Klimaneutrales Gebäude der Zukunft

Das quantitative Potenzial zur Wohnflächenerweiterung im urbanen Raum wird durch Aufstockungen am höchsten eingeschätzt, gleichzeitig werden keine vorhandenen Grünflächen versiegelt. Zudem können Bestandsgebäude durch Sanierungsmaßnahmen klimaneutral und die bestehende Bausubstanz erhalten werden. Der Einsatz von standarisierten Holzmodulen und seriellem Bauen schafft bezahlbaren Wohnraum und reduziert die Bauzeit vor Ort. Das innovative Levelup-Konzept möchte die deutschen Innenstädte nicht nur architektonisch und ästhetisch, sondern auch energetisch und gesellschaftlich aufwerten.

Im Fokus stehen typische, mehrstöckige Wohngebäude vor allem aus den 1950er bis 70er Jahren, da in dieser Zeitspanne ein Großteil des heutigen Wohnungsbestandes in Deutschland entstanden ist und dieser – vor der ersten Wärmeschutzverordnung 1977 errichtet – einen großen Anteil am Primärendenergiebedarf für Heizen verursacht. Anhand eines exemplarischen Gebäudes in Nürnberg wird ein Aufstockungskonzept entwickelt, das durch eine anspruchsvolle Architektur, Bau- und Gebäudetechnik einen wertvollen Beitrag auf dem Weg zur Klimaneutralität beitragen kann. Dabei möchte das Studierendenteam ein übertagbares und adaptierbares System für möglichst viele Anwendungsfälle schaffen.

Gebäudetechnik und Energieversorgung

Für die Übertragbarkeit auf andere Gebäude ist das Heizungskonzept an verschiedene Versorgungssysteme anpassbar. Mit Fokus auf die Dekarbonisierung werden zum Heizen Wärmepumpen, Solarenergie, Abwärme oder emissionsfreie Fernwärme genutzt. Um eine größtmögliche Anpassbarkeit an unterschiedliche ­Standorte zu garantieren, wurde bei der Wärmeversorgung ein Low-Ex-Ansatz mit einer maximalen Vorlauftemperatur von etwa 25 °C entwickelt. Dies wird durch eine Aktivierung der Bestandsfassade über eine Fassadenheizung bei gleichzeitig hohen Dämmwerten der Hülle und einer Lüftung mit Wärmerückgewinnung möglich. Die Fassadenheizung übernimmt die Grunderwärmung der Wohnräume, die nicht über 18 °C hinausgehen sollte. Die individuelle Regelung der Wohnräume wird von den Bestandsheizkörpern übernommen. Da die Heizlast reduziert werden kann, sollten die meisten Gebäude mit einer Vorlauftemperatur unter 35 °C auskommen. In Nürnberg steht eine Hochtemperatur-Fernwärme-Versorgung zur Verfügung, sodass der Energiebezug durch eine Absorptionswärmepumpe um weitere 40 % reduziert werden kann.

Der Strombedarf wird mit PV an Dach und Fassade gedeckt. Durch den intensiven Einsatz von Solarenergie wird ein Plusenergiehaus für das Gesamtgebäude ermöglicht. Auf den Dachflächen werden zusätzlich PVT-Module verbaut. PV-Module mit rückseitig integriertem Wärmeübertrager zur Solarthermie-Nutzung ermöglichen das Kühlen der Module und erhöhen den Wirkungsgrad. Gleichzeitig dienen die PVT-Kollektoren als ergänzende Wärmequelle für die Heizung und Trinkwassererwärmung. Da die PVT-Module unverglast und nicht gedämmt sind, kann nachts außerdem über Strahlung und Konvektion Wärme abgegeben werden. Im Sommer lässt sich daher durch die Kombination der Fassadenaktivierung mit der PVT über Nachtkühlung die sommerliche Erwärmung des Mauerwerks auf angenehme Temperaturen begrenzen.

Grauwassernutzung

Die veränderten Niederschlagsereignisse und ein Rückgang des Niederschlagsaufkommen erfordern eine Grauwassernutzung. Um den Bedarf an Trinkwasser zu reduzieren, bietet sich die Aufbereitung von nicht stark verschmutztem Wasser durch eine Grauwasseraufbereitungsanlage an. Das aufbereitete Wasser wird dann für den Betrieb von Waschmaschinen und Toiletten verwendet.

Gebäudeautomation

Die Gebäudeautomation in Wohngebäuden dient zur Steigerung der Energieeffizienz, des Komforts und der Sicherheit. Zudem unterstützt die Automation die Anpassung des Nutzerverhaltens. So werden Haushaltsgeräte eingeschaltet, wenn der solare Ertrag hoch ist, oder der Sonnenschutz bei zu hohen Temperaturen runtergefahren. Andererseits informiert die Gebäudetechnik auch den Bewohner über die Energieströme im Gebäude, damit das persönliche Verhalten angepasst werden kann.

Die House Demonstration Unit

In Wuppertal auf dem Finale des SDE 21/22 präsentierte das Levelup-Team einen voll-funktionsfähigen Ausschnitt der Aufstockung im Maßstab 1:1, bestehend aus drei Holzmodulen im Erdgeschoss. Für den Wettbewerb wurde die erste Serienwärmepumpe mit Kältemittel Propan verwendet, die für die Innenaufstellung zugelassen ist. Die Speichermasse der Bestandsfassade wird durch einen Pufferspeicher abgebildet. Die Kühlung erfolgt über die Fußbodenheizung und die gewonnene Kälte wird über die PVT-Nachtauskühlung erreicht. Die Elektroinstallationen sind in den Sockelleisten integriert, da so auf eine Installationsebene verzichtet werden konnte. Dadurch können die Lehmbauplatten thermisch mit dem Vollholzkern verbunden werden und es steht genügend thermische Masse zur Verfügung, um Wärmeeintragsspitzen zu kompensieren. Die Dusche verfügt über eine Abwasserwärmerückgewinnung, die den Wärmebedarf beim Duschen um etwa 50 % reduziert. Der Warmwasserbedarf kann im Sommer großteils über die PVT-Anlage gedeckt werden, da eine großzgügig dimensionierte Frischwasserstation die benötigen Wassertemperaturen niedrig hält. Noch verbleibender Bedarf wird über die Wärmepumpe gedeckt, die Wärme entweder aus den PVT-Kollektoren oder dem Kühlspeicher zieht.