Gebäudesimulation Neubau Green Spin^®

Variantenbewertung in der frühen Konzept- und Planungsphase

Einleitung

Das Architekturbüro Felix Partner hat beim Neubau „Green Spin^®“ in Winterthur (Schweiz) eine ambitionierte Vision: 100% Nachhaltigkeit und 100% Arbeitsqualität. „Green“ steht für Nachhaltigkeit und „Spin“ für die spiralförmige Architektur des Gebäudes.  Es handelt sich bei diesem Dienstleistungs- und Mehrzweckgebäude um einen modularen Holzbau mit Photovoltaikfassade und einem begrünten Innenhof, der über eine Fahrradrampe jedes Stockwerk erschließt. Ein Leuchtturmprojekt, das in Bezug auf Nachhaltigkeit und Nutzungsqualität neue Maßstäbe setzt.  

Um die anspruchsvollen Zielwerte im Bereich Energie, Komfort, Funktionalität, Nachhaltigkeit, Sicherheit und Kostenkontrolle gleichzeitig zu erfüllen, bietet sich als Analysetool die dynamisch thermische Gebäudesimulation an. Der Vorteil dieser Simulation ist, dass schon in der frühen Konzeptphase das Verhalten des Gebäudes virtuell untersucht und bewertet werden kann.

Unser Partner AFC Air Flow Consulting und BCE Dynamics haben während der frühen Konzeptphase verschiedene Kundenanforderungen und Lösungsvarianten mit der Simulation untersucht und optimiert. Damit konnten von vorneherein korrekte Entscheidungen bezüglich z.B. der Auswahl des Energiesystems, der Anlagentechnik, der Fenstergröße und der Baustoffe des Gebäudes getroffen werden. 

 

Abbildung 1: Das Gebäude Green Spin^® als innovative und nachhaltige Lösung

Fragestellungen

Bei Gebäuden dieser Komplexität bestehen in der Regel folgende Fragestellungen:

• Welches regenerative Energiesystem (Fernwärme, Wärmepumpe, Solarthermie) kann realisiert werden?
• Wie groß kann eine PV-Anlage (Dachanlage oder Fassade) ausgelegt werden und wie hoch ist der Deckungsbeitrag?
• Welche Art der Lüftung ist erforderlich und kann auf eine mechanische Lüftung verzichtet werden?
• Wie kann der thermische Komfort je nach Nutzungsart und Jahreszeit sichergestellt werden?
• Welche Baumaterialen sind sinnvoll und notwendig, auch im Hinblick auf die thermische Speichermasse des Gebäudes?
• Welche Fenstergröße garantiert die Anforderungen in Bezug auf Tageslicht, Luftaustausch, Energieverluste und Außensicht?
• Wie kann der sommerliche Wärmeschutz eingehalten werden?
• Was muss bei der Dimensionierung der Anlagen beachtet werden, um auch eine flexible Mischnutzung des Gebäudes zu ermöglichen?

Die Wechselwirkung der damit verbunden Zielwerte sind komplex und nicht per Intuition oder Erfahrung zu ermitteln. Hier wurde daher die Gebäudesimulation genutzt, um die richtigen Weichen für die weitere Planung zu stellen.

Abbildung 2: Green Spin^® setzt Maßstäbe bei einer bedarfsgerechten Nutzung

 

Simulationsergebnisse

Für dieses Gebäude wurde eine Vielzahl von Untersuchungen vorgenommen. Hier ist eine kleine Auswahl von zwei Untersuchungen zur Illustration beschrieben.

Die Energieversorgung für Heizung und Kühlung ist bei jedem Gebäude immer eine zentrale Frage. Neben behördlichen Vorgaben spielt auch die Wechselwirkung zwischen der Anlagentechnik, der thermischen Speichermasse des Gebäudes, und dem Nutzungsprofil der einzelnen Räume eine wichtige Rolle. Bei großen Gebäuden ist daher die Einzelraumanalyse sehr wichtig, weil je nach Ausrichtung, Größe und Nutzung des Raumes unterschiedliche Temperaturverläufe entstehen.

 

Abbildung 3: Beispiel für Tagesbilanz einzelner Räume (links) und jährliche Übertemperaturstunden im gesamten Gebäude (rechts).

Mit der dynamisch thermischen Gebäudesimulation wurde für jeden Raum und das gesamte Jahr ein Temperaturverlauf berechnet, mit dem überprüft werden konnte, ob die Raumtemperaturen zu einem angenehmen thermischen Raumkomfort führen (s. Beispiele in Abbildung 3). Daraus lässt sich der Energiebedarf ableiten. Insbesondere im Sommer konnte auf Basis der Simulationsergebnisse untersucht werden, welche Art der Verschattung empfohlen werden kann, oder ob und in welchen Räumen eine mechanische Raumkühlung notwendig ist. In Abbildung 4 ist die Häufigkeitsverteilung der Raumtemperatur als Funktion der Außentemperatur für einen ausgewählten Raum dargestellt. Damit lässt sich bewerten, ob und wie oft die Maximaltemperatur im Sommer überschritten wird.        

Abbildung 4: Häufigkeitsverteilung der Raumtemperatur als Funktion der Außentemperatur für einen ausgewählten Raum

PV-Kollektoren sind bei Neubauten fast ein Standard und die Berechnung des PV-Ertrages kann heute leicht ermittelt werden. Bei großen Bürogebäuden, wie in diesem Fall, wird das Dach aber oft als Nutzfläche für den Aufenthalt genutzt, oder das Gebäude verfügt über einen Innenhof, so dass die Nutzung der Dachfläche für eine PV-Anlage stark eingeschränkt ist.

In diesem Fall bietet sich eine PV-Fassade an, da die Seitenflächen des Gebäudes eine großflächige Alternative darstellen. Allerdings muss berücksichtigt werden, dass eine PV-Fassade einen Einfluss auf die nutzbare Fenstergröße, den Tageslichteinfall und somit auch auf die Temperaturverlauf im Innenraum hat. Mit der Gebäudesimulation wurden Varianten untersucht, um ein Optimum für die Fenstergröße, die Verschattungsart, die Anzahl an PV-Modulen und deren Anstellwinkel zu finden.   

Abbildung 5: Analyse zweier Varianten mit unterschiedlichem Anstellwinkel der PV-Fassadenelementen  

Zusammenfassung

Die Komplexität in der Planung und Nutzung moderner Gebäude wächst, weil viele Zielgrößen gleichzeitig erfüllt werden müssen. Das gilt insbesondere bei der Nutzung von regenerativen Energiesystemen und die Erfüllung von Nachhaltigkeitskriterien. Reine Erfahrungswerte und Intuition der Planer reichen heute nicht mehr aus, um die korrekten Entscheidungen zu treffen. Mit Hilfe der dynamisch thermischen Gebäudesimulation können die Wechselwirkungen zwischen dem Aussenklima, der Gebäudehülle, dem Nutzungsverhalten und dem Energiesystem untersucht werden. In der Konzept- und Planungsphase des Gebäudes Green Spin^® ist die Simulation ein wesentlicher Erfolgsgarant, um die anspruchsvollen Nachhaltigkeitsziele zu erreichen.