerweise klimatisierten Labors.
Eine zentrale Erschließungsachse, die sogenannte „Magistrale“, verläuft über 120
m in Nord/Südrichtung und
schützt Innenhöfe wie
Fassaden der Flügel vor der
nachmittäglichen Sommersonne. Ein städtebaulich
markanter Kopfbau an der
Südspitze der Magistrale
bündelt die Verwaltung und
zentrale Dienste. An der
westlichen Seite schließen
parallel zu der Magistrale
Technikum, Reinraum und
Werkstätten an (Bild 2).
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Die Baukonstruktion besteht aus einem StahlbetonSkelett mit Decken und Stützen. In dem funktionalen
und gestalterischen Konzept
der Fassaden zeigt sich die
planerische Reaktion auf
Nutzung, Orientierung und
klare Kostenziele.
• Eine vorgehängte Fassade
als gestalterisch prägendes Element des Kopfbaus
und der Flügelsüdseiten
mit Fassadenpaneelen aus
Stahlblech.
Konstruktionsmaterial ist Holz mit
Fenstern als Holz/Aluminium-Verbund.
• Eine Bandfassade mit
Holz/Aluminium-Fenstern, Wärmedämmverbundsystem an den Nordseiten der Flügel und dem
gesamten Technikum.
• Eine Glasfassade in Holz/
Aluminium für die Erschließungsachse.
Kriterium
Campus
Flügel
Kompakt
Tageslicht
o
+
–
Wärmeschutz
–
o
+
Raumklima
o
+
–
Bild 1: Die drei konkurrierenden Entwurfsideen und das Ergebnis ihrer Evaluierung
Lüftungskonzepte für
hohe Funktionalität und
gutes Raumklima
Klimatisierung für die
Labors und
Produktionsstätten
Da 2/3 der Hauptnutzfläche
von Labors und Produktionsstätten mit zum Teil
sehr hohen Anforderungen
an die Konstanz des Raumklimas eingenommen wird
(u.a. ein Reinraum für Herstellung von hocheffizienten
Solarzellen), liegt mit Blick
auf den Energiehaushalt ein
Schwerpunkt auf einem energiesparenden Lüftungsund Klimatisierungskonzept, das durch Anpassung
der Volumenströme an den
momentanen Bedarf unnötige Lüftung vermeidet (z.B.
geregelte
Laborabzüge),
und Wärme aus der Abluft
zurückgewinnt[1]. Das Kreislaufverbundsystem mindert
zwar den Wirkungsgrad des
Wärmetauschs
(2-facher
Wärmetausch), erhöht aber
die Sicherheit im Fall von internen Leckagen am Wärmetauscher.
Die Labors werden versorgungstechnisch durch
ein vertikales Schachtprinzip erschlossen. Lüftungsund Klimatechnik befinden
sich entsprechend im Untergeschoss (Zuluft) bzw. in
Dachzentralen
(Abluft).
Erstmalig wurde ein System
zur sorptiven Entfeuchtung
der großen Zuluftmengen
für einen Reinraum realisiert. Das Konzept basiert
auf den Arbeiten des Fraunhofer ISE zur solaren Klimatisierung durch Sorption.
Bild 2: Das Erdgeschoss im Grundriss (Quelle: Dissing +
Weitling)
Die Sorptionstechnik verschiebt Kälte- zu Wärmelasten und erlaubt damit bei
hohen Entfeuchtungsleistungen eine primärenergetisch günstigere Betriebsweise und geringere elektrische Lastspitzen.
GEWERBEBAU
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wird durch Beimischung
von
mikroverkapseltem
P h a s e nwe c h s e l m a t e r i a l
deutlich erhöht [3]. Damit
kann die Wirkung bzw. der
Einsatzbereich der passiven
Kühlung zukünftig erweitert werden.
Passive Kühlung
für die Büros
Charakteristisch für die
Büroarbeitsplätze ist die
hohe Dichte von Personen
und EDV-Geräten. Nicht aktiv kühlen oder klimatisieren zu wollen heißt, im Rahmen einer integralen Planung alle Möglichkeiten der
passiven Kühlung ausschöpfen:
• ein geeigneter Gebäudeentwurf (Bild 1)
• angepasste Glasflächen
und Glastypen in der Fassade,
• wirkungsvoller Sonnenschutz mit automatischer
Steuerung (manuell jederzeit anpassbar),
• Verzicht auf eine Deckenabhängung zur intensiven
thermischen Ankopplung
der Raumluft an die Gebäudemasse,
• nächtliche Lüftung zur
sommerlichen Entwärmung des Baukörpers und
• Luftvorkühlung via Erdregister für besonders kritische Zonen.
Wesentliches
Planungswerkzeug war die dynamische Simulation. Damit eine
ganzheitlich überzeugende
Lösung entstand, unterstützte die Tageslichtsimulation die Raumklimasimulation; beide können mit am
Fraunhofer ISE entwickelten
Werkzeugen dynamisch gekoppelt werden [2].
Im Tagesbetrieb versorgt
eine Abluftanlage die Büros
mit einem Grundlüftung (1facher Luftwechsel). Die
Außenluft strömt über Spalten in den Rahmenprofilen
der Oberlichter in die Büros
und via Unterdruck durch
Lüftungsflügel oberhalb der
Türen in den Flur. Von dort
wird die Abluft zentral entnommen und die enthaltene
Wärme der Wärmerückgewinnung der Labore zugeführt. Ziel ist die Verbesserung der Luftqualität
in den dicht belegten Büros.
Das realisierte Anlagenkonzept minimiert den dafür
erforderlichen Aufwand mit
Kompromissen sowohl beim
Schallschutz
zwischen
Büros und Fluren als auch
bei der Sicherheit eines definierten Luftwechsels gegenüber Winddruckänderungen am Bauwerk. Im
nächtlichen Betrieb mit 4-fachem Luftwechsel sorgt die
Abluftanlage in Verbindung
mit den frei liegenden Stahlbetondecken für die Entwärmung des Gebäudes im
Sommer. Dazu werden die
Oberlichter manuell geöffnet. Erst der Verzicht auf
motorisch bediente Fenster
machte die Investitionskosten für die Nachtlüftung
vertretbar. Überzeugt die
Wirkung in der Praxis, werden die Nutzer das System
auch entsprechend bedienen. Von Messungen und
Nutzerbefragungen werden
wertvolle Ergebnisse erwartet [4].
Im Rahmen der Produktentwicklung mit der Industrie
besitzen einige Büros einen
neu entwickelten Gipsputz
an Decke und Seitenwänden. Die Wärmekapazität
Ein Luft-/Erdregister zur
Kühlung und Vorwärmung
der Zuluft ist zusätzliches
Element der Lüftung des
Kopfgebäudes.
Seminarraum, Küche und Kantine
sind Räume mit erhöhtem
Wärmeanfall und Lüftungsbedarf. Das zentrale Atrium
ist funktional als Zuluftraum für die umliegenden
Büros einbezogen. Als
Verkehrsfläche erlaubt das
Atrium eine hohe Temperaturtoleranz bis hinunter zu
winterlichen 15°C. Das Erdregister für einen Durchsatz
von 9.000 m3/h liegt kostengünstig im Arbeitsraum
der Ausschachtung für das
2. UG der 120 m langen Magistrale. Es besteht aus 7 PERohren mit 250 mm Durchmesser [5].
Die Magistrale erhält als
thermischer
Pufferraum
keinerlei Heizung oder aktive Lüftung. Wiederum wurde die größere Komforttoleranz einer Verkehrsfläche in
enger Abstimmung mit dem
Bauherrn zur Senkung der
Investitionskosten genutzt.
Voraussetzung ist die hohe
thermische Qualität der
Fassadenkonstruktion (UV
= 0,9 W/m2K, minimaler
Rahmenanteil). Der sommerliche Sonnenschutz für
die vollverglasten Flächen
entfällt zugunsten einer freien Auftriebslüftung mit
großen Lüftungsklappen.
Kostenneutrales Mittel zur
Senkung der sommerlichen
Wärmelast ist der seitenverkehrte Einbau der Wärmeschutzverglasungen; ihr Energiedurchlass nimmt so um
15% ab.
Bild 3: Schematische Darstellung und Kenndaten der Energieversorgung (AKM: Absorptionskältemaschine, KKM:
Kompressionskältemaschine, PV: Photovoltaik)
BHKW
Kessel
AKM
KKM
PV
Kollektor
Strom
KW
Wärme
KW
Kälte
kW
Fläche
M2
230
21
-
370
690
-
350
780
-
200
20
Gutes Licht für
hohe Arbeitsplatzqualität
Angenehmes Tageslicht für
die (Bildschirm-) Arbeitsplätze war bereits wesentliches Kriterium für die Auswahl des Entwurfs: Die Flügelstruktur bewirkt günstige
Raumtiefen, die gewählte
Ausrichtung minimiert die
wegen ganzjährig tiefem
Sonnenstand ungünstigen
Ost- und Westfassaden
(Blendgefahr bzw. mangelhafter Ausblick wegen ständig geschlossenem Blendschutz). Aus der Kombination von Labors und
Büros auf einem Geschoß
folgen Raumhöhen von 3,3
m. Verbunden mit Raumtiefen von 5 m ist das Raumpotential für gute Tageslichtnutzung hoch.
Im Dialog von Architekt und
Fachingenieuren entstand
ein Fassadentyp mit vier
Segmenten: Brüstung, Fenster, Paneel, Oberlicht. Das
Oberlicht ist deckenbündig,
um Licht möglichst hoch
einfallen zu lassen. Angesichts der großen Raumhöhe
reduziert das Paneel die
sommerliche Wärmelast gegenüber einer Ganzglaslösung wesentlich bei zugleich immer noch hohem
Tageslichtangebot. Sonnenschutz gewährleistet eine
durchgehende Außenjalousie mit zweigeteilter Bedienung: Ist die Jalousie
ganz
heruntergefahren,
schließen die Lamellen vor
dem Fenster, während sie im
Bereich des Oberlichts in
waagerechter Stellung verbleiben. Als nachteilig erweist sich nach der Fertigstellung die große Fassadentiefe, vor allem durch gestalterische Integration der Sonnenschutzanlagen:
Der
Lichteinfall wird durch den
reduzierten Einfallswinkelbereich mehr als ursprünglich vorgesehen reduziert.
Die Ergebnisse der Lichtsimulationen zeigten, dass
die
tageslichtangepasste
Dimmung der Beleuchtung
angesichts des hohen Ta-
geslichtangebotes keine hohen
Einsparungen
erschließen kann. Das abgestimmte, nutzungsflexible
Kunstlichtkonzept lautet:
Grundbeleuchtung durch je
eine indirekt strahlende
Stehleuchte pro Büro, deren
Stromkreis
bei
ausreichender
Außenhelligkeit
zentral abgeschaltet wird;
Arbeitsplatzbeleuchtung
durch eine individuelle
Tischleuchte. In Summe be-
4/2001
trägt die installierte elektrische Leitung 8 W/m2. Für
die Bereiche mit ungünstigeren Tageslichtverhältnissen
enthält die Tischleuchte ein
Modul zur präsenzgesteuerten Abschaltung und tageslichtgeregelten Dimmung.
Kosten für eine Lichtsteuerung treten damit nur dort
auf, wo sie amortisierbar
sind. Nach Optimierung der
Lichtplanung ist der jährliche Stromverbrauch des
EnergieEffizientes Bauen
31
GEWERBEBAU
(nicht optimierten) Telephons pro Arbeitsplatz heute in annähernd der gleichen
Größenordnung wie der der
Beleuchtung !
In Teilen des Gebäudes werden 2002 weltweit erstmalig
die in der Transparenz
schaltbaren Fenster auf der
Basis gas-chromer Scheiben
eingesetzt, ein Resultat der
Forschungskooperation des
Fraunhofer ISE mit der Glasindustrie [6].
Eine zukunftsfähige
Energieversorgung
Wegen des ganzjährig hohen elektrischen Energiebedarfs von Reinraum, Labor- und Produktionsstätten
(u.a. elektr. Diffusionsöfen
mit 300 kW elektrischer Anschlussleistung) ist die Eigenstromerzeugung
via
Blockheizkraftwerk das naheliegende Konzept. Voraussetzung ist, dass es gelingt,
die ganzjährige Nutzung der
Abwärme sicherzustellen.
Erreicht wird dies durch die
Kombination von zwei gasbetriebenen BHKW´s mit einer Absorptionskältemaschine zum Kraft/Wärme/
Kälte-Verbund (Bild 3). Eine
Kompressionskältemaschine und ein Gaskessel unterstützen das System zur Leistungsanpassung.
Wirtschaftlichkeit wird trotz
günstiger Voraussetzungen
erst durch den hohen Stellenwert einer ausfallsicheren Stromversorgung erreicht: Die BHKW´s arbeiten
bei Netzausfall als Notstromsystem und verringern
die damit verbundenen Investitionen. Trotz ökologischer Vorteile lässt die derzeit gültige Tarifstruktur für
Strom und Gas den Nachtbetrieb des BHKW aus wirtschaftlichen Gründen eigentlich nicht zu, so dass in
Summe mit nur 4.500 jährli-
32
EnergieEffizientes Bauen
32
chen Betriebsstunden gerechnet werden müsste. Mit
Nachtbetrieb sind fast 6.000
Betriebsstunden möglich.
Die Investitionskosten sind
fast doppelt so hoch wie diejenigen einer konventionellen Versorgung. Durch die
15% geringeren Verbrauchskosten sind die Jahreskosten
der Energieversorgung jedoch günstiger. Als Amortisationszeit werden 8 Jahre
erwartet. Als Option ist danach die Umrüstung oder
Ergänzung durch eine mit
Erdgas betriebene Brennstoffzelle vorgesehen.
Die solaren Komponenten
der Energieversorgung sind
20 m2 Flachkollektoren auf
dem Dach des Kopfbaus zur
zentralen Warmwasserbereitung der Kantine und Solarstromanlagen
unterschiedlicher Bauart mit einer Spitzenleistung von 21
kWp. 70 m2 Solarzellen befinden sich im Wärmeschutzglas als südlicher Teil
der Sheddachkonstruktion
für das Atrium und 30 m2 in
der Glasfassade am südlichen Ende der Magistrale.
Die Module übernehmen
neben dem Wärmeschutz
(U = 1,1 W/m2K) auch die
Sonnenschutzfunktion (g =
0,25). Die Planung erfordert
dazu eine besonders intensive Abstimmung und Abwägung zwischen Anlagenertrag, Tageslichtangebot und
sommerlichem Raumklima.
Ziel des Konzeptes aus Energieeinsparung und effizienter Energieversorgung ist,
dass der gesamte Primärenergiebedarf trotz wesentlicher Aufstockung in Größe,
Ausstattung und Funktionalität der Labor- und Produktionsstätten sinkt. Dies wird
im wesentlichen durch den
Kraft-/Wärme-/Kälteverbund erreicht, da der Stromverbrauch der Geräteausstattung und der daraus resultierender Prozesskältebe-
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darf die Energiebilanz dominieren. Eine alleinige Betrachtung der Bürobereiche
des Gebäudes zeigt eine
40%ige Reduktion des
Primärenergieeinsatzes gegenüber einer konventionellen Planung; das Primärenergieäquivalent des Ertrags
der installierten Solarstromanlagen deckt annähernd
30% dieses Bedarfs.
Fazit
Institutsgebäude für die Forschung sind durch umfangreiche Geräteausstattung
und hohe Ansprüche an das
Raumklima in Laboren hohe
Energieverbraucher. Ihnen
das abzugewöhnen ist weniger eine Frage von Architektur und Gebäudehülle als
die einer energiekritischen
Prüfung jeder einzelnen
Gerätebeschaffung und einer umsichtigen Betriebsweise der Anlagen. Das vorgestellte Gebäudekonzept
motiviert dazu, weil es gebäude- und versorgungstechnisch vorbildlich ist.
Vorbildlich deshalb, weil es
ganzheitlich den vielfältigen
Anforderungen gerecht werden kann und dabei die Kosten nicht aus dem Blick verliert. Die Bauwerkskosten
liegen mit knapp 750 DM/
m3 bzw. 3.500 DM/m2NGF
(KG 300/400, brutto) im üblichen Rahmen anderer Institutsbauten der FraunhoferGesellschaft mit vergleichbarer Nutzung. Auf diese
Weise ist Solares Bauen heute selbstverständlich und
nicht mehr spektakulär, weder von den Kosten, noch
von der Technik, noch von
der Architektursprache.
Dr. Karsten Voss
Gruppenleiter Solares Bauen am
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg. Das
Fraunhofer ISE unterstützt seit
vielen Jahren die Planung von Gebäuden durch Konzepte, Simulationsrechnungen, Messungen und
Monitoring.
Referenzen
[1]RELAB-Energieeinsparung in
Laboratorien durch Reduzierung der Luftströme, Hrsgb:
Universität Stuttgart, IKE,
1998
[2]Reinhart, Chr., RADIANCE –
Jahressimulationen des Tageslichtangebots in gebäuden: Ein Raytracer, viele Ergebnisse, 6. Symposium Innovative Lichttechnik in Gebäuden, Staffelstein, 2000
[3]Zimmermann, M.: Handbuch
der Passiven Kühlung, Dübendorf, CH, 1999
[4]Schossig, P., Henning, H.-M.,
Raicu, A.: Mikroverkapselte
Phasenwechselmaterialien in
Wandverbundsystemen, 11.
Symposium Thermische Solarenergienutzung, Staffelstein, 2001
[5]Pfafferot, J., Gerber, A., Herkel, S.: Erdwärmetauscher
zur Luftkonditiuonierung,
Gesundheitsingenier, 119/4,
1998
[6]Gombert, A. et. al.: Innovative Verglasungen für hohe solare Gewinne und Tageslichtnutzung, 5. Symposium Innovative Lichttechnik in Gebäuden, Staffelstein, 1999
[7]Energieeffizienz und Solarenergienutzung im Nichtwohnungsbau – Konzepte und
Bauten, Journal, Fraunhofer
ISE, 2001, Bezug via Internet
unter http://bine.fiz-karlsruhe.de
[8]Voss, K.: Schlanke Gebäude –
Hohe Arbeitsplatzqualität bei
geringem Energieverbrauch,
Energieeffizientes
Bauen,
Heft 3, 2001
Dank
Die Planung und die
zukünftige Evaluierung des
Gebäudes fördert das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
BMWi im Rahmen des Programms Solaroptimiertes
Bauen [7,8]. Über das Förderprogramm, die realisierten Gebäude und deren Ergebnisse informiert das Internet unter www.ise.fhg.de