Sonne, Licht und Wärme: Lichtlenkung und Energie-Optimierung in Bürogebäuden und Zweckbauten

Maßnahmen, die dazu führen, dass Strom für die Beleuchtung oder Energie für die Heizung gespart werden, bedeuten Aktivität - ein Sachverhalt, den EUROSOLAR-Präsident Hermann Scheer nicht müde wird zu betonen. Und in der Tat scheint der Begriff von der passiven Nutzung der Sonnenenergie oder vom "Passivhaus" zu verschleiern, was hier alles getan wird: effektive Tageslichtnutzung und -lenkung sowie die energetische Optimierung sind Merkmale von drei Gebäuden, die wir in Zusammenarbeit mit dem BINE Informationsdienst vorstellen.

Die Fenster sind mit einem außenliegenden Sonnenschutz ausgestattet, darüber ist ein starres Tageslichtlenkungssystem angeordnet, Kunstlicht wird nur bei Bedarf über eine Präsenzschaltung aktiviert.

Modulares Fassadensystem an der Südseite des Solarzentrums Frankfurt/ Oder. Foto: BINE Informationsdienst

In den Brüstungsbereich der Fassade sind thermische Luftkollektoren und eine Photovoltaikanlage integriert. Dahinter befindet sich ein Heiz-, Kühl- und Lüftungsgerät mit Wärmetauscher.

Das Gerät ist über einen Verbindungskanal mit dem aktiv durchströmten Scheibenzwischenraum des Fensters (Spalt zwischen Zusatzscheibe und Wärmeschutzverglasung) verbunden. Im Winter wird die Zuluft über den Luftkollektor vorgewärmt und dem Wärmetauscher zugeführt. Dort erfolgt eine weitere Temperaturerhöhung unter Aufnahme der Wärmeenergie der verbrauchten Raumluft. Anschließend gelangt die vorgewärmte Außenluft über einen Konvektionsheizkörper in den Raum.

Fassadenschnitt mit Luftführung (Winterbetrieb). Grafik: BINE Informationsdienst

Das Haus nutzt die Sonnenenergie aktiv und passiv. Durch die Vermeidung von Transmissions- und Lüftungswärmeverlusten wurde der Heizenergiebedarf unter 15 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr gesenkt - ein konventionelles Heizsystem wurde ebenso überflüssig wie eine aktive Klimaanlage.

Bürogebäude Lamparter, Ansicht von Westen. Foto: BINE Informationsdienst

Die sommerliche Kühlung erfolgt passiv, über das Zusammenspiel von Verschattungselementen, Erdreichwärmetauscher und Nachtlüftung. Elemente zur Lichtlenkung minimieren den Bedarf an künstlicher Beleuchtung, der bei nur 7,2 kWh/m2 und Jahr liegt. Die strenge Kostenkontrolle ermöglichte es, im Budget sogar Mittel für eine Solarwärme- und eine Solarstromanlage vorzusehen.

Warmes Wasser und Strom von der Sonne

Im gesamten Gebäude gibt es keine Heizkörper - die Wärmeverteilung wird von der Lüftungsanlage übernommen. Mit Nachheizregistern kann gesondert warme Luft für Dachgeschoss, Süd- und Nordseite zugeführt werden. Die Abluft wird in der Kombizone (Besprechungsräume, Treppenhaus) jedes Geschosses abgesaugt und über einen Wärmetauscher im Dach ins Freie geleitet. So können zirka 85% ihrer Wärmeenergie wieder von der Zuluft aufgenommen werden. An kalten Tagen wird die Außenluft vorher zusätzlich über ein Erdregister geleitet und ihre Temperatur auf diese Weise um durchschnittlich 4,6 Kelvin erhöht. Den verbleibenden Heizwärmebedarf deckt eine bivalent zugeschaltete Brennwerttherme. Der tatsächliche Heizenergiebedarf liegt mit 10,6 kWh/m2a sogar noch unter dem bei der Planung ermittelten Wert.

Zur Stromversorgung trägt eine 67 Quadratmeter große Photovoltaik-Anlage bei, die an der Attika des Flachdaches und auf dem Pultdach montiert ist. Die jährlich prognostizierten 6 bis 7 Megawattstunden (MWh) entsprechen 6,5 kWh/m2a Strom bezogen auf die beheizte Nettogrundfläche. Eine Solaranlage unterstützt mit 1,5 kWh/m2 im Jahr die Gastherme bei der Bereitung von Warmwasser. Da der Bedarf mit 2,6 Litern pro Person und Werktag sehr gering ist, kann dieser zu 93% solar gedeckt werden. Außerhalb der Heizperiode läuft die Therme zur Warmwasserbereitung nur eine Stunde am Tag. Dafür wird in Kauf genommen, dass die Wassertemperatur schwankt. Solarenergie liefert insgesamt 20,9 kWh/m2a der benötigten Primärenergie; der Solarstrom deckt rund die Hälfte der elektrischen Energie für Kunstlicht und Lüftungsanlage ab.

Licht lenken und transportieren - Deutsches Technikmuseum Berlin

Der Erweiterungsbau des Technikmuseums mit einer Nutzfläche von 20.000 Quadratmetern gliedert sich in die Abteilungen Luft- und Schiff-Fahrt sowie einen Versorgungstrakt mit Bibliothek, Werkstätten, Foyer und Gastronomie. Um direkte Sonneneinstrahlung zum Schutz der Ausstellungsstücke zu vermeiden, wurden die Ausstellungsflächen im Norden untergebracht. Der Versorgungstrakt öffnet sich nach Süden und wird geprägt durch eine transparente Fassadengestaltung.

Mit einem Energiekonzept, das mittlerweile selbst im Museum ausgestellt wird und den Besuchern in einer multimedialen Präsentation die Techniken zu Steigerung der Energieeffizienz nahe bringt, gelang es auch hier, den Niedrigenergiestandard zu erreichen.

Das Berliner Institut für Bau, Umwelt und Solarforschung GmbH (IBUS) und das Fraunhofer Institut für Bauphysik in Stuttgart begleiteten die Umsetzung des Projekts über lange Jahre.

Erweiterungsbau des Deutschen Technikmuseums Berlin, rechts der Ausstellungstrakt mit der abgehängten C 47, besser bekannt als "Rosinenbomber". Foto: BINE Informationsdienst

Trotz konservatorischer Anforderungen konnte auf ein Klimatisierung und den damit verbundenen hohen Energieeinsatz verzichtet werden. Die für ein Museum wichtige Raumluftfeuchte stabilisierten die Planer durch den Einsatz hygroskopischer Materialien (der "Blähton" der Wände und die Holzpflaster der Fußböden ziehen Feuchtigkeit an und trocken so die Luft im Museum).

Licht und Schatten

Die Oberlichtbelegung und der Einsatz von Tageslichtsystemen wurden in detaillierten Studien im künstlichen Himmel optimiert. An der Ostfassade im Ausstellungstrakt beispielsweise galt es, ein Tageslichtsystem zu entwickeln, das den attraktiven Ausblick in den Stadtraum erhält, dabei jedoch die Funktionen des Sonnen- und Blendschutzes erfüllt und zusätzlich Licht lenkende Eigenschaften hat. Hier setzten die Planer Großlamellen
im Rhythmus der Geschossteilung ein. Ein innerer lichtdurchlässiger Lamellenflügel wurde mit einem äußeren Flügel aus Lochblech kombiniert. Je nach Stellwinkel der Lamelle kann der Grad der Abschirmung des Tageslichtes variiert werden, ohne die Beleuchtungstiefe zu reduzieren.

Die tiefen, über Fassaden nicht mehr mit Tageslicht zu versorgenden Geschossflächen des Deutschen Technikmuseums führten zu der Idee, entlang des Weges der Museumsbesucher in die Ausstellungsflächen Tageslichttransportsysteme einzusetzen. Mit drei Systemen bringen die Planer das Sonnenlicht in das Gebäude:

Der Sonne nachgeführte Fresnel-Linsen sammeln Tageslicht, das mit Flüssigkeitslichtleitern bis in das Foyer im ersten Obergeschoss geführt wird. Dort werden vier als Wegeleitsystem dienende Tageslichtröhren mit dem Sonnenlicht versorgt.

Eine so genannte Sonneninstallation wirft Sonnenlicht in einen Lichtschacht, der beim Eintritt in den Ausstellungstrakt durchschritten wird. Dies geschieht mit einer Spiegelanlage, welche aus einem einachsig der Sonne nachgeführten Kollektorspiegel und einem feststehenden Reflektor besteht.