TGA-Planung 2000/1

„Die Notwendigkeit integraler Planung“ – Die Natur weist uns den Weg

Ing. Johann Leibl, TGA-Planung 2000, WEKA-Verlag Wien, Seiten 18 bis 19

Der Lebenszyklus heute geplanter Gebäude reicht weit ins neue Jahrtausend hinein. Die Anforderungen an zukunftssichere Gebäude sind vielschichtig und erstrecken sich vom Wunsch nach thermischer, visueller und akustischer Behaglichkeit, gesunden Arbeitsplatzbedingungen, niedrigem Energieverbrauch, geringer Umweltbelastung bei Herstellung und Betrieb bis hin zu höchster Wirtschaftlichkeit.

Die Forderung des Nutzers nach größtmöglicher Qualität und Wirtschaftlichkeit kann dabei nur bei Kenntnis der vielfältigen Zusammenhänge zwischen Architektur, Bauphysik, Anlagentechnik und deren Einfluss auf die Umwelt erfüllt werden.

An dieser Schnittstelle setzt die Integrale Planung an. Die Integration aller an der Planung Beteiligten ist die Voraussetzung, Gebäude ökonomisch und ökologisch effizient zu planen und zu errichten. Design to Cost ist mehr als ein Programm, es ist eine neue Sichtweise, an Planungsaufgaben heranzugehen. Ehe wir uns verlieren in kostensparende Detaillösungen, sind Synergien zu entdecken, die in der Zielvorstellung integralen Planens liegen.

Das optimale Ergebnis integralen Planens können wir in der Natur ablesen. Seit mehreren 100 Millionen Jahren baut, konstruiert und verfeinert die Natur ihre Lebewesen und deren Schutzhüllen. Dabei tritt die Evolution immer interdisziplinär auf – ja sie verfolgt mehrere Prinzipien, nutzt Synergien und optimiert den Einsatz von Ressourcen,

Materialien und Energien.

Der Mensch baut seit einigen tausend Jahren Häuser, in denen er sich mit der notwendigen Schutzhülle umgibt und hat sich lange Zeit die Erfahrungen der Natur zu eigen gemacht.

In einer Zeit, in der sich technisiertes Bauen entwickelte, in der Zeit scheinbaren Material- und Energieüberflusses wurden diese Erfahrungen zurückgedrängt und – koste es, was es wolle – das technisch Machbare angestrebt.

Heute leben wir wiederum in einer Zeit der Verknappung, man tut wieder gut daran, dem Baumeister Natur über die Schulter zu schauen und Evolutionsprinzipien zu reflektieren. Als wichtigstes Prinzip ist in diesem Zusammenhang sicherlich das Prinzip der Integration anzusehen, in der alle Aufgaben interdisziplinär gelöst werden.

Aufgespalten in viele Disziplinen, wird der Baubereich mehr additiv gesehen als integral, mehr nacheinander zusammengesetzt als in einem Guss betrachtet. Die einzelnen Disziplinen dürfen nicht mehr hierarchisch und additiv betrachtet, sondern müssen als integraler Planungsprozess verstanden werden, in dem nicht ein Gewerk einem Optimum zugeführt wird, sondern ein interdisziplinäres System ganzheitlich zu einem Optimum unter Würdigung des Einsatzes von Ressourcen, Material und Energie wird.

Erst ein solches Vorgehen lässt Optimierungen wirklich zu, erlaubt flexible Anpassung der Organisation an sich verändernde Marktanforderungen, qualifizierte Verfügbarkeit der erforderlichen technischen Infrastruktur einschließlich der heute unerlässlichen Informations-technologien.

Es gibt wohl kaum einen optimierteren Materialeinsatz als beim Wachsen eines Baumes. Man hat in einer wissenschaftlichen Untersuchung Materialbeschaffenheit und Dimensionen des verzweigten Astwerkes analysiert und festgestellt, dass jeder Querschnitt, bezogen auf den Standort, die Windhäufigkeit, Windstärke und den Blattbewuchs, optimal und richtig bemessen ist, sogar externe Lasten wie Schnee und Winddrücke als Sicherheit richtig bemessen werden.

Der Termitenbau ist ein weiteres Wunderwerk der Evolution. Der Wind, der über den Termitenbau streicht, setzt ein ganz raffiniertes Ventilations-system in Bewegung. Da sich die Luft um den Termitenbau schneller bewegt, entsteht im oberen Bereich ein Unterdruck, der verbrauchte Luft aus dem Bau heraus saugt.

Die tiefer liegende Frischluftöffnung ergibt eine geodätische Höhendifferenz, die Auftriebskräfte freisetzt, welche ebenfalls zu einer Luftzirkulation führen. Dazu graben die Termiten 20 bis 30 Meter tief Kanülen ins Erdreich, bis sie auf eine Wasserader stoßen, so dass Feuchtigkeit in den Bau gelangen kann, dort verdunstet und ebenfalls Wärme aufnehmen kann. Termiten können somit in den heißesten Klimazonen leben.

Das weiße Fell des Eisbären ist eine transluzente Wärmedämmung, Tarnfarbe im Eis und ein ökologisches Gesamtsystem. Die Wärme des Sonnenlichtes wird durch das Fell geleitet und von der darunter liegenden schwarzen Haut absorbiert.

Die Strategie der transparenten Wärmedämmung findet man in der Natur sehr häufig. Schaumzikaden erzeugen einen Eiweißschaum, um ihre Puppen zu schützen. Dieser Schaum erzeugt wiederum als transparente Wärmedämmung ein Mikroklima. Ebenso haben viele Pflanzen in kalten Regionen einen transparenten oder halbtransparenten Haarbeleg, der die kurze Vegetationsperiode durch die Erhöhung der Blatttemperatur verlängert.

Mit Gebäuden, die – wie ein Bauernhaus – über einen langen Entwicklungszeitraum verfügen und über mehrere hundert Jahre hinweg gebaut wurden, hat man ähnliche energie- und kostenstrategische Ziele verfolgt. Menschen, die Gebäude durch ihrer Hände Arbeit, nämlich mit selbstgeschlagenem Holz heizen, verhalten sich anders als Menschen, die in Gebäuden leben, die durch Knopfdruck mit Fernwärme, Öl oder Gas beheizt werden.

Das Bauernhaus ist ein typisches Ökosystem- eine Kombination aus Kalt- und Warmzonen, Ausnutzung von Tierwärme und vielfältigen integrierten Funktionen. Diese Strategien, die wir in der Natur beob-achten können, dienen dem Ziel des optimalen Materialeinsatzes und des optimalen Energieeinsatzes.
Im Hinblick darauf einige Beispiele, die die Idee des integralen ganzheitlichen Planens als Produkt der Evolution aufgreifen.

Doppelschalige Bauweisen

Wie bereits ausgeführt, kennt die Natur die Vorteile des doppelschaligen Bauens bei vielen Lebewesen und deren Schutzhüllen, nicht zuletzt kann auch der Mensch durch seine unterschiedlichen Temperaturbereiche sich den Außenverhältnissen warm/kalt sehr gut anpassen.

Doppelschalige Fassaden sind seit vielen Jahren bekannt und wurden anfänglich als Abluftfassaden konzipiert. Die in den 70er Jahren aufkommenden Großraumbüros besaßen die Eigenschaften des hohen Wärmeüberschusses im Innenbereich durch die Wärmeproduktion von Menschen, Arbeitsmaschinen und Beleuchtungskörpern.

Trotzdem war eine Fassadenaufheizung zur Reduzierung der Kälteabstrahlung im Fassadenbereich notwendig. Dieses Problem konnte gelöst werden, indem man den Wärmeüberschuss des Innenbereiches mittels Luft in eine doppelte Fassade führte. Fassade und Techniksystem bilden somit eine integrale Einheit.

Diese Abluftfassaden haben sich weiterentwickelt und werden heute insbesondere beim Bau von Hochhäusern eingesetzt, um die Nutzräume möglichst lange natürlich be- und entlüften zu können. Während bei der Abluftfassade die Wärmedämmhaut außen liegt, jedoch völlig luftdicht ausgeführt ist, und die innere aufklappbare Einfachglasscheibe nur zur Bildung des Lüftungskanals dient, bildet die äußere Scheibe der Doppelfassade eine Wetterhaut mit Luftein- und -austrittsöffnungen, wobei die Wärmedämmhaut die innere, mit öffenbaren Drehkippfenstern ausgestattete Fensterebene ist.

Die äußere Scheibe ist sozusagen der „Wellenbrecher eines Hafenbeckens“, an der sich die Windkräfte brechen, die zur Belüftung des Raumes nutzbar gemacht werden können. Solarenergie kann in dieser Doppelfassade absorbiert werden und Tageslichtlenkelemente sowie die Sonnenschutzeinrichtungen können wettergeschützt untergebracht werden. Insgesamt wiederum ein integrales, ganzheitliches Fassaden- und Techniksystem.

Doppelschalige Fassaden werden sich auch in Zukunft weiterentwickeln und weitere Bauteile, wie Photovoltaiksysteme zur Energiegewinnung und Holographiesysteme zur Lichtlenkung werden miteinbezogen.

Sich selbst regelnde Systeme

Wie oben erwähnt, bildet der Termitenbau ein sich selbst regelndes System: Bei steigenden Temperaturen im Inneren erhöhen sich die Auftriebskräfte und die Luftdurchströmung wird zum besseren Wärme-abtransport durch Windkräfte unterstützt.

Dieses Prinzip wird heute bei größeren Glashallen angewendet, die, natürlich be- und entlüftet, im Sommer annehmbare Raumtemperaturen aufweisen. Gleichzeitig dienen diese Hallen und Wintergärten als Energiepuffer, so wie die unterschiedlichen Wärmezonen bei einem Bauernhaus Wärmeverluste reduzieren.

Bauteilheizung und -kühlung

Die Temperaturregelung des Menschen erfolgt über den Strahlungsaustausch der Hautoberfläche mit den den Menschen umgebenden Wand-, Decken- und Bodenflächen. Die Wärmeabgabe des Menschen bei unterschiedlichen Raumtemperaturen wird im obig ersichtlichen Diagramm veranschaulicht.

Der höchste Anteil der Wärmeabgabe bei normalen Raumtemperaturen erfolgt über den Strahlungsaustausch, die Anteile der Wärmeabgabe über Konvektion und Verdunstung sind bedeutend geringer. Gleichzeitig strömt an jedem Menschen, bedingt durch die Wärmeabgabe von ca. 100 W je Person und Stunde, 80 bis 100 m³ Luft pro Stunde vom Boden zum Deckenbereich.

Unsere üblichen Lüftungs- und Heizungssysteme übertragen die dem Raum fehlenden Energiemengen im wesentlichen aber über Konvektionssysteme (nur bei den heute verwendeten, sehr aufwendigen Kühldecken wird Energie über Strahlungsaustausch übertragen).

Die Konvektionssysteme stören den natürlichen Lufthaushalt des Menschen und erzeugen insgesamt keine befriedigenden Ergebnisse, was sich in einem Diskomfort ausdrückt, der durch einen unterschiedlichen nutzerbezogenen Wunsch, die Temperaturen zu verändern, kompensiert wird.

Die Umsetzung dieser Aufgabenstellung führt wiederum zu komplizierten technischen Systemen und zu aufwendigen regelungstechnischen Anlagen. Zur Vereinfachung der technischen Systeme und zur Verbesserung des Komfortempfindens werden daher heute Bauteilheiz- und Bauteilkühlsysteme konzipiert, die Wärme- und Kälteenergien fast uneingeschränkt durch Strahlungsaustausch übertragen.

Hierzu werden Rohrsysteme im Beton oder Estrich integriert, die im Winter mit Warmwasser und im Sommer mit Kaltwasser durchflossen werden. Bedingt durch gute Wärmedämmeigenschaften heutiger Fassaden und gute Sonnenschutzsysteme, insbesondere aber auch dadurch, dass die Austauschfläche die gesamte Fußboden- und Deckenfläche umfasst, kommt man mit einem sehr geringen Temperaturniveau aus.

Zur Beheizung werden 25° C und zur Kühlung 20° C benötigt. Damit wird ganzjährig eine fast gleichmäßige Fußboden- und Deckentemperatur von 22 bis 24° C erzielt. Lastschwankungen werden durch den Betonspeicher der Decke abgefangen, der Strahlungsaustausch erfolgt optimal.

Komplizierte Regelsysteme sind nicht erforderlich und auf Grund der Trägheit der Speichermassen auch nicht sinnvoll. Günstig wirkt sich auch das niedrige Temperaturniveau aus, weil Umweltenergien genützt werden können – Erdspeicher- und Wärmepumpen, Geothermie-Systeme und Kühlwassererzeugung im Erdreich oder in Kühltürmen können eingesetzt werden.

Insgesamt ein einfaches, preiswertes und wirtschaftliches Gesamtsystem, das Rohbau, Fassade und Technik ganzheitlich integriert. Gebäude, die nach diesem Prinzip funktionieren, sind schon seit einigen Jahren in Betrieb und die Betriebserfahrungen werden als sehr positiv beurteilt.

Bauteilheiz- und Kühlsystem mit integrierter Elektro-, Luft- und Datenversorgung

Die Reihe der Beispiele integralen Planens und des Aufdeckens von Synergien innerhalb der verschiedenen Disziplinen, muss weiter fortgesetzt werden. Die Optimierungsvorgänge sind noch lange nicht abgeschlossen, doch die Ziele sind bereits mehr als nur Visionen.