future:workspace

Schwerpunkt bei der Wärme- und Kälteversorgung der Büroeinheiten im future:workspace bilden die dezentralen Techniksysteme. Mit diesem Einsatz wird der Trend von der zentralen Versorgung des Gebäudes hin zu einer individualisierten und bedarfsorientierten Konditionierung ermöglicht. Gewünschte Raumklimaanforderungen sind zukünftig individuell und arbeitsplatzbezogen einstellbar und bei Bedarf durch Speicherung der Parameter auf andere Arbeitsplätze übertragbar. Die Veränderung der technischen Ausgangssituation soll unnötigen Energieeinsatz zur Raumkonditionierung vermeiden, da ein Bedarf erst bei zeit- und nutzerbezogenen Abruf gedeckt werden muss. Durch die Betriebsoptimierung soll die Lebensdauer der gebäudetechnischen Anlagen erhöht und der CO₂-Ausstoß verringert werden. 

Ein Überblick der zum Einsatz kommenden Gebäudetechnikkomponenten in den als Laboreinrichtung ausgestatteten Büros ist im Systemschnitt (Bild 1) dargestellt.

Schwerpunkt der Umbaumaßnahme im 9. OG des „BS4“-Hochhauses zum future:workspace bildet die Fassadensanierung. Zum Einsatz kommt die Schüco E²-Fassade (Bilder 2 und 3), die als energieeffizientes Gesamtsystem aus verschiedenen Funktionsmodulen besteht. Ein Funktionsmodul integriert die dezentrale Gebäudetechnik zum Heizen, Kühlen und Lüften, das die technischen Anlagen auf die Höhe der Geschossdecke komprimiert. Hier befindet sich auch der außen liegende Sonnenschutz, der das Modul zur Fassadenaußenseite abschließt. Durch die kompakte Anordnung lassen sich im future:workspace raumhohe Verglasungen realisieren.

Raumklima-Forschungslabore

unter realen Betriebs­bedingungen

Mit der Fertigstellung der Sanierung und dem Einzug des Instituts in die Büro-Forschungslabore beginnt das wissenschaftliche Begleitprogramm. Regelungs- und Steuerungskomponenten bzw. die Gebäudeautomation des TestBeds, sowie die umfangreiche Messtechnik werden in Betrieb genommen. Zur detaillierten Analyse des thermischen Komforts wird eine Langzeitmessung zur Erfassung relevanter Parameter durchgeführt. Die Messdaten werden über einen längeren Zeitraum kontinuierlich erfasst, so dass eine Evaluierung des Raumkomforts auf Grundlage der DIN EN 13 779, der Behaglichkeitskriterien nach Fanger bzw. nach DIN EN ISO 7730 möglich ist.

Die Ergebnisse der Langzeit-Monitorings werden durch Kurzzeitmessungen ergänzt, bei den stichprobenartig eine komplexere Erfassung relevanter Raumklimadaten in Kombination mit einer Kurzbefragung der Nutzer in den jeweiligen Räumen durchgeführt wird. Durch die Vorgehensweise ergibt sich ein umfassendes Bild des thermischen Komforts unter realen Bedingungen.

Das durchgeführte Langzeit-Monitoring betrachtet u.a. das Verhältnis von Außen- zur operativen Raumtemperatur über einen definierten Zeitraum. Dabei sind bestimmte Temperaturbereiche bei der operativen Raumtemperatur in Abhängigkeit der Außentemperatur empfohlen. Dies ist in Bild 4 durch die schwarzen Linien gekennzeichnet. Die dargestellten Punkte sind gemessene Stundenwerte – aufgezeichnet in einem Zeitraum von montags bis freitags zwischen 8 und 18 Uhr. Dabei stellen die schwarzen Punkte die Zeiträume ohne aktive Konditionierung der Räume und die blauen und roten Punkte die Zeiträume mit Belüftung bzw. Belüftung, Heizung und Kühlung dar. In den hier untersuchten Fällen findet keine Fensterlüftung statt.

Es wird deutlich, dass mit der modularen Schüco E²-Fassade auch bei vollverglaster Variante die Komfortkriterien eingehalten werden können. In dem untersuchten Szenario sind dazu die Funktionen zur aktiven Kühlung (Leistung ca. 30 W/m²), Heizung und/oder Belüftung über die Fassadenlüftungsgeräte sowie der außenliegenden Sonnenschutz aktiviert.

In einem zweiten gemessenen Zeitraum vom 1. April 2012 bis 1. Juni 2012 (Kühlperiode nach Optimierung der Anlagentechnik) wird in ca. 60 % der Betriebszeit ein behagliches Raumklima der Kategorie A und in 98 % der Betriebszeit bis Kategorie C nach DIN EN ISO 7730 sichergestellt. Diese Ergebnisse des Langzeitmonitorings werden durch Kurzzeitmessungen ergänzt. Sie unterstützen die Auswertung zur Bewertung der stark von den meteorologischen Bedingungen abhängigen Raumtemperatur und definieren den Nutzerkomfort über einen kurzen, definierten Zeitraum.

Das Ergebnis der Messung vom 21. Mai 2012 (Bild 5) bestärkt die Aussage der Langzeitmessung nach Optimierung der Anlagentechnik. Trotz Außentemperaturen von max. 28 °C ist zu jedem Zeitpunkt der Messperiode ein behagliches Raumklima der Kategorie A bis C gegeben.

Als Referenzmessung zu den Fassadenlüftungsgeräten dient die Messung ohne aktive Konditionierung der Räume (schwarze Punkte). Während dieses Messintervals findet keine Belüftung, Heizung oder Kühlung der Räume und auch keine Fensterlüftung statt. Das Ergebnis dieser Messung verdeutlicht, dass trotz Verwendung einer hochwertigen Sonnenschutzverglasung und der manuellen Bedienung des Sonnenschutzes erwartungsgemäß ein Überhitzen der Räume bis zu ca. 10 % der Betriebszeit auftreten kann. Bereits bei Außentemperaturen von >20 °C kann es bei direkter Sonneneinstrahlung zu unbehaglichen Innenraumtemperaturen, zum Teil deutlich über 26 °C, kommen.

Neben der operativen Raumtemperatur ist die im Büro-Forschungslabor vorhandene CO₂-Konzentration ein wichtiger Indikator für das Behaglichkeitsempfinden. Durch den Einsatz der dezentralen Fassadenaußenluftgeräte ist der hygienisch notwendige Luftwechsel bereits bei Lüftungsgeräte-Leistungsstufe 1 für die zwei in den Büros arbeitenden Personen gegeben (Bild 6). Im Regelfall liegt die gemessene CO₂-Konzentration unter 1000 ppm (rote Fläche) – dies entspricht der Luftqualitätsklasse IDA II. Sobald jedoch die mechanische Frischluftzufuhr über die Fassadenlüftungsgeräte unterbunden wird, erhöht sich die CO₂-Konzentration deutlich und es werden Konzentrationen zwischen 1000 und 1400 ppm, teilweise sogar darüber gemessen. Eine erhöhte CO₂-Konzentration in der Raumluft hat negative Einwirkungen auf das Wohlbefinden und führt zu einer Abnahme der Leistungsfähigkeit.

Bereits bei Leistungsstufe 1 der Fassadenlüftungsgeräte mit einem Volumenstrom von 80 m³/h ist ein ausreichender Luftwechsel von 1,6 h^-1 zur Erreichung der Luftqualitätsklasse IDA II sichergestellt.

Gebäudeautomation zur Reduzierung des Energieverbrauchs

Um einen komfortgerechten, funktionsbestimmten Betrieb der im future:workspace eingesetzten technischen Komponenten zu gewährleisten, sind zwei internetbasierte Gebäudeleittechnik-Systeme integriert. Hiermit ist es möglich den Zugriff auf die Raumkonditionierung durch einen Arbeitsplatzrechner, ein zentrales Bedientableau (Touch-Panel) oder über einen Fernzugriff individuell und nutzerbezogen zu ermöglichen. Die Bedienerfreundlichkeit der eingesetzten Gebäudeautomation erhält dabei besondere Aufmerksamkeit, da es den Grad zwischen unnötiger Belastung durch ständig erforderliche Nutzereingriffe reduziert. Die Nutzerzufriedenheit und der Nutzerkomfort werden in gleicher Weise analysiert, wie die Auswirkungen auf den energieeffizienten Gebäudebetrieb und die Arbeitsprozesse im täglichen Ablauf. Neben dem von der Fa. Imtech entwickelten System „Raumtalk“, das in drei der vier Räume eingesetzt wird, ist ein Büro-Forschungslabor mit dem Gebäudeautomatisierungssystem „SmallCAN“ ausgestattet. Dieses openSource Feldbussystem mit integraler Energieversorgung wurde am Institut für Verkehrssicherheit und Automatisierungstechnik der TU-Braunschweig in Kooperation mit Fa. iQST GmbH und durch Forschungsprojekte von DBU und EFRE entwickelt. Das Feldbussystem ermöglicht es, eine hohe Anzahl an Funktions-Knoten energiesparend miteinander zu vernetzen und erlaubt gleichzeitig eine schnelle Anpassung an verschiedenste Aufgabenfelder. Als dezentral orientiertes Feldbussystem ermöglicht „SmallCAN“ die Vernetzung von bis zu 1000 Busknoten in einem Segment mit einer Gesamtleitungslänge von 1000 m. Die geplante Kostenreduzierung des GLT-Systems soll durch die Verwendung herkömmlicher Produkte wie z. B. Telefonkabel als Busmedium und Standardkomponenten zur Vermeidung von Spezialanfertigungen sowie durch den Verzicht auf eine Zentraleinheit realisiert werden. Durch die Einhaltung der Vorgaben für die Energieversorgung und die damit verbundene geringe Leistungsaufnahme eines einzelnen Busknotens ist ausschließlich ein Netzteil zentral zu installieren, welches alle Busteilnehmer über das Buskabel mit Energie versorgt. Hinsichtlich der Anforderung an Flexibilität, geprägt durch den Forschungscharakter des future:workspace, hat sich das „SmallCAN“-System als leistungsfähig erwiesen.

Mit dem Ziel von „SmallCAN“, unter den Aspekten von low-power und low-cost eine vollständige dezentralisierte Vernetzung konsequent zu verfolgen, reduziert sich der Kabelaufwand bei der Installation des „SmallCAN“-Systems deutlich. Der dezentrale Ansatz erfordert die Ausstattung eines jeden Aktors und Sensors aus dem future:workspace mit einem universellen, verbrauchsarmen und robusten Buskoppler, der sich auf seine zugewiesene Aufgabe zur Ansteuerung seiner jeweiligen Aktorik bzw. Auswertung seiner jeweiligen Sensorik beschränkt. Zur hardwaretechnischen Anpassung wird ein spezifisches Anwendungsmodul bereitgestellt, auf welches der universelle Buskoppler aufgesteckt wird. Bild 7 zeigt eine Busanbindung des Systems an einen elektrischen Stellantrieb der Fa. Belimo unter Verwendung eines Anwendungsmoduls und des universellen Buskopplers. Die softwareseitige Ansteuerung der Geräte wird über Firmware-Module (SF) realisiert, welche via Bus auf den jeweiligen Buskoppler programmiert werden.

Nach diesem Prinzip wurden ca. 100 Sensoren und Aktoren bustauglich konfiguriert und in dem mit SmallCAN ausgestatteten Büro-Forschungslabor installiert. Sie erfüllen als intelligente Busteilnehmer Funktionen der Gebäudeautomatisierung wie beispielsweise komplexe Helligkeits- oder Klimaregelungen. Diese kooperativen Funktionen verarbeiten lediglich die für sie relevanten Daten, die auf dem Bus bereitgestellt werden und können daher als hardwareunabhängige Softwaremodule (FSF) realisiert werden. Durch dezentrale Verteilung der FSF-Softwaremodule auf beliebige Buskoppler mit vorhandener Speicherressource, benötigt das SmallCAN-System keinen zentralen Steuerrechner und arbeitet dadurch autark.

Zur Bewertung der Energieeffizienz und des Nutzerkomforts ist mithilfe von Interaktionen der verteilten Busknoten eine Klimaregelung implementiert, die in verschiedensten Szenarien betrieben werden kann. Mehrere Heiz-, Kühl- und Lüftungssysteme können sich dabei individuell gewichtet an der Klimaregelung beteiligen. Außerdem werden sämtliche Messdaten zur Bewertung der Energieeffizienz und des Nutzerkomforts erhoben und gesichert.

In weiteren Forschungsvorhaben und Realisierungsprojekten werden die Potentiale des SmallCAN-Systems weiter analysiert und optimiert. Ziel ist die Entwicklung eines leistungsfähigen Systems, das sich vergleichend zu konventionellen Systemen am Markt etabliert.

Akustik zur Steigerung der Arbeitsplatzqualität

Neben dem thermischen Komfort und der Steuerung bzw. Bedienung der Raumfunktionen bildet die Akustik einen entscheidenden Bestandteil der Qualitätsanforderungen an Büroarbeitsplätze. Bei einer jüngst abgefragten Rangordnung der individuellen Wichtigkeit verschiedener Arbeitsplatzmerkmale rangiert Akustik sogar an erster Stelle. Im future:workspace wird dem in verschiedenen Bereichen überdurchschnittlich Rechnung getragen.

Während der Umbaumaßnahme des 9. Obergeschosses zum future:workspace entstanden verschiedene Teilbereiche mit sehr unterschiedlicher Nutzung (Bild 8). Realisiert wurde neben den Forschungslaboren mit der neuen Fassade, der Seminarbereich im Mittelpunkt der Etage, studentische (Computer)-Arbeitsplätze, eine „Lounge“ sowie ein „Quiet-Room“ als Rückzugsbereich. Beson­ders zu berücksichtigen ist, dass diese Zonen keinerlei schalldämmende Abgrenzung aufweisen – lediglich beim Rückzugs­bereich gibt es eine Schiebetür mit Schallschutzfunktion.

Bei den durchgeführten Mess­ungen werden die akustischen Verhältnisse in der Etage be­züg­lich ­diverser Vorgaben von Mindestanforderungen in Bauvorschriften aber auch hinsichtlich zahlreicher Angaben und Empfehlungen zum akustischen Komfort in einschlägigen Normen, Regelwerken und in der wissenschaftlichen Literatur überprüft und bewertet. Dabei werden der Betrieb und die Qualität nach innen und der bauliche Schallschutz der Fassade analysiert.

Die Untersuchungen sind hinsichtlich des „Grundgeräusches“ beim „Seminarbetrieb“ im an­gren­zenden Großraum bzgl. der „Gehgeräusche“ vor den Bü­ro­räu­men bei geschlossenen und offenen Büroraumtüren er­folgt.

Außerdem werden die Störgeräuschverhältnisse durch die dezentrale Klimatisierung der Räume, sowie das Eindringen von Straßenverkehrslärm durch die Fassade einschließlich der Lärmsituation von vorbeifahrenden Straßenbahnen verursacht.

Es zeigt sich, dass in der Lounge die Störgeräuschpegel selbst bei lebhaftem Seminarbetrieb zwar die obere Grenze des Bereichs akzeptierbarer Pegel erreichen, diese aber nicht wesentlich überschreiten.

Eine offene Gestaltung der Bereiche mit differenzierter Auswahl von raumakustischen Maßnahmen ist bei integraler Planung möglich.

Die Ermittlung der Terzpegel der Nachhallzeiten im Umfeld der Forschungslabore zeigt, dass es durchaus gelingt, in einem Großraum durch entsprechende Wahl der „Deckenabsorber“ in sinnvollem Maße unterschiedliche Nachhallzeiten zu erzeugen. Erzielt werden mittlere Nachhallzeiten von 0,92 s im Sprecherbereich vor der Projektionsleinwand und von 0,66 s im vom Sprecher aus gesehen entferntesten Bereich der Lounge bzw. unmittelbar vor den Büroräumen. Im Zuhörerbereich zeigt sich ein sehr gleichmäßiger Verlauf der mittleren Nachhallzeiten über der Frequenz, was Voraussetzung für eine gute Sprachverständlichkeit ist. Diese Erfahrungen werden durch die Rückmeldungen aus dem Betrieb bestätigt.

Bei den in den drei Büroräumen ermittelten Frequenzverläufen der Nachhallzeiten ergibt sich im Bereich von 200 Hz bis über 5000 Hz ein ausgeglichener Verlauf. Bei einem Büro-Forschungslabor liegen die Werte innerhalb des Sollbereichs, wenn auch exakt auf der oberen Grenzlinie. Für die beiden anderen Büroräume zeigen sich die Nachhallzeiten etwas über 20 % höher als die obere Sollbereichsgrenze. Dies ist auf die technische Ausstattung der Büroräume zurückzuführen, da in den beiden letztgenannten Räu­men eine aktive Heiz- und Kühl­decke mit geringerem Ab­sorp­tionsverhalten eingebaut ist.

Eine weitere Untersuchung zeigt, dass sich durch die Möblierung die Nachhallzeiten gegen­über dem völlig leeren Raum in der Bauphase erheblich verringern, insbesondere im mittleren Frequenzbereich. Die zusätzlich eingebrachte äquivalente Ab­sorp­tionsfläche beträgt A_zus = 5,6 m².

Die subjektive Prüfung der Raumakustik und die eingehende Befragung der Personen, die diesen Raum seit mehreren Mo­na­ten nutzen, bestätigten aus­drücklich den hohen akus­tischen Komfort. 

Die messtechnische Bestimmung der Schalldämmung der Außenfassade bei geschlossenem Fenster ergibt ein bewertetes Bauschalldämmmaß von R’w = 33 dB – es wird die Schallschutzklasse 2 nach VDI 2719 erreicht.

Messung der Sprachverständlichkeitsindices in den Büroräumen und Bewertung

Die Büroräume sind mit aktiven Systemen zur Heizung und Kühlung an der Decke ausgestattet. Dabei kommen unterschiedliche Produkte zum Einsatz. Ausgezeichnete Sprachverständlichkeit mit einer Nachhallzeit im Sollbereich wird für das Büro erreicht, das mit einer gelochten Gipskartonplatte mit rückseitig eingefrästen Kapillarrohrmatten (Hersteller: ClimaDomo Heiz- und Kühlsysteme GmbH) versehen ist.

Die Decken der weiteren Räume im Büro-Forschungslabor mit raumakustisch unterstützender Funktion erreichen das Prädikat „gut“. Dabei handelt es sich um die Integration von Comfort-Panel als Rasterdecken der Fa. Uponor. Neben der akustischen Funktion dient dieses System als thermisch aktive Deckenplatte zum Kühlen und/oder zum Heizen.

Die realisierte Forschungsumgebung zeigt, dass auch bei hohen Verglasungsanteilen in der Fassade und den Trennwän­den unter Berücksichtigung einer ganzheitlich geplanten Lö­sung, ein hoher akustischer Komfort erreicht werden kann. Hinsichtlich der dezentralen Lüftungs­geräte ist bei der Auswahl der Produkte und der Einbausituation auf einen reduzierten Störgeräuschpegel zu achten.

Zielsetzungen im future:workspace

Mitte 2012 werden die Ergebnisse der Fassadensanierung in einem Abschlussbericht zusammengefasst und veröffentlicht. Informationen zur Verbesserung der Schnittstelle zwischen den eingesetzten technischen Komponenten und Regelungssystemen sowie Optimierungsmöglichkeiten hinsichtlich Behaglichkeit am Arbeitsplatz, Energieeffizienz und Nutzerkomfort werden bezogen auf den jeweiligen Anwendungsfall herausgestellt. Darüber hinaus werden weiterhin Produkte im future:workspace hinsichtlich ihrer Tauglichkeit in modernen Büroarbeitswelten getestet.

Neben der wissenschaftlichen Begleitung ist der future:workspace eine Plattform, die im Zusammenspiel von Architektur, Technik und Nutzung die Büroarbeitsplätze von morgen mit zukunftsorientierten Produkten demonstriert. Dabei ist der derzeitige Ausbauzustand nicht dauerhaft fixiert, sondern im Sinne der Funktion eines Labors erweiterungsfähig und veränderbar. Regelmäßig finden Veranstaltungen und Führungen in den Räumlichkeiten statt. Parallel dazu fließen die Ergebnisse des Forschungsprojekts unmittelbar in die Lehreinhalte der Architekten- und Ingenieurausbildung ein.

Langfristig wird im future:workspace ein Wissenschaftstransfer organisiert, um in regelmäßigen Veranstaltungen über neue Erkenntnisse aus Wissenschaft und Forschung zu informieren – ein Forum für innovative Architekten, Bauherren, Asset-Manager und Produkthersteller.

Literatur