Planing of a seven-storey wooden residential building
meeting the Passive House requirements
Research Project
Master's Degree "Energy Efficient and Sustainable Building", Technical University of Munich - TUM
Center for Sustainable Building (ZNB), Department of Urban Planning and Building Code of Munich
Authors: Maria Voukia, et.al.
Die Landeshauptstadt München plant in dem großen Gelände der ehemaligen Prinz-Eugen-Kaserne in Oberföhring ein künftiges Wohnquartier, das als Modell einer ökologischen Mustersiedlung mit facettenreichen Wohnmöglichkeiten, hinsichtlich Energie und Nachhaltigkeit dient. Das Wohnhaus „hochN“, ein siebengeschossiges Hochhaus, wird im Rahmen dieser Projektarbeit aus ökologischer, wirtschaftlicher und sozialer Sicht auf Konstruktions-, Energie- und Wirtschaftsalternativen untersucht. Aufgrund der zunehmenden internationalen Entwicklung von Holz als Baustoff und deren vielfältigen Vorteile, sollte der Bau des siebengeschossigen Gebäudes,
einen möglichst hohen Holzanteil aufweisen. Da die Verwendung von Holz für den mehrgeschossigen Bau besonders innovativ ist, wurden die besonderen statischen und brandschutztechnischen Anforderungen und Beschränkungen untersucht und die Wirtschaftlichkeit gegenüber konventionellen Bauweisen hinterfragt. Aus diesen Gründen wurden insgesamt drei verschiedene Konstruktionsalternativen untersucht und miteinander verglichen; eine Holzkonstruktion in Massivbauweise, eine Massivkonstruktion aus Stahlbeton und Porenbeton, und eine Hybridkonstruktion, die aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile gewählt wurde.
Energetisch betrachtet, geht es um ein Gebäude, das durch die Verwendung von erneuerbaren Energien und die Minimierung der Transmissionswärmeverluste aus der wärmeübertragenden Umfassungsfläche die Anforderungen des Passivhausstandards erfüllt. Der Primärenergiebedarf der Konstruktion beträgt 15,2 kWh/m2a (inkl. Heizung, Warmwasserbereitstellung und mechanischer Lüftung mit WRG), während der Heizwärmebedarf den Wert von 11,8 kWh/m2a erreicht. Mit dem Einsatz von PV Modulen (sowohl an den Fassaden des Hochhauses, als auch auf Teil des Daches), Hybridkollektoren für die gekoppelte Erzeugung von Strom und Wärme sowie einer Grundwasserwärmepumpe wurde die Deckung des Eigenverbrauchs durch erneuerbare Energien maximiert und dadurch ein möglichst autarkes Gebäude erzielt.
Die Developmentrechnung ist die zusammengefasste Darstellung der Kosten- und Erlössituation. Sie stellt ein unerlässliches Werkzeug um die drei Konstruktionsvarianten bezüglich ihrer Wirtschaftlichkeit bewerten zu können. Im Rahmen des Projekts wurde sie für Vergleichszwecke für die drei Konstruktionsvarianten wie auch für beide Energiestandards, Passivhaus und EnEV 2014, erstellt.
Grundriss - Erdgeschoss
Grundriss - typisches Ordgeschoss
Wohntypologien
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Anschluss zwischen Außenwand und Dach
Anschluss zwischen Außenwand und Decke
Sockelbereich
Das Konzept des Hochhauses in der Prinz-Eugen-Kaserne strebt danach den Erwartungen der Verwendung von erneuerbaren Energieressourcen möglichst viel zu genügen. Die Hauptidee ist einfach realisierbar, nämlich durch die Kombination von Systemen, die sowohl Strom als auch Wärme mit möglichst hohem Wirkungsgrad erzeugen. Außerdem gibt es Systeme für die gekoppelte Produktion von Strom und Wärme, so dass ein autarkes Energiekonzept geschafft werden kann und die Anforderungen des Passivhauses erfüllt werden. Aus diesem Grund wurden zuerst Hybridkollektoren auf dem Dach des Gebäudes installiert. Ihre Funktion basiert sich auf der gleichzeitigen Nutzung des elektrischen und thermischen Potentials der Solarenergie. Mit Hilfe dieses Prozesses wird der Wirkungsgrad der PV Modulen erhöht, da die Hybridkollektoren die Photovoltaikmodule kühlen und dadurch sie im Leistungsbereich einer effizienteren Stromproduktion bleiben. Des Weiteren gibt es auf dem Dach konventionelle PV Module, die zusätzlichen Strom erzeugen. Der produzierte Strom wird direkt ins Gebäude eingespeist. Allerdings ist die Dachfläche des Hochhauses nicht groß genug für die Erzeugung ausreichender Strommenge. Es ist nicht zu vernachlässigen, dass ein Hochhaus grundsätzlich ein Gebäude mit großen vertikalen Flächen ist. Daher werden diese Flächen verwendet und das Energiekonzept wird durch die Integration von PV Modulen, nämlich von Dünnschichtzellen, an Teile der südlichen, westlichen und östlichen Fassade vervollständigt. Aufgrund der Abhängigkeit der Hybridkollektoren von der Solareinstrahlung entsteht das Bedürfnis der Energiespeicherung, besonders während der Sommerperiode, wenn die Wärmeerzeugung hoch und der Wärmebedarf deutlich niedriger ist.
Außer der Hybridkollektoren wird für die Deckung des Heizwärmebedarfs und die Steigerung der Energieeffizienz des Gesamtsystems eine Grundwasserwärmepumpe eingesetzt. Die Wärmepumpe dient nicht nur der Heizung, sondern auch der Trinkwarmwasserbereitstellung. Für den Betrieb der Wärmepumpe wird entweder die überschüssige Wärme der Hybridkollektoren genutzt oder Wärme aus dem Grundwasser entzogen. Als geeignetes Verteilungs- und Übergabesystem wurde, wegen der Anforderungen an niedriger Vorlauftemperatur (28 – 35 °C) des Heizmediums, die Fußbodenheizung gewählt.
Aufgrund der hohen Dämmung der Passivhäuser und der Dichtheit ihrer Gebäudehülle, damit möglichst wenige Energieverluste auftreten, sind sie mit Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung ausgestattet. Diese Anlagen gewährleisten den erforderlichen Luftwechsel. Auf diese Weise kann die Wärme der Abluft für das Vorwärmen der Frischluft genutzt werden. Für die mechanische Lüftung wurde deshalb ein dezentrales System mit hohemWärmerückgewinnungsgrad von 90% für jede Wohnungausgewählt um die Verluste durch die Lüftungsanlageeinschränken zu können. Mit diesem Wirkungsgrad kanndie kalte Zuluft bis zu 90% der Abluftwärme aufnehmen,so dass nahezu die Raumtemperatur erreicht wird.
Energiekonzept
Lastprofile - Winter
Heizwärmebilanz
Deckungsanteil des Stombedarfs
Vergleich zwischen den drei Konstruktionsalternativen [alle Bauteile sind berücksichtigt].
Zusammenfassung
Im Rahmen dieser Machbarkeitsstudie wurden für die nachhaltige Betrachtung des geplanten Objekts verschiedene Bereiche in Tiefe untersucht und dadurch die Abhängigkeit dieser von einander festgestellt. Es hat sich bereits herausgestellt, dass die Anforderungen und die unterschiedlichen Aspekte nicht nur zu berücksichtigen sind, sondern auch in einem Gleichgewicht gebracht werden sollten. Parallel zu dem Entwurf eines Gebäudes, das einen optimalen Energieverbrauch erfordert und im Allgemeinen die Anforderungen eines nachhaltigen Bauens im Mittelpunkt der Planung stellt, sollte auch die Vermarktung des Gebäudes einen Schwerpunkt bilden.
Durch den Einsatz von umweltfreundlichen Materialien wie Holz können mehrere Vorteile entstehen (nachwachsender Rohstoff, Kohlenstoffspeicher, umweltfreundliche Entsorgungsmöglichkeiten, geringes Eigengewicht). Diese beziehen sich auf die ganze Lebensdauer der Konstruktion von der Wiege bis zur Bahre. Als Ergebnis der Untersuchung der drei Varianten hat sich die Hybridkonstruktion als sinnvolle Lösung ergeben. Zwar weist sie nicht die besten Werte hinsichtlich der Ökologie oder Wirtschaftlichkeit auf, trotzdem ist sie eine empfehlenswerte Lösung, die die Vorteile und Nachteile der zwei anderen Lösungen vereint und in Gleichgewicht setzt. Aus ökonomischer Sicht, stellt sie ebenfalls eine Zwischenlösung dar. Die Hybridbauweise ist bezüglich der Erstinvestitionskosten (ohne Grundstück) 6% günstiger als die Massivholzbauweise und 5% teurer als die Massivbauweise.
Bei der energetischen Betrachtung der drei Konstruktionsvarianten ist der Einsatz erneuerbarer Energien in der Wärme- und Stromversorgung des Gebäudes unvermeidbar um eine energieautarke Konstruktion zu erzielen. Aus dem Vergleich zwischen dem Passivhaus- und dem EnEV 2014-Standard lässt sich erkennen, dass die Erfüllung des Passivhaus Standards eine Energieeinsparung von 50% bezüglich des Heizwärmebedarfs im Vergleich zu dem EnEV 2014 Standard ermöglicht. Die Erfüllung der Anforderungen des Passivhaus Standards kann ohne erhebliche Kostenerhöhung erfolgen, wie aus der Wirtschaftlichkeitsberechnung deutlich war.
