Zero Energy Super Tall Buildings

Je nach Sonnenangebot des jeweiligen Standortes kann beim richtigen Flächenverhältnis energieerzeugender Flächen zu zu verbrauchenden Flächen ausreichend viel Wärme produziert werden. Bei Nutzung von Kühlwasserströmen aus dem Untergrund in kühlen Regionen der Welt kann annähernd der gesamte Kühlenergiebedarf aus dem Erdreich gedeckt werden.

Das eigentliche Problem liegt darin, ausreichend elektrische Energie durch die natürlichen Ressourcen zu erzeugen. An der Universität Stuttgart, Lehrstuhl Prof. Stephan Behling, wurden mit Unterstützung der Firma Schüco vor Jahren Entwicklungen aufgenommen, eine Fassade zu konzipieren, die funktional notwendige Baukomponenten mit Energieertragselementen kombiniert, so dass eine Energiefassade entsteht.

Das integrale Fassadenkonzept (Behling/Schüco) erfüllt dabei folgen­de Forderungen:

1. Die unsichtbare Integration von öffenbaren Fensterflügeln in die Pfosten-Riegelfassade sorgt für natürliche Lüftung. Die Automation aller Öffnungsarten mit verdeckt liegenden Systemantrieben sind in Pfostenbreiten von ca. 8,5 cm integriert und können zentral, dezentral oder individuell am Fassadenelement betrieben werden.

2. Der außen liegende Sonnenschutz besteht aus einer Mikrolamelle, die bei Windgeschwindigkeiten bis ca. 100 km/h zuverlässig verschattet. Die Mikrolamelle wird seitlich in den Pfosten geführt und ist im eingefahrenen Zustand nicht sichtbar.

Sowohl Photovoltaikelemente wie auch thermische Kollektorflächen können gleichwertig in die Fassade integriert werden. Die Vision in der weiteren Entwicklung besteht darin, dass in Zukunft die Gebäudehülle nicht nur Strom erzeugt, sondern auch hochtemperierte Wärme, um diese mittels einer Absorptionskälteanlage zu Kühlenergie umzuwandeln. Hierzu wurde im ersten Ansatz ein optisch durchlässiger Flachkollektor entwickelt, der den Bezug nach außen zulässt und ein interessantes Licht- und Schattenspiel erzeugt.

Während für Flachkollektoren bereits Systeme bestehen, die eine Integration in die Gebäudehülle ermöglichen, ist der Einsatz von Vakuum-Röhrenkollektoren bisher nur bedingt integrativ gelöst, obwohl sie aufgrund ihrer ästhetischen Struktur ein großes Potential im Fassadenbereich anbieten würden. Dabei von besonderer Bedeutung ist, dass Vakuum-Röhrenkollektoren ein höheres Temperaturniveau erreichen als Flachkollektoren und somit einen um ca. 35 % höheren Energieertrag, da die integrierten Absorberelemente in den Röhren ideal ausgerichtet werden können (Bilder 2a und 2b).

Gebäudeintegrierte Windkraftanlagen (BIWP, building integrated wind power)

Die Integration von Windturbinen in bauliche Strukturen beinhaltet ein besonderes Thema. Die Forschergruppe um Stefan Behling hat mit weiteren Fachleuten verschiedenste Ausdrucksformen und Gebäudestrukturen untersucht, um über Windkraftwerke elektrische Energie zu erzeugen. Dabei waren Windströmungen zu analysieren, die sich als äußerst komplex und schwer zu berechnen erwiesen haben (Bild 3).

Es wurden folgende Erfahrungen gemacht:

Werden die Rotoren innerhalb der düsenförmigen Gebäudekonfiguration platziert, so erhöht sich die Windgeschwindigkeit am Rotor um ca. 1 m/s und erzeugt hierdurch etwas mehr Energie als eine freistehende Anlage.

Wie die Forschergruppe herausfand, sind aerodynamische Konstruktionen sowohl räumlich als auch energetisch nicht optimal. In der Nähe der Rotoren treten akustische, schwingungsbedingte oder elektromagnetische Beeinträchtigungen auf, die nicht vernachlässigt werden können. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Entwicklung fassadenintegrierter, energieschöpfender Elemente zu höheren Erträgen führen dürfte als der Einsatz von Windkraftanlagen an und im Gebäude – vorausgesetzt, das die vorher beschriebenen Nachteile eliminiert werden können.

Drei Projektbeispiele

1. „Pearl River Tower“, Guangzhou, China

Bild 4 zeigt ein 71-geschossiges Hochhaus, das vom Architekturbüro SOM, Chicago (Skidmore, Owens, Merrill) geplant wurde bzw. zurzeit geplant wird. Der „Pearl River Tower“ genannte Turm soll das Hauptquartier der China National Tobacco Corporation aufnehmen. Vorstellungen der Planer im Hause SOM, Chicago, ist es, den Turm mit neusten Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energien auszurüsten. Hierdurch soll die „energieeffizienteste Hochhaustruktur der Welt“ entstehen.

Das Gebäude besitzt eine Brutto­geschossfläche von ca. 230 000 m² und eine Gebäudehöhe von ca. 310 m. Die Zielvorstellungen von SOM auf der Basis eines gewonnenen internationalen Wettbewerbs sind, dass das Gebäude mehr Energie erzeugt als es verbraucht. In jeweils einem Drittel der Fassadenhöhe sind Lufteinlässe gestaltet, hinter denen sich Windkraftwerke verbergen, die elektrische Energie erzeugen. Großflächi­ge Verglasungen führen zu einer hohen Tagesbelichtung, wobei eine doppelschalige Glasstruktur die Solargewinne durch hochwertigen Sonnenschutz reduziert. Regenwasser, das auf die Fassade fällt, soll gesammelt und aufbereitet werden, um es nutzen zu können. Zur Erzeugung von elektrischer Energie werden in die Ost- und West-Fassade Photovoltaik­elemente integriert, die einen Anteil der elektrischen Energie bereitstellen.

Ein wesentliches Element der Energiebereitstellung erfolgt durch Brenn­stoffzellen, die mit Ferngas betrieben werden. Diese erzeugen sowohl Wärmeenergie (nutzbar auch als Kälteenergie) und elektrische Energie mit einem Wirkungsgrad von mehr als 50 %. Im Bereich der Gebäudetechnik ist vorgesehen, die wesentlichen Flächen durch eine Quelllüftung zu durchlüften, um mit möglichst kleinen Luftmengen und Luftwechselzahlen auszukommen. Zur Erzeugung ausreichender Kühlenergie in den Räumen sind Bauteil-Kühldecken geplant, und das Erdreich soll als Wärmesenke genutzt werden. Die Abluftströme des Hauses werden zu Zentralen rückgeführt, um einen Teil der Kühlenergie zurückgewinnen zu können. Durch den Wärmeaustausch zwischen kühler und trockner Abluft der Räume im Gegenzug zu feucht-warmer Luft von außen (kreislaufverbundene Systeme) fällt Schwitzwasser aus der Außenluft aus, das im Gebäude genutzt wird.

Um eine erste grobe Analyse vornehmen zu können, ob und in welchem Umfang der Energieverbrauch des Hauses durch erneuerbare Energien zu decken ist, ist eine Studie der äußeren Randbedingungen am Standort notwendig. Bezüglich der Erzeugung elektrischer Energie per Windkraftanlagen ist eine Studie der Windgeschwindigkeiten während des Jahres notwendig. Mit zunehmender Höhe (Lage der vorgesehenen Ventilatoren) nimmt die Windgeschwindigkeit zu (Stadtzentren). Insofern ist in einer Höhe von ca. 100 m anstatt einer mittleren Windgeschwindigkeit von ca. 3,5 m/s, im Bodenbereich eine solche von 8,9 m/s feststellbar und in der Höhe von ca. 200 m eine solche von 10,9 m/s. Auch die Häufigkeit bestimmter Windgeschwindigkeiten muss in der Planung berücksichtigt werden. Hierbei ist beachtenswert, dass Windkraftanlagen eine nennenswerte Leistung ab 6 m/s abgeben und im Regelfall ihre Nennleistung erst bei ca. 12 bis 15 m/s. Daneben sind die Haupt-Wind­anströmrichtungen zu berücksichtigen, die im Falle dieses Gebäudes im Bereich von Nord-Nord-Ost bis Süd-Süd-Ost liegen. Das Gebäude muss sich demgemäß in seiner Längsachse von Ost nach West ausdehnen, so dass große Nord- und Südfassaden entstehen. Da voraussichtlich die Windräder lediglich eine Höhe (Vertikalrotoren) bzw. einen Durchmesser um ca. 6 bis 8 m besitzen, ist selbst bei günstigen Windgeschwindigkeiten die Nennleistung je Rotor noch gering. Ein wei­teres Handicap bei flachen Gebäuden ist, dass bei selbst strömungsbe­ding­ten Ausformungen der Fassaden die Luft üblicherweise den Weg des geringsten Widerstandes geht, d.h. seitlich über die Fassaden abfließt, Bild. Um diesem entgegenzuwirken, haben die Planer im Hause SOM die Fas­saden mehrfach gewölbt, um hierdurch quasi einen Diffusoreinlass zu bil­den, d.h. die von außen anströmende Luft gezielt auf die Windräder zu leiten (Bild 4).

Unter Berücksichtigung aller vor genannten Faktoren und einem üblichen Energieverbrauch, wie nachfolgend dargestellt, ergibt sich eine erste grobe Bilanz:

Wärmeendenergiebedarf

warme Regionen ca.  0 W/m² BGF

gemäßigte Regionen ca. 20 W/m² BGF

kalte Regionen ca. 50 W/m² BGF

Kühlenergiebedarf Außenzonen

kalte Regionen ca.  0 W/m² BGF

gemäßigte Regionen ca. 50 W/m² BGF

heiße Regionen ca. 65 W/m² BGF

Kühllast Innenzonen

alle Regionen ca. 35 W/m² BGF

Elektrischer Endenergiebedarf

geringer Ausbaustandard ca. 15 W/m² BGF

gehobener Ausbaustandard ca. 25 W/m² BGF

hoher Ausbaustandard bis 50 W/m² BGF

Alle aufgeführten Leistungsdaten entsprechen dem Endenergievebrauch innerhalb des Gebäudes, alle nachfolgenden Energiemengen per anno zeigen in etwa die Endenergieverbrauchswerte.

Der Wärmeenergiebedarf des Turms dürfte in etwa 10 kWh/m²a betragen.

Die absolute Heizleistung des Gebäudes beträgt somit in etwa 2300 kW_P (Dezember/Januar) und der Jahres-Heizwärmebedarf ca. 920 MWh/a.

Die spezifischen Kühllasten der Außenzone liegen bei ca. 36 W/m², die der Innenzone bei ca. 24 W/m². Ein gewichtetes Mittel über die Gesamtfläche dürfte bei ca. 32 W/m² BGF liegen, die absolute Kälteleistung beträgt ca. 7360 kW_P (Mai bis Oktober) und der Jahres-Kälteenergiebedarf ca. 21 190 MWh/a. Geht man davon aus, dass die Kälteenergie praktisch ausschließlich aus der Abwärme der Brennstoffzellen über Absorptionskältemaschinen erzeugt wird, so ergeben sich ein gleichzeitiger elektrischer Ener­gie­bedarf von grob 8000 kW_PE und ein Jahres-Elektrobedarf von ca. 12 400 MWh/a.

Der Energieertrag des Hauses errechnet sich bei 50 %iger Belegung der Ost- und Westfassade mit Photovoltaikelementen mit rund 420 MWh/a und bei vollflächiger Belegung mit ca. dem doppelten Wert.

Die Windgeneratoren mit je einer Leistung von ca. 13 kW (Nennleistung bei ca. 9,9 m/s mittlerer Anströmgeschwindigkeit über alle Geschosse) beträgt bei einer gewichteten Stundenanzahl von 3330 h/a ca. 173 MWh/a. Somit liegt der Gesamtenergieertrag aus Solarenergie und Windenergie bei ca. 600 MWh/a.

Alle vor angegebenen Kenndaten sind jeweils bezogen auf den Quadratmeter Bruttogeschossfläche. Selbst wenn man davon ausgeht, dass sowohl die Photovoltaikelemente (Wirkungsgrad ca. 15 % angenommen) im Mittel in der vertikalen Fassade optimal positioniert sind und die Windkraftanlagen optimal angeströmt werden, kann eine jährliche Versorgung ausschließlich durch erneuerbare Energien nicht festgestellt werden. Sie dürfte einen Beitrag von ca. 2,5 bis 4 % erbringen.

2. Hochhaus „Phare“, Paris

Das Hochhaus „Phare“ (Bild 5), entworfen von Architekt Jacques Ferrier, unter Mitwirkung u.a. von HL-Technik, ist ein Wettbewerbsentwurf für das Hochhausviertel La Défense bei Paris. Das Gesamtensemble besteht aus einem kleineren, ca. 100 m hohen Scheibengebäude sowie dem Turm mit 71 Geschossen bei einer Gesamtfläche von ca. 140 000 m². Die Möglichkeiten des Einsatzes erneuerbarer Energien waren bei dem Turm infolge seiner städtebaulichen Einbindung eher bescheiden und mussten sich auf den Einsatz von Photovoltaik in den Fassadenflächen und der Nutzung von Windenergie beschränken. Somit stellt man eine häufig übliche Einschränkung bei der Nutzung erneuerbarer Energien fest. Die Wärme- und Kälteerzeugung erfolgte aus vorhandenen zentralen Netzen, gleichermaßen die Elektroversorgung auf Mittelspannungsebene.

Bild 6a zeigt in welcher Form im Sommer während des Tages und der Nacht das Gebäude betrieben werden soll. Im Hochsommer bei Außentemperaturen zum Teil über 30 °C ist es sinnvoll, das Gebäude hervorragend zu beschatten und mit geschlossenen Fenstern zu arbeiten, um den Kühllasteintrag zu verringern. Während der Nacht können die Fenster so aufgestellt werden, dass das Gebäude zwangsweise natürlich durchlüftet wird, um gespeicherte Wärmeenergie abzuführen.

In der Übergangszeit (Bild 6b) soll das Gebäude weitestgehend ausschließlich natürlich belüftet werden, ausgenommen die Innenzonen, die keine ausreichende Außenluftzufuhr erhalten. Bei Außentemperaturen unter +5 °C soll das Gebäude zunehmend geschlossen werden, um es mit geringstem Einsatz an Wärmeenergie zu temperieren. Hier kann davon ausgegangen werden, dass ein wesentlicher Teil der abfließenden Wärme durch die Abwärme der Beleuchtung und von Büromaschinen ersetzt wird.

Die Fassade des Gebäudes ist als Kastenfensterstruktur mit zum Teil opaken Wandteilen konzipiert. Eine äußere Verbund-Sicherheitsglasscheibe, hinter der sich der Sonnenschutz verbirgt, kann langzeitig geöffnet bleiben und wird lediglich in den Nachtstunden bzw. im tiefen Winter geschlossen. Eine innere Wärmeschutz-Isolierverglasung mit einem U-Wert von 1,2 W/m²K stellt zwar nicht das Optimum eines Wärmeschutzes für den Winterbetrieb dar, wurde jedoch eingesetzt, um in den Abendstunden und im Sommer die Wärmeenergie zum Teil abfließen zu lassen. Die Kastenfensterstruktur kann während der Nachstunden geöffnet werden, d.h. die innere Isolierverglasung wird aufgedreht (Dreh-Kippflügel), so dass als Barriere nur noch die äußere VSG-Verglasung der Entwärmung entgegensteht (u-Wert ca. 5,8 W/m²K). In der äußeren, statisch bedingten Konstruktion vor den Fassaden sind Beschattungselemente eingesetzt, die in Gänze auch hätten Photovoltaikflächen sein können. Führt man anhand der jeweiligen Peakleistungen einen Vergleich für Wärmeenergie, Kälteenergie, elektrische Energie durch, so ergibt sich ein Jahresverbrauch bzw. ein Jahresertrag in etwa wie folgt:

Der Heizenergiebedarf (ohne innere Lasten) beträgt ca. 3360 MWh/a, der Heizenergiebedarf (abzüglich innere Wärmelasten) ca. 660 MWh/a (Bürobetrieb), der Bedarf an Kälteenergie ca. 2980 MWh/a. Der elektrische Energiebedarf (inklusive Kältetransport) liegt bei rund 5810 MWh/a. Hieraus resultiert ein Endenergiebedarf von ca. 53,2 kWh/m²_BGFa. Der Solarertrag der PV-Anlagen errechnet sich mit ca. 154 MWh/a, der Windertrag liegt bei ca. 308 MWh/a. Somit wird ca. 8 % der im Gebäude benötigten Energie durch erneuerbare Energien bereitgestellt.

3. Icade tower, Mitteleuropa (Kontinentalklimazone)

Für einen mitteleuropäischen Standort wurde ein Turm (Bild 7) mit angegliedertem Flachbau entwickelt, der als umnutzbare Immobilie betrieben werden soll. Dabei sollte sich der Turm mit seinem Flachbau weitestgehend aus den natürlichen Ressourcen des Standorts zum Betreiben bedienen. Die Fassadenfläche des Turms beträgt ca. 5500 m² südorientiert und ca. 4500 m² nordwest- und nordostorientiert. Rund 36 % der Fassadenfläche besteht aus Glasflächen, die in einer Pfosten-Riegel-Konstruktion eingestellt sind, um je nach Nutzung Fenster- und Wandflächen austauschen zu können. Bilder zeigen die angestrebten Lösungen und Ansätze zur Gestaltung. Erster Schritt in der Planung musste das Bemühen sein, den Wärmeenergieverbrauch, den Kühlenergieverbrauch und den Verbrauch an elektrischer Energie soweit als möglich zu reduzieren. Aus diesem Grund wurden Wärmedurchgangskoeffizienten für opake Wandelemente 0,2 W/m²K und für Fensterelemente 0,7 W/m²K gewählt. Der natürliche Luftwechsel infolge Leckage (Fugendichtigkeit) wird mit 0,3fach errechnet.

Zur optimalen Beschattung im Sommerbetrieb und vor allem zur weitestgehend natürlichen Lüftung in der Übergangszeit wurde eine Kastenfensterkonstruktion konzipiert, die die Veränderung der u-Werte im Fensterbereich von 0,7 W/m²K auf ca. 5,5 W/m²K zulässt.

Hinter einer öffenbaren äußeren Verbund-Sicherheitsglasscheibe befindet sich ein hochwertiger Sonnenschutz, der in Verbindung mit der dahinter liegenden Isolierverglasung (u-Wert 1,0 W/m²K) zu einem g-Wert ohne Sonnenschutz von ca. 0,46 und mit Sonnenschutz ca. von 0,06 führt. Infolge der im Wesentlichen nach außen orientierten, tagesbelichteten Räume wurde auch unter Berücksichtigung der Reduzierung des elektrischen Energieverbrauchs eine zonale Beleuchtung geplant, die bei ca. 350 Lux lediglich eine Anschlussleistung von ca. 7 W/m² besitzt. Die Belüftung der Büroflächen sowie Apartments und Hotelzimmer erfolgt über einen ca. 0,94fachen Luftwechsel, was einer Außenluftrate von 35 m³/hP in den Hotelzimmern und einer solchen von 28 m³/hP in den Büros entspricht.

Für den Standort wurde eine detaillierte Untersuchung der Windenergieerträge mit mittleren Windgeschwindigkeiten erarbeitet. Da das Gebäude lediglich eine Höhe von ca. 100 m besitzt, liegen die jährlichen Windenergieerträge in einem moderaten Bereich. Die elektrischen Energieerträge auf Basis Photovoltaik ergeben sich aus der Globalstrahlung des angenommenen Standortes sowie der Lage/Stellung der Photovoltaikanlage, südorientiert. Die Globalstrahlung zeigt das typische Profil von Ländern, die im Bereich zwischen dem 40 und 65 ° (Breitengrad) liegen. Beim Gebäude vorgesehen sind Photovoltaikelemente in vertikalen Fassaden (90°, ca. 1940 m² netto) sowie annähernd horizontalen PV-Dachflächen (15°, 1480 m² netto). Das Energiesystem des Gebäudes basiert auf der Anbindung an ein Fernwärmesystem bzw. eines Mittelspannungsnetzes der städtischen Versorgung, das als Elektrospeicher dient. Wie aus der Darstellung in Bild 8 ersichtlich, ist das ca. 450 m lange und unter dem Flachbau liegende Thermolabyrinth ein wesentliches Element zur Reduzierung der Spitzenleistung (Wärmeenergie/Kälteenergie Raumlufttechnischer Anlagen), erzeugt jedoch geringere Erträge über das gesamte Jahr, da nur die zugeführte Außenluft behandelt wird. Im Sommer soll die Außenluft für das Gebäude anfänglich über ein Thermolabyrinth abgekühlt werden – die nachgeschaltete Grundwasserkühlung übernimmt den wesentlichen Teil der nötigen Kühlenergieerzeugung bei geringstem Einsatz elektrischer Energie (Pumpenleistungen). Die elektrische Energieversorgung setzt sich aus einer Netzversorgung und der Versorgung über ein BHKW zusammen, wobei dieses bei einer angenommenen Laufzeit von 5000 h/a einen wesentlichen Beitrag zur Stromversorgung liefert. Sowohl die Photovoltaikelemente als auch das Windrad tragen mit nennenswerten Anteilen zur elektrischen Energieversorgung bei, jedoch ist es notwendig, jederzeit die überschüssigen Energieerträge entweder an Drittnutzer abgeben zu können oder anderweitig zu speichern. Das Zusammenspiel der verschiedenen Elemente der Luftaufbereitung, Heizung, Kühlung und Stromversorgung ergibt sich aus der schematischen Darstellung der gesamten Systemtechnik (Bild 8). Während die Kälteenergie zu 100 % aus erneuerbarer Energie bezogen wird, beträgt der Anteil erneuerbarer Energien bei der Wärmeerzeugung lediglich 14 %. Der Anteil erneuerbarer Energie mit 52,8 % bei der Erzeugung elektrischer Energie ist außerordentlich hoch, wobei sowohl die Photovoltaik als auch das Windrad jeweils einen annähernd hälftigen Beitrag liefern. Fasst man sämtliche Energieverbrauchswerte mit 2010 MWh/a zusammen und stellt sie ins Verhältnis zur bezogenen Energie, so ergibt sich ein Gesamtertrag aus erneuerbarer Energie von ca. 64 %.