C-House beim Solar Decathlon China

Worum geht es im C-House und was macht es so besonders?

Das C-House setzt sich aus zwei modularen Bausteinen zusammen: Der Gebäudehülle und dem Gebäudekern. Die Hülle lässt sich flexibel gestalten und ist veränderbar. Sie umschließt den Kern, den „Core“, der alle technischen und notwendigen Versorgungsfunktionen bereitstellt. Hintergrund dieser Idee ist es, Konstruktionen und Fassaden unter Berücksichtigung lokaler und regionaler Einflüsse und Randbedingungen energetisch sinnvoll und klimatisch angepasst zu entwerfen. Im Gebäude wird dann der Kern als seriell vorgefertigtes Modul integriert. Auffällig im Entwurf ist die Symbiose zwischen Mobilität und Gebäude. Das emissionsfreie Elektroauto steht im Wettbewerbsbeitrag der TUBSEU im Wohnbereich. Solarenergie vom Gebäude wird zum Tanken (Beladen) genutzt, gleichzeitig kann die Batterie als mobiler Energiespeicher das Haus versorgen, sollte Bedarf bestehen.

Der Energiebedarf des Gebäudes wird im Wettbewerbsverfahren am Standort in Dezhou/ China mit seinem feucht-heißen Klima im Sommer wesentlich durch die notwendige Kühlung und Entfeuchtung bestimmt. Zusätzlich ist der Bedarf für den Haushaltsstrom und konzeptionell für die Beheizung zu decken. Um den Randbedingungen des örtlichen Klimas Rechnung zu tragen, wurde der Würfel als günstiges Verhältnis von Volumen zu Oberfläche im Entwurf umgesetzt. Die Süd- und Nordfassade ist verglast, um im Winter passiv solare Gewinne nutzen zu können. Zur Vermeidung sommerlicher Überhitzung sind die Fassaden mit außenliegenden Sonnenschutzlamellen verschattet. Die ost- und westorientierten Fassaden sowie das Dach werden als Flächen zur Energieerzeugung genutzt und integrieren großflächig Photovoltaik.

Das Innenraumkonzept wird dominiert durch den „Core“ , der durch seine Positionierung die Aufenthaltsbereiche differenziert und die Konditionierung der Räume mit Wärme und Kälte, sowie Frischluft ermöglicht. Die zentrale Funktion wird durch die auffällige Gestaltung unterstrichen. Der Kern integriert alle technischen Installationen. Gleichzeitig sind dort das WC und das Bad sowie die Küche mit allen Ver- und Entsorgungsleitungen installiert.

Auch die vertikale Erschließung ist als einläufige Treppe Teil des Kerns, so dass sämtliche für ein Gebäude notwendigen Infrastrukturen und Einrichtungen als vorgefertigte Elemente aufgebaut werden. Der Raum im Erdgeschoss entwickelt sich als Entwurfsthema fließend um den Kern herum, im Obergeschoss sind drei separate Räume und das Masterbad vorgesehen.

Technikinnovation „Core“

Die gesamte Versorgung und Raumkonditionierung erfolgt über den „Core“ genannten Technikkern. Dieser bildet das zentrale Element in der Gebäudemitte und integriert Wärme- und Kälteerzeugung, die thermische und elektrische Speicherung sowie das Lüftungssystem. Die Oberflächen des Kerns sind aktiviert und ermöglichen bedarfsabhängig das Heizen und Kühlen der angrenzenden Räume und Zonen. Durch die Konzentration von Wasser- und luftführende Leitungen auf den Kern, bleibt das Gebäude frei von technischer Infrastruktur.

Frische und gereinigte Luft wird dem Wohnbereich durch ein Lüftungsgerät mit Wärmerückgewinnung und zwei Filterstufen zur Verfügung gestellt. Die Auslässe befinden sich im Heiz- und Kühlsystem der Wände zum Wohnzimmer und den Schlafzimmern.

Elektroinstallationen und Grundbeleuchtung sind ebenfalls im und am Kern integriert. Konfiguriert und gesteuert wird alles internetbasiert und vernetzt über ein Tablet als Bedienelement. Der durch die Photovoltaik erzeugte Strom wird für den Gebäudebetrieb zum Kühlen und Entfeuchten sowie für den Haushaltsstrombedarf verwendet. Überschüsse aus der regenerativen Erzeugung werden in einer Batterie mit eine Kapazität von 10 kWh gespeichert.

Die Wärme- und Kältebereitstellung erfolgt durch eine Sole-/Wasser-Wärmepumpe, die mit einem Eisspeicher verbunden ist. Dieser dient als regenerative und zyklenfeste Quelle für die Wärmepumpe. Über einen Pufferspeicher wird das Heizungswasser im Winter bereitgestellt und der integrierte Trinkwarmwasserspeicher von der Wärmepumpe beladen.

Der Eisspeicher wird in den Sommermonaten bei solarer Einstrahlung abgekühlt und eingefroren. Er fasst ein Nettovolumen von ca. 2 m³ Wasser. Eingehängte Kapillarrohrmatten werden mit Sole durchströmt und ermögliche die vorgesehenen Phasenwechsel von fest und flüssig im Speicher. Das Kältepotential der latenten Wärme wird im Gebäude zur Kühlung und Entfeuchtung genutzt. Die Systemtemperaturen sind dabei so eingestellt, dass ein komplettes Durchfrieren des Eisspeichers verhindert wird. Die Funktion des Speichers wurde im Vorfeld im Laber des Instituts für Gebäude- und Solartechnik getestet. Für den Winterbetrieb dient das Volumen als konventioneller Pufferspeicher zur Reduzierung von Spitzenlasten und zur Erhöhung der Eigenstromnutzung aus der Photovoltaik.

Die Idee zur Aktivierung der Wände und Oberflächen des Technikkerns wird über Heiz- bzw. Kühlschächte umgesetzt. Im Kühlfall ist dieses System unter verschiedenen Bezeichnungen wie Gravitations- oder Schachtkühlung bekannt.

Im C-House ist das System in einem 10 cm starken Aufbau integriert. Zwischen den Ebenen hängen Kapillarrohrmatten, durch die kaltes Wasser aus dem Eisspeicher geleitet wird. Der Schacht verfügt über Öffnungen im oberen und eine im unteren Wandbereich. Durch die Nutzung der physikalischen Eigenschaften von Luft unterschiedlicher Temperaturniveaus wird eine Konvektion im Raum erzeugt. Das Prinzip ist ähnlich zu einer Wandkühlung, allerdings kann mit diesem System eine höhere Leistung übertragen werden, die von der Anzahl der integrierten Kapillarrohratten abhängig ist. Das System führt bei einer offenen oder perforierten Fläche zu einem höheren Komfortbefinden, da sich kein so explizierter „Kältesee“ bildet.

Das Konzept und die Wirkungsweise bzw. die Effektivität der Kühlschächte wurden in der Doppel-Klimakammer des IGS erprobt. Hierbei konnten diverse klimatische Bedingungen, sowie unterschiedliche interne Wärmelasten nachgestellt werden. Es wurde sowohl die Kühlleistung der Schächte im Zustand Zuluft von außen, als auch die natürliche und erzwungene Konvektion der Schächte im Umluftbetrieb getestet. Hierbei wurden vier Schächte aufgebaut und mit Sensoren ausgestattet, um die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit sowie die Luftgeschwindigkeit zu messen. Die thermische Behaglichkeit wird durch die Kombination von Strahlung und erzwungener Konvektion erzielt. Mit dem integrierten Übergabesystem kann sowohl der Sommer- als auch der Winterfall bedient werden, was für die Region nicht üblich ist und die Funktionen in einem Konzept vereint.

Modulares Bauen – Die Idee der seriellen Individualität

Nach wie vor ist das modulare Bauen in der Architektur ein aktuelles Thema. Das C-House setzt in dieser Beziehung neue Maßstäbe. Es ermöglicht eine serielle Vorfertigung bei einem Höchstmaß an Flexibilität und damit einhergehender Individualität. Der Gedanke die grundlegenden Ausstattungs- und Konditionierungsmerkmale an ein Wohngebäude in einem Kern zu konzentrieren ist an sich nicht neu, wurde jedoch beim C-House in sehr kompakter Form und in Kombination mit moderner Gebäudetechnik realisiert. Berücksichtigt ist dabei das Zusammenwirken von regenerativer Erzeugung, hoher Eigenstromnutzung aus Photovoltaik sowie thermischer und elektrischer Speicherung. In dem gerade einmal 3,00 m breiten 4,70 m langen und 5,20 m hohen „Core“ befindet sich neben der Küche und den Bädern die gesamte Gebäudetechnik des nachhaltigen, solar betriebenen Einfamilienhauses. Der „Core“ versorgt das Haus je nach Anforderung und könnte auch in Bestandsgebäude integriert werden. Gleichzeitig kann wie im C-House jede Gebäudehülle das Volumen umschließen, welche die Anforderungen an den jeweiligen Standort und an eine klimaangepasste Bauweise erfüllt. Das C-House zeigt damit, dass sich serielle Vorfertigung und ressourcenschonendes Bauen synergetisch ergänzen können. Der Kern kann voll ausgestattet zur Baustelle geliefert, innerhalb eines Tages aufgebaut und in Betrieb genommen werden. Alle Gewerke, wie Heizung, Kühlung, Lüftung, Sanitär- und Elektroversorgung sind im Vorfeld installiert und müssen lediglich Vorort an die Versorgungsleitungen angeschlossen werden. Dies wurde für den Solar Decathlon prototypisch umgesetzt. Mit der Vorfertigung des Kerns an der TU Braunschweig und einer Verschiffung in zwei Standard-40-Fuß-Schiffscontainern (Typ HT) nach China wird gezeigt, dass Aufbau und Lieferung zur Kostenoptimierung vorhandene und gut nutzbare Strukturen berücksichtigen.

Der Solar Decathlon mit seinem Anspruch an Innovation und zukunftsfähige Lösungen ist die richtige Plattform zum prototypischen Einsatz. Der Wettbewerbsbeitrag für Dezhou wurde so entworfen, dass neben der Gebäudetechnik sogar die gesamte Beleuchtung des Hauses vom Kern aus über „intelligent“ ausgerichtete Reflektorsegel funktioniert.

Der Wettbewerbsaufgabe entsprechend, versteht das Team TUBSEU das C-House als ein Demonstrationsgebäude. Die inhaltliche Verbindung von Kern und Hülle wird dadurch hergestellt, dass die Fassaden die Energieerzeugung übernehmen und maximal mit Photovoltaik dotiert sind. Sowohl die thermische Gebäudehülle, als auch die Tragstruktur können unabhängig und je nach Region und klimatischen Anforderungen angepasst werden. Das C-House schafft es so, kosteneffizient moderne Technik in Serie zu bringen und dabei dem Wunsch nach Individualität der Bewohner des Hauses entgegenzukommen.

Nachhaltigkeit durch Technik

Lange Zeit galt es als besonders nachhaltig, den Heizwärmebedarf durch den baulichen Wärmeschutz maximal zu reduzieren.

Mit gebäudeintegrierter Solarenergie lassen sich weitergehende Potentiale erschließen und unter Berücksichtigung einer ganzheitlichen Energiebilanz Gebäudebetrieb, Nutzerstrom und Mobilität adressieren. Ziel sind hohe solare Deckungsanteile, um aus Verbrauchern regenerative Erzeuger zu machen. Durch den Verzicht auf fossile Energieträger wird Strom aus erneuerbaren Energien zur einzigen Quelle mit der Konsequenz, dass alle Systeme im Gebäude daraufhin ausgerichtet sind. Idealer Weise produziert das Gebäude in der Jahresbilanz mehr Energie als benötigt wird und steht im vernetzten Austausch mit den öffentlichen Infrastrukturen.

Auch das C-House generiert mehr Strom als erforderlich. „Smart Home“-Technologien ermöglichen es den Energieverbrauch transparenter werden zu lassen, um somit zu einem bewussteren Umgang und damit niedrigerem Verbrauch zu führen. In herkömmlichen Gebäuden erhält der Nutzer in der Regel einmal jährlich eine Abrechnung für Wärme-, Wasser- und Stromverbrauch. Schwer nachvollziehbar wird da, welchen Einfluss die unterschiedlichen Funktionen auf den Verbrauch haben. Durch den Einbau verschiedener Messgeräte kann im C-House der Verbrauch exakt nachvollzogen werden. Der Bewohner kann aktiv seinen Verbrauch steuern. Ein Beispiel dafür ist der separate Duschwasserzähler, welcher der duschenden Person in Echtzeit mitteilt, wenn zu lange geduscht wird. Dies geschieht über die LED-Beleuchtung der Duschwand, die beim Überschreiten der empfohlenen Wassermenge von Grün zu Rot wechselt.

Das C-House ist ein Modellversuch, Gebäudetechnik nutzerorientiert zu integrieren. Mit dem „Core“ zeigt das Team TUBSEU, dass neue Lösungen denkbar sind. Wie ein „Plug-In“ könnte der „Core“ seriell vorfertigt und betriebsbereit auf die Baustellen geliefert werden. Dies würde sowohl den Planungsaufwand verringern, als auch den Bau der Gebäude erheblich beschleunigen und die Ausführung mit hoher Qualität ermöglichen. Gleichzeitig könnten qualitätsgesicherte Standards umgesetzt werden, die helfen, Fehlfunktionen zu vermeiden. Der Bauherr würde ein Gebäude nach neuestem Technologiestandard erhalten, welches kostengünstig produziert werden kann und dennoch frei in der Gestaltung des Wohnraums ist.

Interkultureller Austausch für Studenten

Eine Bauaufgabe und zwei Teams mit völlig verschiedenem gesellschaftlichen und kulturellem Hintergrund, das war die Herausforderung für Zusammenarbeit von chinesischen und deutschen Studenten und für nahezu alle Beteiligten neu. So musste gelernt werden, sich auf die kulturellen Unterschiede einzulassen und diese als Chance für den gemeinsamen Entwurf zu sehen. Die Studenten der TU Braunschweig, angehende Architekten, Bau-, Wirtschafts- und Umweltingenieure, reisten mehrfach nach Nanjing in China, um die Zusammengehörigkeit im Team zu stärken und gemeinsam an dem Projekt zu arbeiten.

In China wird auch heute noch sehr viel Wert auf traditionelle Bauweisen gelegt, und die Raumaufteilung in chinesischen Wohngebäuden folgt vorzugsweise den Regeln des Fengshui. Gemeinsam wurden diese traditionellen Regeln untersucht und auf ihre Relevanz für die heutige Zeit und die aktuelle Bauaufgabe geprüft. Dabei fiel auf, dass viele Richtlinien weniger spirituellen Ursprungs sind, als einfache pragmatische Anpassungen an die jeweiligen Umweltfaktoren und somit auch heute noch eine gute Grundlage für klimaangepasstes Bauen bilden. So orientiert sich auch das C-House mit seinen Glasfassaden am Verlauf der Sonne und nutzt die solaren Wärmegewinne zur Beheizung in den kalten Wintermonaten.

Abweichend zu den traditionellen Bauweisen in Deutschland und anderen Bereichen der Erde wird in China, nicht nur bedingt durch die hohe Erdbebengefahr, auf Stahl als Konstruktionsmaterial gesetzt. Die große Verfügbarkeit des Rohstoffes , die Recyclingfähigkeit und fehlende Alternativen machen den Einsatz attraktiv. Holz dagegen ist in weiten Teilen Chinas nur bedingt verfügbar. Meist können nur Bambuswälder als Rohstoffquelle erschlossen werden. Als Gerüstmaterial durchaus viel verwendet, stellt Bambus die Planer beim Bau von Gebäuden aufgrund der Verarbeitungsmöglichkeiten vor Herausforderungen. Daher wird in China, neben den Forschungen, Bambus als Baustoff einzusetzen, nach Ideen gesucht, die Verwendung von Stahl nachhaltiger zu gestalten. Die SEU entwickelte dazu eine modulare Bauweise aus Stahlträgern, bei dem das kleinste Teil von bereits einer Person getragen und montiert werden kann. Diese Einheiten lassen sich beliebig oft fügen und einsetzen, so dass die Stahlbauteile nach dem Rückbau ohne großen Aufwand wiederverwendet werden können. Dies klingt für deutsche Ingenieure unter Berücksichtigung des hohen Personalaufwands auf den Baustellen zunächst wenig wirtschaftlich. In China hingegen sind nicht die Lohnstückkosten entscheidend, sondern die Preise für Baumaterialien. Daher erscheint unter den gegenwärtigen Bedingungen das System als wirtschaftlich und nachhaltig. Die Praxistauglichkeit dieser Art des Stahlbaus wurde als Lösung für das C-House auf dem Ausstellungsgelände in Dezhou erprobt. Der „Core“, der in Braunschweig entwickelt, gebaut und anschließend nach China verschifft wurde, besteht dagegen aus CLT-Platten (Cross-Laminated Timber). Nur so konnte die Zerlegbarkeit bei gleichzeitiger Anforderung an Robustheit und Stabilität in vier Teile zum Transport im Schiffscontainer statisch überzeugend bewältigt werden.

Die unterschiedliche Herangehensweise, innovative Entwurfs- und Bauaufgaben zu entwickeln, zu projektieren und zu realisieren, machte für die Studenten aus Braunschweig, durch die Teilnahme am Solar Decathlon, interdisziplinäres und interkulturelles Arbeiten im Team zum einem bleibendem Mehrwert.

Wettbewerbserfolg – 3. Platz

Am 17. August 2018 wurden nach der zweieinhalbwöchigen Wettbewerbsphase in einer Abschlusszeremonie die ersten drei Plätze verkündet. Das Team TUBSEU konnte Platz 3 erreichen und ist daher sehr stolz auf seine Teilnahme und den damit verbundenen Erfolg. Besonders das klare Konzept, der hohe technische Innovationsanteil und die architektonische Qualität haben die Jury überzeugt. Nach zwei Jahren Arbeit und dreieinhalb Wochen intensiver Aufbauphase auf dem Wettbewerbsgelände, unter extremen klimatisch Bedingungen, hat sich der Einsatz gelohnt und das Team der TU Braunschweig konnte mehr als zufrieden wieder zurück nach Deutschland reisen.