Bürogebäude mit Erdspeicher

Planung für minimalen Energieverbrauch

Ein nachhaltiges Bauwerk kann nur entstehen, wenn das gesamte Gebäude als System betrachtet wird und alle energierelevanten Komponenten aufeinander abgestimmt sind: Gebäudegeometrie und -ausrichtung, Fassade, Energiequellen, Heizung, Kühlung, Lüftung, Betriebsstrom, Beleuchtung. Bei einem Gebäude, das von der Sonne „lebt“, müssen vor allem die Gebäudehülle – die „Energiesammlerin“ – und die Gebäudetechnik aus einem Guss geplant werden. Das Architektenteam von Stücheli Architekten und die Fachplaner von Basler & Hofmann arbeiteten dafür eng zusammen: Es entstand ein kompakter, minimal gehaltener Gebäudekörper, der mit einer Holz-Modulfassade verkleidet ist. Über ihn legt sich eine aufgefaltete äussere Haut. Sie integriert sämtliche solartechnischen Elemente der Fassade und orientiert diese optimal zur Sonne. Das Gebäude wird bilanztechnisch zum Kraftwerk und produziert den Strombedarf für Gebäudetechnik und Beleuchtung selbst.

Gebäudehülle als Energielieferant

Dach und Fassade dienen beim Geschäftshaus in Esslingen als der zentrale Energielieferant. Die Hauptfassade des Gebäudes ist nach Süden orientiert und als Doppelfassade konzipiert. Vor der hoch gedämmten inneren Holzelementfassade spannt sich eine Hülle aus Solarzellen und transparenten Vorverglasungen im Bereich der Fenster. 296 m² Photovoltaik-Panels, die in Fassade und Dach integriert sind, sollten als Solarkraftwerk mit 43,9 kW_p ausreichend Strom für Gebäudetechnik und Beleuchtung produzieren. Die Doppelfassade ist hinterlüftet und auf der Stirnseite mit vertikalen Öffnungen versehen – damit wird der Wirkungsgrad der Photovoltaik-Module erhöht und eine Überhitzung des Fassadenzwischenraums verhindert. Ein weiteres zentrales Element des Energiekonzepts sind die Solarkollektoren, die auf einer Fläche von 96 m² auf dem nach Süden ausgerichteten Dach angebracht sind. Sie liefern die gesamte Energie, die für Heizung und Warmwasser benötigt wird. Das Kollektorfeld ist so ausgerichtet, dass in den Wintermonaten mit niedrigem Sonnenstand ein Maximum an Sonnenenergie eingefangen wird.

Neuartiges Heizkonzept: Sonnenwärme aus dem Erdreich

Bei modernen Bürogebäuden übertrifft die Kühllast die Heizlast deutlich. Dies ist auch beim Bürogebäude in Esslingen der Fall. Dennoch ist es das Heizsystem, mit dem das Bauwerk eine Vorreiterrolle bei der nachhaltigen Energieversorgung von Gebäuden einzunehmen verspricht: Im Sommer wird die Sonnenenergie dazu genutzt, in Solarkollektoren Wasser zu erwärmen. Das warme Wasser wird in 35 m tief reichende Erdwärmesonden geleitet, die die Wärme an den Untergrund abgeben. 33 Sonden mit den Durchmesser DN 40 und DN 50 sind in drei konzentrischen Kreisen angeordnet. Die oberen 5 m der Sonden wurden isoliert, da sie sonst von eventuell auftretendem Hangwasser abgekühlt werden könnten. Nur der innere und der mittlere Sondenkreis werden mit dem sonnengewärmten Wasser beladen, um die Energie im Zentrum des Speichers zu konzentrieren und den Energieabfluss im Erdreich so gering wie möglich zu halten. Im Lauf des Sommers erwärmt sich das Erdreich unter dem Gebäude und steht im Winter als grosses Wärmereservoir zur Verfügung. Wasser als Heizmedium wird dann durch die Erdsonden hindurch direkt ins Heizungssystem geleitet. Die Temperatur muss also nicht – wie bei konventionellen Erdsonden-Wärmepumpen oder auch bei Anergiespeichern üblich – erst mit einer Wärmepumpe auf das gewünschte Niveau angehoben werden. Das Heizsystem wird zuerst aus den äußeren Erdsonden mit Warmwasser versorgt. Erst wenn das Wasser aus den äußeren Sonden die nötige Vorlauftemperatur unterschreitet, „zapft“ das System die inneren Sonden an. Reicht die Sonnenstrahlung im Winter aus, kann das erwärmte Wasser aus den Sonnenkollektoren auch direkt in das Heizsystem eingespeist werden.

Rund fünf Jahre dauert es gemäß den Berechnungen des SUPSI (Scuola Universitaria Professionale della Svizerra Italiana) bis der Erdspeicher erstmals vollständig geladen ist. Dann sollte das Erdreich im inneren Kreis des Erdsondenfelds im Sommer eine Temperatur von rund 35 °C erreicht haben. Wegen der langen Ladezeit wurde bereits die Bauzeit zum Aufheizen genutzt: Sobald die Erdsonden im Boden waren, wurden die Solarkollektoren einstweilig auf einem benachbarten Dach installiert. In den ersten Jahren nach Bezug des Gebäudes wird eine Wärmepumpe zur Heizungsunterstützung eingesetzt. Sie soll später außer Betrieb genommen werden.

„Free Heating“ und „Cooling“

Während herkömmliche Heizsysteme eine Vorlauftemperatur von 35 bis 50 °C benötigen, genügt dem System im neuen Ge­schäftshaus eine maximale Vorlauftemperatur von 26 °C bei einer Außentemperatur von -10 °C (Aus­legung). Die Vorlauftempera­tur der Wärmeverteilung wird an­hand der Außentemperatur geführt. Dank der niedrigen Vor­lauf­temperatur kann das vom Erd­spei­cher vorgewärmte Wasser ohne Wärmepumpe direkt in das Heiz­system eingespeist wer­den.

Das Heizwasser gelangt über Brüstungsklimageräte in die Büros. Sie verlaufen entlang der Fensterfronten und die­nen sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen. Das Wasser zir­kuliert durch einen Hochleis­tungs­wärmetauscher – im Winter mit einer Temperatur von maximal 26 °C, im Sommer von 20 °C. Ein kleiner Ventilator im Brüstungsklimagerät verteilt die aufgewärmte oder gekühlte Luft im Raum und aktiviert durch die Luftströmung die Masse der Sichtbetondecke. Die Klimageräte halten die Raumtemperatur im Winter über 21 °C und im Sommer unter 26 °C.

Das Kühlwasser wird über einen adiabatischen Rückkühler erzeugt, über den Außenluft geleitet wird: Auf seinen Rohren wird Wasser aus dem öffentlichen Netz versprüht. Auf eine Regenwassernutzung musste leider verzichtet werden, da sie sich als nicht wirtschaftlich erwies. Der Verdunstungsprozess kühlt das Kühlwasser auf 20 °C ab. Während konventionelle Kühlsysteme eine Vorlauftemperatur von 8 bis 12 °C benötigen und das Kühlwasser im Raum dann wieder auf 12 bis 18°C erwärmen, kommt das neue System ohne diesen energieaufwendigen Temperatursprung aus. Allerdings hängt die Kühlleistung des adiabaten Rückkühlers stark von den Eigenschaften der Außenluft ab: Bei einer zu hohen relativen Luftfeuchtigkeit fällt die Leistung des Rückkühlers auf praktisch Null ab. Um die Server kontinuierlich kühlen zu können, wird dann die Wärmepumpe, die in Serie zum Rückkühler geschaltet ist, als Kältemaschine genutzt.

Im Winter heizt der Server mit

Die Server sind in geschlossene Server-Racks eingebaut. Damit können sie in die Gebäudetechnik eingebunden und ihre Abwärme direkt nutzbar gemacht werden. Die Server-Racks werden im Sommer mit dem Rücklauf des Kühlwassers und im Winter mit dem Rücklauf des Heizungswassers mit einer Temperatur von maximal 26 °C durchflossen. Die Serverabwärme erwärmt das Wasser um bis zu 2 K. Das Wasser wird im Winter in das Heizsystem eingespeist und zur Vorwärmung des Rücklaufs genutzt.

Energieeffiziente Lüftung

Das Lüftungssystem ist so ausgelegt, dass es mit möglichst wenigen Lüftungskanälen auskommt. Damit kann die Energie, die nötig ist, um die Luft im Gebäude umzuwälzen, deutlich reduziert werden. Frischluft wird zentral über eine Quelllüftung in die Korridore eingespeist. Von den Korridoren gelangt sie über passive Überstromlüfter, die im Sockelbereich der Bürotrennwände integriert sind, in die Büros. Aktive Überströmlüfter unter der Decke saugen die „verbrauchte“ Luft zurück in den Korridor. Die Luftaufbereitung wird bedarfsgerecht zentral über CO₂-Sensoren gesteuert.

Messungen im ersten Betriebsjahr

Gerade bei einem innovativen Energiekonzept soll überprüft werden, ob die berechneten Verbrauchsdaten den tatsächlichen Verbrauch abbilden. Erst mit kontinuierlichen Messungen ist eine fortlaufende Betriebsoptimierung möglich. Nicht zuletzt liefern die Messwerte wichtige Erkenntnisse für zukünftige Projekte. Das Gebäude wurde nach dem Grundsatz entwickelt, mit möglichst wenig Technik und damit mit möglichst geringem Energieverbrauch den Komfort eines zeitgemäßen Bürogebäudes zu bieten. Diesem Low tech-Ansatz folgte auch das Messkonzept: Es wurde versucht, die Messeinrichtungen, die einen hohen Druckverlust verursachen, auf ein absolutes Minimum zu reduzieren. Folgende Werte werden ermittelt:

Die Messdaten werden durch die Gebäudeautomation aufgezeichnet.

Die ersten Mieter zogen im September 2010 in den Neubau ein. Die nachfolgende Auswertung basiert auf der Messperiode Juli 2010 bis April 2011. Die Messdaten wurden auf zwölf Monate hochgerechnet.

Nutzer mögen’s wärmer

Der gemessene Gesamtenergiebedarf des Gebäudes inklusive Serverversorgung liegt bei 54,1 kWh/m²a und damit 12 % höher als prognostiziert. Vor allem beim Heizenergieverbrauch lieferten die Berechnungen zu optimistische Werte: Die Planer gingen von einem spezifischen Heizenergiebedarf von 8,9 kWh/m² aus, der tatsächliche Bedarf lag jedoch bei 10,9 kWh/m². Dafür gibt es zwei wesentliche Gründe: Das Gebäude war im ersten Jahr nur zu 50 % belegt, damit fielen deutlich geringere interne Lasten an. Hinzu kam, dass den Nutzern die angenommene Komforttemperatur von 21 °C im Winter zu niedrig war. Tatsächlich wurden die Räume auf 23 °C geheizt. Bei den übrigen Energieverbrauchswerten gab es dagegen keine Überraschungen (Tabelle 1 Energieverbrauch).

Erfahrungen mit dem Erdspeicher

Bei der Planung war klar, dass der Erdspeicher einige Jahre benötigt, um vollständig geladen zu werden und direkt ins Heizsystem einspeisen zu können. Bis dahin wird eine Wärmepumpe benötigt. Man ging davon aus, dass der Erdspeicher zu Beginn der ersten Heizperiode im inneren Bereich auf 28 °C aufgeheizt sein sollte. Tatsächlich lag die Temperatur im Innern des Speichers im Oktober 2010 bei 23 °C. Die benötigte Vorlauftemperatur des Heizsystems liegt je nach Außentemperatur zwischen 21 und 26 °C. Es konnte also in der ersten Heizperiode nicht direkt aus dem Erdspeicher geheizt werden. Die Solarkollektoren lieferten über den gesamten Messzeitraum 51 000 kWh Sonnenenergie. Davon konnten rund 5600 kWh direkt ins Heizsystem eingespeist werden. Die weitere „Solarernte“ von 45 400 kWh wurde ins Erdreich eingelagert. Das vorgewärmte Erdreich sorgte für eine hoch effizienten Wärmepumpenbetrieb: Vom Heizenergiebedarf von rund 28 500 kWh konnten wie bereits erwähnt 5600 kWh durch direkte Sonnenenergienutzung gedeckt werden, die verbleibenden rund 22 900 kWh erzeugte die vierstufige Wärmepumpe aus 4200 kWh. Daraus resultiert eine sehr gute Jahresarbeitszahl von 5,45. Am Ende der Heizperiode lag die Temperatur im Erdspeicher bei 13 °C.

Optimierung des Erdspeichers

Mit den Erfahrungen des ersten Betriebsjahres konnte das Zusammenspiel zwischen Solaranlage und Erdspeicher optimiert werden: So kann mit drehzahlregulierter Steuerung der Umwälzpumpe die Laufzeit der Anlage verlängert und so mehr Energie gewonnen werden. Es ist jedoch darauf zu achten, dass die Vorlauftemperatur der Solaranlage tief bleibt bei gleichzeitig hoher Temperaturspreizung von Vor- und Rücklauf.

Mehrere schwer zu kalkulierende Faktoren beeinflussen die Temperatur im Erdspeicher: Die Sonneneinstrahlung und ihre zeitliche Verteilung, die Außentemperaturen im Winter sowie das Wärmebedürfnis der Nutzer. Ein wesentlicher Faktor, der zu einer stärkeren Abkühlung als erwartet führte, war das häufig auftretende Hangwasser im Bereich des Erdspeichers. Im ersten Betriebsjahr musste das alkalische Sickerwasser zudem zur Aufbereitung abgepumpt werden, bevor es in den Vorfluter eingeleitet werden konnte. Sobald diese Wärmeabfuhr gestoppt werden kann, sollte sich der Erdspeicher über den Fünfjahres-Zeitraum wie erwartet „füllen“.

Strom: Ertrag und Verbrauch

Dank der zahlreichen Sonnentag im Sommer 2010 und vor allem im Frühjahr 2011 konnte mit 43 500 kWh rund 26 % mehr elektrische Energie erzeugt werden als angenommen. Die Gebäudetechnik (Heizung, Lüftung, Kühlung, Brauchwarmwasser) benötigte rund 22 350 kWh elektrische Energie. Die restliche Energie deckt zum Teil den Bedarf für die Beleuchtung und den Betrieb der Bürogeräte. Die Planer gehen davon aus, dass sie durch eine Feinjustierung der Beleuchtung den Energieverbrauch im Folgejahr nochmals reduzieren können.

Angenehme Temperaturen – auch an Hitzetagen

Der Komfort im neuen Geschäftshaus ist sehr hoch und die Zufriedenheit der Nutzer hoch: Selbst an Hitzetagen mit Außentemperaturen von 33 °C stiegen die Temperaturen im Inneren nicht über 26 °C. Dazu tragen die große Gebäudemasse, der hochwertige Sonnenschutz sowie die Nachtauskühlung wesentlich bei. Im Sommer 2011 zeigte sich, dass der adiabatische Rückkühler für die Serverkühlung an einigen wenigen Tagen mit hoher Luftfeuchtigkeit nicht ausreichte. Hier musste die Wärmepumpe als Kältemaschine einspringen. Auch das Lüftungskonzept geht auf: Die CO₂-Konzentration in den Räumen wurde gemessen und lag auf einem komfortablen Niveau.

Auf dem richtigen Weg

Das Gebäude kommt mit einem sehr niedrigen Gesamtenergiebedarf von 54,1 kWh/m²a aus (inklusive Bürogeräte und Serverbetrieb) und erfüllt damit die Erwartungen der Planer für das erste Betriebsjahr unter den beschriebenen Rahmenbedingungen. Der Erdspeicher arbeitet mit einem Wirkungsgrad von 18 % – für ein solches System ein guter Wert, der mit weiteren Optimierungen auf bis zu 20 %, allenfalls sogar 25 % angehoben werden soll. Entscheidend hierfür ist, dass der Energieverlust durch Hangwasser reduziert wird.

Die Bilanz wird sich in den Fol­ge­jahren nochmals deutlich ver­bes­sern, wenn das Gebäude voll­stän­dig belegt ist und der Erd­spei­cher weiter „aufgetankt“ ist.

Den Anspruch auf Energieautarkie erfüllt das Gebäude (noch) nicht ganz. Es beweist aber schon heute, dass bei einer integralen Planung Ästhetik, Komfort und Energieeffizienz selbstverständlich zusammengehören.