Erweiterungsbau des Umweltbundesamtes

Erläuterungen Teil 1: Gestalterisch/Funktionales Konzept

Städtebaulich, gestalterisches Konzept

Der städtebaulich dominante Baukörper des bestehenden Umweltbundesamtes wird behutsam durch ein freistehendes 3-geschossiges Gebäude auf dem südöstlichen Terrain ergänzt. Die Höhe und auch der solitäre Baukörper entwickeln sich aus dem vorhandenen städtebaulichen Kontext und bilden so einen integrativen Bestandteil der gesamten Liegenschaft.
Der Entwurf stellt zum einen eine formale „Verbundenheit“ dar, und ist zum anderen ein selbstständiges, solitäres Gebäude. Der selbstbewusste formale Akzent, wird vor allem durch die Fassadenkonstruktion deutlich sichtbar. Sich alternierend abwechselnde Flächen von transparent, transluzent bis hin zu opaken Flächen prägen das Fassadenbild. Hinzu kommt eine sich ändernde, an den Himmelsrichtungen orientierte Neigung der opaken Flächen (PV-Module). Es entsteht so eine in der Fläche liegende „skulpturale“ Fassadenstruktur, welche sich jeweils nach eingenommenem Blickwinkel leicht verändert. Zudem wird durch die Neigung der Module der Energieeintrag optimiert.


Freianlagen

Die Gestaltung der Außenanlagen sucht einen Ansatz zu einem Gesamtkonzept für die komplette Liegenschaft des Umweltbundesamtes. Hierzu gliedert die Aufteilung der grünen Schollen formal den Außenbereich in begrünte, belaubte und versiegelte Flächen. Aus der Struktur heraus formen sich auch die Bereiche für die Fahrradbox und der Bereich für die Entsorgung, die Entsorgungsbox. Zur möglichen bauliche Erweiterung ist es vorstellbar, die formale Struktur einer oder mehrerer Schollen in weitere solitäre Gebäude überfließen zu lassen.
Jeweils am Rande der durchgrünten Flächen sind unter Bäumen Bänke für den kurzweiligen Aufenthalt vorgesehen. Die Flächen für den ruhenden Verkehr sind im südlichen Grundstück ausgewiesen. Um an dieser Stelle auch den öffentlichen Bereich aufzuwerten, werden die Freianlagen als halböffentliche Fläche auch mit Zugängen vom Straßenraum gestaltet.


Äußere und innere Erschließung

Der prägnante Haupteingang zum Gebäude erfolgt über den südlich angelegten Weg von der Hans-Heinen-Straße sowie gleichrangig vom Durchgang des bestehenden Umweltamtes. Zwei weitere Eingänge ins Gebäude, der eine nördlich zur Fahrradbox, der andere weiter östlich zum Bestandsgebäude hin orientiert bedingen kurze Erschließungswege. Im Inneren des Gebäudes angelangt, eröffnet ein über alle Geschosse führendes Atrium einen einnehmenden und umfassenden Blick in die Gebäudestruktur.
Über die an dem Atrium angliedernden Flure sind die jeweiligen Nutzungsflächen gut zu erreichen. Im Atrium selbst sind Flächen für den zeitweiligen Aufenthalt vorgesehen, sowie in direkter Verbindung zu den Teeküchen. Durch das Atrium wird so eine mögliche direkte und spontane Kommunikation, auch geschossübergreifend gefördert. Ein Fahrstuhl erschließt alle Flächen barrierefrei. Die Organisation und Erschließung entspricht somit den funktionalen Anforderungen an ein nutzerfreundliches, zukunftsorientiertes Gebäude.


Konstruktion und Material

Der Entwurf sieht eine Stahlbetonkonstruktion mit tragenden Wandscheiben und Kernen vor. In den Obergeschossen sind die Flurwände, die Kerne sowie die opaken Wandscheiben der Fassade als tragendes Stahlbetonsystem vorgesehen. Die geschlossenen Fassadenbereiche werden mit 28 cm starker Zellulosedämmung gedämmt. Auf der Innenseite ist die Fassadenwand mit einer perforierten Holzwerkstoffplatte (ca. 15% Lochanteil) verkleidet, welche zur besseren Raumakustik beiträgt. Die Böden erhalten einen schwimmenden Estrich auf Trittschalldämmung sowie in den Büronutzungen einen Teppichbelag (Schurwolle). Die thermoaktiven Stahlbetondecken (Speichermassen) bleiben grundsätzlich materialsichtig.
Die Trennwände werden als Holzständerwerk mit Flachsdämmung und Lehmbauplatten ausgeführt. Innentüren sind als Vollholztüren in Blockzargen mit Lärchenfurnier vorgesehen.

Zur besseren jährlichen Feuchteregulierung werden sämtliche Wandflächen mit einem zweilagigen Lehmputz versehen und in Teilbereichen mineralisch weiß gestrichen.
Die Böden der Erschließungsflächen erhalten einen farbigen Linoleumbelag, im Erdgeschoß werden Betonwerksteinbeläge verlegt. Das Gesamtobjekt erhält ein Farbkonzept, das von partiellen monochromen Farbflächen sowie von materialsichtigen Oberflächen bestimmt wird.


Energiekonzept

Für den Erweiterungsbau werden konzeptionell vier Grundsätze verfolgt:

- Energiebedarf minimieren (Passivhausstandard)
- Regenerative Energieerzeugung über den Eigenbedarf hinaus vornehmlich aus Sonnenenergie
- Versorgung des Gebäudes allein aus der Gebäudekubatur heraus
- Weitgehende Nutzung regenerativer Baustoffe

Für die Beheizung wurden zwei Szenarien untersucht – Geothermie und Saisonalspeicher. Beide bieten die Möglichkeit, die Wärmeversorgung des Wettbewerbsobjekts als Nullenergiehaus zu realisieren. Der Saisonalspeichervariante wurde jedoch der Vorzug gegeben, da mit ihr über gewisse Zeiten direkt mit dem vorgefundenen Temperaturniveau durch Umwälzung geheizt werden kann und dadurch der bauliche Aufwand für die Heizwärmegewinnung reduziert werden kann. Zudem hat das Speicherkonzept im wörtlichen Sinne einen geringeren „ökologischen Fußabdruck“. Der mögliche Rückbau kann im Gegensatz zu einer Erdwärmegewinnung (dauerhaft in hohen Bodentiefen verbleibende Sonden) einem überschaubarem Aufwand gewährleistet werden.
Damit werden alle der Geothermie anhaftenden Risiken wie Grundwasserkurzschlüsse, Soleleckagen und Erdbrüche ausgeschlossen. Schließlich dient zur Speicherung allein schadloses Wasser in seinen Aggregatzuständen ohne Zusätze.


Fassade / Energiesparender Wärmeschutz

Zur Reduzierung des Heiz-Wärmebedarfs wird eine kompakte Gebäudehülle mit niedrigem A/V-Verhältnis geplant. Das Gebäude inklusive der Teilunterkellerung gehört zur thermischen Hülle. Die Dämmstoffdicken weisen Stärken von 25 cm für erdreichberührte Bauteile, 28 cm für Außenwände und 30 cm für das Flachdach auf.
Um den starken Einfluss der Fensterflächen auf den Transmissionswärmebedarf zu optimieren, ist eine Lochfassade mit reduziertem Fensterflächenanteil vorgesehen. Die Öffnungsflächen werden als Kastenfenster bestehend aus zwei hintereinander liegenden Zweifachverglasungen ausgebildet. Sie sind mit Low-E-Beschichtungen und Argonfüllung ausgestattet. Der Wärmedurchgangskoeffizient wird gegenüber einer Dreischeibenverglasung zusätzlich gesenkt. Um gewünschte, solare Wärmegewinne im Winter dennoch über die Fenster zu ermöglichen, kann der Nutzer die raumseitige Fensterebene tagsüber öffnen, sodass der solar erwärmte Scheibenzwischenraum in den Innenraum entlüftet und ihn unterstützend erwärmt.


Sommerlicher Wärmeschutz / Thermische Behaglichkeit

Das Kastenfenster kann analog zum Winterfall im Sommer unerwünschte äußere Solarlasten durch Anstellen des äußeren Flügels wirksam nach außen ablüften. Zusätzlich ist ein außen liegender, beweglicher textiler Sonnenschutz vorgesehen. Im Gebäude stehen hohe wärmespeichernde Massen durch frei liegende Stahlbetondecken zur Verfügung. Optional könnten diese frei oder durch Umschaltbetrieb der Wärmepumpe gekühlt werden. Der Kühlbedarf für das Gebäude entsprechend der Berechnung im PHPP ist äußerst gering. Das Gebäude erfordert somit keine Kühlung. Die Thermische Behaglichkeit im Winter wird bedingt durch die angehobenen Oberflächentemperaturen der inneren Wandoberflächen, welche aus den hohen Dämmstoffdicken der Gebäudehülle (Passivhaus Standard) resultieren.


Energieeffizienz

Der zum Betrieb des Gebäudes weitgehend unbeeinflussbare Bedarf an Elektroenergie wird photovoltaisch gedeckt. Dazu werden die Flächen aller neu errichteten Dächer mit PVT- Modulen und Teile der Gebäudehülle, Fassadenbelegung mit PV-Modulen genutzt.
Die PVT-Module auf dem Dach sind im optimalen Winkel aufgestellt. Zur Ertragserhöhung der in der Fassade integrierten PV-Module werden diese ebenfalls im Winkel angestellt. Für den späteren Betrieb werden eine nutzungsabhängige Beleuchtungssteuerung und optimierte Leuchten vorgesehen. Effiziente EDV- und Küchenausstattungen komplettieren die Bedarfsminderung, sodass im Betrieb ein höheres „PLUS“ möglich sein wird als momentan tabellarisch ausgewiesen.

Nachhaltigkeit/BNB

Der Entwurf sieht die Verwendung von Baustoffen vor, die zu ihrer Herstellung einen geringen Primärenergieaufwand und CO2-Emissionen verursachen. Dafür sind natürliche Holzwerkstoffe mit der artverwandten Zellulosedämmung sehr gut geeignet. Sie finden für die Außenwandkonstruktion als Konstruktionsträger, Innenwandbekleidung, Dämmstoff und Fensterrahmenmaterial Verwendung. Die eingesetzten Materialien werden konstruktiv verbunden und lassen sich später gut trennen und recyceln. Umweltgefährliche Stoffe werden nicht eingesetzt. Zudem sind die Standards der energetischen Anforderungen gemäß „Leitfaden Nachhaltiges Bauen“ des BMVBS Grundlage des Entwurfes.
Für die über den Gebäudezyklus zu erwartende flexible Raumnutzung und Umnutzungen werden alle Büros in einem regelmäßigen Raster angelegt. Sie weisen in Bezug auf Belichtung und thermische Behaglichkeit den gleichen hohen Standard auf. Die technische Erschließung ist auf dieses Raster abgestimmt. Beim möglichen Rückbau von Trennwänden werden die entstehenden Räume durch mehrere Stichleitungen erschlossen, sodass sie beliebig durch verschiedene Abteilungs- und Gruppenstrukturen nutzbar bleiben. Ebenso werden Großraumstrukturen bereits mit einem kleinteiligen Versorgungsraster ausgestattet. Eine spätere Umnutzbarkeit und Zweitverwendungsfähigkeit wird durch die konsequent nichttragende Ausführung der Bürotrennwände erleichtert.
Zur vertikalen Erschließung des schwellenlosen Gebäudes wird ein Aufzug mit Mehrsinnbedienung u.a. für Rollstuhlnutzer vorgesehen. Die Türbreiten im Gebäude sind auf Rollstuhlbreiten angepasst, ebenso gibt es einen ebenen Gebäudezugang. Im Gebäude gibt es ein barrierefreies WC mit Notruf.


Schallschutz und Raumakustik

Die Einzelbüros werden durch Teppichfußböden (Schurwolle) akustisch gedämpft. In Kombination der zu erwartenden Möblierung wird die erforderliche Grundbedämpfung erreicht. In den Besprechungsräumen ist eine Kombination aus abgehängten Deckensegeln und absorbierenden Wandbekleidungen vorgesehen. Die freihängende Anordnung der Deckensegel lässt sie raumakustisch sowohl ober- als unterseitig schallabsorbierend wirken. Die luftumspülte Positionierung der Segel schränkt die Wärmespeicherfähigkeit der Decke nur geringfügig ein.
Für einen verbesserten Luftschallschutz im Gebäude werden die Metallständerwerkswände zwischen den Normalbüroräumen auf die Rohdecke aufgestellt.


Brandschutz

Zwei durchgehende Treppenräume dienen zur Entflüchtung des Gebäudes. Die Stahlbetondecken bilden die horizontale Trennung der Gebäudebereiche.
Im Kellergeschoss wird entsprechend der Vorprüfung des Brandschutzes ein zentraler Sprinklertank angeordnet. Die zentrale Sprinklerpumpe wird über ein Netzersatzaggregat betrieben. Über senkrechte Steiger am Treppenhaus werden die Sprinklerleitungen nach oben geführt. Die horizontale Verteilung in der Geschossdecke erfolgt über ein betonintegriertes System. Das Gebäude wird mit einer Brandmeldeanlage ausgestattet.


Erläuterungen Teil 2: Energiekonzept


Technische Erschließung

Die Technikzentralen befinden sich speichernah im Kellergeschoss. Von dort werden die Versorgungsmedien an der Kellerdecke zum zentralen Schacht des Treppenhauses in die Geschosse geführt. Ein Teilbereich der Wandschränke vor den Bürowänden wird zur Verteilung der Heiztechnik, Elektro- und EDV-Verkabelung sowie zur Lüftung genutzt. Leuchten werden über gerasterte Leerrohre aus dieser Ebene erschlossen, die EDV-Verkabelung wird über Leerrohre im Estrich bis an die Arbeitsplätze geführt.


Solare Heizwärmeerzeugung

Die Heizwärmegewinnung im Gebäude erfolgt über Solarthermie. Sie wird aus kombinierten Photovoltaik-Solarthermie-Modulen (PVT-Module) gewonnen. Die Symbiose der beiden Systeme ergibt durch die Wasserkühlung der Solarthermie eine gesteigerte Stromgewinnung der PV um ca. 30%. Zugleich wird die Kollektorfläche doppelt genutzt. Die Wärme wird mit optimal ausgerichteten Modulen auf dem Flachdach zwischen Frühjahr und Herbst gesammelt. Das erreichte Temperaturniveau des Speichers liegt am Ende des Sommerhalbjahres bei 60°C.


Saisonalspeicher

Um die Wärme für die Wintermonate speichern zu können, wird ein schichtweise beladbarer und raumfüllender Saisonalwasserspeicher im Kellergeschoss angeordnet. Er besteht aus Stahlbeton mit einer Außendämmung von U=0,10 W/(m²*K) und einer Abdichtlage auf der Innenseite. Zur räumlichen Trennung glykolversetzter Wässer des Solarkreises wird ein Wärmetauscher mittig innerhalb des Speichers angeordnet.


Flächenheizung

Für die Beheizung entnommene Wärme wird anfänglich direkt in die Flächenheizung (Betonkerntemperierung in den Obergeschossen und Fußbodenheizung im Erdgeschoss) eingespeist. Das Flächenheizsystem erlaubt niedrigste Heizvorlauftemperaturen bei behaglicher Strahlungswärme. Zudem lässt sich das System, für den Raum nicht sichtbar in den Decken integrieren. Flächen für die Raumakustik lassen sich parallel an den Decken anbringen, da nur geringe Flächenheizleistungen und damit nur Deckenteilflächen benötigt werden. Die Betonkerntemperierfelder sind raumweise ausgebildet und regelbar, sodass sie flexibel an Änderungen anpassbar sind.


Wärmepumpe zur erweiterten Speicherabkühlung

Ist der Speicher soweit ausgekühlt, dass dessen Temperatur nicht mehr zum direkten Heizen ausreicht, wird eine elektrische Wärmepumpe zugeschaltet. Sie wird primär- und sekundärseitig über Mischventile mit konstanten Temperaturen versorgt. Auf Grund der für den Wärmepumpenbetrieb hohen Quelltemperatur kann die Wärmepumpe mit einem hohem Effektivitätsgrad (COP) betrieben werden, verbraucht anteilig geringsten Strom und kühlt den Speicher weiter aus. Der primärseitige Wärmeübertrager ist mittig mit ausreichend Abstand zu den Wandungen direkt im Saisonalspeicher angeordnet. Eine Unterkühlung der Quelle bis in die Eisphase hinein wird so ermöglicht, um etwa ein Sechstel der Heizperiode zum Ende der Wintersaison leisten zu können. Die Unterkühlung ist nicht ausreichend, um den Speicher komplett durchzufrieren. Der Frostbetrieb ist für die Wärmepumpe die ungünstigste Laufzeit und wurde in Hinblick auf die Speichergröße, des sommerlich nutzbaren Tieftemperaturniveaus, aber auch wegen des energetischen Potentials der Eisphase für einen geringen Anteil am Heizbetrieb bewusst vorgesehen. Für das Konzept ist es jedoch erforderlich, den winterlichen Gebäudebetrieb mit durchgewärmten Speicher aufzunehmen.


Optional: Kühlung

Der so auf den Sommer vorbereitete Saisonalspeicher ermöglicht Kühlprozesse im Gebäude über das Flächenheizsystem und in der Gebäudelüftung. Kurzzeitig kann die Wärmepumpe so umgeschaltet werden, dass der Speicher erwärmt und die Innenräume gekühlt werden. Dieser Komfortgewinn ist möglich, jedoch entsprechend der bilanzierten Jahreskühllast kaum notwendig. Mit diesen Prozessen sowie den ab Frühjahr wieder ausreichend zur Verfügung stehenden Solarerträgen wird der Speicher regeneriert, sodass sich der Wärmekreislauf autark schließt.


Neutralisation der Antriebsenergien

Die für den Wärmepumpen- und Umtriebspumpenantrieb benötigte Energie wird über die PVT-Module geleistet. Das öffentliche Stromnetz fungiert für die Elektroenergie als „virtueller Saisonalspeicher“ der Überproduktion des Sommers und dem winterlichen Mehrverbrauch. Die Warmwasserbereitung im Gebäude wird elektrisch und hygienisch unbedenklich über Durchlauferhitzer im Moment des Bedarfs gedeckt. Für die Endenergiebilanz der Wärmeproduktion wird an dieser Stelle bereits ein deutliches „PLUS“ erwirtschaftet.


Mechanische Lüftung, Wärmerückgewinnung, Fensterlüftungsoption

Zur Frischluftversorgung des Gebäudes wird eine hoch wärmerückgewinnende Lüftungsanlage mit geringem Außenluftanteil ausgelegt. Sie versorgt die Daueraufenthaltsräume direkt mit Zuluft, die Abluft wird in diesen Räumen bzw. vorgelagerten Bereichen gefasst. Anschließend wird die Energie der Abluftwärme zurückgewonnen (φ = 85 %). Die Außenluftansaugung erfolgt je nach benötigten Temperaturen entweder über eine Zwischenschicht in der Dachkonstruktion oder über einen Erdwärmetauscher mit anschließender Querung des Saisonalspeichers. Damit lässt sich zur Wirkung der WRG ein zusätzlicher Effekt zur Vorwärmung oder Vorkühlung der Luft erreichen. Parallel lassen sich die Kastenfenster öffnen, sodass im Sommer und während der warmen Übergangsjahreszeiten energiesparend per Fenster gelüftet werden kann.


Elektroenergie & solarer Überschuss

Entsprechend des vorgegebenen Strombedarfs an EDV, Beleuchtung sowie dem beabsichtigten PLUS an Energie wird die sonnenstandsoptimierte Fassade mit polykristalline PV-Modulen belegt. Die Module werden gleichmäßig über die West-, Süd- und Ostfassaden verteilt, sodass im Verlauf des Tages ständig Module optimal auf die Sonne ausgerichtet sind. Die angestellten Module wirken zudem verschattend auf die vor sommerlicher Überhitzung zu schützenden Innenräume, tief stehende Wintersonne hingegen kann bis in die Räume hinein fallen und dient der Belichtung. Über das Jahr wechseln sich Phasen von Energieüberschüssen und –unterdeckungen ab. Der wechselseitige Anschluss an das öffentliche Niederspannungsnetz wirkt dabei als virtueller Speicher. Soweit wie möglich wird die Eigennutzung des erzeugten Stroms im Gebäude forciert. Über das Jahr bilanziert ergibt sich ein Überschuss an Elektroenergie, der durch Einspeisung von der Öffentlichkeit genutzt wird. Eine überschüssige Produktion von Solarwärme wird auf Grund der geringen Nachfrage in den Sonnenmonaten bewusst nicht angestrebt.


Beleuchtung

Der Beleuchtungsaufwand im Gebäude wird durch tageslichtabhängige Standleuchten nahe der Sehaufgabe minimiert. Bis zur Ausführung werden Weiterentwicklungen zur LED- und OLED-Lichttechnik hinsichtlich Effizienz, Lichtqualität und allgemeiner Verfügbarkeit erwartet. Die Kombination dieser Technik mit der sehnahen Aufstellung von Leuchten hat das Potential, den Strombedarf für Beleuchtung deutlich unter den vorgegebenen Wert von 12 W/m² abzusenken, sodass die Bilanz des Gebäudes noch stärker ins PLUS verschoben wird.