Ingenieurpreis 2013 - Ingenieure gestalten Zukunft

Das Bewusstsein einer zunehmenden Verschärfung des Treibhauseffekts und die damit verbundenen ökologischen und ökonomischen Folgen sowie die absehbare stetige Erhöhung der Kosten für fossile Energieträger führen zu anspruchsvollen CO2-Reduktionszielen im Rahmen des internationalen und nationalen Klimaschutzes. Beim geplanten Forschungsgebäude der ZAE in Würzburg sollen neuartige, prototypische, und effiziente Baumaterialien, Bausysteme und Technologien eingesetzt werden, um deren Anwendbarkeit im Sinne einer Ressourcen schonenden Bauweise beispielhaft sowohl im Gebäudebestand als auch für Neubauten zu verifizieren, zu demonstrieren und durch ein Monitoring- Programm zu begleiten.

Das Gebäude wird auf der 135ha großen Konversionsfläche der ehemaligen US-Kaserne Leighton-Barracks errichtet. Die veranschlagte Hauptnutzungsfläche des Neubaus beträgt ca. 3.200m² auf 2 Geschosse verteilt. Das Grundstück umfasst in etwa 10.000 m². Die Nutzung des Gebäudes ist als Experimentiergebäude, an dem verschiedene neuartige Entwicklungen im Gebäudebereich unter wissenschaftlichen Gesichtspunkten erprobt werden, konzipiert. Es war aber keineswegs die primäre Absicht, ein Demogebäude für Null- und Plusenergie (die EnEV-Anforderungswerte werden um 40% unterschritten) oder ein Referenzobjekt maximaler Nachhaltigkeit zu errichten (DGNB-Status wäre Silber). Vielmehr sollte gezeigt werden, wie effiziente Technologien der Gebäudehülle und der Gebäudetechnik im Rahmen einer integralen Planung intelligent aufeinander abgestimmt zu einer hohen Primärenergieausbeute gelangen können. Im Gebäude befinden sich Büro-, Labor- und Technikumsräume sowie die entsprechende Infrastruktur für Forschungsaktivitäten des ZAE Bayern in Würzburg.

Der Gebäudeentwurf wurde aufgrund seiner Komplexität und des systemimmanenten Zusammenwirkens der Komponenten Baukonstruktion/Tragwerk, Gebäudehülle, Technische Gebäudeausrüstung, Gebäudeautomation und Energiespeicher von Beginn an integral zwischen den Architekten, den TGA- und Tragwerksplanern getätigt. Nur durch dieses Zusammenwirken der Ingenieurdisziplinen von Beginn der Planung/Konzeptentwicklung an lassen sich derart weitreichende Energieeffizienzsteigerungen bei Gebäuden erreichen.

Ziel des technischen Konzeptes war, die Leichtigkeit der Gebäudehülle mit sanften Technologien im Gebäude zu unterstützen. Die Nutzung des natürlichen Ressourcenangebotes des Außenraumes mit Licht, Luft, Sonne und Nachtkühle zur Deckung des Energiebedarfes in Verbindung mit einem hohen Innenraumkomfort war ein wesentlicher Bestandteil des Energie- und Klimakonzeptes. Für das Heizungs- und Kühlkonzept wurde zur Effizienzoptimierung regionaler Energieerzeugungssysteme ein Low-Exergie-Ansatz eingesetzt, bei dem die Systeme mit möglichst geringen Temperaturdifferenzen zur Raumtemperatur ausgelegt sind. Insbesondere die weitreichende Nutzung des Tageslichtangebotes des Außenraumes über optimierte transparente Flächen in der Fassade und der Dachmembrankonstruktion bildeten einen Schwerpunkt des Entwurfes.

Das EEC spiegelt diese innovativen Ansprüche wieder und bildet durch seine unverwechselbare formale und materielle Erscheinung die bauliche Visitenkarte des ZAE Bayerns. Inhalt und Form korrespondieren hierbei auf selbstverständliche Weise.

Der Textilbau kann dabei einen wesentlichen Beitrag zur Steigerung der Energieeffizienz des geplanten Neubaus liefern. Konzipiert als mehrschalige Gebäudehülle schafft die Überdachung eine Zwischenklimazone, die sowohl eine Reduktion von Wärmeverlusten bewirkt als auch die Anforderungen der thermisch wirksamen Schichten an die Witterungsbeständigkeit der Gebäude- Außenfassaden herabsetzt. Außerdem können der Energieeintrag und die Versorgung des Areals mit Tageslicht durch eine maßgeschneiderte Einstellung der Transmissionseigenschaften der eingesetzten Membranen gezielt beeinflusst werden.

Technische Gebäudeausrüstung

Die technische Gebäudekonzeption umfasst:
- den Einsatz von Klima-Heiz- und Kühldecken aus Graphitplatten mit thermisch angekoppeltem Phasenwechselmaterial (PCM – phase change material),

Bei leichten Baukörpern besteht das Problem, dass im Baukörper nur geringe Speichermassen vorhanden sind. Damit kann es speziell in der Übergangszeit zu schnell wechselnden Verhältnissen im Heiz- und Kühlbedarf bzw. zu Unbehaglichkeiten führen. Die PCM-Elemente dienen als Latentwärmespeicher und können die entstehenden Bedarfsspitzen ausgleichen. Besonders effektiv erscheint der aktive bzw. gezielte Einsatz in den Heiz-/Kühldecken.

- sorptiver Klimaanlagensysteme in offener und geschlossener Bauart

Mit einer konzentrierten Salzlösung als flüssige Sorbens wird Außenluft entfeuchtet und durch Verdunsten von Wasser adiabat gekühlt. Zum Einsatz kommt auch eine L-DCS-Anlage (Liquid Desiccant Cooling System) an deren Entwicklung das ZAE beteiligt war. Diese Anlage kann Ventilationskühllasten von Gebäuden effizient abführen. Eine Salzlösung wird als Energiespeicher- und Energietransportmedium verwendet und speichert die Energie für den Antrieb der L-DCS-Anlage sehr effektiv.

- sowie die nächtliche Strahlungskühlung über den Dachflächen

Abwärme aus Laboren (Gerätekühlung und Kühldecken) wird über einen Wärmetauscher in einen Regen- / Löschwassertank übertragen. Zur Rückkühlung wird das Wasser während der Nacht auf das Dach des Gebäudes gepumpt, wo es beim Ablaufen durch Wärmeabgabe über Konvektion, Verdunstung und Strahlungsaustausch mit der Atmosphäre abkühlt. Über die Regenrinnen und einen Filter wird das abgekühlte Wasser wieder der Zisterne zugeführt. Dieser dient als Kältespeicher. Von dort wird die Kälteenergie über einen Wärmetauscher in die Räume geführt. Damit kann auf den Einsatz klassischer Kältemaschinen weitgehend verzichtet werden.

Die besondere Herausforderung besteht jedoch in der regelungstechnischen Verknüpfung konventioneller und prototypischer Systeme im Umfeld neuer leichter Baumaterialien. Dabei kommt ein neuartiges Raum- und Gebäudeautomatisierungssystem zum Einsatz, bei dem unter realen Situationen neue Regelalgorithmen entwickelt und getestet werden. Besonderheiten des Projekts sind die gewerkübergreifenden Verknüpfungen von Raumtemperaturregelung und Beleuchtungssteuerung sowie des Blend- und Sonnenschutzes und deren Zusammenspiel mit neuartigen Materialien und in Verbindung mit der Einbindung von Wetterdaten zur prädiktiven Regelung der innovativen gebäudetechnischen Komponenten. Damit kann ermöglicht werden, dass die Heiz- und Kühlkomponenten des Gebäudes mit relativ niedriger Leistung ausgelegt werden konnten.

Gerade durch die gewerkeübergreifende Vernetzung der Gebäudefunktionen können Synergien im Hinblick auf einen energieeffizienten Einsatz der Systeme und zur bestmöglichen Ausnutzung der Umweltenergie erreicht werden. Besonderer Wert wurde darauf gelegt, dass der Nutzer auf die Betriebsweise Einfluss nehmen kann. Ein neuartiges Bedien- und Visualisierungssystem bezieht den Nutzer mit ein, die Systeme im Energieeffizienzmodus zu betreiben. Zukünftig wird über ein Langzeitmonitoring die kontinuierliche Betriebsoptimierung der Anlagen ermöglicht.

Tragwerk

Das Gebäude ist im Erdgeschoss als Stahlbeton-Skelettbau ausgebildet, dessen Aussteifung über die vorhandenen Längs- und Querwände in Verbindung mit der Erdgeschossdecke erfolgt. Die zu integrierende, innovative Heizungs-, Kälte- und Lüftungstechnik mit ihren umfangreichen Verteilungsleitungen erforderte die Reduzierung der massiven Wandbereiche auf ein aus statischen und brandschutztechnischen Anforderungen resultierendes Minimum. Zusätzlich zu dieser Tragwerksreduzierung waren in den Wänden der Technikzentralen eine Vielzahl von Wanddurchbrüchen zur Einführung und Trassenverteilung der unterschiedlichen Lüftungssysteme notwendig. Die Stahlbeton-Bodenplatte dient als Gründung des Gebäudes und dichtet gleichzeitig gegen das anstehende Erdreich ab. Die Ausführung des Tragwerks im Obergeschoss erfolgt mit Ausnahme der Stahlbeton-Zwischenbauten als Leichtbaukonstruktion in Stahl und geht damit optimal auf die sich aus dem innovativen mehrschaligen Dachaufbau ergebenden konstruktiven und bauphysikalischen Belange ein. Die gleichzeitig als Obergeschossdecke fungierende untere Dachschale wird von einem Trägerrost getragen und bereichsweise mit unterschiedlichen Materialien geschlossen. Hierzu zählen sowohl herkömmliche Stahltrapezprofilbleche, die gleichzeitig als Unterkonstruktion der prototypischen Kühldeckensysteme mit Einsatz von Phasenwechselmaterialien dienen und zur Geschossaussteifung herangezogen werden als auch horizontale zu Reinigungszwecken betretbare Isolierverglasungen mit Aerogelfüllung in den transluzenten Teilbereichen.

Zur Baukostenminderung und Sicherung der Membranvorspannung wurde die Schnittkraftermittlung nach Steifigkeiten am FE-Gesamtmodell vorgenommen.

Zur Ausbildung der oberen Dachschale kommen Membranen in drei verschiedenen Bauweisen zum Einsatz. Auf die hieraus resultierenden unterschiedlichen Anforderungen gehen die zugehörigen stählernen Unterkonstruktionen durch ihr räumliches Zusammenwirken in statischer und ästhetischer Hinsicht optimal ein. Den aus den großflächigen konstruktiv gespannten PTFE-Überdachungen resultierenden Steifigkeitsanforderungen an das Stahltragwerk bei gleichzeitig zu berücksichtigenden Spannmöglichkeiten wird durch die stabilen, als räumliche Vierendeel-Träger ausgebildeten Firstbögen einerseits sowie die umlaufenden Zugstababspannungen andererseits Rechnung getragen. Die Entwicklung des räumlichen Stahltragwerkes der Membranunterkonstruktion erfolgte dazu komplett am 3DModell.

Für die mit einlagiger ETFE-Folie bespannten Zwischendachbereiche werden kleinere Stahlrohrbögen zur Sicherung einer optimalen Folienspannmöglichkeit eingesetzt. Als Unterkonstruktion der im eingeschossigen Gebäudeteil vorgesehenen innovativen pneumatischen Kissen aus zwei Lagen PVC-Folien mit integrierter transluzenter Wärmedämmung werden stählerne Rahmenkonstruktionen eingesetzt.
Aufgrund der besonders energieeffizienten zweischaligen Bauweise erfolgt der Anschluss der Tragstruktur der äußeren Gebäudehülle an das innenliegende Tragwerk thermisch entkoppelt. Zur sicheren Übertragung der insbesondere aus den Membranspannungen resultierenden hohen Beanspruchungen sind hierfür in den Anschlusspunkten hochfeste Kunststofffutter zwischengelegt.

Bedingt durch den hohen Detailierungsgrad in der Planung konnte die Bauausführung ohne Anpassungsarbeiten vor Ort eingebaut und zusammengefügt werden.

Architekt
Lang Hugger Rampp GmbH Architekten (LHR)
HOAI (2009) §33 Objektplanung: Lph. 1-9

TGA/Bauphysik
EB-Partner GmbH & Co. KG
HOAI (2009) §53 Technische Ausrüstung: Lph. 1-9

Projektsteuerung / Tragwerksplanung
SSF Ingenieure AG
HOAI (2009) §33 Objektplanung Stahlbau: Lph. 6-8
HOAI (2009) §49 Tragwerksplanung: Lph. 1-6 + 8 (Stahlbau)

Planungszeitraum 2010 - 2012
Bauausführung 2011 – 2013

Baukosten ca. 13,2 Mio. €
KGR 200: 0,07Mio €, KGR 300: 6 Mio €, KGR 400: 2,5 Mio €,
KG 500: 0,45 Mio €, KGR 700: 4,2 Mio €

Kostenkontrolle
2 Monate vor Fertigstellung zeigt sich, dass die Kostenfeststellung die Kosten der Kostenberechnung bestätigt und es nicht zu Kostenerhöhungen kommt

Honorarzone
III Mindestsatz + Zusatzvergütung als besondere Leistungen für die Verwendung innovativer Bauteile und Bauweisen