Plusenergiehaus mit Konzept

Wer einen modernen Verwaltungskomplex baut, der steht vor einer komplexen Aufgabe. Für die Stadt Freiburg war es allerdings ein willkommener Anlass, eine Vorreiterrolle in Sachen Nachhaltigkeit zu beanspruchen. So wurde ihr Neubau im Stadtteil Stühlinger nach dem Plusenergiestandard errichtet und deckt seinen eigenen Energiebedarf.
Für das entsprechende Energiekonzept, die technische Gebäudeausrüstung, die Bauphysik und die Fassadentechnik zeichneten die Engineering-Experten von Drees & Sommer verantwortlich.
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Bild 1: Der neue Verwaltungsbau der Stadt Freiburg ist auch Energieproduzent

Um den Anforderungen an Klimaschutz und Energieeffizienz nachzukommen und gleichzeitig die bisher auf verschiedene Standorte verteilten Büros zu bündeln, hat die Stadt Freiburg beschlossen, einen umfassenden Neubau zu errichten.

So entstand bis Frühjahr 2017 am ehemaligen Standort des Technischen Rathauses im ersten von insgesamt drei Bauabschnitten ein fünfgeschossiges Verwaltungsgebäude (Bild 1). Es wurde vom Architekten Christoph Ingenhoven entworfen und bietet Platz für mehr als 800 Mitarbeiter der Stadt.

Der neue Verwaltungsbau kann Energie produzieren – und zwar aus erneuerbaren Quellen. Photovoltaik-, Solarthermie- und Geothermie-Anlagen stellen Strom sowie Energie zum Heizen und Kühlen zur Verfügung. Dabei wird die vorhandene Außenfläche des Gebäudes optimal genutzt: Sowohl das Dach als auch die Fassade sind mit Solarmodulen belegt.

Die Anlagen bedecken 75 % der Flachdächer und bestehen zum Teil aus PVT-Modulen (Bild 2). Im Vergleich zu herkömmlichen Solarmodulen sind sie komplexer aufgebaut und ermöglichen es, gleichzeitig Wärme und Strom zu erzeugen. Dadurch wird die Flächenkonkurrenz zwischen photovoltaischer und solarthermischer Nutzung aufgelöst.

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Bild 2: 75 % der Flachdächer sind zum Teil mit PVT-Modulen belegt

An der Fassade sind vertikale Photovoltaik-Elemente angebracht – nur dort, wo die Sonneneinstrahlung optimal ist. Zu den geeigneten Stellen lieferten Simulationen im Vorfeld Erkenntnisse.

Mit Hilfe der Sonnenenergie deckt das Gebäude seinen eigenen Strombedarf: Dieser umfasst die Beleuchtung, Lüftung und den Betrieb von zwei Wärmepumpen.

Die letzteren sind Bestandteile der geothermischen Anlage und dienen mit jeweils 200 kW der Wärmeerzeugung. Vor allem während der Winterzeit kommen die Wärmepumpen zum Einsatz, um das Verwaltungszentrum zu heizen.

Im Sommer wird das Grundwasser mittels eines Wärmeübertragers mit einer Leistung von 550 kW dafür genutzt, das Gebäude passiv zu kühlen. Wärme für das Wasser, das beispielsweise in der Küche genutzt wird, erzeugen die PVT-Module auf dem Dach. Die Photovoltaik-Anlagen liefern mehr Strom als das Gebäude selbst benötigt: Der Überschuss wird ins städtische Netz eingespeist.

Nachhaltig temperiert

In Kombination mit der Geothermie-Anlage sorgt die Bauteilaktivierung für das Heizen und Kühlen. Dazu wird die Gebäudemasse der Decken aktiviert: In den dort speziell zu diesem Zweck eingebauten Rohren zirkuliert Wasser. Abhängig von der herrschenden Temperatur nimmt es Wärme der Umgebung auf – oder gibt Wärme ab. Das Wasser im Kreislauf wird mithilfe der geothermischen Anlage temperiert. Für die Mitarbeiter im Verwaltungszentrum bedeutet dieses System eine hohe thermische Behaglichkeit – mit einem vergleichbar niedrigen energetischen Aufwand.

Bild 3: Die Fassade des neuen Freiburger Verwaltungszentrums mit integrierten Solarmodulen
Bilder 1 und 3: HG Esch

Einen Beitrag dazu leistet auch die Gebäudehülle, die dem Passivhaus-Standard entspricht. Sie ist eine hochwärmedämmende Fassade mit Passivhauselementen. Das betrifft beispielsweise die Fenster, die eine Dreischeibenverglasung mit einem U-Wert von 0,8 W/m2K aufweisen. Dazu gehört zudem die maschinelle Lüftung mit Wärmerückgewinnung.

Aufgrund der sehr guten Wärmedämmung sind die Heiz- und Kühllasten gering: Als maximale Heizlast ergeben sich circa 670 kW, die maximale Kühllast entspricht circa 550 kW. Die vertikalen Jalousien und die integrierten Photovoltaik-Module an der Fassade (Bild 3) sorgen zusammen mit horizontalen Elementen für ein balanciertes Tageslicht und den sommerlichen Wärmeschutz.

Zur unmittelbaren Umgebung des Verwaltungszentrums gehören seine Außenanlagen und Gärten. Für ihre Bewässerung wird Regenwasser genutzt. Berücksichtigt wurde außerdem ein typisch urbanes Problem, mit dem viele Städte zu kämpfen haben: der sogenannte Wärmeinsel-Effekt. Urbane Räume beeinflussen das lokale Klima – vor allem durch die Änderung der Bodenoberfläche, aber auch durch Abwärme von der Energienutzung. Dadurch entstehen Hitzeeffekte. Um das zu vermeiden und die Aufenthaltsqualität zu verbessern, ist die Mitte des ovalen Verwaltungsbaus als eine grüne Insel konzipiert.

Effizienten Betrieb sichern

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Bild 4: Der Energiefluss im neuen Verwaltungsgebäude
Bilder 2 und 4: Drees & Sommer

Der physikalische Aufbau der Gebäudestrukturen und ihre Vernetzung stellen nur den ersten Schritt in Richtung Nachhaltigkeit dar. Um einen energieoptimalen Betrieb zu erreichen (Bild 4), kamen beim Freiburger Projekt zwei weitere Instrumente zum Einsatz. Als Methode der Qualitätssicherung diente zum einen die Emulation der Mess-, Steuerungs- und Regeltechnik. Dabei wurde das Verhalten der MSR-Technik unabhängig vom Baufortschritt der übrigen Gewerke umfassend geprüft.

Zum anderen wurde ein durchdachtes Energiemanagementsystem für die effiziente Nutzung der technischen Anlagen entwickelt. Es ist an die Gebäudeleittechnik gekoppelt, greift auf die Daten zu und wertet diese aus. Außerdem überwacht das Energiemanagementsystem den Anlagenbetrieb und weist auf Fehler hin.

Nicht zuletzt wegen seiner Dimension – über 24 000 m² Bruttogrundfläche – übernimmt der neue Verwaltungsbau eine Vorzeigerolle. Aufgrund seines innovativen Charakters wurde das Projekt vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert. Die Stadt Freiburg, das Fraunhofer Institut für Solarenergiesysteme und Drees & Sommer gestalteten dabei gemeinsam ein Forschungsvorhaben zum Thema netzreaktive Gebäude.

Von der Planung und Ausschreibung über die Qualitätssicherung bei Bau und Inbetriebnahme bis hin zum fortlaufenden Energiemonitoring: Dafür zeigt das Forschungsprojekt nun auf, wie Gebäude, die einen erheblichen Teil ihres Energieverbrauchs selbst erzeugen, mit dem städtischen Stromnetz kommunizieren. Durch einen hier entstandenen Prozessleitfaden mit Modellcharakter sollen ähnliche, vor allem kommunale Bauvorhaben, profitieren.

Autor

Prof. Dr.-Ing. Michael Bauer, seit 1999 bei Drees & Sommer. Geschäftsführer und Partner der Drees & Sommer-Gruppe. Verantwortlich für den Bereich Engineering und Generalfachplanung. Honorarprofessor an der Uni Stuttgart am Institut für Gebäudeenergetik. Ehrenamtlich tätig in Richtlinien und Fachausschüssen des VDI und DIN.

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