Passerelle-Workshop an der HSLU: Gebäudeplaner im Schwitzkasten
Die grosse Herausforderung wird in Zukunft die Kühlung im Sommer sein und nicht mehr das Heizen im Winter. Forscher suchen nach Wegen, wie Gebäude den Menschen auch noch an den Hitzetagen einen angenehmen Aufenthalt bescheren und gleichzeitig Energie sparen können.
Quelle: School of Design & Environment / zvg
Netto-Nullenergiegebäude: Der neue Erweiterungsbau der «School of Design & Environment» in Singapur erzeugt so viel Energie, wie er verbraucht.
Quelle: School of Design & Environment / zvg
Netto-Nullenergiegebäude: Der neue Erweiterungsbau der «School of Design & Environment» in Singapur erzeugt so viel Energie, wie er verbraucht.
Quelle: School of Design & Environment / zvg
Netto-Nullenergiegebäude: Der neue Erweiterungsbau der «School of Design & Environment» in Singapur erzeugt so viel Energie, wie er verbraucht.
Quelle: School of Design & Environment / zvg
Netto-Nullenergiegebäude: Der neue Erweiterungsbau der «School of Design & Environment» in Singapur erzeugt so viel Energie, wie er verbraucht.
Er erntete am Passerelle-Workshop an der Hochschule Luzern einige ungläubige Blicke, der Physiker und Klimaingenieur Wolfgang Kessling. In Singapur hat er mit seiner deutschen Firma Transsolar Energietechnik GmbH ein «Hybrid Cooling System» für die Klimatisierung von Gebäuden entwickelt. Dabei werden die Räume nicht mehr auf 24, sondern auf 29 Grad heruntergekühlt. Deckenventilatoren sorgen für eine höhere Luftgeschwindigkeit, und die Frischluft wird auf höheren Temperatur- und Feuchtigkeitsniveaus als bei herkömmlichen Klimaanlagen zugeführt. Trotz der höheren Temperaturen im Raum könnten gleich komfortable Bedingungen hergestellt werden, sagt Kessling. Gleichzeitig sinke der Energieverbrauch deutlich.
Lichthöfe für die Durchlüftung
Man dürfe die Behaglichkeit in Gebäuden nicht mit der Lufttemperatur gleichsetzen, unterstreicht Kessling. Es gebe mindestens fünf weitere Faktoren, die das Wohlbefinden beeinflussen, zum Beispiel die Luftbewegung, die Luftfeuchtigkeit, die Strahlungstemperatur der Umgebung sowie die Stoffwechselrate und die Bekleidung der Nutzer. «Die Planer und Gebäudedesigner müssen deshalb die Lufttemperatur hinter sich lassen und ganzheitlich über Komfort nachdenken.» Grundsätzlich schweben ihm autonome Gebäude vor, die wie früher alles aus sich heraus können: Sie sollen selbst für Belüftung, Tageslicht und thermischen Komfort sorgen.
Ein Beispiel ist der Neubau der Firma «Grüne Erde» im österreichischen Scharnstein, die ökologische, nachhaltige und sozial faire Produkte herstellt. Transsolar entwickelte das Energie- und Klimakonzept für das Netto-Nullenergiegebäude mit 6000 Quadratmetern Photovoltaikfläche. Der Bau erzeugt so viel Energie, wie er verbraucht. Als architektonisches und klimatechnisches Novum für ein Betriebsgebäude wurden 13 bepflanzte Lichthöfe geschaffen. Die 20 bis 30 Quadratmeter grossen Patios mit Bäumen tragen nicht nur wesentlich zur Belichtung bei, sondern dienen auch der Durchlüftung. Das Haus wird überwiegend natürlich gelüftet. Nur in Zeiten mit unkomfortablen Aussentemperaturen läuft eine mechanische Lüftung, dann aber mit Wärmerückgewinnung.
Ein Netto-Nullenergiegebäude ist auch der fünfstöckige Erweiterungsbau der «School of Design & Environment» der National University in Singapur, für den Transsolar das «Hybrid Cooling System» entwickelte. Ein grosses überkragendes Dach mit Photovoltaik-Anlage und geschlossene Ost- und Westfassaden schützen das Gebäude vor der Sonnenstrahlung. Die optimierte Bauform ermöglicht eine effiziente natürliche Belüftung und gute Tageslichtbeleuchtung.
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Wenn es uns gelingt, andere Gebäude zu bauen, werden wir deutlich weniger Energie verbrauchen und CO2 ausstossen.
Wolfgang Kessling, Geschäftsleitungsmitglied Transsolar Energietechnik GmbH
Wolfgang Kessling, Geschäftsleitungsmitglied Transsolar Energietechnik GmbH
«Eine leichte Brise...»
Die konventionelle Klimatisierung eines Gebäudes mit niedriger Lufttemperatur und -feuchtigkeit macht in den Tropen bis zu 60 Prozent der Gesamtstromlast aus. Daher sei es für das Netto-Nullenergie-Konzept unabdingbar gewesen, die Klimatechnik radikal zu überdenken, so Kessling. An der Idee, Häuser auf 29 statt 24 Grad Temperatur auszulegen und dafür die Luftgeschwindigkeit etwas zu erhöhen, sei «nichts Magisches», findet er: «Jeder, der in den Tropen lebt, weiss: Eine leichte Brise verbessert das Wohlbefinden.» Die konventionellen Klimaanlagen seien die Lösung der 80er-Jahre gewesen. In Singapur habe diese Klimatisierung in den Gebäuden zu extrem hohen abgehängten Decken geführt. Wenn die Klimatechnik sich ändere, könne man bei der gleichen Gebäudehöhe fast ein Geschoss gewinnen.
Ihre Theorie habe der Firma Transsolar niemand abgenommen, erzählt Geschäftsleitungsmitglied Kessling. Das «United World College Of SouthEast Asia» in Singapur bot ihr die Gelegenheit, in Schulräumen mit wärmeren Temperaturen die Auswirkungen einer erhöhten Luftbewegung auf den thermischen Komfort zu testen. Das Ergebnis: Erweiterte Temperatur- und Feuchtigkeitsbandbreiten erwiesen sich als akzeptabel, wenn die Luftgeschwindigkeit erhöht wurde. «Die Herausforderung lag nicht in der Technik, sondern sie bestand darin, mit den Nutzern den Sprung zu machen, über Komfort anders zu denken», sagt Kessling. Nach den erfolgreichen Tests konnte das Energie- und Klimakonzept im neuen Erweiterungsbau der «School of Design & Environment» der National University in Singapur umgesetzt werden. Die Räume werden natürlich belüftet, und das Hybridsystem tritt nur bei Bedarf in Funktion. Der gesamte Stromverbrauch des Gebäudes mitsamt dem Nutzerstrom kann mit der Photovoltaik-Anlage auf dem Flachdach abgedeckt werden. «Weil die Schule einen Schwerpunkt auf energieeffiziente Technologien legt, musste sie bei der Erweiterung die von ihr vertretenen Grundsätze umsetzen und ein Vorbild für die Studierenden, die Lehrenden und die erweiterte Designgemeinschaft sein», erklärt Kessling.
Wie der Klimaingenieur betont, ist es vonglobaler Bedeutung, wie Häuser in Asien gebaut werden. Gemäss einer Studie des McKinsey Global Institute werden von 2010 bis 2030 weltweit Gebäude mit einer Gesamtfläche von 84 Milliarden Quadratmetern errichtet. Das entspricht dem Dreieinhalbfachen der gebauten Infrastruktur in den USA. 60 Prozent dieser Bauten werde in Asien erstellt, der grösste Teil davon in warmen und feuchten Klimazonen. «Wir müssen unser Wissen über Komfort erweitern», so Kessling. «Wenn es uns gelingt, andere Gebäude zu bauen, die komfortabel sind, werden wir weltweit deutlich weniger Energie verbrauchen und CO2 ausstossen.»
Quelle: Grüne Erde GmbH / zvg
Der Neubau der Firma «Grüne Erde» in Österreich wird überwiegend natürlich gelüftet.
Mehr Hitzetage, trockene Sommer
Auch in unseren Breitengraden wird die Kühlung der Gebäude ein immer wichtigeres Thema. Im vergangenen Herbst veröffentlichte das Bundesamt für Meteorologie und Klimatologie (Meteo Schweiz) die neueste Ausgabe der Klimaszenarien. Die absehbaren Folgen eines ungebremsten Klimawandels für die Schweiz sind demnach mehr Hitzetage, trockene Sommer, heftige Niederschläge und schneearme Winter. Je nach Region und Zukunftsszenario ist hierzulande bis zum Ende dieses Jahrhunderts mit einer Temperaturzunahme von drei bis fünf Grad zu rechnen. Das Ausmass der Veränderung hängt davon ab, wie sich die Treibhausgasemissionen weltweit entwickeln. In Zukunft werden wir im Winter weniger heizen, im Sommer hingegen stärker kühlen müssen. Klimaanlagen können die Überhitzung von Wohnräumen verhindern, doch ihr Stromverbrauch belastet die Umwelt zusätzlich.
Besser wäre es, Häuser zu planen und zu erstellen, die den Folgen der Klimaerwärmung standhalten. Künftig müssten robuste Gebäude mit sinnvollem Glasanteil und einfacher Gebäudetechnik gebaut werden, sagt Denise Fussen, Bereichsleiterin Klima bei der Ernst Basler & Partner AG. Die Gebäudemasse sollte in die Klimatisierung der Innenräume eingebunden werden. Die Gebäude müssten zudem mit Sonnenschutzelementen ausgestattet und energie- und klimaeffizient gekühlt werden. Häuser, die derzeit in der Schweiz entstehen, werden voraussichtlich auch in 40 oder 50 Jahren noch genutzt. Die Herausforderung bestehe darin, heute Neubauten zu erstellen, die für die heissen Sommer der Zukunft gerüstet sind, erklärt Fussen.
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Der Heizwärmebedarf nimmt um 20 bis 30 Prozent ab, doch der Klimakältebedarf steigt exponentiell an.
Gianrico Settembrini, Forschungsgruppenleiter Hochschule Luzern
Gianrico Settembrini, Forschungsgruppenleiter Hochschule Luzern
Überhitzte Städte
Vor allem in grösseren Städten sind auch in der Umgebung Massnahmen notwendig, die der Hitzebildung entgegenwirken. Urbane Gebiete werden im Sommer zu Wärmeinseln: Bebaute und versiegelte Flächen speichern die Hitze des Tages bis in die Nacht hinein und geben sie dann wieder an die darüber liegenden Luftschichten ab. In Städten wird zudem durch Gewerbe, Industrie und Verkehr zusätzlich Wärme erzeugt. Daher liegt dort über das Jahr gesehen die mittlere Lufttemperatur um ein bis drei Grad über den Werten des Umlands oder der grossen innerstädtischen Grünflächen. Während windschwacher Sommernächte mit wolkenlosem Himmel kann dieser Unterschied mehr als zehn Grad betragen.
Die Hitzebelastung könne verringert werden, indem Kaltluftschneisen, grossräumige Grünanlagen und offene, bewegte Wasserflächen geschaffen und erhalten werden, sagt Thomas Stoiber vom Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft (Awel) des Kantons Zürich. Für das ganze Gebiet des Kantons Zürich wurden Klimakarten erarbeitet, die Informationen zu Lufttemperaturen, Kaltluftströmen und bioklimatischen Bedingungen am Tag und in der Nacht während einer sommerlichen Schönwetterlage enthalten. Die Klimakarten zeigen, wo heutige und zukünftige Hitzeinseln sowie wertvolle Ausgleichsräume liegen und wo sich wichtige Durchlüftungsbahnen befinden, die durch Neubauten nicht behindert werden sollten. Wichtige Gegenmittel auf lokaler Ebene sind auch Dach- und Fassadenbegrünungen, Pocket-Parks und sommerliche Wärmeschutzmassnahmen an den Häusern, wie Stoiber erklärt.
Eine Studie der Hochschule Luzern im Auftrag des Bundesamts für Energie (BFE) und des Bundesamts für Umwelt (Bafu) untersuchte die Auswirkungen des Klimawandels auf den Energiebedarf und die Behaglichkeit von Wohnbauten in der Schweiz bis ins Jahr 2100. An vier real existierenden Gebäuden – je zwei Neu- und Altbauten in Lugano und in Basel – simulierten die Forscher den Einfluss der Klimaerwärmung, wobei sie von einem mittleren Treibhausgasszenario ausgingen. Gemäss der Studie wird der Temperaturanstieg durch den Klimawandel «bedeutende Auswirkungen» auf den zukünftigen Energiebedarf und die Behaglichkeit in Wohnbauten haben. «Während der Heizwärmebedarf um 20 bis 30 Prozent abnimmt, steigt der Klimakältebedarf exponentiell an», sagt Gianrico Settembrini, Forschungsgruppenleiter am Institut für Gebäudetechnik und Energie (IGE) der Hochschule Luzern. Bereits in der Mitte des Jahrhunderts wird der Kühlbedarf in heutigen Wohnneubauten des Mittellands in heissen Jahren höher sein als der Heizwärmebedarf. In der Südschweiz wird der Heizwärmebedarf dann gar nahezu unbedeutend.
Quelle: Martina Meier
Sechseläutenplatz in Zürich: Mit ihren zahlreichen versiegelten Flächen werden Städte zu Wärmeinseln.
Architektur vor Paradigmenwechsel
Die Architektur stehe jetzt vor einem Paradigmenwechsel, so Settembrini. Der grosse Knackpunkt für die Planung behaglicher Wohnhäuser sei in Zukunft die Kühlung. Wenn auf energiefressende Klimaanalagen verzichtet wird, können behagliche Temperaturen in den Innenräumen nur durch eine optimale Nutzung des Sonnenschutzes und eine genügende Nachtauskühlung der Häuser gewährleistet werden. Die Automatisierung dieser Systeme und der Gebäudeentwurf, besonders der Anteil und die Ausrichtung der Fenster, werden künftig eine zentrale Rolle spielen. Fensterfronten müssen so geplant werden, dass die flach stehende, wärmende Wintersonne ins Gebäude gelangt, während die hoch stehende, intensive Sommersonne abgeschirmt wird. Zudem müssen Beschattungssysteme – fest installierte ebenso wie flexible – von Anfang an in die Planung einbezogen werden. Eine immer grössere Rolle könnten auch energiesparende Kühlsysteme wie Geocooling oder Free Cooling spielen.
Ob Gebäude den Menschen einen angenehmen Aufenthalt bescheren, hängt aber wesentlich vom Verhalten der Nutzer ab, wie Settembrini erklärt. Werde zum Beispiel der Sonnenschutz nicht optimal bedient oder sei eine natürliche Belüftung der Räumlichkeiten zur Nachtkühlung nicht möglich, habe das erhebliche Folgen. Umgekehrt könne die Behaglichkeit in Wohnbauten durch optimale Lüftung und Nutzung des Sonnenschutzes auch während der Hitzewellen der Zukunft genügend sichergestellt werden.
