05 ZAE GARCHING
Nachtlüftung als Querlüftung Kühldecke
Flur
Licht Licht
Vertikallamelle feststehend
O / W
Brunnenwasser
Energieeffiziente
holzbau handbuch |REIHE 1 |TEIL 2 |FOLGE 4
Bürogebäude
Herausgeber:
Absatzförderungsfonds der deutschen Forst- und Holzwirtschaft HOLZABSATZFONDS
Anstalt des öffentlichen Rechts Godesberger Allee 142–148 D-53175 Bonn
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Projektleitung:
Dipl.-Ing. (FH) Architekt Ludger Dederich, Bonn Bearbeitung:
Univ.-Prof. Hermann Kaufmann Dipl.-Ing. Architekt Stefan Mayerhofer Dipl.-Ing. Architekt Frank Lattke Dipl.-Ing. Architekt Wolfgang Huß TU München, Fachgebiet Holzbau Fachredaktion:
Preising Kommunikation / Fachagentur Holz, Düsseldorf Dipl.-Ing. Architekt Arnim Seidel
Erschienen: 06 /2009 ISSN-Nr. 0466-2114 holzbau handbuch
Reihe 1: Entwurf und Konstruktion Teil 2: Wohn- und Verwaltungsgebäude Folge 4: Energieeffiziente Bürogebäude
Impressum
Seite 4 _ Editorial 5 1 _ Einleitung 5 1.1 _ Hintergrund
7 1.2 _ Historische Entwicklung 11 2 _ Grundlagen
11 2.1 _ Bürotypologie und Raumstruktur 19 2.2 _ Energie und Raumklima
24 3 _ Planungshinweise zum sommerlichen Wärmeschutz 24 3.1 _ Einführung
25 3.2 _ Schützen
25 3.2.1 _ Grad der Verglasung 26 3.2.2 _ Sonnenschutz 29 3.2.3 _ Transmission
30 3.2.4 _ Lüftungswärmegewinne 31 3.2.5 _ Interne Lasten
33 3.3 _ Speichern
34 3.3.1 _ Speichermasse im Holzbau 37 3.4 _ Kühlen
37 3.4.1 _ Passive Systeme 39 3.4.2 _ Hybride Kühlformen 41 3.4.3 _ Aktive Systeme 43 3.5 _ Zusammenfassung
Seite 46 4 _ Projektbeispiele
50 4.1 _ Erweiterung Bürogebäude in Garching
56 4.2 _ Bürogebäude in Kösching 62 4.3 _ Impulszentrum in Graz (A) 68 4.4 _ Bürogebäude in Höfen (A) 74 4.5 _ Gemeindezentrum in Ludesch (A) 80 4.6 _ Bürogebäude in Coldrerio (CH) 86 4.7 _ Bürohaus in Ruswil (CH) 92 4.8 _ Wohn- und Geschäftshaus
in Sursee (CH)
98 4.9 _ Bürogebäude in Kiens (I) 104 4.10 _ Weitere Projektbeispiele 114 5 _ Literatur
114 _ Quellenangaben 115 _ Literaturhinweise 120 6 _ Bildnachweis
Inhalt
Editorial
Von Menschen, Kreativität und gesparter Energie
Flexibilität ist ein wesentliches Kriterium, das der moderne Bürobau vorrangig erfüllen muss.
Veränderungen von Berufsbildern, das Entstehen neuer Arbeitsabläufe, Innovationen im Kontext der Informations- und Kommunikationssysteme lassen uns heute nur ahnen, wie Büros in der Zukunft aussehen und genutzt werden. Sicher aber ist, dass Bürobauten mehr denn je energie- effizient sein müssen!
Der Einsatz von technischen Anlagen und Ele- men ten der Büroausstattung zwingt zum Umdenken, da diese nicht nur als Hilfe für eine effizientere Büroarbeit dienen, sondern gleich- zeitig energetische Lasten darstellen. Büro- gebäude und deren bauliche Hülle dürfen daher nicht mehr nur auf die Qualität ihrer traditio- nellen bauphysikalischen Eigenschaften reduziert werden.
Energie ist und bleibt ein knappes und kostbares Gut – deshalb ist der moderne Holzbau im Bürobau angekommen. Es handelt sich um eine besondere nachhaltige Qualität der modernen Holzbausysteme, dass sie gleichzeitig winter- lichen Kälteschutz und sommerlichen Wärme-
schutz gewährleisten. Mit der Holzbauweise von heute lässt sich bei Bürogebäuden effizient Energie sparen!
Daher gilt es, mit Blick auf mögliche Entwick- lungen und Anforderungen so viel Wissen wie möglich über Bürostrukturen und deren Gebäude hülle anhand gebauter Bespiele zu sammeln. Genau diesem Ansatz folgt die vorliegende Publikation. Sie basiert auf dem Ergebnis der Forschungsarbeit des Fachgebiets Holzbau der Technischen Universität München
„Entwicklung von grundsätzlichen Strategien zur Energie- und Raumklimaoptimierung von Holzbauten für den Büro- und Verwaltungsbau“
im Verbundprojekt „Holzbau der Zukunft“ in der High-Tech-Offensive Zukunft Bayern [1].
Abgeleitet aus diesem praxisorientierten Konzept versteht sich die vorliegende Veröffentlichung auf Grundlage gebauter Beispiele gleichermaßen als Leitfaden für zukunftsfähiges Bauen wie als Leistungsschau des Bürobaus in Holzbauweise.
Ludger Dederich Leiter Holzbaufachberatung Holzabsatzfonds
Abb.1.1 und 1.2 Ansichten
Bürogebäude Fügen (A) 1.1 _ Hintergrund
Energieeffizienz hat auch im Bürobau einen hohen Stellenwert erreicht – das Thema Energie - sparen wird immer wichtiger. Durch Novellierun- gen der Baugesetze erobern sich Holzkonstruk- tionen im mehrgeschossigen Bauen immer mehr Einsatzbereiche. Betrachtet man die Entwicklung des Bürobaus näher, so muss man feststellen, dass Holz auf diesem Sektor bislang immer eine feste Rolle zugewiesen bekam: Es war für die Rolle des Imageträgers im Innenausbau bestimmt.
In der großen Zeit des Bürobaus, dem 20. Jahr- hundert, bildeten „junge“ Materialien wie Stahl und Beton bei Bauherren wie Architekten den bautechnischen und wirtschaftlichen Fortschritt ab. „Holzbau galt als anachronistisch und rückwärts gewandt, die Energien für Neuent- wicklungen gingen an ihm vorbei.“ [2]
Durch die Entwicklungen der letzten 30 Jahre hat sich der moderne Holzbau erfolgreich im neuen Jahrtausend etabliert. Heute sind moderne Holz- bauten im energieoptimierten Bauen nicht mehr wegzudenken.
Der Bürobausektor hat den Baustoff für sich entdeckt. Holz wird neben dem Innenausbau auch für die Gebäudehülle und die Konstruktion verwendet, um ganzheitliche Lösungen zu ent- wickeln, die technisch, funktional und ästhetisch überzeugen. Dies belegen inzwischen zahl - reiche Projekte. Sie zeigen teilweise in unge- wohnter Dimension (z.B. als serielles Fassaden- material im Verwaltungsgebäude des Bundes in Bern von GWJ Architekten) oder ungewohntem technischem Kontext (z.B. Holz als Brandschutz- verkleidung für ein Bürohaus in Stahl in Japan von Shigeru Ban) die Leistungsfähigkeit des Baumaterials Holz auf.
1 _ Einleitung
oder Wiederverwertbarkeit gewichtige Argu- mente für den Holzbau.
Sommerlicher Wärmeschutz
Im Bürobau verschiebt sich durch den Grad der internen Lasten und die Art der Nutzung mit den damit einhergehenden Behaglichkeitskriterien die Herausforderung energieoptimierten Bauens vom Winter in den Sommer. Wärmere Sommer und die sich rasant ändernden technischen Ausstattungen verstärken die Problematik.
Der Kühlenergiebedarf für Bürobauten steigt.
Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die hoch- wärmegedämmten Holzbauelemente den sommer lichen Wärmeschutz positiv beeinflussen.
Arbeitsumfeld
Die baubiologischen Eigenschaften des Materials führen zu einem gesunden Arbeitsumfeld. Der Mensch, nicht die „human resource“, gelangt wieder in den Mittelpunkt. Die Qualitäten von Holz als natürlichem Baumaterial können mit allen Sinnen aufgenommen werden. Viele Nutzer berichten von der besonderen Atmosphäre in Bürogebäuden aus Holz.
Neue Höhen
Holz erobert sich im mehrgeschossigen Bauen immer mehr Einsatzbereiche. Intensive Forschungs arbeit und die Erfahrung aus Pilot- projekten schufen die Basis für die Novellierungen der Baugesetze und technische Regelwerke, die das vielgeschossige Bauen erst ermöglichen.
Konnte in den 1990er Jahren in Holz nur bis drei Geschosse gebaut werden, klettern aufgrund der verbesserten Baustoffe und der Berücksichtigung des tatsächlichen Abbrandverhaltens von Holz die baurechtlich zulässigen Geschosshöhen je Land in die Höhe. So sind heute sechsgeschossige Holz- bauten in Europa keine Seltenheit mehr.
Wirtschaftliche Bauweise
Die modernen Fertigungsmöglichkeiten (vollauto- matisierter Abbund durch CNC) ermöglichen einen hohen Vorfertigungsgrad und durch die kurze Bauzeit vor Ort eine wirtschaftliche Umset- zung. Dies führt nicht nur zu einer wesentlichen Bauzeiteinsparung, sondern durch eine witte- rungs- und baustellenunabhängige Bauweise zu einer qualitativ hochwertigen Fertigung.
Zudem bieten Holz konstruktionen flächen- sparende Außenwand querschnitte bei hohen energetischen Standards. Dass das professio- nelle Holzbauhandwerk die Ebene des industri- ali sier ten Bauens erreicht hat, müsste bei Bau- herren aus der Wirtschaft auf besonderes Inter- esse treffen.
Energieeffizientes und ökologisches Bauen Holzbaukonstruktionen sind im energieoptimier- ten Bauen nicht mehr wegzudenken. Nicht nur beständig steigende Nebenkosten weisen dem Holzbau mit seinen hochwärmegedämmten Bau- teilen auch im Bürobau neue Bedeutung zu. Mit Blick auf nachkommende Generationen sind die Speicherfähigkeit von CO2, der geringe Verbrauch von grauer Energie sowie die gute Entsorgbarkeit
Gwh
150.000
1995 100.000
50.000
0
2000 2005 2010 2015 2020 0
9 9 1
Zeitraum Abb. 1.3
Jährlicher Kühlenergie bedarf der EU-15-Länder
1.2 _ Historische Entwicklung
Der Ursprung des Bürobaus in Holzbauweise ist nur schwer zu greifen. Vor dem 19. Jahrhundert in einer noch wenig industrialisierten Zeit kann man nicht von Bürogebäuden sprechen. Büro- ähnliche Tätigkeiten spielten sich eher in Kanz- leien, Schreibstuben, Kontoren oder Klöstern ab. Dies sicherlich je nach regionaler Bauweise in Fachwerkhäusern oder Blockbauten.
Der moderne Bürobau entwickelte sich im 20. Jahrhundert. Durch die veränderten indus- triellen Produktionsmethoden stieg der Bedarf an größeren Verwaltungseinheiten. In diese Zeit fallen die wichtigsten Entwicklungen in der Büroraumtypologie wie das Zellen-, Großraum- oder Kombibüro. Über Jahrzehnte stehen Bau- stoffe wie Stahl oder Beton im Vordergrund, die durch ihre Materialität lange Zeit mit Fortschritt verbunden wurden. Holz spielte nur eine unter- geordnete Rolle und galt vielerorts als rückwärts- gewandt.
Einen ersten Lichtpunkt für den Bürobau in Holz- bauweise stellt das Verwaltungsgebäude von Konrad Wachsmann für die Berliner Verkehrs- gesellschaft BVG dar. Hier werden bereits im Jahre 1927 Themen des heutigen Bürobaus wie „hoher Vorfertigungsgrad“ oder „flexible Imagegewinn
In einer Gesellschaft, in der immer mehr gesundheits- und umweltschonendes Handeln thematisiert wird, wundert es nicht, dass viele der befragten Bauherren einen Imagegewinn durch die Materialwahl erwarten. Hier darf man nicht Gefahr laufen, dass Holz nur zur verkaufs- steigernden Selbstdarstellung benutzt wird. Der gewählte Baustoff sollte allumfassend eine Ant- wort auf die Komplexität der Bauaufgabe geben.
Die vorliegende Veröffentlichung versucht dazu einen Baustein zu liefern.
Diese Veröffentlichung zeigt, welche Möglich- keiten in der Konstruktion, in der Gebäude- hülle und im Ausbau sowie in der intelligenten Integration von Haustechnik und innovativen Materialien vorhanden sind, um die Anforderun- gen an moderne Bürobauten zu erfüllen.
Hier steckt die Herausforderung: Es gilt den modernen Holzbau auch für den Sommer energetisch und raumklimatisch zu optimieren.
Bürobauten in Holzbauweise erweisen sich als energieeffizient und behaglich, wenn sie richtig konstruiert sind.
Abb. 1.4 und 1.5 BVG Berlin, Konrad Wachsmann
Abb. 1.6
Behelfsbauten Bern (1942)
In diesen sogenannten Pavillonbauten wurden für Bürobauten erstmalig durch Vorfabri ka tion von Systemkomponenten schnelle und leichte Bauweisen entwickelt. Wirtschaftlichkeit und industrielle Fabrikation standen dabei im Vordergrund. Raumklima und Energieeffizienz waren noch nicht thematisiert. Vorurteile und Bezeichnungen wie „Barackenklima“ stammen sicherlich aus dieser Zeit.
Ende der 1980er Jahre entstehen als Reaktion auf die Energiekrise der 1970er und parallel zu ersten staatlichen Maßnahmen zur Energie- einsparung wie der Wärmeschutzverordnung in Deutschland erste größere Einheiten für Bürobauten in Holzbauweise. Hier sind vor allem die Landratsämter von Auer+Weber in Starnberg und Villingen-Schwenningen sowie die Univer- sität in Ulm von Otto Steidle hervorzuheben.
Bei diesen Bauten werden noch teilweise Misch- bauweisen mit mineralischen Komponenten (Sockelgeschoss, Betondecken auf Holzskelett) benutzt, um mit den vorhandenen Normen und den zur Verfügung stehenden Holzwerkstoffen Schallschutz oder Geschossigkeit im Holzbau zu bewerkstelligen. Während in dieser Zeit mit der zunehmenden Technisierung der Arbeitswelt die internen Lasten steigen, beginnt man sich gleichzeitig aus energetischen und arbeits- gesundheitlichen Gründen von der vollständigen Klimatisierung abzuwenden.
Glastrennwände“ vorweggenommen. Wachs- mann versucht in einer Zeit, in der der moderne Holzbau sich von rein handwerklichen Metho- den zur Vorfertigung bewegt, das Potenzial des modernen Holzbaus darzustellen und neue Bau- aufgaben zu skizzieren. Nicht umsonst befindet sich gerade das Gebäude der BVG als für diese Zeit untypische Bauaufgabe unter den Projekten seines epochalen Werks „Holzhausbau – Technik und Gestaltung“ von 1930.
Bereits in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden vor allem im militärischen Bereich Verwaltungseinheiten größeren Umfangs in Holzbauweise verwirklicht, die neben den Repräsen tationsbauten des Staates das wachsen- de Bedürfnis nach Büroraum decken sollten.
Hierzu wurden Systembauweisen entwickelt, die es zur schnellen Bedarfsdeckung des wirtschaft- lichen Aufschwungs ermöglichten, in sehr kurzer Zeit Büroflächen zur Verfügung zu stellen.
Abb. 1.7 und 1.8
Vorfabrikation der 1960er Jahre: Pavillonbauten in der Schweiz
Abb. 1.9 (oben links)
Teilansicht Landratsamt Starnberg Abb.1.10 (unten links)
Isometrie, Landratsamt Starnberg
Abb. 1.11 (oben rechts) Teilansicht Universität Ulm Abb. 1.12 (unten rechts) Querschnitt und Fassadenaufriss Universität Ulm
In den 1990er Jahren führen die Entwicklungen im modernen Holzbau und die Anpassung der Normen an den Brandschutz zu ersten mehr- geschossigen Bürogebäuden in Holzbauweise.
Gefördert durch die rasante Entwicklung von neuen Produkten im Holzbau, steht hier die Opti- mierung von Bauteilen in Bezug auf Brandschutz, Schallschutz, Konstruktion und winterlichen Wärmeschutz im Vordergrund. Einen Meilenstein stellt hier die Schweizerische Hochschule für Holzwirtschaft in Biel von Marcel Meili, Markus
Peter mit Zeno Vogel dar, die über das gesamte vierte Obergeschoss den Verwaltungstrakt der Hochschule integriert. Hier ist aufgrund der Gebäudehöhe der Erschließungskern noch mine- ralisch ausgeführt.
An der Schwelle zum neuen Jahrtausend ent- steht eine neue Generation von Bürobauten in Holzbauweise, die bislang ungekannte Dimensio- nen in Höhe, Energie und Raumklima erschließen.
Abb. 1.13
Schule für Holzwirtschaft in Biel (CH)
Abb. 1.14 Querschnitt,
Schule für Holzwirtschaft in Biel (CH)
2 _ Grundlagen
2.1 _ Bürotypologie und Raumstruktur Im Bürobau haben sich mit dem Wandel der Arbeits weisen im vergangenen Jahrhundert unterschiedliche Bürotypologien entwickelt, die im Folgenden kurz umrissen werden. Sie richten sich nach Art, Größe und Organisationsform des Betriebs und sind zunächst vom Konstruktions- material unabhängig.
Abb. 2.3
Übersicht Bürotypologie
Zellenbüro
Großraumbüro
Kombibüro
Gruppenbüro
Businessclub Abb. 2.1
Transparente Zellenbüros
Abb. 2.2 Gruppenbüro
Zellenbüro
Einzel- und Mehrpersonenbüros reihen sich ent lang der Fassade aneinander und sind durch einen Mittelflur erschlossen. Alle Arbeitsfunk- tionen sind in Zellen organisiert, der Flur dient ausschließlich als Verkehrsfläche. Die Organisa- tionsform gewährleistet einen hohen Grad an Privatheit und Individualität. Sie ermöglicht die Regelung des Raumklimas durch den Einzel- nutzer, wodurch eine hohe Nutzerakzeptanz erreicht wird. Revisionsarbeiten können mit rela- tiv geringer Störung im laufenden Betrieb durch- geführt werden. Dem stehen ein mangelhaftes Kommunikationsangebot und insbesondere im Falle von Einzelbüros ein hoher Flächenverbrauch gegenüber. Trotzdem ist diese Organisationsform in Deutschland am weitesten verbreitet. Sie eig net sich für konzentrierte Tätigkeiten, Einzel- arbeit und vertrauliche Beratungstätigkeiten.
Großraumbüro
Diese Typologie ist Anfang des vergangenen Jahr - hunderts in den USA entstanden und beschreibt die Organisation von 20 bis 100 Arbeitsplätzen in einem offenen Raum. Typische Ausformu- lierungen sind der Bürosaal mit orthogonaler Arbeitsplatzanordnung und die frei bespielbare Bürolandschaft. Die Vorteile der räumlichen Großzügigkeit, intensiven Kommunikation, variablen Arbeitsplatzposition und Unabhän- gigkeit vom Fassadenraster führten in den 1960er Jahren zur Einführung dieser Bürotypo- logie auch in Deutschland. In amerikanischen Großraum büros sind Raumtiefen von 20 bis 40 m anzutreffen. So wird ein hoher Anteil künst- licher Beleuchtung erforderlich, es entsteht eine Hierarchie in der Qualität der Arbeitsplätze vom Kern zur Fassade. Orientierungsschwierig- keiten, ein Gefühl der Überwachung und der hohe Störungsgrad führen zu einer niedrigen
Nutzerakzeptanz. In den USA ist dieser Typ die weiter vorherrschende Organisationsform. Das Raumklima ist vom Einzelnutzer nicht beein- flussbar. Im Fall einer Holzskelettkonstruktion sollte im Klimakonzept berücksichtigt werden, dass aufgrund der reduzierten Innenwände weniger Speichermasse zur Verfügung steht. Das Großraumbüro ist in Unternehmen verbreitet, die Routinearbeiten in kommunikativer Atmosphäre abwickeln. Es findet aber auch in Kreativberufen seine Anwendung.
Kombibüro
Das in den 1970er Jahren entstandene Konzept hat zum Ziel, die Vorteile von Zellen- und Groß- raumbüro zu vereinen. Flächenminimierte Einzel- und Mehrpersonenbüros entlang der Fassade werden mit einer vergrößerten Flurzone kom- biniert, die mit gemeinschaftlichen Funktionen belegt ist. So soll ein Wechsel zwischen Kommu- nikation und Konzentration möglich werden. Die Flurwände werden transparent ausgebildet, es kann ein großzügiger Raumeindruck entstehen.
Der Flächenverbrauch ist gering, die Mittelzone bietet Begegnung und Regeneration an. Der Vorteil der nutzergesteuerten Klimaregelung der Einzelbüros bleibt erhalten, eine gänzlich natürliche Belüftung und Belichtung der Mittel- zone ist die Ausnahme. Dieser Typ ist konzipiert für Unternehmen mit flachen Hierarchien und transparente Organisationen, die konzentrierte Einzelarbeit wie auch Teamarbeit erfordern.
Gruppenbüro
Eine andere Weiterentwicklung des Großraum- büros ist das Gruppenbüro mit Einheiten für bis zu 25 Mitarbeiter. Ein flurloser Allraum wird mit großen Mehrpersonenbüros kombiniert. Der Raumeindruck ist großzügig, es können gleich- wertige Arbeitsplätze ohne hierarchische Struk-
Raumstruktur
Räumliche Flexibilität vor, während und nach der Bauphase ist eine wesentliche Anforderung im Bürobau, die zu einer Sonderstellung der Skelettbauweise geführt hat. Die entsprechen- de Wahl von Gebäudetiefe und Stützenraster ermöglicht die Belegung einer Gebäudestruktur mit unterschiedlichen Bürotypologien (reversibles Büro). Deshalb herrscht der Skelettbau bei den in Holzbauweise realisierten Gebäuden vor.
In der vorliegenden Untersuchung wurden aber auch je nach individuellen Anforderungsprofilen und unterschiedlichsten Fertigungsverfahren der ausführenden Holzbauunternehmen andere, aus dem Wohnungsbau bekannte Bauweisen vorgefunden [1].
Die typischen Merkmale und konstruktiven Eigenschaften der fertigungsabhängigen Holz- bausysteme sind im Folgenden kurz dargestellt.
tur angeboten werden. Die Typologie fördert eine kommunikative Atmosphäre und die Bildung von Teamgeist, die Wege sind kurz.
Dem stehen gegenseitige Störungen und ein Mangel an Privatsphäre gegenüber. Kommt ein durch den Benutzer regelbares Raumklimakon- zept zum Einsatz, müssen sich die Gruppen auf eine für alle tragbare Bedienung einigen.
Die Form eignet sich für kreative Berufsgruppen mit kommunikativer Atmosphäre und Gruppen- arbeit.
Businessclub
Der Businessclub stellt eine Weiterentwicklung des Kombibüros dar. Der Einzelarbeitsbereich wird weiter reduziert, die Sonderzone bietet ein vielfältigeres Angebot wie Steharbeitsplätze, Besprechungsräume, Lounges, Begegnungs- zonen und Lesebereiche. Im Einzelarbeitsbereich besteht die Möglichkeit einer individuellen Raumklimaanpassung. Neben dem räumlichen Konzept beinhaltet der Businessclub das organisa torische Prinzip der Mehrfachbelegung, den Mitarbeitern ist kein fester Arbeitsplatz zugeordnet. Daher ist hohe Präsentationsqualität bei geringem Flächenverbrauch erreichbar.
Die zumeist eigenverantwortlich und flexibel arbeitenden Nutzer können allerdings kaum eine Verbundenheit mit dem Ort entwickeln.
Der Businessclub ist die typische Organisations- form für Beraterfirmen mit Projektarbeit und hohem Besprechungsanteil.
Abb. 2.4 Großraumbüro Abb. 2.5
Zellen- und Gruppenbüros
Abb. 2.6 Tragstrukturen
Skelettbau
Tafelbau
Tafelbau
Raumzelle
Abb. 2.7 – 2.9 (linke Spalte) Holzskelettbau
Abb. 2.10 – 2.12 (rechte Spalte) Holzrahmenbau
Holzskelettbau
Diese Bauweise bietet maximale Grundriss- flexibilität, da sich die statische Struktur auf ein Minimum reduziert. Ein hohes Maß an Flexibilität in der Gestaltung der Fassadenöffnungen ist ein gewichtiger Vorteil. Die Entkoppelung der Funk- tionen Dämmen und Tragen bietet Energieflexi- bilität, die Gebäudehülle kann unabhängig von der Tragstruktur entsprechend ihren Anforde- rungen und konstruktionsunabhängig optimiert werden. Der Austausch und Rückbau von Bau- teilen wird erleichtert. Die Konstruktionsmethode minimiert den Einsatz von Material und reduziert das Gewicht. Reine Skelettkonstruktionen finden ebenso Anwendung wie auch Kombinationen mit anderen Holzbauweisen, beispielsweise Holzskelett konstruktionen im Gebäudeinneren in Verbindung mit tragenden Außenwänden in Rahmen- oder Holzmassivbauweise.
Holzrahmenbau
Die Konstruktionsweise bietet hochwärme- gedämmte und wärmebrückenoptimierte Bauteile. Der Vorfertigungsgrad ist hoch, Bauzeiten wer den verkürzt, die Bauqualität optimiert. Wände können zur Lastabtragung und Aussteifung herangezogen werden. Hin- sichtlich des Ver glasungsanteils sind konstruk - tive Beschränkungen gegeben. In der Regel werden die Wandelemen te geschossweise vorgefertigt, es sind jedoch auch Beispiele für geschossüber greifende Elemente bekannt.
Abb. 2.13 – 2.15 (linke Spalte) Holzmassivbau
Abb. 2.16 – 2.18 (rechte Spalte) Raumzelle Fertigungsabhängige Systeme / Raumzelle
Die Bauweise mit Raumzellen ermöglicht durch den sehr hohen Vorfertigungsgrad eine extreme Verkürzung der Bauzeit vor Ort. Ebenfalls wirt- schaftlich günstig wirkt sich die in der Regel serielle Fertigung aus. Die witterungsunabhän- gige Produktion führt zu einem sehr hohen Qualitätsstandard in Bezug auf Installationen, Ober flächen und Luftdichtigkeit. Die system- bedingten Doppeldecken und -wände erhöhen Material aufwand und Platzbedarf, bieten aber gleichzeitig einen sehr hohen Schallschutzstan- dard. Die maximale Größe der Raumzellen wird durch das zulässige Transportmaß definiert.
Holzmassivbau
Die wesentlichen Systeme im Massivbau sind Brettsperrholz-, Brettstapel- und Blockbau- weise. Im Bürobau wird der Massivbau meist für die Außenwände und Decken genutzt. Bei der Anwendung für Innenwände ist eine Anpassung der Bürotypologie erforderlich. Vorteile sind die hohe Wärmespeicherfähigkeit (sommerlicher Wärmeschutz) und ein positives Schallschutz- verhalten. Die Bauweise ermöglicht monolithi- sches, schichtenarmes Bauen. Die tragenden Elemente können sichtbar belassen werden.
Die hohlraumfreie Bauweise bietet brandschutz- technische Vorteile. Wie im Rahmenbau ist der Verglasungsanteil konstruktiv eingeschränkt.
Mischformen
Materialkombinationen mit anderen Baustoffen wie Stahl und Stahlbeton werden vorwiegend im Skelettbau eingesetzt. In dem auf den Abbildun- gen dargestellten Projekt (Hugo Boss, Coldrerio)
wurde die Skelettkonstruktion ganz oder teilwei- se als Stahlbau ausgeführt, während sämtliche Decken- und Wandbauteile aus Holz bestehen.
Diese beiden Beispiele sollen nur die Bandbreite möglicher Mischformen dokumentieren.
Bei Mischkonstruktionen mit Stahlbeton werden häufig Erschließungskerne mit Treppen und Aufzügen in Stahlbeton ausgeführt. Zuweilen werden auch einzelne Bereiche aufgrund von spezifischen Anforderungen (IP Graz) in Stahl- betonbauweise vorgesehen.
Abb. 2.19, 2.20 Holz-Stahl-Bau
Spielräume
Eine Reduzierung des Bürobaus in Holzbauweise auf die dargestellten Grundtypen wäre eine zu schematische Betrachtungsweise. Die individu- ellen Anforderungen des jeweiligen Unterneh- mens und der bauliche Kontext erfordern eine individuelle architektonische Lösung. Neben dem reinen Skelettbau, der eine klassische Form des Holzbaus als Fügen von Stäben darstellt, bieten flächige Holzbauelemente mit ihrem hohen baukonstruktiven, haptischen, atmosphärischen und raumklimatischen Potenzial Möglichkeiten für innovative und flexible Raumstrukturen. So sind beispielsweise mit Mischkonstruktionen oder tragenden Wandscheiben unterschiedliche moderne Büroraumtypologien bis hin zum Groß- raumbüro umsetzbar.
Abb. 2.21
Mögliche Kombinationsformen von Raum- und Tragstrukturen
Bauteile
Für die Energie- und Raumklimaoptimierung ist jedoch nicht nur das Tragwerk wichtig, sondern ebenso die Qualität der Gebäudehülle und raumbildende Bauteile. Im Folgenden werden Eigenschaften und Auffälligkeiten der unter- suchten Projekte (Forschungsarbeit „Holzbau der Zukunft“ Teilprojekt 3 [1]) auf Bauteilebene beschrieben.
Außenwand
Häufig bilden hochwärmegedämmte Wand- bauteile in Rahmenbauweise den klimatischen Abschluss eines Gebäudes. Ihre nichttragende Funktion innerhalb des Skelettbaus ermöglicht eine wärmebrückenfreie Konstruktion. Aufgrund des meist hohen Verglasungsanteils ist der opake Anteil der Außenwand in Bürobauten in vielen Fällen ein konstruktiv untergeordnetes Bauteil und nur auf den Brüstungsbereich beschränkt.
Innenwand
Häufig werden konventionelle Trockenbau- wände als mit Gipskartonplatten beplankte Metallständer konstruktionen verwendet, um eine hohe Raumflexibilität zu erhalten. Eine energetische Aktivierung der Innenwandflächen ist bisher selten anzutreffen. In zwei Projekten wurde die Bürotrennwand als Kühlwand aus- gebildet. Flurtrennwände sind häufig partiell mit Oberlichtfenstern versehen, um die innen- liegenden Flure zu belichten und dadurch Wär- melasten aus der Beleuchtung zu minimieren.
Decken und Dächer
Für das mehrgeschossige Bauen mit Holz eignen sich auch im Bürobau die unterschiedlichen Deckenelemente wie Holzbalken-, Brettstapel-, Brettsperrholz-, Hohlkasten- und Holzbeton- verbunddecken. Die Wahl für eine bestimmte Deckenkonstruktion wird im Wesentlichen durch die Kriterien Tragwerk, Brandschutz, Schallschutz und Wirtschaftlichkeit bestimmt. Qualitäten oder Eigenschaften wie Wärmespeicherfähig- keit, Raumakustik, Optik und Lichtmodulation von sichtbaren Holzdecken bestimmen in vielen Projekten ebenfalls die Konstruktionswahl. Dazu gehört auch die Robustheit im Bauablauf, um Probleme durch Feuchteeintrag während der Bauphase zu vermeiden (witterungsoptimierte Bauteile).
Fußboden
Bei den in dieser Veröffentlichung untersuchten Gebäuden kommen vorwiegend konventionelle Bodenaufbauten mit Estrich und Trittschall- dämmung vor. Die Böden werden häufig durch Heiz- oder Kühlfunktionen energetisch aktiviert.
In wenigen Fällen sind Hohlraum- oder Doppel- böden mit in Kanälen gebündelten Installationen realisiert worden.
Abb. 2.22
Bodenkühlung, Verwaltung Sozial-Wirt schafts-Werk des Landkreises Oberallgäu, Sonthofen
ders hoch (in DIN EN ISO 7730, DIN EN 13779, prEN 15251 und den Arbeitsstättenrichtlinien geregelt), da die meisten Menschen an ihren Arbeitsplatz gebunden und von der dortigen klimatischen Situation abhängig sind.
Optimierte Behaglichkeitskriterien wirken sich nachgewiesenermaßen positiv auf die Leistungs- fähigkeit, Motivation und Konzentration am Büroarbeitsplatz aus.
Betrachtung der Wärmebilanz
Im Folgenden wird der Zusammenhang von Entstehung und Abfuhr von Wärmeenergie in einem Gebäude anhand der sommerlichen Wärmebilanz dargestellt. Hierbei steht nicht die Heizenenergie im Vordergrund, sondern zusätz- liche Lasten, die von außen auf das Gebäude ein- wirken (externe Lasten) oder im Gebäude inneren entstehen (interne Lasten).
2.2 _ Energie und Raumklima
Der Begriff „Energiesparen“ wird meistens mit Maßnahmen im Winter assoziiert. Gerade in Bürogebäuden entsteht aber ein beträchtlicher Teil des Jahresenergiebedarfs im Sommer. Im Gegensatz zu Wohngebäuden wird hier das Raumklima stärker durch solare Einträge über große Verglasungen sowie hohe interne Lasten bestimmt, die durch technische Geräte und die Personendichte entstehen. Gleichzeitig ist ein konstantes Temperatur- und Raumklima für die gesetzlich geforderte Behaglichkeit von Büro- arbeitsplätzen sicherzustellen. Das Raumklima in einem Gebäude wird im Wesentlichen durch den Temperaturverlauf und damit durch den Wärme- eintrag, die gespeicherte Wärmeenergie und die Wärmeabfuhr bestimmt.
Ein Hauptziel ist daher, Wärmeeinträge von vornherein zu minimieren oder gar nicht erst ent- stehen zu lassen. Je effizienter die Maßnahmen zur Lastenreduzierung sind, desto geringer ist der erforderliche Technik- und Energieaufwand, um durch Kühlung ein behagliches Raumklima herzustellen.
Behaglichkeit
Neben den akustischen, optischen oder olfakto- rischen Randbedingungen trägt vor allem unser Temperaturempfinden zum Wohlbefinden in einem Raum bei. Hier stehen raumabhängige Faktoren (Raumtemperatur, Oberflächentempe- ratur der umgebenden Bauteile, Luftbewegung, Luftfeuchtigkeit) und nutzerabhängige Faktoren (Aktivitätsgrad, Art der Bekleidung) in einem komplexen Austausch. Gerade im Bürobau sind die Anforderungen an das Raumklima beson-
Wärmeeintrag externe Lasten Orientierung Verglasungsanteil Sonnenschutz g-Wert Transmission Taglüftung interne Lasten Personen Geräte Beleuchtung
Wärmespeicherung Speicherkapazität – Konstruktion – Ausbau bei · Wand · Boden · Decke
Wärmeabfuhr Luft
– freie Lüftung – mech. Lüftung – mech. Lüftung mit Kühlung Wasser Boden Wand Decke Abb. 2.23
Sommerliche Wärmebilanz
Wärmeeintrag Externe Lasten
Solare Wärme wird per Transmission durch die Systemgrenze Wand, Fassade und Dach in das Gebäudeinnere übertragen.
Die Ausrichtung von Bürogebäuden in alle Himmelsrichtungen wird situationsbedingt durch Funktion, Topografie, Städtebau und Wirtschaft- lichkeit beeinflusst. Neben der solaren Einstrah- lung auf der Südseite ist auch der Eintrag auf der West- und Ostseite (tiefstehende Sonne) Auslöser für das Aufheizen des Gebäudeinneren.
Der moderne hochwärmegedämmte Holzbau mit Dämmstärken meist über 200 mm in Wand und Dach bietet mit seinen guten U-Werten der Bauteilschichten einen hohen Transmissions- widerstand und damit einen ausreichenden sommerlichen Wärmeschutz.
Der Verglasungsanteil der Gebäudehülle be stimmt die Transparenz eines Gebäudes.
Je höher der Glasanteil, desto mehr gelangen Licht und Wärme in das Rauminnere. Bei Pro jek- ten mit einem sehr hohen Fensterflächenanteil sind nur mit aufwändigen aktiven Maßnahmen die sommer lichen Behaglichkeitskriterien zu erreichen. Moderne Sonnenschutzgläser stellen hier nur eine Lösungsmöglichkeit dar.
Die Vermeidung solarer Einträge wird effizient mit einem außenliegenden Sonnenschutz erreicht, der auf die Situation der jeweiligen Himmelsrichtung abgestimmt ist.
Der Holzbau bietet eine ganze Bandbreite archi- tektonischer Lösungen an, um Sonnenschutz- systeme in den Schichtenaufbau der Gebäude- hülle zu integrieren. Neben der Verwendung von
handelsüblichen Verschattungssystemen sind eine Vielzahl von individuellen, in Holz konstru- ierten Fassadenlösungen denkbar.
Der Verzicht auf den außenliegenden Sonnen- schutz oder Fehlbedienungen durch den Nutzer führen gerade in den Sommermonaten zu deut- lichen Defiziten der Behaglichkeit. Sie können im Nachhinein meist nur durch energieaufwändige dezentrale Kühlsysteme verbessert werden.
Interne Lasten
Netzabhängige Geräte, die Beleuchtung sowie die Belegungsdichte sind Wärmequellen im Inneren eines Bürogebäudes. Gerade im Winter liefert diese Wärme einen Beitrag zur Energie- effizienz des Gebäudes. Sie führt aber im Sommer unter Umständen zur Überhitzung der Räume und muss durch aktive Maßnahmen abgeführt werden.
Maßnahmen zur Minimierung der internen Lasten können gleichzeitig räumliche Qualitäten entwickeln, so sind etwa verglaste Flurtrenn- wände oft Bestandteil offener Büroraumkon- zepte und helfen gleichzeitig die Beleuchtung zu reduzieren. Ansonsten gilt auch hier wie im konventionellen Bürobau, dass sich hohe interne Lasten ohne entsprechende Zonierung nur durch aktive Maßnahmen in den Büroräumen abführen lassen.
Wasser
Wassergeführte Kühlsysteme werden haupt- sächlich als im Estrich verlegte Bodenkühlung oder als Decken- oder Wandkühlung eingesetzt, die beispielsweise hinter Gipsbauplatten verlegt werden.
Bewährte regenerative und energieoptimierte Niedertemperaturheizsysteme an Boden, Wand und Decke (z.B. Heizdecken) können im Sommer zur Wärmeabfuhr umfunktioniert werden. Ähn- lich lassen sich luftgeheizte Systeme zur Kühlung umwandeln.
In einer frühen Planungsphase ist es wichtig, energetische und raumklimatische Schwach- stellen zu orten, um ein Konzept geeigneter, aufeinander abgestimmter Maßnahmen zu definieren. Die häufigsten Fehlerquellen einer nicht ausreichenden Wärmeabfuhr sind meistens nicht sorgfältig angepasste Lüftungskonzepte (Lüftungswärmegewinne) und zu gering dimen- sionierte Kühlmaßnahmen.
Wärmespeicherung
Die modernen Holzbauweisen bieten in Konstruktion und Ausbau Spei chermassen, die zur Wärmespeicherung und damit zur Behaglichkeits steigerung und Energieoptimie- rung eingesetzt werden können.
Holz hat volumenbezogen ein relativ hohes Wär me speicherungsvermögen. Die verbauten Materialien in den Konstruktionen der Trag- struktur, der Trennwände, der Gebäudehülle und des Ausbaus sind in der Lage, Wärmeenergie zu speichern und abzugeben. Diese kann durch Kühl systeme in den Bauteilen oder phasen verschoben durch Nachtlüftung abge- führt werden.
Wärmeabfuhr Luft
Wärme lässt sich über eine freie Gebäudelüftung (Öffnungen in der Gebäudehülle) abführen.
Dabei gilt es vor allem Lüftungswärmegewinne zu vermeiden (z.B. geöffnete Fenster bei hohen Außentemperaturen im Sommer).
Die Kühlung mittels mechanischer Lüftung wird erreicht durch aktive, energieverbrauchende Kühlkomponenten oder durch die Nutzung von natürlichen Kältesenken wie das Erdreich oder Grundwasser.
Über geeignete Zustromöffnungen kann die Temperatursenke der Nachtstunden zur Gebäude kühlung aktiviert werden. Ausreichend groß dimensionierte Fenster- und / oder Lüftungs- öffnungen ermöglichen einen natürlichen Luftstrom, der die Bauteiloberflächen abkühlt.
Brandschutz- und Sicherheitsanforderungen (Wetter, Einbruch) sowie ausreichende Dimen- sionierung müssen bei der Planung berücksich- tigt werden, um eine effiziente Nachtlüftung durchzuführen.
Unterschied Sommer / Winter
Grundsätzlich sind die klimatischen und bau- physikalischen Unterschiede zwischen Sommer und Winter in der Planung zu beachten. Tempe- ratur, Luftfeuchtigkeit und Sonnenstand wirken sich in den unterschiedlichen Jahreszeiten auf das Raumklima eines Gebäudes aus.
Hochwärmegedämmte Konstruktionen sind in der Regel wintertauglich, das Hauptaugenmerk liegt jedoch verstärkt auf der Thematik der Gebäudekühlung im Sommer.
Zusammenfassend lassen sich aus der Unter- suchung über energieeffiziente Bürogebäude folgen de Aussagen über die positive Beein- flussung des Raumklimas im Sommer und / oder Winter ableiten:
Sommer
Kriterien für das Erreichen raumklimatischer und energetischer Ziele im Sommer:
· problemorientierter Planungsprozess mit Simula tion, um bauliche, technische und nutzer spezifische Faktoren im Vorfeld abzu- stimmen
· Verglasungsanteil moderat · Sonnenschutz gut abgestimmt
· mittlere innere Lasten oder Lastenzonierung · nutzerorientierte Bedienbarkeit
· abgestimmte Kühlmaßnahmen in Kombina- tion mit Heizsystemen oder energie effizienter Nachtlüftung
· Nutzung der Nachtlüftung (jedoch ohne Temperatur garantie: Nutzerakzeptanz)
Winter
Kriterien für das Erreichen raumklimatischer und energetischer Ziele im Winter:
· hoher Dämmstandard
· wärmebrückenfreies Konstruieren · sehr hohe Luftdichtigkeit
· Reduktion von Lüftungswärmeverlusten · hoher Grad an Wärmerückgewinnung
Trockenheit im Winter
Die Trockenheit der Luft ist in Innenräumen von Bürogebäuden eine materialunabhängige Erscheinung. Im Bürobau fällt nutzungs- bedingt weniger Feuchte an als im Wohnungs- bau. Je nach regionaler Lage kann durch eine mechanische Belüftung, die im Winter trockene Außenluft nach innen führt, dieser Effekt ver- stärkt werden.
Durch Maßnahmen zur Feuchterückgewinnung oder Luftbefeuchtung im Innenraum lässt sich diesem Problem begegnen. Im Holzbau ist zusätzlich durch die Schwindeigenschaften des Materials bei nutzungsbedingter Trockenheit konstruktiv auf die Fugen- und Detailausbildung zu achten.
Zusammenfassung
Grundsätzlich lässt sich feststellen, dass das Hauptziel die Minimierung von Wärmelasten sein sollte, um verbleibende Wärme möglichst energieeffizient abführen zu können. Damit ist der Weg frei, um ein optimales Raumklima mit Energieeffizienz zu verbinden.
Bei den untersuchten Projekten bestand immer dann ein optimales Raumklima, wenn die genannten Kriterien Berücksichtigung fanden.
Die gängigen Vorurteile gegenüber dem Baustoff Holz erwiesen sich als haltlos.
Die recherchierten Projekte zeigen, dass sich durch einen ganzheitlichen Entwurfs- und Planungs ansatz auch für Bürogebäude anspruchsvolle Architektur realisieren lässt [1].
Übergangsphasen
Durch interne Lasten und den hohen Dämmstan- dard wurden bei einigen Projekten Überhit- zungserscheinungen in den Übergangsphasen (Frühjahr, Herbst) festgestellt. Die Wärmege- winne führen zwar zu einer stark verkürzten Heizperiode, lassen sich aber durch das Auftreten der solaren Einträge schlecht steuern. Hier sind im energieeffizienten Bürobau für die Zielkon- flikte Blendfreiheit / Sonnenschutz und Erzielen passiver Wärmegewinne geeignete Maßnahmen zu treffen.
Nutzerverhalten
Gerade bei energieoptimierten passiven Konzep- ten übernimmt der Nutzer eine Schlüsselrolle.
Durch individuelles Nutzerverhalten können wesentliche Behaglichkeitsdefizite entstehen, die sich nur durch aufwändige aktive Kühlmaß- nahmen korrigieren lassen. So haben sich in manchen Fällen erhöhte Temperaturen durch verkehrtes Nutzerverhalten eingestellt, obwohl der Nutzer aber bei nutzergesteuerten Systemen für die Einsparung von Energie zuständig ist.
Einfach nachvollziehbare Konzepte und individuelle Möglichkeit zur Einflussnahme sollten die treibende Kraft für energieoptimierte Lösungen sein [3].
Abb. 3.1
Planungsstrategien
3 _ Planungshinweise
Planungshinweise zum sommerlichen Wärmeschutz 3.1 _ Einführung
Der energetische Standard des modernen Holz baus ist mit der hochwärmegedämmten Gebäudehülle ausreichend wintertauglich. Um die Behaglichkeitsziele im Bürobau zu errei- chen, liegt das Hauptaugenmerk daher auf dem
sommer lichen Wärmeschutz. Im Folgenden werden die Einzelmaßnahmen näher betrach- tet. Beim Planungsentwurf lassen sich durch ein fache bauliche und konzeptionelle Maß- nahmen erste Weichen zur Energieeffizienz und Raumklima optimierung stellen. Werden Strategien zur Lasten reduktion und Kühlung schon bei der Planung berücksichtigt, können energieeffiziente Lösungen fern von bekann- ten Standardtechniken zum Einsatz kommen.
„Strate gisches Kühlen heißt eine konsequente Minimierung des Energieeinsatzes von der Bedarfs seite her bis zur technischen Ausführung“
[4].
Die folgenden Hinweise sind dafür gedacht, in einem frühen Planungsstadium Kriterien des sommerlichen Wärmeschutzes zu thematisieren.
Eine frühe Entscheidungssicherheit führt zu abgestimmten architektonischen Konzepten und letztlich zu energieoptimierter Behaglichkeit.
Folgende Strategien sollten dabei Beachtung finden:
Analytisch
· Genaue Nutzeranalyse · Klärung des Lastenprofils
· Klärung der Behaglichkeitsansprüche
Konstruktiv Schützen:
· vor solaren Lasten · vor internen Lasten Speichern:
· um Lastspitzen zu puffern · um Wärmelasten abzuführen Kühlen:
· mit passiven Maßnahmen · mit hybriden Maßnahmen · mit aktiven Maßnahmen Schützen:
Lüftungswärmelasten
Speichermasse Speichern:
Sonnenschutz Grad der Verglasung
Lasten Transmission
Energieeffizient Kühlen:
Zielkonflikte
Solarer Gewinn – solare Last – Tageslicht Die Herausforderung in jedem Entwurf besteht darin, den Spielraum dieser Zielkonflikte in Abhängigkeit von Orientierung, Sonnenschutz- maßnahmen und Tageslichtbedarf festzu- legen. Grundsätzlich ist zu bemerken, dass im Bürobau der Schutz vor solaren Lasten und die Tageslichtoptimierung vor der Erzielung von solaren Wärmegewinnen stehen. Anders als im Wohnungsbau lassen sich Wärmegewinne auch durch interne Lasten und nicht nur durch solare Gewinne erreichen.
3.2 _ Schützen
Solare Wärmeeinträge spielen im Bürobau eine wesentliche Rolle. Der geografische Kontext (Klima, Wind, Luftfeuchte, solare Strahlung) und der städtebauliche Kontext (Gebäudeausrich- tung, Topografie, Bepflanzung, Eigenverschat- tung) stellen bereits erste Einflussfaktoren in der Lastenbilanz dar und führen zu Auswirkungen auf die Energieeffizienz und thermische Behag- lichkeit.
3.2.1 _ Grad der Verglasung
Im modernen Holzbau ist jeglicher Grad der Verglasung durch die zur Verfügung stehenden Holzbausysteme realisierbar. Die Transparenz der Gebäudehülle ist ein von der Konstruktion unab- hängiges Qualitätsmerkmal. Für ein Optimum an Behaglichkeit und Energieeffizienz gilt es, durch die thermischen Randbedingungen ein sinnvolles Gleichgewicht zwischen den Zielkonflikten solare Last und Tageslichtversorgung zu finden. Wenn derzeit Bürogebäude mit einem hohen Vergla- sungsanteil als Inbegriff fortschrittlicher Architek- tur gelten, so lässt sich dies nur mit erhöhtem Energieeinsatz realisieren.
Beispiele
Grad der Verglasung Abb. 3.2
Bioforce AG, Roggwil (CH) Abb. 3.3
Energie-Innovationszen- trum, Weiz (A)
Abb. 3.4
Business Center, Biel (CH) Tageslicht optimieren
+ Energiebedarf für Beleuchtung sinkt;
Arbeitsatmosphäre – solare Wärmelast steigt
Sonnenschutz optimieren + wenige Kühlmaßnahmen – weniger Tageslicht
Solare Gewinne optimieren + zusätzlicher Energiegewinn – Kühlbedarf steigt; nicht steuerbar
Planungshinweise
· Verglaste Brüstungsbereiche erzeugen Wärme einträge ohne zusätzlichen Gewinn in der Tageslichtoptimierung,
· sturzfreie Anordnung der Fenster erhöht die Tageslichtausbeute,
· ein hoher Verglasungsgrad mit hohem Dämm- standard der Gebäudehülle kann auch in Übergangszeiten (Frühjahr / Herbst) durch den niedrigen Sonnenstand und Akkumulation von solaren und internen Lasten zur Verlängerung der Kühlperiode führen.
Optimierungsmöglichkeiten
· Optimale Dimensionierung und Anordnung der Fensterflächen – im Bürobau gelten 50% bis 70% als Optimum [5].
3.2.2 _ Sonnenschutz
Für ein ganzheitliches, energieoptimiertes Gebäudekonzept ist ein wirksamer Sonnen- schutz von zentraler Bedeutung. Ziel ist, den Gesamt energiedurchlassgrad der transparenten Gebäudehülle zu minimieren. Wirksame Maß- nahmen sind die Wahl der Verglasungsart und der verwendete Sonnenschutz.
Art der Verglasung
Die Qualität der Verglasung ist für das energie- effiziente Bauen im Hinblick auf den winterlichen Wärmeschutz von besonderer Bedeutung. Im Sommer werden durch die Glaseigenschaften die Anforderungen wie Wärmedurchgang (U-Wert), Lichtdurchlässigkeit (t-Wert) und Energiedurchlass (g-Wert) beeinflusst. Für einen optimalen sommerlichen Wärmeschutz sollte daher das richtige Verhältnis zwischen niedrigem U-Wert (Wärmetransmission), einem niedrigen g-Wert (Energiedurchlass) und einem hohen t-Wert (Lichttransmission) gefunden werden.
Moderne Dreischeibenverglasungen bieten hohen winter lichen Wärmeschutz mit behaglichen Ober flächentemperaturen und im Sommer die Reduktion des Energiedurchlasses, dies jedoch bei geringerer Lichttransmission.
Sonnenschutz und Orientierung
Bürobauten orientieren sich aus funktionalen oder städtebaulichen Gründen in alle Himmelsrichtun- gen. Die sorgfältige Abstimmung der Sonnen- schutzmaßnahmen zur Himmelsrichtung ist besonders wichtig. Optimal sind dabei horizontale Verschattungssysteme im Süden und vertikale in Ost- bzw. Westrichtung, um eine effiziente Verschattung und den Ausblick von innen nach außen zu gewährleisten.
Nord-Süd-Ausrichtung
Ein steiler Einfallswinkel im Süden bewirkt einen hohen Reflektionsgrad an den Scheiben und ver- mindert so die solare Einstrahlung. Der Sonnen- schutz gewährleistet bei horizontaler Lamellen- stellung Durchblick und Tageslichtreflektion und führt zu Verringerung der solaren Einträge, da nur die Südseite besonnt ist. Feststehende Sonnen schutzsysteme wie beispielsweise Vor- dächer bieten den Vorteil hoher Transparenz.
beweglich Abb. 3.5
Beispiele außenliegender Sonnenschutz
Zielkonflikte
Sonnenschutz – Durchblick
Sonnenschutz – Tageslichtautonomie
Planungshinweise
Im Holzbau kann der Sonnenschutz zusätzlich · Aufgaben des konstruktiven Holzschutzes
übernehmen,
· als Bekleidung in architektonische Fassaden- konzepte integriert werden.
Optimierungsmöglichkeiten
· Anordnung
· Tiefe
· Höhe
· Abstand
Die auf der nachfolgenden Seite dargestell- ten Beispiele zeigen, wie sich konventionelle Beschattungssysteme in Fassaden integrieren lassen. Mit Holzfassaden lassen sich aber auch eigenständige architektonische Lösungen für den Sonnenschutz realisieren. Der Sonnenschutz kann zur Fassade werden und gleichzeitig als konstruktiver Holzschutz dienen.
Ost-West-Ausrichtung
Ein flacher Einfallswinkel im Osten und Westen führt zu geringerer Reflektion und somit zu intensiverer Strahlung. Der Sonnenschutz bewirkt bei geschlossenen Horizontallamellen eingeschränkten Durchblick und reduzierte Tageslichtreflektion. Er führt zur Erhöhung der
besonnten Fassadenfläche (Ost und West) sowie zu zeitgleichem Auftreten von hoher solarer Last mit hoher nachmittäglicher Außentemperatur an Westfassaden.
Faktoren eines wirksamen Sonnenschutzes Position außenliegend – innenliegend Bauart beweglich – feststehend Ausrichtung horizontal – vertikal
Regelbarkeit nutzergesteuert – automatisiert Transparenz Möglichkeit zum Durchblick Reflexion Fähigkeit zur Tageslichtoptimierung Wartung Zugänglichkeit – Wartungsarmut Kosten Kosten für Herstellung und Betrieb Gestaltung architektonische Integration
feststehend horizontal Lamellen feststehend vertikal feststehend horizontal Vordach
Beispiele außenliegender Sonnenschutz
Textil
Abb. 3.6 und 3.7 Gemeindezentrum in Ludesch (A)
Raffstore Abb. 3.8 (links)
Wohn- und Geschäftshaus in Sursee (CH)
Abb. 3.9 (rechts)
Energie- und Innovations- zentrum in Weiz (A)
Dach
Abb. 3.10 (links)
Impulszentrum in Graz (A) Abb. 3.11 (rechts)
Bürogebäude in Lohnsburg (A)
Bekleidung Abb. 3.12 (links) Rathaus in Frickingen Abb. 3.13 (rechts)
Bürogebäude in Griffen (A)
Bekleidung Abb. 3.14 (links)
Zentrum für angewandte Energieforschung in Garching Abb. 3.15 (rechts)
Finnish Forest Research Institute in Jensuu (SF)
Oberfläche + beschattet; hell – besonnt; dunkel
Dämmung + niedriger U-Wert – hoher U-Wert
Dach
+ begrünt / hinterlüftet
– nicht begrünt / nicht hinterlüftet
Synergie
Im Holzbau wirken sich niedrige U-Werte positiv auf den Winter- wie auch auf den Sommer fall aus.
Optimierungsmöglichkeiten · Verschattung von Bauteilen durch
hinter lüftete Konstruktionen
· Verbesserung des U-Wertes zur Reduktion des Wärmestromes durch Bauteile
· Hinterlüftung in Dach oder Fassade · Dachbegrünung
· helle, reflektierende Oberflächenfarben 3.2.3 _ Transmission
Der hohe Dämmstandard von Gebäuden in Holzbauweise lässt im Sommer die Wärmetrans- mission zu einem unbedeutenden Faktor werden.
Solare Einträge und Lüftungswärmegewinne sind die wesentlichen Parameter der sommerlichen Wärmebilanz. Die Tatsache, dass die Anforde- rung an die Wärmetransmission auf den Winter ausgerichtet und somit im Winter (ca. 35 Kelvin) wesentlich höher ist als im Sommer (ca. 15 Kel- vin) ist, zeigt, dass das Bauteil im Sommer einen geringeren Wärmestrom zu bewältigen hat.
„Eine Untersuchung von Hauser und Künzel [6] hatte bereits 1987 gezeigt, dass sich bei gedämmten Holzhäusern mit U-Werten der Außenwand von ca. 0,46 W / (m² K) und normaler Verschattung eine nur um 1,5 Kelvin höhere Tempe ratur gegenüber der Innenraumtempera- tur in einem vergleichbaren Massivbau einstellt.
Konstruktionen mit so geringen U-Werten gibt es im Holzrahmenbau seit langem nicht mehr.“
[7]
Besonderes Augenmerk ist auf die Planung und Ausführung der Dämmung von Flachdächern zu richten. Bei Dämmstoff stärken unter 20 cm können Hinterlüftungsmaßnahmen oder eine Dachbegrünung erforderlich werden, um eine Transmissionsreduzierung zu erreichen.
Abb. 3.16
Bürogebäude Saurer, Höfen (A)
> IDH spezial 10/2008 INFORMATIONSDIENST HOLZ spezial 10/2008:
„Flachdächer in Holzbauweise“
3.2.4 _ Lüftungswärmegewinne
Durch geeignete Lüftungsstrategien kann der Kühlbedarf eines Gebäudes deutlich reduziert und somit die Behaglichkeit bei gleichzeitiger Energieersparnis gesteigert werden. Sobald das Außentemperaturniveau über der Innen- raumtemperatur liegt, müssen im Sommer Maßnahmen gegen Lüftungswärmegewinne getroffen werden. Gleichzeitig ist der hygienisch notwendige Mindestluftwechsel zu gewähr- leisten. Das Nutzerverhalten spielt hierbei eine entscheiden de Rolle. Falsche Bedienung von Komponenten (z.B. Öffnen des Fensters bei hohen Außentemperaturen) kann zur Verfehlung des Lüftungskonzepts führen. Grundsätzlich gilt:
Je konstanter die Behaglichkeit und je einfacher die Handhabung der Lüftung ist, desto weniger wird der Nutzer durch sein Verhalten die Lüf- tungsstrategien beinträchtigen.
Freie Lüftung
+ niedrige Kosten; kein Energieaufwand – Fehlerquelle Nutzer; Lüftungswärmegewinne
Mechanische Abluft
+ Mindestluftwechsel garantiert;
niedriger Energieverbrauch – Lüftungswärmegewinne
Zu- und Abluft (hybrid) + keine Lüftungswärmegewinne;
niedriger Energieverbrauch – Installationsaufwand
Zu- und Abluft (aktiv) + Temperatursicherheit
– hoher Energieverbrauch; Installationsaufwand
Zielkonflikte
Nutzersteuerung – Automation Hygienischer Luftwechsel – Reduktion Lüftungswärmegewinne Behaglichkeit durch Luftzug – Reduktion Lüftungswärmegewinne
Synergien
Zuluftmaßnahmen können im Winter mit Wärmerückgewinnung (WRG) und im Sommer mit Kühlung (natürliche Kältesenke) gekoppelt werden. Dies stellt im Sommer den hygienischen Luftwechsel sicher, ohne Lüftungswärmelasten zu erzeugen.
Optimierungsmöglichkeiten · Auf den Sommerfall abgestimmte
Lüftungsmaßnahmen · Nutzerschulung
Heizwärmebedarfs auf die Kühlperiode zu ach- ten. Diese Abhängigkeit muss in jedem Projekt abgewogen werden. Grundsätzlich verbessert die Reduktion der internen Lasten (Arbeitshilfen, Beleuchtung) wesentlich die Energiebilanz und trägt somit zur Behaglichkeitsoptimierung bei.
Während sich auf der technischen Seite durch energiesparende Bürogeräte und Leuchtmittel die Wärmeeinträge reduzieren lassen, kann auf baulicher Seite vor allem durch Optimierung der Tageslichtversorgung und geschickte Zonierung der Hauptwärmelasten ein wesentlicher Beitrag geleistet werden. Maßnahmen zur Reduzierung der internen Lasten stehen auf Bauherrenseite wie auch auf Planerseite zur Verfügung.
3.2.5 _Interne Lasten
Interne Lasten bestehen hauptsächlich aus Wärme einträgen durch Personen, Geräte und Beleuchtung. Sie tragen sie im Winter zur Reduk- tion der Heizlasten bei, können aber im Sommer zur Überhitzung führen, die aufwändig abgeführt werden muss.
Der hohe Dämmstandard von Holzbauten unter- stützt durch interne Wärmeeinträge die Heiz- periode, kann aber durch hohe interne Lasten den Kühlfall verlängern. Die Steuerung in den Über- gangsphasen ist schwierig, da interne und solare Lasten oft gleichzeitig auftreten und nur schwer zu steuern sind. Somit ist bei Nutzung solarer Gewinne und interner Lasten zur Optimierung des
Beispiel Zonierung Feinstruktur:
Die in Wandschränken untergebrachten Computer geben ihre Wärmelast an den Flur ab.
Beispiel Zonierung Großstruktur:
Bürogeräte (Drucker, Kopierer, Plotter, Server usw.) werden in Serviceräumen konzentriert.
Abb. 3.17, 3.18 Zonierung
Tageslichtoptimierung
Zonierung optimieren
+ geringe Lasten im Arbeitsbereich – eventuelle Nutzungseinschränkung
Tageslicht optimieren
+ Tageslichtautonomie; offene Raumkonzepte;
Arbeitsatmosphäre – auf solare Gewinne achten
Beleuchtung optimieren
+ geringe Wärmelasten; Nebenkostenoptimierung
Zielkonflikte
Interne Wärmegewinne nutzen (Winter) – interne Wärmelasten reduzieren (Sommer)
Optimierungsmöglichkeiten
Reduktion der internen Last aus Kunstlicht durch
· tageslichtoptimierten Verglasungsgrad, · sturzfreie Fensterkonstruktionen, · Lichtlenkung über die Fassade,
· natürliche Belichtung von Binnenräumen, (z.B. Flure).
Reduktion der Gerätelasten durch · Zonierung der Lasten (z.B. Server in eigene
Serverräume / Computerschränke), · energiesparende Leuchtmittel, · energiesparende Büroausstattung, · bedarfsgerechte Nutzung von Licht und
Bürogerät en.
Abb. 3.19 (links) Einhüftige Bürotypologie:
natürliche Belichtung der Erschließung über die Fassade (Bürogebäude in Lohnsburg)
Abb. 3.20 (rechts) Zweihüftige Bürotypologie:
natürliche Belichtung der Erschließung
über die Verglasung der Flurtrennwände (Bürogebäude in Imst [A])
3.3 _ Speichern
Die Speichermasse eines Gebäudes trägt im Sommer zur Stabilisierung des Raumklimas bei.
Durch das träge Verhalten der Speichermasse · können Temperaturschwankungen reduziert
werden,
· kann Wärme in Bauteile eingespeichert und zeitverzögert abgeführt werden.
Moderne Bürobauten in Holzbauweise können im Sommer ihre Speichermasse nutzen, um den sommerlichen Wärmeschutz zu gewährleisten.
Voraussetzung dafür ist von Anfang an die Minimie rung der Wärmeeinträge.
Für eine wirksame Speichermasse ist im physi- kalischen Sinne nicht allein die Rohdichte verantwortlich, sondern das Wärmespeicher- vermögen und die Wärmeleitfähigkeit eines Bauteils. Vergleicht man die Baustoffe Holz und Beton, stellt man fest, dass ein Kilo Holz doppelt so viel Wärme speichern kann wie ein Kilo Beton.
Volumenbezogen betrachtet speichert Beton ca.
1/3 mehr als Holz (siehe Tabelle 3.1).
Der Hauptunterschied zwischen Holz und Beton bei der Nutzung der Speichermasse liegt in der ungleichen Wärmeleitfähigkeit. Daraus resultiert im Tag-Nacht-Rhythmus eine geringere wirk - same Wärmeeindringtiefe bei Holz (5 – 6 cm) als bei Beton (10 – 15 cm) [8].
Tabelle 3.1 Wärmespeicherung
Parameter: Holz Beton
Rohdichte p = kg / m³ 700 2.100
spezifische Wärmekapazität c = J / kgK 2.100 1.000 spezifische Wärmekapazität c = Wh / kgK 0,58 0,28 Wärmespeicherungsvermögen S = Wh / m³K 406 588
Wärmeleitfähigkeit λ = W / mK 0,14 1,7
1 kg Beton 1 kg Holz
1m³ Holz 1m³ Beton
406 Wh/m³K
588 Wh/m³K 0,28 Wh/kgK 0,58 Wh/kgK
1 kg Beton 1 kg Holz
1m³ Holz 1m³ Beton
406 Wh/m³K
588 Wh/m³K 0,28 Wh/kgK 0,58 Wh/kgK
Abb. 3.21
Spezifische Wärmekapazität Wh / kgK
Abb. 3.22
Wärmespeichervermögen Wh / m³K
Ein Beispiel zur Veranschaulichung:
Es wurden drei identische Büroräume untersucht, die sich nur durch ihre Deckenkonstruktionen unterscheiden. Bei Kühlung mittels Nachtlüftung stellen sich in allen drei Räumen unterschiedliche Temperaturwerte ein.
Die bei dem Büroraum mit massiver Decke aus Beton entstehenden Temperaturwerte dienen im Folgenden als Basis. Bei Einsatz einer abge- hängten Gipskartondecke in diesem Betonbau werden in demselben Büroraum Temperaturen erreicht, die diese Basis um 10% überschreiten.
Eine dritte Möglichkeit, die in ihrer Wirkung zwischen massiver und einer abgehängten Betondecke anzusiedeln ist, stellt eine Decke aus massivem Holz dar. Bei Ausführung dieser Variante liegen die Temperaturwerte nur 7%
über den Vergleichswerten der Massivbeton- decke. Dieser Wert liegt zwar noch immer höher als bei einer Decke aus massivem Beton, aber doch etwas geringer als bei einer Ausführung der Betondecke mit leichter Abhängung.
Im Holzbau stehen in der Konstruktion (Massiv- holzkonstruktion, masseoptimierte Füllungen in hohlen Bauteilen) wie auch im Ausbau (Estrich, Gipsbauplatten, Massivholzbekleidungen) Speichermassen zur Verfügung, um einen hohen Anteil der vorhandenen Lasten einzuspeichern und wieder abzuführen.
Um Aussagen zur Behaglichkeit oder besseren Effektivität der Speicherfähigkeit eines Raums treffen zu können, muss man das gesamte Speicher vermögen eines Raums betrachten.
Undifferenzierte Einteilungen zur Sommer- tauglichkeit in schwere und leichte Bauweisen werden dem modernen Holzbau nicht gerecht.
3.3.1 _ Speichermasse im Holzbau Grundsätzlich stehen im Holzbau Speicher- massen in der Konstruktion und im Ausbau zur Verfügung. Ihr thermischer Wirkungsgrad wird von der Wirksamkeit der Speichermasse, ihrem Flächenanteil und vom System der Wärmeabfuhr beeinflusst.
Konstruktion
· Speichermassen in Konstruktionen · Speichermassen in Füllungen
Einen Beitrag zur Massespeicherung leisten die Konstruktionen selbst, wie etwa Massivholz- konstruktionen oder masseoptimierte Füllungen in Holzrahmenkonstruktionen. Wichtig ist, wie in allen Fällen von Masseaktivierung, dass die Masse nicht durch Bekleidungen ihrer Wirkung beraubt wird.
Abb. 3.23
Vergleich Temperatur- niveau bei Decken- konstruktionen mit unterschiedlichen Speichermassen
110% 107%
100%
Betondecke mit leichter Abhangdecke
Massivholzdecke Betondecke
Energieoptimierung + Energieaufwand – Temperatursicherheit
Temperatursicherheit + Temperatursicherheit – Energieaufwand
Planungshinweise
· Bei Maßnahmen zur Massespeicherung an den Außenwänden ist der tatsächlich vorhandene Flächenanteil in die Bilanz miteinzubeziehen, da der Fensterflächenanteil bei Außenwänden weit über 50% betragen kann.
· Die vorhandene Masse von Holzbetonverbund- decken lässt sich durch die Dämmwirkung der Holzdecke auf der Unterseite und der Tritt- schallschichten auf der Oberseite kaum sinnvoll aktivieren.
Beispiele
· Bei Holzbalkendecken kann die obere Platten- ebene in ihrer Speicherwirkung durch minera- lische Holzbauplatten oder Holzwerkstoffplat- ten optimiert werden.
· Die Masse von Füllungen in Holzrahmenkonst- ruktionen kann bei gleichbleibender Wärme- leitfähigkeit optimiert werden und damit die sommerliche Behaglichkeit erhöhen. So lassen sich neben Mineralfasern auch Holzfasern oder Holzspäne bei annähernd gleichbleibenden U-Werten zur Dämmung heranziehen. Wichtig ist hier, dass die Wirkung der in den Füllungen vorhandene Masse nicht durch Installations- ebenen reduziert wird.
· Massivholzkonstruktionen in Wand und Decke leisten einen Beitrag zur Massespeicherung.
Durch Optimierung der Oberfläche beispiels- weise bei brettweise verschobenen Brett- stapelelementen in den Decken lässt sich die wirksame Speichermasse erhöhen (z.B. Dicke der Holzrippen d =10 cm = 2 x 5 cm Wärme- eindringtiefe).
Schnittschema Bauteilspeichermasse im Ausbau
Schnittschema Bauteilspeichermasse innerhalb Konstruktion Decke
Fußboden
Konstruktion
Verkleidung Innenwand
Außenwand
Boden
Decke
Innenwand
Außenwand
Boden Abb. 3.24
Schnittschema Bauteilspeichermasse innerhalb Konstruktion
Abb. 3.25 Verwaltung
Sozial-Wirtschafts-Werk des Landkreises Oberallgäu, Sonthofen
Abb. 3.26
Bürogebäude Binderholz, Kösching
Abb. 3.27 Schnittschema Bauteil speichermasse im Ausbau
Abb. 3.28, 3.29 Gemeindezentrum Ludesch (A)
Ausbau
· Speichermassen in Bekleidungen · Speichermassen in Füllungen
Im Ausbau eines Bürogebäudes in Holzbauweise stehen Materialien zur Verfügung, mit denen die Speicherfähigkeit eines Raums erhöht werden kann.
Beispiele
· Wird der Boden nicht als Doppel- oder Hohlraumboden, sondern als schwimmen- der Estrich (mineralisch oder als Holzestrich) ausgeführt, lässt sich dieser durch seine hohe speicherwirksame Masse hervorragend als Speichermedium heranziehen.
· Durch Verwendung von Latentwärmespeichern PCM (Phase Changing Materials), die zum Bei- spiel Gipsbauplatten in Form von Salzhydraten oder Paraffinen beigemengt werden, kann die Speicherwirkung von Bekleidungen gegenüber Baustoffen wie Beton um ein Vielfaches gestei-
gert werden. Dies schafft im Leichtbau voll- kommen neue Möglichkeiten. Hier sind jedoch die Brand- und Schallschutzeigen schaften der neuen Baustoffe zu beachten.
· Abgehängte Akustikdecken in Holz, wie auch die verwendeten Möbel, speichern durch Oberflächenvergrößerung und die Art des verwendeten Holzes Wärme. Ihr Beitrag darf jedoch nicht überschätzt werden.
· An Wand und Decke dominieren im Bürobau in Holzbauweise Bekleidungen aus Gipsbau- platten. Dadurch werden bereits in geringem Maße Speichermassen zur Verfügung gestellt.
Planungshinweise
· Speichermassen in Boden und Decke
besonders effizient durch günstiges Verhältnis Speicherfläche / m² Arbeitsplatz
Optimierungsmöglichkeiten
· Wirksame Oberfläche nicht verkleiden (1) · Einflussflächen maximieren (2)
· Bauteiloberfläche vergrößern (3)
· Luftwechsel zur Wärmeabfuhr erhöhen (4)
Schnittschema Bauteilspeichermasse im Ausbau
Schnittschema Bauteilspeichermasse innerhalb Konstruktion Decke
Fußboden
Konstruktion
Verkleidung Innenwand
Außenwand
Boden
Decke
Innenwand
Außenwand
Boden
Abb. 3.30
Schema Optimierungsmöglichkeiten
(1) (2) (3) (4)
