Energiecontracting im Landratsamt Tübingen

Städtebau / Erschließung / Gebäudeentwurf

Das von Auer+Weber+Architekten aus Stuttgart geplante neue Landratsamt wird durch zwei in Nord-Süd-Richtung orientierte und zueinander leicht versetzte Längsbaukörper geprägt. Über einen zur Stadt orientierten Vorplatz gelangt der Besucher in eine großzügige Glashalle, die drei Ebenen des Gebäudes verbindet. Der Große Sitzungssaal schließt direkt an diese an. Großer und Kleiner Sitzungssaal, sowie die öffentliche Cafeteria stehen über den Hallenraum in enger funktionaler und räumlicher Verbindung und ermöglichen auch Veranstaltungen außerhalb der üblichen Nutzungszeiten.

Den publikumsintensiven Bereich der KFZ-Zulassungsstelle im Erdgeschoss erreicht man unmittelbar nach dem Foyer. Die Einfahrt zur Tiefgarage für Mitarbeiter und der Zugang zum Veterinäramt sowie zu den zentralen Diensten erfolgt auf der stadtauswärtigen südlichen Seite.

Die Büroräume der Geschäftsbereiche und Abteilungen sind zweibündig organisiert und bauen im Wesentlichen auf einem einheitlichen Grundraster von 3,90 m Breite auf, das unterschiedlichste Nutzungsmöglichkeiten bietet.

Geschossübergreifende Lufträume mit eingehängten einläufigen Treppen öffnen sich in die jeweiligen Grundrisse im Bereich der zentralen vertikalen Erschließungsbereiche.

Notwendige Service- und Technikeinheiten sowie die zentralen Flucht­treppenhäuser und Aufzugsanlagen sind in vertikal strukturierte Wand­ver­kleidungen integriert. Geschossbezogene Besprechungsräume befinden sich an den Bauteilübergängen und sind auf kurzem Wege zu erreichen. Größere Besprechungen und Konferenzen finden in den Fraktionszimmern sowie im Großen und Kleinen Sitzungssaal des Gebäudes statt.

Ein integrales Energiekonzept

Ein integrales Energiekonzept bildet die Grundlage effizienter Anlagensysteme. Die Erarbeitung und Umsetzung eines Energiekonzeptes ist heute ein wesentlicher Bestandteil im Planungsprozess.

In einem Energiekonzept werden energetische Potenziale ermittelt und Maßnahmen vorgeschlagen, wie ein Gebäude wirtschaftlich betrieben werden kann und soll. Jedes Gebäude ist in seinem speziellen Umfeld ein Prototyp, und erfordert eine individuelle energetische Betrachtung.

Neben den zu erwartenden Energiekosten müssen auch die Investitionskosten für die einzelnen Systeme betrachtet werden. Ein auf das Gebäude abgestimmtes Energiekonzept und der Einsatz regenerativer Energien sind die Voraussetzungen dafür, dass die aktuellen Klimaschutzziele erreicht und eingehalten werden können.

Folgende Kriterien sollten beachtet werden:

Integration des Energiekonzeptes in den architektonischen Gebäude­entwurf,

Minimierung des Primärenergiebedarfs und des CO₂-Ausstoßes ,

Größtmöglicher thermischer Komfort bei gleichzeitig geringem Ener­gie­verbrauch,

Sommerlicher Wärmeschutz,

Nutzung vorhandener regenerativer Energien,

Optimierte Tageslichtnutzung zur Reduzierung des Kunstlichtbedarfs.

Versorgungskonzept

Der feuchte Bauuntergrund bot eine sehr gute Voraussetzung für die Nutzung oberflächennaher Geothermie zur Heizung und Kühlung des Gebäudes. Zwei verschiedene Systeme lassen sich benutzen. Alle wassergestützten Anlagensysteme (Fußbodenheizung und Bauteilaktivierung) werden über thermisch aktivierte Bohrpfähle versorgt. Das Temperaturniveau des Erdreichs reicht für die direkte Versorgung der Bauteilkühlung im Sommer aus. Im Winter muss eine Wärmepumpe eingesetzt werden, um die Wärmeenergie des Erdreichs mit dem für Niedertemperatursysteme (Fußbodenheizung und Bauteilheizung) notwendigen Temperaturniveau bereitstellen zu können.

Die Zuluft für die mechanisch belüfteten Bereiche (Zulassungsstelle, Cafeteria, Sitzungssaal, Archive) wird über einen Erdkanal vorkonditioniert. Da die Erdreichtemperatur im Umfeld des Erdkanals nur noch gering um den Wert der Jahresmitteltemperatur schwankt, wird die Zuluft über den Erdkanal im Winter passiv vorgewärmt und im Sommer vorgekühlt.

Die Zusammenfassung des entwickelten Versorgungskonzeptes zeigt Bild 5.

Energie-Contracting

Nicht nur bei Sanierungsprojekten, auch bei neuen Gebäuden lohnt es sich, die Vorteile eines Energie-Contractings zu untersuchen. Gerade bei kommunalen Gebäuden scheitert eine Umsetzung eines in der Herstellung vielleicht etwas teureren, aber auf die Lebensdauer der Anlagen wirtschaftlichen Konzeptes häufig an fehlenden Investitionsmitteln.

Nach Abschluss der Entwurfsplanung wurde das entwickelte Energieversorgungskonzept im Vorfeld der Ausschreibung mit mehreren potenziellen Energieversorgern besprochen und als mögliche Variante untersucht. Da ein generelles Interesse von Auftraggeber- wie auch von Auftragnehmerseite vorhanden war, wurden die kompletten Heizungs- und Kälteerzeugungsanlagen parallel zur klassischen Ausschreibung als separater Energie-Contracting-Baustein bearbeitet. Nach Vorlage der Angebote und entsprechender Wirtschaftlichkeitsberechnungen wurden diese Anlagen als Energie-Contracting beauftragt.

Der Energie-Contractor tätigt die Investitionen für Wärmeerzeuger und Teile der elektrischen Versorgungseinrichtungen, das Landrats­amt stellt die Räumlichkeiten für die Geräte zur Verfügung und bezahlt nur die Verbrauchskosten. Die Investitionskosten werden auf die Verbrauchskosten umgelegt.

Gesamtkonzeption Heizung / Kühlung

Das Gebäude wird mit einem Erdgas-BHKW, einer erdgekoppelten Wärmepumpe und einem Gasbrennwertkessel mit Wärmeenergie versorgt.

Die Grundlastversorgung (Betonkernaktivierung und Fußbodenheizung) übernimmt eine Wärmepumpe. Die elektrische Energie für die Wärmepumpe wird über das BHKW erzeugt. Die Abwärme des BHKW wird darüber hinaus zur Gebäudeheizung und im Sommer zur Warmwasserbereitung herangezogen.

Über die bis zu 20 m tiefen Bohrpfähle, auf denen das Gebäude gegründet ist, wird oberflächennahe Geothermie zur Heizung und Kühlung genutzt. Durch die Verwendung des Geothermiepotentials sowohl im Winter als auch im Sommer ist eine wirtschaftliche Nutzung gegeben. Die ermittelten Potentiale sind in Bild 7 und 8 dargestellt.

Zur Deckung der Spitzen-Wärmelast des Gebäudes ist außerdem ein Brennwertkessel vorgesehen. Sämtliche heizungs- und kältetechni­schen Komponenten sind in der Technikzentrale im Untergeschoss eingebaut.

Wärmeerzeugung

Die Führungsgröße für das BHKW ist die elektrische Leistungsabgabe. Diese wird durch die elektrische Leistungsaufnahme der Wärmepumpe und der Notstromversorgung des Katastrophenschutzes vorgegeben. Die elektrische Leistung des BHKW reicht aus, um die geforderte Notstromversorgung im Katastrophenfall bereitzustellen. Ein Zusatzaggregat kann eingespart werden. Zudem entfallen die für ein Notfallsystem sonst zusätzlich notwendigen Wartungsaufwendungen.

Die resultierende Wärmeabfuhr wird in der kalten Jahreszeit der Gebäudeheizung und im Sommer der Warmwasserbereitung zugeteilt.

Für den Fall eines Eintrittes des Katastrophenschutzes und bei einem Ausfall der Erdgasversorgung, wurde ein möglicher Inselbetrieb des BHKW sichergestellt und vorgesehen werden. Für diesen Fall wird eine redundante Flüssiggasversorgung (Tankanlage) vorgehalten.

Als zusätzliche Wärmequelle zur Deckung der Spitzenlast ist ein Gas- Brennwertkessel eingebaut. Die Wärmeeinspeisung sowohl des BHKW als auch des Gaskessels erfolgt in den Hauptverteiler. Die Rück­lauf­temperatur des Brennwertkessels wird niedrig gehalten und dem Niedertemperaturverteiler zugeführt.

Die Niedertemperatur-Flächenheizsysteme (Fußbodenheizung, Baukernaktivierung) werden durch die Wärmepumpe versorgt.

Die hydraulische Einbindung der einzelnen Komponenten und Versorgung der einzelnen Verbraucher mit unterschiedlichen Heizmitteltemperaturen ist in Bild 9 zu sehen.

Wärmeverteilung und -abgabe

Das Heizwassernetz wird als Zweirohr-System ausgeführt. Die Verteilung zu den Verbrauchern erfolgt im Untergeschoss und im Erdgeschoss unter der Decke. Die Durchführungen der Rohrleitungen durch Brandabschnitte wurden nach der MLAR 03/2000 ausgeführt.

Die Heizflächen werden weiterführend über Steigstränge versorgt. Die Rohrführung zur Anbindung der Heizflächen in den einzelnen Ebenen erfolgt auf dem Rohrfußboden. Im Großteil des Gebäudes kommt ein Hohlraumboden zur Ausführung. Die Wärmeabgabe erfolgt über Flächenheizungen (Atrien, Bistro), sowie über Konvektoren (Büros) und Radiatoren (Sanitär-, Nebenräume).

Kühlkaltwasser

Die Rohrschlangen an den Bohrpfählen werden über Verteiler und Sammler geführt und über ein Rohrleitungssystem unter der Bodenplatte in die Technikzentrale geleitet. Ein Hauptverteiler versorgt die Verbraucher Bauteilaktivierung und Wärmepumpe mit dem Medium. Das Trägermedium besteht aus einem Wasser- Glykolgemisch.

Das Kühlkaltwassernetz ist als Zweirohr-System ausgeführt. Die Verteilung erfolgt in der Untergeschossebene unter der Decke. Die Plattenwärmetauscher für Kühlkaltwasser sind in der Technikzentrale aufgestellt. Die Kühlkaltwasserverrohrung zu den Verteilern der Baukernaktivierung erfolgt in den vertikalen Versorgungsschächten und unterhalb der Geschossdecken.

Hallenbereiche, die durch eine direkte Sonneneinstrahlung belastet werden, können durch die vorhandene Fußbodentemperierung im Sommer auch entsprechend direkt gekühlt werden.

Thermoaktive Decke

Die thermischen Simulationsberechnungen haben gezeigt, dass im Sommer in einigen Raumbereichen ein thermischer Komfort [2] ohne eine zusätzliche Kühlung nicht eingehalten werden könnte. Daher sind die obersten Geschosse und südlich gelegene Büros mit einem in die Sichtbetondecken integrierten thermoaktiven Deckensystem ausgestattet. Die Wärmeabfuhr erfolgt über die Energiepfähle direkt in das Erdreich.

Raumlufttechnische Anlagen

Die Außenluft für die mechanisch belüfteten Bereiche - Sitzungssaal, Zulassungsstelle, Cafeteria – wird über einen 130 m langen Erdkanal vorkonditioniert und diesen Räumen über Quell-Luftauslässe zugeführt.

Die Außenluft wird an zwei kombinierte Zu- und Abluft RLT- Anlagen geleitet. Die RLT- Anlagen verfügen über eine Wärmerückgewinnungsanlage, die als Kreislaufverbundsystem ausgeführt ist. Die Fortluft wird auf direktem Wege aus der Technikzentrale in die angrenzende Tiefgarage ausgeblasen.

Sämtliche anderen Räume werden natürlich gelüftet. Die Nutzer können über die Fenster eine individuelle Steuerung der natürlichen Lüftung vornehmen. Durch die Gebäudeautomationsanlage können die Zuluftklappen über Nacht geöffnet werden und somit eine Auskühlung der Büros bewirken.

Eine Übersicht der eingebauten raumlufttechnischen Anlagen ist im Bild 11 dargestellt.

In der Technikzentrale im Untergeschoss sind zwei kombinierte Zu- und Abluftgeräte aufgestellt:

Zu- und Abluftanlage 1: Sitzungssaal, Bistro und Küche 15 000 m³/h

Zu- und Abluftanlage 2: Nebenräume 12 000 m³/h

Die mit Gerüchen kontaminierte Abluft der Küche im Bistrobereich wird über einen Dachventilator abgeführt.

Die Zuluft wird über Kanäle aus der Technikzentrale geführt, und in die Zonen des UG und EG verteilt. Die Lüftungskanäle werden bereits in der Technikzentrale den einzelnen zu ver- bzw. entsorgenden Zonen zugeordnet. Die Luftkanal-Einbauteile wie Volumenstromregler, Nacherhitzer, Schalldämpfer, etc. sind in der Technikzentrale eingebaut.

Die Luftkühlung erfolgt in erster Linie durch den Erdkanal. Es ergibt sich außerdem die Option der Spitzenkühlung durch die als Kältemaschine betriebene Wärmepumpe. Diese Funktionsweise ist nur für Spitzenlasten und nicht für den Dauerbetrieb vorgesehen. Die Bauteilkühlung erfolgt nur durch das Geothermiepotential und nicht über die Kältemaschine.

Die Abluftführung aus den Räumen erfolgt entsprechend dem Zuluftverteilsystem.

Die Luftleitungen sind entsprechend den vorgegebenen Brand­ab­schnit­ten im Bereich der Technikzentrale mit Rauch- als auch thermisch auslösenden Brandschutzklappen der Klassifizierung F90 gesichert. Außerhalb der Technikzentrale sind Brandschutzklappen mit thermischer Auslösung vorgesehen. Die Brandschutzklappen sind überwiegend in der Brandwand (Technikzentrale) im Untergeschoss eingebaut.

Luftleitungen im Bereich der Tiefgarage sind als feuerbeständige Kanäle (Promat) Klassifizierung L90 eingebaut.

Die Tiefgarage im UG unterliegt der Garagenverordnung und wurde mit einer Abluftanlage (17 000 m³/h) ausgestattet. Die Luftnachströmung erfolgt über Schächte im Innenhof des Gebäudes.

Die Sanitärräume im Gebäude sind mit einer Abluftanlage (Dachventilatoren) ausgestattet. Die Luftnachströmung erfolgt über die Flure und die Treppenhauskerne.

Die Technikräume im Untergeschoss werden mit einem 1-fachen Luftwechsel versorgt. Die Zuluftmenge der Räume wird über Volumenstromregler konstant gehalten. Die Abluft wird durch ein Kanalsystem erfasst und zum zentralen Abluftgerät geführt. Anschließend wird die Fortluft in die Tiefgarage geblasen.

RLT-Anlage Sitzungssaal

Die Zuluftführung zum Sitzungssaal erfolgt aus der Technikzentrale im UG. Über feuerbeständige Luftkanäle, die durch die Tiefgarage verlaufen, wird der Sitzungssaal erschlossen. Die Zuluft wird in das Stufenpodest, welches die Sitzreihen im Saal aufnimmt geführt. Über Stufenluftauslässe strömt die Zuluft im Fußbereich als Quell-Luft in den Saal ein. Diese Quell-Luft wird über ein Nachheizregister so vorgewärmt, dass sie mit einer geringen Untertemperatur in den Raum gelangt. Die Raumheizung in diesen Bereichen erfolgt über statische Heizflächen.

Die Zuluft mit einer geringen Untertemperatur wird mit Luftgeschwindigkeiten von ca. 0,1 m/s zugfrei in den Raum eingebracht und breitet sich als Frischluftsee am Boden aus. Die Luft erwärmt sich an den Wärmequellen und steigt nach oben. Es entsteht eine Temperaturschichtung der Luft im Raum. Warme und verbrauchte Luft wird infolge der Dichteunterschiede unter der Decke erfasst und dort punktuell abgesaugt.

Natürliche Lüftung

Die Belüftung der Büroräume erfolgt durch Fensterlüftung über Fensterflügel und teilweise über Lüftungsklappen. Im Winter und der Übergangszeit kann mit dem Lüftungsflügel dosiert frische Luft eingebracht werden. Im Sommer wird durch Kippen des Fensterflügels ein optimaler natürlicher und hygienisch ausreichender Luftwechsel erzielt (Bild 12).

Mit minimalem investivem Aufwand wird dadurch ein akzeptabler Komfort in allen Gebäudeteilen erreicht. Der Standardbüroraum mit ca. 18 m² wird im Sommer lediglich durch passive Maßnahmen gekühlt. Essentiell ist eine Entwärmung der thermischen Massen durch Nachtluftspülung und teilweise Bauteilkühlung in den oberen Geschossen möglich.

Durch Einströmen von Luft über Zuluftklappen unterhalb der Fensterflügel werden nachts die Gebäudemassen abgekühlt. Die erwärmte Luft steigt auf und wird über kippbare Oberlichter in die Flure und von dort in die offenen Erschließungsbereiche abgeführt.

Fazit

Im vorgestellten Gebäude wurde ein integrales Energiekonzept umgesetzt, welches sowohl das Gebäude selbst (thermische Bauteilmassen), als auch vorhandene regenerative Energien nutzt, um mit minimaler Technikunterstützung einen thermischen Komfort sicherzustellen. Das Gebäude wurde im Frühjahr 2006 vom Nutzer übernommen. Seither sind alle geplanten Anlagensysteme in Betrieb und laufen reibungslos. Die vorab berechneten Wärme- und Kälteverbrauchswerte haben sich weitgehend bestätigt.

Im Allgemeinen kann festgestellt werden, dass ein Contractor die Wartung und Instandhaltung der Anlagen in der Regel aus eigenem Interesse in einem Maße übernimmt und durchführt, wie dies durch Nutzer solcher Gebäude nur sehr selten erfolgt. Der Contractor ist natürlich daran interessiert, einen möglichst wirtschaftlichen Betrieb zu erzielen und mit den vertraglich ausgehandelten Energiepreisen einen entsprechenden Gewinn zu erzielen. Seit der Inbetriebnahme des Gebäudes erfolgt durch Schreiber Ingenieure GmbH in Zusammenarbeit mit der Universität Stuttgart, IBBTE, eine Erfassung der Verbrauchsdaten und eine weitere Optimierung der Anlagen.

[1] Anforderungskatalog an die für das Energiekonzept relevanten Bauteile, Transsolar GmbH

[2] DIN EN ISO 7730 Ergonomie der thermischen Umgebung – Analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und des PPD-Indexes und Kriterien der lokalen thermischen Behaglichkeit