Energieeffizienz | Membran | VIP
PCM | Aerogel | PINC | Sorptionskühlsystem
Tragwerk | Beleuchtung
Energieeffzienz
Die umweltfreundliche und primärenergetisch günstige Fernwärme aus Kraft-Wärme-kopplung wird zum Heizen, zur Warmwasserbereitung und zur Gebäudekühlung mittels offener Sorptionskältetechnik genutzt. Insbesondere die Nutzung der Sorptionskältetechnik und des Konzepts der „Passive Infrared Night Cooling (PINC)“, d.h. Abkühlung eines fluiden Wärmeträgers auf Dachflächen unter Ausnutzung der Wärmeabstrahlung an den „kalten“ Himmel, sind aufgrund der im Gebäude zu erwartenden Wärmelasten hochinnovative und energieeffiziente Ansätze. Darüber hinaus ist auch die Erzeugung von elektrischer Energie mittels Photovoltaik und deren Einspeisung in das Stromnetz optional möglich.
Die textile Bauweise kann einen wesentlichen Beitrag zur Steigerung der Energieeffizienz des Neubaus liefern, indem zum einen eine Überdachung des gesamtem Gebäudekomplexes eine Zwischenklimazone schafft, die sowohl eine Reduktion von Wärmeverlusten bewirkt als auch die Anforderungen an die Witterungsbeständigkeit der Gebäudeaußenfassaden herabsetzt. Zum anderen kann der Energieeintrag und die Versorgung des Areals mit Tageslicht durch eine maßgeschneiderte Einstellung der Transmissionseigenschaften der eingesetzten Membranen gezielt beeinflusst werden. Anhand des hohen Grades an Vorfertigung und Vorplanung bei Membranbauten soll beispielhaft gezeigt werden wie Gesamtenergie-Kreisläufe bereits im Planungsprozess positiv gesteuert werden können. Das Projekt Energy Efficiency Center ist daher auch in Ergänzung zu dem derzeitigen BMWi-geförderten Projekt „Membrankonstruktionen zur energetischen Sanierung von Gebäuden (MESG)“ zu sehen.
Membrandach und textile Architektur
Beim Energy Efficiency Center überspannt ein transluzentes Membrandach (Material PTFE – Polytetrafluorethylen) und in Teilbereichen transparentes Membrandach (Material ETFE – Ethylen-Tetrafluorethylen) das Hauptgebäude. Durch die Lichtdurchlässigkeit wird einerseits Tageslicht in die Raumtiefe geleitet. Andererseits bildet sich durch den solaren Eintrag im Dachbereich im Winter eine Klimapufferzone, die den Wärmeverlust über das Dach verringert. Im Sommer wird durch Querlüftungsklappen ein Hitzestau im Dachbereich vermieden. Diese Querlüftungsklappen werden vorausschauend unter Berücksichtigung der Wetterprognose gesteuert.
In den Bereichen Technikum und Veranstaltungsraum sind in Dachbereichen zweilagige textile Kissen verbaut, die pneumatisch in Form gehalten werden. Durch diese ebenfalls transluzenten Kissen fällt Tageslicht diffus gestreut und damit blendfrei in die darunterliegenden Räume.
Das Gewicht der Membranen ist mit 0,2 bis 1,5 kg/m2 ausgesprochen gering, was äußerst leichte Konstruktionen mit großen Spannweiten ermöglicht. Dies bietet u.a. im Hinblick auf eine optimierte gesamtenergetische Bewertung erhebliche Vorteile gegenüber anderen Bauweisen.
Die Einstellung der Lichttransmission kann durch eine geeignete Wahl des Grundmaterials und durch Bedruckung der Membranen erfolgen, so dass sich ein gewünschter Transmissionsgrad sowie transparente oder transluzente Eigenschaften erzielen lassen.
Im Bereich des einlagigen Membrandachen kommt außerdem eine innovative Beschichtung zum Einsatz, die eine Oberflächenverschmutzungen durch einen photokatalytischen Selbstreinigungseffekt verhindert.
Vakuumisolationspaneele (VIP)
Während herkömmliche Dämmmaterialien, wie Glas-, Mineralwolle oder Polystyrolschäume Wärmeleitfähigkeiten von etwa 0,035 bis 0,045 W/(m•K) aufweisen, lassen sich mit evakuierten Isolationsmaterialien Wärmeleitfähigkeiten im Bereich von etwa 0,003 bis 0,008 W/(m•K) erreichen; ein Verbesserungspotential von einem Faktor 5 bis 10. Somit lassen sich schlanke, architektonisch attraktive Gebäudehüllen realisieren.
Am EEC wurden in Teilbereichen VIPs als hocheffiziente schlanke Dämmelemente verbaut. Zum Schutz der VIPs auf der Baustelle wurden diese bereits im Werk in eine neu entwickelte, robuste aber trotzdem wärmebrückenarme Blechumhüllung eingebaut und vor Ort in die Pfosten-Riegel Fassade integriert.
Phasenwechselmaterialien (PCM – Phase Change Materials)
Das EEC weist aufgrund seiner (teil-)transluzenten Außenhülle einen erhöhten Wärmeeintrag auf. Zur Abpufferung des Wärmeeintrags steht jedoch nur eine vergleichsweise geringe thermische Masse zur Verfügung. Sowohl die Außenhaut des Gebäudes (Membrankonstruktion) sowie der aus Gründen der Flexibilität in Leichtbauweise ausgeführte Innenausbau weisen nur eine geringe thermische Speicherfähigkeit auf. Das hätte zur Folge, dass in der Übergangszeit kurzzeitige Wechsel von Heiz- und Kühlbedarf sowie in den Sommermonaten häufig höhere Temperaturen auftreten würden.
Die Einbringung von Phasenwechselmaterialien ermöglicht die Pufferung solcher Temperaturspitzen durch die zusätzliche thermische Masse beim Phasenübergang. Im EEC sind dazu Gipskartonplatten mit mikroverkapseltem PCM (Comfortboard® der Firma Knauf Gips KG) und in Teilbereichen PCM-Compoundplatten (Energain® der Firma DuPont de Nemours) in Trockenbauweise verbaut.
In den Sommermonaten ist eine Pufferung der Temperaturspitzen alleine nicht ausreichend; es ist zusätzlich eine gezielte Wärmeentsorgung aus dem Gebäude notwendig. Dies geschieht durch eine Heiz-/Kühldecke, die zur thermischen Kapazitätserhöhung mit makroverkapseltem PCM (CSM-Module von Rubitherm Technologies GmbH) ausgestattet wurde.
Transluzente Aerogel-Elemente
Aerogele sind High-Tech-Materialien, die trotz extrem guten Wärmedämmeigenschaften noch transluzent, also streuend lichtdurchlässig sind. Bringt man Aerogel als Granulat in den Scheibenzwischenraum von Verglasungen ein, entstehen hoch wärmedämmende Elemente, die zwar keine Durchsicht bieten, aber Tageslicht diffus gestreut gleichmäßig in die Raumtiefe lenken. Solche Systeme sind vor allem für den Oberlichtbereich oder für Fassaden geeignet, die eine natürliche und blendfreie Raumausleuchtung bei hervorragender Wärme- und Schalldämmung ermöglichen sollen. Im EEC sind Aerogelverglasungen in Teilbereichen als waagerechte Verglasung verbaut.
Weiterhin wurden im EEC aerogelgefüllte Stegdoppelplatten aus Kunststoff im Deckenbereich des Obergeschosses als hochdämmendes waagerechtes Daylighting Element verbaut, die gerade in der Raumtiefe eine angenehme und blendfreie Tageslichtversorgung bieten.
Passive Infrared Cooling (PINC) – Wasserkühlkreislauf mit natürlicher Rückkühlung auf dem Dach
Abwärme aus dem Gebäude (Gerätekühlung und Kühldecken) wird über einen Kühlkreis mit Wärmetauscher in den 100m³ fassenden unterirdischen Löschwassertank, der damit zusätzlich als Kältespeicher dient, übertragen. Zur Rückkühlung wird Wasser während der Nacht auf dem Dach des Gebäudes verrieselt und dabei durch Wärmeabgabe über Konvektion, Verdunstung und Strahlungsaustausch mit der Atmosphäre idealerweise knapp unter Taupunkttemperatur abkühlt. Über die Regenrinnen und einen Filter wird das abgekühlte Wasser wieder dem Löschwassertank zugeführt. Während konventionelle Kälteanlagen meist mit Strom betrieben werden und dabei eine Leistungszahl (EER) von typischerweise 3 haben, erreicht die PINC-Anlage dagegen Leistungszahlen von 4 bis 20, da hier Strom nur noch für den Transport des Wassers auf das Dach benötigt wird. Bis auf den Hochsommer kann das EEC ausschließlich über die PINC–Anlage energieeffizient gekühlt werden.
Energieeffiziente Luftkonditionierung mit einem offenen Sorptionssystem (L-DCS, Liquid desiccant cooling system)
Im EEC wurde ein Prototyp einer neu entwickelten L-DCS-Anlage zur energieeffizienten Luftkonditionierung installiert. Es handelt sich dabei um ein offenes Sorptionssystem, welches das EEC mit gekühlter und entfeuchteter Zuluft versorgt. Die Außenluft wird dazu in einem Absorber mit einer konzentrierten Salzlösung entfeuchtet. Die dabei freiwerdende Absorptionswärme wird abgeführt, so dass die Luft leicht gekühlt dem Gebäude zugeführt werden kann. Die Abluft aus dem Gebäude wird im Sommer durch Verdunstung von Wasser energieeffizient gekühlt und die so erzeugte Kälte der Zuluft zugeführt. Im Winter wird die Wärme aus der Abluft über einen Wärmetauscher der Zuluft zugeführt.
Die konzentrierte Salzlösung wird bei der Luftentfeuchtung im Absorber verdünnt. Diese muss daher in einem Regenerator durch Wärmezufuhr wieder aufkonzentriert, also regeneriert werden. Im EEC wird dazu primärenergetisch günstige Fernwärme benutzt. Es ist aber genauso die Nutzung von Abwärme oder solarer Wärme möglich.
Tragwerk – Konstruktion
Das Gebäude ist im Erdgeschoss als Stahlbeton-Skelettbau ausgebildet, dessen Aussteifung über die vorhandenen Längs- und Querwände in Verbindung mit der Erdgeschossdecke erfolgt. Die zu integrierende, innovative Heizungs-, Kälte- und Lüftungstechnik mit ihren umfangreichen Verteilungsleitungen erforderte die Reduzierung der massiven Wandbereiche auf ein aus statischen und brandschutztechnischen Anforderungen resultierendes Minimum. Die Stahlbeton-Bodenplatte dient als Gründung des Gebäudes und dichtet gleichzeitig gegen das anstehende Erdreich ab.
Die Ausführung des Tragwerks im Obergeschoss erfolgt mit Ausnahme der Stahlbeton-Zwischenbauten als Leichtbaukonstruktion in Stahl und geht damit optimal auf die sich aus dem innovativen mehrschaligen Dachaufbau ergebenden konstruktiven und bauphysikalischen Belange ein. Die gleichzeitig als Obergeschossdecke fungierende untere Dachschale wird von einem Trägerrost getragen und bereichsweise mit unterschiedlichen Materialien geschlossen. Hierzu zählen sowohl herkömmliche Stahltrapezprofilbleche, die gleichzeitig als Unterkonstruktion der prototypischen Kühldeckensysteme mit Einsatz von Phasenwechselmaterialien (PCM) dienen und zur Geschossaussteifung herangezogen werden als auch horizontale zu Reinigungszwecken betretbare Isolierverglasungen mit Aerogelfüllung in den transluzenten Teilbereichen.
Zur Ausbildung der oberen Dachschale kommen Membranbespannungen in drei verschiedenen Bauweisen zum Einsatz. Auf die hieraus resultierenden unterschiedlichen Anforderungen gehen die zugehörigen stählernen Unterkonstruktionen durch ihr räumliches Zusammenwirken in statischer und ästhetischer Hinsicht ein. Den aus den großflächigen konstruktiv gespannten PTFE-Überdachungen resultierenden Steifigkeitsanforderungen an das Stahltragwerk bei gleichzeitig zu berücksichtigenden Spannmöglichkeiten wird durch die stabilen, als räumliche Vierendeel-Träger ausgebildeten Firstbögen einerseits sowie die umlaufenden Zugstababspannungen andererseits Rechnung getragen. Für die mit einlagiger ETFE-Folie bespannten Zwischendachbereiche werden kleinere Stahlrohrbögen zur Sicherung einer optimalen Folienspannmöglichkeit eingesetzt. Als Unterkonstruktion der im eingeschossigen Gebäudeteil vorgesehenen innovativen pneumatischen Kissen aus zwei Lagen PVC-Folien mit integrierter transluzenter Wärmedämmung werden stählerne Rahmenkonstruktionen eingesetzt.
Aufgrund der besonders energieeffizienten zweischaligen Bauweise erfolgt der Anschluss der Tragstruktur der äußeren Gebäudehülle an das innenliegende Tragwerk thermisch entkoppelt. Zur sicheren Übertragung der insbesondere aus den Membranspannungen resultierenden hohen Beanspruchungen sind hierfür in den Anschlusspunkten hochfeste Kunststofffutter zwischengelegt.
Beleuchtung
Die Beleuchtung nimmt beim Einsatz im „Energy Efficiency Center“ eine zentrale Rolle für die Energieeffizienz des Gebäudes ein.
Zentrales Beleuchtungsmerkmal der Innenräume des CAE sind modernste Lichtmanagement-Systeme. In Abhängigkeit von Tageslicht und Präsenz steuern Sensoren den Betrieb der Leuchten, die alle über dimmbare EVGs verfügen. Flexible Stehleuchten rücken den Arbeitsplatz in den Fokus und passen sich optimal an die Bedürfnisse des Mitarbeiters an. Modulare Lichtliniensysteme mit hohem Wirkungsgrad bieten eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten – von der Einzelleuchte zur endlosen Lichtlinie – ganz nach Anwendung und Bedarf.
Bei der Beleuchtung der Außenanlagen des „Energy Efficiency Center“ ist entsprechend LED die tonangebende Technologie. Die eingesetzten LED Außenleuchten setzen den Maßstab für eine ganz auf Effizienz und Lichtwirkung fokussierte Lichttechnik.