Gebäudehüllen als Wohlfühl-Randbedingungen

Optimale Fassaden passen sich den Jahreszeiten an: Im Winter wird durch hochwertige Isolierung die Entwärmung und somit der Energieverbrauch minimiert, im Sommer wird die Fassade „leichter“ – sie unterstützt die Entwärmung und hilft, das Gebäudeinnere auszukühlen. Somit sind Fassaden gefragt, deren u-Werte, g-Werte und t-Werte jahreszeitlich anpassungsfähig sind und die den Nutzern den optimalen Komfort bieten.

Der Mensch und die Behaglichkeit

Der Mensch entwickelt durch langsame Verbrennung von Eiweiß, Fett und Kohlehydraten unter Zuhilfenahme des eingeatmeten Luftsauerstoffs Wärme („Grundumsatz“), die er nach außen abgeben muss, um die Körperinnentemperatur annähernd konstant zu halten.

Die Wärmeabgabe erfolgt dabei auf mehrfache Art und Weise:

durch Konvektion und Leitung,

durch Wärmestrahlung,

durch Verdunstung,

durch Atmung,

durch Ausscheidungen.

Bei völliger Ruhe im Behaglichkeitszustand beträgt die Mindestwärmeabgabe im Körper ca. 80 W. Mit steigendem Aktivitätsgrad oder steigenden Umgebungstemperaturen verändert sich die Wärmeabgabe, wie Bild 1 zeigt.

Behagliche Räume führen in der Regel zu einer optimalen Leistungsbereitschaft der sich darin aufhaltenden Personen. Ergonomen haben hierüber eine Vielzahl von Untersuchungen angestellt und Leistungskurven in Abhängigkeit von der Effektiv-Temperatur ermittelt. Das Optimum der Leistungsfähigkeit liegt in einem engen Temperaturbereich. Dieser kann sich, je nach baulicher Ausbildung und Art der Belüftung des Raumes entsprechend einstellen – Bild 2 zeigt verschiedene Ausbauvarianten mit ihren sich maximal einstellenden Raumtemperaturen im Sommer.

Thermische Behaglichkeit

Die thermische Behaglichkeit drückt Behaglichkeitsbereiche aus, innerhalb derer sich der Mensch am wohlsten fühlt. In diesem Bereich ist das thermische Gleichgewicht des Körpers bei verschiedenen physikalischen Umwelteinflüssen gegeben.

Da eine große Anzahl verschiedenartiger Faktoren Einfluss nehmen, können strenge Grenzen der Behaglichkeit nicht angegeben werden. Vielmehr macht das Wechselspiel sich beeinflussender Faktoren einen behaglichen Zustand aus oder auch nicht.

Hierzu gehören u. a.:

Geschlecht,

Alter,

Gesundheitszustand,

Jahreszeit,

Nahrungsaufnahme und

Art der Arbeit.

Weitere Einflussgrößen, die z. T. durch die bauliche Ausbildung sowie Belüftung und Temperierung des Raumes bestimmt werden, sind nachfolgend dargestellt:

Raumlufttemperatur,

Luftbewegung,

Umgebungstemperaturen,

Bekleidung und

Luftfeuchte.

Die Raumlufttemperatur soll sich idealerweise im Bereich zwischen 20 und 24 °C bewegen, wobei hier bereits die entsprechende Bekleidung in Abhängigkeit von den Außentemperaturen berücksichtigt ist. Raumtemperaturen von 24 °C im Sommer bedeuten jedoch hohe Investitionen zur Kühlung von Räumen, so dass die obere Grenztemperatur eher bei 27 bis 28 °C unter gleichzeitiger Inkaufnahme geringfügig abfallender Leistungen gezogen wird.

Neben der Raumtemperatur spielt die mittlere Temperatur der umgebenden Flächen (einschl. Heizflächen) über die mittlere Strahlungstemperatur eine nicht unwesentliche Rolle, da sich der Körper mittels Strahlung entwärmt.

Die mittlere Strahlungstemperatur t_R errechnet sich aus:

t_R =

A = Oberfläche

t = Oberflächentemperatur

t_R = Strahlungstemperatur

n = Anzahl der verschiedenen Flächen.

A bezeichnet die einzelnen Flächen (Wände, Heizkörper, Fenster usw.), t die dazugehörigen Temperaturen. Sinkt z. B. die mittlere Wandtemperatur um 1 K, so ist dies beim ruhenden Menschen gleichwertig mit einer Absenkung der Lufttemperatur um 1 K. Luft- und Wandtemperaturen haben somit auf die Entwärmung des menschlichen Körpers einen gleichgroßen Einfluss. In Bezug auf die thermische Behaglichkeit wird somit nicht nur von Raumlufttemperaturen sondern gleichermaßen von mittleren Strahlungstemperaturen gesprochen, die gemeinsam eine optimale „operative“ Temperatur bilden sollen. Anstatt des Ausdrucks „operative Temperaturen“ wurde bisher der Begriff der „empfundenen Temperatur“ eingeführt, der jedoch keine Temperatur-absenkungen durch Zugluft erfasst. Eine weitere Hilfsgröße bei der Beurteilung einer entsprechenden thermischen Behaglichkeit zeigt Bild 3, das Behaglichkeitsfeld nach Grandjean. Die Darstellung weist aus, dass nur ein sehr kleines Feld von Umgebungs- und Raumtemperaturen zu behaglichen Zuständen führt. Gerade im Fensterbereich sind erhebliche Aufwen­dungen zu betreiben, um entsprechend günstige Oberflächentemperaturen zu erzielen, wie Bild 4 ausweist.

Gebäude und Fassaden

Bei Gebäuden mit hohem Glasanteil oder Häusern unter Glas ergeben sich zuerst Fragen an den Komfort und die Komfortansprüche. Darüber hinaus sind bezüglich der Wirtschaftlichkeit Analysen zu erstellen, um die Einspareffekte durch u. U. einen verringerten Wärmebedarf nicht durch eine erhöhte Kühllast zunichte zu machen.

Werden die Beheizung, die Belüftung und die Verglasungsarten in richtiger Weise aufeinander abgestimmt, so kann ein Gebäude mit Glasatrien oder gläsernen Wintergärten deutlich weniger Energie benötigen als ein Gebäude mit offenen Strukturen.

Gläserne Strukturen können intelligenterweise so konzipiert werden, dass sie allen Ansprüchen der späteren Nutzer genügen und gleichzeitig das Umweltangebot in Einklang mit den Nutzeransprüchen bringen.

Bild 5 zeigt den Aufbau einer gewünschten Glasstruktur nach Mike Davis (Büro Richard Rogers Partnership, London) als polyvalente Wandstruktur. Diese von ihm 1982 konzipierte und veröffentlichte polyvalente Wand soll so aufgebaut sein, dass sie je nach Nutzungsanspruch und Jahreszeit als Sonnen- oder Wärmeschutz dient, Wärmeenergie vor dem Gebäude reflektiert oder in das Gebäude eintreten lässt und sich öffnet oder schließt. Die einschlägige Glasindustrie konnte bis heute die Vorschläge von Mike Davis nur bedingt umsetzen, arbeitet jedoch am Thema. Gleichwohl kann man die Ideen von Mike Davis aufgreifen und den Ablauf einer polyvalenten Wand mit herkömmlichen Mitteln nachbilden. Hilfreich ist eine Ablaufstruktur für den Betrieb einer Glasfassade, aus dem hervorgeht, welchen Ansprüchen eine quasi „intelligente Fassade“ genügen muss, um letztendlich mit möglichst geringen technischen Hilfsmitteln und Energiekostenaufwendungen ein Haus zu beheizen, zu belüften, zu belichten oder kühl zu halten. Transparenz kann in unterschiedlichster Form durch Architektur ausgedrückt werden, wobei technische Einrichtungen hierbei eine dienende Funktion übernehmen, um während der gesamten Jahreszeit für behagliche Raumzustände zu sorgen. Transparente Baustrukturen ergeben sich aus unterschiedlichsten gestalterischen und Nutzungsansprüchen und es soll nachfolgend eine Reihe von Objekten dargestellt werden. Die z. T. gebauten, z. T. in der Planung befindlichen Objekte zeigen die Vielfalt der Möglichkeiten bei unterschiedlichsten architektonischen Ausformungen.

Hervorzuheben ist bei allen Gebäuden, dass sie unter den Gesichtspunkten des nachhaltigen Bauens entwickelt wurden, d.h. jeweils im Vordergrund stand, das Angebot der natürlichen Ressourcen möglichst direkt zu nutzen. Gleichzeitig wurde darauf geachtet, mit möglichst geringem Energie- und vor allem Materialeinsatz auszukommen.

Grünhäuser

Als Beispiel eines Gebäudes in Form eines Grünhauses soll die Hauptverwaltung der Datenverarbeitungsgesellschaft Hannover (dvg) dienen (Bild 6). Bei diesem Gebäude ging es darum, einen vor dem Gebäude liegenden Park in das Gebäude mit einzubeziehen (Architekten Prof. Hascher und Jehle, Berlin). Das Gebäude verfügt über eine kammartige Baustruktur. Diese besitzt mehrere große Glasdächer, die im Wesentlichen von Westen her belüftet werden. Als Bindeglied zwischen äußerem Grün und Hallenstrukturen dient ein ausgedehntes Wasserbecken, das zu adiabaten Kühleffekten führt.

Innerhalb der Hallenstrukturen sind Bäume, Sträucher und Rasenflächen eingesetzt, die im Sommer feucht gehalten werden, wodurch Staubbindungen und adiabate Kühleffekte eintreten. Das Hallendach selbst ist so ausgeformt, dass es die auftreffende Solarenergie teilweise reflektiert und vor allem zu einer hervorragenden Durchlüftung führt. Das Gebäude schließt sich im Winter, so dass die solar zugestrahlte Wärmeenergie innerhalb des Gebäudes passiv genutzt werden kann. In der Übergangszeit und im Sommer, d.h. bei Hallentemperaturen oberhalb 20 °C, öffnet sich der Hallenraum sowohl in seinen vertikalen Glasflächen als auch in den Dachflächen. Hierdurch tritt eine mehr oder weniger intensive Durchlüftung ein, die die zugestrahlte Wärmeenergie abführt, um ein Überheizen des Glasatriums zu vermeiden. Genaue Simulationsberechnungen im Zuge der Entwurfsplanungen haben Auskunft darüber gegeben, welcher minimale Wärmeeintrag notwendig wird, um im Hallenraum selbst im Winter noch Temperaturen im Bereich um 14 °C zu erreichen. Die Temperierung der Halle kann entweder in direkter Form durch Heizelemente
(z. B. Bodenheizungen, Sprossenheizungen o.ä.) erfolgen, oder aber der Hallenraum wird dadurch temperiert, dass die innen liegenden Baustrukturen ausreichend Wärmeenergie an die Halle selbst abgeben, um eine noch ausreichende Temperierung zu erreichen.

Begegnungsräume

Räume als gedeckte Verkehrsflächen können sich in unterschiedlicher Weise darstellen.. Die zentrale Eingangshalle der Messe in Leipzig (Architekten v. Gerkan Marg & Partner in Zusammenarbeit mit Ian Richie) ist dafür als ein beispielhaftes Objekt (Bild 7). Dieser Begegnungsraum dient primär als zentrale Eingangshalle für Messebauten und gleichzeitig als Treffpunkt während des Messebetriebes. Eine außen liegende Rohrkonstruktion trägt das große Hallendach (hängend), das bedruckte Glaselemente aufweist, die dem Sonnenschutz dienen. Die gesamte Hallenstruktur wird im Regelfall durch öffnen von Klappen im unteren und oberen Bereich thermisch durchlüftet, wobei bei Überströmung der gebogenen Hallenstruktur im oberen Bereich Unterdrücke entstehen, die die thermische Durchlüftung durch Sog unterstützen. Die Beheizung der Halle erfolgt auf 10 °C über eine im Boden eingelegte Fußbodenheizung, die im Sommer auch mit Kühlwasser beschickt werden könnte, um den Hallenraum als noch thermisch behaglichen Raum darzustellen. Die gläsernen Strukturen heizen sich bei Sonnenbestrahlung auf und werden, so sie nicht gekühlt werden, zu großen Wärmestrahlern. Hier liegt eines der Probleme, das es zu lösen gilt. Entsprechende gläserne Strukturen können durch Sonnenschutzmaßnahmen beschattet werden oder aber entsprechende Glasstrukturen werden durch Kühlwasser in ihren Oberflächentemperaturen gekühlt, so dass ein großer Wärmestrahlungseintrag vermieden wird. Bei der zentralen Eingangshalle in Leipzig mit einer einfachen VSG-Verglasung erfolgt eine Kühlung der Glasstrukturen durch Wasser (besonders geeignet durch Regenwasser).

Nutzfläche - Hallenräume

Für ein bekanntes Chemieunternehmen wurde durch die Architekten Hentrich, Petschnigg & Partner ein Wettbewerbsentwurf entwickelt (Bild 8), bei dem es darum ging, große transparente Aufenthaltsräume zu schaffen. Das ringförmige Gebäude besitzt eine große zentrale Glashalle, in der Konferenzzonen, Schulungsbereiche und Nebennutzflächen wie Gondeln eingehängt sind. Auch bei diesem Gebäude soll eine Glasdachkühlung durch Regenwasser erfolgen.

Fassaden schwarz-weiß

Der Architekt Dominique Perrault, Paris, hat für ein bekanntes Chemieunternehmen in Basel einen Verwaltungsbau konzipiert, der sich in seinen äußeren Hüllflächen z. T. transparent, z. T. teiltransparent (schwarze Fassadenteile) darstellt (Bild 9). Bei diesem Projekt hat der Auftraggeber darauf hingewiesen, dass sich das Gebäude im Wesentlichen aus den natürlichen Ressourcen bedienen soll.

Das Problem einer schwarzen Fassade liegt einmal darin, dass sie nur einen geringen Tageslichteintrag zulässt und sich zudem im Sommer infolge Absorption in seiner Oberfläche erheblich aufheizt. Wie die Bildserie ausweist, ist der Energieeintrag im Sommer außerordentlich gering, es wird ein Gesamtenergiedurchlassgrad bei Ausstellen der gläsernen, schwarzen Strukturen von ca. 0,075 erreicht. Bei unerwünschter Wärmezustrahlung in das Gebäude werden Fensterelemente gleichzeitig auch als Beschattungselemente vor die Fassade verschoben, so dass eine intensive Hinterlüftung folgt. Im Winter ist der Wärmeeintrag infolge Absorption und Strahlung erwünscht, d.h. die Fassade schließt sich dergestalt, dass die absorbierte Wärmeenergie passiv genutzt werden kann. Durch die doppelte Haut lassen sich sowohl die u-Werte als auch die g-Werte deutlich verändern, d.h. die Fassade passt sich jahreszeitlich den Nutzeransprüchen in richtiger Weise an. Die von außen zugestrahlte Wärmeenergie wird entweder im Außenraum absorbiert und direkt abgeführt oder dem Raum zugeleitet.

Glasfassaden – einschalig / zweischalig

Bei einer Vielzahl von Projekten, insbesondere bei der Entwicklung von Hochhausstrukturen oder bei Gebäuden an Standorten mit hohen Schallemissionen beginnt fast automatisch die Diskussion um den Einsatz doppelschaliger Fassaden. Doppelschalige Fassaden können annähernd gleichermaßen transparent sein wie einschalige Fassaden und besitzen Vorteile, die es zu nutzen gilt. Gleichwohl steht im Vergleich von doppelschaligen und einschaligen Fassaden der Investitionskostenaufwand und der Aufwand zum Betreiben zur Diskussion.

Doppelschalige Fassaden bieten sich im Regelfall nur dort an, wo es um Schallreduzierungen und Abbau von Winddrücken geht. Energetisch lassen sie sich im Regelfall nicht vertreten, da die Energiegewinne durch doppelschalige Fassaden (Betriebskostenreduzierung) in einem ungünstigen Verhältnis zu den Mehraufwendungen der Fassade stehen (Investitionskosten). Verschiedenste Formen von doppelschaligen Fassaden wurden in den letzten Jahren entwickelt.

Geht man von den Nutzeransprüchen in Bezug auf angepasste innere Oberflächentemperaturen der Fassade sowie das natürliche Betreiben des Gebäudes aus, so besitzen Doppelfassaden unbestreitbar ihren Reiz, obwohl sie selbstverständlich im Regelfall deutlich teurer sind als Einfachfassaden bei gleichen Ansprüchen.

Glasfassaden Hochhaus

Beispielhaft für eine Gebäudestruktur mit einer doppelschaligen Fassade zur Reduzierung von Winddrücken dient ein Hochhaus in Rotterdam (Architekten Kohn Pedersen Fox, London). Bei diesem Gebäude (Bild 10) werden sowohl Kastenfensterlösungen als auch kleine Wintergärten eingesetzt, um die z. T. hohen Winddrücke abzubauen und ein natürliches Belüften des Gebäudes zuzulassen. Gerade bei Hochhäusern kommt es sehr wesentlich darauf an, dass ein hohes Maß an Transparenz erreicht wird, um den Nutzern die Möglichkeit zu geben, sich an unteren Stadträumen zu orientieren. Die visuelle Behaglichkeit in einer Hochhausstruktur hängt sehr maßgeblich mit den Sichtbeziehungen zur Umgebung zusammen. Brüstungen oder Lochfassaden reduzieren die Sichtbeziehungen u. U. dergestalt, dass Sichtbeziehungen nach unten nicht mehr möglich sind und im Sichtfeld der Nutzer lediglich der Himmel erscheint. Dieser kann u. U. über Tage und Wochen grau und wolkig sein, so dass erhebliche Unbehaglichkeitszustände eintreten.

Gläserne „Bubbles“

Zum Abschluss des Beitrags folgt ein futuristisches Beispiel von Richard Horden, London. Dieses Entwurfskonzept eines 1000 m hohen Turms zeigt total gläserne und transparente Strukturen (Bild 11). Dieses Projekt wurde im Zuge eines Workshops an der ETH Zürich konzipiert und in einigen wesentlichen Punkten studiert.

Das Projekt entwickelt sich in ähnlicher Form wie ein Baum, d.h. es besitzt einen Stamm mit Ästen, an denen große, gläserne „Blätter“ hängen. Diese „Blätter“ sind u. U. mehrgeschossige bauliche Strukturen, umhüllt von großen Glasflächen, die das natürliche Betreiben der einzelnen baulichen Strukturen unterstützen. Die gläsernen „Bubbles“ werden von Wind überströmt und erzeugen dabei infolge ihrer Form einen Auftrieb – die „Bubbles“ schweben leicht. Die Glasstrukturen können mit Photovoltaikelementen belegt werden (ca. 85 % der Glas­fläche), um eine hohes Maß an elektrischer Energie zu erzeugen. Die transparenten Glasteile lassen in die Gebäudestruktur Tageslicht eintreten.

Über die Glasstrukturen kann auftreffendes Regenwasser abgefangen werden, das einer Regenwasserzisterne zugeführt wird, die je „Bubble“ in der Gebäudestruktur integriert ist.

Über diese Regenwasserzisterne kann ein wesentlicher Teil des Wasserbedarfs bereitgestellt werden. Zudem können die Glasstrukturen in der Winterzeit auftreffende Solarenergie passiv zur Beheizung nutzen. Im Sommer und in der Übergangszeit, wenn es darum geht, die inneren Raumtemperaturen (Hallentemperaturen) zu regeln, wird die gesamte Bubblestruktur von unten nach oben natürlich durchlüftet, wobei hier neben der Thermik wiederum aerophysikalische Effekte (Überdruck- und Unterdruckfelder) eine Rolle spielen.