Adaptive Gebäudekonzepte: Teehaus

TEEHAUS

Adaptive Gebäudekonzepte Lehrstuhl für Gebäudetechnologie und Klimagerechtes Bauen Technische Universität München Datum: 01.08.2022

Alina Amelunxen, Nadine Engel, Daniel Giesler, Regina Hofbauer, Liubov Kniazeva

Datum: 01.08.2022

INHALT

Singapur Klimaanalyse Standort Architektur Nutzung Konstruktion & Material Innenraum Klimakonzept Grünes & Blaues Konzept Energiekonzept Modellfotos

Singapur ist ein Stadtstaat in Südostasien, der an der südlichen Küste der malaiischen Halbinsel liegt. Singapur liegt somit nahe des Äquators in einer Höhe von 15 Metern über dem Meeresspiegel. Die Fläche von Singapur beträgt 719 km². Mit einer Einwohnerzahl von 5.454.000 zählt Singapur zu den Städten mit der höchsten Einwohnerdichte.

Das Land war ursprünglich eine britische Kolonie und diente als wichtiger Knotenpunkt auf der Handelsroute zwischen Indien und China. Durch den Handel und die Lage von Singapur wuchs die Kolonie über die Zeit und gewann immer mehr an Bedeutung für die Briten. Durch die Aussicht auf Arbeit zog es viele Menschen aus China, Malaysia und Indien nach Singapur, blühte das Land rasch auf und entwickelte sich zu einem Schmelztiegel aus unterschiedlichsten Kulturen. Erst 1965 wurde Singapur unabhängig. Trotz anfänglicher sozialer, wirtschaftlicher und politischer Probleme entwickelte sich das Land dank eines wirtschaftlichen Aufschwungs zu einem der höchstentwickelten Länder, welches bekannt ist für seine fortgeschrittenen Technologien und Innovationen.

KLIMAANALYSE

Singapur liegt in der tropischen Klimazone. Diese Zone ist geprägt von konstant hohen Temperaturen (24 bis 34 °C) aufgrund des hohen Sonnenstandes, sowie einer hohen Luftfeuchtigkeit (durchschnittlich 78 %) während des ganzen Jahres. Aufgrund der Lage nahe des Äquators dauern die Tage im Schnitt 12 Stunden. Durch den zusätzlich hohen Anteil an direkter Sonneneinstrahlung (ca. 65 %) entsteht eine hohe Hitzebelastung. Der Wind, der vorwiegend aus Nord-Osten kommt und im Durchschnitt eine Luftgeschwindigkeit von 3,0 m/s aufweist, macht mit den häufig auftretenden Wolken die Temperaturen erträglicher.

Die Niederschlagswahrscheinlichkeit ist das ganze Jahr über hoch. Regenfälle treten kurzzeitig aber heftig auf. Es kommt im Schnitt an 150 Tagen pro Jahr zu Regenfällen, wobei der meiste Regen im November und Dezember fällt. Im Jahr sammeln sich somit insgesamt 2366 mm an Regen, was der 2,4-fachen Menge von München (1000 mm pro Jahr) entspricht.

WICHTIGE DATEN & FAKTEN

Fläche 719 km 2

Einwohnerzahl: 5.454.000 Einwohnerdichte: 7.654 pro km 2

Klimazone: Tropen Koordinaten: 1° 17‘ N, 103° 50‘ O

Lufttemperatur: 24 - 34 °C Luftfeuchtigkeit: 78 % Sonnenstunden: 12 Stunden pro Tag

Windgeschwindigkeit: 3 m/s Windrichtung: Nord-Ost

Niederschlag: 2400 mm pro Jahr Regentage: 150 pro Jahr Regenzeit: November - Januar

LUFTTEMPERATUR LUFTTEMPERATUR SOLARSTRAHLUNG

Lufttemperatur [°C ] Zeit

Luftfeuchtigkeit [%]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Häufigkeit [%] Lufttemperatur [°C]

Lufttemperatur [°C] Solarstrahlung [kWh/m 2 ] Zeit

LUFTFEUCHTIGKEIT WINDGESCHWINDIGKEIT NIEDERSCHLAG

[°C

[mm] Lufttemperatur [°C] Zeit

STANDORT

Der Standort befindet sich an der Marina Bay, auf einer in den Hafen vorgelagerten Grünfläche. Diese wird von einem Teil der Promenade umsäumt,d ie vom Tourismus geprägt ist (Sehenswürdigkeiten, Shops, Museen, etc.). Südwestlich der Grünfläche befindet sich der “Central Business District”. Dieser besteht aus dicht bebauten Hochhäusern mit überwiegend Büronutzung. Dadurch wird der Standort einerseits von Touristen, andererseits von der arbeitenden Bevölkerung belebt. Dennoch fehlt es an diesem Ort an Einrichtungen für soziale Interaktion und Entspannung. Der hier präsentierte Entwurf, in Form eines Teehauses, bietet eine vielfältige Umgebung zum Arbeiten, Entspannen und Interagieren. Dadurch wird ein Ort geschaffen, welcher auf die Bedürfnisse des Menschen abgestimmt ist.

Der Standort bietet, aufgrund der Nähe zum Wasser, in Kombination mit dem hier stärker auftretenden Wind, optimale Voraussetzungen für eine natürliche Belüftung. Gleichzeitig spenden die bereits bestehenden Bäume um das Gebäude ausreichend Schatten, um die direkte solare Einstrahlung auf das Teehaus zu reduzieren.

ARCHITEKTUR

KULTUR & GESCHICHTE

Chinesisch 75 % Malayisch 13 % Indisch 9 %

Mix an Kulturen Fehlen der Identität

TRADITIONELLE ARCHITEKTUR

SYMBOL

Orchidee Merlion

Traditionelle Architektur

Die traditionellen Gebäude aus der malayischen Region bestehen aus einer leichten Holzkonstruktion. Durch eine offene, aufgeständerte Bauweise und ein zweigeteiltes Dach wird eine ausreichende Querlüftung über die gesamte Gebäudehöhe gewährleistet. Neben den umstehenden Bäumen und Pflanzen bilden große Dachüberstände einen effektiven Schutz vor Sonneneinstrahlung und Blendung sowie heftigen Regenfällen. Damit wird eine offene Gestaltung ermöglicht, welche für die Durchlüftung der Gebäude essentiell ist.

Ornament

Heilige Zahl

Inmitten der modernen Stadt vereint das Teehaus die traditionelle, an das Klima angepasste Bauweise mit dem Konzept eines asiatischen Teehauses. Die Mitte des Gebäudes bildet ein grüner Innenhof. An heißen Tagen schafft hier ein Wasserfall von der oberen Ebene eine angenehme Atmosphäre. An der Stirnseite des grünen Innenhofes erstreckt sich eine begrünte Wand. An deren Rückseite befindet sich die Teeküche, die frisches Trinkwasser und Teebehälter mit unterschiedlichen Teesorten bereitstellt. Durch den offenen Grundriss ist eine multifunktionale Nutzung des Teehauses möglich. Neben mehreren Arbeits- und Sitzplätzen, gibt das Teehaus Raum für kulturelle und sportliche Events. Die flexible Nutzung wird durch die faltbaren Außenwände unterstützt. Im Fall der ersten Variante bieten die Außenwände einen Schutz vor Sonne, Wasser und Wind. Zudem wird ein ausreichender Sichtschutz gewährleistet. Bei hohen Windgeschwindigkeiten lassen sich die Wandelemente vollständig zusammenklappen (Variante II), wodurch das Gebäude natürlich belüftet werden kann. Gleichzeitig können die Wandelemente, wie in Variante III gezeigt, als Trennwände genutzt werden. Dabei werden die Wandelemente an den innenliegenden Stützen fixiert.

KONSTRUKTION UND MATERIAL

Die Konstruktionsebene ist geprägt von nachwachsenden und regenerativen Rohstoffen. Für das Dach, die Plattform sowie die Stützen kommen vor allem lokale Materialien, wie beispielsweise Bambus zum Einsatz. Der obere Bereich des Daches ist komplett mit Photovoltaikanlagen bedeckt, während der untere Bereich aus einer transluzenten, wasserdichten Membran besteht, welche optimale Lichtverhältnisse zum Arbeiten schafft.

Der Arbeitsraum erstreckt sich über zwei Ebenen, wobei die untere Plattform den Hauptaufenthaltsbereich darstellt. Die obere Ebene wird über eine Leiter, integriert in der Teeküchenwand, erschlossen und besteht aus einem Netz, ähnlich einer Hängematte. Somit ist die Höhe des Teehauses optimal ausgenutzt, es werden verschiedene Arbeitsplätze geboten und es besteht immer ein Kontakt zwischen der unteren und oberen Ebene. Auffällig ist zudem die aufgeständerte Plattform. Diese dient in Regenzeiten als Hochwasserschutz, sodass das Regenwasser unter der Plattform bzw. im Grünstreifen versickern kann. Die mobilen Wandelmente (s. Nutzung) an den Außenseiten sind ebenfalls Teil des Regenschutzes.

MOBILE WANDELEMENTE

Die Außenwände sind aus Holz bestehende Faltwände. Die Elemente bestehen aus drei dünnen Platten, die übereinanderliegende Perforationen in Form von typischen Formen bzw. Ornamenten (s. Architektur) aufweisen. Durch einen Schieberegler an der Seite auf einer Höhe von 1,20 Metern lässt sich die mittlere Platte verschieben, wodurch die Größe der Öffnungen individuell in unterschiedlichen Stufen eingestellt werden kann. Dadurch kann die Luftzufuhr manuell reguliert werden.

INNENRAUM

Das Innenraumkonzept ist maßgeblich geprägt von der Idee der Klimaresilienz. Die begrünte Wand sowie der grüne Innenhof sorgen für ein angenehmes Mikroklima. Weiterhin kühlt der integrierte Wasserfall durch die Verdunstungskühlung, sodass eine maximale Behaglichkeit im Inneren des Teehauses garantiert wird. Der enge Bezug zur Natur steht dabei im Mittelpunkt der Gestaltung.

Des Weiteren wird die Idee des Teehauses in der Gestaltung des Innenraums aufgegriffen. Die Aufbewahrungsgläser der Teepflanzen an der begrünten Wand der Teeküche stellen sowohl ein dekoratives Element, als auch ein räumliches Element dar. Sie schaffen somit den Bezug zur Grundidee, einem Teehaus.

Abgerundet wird das Innenraumkonzept durch Hängepflanzen sowie Hängelampen, die an der Dachkonstruktion befestigt werden. Diese ermöglichen somit auch das Arbeiten bei schlechten Lichtverhältnissen, abends oder nachts. Die integrierten Steckdosen sorgen dabei für die notwendige energetische Versorgung.

TEMPERATUR [°C]

RELATIVE FEUCHTE [%]

WINDGESCHWINDIGKEIT [m/s]

31 °C 0.2 m/s

max. 35 °C min. 21 °C

TAG

70 % max. 100 % min. 41 %

Die in den Tropen üblichen konstant hohen Temperaturen und die hohe Sonneneinstrahlung erfordern einen entsprechenden Sonnenschutz. Dies wird durch einen weiten Dachüberstand ermöglicht, der zusätzlich als Schutz vor Starkregen dient. Wichtig ist zudem eine ausreichende Ventilation, um die Lufttemperatur im Pavillon herunterzukühlen. Daher wird die von der traditionellen Bauweise offene Bauweise ergänzt durch das zweigeteilte Dach übernommen. Dennoch ist die Querlüftung nicht immer ausreichend, um die Temperaturen innerhalb der Komfortzone zu halten. Bei einer natürlichen Ventilation fühlen sich Menschen bei Temperaturen zwischen 21 und 31,5°C behaglich. Wird eine Temperatur von 31 °C überschritten, beginnt ein Wasserfall zu fließen. Zu diesen Zeitpunkten, sinkt die relative Luftfeuchtigkeit unter 70 %. Außerdem kann eine minimale Windgeschwindigkeit von 0,2 m/s gewährleistet werden, wodurch der Effekt der Verdunstungskühlung effektiv genutzt werden kann. Unterstützt wird diese von der Evapotranspiration der Grünflächen und Pflanzen im Gebäude (siehe “Grünes Konzept”). Um eine behagliche Belüftung des Gebäudes zu gewährleisten, bestehen die Außenwände aus klapp- und regulierbaren Wandelementen (s. Konstruktion & Material).

NACHT

Nachts liegen die Temperaturen innerhalb der Komfortzone. Damit sind, neben der Querlüftung, keine weiteren Maßnahmen notwendig, um das Gebäude entsprechend zu kühlen.

KLIMAKONZEPT

TAG NACHT

Temperatur [°C] 23 - 35 direkte Solarstrahlung [%] 55 - 65 Windgeschwindigkeit [m/s] 3,03

Temperatur [°C] 23 - 31 direkte Solarstrahlung [%] 0 Windgeschwindigkeit [m/s] 1,55

Ein typisches Element der Teehauskultur ist ein begrünter Hof im Inneren des Gebäudes. Daher wurde im vorliegenden Entwurf ein grüner Innenhof (s. Nutzung) mit diversen Pflanzen integriert, die die Biodiversität in Singapur fördern sollen. Dazu gehören neben den typischen Pflanzen wie Orchideen und Teepflanzen auch Gräser, Bodendecker und weitere heimische Pflanzenarten, wie beispielsweise Jasmin. Zusätzlich besteht das grüne Konzept aus einer begrünten Wand, in der die Teeküche und der Wassertank integriert sind. Das Grün innerhalb des Gebäudes fördert neben der Biodiversität zusätzlich das Wohlbefinden des Menschen, da Pflanzen eine stressreduzierende Wirkung auf den Menschen haben. Außerdem ist das Grün Teil des Klimakonzeptes, da die Pflanzen durch Verdunstung von Wasser (Evapotranspiration) die Umgebungsluft kühlen. Zusammenfassend lässt sich somit sagen, dass das grüne Konzept einen Teil der Kultur widerspiegelt und gleichzeitig wichtige Funktionen für das Klima und den Menschen vereint.

BLAUES KONZEPT

REGENWASSERERTRAG

Dachfläche 49,00 m 2 Niederschlag pro Jahr 2.366 mm Abflussbeiwert 0,80 Filterwirkungsgrad 0,98 % Wasserertrag pro Jahr 90,90 m 3

REGENWASSERBEDARF

Teewasser pro Tag 10 l Wasserfall pro Tag 100 l Kühlung pro Trag 100 l Wasserbedarf pro Jahr 76,65 m 3

TANKGRÖSSE

Wasserbedarf pro Tag 210 l Tankvolumen 1,47 m 3 Volumen 3,60 m 3

Das Teehaus kann das ganze Jahr über vollständig autark betrieben werden. Um dies zu erreichen, wird die ständige Versorgung mit Strom und Wasser über die natürlichen Ressourcen vor Ort sichergestellt. Die in Singapur vorherrschenden hohen und konstanten Niederschläge werden über das Dach der Konstruktion an mehreren Stellen gesammelt und in einem Tank gespeichert. Der Tank befindet sich dabei vertikal ausgerichtet in der begrünten Wand im Innenraum des Gebäudes. Dies hat den Vorteil, dass durch die kinetische Energie des Wassers die Pumpen entlasten werden und somit effizienter betrieben werden. Dafür wird der Tank Stufenweise von oben nach unten in mehreren Kammern gefüllt, was auch bei geringem Füllstand die Nutzung der kinetischen Energie ermöglicht. Mit einem Volumen von 3,6m³ kann der Wasserbedarf des Teehauses für 7 Tage ohne Niederschlag gedeckt werden. Versorgt werden dabei die Verdunstungskühlung sowie die Trinkwasserversorgung mittels eines Durchlauffilters.

ENERGIEKONZEPT

Um die Stromversorgung sicherzustellen, ist der obere Teil des Daches mit Solarpanelen ausgestattet. Die hohe, über das Jahr relativ konstante Sonneneinstrahlung kann so genutzt werden um eine zuverlässige Stromversorgung sicher zu stellen. Mit einer Fläche von etwa 18 m² kann damit die durchschnittliche Mindestleistung von 5 kWh/Tag erreicht werden. Unterstützt wird die Stromversorgung durch einen Batteriespeicher, welcher sich unter dem Gebäude befindet, um vor Überhitzung geschützt zu sein. Dieser hat eine Kapazität von 8,5 kWh. Mit Strom versorgt werden die Lampen und Steckdosen an den Arbeitsplätzen, die Filteranlage mit Pumpen zur Sicherstellung von Trinkwasser sowie die Wasserkocher und der Kühlschrank zur Bereitstellung von Heiß- und Kaltgetränken. Es können damit Endgeräte an 5 Arbeitsplätzen mit Strom versorgt werden. Durch den Batteriespeicher und die künstliche Beleuchtung ist ein Arbeiten auch in Zeiträumen mit wenig Sonneneinstrahlung sowie abends und nachts möglich.

ENERGIEVERBRAUCH

1 Kühlschrank 70 kWh/a 1 Wasserkocher 438 kWh/a 8 Lampen 90 kWh/a 8 Steckdosen 80 kWh/a 1 Filter 200 kWh/a

SOLARSYSTEM & SPEICHER

Energieverbrauch pro Jahr 2.068 kWh Leistung Solarsystem pro Tag 5,67 kWh Leistung Speicher pro Tag 8,50 kWh

FLÄCHENBEDARF

Monokristalline Module 12,41 m 2 (166,67 kWh/m 2 ) Polykristalline PV-Module 14,48 m 2 (142,86 kWh/m 2 )

LITERATURVERZEICHNIS

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Cedar Lake Ventures, Inc. (o.J.). Klima und durchschnittliches Wetter das ganze Jahr über in Singapur. Unter: https://de.weatherspark.com/y/114655/Durchschnittswetter-inSingapur-das-ganze-Jahr-%C3%BCber#Figures-ObservedWeather (31.07.2022).

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Givoni, B. (1994). Passive and Low Energy Cooling of Buildings. New York: Wiley.

Givoni, B. (1998). Climate considerations in building and urban design. New York: Van Nostrand Reinhold.

Hausladen, G. (2012). Klimagerecht Bauen. Ein Handbuch (Online). Basel: Birkhäuser. Unter: https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/9783034612111/html?lang=de (31.07.2022).

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Laenderdaten.info (Hrsg.). (o.J.). Singapur. Unter: https://www.laenderdaten.info/Asien/ Singapur/index.php (31.07.2022).

TEEHAUS

Adaptive Gebäudekonzepte Lehrstuhl für Gebäudetechnologie und Klimagerechtes Bauen Technische Universität München Datum: 01.08.2022

Alina Amelunxen, Nadine Engel, Daniel Giesler, Regina Hofbauer, Liubov Kniazeva