Das „inHaus2“ in Duisburg

Deutschland verbraucht 40 % seiner Endenergie für das Wohlbefinden seiner Bürger in Gebäuden. Hier besteht, wie Fachleute seit längerem Wissen, ein großes Einsparpotential. Dass die Einsparung von Energie nicht zugleich zu einer Verminderung von Raumkomfort und Wohlbehagen führt, daran arbeiten Forscher der Fraunhofer-Institute. Sie wollen beides zusammenbringen – Raumkomfort und Energieeffizienz. Als praxisnahe Forschungsplattform wurde dafür im November 2008 das „inHaus2“ als Innovationswerkstatt für Technologie, Produkte und Anwendungen in Nutzimmobilien eingeweiht. Ziel der Einrichtung ist es, eine höhere Effizienz im Planen, Umsetzen und Betreiben von Nichtwohnungsbauten zu erreichen. Dazu lässt sich im Gebäude unter Realbedingungen testen, was bald schon Standard des Bauens sein könnte. Ein herausragendes Merkmal im Energiekonzept des neuen Zentrums ist der Einsatz effizienter und innovativer Technologien zur Kühlung, Heizung und Lüftung des Gebäudes. Deren Betrieb wird vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE analysiert und bewertet.

Vom Lebenszyklusdenken im Bausektor

Nach wir vor fehlt die durchgängige Information im Bausektor. Viele Daten die im Planungsprozess zusammengetragen werden, sind bis zur Betriebsphase vergessen, verloren oder nur unvollständig dokumentiert. So lässt sich die Wechselwirkung zwischen Investitions- und Betriebskosten immer noch sehr schwer in allen Details ermitteln. Hier sollen Projekte unter dem Stichwort „Gebäude meets Informationstechnik“ mehr Aufschluss geben. Dabei sollen auch die immer wichtiger werdenden Bautätigkeiten Umbau und Sanierung berücksichtigt werden. Informationstechnik bedeutet nicht nur die Weitergabe von Eigenschaften der verwendeten Baustoffe, Bauteile und technischen Aggregate, sondern auch eine ständige Optimierung im Betrieb und eine bedarfsorientierte Wartung und Instandhaltung. Hier soll das „inHaus“-Zentrum mehr Klarheit und Transparenz ins Dunkel des Alltags bringen und zeigen wie Abläufe im Bauprozess weiter verbessert werden können. Unterschiedliche Nutzungsbereiche wie Büro- und Seminarräume, Konferenzbereiche sowie Labor- und Forschungsflächen werden bei der Integration innovativer und effizienter Heizungs-, Kühlungs- und Lüftungstechnologien berücksichtigt. Eine optimierte Betriebsweise und Regelstrategien stimmen die einzelnen Technologien der Gebäudeversorgungstechnik aufeinander ab. Insgesamt werden im inHaus-Zentrum zukünftig sechs Bereiche bearbeitet:

Wohnen,

Planen und Bauen,

Gebäudebetrieb & FM,

Health & Care,

Hotel und Veranstaltungen,

Office und Service.

Information von Anfang an

Nicht nur in der Planung, auch auf der Baustelle des Forschungsgebäudes „inHaus 2“ wurden alle Baufortschritte präzise festgehalten und dokumentiert. Dazu wurde die Baustelle mit kabellosen Netzwerken (Fabrikat Lancom) ausgestattet, die u.a. drei Kameras verbunden hat, so dass zu jeder Zeit ein aktueller optischer Einblick in den Baufortschritt möglich war [1]. Zugleich konnten die Projektbeteiligten über WLAN-fähige Geräte rasch auf zentrale Daten und das Internet zugreifen. Zur Materialüberwachung wurde RFID-Technik (Radio Frequency Identification) eingesetzt. Damit konnte dokumentiert werden, welche Bauteile bereits auf der Baustelle waren.

Zum Beispiel wurde auf der Baustelle schnell verdichtender Beton verwendet. Mit dem Beton werden RFID-Sensoren vergossen, mit denen die Funktion der thermischen Bauteilaktivierung überwacht werden kann (kabellose Temperaturmessung in unterschiedlichen Tiefen),. Zudem haben die RFID-Sensoren keine Batterie, und damit eine theoretisch unbegrenzte Lebensdauer, dass sie auch in den nächsten Jahre während des Betriebs des Gebäudes Daten aus dem Inneren der Decke liefern. Doch die RFID-Chips können noch weitere Aufgaben erfüllen. So liefern sie, in Fassaden integriert, exakte bauphysikalische Daten, die dann im späteren Betriebsprozess Hinweise über mögliche Schäden liefern. Möglich ist z. B. die Überwachung des Drucks in sog. Vakuum-Isolierpanelen, an Feuchte- und Korrisionssensoren für Betonarmierungen wird gearbeitet.

Die integrierte Betrachtung aller Wärme-, Licht- und Lüftungsparameter erlaubt eine optimal angepasste Steuerung und somit niedrige Energiekosten bei hohem Wohlbefinden.

Auf RFID- oder HF-Basis (High Frequency) ist auch eine Personen- und Objektortung möglich – eine interessante Möglichkeit für sicherheitstechnische Anforderungen in Gebäuden und Unterstützung der Prozesse in Krankenhäuser und Pflegeeinrichtungen. Die Gebäudeautomation schließt die Integration nutzungsadaptive Beleuchtungs- und Akustikkonzepte (dies soll zukünftig anhand eines Forschungsprojektes getestet werden) ebenso ein wie das Raumklima steuernde Fassadenelemente.

Anspruchsvolle Technik

Das „inHaus2“-Gebäude besteht aus drei Gebäudesegmenten, in denen unterschiedliche Wärme- und Kälteübergabesysteme zum Einsatz kommen und zugleich für Forschungszwecke zur Verfügung stehen. Dazu zählen thermoaktive Bauteilsysteme in Form von Betonkern- und Fußbodentemperierung und abgehängte Kühlpaneele.

Entscheidend für das Funktionieren der Gesamtsysteme – Gebäudehülle, Versorgungstechnik und Nutzer – ist die Betriebsführung. Diese wird unter Anwendung neuer Konzepte und mit Hilfe technischer Innovationen permanent überwacht, evaluiert und optimiert, um die Leistungsfähigkeit des Gebäudes nachhaltig zu steigern.

Forschung und Entwicklung im Bereich Gebäudebetrieb und Facility Management des „inHaus2“ zielen darauf ab, innovative Technologien der technischen Gebäudeausrüstung und der Gebäudehülle hinsichtlich des Betriebs, der Energieeffizienz und des thermischen Komforts zu untersuchen. Darüber hinaus sollen die Energieperformance und der Betrieb des Gesamtsystems von der Energieerzeugung bis hin zur Wärme- und Kälteübergabe im Raum analysiert und bewertet werden.

Zentraler Bestandteil des Heiz- und Kühlkonzepts ist die Nutzung des Erdreichs als natürliche Umweltenergiequelle und -senke. Zwölf 120 m tiefe Erdwärmesonden erschließen die Energie aus dem Erdreich. Eine Leersonde wird als Messsonde verwendet. Im Winter sorgt eine Wärmepumpe (Typ „Geozent“ von Zent Frenger) mit 72 bis 100 kW Heizleistung dafür, dass die Erdwärme dem Gebäude auf einem nutzbaren Temperaturniveau zugeführt wird. Ergänzend wird der Heizwärmebedarf durch Umweltenergie mit primärenergetisch günstiger Fernwärme abgedeckt.

Im Sommer kann das Erdreich dann zur direkten Kühlung des Gebäudes genutzt werden – gegebenenfalls in Kombination mit der Wärmepumpe, die dann eine Kühlleistung von 58 bis 85 kW erbringt, die dem Gebäude überschüssige Wärme entzieht und dem Untergrund über Erdwärmesonden zuführt. Fritz Nüßle, Geschäftsführer bei Zent-Frenger, ist der Meinung, dass ein Baugrund bereits in eine Planung einbezogen werden sollte, damit er auf seine Eignung als Speicher geprüft werden kann. Hierdurch kann so manches Energiekonzept recht früh in der Planung angenommen bzw. verworfen werden.

RLT-Anlagen für verschiedene Räume

Ergänzt wird die Gebäudekühlung mit einem Gerät (Fabrikat: Menerga GmbH) für die sorptionsgestützte Klimatisierung im Veranstaltungssaal mit 8000 m³/h zur Kühlung und Entfeuchtung der Frischluft. Bei diesem Sorptionsprozess wird Luft an der Oberfläche eines Rieselfilms aus konzentrierter Salzlösung getrocknet. Die Regeneration der Salzlösung erfolgt durch Austreiben des Wassers über Erwärmung. Die wesentliche Antriebsenergie hierfür ist ebenfalls Fernwärme. Eine Lüftungsanlage mit WRG (Fabrikat Wolf GmbH) dient der Frischluftzuführung in den Besprechungsräumen. Für die Anwendungslabore wurde eine Lüftungsanlage mit Kompressions-Kältemaschine (Fabrikat: nedAir) aufgestellt. Alle drei Anlagen wurden nebeneinander auf dem Dach des Gebäudes installiert.

Monitoring des Gebäudes

In Zusammenarbeit mit elf „inHaus2“-Partnern aus der Industrie (Auflistung im Infokasten links) und den zwei weiteren Fraunhofer Instituten IMS und IBP führt das Fraunhofer ISE ein Basismonitoring durch, um die Effizienz der Anlagen- und der Gebäudetechnik zu bewerten. Ziel ist die Erfassung, Bereitstellung, Analyse und Aufbereitung zentraler Kenndaten des Gebäudes und der technischen Gebäudeausrüstung im Hinblick auf Raumkomfort und Energieeffizienz.

Organisation für einen wirtschaftlichen Betrieb

Um die optimale Technische Gebäudeausrüstung für ein Gebäude zu entwerfen und anschließend auch zu realisieren, sollten zukünftig verstärkt die Nutzeranforderungen berücksichtigt werden. Dabei geht es dann darum, nicht nur individuelle Raumtemperaturen am Arbeitsplatz von beispielsweise +/- 3 K oder einen individuell einstellbaren Blendschutz zuzulassen. Vielmehr sollte die Technik eines Gebäudes dazu genutzt werden können, um das Personal bei seinen Tätigkeiten zu entlasten. Dies könnte ähnlich wie beim PKW funktionieren, indem Fahrerassistenzsysteme dafür sorgen, dass Parkvorgänge einfacher vorgenommen oder die Navigation erleichtert werden. Konkret könnte das z. B. in einem Krankenhaus bedeuten, dass das Krankenhauspersonal nicht mehr dafür zuständig ist, Vorhänge zu betätigen, weil ein automatisiertes Sonnenschutzsystem jederzeit dafür sorgt, dass jeder Raum die jeweils passende Beschattung erhält. Die Prozessoptimierung eines Gebäudes soll dafür sorgen, dass Gebäudebetreiber und -nutzer von den Verbesserungen profitieren. Dafür ist ein interdisziplinärer Ansatz notwendig, der noch stärker als bisher die Zusammenarbeit aller am Bau Beteiligten fordert.

Fazit

Dr. Viktor Grinewitschus, Leiter Technik und Innovation des inHaus-Zentrums, berichtete über den Erfolg des bisherigen Projekts und zeigte auf, wie dieEntwicklung weitergehen soll: „In fünf Jahren inHaus1 haben wir uns mit der Integration verschiedener Techniken befasst und damit die Voraussetzungen geschaffen, Technik zur Unterstützung von Prozessen begreifbar zu machen. Das nehmen wir als unser Leitbild für die nächsten Jahre mit dem „inHaus2“. Die integrale Betrachtung von Prozessen im Gebäude nicht nur für die Planungs- und Bauphase bietet nach wie vor großes Optimierungspotential. Die Betriebsphase ist die eigentliche Herausforderung. Durch das optimale Zusammenspiel der Systeme lässt sich der Energieverbrauch reduzieren, interessant ist aber das Zusammenspiel zwischen Gebäude und Anwendungsprozess. Wie können die Abläufe in einem Büro, einem Hotel, einem Krankenhaus oder einer Pflegeeinrichtung optimal durch die Gebäudetechnik unterstützt werden. Hier besteht noch großer Forschungs- und Aufklärungsbedarf, letzterer, um die Markteinführung innovativer Lösungen zu erreichen. Damit hat das „inHaus2“-Gebäude eine klare Aufgabenstellung, mit der es durch seine Forschungs- und Entwicklungsaufgaben für den Erfolg zukünftiger Innovationen beitragen kann.

[1] Eine Innovationswerkstatt für Immobilien, Seite 3, Computer Spezial 2/2007