DETAIL Green Mai 2014

Solar Passivhaus Decathlon oder 2012 Aktivhaus in Madrid – wo liegt die Zukunft?

Qualitätsmanagement EnEV 2014 – Fortschritt oder für gesunde Stillstand?

Innenräume Vorschau Wärmepumpen auf dieim EnEV Praxistest 2012

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Inhalt

∂Green 01/14 Sonderausgabe zu DETAIL B 2772 ISSN 1868-3835

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Magazin Magazine Wohnungsbau in Deutschland: Der steinige Weg zum Niedrigstenergiehaus Jakob Schoof

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Projekte

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Publikationen, Veranstaltungen

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Hintergrund Background Passivhaus oder Aktivhaus? Zwei Gebäudekonzepte im Wettstreit Interviews mit Wolfgang Feist und Manfred Hegger

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Nachhaltige Architektur Sustainable architecture Wohngebäude in Hamburg architekturagentur, Stuttgart

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Umbau eines Getreidesilos in Middelburg Rothuizen Architecten, Middelburg

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Ferienhaus auf Laesø Tegnestuen Vandkunsten, Kopenhagen

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Bürogebäude in Agoura Hills ZGF Architects LLP, Los Angeles

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Forschung und Praxis Research and practice Planung und Praxistauglichkeit elektrochromer Verglasungen John Mardaljevic, Ruth Kelly Waskett, Birgit Painter

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Verschattung und Raumtemperierung mit flüssigkeitsdurchströmten Glasfassaden Jochen Stopper, Volker Ritter, Daniel Gstöhl

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Bestandsfenster energetisch beurteilen – das Forschungsprojekt FensterCheck Siegfried Glaser, Helmut Weinläder

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Heizen und Kühlen mit Wärmepumpen: Erfahrungen aus dem Langzeitmonitoring Doreen Kalz, Jeannette Wapler, Danny Günther

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Produkte und Baustoffe Products and materials

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Fachwissen Specialist information Nachhaltiges Entwerfen: Strategien und Werkzeuge in der internationalen Praxis Emanuele Naboni

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Projektbeteiligte/Hersteller/Fotonachweis

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Impressum

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www.detail.de French and Italian translations are available for every issue and can be downloaded as PDF files: www.detail.de/architektur/hefte/uebersetzung

Verlag und Redaktion: Institut für internationale Architektur-Dokumentation GmbH & Co. KG, Hackerbrücke 6, 80335 München Redaktion: Christian Schittich (Chefredakteur), Jakob Schoof redaktion@detail.de, Telefon (0 89) 38 16 20-57; Anzeigen: anzeigen@detail.de; Telefon (0 89) 38 16 20-48; Vertrieb & Abonnement: detailabo@vertriebsunion.de; Telefon (0 61 23) 92 38-211 Übersetzungen: Sharon Heidenreich, Lance Phipps, Feargal Doyle, Sean McLaughlin Lektorat: Marion Linssen (deutsch), Anna Roos (englisch)

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Editorial

Noch rätseln viele Architekten und Ingenieure, was genau nachhaltige oder »intelligente« Gebäude eigentlich auszeichnet, da drängt bereits die nächste Wortmarke in den Architekturdiskurs: das „Aktivhaus“. Im vergangenen Jahr ging in Deutschland der Verein »AktivhausPlus e. V.« an den Start, um den Bau von Plusenergiehäusern voranzubringen. Auf internationaler Ebene ist die »Active House Alliance« schon etwas länger tätig. Die unterschwellige Botschaft ist klar: Ein »Aktivhaus« ist schon begrifflich das Gegenteil eines Passivhauses. Aktivhäuser sollen nicht nur klimaneutral und umweltfreundlich betrieben werden können, sondern ihren Bewohnern auch größtmöglichen thermischen Komfort und eine hohe Luftqualität im Innenraum bieten. Interessanterweise sind das ziemlich genau die gleichen Vorteile, mit denen auch die Befürworter des Passivhauses für ihr Konzept werben.

Alles Wortklauberei also? Alter Wein in neuen Schläuchen? Um das herauszufinden, haben wir mit zwei Protagonisten des energieeffizienten Bauens gesprochen: Manfred Hegger, dem Mitbegründer des AktivhausPlus e. V. und langjährigen Präsidenten der DGNB, und Wolfgang Feist, dem Gründer des Passivhaus Instituts. Die beiden Interviews in dieser Ausgabe von DETAIL Green verdeutlichen die Unterschiede beider Positionen ebenso wie grundsätzliche Gemeinsamkeiten.

Etwa diese: Klimaneutrales Bauen kann nur gelingen, wenn die Hausaufgaben auf der »passiven« Seite – gute Dämmung, Luftdichtigkeit und Wärmebrückenfreiheit - erledigt und gleichzeitig aktive Komponenten zur Energieversorgung ins Gebäude integriert werden. Auch darüber, dass Gebäude das Wohlbefinden ihrer Bewohner fördern müssen und dass quartiersübergreifenden Energiekonzepten die Zukunft gehört, waren sich die Interviewpartner einig.

Von einer ganz großen Koalition in Sachen Klimaschutz sind wir derzeit dennoch weit entfernt.

Denn während progressive Zeitgenossen wie Manfred Hegger und Wolfgang Feist Gas geben, treten andere Akteure in Deutschland – allen voran aus der Wohnungswirtschaft – mächtig auf die Bremse. Auch dies ist Thema auf den folgenden Seiten dieser Ausgabe.

Womöglich ist es ohnehin wenig zielführend, sich in Grundsatzdebatten à la »aktiv versus passiv« zu erschöpfen oder auf Basis theoretischer Zahlen über die Wirtschaftlichkeit bestimmter Energiestandards zu diskutieren. Denn bekanntermaßen kommt es auf den Einzelfall an.

Deshalb dokumentieren wir auch in dieser Ausgabe von DETAIL Green wieder herausragende Einzelfälle mit unterschiedlichsten Nutzungen – vom Ferienhaus bis zum ehemaligen Getreidesilo – in der Hoffnung, dass diese die derzeit schwelenden Grundsatzdebatten um viele Jahre überdauern werden.

Jakob Schoof

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Many architects are still puzzled by what exactly a ‘sustainable’ building is. Now the next buzzword is entering the architectural debate: namely, the ‘Active House’. In the past year the association, ‘AktivhausPlus e.V’ launched an initiative in Germany to promote the construction of plus-energy homes. The Active House Alliance is pursuing a similar goal on an international level. The underlying message is clear: an Active House is per definition the antithesis of a Passive House. An Active House should not only function in a climate neutral and environmentally friendly manner, but it should also offer its occupants the best possible internal thermal comfort and air quality.

Interestingly, these claims are almost identical to those that the proponents of the Passive House uphold for their own concept.

So what is really new about Active Houses? Are they simply old ideas dressed up as new ideas?

To find out the answers to these pertinent questions we spoke with two protagonists of energy efficient building: Manfred Hegger – co-founder of AktivhausPlus e.V. and long-time president of the German Sustainable Building Council (DGNB) – and Wolfgang Feist, founder ofthe Passive House Institute. Both interviews in this edition of DETAIL Green emphasise the differences between both positions, as well as their fundamental similarities. The latter can be summarised as follows: climate neutral buildings are only feasible if the fundamentals on the passive side – good insulation, air tightness and the avoidance of cold bridges – have been addressed and, at the same time, active components for energy production have been integrated into the building. The interviewees were also in agreement that buildings should prioritise user comfort and that the future lies in neighbourhood-wide energy concepts.

Despite this consensus, the German construction industry is far from united behind the goal of making our building stock more climate-friendly. So, whilst progressive thinkers like Manfred Hegger and Wolfgang Feist are forging ahead, other parties – especially in the residential sector – are trying to slow the pace of change. This issue is discussed in the following pages of this edition.

There is probably little point in debating the principles of ‘Active’ versus ‘Passive’ in a purely theoretical manner or to discuss the economic viability of particular energy standards on the basis of abstract figures, as the answer will inevitably depend on the individual case in its specific context. Therefore, the focus of this edition of DETAIL Green will be, as usual, on analysing exceptional case studies with various uses – from a holiday home to a former grain silo – in the hope that these will far outlive the current heated debate over sustainable principles.

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Passivhaus oder Aktivhaus?

Zwei Gebäudekonzepte im Wettstreit Passive House or Active House?

Two competing building concepts Interviews mit Wolfgang Feist und Manfred Hegger

Das Ziel ist klar, der Weg dorthin noch nicht: Über die Frage, mit welchen Konzepten sich der europaweit angestrebte Niedrigstenergiestandard ebenso verlässlich wie kostengünstig erreichen lässt, diskutieren noch die Experten. Werden ab 2021 alle Neubauten in Europa Passivhäuser sein, oder ist es an der Zeit, den Passivhausstandard zugunsten »aktiver« Gebäudekonzepte zu überwinden? DETAIL Green hat mit dem Gründer des Passivhaus Instituts, Wolfgang Feist, sowie mit Manfred Hegger, Mitbegründer des Vereins »AktivhausPlus e. V.«, gesprochen.

Wolfgang Feist: Die Probleme an der Wurzel packen Herr Feist, die EU-Gebäuderichtlinie fordert, dass alle Neubauten europaweit ab 2021 den Niedrigstenergiestandard erfüllen müssen.

Warum ist das Passivhaus hierzu Ihrer Meinung nach eine geeignete Lösung?

Erstens bewegt sich das Passivhaus in den bisherigen Entwicklungspfaden der Bautradition. Entgegen einigen weitverbreiteten Vorurteilen werden Passivhäuser nicht grundlegend anders geplant und gebaut als andere Häuser auch. Zweitens blickt das Passivhaus bereits auf eine Tradition von über 20 Jahren zurück, und es hat sich in dieser Zeit bewährt im Hinblick auf das Ziel, wenig fossile Energien zu verbrauchen. Denn das Passivhaus setzt bei den eigentlichen Ursachen der Energieverluste an, also in der Gebäudehülle und bei der Lüftung. Weil es die Probleme

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gleichsam an der Wurzel packt, ist das Passivhaus überdies kostengünstig. Das Herumdoktern an Symptomen ist dagegen in aller Regel langfristig die teurere Lösung.

Drittens bieten Passivhäuser auch im nicht energetischen Bereich große Vorteile: Sie haben eine hohe Lebensdauer, da die gute Dämmung die Konstruktion vor Temperaturschwankungen und Tauwasser schützt, sie sind behaglicher und zugleich auch gesünder als herkömmliche Gebäude, weil die Wohnungslüftung für eine geregelte Luftzufuhr sorgt. Die letztgenannten Gründe sind auch maßgeblich dafür, dass der Passivhausstandard sich schon in den 90er-Jahren etablieren konnte, als die Energiekosten deutlich geringer waren als heute.

Viele Architekten und Ingenieure arbeiten derzeit an Konzepten für sogenannte Aktivhäuser, die eine neutrale CO2-Bilanz auch ohne Passivhausstandard erreichen wollen. Was ist davon zu halten?

Im Grunde ist jede praktikable Lösung begrüßenswert, die darauf abzielt, den Klimawandel zu begrenzen. Man muss sich diese Lösungen allerdings genau ansehen. Ich halte es zum Beispiel für unsinnig, wenig effiziente Gebäude zu bauen und diese mit Holz zu beheizen, um eine neutrale CO2-Bilanz zu erreichen.

Denn die natürliche Ressource Holz als Brennstoff ist sehr begrenzt und sollte, wenn überhaupt, in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen verbrannt werden.

Eine wesentliche Rolle spielt auch die Art der Bilanzierung. Es bringt wenig, nur den Energiebedarf für Heizung, Warmwasser und Hilfsenergien für Lüftung und Pumpen zu betrachten, wie dies in der EnEV der Fall ist. Gerade der Strombedarf in Gebäuden ist heutzutage ein ganz wesentlicher Faktor – er bleibt aber zum größten Teil bei der Bilanzierung außen vor. Daher halte ich auch solche Konzepte für zweifelhaft, die einen überhöhten Heizwärmebedarf mit einer Wärmepumpe decken und deren Strombedarf dann mit Photovoltaik auf dem eigenen Dach kompensieren wollen. Denn den Photovoltaikstrom brauche ich ja in allererster Linie, um den Strombedarf für Beleuchtung und Geräte im Haus zu decken.

Die Energiewende in Deutschland kann nur gelingen, wenn Energieerzeugung und – verbrauch zeitlich besser in Deckung gebracht werden als bisher. Inwiefern sind Passivhäuser hierbei von Nutzen?

Hier muss man unterscheiden zwischen kurzfristigen und langfristigen Schwankungen in der Energieversorgung. Erstere werden derzeit schon viel diskutiert: Wenn an bestimmten Tagen ein großer Stromüberschuss aus erneuerbaren Energien anfällt, muss dieser kurzzeitig gespeichert werden können. Dazu braucht man zum Beispiel Pumpspeicherkraftwerke und Batterien. Diese Technologien gibt es bereits, wir werden sie nur in deutlich größerem Umfang benötigen als bisher.

Das wesentlich größere – und viel zu wenig diskutierte – Problem sind jedoch die saisonalen Schwankungen. Im Winter er-

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2 Hintergrund

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Wolfgang Feist ist studierter Physiker und gründete 1996 das Passivhaus Institut in Darmstadt. Seit 2008 ist Wolfgang Feist Professor für Hochbau, Bauphysik und Gebäudetechnik an der Universität Innsbruck.

Wolfgang Feist studied physics and founded the Passivhaus Institute in Darmstadt in 1996.

Since 2008, he has been professor for Building Construction, Building Physics and Building Systems Engineering at Innsbruck University.

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reicht die Stromerzeugung sowohl aus Photovoltaik als auch aus Wasserkraft ihr Minimum; gleichzeitig ist dann der Energiebedarf am höchsten. Hauptverantwortlich dafür ist vor allem die Gebäudebeheizung im Winter, für die wir immerhin fast 40 Prozent des deutschen Endenergiebedarfs aufwenden.

Bei den saisonalen Schwankungen stellt sich nun das Problem, dass eine Langzeitspeicherung von Strom nur in chemischer Form möglich ist und die dafür vorhandenen Möglichkeiten – etwa die Umwandlung von Strom und CO2 in Methan – sehr ineffizient ist. Von der Energie bleibt also nur wenig übrig. Daher ist es sinnvoller, zunächst den Energiebedarf im Winter zu reduzieren – und an genau diesem Punkt setzt das Passivhaus an.

querkraft architekten: Geschosswohnungsbau in Wien (Passivhaus) Architekturwerkstatt dina4/teamk2 architects: Passivhausquartier in Innsbruck Hermann Kaufmann Architekten: Bürogebäude in Dornbirn (Passivhaus)

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querkraft architekten: residential building in Vienna (Passive House Standard) dina4/teamk2 architects: residential estate in Innsbruck (Passive House Standard) Hermann Kaufmann Architects: office building in Dornbirn (Passive House)

Lebenszeit, fällt der Heizwärme- und Stromverbrauch in der Betriebsphase deutlich stärker ins Gewicht als die Graue Energie.

Von der grauen Energie wiederum entfällt der Löwenanteil in aller Regel auf die Tragstruktur und nur ein geringer Anteil auf die Gebäudehülle. Das widerspricht dem verbreiteten Vorurteil, bei Passivhäusern steckten Unmengen an grauer Energie in der zusätzlichen Dämmung. Wir halten es daher für wenig praktikabel, wegen fünf oder sechs Prozent an grauer Energie, die ein Passivhaus zusätzlich erfordert, für jedes Gebäude eine komplette Ökobilanz zu verlangen.

Wie hoch beziffern Sie die durchschnittlichen Mehrkosten eines Mehrfamilien-Passivhauses gegenüber einem Gebäude nach EnEV-Standard in Deutschland?

Bei ehrlicher Betrachtung sind es derzeit rund 75 Euro pro Quadratmeter Nutzfläche. »Ehrlich« heißt: Man muss Gleiches mit Gleichem messen. Wenn ich für ein Passivhaus eine besonders kostengünstige Konstruktionsart wähle, muss ich diese natürlich auch bei dem Vergleichsgebäude nach EnEV ansetzen.

Um Passivhäuser zu solch geringen Mehrkosten zu bauen, bedarf es jedoch einiger Erfahrung; das schafft nicht jeder. Hier sehen wir beim Passivhaus Institut daher auch eines unserer Hauptziele: das Know-how zum Bau günstiger Passivhäuser möglichst weit zu verbreiten.

Bisher zielt der Passivhausstandard allein auf einen möglichst energieeffizienten Gebäudebetrieb ab, blendet aber die CO2-Bilanz komplett aus. Gibt es Initiativen, den Standard künftig in diese Richtung weiterzuentwickeln?

Wir blenden die CO2-Bilanz nicht aus, sondern legen für die Bewertung den Verbrauch an nicht erneuerbarer Primärenergie zugrunde. Das schließt auch nuklear erzeugten Strom ein, der bei einer reinen CO2-Bilanzierung unbeachtet bleiben würde. Theoretisch lassen sich – und das wird in Frankreich und Großbritannien auch getan – sehr günstige CO2-Bilanzen für Gebäude erreichen, wenn man diese weitgehend mit Atomstrom betreibt.

Aber wir wissen alle, dass man sich damit einen ganzen Strauß anderer ökologischer Probleme einhandelt.

Allerdings hat auch die nicht erneuerbare Primärenergie als Bewertungskriterium ihre Grenzen. Weil in Deutschland immer mehr Ökostrom erzeugt wird, sinken die Primärenergiefaktoren für Strom derzeit – mit der Folge, dass ein und dasselbe Gebäude bei der Bewertung plötzlich deutlich besser dasteht als zuvor. So lässt sich kein zuverlässiger Maßstab bilden. Wir arbeiten beim Passivhaus Institut daher an einer neuen Bewertungsmethode auf Basis einer künftigen, komplett regenerativen Energieversorgung. Die Frage lautet also: Wie wird die energetische Performance des Gebäudes im Jahr 2060 oder 2080 aussehen, wenn sich Deutschland komplett aus erneuerbaren Energiequellen versorgt? Die meisten Gebäude, die wir heute errichten, werden dann nämlich noch stehen.

Werden Sie die graue Energie in der Gebäudekonstruktion künftig in die Bewertung mit einfließen lassen?

Nach meiner Beobachtung ist die derzeit geführte Diskussion um graue Energie im Wesentlichen ein Konkurrenzkampf zwischen unterschiedlichen Herstellern, die ihre Produkte in einem möglichst guten Licht darstellen möchten. Aus diesen Konflikten möchten wir uns gern heraushalten. Natürlich haben wir uns mit dem Thema befasst, dabei aber zwei Dinge festgestellt: Betrachtet man den gesamten Energieverbrauch eines heute errichteten, durchschnittlichen Neubaus über die gesamte

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Wohngebäude in Hamburg Residential building in Hamburg Haus ohne Zusatzstoffe A house without additives

Sieht so die Zukunft des Wohnens aus? Die »Neue Mitte Wilhelmsburg«, die im Rahmen der Internationalen Bauausstellung (IBA) 2013 in Hamburg entstanden ist, sollte nach dem Willen der IBA-Initiatoren Möglichkeiten aufzeigen, wie künftige Wohngebäude ökologischer, flexibler, attraktiver gestaltet und dennoch bezahlbar bleiben könnten. Manches an diesem Vorhaben – der Innovationsgedanke, der Ausstellungscharakter, der Fokus auf Kosten und Bezahlbarkeit – knüpft an vergangene Internationale Bauausstellungen an. Vieles ist hingegen neu, etwa die verwendeten Effizienztechnologien oder die (gerade für Hamburg bislang untypische) Beschäftigung mit Methoden des modernen, vorgefertigten Holzbaus.

Herausgekommen ist bei dem Unterfangen eine recht bunte Sammlung aus 15 Solitärbauten, die außer ihrer Höhe (sie sind mit wenigen Ausnahmen vier- bis fünfgeschossig) wenig gemeinsam haben. Seine Genese als Ausstellungsgelände ist dem Areal noch deutlich anzumerken: Die Neubauten stehen weitgehend unvermittelt auf der grünen Wiese; die niedrigen Hecken bieten bisher nur geringen Sichtschutz. Eine Differenzierung zwischen öffentlichen, halb öffentlichen und privaten Bereichen findet so gut wie nicht statt.

Der fünfgeschossige »Woodcube« steht genau in der Mitte des Quartiers. Er wirkt gestalterisch zurückhaltender und in sich verschlossener als die meisten seiner Nachbarn und ist zugleich derjenige Neubau im Quartier, der den ökologischen Anspruch der Bauausstellung auf die Spitze treibt. Das Haus trägt das Holz nicht nur im Namen und an der Fassade, sondern besteht bis auf das Kellergeschoss und den Aufzugskern – einschließlich Wärmedämmung – fast komplett aus diesem Material. Und damit nicht genug: Die Konstruktion ist leim-, lack- und lösemittelfrei. Alle Baumaterialien wurden auf ihre baubiologische Verträglichkeit hin überprüft; ferner gab der Projektentwickler eine komplette Ökobilanz in Auftrag, um den ökologischen Fußab-

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druck des Gebäudes – einschließlich Bau- und Rückbauphase – zu überprüfen. Heizung, Warmwasser und Stromversorgung sind CO2-neutral; der Primärenergiebedarf des Neubaus unterschreitet die Vorgaben der EnEV 2009 um fast 70 %. Damit erfüllt der Woodcube den Förderstandard »Effizienzhaus 40« der KfW und liegt im Bereich des Niedrigstenergiestandards, der EU-weit ab 2021 für alle Neubauten zur Pflicht werden soll.

Wohnungsvielfalt mit einheitlicher Hülle Acht Wohnungen mit Größen zwischen 79 und 185 Quadratmetern finden in dem Gebäude Platz; die Auswahl reicht von Einzimmerapartments über eine Maisonette bis zur Dachgeschosswohnung mit Rundumblick, die eine komplette Etage einnimmt.

Alle Wohneinheiten erstrecken sich von Nord nach Süd durch das gesamte Gebäude und erlauben so die – energetisch und in puncto Wohnqualität sinnvollste – Ausrichtung der Schlafzimmer nach Norden und der Wohnräume nach Süden. West-, Südund Ostfassade sind weitgehend gleich behandelt: Die horizontale Lärchenholzverschalung wird von unregelmäßig angeordneten, schwarz gerahmten Fensteröffnungen und Balkontüren durchbrochen; hinzu kommen die ebenfalls wie zufällig über die Fläche verteilten Öffnungen der dezentralen Fassadenlüftungsgeräte. Einen Materialkontrast zur Holzhülle bilden die knapp neun Quadratmeter großen Balkone mit ihren Brüstungen aus Verbundsicherheitsglas. Die Unterseiten der Balkone erhielten ebenfalls eine Lärchenholzverkleidung, sodass sie wie aus der Fassade »herausgeklappt« erscheinen.

Lediglich an der Eingangsseite im Norden hat das Haus keine Balkone. Die Erdgeschossfassade ist hier leicht zurückversetzt, um einen wettergeschützten Zugang ins Gebäude zu ermöglichen. Schlanke Stahlstützen fangen das Gewicht der Obergeschosse ab; die zurückversetzte Außenwand erhielt eine graue Putzschicht statt der sonst üblichen Holzverkleidung.

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Luftaufnahme von Wilhelmsburg-Mitte von Norden Luftaufnahme von Osten Lageplan Maßstab 1:1000 Ansicht von Südwesten Aerial photo of Wilhelmsburg-Mitte from the north Aerial photo of the site from the east Site plan Scale 1:1000 Southwest elevation

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Bauherr/Client: Woodcube Hamburg GmbH, Hamburg Projektentwicklung/Project development: DeepGreen Development GmbH, Hamburg Architekten/Architects: architekturagentur, Stuttgart Tragwerksplanung/Structural engineering: Isenmann Ingenieure, Haslach Bauphysik, Brandschutz/Building physics, fire protection: TSB Ingenieure, Darmstadt Ökobilanz/Life cycle assessment: ina Planungsgesellschaft, Darmstadt

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Die Unterkellerung des Hauses ist eher eine Ausnahme im Quartier. Untergeschosse sind aufgrund des hohen Grundwasserstands in Wilhelmsburg kostspielig zu erstellen, weshalb die Investoren zahlreicher Nachbargebäude darauf verzichteten. Dort musste dann zusätzlicher Stauraum in den Wohnungen oder im Erdgeschoss geschaffen werden. Solche Kompromisse waren beim Woodcube nicht erforderlich. Letztlich war der durch das Kellergeschoss frei werdende zusätzliche Wohnraum sogar eine Voraussetzung, um das Projekt für den Investor überhaupt rentabel zu machen.

Vom Architektenwettbewerb zum fertigen Bau Wie manch andere der experimentellen IBA-Neubauten hat auch der Woodcube eine wechselhafte Entstehungsgeschichte hinter sich. Am Anfang stand ein von der IBA 2010 ausgelobter Architektenwettbewerb, bei dem Entwürfe für sogenannte »Smart Pri-

ce Houses« gesucht waren. Die reinen Baukosten (Kostengruppe 300 + 400) sollten dabei nicht über 1000 €/m2NGF brutto liegen. Den Wettbewerb gewann ein Planungsteam unter Federführung des Instituts für urbanen Holzbau (IfuH) aus Berlin, das noch ohne Investor antrat. Dieser fand sich alsbald mit dem Projektentwickler DeepGreen Development aus Hamburg. In der Folge trennten sich Investor und Planer, und der Bauherr – der mit seinem finanziellen Engagement auch die Nutzungsrechte am Entwurf erworben hatte – beauftragte das Stuttgarter Büro architekturagentur mit einer Überarbeitung der Pläne. Die Ziele waren hierbei vor allem maximale Haltbarkeit, ein besserer Schallschutz und eine noch konsequenter an ökologischen Prinzipien orientierte Konstruktion. Decken und Außenwände sollten nun komplett aus Massivholz bestehen; die Konstruktion wurde weitestgehend von Kunststofffolien, Lacken, Leimen und Verbundwerkstoffen befreit.

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Wohngebäude in Hamburg

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The five-storey ‘Woodcube’ apartment building is part of a new housing development in the centre of the Hamburg district of Wilhelmsburg. The building was erected for the International Building Exhibition (IBA) in Hamburg in 2013. Although its design seems more reserved and introverted than most of its neighbours, it is in fact the single new building in the ensemble where the architects have most seriously tried to take ecological design to a higher level.

The building is composed almost exclusively from wood – including the thermal insulation – with the exception of the basement level and the lift shaft. Furthermore, the construction itself is free of toxic glues, paints and solvents. All construction products were vetted with regard to building ecology; the project developer even ordered a life cycle analysis to be made for the building, considering not just its operation but also the construction and demolition phases.

Heating, hot water and electricity supplies are carbon neutral, and the primary energy demand of the new-build exceeds the current legal requirements in Germany by nearly 70 %. This places the building at the ‘nearly zero energy’ standard, which will be required of all new buildings in Europe from 2021.

Eight apartments, ranging in size from 79 to 185 m² can be found in the building; the selection spans between one-room apartments, to maisonettes, or penthouse apartments that cover the entire upper floor area. All the apartments have a north-south orientation, so that the bedrooms face north and the living rooms face south.

The west, south and east facades are all very similar: the horizontal lines of the ventilated larch cladding is punctured by irregularly spaced black-framed windows and balcony doors, as well as small openings for the decentralised ventilation units. There is a contrast of materials between the building’s wood shell and the laminated safety glass balustrades of the almost 9 m2 balconies.

The solid timber construction was erected within only three and a half weeks on the construction site. The structure consists of 31-cm-thick exterior wall elements, as well as 23.5-cm-thick floors

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a Decklage Fichte/Tanne b Wärmedämmung Holzweichfaser c aussteifende Brettlagen (vertikal, horizontal + diagonal) d tragender Kern (vertikal) e Dübel Buchenholz a Spruce/fir layer b Softwood wood fibre thermal insulation c Structural bracing plates (vertical, horizontal + diagonal) d Load-bearing core (vertical) e Beechwood dowels

of glue-free dowelled cross-grained timbers, which were manufactured in the Black Forest. The ceiling elements span, column-free between the lift shaft and the exterior walls; the room and apartment partitions consist of light metal stud framing clad with gypsum fibreboard. On the balconies, the floors cantilever outwards from the building with neither breaks in the construction nor additional insulation.

In spite of this, there is little heat loss due to thermal bridging, as the timber construction system used here (Holz 100) has a thermal conductivity of only 0.079 W/mK – a record-breaking value below all other solid building materials, and significantly better than solid softwoods (¬ = 0.13 W/mK). The manufacturer achieved these values by cutting grooves along the lengths of the individual boards before dowelling. This creates closed air pockets in the completed timber elements, thus improving the thermal insulation.

The thermal insulation properties of the wood building system are evident on the facades: it only required 7 cm of additional softwood fibre insulation to achieve a U-value of 0.19 W/m²K. Thanks to this construction, the building has a heating demand of only 32 kWh/m²a; its airtightness according to the ‘blower-door’ test is 0.8 air changes per hour. The clients, architects and manufacturers claim that a further advantage of the glueless construction is the easy dismantling of the building.

Great efforts were made to source healthy building materials. Inside the buildings, the parquet floors are nailed to their subfloors rather than being glued, and are impregnated with linseed oil. The gypsum fibreboards used for the partition walls contain a Keratinbased agent which acts as a catalyst to purify the air. The walls are painted with breathable mineral-based paints in order not to impede this effect. The electrical cabling is halogen and PVC-free; the plumbing and heating pipework is made of stainless steel and copper instead of the more common plastic tubes.

The Woodcube is supplied with energy for heating and hot water by the local heating grid in Wilhelmsburg-Mitte which was newly installed for the IBA. The building is exclusively powered by regenerative energy sources which is the main reason for its excellent primary energy performance. Radiators transfer heat to the indoor air.

Intake and exhaust ventilation for each room is provided by decentralised facade ventilation units equipped with heat recovery. These were not only more affordable than a centralised ventilation system with the requisite air duct network, but also made it possible to keep the construction simple.

An essential element of the energy concept is the centralised control of all building services. A control box in the kitchen unit of each apartment regulates the ventilation, the blinds and the heating. The system automatically adjusts the air intake according to the CO2 content in the air (in the bathrooms according to moisture levels), and automatically switches the heating and ventilation off when a window is opened. Using a tablet computer, the inhabitants can adjust heating periods and room temperatures.

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20 Montage des Rohbaus: Geschossdecke mit auskragender Balkonplatte (rechts) 21 Außenwand (Fensteröffnung) im Rohbauzustand 22 Axonometrie des Wandaufbaus 23 Detailschnitt Fassade/Dach Maßstab 1:20 a Dach (U = 0,10 W/m2K): Vegetationsschicht, 100 mm; Dränschicht, 20 mm; Schutzschicht; Filtervlies; Abdichtung bituminös, zweilagig; Dämmung PIR-T (WLG 024), 200 mm, im Gefälle; bituminöse Notabdichtung; Trennlage; OSB-Platte, 28 mm; Installationsebene, 40 mm; Decke Brettsperrholz, leimfrei verdübelt, 235 mm b Außenwand (U = 0,19 W/m2K): Rhombusschalung Rotzeder/Lärche, 26 mm; Lattung vertikal, 30/70 mm, dazwischen Brandriegel horizontal, 30/50 mm; Wandschalungsbahn, diffusionsoffen; Wärmedämmung Holzweichfaser, 40 mm; Schalung Fichte, 26 mm; Wärmedämmung Holzweichfaser, 36 mm; Wandelement Brettsperrholz, leimfrei verdübelt, 250 mm c Türsturz/Randbalken Massivholz, 200/300 mm d Sonnenschutz Lamellenraffstores e Laibungsblech Aluminium-Sandwichelement f Balkontür: Dreifach-Wärmeschutzverglasung in Holz-/Aluminiumrahmen g Balkon: Holzdielen, 25 mm; Lagerhölzer, 75 mm; Bautenschutzmatte, 10 mm; Abdichtung, zweilagig; Gefälledämmung, 50 mm; Geschossdecke Brettsperrholz, leimfrei verdübelt, 235 mm h Geschossdecke: Dielenboden Eiche, 25 mm; Lagerhölzer, 25 mm; Filzauflager; Trockenestrich auf Zementbasis, 2≈ 22 mm, dazwischen Trennlage; Trittschalldämmung Holzweichfaser, 33 mm; Wabenschüttung, 60 mm; Folie (Rieselschutz); Decke Brettsperrholz, verdübelt, 235 mm i Kellerdecke (U = 0,16 W/m2K): Fußbodenaufbau wie h); Dampfbremse; Wärmedämmung Holzweichfaser, WLG 040, 60 mm; Bodenplatte Stahlbeton, 220 mm; Wärmedämmung Steinwolle, 120 mm 20 Assembly of the structural planes: intermediate floor with cantilevering balcony slab (right) 21 Exterior wall/window reveal during construction 22 Axonometric of the wall construction 23 Section detail of the facade/roof Scale 1:20 a Roof (U = 0.10 W/m2K): Vegetation layer, 100 mm; drainage layer, 20 mm; protective layer; fleece filter; bituminous sealant, two coats; insulation PIR-T, 200 mm, laid to falls; bituminous temporary sealant; separating layer; OSB board, 28 mm; space for building service infrastructure, 40 mm; cross-grained timber element, dowelled (glue-free), 235 mm b Exterior wall (U = 0.19 W/m2K): Red cedar/larchwood rhomboid cladding, 26 mm; vertical lathing, 30/70 mm, with horizontal firebreak inbetween, 30/50 mm; breather membrane; softwood fibre thermal insulation, 40 mm; spruce cladding, 26 mm; softwood fibre thermal insulation, 36 mm; wall element: crossgrained timber, dowelled (glue-free), 250 mm c Solid wood door lintel, 200/300 mm d Exterior blinds sun protection e Soffit plate: aluminium composite element f Balcony door: thermally insulated triple glazing in wood/aluminium frame g Balcony: Timber decking, 25 mm; floor battens, 75 mm; protection mat, 10 mm; sealant, two coats; tapered insulation, 50 mm; cross-grained timber element, dowelled (glue-free), 235 mm h Intermediate floor: Oak floor boards, 25 mm; floor battens, 25 mm; felt mat; cement-based dry screed, 2≈ s22 mm, separating layer inbetween; softwood wood fibre impact sound insulation, 33 mm; honeycomb infill, 60 mm; plastic sheet to prevent spillage; cross-grained timber element, dowelled (gluefree), 235 mm i Floor above basement (U = 0.16 W/m2K): Floor construction as in h); vapour barrier; softwood wood fibre thermal insulation, WLG 040, 60 mm; reinforced concrete floor slab, 220 mm; stone wool thermal insulation, 120 mm

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Wohngebäude in Hamburg

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Ökobilanz und Ressourceneffizienz beim »Woodcube« Life cycle assessment and resource efficiency of the Woodcube Joost Hartwig

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Während der Planung erstellte die ina Planungsgesellschaft für den Woodcube eine Ökobilanz zur Abschätzung der Primärenergieverbräuche und der potenziellen Umweltwirkungen (z. B. der Beiträge zum Treibhauseffekt und zum Ozonabbau). Eine Ökobilanz betrachtet den gesamten Lebensweg eines Gebäudes und seiner Bauteile von der Rohstoffgewinnung über Herstellung, Betrieb, Instandhaltung, Entsorgung und Recycling bis zur endgültigen Beseitigung (»von der Wiege bis zur Bahre«).

Die Ökobilanz wurde mit dem sogenannten vereinfachten Verfahren ermittelt, das die Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen (DGNB) für die Gebäudezertifizierung entwickelt hat. Ergänzend wurde auch der Haushaltsstromverbrauch überschlägig ermittelt und in die Bilanz einbezogen.

Die Ökobilanz des Woodcube wurde mit derjenigen eines Referenzgebäudes verglichen, das ebenfalls im Bewertungssystem der DGNB definiert ist. Für dieses Referenzgebäude hat die DGNB die Umweltwirkungen der Konstruktion festgelegt, während für die Umweltwirkungen des Gebäudebetriebs das Referenzgebäude nach EnEV als Vergleichsmaßstab dient. Damit repräsentiert dieses Referenzbauwerk einen durchschnittlichen Neubau nach derzeitigem gesetzlichem Standard.

Ökobilanz des Gebäudebetriebs Maßgeblich für die Umweltwirkungen des Gebäudebetriebs sind die Wärmeversorgung des Gebäudes sowie der Stromverbrauch durch die Gebäudenutzer. Das Haus bezieht Heizwärme und Warmwasser aus dem Energieverbund Wilhelmsburg-Mitte, der zu 100 % aus erneuerbaren Energiequellen gespeist wird.

Darüber hinaus könnte der Woodcube mittels einer Photovoltaikanlage (zurzeit noch nicht installiert) auf dem Dach jährlich 23 000 kWh Stunden Strom produzieren. Dies entspricht etwas mehr als dem jährlichen Strombedarf im Gebäude. Überschüssiger Strom wird in das Stromnetz eingespeist und in der Ökobilanz gutgeschrieben. Die Deckung des Strombedarfs über die Photovoltaikanlage und die Einspeisung des überschüssigen Stroms gleichen die ohnehin geringen CO2-Emissionen aus der Wärmebereitstellung über den Energieverbund aus. Der Woodcube hat somit auch im Betrieb eine ausgeglichene CO2-Bilanz.

Ökobilanz der Gebäudekonstruktion Bei der Gebäudekonstruktion des Woodcube wirkt die massive Holzkonstruktion als CO2-Speicher. Das bedeutet, das gebundene CO2 trägt während der Nutzungsphase nicht zum Treibhauseffekt bei. Durch die thermische Verwertung der Holzkonstruktion am Ende des Lebenszyklus lässt sich zusätzliche Energie gewinnen, die Energie aus anderen, nicht erneuerbaren Quellen ersetzt. Beides wirkt sich positiv auf das Treibhauspotenzial aus.

Beim Woodcube gleichen die positiven Effekte des Holzes die vorhandenen Emissionen aus anderen Bauteilen, insbesondere aus den verbleibenden Stahlbetonbauteilen, aus (Abb. 2).

Fazit zur Ökobilanz Der Woodcube ist kein Plusenergiehaus, sondern kann als NullCO2-Haus in Konstruktion und Betrieb bezeichnet werden. Dies ist derzeit mit keiner anderen Bauweise erreichbar. Abb. 3 vergleicht die CO2-Bilanz des Woodcube mit derjenigen des Referenzgebäudes. Sichtbar wird dabei die ausgeglichene Bilanz des Woodcube über den gesamten Betrachtungszeitraum. Hingegen weist das Referenzbauwerk nicht nur in der Konstruktion eine ungünstigere Bilanz auf, sondern emittiert auch im Betrieb (Beheizung mit 50 % Erdöl und 50 % Erdgas) ständig CO2.

Ein Vergleich in den anderen Wirkungskategorien der Ökobilanz

Außenwand Massivholz/External wall, massive timber Massivholzdecken mit Parkett/Intermediate floors, massive timber, with parquet Balkonplatten Massivholz/Massive timber balconies Dach Massivholz mit Flachdachaufbau/Massive timber roof with roofing Massivholzdecken Bäder/Intermediate floors in bathrooms, massive timber Terrassen-/Balkontüren 4,00m x 2,30m/Terrace/balcony doors, 4,00m x 2,30m Aufzug/Elevator Wände Aufzugsschacht/Concrete walls of elevator shaft Kelleraußenwände/Exterior walls of basement (concrete)

Der Woodcube hat damit eine nahezu ausgeglichene CO2-Bilanz in der Gebäudekonstruktion. Lediglich die am Standort Wilhelmsburg erforderliche, aufwendige Pfahlgründung verhindert eine vollständig ausgeglichene oder sogar negative CO2-Bilanz.

–82 808 –45 385 –22 136 –5548 –2197 10 409 13 387 15 173 17 202

Wand Treppenhaus/Concrete walls of stairwell

22 358

Pfahlgründung/Foundation piles

24 026

Bodenplatte/Concrete floor slab under basement

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37 507 –100 000 –80 000 –60 000 –40 000 –20 000 0 20 000 40 000 60 000 Treibhauspotenzial [kg CO2 -Äq.]/Global warming potential [kg CO2eq.]

2

Treibhauspotential [kg CO2-Äq./m NGF a] 2 Global warming potential [kg CO2 eq./m a]

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3 Nachhaltige Architektur

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Joost Hartwig ist geschäftsführender Gesellschafter der ina Planungsgesellschaft in Darmstadt und Mitglied der Expertengruppe »Ökobilanzierung« der Deutschen Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen (DGNB).

45 40 35 30 25

Joost Hartwig is managing partner at ina Planungsgesellschaft in Darmstadt, Germany, and a member of the expert group ‘Life Cycle Assessment’ of the German Sustainable Building Council (Deutschen Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen, DGNB).

20 15 10

Gebäudebetrieb Building operation

Gebäudekonstruktion Construction

5 0 0

5

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20

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30

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50 Jahre

Woodcube Konventionelles Gebäude/Conventional building 3

zeigt außerdem, dass die gute CO2-Bilanz des Woodcube nicht auf Kosten anderer Umweltwirkungen erkauft ist (Abb. 4). Am geringsten ist der Unterschied der beiden Gebäude beim Gesamt-Primärenergiebedarf. Hauptgrund hierfür ist der hohe Anteil an erneuerbarer Primärenergie (Holz) beim Woodcube.

Ressourceneffizienz Das Konzept des Woodcube ist auch hinsichtlich der Einsparung nicht erneuerbarer Ressourcen und der Rezyklierbarkeit des Gebäudes am Ende des Lebenszyklus optimiert.

Alle Bauteile, bei denen dies technisch möglich war, sind als Vollholzkonstruktion ausgeführt. Dies spart abiotische Ressourcen (Sand, Kies, Zement etc.), die z. B. bei einer mineralischen Bauweise verbraucht würden. Um eine maximale Recyclingfähigkeit zu erreichen, sind die Bauteilschichten grundsätzlich trennbar. Dadurch stehen die gebundenen Ressourcen am Ende des Lebenszyklus sortenrein zur Verfügung und können ggf. als Bauteil oder Baustoff wiederverwendet werden.

Dies ist vor allem deshalb wichtig, weil die Massivbauweise mit der nachwachsenden Ressource Holz nicht besonders sparsam umgeht. Pro Quadratmeter Nettogrundfläche wurden im Woodcube fast 0,5 m3 Holz verbaut. Insgesamt waren es ca. 480 m3 Holz, was der Jahresproduktion von rund 64 ha Wald entspricht.

Derzeit ist dies in Deutschland unproblematisch, da mehr Holz zur Verfügung steht, als verbraucht wird. Im Schnitt werden zwischen 2003 und 2042 ca. 78,2 Mio. m3 Rohholz jährlich geschlagen werden. Acht Prozent dieser Menge würden ausreichen, um das gesamte Neubauvolumen im Wohnungsbau (20 Mio. m2 in 2012) als Woodcube zu errichten. Künftig könnte aber, vor allem unter dem Aspekt der CO2-Speicherung und der Verfügbarkeit der Ressource Holz (Konkurrenz mit der Nutzung als Energieträger), die Nachnutzung von Bauelementen gegenüber der heute üblichen thermischen Verwertung an Bedeutung gewinnen.

1 2

120 % 100 %

To estimate its primary energy consumption and its potential environmental impact, a life cycle assessment for the Woodcube was conducted according to the so-called ‘simplified procedure’ developed by the DGNB (German Sustainable Building Council) for building certification. Additionally, household electricity consumption was roughly estimated and included in the assessment. The results of the Woodcube were compared to those of a reference building according to the DGNB certification system. The latter represents an average new building constructed to the standard required by German law in terms of its operational energy demand.

The massive timber construction of the Woodcube functions as a carbon sink during the building’s operational phase and, when burned as a fuel source at the end of the building’s life cycle, helps to reduce the use of fossil fuels for energy generation. Both of these effects counterbalance the existing emissions from the other building components, namely the reinforced concrete construction.

The construction of the Woodcube almost has a neutral carbon balance (Figs. 2, 3.)

The aspects primarily responsible for the environmental impact of the building’s operation are the heating, as well as the electricity consumption of the building users. The building draws its heat and hot water from the Wilhelmsburg-Mitte energy grid, which is completely generated from renewable energy sources. Furthermore, the Woodcube could produce 23, 000 kWh of electricity annually by means of a photovoltaic array on the roof (as yet, not installed).

This amount corresponds to a little more than the annual electricity demand of the building. Surplus electricity will be fed back into the grid and would balance out the already low-carbon emissions resulting from the heating supplied by the energy grid, effectively making the Woodcube carbon-neutral during its operation phase.

The Woodcube can thus be referred to as a ‘zero-carbon’ building in terms of construction and operation – a standard that cannot currently be achieved with any other form of construction.

100 %

100 %

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1,3 % GWP

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ODP

POCP

AP

EP

PEne

PEges

Woodcube Konventionelles Gebäude/Conventional building Zielwert Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen/DGNB target value

Blick in ein Wohngeschoss während der Bauphase Beitrag ausgewählter Bauteile zum Treibhauspotenzial des Gebäudes (in absoluten Zahlen; dargestellt sind nur die Extremwerte) Entwicklung der CO2-Bilanz über einen Nutzungszeitraum von 50 Jahren Vergleich des Woodcube mit einem konventionellen Gebäude (100 %) in allen Wirkungskategorien der Ökobilanz (GWP = Treibhauspotenzial; ODP = Ozonabbaupotenzial; POCP = Sommersmogpotenzial; AP = Versauerungspotenzial; EP = Überdüngungspotenzial; PEne = Primärenergie nicht erneuerbar; PEges = Primärenergie gesamt) Interior view during the construction phase.

Contribution of selected construction elements to the global warming potential of the building (in absolute figures) Development of the carbon balance over a 50 year period Comparison between the Woodcube and a (100 %) conventional building in all impact categories of the life cycle assessment (GWP = Global warming potential; ODP = Ozone depletion potential; POCP = Photochemical ozone depletion potential; AP = Acidification potential; EP = Eutrophication potential; PEne = nonrenewable primary energy; PEges = total primary energy)

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Bürogebäude in Agoura Hills Office building in Agoura Hills Schlankes Haus mit schlanker Technik Form follows (air)flow

Agoura Hills ist eine wohlhabende Schlafstadt rund 45 Kilometer nordwestlich des Stadtzentrums von Los Angeles. Entlang der Hauptverkehrsader des 20 000-Einwohner-Orts reihen sich die Tankstellen, Schnellrestaurants und Shopping Malls aneinander.

Doch schon wenige Hundert Meter weiter südlich ändert sich das Bild; die Bebauung tritt zurück, und das Gelände steigt an in Richtung der Santa Monica Mountains, die das Tal von Agoura Hills vom Pazifik trennen.

Zu Füßen dieses Höhenzugs hat die Conrad N. Hilton Foundation ihr neues Hauptquartier errichtet. Wer bei dem Namen an Hotelübernachtungen gehobenen Standards denkt, liegt richtig: Es war der Gründer der gleichnamigen Hotelkette, der die nach ihm benannte Stiftung vor 70 Jahren ins Leben rief. Seither hat die Wohltätigkeitsorganisation nahezu eine Milliarde US-Dollar in elf Bereichen – von der Drogenbekämpfung über die Katastrophenhilfe bis zur Unterstützung von Obdachlosen und AIDSWaisen – ausgegeben.

Für die Zukunft plant die Hilton Foundation offenbar mit weiterem Wachstum: Der Masterplan von ZGF Architects sieht auf dem 18 Hektar großen Gelände insgesamt vier Bürogebäude mit mehr als 8 000 m2 Gesamtfläche vor. Mit dem ersten, 2013 fertiggestellten Neubau haben die Architekten sowohl gestalterisch als auch in puncto Nachhaltigkeit den hohen Standard für das vorgegeben, was noch kommen wird.

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Ansicht von Osten Lageplan Maßstab 1:5000 Nordfassade mit Pausenhof (Blick nach Osten) Grundriss Erdgeschoss Maßstab 1:750 Grundriss Obergeschoss Maßstab 1:750

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Eastern elevation Site plan Scale1:5000 Northern elevation with recreation courtyard (looking east) Ground floor plan Scale 1:750 Upper floor plan Scale 1:750

Demonstrationsobjekt für nachhaltiges Bauen Etwas mehr als 50 Menschen arbeiten in dem neuen Verwaltungssitz der Stiftung. Sie verfügen größtenteils über eigene Büros entlang der Nord- und Südfassaden; nur wenige Arbeitsplätze wurden in Form traditioneller amerikanischer »cubicles« an den beiden Enden der zentralen Erschließungszone eingerichtet. Hinzu kommen zwei Konferenzräume im Erdgeschoss sowie ein dritter Besprechungsraum im Obergeschoss. Im Eingangsbereich sowie in der Mitte des Büroflügels verbinden Treppen und zweigeschossige Lufträume die beiden Büroebenen miteinander.

Angesichts des öffentlichen Interesses, das seine Arbeit erfährt, wollte der Bauherr nicht einfach einen angenehmen Ort für die Mitarbeiter schaffen, sondern zugleich ein Anschauungsobjekt für nachhaltiges Bauen. Gäste und neue Mitarbeiter erhalten regelmäßig Führungen durch das Gebäude und dabei einen Eindruck dessen, was Energieeffizienz im subtropischen Klima bedeutet. Bei ihrem Entwurf setzten die Architekten vorwiegend auf passive Methoden der Klimatisierung und Strategien der Tageslichtnutzung, die auch die Gestalt des Gebäudes prägen.

Der Neubau ist für US-amerikanische Verhältnisse recht schmal.

Alle Büroräume erhalten Licht durch großzügige Fassadenfenster; in die zentrale Erschließungsspange des Büroflügels fällt zusätzliches Tageslicht durch Oberlichter unter dem Dach.

Die Fassaden erhalten ihren markanten Rhythmus durch 17 Lüftungskamine, die Teil eines ausgeklügelten Systems zur natürlichen Belüftung und passiven Kühlung sind. Der zentrale, leicht erhöhte Teil des Flachdachs ist mit 100 m2 Röhren-Solarkollektoren belegt, die Warmwasser liefern, und auf der Überdachung des benachbarten Parkplatzes wurde eine 115 Kilowatt starke Photovoltaikanlage installiert. In der Summe strebt die Stiftung mit dem Neubau den Nullenergiestandard an. Auch eine Nachhaltigkeitszertifizierung nach dem amerikanischen Standard LEED Platinum hat das Gebäude inzwischen erhalten.

Stahlskelett hinter massiven Mauern Aus konstruktiver Sicht ist das Gebäude ein Hybrid. Die Stirnwände an den Schmalseiten, die Wände im Eingangsbereich sowie die Lüftungskamine bestehen aus Ortbeton. Davor ist eine hinterlüftete Fassadenkonstruktion angebracht, die mit dünnen Riemchen aus rötlichem Quarzsandstein verkleidet ist. Die Massivbauteile steifen die Gebäudekonstruktion aus; außerdem trägt die thermische Masse des Betons in den Lüftungskaminen zur passiven Kühlung der Zuluft bei.

Im Inneren hingegen wird das Bürohaus von einem Stahlskelett getragen, das mit seinen genieteten Verbindungen und sichtbaren Auskreuzungen filigran und fast ein wenig nostalgisch wirkt.

Im Fall eines Rückbaus wäre das Stahlskelett damit leichter zu demontieren als eine verschweißte Konstruktion. Doch das spielte angesichts der anvisierten Gebäude-Lebensdauer von 80 bis

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3 Nachhaltige Architektur

Bauherr/Client: Conrad N. Hilton Foundation, Agoura Hills Architekten/Architects: ZGF Architects LLP, Los Angeles Bauleitung/Construction management: Bigelow Development Associates, Malibu Tragwerksplanung/Structural engineering: KPFF Consulting Engineers, Los Angeles Haustechnik, Energiekonzept/MEP engineering, energy consultant: WSP/Built Ecology, San Francisco Landschaftsarchitektur/Landscape architect: Van Atta Associates, Santa Barbara Lichtplanung/Lighting designer: David Nelson & Associates, Littleton

3. Bauabschnitt Phase 3

1. Bauabschnitt Phase 1 4. Bauabschnitt Phase 4

2. Bauabschnitt Phase 2 2

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Bürogebäude in Agoura Hills

11 Energie- und Wasserbilanz 12 Konferenzraum im Erdgeschoss 13 Empfangsbereich; Blick nach Norden durch das Gebäude 14 Energiekonzept a Solarkollektoren b Pufferspeicher c elektrischer Wassererhitzer d Kühlturm e Kompressionskältemaschine f Lüftungskamin mit Kühlregister 15 Wassernutzungskonzept g Trinkwasser h Grauwasser i künftiger Brunnen j Mischbatterie k Sensor l Ventilsteuerung m Zisterne 16 Ansicht von Osten mit Solarkollektoren und Lüftungskaminen

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11 Energy balance and water use 12 Conference room on the ground floor 13 Reception area; looking north across the building 14 Energy concept a Solar collectors b Buffer stores c Electric water heater d Cooling tower e Compression chiller f Downdraft shaft with cooling coil 15 Water usage concept g Potable water h Grey water i Future well j Tap k Sensor l Vent controls m Cistern 16 Eastern elevation showing solar collectors and downdraft shafts

Energiebilanz und Wasserverbrauch/ Energy balance and water use • berechneter Wasserbedarf/ Projected water use (base building) • davon Anteil Regen- und Grauwasser/ of which recycled water • Endenergiebedarf/ Projected energy demand • Stromerzeugung PV-Module/ Projected electricity yield of PV array • daraus resultierender Energieüberschuss/ resulting energy surplus

217 m3/a 79,5 % 147 MWh (= 71,3 kWh/m2a) 76,0 kWh/m2a 4,7 kWh/m2a

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Um sicherzustellen, dass diese Zahlen nicht nur auf dem Papier erreicht werden, wird der Energieverbrauch im Gebäude kontinuierlich gemessen, und die Systeme werden bei Bedarf entsprechend nachjustiert. Das betraf in den ersten Monaten vor allem das Heizsystem. Nach einigen Anlaufschwierigkeiten programmierten die Ingenieure die Heizungssteuerung neu, und seither arbeitet das System so effizient wie erwartet. Ted Hyman ist daher zuversichtlich, dass die Nullenergiebilanz im zweiten Betriebsjahr auch tatsächlich erreicht wird.

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Regenwassertank mit Automatikbetrieb Gerade in Kalifornien, wo das Trinkwasser oft über weite Strecken herangeschafft werden muss, wäre jedes nachhaltige Gebäude unvollständig ohne ein Wassersparkonzept. Das von den begrünten Dachflächen ablaufende Regenwasser wird in einer 75 m3 fassenden Zisterne gesammelt und anschließend für die Toilettenspülung und die Bewässerung der Freianlagen genutzt.

Wenn zu wenig Regenwasser zur Verfügung steht, wird die Zisterne zusätzlich mit einem Mix aus Trinkwasser, Grauwasser und dem Wasser eines künftig noch zu bohrenden Brunnens auf dem Grundstück befüllt. Dies geschieht automatisch mithilfe einer Wassermischanlage, die die Wasserqualität in der Zisterne sensorgestützt so regelt, dass weder zu viel Trinkwasser verbraucht wird noch das Wasser zu viele Schmutz- und Schadstoffe für die Pflanzenbewässerung enthält.

The new headquarters of the Conrad N. Hilton Foundation is located at the edge of Agoura Hills, a town with around 20,000 inhabitants, approximately 45 kilometres northwest of downtown Los Angeles. The new-build, which was conceived as a prototypical project for sustainability, accommodates a workforce of 56 people.

Most of the staff work in cellular offices along the north and south facades; administrative support staff are arranged in typical American-style cubicles at either end of the central circulation zone.

The architects focused on passive methods of air-conditioning and strategies for the use of daylight in their design. These priorities give the building its distinctive form. Seventeen downdraft ventilation shafts give the facades a distinctive rhythm. The shafts are part of a carefully balanced system to provide natural ventilation and passive heating and cooling. The central, slightly elevated section of the flat roof is covered by 100 m² of evacuated-tube solar collectors, which provide hot water, whilst a 115-kilowatt photovoltaic system installed on the roof of the neighbouring parking will provide electricity. The goal of the foundation is to achieve a zeroenergy building. Thanks to these credentials, the building has already been awarded a LEED Platinum sustainability certification.

Since the passive cooling of the rooms is negatively affected by direct sunshine, the offices are equipped with motorised exterior roller shades with stainless steel micro-blades. Windows on the north side were outfitted with fabric roller shades in the interior. Horizon-

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tal ‘lightshelves’ near the top of each window reflect daylight deeper into the office rooms. The sandstone-clad downdraft shafts are internally divided into two rows; one for each floor. They feed into raised access floors in the office rooms. Exhaust air escapes through openings near the top of the office partition walls into the central circulation areas and from there, through computer-controlled clerestory windows out of the building.

The supply ventilation is also used to cool the offices. Water-filled cooling coils were installed near the top of each downdraft shaft, which are supplied with cold water by a series of electric compression coolers. These are, in turn, cooled by a cooling tower on site.

As long as outside temperatures are moderate, the cooling tower supplies the coils directly with cold water without needing to loop back to the coolers. The solar collectors on the roof provide around 70% of the heating and hot water needs of the building; the remaining 30% is supplied by a back-up electric boiler.

In order to ensure that these performance benchmarks are not only met in theory, the building’s energy consumption is continuously monitored and the systems are adjusted based on need. After some initial issues, the engineers reprogrammed the heating controls, and since then the system performsas efficiently as initially planned.

Rainfall runoff from the driveways, sidewalks and parking spaces can drain naturally on the grounds. The rainfall that flows off from the planted roof areas is collected in a 75 m³ subterranean cistern and is used for flushing the toilets, and for watering the on-site vegetation. When there is insufficient rainfall, the cistern is supplied by a combination of potable water, grey water and, in future, also by water from a well that is still to be drilled on-site. An automated water blending system with sensors in the cistern will monitor the water quality, ensuring that neither too much potable water is used, nor that the water is too polluted to use for irrigating the site.

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Verschattung und Raumtemperierung mit flüssigkeitsdurchströmten Glasfassaden Modulating light and temperature with fluidglass facades Jochen Stopper, Volker Ritter, Daniel Gstöhl

Flüssigkeitsdurchströmte Glasfassaden (sogenannte Fluidglasfassaden) können den Energiebedarf von Gebäuden reduzieren, für optimalen Nutzerkomfort sorgen und über die gesamte Fassadenfläche thermische Energie gewinnen.

Ermöglicht wird dies durch die vier Funktionen von Fluidgläsern: Überhitzungsschutz, transparente Wärmedämmung, Heiz- und Kühlelement sowie transparenter Solarkollektor.

Konzepte flüssigkeitsdurchströmter Glasfassaden Die Grundidee besteht darin, Flüssigkeiten vollflächig in die transparente Fassade zu integrieren, um mit diesen die Energieflüsse zwischen Außen- und Innenraum zu kontrollieren. Die verschiedenen Fluidglaskonzepte unterscheiden sich in der Zahl der Flüssigkeitsschichten sowie der Anzahl und Anordnung der Isolierglaseinheiten (Abb. 1). Dabei fungieren nach außen orientierte Flüssigkeitsschichten als Verschattungselement und als Solarkollektor. Innere Schichten dienen ebenfalls zur Verschattung und als Heizoder Kühlfläche, je nachdem, ob warme oder kalte Flüssigkeit zirkuliert (Abb. 2).

1973 meldete Pilkington Brothers ein Patent für zwei transparente Glas- oder Kunststoffscheiben an, in deren Zwischenraum sich Flüssigkeiten befinden.

a)

b)

Aktuell beschäftigen sich verschiedene Forschergruppen mit diesem Thema, darunter das Konsortium des EU-Projekts »Fluidglass« [1], dem die drei Autoren angehören und das auf Basis eines Patents von Prof. Dietrich Schwarz (Universität Liechtenstein) forscht.

EU-Projekt »Fluidglass«: Aufbau und Integration ins Gebäude Die im EU-Projekt entwickelte Fluidglaseinheit besteht aus zwei flüssigkeitsführenden Schichten, die thermisch getrennt sind. Bei dem bisher für die Messungen und Simulationen verwendeten Prototypen besteht die thermische Trennung aus einer Dreifach-Wärmeschutzverglasung mit 6 mm dicken, wärmeschutzbeschichteten Floatgläsern und zwei Krypton-Gasfüllungen (Abb. 3). Außen und innen sind weitere 6 mm dicke Floatgläser angebracht, die jeweils einen 2 mm breiten, flüssigkeitsführenden Scheibenzwischenraum bilden [2].

Das System wird im Unterdruck betrieben, um bei raumhohen Verglasungen den statischen Druck durch die Flüssigkeiten mit möglichst schlanken Konstruktionen aufnehmen zu können. In den flüssigkeitsführenden Scheibenzwischenräumen sind zur Gewährleistung eines gleichmäßigen Scheibenabstands punktförmige Abstandhalter angebracht. In den

1 f)

Anwendungsgebiete sowie Vor- und Nachteile von Fluidglasfassaden Das größte Anwendungspotenzial für Fluidglasfassaden liegt bei Gebäuden mit einem großen, windexponierten Verglasungsanteil, z. B. bei Verwaltungshochhäusern. Um bei diesen Gebäuden den Energiebedarf zu reduzieren und den Komfort sicherzustellen, müssen die solaren Einträge während der Kühltage reduziert werden. Da aufgrund der hohen Windlasten kein ungeschützter, externer Sonnenschutz angebracht werden kann, kommen entweder einschalige Sonnenschutzverglasungen oder mehrschalige Systeme (z. B. Doppelfassaden) zum Einsatz. Sonnenschutzverglasungen mit unveränderbarem g-Wert und Lichttransmis-

c)

Sommertag/Summer day d)

beiden Fluidkreisläufen befinden sich Vorrichtungen, die die Flüssigkeiten einund entfärben und so deren Absorptionsgrad verändern. Die Flüssigkeitskreisläufe sind über Wärmetauscher mit dem konventionellen Haustechniksystem verbunden. Wärmeüberschüsse aus dem Raum oder einfallender Solarstrahlung können so von den Fluidschichten an die Haustechnik weitergegeben werden. Umgekehrt ist auch eine (Teil-)Beheizung des Innenraums über die innere Flüssigkeitsschicht möglich, wenn diese entsprechend vorerwärmt wird.

Wintertag/Winter day

e)

g)

2 Sommernacht/Summer night

Übergangstag/Spring or autumn day

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außen outside

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Krypton

Fluid 1

4 Forschung und Praxis

Low-E

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Krypton

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Fluid 2 innen inside

Jochen Stopper ist Architekt und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Zentrum für nachhaltiges Bauen der Technischen Universität München. Daniel Gstöhl ist Leiter Forschungsprojekte und Volker Ritter ist Postdoktorand am Lehrstuhl für nachhaltiges Bauen der Universität Liechtenstein.

Jochen Stopper is an architect and research assistant at the Centre for Sustainable Construction at the Technical University, Munich. Daniel Gstöhl manages the research projects, and Volker Ritter is a post-doctorate researcher at the chair for sustainable construcition at Liechtenstein University.

1 2

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sionsgrad sind nur auf eine Situation optimiert und können nicht auf klimatische Veränderungen und wechselnde Nutzungen reagieren. Dies führt u. a. zu Einschränkungen hinsichtlich der Tageslichtverfügbarkeit und der Nutzung von solaren Gewinnen in der Heizperiode. Doppelfassaden wiederum, die mit veränderbaren Sonnenschutzsystemen ausgestattet werden können, weisen große Konstruktionstiefen auf und sind technisch aufwendig. Durch den Einsatz von adaptiven Fluidglasfassaden mit einer Verglasungstiefe von nur ca. sechs Zentimetern steht eine deutlich höhere Gebäudenutzfläche zur Verfügung. Durch die reversible Einfärbbarkeit der Flüssigkeitsschichten lässt sich der solare Eintrag in den Raum aktiv regeln. Dadurch erhält man nicht nur einen variablen Überhitzungsschutz, der andere Sonnenschutzsysteme ersetzt, sondern auch einen transparenten Solarkollektor, der an der gesamten, sonnenexponierten Glasfassade zur Energiegewinnung eingesetzt werden kann.

Durch die Heiz- und Kühlfunktion der Fluidglasfassade werden darüber hinaus andere Wärmeübergabesysteme verzichtbar, und bei Sanierungen wird mit der Fluidglasfassade zugleich ein flächiges Niedertemperatursystem nachgerüstet.

Aufgrund der aktiven Kontrolle von Transparenz und innerer Oberflächentempera-

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verschiedene Optionen für Fluidglasaufbauten Funktion einer Fluidglasfassade bei unterschiedlichen Klimabedingungen Scheibenaufbau des untersuchten Prototypen im EU-Forschungsprojekt Fluidglasscheibe im eingefärbten Zustand Prüfstand (mit künstlicher Sonne und Klimakammer) an der Technischen Universität München

tur lässt sich die Fluidglasfassade flexibel wechselnden Außen- und Innenraumbedingungen anpassen. Das System sollte daher unter allen klimatischen Bedingungen einsetzbar sein und dabei für optimalen thermischen und visuellen Komfort bei geringem Energieaufwand sorgen.

Eine große Herausforderung liegt darin, die optischen Eigenschaften der Flüssigkeiten und der Verglasung über den gesamten Lebenszyklus zu gewährleisten.

Darüber hinaus wird die Herstellung, Montage und Wartung des Systems aufwendiger als bei konventionellen Glasfassaden sein. Aufgrund des relativ dicken und schweren Verglasungsaufbaus und der Flüssigkeitsanschlüsse müssen spezielle Fassadensysteme eingesetzt werden. Die Fluidglasfassade wird sich dadurch im oberen Preissegment von Glasfassaden bewegen, wobei der Wegfall anderer Gebäudetechniksysteme die höheren Fassadenkosten ausgleicht.

Die skizzierten Annahmen zum Anwendungsgebiet und den Vor- bzw. Nachteilen werden im aktuellen Forschungsprojekt umfänglich untersucht.

Fluidglassimulationen und Ergebnisse Um die Anwendbarkeit flüssigkeitsdurchströmter Glasfassaden an verschiedenen Standorten zu überprüfen, wurden Simulationsmodelle entwickelt und mit Mes-

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Different options for fluid glass units Functioning of a fluid glass facade in different climatic conditions Composition of the fluid glass prototype that was investigated in the EU research project Fluid glass unit in its dyed state Test facility (with artificial sun and climate chamber) at the Technical University of Munich

sungen an Prototypen validiert. Bereits die Messergebnisse zeigen große Potenziale von Fluidgläsern auf. Durch Einfärben der Flüssigkeiten wurde der g-Wert von 34 % auf 6 %, die Lichttransmission sogar von 50 % auf 0 % reduziert – der Raum wurde also komplett verdunkelt.

In ersten, vereinfachten Simulationen wurde ein nach Südwesten orientiertes Einzelbüro mit Vollverglasung an den Standorten München und Dubai untersucht.

Dabei wurden drei Fluidglasvarianten mit einer optimierten Sonnenschutzverglasung als Benchmark-Szenario verglichen.

Die Fluidgläser unterscheiden sich einerseits bezüglich der Färbung der Flüssigkeit (klar bzw. mit variabler Einfärbung), andererseits hinsichtlich der Verglasungsart (Floatglas bzw. eisenoxidarmes Weißglas) (Abb. 6).

Die Simulationsergebnisse (Abb. 7) zeigen, dass eine reversible Einfärbung der Flüssigkeiten für das Fluidglassystem entscheidend ist. Büroräume mit Fluidglasfassaden mit klarer Flüssigkeit haben an beiden untersuchten Standorten und in beiden Verglasungsvarianten eine schlechtere Energiebilanz als mit Sonnenschutzverglasungen. Dagegen ermöglichen Fluidgläser mit variabler Einfärbung große Energieeinsparpotenziale, die in München ca. 20 % und in Dubai sogar ca.

40 % betragen. Die zusätzlich anfallenden

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Heizen und Kühlen mit Wärmepumpen: Erfahrungen aus dem Langzeitmonitoring Heating and cooling with heat pumps: experience gained from long-term monitoring

Doreen Kalz, Jeannette Wapler, Danny Günther

Eine große Herausforderung im Zusammenhang mit der Energiewende ist der Wandel von einer zentralen hin zu einer zumindest teilweise dezentralen elektrischen Energieversorgung mit erneuerbaren Energien. Die zunehmende Einspeisung von fluktuierenden erneuerbaren Energien belastet die Stromnetze und erfordert ein effizientes Management von Stromangebot und -nachfrage. Auch der heute noch stark von fossilen Energien dominierte Heizwärmesektor wird sich verändern müssen. Berechnungen zeigen, dass ein optimales Zusammenspiel aller Sektoren in Deutschland nur durch eine zunehmende Konvergenz des Stromund Wärmesektors gelingt. Vor allem elektrische Wärmepumpen dürften in diesem Zusammenhang massiv an Bedeutung gewinnen, wie Simulationsrechnungen des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) nahelegen. [1] Zum einen erlauben Wärmepumpen in Gebäuden mit reduziertem Wärme- und Kältebedarf eine besonders energieeffiziente Heizung und Kühlung. Außerdem können sie überschüssigen Strom aus erneuerbaren Quellen in speicherbare thermische Energie umwandeln. Bei einer abgestimmten Interaktion zwischen Wärmepumpe und Versorgungsnetz reduziert diese Wärme- und Kältespeicherung Lastspitzen und leistet einen Beitrag da-

Doch wie effizient sind Wärmepumpensysteme im realen Betrieb? Wo liegen Schwachstellen, und was sind Erfolgsfaktoren? Der folgende Beitrag stellt Praxiserfahrungen und Betriebsauswertungen von Wohn- und Nichtwohngebäuden mit erdreich-, grundwasser- und außenluftgekoppelten Wärmepumpen vor. Die Auswertungen basieren auf mehrjährigen Monitoringkampagnen aus den Förderprogrammen »Energieoptimiertes Bauen (EnOB)«, »LowEx:Monitor« und »WP-Effizienz« des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) sowie aus Projekten, die Energieversorger und Wärmepumpenhersteller unterstützt haben. In diesen Feldstudien wurde nicht nur die im realen Betrieb erreichte Energieeffizienz der Wärmepumpensysteme ermittelt, sondern auch die Betriebsbedingungen untersucht und das Systemverhalten analysiert.

Wärme- und Kälteversorgungskonzepte für Wohngebäude In drei Monitoringprojekten untersuchte das Fraunhofer ISE die Effizienz von elektrisch angetriebenen Wärmepumpensystemen in kleineren Wohngebäuden (meist Einfamilienhäusern) (Abb. 1). Während sich das Projekt »WP im Bestand« [3] der Bewertung von Wärmepumpen in unsanierten bzw. teilsanierten Bestandsge-

Forschungsprojekt/Research project

WP im Bestand

WP-Effizienz

WP-Monitor

Projektpartner und Projektförderung Project partners and sponsoring

E.ON Energie AG

7 Wärmepumpenhersteller, 2 Energieversorger, BMWi 7 heat pump manufacturers, 2 energy providers, German Ministry of Economy

12 Wärmepumpenhersteller, EnBW 12 heat pump manufacturers, EnBW (energy provider)

Projektlaufzeit/Duration

10.2006 – 12.2009

10.2005 – 09.2010

12.2009 – 09.2013

Nenn-Heizleistung der WP Heat output of heat pumps (min … Ø … max)

5 kW … 14 kW … 37 kW

6 kW … 9 kW … 17 kW

5 kW … 9 kW … 17 kW

Wärmequelle Erdreich Ground source heat pumps

36

56

47 1)

Wärmequelle Außenluft Air-to-water heat pumps

34

18

35 1)

Wärmeverteilsystem Heat distribution

Flächenheizungen/Panel heating: 3 % Radiatoren/Radiators: 71 % Kombiniert/Combined: 26 %

Flächenheizungen/Panel heating: 94 % Radiatoren/Radiators: 1 % Kombiniert/Combined: 5 %

Flächenheizungen/Panel heating: 88 % Radiatoren/Radiators: 4 % Kombiniert/Combined: 8 %

1)

1

zu, Stromerzeugung und und -verbrauch im Netz zeitlich besser in Einklang zu bringen.

Schon heute haben sich Wärmepumpen insbesondere in Wohngebäuden etabliert.

Einen Beleg hierfür liefern die Verkaufszahlen, die sich seit 2006 relativ kontinuierlich zwischen 50 000 und 60 000 Stück pro Jahr bewegen. Dies entsprach einem Marktanteil der Wärmepumpen von 8–10 % am Gesamtmarkt der Wärmeerzeuger. Im Neubaumarkt erzielten Wärmepumpen im Jahr 2012 bereits einen Anteil von 27 %. Derzeit sind in Deutschland mehr als 500 000 Wärmepumpen in Betrieb, und für das Jahr 2020 wird ein Anstieg auf 1,2 Millionen Wärmepumpen mit einer Anschlussleistung von 3600 Megawatt prognostiziert [2].

Auch in Büro- und Gewerbegebäudenwerden Wärmepumpen zunehmend für die Heizung und Kühlung genutzt. Im Winter wird dabei einer Umweltwärmequelle Wärme entzogen und durch den thermodynamischen Wärmepumpenprozess Heizwärme für das Gebäude bereitgestellt. Im Sommer wird das Erdreich bzw. das Grundwasser meist direkt zur freien Kühlung der Gebäude genutzt. Erfordern das Gebäude und seine Nutzung eine erhöhte Kühlleistung, kann eine reversible Wärmepumpe auch auf energieeffizientem Wege Klimakälte bereitstellen.

Im Projekt »WP-Monitor« wurden 34 Erdreich-Wärmepumpen und 13 Außenluft-Wärmepumpen aus »WP-Effizienz« übernommen.

In the project “WP-Monitor”, 34 ground source heat pumps and 13 air-to-water heat pumps were adopted from the “WP-Effizienz” project

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4 Forschung und Praxis

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60 000

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Doreen Kalz manages the ‘Energy Concepts and Building Analysis’ group at the Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE).

Jeanette Wapler and Danny Günther are research assistants at the same institute.

wird das Erdreich mittels Erdsonden als Umweltwärmequelle/-senke erschlossen (Gesamtlänge der Erdsonden 15 –19 Meter pro kW Heizleistung der Wärmepumpe). In drei Gebäuden werden grundwassergekoppelte Wärmepumpen eingesetzt (geförderter Volumenstrom 11–70 m3/h).

Im Sommer werden die jeweiligen Umweltwärmesenken vorrangig direkt zur Kühlung herangezogen. In sechs Fällen stellen reversible Wärmepumpen bei Bedarf zusätzlich aktiv Kälte bereit (thermische Leistung 50 –200 kW). Fast alle untersuchten Gebäude verfügen über eine Kühlung mittels thermoaktiver Bauteilsysteme; in einigen wenigen wurden abgehängte Kühlpaneele installiert. In den meisten Gebäuden sind Pufferspeicher mit Größen von 500 bis 3.000 Liter (4-25 l pro kW nomineller Heizleistung der Wärmepumpe) vorhanden. In den Nichtwohngebäuden wird die Wärmepumpe nicht zur Trinkwarmwassererzeugung eingesetzt, da der in der Regel sehr geringe Warmwasserbedarf meist mit dezentralen Durchlauferhitzern wirtschaftlicher gedeckt werden kann.

Methodik der Auswertung und Bilanzierung Im Rahmen der Monitoringprojekte wurden die Wärmepumpenanlagen über mehrere Betriebsjahre detailliert vermessen. Dabei wurden die Vor- und Rücklauftemperaturen der Wärmequellen und -senken sowie der Wärmepumpe, die Volumenströme, die Wärme- und Kältemengen, der elektrische Energiebezug für die Kompressoren und Hilfsaggregate sowie bei Gaswärmepumpen auch der Gasbezug mit Messgeräten erfasst. In den Nichtwohngebäuden wurden zusätzlich die Betriebssignale und Ventilstellungen ausgelesen. Abb. 6 zeigt am Beispiel eines erdgekoppelten Wärmepumpensystems die in den Auswertungen zugrunde gelegten Bilanzgrenzen: • Wärmequelle (WQ): betrachtet den hydraulischen Primärkreis, also Umweltwärmequelle/-senke mit dazugehöriger Umwälzpumpe • Wärmepumpenanlage (WPA): umfasst Primärkreis und Wärmepumpe (inkl.

Regelung und Steuerung) sowie den Heizstab bei den Wohngebäuden

2 3

4

0 2

1980

1990

2000

Doreen Kalz leitet die Gruppe „Energiekonzepte und Gebäudeanalyse“ am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE).

Jeannette Wapler und Danny Günther sind als wissenschaftliche Mitarbeiter am Fraunhofer ISE tätig.

Übersicht über die drei Felduntersuchungen zu Wärmepumpen in Wohngebäuden Entwicklung der Wärmepumpen-Verkaufszahlen in Deutschland. Der erste Anstieg zu Beginn der 80er-Jahre war durch die Ölkrise verursacht [4].

Wärme- und Kälteversorgung eines Laborgebäudes mittels außenluftgekoppelter Wärmepumpe, die gleichzeitig Wärme und Kälte bereitstellt und Prozessabwärme nutzt Wärmepumpe und Warmwasserspeicher für die Versorgung eines Wohngebäudes Overview of the three field tests for heat pumps in residential buildings Sales figures for heat pumps in Germany [4] Air-to-water heat pump used for the simultaneous heating and cooling of a laboratory building. The installation also uses waste heat from the laboratory machinery.

Heat pump and storage tank in a residential building

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20 000

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2010

bäuden widmete, wurden in den Projekten »WP-Effizienz« [5] und »WP Monitor« [6] Wärmepumpen in neuen Gebäuden untersucht. In allen Felduntersuchungen wurden sowohl außenluft- als auch erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen berücksichtigt. Bis auf wenige Ausnahmen übernehmen die Wärmepumpenanlagen sowohl die Raumheizung als auch die Trinkwassererwärmung, wobei Letztere in einigen Fällen zusätzlich durch eine thermische Solaranlage unterstützt wird. Eine Raumkühlung wird nur in sehr wenigen Wohngebäuden umgesetzt.

Die nominale Heizleistung der installierten Wärmepumpen liegt zwischen 5 kW und 17 kW in Neubauten bzw. 37 kW in Bestandsgebäuden. In den meisten Anlagen ist eine elektrische Zusatzheizung installiert, die jedoch bei weniger als der Hälfte der erdgekoppelten Systeme tatsächlich zum Einsatz kommt. Auch bei den Außenluft-Wärmepumpen wird der Heizstab bei fast jeder fünften Anlage nicht in Betrieb genommen, obwohl dies bei dieser Art von Wärmepumpenanlagen bei (sehr) geringen Außentemperaturen eigentlich zu erwarten gewesen wäre. Der Befund legt die Vermutung nahe, dass die betreffenden Wärmepumpen überdimensioniert sind. Pufferspeicher sind in den außenluftgekoppelten Anlagen deutlich häufiger (in 80 % aller untersuchten Fälle) zu finden als bei Erdreich-Wärmepumpen, die zu rund 50 % direkt an den Heizkreis angebunden sind.

Büro- und Gewerbegebäude Die 16 untersuchten Büro- und Gewerbegebäude haben eine beheizte Nettogrundfläche von 800 bis 10 700 m².

Die nominale thermische Heizleistung der erdgekoppelten, elektrischen Wärmepumpen liegt zwischen 28 und 2≈ 135 kW und die der Gaswärmepumpen bei 38 kW. Davon werden 6 Anlagen monovalent betrieben; in 10 Gebäuden werden weitere Wärmeerzeuger wie zum Beispiel Fernwärme oder Pelletkessel eingesetzt. In 13 der untersuchten Gebäude

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Fotonachweis/Impressum

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