Forschungszentrum für Erneuerbare Energien

 
Energieeffizientes Planen und Bauen
Außenrendering Floating Mountain – Sommer (Abb.: Andreas Mack)
Außenrendering Floating Mountain – Sommer (Abb.: Andreas Mack)

Studiengang

Energieeffizientes Planen und Bauen - E2D (B.Eng.)

Projektbeschreibung

Bachelorarbeit Andreas Mack, WS 2014-15
Betreuung: Prof. Dr. Christian Bauriedel, Prof. Dr. Werner Jager

Aus der Aufgabenstellung:

"... Im Rahmen der Bachelorarbeit soll ein Forschungszentrum für erneuerbare Energien entworfen werden, bei dem sowohl eine innovative architektonische Gestaltungsidee als auch ein nachhaltiges Gebäudekonzept die beiden Kernthemen darstellen. Als Standort wurde der Walchensee in Südbayern gewählt. Dieser liegt auf 800 m Höhe, umgeben von einer malerischen Bergkette. Das Raumprogramm besteht aus Laboren, Büros, einem Vortragssaal, einem Empfang mit einer Ausstellungsfläche, Wohnungen für Mitarbeiter und Parkmöglichkeiten.

Für das Gebäude sind sowohl Konstruktionsdetails als auch ein Energiekonzept anzufertigen. Zudem sollen neben der DIN 18599 auch die Nachweise für den sommerlichen Wärmeschutz, eine Tauwasserberechnung sowie eine 2D- und eine 3D-Wärmebrücken getätigt werden. Außerdem sollen der Schallschutz, die Luftströmungssituation sowie die Tageslichtsituation simuliert und analysiert werden."

 
Lageplan des Gebäudes mit Achsbezügen am Walchensee (Abb.: Andreas Mack)
Lageplan des Gebäudes mit Achsbezügen am Walchensee (Abb.: Andreas Mack)

Natürliche Einbindung des Gebäudes in die Natur als Entwurfsansatz

Die Leitgedanken des Entwurfs ergeben sich aus der Anpassung an den Standort über eine klare, ruhige Formensprache, Konstruktionsmaterialien mit Ortsbezug, die energetisch sinnvolle Orientierung der verschiedenen Nutzungszonen, eine lichtoptimierte Lamellenstruktur an der Fassade, der Gebäudekompaktheit und das auf passiven Systemen basierte Technikkonzept. Fließende Übergänge zwischen dem Innen- und Außenraum werden durch die Aufnahme von Achsbezügen aus der Natur und bestehende Wegebeziehungen erreicht. In der parametrischen Fassadenstruktur spiegelt sich die wellige Wasseroberfläche des Sees wieder, die Dachform ist den umgebenden Bergen nachempfunden.

Das Gebäude gliedert sich in Labor- und Bürobereiche, sowie einen Wohnbereich. Durch Rahmen, welche die Lamellenstruktur an der Fassade unterbrechen, werden Balkone für die Wohnungen, sowie besondere Ausblicke geschaffen. Im Eingangsbereich befindet sich eine große öffentliche Ausstellungs- und Informationsfläche, welche sowohl Einheimische, als auch Touristen über die Forschung im Bereich der Energieeffizienz informieren soll. Live.Work.Enjoy.

Modellfoto (Abb. und Modell: A. Mack)
Modellfoto (Abb. und Modell: A. Mack)

Ausschlaggebend für die besondere Form ist der Bezug zu den Baumgruppen, an die sich das Gebäude „anhängt“. Zudem ragt der Entwurf als „Steg“ auf das Wasser. Der Grundgedanke, das kalte Seewasser zur Kühlung nutzen spielte dafür neben gestalterischen Aspekten und der Schaffung besonderer Blickbeziehungen eine entscheidende Rolle. Der Baumbestand wurde vollständig erhalten, das Gebäude in einem kybernetischen Entwurfsprozess in das Gelände eingebettet.

Grundriss Erdgeschoss (Abb.: Andreas Mack)
Grundriss Erdgeschoss (Abb.: Andreas Mack)

Energetisch optimierte Zonierung

Die Zonen wurden an der solaren Einstrahlung orientiert. Die Wohnbereiche befinden sich im Osten und Westen. Der Laborbereich hat die größten internen Wärmequellen, daher die höchsten Raumhöhen und -tiefen und eine sonnenabgewandte Lage im Gebäude. Die Büroräume liegen über dem kühlenden Wasser in der auskragenden Hälfte des Gebäudes. Im Südwesten des Erdgeschosses befinden sich Labore, im Nordosten sind Bürobereiche angeordnet, darüber befinden sich die Arbeiterwohnungen. Am Eingang, welcher auf dem bestehenden Wanderweg liegt, entsteht ein großer Empfangsbereich mit Ausstellungs- und Informationsbereichen für Themen der Forschung im Bereich Energieeffizienz. Die Technik, Sanitär- und Nebenräume sind im Gebäude verteilt angeordnet, um die Leitungslängen und damit verbundene Energieverluste zu vermeiden.

Grundriss 1. Obergeschoss (Abb.: Andreas Mack)
Grundriss 1. Obergeschoss (Abb.: Andreas Mack)

Energetisches Konzept

Das Konzept der Heizung, Kühlung und Lüftung wurde standortbezogen entwickelt. Regionale Ressourcen werden genutzt und technische Anlagen weitgehend reduziert. Um möglichst wenige aktive Energien nutzen zu müssen, wurde das Gebäude energetisch optimiert, zoniert und orientiert. Zusätzlich sorgt die licht- und wärmeoptimierte Fassade dafür, dass die Büro- und Laborräume wenig solare Einstrahlung haben, die Wohnungen hingegen schon. So müssen durch die gebäudetechnischen Anlagen nur große Lastspitzen abgedeckt werden, falls zu wenig solare Einträge vorhanden sind. Das gesamte Energiekonzept basiert auf erneuerbaren Energien und passiven Strategien.

Kühlung:
Die Kühlung der Büro- und Laborbereiche funktioniert natürlich. Land-See-Winde, welche tags vom See aufs Land wehen und nachts vom Land in Richtung See, dienen zur Kühlung der Zonen mit hohen internen Wärmequellen. Der Bürobereich liegt über dem Wasser, so dass hier die Verdunstungskühle des Sees die Räume indirekt kühlt. Zusätzlich fungieren Betondecken und massive Innenwände mittels Bauteilaktivierung als Kühlung. Hierfür wird das kalte Seewasser mittels einer Wärmepumpe, welche durch Solarstrom der Photovoltaikanlage auf dem Dach betrieben wird, zur Kühlung genutzt.

Heizung:
Der Heizwärmebedarf des Gebäudes zu Spitzenzeiten sowie der Wohnungen wird durch Geothermie abgedeckt. Die Halbinsel des Walchensees ist hierzu gut geeignet. Über eine Wärmepumpe wird das Gebäude über Bauteilaktivierung mit Warmwasser versorgt.

Lüftung:
Die Lüftung funktioniert über Land-See-Winde, so wird das Gebäude von zwei Seiten durchwindet. Zusätzlich bewirkt das offene Atrium eine natürliche Belüftung der angrenzenden Räume. Konstruktiv erfolgt die Lüftung über Querlüftung durch zu öffnende Elemente in der Pfosten-Riegel-Fassade, welche sowohl auf Bodenhöhe, als auch unter der Decke angebracht sind, um die beidseitige Durchlüftung sicher zu stellen.

Strom:
Eine Photovoltaikanlage auf dem Ostdach versorgt das Gebäude mit Strom. Sowohl Beleuchtung und der Strombedarf im Gebäude, als auch die Wärmepumpen werden mit Solarstrom betrieben.

Puffer:
Ein Pufferspeicher – wird bei wenig Lastabnahme und hoher solarer Einstrahlung aktiviert.

Licht:
Trotz der hohen Raumhöhen und Raumtiefen ist das Tageslicht hier enorm hoch, da das gesamte Gebäude außen vollständig verglast ist.

Energetisches Konzept im vereinfachten Längsschnitt (Abb.: Andreas Mack)
Energetisches Konzept im vereinfachten Längsschnitt (Abb.: Andreas Mack)

Fassadenentwurf

Für die Verschattung des vollständig verglasten Gebäudes sorgt eine parametrisch optimierte Lamellenstruktur. Der Grundgedanke des Fassadenentwurfs war eine lichtoptimierte Fassade aus einer feststehenden, baulichen Verschattung, welche ausreichend Licht ins Gebäude lässt, jedoch die solaren Gewinne im Büro- und Laborbereich reduziert.

Der Sonnenschutz funktioniert über die Verdünnungen der Lamellen. Im Sommerfall gibt es keine direkte solare Einstrahlung, die Verdünnungen lassen jedoch diffuses Licht in den Raum. Im Winterfall ist der direkte Sonneneinfall zu Gunsten des Heizwärmebedarfs erwünscht. Die Lamellenstruktur lässt sowohl direktes als auch diffuses Licht zu. Die Verdünnungen sorgen für einen verstärkten Lichteinfall und damit zu höheren solaren Einträgen. Die Positionierung dieser erhöhten Einträge orientiert sich am Bedarf des dahinter liegenden Innenraums.

Die je nach Bedarf optimierten Lamellen bestehen aus regionalem Holz. Die Lamellenstruktur ist modular aufgebaut und damit einfach Herstellbar und transportierbar.

Ausschnitt der Grasshopper-Definition der Fassadenstruktur und Optimierung (Abb.: Andreas Mack)
Ausschnitt der Grasshopper-Definition der Fassadenstruktur und Optimierung (Abb.: Andreas Mack)

Berechnungen

Es wurde eine Tauwasserberechnung durchgeführt um die Feuchtesituation der Bauteile über dem Wasser zu simulieren. Des Weiteren wurde eine Schallschutzberechnung für die Laborbereiche, eine DIN 18599 Berechnung für den Primär- und Endenergiebedarf, Wärmebrückenberechnungen in 2D und 3D, sowie eine Tageslichtsimulation und eine Luftströmungsanalyse durchgeführt.

Abbildung der CFD-Strömungsanalyse (Abb.: Andreas Mack)
Abbildung der CFD-Strömungsanalyse (Abb.: Andreas Mack)
Abbildung einer berechneten 3D-Wärmebrücke (Abb.: Andreas Mack)
Abbildung einer berechneten 3D-Wärmebrücke (Abb.: Andreas Mack)

Fazit

Im Zeitraum der Bachelorthesis ist ein energieeffizientes Gebäude entstanden, was mit einem dem Wohnbereich vergleichbaren Kfw-70 Standard, einer sinnvollen Zonierung und Orientierung, dem Bezug auf den Standort und ein modernes Design am Walchensee errichtet wird. Die Nachweise und Berechnungen belegen, dass das Gebäude energetisch funktioniert, die Visualisierungen und das Modell zeigen harmonische Integration in die Umgebung.

Außerdem wurde das Gebäude durch ein intelligentes Energiekonzept mit sehr wenig Technik versehen. Dazu beigetragen hat auch die parametrisch entworfene Fassade, welche das Gebäude als feste Verschattung mit Licht versorgt, ohne eine solare Überhitzung zuzulassen. Es ist ein Gebäude entstanden, was es lohnenswert macht, als Arbeiter für das Forschungsprojekt der Energieeffizienz an den Walchensee zu ziehen und in einer Wohnung im Nordflügel des Gebäudes zu wohnen. Eine schöne

Umgebung und ein sehr modernes Gebäude laden zum Wohnen, Arbeiten und Genießen ein.

 

Abgabeleistungen

- Modell
- Darstellung des Entwurfs in Grundrissen, Ansichten und Schnitten
- Darstellung der Einbindung des Entwurfs in die Landschaft
- Tauwasserberechnung
- Berechnung des sommerlichen Wärmeschutzes
- Berechnung des Primär- und Endenergiebedarfs
- Materialkonzept
- Detaildarstellungen der relevanten Fassadenbereiche
- Tageslichtkonzept und Tageslichtsimulation
- Energieversorgungskonzept
- Technikkonzept
- Strömungssimulation
- Schallschutzberechnung
- Wärmebrückenberechnung 2D und 3D

Aussenrendering Floating Mountain - Winter (Abb.: Andreas Mack)
Aussenrendering Floating Mountain - Winter (Abb.: Andreas Mack)

Ansprechpartner

Prof. Dr.-Ing. Christian Bauriedel

Architektur und Bauwesen

Telefon: 

+49 821 5586-3174

Fax:

+49 821 5586-3110