Zum Energiebedarf in Bahnhöfen

– Umsteiger: weniger als 5 Minuten,

– Wartende: bis zu 60 Minuten,

– Angestellte: 8 Stunden,

– Hohe Hallen,

– Verkehrsstation (Bahnsteige),

– Vermarktungsbereiche,

– Offener ServicePoint (Zentraler Informationsschalter).

Energieeffizienz von Personenbahnhöfen bedeutet, dass

1. alle wichtigen funktionalen Aufgaben erfüllt werden und

2. dabei der Energieverbrauch minimiert wird.

Ein offensichtliches technisches Paradoxon liegt in dem resultierenden Wunsch, die Übergänge zwischen den thermischen Zonen eines Bahnhofs möglichst dicht gegen Luft- und Energie-, aber offen für Personenströme zu gestalten.

Im Folgenden werden Lösungsansätze beschrieben, die mit Hilfe verschiedener Simulationsver­fahren am Beispiel Darmstadt Hbf gewonnen wurden.

Beschreibung des Darmstädter Hauptbahnhofs

Die Bilder 1 und 2 zeigen maßstabsgetreu Grundriss und Aufriss des Empfangs­gebäudes. Der Querbahnsteig ist ebenerdig von der Em­pfangs­halle aus zu erreichen, die Bahnsteige und Gleise lie­gen unterhalb des Querbahnsteigs.

Das Modell für die Innenraumsimulation des Empfangsgebäudes umfasst die zentrale Halle und umliegend angeordneten Geschäfte (Bild 3). Sechs Klimazonen sind wie in Bild 4 dargestellt auf Erdgeschossebene verteilt. Die siebte Zone ist der obere Hallenraum und befindet sich ohne bauliche Trennung direkt oberhalb der thermischen Zone unterer Hallenbereich.

Im Gegensatz zu den Bahnsteigbereichen, auf denen sich vor­wie­gend Kunden mit kurzer Verweildauer aufhalten, befinden sich in Empfangshallen auch Arbeitsplätze für Personal und Gewerbe­treibende. Im Falle der Darmstädter Empfangshalle gibt es zwar keine Sitzplätze für Langzeitwartende, wohl aber durch Dritte betriebene Cafés und Bistrobereiche für den Aufenthalt von Bahnkunden. Da die Verweildauer der Menschen im Empfangs­gebäude deutlich höher ist als auf Bahnsteigen, die Kunden häufig zwischen den verschiedenen Zonen des Empfangsgebäudes wechseln und dabei jeweils die Empfangshalle durchschreiten, stellt sich die Frage, ob das Empfangsgebäude klimatisch betrachtet als ein klimatisierter Innenraum ausgebildet und betrieben werden, oder ob die Empfangshalle als ungeregelter passiver Puffer zwischen klimatisch autarken, jedoch zur Empfangshalle hin offenen Informations- und Gewerbezonen fungieren sollte. Diese beiden grundsätzlichen Varianten sind in Bild 5 dargestellt. Die Betrachtung hinsichtlich Raumklima und Energieverbrauch ist Ziel der im folgenden Abschnitt beschriebenen thermischen Simulationen. Außerdem soll die Frage beantwortet werden, mit welchen Maßnahmen der Wärmeenergieverbrauch der Variante beheizte Empfangshalle reduziert werden könnte.

Eine besondere Rolle innerhalb der Empfangshalle spielt der ServicePoint. Um seiner Rolle als offen zugängliches, zentrales und gut sichtbares Informationszentrum gerecht zu werden, befindet er sich im Falle des Darmstädter Hauptbahnhofs inmitten der Empfangshalle und ist ab Brüstungshöhe auf einer Längsseite vollständig geöffnet. Das Luftvolumen des ServicePoints ist wesentlich geringer als das der umgebenden Empfangshalle, so dass seine Innenraumtemperatur von der der Empfangshalle dominiert wird. In der Bestandsvariante, in der die Empfangshalle klimatisch betrachtet ein ungeregelter passive Puffer ist, kommt es im Winter zu Problemen, da das Personal im ServicePoint unter Kälte und Zuglufterscheinungen leidet, was einen hohen Krankenstand verursacht. Eine Schließung des ServicePoints kommt aus Gründen der Kundenkommunikation nicht in Frage. Die derzeit in der Praxis betriebene Lösung sieht so aus, dass die lokale Raumtemperatur mittels Heizstrahler bzw. eingeblasener heißer Luft angehoben wird. Dieses Verfahren birgt folgende Nachteile:

Thermische Gebäudesimulationen

Zunächst wird die Situation im Bestand simuliert: Die Empfangshalle ist ein passiver Puffer zwischen den Außenbereichen und den temperierten Zonen ServicePoint, Reisezentrum, Geschäften und Gastronomiebetrieben. Wie in Bild 6 dargestellt puffert die passive Halle erstaunlich gut gegen extreme Außentemperaturen. Die Innentemperaturen schwanken zwischen 5,8 °C und 26,3 °C, während die Außentemperaturen zwischen -10 °C und +32 °C liegen. Allerdings sind die Temperaturen unter 10 °C zu niedrig für die in der Empfangshalle im Sitzen arbeitenden Menschen. Die Höchsttemperaturen im Sommer stellen keine Komforteinbuße dar.

In der alternativen Variante wird untersucht, wie viel Heizenergie nötig wäre, um auch im Winter während der Betriebszeit durchgehend für Personal und Wartende zumutbare Lufttemperaturen vorzuhalten. Aus diesem Grund wird für die bestehende Bausubstanz eine Heizung mit 50 kW Maximalleistung angenommen, die so geregelt ist, dass bei Innenraumtemperaturen unter 18 °C geheizt und oberhalb von 20 °C nicht geheizt wird. Daraus ergibt sich im Jahresverlauf eine absolute Minimaltemperatur von 17,3 °C, während die Höchsttemperatur der der passiven Variante entspricht (Bild 7).

Durch den Betrieb der Heizung ergibt sich jedoch im Verlauf des Jahres ein Heizwärmebedarf von insgesamt 92,1 MWh. Die Heizung ist insgesamt 2598 h/a in Betrieb. Die genaue Bilanz der Empfangshalle ist in Tabelle 1 dargestellt.

Auffällig ist, dass in der passi­ven Variante die Fensterverluste negativ, in Wahrheit also Fenstergewinne sind. Dagegen stellt Transmission durch die Fenster in der aktiven Variante tatsächlich einen Wärmeverlust dar. Daraus ergibt sich die Frage, ob durch den Energieverbrauch in der Empfangshalle die übrigen, bisher aktiv klimatisierten Gewerbe- und Informationsflächen energetisch entlastet werden. Tabelle 2 zeigt die energetische Bilanz des gesamten Bahnhofs.

Der zusätzliche Heizenergieverbrauch der Empfangshalle wäre um etwa 55 MWh/a größer als die Summe der Einsparungen in den Gewerbezonen. Allerdings ist der ServicePoint noch nicht Teil der Simulation, da aufgrund seiner geringen Größe und der damit verbundenen geringen thermischen Trägheit gegenüber der Halle bei gleichzeitig sehr hohem Öffnungsgrad zur Halle numerische Instabilitäten bei der Berechnung der Energieströme eines Jahres auftreten.

In einem weiteren Simulationsvorgang wird geprüft, ob durch geeignete Dämmmaßnahmen der Halle der Energieverlust derart reduziert werden kann, dass der Betrieb einer beheizten Halle im Winter doch wirtschaftlich wäre.

Bild 8 zeigt einen ähnlichen Temperaturverlauf in der Halle wie Bild 7, jedoch ist der Jahresenergieverbrauch deutlich geringer. Mit etwa 60 MWh/a Wärmeenergiebedarf für die Empfangshalle statt 92 MWh/a in der beheizten, ungedämmten Variante ist aber dennoch die passive Bestandsvariante am wirtschaftlichsten. Der Grund hierfür liegt in den hohen Konvektionswärmeverlusten über die Türen nach außen, sowie die große Höhe der Halle im Vergleich zu der Höhe der Gewerbebereiche und der Menschen in der Halle. Möglicherweise könnte mehr Energie eingespart werden, wenn die warme Luft, die sich unter der Innendachkuppel sammelt, mit Hilfe technischer Ventilation wieder nach unten befördert würde. Um dies besser beurteilen zu können, wird das Konvektionsverhalten der warmen Luft in der Empfangshalle mit Hilfe von Strömungssimulationen untersucht. Ein weiteres Ziel besteht darin, Aussagen über die Gefahr von Zugluft und turbulenten Luftverwirbelungen treffen zu können. Luftgeschwindigkeiten sind neben Luft- und Strahlungstemperaturen die wichtigsten nicht individuell regelbaren Parameter für den Komfort für Menschen. Körperliche Aktivität und Kleidung können von den betroffenen Personen individuell geregelt werden.

Strömungssimulationen

Die verschiedenen Varianten der Strömungssimulationen sind in einer Übersicht „Zur Simulation“ zusammengefasst. Untersucht wird dabei schwerpunktmäßig die Verteilung der warmen Luft, die aus dem ServicePoint austritt. Der ServicePoint ist zentral in der Empfangshalle positioniert, so dass er von allen drei Zugängen zur Halle gut gesehen und erreicht werden kann. Die drei Zugänge sind die Doppeltüren zu den Vorplätzen im Osten (ÖPNV) und Süden (Taxi) sowie der Durchgang zum Querbahnsteig, dessen thermische Grenze eine Glasfassade mit drei Schiebetüren bildet. In der ersten Simulation ist nur der Durchgang zum Querbahnsteig geöffnet, die Türen zum Außenbereich im Süden und Osten sind geschlossen. In zwei weiteren Simulationen werden jeweils die Türen im Süden und Osten geöffnet, so dass sich eine Zugluftströmung in der Halle einstellt und die normale Wärmeausbreitung in der Umgebung des ServicePoints stört.

Bild 9 zeigt die Temperaturverteilung in der Z = 1 m-Ebene sowie in einem Y = 1 m-Schnitt. Außerdem sind die Luftschichten mit einer Temperatur von 20 °C als Oberfläche eingezeichnet. Sämtliche Türen der Empfangshalle sind geschlossen, lediglich der Durchgang zum Querbahnsteig ist wie in der Realität ständig geöffnet. Allerdings herrscht im Durchgang keine Druckdifferenz gegenüber der Halle. Die Lufttemperatur außerhalb der Halle beträgt 0 °C, es besteht zu diesem Zeitpunkt kein Luftaustausch mit dem Außenraum. Die Innenraumtemperatur und die Oberflächentemperatur der Wände liegen zu Beginn der Simulation bei 10 °C, die Temperatur der Türen bei 5 °C und die Abluft des ServicePoints bei 20 °C.

Vor dem ServicePoint bildet sich eine Wolke mit 20 °C warmer Luft, die auch die davor wartenden Personen umhüllen würde. Darüber hinaus wird etwa die Hälfte der Halle auf der Schnitthöhe von 1 m um 1 bis 2 K erwärmt. Der vertikale Längsschnitt zeigt ebenfalls eine Durchmischung der warmen Abluft mit der kalten Luft in der Halle an, da sich über dem ServicePoint ein etwa 14 bis 15 °C warmes Strömungsgebiet herausbildet, welches unter der Hallendecke in Richtung Ausgang Süd treibt.

Die Richtung der Luftbewegung ist in der Darstellung der Strömungspfade in Bild 10 nachvollziehbar. Solange keine der Türen geöffnet wird und auch der ServicePoint nicht abgeschaltet wird, ist dieser thermische Zustand in der Halle stabil.

Dieser scheinbar stationäre Zustand wird gestört, wenn eine Tür geöffnet wird (Bild 11). Durch die Temperatur- und Druckunterschiede in und außerhalb der Halle entsteht eine Zugluftsituation im südwestlichen Quadranten (positive Y-Richtung und negative X-Richtung) der Halle. Aufgrund der Aufstellung der Einbauten und der Orientierung des ServicePoints werden die Bereiche im Osten (negative Y-Richtung) und im Norden (positive X-Richtung) kaum beeinflusst. Die Luftgeschwindigkeit auf dem Vorplatz wurde mit 5m/s angenommen. Die Luft strömt orthogonal auf den Zugang des Empfangsgebäudes zu.

Die Bilder 12 und 13 zeigen die Temperaturverteilung in der Halle beim Öffnen einer Tür im Osten sowie beim Öffnen von Türen im Süden und Osten. Es zeigt sich, dass der Kaltluftstrom, der durch die Osttüren in die Halle eindringt und seinen Druck mit der gegenüberliegenden Öffnung zum Quergang ausgleichen kann, in der Lage ist, die Warmluftwolke vor dem ServicePoint zu durchstoßen.

In diesem Fall ist also davon auszugehen, dass sowohl die Mitarbeiter im ServicePoint als auch die Reisenden, die in der Schlange stehen oder bedient werden, unter Zuglufterscheinungen leiden. Beim Öffnen von Türen im Süden und Osten kommt es zu thermodynamischen Kurzschlüssen zwischen den Zugängen und dem Quergang. Die einströmende kalte Luft sowie die vom ServicePoint erhitzte Luft erzeugen Druckunterschiede, die sich in zwei Übergängen nach außen und einem Übergang zum Querbahnsteig ausgleichen können.

Die warme Luft des ServicePoints steigt auf, bewegt sich unter der Hallendecke auf die Ausgänge zu, verwirbelt in den Eingangsbereichen und strömt als kalte Luft auf niedrigem Höhenniveau wieder zurück. In dem Moment, in dem die Tür geöffnet wird, entsteht von draußen ein hoher Druck, so dass für einen kurzen Augenblick der Luftkreislauf unterbrochen wird. Kalte Luft drückt in die Halle und bildet eine annähernd laminare Strömung in der südlichen Hallenhälfte. Die Luftwirbel, die einen Wärmeaustausch zwischen der warmen Abluft des ServicePoints und der kalten Zuluft erzeugen, werden enger zusammengedrückt und auf den Bereich um den ServicePoint beschränkt.

Darüber hinaus stellt sich ein Luftaustausch mit dem Quergang und zum Querbahnsteig ein, da in der Halle Bereiche unterschiedlichen Luftdrucks entstehen, die sich über den Querbahnsteig ausgleichen können. Dies führt zu einem weiteren Eintrag kalter Luft in das System Empfangshalle.

Bewertung und Analyse der Simulationsergebnisse

Die thermischen Simulationen des Empfangsgebäudes in Darmstadt zeigen, dass der Energiebedarf eines Bahnhofs mit im Winter beheizter Empfangshalle höher ist als der eines Empfangsgebäudes mit thermisch ungeregelter Empfangshalle und einzeln beheizten Gewerbezonen, jedoch ohne ServicePoint.

Unter der Annahme einer energetischen Sanierung des Bahnhofs betrüge der jährliche Heizenergiebedarf für die Halle 60 MWh/a. Die jährliche Energieeinsparung in den Nebenzonen dagegen 36 MWh. Der ServicePoint, der bisher noch nicht in der Bilanz berücksichtigt wurde, hat eine maximale Anschlussleistung von 21 kW. Bei einer angenommenen Betriebsdauer von 14 h pro Tag und Heizleistung von 20 kW an 100 Tagen im Jahr sowie 1 kW Grundlast EDV, steuert der ServicePoint 28 MWh Wärme und ganzjährig 1 kW Abwärme während der Betriebszeit bei. Unter diesem Gesichtspunkt würde die Gesamtenergiebilanz beider Varianten ebenbürtig. Mit anderen Worten: Die Beheizung der Empfangshalle ist genau dann effizient, wenn der ServicePoint sehr ineffizient ist.

In der Strömungssimulation, die den Bestand abbildet, fungiert der ServicePoint als Heizung der Halle. Solange die Türen der Empfangshalle geschlossen sind, entsteht im und vor dem ServicePoint eine Warmluftwolke. Sobald die Türen der Halle geöffnet werden, wird die gleichmäßige Luftbewegung in der Halle gestört, und Warmluft fließt nach außen ab.

Aus den Ergebnissen lassen sich verschiedene Strategien ableiten:

1. Reduktion der Wärmeverluste des ServicePoints: Dadurch wird die Empfangshalle als passiver Puffer die deutlich energieeffizientere Variante. Die Kunden und Mitarbeiter in der Empfangshalle sollten gegen Zugluft geschützt werden, sodass für sie ein Gefühl thermischer Behaglichkeit entsteht. In dieser Variante kann davon ausgegangen werden, dass Bekleidung und Aktivitätsgrad in Form von Bewegung außerhalb des ServicePoints dem Temperaturniveau angemessen sind. Für Langzeitwartende müssten beheizte Wartezonen mit Garderobe angeboten werden.

2. Nutzung der Abwärme des ServicePoints: In diesem Fall müsste die warme Luft unter der Kuppel nach unten gepumpt werden. Zuglufterscheinungen in der Halle wären absolut zu vermeiden, weswegen Luftschleieranlagen an den Türen den Luftausgleich bei starken Temperaturgefällen zwischen innen und außen unterbinden sollten. Durch die Luftschleieranlagen in der äußeren Gebäudehülle würden die Luftschleieranlagen im Inneren des Empfangsgebäudes (Reisezentrum und Gastronomie) überflüssig. Der Nachteil dieser Variante bestünde darin, dass der ServicePoint mit hochwertiger elektrischer Energie beheizt würde, die Primärenergieeffizienz also relativ schlecht im Vergleich zu den anderen Varianten ausfiele.

3. Beheizte Empfangshalle – „Warmbahnhof“: Auch in dieser Variante müsste der Luftaustausch mit dem Außenbereich über die Zugangstüren auf ein Minimum beschränkt werden. Der Vorteil dieser Variante läge in dem niedrigen technischen Ausstattungsgrad des ServicePoints, der bis auf die EDV keine elektrischen Anlagen mehr bräuchte und offen gestaltet sein könnte. Zur Erwärmung der Halle müsste keine elektrische Energie verbraucht werden, die Variante wäre unter dem Gesichtspunkt des Primärenergieeinsatzes effizient. Nachteilig dürfte das Komfortempfinden der Kunden in der Halle sein, da diese ihre Kleidung gemäß Außenklima wählen und einen hohen körperlichen Aktivitätsgrad aufweisen. Im Winter könnte es also zu einem unangenehmen Wärmeschock und Schwitzen beim Betreten der Halle kommen.

4. Nutzung des natürlichen Auftriebs: In dieser Variante müssten die Service-Mitarbeiter und die Wartenden auf einem höheren Niveau in der Halle sitzen, während schnell laufende Reisende sich unter ihnen im Kaltluftsee auf dem Boden der Halle bewegen. Bei dieser Variante müssten keine besonderen thermischen und strömungsmechanischen Vorsichtsmaßnahmen an den Zugängen zur Halle vorgenommen werden. Von Nachteil wären die schlechtere Übersichtlichkeit sowie die Notwendigkeit vertikaler Bewegungen, was vor allem für Menschen mit viel Gepäck oder mit Gehbehinderungen inakzeptabel wäre.

5. Thermische Schleusen: Durch den Einsatz von klassischen Windfängen in Form von doppelten automatischen Schiebetüren und Luftschleieranlagen würde der Luftzug in der Halle reduziert und durch den Wegfall von Luftschleieranlagen im Innern der Halle teilweise kompensiert. Diese Variante würde aber die Personenströme an den Zugängen empfindlich stören.

Fazit

Personenbahnhöfe sind dynamische Systeme, die sich hinsichtlich der Vorhaltung von thermischem Komfort unter anderem an Verkehrs­aufkommen, Verweildauer der Reisenden und Außenklima anpassen können sollten. Die bestimmenden Zustandsgrößen sind jedoch nicht völlig zufällig, sondern mit statistischen Regressionsmodellen gut vorherzubestimmen. Die Zuverlässigkeit der statistischen Vorhersagen ist jedoch davon abhängig, ob regelmäßig belastbare Messungen hinsichtlich Zugverkehr, Reisendenbewegung und meteorologischen Einflüssen durchgeführt werden.

Somit lassen sich numerische und quantitative Verfahren nutzbringend im Betrieb und in der Planung von Bahnhöfen einsetzen. Im Betrieb können Prognose- und Simulationsverfahren dazu eingesetzt werden, betriebliche und thermische Zustände fortlaufend zu prognostizieren und die Durchlässigkeit der Zonengrenzen entsprechend zu verändern. Außerdem stellen Jahressimulationen eine wertvolle Unterstützung für das Energiecontrolling dar. Bei der Planung von Neu- und Umbauten kann die Simulation alternativer Varianten dazu genutzt werden, per „Versuch und Irrtum“ zu optimalen Lösungen zu gelangen. Außerdem können bereits im Entwurfsstadium thermische Extremzustände überprüft und mit Hilfe von Simulationsergebnissen die Kommunikation der Planungsbeteiligten unterstützt werden.

Durch die Kombination von

ist es möglich, eine neue Form von dynamischer Architektur zu schaffen.