KLIMAGERECHTES UND ENERGIEEFFIZIENTES BAUEN

    Architekten und Baumeister stellen sich bereits seit Jahrtausenden den Herausforderungen energieeffizienten und klimagerechten Bauens. Schon die Römer haben Gebäude unter Berücksichtigung des Einflusses von Sonne und Wind geplant. Zwischen den Jahren 104 und 109 nach Christus errichtete der Architekt Apollodor von Damaskus in Rom die monumentale Trajanstherme mit einer Grundfläche von etwa 340 mal 300 Meter. Ihre Baderäume wurden schon damals mit Abwärme beheizt, sie waren ideal zur Sonne ausgerichtet und gleichzeitig waren die Badegäste vom Wind geschützt.

    Im Laufe der Jahrhunderte wurden die Grundlagen des klimagerechten Bauens weiterentwickelt und prägten die Architektursprache der jeweiligen Kultur- und Klimazonen. Der vernakulären Architektur und der klimatischen Einflüsse auf sie wurden in den vergangenen Dekaden zahlreiche Publikationen gewidmet.

    NEUERE ENTWICKLUNGEN
    Getrieben von dem Wunsch nach Transparenz und Leichtigkeit und ermöglicht durch die Erfindung maschineller Klimaanlagen am Anfang des 20sten Jahrhunderts, wurden die Klimaeinflüsse auf das Gebäude in der Moderne häufig ignoriert. Erst die Diskussion um Energieeffizienz und Aufenthaltsqualität brachte das Thema am Ende des 20sten Jahrhunderts wieder stärker in den Fokus der Architektur. Innovationen im Bereich der Fassade und vor allem der Glasqualität sowie der Gebäude¬technik in den 80er und 90er Jahren zeigten neue Wege auf.

    Eines der Beispiele, wie hohe Energieeffizienz bei gleichzeitig hohem Glasanteil in der Fassade erreicht werden kann, ist die Norddeutsche Landesbank in Hannover (Behnisch, Behnisch + Partner). Ein außenliegender Sonnenschutz kombiniert mit einer Bauteilaktivierung (exponierte Betondecken mit hoher thermischer Masse), die aus einem Erdwärmetauscher versorgt wird, garantiert den sommerlichen Wärmeschutz. Integrierte Kamine sorgen für eine natürliche Querlüftung, weswegen auf den Einsatz einer me-chanischen Lüftung beziehungsweise Klimaanla¬ge verzichtet werden konnte.

    Die Nordfassade zur Hauptverkehrsstraße wurde aus Schallschutzgründen mit einer Doppelfassa¬de versehen, deren Zwischenraum lufttechnisch mit dem Innenhof verbunden ist. Dadurch ergibt sich eine natürliche Lüftung entlang der Nordfas¬sade mit Frischluft aus dem Innenhof.

    ENERGIEEFFIZIENTES BAUEN HEUTE
    Zu Beginn des 21sten Jahrhunderts wurden Gebäude entwickelt, die noch ausgefeilter auf die klimatischen Randbedingungen reagieren. Die KfW Westarkade in Frankfurt (Sauerbruch Hutton Architekten) sowie das Manitoba Hydro Gebäude in Winnipeg (KPMB Architects) sind zwei herausragende Beispiele dafür. Die beiden Gebäude zeigen im Vergleich außerdem, in wie weit klimagerechtes Entwerfen zu einer Differen¬zierung und damit zu einer Identität des Ortes beitragen kann.

    Beide Gebäude entstanden etwa zeitgleich mit einer ähnlichen Aufgabenstellung: Neben der Gebäudetypologie und einer ähnlichen Größe sollten sie Leuchtturmobjekte für energieeffizi¬entes Bauen werden. Die Westarkade der KfW sollte seitens des Bauherrn einen maximalen Primärenergiebedarf von 100 kWh/m2a für den Gebäudebetrieb nicht überschreiten. Damit ist es das erste Hochhaus, das nach den so genannten Solarbau-Anforderungen entwickelt wurde. Für das Manitoba Hydro Projekt war eine Unter-schreitung der gültigen Vorschriften hinsichtlich der Energieeffizienz (MNECB – Minimum Natio¬nal Energy Code for Buildings) um mindestens 60 Prozent gefordert. Beide Bauherren stellten damit äußerst ambitionierte Anforderungen an die Nachhaltigkeit – wobei die architektonische Qualität als einer der wesentlichen Leitgedanken der Nachhaltigkeit erkannt und berücksichtigt wurde.

    Beide Gebäude weisen einen hohen Glasanteil auf, außerdem haben beide eine Doppelfassade in den Bürobereichen. Unabhängig der Materialbeschaffenheit und der architektonischen Qualität waren ein klimagerechter Ansatz und die Aufenthaltsqualität zentrale Parameter der Planung. Bei genauerer Betrachtung zeigen sich neben der individuellen architektonischen Handschrift jedoch zahlreiche Differenzen, die letztlich zu einer anderen Architektur und unterschiedlichen energetischen Ansätzen führten. Ausgeprägt unterschiedliche klimatische Bedingungen spielten dabei eine maßgebliche Rolle. Winnipeg ist die kälteste Großstadt der Welt, an 40 Prozent aller Tage ist es dort kälter als 0 °C, die Temperaturen erreichen bis zu minus 35 °C. Im Sommer sind hingegen plus 35 °C bei hoher Luftfeuchtigkeit keine Seltenheit. Demgegenüber sind die Außenbedingungen in Frankfurt an zwei Dritteln des Jahres gemäßigt – bei vernünftiger Bauweise und Nutzung stellt sich in dieser Zeit weder ein Wärme- noch ein Kältebedarf ein. Die Minimaltemperatur beträgt minus 10 °C die Ma¬ximaltemperatur plus 33 °C bei einer gemäßigten Luftfeuchte (Überschreitung der zulässigen Feuchteparameter an nur wenigen Stunden des Jahres). Gleichzeitig hat Winnipeg eine um zirka 20 Prozent höhere solare Einstrahlung als Frankfurt. Dort ist es kalt und sonnig, es ist sozusagen der ideale Ort für solares Bauen. Während die mittlere Windgeschwindigkeit in Frankfurt ebenfalls gemäßigt ist, treten in der Prairie Kanadas häufig sehr hohe Windgeschwindigkeiten auf.

    Aufgrund der extremen klimatischen Randbedingungen in Kanada kam der Gebäudehülle eine besondere Bedeutung zu. Nach wie vor bestimmt dort der Heizwärmebedarf den Energiebedarf von Bürogebäuden. Das enorme winterliche Potenzial an Solarstrahlung führte zu einem Entwurf, in dem die passive solare Nutzung bereits in der Anordnung und Orientierung der Gebäudemasse Einfluss findet. Der südorientierte Wintergarten dient als Sonnenkollektor: Von dort wird das Gebäude mit Frischluft versorgt. Aufgrund der flach stehenden Sonne ist die vertikale Südfassade besonders effizient. Gleichzeitig wird ein halböffentlicher, geschützter Raum geschaffen. Er erlaubt es, die Wintersonne zu genießen und fördert gleichzeitig die informelle Kommunikation.

    Die ost- und westorientierten Bürobereiche werden über einen Sonnenschutz verschattet, der windgeschützt innerhalb einer Doppelfas¬sade geführt ist. Die Doppelfassade ermöglicht zusätzlich individuell öffenbare Fenster in der inneren Fassade, während die Gebäudeleittechnik die Öffnungen der äußeren Fassade steuert. Aufgrund des kalten Klimas ist die äußere Fassade als Witterungsschutz sowie als thermische Hülle ausgelegt. Die innere Fassade ist lediglich eine einfachverglaste Trennwand. Alle anderen Komponenten des Energiekonzepts fügen sich wie Puzzleteile in die generelle Strategie. Die relativ geringe Ausprägung extremer klimatischer Bedingungen in Frankfurt verhindert, dass bei einer vernünftigen Bauweise weder Heizwärmebedarf noch Kühlbedarf den Gesamtprimärenergiebedarf dominieren (bei idealer Nutzung). Größeren Einfluss haben der Kunstlichtbedarf, der Betrieb der mechanischen Lüftung sowie der Wärmebedarf aufgrund einer unkontrollierten Querlüftung. Letztere ist bei gemäßigten Außenbedingungen häufig stärker ausgeprägt.

    Zur Minimierung des Kunstlichtbedarfs wurde, neben einer effizienten Beleuchtung und hellen Räumen, die Tageslichtnutzung durch die Fassadengestaltung optimiert. Eine so genannte Druckringfassade nutzt im Heizfall die Druckun¬terschiede entlang der Hochhausfassade, um die natürliche Lüftung zu optimieren und gleichzeitig eine ungewollte Querlüftung zu minimieren. Hierfür ist die Doppelfassade als durchgängiger Korridor ausgebildet. Motorische Klappen auf der Luv- und Leeseite sorgen dafür, dass sich innerhalb des Rings ein gleichmäßiger Druck, möglichst ein geringer Überdruck gegenüber außen, aufbaut. Der Winddruck entlang der inneren Fassade wird dadurch vergleichmäßigt und die Querlüftung minimiert.

    STANDORT UND KOMPLEXITÄT
    Neben der Standort optimierten Auslegung benötigen hochverglaste Gebäude intelligente Regelsysteme, um sommerliche Überhitzungsprobleme zu verhindern. Die passiven Systeme wie Sonnenschutz und Lüftungsklappen müssen, genauso wie die aktiven Systeme der technischen Gebäudeausrüstung, permanent an die fluktuierenden solaren Lasten und Windlasten angepasst werden. Für eine optimierte Energieeffizienz und Aufenthaltsqualität sind sowohl in der Planung als auch im Betrieb komplexe Computerprogramme notwendig. Sehr häufig scheitern ambitionierte Gebäude an der Komplexität der technischen Systeme, Hydraulik und/oder der Regelungstechnik. Schon eine funktionierende Sonnenschutzsteuerung ist häufig bereits eine große Hürde und selbst eine funktionierende Regel- und Steuerungstechnik macht häufig genau das, was der Nutzer nicht möchte. Die zunehmende Komplexität hat den Wunsch nach einfacheren, robusteren Gebäuden geweckt.

    Betrachtet man die derzeitige Sanierungsquote wird klar, dass es alternative Modelle geben muss. Klimagerechtes Bauen kann hierbei sicher eine mögliche Antwort liefern, wobei eine wachsende Tendenz in Richtung Einfachheit notwendig ist.

    AUSBLICK
    Klimagerechtes Bauen hat das Ziel sowohl zu einer verbesserten Energieeffizienz als auch zu einer höheren Aufenthaltsqualität zu führen. Selbst in unserem moderaten mitteleuropäischen Klima ist klimagerechtes Bauen neben dem Passivhaus und der derzeitigen Entwicklung der EnEV ein zusätzliches sinnvolles Modell und bereichert die architektonische Vielfalt. Das Gebäude 2226 von Baumschlager Eberle ist – wenn auch nicht auf alle Bauaufgaben übertragbar – ein Meilenstein in Richtung Einfachheit. Hohe Räume schaffen trotz einem geringen Glasanteil eine hervorragende Tageslichtversorgung. Das Klima wird letztlich ausschließlich über die thermische Masse reguliert. Dies reduziert ganz erheblich die Komplexität der Systeme und fordert gleichzeitig die Intelligenz und Kreativität der Planer.


    Der Originalartikel wurde im 1zu1 Magazin, Ausgabe 2016 veröffentlicht. 
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    Autor
    Prof. Dipl.-Ing. Thomas Auer

    Thomas Auer leitet seit 2014 den Lehrstuhl für Gebäudetechnologie und klimagerechtes Bauen der Fakultät für Architektur der Technischen Universität München. Zuvor führte ihn sein Weg über diverse akademische Berufungen an die Universität Kassel, die Yale University in den USA, aber auch nach Paris, Italien und Kanada. Im Jahr 2010 erhielt er den renommierten Treehugger Award als Bester Ingenieur.

    Neben seiner wissenschaftlichen Arbeit war und ist er auch immer in der Praxis tätig. So seit 2007 als Partner und Geschäftsführer bei TRANSSOLAR Energietechnik. Mit einer Vielzahl von Publikationen leistet er regelmäßig Beiträge zu Wissenstransfer und Fachdiskurs.

    Das Manitoba Hydro Gebäude in Winnipeg (KPMB Architects) ist ein Leuchttumprojekt für energieeffizientes Bauen, bei dem gültige Vorschriften weit unterschritten werden konnten.
    Sowohl durch die Anordnung und Orientierung der Gebäudemasse als auch durch die Fassadenausbildung des Manitoba Hydro Gebäudes in Winnipeg stellt sich die Architektur geschickt auf die klimatischen Randbedingungen des Standorts ein.
    Die Außenhülle der KfW Westarkade ist ausgebildet mit einer Doppelfassade, die energieeffizientes Heizen und Kühlen durch einen Druckring unterstützt.
    Die KfW Westarkade im Frankfurter Stadtteil Westend (Sauerbruch Hutton Architekten) ist das erste Hochhaus, das nach den so genannten Solarbau-Anforderungen entwickelt wurde. Die markante Fassade hat großen Anteil daran.