Bauen für die nachfossile Ära

1987 definierte die Brundtland-Kommission eine Entwicklung als nachhaltig, wenn sie den Bedürfnissen der heutigen Generationen entspricht, ohne die Möglichkeit künftiger Generationen zu gefährden, ihre eigenen Bedürfnisse zu befriedigen.

Nachhaltige Entwicklung steht somit auf drei Säulen: Ökologie, Ökonomie und Soziales, von denen derzeit die ökologische Dimension vor dem sich abzeichnenden Klimawandel und den immer knapper werdenden fossilen Ressourcen den breitesten Raum in der öffentlichen Diskussion einnimmt.

Mit der notwendigen Umstellung von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energien – insbesondere die Nutzung des Umweltangebots am jeweiligen Standort eines Projekts – geht die notwendige Reduzierung des CO₂-Ausstoßes einher, will man dem Klimawandel entgegenwirken. Eine Simulation des CO₂-Effekts und die damit einhergehenden Temperaturveränderungen ist im Diagramm ausgewiesen, weiterhin ausgewiesen sind Technologien, die dazu beitragen, die CO₂-Emissionen durch modernste technologische Anlagen zu reduzieren (Bilder 1 /2/3).

Gebäude und Gebäudehüllen

Die Reduzierung des Energieverbrauchs bei Gebäuden hängt in erster Linie damit zusammen, Gebäude so zu konzipieren, dass deren Hüllflächen massiv dazu beitragen, den Energieverbrauch zu senken. Hierbei spielen sowohl Fassadenstrukturen als auch Gebäudekonzeptionen eine Rolle, die über ein äußeres Zwischenklima (Wintergarteneffekte) in der Lage sind, den Verbrauch an Wärmeenergie, Kälteenergie und elektrischer Energie zu senken. Dabei notwendig ist es, dass sich die Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Werte) im Fensterbereich anpassen können, gleichermaßen die Gesamtenergiedurchlassgrade („total solar energy transmission coefficient“). Hierbei spielt selbstverständlich auch eine Rolle, welche Größenordnungen verglaste Flächen an Gebäudehüllen einnehmen.

Aufgrund der vor beschriebenen Notwendigkeiten ist es angesagt, den Fensteranteil auf ein vernünftiges Maß, d.h. < 50 %, bezogen auf die Gebäudehüllen, zu reduzieren, auf der anderen Seite jedoch einen ausreichend hohen Tageslichteintrag zu erreichen. Die Entwicklung der entsprechenden technischen Kennwerte über viele Jahre ist in Tabelle 1 ausgewiesen. Bild 4 zeigt verschiedene gesetzliche Vorgaben des Jahres 2008 in Bezug auf den Primärenergiebedarf zur Beheizung bzw. elektrischen Versorgung von Gebäuden in Europa.

Bei der Entwicklung von Gebäuden sind zudem die Lebenszykluskosten („life cycle costs“) zu berücksichtigen wie gleichermaßen die Auswirkungen des Wärmeenergiebedarfs bzw. der Kühllasten bei unterschiedlichen Gebäudeformen und Höhenentwicklungen. Zukünftige Gebäude sollten möglichst kompakt sein und sich mit ihren Hauptfassaden so ausrichten, dass sie in kühleren Regionen der Welt einen höchstmöglichen Solareintrag erreichen (passive solare Winterbeheizung).

Je nach Himmelsausrichtung und Fassadenneigungen (vertikal bis horizontal) ergeben sich unterschiedliche Solarerträge, die bei der direk­ten Nutzung von Solarenergie (photothermisch oder photoelektrisch) eine Rolle spielen.

Neben einem hervorragenden, notwendigen winterlichen und som­mer­lichen Wärmeschutz spielt bei der Entwicklung von Gebäuden auch die Möglichkeit der natürlichen Belüftung (Abschaltung von Klimaanlagen) eine deutliche Rolle. Insofern muss bei der Konzipierung von Gebäuden berücksichtigt werden, welche windinduzierten Druckfelder an den Gebäuden entstehen. Bei geöffneten Fenstern tragen die Druckunterschiede in erheblichem Maß zur natürlichen Durchlüftung des Gebäudeinneren bei und erlauben bei moderaten Außentemperaturen in verschiedensten Regionen der Welt eine natürliche Belüftung.

Fassaden müssen in der Lage sein, sich ähnlich zu verhalten wie der Mensch während der unterschiedlichen Jahreszeiten. Im Winter müssen sie sich schließen und eine gute Wärmedämmung besitzen, um Wärmeverluste zu vermeiden. Im Sommer müssen sich Fassaden „leicht kleiden“, um Wärmeenergie aus dem Inneren insbesondere während der Nacht austreten zu lassen und das Gebäude bei niedrigen Außentemperaturen (< 20 °C) während der Nacht auszukühlen. In der Übergangszeit sollten Fassaden in der Lage sein, das Gebäude auf natürliche Weise zu durchlüften, um Schad- und Geruchstoffe sowie Wärmeenergie auszutragen.  Um zu einer polyvalenten Wandstruktur zu kommen, die sich höchstvariabel während des gesamten Jahres verhält, wird es u. U. notwendig – insbesondere bei Hochhäusern – eine zweischalige Struktur aufzubauen, die in der Lage ist, neben einem optimalen Wärmeschutz auch eine Druckreduzierung an der inneren Fassadenfläche zu erreichen, um die natürliche Durchlüftung zu unterstützen.

Hierbei sind nicht unbedingt tiefe zweischalige Fassaden notwendig, sondern gut konzipierte Kastenfensterlösungen erreichen gleichermaßen die notwendigen Funktionen.

Technische Lösungen in Projekten

Beim „ICADE tower“ in Berlin (Bild 5) – einem fiktiven Projektentwurf für ein ca. 100 m hohes Hochhaus – ging es darum, eine optimale Fassade zu entwickeln, die zum Teil in der Lage ist, Solarenergie (photo­elektrisch) und Windenergie zu nutzen. Das Gebäude soll multifunk­tional verschiedene Nutzungsbereiche wie Büros, Wohnungen und ein Hotel aufnehmen können, und insofern wurde eine Fassadenstruktur entwickelt, die sich verändern lässt und die beispielhaft für die verschiedensten Nutzungsbereiche beschrieben ist.

Einerseits wurde der Energieverbrauch durch die Fassade massiv reduziert (Reduzierung von Wärmeverlusten und Kühllasten), andererseits wurden alle Möglichkeiten der Nutzung von natürlichen Ressourcen ausgeschöpft (Bild 6). Ein Thermolabyrinth kühlt im Sommer die zuzuführende Außenluft ab bzw. erwärmt diese im Winter. Grundwasser steht zur Kühlung (Sekundärkühlung) durch Kühldecken zur Verfügung. Elektrische Energie wird durch Photovoltaikelemente (Dickschichttechnik) und durch einen Windgenerator erzeugt. Bei diesem Gebäude war es möglich, den jährlichen Energiebedarf zu 62 % aus erneuerbarer Energie zu decken, was bei Hochhäusern einem Maximum entsprechen dürfte.

Wie bereits eingangs beschrieben kann durch die äußere Umhüllung von Gebäuden durch eine leichte Fassade ein Wintergarteneffekt erreicht werden, d.h. es baut sich ein mediterranes Binnenklima um die inneren Gebäudestrukturen auf.

Die Hauptverwaltung der dvg (Datenverarbeitungsgesellschaft) in Hannover (heute FinanzIT GmbH) ist ein entsprechendes Beispiel (Bild 7). Weitergeführt wurde das Konzept beim Projekt Mont-Cenis (Bild 8), bei dem in einer großen Glasbox zwei Gebäudestrukturen eingestellt sind. Während des Winters, d.h. bei Außentemperaturen von minimal -12 °C, stellt sich in der Innenhalle ein quasi Außenklima ein, das fast immer über 0 °C liegt. Die inneren Gebäude werden im Wesentlichen mit elektrischer Energie durch ein großes Photovoltaikdach versorgt. Bei geringem Sonnenschein und tiefen Temperaturen wird zusätzlich ein Blockheizkraftwerk eingesetzt, um sowohl Wärmeenergie als auch elektrische Energie bereitzustellen. Dieses Blockheizkraftwerk wird primär über Grubengas betrieben, d.h. Gas, das aus einer ehemaligen, unter dem Gebäude liegenden Zeche gewonnen wird.

Bei Wohngebäuden haben die Architekten Baumschlager-Eberle in Lochau (Bild 9) durch verschiedene passive Dämmelemente – verfahrbar – den Wärmeenergiebedarf deutlich unter die Normen gesenkt, wobei hier die Projekte „Wohnen am Lohbach“ und „Wohnanlage Eichgut“ beispielhaft gezeigt werden. Während die eigentliche Verglasung der Fensterelemente einen U-Wert von 0,7 W/m²K besitzt, werden in den Abend- und Nachstunden zu kalten Jahreszeiten äußere Wärmedämmelemente so verfahren, dass ein Gesamt-U-Wert im Fensterbereich von ca. 0,3 W/m²K und in den Wandbereichen ein Gesamt-U-Wert von < 0,2 W/m²K besteht.

Beim Schulgebäude Mäder (Bild 10) wird die zusätzliche Wärmedämmung in der Außenhaut (zweischalig) durch Glaselemente erreicht, so dass ein Gesamt-U-Wert im Fassadenbereich (transparent) um ca. 0,5 W/m²K entsteht. Infolge dessen, dass das Gebäude einmal sehr kompakt ausgebildet wurde und zudem einen inneren Lichthof besitzt, der wiederum zusätzlich passiv Solarenergie nutzt, wurde auch hier ein absolutes Minimum an Wärmeenergiebedarf bei gleichzeitig hervorragender Tagesbelichtung erreicht.

Ein weiteres beispielhaftes Gebäude ist das unter einem Park liegende Hochschulgebäude der „Ewha Womans University“ in Seoul (Bild 11). Der Architekt Dominique Perrault hat ursprünglich das Gebäude unter die Erde verlegt, um möglichst viel Parkfläche im Campusgelände zu erhalten. Insofern besitzt das Gebäude eine Fassade gegen das Erdreich sowie eine Fassade gegen die Erschließungsstraße, die durch das Gebäude hindurchgeführt wird. Die Fassade gegen das Erdreich wurde von uns als Thermolabyrinth ausgebildet, um den Wärmeenergiebedarf und den Kühlenergiebedarf zu senken. Gleichzeitig genutzt werden anfallende Grundwässer, die ebenfalls zur Kühlung herangezogen werden. Gegenüber einer konventionellen Planung konnte der Primärenergieeinsatz zur Heizung und Kühlung massiv gesenkt werden.

Fazit

Wie alle Gebäude zeigen, kommt es nicht nur darauf an, einen hervorragenden winterlichen Wärmeschutz in kalten Regionen der Welt zu erzielen, sondern vor allem darauf, dass Fassaden variabel reagieren können. Insofern ist es notwendig, U-Wert und g-Wert in weiten Bereichen variieren zu können, um eine langfristige natürliche Belüftung bei moderaten Außenbedingungen zu erreichen. Die passiven Maßnahmen im Fassadenbereich können zurzeit oder auch zu einem späteren Zeitpunkt sinnvoller Weise ergänzt werden durch den Einsatz von Technologien, die erneuerbare Energien gewinnen und damit das Gebäude betreiben.