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Vier Gebäudetypen der Solar City Linz und ihre Nachhaltigkeit

Eine vergleichende Untersuchung

Forschungsarbeit 2011 72 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Bauingenieurwesen

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung in die Thematik

2 Nachhaltige Gebäude

3 Passive Maßnahmen
3.1 Orientierung
3.2 Zonierung
3.3 A/V-Verhältnis
3.4 Weitere Passivmaßnahmen
3.5 Aktive Maßnahmen:

4 Vergleichsmatrix zur Nachhaltigkeitsbewertung von Gebäuden der Solar City
4.1 Aufbau der Matrix
4.2 Wärmeerzeugung:
4.3 Belüftung
4.4 Solare Erträge und Kühlung
4.5 Wasserversorgung
4.6 Abstimmung zwischen Gebäudekonzept, Gebäudenutzung und Anlagentechnik
4.7 Innovationen

5 Volkshaus
5.1 Gebäudeart und Nutzung
5.2 Gebäudekonzept
5.3 Energiekonzept
5.4 Bewertung anhand der Matrix
5.4.1 Wärmeerzeugung
5.4.2 Belüftung
5.4.3 Solare Einträge und Kühlung
5.4.4 Wasserversorgung
5.4.5 Abstimmung zwischen Gebäudekonzept, Gebäudenutzung und Anlagentechnik
5.4.6 Innovationen
5.4.7 Ergebnis

6 Schulzentrum
6.1 Gebäudeart und Nutzung
6.2 Gebäudekonzept
6.3 Energiekonzept
6.4 Bewertung anhand der Matrix
6.4.1 Wärmeerzeugung
6.4.2 Belüftung
6.4.3 Solare Einträge und Kühlung
6.4.4 Wasserversorgung
6.4.5 Abstimmung zwischen Gebäudekonzept, Gebäudenutzung und
Anlagentechnik
6.4.6 Innovationen
6.4.7 Ergebnis

7 Kindergarten
7.1 Gebäudeart und Nutzung
7.2 Gebäudekonzept
7.3 Energiekonzept
7.4 Bewertung anhand der Matrix
7.4.1 Wärmeerzeugung
7.4.2 Belüftung
7.4.3 Solare Einträge und Kühlung
7.4.4 Wasserversorgung
7.4.5 Abstimmung zwischen Gebäudekonzept, Gebäudenutzung und
nlagentechnik
7.4.6 Innovationen
7.4.7 Ergebnis

8 Wohnhausanlage WSG
8.1 Gebäudeart und Nutzung
8.2 Gebäudekonzept
8.3 Energiekonzept
8.4 Bewertung anhand der Matrix
8.4.1 Wärmeerzeugung
8.4.2 Belüftung
8.4.3 Solare Einträge und Kühlung
8.4.4 Wasserversorgung
8.4.5 Abstimmung zwischen Gebäudekonzept, Gebäudenutzung und
Anlagentechnik
8.4.6 Innovationen
8.4.7 Ergebnis

9 Fazit und Zusammenfassung der Ergebnisse
9.1 Zusammenfassung der Ergebnisse
9.2 Fazit

10 Abbildungsverzeichnis

11 Tabellenverzeichnis

12 Literaturverzeichnis

1 Einführung in die Thematik

Das steigende Bewusstsein für die Werthaltigkeit der zur Verfügung stehenden Energien und Rohstoffe, die zunehmend öffentliche Diskussion über nachhaltigen Ressourcen- und Energieumgang als auch veränderte, strengere gesetzliche Anforderungen, haben in den letzten Jahren zu bedeutenden Innovationen bezüglich der Energieeffizienz bei Gebäuden geführt. Allen voran erfreut sich heute der Bereich der Gebäudetechnik modernster und effizientester Systeme, die zum größten Teil bereits marktreif sind. Besonders häufig zitiert wird hierbei Wärmepumpe zur Wärmebereitstellung. Aber auch zur Konditionierung der Zuluft, zur Raumkühlung oder zur Lichtsteuerung bietet der Markt eine Vielzahl moderner Systeme an.

Da aktive Systeme trotz höchster Effizienzniveaus jedoch mindestens Energie zum Antrieb und zur Verteilung benötigen, gehört zu nachhaltigen Gebäudekonzepten neben der Entwicklung und Integration moderner Anlagen mit hohen Effizienzniveaus auch die maximale Ausschöpfung passiver Maßnahmen.

Dazu gehören beispielsweise die Nutzung passiver Energiegewinne durch die Sonnenstrahlung und die Verringerung energetischer Verluste durch gute Dämmung und Luftdichtheit der Gebäudehülle. Weitere passive Möglichkeiten, wie eine angepasste Gebäudeorientierung, werden zudem zu Beginn dieser Arbeit vorgestellt.

Auf aktive Systeme im speziellen wird in dieser Arbeit nicht eingegangen, da dies nicht Gegenstand der Untersuchung sein soll. Wichtig zu beachten ist in diesem Rahmen lediglich, dass zu den Konstruktionen passende aktive Geräte eingesetzt werden, was bedeutet, dass bei der Verwendung einer Wärmepumpe ein Flächenheizsystem mit niedrigen Temperaturvorlauf, Grundwasserentnahme, PV-Flächen auf dem Dach zur Versorgung der eigenen Anlage und eine schwere Bauweise mit thermischen Speichermassen einher gehen sollten. Zusätzlich ist empfehlenswert, zuerst passive Maßnahmen voll auszuschöpfen, bevor aktive Geräte zum Einsatz kommen.

Mit der Frage, ob die Immobilien der Solar City derartige Aspekt berücksichtigen und dabei von nachhaltigen Gebäudekonzepten gesprochen werden kann, wird in der vorliegenden Arbeit bei vier Gebäuden untersucht. Damit die Einschätzung und die damit verbundene Einstufung der Gebäude für den Leser anschaulich, verständlich und nachvollziehbar ist, wurde eine Matrix entwickelt, welche grundliegende Aspekte nachhaltiger Gebäudekonzepte überprüft und einer relativen Bewertung zuordnet. Anhand dieser Matrix werden die Immobilien dann durch einheitliche Bewertungsmaßstäbe miteinander verglichen.

2 Nachhaltige Gebäude

Die „Solar City“ ist eine ganzheitlich neu geplante Stadt, welche heute als „Musterbeispiel“[1]für eine ganzheitlich nachhaltige Stadtentwicklung gilt. Bereits 1992 wurde mit der Rahmenplanung dazu begonnen und seit 2003 wohnen in dem interdisziplinär geplanten und verwirklichten Projekt die ersten Einwohner[2].

Um die Vision einer ganzheitlich nachhaltigen Stadt umzusetzen, ist es von elementarer Bedeutung, auch bei der Konzeption der Gebäude und der Wahl der Anlagentechnik auf Nachhaltigkeit zu achten.[3]

Prinzipiell sind die unterschiedlichen Nutzungsanforderungen eines Gebäudes sowie der Standort, bezüglich der Klimazone und Exposition zur Witterung bestimmend, welche Dimensionen und Aufgaben die Gebäudetechnik erfüllen muss. So hat der Operationssaal eines Krankenhauses deutlich höhere Anforderungen an die Konditionierung, Be-/Entfeuchtung sowie Hygiene der Zuluft, an die Höhe der Luftwechselrate, den maximalen Temperaturgradient im Raum und die Raumbeleuchtung, als das Schlafzimmer eines gewöhnlichen Einfamilienhauses, bei dem üblicherweise auf die meisten der genannten Raumkonditionierungsmaßnahmen verzichtet werden kann (z.B. Be-/Entfeuchtung der Luft, Kühlung).[4]Gleichzeitig gelten für Gebäude in den Tropen ganz andere Orientierungsgrundsätze, als in unseren Breiten.[5]

So ist es also eine elementare Aufgabe, sich in der Konzeptions- und Planungsphase über die Anforderungen des geplanten Gebäudes bewusst zu werden und davon ausgehend individuell angepasste Anlagen auszuwählen. Einen vereinfachten Überblick über die determinierenden Einflüsse auf die Anlagentechnik soll Abb. 1 geben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Einflüsse auf die Anlagentechnik und den Energieverbrauch von Gebäuden

Quelle: in Anlehnung zu:[6]

Anhand der Verbindungslinien kann man die Zusammenhänge zwischen individuellen Nutzungsanforderungen, den äußeren klimatischen Einflüssen und resultierenden verbrauchsrelevanten Faktoren des Gebäudes erkennen. Je nachdem, welche der Anforderungen und äußeren Einflüsse zutreffen, können so passende Systeme, wie zum Beispiel die Verwendung einer Wärmepumpe oder der Anschluss an das Fernwärmenetz, ausgewählt werden.[7]

3 Passive Maßnahmen

Bevor man sich jedoch Gedanken zur Anlagen-/Gebäudetechnik macht, sollten – wie bereits erwähnt - zunächst alle denkbaren passiven Maßnahmen ausgeschöpft werden. Der als Pionier nachhaltig/ökologischer Siedlungsentwicklung geltende Architekt, Herr Norbert Kaiser, stellte fest: „Die erste wichtige gebäudetechnische Erfindung zur Nutzung solarer Energie war das Glas“[8]. Damit beschreibt er die Innovation, Tageslicht zu nutzen, ohne Witterungseinflüssen ausgesetzt zu sein. Diese Maßnahme ist noch heute eine der grundlegendsten und effektivsten Passivmaßnahmen.

Welche weiteren Passivmaßnahmen existieren und bei der Planung und Realisierung moderner Gebäude beachtet werden sollten, wird im Folgenden kurz vorgestellt.

3.1 Orientierung

Als erste grundlegende Überlegung bei der konzeptionellen und architektonischen Planung eines Gebäudes sollte die Raumorientierung beachtet werden. Besonders im Winter können so über Glasflächen hohe passive Wärmegewinne erzielt werden. Möglich wird dies durch hohe Verglasungsanteile, dem Einsatz einer transzendenten Wärmedämmung sowie von „Phase Change Materials“ (PCM) an der Südfassade.[9]

Hierbei ist es für den Planer jedoch wichtig, mögliche Verschattungsquellen zu erkennen. Dies kann zum einen die naturgemäß tiefstehende Sonne im Winter sein, jedoch gilt es auch mögliche zukünftige Verschattungen, wie zum Beispiel Baumwuchs oder die mögliche Bebauung des Nachbargrundstücks, zu beachten. Schließlich sind die erwähnten, neuen Dämmstoffe preislich deutlich teurer, als herkömmliche EPS-Dämmstoffe.

Als nächstes gilt es bei den verglasten Flächen einen angepassten Energiedurchlasswert (g-Wert) für die verglasten Flächen zu wählen. Dabei gilt zu beachten, dass mit sinkendem U-Wert (also besserer Wärmedämmung) auch der g-Wert (Gesamtenergiedurchlassgrad) sinkt (siehe Abb. 2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Passive Energien im Winterhalbjahr auf verschieden orientierte Oberflächen

Quelle:[10]

Prinzipiell ist es in unseren Breiten die beste Lösung, einen möglichst kleinen U-Wert für die Glasflächen zu verbauen.[11]Damit sinkt jedoch auch der Gesamtenergiedurchlassgrad. Möchte man mit höheren g-Werten arbeiten, so könnte diese Energie durch sogenannte „Pufferzonen“ gespeichert und verwendet werden, die beispielsweise nachts oder bei schlechtem Wetter sowieso nicht genutzt werden. Der geläufigste Fall ist ein nach Süden orientierter Wintergarten mit Einfachverglasung, der sich außerhalb der Wärmeübertragenden Hülle befindet. So kann die empfangene Wärme an sonnigen Tagen bis in das Hauptgebäude vordringen, indem die Fenster zum Wintergarten geöffnet werden, während diese an kühleren Tagen verschlossen bleiben.[12]

3.2 Zonierung

Die Orientierung des Wintergartens leitet zu einem weiteren Aspekt der energetischen Optimierung durch den Baukörper über: die Zonierung.

Bezüglich wärmetechnischer Gesichtspunkte bietet diese neben der Gebäudeorientierung viel Potential zur Energieeinsparung.[13]

Wärme Räume (Wohnzimmer, Küche, Bad) sollten stets zum Gebäudekern orientiert sein, damit die Wärmeverluste nach außen minimiert werden. Kühlere Räume (Schlafzimmer, Speisekammer, Stauräume) hingegen sollten möglichst außen und zur Nordseite orientiert liegen.

Wird die Zonierung nicht nur geometrisch, sondern auch in Bezug auf die Anlagentechnik optimiert ergeben sich neben passiven Gewinnen und verringerten Verlusten noch weitere Möglichkeiten zur Energieeinsparung. So kann die Beheizung der Verkehrsflächen beispielsweise an den Heizungsrücklauf angeschlossen werden, wodurch diese mit einem niedrigeren Temperaturniveau beheizt werden.[14]Zonen mit hohen Raumtemperaturen können energetisch effizient zur Beheizung des gesamten Gebäudes eingesetzt werden, indem in angrenzenden Räumen ein Unterdruck aufgebaut wird und somit die bereits vorhandene und gespeicherte Wärme in andere Räume überströmt (Vorkonditionierte Raumluft). Auch die Raumbeleuchtung sollte auf einzelne Zonen individuell angepasst werden, indem beispielsweise Verkehrszonen und Toiletten mit Bewegungsmeldern ausgestattet werden (v.a. im Büro- und Gewerbebau). Um auf künstliche Beleuchtung zu verzichten, werden Zonen mit am Tag genutzten Räumen den hellen Himmelsrichtungen zugewandt. Schlafzimmer sollten so nach Ost, Wohn-/Arbeitszimmer nach Süd und West orientiert liegen.[15]

3.3 A/V-Verhältnis

Ein weiterer Faktor, der bereits während der Konzeption eines Gebäudes bedacht werden muss, ist das Verhältnis der Außenwandoberfläche zum Gebäudevolumen.[16]

Dies ist von Bedeutung, da je m² Außenwand Transmissionsverluste durch die Gebäudehülle stattfinden. Lässt sich also das A/V-Verhältnis bei gleichem Raumvolumen reduzieren, werden diese Verluste verringert. Anhand Abb. 4 lässt sich erkennen, dass eine Halbkugel das theoretisch günstigste A/V-Verhältnis besitzt. In der realen Baupraxis wird dies jedoch nur selten umgesetzt und daher schneiden kompakt gestaltete Mehrfamilienhäuser hier am besten ab (siehe Abb. 4).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Werte typischer A/V Verhältnisse

Quelle:[17]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Werte typischer A/V Verhältnisse

Quelle:[18]

Letztlich gilt jedoch zu bemerken, dass durch die hohen Dämmstandards die Bedeutung der kompakten Bauweise heutzutage abnimmt, da die energetischen Effekte nur noch minimal sind (siehe Abb. 5). Durch die kompakte Bauweise entstehen nämlich auch Nachteile, wie zum Beispiel Räume ohne Außenfenster.

Der Bauherr/Architekt muss also abwägen, in wie weit die Maßnahme das A/V-Verhältnis zu reduzieren im individuellen Fall sinnvoll ist.[19],[20]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5: Transmissionswärmeverluste bei kompakter Bauweise in Abhängigkeit vom Dämmniveau

Quelle:[21]

3.4 Weitere Passivmaßnahmen

Neben den vorgestellten Maßnahmen, die den Baukörper betreffen, lassen sich auch durch eine U-Wert optimierte Gebäudehülle, die passende Materialwahl bei den Dämmstoffen oder den Einsatz von Speichermassen nachhaltig energetische Vorteile erzielen. Da auf diese hier nicht weiter eingegangen wird, sollen jedoch zur Vollständigkeit in folgender Abbildung in der rechten Spalte weitere passive Maßnahmen, deren Umsetzung energetisch vorteilhaft und nachhaltig ist, aufgeführt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6: Übersicht über passive Maßnahmen zur energetischen Gebäudeverbesserung

Quelle:[22]

Betrachtet man die Graphik, fällt auf, dass für die Erreichung der Ziele (Spalten links) jeweils mehrere Passive Maßnahmen (Spalten rechts) unterstützend wirken. So wir das Ziel „Wärme erhalten – Transmissionswärmeverluste minimieren“ durch den Baukörper(„Kompaktheit“)aber auch durch die Gestaltung der Gebäudehülle(„Dämmung“ und „Wärmebrücken“)erreicht. Ebenso gibt es Maßnahmen, wie beispielsweise die Orientierung, welche sowohl die Kontrolle solarer Gewinne (Kategorie:„Überhitzung vermeiden“), Solare Gewinne (Kategorie:„Wärme gewinnen“)als auch die Tageslichtversorgung (Kategorie:„elektrische Beleuchtung vermeiden“)beeinflusst. Quelle:[23]

Es besteht also eine starke Wechselwirkung zwischen unterschiedlichen Zielen und deren Maßnahmen. Das bedeutet, dass häufig bestimmte Systeme/Maßnahmen mehrere Ziele verfolgen. Lichtlenkung bedeutet im Sommer beispielsweise, genügend Licht in den Raum zu lassen, um auf elektrische Beleuchtung verzichten zu können, aber gleichzeitig solare Energien abzuschirmen. Im Winter hingegen soll damit gezielt solare Strahlung in das Rauminnere geleitet werden. Allerdings ohne dass Nutzer dadurch geblendet oder bei PC-arbeiten gestört werden.

3.5 Aktive Maßnahmen:

Werden energetische Ziele durch passive Maßnahmen nicht erreicht, sind aktive Systeme notwendig. Das bekannteste Beispiel einer aktiven Maßnahme sind thermische Solarkollektoren. Durch die Nutzung der solaren Strahlungsenergie kann unter gewissen klimatischen Voraussetzungen klima- und kostenneutral Warmwasser produziert werden. Dennoch ist elektrische Energie für Pumpen notwendig, um das Wärmemittel von den Kollektoren zum Wärmetauscher des Warmwasserboilers zu transportieren. Anhand Abb. 7 wird die charakteristische Verteilung des Endenergie- und des Primärenergiebedarfs bei Gebäuden unserer Breiten gezeigt. Dabei stehen auf der linken Seite die Verluste und auf der Seite eins weiter rechts die Gewinne. Ganz rechts zeigt sich die Aufteilung der Energieträger und der daraus resultierende Primärenergieverbrauch. Die Graphik verdeutlicht sehr anschaulich, dass durch die Minimierung der Verluste auch der resultierende Energiebedarf verringert wird. Zum anderen kann dies durch die Erhöhung solarer Gewinne oder die Erhöhung des Faktors „Regenerative Energien“ erreicht werden, wozu auch thermische Solarkollektoren zählen. Diese haben zwar ebenso einen Bedarf an Primärenergie, jedoch besteht dieser nur aus Antriebsenergien während der Nutzungsphase, sodass in der Gesamtbetrachtung deutlich mehr Energie gewonnen wird (vgl. Abb. 7). Der Erntefaktor solcher aktiver Maßnahmen ist also positiv, weshalb diese, soweit sie wirtschaftlich einsetzbar sind, beim modernen Gebäudebau auch Verwendung finden sollten.[24]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 7: Endenergie- und Primärenergiebedarf

Quelle:[25]

4 Vergleichsmatrix zur Nachhaltigkeitsbewertung von Gebäuden der Solar City

Wie in der Einführung der Arbeit erwähnt, wurde die „Solar City“ bei Linz in Österreich als Zukunftsmodell für nachhaltige Stadtentwicklung geplant. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde der Gebäudekonzeption ein sehr hohes Augenmerk geschenkt[26]. Neben sehr guten Dämmwerten der Gebäude wurde besonders auf die Gewinnung solarer Gewinne geachtet, um dem Namen „Solar City“ gerecht zu werden. Zahlreiche der in Abb. 6 vorgestellten Maßnahmen wurden dazu bei den errichteten Gebäuden umgesetzt. An der Planung selbst waren renommierte Planungs- und Architekturbüros, wie beispielsweise das Architekturbüro Thomas Herzog, beteiligt.[27]

Um die Nachhaltigkeit der Gebäudekonzepte im speziellen unter heutigen Gesichtspunkten zu bewerten, wurde im Rahmen dieser Seminararbeit eine Vergleichsmatrix entwickelt. Dabei stand die Einfachheit der Anwendung im Vordergrund. Als Ziel der Matrix galt, dass diese universal anwendbar ist. Das heißt, sie soll nicht auf einzelne Gebäudegruppen (z.B. Bürogebäude) und ebenso nicht speziell auf die Objekte der „Solar City“ beschränkt sein, um sie auch an anderen Standorten anwenden zu können. Weiterhin soll sie einfach anwendbar sein. Dabei soll die Matrix keine Standards voraussetzen oder sich an Bedarfswerten o.ä. orientieren. Daher ist es auch wichtig zu erwähnen dass es keine Referenz für die Bewertung gibt. Eine positive Bewertung in der Matrix heißt also nicht, dass ein bestimmtes Level erreicht wurde, sondern, dass dieser Aspekt im Vergleich zu den anderen untersuchten Gebäuden und den heutigen Baustandards positiv zu beurteilen ist. Es wird bei der Entwicklung der Matrix also kein zu bestehenden Zertifizierungssystemen, wie dem DGNB (Deutsches Gütesiegel für Nachhaltiges Bauen) oder LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) vergleichbares angeboten.[28]

Die Matrix soll als Kategorisierungsinstrument dienen, Gebäude unkompliziert und schnell auf deren Ist-Zustand in Bezug auf Nachhaltigkeit, nach heutigem Stand der Technik und im Vergleich zueinander zu überprüfen. Zu beachten ist zudem, dass hierbei sozio-ökonomische Faktoren außer Acht gelassen werden. Ebenso wird die Wirkungskette der Materialien und der Herstellung (z.B. fachgerechte Entsorgung der Baustoffe, Verwendung regionaler Materialien, etc.) nicht beachtet. Die Matrix dient also nur zur Einschätzung und dem Vergleich der energetischen Effizienz und Nachhaltigkeit während der Nutzungsphase.

[...]


[1]Linz.at 2012d

[2]Linz.at 2012b

[3]Krimmling 2010, S.19

[4]Pistohl 2009, H 5 ff.

[5]Pistohl 2009, I 19 ff.

[6]Prof. Werner Lang 2011, S.17

[7]Pistohl 2009, H 73

[8]Herzog et al. 1996, S. 22

[9]Pistohl 2009, I 117

[10]Prof. Gerhard Hausladen 2011, S. 34

[11]Pistohl 2009, I 114,115

[12]Pistohl 2009, I 138

[13]Pistohl 2009, I 141

[14]Daniels 2000, S. 83ff.

[15]Daniels 2000, S. 33

[16]Krimmling 2010, S. 94,95

[17]Krimmling 2010, S. 94,95

[18]Krimmling 2010, S. 94,95

[19]Krimmling 2010, S.94,95

[20]Prof. Gerd Hauser SS 2012

[21]Prof. Gerhard Hausladen 2011

[22]Prof. Werner Lang 2011

[23]Prof. Werner Lang 2011

[24]Krimmling 2010, S.19

[25]Prof. Gerhard Hausladen 2011

[26]Dr. Raimund Gutmann

[27]Herzog et al. 1996

[28]F.A.Z.

Details

Seiten
72
Jahr
2011
ISBN (eBook)
9783656382324
ISBN (Buch)
9783656382645
Dateigröße
5.9 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v210096
Institution / Hochschule
Technische Universität München
Note
1,3
Schlagworte
SolarCity Linz Nachhaltiges Bauen Bewertung nachhaltiger Gebäude Untersuchung anhand Nachhaltigkeits-Kriterien

Autor

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