Bauphysik 2017 01 free sample copy by Ernst & Sohn

1 39. Jahrgang Februar 2017 ISSN 0171-5445 A 1879

– Messtechnische Untersuchung der Trocknung und des mikrobiellen Wachstums in Estrichdämmschichten – Untersuchungen zum Brandverhalten EPS-basierter WDVS – Modellierung und Optimierung von städtischen Mischquartieren – Reduktion von innerstädtischen Wärmeinseln durch Whitetopping – Messtechnik für Wärmeleitfähigkeit von Bettungsmaterialien – Thermischer Komfort und Luftqualität an Schulen mit/ohne Lüftung – Einﬂuss der Wärmespeicherfähigkeit auf Heizwärmebedarf – Vorhangfassade auf Holzbasis für Bestandssanierung – Raumakustik der Stadtkirche St. Michael zu Jena – Memorandum: Bauphysik und Technischer Ausbau an Universitäten und Hochschulen

Schalldämmungsmessung Die Nor850 ist eine Multikanal Steuerungs- und Auswertesoftware zur synchronen Steuerung mehrerer Schallpegelmesser Nor140 und Mikrofonschwenkanlagen Nor265 (über WLAN / LAN). Neben der Steuerung bietet die Nor850 auch Auswertemodule für die Bestimmung der Schalldämmung (ISO 16283 / ISO 10140) und der Schallleistung (ISO 374x).

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Inhalt

Mit dem Neubau „HumboldtHafenEins” in Berlin konnte das Büro KSP Jürgen Engel Architekten die bislang höchste DGNB-Bewertung für einen Büroneubau in Deutschland und die Plakette in Platin erringen. Für eine optimale technische und ökologische Bewertung steuerte tremco illbruck bei der Fassadenabdichtung eine ganze Reihe leistungsstarker, besonders emissionsarmer Produkte bei, siehe auch Meldung S. 87 (Quelle: tremco illbruck)

Bauphysik 1 39. Jahrgang Februar 2017, Heft 1 ISSN 0171-5445 (print) ISSN 1437-0980 (online)

Fachthemen 1

Ralf Gebauer, Michele Bianchi-Janetti, Fabian Ochs, Wolfgang Feist, Martin Kirchmair Messtechnische Untersuchung der Trocknung und des mikrobiellen Wachstums nach irregulären Feuchtezuständen in Estrichdämmschichten

Sven Kaudelka, Sebastian Hauswaldt Untersuchungen zum Brandverhalten EPS-basierter Wärmedämmverbundsysteme bei Brandbeanspruchungen im Sockelbereich (Teil 1)

Jan Schiefelbein, Amir Javadi, Michael Diekerhof, Marcus Fuchs, Dirk Müller, Antonello Monti Modellierung und Optimierung von Mischgebieten

Stefan Krispel, Martin Peyerl, Philipp Weihs, Gerald Maier Urban Heat Islands – Reduktion von innerstädtischen Wärmeinseln durch Whitetopping

Johannes Stegner, Christoph Drefke, Henok Hailemariam, Hauke Anbergen, Frank Wuttke, Ingo Sass Messtechnik für den Erdkabeltrassenbau – Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit von Bettungsmaterialien

Stefan Maas, Jessica Brensing, Max Flies, Georges Steffgen Untersuchung des thermischen Komforts und der Luftqualität an vier neuen energieeffizienten Luxemburger Schulen mit und ohne Lüftungsanlagen

Stephan Schlitzberger, Christoph Kempkes, Anton Maas, Martin Schäfers Einfluss der Wärmespeicherfähigkeit auf Heizwärmebedarf und thermischen Komfort

Jan Tywoniak, Martin Volf, Michal Bureš, Antonín Lupíšek, Kamil Staneˇk Vorhangfassade auf Holzbasis – eine komplexe bauphysikalische Aufgabe

Jennifer Bäumer, Klaus-Hendrik Lorenz-Kierakiewitz, Jörg Arnold Die Stadtkirche St. Michael zu Jena – Untersuchung zur Verbesserung der raumakustischen Qualität

Bitte beachten: Beiliegendes Jahresinhaltsverzeichnis 2016

Peer-reviewed journal Bauphysik ist ab Jahrgang 2007 beim Web of Knowledge (ISI) von Thomson Reuters akkreditiert.

Berichte 78

Memorandum: Bauphysik und Technischer Ausbau an Universitäten und wissenschaftlich-künstlerischen Hochschulen

Impact-Faktor 2015: 0,205 Rubriken 22 85 92 http://wileyonlinelibrary.com/journal/bapi

Aktuell (s. a. S. 40, 56, 77, 84 u. 86) Bücher Veranstaltungen Stellenmarkt

Produkte & Objekte A4

Schallschutz und Akustik

www.ernst-und-sohn.de/bauphysik Bautechnik 81 (2004), Heft 1

Schallschutz und Akustik

Erstklassige Akustik für weltweite Restaurantgruppe Die Americana Group ist der größte Betreiber von international anerkannten Schnellrestaurant-Ketten in der Welt. Heradesign Superfine Deckensysteme wurden kürzlich für zwei ihrer bekanntesten Marken gewählt: Kentucky Fried Chicken in Jumeirah Beach und Pizza Hut in Al-Ghurair. Knauf AMF-Decken sollen in allen neuen Restaurants der Americana Group und ihrer YUM-Marken-Franchisenehmer in Dubai installiert werden. Der Design Manager von Americana, Dinesh Talitaya, erklärt, warum man sich für Heradesign entschieden hat: „Lärm kann für Restaurantgäste unangenehm sein. Wir wollten für unsere Gästen ein entspannteres Ambiente schaffen. Schallschutz war der Schlüssel zum Erfolg des Designs, weshalb wir Heradesign gewählt haben. Wir waren auch von der strukturierten Oberfläche von Heradesign begeistert. Sie verleiht Inneneinrichtungen eine natürliche Wärme.“

Mit nachhaltig gewonnener Holzwolle zur höchsten Schallabsorptionsklasse Heradesign sind leistungsstarke Decken- und Wandpaneele, die aus nachhaltig gewonnener Holzwolle hergestellt werden. Die

Bild 1 Mit Schallschutz von Heradesign zu entspanntem Ambiente im Pizza Hut in Al-Ghurair …

Bild 2 … und im Kentucky Fried Chicken in Jumeirah Beach

Bauphysik 39 (2017), Heft 1

Bild 3 Die schnelle und pünktliche Installation der Decken trug zur erfolgreichen Eröffnung der Restaurants bei. (Fotos: AMF)

Paneele bietet die höchste Schallabsorption – Klasse A – und können den Umgebungsschallpegel durch Verringerung des Nachhallpegels steuern, so dass die Sprachverständlichkeit verbessert und eine entspannte Atmosphäre zum Speisen und Unterhalten geschaffen wird. Heradesign bietet Designern die Möglichkeit, wirklich einzigartige Inneneinrichtungen zu schaffen, da sie aus fünf verschiedenen Oberflächenmustern, verschiedenen Dicken und Kantendetails sowie jeder beliebigen Farbe wählen können. Die Decken in den Americana Restaurants sind umbragrau und werden mit passendem Sichtraster verlegt, was ihnen ein unverwechselbares Aussehen verleiht. Es gibt viele flexible Installationsmöglichkeiten mit diesen Decken- und Wandpaneelen. Sie können mit einem verdeckten Raster installiert werden, sodass der Eindruck einer nahtlosen Oberfläche entsteht oder auch als abgehängte Decke in Form von Segeln, Rippen oder einer Schallwand. In Bereichen, die eine zusätzliche Schalldämpfung erfordern, können Wandpaneele zusätzliche Schallabsorption bieten. Heradesign eignet sich hervorragend für viele Inneneinrichtungen dank seiner Fähigkeit, die richtige visuelle und akustische Balance zu schaffen.

Übersichtliches Erscheinungsbild Feuchtigkeitsschwankungen in den Restaurants können Heradesign-Decken nichts anhaben, da sie bis zu 90 % relative Luftfeuchte bieten. Die Platten sind langlebig und können abgenommen werden, um den Zugang zu den Versorgungseinrichtungen im Deckenhohlraum zu ermöglichen. Beleuchtungs-, Lüftungsund Beschilderungssysteme lassen sich nahtlos in Heradesign integrieren und sorgen für ein übersichtliches Erscheinungsbild. „Die Decken wurden schnell und pünktlich installiert, was zur erfolgreichen Eröﬀnung der Restaurants beigetragen hat. Heradesign-Platten sind dank ihres geringen Gewichts und ihrer robusten Kanten einfach einzubauen. In den Restaurants wurden die Decken mit einem oﬀenen AMF-Ventatec-Rastersystem ausgestattet, das einfach einrastet.“ Knauf AMF fertigt seine leistungsfähigen Akustikdeckensysteme in einer der modernsten Fabriken der Welt. Das innovative Unternehmen ist stets auf der Suche nach neuen Produkten und entwickelt so neue Möglichkeiten für abgehängte Decken, wie z.B.: Segel, Schallwände und akustische Wandpaneele. www.knaufamf.com

Schallschutz und Akustik

Schloss Versailles erhält Schwingungsschutz Das neue Auditorium im Dachgeschoss von Schloss Versailles erhielt im Herbst einen Schwingungsschutz von Getzner Werkstoﬀe. Die Säulen der Tribüne stehen nun auf ca. 270 Punktlagern aus Sylodyn® und Sylomer® – die angrenzenden Räume sind so vor Erschütterungen und Lärm geschützt. Im ca. 350 Jahre alten Schloss Versailles nahe Paris entsteht in einem Teil des Dachgeschosses ein Auditorium. Um die umliegenden Räumlichkeiten vor Erschütterungen und Lärm zu schützen sowie die Akustik im Auditorium selbst zu verbessern, installierte Getzner einen Schwingungsschutz aus Sylomer® und Sylodyn®. Unter den Stützen der Tribüne kamen ca. 270 Punktlager zum Einsatz. Das Unternehmen übernahm sowohl die Lieferung des Materials, als auch die Einbauüberwachung vor Ort. „Für die Lieferung und den Einbau der elastischen Lager war ein sehr kurzes Zeitfenster vorgesehen – von der Bestellung bei Getzner bis zur Fertigstellung vergingen nur zwei Wochen. Die präzisen Berechnungen der Getzner-Mitarbeiter im Vorfeld erlaubten jedoch eine optimale Planung des Projekts und den fristgerechten Einbau“, erklärt Manuel De Faria, Bauleiter vom Auftraggeber Paris Charpente.

Umfangreiches Werkstoffsortiment ermöglicht homogenen Schwingungsschutz Um eine flexible Anpassung des Schallschutzes an die verschiedenen Bedingungen vor Ort zu ermöglichen, kamen unterschiedliche Material- und Lagertypen zum Einsatz. Dadurch konnten homogene Schalldämmwerte im gesamten Einbaubereich erzielt werden. Das breite Spektrum an unterschiedlichen Werkstofftypen, die flexibel je nach Anforderungen einsetzbar

270 Punktlager aus Sylodyn® und Sylomer® schützen die angrenzenden Räume vor Erschütterungen und Lärm. (Foto: Getzner Werkstoffe)

seien, hebe das System des Herstellers deutlich vom Wettbewerb ab. Die Wirksamkeit und lange Lebensdauer der Produkte des Unternehmens seien eindeutig nachgewiesen und belegt, meint Cédric Le Chevillier, Kundenbetreuer im Bereich Bau bei Getzner France.

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Bauphysik 39 (2017), Heft 1

Schallschutz und Akustik

Regupol sound 12 für die Trittschalldämmung Stuttgart ist nicht nur Hauptstadt Baden-Württembergs. Sie ist mit mehr als 610.000 Einwohnern auch die größte Stadt im Südwesten Deutschlands und gehört mit fast 3.000 Einwohnern pro Quadratkilometer zu den am dichtesten besiedelten Städten im Land. Nicht nur die abwechslungsreiche, spannende Architektur aus mehreren Jahrhunderten stellt Architekten und Planer von Neubauten in der Stadt vor anspruchsvolle Aufgaben. Auch die Topograﬁe mit ihren Höhenunterschieden in den Hanglagen der Stadt verlangt von den Planenden vielfach einiges ab. Darüber hinaus fordert die Verdichtung im urbanen Bereich, insbesondere bei hochwertigen Immobilien, die Beachtung bauphysikalischer Bedingungen.

Neues Nutzungskonzept erfordert guten Tritt- bzw. Körperschallschutz So auch beim Neu- bzw. Umbau eines ehemaligen Geschäftshauses an der viel befahrenen Hauptstätter Straße am südlichen Rand der Innenstadt. Mit der Planung des Gebäudekomplexes wurde das Büro Schwarz Architekten aus Stuttgart beauftragt. Das neue Nutzungskonzept sieht den Bau von 47 komfortablen, stadthausähnlichen Eigentumswohnungen in den Obergeschossen, einen Markt einer Einzelhandelskette im Erdgeschoss sowie fast 200 Stellplätze (Tiefgarage) vor. Die Nutzung der ca. 1.000 m2 Fläche des Erdgeschosses durch den Lebensmitteldiscounter machte besondere Maßnahmen in Hinblick auf die entsprechenden Anforderungen nach DIN 4109:1989-11 „Schallschutz im Hochbau“ nötig. Um einen angestrebten guten Tritt- bzw. Körperschallschutz von dem Fußboden der Verkaufsfläche zu den darüber liegenden Wohnungen zu gewährleisten, wurde ein Fußbodenaufbau mit einer Trittschalldämmung Regupol sound 12 der Berleburger Schaumstoffwerk GmbH (BSW) gewählt. Eine Überprüfung und Beurteilung des Trittschallschutzes durch die Kurz und Fischer GmbH, Beratende Ingenieure, hat nun gezeigt, dass die messtechnisch ermittelte Trittschalldämmung des untersuchten Fußbodens der Lagerfläche (Pfandraum) im EG

Bild 2 Verlegte Fläche.

zur darüber liegenden Wohnung die baurechtlichen Anforderungen für Verkaufsstätten erfüllt.

Gemessener Trittschallpegel deutlich besser als geforderter Der gemessene bewertete Norm-Trittschallpegel Len,w f 22 dB ist sehr gut bzw. deutlich besser als der geforderte Wert erf. Len,w f 43 dB gem. DIN 4109. Auch ein angestrebter besserer Trittschallschutz aufgrund einer möglichen Frühanlieferung

Bild 1 Vor dem Einsatz des Trittschalldämmmaterials Regupol sound 12

Bauphysik 39 (2017), Heft 1

Schallschutz und Akustik

Bild 3 Plattenware Regupol sound 12 Bild 4 Abgeschlossener Wohn- und Geschäftskomplex

oder Warenbestückung außerhalb der Öﬀnungszeiten usw. von Len,w f 33 dB wird noch deutlich unterschritten. Erreicht werden konnte dieser sehr gute Wert durch den Einsatz der Trittschalldämmung Regupol sound 12. Die 17 mm dicke Dämmplatte aus PUR-Elastomerverbund mit aufkaschierter Folie wurde auf die Stahlbetondecke verlegt, bevor eine bewehrte Stahlbetonplatte mit Betonkernaktivierung und ein keramischer Rüttelbelag aufgebracht wurden. Das weitgehend alterungsbeständige und dauerelastische Material Regupol sound 12 ist der Brandschutzklasse E(B2) nach DIN EN 13501-1 (DIN 4102) zugeordnet und ist mit einer max. Dauerlast bis 3.000 kg/m2 belastbar. Wie alle Produkte der BSW verfügt auch Regupol sound 12 über eine bauaufsichtliche Zulassung.

Bautafel: Neubau einer Wohnanlage, Stuttgart Bauherr:

Bietigheimer Wohnbau GmbH, BietigheimBissingen Bauunternehmen: Baresel GmbH, Leinfelden-Echterdingen Architekten: Schwarz Architekten, Schwarz Planungsgesellschaft mbH & Co. KG, Stuttgart Bauphysiker: Büro Kurz & Fischer GmbH, Standort Winnenden, Herr Schneiderhan www.berleburger.com

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(Fotos: BSW)

Schallschutz und Akustik

Massive Multitasking-Decken Mehr Funktionalität, weniger Gewicht: Sowohl im Neubau als auch in An- und Umbauten können massive Systemfertigdecken mit ihren Vorteilen punkten. Sie sind deutlich leichter als konventionelle Ortbeton- oder Filigrandecken und weisen zusätzliche „innere Werte“ auf – etwa als Raumklimadecke mit integrierter Flächenheizung oder -kühlung beziehungsweise vorgerüstet für den zeitsparenden und wirtschaftlichen Einbau einer kontrollierten Be- und Entlüftung. Jede Multitasking-Decke wird etwa beim Spezialanbieter Dennert individuell mit höchster Passgenauigkeit vorgefertigt. Bereits integrierte Stürze, Rundungen, Durchbrüche für Versorgungsleitungen oder auch passgenaue Auflagen für Treppen beschleunigen den Baufortschritt. Röhrenförmige Hohlräume, die ebenfalls werkseitig integriert werden, sparen Gewicht und entlasten somit Fundament und Mauerwerk. Zudem erfüllt die innovative DX-Decke alle Anforderungen an den Feuerschutz sowie die Belastbarkeit. Auch die Schallschutzwerte sind deutlich besser als bei vergleichbaren Decken. Geeignet ist das Konzept, das bereits einmal als Bauinnovation des Jahres ausgezeichnet wurde, für das Einfamilienhaus ebenso wie für den Gewerbebau. In jedem Fall sorgt die multifunktionale Systemdecke für ein wohngesundes Raumklima. Die Flächenheizung verbindet hohe Energieeffizienz mit einem besonderen Gefühl der Behaglichkeit, da die Strahlungswärme über die gesamte Deckenfläche gleichmäßig bis in jeden Raumwinkel abgegeben wird. Spürbar besser ist das Raumklima auch, da Staubverwirbelungen gegen Null tendieren – damit ist das Sys-

Bild 2 Die Vorteile der multitaskingfähigen Geschossdecke von Dennert auf einen Blick

Bild 3 Ein weiterer Vorteil: Die schnelle Montage

(Foto / Abb.: Dennert)

tem anderen Flächenheizsystemen deutlich voraus. Zeitsparend ist auch die Montage: Die Heizschlangen werden bereits im Werk in den Deckenspiegel eingegossen. Auf der Baustelle braucht der Installateur lediglich noch den Anschluss an den Heizkreisverteiler vorzunehmen. Auf Wunsch kann das Rohrleitungssystem, etwa in Verbindung mit einer reversiblen Wärmepumpe, an warmen Tagen zur flächendeckenden Raumtemperierung werden – ohne Zugluft, ohne störende Geräusche und dabei noch energiesparend im Vergleich zu einer konventionellen Raumklimatisierung. Bei einer weiteren Ausstattungsoption (DX-AIR) ist bereits alles für eine kontrollierte Be- und Entlüftungsanlage vorbereitet. Die Auslässe werden in diesem Fall bereits im Werk in den massiven Deckenelementen eingefügt. Multitasking-Raumklimadecken lassen zugleich alle Freiheiten bei der Raumgestaltung: Von der freien Wahl des Bodenbelags bis zur flexiblen Möblierung bietet das System über das Heizen, Kühlen und Lüften hinaus weitere praktische Vorteile. www.dennert-baustoffe.de

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Bild 1 Multitaskingfaehige Geschossdecken garantieren mehr Funktionalität und weniger Gewicht

Schallschutz und Akustik

Schallabsorber für thermisch aktivierte Bauteile Der akustisch wirkende Abstandhalter Sorp 10® wird den Ansprüchen sowohl an die Raumakustik, als auch an kernteilaktivierte Decken gerecht. Die Forderungen hinsichtlich nachhaltiger Bauwerke und steigende Energiekosten führen zunehmend zum Einsatz von kernteilaktivierten Betonbauteilen. Diese stellen in der Raumakustik eine Herausforderung dar, da sie weder mit absorbierenden Materialien belegt, noch mittels abgehängten Deckensystemen verkleidet werden sollten, um einen Temperaturstau zu verhindern.

Bild 1. Sorp 10® akustisch wirkender Abstandhalter

Bei Sorp 10® handelt es sich um eine ﬁligrane Faserbeton-U-Schiene mit einem darin eingebetteten Absorberstreifen aus speziellem Blähglasgranulat. Das U-Proﬁl schützt einerseits das poröse Blähglasgranulat, andererseits dient es als Abstandhalter für die erste Bewehrungslage.

schen und nachhaltigen Wirkung des Produkts zugute. So kann z.B. beim Rückbau des Gebäudes der Sorp 10® mit dem umschließenden Ortbeton zerkleinert und als Füll- und Schüttmaterial im Tiefbau eingesetzt werden.

Produktentwicklung in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Bauphysik Sorp 10® wurde von MAX FRANK in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Bauphysik (IBP) entwickelt. Die Funktionsweise von Sorp 10® ist die eines porösen Akustik-Absorbers, d. h. die durch eindringende Schallwellen angeregten Luftmoleküle verlieren durch Reibung in den zahlreichen Hohlräumen des Absorbermaterials einen Teil ihrer Energie. Der Energieeintrag der Schallwellen wird in Wärme umgewandelt. Sorp 10® ist als Schallabsorber der Klasse D nach DIN EN ISO 11654 einzuordnen. Die entsprechenden Prüfberichte zur Bestimmung des Absorptionsgrades liegen vor. Sorp 10® wurde bereits in verschiedenen Gebäuden eingesetzt. Ein Beispiel stellt das Administrationsgebäude der Roche Diagnostics AG in Rotkreuz, Schweiz dar. In 13 Geschossen wurde hier der Streifenabsorber verbaut. Die Raumakustik konnte erfolgreich verbessert werden, die Funktionalität der thermischen Bauteilaktivierung wurde nicht beeinträchtigt. Auch in der Zeppelin Universität Friedrichshafen wurde bei der Modernisierung und Erweiterung des Hauptcampus Sorp 10® zum Einsatz gebracht. In diesem Fall hat sich der Bauherr für die oﬀene Bauweise entschieden und die Absorber in der Sichtbetondecke integriert.

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Bild 2. Thermisch aktivierte Decke mit Sorp 10® (Foto/Abb.: Max Frank GmbH & Co. KG)

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Bauphysik 39 (2017), Heft 1

Schallschutz und Akustik

Erhöhter Trittschallschutz trotz Verschärfung der Normung

Bild 1 Anforderungen an den Trittschallschutz von Treppen in Mehrfamilienhäusern. Foto: Schöck Bauteile GmbH, Abdruck honorarfrei.

Mit dem Erscheinen der neuen DIN 4109 „Schallschutz im Hochbau“ Anfang Juli 2016 wurden die Anforderungen an Treppen, aber auch die Nachweisführung verschärft. Ein Nachweis für Treppen kann nun auf Grundlage von Messwerten nach DIN 7396 erfolgen. Alle Schöck Tronsole Typen sind entsprechend geprüft und erreichen im Nachweisverfahren nach DIN 4109 weiterhin die erhöhten Schallschutzanforderungen. Mit DIN 4109 „Schallschutz im Hochbau“ wurde die wichtigste Norm der Bauakustik im Juli 2016 novelliert. In ihr werden Anforderungen festgelegt und auch Nachweisverfahren beschrieben. Schon im Juni 2016 erschien DIN 7396 „Prüfverfahren zur akustischen Kennzeichnung von Entkopplungselementen für Massivtreppen“. Dieses Prüfverfahren dient in der neuen DIN 4109 als Grundlage für die Nachweisführung. Bereits im April 2016 wurde der Entwurf der DIN EN ISO 12354-2 veröﬀentlicht, der eine genaue Prognose der Schallübertragung von

Treppen erlaubt. Diese geballte Einführung an Normen führt vor allem bei Trittschallschutz von Treppen zu Veränderungen, aber auch zu mehr Planungssicherheit.

Verschärfung des Norm-Trittschallpegels Mindestanforderungen an den Schallschutz von Gebäuden sind in DIN 4109 geregelt, deren Neufassung im Juli 2016 veröﬀentlicht wurde. Mit der bauaufsichtlichen Einführung sind diese Mindestanforderungen bindend und öﬀentlich-rechtlich einzuhalten. Die DIN 4109 verschärft die Schallschutzanforderungen an Treppen bei verschiedenen Gebäudetypen. Für Treppen in Mehrfamilienhäusern und Bürogebäuden wurde der zulässige Norm-Trittschallpegel um 5 dB auf Len,w f 53 dB verschärft. Die Schallschutzanforderungen an Treppen in Reihen- und Doppelhäusern wurden um 7 dB gesenkt auf einen zulässigen NormTrittschallpegel von Len,w f 46 dB. Diese Anforderungen gelten jeweils für die Übertragung des Trittschalls in fremde, benachbarte Nutzungseinheiten.

Vergleichbarkeit der Produktkennwerte

Bild 2 Trittschallmessungen bei massiven Treppen nach DIN 7396 dienen als Grundlage des Schallschutznachweis nach DIN 4109.

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Bauphysik 39 (2017), Heft 1

Auch das Nachweisverfahren hat sich geändert. Entkoppelt gelagerte Treppen in Mehrfamilienhäusern und Bürogebäuden hielten nach der alten DIN 4109 die erhöhten Anforderungen ein. Aktuelle Messungen zeigen jedoch, dass dieser Ansatz zu positiv gewählt wurde. Daraufhin wurde in der neuen Norm das Nachweisverfahren angepasst. Werden erhöhte Schallschutzanforderungen gestellt oder soll mit mehr Sicherheit geplant werden, können für den Nachweis massiver Treppen Prüfwerte nach DIN 7396 zu Grunde gelegt werden. DIN 7396 deﬁniert seit Juni 2016 erstmalig ein einheitliches Verfahren zur Produktkennzeichnung von Trittschalldämmelementen für massive Treppen. Damit sind Produktkennwerte, die nach dieser Norm geprüft werden, untereinander vergleichbar. Die Besonderheit bei diesem Prüfverfahren ist zu-

Schallschutz und Akustik

dem, dass ein bauüblicher Prüfaufbau gewählt wird, sodass die gemessenen Norm-Trittschallpegel direkt als Eingangsgröße für den Nachweis nach DIN 4109 angesetzt werden können. Die so bestimmten Werte liegen auf der sicheren Seite.

Rechenverfahren nach europäischer Norm steht noch aus Diese Vorgehensweise ist interimsweise in die DIN 4109 aufgenommen worden, da es noch kein endgültiges Verfahren für Treppen nach der europäischen Norm DIN EN 12354-2 gibt. Langfristiges Ziel ist es, den Nachweis künftig nach dieser Norm zu führen. Der Entwurf der mittlerweile internationalen Norm, E DIN EN ISO 12354-2, beschreibt bereits ein Rechenverfahren für Treppen, mit welchem die einzelnen Übertragungswege berücksichtigt werden können. Hierbei werden die, ebenfalls nach DIN 7396 bestimmten, Trittschallpegelminderungen für Treppenpodest und -lauf als Eingangsgröße für die Berechnung hinzugezogen.

Bild 3 Alle Schöck Tronsole Typen sind nach DIN 7396 geprüft. Im System ergeben sie eine blaue Linie, welche für einen Schallschutz auf hohem Niveau steht. (Fotos/Abb.: Schöck Bauteile)

Erhöhte Anforderungen an Trittschallschutz erfüllt Mit dem Schallschutzsystem Schöck Tronsole werden Stahlbetontreppenläufe sowie -podeste akustisch vom Gebäude getrennt. Für alle Tronsole Typen wurde der Norm-Trittschallpegel mit bauüblichen Lasten und Treppengeometrien in einem repräsentativen Prüfaufbau nach DIN 7396 bestimmt. Der damit geführte Nachweis hält die Mindestanforderungen nach DIN 4109 und sogar die erhöhten Anforderungen ein. Die messtechnische Bestimmung der Treppen- und Lauf-Trittschallpegelminderung nach E DIN EN ISO 12354-2 ergab, dass in einem üblichen

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Mehrfamilienhaus die Schallschutzstufe III nach VDI 4100 (bzw. der DEGA Klasse B) eingehalten wird. Für alle Werte gilt, dass die Schöck Tronsole im System gemessen wird. Damit wird auch die Schallübertragung über die Fuge zwischen der zu entkoppelnden Treppe und der angrenzenden Wand berücksichtigt. Weicht das Material im Fugenbereich vom geprüften Produkt ab, kann dies zu deutlich schlechteren Ergebnissen führen. Das Schallschutzsystem Schöck Tronsole umschließt die Treppe komplett und ist an einer durchgehenden blauen Linie zu erkennen. www.schoeck.de

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Schwingungen isolieren Shijingshan Cultural Center, Beijing Der Neubau des über 60 Jahre alten Shijingshan Cultural Centers stellte durch die angrenzende U-Bahn-Linie unterhalb des nord-westlichen Gebäudeteils für die Planer eine besondere Herausforderung dar. Um akustisch sensible Bereiche im Inneren vor den Erschütterungen der angrenzenden UBahn zu schützen, entschied man sich für eine Gebäudelagerung mit Regupol® vibration 480, 550 und 800. BSW GmbH Telefon: +49 2751 803-224 Fax: +49 2751 803-159 schwingung@berleburger.de www.bsw-schwingungstechnik.de

Bauphysik 39 (2017), Heft 1

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Anbieterverzeichnis

Produkte & Dienstleistungen Brandschutz

G+H ISOLIERUNG GmbH Bürgermeister-Grünzweig-Str. 1 67059 Ludwigshafen Tel.: +49 (0) 6 21/5 02-2 92 Fax: +49 (0) 6 21/5 02-5 99 info@guh-gruppe.de www.guh-brandschutz.de

Estrichdämmung

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Fachliteratur

Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG Rotherstraße 21, D-10245 Berlin Tel. +49 (0)30 47031 200 Fax +49 (0)30 47031 270 E-Mail: info@ernst-und-sohn.de Internet: www.ernst-und-sohn.de

Isolierung

G+H ISOLIERUNG GmbH Bürgermeister-Grünzweig-Str. 1 67059 Ludwigshafen Tel.: +49 (0) 6 21/5 02-2 92 Fax: +49 (0) 6 21/5 02-5 99 info@guh-gruppe.de www.guh-isolierung.de

Passivhaus

Trittschalldämmung für hoch belastbare Estriche mit bauaufsichtlicher Zulassung UNIPOR-Ziegel Marketing GmbH Landsberger Straße 392 81241 München Tel.: 089 749867-0 Fax: 089 749867-11 E-Mail: marketing@unipor.de Internet: www.unipor.de

A12 Bauphysik 39 (2017), Heft 1

Schallschutz

G+H Schallschutz GmbH Bürgermeister-Grünzweig-Straße 1 67059 Ludwigshafen Tel.: +49 (0) 6 21/5 02-5 25 Fax: +49 (0) 6 21/5 02-5 93 info@guh-schallschutz.de www.guh-schallschutz.de

Schwingungsisolierung

BSW GmbH Am Hilgenacker 24 D-57319 Bad Berleburg Tel. (0 27 51) 803-124 Fax (0 27 51) 803-159 E-Mail: info@berleburger.de Internet: www.bsw-schwingungstechnik.de PUR-Schaum und hochelastischer Polyurethankautschuk zur Schwingungsisolierung

PUR-Schaum und hochelastischer Polyurethankautschuk zur Schwingungsisolierung

G+H Schallschutz GmbH Bürgermeister-Grünzweig-Straße 1 67059 Ludwigshafen Tel.: +49 (0) 6 21/5 02-5 27 Fax: +49 (0) 6 21/5 02-5 73 vi@guh-gruppe.de www.guh-schallschutz.de

Getzner Werkstoffe GmbH Am Borsigturm 11 D-13507 Berlin Tel. (030) 405034-00 Fax (030) 405034-35 E-Mail: info.berlin@getzner.com Internet: www.getzner.com Sylomer / Sylodyn: PUR-Werkstoffe zur Schwingungsisolierung

Fachthemen Ralf Gebauer Michele Bianchi-Janetti Fabian Ochs Wolfgang Feist Martin Kirchmair

DOI: 10.1002/bapi.201710006

Messtechnische Untersuchung der Trocknung und des mikrobiellen Wachstums nach irregulären Feuchtezuständen in Estrichdämmschichten Die Bodenaufbauten von beheizten Massivgebäuden werden fast ausschließlich als Estriche auf Dämmschichten ausgeführt. Diese schwimmenden Estriche sind überwiegend nicht abgedichtet. Tritt ungewollt Wasser in solchen Gebäuden aus, läuft dieses über die Estrich-Randfugen und sonstige Öffnungen in die Dämmschichtebene unter dem Estrich. Stahlbeton-Geschossdecken (und -Bodenplatten) sind meist so dicht, dass das eingedrungene Wasser zunächst zwischen der Geschossdecke und der Dämmschichtebene verbleibt. Ist genügend freie Feuchtigkeit auf den Bauteiloberflächen vorhanden, keimen und wachsen nach kurzer Zeit mikrobiologische Lebewesen. Um solches Wachstum zu beenden bzw. die Auskeimung zu verhindern und weitere negative Einflüsse der Feuchtigkeit auf Bauteile zu vermeiden, werden solche Estriche technisch getrocknet. Die Untersuchung zeigt, dass bei den am häufigsten verwendeten Materialkombinationen eine technische Trocknung von Estrichen auf Dämmschichten nicht sicher und vollständig erreicht wird. Eine mikrobielle Eskalation während der Trocknung ist unvermeidbar. Durch den Einbau einer Ventilationsschicht zwischen der Stahlbeton-Geschossdecke oder -Bodenplatte konnte eine vollständige Trocknung der Dämmplatten erzielt werden. Eine mikrobielle Eskalation hat sich dabei nicht eingestellt. Investigation of floating screed drying and microbial growth after irregular moisture conditions. Floors of heated solid buildings are mostly constructions of screeds with insulation layers underneath. These floating floor screeds are rarely sealed. If a leak occurs, water enters through the joint between walls and screeds and other apertures into the section under the insulation layer. Concrete floors are usually watertight enough to keep this water in the section between the concrete floor and the insulation layer. If there is enough humidity on the surface of the components, the germination and growth of microbiological creatures starts after a short term. To stop such growth, respectively to avoid germination and to prevent damaging effects of humidity to construction components, these floating floor screeds are usually dried technically. This research reveals that – for the most common material assemblies- technical drying of floating floor screeds is not complete proven achievable. A microbial escalation during technical drying is unavoidable. By fitting a ventilation layer between concrete floor and insulation layer, complete drying of the insulation layer was produced. A microbial escalation hasn`t been monitored in this case.

1 Einleitung Allein in der Bundesrepublik Deutschland wurden im Jahr 2015 von den deutschen Versicherern 1,11 Mio. Leitungswasserschäden mit einem Aufwand von 2,065 Mrd. € [1] reguliert. Hinzu kommen die nicht versicherten Schäden. Der Hauptanteil der entstehenden Kosten wird durch die „Reparatur“ schwimmend eingebauter Estriche verursacht. Die durchfeuchteten Dämmschichten unter den Estrichen werden in der Regel durch technische Trocknung (Zwangstrocknung) entfeuchtet. Der Trocknungserfolg ist jedoch nicht nachprüfbar. Ob in diesem Bodenaufbau durch die Befeuchtung eine mikrobielle Eskalation stattgefunden hat, kann letztlich nur durch den Ausbau der Dämmschicht unter dem Estrich ermittelt werden. In diesem Falle wäre jedoch die technische Trocknung wirtschaftlich sinnlos. Ziel der Untersuchung ist zu überprüfen, ob schwimmend eingebaute Estriche auf verschiedenen Dämmschichten grundsätzlich technisch vollständig (bis zur Ausgleichsfeuchte) getrocknet werden können. Es gibt sehr viele denkbare Estrich – Dämmschicht – Kombinationen. Hier wurden nur die am häufigsten vorkommenden Kombinationen mit einem Faserdämmstoff (Mineralwolle, KMF) und einem Schaumkunststoff (expandiertes Polystyrol) unter einem Zementestrich untersucht. Außerdem soll untersucht werden, ob sich im Zuge dieser Trocknung eine mikrobielle Eskalation, insbesondere im Hinblick auf Schimmelpilze, vermeiden lässt.

2 Stand der Trocknungstechnik Zur Trocknung schwimmend eingebauter Estriche wird in der Literatur [2], [3] das Unterdruck/Saugverfahren beschrieben. Es entspricht dem in der Praxis üblichen Verfahren (Bild 1).

3 Methodik 3.1 Experimente zur Estrichtrocknung Zur Beprobung wurde auf dem Freigelände ein Prüfstand mit einer Innenfläche von 2 w 10 m2 errichtet (Bilder 2 und 3). Auf 10 cm dicken XPS-Dämmplatten wurde eine 30 cm dicke Stahlbeton Bodenplatte eingebaut. Die Wände des Prüfstands wurden gemauert. Auf einer Seite wurde ein Tor zum Einbringen der Baustoffe (Dämmstoffe, Zement-

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Bild 1. Unterdruckverfahren schematisch, Estrichaufbau A3 Fig. 1. Low-pressure method, schematical, screed A3

Bild 2. Prüfstand Grundriss, 2 Versuchsfelder je 10 m2 Fig. 2. Test bench, 2 areas each 10 m2

Bild 4. Versuchsfeld A mit wärmegedämmter Messstelle an der Absaugung, Vorabscheider, Seitenkanalverdichter und Strömungsmesseinrichtung Fig. 4. Test ﬁeld A with thermal insulated gauge at the exhaust, pre-seperator, side channel blower and ﬂow meter

ebenheiten der untersuchten Rohbetonoberﬂächen wurden dazu mit einem Oberﬂächenlaser (Bosch GSL 2) vermessen. Vor dem Einbau der Dämmplatten wurde ein Substrat eingestreut und anschließend abgekehrt. Als Substrat wurde das gemischte Kehrgut von 3 Baustellen verwendet. Die Trocknung der Estrichaufbauten wurde mit der OriginalAusrüstung eines in Deutschland und Österreich landesweit tätigen Trocknungsunternehmens realisiert (Bild 4). Bild 3. Prüfstand Schnitt, Messeinrichtungen Fig. 3. Test bench cross section, measuring instrumentation

3.2 Varianten der Beprobung

estrich) eingebaut. Auf den Prüfstand wurde ein Bogendach aus verzinkten Stahlblechprofilen aufgebaut. Die Versuche wurden realitätsnah durchgeführt. Die Rohbetonoberfläche wies eine Unebenheit auf, die etwa dem Durchschnitt von 17 untersuchten Rohbetonflächen (eigene Ermittlung) deutscher Baustellen entsprach. Die Un-

Untersucht wurden die in Deutschland überwiegend ausgeführten Estrichaufbauten: Polystyrol-Dämmplatten oder Mineralwolle-Dämmplatten (KMF) mit Zementestrich. Vom üblichen Aufbau abweichend wurde im Versuchsfeld A3 eine Monoﬁlamentlage (Wirrgelege) unter die EPSDämmplatte eingebaut. Insgesamt wurden 6 Estrichaufbauten untersucht (Tabelle 1).

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Tabelle 1. Aufbau der Estriche in den 6 Versuchsfeldern A1 bis B3 Table 1. Screed constructions in the 6 testing ﬁelds A1 to B3 A1

Zementestrich CT F4, 60 mm

PE-Folie 0,1 mm

Dämmplatten Polystyrol 045 DES sm, 20 mm

Dämmplatten KMF 032 DES sh, 40 mm

Dämmplatten Polystyrol 035 DES sm, 40 mm auf PP Monoﬁlamentlage

Dämmplatten Polystyrol 035 DES sm, 40 mm

Aufbau

Versuchsfeld

3.3 Messprogramm Während der technischen Trocknung wurden folgende Parameter gemessen: – Temperatur und relative Feuchte der Raumluft unmittelbar am Ausgang der Absaugung, unmittelbar über dem Estrich, – Temperatur der Bodenplatte, – Volumenstrom der abgesaugten Luft über ein ca. 3 m langes Rohr (DN 100) mit Messblende und Differenzdrucksensor. Als Sensoren kamen digitale Kombifühler (Ahlborn® FHAD 46-2 für Temperatur und relative Feuchte) und Druckfühler (Ahlborn® FDA602S2K) zum Einsatz. Die Bodenplattentemperatur wurde mit Thermoelementen (Typ K, Klasse 2) und Speichersteckern (Ahlborn® ZA 104SD) gemessen. Die Messdaten wurden in einem Messwerterfassungsmodul (Ahlborn® ALMEMO 8590-9) gesammelt und gespeichert. Das Gewicht einer repräsentativen Anzahl von Dämmplatten wurde vor und nach der Trocknung gemessenen und verglichen. Aus der Stahlbeton-Bodenplatte wurden nach der Messung an jeweils 2 Stellen (etwa in den Drittelspunkten) pro Messfeld 2 Proben ausgebaut. Die Proben wurden vor und nach dem Darren gewogen. Aus den Dämmplatten wurden Proben ausgebaut und zur weiteren mikrobiologischen Untersuchung steril verpackt. Aus den Versuchsfeldern A1 und B1 wurden einzelne Proben (ca. 10 cm · 10 cm) ausgebaut. Aus den Versuchsfeldern A2, B2, A3 und B3 wurden Transekte ausgebaut: Beginnend von der Absaugöffnung in der Mitte des Messfelds wurde diagonal zu einer Ecke des Messfelds ein etwa 5 cm breiter Streifen des jeweiligen Dämmstoffs ausgebaut. Dieser Streifen wurde in 10 cm lange Abschnitte aufgeteilt und mikrobiologisch untersucht. Die Ergebnisse der Klima- und Strömungmessungen an den Versuchsfeldern A1 und B1 konnten nicht verwertet werden. An der Absaugestelle und am Wasserabscheider traten Luftundichtigkeiten auf. Somit war an der Absaugestelle lediglich das Klima eines Luftgemischs aus der Abluft und der Zuluft vorhanden. An der Messblende war ein Gemisch der Volumenströme aus der Abluft und der Nebenluft aus der luftundichten Trocknungs-

einheit vorhanden. Für die Versuchsfelder A2, B2, A3 und B3 wurden diese Luftundichtigkeiten, die in der täglichen Praxis vorhanden sind und toleriert werden, beseitigt.

4 Versuchsdurchführung 4.1 Flutung Nach dem Erhärten der Zementestriche wurden in der Mitte der Estrichplatten Bohrungen (d " 50 mm) bis zur Bodenplatte gesetzt. In diese Bohrung wurde jeweils ein HT-Rohr (d " 40 mm) eingeschoben. Das Rohr wurde zum umgebenden Estrich mit einem Kompriband abgedichtet. An der Rohrunterseite wurden umlaufend dreiecksförmige Ausschnitte erstellt, so dass das Rohr niemals vollständig auf der Rohbetonbodenplatte aufstand. Anschließend wurden die Estrichaufbauten über das Rohr und über die Randdämmstreifen so lange bewässert, bis sich in dem Rohr eine quasi konstante Wassersäule bildete.

4.2 Trocknung Zwei Tage nach der Flutung der Bodenaufbauten wurde über die Bohrungen mit einem Wassersauger so lange abgesaugt, bis kein Wasser mehr an das Bohrloch nachströmte. Der Randdämmstreifen wurde umlaufend im Abstand von etwa 0,5 m mit einer Fugenkelle geöﬀnet. Die dabei entstehenden Öﬀnungen in den Randdämmstreifen waren 10 – 30 mm breit. Anschließend wurden die Trocknung und die Messwerterfassung in Gang gesetzt. Der Aufbau der Trocknung bestand aus: Seitenkanalverdichteter (0,4 kW), Wasserabscheider, Rippenschläuche (Innendurchmesser " 30 mm) und einem T-Stück zur Einbindung des Klimafühlers an der Bohrung im Estrich. Die abgesaugte Luft wurde über die VolumenstromMesseinrichtung nach außen geführt. Während der Trocknung wurde die Raumluft mit einem Kondenstrockner (Fabrikat TROTEC TTK40S) entfeuchtet. Von Trocknungsunternehmen werden übliche Trocknungszeiten der Estrichaufbauten mit 2 Wochen für EPS-Dämmplatten und mit 3 Wochen für KMF-Dämmplatten angegeben. In der Literatur wird die Trocknung als abgeschlossen angesehen, wenn der Wassergehalt der Abluft gleich dem Was-

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Versuchsfeld

Tabelle 2. Trocknungsdauer bis zum Feuchtegleichgewicht Zuluft " Abluft und Gesamtdauer der technischen Trocknung Table 2. Duration of technical drying till humidity balance inlet air " exhaust air and total time of technical drying Zeit bis Gleichgewicht Wassergehalt Zuluft " Abluft

Zeit bis Abbau der Trocknung

ohne Wertung

21 Tage

ohne Wertung

21 Tage

20 Tage

28 Tage

21 Tage

10 Tage

14 Tage

EPS 40 mm Wirrgelege

10 Tage

14 Tage

EPS 40 mm

sergehalt der Zuluft ist [2]. Das war beim Versuchsfeld A2 nach 20 Tagen, beim Versuchsfeld B2 nach 21 Tagen und bei den Versuchsfeldern A3 und B3 nach 10 Tagen der Fall (Tabelle 2). In den Versuchsfeldern A1 und B1 wurde die Trocknung nach 3 Wochen beendet. Um die mögliche Entwicklung einer mikrobiellen Eskalation bei einer längeren Trocknungszeit zu untersuchen, wurde im Versuchsfeld A2 die Trocknungszeit gegenüber dem Versuchsfeld B2 um 1 Woche verlängert. In den übrigen Fällen wurden die üblichen Trocknungsdauern von 2 bzw. 3 Wochen eingehalten.

5 Experimentelle Ergebnisse 5.1 Messung der Luftfeuchten und Volumenströme Während der Trocknung wurden in der Zuluft (Raumluft) und in der Abluft direkt am Austritt an der Kernbohrung in Raummitte die Temperatur und die relative Feuchte gemessen. Über den näherungsweisen Wasserdampfpartialdruck im Sättigungsbereich [4] mit

(

Psat = 288, 68 Pa ⋅ 1, 098 + Θ /100 °C

)

8,02

(1)

Aufbau Dämmschicht EPS 20 mm KMF 40 mm

und Multiplikation mit der gemessenen relativen Feuchte + erhält man den Wasserdampfpartialdruck p. Über die ideale Gasgleichung p = ρv ⋅ R v ⋅ T

(2)

mit Wv Wasserdamfkonzentration [kg/m3] Rv Gaskonstante des Wasserdampfes " 461,5 J/kg · K ergibt sich die Wasserdampfkonzentration der Zuluft bzw. Abluft. Über den Vergleich der Wasserdampfkonzentration der Zuluft (Raumluft) mit der Wasserdampfkonzentration der abgesaugten Luft (Abluft) ist erkennbar, ob eine Entfeuchtung des Estrichaufbaus stattﬁndet. Durch Subtraktion der Wasserdampfkonzentrationen der Zuluft von der Wasserdampfkonzentrationen der Abluft ergibt sich der Unterschiedsbetrag, im Folgenden mit )uv bezeichnet. An ihm kann abgelesen werden, ob zu einem beliebigen Zeitpunkt eine Entfeuchtung des Estrichaufbaus stattﬁndet ()uv # 0). Die Messwerte wurden im 15-min-Abstand erfasst und gespeichert. Für alle folgenden Diagramme wurden daraus 30-min-Mittelwerte errechnet (Bilder 5 und 6).

Bild 5. Trocknungsverlauf, Wasserdampfkonzentration Abluft (blau), Zuluft (rot) und deren Differenz (grün), Estrichaufbau A2, KMF 40 mm Fig. 5. Concentration of water vapour during technical drying in exhaust air (blue), inlet air (red) and difference (green), screed construction A2, mineral fibre 40 mm

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Bild 6. Trocknungsverlauf, Wasserdampfkonzentration Abluft (blau), Zuluft (rot) und deren Diﬀerenz (grün), Estrichaufbau B3, EPS 40 mm Fig. 6. Concentration of water vapour during technical drying in exhaust air (blue), inlet air (red) and diﬀerence (green), screed construction B3, EPS 40 mm

Bild 7. Kumulierte Feuchteströme der Estrichaufbauten A2 – B3, Halbstunden-Mittelwerte Fig. 7. Accumulated humidity ﬂow in screed construction A2 – B3, half-hourly mean value

Die abgesaugte Luft wurde in Strömungsrichtung hinter dem Seitenkanalverdichter durch ein ca. 3 m langes, glattwandiges Rohr DN 100 geleitet. In dieses Rohr war eine Messblende (Fabrikat Systemair SPI 100) eingebaut. Durch Messen der Drücke vor- und hinter der Messblende wurde der Volumenstrom ermittelt. Durch Multiplikation der Diﬀerenz der Wasserdampfkonzentrationen (Zu- und Abluft), auf 0,5-Stundenwerte gemittelt, mit dem zugehörigen Volumenstrom wurde der Feuchtestrom errechnet [5] (Bild 7). Extrapoliert man die Kurven der Feuchteströme, ist erkennbar, dass im Versuchsfeld A2 eine vollständige Trocknung nahezu erreicht ist. Für die übrigen Versuchsfelder ist eine vollständige Trocknung noch nicht erreicht, obwohl die Diﬀerenz der Wasserdampfkonzentration )uv zumindest abschnittsweise ! 0 war. Setzt man einen asymptotischen Verlauf der weiteren Trocknung voraus, ergeben sich wesentlich längere Trocknungszeiten, als sie in der Praxis üblich sind. Für die Versuchsfelder A1 und B1

erfolgt hier keine Auswertung, da die Messergebnisse wegen der angesaugten Nebenluft nicht verwertet werden konnten.

5.2 Messung der Bauteilfeuchten Vor Versuchsbeginn wurde der Wassergehalt der Stahlbeton-Bodenplatte an 2 Stellen mit 3,9 Masse-% bestimmt. Nach dem Ausbau der Dämmplatten wurden die Wassergehalte der Stahlbeton-Bodenplatte wiederum an 2 Stellen je Messfeld (Probe I und Probe II) bestimmt (Tabelle 3). Dazu wurden im oberﬂächennahen Bereich (bis 10 mm Tiefe) Proben ausgebaut und durch Darren gravimetrisch bestimmt. Die Wassergehalte # 4,0 Masse-% sind rot markiert. Die Dämmplatten wurden vor dem Einbau und nach dem Ausbau gewogen. Die Zunahme des Gewichts wurde als Zunahme des Wassergehalts interpretiert.

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Versuchsfeld

Tabelle 3. Wassergehalte der Stahlbeton-Bodenplatte und Zunahme der Wassergehalte der Dämmplatten nach Beendigung der Trocknung Table 3. Water contents of the concrete ﬂoor slab and increase of water contents of the insulation layers after end of technical drying Wassergehalt StahlbetonBodenplatte [Masse%]

Zunahme d. Wassergehalts d. Dämmplatten [Masse %]

Probe I

Probe II

Mittelwert

Min.

Max.

StandardAbweichung

3,9 %

6,4 %

19 %

49 %

19 %

5,4 %

3,1 %

–3 %

25 %

3,6 %

3,2 %

53 %

48 %

60 %

4,0 %

5,3 %

38 %

17 %

84 %

21 %

3,8 %

3,6 %

–1 %

EPS 40 mm Wirrgelege

4,4 %

3,8 %

20 %

26 %

EPS 40 mm

Aufbau Dämmschicht EPS 20 mm KMF 40 mm

Die Ergebnisse der gravimetrischen Feuchtebestimmungen decken sich mit den dunkel gefärbten Bereichen der Stahlbeton-Bodenplatte, unmittelbar nach dem Ausbau der Dämmplatten (Bild 8). Die in den Bildern 5 und 6 dargestellten Wasserdampfkonzentrationen zeigen, dass eine anfänglich starke Entfeuchtung der Estrichaufbauten stattfindet. Bei den EPS-Dämmstoffen verläuft diese relativ linear bis zum Feuchtegleichgewicht ()uv " 0). Bei den KMF- Dämmstoffen ist nach einem etwa konstanten Feuchteaustrag in den ersten 9 Tagen eine asymptotisch abnehmende Trocknungsrate zu beobachten. In der Zeit nach Erreichen des Feuchtegleichgewichts wechseln sich Abschnitte der Wiederauffeuchtung mit Abschnitten der Trocknung ab. Diese Abschnitte entsprechen etwa den Klimaänderungen der Tagesganglinie. Das Maß der Wiederauffeuchtung hängt von der Höhe der Temperaturdifferenz zwischen der Stahlbeton-Bodenplatte und der Taupunkttemperatur der Zuluft ab. Bei wechselnden Klimarandbedingungen ist also ein Wechsel zwischen Trocknung und Wiederauffeuchtung zu erwarten.

5.3 Mikrobiologische Auswertung Grenz- oder Richtwerte zur mikrobiellen Belastung von Baustoﬀen sind nur sehr eingeschränkt vorhanden. Meist wird die „Handlungsempfehlung zur Beurteilung von Feuchteschäden in Fußböden“ vom UBA [6] herangezogen. In dieser wird von einer eindeutigen Besiedlung mit Mikroorganismen einer Materialprobe (EPS, KMF) dann gesprochen, wenn die Schimmelpilzkonzentration über 105 KbE/g liegt. Von einer geringen Besiedelung wird dann gesprochen, wenn die Schimmelpilzkonzentrationen zwischen 104 KbE/g und 105 KbE/g liegen. Für Bakterien gibt es keine vergleichbaren Angaben. Vorproben In den EPS- Dämmplatten waren vor dem Einbau keine koloniebildenden Einheiten (KbE) von Pilzen nachweisbar. Bakterien waren in einer Dichte von 1,0 · 105 KbE/g (25 °C, 48 Std.) bzw. in einer Dichte von 9,8 · 102 KbE/g (37 °C, 24 Std.) nachweisbar. In den KMF- Dämmplatten konnte vor dem Einbau Penicillium spp. in einer Dichte

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Bild 8. Bodenplatte Versuchsfeld A1 (oben) und B2 (unten) unmittelbar nach dem Ausbau der Dämmplatten; dunkle Bereiche: feucht Fig. 8. Floor of test ﬁeld A1 (top) and B2 (bottom) shortly after removing the insulation layer; dark spots: wet ﬂoor

von 4,9 · 102 KbE/g nachgewiesen werden. Sonst waren keine KbE von Pilzen nachweisbar. Bakterien waren nicht nachweisbar. Im eingestreuten Substrat (Baustaub) konnten Penicillium spp. in einer Dichte von 5,4 · 104 KbE/g

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Bild 9. Bodenplatte Versuchsfeld A3 beim Ausbau unmittelbar nach dem Trocknungsende, Wirrgelege (schwarz) unter unverfärbten EPS-Dämmplatten Fig. 9. Floor of test ﬁeld A3 during removal, shortly after end of drying, monoﬁlament-layer (black) under unstained EPS-insulation layer

(MEA) nachgewiesen werden. Sonst waren keine KbE (Pilze) nachweisbar. Die Bakteriendichte lag bei 8,0 · 105 KbE/g (25 °C, 48 Std.) bzw. bei 6,8 · 105 KbE/g (37 °C, 24 Std.). Bakterielle Keimdichten der Dämmplatten (Bild 10, Tabelle 4) Die Auswertung (nach Trocknung der Estrichaufbauten) ergab eine hohe Anzahl von KbE in den Versuchsfeldern A2, B2 (KMF) und B3 (EPS). Im Versuchsfeld A2 wurden Keimdichten von über 1,0 ·109 KbE erreicht. Das entspricht in etwa der Keimdichte in Stallmist [7]. Die Verteilung der Keimbelastung war eratisch. Die Einzelproben wiesen unabhängig von den erhobenen Parametern (Position der Probe im Versuchsfeld, Trockengewicht der Probe, etc.) innerhalb der jeweiligen Versuchsfelder A2, B2 und B3 hohe Variabilität auf. Im Versuchsfeld A3 (EPS mit Wirrgelege) wurden relevante Dichten an Bakterien (# 1,0 · 104 KbE/g) nur direkt am Bohrloch nachgewiesen. Schimmelpilzdichten der Dämmplatten (Bild 11, Tabelle 5) Bei allen Versuchsfeldern ist ebenfalls eine unregelmäßige Verteilung der Keimdichte vorhanden, diese wiesen eine hohe Variabilität auf. In mit Schimmelpilzen besiedelten Proben (Keimdichten # 104) waren die Gattung Acremo-

Bild 10. Bakterielle Belastung in den Versuchsfeldern (Mediane), Angaben in KbE/g Trockengewicht; oben: Bebrütung bei 25 °C für 48 Std.; unten: Bebrütung bei 37 °C für 24 Std. A2, B2: KMF; A3: EPS mit Wirrgelege, B3: EPS (beachte: logarithmischer Maßstab) Fig. 10. Bacterial contamination in test fields (median); indication in Colony forming units per gram (CFU/g) dry weight; top: Incubation at 25 °C/48; bottom: Incubation at 37 °C/24 h. A2, B2: mineral fibre; A3: EPS with monofilament layer; B3: EPS (Notice: logarithmic plotting)

nium spp. und Hefen vorherrschend. Es sind dies Pilze, die relativ hohe Ansprüche an die Substratfeuchte haben [8]. Im Versuchsfeld A2 (KMF) konnten Schimmelpilzdichten bis zu 1,0 · 106 KbE/g nachgewiesen werden (MEA 25 °C). Die Keimdichten sind in Tabelle 5 und Bild 11 zusammengefasst. Die Besiedelung des Versuchsfeldes A2 ist nach den Kriterien des Umweltbundesamt (UBA) [6] als „eindeutig besiedelt“ zu bewerten. Die Besiedelung des Versuchsfeld B2 ist nach den Kriterien des UBA als „gering besiedelt“ zu bewerten. Die Ursache der unterschiedlichen Besiedelungsdichte ist oﬀensichtlich in der längeren Trocknungs-

Tabelle 4. Bakteriendichten der Versuchsfelder, Angaben in KbE/g Trockengewicht (Median t (Q3-Q2)/2) Table 4. Bacterial CFU counts of testing ﬁelds, indication in CFU/g dry weight (median t (Q3-Q2)/2)

Bakterien 25 °C

Bakterien 37 °C

Versuchsfeld A2

Versuchsfeld B2

Versuchsfeld A3

Versuchsfeld B3

1,3 · 109

1,8 · 106

! 5,0 · 102

1,6 · 106

t 8,0 ·

108

t 2,2 ·

105

t 2,50 ·

102

t 7,0 · 105

5,3 · 107

1,1 · 105

2,5 · 102

1,6 · 105

t 4,9 · 107

t 2,7 · 105

t 6,2 · 102

t 1,3 · 105

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Bild 11. Belastung durch Schimmelpilze in den Versuchsfeldern (Mediane), Angaben in KbE/g Trockengewicht (beachte: logarithmischer Maßstab) Fig. 11. Mould contamination in test ﬁelds (median); indication in CFU/g dry weight (Notice: logarithmic plotting)

Tabelle 5. Schimmelpilzdichten der Versuchsfelder, Angaben in KbE/g Trockengewicht (Median t (Q3-Q2)/2) Table 5. Mould CFU counts of testing ﬁelds, indication in CFU/g dry weight (median t (Q3-Q2)/2) Versuchsfeld A2 MEA 37 102

Versuchsfeld B2

MEA 25 105

DG 18 105

102

MEA 25 104

DG 18 8,0 · 103

Acremonium spp.

! 5,0 ·

Aspergillus spp.

! 5,0 · 102

A. glaucus-Gruppe

! 5,0 · 102

102

! 5,0 · 102

7,2 ·

! 5,0 · 102

Cladosporium spp.

! 5,0 · 102

102

Penicillium spp.

! 5,0 ·

Myzelia sterilia

! 5,0 · 102

Pilze gesamt

! 5,0 ·

102

6,6 ·

! 5,0 · 102 7,8 ·

104

! 5,0 ·

! 5,0 · 102 2,7 ·

104

! 5,0 ·

1,6 ·

Chaetomium spp.

103

! 5,0 ·

102

! 5,0 ·

8,4 ·

A. versicolor

Hefen

! 5,0 ·

1,5 ·

103

! 5,0 · 102

102

! 5,0 ·

1,5 · 103 ! 5,0 · 102 5,0 · 102

! 5,0 · 102

8,5 · 105

9,0 · 105

! 5,0 · 102

2,4 · 104

t 5,0 · 103

t 4,5 · 105

t 5,2 · 105

! 5,0 · 102

t 1,9 · 104

t 1,6 · 104

Versuchsfeld A3 MEA 37 102

Versuchsfeld B3

MEA 25 102

DG 18 102

MEA 37 102

MEA 25 103

DG 18 3,2 · 103

Acremonium spp.

! 5,0 ·

Aspergillus spp.

! 5,0 · 102

A. glaucus-Gruppe

! 5,0 · 102

1,0 · 103

102

! 5,0 · 102

! 5,0 ·

Chaetomium spp.

! 5,0 · 102

Cladosporium spp.

! 5,0 · 102

102

2,5 · 102

Myzelia sterilia

! 5,0 · 102

Hefen

! 5,0 · 102

2,5 · 102

! 5,0 · 102

! 5,0 ·

! 5,0 · 102

2,5 ·

t 6,2 · 102

5,0 ·

102

t 6,3 · 102

zeit (s. Abschn. 4.2) zu suchen. Alle übrigen Randbedingungen der Versuchsfelder A2 und B2 waren identisch. Die Besiedelung der Versuchsfelder A3 und B3 ist nach den Kriterien des UBA als „nicht besiedelt“ zu bewerten. Allerdings geht hier das UBA von durchschnittlich kontaminiertem Material aus. Vergleicht man die Keimdichten der

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5,0 ·

102

t 1,0 · 103

1,0 ·

103

! 5,0 ·

102

! 5,0 ·

Penicillium spp.

102

! 5,0 ·

3,2 ·

! 5,0 ·

A. versicolor

Pilze gesamt

MEA 37

6,2 ·

103

t 2,2 · 103

8,7 · 103 t 5,3 · 103

EPS-Dämmplatten mit dem Einbauzustand („keine Besiedelung nachweisbar“), so ist klar, dass Schimmelpilze auf den Dämmplatten gewachsen sind. Zu beachten ist in diesem Zusammenhang, dass im Versuch nur 2 Tage nach dem simulierten Wasserschaden mit der Trocknung begonnen wurde. Diese Zeitspanne ist unüblich kurz. Bei länge-

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rer Verweildauer der Feuchte im Estrichaufbau (Zeit zwischen Wasserschaden und Trocknungsbeginn) ist mit einer dichteren Besiedelung zu rechnen. Die Artenzusammensetzung der im Baustaub vorhandenen Keime weist keine Korrelation mit den auf den Dämmplatten vorherrschenden Arten auf. Betrachtet man die Mediane der Bakterienbelastung (Tabelle 4) und Pilzbelastung (Tabelle 5) der Dämmstoffplatten, so wird deutlich, dass, unabhängig vom Trocknungsgrad, in allen Fällen außer dem Versuchsaufbau A3 eine mikrobielle Eskalation stattgefunden hat. Die höheren Keimdichten der KMF-Dämmstoffplatten waren zu erwarten: Die angezüchteten Bakterien und Schimmelpilze haften an den Oberflächen der Dämmstoffplatten an. Die Oberflächen der KMFDämmplatten sind wesentlich größer als die Oberfläche der EPS-Dämmplatten (bezogen auf die Bauteilgröße).

6 Zusammenfassung und Schlussfolgerung Die Entfeuchtung des Estrichaufbaus durch die technische Trocknung im Unterdruckverfahren wurde nach etwa 2 Wochen (EPS) bzw. 3 Wochen (KMF) abgeschlossen. Die Menge des so ausgetragenen Wassers war jedoch bei KMFDämmplatten unterschiedlich groß (Bild 7). In keinem der Versuche, mit Ausnahme des Versuchsfeldes mit Wirrgelege (A3), waren alle Dämmstoffplatten trocken. Die Verteilung der unter den Dämmstoffplatten verbliebenen Feuchte war stark unterschiedlich. Unmittelbar neben quasi trockenen Dämmstoffplatten waren Dämmstoffplatten mit großem Feuchtegehalt vorhanden. Aus der Verteilung der verbliebenen Feuchte unter den Dämmstoffplatten konnte kein geometrischer Bezug zur Absaugstelle oder den Mauerwerkswänden hergestellt werden. Daraus ist zu schließen, dass eine vollständige Trocknung der EPS- und KMF-Dämmstoffplatten nicht sicher möglich ist. Die Versuchsrandbedingungen hinsichtlich der Vermeidung mikrobiellen Wachstums waren dabei „günstig“ gewählt worden: Flutung mit Leitungswasser, Trocknungsbeginn bereits 2 Tage nach Flutung, schlecht verwertbares Substrat (Substratgruppe II) [9], Ausbau der Dämmstoffplatten kurz nach dem Ende der technischen Trocknung. Dennoch fand in allen Versuchsfeldern, außer dem Versuchsfeld mit Wirrgelege (A3) eine mikrobielle Eskalation statt. Daraus ist zu schließen, dass sich eine mikrobielle Eskalation der EPS- und KMF-Dämmstoffplatten unter den realistisch gewählten Versuchsbedingungen nicht vermeiden lässt. Die Vorbelastung der Bodenplatte mit Keimen spielt dabei offenbar keine Rolle. Ungeklärt sind derzeit die Fragen, wie die abgesaugte Luft im Estrichaufbau strömt und weshalb die Dämmstoff-

platten so unterschiedlich trocknen. Derzeit wird mit einer hygrothermische Simulation versucht, diese Fragen zu beantworten. Zur Vermeidung einer mikrobiellen Eskalation wird vorgeschlagen, die Wirksamkeit des Einbaus eines Wirrgeleges unter den Dämmplatten weiter zu untersuchen. Literatur [1] GDV – Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft e.V., „http://www.gdv.de/zahlen-fakten/schaden-undunfallversicherung/wohngebaeudeversicherung/#schaeden-jegefahr,“ 15 11 2016. [Online]. Available: 16:40. [2] Hankammer, G., Resch, M., Böttcher, W.: Bautrocknung im Neubau und Bestand: Technik, Geräte, Praxis. Köln: Verlagsgesellschaft Rudolf Müller GmbH&Co. KG, 2014. [3] WTA-Merkblatt 6-15: Technische Trocknung von durchfeuchteten Bauteilen, Teil 1: Grundlagen. Stuttgart: Fraunhofer IBR Verlag, 2013. [4] Willems, W.: Lehrbuch der Bauphysik: Schall, Wärme, Feuchte, Licht, Brand, Klima. Wiesbaden: Springer Vieweg, 2013. [5] Lohmeyer, G., Post M.: Praktische Bauphysik. Wiesbaden: Springer Vieweg, 2013. [6] Leitfaden zur Vorbeugung, Erfassung und Sanierung von Schimmelbefall in Gebäuden (Entwurf). Umweltbundesamt, Dessau, 2016. [7] Zehntner, G., Pfundner, E., Humer, J.: Qualität von Abfällen aus Biogasanlagen. Monographies 160. Umweltbundesamt, Dessau, 2002. [8] Dillon, H. K., Heinsohn, P., Miller, J. D.: Field Guide for the Determination of Biological Contaminants in Environmental Samples. Amer Omdustrial Hygiene Assn., 2005. [9] Sedlbauer, K., Krus, M., Zillig, W.: Vorhersagemodell zur Schimmelpilzbildung bei instationärem Klima – Praktische Beispiele. Nürnberg: Fraunhofer Institut für Bauphysik, 2002.

Autoren dieses Beitrages: Dipl.-Ing. (Univ) Ralf Gebauer, rg@gebauer-ingenieure.de Sachverständige Gebauer-Ingenieure Schöffelhuberstraße 16, 82362 Weilheim Dipl.-Ing. Dr. techn. Michele Bianchi-Janetti, michele.janetti@uibk.ac.at Dr.-Ing. Fabian Ochs, fabian.ochs@uibk.ac.at Univ.-Prof. Dipl.-Phys. Dr.-Ing. Wolfgang Feist, wolfgang.feist@uibk.ac.at Universität Innsbruck Institut für Konstruktion und. Materialwissenschaften AB Energieefﬁzientes Bauen Technikerstraße 13, 6020 Innsbruck/Österreich Priv.-Doz. Mag. Dr. Martin Kirchmair, martin.kirchmair@uibk.ac.at Universität Innsbruck Institut für Mikrobiologie Technikerstraße 25, 6020 Innsbruck/Österreich

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Fachthemen Sven Kaudelka Sebastian Hauswaldt

DOI: 10.1002/bapi.201710007

Untersuchungen zum Brandverhalten EPS-basierter Wärmedämmverbundsysteme bei Brandbeanspruchungen im Sockelbereich (Teil 1) Aufgrund einer Häufung von Brandereignissen an EPS-basierten Wärmedämmverbundsysteme (WDVS) analysierte eine von der Bauministerkonferenz einberufene Projektgruppe gesammelte Brandereignisse. Im Ergebnis wurde festgestellt, dass brennende Abfallbehälter oder Kraftfahrzeuge im Sockelbereich von EPS-basierten WDVS eine Gefahr darstellen können. Daraufhin wurde ein Forschungsvorhaben initiiert, das auszugsweise im Rahmen dieses Artikels als Teil 1 vorgestellt wird. Ziel war, das Brandverhalten dieser WDVS durch Brandbeanspruchungen von Außenbrandszenarien zu untersuchen. Dazu wurde ein Brandszenario („Sockelbrandszenario“) entwickelt, bei dem eine repräsentative Brandlast für realmaßstäbliche Großbrandversuche definiert wurde. In Folge der Brandprüfungen wurden konstruktive Brandschutzmaßnahmen an EPS-basierten WDVS untersucht und für die Zulassung als schwerentflammbares WDVS zwingend vorgeschrieben. Das Sockelbrandszenario wird im Rahmen der Muster-Verwaltungsvorschrift Technische Baubestimmungen (MVV TB) fest verankert. Dadurch wird die brandschutztechnische Untersuchung von WDVS auf Grundlage eines repräsentativen Brandszenarios ermöglicht. In Teil 2 wird eine Schutzzielbetrachtung vorgenommen. Lösungen sowie deren technische Umsetzbarkeit werden diskutiert. Investigation of the fire behavior oy polystyrene based ETICS during external fire tests (Part 1). Due to fire incidents with EPSbased ETICS, a project group convened by the German building ministries (Bauministerkonferenz) analyzed collected fire incidents. As a result, it has been found that burning waste containers or motor vehicles in the base area of EPS-based ETICS can constitute a risk. A research project was initiated, which is presented in this article (part 1). The aim was to investigate the fire behavior of these ETICS by means of fire exposure. For this purpose, an external fire scenario (“Sockelbrandszenario” fire to plinth) was developed in which a representative fire load was defined for large-scale fire tests. As a result, constructive fire protection measures on EPS-based ETICS were investigated and obligatory for approval as flame-retardant ETICS. The pedestal fence scenario is firmly anchored within the scope of the model administrative regulation Technical Building Regulations (MVV TB). This enables the fire protection technology of ETICS based on a representative fire scenario. Part 2 of the article provides a protection objective. Solutions and their technical feasibility are discussed.

1 Einleitung EPS-basierte Wärmedämmverbundsysteme (WDVS) benötigen für die Verwendung als Außenwandbekleidung in der Bundesrepublik Deutschland eine Zulassung des Deutschen Instituts für Bautechnik (DIBt). Voraussetzung hierfür ist, dass die Außenwandbekleidung durch Laborprüfungen die nationale Baustoffklassifizierung schwerentflammbar B1 nach DIN 4102 1 [1] erreicht. Diese ist gemäß den Landesbauordnungen der deutschen Bundesländer für Oberflächen von Außenwänden sowie Außenwandbekleidungen von Gebäuden der Gebäudeklassen 4 und 5 bis zur Hochhausgrenze einschließlich der Dämmstoffe und Unterkonstruktionen schwerentflammbar vorgeschrieben. Für die Zulassung von WDVS mit einer Dämmstoffdicke des EPS über 100 mm werden Brandversuche im Maßstab 1:1 zur weiteren Beurteilung und Verifizierung des Brandverhaltens nach E DIN 4102-20 [20] gefordert. Dabei wirken Flammen aus einer Öffnung auf eine Außenwandbekleidung, insbesondere auf den Sturzbereich, ein. Als Brandquelle wird eine vergleichsweise kleine, ca. 30 kg schwere Holzkrippe oder ein Gasbrenner mit ähnlich geringer Wärmefreisetzungsrate verwendet. Aufgrund einer Häufung von Brandereignissen an EPS-basierten WDVS analysierte eine von der Bauministerkonferenz einberufene Projektgruppe von der Feuerwehr gesammelte Brandereignisse. Im Ergebnis wurde festgestellt, dass brennende Abfallbehälter oder Kraftfahrzeuge im Sockelbereich von EPS-basierten WDVS eine Gefahr darstellen können. Daraufhin wurde ein Forschungsvorhaben [3] mit dem Ziel initiiert, das Brandverhalten dieser WDVS durch Brandbeanspruchungen von Außenbrandszenarien zu untersuchen. Dazu wurde ein Brandszenario („Sockelbrandszenario“) entwickelt, bei dem eine repräsentative Brandlast für Großbrandversuche im Maßstab 1:1 definiert wurde. In Folge der Brandprüfungen wurden konstruktive Brandschutzmaßnahmen an EPS-basierten WDVS untersucht und für die Zulassung als schwerentflammbares WDVS zwingend vorgeschrieben. Dieses Sockelbrandszenario wird nun im bauaufsichtlichen Verfahren im Rahmen der Muster-Verwaltungsvorschrift Technische Baubestimmungen (MVV TB) fest verankert. Dadurch wird die brandschutztechnische Untersuchung von WDVS auf Grundlage eines repräsentativen Brandszenarios ermöglicht. Welche Schutzziele hinsichtlich des Brandverhaltens in der konkreten Einbausituation

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Tabelle 1. Experimentelles Design zur Untersuchung des Brandverhaltens von Abfallbehältern Table 1. Test Design to investigate the ﬁre behavior of waste containers Versuch

Anzahl der Abfallbehälter

Füllung der Abfallbehälter

Papier

Kunststoﬀ

1 w Papier, 1 w Kunststoﬀ

Bild 1. Auswertung von 67 Brandereignissen an EPS-basierenden WDVS nach Ort der Brandentstehung und Anzahl, Bild nach [4] Fig. 1. Analysis of 67 captured ﬁre incidents at polystyrene based ETICS separated into location of ignition and quantity, Figure by [4]

erreicht werden müssen, ist jedoch noch nicht festgelegt. In Teil 2 werden daher mögliche Schutzziele betrachtet. Untersuchungsmethoden sowie deren technische Umsetzbarkeit werden diskutiert.

2 Repräsentatives Brandszenario 2.1 Untersuchungsziel Eine Auswertung von Brandereignissen wurde mit dem Ergebnis durchgeführt, dass Brände außerhalb eines Gebäudes, direkt an der oder in unmittelbarer Nähe der Fassade, mit 56 % den häufigsten Ort der Brandentstehung darstellen [4]. Dazu zählen insbesondere Brände von Abfallbehältern, Sperrmüll und Kraftfahrzeuge (Bild 1). Insbesondere Abfallbehälter stellen dabei mit insgesamt 30 % die häufigste Brandlast dar. Ziel der Untersuchung war die Definition eines repräsentativen Brandszenarios, welches hinsichtlich der zeitlichen Entwicklung des Brandverhaltens sowie der maximalen Energiefreisetzung die häufigsten, zuvor genannten Brandlasten vor der Fassade abdeckt.

2.2 Untersuchungsmethode Zur Untersuchung der Energiefreisetzungen von realen Brandlasten vor Fassaden wurden Brandversuche der MFPA Leipzig GmbH herangezogen und ausgewertet. Ergänzend wurden Brandversuche mit unterschiedlich befüllten Abfallbehältern durchgeführt. Tabelle 1 zeigt das experimentelle Design der ergänzenden Brandversuche, Bild 2 die gefüllten Abfallbehälter. Ausgehend von der theoretisch maximalen Energiefreisetzung eines mit Kunststoﬀ gefüllten Abfallbehälters von ca. 2,4 MW und unter Berücksichtigung von Erfahrungswerten wurde eine 200 kg schwere Holzkrippe zur Untersuchung für die Verwendung als repräsentative Brandlast vorgeschlagen. Sie bestand aus Fichtenholzstäben (Rohdichte 475 t 25 kg/m3) mit einem Querschnitt

Bild 2. Abfallbehälter zur Untersuchung des Brandverhaltens; links: Abfallbehälter mit Papierfüllung, rechts: Abfallbehälter mit Kunststoﬀfüllung Fig. 2. Investigated ﬁre behavior of waste containers; left: waste container with paper, right: waste container with plastics

von 4 cm w 4 cm und einer Länge von 110 cm. Die Holzstäbe wurden in wechselnden Lagen derart aufgeschichtet, dass eine 1,1 m w 1,1 m w 0,8 m (L w B w H) große Holzkrippe entstand. Daraus ergab sich ein Holz-Luft-Verhältnis von ca. 1:1. Bild 3 zeigt den systematischen Aufbau der Holzkrippe. Die Zündung der Holzkrippe erfolgte durch vier Brandwannen (Breite 25 mm, Länge 1100 mm, Höhe 20 mm), die in die zweite Lage der Holzkrippe eingeschoben wurden. Jede der 4 Brandwannen wurde mit 400 ml Isopropanol gefüllt. Die Zündung des Brennstoﬀs in den vier Brandwannen erfolgte binnen 20 s. Insgesamt wurden drei baugleiche Holzkrippen im Hinblick auf ihre Energiefreisetzung in Form von Temperaturen und deren Massenabbrand untersucht. Zur Vergleichbarkeit der Energiebreisetzungen in Form von Temperaturen zwischen realer und gewählter repräsentativer Brandlast wurden diese unmittelbar über der jeweiligen Brandlast sowie in unmittelbarer Umgebung (wandnaher Bereich) gemessen. Die Temperaturmessung erfolgte mit Mantelthermoelementen (1,5 mm; Typ K).

2.3 Ergebnisse Bild 4 zeigt die gemessenen Temperaturen über den realen Brandlasten (Abfallbehälter) und der gewählten

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2.4 Schlussfolgerungen

Fig. 3. Aufbau der Holzkrippe (200 kg); links: Holzkrippe vor einem WDVS unmittelbar vor der Prüfung, rechts: Aufriss (Quelle: MFPA Leipzig GmbH) Fig. 3. Construction of the wood crib (200 kg); left: wood crib next to a ETICS, right: front view (scource: MFPA Leipzig GmbH)

repräsentativen Brandlast (Holzkrippe). Sowohl in den Phasen der Brandentstehung und -entwicklung als auch in den Vollbrandphasen weisen die gemessenen Temperaturen über der Holzkrippe überwiegend höhere Werte als die der jeweiligen Abfallbehälter auf. Zusätzlich unterscheiden sich die holzkrippenbezogenen Temperaturverläufe zugunsten der Reproduzierbarkeit deutlich von den abfallbehälterbezogenen Temperaturverläufen. Bild 5 zeigt die Temperaturmessungen im wandnahen Bereich in Form von Isothermen. Sowohl in der Breite als auch in der Höhe des Versuchsstandes stellen sich deutlich höhere Temperaturen durch die Verbrennung der Holzkrippe als durch die Verbrennung der Abfallbehälter ein.

Unter Berücksichtigung des massenbezogenen Abbrandes und der holzspezifischen Verbrennungswärme erreicht die Holzkrippe eine theoretische maximale Energiefreisetzungsrate von ca. 3,0 MW. Die Vorgabe einer zu definierenden Brandlast mit einer Wärmefreisetzung von ca. 2,4 MW wurde damit erfüllt. Im Hinblick auf den zeitlichen Verlauf der Energiefreisetzung in Form von Temperaturen sowie den Maximalwert der Energiefreisetzung in Form von Temperaturen deckt die Holzkrippe die untersuchten Abfallbehälter ab. Auch Energiefreisetzungen von üblichen kleineren Sperrmüllansammlungen oder Kleinfahrzeugen werden unter Berücksichtigung der eingangs erwähnten herangezogenen Brandversuche hinsichtlich der Temperaturen abgedeckt [5]. Das untersuchte Szenario wird demzufolge als repräsentativ angenommen. Es stellt sicher, dass eine Außenwandbekleidung durch eine mindestens ähnliche Beanspruchung wie durch einen mit Papier oder Kunststoff gefüllten Abfallbehälter geprüft wird. Für die Untersuchung des Brandverhaltens EPS-basierter Wärmedämmverbundsysteme (WDVS) bei Brandbeanspruchungen im Sockelbereich wurde daher die Holzkrippe als repräsentative Brandlast definiert und im Rahmen des Sockelbrandszenarios eingeführt. Das Szenario stellt darüber hinaus aufgrund des charakteristischen Abbrandverhaltens von Holz in Krippenform eine hohe Reproduzierbarkeit sicher.

3 Brandverhalten von WDVS 3.1 Untersuchungsziel Ziel der Untersuchung war die Prüfung des Brandverhaltens EPS-basierter WDVS durch Brandbeanspruchung von Brandlasten, die sich im Außenbereich vor der Fassade beﬁnden können. Dazu wurde das Sockelbrandszenario, welches im Abschnitt zuvor beschrieben wurde, herangezogen.

Bild 4. Temperaturen über den realen Brandlasten (Abfallbehälter) und der gewählten repräsentativen Brandlast (Holzkrippe) in Abhängigkeit der Zeit Fig. 4. Temperatures obove real ﬁre loads (waste container) and the representiv ﬁre load (wood crib) in dependence on time

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Bild 5. Vergleich der wandnahen Temperaturen in Abhängigkeit der Brandlast und der Zeit Fig. 5. Comparison of near-wall temperatures in dependence of ﬁre loads and time

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Tabelle 2. Experimentelles Design zur Untersuchung des Brandverhaltens EPS-basierter WDVS bei Brandbeanspruchung im Sockelbereich Table 2. Test design to investigate the ﬁre behavior of polystyrene based ETICS during the external ﬁre test Grundversuch

Aufbau des WDVS

Untersuchungsziel

EPS-basiertes WDVS gemäß Z-33.41-116 [5]

Untersuchung des Brandverhaltens unter Berücksichtigung des Sockelbrandszenarios

Auf Grundversuch 1 basierender, modiﬁzierter Aufbau mit zusätzlichen Brandschutzmaßnahmen

Überprüfung des modiﬁzierten Auf-baus mit zusätzlichen Brandschutzmaßnahmen unter Berücksichtigung des Sockelbrandszenarios

Identisch zu Grundversuch 2

Überprüfung der Untersuchungsergebnisse des zweiten Grundversuchs

In Abhängigkeit des Brandverhaltens sollten Einﬂussparameter, die sich auf das Brandverhalten auswirken, identiﬁziert und daraus ggf. konstruktive Brandschutzmaßnahmen abgeleitet werden.

3.2 Untersuchungsmethode 3.2.1 Experimentelles Design Zur Untersuchung des Brandverhaltens EPS-basierter WDVS durch das Sockelbrandszenario wurden insgesamt drei Brandversuche (Grundversuche) geplant. Basierend auf den Ergebnissen des ersten Grundversuchs wurde im zweiten Großversuch die Auswirkung konstruktiver Brandschutzmaßnahmen auf das Brandverhalten untersucht. Basierend auf den Ergebnissen des zweiten Grundversuchs wurde im dritten Grundversuch wiederholt der identische Aufbau wie im zweiten Grundversuch geprüft. Dies sollte die Möglichkeit der Überprüfung der Versuchsergebnisse bieten. Tabelle 2 zeigt das experimentelle Design.

3.2.2 Systemaufbau Für die großmaßstäblichen Brandversuche wurde ein zugelassenes, schwerentflammbares EPS-basiertes WDVS mit einer Dämmstoffdicke von 300 mm verwendet. Es entsprach der allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung Z-33.41-116 [6]. Für den ersten großmaßstäblichen Brandversuch (Grundversuch 1) wurden die in der Zulassung geforderten Brandschutzmaßnahmen (ein umlaufender Brandriegel) berücksichtigt. Die Dämmstoffdicke im Sockel betrug 240 mm, die Höhe des Sockels selbst 0,6 m. Eine Kunststoffschiene (Sockel-Profil) wurde am Übergang der Sockel- zur WDVS-Dämmung ausgebildet. Bild 6 zeigt die Ausführung des WDVS inklusive der Sockelausbildung. Basierend auf den Ergebnissen des ersten Grundversuchs wurden die Aufbauten der zwei weiteren Grundversuche (2 und 3) modifiziert. Die Dämmstoffdicke und Verklebung des verwendeten EPS sowie die Sockelausbildung entsprachen unverändert dem Aufbau des ersten Grundversuchs. Auch wurden die gleichen Putze in den gleichen Dicken verwendet. Über dem Sockel wurden jedoch Brandriegel in 0,9 m, 3,8 m sowie 9,6 m über der Fußbodenoberkante eingebaut. Alle Brandriegel wurden mit WDVS-Dübeln, die aus einer Hülse und einem Teller aus Polyamid-Kunststoff sowie einem Stahl-Stift bestehen, durch das Armierungsgewebe des Unterputzes hindurch in der Wand des Versuchsstandes befestigt. Die Verklebung

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Bild 6. Aufbau des EPS-basierten WDVS zur Prüfung des Brandverhaltens unter Berücksichtigung des Sockelbrandszenarios, Bild nach [3] Fig. 6. Polystyrene based ETICS-construction to investigate fire behaviour considering the external fire szenario „Sockelbrandszenario“ (200 kg wod crib fire scenario), Figure by [3]

der Brandriegel erfolgte mit einem mineralisch gebundenen Klebemörtel anstelle des im ersten Grundversuch verwendeten organisch gebundenen Produkts. Zusätzlich erfolgte die Verwendung eines verstärkten Armierungseckwinkels (Panzereckwinkel) im Unterputz in der Innenecke des Versuchsstandes. Ziel aller vorstehend beschriebenen Maßnahmen war es, das Brandverhalten des WDVS für die weiteren Grundversuche zu verbessern. In Tabelle 3 sind die Abweichungen der WDVS-Prüfkörper des zweiten und des dritten Grundversuchs zu dem des ersten Grundversuchs tabellarisch zusammengefasst.

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Tabelle 3. Zusammenfassung zusätzlicher konstruktiver Schutzmaßnahmen in den Grundversuchen 2 und 3 Table 3. Summary of additional constructive ﬁre safety measures during the major-tests 2 and 3 Komponente

Maßnahme

Brandriegel

Drei umlaufende Brandriegel 0,9 m; 3,8 m und 9,6 m über dem Boden. Eigenschaften der Brandiegel: – Gesamtdicke 300 mm w Höhe 200 mm; Rohdichte: ca. 90 kg/m3 – Verklebung mit mineralisch gebundenen Klebemörtel – Zusätzliche Befestigung mit WDVS-Dübeln durch Armierungsgewebe des Unterputzes, Hülse und Teller aus Polyamid, Stahl-Stift – Mineralwolle-Lamellenstreifen, beidseitig beschichtet, Baustoﬀklasse A1 nach DIN EN 13501-1, Schmelzpunkt # 1000 °C

Panzerwinkel

Anbringung in der Innenecke (vorgeformtes verstärktes Glasfasergewebe)

Gewebewinkel

an allen Außenecken (Kunststoﬀ-Eckwinkel, Kantenproﬁl mit integriertem Glasfasergewebe)

Gewebeschlaufe

Anbringung am Fassadenkopf

Bild 7. Anzahl und Lage der Brandriegel (rot); links: Grundversuchen 1, rechts: Grundversuch 2 und 3 Fig. 7. Quantity and location of ﬁre barriers (red); left: major-test 1, right: major-tests 2 and 3

Die Prüfkörper waren allseitig, d. h. an den Seiten und auch am oberen Prüfkörperabschluss, verputzt. Bild 7 zeigt die Anzahl und Lage der Brandriegel in Abhängigkeit der Grundversuche.

3.2.3 Prüfstand und Messtechnik

Bild 8. Prüfstand in der Prüfhalle; oben: Grundriss, unten: Aufriss (Quelle: MFPA Leipzig GmbH) Fig. 8. Test rig in the test hall; top: groundplan, bottom: front view (source: MFPA Leipzig GmbH9

Die Untersuchungen sollten in einer von der Witterung unabhängigen Umgebung durchgeführt werden, um eine möglichst gute Reproduzierbarkeit der Versuche zu gewährleisten. Der Prüfstand wurde mit einer Höhe von ca. 9,8 m so groß wie in der Prüfhalle der MFPA Leipzig möglich gewählt. Er besitzt die Form einer Innenecke mit einer Breite von 4,0 m des langen Eckflügels und einer Breite von 2,0 m des kurzen Eckflügels. Die Wände bestanden aus Porenbetonsteinen mit einer Dichte von ca. 600 kg/m3. Der Aufbau ist in Bild 8 schematisch dargestellt. Mantelthermoelemente wurden sowohl in der Mitte der Dämmstoffeben als auch vor der Außenwandbekleidung angebracht, so dass Aussagen zur Brandausbreitung

sowohl in der Dämmstoffebene als auch vor der Oberfläche des WDVS getroffen werden konnten. Bild 9 zeigt die Anordnungen der Temperaturmessstellen für zukünftige Prüfungen von WDVS unter Berücksichtigung des Sockelbrandszenarios. Diese Anordnung basiert auf die hier vorgestellten Grundversuchen. Die in den Bildern dargestellten Messraster entsprechen daher im Wesentlichen den Messrastern der Grundversuche. Die Darstellung der gemessenen Temperaturen erfolgt in Form von Isothermen. Die vertikale Brandausbreitung an der Oberfläche wurde während der Versuche beobachtet und dokumen-

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Bild 9. Anordnung der Temperaturmessstellen in und vor dem Prüfkörper; oben: Aufriss, unten: Grundriss (Quelle: MFPA Leipzig GmbH) Fig. 9. Arrangement of temperature measuring points in fornt of and inside of the ETICS; top: front view, bottom: groundplan (scource: MFPA Leipzig GmbH)

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Bild 10. Systemverhalten bei Brandbeanspruchung im Sockelbereich in Abhängigkeit der Grundversuche und der Zeit Fig. 10. Fire behavior of the ETICS during the external ﬁre test in dependence of time and test design

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Bild 11. Links: Austritt und Entzündung der EPS-Schmelze in der 10. Prüfminute im Grundversuch 1; rechts: schematische Darstellung Fig. 11. Left: leakage and ignition of molten polystyrene in test-minute 10 (major-test 1); right: schematic ﬁgure

tiert. Darüber hinaus erfolgte die Aufzeichnung der Grundversuche mit einer Wärmebildkamera. Die Schädigungen am und im Inneren des Systems wurden nach jedem Versuch ermittelt.

3.3 Ergebnisse In Bild 10 werden Bilder der Grundversuche zur gleichen Versuchsdauer nebeneinander dargestellt, um Unterschiede des Systemverhaltens aufzuzeigen. Während der Versuchsdurchführung (Grundversuch 1) wurden ab der 6. Prüfminute Flammen auf der Putzoberﬂäche deutlich sichtbar. Aufgrund der Erwärmung durch die Primärbrandquelle begann das EPS unterhalb des Brandriegels hinter dem Putz zu schmelzen. Konstruktionsbedingt trat die Schmelze (ab der 9. Prüfminute deutlich sichtbar) im Bereich der Sockelschiene aus. Die Schmelze entzündete sich und erhöhte die thermische Beanspruchung des WDVS (Bild 11). Flammen mit über 5 m Länge brannten im Eckbereich. Strahlung, Flammenlänge und Rauchentwicklung nahmen nun kontinuierlich zu. Etwa 14:00 Minuten nach Entzünden der Holzkrippe öﬀnete sich die Putzscheibe über die gesamte Prüfkörperhöhe. Dies führte zu einer Entzündung großer Mengen EPS-Schmelze, die sich oberhalb des Brandriegels und am Boden gesammelt hatte. Die Flammen führten zu diesem Zeitpunkt deutlich über die Höhe des Versuchsstands. Damit einher ging eine starke Wärme- und Rauchfreisetzung. EPS-Schmelze breitete sich weiter brennend vor der Fassade aus. Kurz bevor der Blick auf die Prüfkonstruktion nicht mehr möglich war, kippte die Putzscheibe oberhalb des einzigen Brandriegels nach vorne und viel auf den Prüfraumboden. Beobachtungen waren infolge der starken Rauchentwicklung nun zunächst nicht mehr möglich. In der 19. Prüfminute wurde die brennende EPS-Schmelze auf dem Boden gelöscht. Zu diesem Zeitpunkt war die EPS-Dämmung vollständig

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verbrannt und der Brandriegel an Rück- und Eckwand teilweise abgefallen. Es wurde deutlich, dass die in diesem ersten Grundversuch geprüfte WDVS-Konstruktion der thermischen Beanspruchung durch das Sockelbrandszenario nicht standgehalten hat und eine konstruktive Ertüchtigung notwendig ist, um einem solchen Brandereignis widerstehen zu können. Während der Durchführung der Grundversuche 2 und 3 waren bis zur bis zur 10. Prüfminute zwischen den drei Brandversuchen keine deutlichen Unterschiede erkennbar. Ab der 12. Prüfminute waren jedoch Unterschiede im Flammenbild sowie im Brandverhalten der Baustoffe zu erkennen. Die Flammenlängen im Grundversuch 1 waren ab der 13. bereits wesentlich höher als die Oberkannte des Prüfstandes. Dagegen lagen die maximalen Flammenlängen der Grundversuche 2 und 3 unterhalb der Prüfstandhöhe von 10 m (Bild 12). In Bild 13 sind die Isothermen der Temperaturen in der Mitte des Dämmstoffs in Abhängigkeit der Prüfminute dargestellt. Auch hier werden deutliche Unterschiede zwischen den Ergebnissen des Grundversuchs 1 und den Grundversuchen 2 und 3 sichtbar. Während bereits 15 Minuten nach Prüfbeginn im Grundversuch 1 Temperaturen über 700 °C großflächig gemessen wurden (d. h. der EPSDämmstoff war in diesem Bereich vollständig geschmolzen), erreichten die Temperaturen in den Grundversuchen 2 und 3 im Wesentlichen ein Maximum von 400 °C, jedoch auch nur auf der Hälfte der brandbeanspruchten Fläche. Hinsichtlich der Temperaturen von deutlich weniger als 500 °C kann ein Brennen (mit sichtbaren Flammen) hinter der Putzschicht ausgeschlossen werden. Bild 14 zeigt die Schädigungen am jeweiligen WDVS nach den Brandversuchen sowie nach dem Rückbau. Die konstruktive Ausbildung zusätzlicher Brandschutzmaßnahmen in den Grundversuchen 2 und 3 haben eine vertikale Brandausbreitung über den 2. Brandriegel hinaus wirksam verhindert.

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Bild 12. Beobachtete Flammenlängen in Abhängigkeit der Grundversuche und der Zeit Fig. 12. Sighted ﬂame lenghts in dependence of time and test design

3.4 Schlussfolgerungen und Empfehlungen Grundversuch 1 zeigte auf, dass das System einer repräsentativen Brandbeanspruchung im Sockelbereich nicht standhielt. Der zweite und dritte Grundversuch war insofern erfolgreich, dass der Putz jeweils bis zum Abklingen des Brandes geschlossen blieb und die Flammen nicht die obere Kante des Prüfstands erreichten. Des Weiteren wurde ein Eindringen von Flammen in das WDVS durch den unteren Brandriegel wirksam verhindert. Zugleich trat weniger brennbare EPS-Schmelze im Sockelbereich aus. Zusammen mit der Anordnung des mittleren Brandriegels wurde ein Aufreißen der Putzbeschichtung im durch das Primärfeuer direkt beanspruchten Bereich verhindert. Durch die Anordnung des oberen Brandriegels am Kopf des Versuchsstandes direkt unter der Decke der Versuchshalle wurden auch obere Abschlüsse und Übergänge von vertikalen Außenwänden zu horizontal auskragenden Bauteilen berücksichtigt. Das bedeutet, die vorgenommenen konstruktiven Maßnahmen haben sich als wirksam im Hinblick auf der Verbesserung des Brandverhaltens des WDVS unter den gewählten Prüfbedingungen erwiesen. Die Untersuchungsergebnisse gelten jedoch nur für WDVS: – die eine Mindestdicke des Putzsystems (Oberputz Unterputz) von 4 mm aufweisen bzw. die Dicke bei Ausführung vorgefertigter, klinkerartiger Putzteile („Flachverblender“) des Unterputzes v 4 mm beträgt, – bei denen an Gebäudeinnenecken in den bewehrten Unterputz Eckwinkel aus Glasfasergewebe, Flächengewicht 280 g/m2 und Reißfestigkeit # 2,3 kN/5 cm (im Anlieferungszustand) eingearbeitet sind, – deren EPS eine Rohdichte max. 25 kg/m3 aufweist und – deren Armierungsgewebe das Flächengewicht von v 150 g/m2 erfüllt. Ausgehend von den Untersuchungsergebnissen wurden folgende Maßnahmen zur Verbesserung des Brandverhaltens von als „schwerentﬂammbar“ eingestuften WDVS mit

einer Dämmstoffdicke von bis zu 300 mm empfohlen und in den entsprechenden DIBt-Zulassungen ergänzt (s. [7]). Zu den bisher in den allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassungen vorgeschriebenen Brandschutzmaßnahmen werden gebäudeumlaufende Brandriegel nun als Schutzmaßnahme gegen eine Brandeinwirkung von außen wie folgt zusätzlich angeordnet: – ein Brandriegel an der Unterkante des WDVS bzw. maximal 90 cm über Geländeoberkante oder genutzten angrenzenden horizontalen Gebäudeteilen, – ein Brandriegel in Höhe der Decke des 1. Geschosses über Geländeoberkante oder angrenzenden horizontalen Gebäudeteilen, jedoch zu dem darunter angeordneten Brandriegel mit einem Achsabstand von nicht mehr als 3 m, bei größeren Abständen sind zusätzliche Brandriegel einzubauen sowie – ein Brandriegel in Höhe der Decke des 3. Geschosses über Geländeoberkante oder angrenzender horizontaler Gebäudeteile, jedoch zu dem darunter angeordneten Brandriegel mit einem Achsabstand von nicht mehr als 8 m, bei größeren Abständen sind zusätzliche Brandriegel einzubauen. Brandriegel selbst sollten folgende Anforderungen erfüllen: – Höhe v 200 mm, – nichtbrennbare Mineralwolle-Lamellenstreifen, Klassen A1, A2 nach DIN 4102-1 oder A1, A2- s1, d0 nach DIN EN 13501-1 [8] nicht glimmend, aus Steinfasern mit einem Schmelzpunkt von mindestens 1000 °C geprüft nach DIN 4102-17, mit einer Rohdichte zwischen 60 und 100 kg/m3, – mit mineralischem Klebemörtel (Bindemittel: Kalk und/ oder Zement) vollflächig angeklebt und zusätzlich mit WDVS-Dübeln angedübelt (Verdübelung mit zugelassenen WDVS-Dübeln bestehend aus Dübelteller und Hülse aus Kunststoff sowie Spreizelement aus Stahl, Durchmesser des Dübeltellers v 60 mm, Rand- und Zwischenabstände der Dübel: mindestens 10 cm nach oben und unten, maximal 15 cm zu den seitlichen Rändern

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S. Kaudelka/S. Hauswaldt · Untersuchungen zum Brandverhalten EPS-basierter Wärmedämmverbundsysteme bei Brandbeanspruchungen im Sockelbereich (Teil 1)

Bild 13. Temperaturen in der Mitte des EPS-Dämmstoﬀs bei Brandbeanspruchung im Sockelbereich in Abhängigkeit der Grundversuche und der Zeit Fig. 13. Temperatures in the middle of the polysterene during the external ﬁre test in dependence of time and test design

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S. Kaudelka/S. Hauswaldt · Untersuchungen zum Brandverhalten EPS-basierter Wärmedämmverbundsysteme bei Brandbeanspruchungen im Sockelbereich (Teil 1)

Bild 14. Schädigungen am WDVS nach dem Brandversuch und nach dem Rückbau in Abhängigkeit der Grundversuche Fig. 14. Damages at the ETICS after the ﬁre test and after removal in dependence of test design

eines Brandriegel-Streifenelements sowie maximal 45 cm zum benachbarten Dübel).

4 Zusammenfassung und Ausblick Es wurde das repräsentative Sockelbrandszenario entwickelt, welches den Abbrand von realen Brandlasten wie Abfallbehälter, kleinen Kraftfahrzeugen oder Sperrmüllansammlungen im Sockelbereich von Außenwänden beschreibt und modelliert. Durch Anwendung des Sockelbrandszenarios in einem Brandversuch an einem repräsentativen EPS-basiertem WDVS im Maßstab 1:1 wurde bestätigt, dass reale Brandlasten vor Außenwandbekleidungen eine Gefahr darstellen können, da es zu einer schnellen vertikalen und geschossübergreifenden Brandausbreitung an der Gebäudeaußenwand kommen kann.

Es wurden konstruktive Maßnahmen zur Verbesserung des Brandschutzes vorgestellt und deren Wirksamkeit mithilfe von vergleichenden Untersuchung bestätigt. Hierfür wurden zwei weitere Brandversuche an ähnlichen, jedoch brandschutztechnisch ertüchtigten EPS-basierten WDVS durchgeführt. Die untersuchten konstruktiven Brandschutzmaßnahmen sind jedoch nur im Hinblick auf die untersuchten Prüfbedingungen wirksam. Ausgehend von den Untersuchungsergebnissen wurden Maßnahmen zur Verbesserung des Brandverhaltens von als „schwerentﬂammbar“ eingestuften EPS-basierten WDVS mit einer Dämmstoﬀdicke von bis zu bis zu 300 mm empfohlen. Diese werden gegenwärtig in Zulassungsverfahren angewendet und umgesetzt. Welche Schutzziele hinsichtlich des Brandverhaltens in der kon-

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kreten Einbausituation erreicht werden müssen, ist jedoch noch nicht festgelegt. In Teil 2 werden daher mögliche Schutzziele betrachtet. Untersuchungsmethoden sowie deren technische Umsetzbarkeit werden diskutiert. Literatur [1] DIN 4102-1:1998-05 Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen – Teil 1: Baustoffe; Begriffe, Anforderungen und Prüfungen. [2] E DIN 4102-20:2016 Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen – Teil 20: Besonderer Nachweis für das Brandverhalten von Außenwandbekleidungen (Entwurf März 2016). [3] Deutsches Institut für Bautechnik. Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben: „Brandverhalten von WärmedämmVerbundsystemen mit Polystyrol-Dämmstoff“. 2016. [4] Kaudelka, S., Hofmann-Böllinghaus, A., Hauswaldt, S.: Auswirkung von Zündquellen und Systembeschaffenheit auf das Brandverhalten EPS-basierter Wärmedämm-Verbundsysteme. Bauphysik 37 (2015), H. 4, S. 205-212. DOI: 10.1002/ bapi.201510023 [5] Kotthoff, I., Hauswaldt, S., Riese, O., Riemesch-Speer, J.: Investigations of the performance of facades made of ETICS

with polystyrene under external fire exposure and fire safety measures for their improvement. 2nd International Conference for Fire Safety of Facades. Lund 2016. [6] Deutsches Institut für Bautechnik. Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung Z-33.41-116. 2011. [7] Deutsches Institut für Bautechnik. Konstruktive Ausbildung von Maßnahmen zur Verbesserung des Brandverhaltens von als „schwerentflammbar“ einzustufenden Wärmedämmverbundsystemen mit EPS-Dämmstoff. 2015. [8] DIN EN 13501-1:2010-01 Klassifizierung von Bauprodukten und Bauarten zu ihrem Brandverhalten – Teil 1: Klassifizierung mit den Ergebnissen aus den Prüfungen zum Brandverhalten von Bauprodukten.

Autoren dieses Beitrages: M.Sc. Sven Kaudelka, s.kaudelka@mfpa-leipzig.de Dipl.-Ing. Sebastian Hauswaldt, hauswaldt@mfpa-leipzig.de MFPA Leipzig GmbH Gesellschaft für Materialforschung und Prüfungsanstalt für das Bauwesen Leipzig mbH Hans-Weigel-Straße 2 b 04319 Leipzig

Aktuell Energieeffiziente Wohnhäuser mit mindestens 60 % weniger Energieverbrauch Energieeffizient sanierte Wohnhäuser und Neubauten verbrauchen mindestens 60 % weniger Endenergie als ein Durchschnittshaus. Das belegt eine neue Studie der Deutschen Energie-Agentur (dena), die ermittelt hat, welche Energieeinsparungen in der Praxis tatsächlich erreichbar sind. Dafür wurden die Energieverbrauchsabrechnungen von 121 effizienten Wohnhäusern und die Eigentümerangaben zu Nutzung und Zustand ihres Hauses analysiert. Die von der dena untersuchten neuen oder sanierten Wohnhäuser, die mit Öl, Gas, Fernwärme oder Holz heizen, verbrauchen rund 60 % weniger Endenergie als der Durchschnitt, strombeheizte sogar 90 %. Die Größenordnung, um wie viel geringer der Energieverbrauch eines neuen oder sanierten Hauses ist, hängt von verschiedenen Faktoren ab: von der Gebäudedämmung, der Heizungsart, dem Energieträger und dem Nutzerverhalten. Energieeﬃziente Gebäude entlasten nicht nur das Klima und erhöhen den Wohnkomfort, sondern senken auch die Energiekosten für die Bewohner entsprechend. Als Vergleichswert für die Untersuchung wurde der Energieverbrauch des

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Wohngebäudedurchschnitts aus dem Jahr 2008 herangezogen, dem Vergleichsjahr für die Energiewendeziele der Bundesregierung. Der jährliche Endenergieverbrauch lag 2008 bei ca. 150 KWh /m2 Nutzfläche. Die sanierten und neu errichteten Gebäude verbrauchen dagegen nur ca. 50 bis 60 KWh pro Quadratmeter Nutzfläche und Jahr, wenn sie mit Gas, Öl oder Pellets beheizt werden oder ca. 20 KWh /m2 Nutzfläche und Jahr, wenn sie eine elektrische Wärmepumpenheizung haben. In Energieausweisklassen würde das eine Verbesserung von E (bzw. F bis G für unsanierte Häuser) auf A bis B bedeuten. Die erhobenen Daten für die Studie stammen größtenteils von Neubauten und Sanierungen, die seit 2006 in üblicher Baupraxis entstanden und daher in der Breite realisierbar sind. Ein Teil geht auf Projekte des dena-Modellvorhabens zurück. Die 121 untersuchten Effizienzhäuser umfassen 50 neue Ein- und Zweifamilienhäuser, 7 neue Mehrfamilienhäuser, 46 energetisch sanierte Einund Zweifamilienhäuser und 18 energetisch sanierte Mehrfamilienhäuser. Alle Häuser haben eine gedämmte Gebäudehülle und eine effiziente Anlagentechnik. Die Studie ist eine Vertiefung der dena-Verbrauchsstudie von 2013, die die Verbrauchskennwerte von 63 sanierten

Wohnhäusern aus dem dena-Modellvorhaben Effizienzhäuser untersucht hat. Ein Energiewendeziel der Bundesregierung sieht vor, den Primärenergiebedarf von Gebäuden bis 2050 um 80 % zu senken. Primärenergie bezeichnet die Energie inklusive der Vorketten zum Herstellen von Strom, Gas, Fernwärme usw. und bildet die Umweltwirkung des Energieverbrauchs besser ab als die Endenergie, die der Verbraucher an seinen Zählerständen ablesen kann. Um die Primärenergie um 80 % zu reduzieren, muss durch Effizienzmaßnahmen am Gebäude je nach Energieträger mindestens ca. 60 % Endenergie eingespart werden. Die Studie „Auswertung von Verbrauchskennwerten energieeffizienter Wohngebäude“ wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert und steht mit einer Zusammenfassung unter www.dena.de/studie-ver brauchskennwerte zur Verfügung. Weitere Informationen: Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena) Sarah Koch Chausseestr. 128 a 10115 Berlin Tel: 49(0)30/72 61 65-672 E-Mail: s.koch@dena.de www.dena.de

Fachthemen Jan Schiefelbein Amir Javadi Michael Diekerhof Marcus Fuchs Dirk Müller Antonello Monti

DOI: 10.1002/bapi.201710001

Modellierung und Optimierung von Mischgebieten Dieser Artikel befasst sich mit der Erstellung eines Planungshilfsmittels für Mischquartiere im Kontext des Projekts „EnEff:Stadt – Bottrop, Welheimer Mark“. Bei der Welheimer Mark handelt es sich um ein Mischgebiet innerhalb der InnovationCity Ruhr in Bottrop. Ziel war die energetische Optimierung des Quartiers zur Reduktion von Treibhausgasemissionen. Hierfür wurden Methoden zur Modellierung von komplexen Quartieren entwickelt und auf die Welheimer Mark angewandt. Simulierte thermische und elektrische Bedarfswerte einer Wohnsiedlung wichen um 6,4 % von den Verbrauchswerten ab. Während für die elektrische Profilgenerierung von Nichtwohngebäuden kein hinreichendes, vereinfachtes Verfahren identifiziert wurde, wies die Methodik zur Erzeugung thermischer Lastprofile eine gute Übereinstimmung zwischen generierten und gemessenen Profilen auf. Aus einer Optimierung gingen Vorschläge für eine verbesserte Energieanlagenverteilung hervor. Bei moderaten Kostensteigerungen von 6 % bis 11 % wäre eine Reduktion von CO2-Emissionen um bis zu 50 % in bestimmten Bereichen der Welheimer Mark möglich. Modeling and optimization of mixed use areas. This article deals with the development of a planning tool for mixed use areas within the project “En-Eff:Stadt – Bottrop, Welheimer Mark”. The city district Welheimer Mark is a mixed use area within the InnovationCity Ruhr of Bottrop, Germany. The main aim was the energetic optimization of the city district to reduce greenhouse gas emissions. Thus, methods for complex city district modeling has been developed and used within Welheimer Mark district. Simulated thermal and electrical demands only showed a difference of 6.4 % related to energy consumption values. While a sufficient method for generation of electrical load profiles of non-residential buildings could not be identified, a method for generation of thermal load profiles shows a good fit between generated and measured loads. An optimization model has been used to identify an optimized energy system distribution. A greenhouse gas emission reduction up to 50 % is possible at cost increase of 6 % to 11 %.

1 Einleitung Im Kontext des 6. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung wurde ein Schwerpunkt auf die Förderung der energieeﬃzienten Stadt (EnEﬀ:Stadt) gelegt. Ziel war und ist die Reduktion von Primärenergieverbrauch und Treibhausgasemissionen auf Stadtquartiersebene, um somit einen Beitrag zur Erreichung nationaler Klimaziele zu leisten. Aufgrund der hohen Energieverbrauchsdichte bietet die energetische Optimierung von Städten große Potenziale zur Minimierung von Treibhausgasen.

Die primäre Herausforderung bei der Analyse von Stadtquartieren liegt in Größe und Heterogenität. Ein Quartier kann aus einer Vielzahl von Wohn- und Nichtwohngebäuden verschiedener Energieversorgungssysteme bestehen. Vereinfachte Analysemethoden fokussieren sich daher häufig ausschließlich auf homogene Gebiete oder auf die Einzelhausebene. Diese Ansätze werden der Komplexität realer Quartiere nicht zwingend gerecht. Das Projekt „EnEff:Stadt – Bottrop, Welheimer Mark“ zielte hingegen auf eine ganzheitliche Betrachtung der Gebäudeund Energieversorgungsstruktur von Stadtquartieren ab. Der Projektname leitet sich vom gleichnamigen Stadtteil Welheimer Mark aus Bottrop ab. Bei der Welheimer Mark handelt es sich um ein Mischgebiet, bestehend aus Gewerbe, Industrie und Wohnen. Das Projekt war Bestandteil des InnovationCity Ruhr Projekts mit dem primären Ziel einer Reduktion der CO2-Emissionen um 50 % von 2010 bis 2020. Ziel des Projekts „EnEff:Stadt – Bottrop, Welheimer Mark“ war daher die energetische Analyse und Optimierung des Mischgebiets Welheimer Mark, um einen Beitrag zur Zielerreichung der InnovationCity Ruhr zu leisten. Dieser Artikel befasst sich mit der Modellierung komplexer Quartiere im Kontext des Projekts. Hierbei steht die Frage im Vordergrund, wie Mischgebiete hinreichend genau modelliert werden können. Zu Beginn erfolgt eine Beschreibung des Quartiers Welheimer Mark. Im darauffolgenden Abschnitt wird das Vorgehen innerhalb des Projekts beschrieben. Dazu zählen die Bestandserhebung und Ist-Analyse der Welheimer Mark sowie die Methodik zur Modellierung von Mischgebieten. Die Methoden wurden mit Referenzlastgängen und -verbrauchswerten verifiziert. Im ersten Anwendungsfall wurde die Wohnsiedlung der Welheimer Mark modelliert und dynamisch simuliert, wobei Bedarfs- und Verbrauchswerte gegenübergestellt werden. Im zweiten Anwendungsfall wurde ein Optimierungsmodell auf ein Areal innerhalb des Mischgebiets angewandt, um Vorschläge für eine optimierte Energieanlagenverteilung zu erhalten. Für weitere Details sei auf den Abschlussbericht des Projekts verwiesen [1].

2 Quartiersbeschreibung Das Quartier Welheimer Mark liegt im Südosten der Stadt Bottrop. Die Siedlungsstruktur aus Gewerbe-, Industrieund Wohngebäuden repräsentiert ein typisches Mischge-

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Bild 1. Luftbild der Welheimer Mark (Quelle: Stadt Bottrop) Fig. 1. Areal view of Welheimer Mark (source: Stadt Bottrop)

biet. Die Energieversorgung ist ähnlich heterogen. Das Gebiet verfügt über Einzelfeuerungsanlagen mit Gas, Öl und Kohle sowie über eine Fernwärmeversorgung im Osten des Quartiers. Die Welheimer Mark besteht aus ca. 300 Wohngebäuden, einem Schulkomplex sowie ca. 90 Unternehmen, von denen 7 als energieintensiv eingestuft wurden. Bild 1 stellt das Quartier graﬁsch dar.

verknüpft werden. Datensätze der Welheimer Mark wurden in die Datenbank importiert und eine Verknüpfung mit dem open-source GIS-Tool QGIS wurde eingerichtet. Bild 2 stellt die GIS-Oberfläche mit Visualisierung der Welheimer Mark grafisch dar. Die Verbindung Datenbank und GIS-Oberfläche ermöglicht grafische Ausgaben und Abfragen sowie Analysen des Stadtquartiers.

3 Methodik 3.1 Bestandsaufnahme

3.2 Ist-Analyse

Grundlage für eine Modellierung und energetische Optimierung von Quartieren ist die Ermittlung der Bedarfsstruktur. Hierzu wurde eine Datenerhebung innerhalb der Welheimer Mark durchgeführt. Die Basis hierfür bildeten GIS-Datensätze der Stadt Bottrop, welche u. a. Informationen zu Adressen, Nutzungsart, Baualtersklassen und Einwohnerzahlen je Baublock enthielten. Am Projekt teilnehmende Unternehmen erhielten die Möglichkeit einer kostenlosen Energieberatung. Kleine und mittelständische Unternehmen wurden hierfür von der Firma infas enermetric sowie die lokalen Industriebetriebe von Imtech Deutschland betreut. Im Zuge der Beratungen und betriebsinternen Optimierungen konnten weitere Daten bezüglich Struktur und Energieverbrauch der Unternehmen erhoben werden. Um das Datenmanagement eines komplexen Quartiers zu vereinfachen, wurde ein Stadtquartiersinformationsmodell (SQIM) entworfen [2] und auf einem SQL-Datenbankserver implementiert. Kern des SQIM sind GISGebäudepunkte und -ﬂächen, welche mit semantischen Daten, wie beispielsweise Energieverbrauch oder Baualter,

Basierend auf der GIS-Datenbank wurde eine Ist-Analyse des Quartiers durchgeführt. Mit Hilfe von Energieverbrauchs- und Schornsteinfegerstatistiken, PhotovoltaikEinspeisedaten sowie Einzelmessungen innerhalb der Unternehmen wurden Endenergie- und CO2-Bilanzen erzeugt. Zur besseren Vergleichbarkeit wurde der thermische Endenergieverbrauch mit einem Faktor von 1,03 witterungsbereinigt [3]. GEMIS CO2-Äquivalente für 2010 wurden zur Erstellung der CO2-Bilanz verwendet [4]. Die Bilder 3 und 4 stellen die Bilanzen dar. Der gesamte thermische Endenergieverbrauch betrug 2010 ca. 61 700 MWh, der elektrische Endenergieverbrauch ca. 33 600 MWh. Die Energiebilanz verdeutlicht die industrielle Prägung der Welheimer Mark. Die sieben größten Unternehmen hielten 2010 einen Anteil von 74 % am thermischen sowie 77 % am elektrischen Endenergieverbrauch. Das Potenzial zur Treibhausgasreduktion innerhalb der Industrie ist begrenzt, da sich beispielsweise Prozesswärme nicht zwingend durch KWK- oder Wärmepumpensysteme bereitstellen lässt. Ebenso wird das Potenzial zur Eﬃzienzsteigerung auf der elektrischen Ver-

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Bild 2. GIS-Oberﬂäche mit Darstellung der Welheimer Mark (über Datenbankzugriﬀ) Fig. 2. GIS interface with Welheimer Mark model (via data base connection)

Bild 4. CO2-Bilanz der Welheimer Mark für das Jahr 2010 Fig. 4. CO2 balance of Welheimer Mark for 2010 Bild 3. Energiebilanz der Welheimer Mark für das Jahr 2010 Fig. 3. Energy balance of Welheimer Mark for 2010

brauchsseite als gering bewertet, da dieses ebenfalls stark prozesslastig ist. Die gesamten CO2-Emissionen beliefen sich im Jahr 2010 auf 36 470 t CO2-Äquivalent. Somit verursachte die Welheimer Mark ca. 13 % der Gesamtemissionen der InnovationCity Ruhr [5]. Unter der Prämisse, dass das Gesamtziel von 50 % CO2-Reduktion auf die Welheimer Mark übertragbar sei, läge die Zielgröße für 2020 bei 18 235 t CO2-Äquivalent für die Welheimer Mark. Zur besseren Bewertbarkeit dieser Zielgröße wurde eine Voranalyse mit verschiedenen Szenarien durchgeführt. In Szenario 1 wurde die Annahme getroﬀen, dass alle nach Solaratlas nutzbaren Dachﬂächen mit PV-Modulen ausgerüstet würden. Der Modulwirkungsgrad wurde mit

14,91 % angenommen, der Performancefaktor nach Solaratlas mit 0,8. Einschränkungen bezüglich Netzstabilität und Dachstatik wurden nicht betrachtet. Szenario 1 führte zu einer CO2-Reduktion von ca. 9 900 t. In Szenario 2 wurde Szenario 1 um den Einsatz bivalenter BHKW-Systeme zur Raumbeheizung und Warmwasserbereitstellung ergänzt. Basierend auf den betriebsinternen Untersuchungen wurde hierfür der Prozesswärmebedarf abgeschätzt und vom gesamten thermischen Bedarf subtrahiert. Der Deckungsanteil der BHKW wurde mit 60 % angenommen, der Brennstoﬀnutzungsgrad mit 0,9 sowie der thermische Wirkungsgrad mit 0,55. Szenario 2 führte zu einer CO2-Reduktion von ca. 12 300 t. Szenario 3 ist kongruent zu Szenario 2, allerdings wurde hier von einer monovalenten Betriebsweise der BHKW-Systeme ausgegangen, womit der Deckungsgrad

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100 % betrüge. Szenario 3 resultiert in einer CO2-Reduktion von ca. 16 100 t und würde damit ebenfalls die Zielgröße von 50 % Reduktion verfehlen. Unter der Annahme eines nahezu konstanten Verbrauchslevels wären weitere Hebel über die Substitution von Gas und Öl durch Biogas oder Pellets oder über PV-Einsatz auf Freiﬂächen denkbar. Allerdings müssen in Richtung praktischer Umsetzung weitere Einschränkungen beachtet werden, u. a. bezüglich Speicherverlusten, Netzstabilität, Dachstatik (PV-Nutzung) sowie der zeitlichen Diﬀerenz zwischen Erzeugung und Verbrauch. Das praktikable CO2-Reduktionspotenzial wird somit unterhalb von 50 % eingestuft. Hieraus lässt sich ableiten, dass innerhalb der übrigen Gebiete der InnovationCity größere Reduktionspotenziale zur Zielerreichung erschlossen werden müssen, beispielsweise im Sektor Wohnen. Nichtsdestotrotz bietet auch das Mischgebiet Reduktionspotenzial, welches im Folgenden näher untersucht wird.

3.3 Stadtquartiersmodellierung Anhand der Energiebilanzen lassen sich zwar statische Kennwerte ableiten, diese vernachlässigen aber die Dynamik der Lastgänge einzelner Gebäude. Bei der Stadtquartiersmodellierung steht daher die Frage im Vordergrund, wie sich das dynamische Verhalten verschiedener Gebäudetypen hinreichend beschreiben lässt.

3.3.1 Wohngebäude Innerhalb des Projekts wurden Wohngebäude in der multiphysikalischen Modellierungssprache Modelica abgebildet [6]. Die Modellierung erfolgt als vereinfachtes Ein-ZonenWiderstands-Kapazitäten-Modell (RC-Modell) nach VDI 6007 [7]. In diesem Modell werden Wand- und Fensterflächen sowie das Luftvolumen in thermischen Widerständen und Kapazitäten zusammengefasst. Ein solches Modell wurde in der Modelica-Bibliothek AixLib umgesetzt [8]. Nach Lauster et al. führen diese Modelle zu einer deutlichen Rechenzeitreduktion bei hinreichender Genauigkeit innerhalb von Quartierssimulationen gegenüber der Nutzung von detaillierten Modellen [9]. Bild 5 stellt das RCModell der AixLib grafisch dar. Die Modellierung jedes Einzelgebäudes wäre komplex und zeitaufwendig. Daher wurde ein vereinfachtes Verfahren entwickelt, um eine Vielzahl von Gebäuden mit geringem Aufwand zu modellieren. Hierfür wurde das Python Tool TEASER verwendet [10]. TEASER ist in der Lage, über Basisdaten, wie Gebäudetyp, Bau-/Sanierungsjahr und Nettogrundfläche, Typgebäude nach der Gebäudetypologie des Instituts für Wohnen und Umwelt (IWU) zu generieren [11]. Typgebäude bestehen aus repräsentativen Geometrien und bauphysikalischen Eigenschaften. Über eine GIS-Datenbank-Schnittstelle wurden notwendige Basisdaten in TEASER importiert und Typgebäude aller Wohngebäude der Welheimer Mark generiert. Diese können über TEASER als Modelica AixLib RC-Modelle exportiert werden. Dieses Vorgehen ermöglicht die Parametrierung einer Vielzahl von Gebäuden bei deutlich reduziertem Aufwand. Um den Nutzereinfluss zu berücksichtigen, wurden die Summe der Bewohner anhand einer Statistik des De-

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Bild 5. Ein-Zonen-Gebäudemodell der Modelica AixLib-Bibliothek Fig. 5. Single-zone building model of Modelica Aixlib Library

statis [12] auf die Apartments und Gebäude verteilt. Die Bewohnerzahl pro Apartment diente als Eingangsparameter zur Generierung von Belegungs- und Lastprofilen. Nutzer- und elektrische Lastprofile wurden mit einer PythonVersion des Richardson-Tools [13] generiert. Das Tool basiert auf einer statistischen Erhebung von Nutzerverhalten, Maschinennutzung und Beleuchtung von Wohngebäuden in Großbritannien im Jahr 2000. Aus dem Tool ergaben sich Belegungsprofile in zehnminütiger sowie elektrische Lastprofile in einminütiger Auflösung. Die Belegungsprofile dienten als Eingangsparameter für dynamische Simulationen in Dymola. Anwesenheitsprofile definieren Zeitspannen möglicher Heizanforderungen sowie innerer Wärmegewinne für die Modelica-Gebäudemodelle. Die elektrischen Lastprofile für Maschinennutzung und Beleuchtung gingen ebenfalls als innere Wärmegewinne in die Simulation ein. Zur Abschätzung des Warmwasserbedarfs wurde ebenfalls auf die Anzahl an Bewohnern pro Apartment zurückgegriffen. Nach IEA Annex 42 [14] beträgt der mittlere Warmwasserverbrauch pro Kopf und Tag in Deutschland 64 l. Unter Annahme einer Temperaturanhebung von 35 K führt dies zu einer mittleren, thermischen Energiemenge für Warmwasser von 948 kWh pro Person und Jahr [15]. Die Gebäudemodelle und Nutzerprofile wurden anschließend mit einem Testreferenzjahr-Wetterdatensatz (Jahr 2010, Region 5) [16] in einem Gesamtmodell zusammengefasst, um dynamische Simulationen des Quartiers zu ermöglichen.

3.3.2 Gewerbebetriebe und sonstige Nichtwohngebäude Im Gegensatz zu Wohngebäuden zeichnen sich Nichtwohngebäude durch eine heterogene Struktur aus. Je nach Nichtwohngebäudetyp können die Nutzungszeiten und Maschinenbelegungen sehr unterschiedlich ausfallen. Für

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die zuvor beschriebenen dynamischen Simulationsmodelle ist aber eine detaillierte Kenntnis der Nutzungsprofile und installierten Technik notwendig. Deren Abschätzung oder Erhebung wäre für eine Vielzahl an Gebäuden aus dem Bereich Gewerbe, Handel, Dienstleistungen (GHD) mit einem hohen Aufwand verbunden. Für die Modellierung wurde daher ein vereinfachter Ansatz basierend auf Standardlastprofilen (SLP) gewählt [17], [18], [19]. Der Energiebedarf von Nichtwohngebäuden ohne Messwerte wurde über GIS-Basisdaten und GHD-Typ abgeschätzt. Über Statistiken des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung ISI [20] konnten spezifische Bedarfswerte ermittelt werden. In Kombination mit Nettogrundflächen des GIS-Systems wurden Jahresbedarfswerte berechnet. Diese dienten als Eingangsparameter für die SLP-Tools. Anhand von SLP-Typ, thermischem und elektrischem Jahresbedarf sowie Wetterdatensatz konnten repräsentative thermische und elektrische Lastgänge generiert werden.

Bild 6. Gegenüberstellung elektrisches SLP (H0) und aggregierte Richardson-Profile Fig. 6. Comparison of electrical standard load profile SLP (H0) and aggregated Richardson profiles

3.3.3 Industriebetriebe Für Industriebetriebe ergab sich die Anforderung von Einzelanalysen. Aufgrund von Prozessanforderungen ließen sich Energiebedarfswerte und Lastgänge kaum abschätzen oder über eine SLP-Methodik abbilden. Insbesondere die unterschiedlichen Temperaturniveaus der Wärmeanforderungen bedurften einer internen Bestandsaufnahme, da nur bis zu einem bestimmten Temperaturniveau thermische Energie beispielsweise durch den Einsatz von KWK-Systemen bereitgestellt werden könnte. Innerhalb von teilnehmenden Industrieunternehmen wurden daher Einzelmessungen vorgenommen sowie registrierende Leistungsmessungen ausgewertet.

3.4 Verifizierung Bei der Nutzung eines Profilgenerators basierend auf Nutzerdaten aus Großbritannien stellt sich die Frage, ob diese Nutzerprofile auch repräsentativ für deutsche Wohngebäude sind. Anwesenheitsprofile lassen sich selbst kaum validieren, da wenige Referenzprofile existieren. Unter der Prämisse, dass die Abwesenheitszeiten mit Schul-/Arbeitszeiten korrelieren und sich diese in beiden Ländern ähnlich verhalten, kann von einer generellen Übertragbarkeit ausgegangen werden. Ein Vergleich ist allerdings über die aus den Nutzerprofilen resultierenden elektrischen Lastprofile möglich. Hierfür wurden 30 000 Tageslastprofile im Richardson-Tool generiert, normiert und dem deutschen Standardlastprofil für Haushalte (H0) gegenübergestellt [21]. Im Gegensatz zum ursprünglichen Richardson-Tool wurden hierfür elektrische Geräte zur Raumbeheizung und Warmwasserbereitung deaktiviert. Ebenso wurde die maximale Beleuchtungsleistung auf 50 W pro Leuchtmittel begrenzt. Bild 6 zeigt die normierten Profile. Der Korrelationskoeffizient beträgt 0,88. Das aggregierte Lastprofil nähert sich somit gut dem deutschen Standardlastprofil an. Das aggregierte Profil tendiert allerdings zu einer Überhöhung des Verbrauchs in den Abendstunden. Dieser Effekt kann durch kürzere Nutzungsintervalle von Geräten hoher Leistung am Abend zu Stande kommen, was durch eine Substitution durch Leistungswerte deutscher Haushalte angepasst werden könnte. Für die Quartierssimula-

Bild 7. Gegenüberstellung gemessener und generierter thermischer Lastgang Handelsunternehmen Fig. 7. Comparison of measured and generated thermal load of trade company

tion wird dieser Effekt aber als vernachlässigbar bewertet, da die Dynamik korrekt abgebildet wird. Dies lässt ebenfalls den Schluss zu, dass auch die Anwesenheitsprofile realitätsnah generiert werden. Zur Verifizierung der SLP-Methodik für Nichtwohngebäude wurden Standardlastprofile für ein Metall- und ein Handelsunternehmen mit dem Wetterdatensatz der Station Welheim in Bottrop für 2010 generiert und Messwerten gegenübergestellt. Bild 7 zeigt den Vergleich für das Handelsunternehmen, Bild 8 für den Metallbetrieb. Der Korrelationskoeffizient für das Handelsunternehmen liegt bei 0,87, für den Metallbetrieb bei 0,83. Die Überhöhung des SLP gegenüber der Messung in Bild 7 kann über die Nutzung einer industriellen Fußbodenheizung erklärt werden, welche den Lastgang tendenziell dämpft. Dieser Effekt wird im SLP nicht berücksichtigt. In Bild 8 sind vor allem Abweichungen im Sommer sowie im Übergangszeitraum im Herbst zu erkennen. Die thermische Lastanforderung im Sommer deutet auf möglichen Prozesswärme-, erhöhten Warmwasserbedarf oder regelungstechnische Probleme hin. Das SLP weist somit im Vergleich zum gemessenen Profil des Metallbetriebs größere Abweichungen auf. Die Höhe der Koeffizienten sowie die Kennlinienverläufe deuten allerdings darauf hin, dass

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Tabell 1. Verbrauchs- und Bedarfswerte der Wohngebäude der Wohnsiedlung Table 1. Consumption and demand data of residential buildings within residential district

Bild 8. Gegenüberstellung gemessener und generierter thermischer Lastgang Metallbetrieb Fig. 8. Comparison of measured and generated thermal load of metal company

die SLP-Methodik den tendenziellen Verlauf des thermischen Lastgangs für Raumbeheizung bei Nichtwohngebäuden hinreichend wiedergeben kann. Voraussetzung hierfür ist jedoch eine ausreichende Abhängigkeit des Wärmebedarfs von der Außentemperatur bzw. von der Raumbeheizung. Für die elektrischen Lastprofile konnte keine günstige Korrelation identifiziert werden. Da hier, im Gegensatz zur Temperaturabhängigkeit des thermischen Lastgangs, eine große Abhängigkeit von Nutzerverhalten und Maschinenbelegung besteht, können die elektrischen Standardlastprofile die realen Lastkurven nur unzureichend abbilden. Sofern keine Leistungsmessungen vorhanden sind, könnten Standardlastprofile aber zur vereinfachten Abbildung der dynamischen Verläufe verwendet werden.

3.5 Fallstudie 1: Dynamische Simulation des Referenzwohnquartiers Zum Testen der Methodik zur Modellierung von Wohngebäuden wurde die Wohnsiedlung der Welheimer Mark als Referenzgebiet gewählt und modelliert. Die Wohnsiedlung beinhaltet ca. 250 Wohngebäude mit ca. 460 Apartments sowie 1150 Bewohnern. Da neben dem Baujahr der Sanierungsgrad großen Einﬂuss auf den Wärmebedarf hat, ist hinreichende Kenntnis des Sanierungszustandes für ein geeignetes Referenzmodell notwendig. Für den östlichen Teil der Wohnsiedlung, welcher größtenteils aus Mehrfamilienhäusern einer großen Wohnungsbaugesellschaft bestand, waren Sanierungsdaten vorhanden, allerdings nicht für den westlichen, aus Einfamilienhäusern bestehenden Teil. Da die Verwendung der Baujahre zur Modellierung der Gebäudemodelle zu einer Überschätzung der Bedarfswerte geführt hätte, wurde eine Modellkalibrierung anhand einer Unsicherheits- und Sensitivitätsanalyse eines Baublocks im westlichen Wohngebiet durchgeführt [22]. Aus dieser Analyse gingen Abschätzungen der Sanierungsjahre der Wohngebäude hervor, welche für das Referenzmodell gesetzt wurden. Die Basisparameter der Wohnsiedlung, wie beispielsweise bebaute Grundﬂächen und letztes Sanierungsjahr, wurden an das TEASER-Tool überführt, um Typgebäude zu generieren und damit Modelica-Gebäudemodelle zu pa-

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Verbrauchswert

Bedarfswert (Simulation)

Thermische Energie in MWh

5000

5318 ( 6,35 %)

Elektrische Energie in MWh

1000

936 (–6,4 %)

rametrieren. Für jedes Apartment innerhalb der Gebäude wurden Nutzer- und elektrische Lastprofile mit dem modifizierten Richardson-Tool erzeugt. Diese dienten der Abbildung von Anwesenheit und inneren Lasten. Als äußere Last wurde der Testreferenzjahr-Wetterdatensatz für 2010, Region 5, verwendet [16]. Die gewünschte Innenraumtemperatur wurde mit 20 °C angenommen, die Luftwechselrate mit 0,5/h. Die dynamische Simulation aller Wohngebäudemodelle wurde innerhalb der Software Dymola mit einem Zeitschritt von einer Stunde für ein Jahr vorgenommen. Aus der Simulation gingen thermische Lastgänge und Nutzenergiebedarfswerte hervor. Zum Vergleich der Bedarfswerte wurden die gemessenen Energieverbrauchswerte der Wohnsiedlung als Referenz genutzt. Diese wurden um die Verbrauchswerte der Nichtwohngebäude bereinigt und über Kesselwirkungsgrade auf Nutzenergiewerte umgerechnet. Da innerhalb der Verbrauchswerte auch ein Anteil für Warmwasser vorhanden war, wurden die Bedarfswerte für Raumbeheizung aus der Simulation mit Warmwasserbedarfswerten von 948,42 kWh pro Person und Jahr nach IEA Annex 42 erweitert [14]. Tabelle 1 zeigt die Gegenüberstellung der simulierten thermischen und elektrischen Bedarfswerte mit den Verbrauchswerten. Aus Datenschutzgründen wurden die Energiemengen reskaliert. Die thermischen Bedarfswerte liegen um 6,35 % höher als die Verbrauchswerte, die elektrischen Bedarfswerte um 6,4 % niedriger als die Verbrauchswerte. Da in dieser Betrachtung vereinfacht von einer vollständigen Deckung des Warmwasserbedarfs durch nichtelektrische Heizsysteme ausgegangen wurde, in Realität aber auch Elektroheiz- und Warmwassersysteme installiert sein können, wird sich die Differenz bei genauerer Kenntnis der verwendeten Anlagentechnik mit hoher Wahrscheinlichkeit weiter reduzieren. Aus dem Vergleich mit den Referenzwerten lässt sich schließen, dass die Methodik zur Modellierung und Simulation von Wohngebäuden realitätsnahe Bedarfswerte produziert.

3.6 Fallstudie 2: Energetische Optimierung im Mischgebiet Für eine optimierte Energieanlagenverteilung und -dimensionierung auf Quartiersebene wurde ein Optimierungsmodell entwickelt [23]. Mögliche Zielfunktionen sind die Minimierung von CO2-Emissionen oder die Minimierung der jährlichen Systemkosten nach VDI 2067 [7]. Der Optimierer kann Investitionsentscheidungen in verschiedene Anlagen, wie beispielsweise KWK-Systeme oder Wärmepumpen, treﬀen. Diese Entscheidungen lassen sich als

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Tabelle 2. Eingangsparameter Optimierung Mischgebiet Table 2. Input parameters for mixed area optimization Name

Bild 9. Gebäudegruppen innerhalb des Mischgebiets (Abbildung unter Verwendung von Bildmaterial von OpenStreetMap/Deutschland unter CC-BY-SA 2.0) Fig. 9. Building groups within mixed used area (illustration by using Open Street Map Germany, see CC-BY-SA 2.0)

binäre Variablen (0 – keine Investition; 1 – Investition) modellieren. Somit handelt es sich um ein gemischt-ganzzahliges Optimierungsproblem (mixed-integer linear programming; MILP). Dem Nutzer stehen als mögliche Energiesysteme KWK-Anlagen, Kessel, Wärmepumpen, thermische Speicher, PV-Module und elektrische Batterien zur Auswahl. Zusätzlich können Entscheidungen zu Nahwärmenetzen oder dezentralen elektrischen Netzen zwischen Gebäuden getroffen werden. Für die Anwendung des Optimierungsmodells wurde ein Areal innerhalb des Gewerbegebiets Knippenburg gewählt, welches aus 8 Wohngebäuden sowie 15 Nichtwohngebäuden ohne industrielle Prägung besteht. Die jährlichen thermischen Energiebedarfswerte liegen zwischen 13 000 kWh sowie 300 000 kWh, die elektrischen Bedarfswerte zwischen 3900 kWh sowie 100 000 kWh. Als Eingangsdaten für die Optimierung dienen die Gebäudekoordinaten sowie thermischen und elektrischen Lastprofile, welche mit den Methoden aus Abschnitt 3.3 generiert wurden. Mit Hilfe dieses Modells wurde eine mehrkriterielle Optimierung durchgeführt. Hierbei wurden als Zielfunktionen die Minimierung der Annuität sowie der Treibhausgasemissionen betrachtet. Da die mehrkriterielle Optimierung aufgrund der hohen Gebäudezahl rechenzeitintensiv ist, wurde das Mischgebiet mit Hilfe eines Clustering-Verfahrens in einzelne Abschnitte unterteilt. Bei diesem Verfahren wurde die maximale Gebäudezahl je Cluster auf 5 Gebäude begrenzt. Das Clustering erfolgte nach Zuordnung von Gebäuden in Gruppen geringer geographischer Entfernung. Bild 9 stellt Mischgebiet und Cluster dar. Blaue Punkte markieren Nichtwohngebäude, während grüne Punkte für Wohngebäude stehen. Für jede Gebäudegruppe wurde eine mehrkriterielle Optimierung durchgeführt. Zur weiteren Reduktion der Rechenzeit wurden Lastprofile und Wetterdaten nach Typperioden grup-

Wert

Einheit

Betrachtungszeitraum

Jahre

Interner Zinssatz

–

Preisänderungsfaktor (Kapital)

–

Preisänderungsfaktor (Bedarf)

–

Preisänderungsfaktor (Betrieb)

1,7 %

–

Preisänderungsfaktor (KWK-Verfügung)

–

Preisänderungsfaktor (PV-Vergütung)

–2,5 %

–

Spez. Preis Strom (Wohngebäude)

0,2661

Euro/kWh [24]

Spez. Preis Gas (Wohngebäude)

0,0671

Euro/kWh [24]

Spez. Preis Strom (Gewerbe)

0,1759

Euro/kWh [24]

Spez. Preis Gas (Gewerbe)

0,0479

Euro/kWh [24]

Solver MIP-Gap

–

Maximale Nodegröße je Prozess

500

Zeitlimit je Optimierung

Stunden

Bild 10. Pareto-Front für Cluster 4 Fig. 10. Pareto frontier for cluster 4

piert. Dies bedeutet, dass die Optimierung nur für eine bestimmte Anzahl an Typperioden durchgeführt wird, welche den Verlauf der Jahreslastgänge möglichst genau repräsentieren. Als Zeitraum der Typperioden wurden 7 Tage gewählt, um Speichereﬀekte auch über den Zyklus von 24 Stunden hinaus berücksichtigen zu können. Tabelle 2 stellt die Eingangsparameter der Optimierung dar. Für die Optimierung standen folgende Energiesysteme zur Auswahl: Kessel, KWK-Systeme, Wärmepumpen (Sole/Wasser) inklusive Heizstab, thermische Speicher, PV-Module und Nahwärmenetze zwischen Gebäuden. In Bild 10 ist beispielhaft die Pareto-Front für Cluster 4 dargestellt. Die Referenzvariante (Kesselversorgung) verursacht ca. 59 000 kg CO2-Emissionen bei Kosten von ca. 25 300 € pro Jahr. Die kostenminimale Lösung liegt mit 24 500 € pro Jahr 3 % unter der Referenzvariante, bei einer Reduktion der CO2-Emissionen um 10 500 kg (17,8 %). Die übrigen Epsilon-Constraint-Ergebnisse sind

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Tabelle 3. Kosten und Emissionen für verschiedene Zielfunktionen Table 3. Cost and emission values for diﬀerent objective functions Kosten in Euro/a

CO2Emissionen in t/a

KostenDiﬀerenz

CO2Diﬀerenz

Referenz

234 011

582

Min. CO2

700 936

200 %

–97 %

Epsilon 1

266 900

193

14 %

–67 %

Epsilon 2

273 709

133

17 %

–77 %

Epsilon 3

260 829

231

11 %

–60 %

Epsilon 4

246 925

294

–49 %

Min. Kosten

231 432

542

–1 %

–7 %

mit einer Erhöhung der jährlichen Kosten bei weiterer Reduktion der CO2-Emissionen verbunden. Epsilon Constraint 1 verursacht nur 12 100 kg CO2-Emissionen (–80 % gegenüber Referenz). Die Annuität beläuft sich in diesem Fall aber bereits auf 28 650 € pro Jahr ( 17 % gegenüber Referenz). Tabelle 3 stellt die gesamten Kosten und Emissionen des Mischgebiets für verschiedene Zielfunktionen dar. Aus der Tabelle geht hervor, dass sich auch die Annuität der kostenoptimalen Lösung im Wertebereich der Referenzannuität beﬁndet. Die Referenzkosten für reine Kesselversorgung betragen in diesem Fall ca. 234 000 € pro Jahr, während die Annuität der kostenminimalen Lösung ca. 231 400 € pro Jahr beträgt (–1 % gegenüber Referenz). Eine deutliche Kostenreduktion durch Einsatz moderner Anlagentechnik ist innerhalb des gewählten Mischgebiets daher nicht zu erwarten. Allerdings wird auch ersichtlich, dass eine Reduktion der CO2-Emissionen von ca. 50 % bei moderaten Kostensteigerungen von 6 % bis 11 % möglich ist. Die CO2-Vermeidungskosten der ersten Maßnahmen fallen somit relativ gering aus. In diesem Fall bevorzugt der Optimierer die Installation von PV-Flächen innerhalb stromintensiver Unternehmen. Bild 11 stellt die vorgeschlagene Anlagenverteilung bei minimalen Kosten dar. Die Nomenklatur bedeutet: – B: Kessel (Boiler) – CHP: Kraft-Wärme-Kopplung (Combined heating and power) – TES: Warmwasserspeicher (Thermal storage) – PV: Photovoltaik In diesem Fall tendiert der Optimierer zur Wahl von Kessel und Speichern bei gleichzeitiger Installation von PVFlächen auf Dächern stromintensiver Betriebe. Die Größenordnung der Modulﬂächen bewegt sich hier bei 20 m2 bis 70 m2. Bei größeren Anforderungen an die Treibhausgasreduktion werden zum einen größere PV-Flächen gewählt, zum anderen werden in Gebäuden größerer Bedarfswerte Kessel durch KWK-Anlagen ersetzt. In Bild 12 ist dieses Vorgehen zu erkennen. Ein Großteil der Betriebe wird hier mittels KWK-Systeme versorgt. In Cluster 1 wird darüber hinaus ein Nahwärmenetz vorgeschlagen. Allerdings

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Bild 11. Ergebnis Kostenminimierung Fig. 11. Results of cost minimization

Bild 12. Ergebnis Epsilon Constraint 1 Fig. 12. Results for epsilon constraint 1

kommt es in keiner Variante auf der Pareto-Front zum Einsatz von Wärmepumpen. Da Cluster 4 zwei Gewerbebetriebe höheren elektrischen Bedarfs beinhaltet, neigt der Optimierer zur Wahl von PV-Systemen mit hoher Eigenverbrauchsquote. Niedrigere Treibhausgasemissionswerte werden in diesem Fall durch größere PV-Flächen erreicht, welche gleichzeitig aber die Einspeisequote erhöhen und somit die Wirtschaftlichkeit schrittweise reduzieren. Die verwendeten elektrischen Standardlastproﬁle haben allerdings den Nachteil einer starken Glättung des Proﬁls auf Gebäudeebene, was zu einer Beschönigung der Eigenverbrauchsquote führen kann. Beim Einsatz der vorgeschlagenen Anlagentechnik im realen Feld ist daher von einer reduzierten Eigenverbrauchsquote auszugehen. Auch wenn sich der Nutzen von PV-Modulen als günstig zur Vermeidung von CO2-Emissionen erweist, so erfolgt die erhöhte Vermeidung bilanziell über Gutschrift durch Einspeisung. In Realität unterliegt die Einspeisefähigkeit Grenzen der Netzstabilität, welche im Bereich höherer Einspeiseleistungen zu beachten sind. Da diese Grenzen bislang nicht innerhalb des Optimierungspro-

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blems modelliert wurden, muss der Nutzer Lösungen hoher PV-Peakleistung kritisch hinterfragen. In Zukunft ist die Integration von Randbedingungen der Netzstabilität denkbar. Das gewählte Areal innerhalb des Mischgebiets verfügt nur über geringes Potenzial zur Kostenreduktion durch den Einsatz dezentraler Energiesysteme. Allerdings können bei moderaten Kostensteigerungen im Bereich von 11 % ca. 50 % der Treibhausgasemissionen vermieden werden. Dieses Ergebnis ist allerdings nicht auf die gesamte Welheimer Mark übertragbar, da sich der industrielle Prozesswärmebedarf nicht über KWK-Systeme oder Wärmepumpen substituieren lässt. Des Weiteren sind die speziﬁschen Stromkosten der Industrieunternehmen tendenziell niedriger als in den kleineren Gewerbebetrieben, womit das speziﬁsche Einsparpotenzial durch PV geringer ausfällt. Das Optimierungsmodell kann aber Anhaltspunkte für eine vorteilhafte Energieanlagenverteilung und -dimensionierung im Bestand sowie für Neubauprojekte liefern, auch für Mischgebiete.

4 Fazit Aus der Analyse des Mischgebiets ergab sich, dass eine Übertragung des Ziels von 50 % CO2-Reduktion von 2010 auf 2020 für die Welheimer Mark als unrealistisch bewertet wird, da ca. 77 % der Treibhausgasemissionen durch industrielle Verbraucher verursacht wurden. Die größten Potenziale zur Reduktion lagen somit in der betriebsinternen Optimierung. Bei der Voranalyse von Mischgebieten sollte daher der Fokus auf die energieintensiven Unternehmen gelegt werden. Die Welheimer Mark ist aufgrund der industriellen Prägung allerdings nicht repräsentativ für die gesamte Stadt Bottrop. Zur Gesamtzielerreichung müssen daher größere Einsparpotenziale in den übrigen Teilen der InnovationCity Ruhr erschlossen werden, z. B. im Sektor Wohnen. Die Datenaufnahme und Modellierung von kleinen und mittelständischen Unternehmen stellte sich als aufwändig heraus. Über die Methodik der Standardlastproﬁle (SLP) können thermische Lastgänge allerdings vereinfacht abgebildet werden. Der Vergleich von SLP mit gemessenen thermischen Lastgängen ergab für zwei Unternehmen eine gute Korrelation. Bei elektrischen Lastgängen war dies allerdings nicht der Fall. Die Bildung elektrischer Energiebilanzen ist somit für Nichtwohngebäude mit größerer Unsicherheit behaftet. Für den Vergleich aggregierter, elektrischer Lastprofile des Richardson-Tools mit dem elektrischen SLP für Haushalte ergab sich hingegen eine gute Übereinstimmung. Die dynamische Simulation des Referenzmodells der Wohnsiedlung lieferte thermische und elektrische Bedarfswerte, welche sich in einer Spanne von t 6,4 % Abweichung zum Verbrauchswert bewegen. Die Methodik zur Modellierung und Simulation von Wohngebäuden liefert somit auf Quartiersebene realistische Ergebnisse. Auf Einzelhausebene können allerdings die unsicheren Faktoren Sanierungsgrad und Nutzerverhalten dominieren, was zu einer deutlichen Abweichung zwischen Bedarf- und Verbrauchswerten führen kann. Bei der Verwendung der Methodik ist somit auf eine Mindestanzahl an Gebäuden zu achten.

Die Optimierung der Energieanlagenverteilung des Mischgebiets wies kein prägnantes Kostenreduktionspotenzial auf. Allerdings wurden Vorschläge für Energieanlagenverteilungen vorgenommen, welche zu einer Reduktion der Treibhausgasemissionen um 50 % bei moderaten Kostensteigerungen von ca. 11 % beitragen würden. In diesem Fall präferiert der Optimierer PV-Anlagen innerhalb stromintensiver Betriebe sowie den Einsatz von KWK-Systemen mit größeren, thermischen Speichern. Dieses Ergebnis kann allerdings nicht auf die gesamte Welheimer Mark übertragen werden, da das betrachtete Areal keine Industriebetriebe enthielt. Vor allem der industrielle Prozesswärmebedarf ließe sich kaum über KWK- oder Wärmepumpensysteme substituieren. Des Weiteren kann die Verwendung der elektrischen Standardlastprofile zu einer Überschätzung der PV-Eigenverbrauchsquote führen, da diese Profile eine starke Glättung aufweisen. Ohne Messwerte oder präzise Kenntnis der jeweiligen Betriebe ist eine hinreichend genaue Modellierung der elektrischen Lastprofile allerdings kaum möglich. Das SLP eignet sich somit zur Abschätzung der Dynamik der Lastprofile bei geringem Aufwand. Da innerhalb der Optimierung keine Randbedingungen zur Netzstabilität bzw. Einspeisegrenzen modelliert wurden, neigt der Optimierer zur Installation maximaler PV-Flächen zur Minimierung der CO2-Emissionen. In diesem Fall wird die PV-Installation nur über den Eingangsparameter verfügbare Dachfläche begrenzt. Selbiges gilt für die Wahl großer KWK-Anlagen. Hier besteht die Grenze im thermischen Bedarf der Gebäude. In beiden Fällen erfolgt die Minimierung der Emissionswerte über bilanzielle Gutschrift durch Einspeisung, unabhängig davon, ob das Niederspannungsnetz der Lastanforderung gewachsen wäre. Der Nutzer sollte daher den Faktor Netzstabilität vor Wahl einer Lösung in Betracht ziehen. Zukünftig können die Faktoren Robustheit und Netzstabilität mit in das Optimierungsmodell integriert werden.

Danksagung Die Autoren danken dem BMWi (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie) für die ﬁnanzielle Unterstützung unter dem Förderkennzeichen 03ET1138D. Darüber hinaus möchten wir uns bei der Stadt Bottrop, der innovation City Management GmbH, Intech Deutschland, infas enermetric, Pro:21 GmbH und der ELE Verteilnetz GmbH für die produktive Zusammenarbeit bedanken. Literatur [1] Müller, D., Monti, A., Schiefelbein, J., Diekerhof, M., Javadi, A., Pilick, H.: Abschlussbericht: EnEﬀ:Stadt – Bottrop, Welheimer Mark : Integrale Planung einer energetischen Aufwertung und neuen Versorgungsstruktur der Sektoren Arbeit, Wohnen und Infrastruktur. Aachen, 2016 [2] Schiefelbein, J., Javasi, A., Lauster, M., Remmen, P., Streblow, R., Müller, D.: Development of a City Information Model to support Data Management and Analysis of Building Energy Systems within Complex City. In: EPFL Solar Energy and Building Physics Laboratory (Hrsg.): Proceedings of CISBAT 2015 – Future Buildings & Districts – Sustainability from Nano to Urban Scale. Lausanne, 2015

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[3] Deutscher Wetterdienst: Klimafaktoren (KF) für Energieverbrauchsausweise. URL htttp://www.dwd.de/klimafaktoren – Überprüfungsdatum 2013-06-28 [4] Internationales Institut für Nachhaltigkeitsanalysen und -strategien: GEMIS – Globales Emissions-Modell integrierter Systeme. URL http://www.iinas.org/gemis-de.html – Überprüfungsdatum 2015-01-13. [5] Stadt Bottrop – InnovationsCity Ruhr: Antrag der Stadt Bottrop zur Innovation City : 2. Antragsphase. 2010. [6] Modelica Association: Modelica and the Modelica Association. URL https://www.modelica.org/ – Überprüfungsdatum 2015-06-08. [7] Verein Deutscher Ingenieure (VDI): Richtlinie VDI 2067: Blatt 1 – Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Grundlagen und Kostenberechnung. 2012. [8] RWTH Aachen University, E.ON Energieforschungszentrum, Institut for Energy Efficient Buildings and Indoor Climate: Modelica AixLib. URL https://github.com/RWTHEBC/AixLib [9] Lauster, M., Teichmann, J., Fuchs, M., Streblow, R., Müller, D.: Low order thermal network models for dynamic simulations of buildings on city district scale. Building and Environment 73 (2014), pp. 223–231. [10] Remmen, P., Lauster, M., Mans, M., Osterhage, T., Müller, D.: CityGML Import and Export for Dynamic Building Performance Simulation in Modelica, in: Building Simulation and Optimization conference (BSO16), Newcastle University, 2016, pp. 329–336. [11] Institut für Wohnen und Umwelt – IWU; Loga, T. (Mitarb.), Stein, B. (Mitarb.), Diefenbach, N. (Mitarb.), Born, R. (Mitarb.): Deutsche Wohngebäudetypologie : Beispielhafte Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz von typischen Wohngebäuden. Darmstadt: Wohnen und Umwelt, 2015. [12] Statistisches Bundesamt: Bevölkerung und Erwerbstätigkeit – Entwicklung der Privathaushalte bis 2030. Ergebnisse der Haushaltsvorausberechnung. Wiesbaden, 2011. [13] Richardson, I., Thomson, M., Infield, D.: A high-resolution domestic building occupancy model for energy demand simulations. Energy and Buildings 40 (2008), Nr. 8, pp. 1560–1566. [14] Knight, I., Kreutzer, N., Manning, M.: European and Canadian non-HVAC electric and DHW load profiles for use in simulating the performance of residential cogeneration systems : A report of Subtask A of FC COGEN-SIM, the Stimulation of Building-Integrated Fuel Cell and Other Cogeneration Systems, Annex 42 of the International Conservation in Buildings and Community Systems Programme. Ottawa, 2007. [15] International Energy Agency: Energy in Buildings and Communities Programme: Final Annex 42 Domestic Hot Water Profiles (Excel format). URL http://www.ecbcs.org/docs/ Annex_42_DHW_profiles_1_5_and_15_minute_data_by_ month_FINAL.zip – Überprüfungsdatum 2014-10-18. [16] Deutscher Wetterdienst: Testreferenzjahre. URL http:// www.dwd.de/TRY – Überprüfungsdatum 2015-04-02. [17] Hellwig, M.: Entwicklung und Anwendung parametrisierter Standard-Lastprofile. München, 2003. [18] Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e. V.: BDEW/VKU/GEODE Leitfaden Abwicklung von Standardlastprofilen Gas. 2011.

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[19] BDEW: Lastprofilverfahren Strom. URL http://www.vsgnetz.de/vsgnetz/Stromnetz/Lastprofilverfahren.php – Überprüfungsdatum 2014-06-10. [20] Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI; Schlomann, B. (Mitarb.), Steinbach, J. (Mitarb.), Kleeberger, H. (Mitarb.), Geiger, B. (Mitarb.), Pich, A. (Mitarb.), Gruber, E. (Mitarb.), Mai, M. (Mitarb.), Gerspacher, A. (Mitarb.), Schiller, W. (Mitarb.): Energieverbrauch des Sektors Gewerbe, Handel, Dienstleistungen (GHD) in Deutschland für die Jahre 2007 bis 2010: Endbericht an das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi). 2013. [21] Stadtwerke Unna: VDEW-Lastprofile. URL http://www. gipsprojekt.de/featureGips/Gips;jsessionid"36DBE8EAF15E 68329A3F6493121749DB?SessionMandant"sw_unna&Anw endung"EnWGKnotenAnzeigen&PrimaryId"133029&Mand antkuerzel"sw_unna&Navigation"J – Überprüfungsdatum 2014-06-10. [22] Schiefelbein, J., Diekerhof, M., Javadi, A., Bode, G., Streblow, R., Müller, D.: Development of a Tool Chain for Complex City District Energy System Modeling and Simulation. In: International Building Performance Simulation Association (IBPSA) (Hrsg.): Proceedings of Building Simulation 2015 (BS 2015). Hyderabad, 2015. [23] Schiefelbein, J., Tesfaegzi, J., Streblow, R., Müller, D.: Design of an Optimization Algorithm for the Distribution of Thermal Energy Systems and Local Heating Networks within a City District. In: LaTEP laboratory (Hrsg.): Proceedings of ECOS 2015 – The 28th International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems. Pau, 2015. [24] Eurostat: Energy prices. URL http://ec.europa.eu/euro stat/web/energy/methodology/prices – Überprüfungsdatum 2016-07-15.

Autoren dieses Beitrages: Dipl.-Ing. Jan Schiefelbein, jschiefelbein@eonerc.rwth-aachen.de M.Sc. Amir Javadi, ajavadi@eonerc.rwth-aachen.de Dipl.-Ing. Marcus Fuchs, mfuchs@eonerc.rwth-aachen.de Prof. Dr.-Ing. Dirk Müller, dmueller@eonerc.rwth-aachen.de RWTH Aachen University E.ON Energieforschungszentrum Fakultät für Maschinenwesen Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik Mathieustraße 10 52074 Aachen Prof. Antonello Monti, amonti@eonerc.rwth-aachen.de M.Sc. Michael Diekerhof, mdiekerhof@eonerc.rwth-aachen.de RWTH Aachen University E.ON Energy Research Center Institute Automation of Complex Power Systems (ACS) Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Mathieustraße 10 52074 Aachen

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"Solar Heating and Cooling” is a research programme initiated by the International Energy Agency. The programme's work is accomplished through the international collaborative effort of experts from Member countries and the European Union. The results are published in a series with Ernst & Sohn and Wiley.

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Fachthemen Stefan Krispel Martin Peyerl Philipp Weihs Gerald Maier

DOI: 10.1002/bapi.201710002

Urban Heat Islands – Reduktion von innerstädtischen Wärmeinseln durch Whitetopping Die Anforderungen an Verkehrsflächen im urbanen Bereich sind vielfältig und steigen kontinuierlich. Von Bedeutung für die Bewohner ist die Reduktion von urbanen Wärmeinseln bzw. „Heat Islands“, welche aufgrund ihrer erhöhten Temperatur das Stadtklima negativ beeinflussen. Auf Basis der Untersuchung wurde festgestellt, dass die Oberflächentemperatur und das allgemeine Temperaturniveau im innerstädtischen Bereich (dargestellt am Beispiel Wien) durch Ausführung heller Verkehrsflächen deutlich reduziert und auch die Sichtbarkeit von Verkehrsteilnehmern bei gleicher Ausleuchtung in der Nacht wesentlich verbessert werden kann. Als effiziente Sanierungsmethode eignet sich hier das System Whitetopping besonders gut, da mit dieser Methode sowohl die Tragfähigkeit als auch die Helligkeitseigenschaften von urbanen Verkehrsflächen einfach und kostengünstig verbessert werden können. Das Ersetzen von Asphaltstraßen durch Straßen mit einem Betonbelag mit einer Albedo gleich 0,5 würde zu einer Abnahme der täglichen Lufttemperatur im Sommer um ca. 1 °C führen. Auch die Modellsimulationen der Lufttemperatur über eine 150 m w 150 m große homogene Fläche zeigen eine Abnahme der Temperatur um 1 °C über Flächen in WhitetoppingAusführung verglichen zu Asphalt. Da Straßen einen Anteil von ca. 10 % der Gesamtfläche einer Stadt in Anspruch nehmen, können hier effiziente und langfristige Maßnahmen zur Verbesserung des Mikroklimas sowie der Erhöhung der Verkehrssicherheit gesetzt werden. Reduction of Urban Heat Islands with Whitetopping. The requirements for traffic areas in the urban zone are manifold and continuously increasing. The reduction of the heat islands, which adversely affect the urban climate due to their increased temperature, is of importance for the residents. An investigation revealed that light-coloured traffic areas can significantly reduce the surface temperature and overall temperature levels in urban areas (illustrated by the example of Vienna) and improve the visibility of traffic participants at unchanged illumination levels at night. As a rehabilitation measure the Whitetopping method is simple and cost-efficient for improving the load bearing capacity and brightness characteristics of urban traffic zones. Replacing asphalt roads with roads with a concrete topping, such as Whitetopping, with an albedo of 0.5 would lead to a daily air temperature reduction of approximately 1 °C in summer. The model simulations of the air temperature over a 150 m w 150 m homogeneous area with Whitetopping also show a decrease in temperature by 1 °C compared to asphalt. Since roads are representing 10 % of the total area of a city, efficient and long- term measures to improve the micro-climate and facilitate a further increase in traffic safety can be taken.

1 Problemstellung Zurzeit werden an den Baustoff Beton für Verkehrsflächen nur Anforderungen bezüglich der Konstruktion, u. a. die Erfüllung einer geforderten Festigkeitsklasse, die Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen und eine adäquate Griffigkeit, gestellt. Das Projekt „Optimierter Verkehrsflächenbeton“ beschäftigt sich mit zusätzlichen Herausforderungen, wie z. B. der Zunahme des Schwerverkehrs, der Ausprägung von urbanen Wärmeinseln, den sogenannten „Heat Islands“ und der Erhöhung der Sicherheit der Verkehrsteilnehmer. An dieser Stelle spielen die Helligkeitseigenschaften dieser Flächen eine entscheidende Rolle. Für die Verwendung von Beton für die Herstellung von niedrigrangigen, vor allem städtischen Verkehrsflächen kann jedoch dieser Werkstoff zusätzliche, vorteilhafte Eigenschaften erfüllen. Diese ergeben sich aus den Besonderheiten des Einsatzgebietes wie z. B. die erforderliche Ausleuchtung des Straßenraums mit Beleuchtungskörpern (Straßenlaternen), der Einfluss auf das kleinskalige bzw. lokale Klima und die Anwesenheit von Verkehrsteilnehmern mit geringer Fortbewegungsgeschwindigkeit (z. B. Fußgänger). Derzeitige Regelungen sind zugeschnitten auf das hochrangige Verkehrsnetz und berücksichtigen die angeführten Punkte nicht. Das Stadtklima wird wesentlich durch die Wirkung bebauter Flächen als Wärmespeicher beeinflusst. Daraus entstehen „urbane Wärmeinseln“, in denen die Temperatur um mehrere Grad höher sein kann als in den umgebenden ländlichen Bereichen. Aufgrund der hohen Bebauungsdichte stellen Verkehrsflächen einen wesentlichen Aspekt in der Beeinflussung des lokalen Klimas dar. Ein Untersuchungsziel war demnach die Erfassung einer möglichen Reduktion bzw. die positive Beeinflussung urbaner Wärmeinseln durch die Verwendung optimierter, heller Verkehrsflächenbetone. Helle Oberflächen tragen, insbesondere in Bereichen mit geringer oder keiner Beleuchtung, zur Erhöhung des subjektiven Sicherheitsgefühls und zur Senkung des Unfallrisikos bei. Aus diesen Gründen wurde im Rahmen des Projekts untersucht, ob die Sicherheit der Verkehrsteilnehmer durch entsprechende Wahl der Oberflächen erhöht werden kann. Die im Projekt eingesetzten, unterschiedlichen Verkehrsflächen weisen daher differierende Helligkeitseigenschaften auf.

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2 Stand der Technik – Heat Island-Effekt Eines der wichtigsten Phänomene der Stadtklimatologie ist die Ausprägung eines zusätzlichen Treibhauseffektes. Durch diese urbanen Wärmeinseln (heat islands) wird neben der allgemeinen Erwärmung das Temperaturniveau im urbanen Bereich weiter erhöht. Dies hat zur Folge, dass sich das Klima eines urbanen Bereiches deutlich von den großräumig bedingten Werten abhebt (ein Effekt, der sich besonders drastisch an heißen und windstillen Sommertagen zeigt). Diese Temperaturerhöhung bewirkt nicht nur ein beträchtliches Absinken des Wohlbefindens und der Leistungsfähigkeit, sondern verursacht auch eine Erhöhung der Sterblichkeit [1], [2]. Die Veränderung des Klimas einer Stadt gegenüber jenem des weiteren Umlandes (bis etwa 250 km) beruht auf einer Vielzahl von Faktoren. Neben allgemeinen Einflussparametern wie Lage, Gestalt und Größe einer Stadt sowie die Sonnenstrahlung spielen auch Bebauungsgeometrie und daraus resultierende Strömungshindernisse, Luftverschmutzung und auch die verwendeten Baumaterialien eine wesentliche Rolle in der Ausprägung einer städtischen Wärmeinsel [3]. Den größten materialabhängigen Einfluss auf die induzierte Energie einer Oberfläche weist der Anteil der Strahlungsbilanz auf. Dabei unterscheidet man lang- und kurzwellige Strahlung. Der entscheidende Faktor der kurzwelligen Strahlungsbilanz ist die Albedo einer Oberfläche F (Verhältnis kurzwelliger Ein- und Ausstrahlung). Tabelle 1 liefert eine Zusammenstellung einiger Albedowerte unterschiedlicher Materialien, die im urbanen Umfeld präsent sind. Aus Tabelle 1 ist zu erkennen, dass je nach Oberflächenwahl deutlich unterschiedliche Albedowerte auftreten. Um dies zu verdeutlichen, zeigt Bild 1 das Thermalbild [5] vom Zentrum von Wien (oben) im Vergleich zum zugehörigen Satellitenbild (unten) [6]. Im Wärmebild sind besonders kühle Flächen in der Farbe Schwarz und sehr warme Flächen in der Farbe Rot dargestellt. Bei einem Vergleich mit der Satellitenbildaufnahme ist deutlich zu erkennen, dass sich Verkehrsflächen, wie die Ringstraße, der Gürtel etc. durch sehr hohe Oberflächentemperaturen auszeichnen, während Grünflächen ein deutlich niedrigeres Temperaturniveau aufweisen. Aus diesem Grund ist eine Reduktion der Oberflächentemperatur an diesen Flächen besonders sinnvoll. Mehrere Studien [7], [8], [9], [10] haben sich mit dem Einfluss von unterschiedlich reflektierenden Dachflächen und Straßenasphalten auf das Mikroklima in Städten beschäftigt und untersucht, ob man durch Änderung der Bodenoberflächenreflexion mikroklimatische Änderungen herbeiführen könnte. Tabelle 1. Albedowerte ausgewählter Materialien [1], [3], [4] Table 1. Albedo of selected materials [1], [3], [4] Material

Kurzwellige Albedo [%]

Asphalt

5 – 20

Beton

10 – 35

Beton weiß

Wiese

15 – 25

Laubwald

15 – 20

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Bild 1. Wien, Wärmebild (oben) [5] und Satellitenbild (unten) [6] Fig. 1. Vienna, thermogram (top) [5] and satellite image (bottom) [6]

Bei Schönwetter im Sommer fanden Santamouris et al. [10] bei einer 4500 m2 aufgehellten Asphaltfläche mit Reflexionswerten von 47 % im sichtbaren und 71 % im infraroten Strahlungsbereich – verglichen mit konventionellen Asphaltflächen – eine Verminderung der Oberflächentemperatur von 12 °C und der darüber liegenden Lufttemperatur von 1,9 °C. Da ein Anstieg der Reflexion im sichtbaren Wellenbereich, z. B. zur Blendung von Autofahrern und deshalb zu Sicherheitsproblemen führen könnte, wird das Augenmerk vor allem auf die Anhebung der Reflexion von Asphaltflächen im Infrarotbereich gelegt.

3 Projektumsetzung Zur Ermittlung der klimatischen Kennwerte und der für Berechnungsmodelle relevanten Ausgangsdaten wurden sechs unterschiedliche Versuchsﬂächen errichtet, welche sich neben unterschiedlichen Deckschichten durch den

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Tabelle 2. Aufbau der Versuchsfelder Table 2. Structure of the test ﬁelds Bezeichnung

Aufbau

Dicke [cm]

ungebundene untere Tragschichte RK

–

ungebundene obere Tragschichte Whitetopping KK „weiß“ (Versuchsfeld 1) bituminöse Tragschichte AC22 70/100 (nach Fräsen)

30 10

Straßenoberbeton OB F52 GK 22 mit Weißzement

ungebundene untere Tragschichte RK

–

ungebundene obere Tragschichte Betondecke KK (Versuchsfeld 2) bituminöse Tragschichte AC22 70/100

30 5

Straßenoberbeton OB F52 GK 22

ungebundene untere Tragschichte RK

–

ungebundene obere Tragschichte Whitetopping KK „hell“ (Versuchsfeld 3) bituminöse Tragschichte AC22 70/100 (nach Fräsen)

30 10

Straßenoberbeton OB F52 GK 22 mit Weißpigment

ungebundene untere Tragschichte RK

–

ungebundene obere Tragschichte KK Asphaltdecke (Versuchsfeld 4) bituminöse Tragschichte AC22 70/100

30 15

bituminöse Deckschichte AC11 70/100

ungebundene untere Tragschichte RK

–

ungebundene obere Tragschichte KK

Whitetopping „normal“ (Versuchsfeld 5) bituminöse Tragschichte AC22 70/100 (nach Fräsen)

Straßenoberbeton OB F52 GK 22

ungebundene untere Tragschichte RK

–

ungebundene obere Tragschichte Gussasphalt (Versuchsfeld 6) KK

Bild 2. Anordnung der Versuchsfelder [11] Fig. 2. Arrangement of the test ﬁelds [11]

Unterbeton C20/25/X0

Gussasphalt MA4, 90/10

gewählten Gesamtaufbau unterscheiden. Dabei wurden eine übliche Asphaltdecke, eine herkömmliche Betondecke, ein Gehsteigaufbau und drei unterschiedliche Whitetopping-Systeme ausgewählt. Der Aufbau der Versuchsfelder ist in Tabelle 2 zusammenfassend dargestellt. Um möglichst realistische Kennwerte zu erhalten, werden die Verkehrsﬂächen in einem Bereich ohne mögliche Beschattung durch Gebäude und Vegetation angelegt.

Bild 2 zeigt die Anordnung der sechs Versuchsfelder mit einer Größe von jeweils 8 m w 8 m. Für die Herstellung der Betonoberﬂächen dient als Basis eine Rezeptur „Straßenoberbeton“ gemäß RVS 08.17.02 [12] mit Größtkorn 22 mm und der Konsistenz F52. Die Herstellung der normalen Betondecke (Feld 2) erfolgt mit Deckenzement CEM II/B-S 42,5 N (DZ) [13], bei der Whitetopping-Fläche des Feldes 1 wird dieser Zement durch einen handelsüblichen Weißzement ersetzt. Bei der hellen Whitetopping-Fläche (Feld 3) erfolgt die Zugabe von Weißpigment bei Verwendung von handelsüblichem DZ. Die Solleinwaagen der Betonsorten sind Tabelle 3 zu entnehmen.

3.1 Projektergebnisse 3.1.1 Ergebnisse der Ermittlung der Temperaturverläufe Um die Auswirkungen der unterschiedlichen Oberflächen auf das Erwärmungsverhalten festhalten zu können, erfolgt die Messung der Temperatur an der Oberfläche sowie in unterschiedlichen Tiefenstufen an verschiedenen Zeitpunkten im Jahreszyklus. Hierfür werden in jedes der sechs Versuchsfelder Temperaturfühler in den Tiefen von 0 cm, 2,5 cm, 6 cm und 12 cm versetzt. Die höchsten Oberflächentemperaturen werden generell bei Gussasphalt- und Asphaltfahrbahnoberflächen gemessen. Betonoberflächen liefern um etwa 10 K geringere Maximaltemperaturen. Bei einem Vergleich der Betonfahrbahnoberflächen untereinander zeigt sich, dass die Whitetopping-Fläche „weiß“ die geringste Oberflächentemperatur hervorruft. Der Unterschied zwischen Whitetopping „hell“, „normal“ und einer üblichen Betondecke ist relativ gering bzw. vernachlässigbar. Bild 3 zeigt den Verlauf der Oberflächentemperaturen im Monat Juli. Die Auswirkungen der unterschiedlichen Materialeigenschaften auf die resultierenden Temperaturen sind bis

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Tabelle 3. Zusammenstellung der Rezepturen für die Betonsorten OB GK22 F52, OB GK22 F52 hell und OB GK22 F52 weiß Table 3. Composition of formulas for the concrete types OB GK22 F52, OB GK22 F52 light-coloured and OB GK22 F52 white Betonausgangsstoﬀ

Einwaagen gemäß Rezeptur bzw. Betonkennwerte [kg/m3]

Betonsorte

OB GK22 F52

OB GK22 F52 hell

OB GK22 F52 weiß

Einbaufelder

2, 5

CEM II/B-S 42,5 N

420

421

CEM I 52,5 N Weißzement

421

Pigment Titandioxid

Gesteinskörnung RK 0/4

780

784

781

Gesteinskörnung RK 8/11

162

163

Gesteinskörnung RK 11/22

962

966

965

Gesamtwasser

168

167

Fließmittel

2,96

2,52

LP-Mittel

0,73

0,76

0,75

W/B-Wert

0,40

Bild 3. Oberﬂächentemperatur im Juli Fig 3. Surface temperature in July

Bild 4. Temperaturen in 6 cm Tiefe im Juli Fig 4. Temperatures at a depth of 6 cm in July

in eine Tiefe von 12 cm, gemessen von der Oberﬂäche des jeweiligen Versuchsfeldes, feststellbar. In Bild 4 sind die ermittelten Temperaturen in einer Tiefe von 6 cm für den Monat Juli beispielhaft dargestellt. Eindeutig ersichtlich ist, dass Betonoberﬂächen geringere maximale Temperaturen liefern.

Berücksichtigung von ÖNORM EN 13201-3 [15] mit einer ortsaufgelösten Leuchtdichtekamera in einer Messhöhe von 1,5 m). Die Beleuchtung der einzelnen Oberflächen findet mit einer herkömmlichen Straßenleuchte (Kofferleuchte 150 W) statt, welche mobil auf einem Anhänger montiert wird. Die Bestimmung des Reflexionsgrades erfolgt gemäß BS 8493 [16] bei trockenem Oberflächenzustand. An jedem der 9 Messpunkte wird der Mittelwert aus fünf Einzelmessungen bestimmt, danach wird das Gerät auf dem Messpunkt um 90°, 180° und 270° im Uhrzeigersinn gedreht und die Messung wiederholt. Daraus ergibt sich pro Messpunkt ein Mittelwert aus vier Messungen zu je fünf Einzelmessungen. Die Messanordnung ist Bild 5 zu entnehmen. Die Ergebnisse der Leuchtdichtebestimmungen an den Prüfflächen sind Bild 6 zu entnehmen. Im Zuge der Ermittlung der mittleren Leuchtdichte werden von jedem der Versuchsfelder sogenannte Leuchtdichtebilder erstellt. In Bild 7 sind beispielhaft die Leuchtdichtebilder der Asphaltdecke (Versuchsfläche 4) und der Betondecke (Versuchsfläche 2) dargestellt.

3.1.2 Ergebnisse der Ermittlung der Leuchtdichte und des Reflexionsgrades Zur Feststellung, wie sich unterschiedliche Oberflächen auf das subjektive Sicherheitsempfinden der Verkehrsteilnehmer bzw. deren Sichtbarkeit auswirken, folgt die Ermittlung der Ausleuchtung der Versuchsfelder. Diese Versuche beinhalten die visuelle Beurteilung der jeweiligen Ausleuchtung in der Nacht mit herkömmlicher Straßenbeleuchtung sowie die Ermittlung der Leuchtdichte. Zur Durchführung der Messungen wird auf jeder der Versuchsflächen eine Straßenleuchte situiert und die Sichtbarkeit einer Testperson visuell festgehalten. Die Messung der Leuchtdichte und der Farbinformation erfolgt situationsbedingt in Anlehnung an ÖNORM EN 13201-4 [14] (unter

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Bild 5. Messanordnung zur Ermittlung des Reﬂexionsgrades (Bild: SMG) Fig. 5. Measuring arrangement to determine the level of reﬂectance (Picture: SMG)

Aufgrund der dargestellten Ergebnisse lässt sich festhalten, dass Betonoberflächen weitaus höhere Leuchtdichten als Asphalt- bzw. Gussasphaltoberflächen liefern. Zur zusätzlichen Verifizierung der Messdaten folgt eine optische Beurteilung der Sichtbarkeit einer Person auf den unterschiedlichen Versuchsfeldern.

3.1.3 Ergebnisse der Ermittlung des Einﬂusses der Oberﬂächentypen auf das kleinskalige bis lokale Klima

Bild 6. Mittlere Leuchtdichte Lm auf den untersuchten Oberﬂächen Fig. 6. Average luminance Lm of analyzed surfaces

Die Untersuchungen zur Darstellung des Einflusses auf Oberflächen umfassen einen experimentellen Teil sowie eine Modellsimulation, welche auf den ersten Teil aufbaut. Die Messungen sollen die für die Simulation wesentlichen physikalischen Größen und Phänomene erfassen. Dazu zählt die Bestimmung der optischen Eigenschaften der Versuchsflächen, d. h. der Albedo (Reflexionsvermögen der Versuchsflächen) und des Emissionsvermögens J der Oberflächen. Um die Energiebilanz und hier vor allem die Strahlungsbilanz zu charakterisieren, werden die einzelnen Strahlungsflüsse im kurzwelligen solaren aber auch im thermisch infraroten (langwelligen) Bereich gemessen. Über einer Versuchsfläche werden kontinuierliche Messungen der kurzwelligen und langwelligen Strahlungsbilanz mit Radiometern (s. Bild 8) durchgeführt. Über die anderen Flächen wird die reflektierte Strahlung mit Sensoren sowie die Oberflächentemperatur (d. h. gleichzeitig auch die emittierte langwellige Strahlung) mit Hilfe von thermischen Infrarotsensoren bestimmt. Zusätzlich zu diesen Größen wird die Lufttemperatur in 1 cm Höhe, die Oberflächentemperatur mit Thermoelementen, die Lufttemperatur sowie die Windgeschwindigkeit und -richtung

nur über einer Fläche – aber repräsentativ für alle Flächen – gemessen. Eine für Energiebilanzberechnungen in urbanem Gelände notwendige Größe ist die spezifische Wärmekapazität der versiegelten Flächen. Die spezifische Wärmekapazität gibt an, wie viel Energie notwendig ist, um 1 kg einer gewissen Materie um 1 K zu erwärmen. Die Wärmeenergie wird in den urbanen Straßenschluchten, in den versiegelten Flächen gespeichert und später an die Luft wieder zurückgegeben. Die Wärmespeicherung ist demgemäß eine der wichtigsten Einflussgrößen, die zur Überhitzung der Städte führt. Die Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität wird im Labor mit aus den Versuchsfeldern entnommenen und zur Verfügung gestellten Proben durchgeführt. Resultierend aus den ermittelten Kennwerten werden Modellrechnungen auf Basis simulierter Straßenschluchten dreier definierter Szenarien durchgeführt. Die angenommenen Szenarien waren: – Hecke zwischen Gehsteig und Straße, – Wand zwischen Gehsteig und Straße,

Bild 7. Leuchtdichtebild, a) der Asphaltdecke, b) der Betondecke [17] Fig. 7. Luminance image, a) of asphalt pavement, b) of concrete pavement [17]

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Bild 8. Messeinrichtung zur Bestimmung der Strahlungsbilanz, Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit und -richtung (Bild: SMG) Fig. 8. Measuring device to determine the radiation balance, air temperature, wind speed and wind direction (Picture: SMG)

– keine Trennung zwischen Gehsteig und Straße. Für die Simulationsrechnungen wurden die Kennwerte der Versuchsflächen Asphaltdecke (Feld 4) und Whitetopping „weiß“ (Feld 1) ausgewählt. Die Analyse der Messungen der Strahlungsbilanz und der Oberflächentemperaturen der einzelnen Versuchsflächen zeigt einen eindeutigen Einfluss der Oberflächenalbedo auf die Oberflächentemperatur. Messungen der Oberflächentemperatur mit Thermoelementen und Infrarotsensoren sowie Aufnahmen der Oberflächentemperatur mit einer Thermalkamera zeigten Unterschiede der Oberflächentemperatur von bis zu 11 °C, wobei die Asphaltversuchsfläche Temperaturen bis 53 °C erreicht und die Whitetopping-Fläche mit der höchsten Albedo Temperaturen bis 42 °C aufwies. Messungen der Lufttemperatur mit Thermo-

elementen in 10 cm Höhe zeigten eine sehr starke Schwankung der Werte aufgrund von Thermik, Turbulenzen und Randeffekten (Einfluss der unterschiedlichen Eigenschaften der von der Umgebung herantransportierten Luftmassen. Der Einfluss der Bodenalbedo und Materialeigenschaften auf die Lufttemperatur wurde mit Hilfe des Stadtenergiebilanzmodells Envimet Version 3.99 [18] simuliert. Die als Modelleingabeparameter verwendeten Materialeigenschaften der verschiedenen Versuchsflächen wurden im Labor oder auf dem Versuchsgelände bestimmt und sind in der zusammenfassenden Tabelle 4 ersichtlich. Um Randeffekte zu vermeiden, wurde über das gesamte Modellraster von 150 m w 150 m die Fläche als homogene Asphalt bzw. Betonfläche angenommen. In Tabelle 4 sind die Ergebnisse der Albedomessungen der sechs Versuchsflächen und der gemessenen maximalen Oberflächentemperaturen zusammengestellt. Die dritte Spalte zeigt die Emissionskonstante, die durch einen Vergleich der gemessenen Oberflächentemperatur (PT100) und der gemessenen langwelligen Strahlung (Kipp und Zonen 4 Komponenten Radiometer) ermittelt wurde. Spalte 4 stellt die spezifische Wärmekapazität der Materialien dar. Diese wurde im Labor bestimmt. Die mit Envimet durchgeführten Simulationen zeigen eine Temperaturdifferenz zwischen Asphaltoberfläche und Whitetopping-Oberfläche von ca. 11 °C, wobei die Asphaltoberfläche Temperaturen bis 52 °C erreicht und die Whitetopping-Oberfläche Temperaturen bis 41 °C. Die um 15:10 Uhr auftretenden Maxima der Lufttemperatur liegen 20 cm über der Asphaltfläche bei 32,2 °C und über der Whitetopping-Fläche bei 31,1 °C. Das ergibt einen Temperaturunterschied von 1 °C. Bei der Abschätzung des sich ergebenden thermischen Stresses auf den Menschen wird nicht nur die Lufttemperatur, sondern auch die vom Menschen empfangene kurzwellige und langwellige Strahlung berücksichtigt. Die wirkenden Strahlungsflüsse auf den menschlichen Körper und die vom Körper empfangene Strahlung werden durch die mittlere Strahlungstemperatur beschrieben. Diese erreicht um 15 Uhr wegen der reflektierten kurzwelligen Strahlung höhere Maximalwerte von 74,9 °C über dem Whitetopping als über dem Asphalt, wo die Werte 66,3 °C betragen. Obwohl die Lufttemperatur über Whitetopping geringer ist, zeigen Berechnungen des thermischen Stress-Index UTCI (universal thermal climate index) mit 42,7 °C einen etwas höheren thermischen Stress über Beton als über Asphalt, mit einem UTCI-Wert

Tabelle 4. Ergebnisse der Messungen Table 4. Test results Oberﬂäche (Nr. d. Versuchsfeldes)

Albedo

Oberﬂächentemperatur [°C]

Emissionskonstante

Speziﬁsche Wärmekapazität [J/(kg · K])

Gussasphalt (6)

0,12

50 t 1°C

0,95 t 0,02

901

Asphaltdecke (4)

0,13

52t 1°C

0,98 t 0,02

901

Betondecke (2)

0,43

48 t 1°C

0,99 t 0,02

721

Whitetopping „weiß“ (1)

0,57

41 t 1°C

0,99 t 0,02

891

Whitetopping „hell“ (3)

0,47

44 t 1°C

0,99 t 0,02

891

Whitetopping „normal“ (5)

0,48

43 t 1°C

0,99 t 0,02

891

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von 41,6 °C erreicht. Die im Rahmen der vorliegenden Studie präsentierten Ergebnisse bestätigen bereits veröffentlichte Studien [19], [20], welche auf eine Zunahme des thermischen Stresses durch einen Anstieg der Albedo in der Umgebung hinweisen. Der Einfluss einer Erhöhung der Straßenalbedo auf eine mögliche Verminderung der mittleren Temperatur einer Großstadt wurde in weiterer Folge anhand von Ergebnissen aus der wissenschaftlichen Literatur abgeschätzt. Nach Akbari und Rose [21] stellen versiegelte Flächen ca. 29 bis 44 % der Fläche einer Stadt dar. Unter der Annahme, dass Straßen (ohne Gehsteig) nur 20 % der Flächen ausmachen, würde die Erhöhung der Albedo von Straßen von 0,2 auf 0,5 zu einer Erhöhung der durchschnittlichen Albedo der Stadt von ca. 0,12 führen. Die von Santamouris [22] entwickelten Regressionsgleichungen, welche die Abnahme der mittleren und maximalen Temperatur einer Stadt als Funktion einer Änderung der Albedo in Zusammenhang setzen, werden in weiterer Folge verwendet, um den Einfluss auf das großräumige Klima abzuschätzen. Eine Zunahme der Stadtalbedo von 0,12 würde zu einer Abnahme der durchschnittlichen und maximalen täglichen Lufttemperatur an wolkenlosen Sommertagen von 0,4 bzw. 1 °C führen. Der letzte Schritt der vorliegenden Studie geht der Frage nach, ob die positiven Auswirkungen einer Erhöhung der Albedo durch höherreflektierende Verkehrswege, bei gleichzeitiger Vermeidung eines erhöhten lokalen thermischen Stresses für den Menschen durch eine angepasste Raumplanung, genutzt werden könnten. Techniken, um den thermischen Stress des Menschen zu vermeiden, wurden mit dem Modell Envimet simuliert. Wie bereits erläutert, wird für eine typische urbane Schlucht der thermische Stress des Menschen für drei Szenarien berechnet: für eine Whitetopping-Straße und einen Asphaltgehsteig a) ohne oder mit einer Trennung durch b) eine Wand oder durch c) eine Hecke zwischen Straße und Gehsteig. Diese Berechnungen werden mit der Referenzberechnung d. h. Simulation für eine asphaltierte Straße inklusive asphaltiertem Gehsteig verglichen. In der Mitte der urbanen Schlucht über der Straße führt der Whitetopping-Straßenbelag zu einer Erhöhung der mittleren Strahlungstemperatur und in weiterer Folge zu einer Erhöhung des thermischen Stresses. Dieser Einfluss der höheren kurzwelligen Reflexion des Whitetopping-Belags ist aber über dem Gehsteig in 1 m Entfernung vom Gehsteigrand nicht mehr ersichtlich.

4 Schlussfolgerungen Auf Basis der durchgeführten Untersuchungen können nachfolgende Ergebnisse dargelegt werden: – Mittels Messung der Temperaturen in verschiedenen Tiefenstufen (0 cm, 2,5 cm, 6 cm und 12 cm) konnte das unterschiedliche Erwärmungsverhalten der verschiedenen Materialien dargestellt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass Betonoberﬂächen um bis zu 10 K geringere Temperaturmaxima als Gussasphalt- bzw. Asphaltﬂächen aufweisen. Dieses, bis in eine Tiefe von 12 cm nachweisbare, unterschiedliche Erwärmungsverhalten hat verständlicherweise auch Auswirkungen auf das Mikroklima in der Stadt.

– Der Ersatz von bituminösen Belägen durch Beton (z. B. Whitetopping) mit einer Albedo von 0,5 würde zu einer Reduktion der sommerlichen Lufttemperatur von ca. 1 °C führen. Die durchgeführten Modellsimulationen der Lufttemperatur über einer homogenen Fläche von 150 m w 150 m zeigen ebenfalls eine Temperaturreduktion um 1 °C der Whitetopping-Oberfläche gegenüber Asphalt. – Gemäß den Daten der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik in Wien [23] hat sich die Atmosphäre in Wien seit dem Ende des 19. Jahrhunderts um etwa 2 °C erwärmt. Alleine in der Periode seit 1980 wurde eine Temperaturzunahme um 1 °C festgestellt. Die Verwendung von Beton statt bituminösen Baustoffen für innerstädtische Verkehrsflächen stellt hier einen signifikanten Beitrag zur positiven Beeinflussung des innerstädtischen Klimas bzw. der innerstädtischen Erwärmung dar. – Zur Feststellung, wie sich unterschiedliche Oberflächen auf das subjektive Sicherheitsempfinden der Verkehrsteilnehmer bzw. deren Sichtbarkeit auswirken, erfolgt eine Ermittlung der Ausleuchtung der unterschiedlichen Verkehrsoberflächen. Hierzu wurde einerseits die Leuchtdichte gemäß normativen Untersuchungsverfahren ermittelt und andererseits die visuelle Sichtbarkeit von Personen bei verschiedenen Verkehrsflächenbelägen beurteilt. Die Versuchsergebnisse zeigen deutliche Vorteile der zementgebundenen Bauweisen (Betondecke, Whitetopping-Bauweise) gegenüber den bituminösen Verkehrsbelägen (Asphaltdecke, Gussasphalt). Mittels der optischen Sichtbarkeitsbeurteilung von Personen können die gemessenen Leuchtdichteunterschiede eindeutig bestätigt werden. – Die Bestimmung des Reflexionsgrades stellt eine vielversprechende Prüfmethode für einfache und rasche Beurteilungen vor Ort, z. B. im Zuge von Abnahmen auf Baustellen, falls lichttechnische Kennwerte gefordert werden, dar. Die resultierenden Werte korrelieren gut mit den Ergebnissen der zeit- und kostenaufwendigen Leuchtdichtebestimmungen. – Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die Whitetopping-Bauweise eine effiziente Methode darstellt, um sowohl die Tragfähigkeit als auch die Helligkeitseigenschaften von urbanen Verkehrsflächen einfach und kostengünstig zu verbessern. Die Untersuchungen zeigen, dass die Oberflächentemperaturen und das allgemeine Temperaturniveau im innerstädtischen Bereich deutlich reduziert werden können. Zusätzlich kann bei der Verwendung heller Materialien wie Beton die Sichtbarkeit von Verkehrsteilnehmern bei gleicher Ausleuchtung in der Nacht wesentlich verbessert werden. Außerdem konnten mittels der verschiedenartigen Testflächen Anforderungen für die zukünftigen Ausführungen solcher Fahrbahnaufbauten deutlich definiert werden. Literatur [1] Matzarakis, A.: Die thermische Komponente des Stadtklimas. Habilitation, Universität Freiburg. Freiburg, 2001. [2] Helbig, A., Baumüller, J., Kerchgens, M. J.: Stadtklima und Luftreinhaltung, 2. Aufl. Berlin Heidelberg New York: Springer 1999.

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S. Krispel/M. Peyerl/P. Weihs/G. Maier · Urban Heat Islands – Reduktion von innerstädtischen Wärmeinseln durch Whitetopping

[3] Fezer, F.: Das Klima der Städte. Gotha: Perthes Geographie Verlag, 1995. [4] Nefzger, H., Karipot, A.: Einfluß von Strahlung und Mikroklima auf Straßenwetterprognosen. Bundesministerium für wirtschaftliche Angelegenheiten. Wien, 1997. [5] Wiener Umweltschutzabteilung MA 22, Thermalbild vom 15.08.2001 20-22MEZ. [6] GOOGLE.AT/MAPS: abgerufen im Januar 2010. [7] Zinzi, M.: Cool materials and cool roofs: Potentialities in Mediterranean buildings. Adv. Build. Energ. Res. (2010), 4, pp. 201–266. [8] Synnefa, A., Karlessi, T., Gaitani, N., Santamouris, M., Assimakopoulos, Dn., Papakatsikas, C.: On the optical and thermal performance of cool colored thin layer asphalt used to improve urban microclimate and reduce the energy consumption of buildings. Build Environ 46 (2011), pp. 38–44. [9] Doulos, L., Santamouris M., Livada, I.: Passive Cooling of outdoor urban spaces. The role of materials. Sol Energy 77 (2004), 2, pp. 231–249. [10] Santamouris, M., Gaitani, N., Spanou, A., Saliari, M., Giannopoulou, K., Vasilakopoulou, K., Kardomateas, T.: Using cool paving materials to improve microclimate of urban areas – Design realisation and results of the flisvos project. Building and Environment 53 (2012), pp. 128–136. [11] Weihs, P.: Anordnung der Versuchsfelder (Foto). Stadtverkehrsflächen- Optimierter Beton für den innerstädtischen Bereich. Update (2016), H. 44, S. 2–22. [12] RVS 08.17.02: Deckenherstellung. Österreichische Forschungsgesellschaft Straße – Schiene – Verkehr, Wien, 2011. [13] ÖNORM B 3327-1: Zemente gemäß ÖNORM EN 197-1 für besondere Verwendungen – Teil 1: Zusätzliche Anforderungen. Österreichisches Normungsinstitut, Wien, 2005. [14] ÖNORM EN 13201-4: Straßenbeleuchtung – Methoden zur Messung der Gütemerkmale von Straßenbeleuchtungsanlagen. Österreichisches Normungsinstitut, Wien, 2005. [15] ÖNORM EN 13201-3: Straßenbeleuchtung – Teil 3: Berechnung der Gütemerkmale. Österreichisches Normungsinstitut, Wien, 2005. [16] BS 8493:2008 A1:2010: Light reflectance value of a surface – Method of test. BSI Standards Publication, 2008 (14.06.2016). [17] MA 39: Laborbericht über die Bestimmung der Leuchtdichte von unterschiedlichen Straßenoberflächen. Erstellt im

Rahmen des Forschungsprojektes von der Magistratsabteilung 39 – Prüf-, Überwachungs- und Zertifizierungsstelle der Stadt Wien, 2015. [18] Bruse, M.: Envi- met 3.1, Dezember 2009. In: http://www. envi-met.com/documents/onlinehelpv3/helpindex.htm (14.06.2016). [19] Hui, Li: Evaluation of Cool Pavement Strategies for Heat Island Mitigation. Phd University of California, 2012. [20] Lee, H., Mayer, H., Schindler, D.: Importance of 3-D radiant flux densities for outdoor human thermal comfort on clear –sky summer days in Freiburg, Southwest Germany. Meteorologische Zeitschrift 23 (2014), No. 3, S. 315–330. [21] Akbari, H., Rose, L. S.: Urban surfaces and heat island mitigation potentials. Journal of the Human-Environment System (2008), 11, pp. 85–101. [22] Santamouris, M.: Cooling Cities – A review of reflective and green roof mitigation technologies to fight heat island and improve comfort in urban environment. Solar Energy (2014), 103, pp. 682–703. [23] Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik. In: https://www.zamg.ac.at/cms/de/klima/informationsportalklimawandel/klimavergangenheit/neoklima/lufttemperatur (14.06.2016).

Autoren dieses Beitrages: Mag. (FH) DI Dr. Stefan Krispel DI Dr. Martin Peyerl Dipl.- Ing. Gerald Maier Smart Minerals GmbH Science Center Franz-Grill-Straße 9 1030 Wien, Österreich ofﬁce@smartminerals.at Prof. Mag. Dr. Philipp Weihs Universität für Bodenkultur Institut für Meteorologie Peter-Jordan-Straße 82 1190 Wien, Österreich philipp.weihs@boku.ac.at

Aktuell Weitere BIM-Referenzobjekte gesucht Das Förderprojekt BIMiD geht Ende Februar 2017 zu Ende. Die BIMiD-Projektpartner sind sich gemeinsam mit vielen anderen Fachleuten einig, dass es zur erfolgreichen Einführung der BIMMethode in Deutschland vieler weiterer Praxismodellprojekte bedarf, die systematisch begleitet, dokumentiert, kommuniziert und in der Fachöffentlichkeit diskutiert werden sollten. Für mögliche Folgeprojekte werden daher – zu diesem

Bauphysik 39 (2017), Heft 1

Zeitpunkt noch unverbindliche – Interessensbekundungen für potenzielle weitere BIM-Referenzobjekte gesucht. Gesucht werden bundesweit Bauund Immobilienprojekte, die etwa in der Jahresmitte 2017 beginnen – egal, ob es sich um den Beginn der Projektentwicklung, der Planung, um Baubeginn oder um die Übergabe in den Betrieb (bspw. nach Fertigstellung oder Eigentümerwechsel) handelt. Interessierte Projektentwickler, Bauherren, Planer, Bauunternehmen oder Spezialisten für Verwal-

tung, Betrieb und Facility Management können sich ab sofort ganz unverbindlich per Mail bei den BIMiD-Projektpartnern melden: BIM-Referenzobjekt 2017 Bitte beachten Sie, dass es für diesen Aufruf noch keinen konkreten Anlass gibt und dass Interessensbekundungen zu diesem Zeitpunkt für alle Beteiligten noch völlig unverbindlich sind. Weitere Informationen: www.bimid.de

Fachthemen Johannes Stegner Christoph Drefke Henok Hailemariam Hauke Anbergen Frank Wuttke Ingo Sass

DOI: 10.1002/bapi.201710003

Messtechnik für den Erdkabeltrassenbau – Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit von Bettungsmaterialien Im Zuge der Energiewende erfolgt eine Netzumstrukturierung zur Übertragung der dezentral und aus erneuerbaren Quellen erzeugten elektrischen Energie. Ein Schlüsselelement des Energietransportes und der Verteilung stellt hierbei der Ausbau von Erdkabeltrassen dar. In den kommenden Jahren werden dazu massive Netzausbaumaßnahmen notwendig. Ein entscheidender Auslegungsparameter für Kabeltrassen ist die Einhaltung der zulässigen Betriebstemperaturen des Kabels. Die Wärmeentwicklung des sich unter Last aufheizenden Kabels muss möglichst effizient an den umgebenden Untergrund abgegeben werden. Die physikalischen Eigenschaften von Bettungsmaterialien, welche zum Einbau der Kabel mechanisch verdichtet werden, können durch diese Verdichtung zum Teil erheblichen Veränderungen unterliegen. In der Praxis werden diese Größen häufig auf Grundlage tabellierter Werte angenommen. In der Realität finden jedoch vielfältige thermisch-hydraulisch gekoppelte Transportprozesse statt, deren genaue Analyse eine ökonomischere Auslegung einer Trasse ermöglichen kann. So können Kabel in Böden mit hohen effektiven Wärmeleitfähigkeiten höher belastet werden und Böden mit geringer effektiver Wärmeleitfähigkeit bereits im Bau erkannt und ausgetauscht oder durch bauliche Maßnahmen entsprechend verbessert werden. Damit können u. a. auch Kabelschäden aufgrund von Überhitzung vermieden werden. In den vergangenen Jahren wurden die hier vorgestellten Messverfahren entwickelt, welche eine zügige Laboruntersuchung der relevanten thermischen und hydraulischen Parameter von Bettungsmaterialien ermöglichen. Measuring technique for underground cable routes – Determination oft he thermal conductivity of bedding materail. A crucial parameter for the design of buried power cables is the maximum operation temperature as it is one of the key limitation factors. The transport of electricity induces thermal energy that needs to be efficiently distributed to the surrounding soil. The physical parameters of the bedding materials can vary substantially due to the mechanical compression during installation. During the design process these parameters are mostly based on literature, instead of direct measurements. Knowledge of the thermo-hydraulic-mechanic coupled mechanisms allows a more profound and economic design of buried electric infrastructure. By reducing the uncertainty of the thermal parameters, the efficiency can be increased. Low conductive materials can be identified during the construction process and suitable thermal enhancements can be executed. Overheating of the cables and corresponding damages can be avoided. Over the past years new laboratory tests were developed that allow a fast and precise determination of the relevant thermal and hydraulic parameters. The test equipment, its procedures, and first results are presented in this paper.

1 Kabeltrassenbau erdverlegter Stromkabel 1.1 Stand von Wissenschaft und Praxis Da die Boden- und Standortbedingungen maßgeblich die Erwärmung und damit die Belastbarkeit von Erdkabeln beeinflussen, werden die Bodenwärmeleitfähigkeiten und die Umgebungstemperatur bei der normierten Auslegung der Belastbarkeit berücksichtigt [1], [2]. In der Praxis werden dazu häufig unveränderliche thermische Parameter anhand tabellierter Werte angenommen, anstatt diese standortabhängig messtechnisch zu ermitteln. In diesen Berechnungen werden häufig Bodenwärmeleitfähigkeiten von 1 W/m · K für „feuchten Boden“ und 0,4 W/m · K für „trockenen Boden“ angenommen. Die Untersuchung der Wärmeleitfähigkeit von Böden [3] zeigt, dass ein Großteil von Böden im teilgesättigten Zustand konduktive Wärmeleitfähigkeiten im Bereich von 0,5 bis 2,7 W/m · K aufweisen. Damit besteht ein erhebliches Optimierungspotenzial, welches in Anbetracht des bevorstehenden Bauvolumens an Kabeltrassen ökonomische Vorteile birgt. Die thermischen Eigenschaften von Bettungsmaterialien müssen unter möglichst realen Bedingungen bestimmt werden. Hierfür wurden bereits Untersuchungen für den Kabeltrassenbau durchgeführt. Neben bodenphysikalischen Untersuchungen [4] wurden Feuchtemessungen im Kabelgraben sowie mathematische Simulationen der thermisch-hydraulisch gekoppelten Prozesse durchgeführt [5], [6]. Die theoretischen Grundlagen wurden in [7] beschrieben. Auf dieser Basis werden Aussagen über die temperaturbedingte Austrocknung von Böden um erdverlegte Kabel und eine damit einhergehende Reduktion der thermischen Systemwärmeleitfähigkeit getroffen. Der Austrocknung wirken Niederschläge und in manchen Fällen das Grundwasser entgegen. Korrelationen zwischen den thermischen Bodeneigenschaften und dem Niederschlag entlang einer Hochspannungstrasse sowie deren Bedeutung für die Belastbarkeit der Kabel finden sich in [8]. Die Zusammenhänge wurden in einem numerischen Modell für die Berechnung der Belastbarkeit von Erdkabeln in Abhängigkeit des Wasser- und Wärmehaushaltes des Standortes an 110 kV-Kabeln in Berlin validiert [9]. Seit einigen Jahren werden für die Dimensionierung in der Praxis zunehmend numerische Berechnungen hinzugezogen, um die thermischen Prozesse bei variablen Randbedingungen genauer abbilden zu können bzw. komplexere Systeme zu dimensionieren. Mittels der Finite-Ele-

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mente-Modellierung können so z. B. auch Einﬂüsse durch bzw. auf die Wärmeentwicklung benachbarter Anlagenteile berechnet werden [10]. Daneben werden die Auswirkungen thermischer Stabilisierungsmaßnahmen und Zwangskühlungen von Kabeln und Kabelgräben über bspw. Wasserrohre auf die Belastbarkeit ermittelt [11]. Eine Berechnung der Kabelbelastbarkeit auf Grundlage von experimentell ermittelten thermischen Parametern erfolgt in der Praxis nur selten, weil bis dato keine standardisierten Messmethoden und Auswerteverfahren für die speziﬁsche Anwendung von Erdkabelbettungen existieren.

1.2 Wärmetransport in Bettungsmaterialien für Erdkabel Die Wärmeübertragung um Kabel ist im Wesentlichen aus drei Wärmetransportmechanismen zusammengesetzt. Diese sind Konduktion, Konvektion und Strahlung [12]. Bei der Untersuchung des Wärmehaushaltes ist es nach [13] ausreichend, die konduktive Wärmeleitung im Korngerüst und Bodenwasser sowie den konvektiven Transport von Wärme durch beispielsweise den Zustrom von Niederschlägen oder Grundwasser als auch den Transport latenter Wärme im Wasserdampf (Konvektion) zu betrachten. Strahlung ist bei den Transportprozessen thermischer Energie im Boden i. d. R. vernachlässigbar. Deshalb werden im Folgenden die beiden zuerst genannten beschrieben. Die Konduktion wird auch als Wärmeleitung bezeichnet und über das Fouriersche Gesetz beschrieben. Sie stellt den innerstoﬄichen Wärmetransport über Moleküle von Orten mit energetisch höherem Potenzial zu Orten mit energetisch niedrigerem Potenzial dar. Das energetische Potenzial ist im Wesentlichen durch die Temperatur gekennzeichnet. Als Proportionalitätsfaktor für die Berechnung des Wärmestromdichte q aus dem Temperturgradienten grad (T) wurde die (konduktive) Wärmeleitfähigkeit Q als temperaturabhängige Materialkonstante eingeführt. q = –λ ⋅ grad (T)

(1)

mit q Wärmstromdichte [W/m2] Q konduktive Wärmeleitfähigkeit [W/m · K] T Temperatur [K] Konvektion ist der Energietransport über die Bewegung von Stoﬀen und deren Energieaufnahme an Orten mit energetisch höherem Potenzial und Abgabe an Orten mit energetisch niedrigerem Potenzial. Der Anteil durch Konvektion transportierter Wärme wird über die Wärmekapazität des bewegten Stoﬀes cV und seiner Temperatur festgelegt. Die Wärmestromdichte kann mit dessen Relativgeschwindigkeit vk errechnet werden. q = c V ⋅ v k ⋅ T

Latentwärmetransport ist der Transport von Energie über Wasser bzw. Wasserdampf bei dessen Phasenumwandlung.

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q = L ⋅ ρ ⋅ v l

(3)

mit L speziﬁsche Verdampfungswärme [K/kg] vl Relativgeschwindigkeit [m/s] W Dichte [kg/m3] Aufgrund der vergleichsweise hohen Wärmekapazität des Wassers und dessen hoher Verdampfungsenthalpie gewinnt der Einﬂuss der konvektiv und der latent transportierten Wärme, insbesondere bei sehr durchlässigen Böden bzw. hohen Temperaturgradienten, an Bedeutung. Die gesättigte hydraulische Durchlässigkeit unterliegt nur geringen, temperaturbedingten Veränderungen, weshalb diese i. d. R. als konstanter Materialparameter angenommen werden kann. Die teilgesättigte hydraulische Leitfähigkeit hingegen wird als Funktion des Wassergehaltes beschrieben und variiert je nach Sättigungszustand um mehrere Größenordnungen. Zahlreiche Autoren haben Formfunktionen zur analytischen Beschreibung entwickelt [14], [15], [16]. Die zugehörigen Modelle gehen davon aus, dass mit steigender Wasserspannung die wassergefüllten Poren absteigend nach ihren Porendurchmessern entleert werden und damit ein zunehmend geringerer wasserleitender Querschnitt im Bodenkörper zur Verfügung steht. Damit nimmt die teilgesättigte Permeabilität ab. Die Wärmeleitfähigkeit eines Bodens sinkt mit dem Wassergehalt aufgrund des sich verringernden thermisch leitenden Querschnittes. Aufgrund der damit verbundenen Erhöhung des luftgefüllten Porenanteils steigt zeitgleich der Anteil des Latentwärmetransports am Gesamtwärmetransport. Die Beziehung zwischen der Saugspannung und der Sättigung eines Bodens kann ebenso wie die hydraulische Leitfähigkeit, und damit indirekt die Leitfähigkeit für Wasserdampf, oder die thermische Leitfähigkeit im Labor bestimmt werden. Aus bodenkundlichen Kartierungen oder Aufnahmen der Landesämter können Informationen zu den zu erwartenden Bodenarten in bestimmten Regionen bezogen werden. Diese Angaben ermöglichen lediglich eine grobe Abschätzung thermischer als auch hydraulischer Parameter [17], [18]. Für eine valide Berechnung des Wärmetransportes um Erdkabel ist die Anwendung solcher Literaturwerte nicht möglich. Hierfür müssen die Eingangsgrößen gemessen werden, um Unsicherheiten der Prognosen zu minimieren.

2 Bestimmung der thermischen Eigenschaften eines Bodens im Labor

(2)

mit cV volumetrische Wärmekapazität [J/ m3 · K] vk Relativgeschwindigkeit [m/s]

Dabei sind L die speziﬁsche Verdampfungswärme des Wassers (2,5·106 J/kg), W die Dichte des Wasserdampfes und vl die Relativgeschwindigkeit des Wasserdampfes.

Es existieren diverse Methoden für die Bestimmung thermischer Materialeigenschaften von Fest- und Lockergesteinen. Bei den typischen Verfahren wird ein thermischer Potenzialunterschied erzeugt und die Reaktion einer Probe messtechnisch erfasst. Die Verfahren können dazu in stationäre Verfahren und instationäre Verfahren unterteilt werden. Während bei stationären Verfahren die räumliche

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Bild 1. Halbraum- und Vollraum-Nadelsonden für die Messung der thermischen Eigenschaften von Lockergesteinen [3] Fig. 1. Needle probes for the determination of thermal parameters of unconsolidated rocks [3]

Ausbreitung des Temperaturfeldes im thermischen Gleichgewicht zur Auswertung herangezogen wird, wird bei instationären Verfahren die zeitliche Entwicklung des Temperaturfeldes zur Bestimmung thermischer Parameter herangezogen. Ein häuﬁg verwendetes instationäres Verfahren für die Ermittlung der thermischen Eigenschaften oberﬂächennaher Bodenschichten ist das Linienquellenverfahren nach [19]. Üblicherweise werden dabei sog. Nadelsonden für Laboranwendungen mit einer Länge von wenigen Zentimetern, welche in eine Bodenprobe eingeführt werden, eingesetzt. Daneben existiert auch die Sonderbauform der Halbraumlinienquelle, welche auf das Probenmaterial aufgelegt werden kann (Bild 1). Aufgrund der kompakten Bauform sind Nadelsonden für den Einsatz im Labor geeignet. Für Feldversuche werden üblicherweise großmaßstäblichere Varianten dieser Sonden eingesetzt. Mit dem Verfahren sind zügige Messungen vor Ort möglich. Nachteilig ist, dass sich der Messbereich einer Nadelsonde auf die unmittelbare Umgebung der Nadel beschränkt. Weiterhin kann es bei grobkörnigen, weitgestuften Böden zu einer erhöhten Varianz der Messungen kommen, da ein repräsentativer Kontakt der Nadel zu den einzelnen Kornfraktionen teilweise nur schwer herstellbar und reproduzierbar ist.

3 Messverfahren zur thermisch-hydraulisch gekoppelten Untersuchung Aufgrund der hydrophilen Eigenschaften der mineralischen Bodenkörnung wird das Bodenwasser im Boden gebunden. Mit abnehmendem Wassergehalt muss ein zunehmend größerer Potenzialunterschied, eine sogenannte Saugspannung (gemessen in Form eines Druckunterschiedes zum Atmosphärendruck), aufgebracht werden, um dem Boden weiteres Wasser zu entnehmen. Die Saugspannung des Bodenwassers kann mittels Tensiometern direkt gemessen werden. In natürlichen Böden, in üblichen Verlegetiefen von 0,7 bis 2,0 m, treten in Abhängigkeit des Bodentyps und der gegebenen Randbedingungen Saugspannungen von bis zu wenigen tausend hPa auf. Jeder Bodentyp besitzt aufgrund seiner Mineralogie und der Geometrie seines Porenraumes eine eigene charakteristische Beziehung zwischen der Saugspannung und dem Wassergehalt.

Bild 2. Verdunstungsversuchsgerät, erweitert um eine Vollraumlinienquelle [3] Fig. 2. Evaporation test device extended with a line source needle probe [3]

Die Bodenmatrix stellt einen Widerstand für die Leitung flüssigen Wassers, wie etwa bei konvektiven Wasserbewegungen, dar. Mit abnehmendem Wassergehalt reduziert sich die zum Wassertransport zur Verfügung stehende wasserbenetzte Querschnittsfläche. Die teilgesättigte hydraulische Leitfähigkeit wird deshalb als Funktion des Wassergehaltes oder Funktion der Saugspannung beschrieben. Die Parameter des Wasserrückhaltevermögens und der teilgesättigten hydraulischen Leitfähigkeitsfunktion sind wesentliche Bestandteile hydraulischer Modellierungen. Eine zeitsparende messtechnische Erfassung dieser Parameter kann mit dem Verdunstungsversuch erfolgen [20], [21]. In eine zu Beginn wassergesättigte Stechzylinderprobe werden dabei zwei Tensiometer in unterschiedlichen Höhen eingebaut. Der gesamte Aufbau wird für die Untersuchung anschließend auf einer Waage platziert (Bild 2). Während die Unterseite des Zylinders verschlossen ist, steht die Bodenoberfläche des Zylinders zur Atmosphäre offen. Die Saugspannungen im Probenkörper als auch das Gewicht des gesamten Aufbaus werden während der Versuchslaufzeit kontinuierlich erfasst. Während der Verdunstung stellt sich im Probenkörper ein hydraulisches Potenzialgefälle ein, entlang dessen das Wasser aufwärtsgerichtet zur Oberfläche fließt, um dort zu verdunsten. Die absoluten Wassergehalte der Probe über die Messdauer werden am Ende eines Versuchs aus der Restwassermenge, dem Trockengewicht und dem Gewichtsverlust während der Messung bestimmt. Die Saugspannungs-/ Sättigungsbeziehung wird, bezogen auf die horizontale Ebene zwischen den beiden Tensiometern, aus den Tensiometermesswerten, Gl. (5) und dem mittleren Wassergehalt zwischen zwei Messzeitpunkten ermittelt. Die hydraulische Leitfähigkeit im Bereich zwischen den Tensiometern wird nach [22] durch den Quotienten aus der Filtergeschwindigkeit v des Wassers in der Probe und dem hydraulischen Gradienten i ermittelt ((Gl. (7)). Der mittlere hydraulische Gradient im zwischen den beiden Tensiometern ergibt sich aus der Druckdifferenz (in der Einheit m Wassersäule) der beiden Messwerte >ti und deren Abstand )z, Gl. (6). Die Filtergeschwindigkeit ergibt sich aus dem Wasserfluss durch die Querschnittsfläche. Die Änderung des Wassergehaltes wird aus der Massenänderung )m ermittelt:

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(4)

ΔVW, Δt = m Δt ⋅ ρW Ψ ari, t

im, t

1 i+ 2

1 2

K u (Ψ) =

mit )VW,)t )m)t WW Ψ t ,y i

Ψ ari, t im, t

1 2

)z K u (Ψ)

1 2

Ψ t ,oben + Ψ t i

i +1,oben

+ Ψ t , unten + Ψ t i

i +1, unten

(5)

1 ⎛ Ψ t i,oben − Ψ t i, unten Ψ t i+1,oben − Ψ t i+1, unten ⎞ ⋅⎜ + ⎟⎠ (6) 2 ⎝ Δz Δz ΔVW, Δt v = i 2A ⋅ Δt ⋅ im,t

(7) i+

1 2

im Zeitintervall )t verdunstetes Wasser [m3] Masseänderung im betrachteten Zeitintervall [kg] Dichte von Wasser [kg/m3] Saugspannung zum Zeitpunkt ti 1/2 am oberen bzw. unteren Tensiometer [m] arithmetisches Mittel der Saugspannung zw. zwei Messzeitpunkten [m] mittlerer hydraulischer Gradient zum Zeitpunkt ti 1/2 vertikaler Abstand zwischen den Tensiometern [m] Funktion der ungesättigten hydraulischen Leitfähigkeit

Eine Validierung der Linearisierungsannahmen der Wassergehaltsbestimmung als auch der Saugspannungsberechnung wurde in [23] und [24] durchgeführt. Die Dauer einer Untersuchung ist primär von der Bodenart abhängig. Für feintexturierte Böden werden etwa 3 bis 5 Tage, für grobtexturierte Böden ca. 10 bis 14 Tage benötigt. Dieser Versuchsaufbau ermöglicht es, praktisch alle für eine hydraulische Simulation notwendigen Parameter simultan an einer ungestörten Probe zu erfassen [20]. Ausgehend von gesättigten Bedingungen können diese Parameter bis hin zu Saugspannungen von mehreren tausend hPa erfasst werden. Dadurch wird in der Regel der komplette Bereich natürlich auftretender Saugspannungen in der Legetiefe erdverlegter Kabel Mitteleuropas abgedeckt. Durch die Erweiterung des Versuchsaufbaus um eine Vollraum-Linienquelle auf der horizontalen Ebene zwischen den beiden Tensiometern (Bild 2) wird eine Korrelation der hydraulischen mit den thermischen Parametern ermöglicht. Bereits in [9] wird ein Verfahren beschrieben, bei dem in zwei getrennten Messtöpfen die Untersuchung der Wassergehalts-/Saugspannungsbeziehung und der Wassergehalts-/Wärmeleitfähigkeitsbeziehung erfolgt. Die Messwerte werden dann über die Wassergehalte miteinander verknüpft. Demgegenüber stellt das hier vorgestellte Verfahren durch die direkte Messung all dieser Kennwerte eine Erhöhung der Genauigkeit und eine Verringerung des Messaufwandes dar. Ein in [25] beschriebenes Verfahren zur Probenvorbereitung ermöglicht es, diese Untersuchungen zudem erstmals auch an zementgebundenen Bettungsbaustoﬀen durchzuführen. In Bild 3 sind exemplarisch die Messwerte der Saugspannungs-/Wassergehaltsbeziehung dreier natürlicher

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Bild 3. Messwerte (Punkte) des Wasserrückhaltevermögens unterschiedlicher Bettungsmaterialien und zugehörige Messwertanpassung durch hydraulische Formfunktionen (Linien) nach [27]; grün – Sand, blau – Lehm, rot – Ton, schwarz – zementgebundenes Bettungsmaterial Fig. 3. Measured data (dots) of the water retention potential of diﬀerent bedding materials and ﬁtting curves (lines) according to hydraulic form functions after [27]; green – sand, blue – loam, red – clay, black – cemented bedding material

Böden und eines zementgebundenen Baustoﬀes gezeigt. Da Bettungskörper in der Regel in direktem hydraulischem Kontakt zum umgebenden Boden stehen, gibt diese Beziehung den Wassergehalt wieder, der sich beispielsweise in einer Erdkabelbettung durch die Saugspannung des umgebenden Bodens einstellen wird. Bild 4 links zeigt, dass der Unterschied zwischen trockener und gesättigter Wärmeleitfähigkeit ein Vielfaches der trockenen Wärmeleitfähigkeit betragen kann. Ebenso ist der nichtlineare Charakter der Beziehung zwischen dem Wassergehalt und der Wärmeleitfähigkeit sichtbar. Für eine exakte Bemessung der Wärmeleitfähigkeit eines Erdkabelbettungsmaterials ist es daher notwendig, diese als Funktion des Wassergehaltes zu beschreiben. Die in Bild 4 rechts dargestellten Messwerte zeigen die thermische Stabilität, d. h. die Entwicklung der Wärmeleitfähigkeit eines Bettungsmaterials unter der Einwirkung einer Saugspannung durch den umgebenden Boden.

4 Messverfahren zur Bestimmung der Systemwärmeleitfähigkeit von Bettungsmaterialien für Kabeltrassen 4.1 Anforderung an das Messverfahren In den mittels Nadelsonden durchgeführten Messungen hat sich gezeigt, dass eine Charakterisierung der geothermischen Parameter mit einer Kombination verschiedener Methoden und Geräte möglich ist. Um den Einfluss der Verdichtung auf die Wärmeleitfähigkeit zu untersuchen, müssten Probenkörper unterschiedlicher Verdichtungsstufen hergestellt werden und diese, verbunden mit einem aufwändigen Ausbau und Neueinbau der Sonden, getrennt voneinander untersucht werden. Daneben kann mit Nadelsonden nur die konduktive Wärmeleitfähigkeit erfasst werden. Die effektive Wärmeleitfähigkeit, welche als Summe aller Wärmetransportprozesse zu verstehen ist, wird jedoch im Bereich erdverlegter Kabel zum Teil in hohem Maße durch den konvektiven Anteil beeinflusst. Daher ist mit Nadelsonden ein wichtiger Bestandteil des Wärmetransportes nicht be-

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Bild 4. Wärmeleitfähigkeits-Wassergehaltsbeziehung ausgewählter Bettungsmaterialien (links), Wärmeleitfähigkeits-Saugspannungsbeziehung (rechts), (erweitert nach [28]); grün – Sand, blau – Lehm, rot – Ton, schwarz – zementgebundenes Bettungsmaterial Fig. 4. Thermal conductivity of a selection of bedding materials depending on the volumetric water content (left), respectively depending on the capillary suction (right), (extended according to [28]); green – sand, blue – loam, red – clay, black – cemented bedding material

stimmbar, nämlich der zusätzliche konvektive Wärmetransport über Wasserdampf aufgrund von Temperaturgradienten. Um diese Lücke zu schließen, wurde ein Messgerät entwickelt, das eine verdichtungsabhängige Untersuchung der Wärmeleitfähigkeit unter dem Einﬂuss eines Temperaturgradienten ermöglicht.

4.2 Aufbau und Prinzip des Wärmeleitfähigkeitsmessgerätes Zur Erfüllung dieser Anforderungen wurde ein neues Wärmeleitfähigkeitsmessverfahren entwickelt [29], [30], [31]. Es basiert auf dem Messprinzip des Divided Bar-Verfahrens [32]. Anwendungen und ein Vergleich der Messergebnisse mit dem Linienquellenverfahren sind in [33] und [34] beschrieben. Zur Messung wird im Gegensatz zu Nadelsonden ein stationärer Wärmestrom durch eine Lockergesteinsprobe verwendet. Das Verfahren erlaubt das Aufbringen mechanischer Lasten auf trockene wie auch auf wassergesättigte Proben (Kompressionsversuch). Zeitgleich oder sequenziell kann die eﬀektive Wärmeleitfähigkeit der Probe in Anhängigkeit der Lagerungsdichte, Axialspannung oder den gewählten Temperaturgradienten bestimmt werden. Bild 5 zeigt das Prüfsystem mit Prüfpresse und Thermostaten. Das Messverfahren zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit erzeugt einen stationären Wärmestrom vertikal durch die Probe und eine Vergleichsplatte mit bekannten thermischen Eigenschaften. Dazu wird die Fuß- und Kopfplatte über zwei Thermostate auf 0,05 K genau konstant temperiert. Über Temperaturmessungen an drei Stellen (Bild 6) kann das Temperaturproﬁl im Prüfaufbau bestimmt werden. Aus dem anfänglich instationären Wärmestrom, stellt sich ein stationärer Zustand innerhalb von ein bis drei Stunden ein. Durch Wegaufnehmer wird dabei die Probenhöhe auf 0,001 mm genau aufgezeichnet, sodass die Veränderung der Lagerungsdichte nachverfolgt werden kann. Über die bekannte Geometrie kann die unbekannte Wärmeleitfähigkeit der Probe nach Gl. (9) ermittelt werden:

Bild 5. Wärmeleitfähigkeitsprüfsystem zur vollautomatischen Bestimmung der lagerungsdichte- bzw. axialspannungsabhängigen thermischen Eigenschaften von Lockergesteinen Fig. 5. Thermal conductivity system for fully automatic measurements of thermal properties of unconsolidated rocks depending on the bulk density/void ratio or axial stress

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Mit dem Gerät ist die Bestimmung des konduktiven Wärmetransportes sowie des scheinbaren (kombinierten konduktiv-konvektiven) Wärmetransportes in Abhängigkeit von – Wassergehalt, – einaxialer Spannung, – Trockenrohdichte bzw. Porenraum und – Temperaturgradienten möglich.

4.3 Exemplarische Messergebnisse

Bild 6. Schematische Darstellung der Wärmeleitfähigkeitsmessung (verändert nach [34]) Fig. 6. Schematic of thermal conductivity measurements (modiﬁed according to [34])

λP =

λ V ⋅ SP ⎛ T1 − T3 ⎞ ⎜ T − T ⎟ S23 − S V ⎝ 2 3⎠

(9)

mit QP effektive Wärmeleitfähigkeit des Probenkörpers [W/m · K] QV Wärmeleitfähigkeit der Vergleichsplatte [W/m · K] Si vertikale Abstände nach Bild 6 [m] Über die aufgebrachten Vertikalspannungen können definierte Lagerungsdichten oder Auflasten simuliert und deren Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit bestimmt werden.

Nach Praxistest in Anlehnung an einen Ringversuch unter Mitwirkung der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt und des bodenmechanischen Prüflabors des Instituts für Geotechnik an der TU Bergakademie Freiberg [3] wird das Messverfahren am Hydrothermikum der TU Darmstadt und der Christian-Albrechts-Universität Kiel eingesetzt, um Bettungs- und Hinterfüllmaterialien für Kabeltrassen zu untersuchen. In Bild 7 sind die Rohdaten von Messungen an trockenen Sanden definierter Kornverteilungen dargestellt. In Tabelle 1 befinden sich die Ergebnisse im Detail.

5 Diskussion und Schlussfolgerungen Das Messverfahren eignet sich zur zügigen labortechnischen Charakterisierung der dichteabhängigen Wärmeleitfähigkeit von Lockergesteinen, Hinterfüll- und Bettungsmaterialien sowie von Flüssigböden. Das vorgestellte Messgerät ermöglicht es, eﬀektive Wärmeleitfähigkeiten im Bereich trockener bis wassergesättigter Böden, d. h. im Bereich von 0,2 bis 4 W/m · K mit geringen Messunsicherheiten zu bestimmen. Durch Wiederholungsmessungen bei

Bild 7. Exemplarische Messdaten einer Wärmeleitfähigkeitsmessung: gemessene Temperaturzeitreihen Fig. 7. Data from exemplaric thermal condcutivity measurements: measured temperature over time

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Tabelle 1. Detaillierte Messergebnisse der exemplarischen Messungen aus Bild 7 Table 1. Detailled Data from of the exemplaric measurements in Fig. 7 soil

Sp,initial [m]

Sp,ﬁnal [m]

T1 [°C]

T2, ref [°C]

T3 [°C]

Sv [m]

S23 [m]

Qv [W/m · K]

Qp [W/m · K]

Sand A

0,030

0,0299

38,75

24,31

19,81

0,027

0,019

0,58

0,33

Sand A

0,030

0,0298

29,41

22,26

19,88

0,027

0,019

0,58

0,35

Sand B

0,030

0,0298

38,87

23,16

19,83

0,027

0,019

0,58

0,21

Sand A

0,030

0,0298

29,30

21,47

19,80

0,027

0,019

0,58

0,21

chungen unter definierten mechanischen Spannungszuständen an einer einzelnen Probe durchzuführen. Nach einer anfänglichen Wassersättigung der Probe (mit einem Sättigungsdruck von bis zu 500 kPa), wir über eine am oberen Rand der Probe befindliche Filterplatte ein pneumatischer Druck auf die Probe aufgebracht. In Anlehnung an das Drucktopfextraktorverfahren [36] wird die Probe dabei über ein am unteren Rand der Probe befindliches, semipermeables Filterelement schrittweise entwässert. So werden unterschiedliche Saugspannungen eingestellt und die Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit der Lagerungsdichte, des Wassergehaltes und der Saugspannung bestimmt. Die Autoren bedanken sich bei der APS GmbH welche die Messverfahren unter der Marke Wille Geotechnik bis zur Vermarktung entwickelt hat und noch weiter entwickelt. Sowie für die finanzielle Unterstützung bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft, die im Rahmen der Exzellenz Initiative die Darmstädter Graduiertenschule für Energiewissenschaft und Energietechnik (GSC 1070) fördert, sowie bei der Heidelberg Cement AG, dem E.ON Innovation Center Distribution und der Bayernwerk AG. Bild 8. Ausbausatz für die Messung der Temperaturleitfähigkeit von teilgesättigten Proben Fig. 8. Extension jig for temperature conductivity measurements of partially saturated specimens

unterschiedlichen Verdichtungs- bzw. Spannungszuständen ist der Einﬂuss der Lagerungsdichte bzw. der Auﬂast auf die thermischen Eigenschaften einer Bettung bestimmbar. Das Verfahren kann standortunabhängig in Erdbaulabore implementiert werden.

Danksagung Die Autoren bedanken sich bei der APS GmbH welche die Messverfahren unter der Marke Wille Geotechnik bis zur Vermarktung entwickelt hat und noch weiter entwickelt. Sowie für die ﬁnanzielle Unterstützung bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft, die im Rahmen der Exzellenz Initiative die Darmstädter Graduiertenschule für Energiewissenschaft und Energietechnik (GSC 1070) fördert, sowie bei der Heidelberg Cement AG, dem E.ON Innovation Center Distribution und der Bayernwerk AG.

6 Ausblick Literatur

Durch den hydraulischen Kontakt des Bodens mit dem Bettungskörper wirken die mit den natürlichen Veränderungen der Wassergehalte eines Bodens einhergehenden Saugspannungen auf die Bettungen ein. Dies kann zum Teil zu einer deutlichen Veränderung des Wassergehaltes und damit der Wärmeleitfähigkeit des Bettungskörpers führen. Um Bettungsmaterialien und Böden hinsichtlich aller Einﬂussfaktoren zu untersuchen, wurde das Wärmeleitfähigkeitsmessgerät zunächst zu Forschungszwecken (Bild 5) mit einem Teilsättigungsaufsatz (Bild 8) ausgestattet. Mit dem Prüfverfahren wird es in Zukunft möglich sein, Probenkörper deﬁnierten Saugspannungen auszusetzen und dabei simultan automatisiert die thermischen Untersu-

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Autoren dieses Beitrages: Dr.-Ing. Johannes Stegner, js@stegner-energie.de Energiebüro Stegner Heiligenweg 11 97638 Mellrichstadt Prof. Dr. Ingo Sass, sass@geo.tu-darmstadt.de Christoph Drefke, drefke@geo.tu-darmstadt.de TU Darmstadt, Fachgebiet Angewandte Geothermie & ExzellenzGraduiertenschule für Energiewissenschaft und Energietechnik Schnittspahnstraße 9 64287 Darmstadt Henok Hailemariam M.Sc., henok@gpi.uni-kiel.de Prof. Dr.-Ing. Frank Wuttke, fw@gpi.uni-kiel.de Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Arbeitsgruppe Marine und terrestrische Geomechanik und Geotechnik Ludewig-Meyn-Straße 10 24118 Kiel Dr.-Ing. Hauke Anbergen, kontakt@neumann-baugrund.de Dipl.-Ing. Peter Neumann Baugrunduntersuchung GmbH & Co. KG Marienthaler Straße 6 24340 Eckernförde

Fachthemen Stefan Maas Jessica Brensing Max Flies Georges Steffgen

DOI: 10.1002/bapi.201710004

Untersuchung des thermischen Komforts und der Luftqualität an vier neuen energieeffizienten Luxemburger Schulen mit und ohne Lüftungsanlagen An vier neuen Schulen in Luxemburg mit sehr guten Primärenergiekennwerten wurden der thermische Raumkomfort und die Luftqualität messtechnisch sowie durch Befragung der Nutzer untersucht. Zwei Schulen werden durch mechanische Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung belüftet und zwei nur durch manuelles Öffnen der Fenster. Neben der CO2-Konzentration als Maß für die Luftqualität werden auch alle anderen wichtigen raumklimatischen Parameter gemessen, womit sich die bekannten Komfortindikatoren nach Fanger „Predicted Mean Vote (PMV)“ und der „Predicted Percentage of Dissatisfied (PPD)“ berechnen lassen. Die subjektiven wahrgenommenen Indikatoren der Raumnutzer wurden über einen Zeitraum von vier Wochen mit Fragebogen untersucht. Ein Ziel der Studie war es, die freie Fensterlüftung mit der mechanischen Belüftung in Bezug auf die erfassten Parameter und Indikatoren miteinander zu vergleichen. Insgesamt ergibt sich eine gute Übereinstimmung zwischen den Messungen und den Befragungen. Die Befunde belegen, dass die mechanisch belüfteten Gebäude sowohl in Bezug auf die physikalisch gemessene als auch in Bezug auf die subjektiv wahrgenommene Raumluftqualität allgemein günstigere Werte aufweisen. Allerdings weisen die mechanisch belüfteten Gebäude eine zu niedrige relative Luftfeuchtigkeit auf, die sich jedoch nicht im subjektiven Erleben widerspiegelt. Auch trat in einer der mechanisch belüfteten Schulen eine hohe Luftgeschwindigkeit auf, die durch das subjektiv wahrgenommene Zuglufterleben bestätigt wird. Die Raumtemperatur weist heterogene Werte unabhängig von der Belüftung auf, so dass der PMV einzeln über die verschiedenen Gebäude zu betrachten ist. Raumnutzer sollten stets über ausreichende Beeinflussungsmöglichkeiten verfügen, um individuelle Bedürfnisse umsetzen und kleinere technische Unzulänglichkeiten ausgleichen zu können. Examination of thermal comfort and air quality in four new energy efficient schools in Luxembourg with and without mechanical ventilation. A study was conducted in four new energy efficient schools in Luxembourg with excellent primary energy consumption values, where the indoor thermal comfort and the air quality was assessed by technical measurements and by surveys. Two schools were equipped with mechanical ventilation with heat recovery and two were without, i.e. ventilation there was manually controlled by opening the windows. Further to the C02-concentration as indicator for the air quality all other important comfort parameters were measured, why the well-known indicators according to FANGER could be calculated, i.e. the “Predicted Mean Vote (PMV)” and the “Predicted Percentage of Dissatisfied (PPD)”. The individual perceived indoor comfort was analyzed by standardized questionnaires for a period of four weeks. One aim of the study was to compare natural ventilation

by opening and closing the windows with the mechanical ventilation in all named aspects. In total there was a good agreement between the measurements and the survey. The results show that in general mechanical ventilation in schools lead to better physical measured values and to better subjective perception of the users. However those buildings suffer from a very low relative humidity, though it is rarely sensed by the occupants. Furthermore, in one of the mechanically ventilated buildings the air velocity was very high and led to draft-perception. The detected air temperature was heterogeneous and independent of the ventilation concept, leading to an individual judgement of PMV for the different buildings. Users should always have the possibility of interaction and control to adjust the indoor climate according to their individual needs and to correct smaller technical shortcomings.

1 Einleitung Die Schulumwelt besitzt für die Entwicklung eines Kindes eine hohe Bedeutung [1], insbesondere sind Schulbauten aufgrund ihres potentiell förderlichen Einflusses auf die Entwicklung von großer Relevanz [2]. So können das Raumklima sowie die Raumluftqualität das Lernverhalten von Schülern maßgeblich beeinflussen [3], [4]. Dabei stellen die hohe Anzahl von Personen auf begrenztem Raum bei permanenter Abgabe von Wärme, Feuchtigkeit und Kohlenstoffdioxid für die Belüftungskonzepte von Schulen eine besondere Herausforderung dar. Häufig ist festzustellen, dass bedingt durch Energiesparmaßnahmen zu niedrige Belüftungsraten in Schulen auftreten [3]. Ein ausgewogenes Lüftungskonzept ist daher anzustreben, wenn sowohl die Zufriedenheit und das Wohlbefinden der Nutzer als auch eine optimale, möglichst geringe Energienutzung erreicht werden soll. Hierbei können sowohl Konzepte mit einer freien Belüftung durch manuelles Öffnen der Fenster als auch Konzepte mit einer kontrollierten Belüftung durch mechanische Lüftungsanlagen umgesetzt werden. Je nach Anforderung müssen bei der Auswahl eines Konzeptes die jeweiligen Vor- und Nachteile gegeneinander abgewogen werden. Die Effektivität der freien Belüftung ist stark von den außenklimatischen Bedingungen abhängig (Geräuschpegel, Temperatur, Luftqualität), hat jedoch den Vorteil, gut akzeptiert und leicht anpassbar zu sein. Allerdings kommt es im Winter und den Übergangszeiten zu Wärmeverlusten, die sich jedoch in den gemessenen Primärenergiewerten hier nicht niederschlagen. Diesen Nach-

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Bild 1. Bedeutung des PMV-Index Fig. 1. Relevance of PMV-index

teil weist eine mechanische Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung nicht auf und sie gewährleistet eine gute Frischluftzufuhr. Jedoch kann hier oft nur wenig vom Nutzer regulierend eingegriffen werden. Das In-Einklang-Bringen von individuellen Anpassungsmöglichkeiten mit einem energieoptimierten Raumklima stellt demzufolge nach wie vor eine Herausforderung dar [5]. Dabei können Differenzen zwischen dem physikalisch messbaren Raumklima und dessen Komfortbestimmungen sowie dem subjektiv wahrgenommenen Klimakomfort der Raumnutzenden auftreten. Ein bedeutsames Konzept ist in diesem Kontext das vorhergesagte Durchschnittsvotum (Predicted Mean Vote – PMV) nach Fanger [6]. Hierbei ist das vorhergesagte Temperaturerleben einer Gruppe im Raum (thermische Behaglichkeit) die zentrale Zielgröße, welche anhand einer Formel [7] unter Einbeziehung der allgemeinen Raumlufttemperatur, der Luftgeschwindigkeit, der Luftfeuchte, der Strahlungstemperatur sowie dem Bekleidungs- und Aktivitätsgrad der Nutzer berechnet wird oder in direkter Befragung erfasst wird. Der Ergebnisbereich liegt zwischen –3 (sehr kalt) und 3 (sehr warm), wobei 0 als der ideale Zustand angesehen wird (Bild 1). Thermische Behaglichkeit ist dann erreicht, wenn das Raumklima im Schnitt als weder zu warm noch zu kalt erlebt wird [6], [7]. Vom PMV direkt abhängig ist laut Fanger der Anteil unzufriedener Personen (Predicted Percentage Dissatisfied – PPD) [6]. Angenommen wird, dass selbst bei optimaler thermischer Behaglichkeit (PMV " 0) noch 5 % Unzufriedene festzustellen sind. Dieser Anteil steigt, je mehr der PMV-Wert vom Nullpunkt der Skala abweicht (Bild 2). Obwohl einiges an Kritik bezüglich der Anwendbarkeit des Konzepts von Fanger angebracht wird [8], [9], [18] bis [22], [10], ist es dennoch ein etabliertes Konzept (s. Norm EN 7730 [7]). Ziel der vorliegenden Studie ist die Überprüfung, ob systematische Unterschiede des physikalisch gemessenen

Bild 3. Vergleich der vier untersuchten Schuleinrichtungen Fig. 3. Key characteritics of four examined school buildings

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Bild 2. Zusammenhang von PPD und PMV Fig. 2. Relation between PPD and PMV

und des subjektiv wahrgenommenen Raumklimakomforts zwischen den zwei Belüftungsarten (mechanisch versus frei) in energieeﬃzienten neuen Gebäuden festzustellen sind. Dabei werden die physikalisch gemessenen mit den subjektiv erlebten Parametern zum einen zwischen den Belüftungsarten, und zum anderen auch deren Ausprägungen innerhalb der beiden Gruppen miteinander verglichen. Aufgrund dieser Vergleiche lassen sich dann Rückschlüsse auf die Umsetzung der Belüftungskonzepte ziehen.

2 Methodik 2.1 Gebäudemerkmale und befragte Raumnutzende Aus einer bereits vorhanden Stichprobe von 64 nach 1996 erbauten luxemburgischen Schulgebäuden [11] wurden vier Schulgebäude mit sehr guten Primärenergiekennwerten ausgewählt, wobei jeweils zwei Gebäude zentralgesteuert mechanisch und zwei Gebäude frei belüftet wurden. Einige Gebäudemerkmale sind in Bild 3 aufgeführt. Der Primärenergiekennwert wurde berechnet als Heizenergie w 1.1 und Gesamtstromverbrauch einschließlich aller Ausstattungstechnik w 2,67 bezogen auf die beheizte Bruttogrundﬂäche. Primärenergiekennwerte unter 132 kWh/m2a dürfen als energetisch „sehr gut“ eingestuft werden. Die Bezeichnungen „Passivbau“, „Niedrigenergie“ oder „Stan-

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dardbau“ wurden dabei aus den Planungsunterlagen und Bauvorschriften übernommen. Es sei an dieser Stelle der Hinweis erlaubt, dass sogenannte „Niedrigenergie“ und „Standardgebäude“ dieselben sehr guten Primärenergiekennwerte wie „Passivgebäude“ aufweisen können. Von jeder teilnehmenden Schule wurde jeweils ein Raum untersucht. Als raumnutzende Person wurde jeweils die Lehrperson befragt, die sich hauptsächlich in diesem Raum aufhielt, so dass sich die Stichprobe aus insgesamt vier Lehrpersonen zusammensetzte (männlich " 3, weiblich " 1). Die wesentlichen Auswahlkriterien der Lehrer waren neben einer möglichst hohen Anzahl im Raum verbrachter Stunden auch eine freiwillige Teilnahmebereitschaft an der Studie.

– 4 „weder noch“ – 7 „sehr kalt“). Weiterhin wurde eine Bewertung der Raumklima-, Belüftungs- und der Geräuschsituation erfragt [12], [15], [16], [23] (Beispiel-Item: „Belüftungssituation insgesamt“: 1 „sehr gut“ – 4 „weder noch“ – 7 „sehr schlecht“). Für die Erhebung der Zufriedenheit mit dem Raumklima wurde angelehnt an [12] folgende fünfstuﬁge Skala verwendet: „Ich bin mit dem Raumklima“: 1 „überhaupt nicht zufrieden“ bis 5 „sehr zufrieden“. Ebenfalls erfragt wurden Veränderungswünsche bezüglich der Temperatur [14] sowie des Luftzuges [12]. Zusätzlich waren im Fragebogen der Stichprobe mit mechanischer Lüftungsanlage Fragen bezüglich der Zufriedenheit und den Änderungswünschen hinsichtlich der Lüftungsanlage enthalten. Außerdem wurden die Lehrpersonen mit Hilfe eines Leitfadens mündlich befragt.

2.2 Studienablauf 2.4 Analysemethoden Nach Auswahl der Gebäude wurde die Messtechnik pro Gebäude in jeweils einem ausgewählten Raum installiert. Über einen Zeitraum von vier Wochen wurden in je einem Gebäude pro Gruppe für zwei Wochen alle relevanten Parameter kontinuierlich mit Hilfe des Ahlborn-Messsystems gemessen, in allen vier Gebäuden wurden kontinuierlich Kohlenstoﬀdioxidgehalt, allgemeine Raumlufttemperatur sowie die relative Luftfeuchte mit Hilfe der Wöhlerwürfel gemessen. Die Raumnutzenden wurden einmal wöchentlich anhand eines standardisierten Fragebogens zur subjektiven Wahrnehmung und Zufriedenheit mit den Bedingungen in dem jeweiligen Klassenraum befragt. Der Erhebungszeitraum von vier Wochen lag in der Heizperiode Januar und Februar 2013.

2.3 Messverfahren 2.3.1 Physikalisch-objektive Messungen Mit Hilfe zweier Messapparaturen (Wöhler CDL 210 und Ahlborn-Messsystem) wurden folgende physikalische Parameter erfasst: – Kohlenstoﬀdioxidkonzentration (als Indikator der Luftqualität), – Lufttemperatur, – Strahlungstemperatur, – relative Luftfeuchtigkeit, – Luftgeschwindigkeit gemessen mittels Anemometer

2.3.2 Psychisch-subjektive Messungen Der verwendete Fragebogen wurde in identischer Weise viermal pro Person (also einmal pro Woche) eingesetzt. An demographischen Variablen wurden lediglich das Geschlecht und die Nationalität erhoben. Anschließend wurde nach Lage des Arbeitsplatzes sowie nach den üblichen Arbeitszeiten gefragt (Beispiel-Item: „Wie viele Stunden verbringen Sie an einem durchschnittlichen Arbeitstag an Ihrem Arbeitsplatz ?“) [12]. Außerdem wurde für die Berechnung des PMV der Bekleidungsgrad der Personen erhoben [13]. Dieser wurde in den späteren Berechnungen zur Vereinfachung auf 1 geschätzt. Das Erleben des Raumklimas wurde mittels siebenstuﬁger Skalierung erfasst, wobei bereits etablierte Items [9], [12], [14], [15] gegebenenfalls adaptiert wurden (Beispiel-Item: „Wie beurteilen Sie das Raumklima in diesem Klassenraum“: 1 „sehr warm“

Von den gemessenen physikalischen Daten wurden nur die üblichen Raumnutzungszeiten ausgewertet. Es wurde die operative, d. h. die gefühlte Temperatur [7] errechnet, die sich aus der mittleren Strahlungstemperatur, die in einer schwarzen Kugel gemessen wird, der Lufttemperatur und der Luftgeschwindigkeit ergibt. Zur Ermittlung des PMV nach Fanger [6] wurde EN ISO 7730 [7] verwendet, wobei der Bekleidungsgrad mit 1,0 clo festgelegt wurde, was einer normalen winterlichen Bürobekleidung entspricht. Der Aktivitätsgrad wurde auf 1 met geschätzt, was einer sitzenden Tätigkeit entspricht. Der PPD ergibt sich dann direkt aus Bild 2 bzw. einer Gleichung nach Fanger [6]. Von den vier Lehrpersonen lagen jeweils vier Messzeitpunkte vor, was jeweils der Einschätzung und Bewertung von einer Woche entspricht. Aufgrund des geringen Datenumfangs wurden die subjektiven Daten rein deskriptiv ausgewertet.

3 Ergebnisse Die Ergebnisse wurden einem unveröﬀentlichten Bericht entnommen [17].

3.1 Analyse der Luftqualität Die Luftqualität wurde in 4 Stufen bewertet: CO2-Werte unter 1000 ppm wurden als „sehr gut“ bezeichnet, von 1000 bis 1500 ppm als „leicht verbrauchte Luft“ und von 1500 bis 2000 ppm als „mäßig verbraucht“ bewertet. Für Wertebereiche über 2000 ppm wurde die Luftqualität mit „schlecht“ bezeichnet. In Bild 4 wird die Luftqualität als Prozentsatz der gemessenen Nutzungszeit für alle vier Schulen aufgeführt. Drei der vier Schulen zeigen überwiegend eine gute Luftqualität, lediglich eine der Schulen mit Fensterlüftung weist zu einem Drittel der Nutzungszeit eine schlechte Luftqualität auf. Im Mittel sind die Schulen mit Lüftungsanlage (LA) als „gut“ und die Schulen mit Fensterlüftung (FL) als „mäßig“ zu beurteilen. Um die subjektiv wahrgenommene Luftqualität abzubilden, wurden die Einschätzungen der Lehrer auf einer Skala von frisch/unverbraucht bis verbraucht aufgeführt (s. Bild 5). An Schulen mit Lüftungsanlage wurde die Luft

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Bild 4. Verteilung der gemessenen CO2-Konzentration Fig. 4. Distribution of measured CO2-concentration

Bild 5. Erlebte Luftqualität Fig. 5. Perceived air-quality

allgemein als „eher frisch (3,1)“ erlebt, während sie an Schulen ohne Lüftungsanlage als „ziemlich verbraucht (6,25)“ wahrgenommen wird (Bild 5). Insgesamt zeigt sich hier eine gute Übereinstimmung der physikalischen Werte mit der subjektiven Wahrnehmung als auch ein vorteilhafteres Abschneiden der Schulen mit mechanischer Belüftung.

3.2 Analyse der Raumtemperatur Bild 6 zeigt die gemessenen Werte der allgemeinen Raumlufttemperatur als Prozentsatz der gemessenen Nutzungszeit auf. Dabei werden Temperaturwerte unter 20 °C als „kühl“, 20 – 22 °C als „mäßig warm“, 22 – 24 °C als „ziemlich warm“ bzw. zwischen 24 und 26 °C als „warm“ eingestuft. Als optimal gelten Werte um die 22 °C bei sitzender Tätigkeit. Anhand des Vergleichs der Bilder 4 und 6 wird ein Zusammenhang zwischen der Luftqualität bzw. des Luftwechsels und der Raumtemperatur erkennbar. Während die Schulen LA 1 und FL 1 eine gute Luftqualität bei gleichzeitig niedrigeren Raumtemperaturen aufweisen, treten in FL 2 hohe Raumtemperaturen bei schlechter Luftqualität auf. Beides passt gut zusammen, weil jede Person ständig etwa 100 W an Wärme abgibt und gleichzeitig CO2 und Feuchte produziert. Wenn also zu wenig über die Fenster gelüftet wird, wie z. B. in der Schule FL 2, steigen die Temperatur und der CO2-Gehalt. Bild 6 zeigt zudem auf, dass die Raumtemperatur der Schule LA 1 etwas zu gering, die der Schule FL 1 eindeutig

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zu gering ist. Die besten Temperaturwerte wies Schule LA 2 auf. Im Mittel sind die Schulen mit mechanischer Lüftung (LA) als „etwas kühl“ zu bewerten. Bezüglich der subjektiven Temperaturwahrnehmung sind Unterschiede bei den LA-Schulen im Vergleich zu den physikalisch gemessenen Werten festzustellen. Während nach Bild 6 die Schule LA 1 eher „kühler“ als die Schule LA 2 ist, zeigt die wahrgenommene Temperatur ein umgekehrtes Bild auf: Die Schule LA 1 wird als „ziemlich warm“ angegeben, während die Schule LA 2 „eher warm“ bis „weder noch“ erlebt wurde. Hinsichtlich der Schulen mit Fensterlüftung stimmen die Werte weitestgehend überein und Schule FL 1 wird nur sehr geringfügig kühler erlebt als Schule FL 2.

3.3 Analyse der relativen Luftfeuchtigkeit Bezüglich der relativen Luftfeuchtigkeit werden Werte unter 30 % als „trocken“ und zwischen 30 und 40 % als „mäßig trocken“ bezeichnet. Als „optimale“ relative Luftfeuchte wird der Wertebereich zwischen 40 % und 60 % angesehen. Werte über 70 % gelten als „feuchte Luft“. Bild 7 zeigt die Verteilung der gemessenen relativen Luftfeuchtigkeit hinsichtlich der jeweiligen Bereiche auf (angegeben als Prozentsatz der gemessenen Nutzungszeit). Erkennbar ist, dass die relative Luftfeuchtigkeit in Schulen mit mechanischer Lüftungsanlage (LA) deutlich niedriger ist als in Schulen mit Fensterlüftung (FL). Ein Zusammenhang mit den beiden zuvor analysierten Parametern (Luftqualität bzw. Luftwechsel und Raumtemperatur) ist nicht eindeutig möglich, weil die Belegungsdichte der Klassensäle nicht vorliegt und die Menschen die einzige Feuchtequelle im Gebäude sind. Dennoch liegt die Ursache höchst wahrscheinlich in der hohen Luftwechselrate, was ein bekanntes Phänomen bei mechanisch belüfteten Gebäuden ist. Der absolute Feuchtegehalt der Außenluft ist im Winter sehr niedrig und daher nach Erwärmung auch die relative Feuchte. Man müsste also im Winter befeuchten, was aus vielerlei Gründen problematisch ist und daher normalerweise unterlassen wird. Die Schulen mit Fensterlüftung tauschen einfach weniger Luft aus und weisen hingegen

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Bild 8. Erlebte Luftfeuchtigkeit Fig. 8. Perceived humidity of air

3.4 Analyse der Luftgeschwindigkeit

Bild 6. Verteilung der gemessenen Raumtemperatur Fig. 6. Distribution of measured indoor air temperature

häuﬁger Werte im optimalen Bereich der relativen Luftfeuchtigkeit, aber dafür höhere CO2-Werte auf. Bezüglich der wahrgenommenen Luftfeuchte (Bild 8) wurde die Luft in beiden Gruppen als „eher trocken“ bewertet, wobei diese Wahrnehmung in den Schulen mit Fensterlüftung entgegen der gemessenen relativen Luftfeuchtigkeit stärker ausgeprägt war. Allerdings ist bekannt, dass der Mensch keine ausgeprägte direkte Wahrnehmung für die relative Feuchtigkeit hat und diese nur indirekt und langsam bemerkt, wenn sie außerhalb des zulässigen Bereiches von etwa 30 % bis 70 % liegt. Es kommt beispielsweise bei niedrigen Werten zur Austrocknung der Schleimhäute und Durst und bei hohen Werten im Sommer zu starkem Schwitzen und Erschöpfung. Insgesamt liegen die Werte innerhalb der jeweiligen Gruppe der Belüftungsart eng beieinander, so dass auf deskriptiver Ebene die Unterschiede zwischen den Gruppen größer sind als in den Gruppen.

Die Luftgeschwindigkeit in Räumen hat direkten Einﬂuss auf den thermischen Komfort bzw. den konvektiven Wärmeaustausch zwischen Mensch und Umgebung. Unerwünschte Luftbewegungen rufen besonders bei sitzenden Personen oft das Gefühl von Zugluft hervor. Luftgeschwindigkeiten über 0,2 m/s werden als diskomfortabel, Werte unterhalb 0,2 m/s als akzeptabel gewertet. Bild 9 zeigt die durchschnittlich gemessene Luftgeschwindigkeit in allen vier Schuleinrichtungen. Die Schule LA 1 wird stark gelüftet und wies dementsprechend eine durchschnittliche Luftgeschwindigkeit auf, welche eindeutig über der Behaglichkeitsgrenze liegt (M " 0,66 m/s). Die Werte der Schule FL 1 liegen ebenfalls außerhalb des Komfortbereichs (M " 0,35 m/s). In den Schulen LA 2 und FL 2 trat hingegen keine Zugluft auf. Das Erleben von Zugluft wurde nur in Schulen mit Lüftungsanlagen auf einer fünfstuﬁgen Skala (1 bedeutet „keine Zugluft“ und 5 „sehr starke Zugluft“) erfasst. Entgegen der gemessenen Werte wurde für Schule LA 1 ein „geringeres“ Zuglufterleben ermittelt als für Schule LA 2. Für Schule LA 1 wurde ein „mäßiges“ Zuglufterleben (M " 2,5), für Schule LA 2 ein „ziemlich starker“ Luftzug auf der Skala angegeben (M " 4,0). Bezüglich des Zuglufterlebens wurden ebenfalls in allen Gruppen Änderungswünsche erfragt, wobei sich die Raumnutzenden mechanisch belüfteter Schulen eher we-

Bild 7. Verteilung der gemessenen relativen Luftfeuchtigkeit Fig. 7. Distribution of measured relative humidity of air

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niger Luftzug, die Lehrer der fensterbelüfteten Schulen eher mehr Luftzug wünschten (Bild 10). Abschließend wurde nach der Einschätzung der Belüftungssituation insgesamt gefragt (Bild 11). Im Durchschnitt wurde von den Raumnutzenden die Belüftungssituation der mechanisch belüfteten Schulen besser bewertet als diejenige der freibelüfteten Schulen. Dabei zeigt sich entsprechend der Werte des physikalisch gemessenen Luftzuges ein besseres Abschneiden der Schule LA 2 (M " 2,3) mit einer guten bis mäßigen Bewertung bezüglich der Belüftungssituation gegenüber der Schule LA 1 (M " 5,3). Die Bewertung der Belüftungssituation durch die Schulen mit freier Belüftung reicht von eher schlecht in der Schule FL 1 (M " 5,0), bis ziemlich schlecht in FL 2 (M " 6,3).

Bild 10. Änderungswünsche bezüglich des Luftzugs Fig. 10. Request for change of air draught

3.5 Analyse des thermischen Komforts (PMV) Zur Ermittlung des thermischen Komforts wurde der Predicted Percentage of Dissatisﬁed (PPD) verwendet. Die ermittelten Werte werden in Bild 12 dargestellt, wobei etwas großzügiger als bei Fanger ein Anteil von bis zu 20 % als „zufriedenstellend“ angenommen wird. Ein Anteil Unzufriedener von über 40 % gilt hier als „unzufriedenstellende“ Situation, Werte dazwischen als „mäßig zufriedenstellend“. Entsprechend der gemessenen physikalischen Werte von Schule LA 1 ist ein hoher Anteil Unzufriedener zu erwarten, da allgemein zu hohe Luftgeschwindigkeiten, zu niedrige allgemeine Raumtemperaturen sowie eine zu geringe relative Luftfeuchtigkeit gemessen wurden. In Schule LA 2 hingegen lagen die gemessenen physikalischen Werte mit Ausnahme der relativen Luftfeuchtigkeit eher im optimalen Bereich, weshalb eine allgemein bessere Situation erwartet wird. In Schule FL 1 wird aufgrund der zu niedrigen Lufttemperaturen bei sonst guten Werten bezüglich der Luftqualität und relativen Luftfeuchtigkeit ein höherer Anteil an unzufriedenen Personen erwartet als an Schule FL 2. Diese weist lediglich ungünstigere Werte bezüglich der Luftqualität und eine etwas zu warme Temperatur auf, wohingegen kaum Zugluft und eine optimale Luftfeuchtigkeit gemessen wurden.

Bild 9. Gemessene Luftgeschwindigkeit Fig. 9. Measured air velocity

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Bild 11. Bewertung der Belüftungssituation Fig. 11. Assessment of the perceived air-quality

Im Schnitt sollten nach Fanger bei den Schulen mit Lüftungsanlagen (LA) die Hälfte der Nutzer zufrieden sein, bei der Fensterlüftung (FL) ungefähr zwei Drittel. In beiden Fällen wird Fangers Optimum von 5 % sehr deutlich überschritten und deshalb abschließend mit „nicht zufriedenstellend“ bewertet. Erfragt wurde die allgemeine Zufriedenheit auf einer fünfstuﬁgen Skala von „nicht zufrieden“ bis „sehr zufrieden“ mit dem Raumklima, dessen Durchschnittswerte in Bild 13 dargestellt sind. Entsprechend dem gemessenen PPD für die mechanisch belüfteten Schulen wird für die Schule LA 1 eine geringe bis mäßige Zufriedenheit (M " 2,8), für die Schule LA 2 dagegen eine große Zufriedenheit (M " 4,5) angegeben (gerundet). Die Zufriedenheitsmittelwerte für die frei belüfteten Schulen liegen hierbei nah beieinander: FL1 erhält M " 3,0 und FL2 einen Mittelwert von M " 2,8.

4 Diskussion und Ausblick Zusammenfassend kann bemerkt werden, dass eine recht hohe Übereinstimmung zwischen der subjektiven Wahrnehmung und den objektiven physikalischen Werten hinsichtlich der Luftqualität, der erlebten Zugluft sowie des kalkulierten Anteils unzufriedener/wenig zufriedener Personen für mechanisch belüftete Gebäude festzustellen ist. Bezüglich der Temperatur tritt eine tendenzielle Übereinstimmung bei den frei belüfteten Gebäuden ein. Keine Übereinstimmung wurde hinsichtlich der Luftfeuchtigkeit in allen Gruppen sowie der Temperaturwahrnehmung in mechanisch belüfteten Gebäuden gefunden. Fehlende Zusammenhänge hinsichtlich der Luftfeuchtigkeit sind bereits belegt, überraschend sind die Ergebnisse hinsichtlich der Temperaturwahrnehmung sowie des erlebten Luftzuges. Natürlich bleiben messtechnische Unsicherheiten wie z. B. der Standort des Messgerätes. Im Vergleich der Belüftungsarten sind einige Vorteile für die mechanische Belüftungsgruppe feststellbar, wobei einige diﬀerenzielle Eﬀekte hervorzuheben sind. Die Lüftungsanlage der Schule LA 1 führte zu einer hohen Luftge-

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Bild 12. Verteilung des errechneten PPD Fig. 12. Distribution of calculated PPD

Luxemburg sowie den Lehrpersonen und Schulen für die Teilnahmebereitschaft. Frau Johanna Marder und den Herren Alexandru Popescu und Dr. Alexander Merzkirch wird gedankt für die Durchführung der Datenerhebung und Hilfe bei der Auswertung. Literatur Bild 13. Zufriedenheit mit dem Raumklima Fig. 13. Perceived satisfaction with the indoor room climate

schwindigkeit, zu einer geringeren Raumtemperatur sowie einer deutlich zu trockenen Luft und entsprechend geringer war die Zufriedenheit ausgeprägt. Die Lüftungsanlage für Schule LA 2 scheint besser auf das Gebäude abgestimmt zu sein, was sich ebenfalls in der Zufriedenheit der raumnutzenden Person spiegelte. Hinsichtlich der frei belüfteten Gebäude treten geringere Unterschiede sowohl im subjektiven Erleben als auch in Bezug auf die Zufriedenheit auf. Es sei einschränkend darauf hingewiesen, dass der Befragungsstudie nur die Mittelwerte vier verschiedener Lehrer von jeweils einem Raum aus vier unterschiedlichen Gebäuden über vier Wochen vorliegen, ohne dass die Belegungsdichte mit erfasst wurde. Nichtsdestotrotz erlaubt sie einen interessanten Einblick in raumklimatische Unterschiede zwischen mechanisch und frei belüfteten neuen energieeﬃzienten Schulen. Dabei zeigte sich, dass unter Heranziehung sowohl subjektiver Indikatoren als auch physikalischer Parameter keine allgemein gültigen Urteile bezüglich der Bevorzugung einer Belüftungsart möglich sind. Vielmehr ist es erforderlich, die Gebäude einzeln zu beurteilen und das Belüftungskonzept unter Berücksichtigung der Wahrnehmung der Nutzer abzustimmen. Ausreichende Nutzerkontrollmöglichkeiten sind dabei stets hilfreich, um kleinere Unzulänglichkeiten der Technik auszugleichen und individuelle Wünsche zu berücksichtigen.

Danksagung Die Autoren bedanken sich für die ﬁnanzielle Unterstützung der Administration des Bâtiments Publiques (ABP) in

[1] Durán-Narucki, V.: School building condition, school attendance, and academic achievement in New York City public schools: A mediation model. Journal of Environmental Psychology 28 (2008), Iss. 3, pp. 278–286. [2] Walden, R.: Lernumwelten. In Linneweber, V., Lantermann, E.-D. , Kals, E. (Hrsg.): Spezifische Umwelten und umweltbezogenes Handeln, S. 151–186. Göttingen: Hogrefe Verlag für Psychologie 2010. [3] Wargocki, P., Wyon, D.: Providing better thermal and air quality conditions in school classrooms would be cost-effective. Building and Environment 59 (2013), pp. 581–589. [4] Mendell, M. J., Heath, G. A.: Do indoor pollutants and thermal conditions in schools influence student performance? A critical review of the literature. Indoor Air 15 (2005), Nr. 1, pp. 27–52. [5] Kohler, N.: Zukunftsfähige Gebäude – eine Zieldefinition. In Voss, K., Löhnert, G., Herkel, S., Wagner, A., Wambsganß, M. (Hrsg.): Bürogebäude mit Zukunft. 2., überarb. Aufl., S. 2–5. Berlin: SOLARPRAXIS 2007. [6] Fanger, P. O.: Thermal Comfort – Analysis and Applications in Environmental Engineering. Copenhagen: Danish Technical Press 1970. [7] DIN EN ISO 7730: Ergonomie der thermischen Umgebung – Analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und des PPD-Indexes und Kriterien der lokalen thermischen Behaglichkeit (ISO 7730:2005) 2006-05. [8] Brager, G. S., de Dear, R.: Thermal adaption in the built environment: a literature review. Energy and Buildings 27 (1998), Nr. 1, pp. 83–96. [9] Hellwig, R. T.: Thermische Behaglichkeit: Unterschiede zwischen frei und mechanisch belüfteten Bürogebäuden aus Nutzersicht. Dissertation. München: Technische Universität 2005. http://d-nb.info/978197321/34 (zuletzt geprüft am 06.06.2016) [10] van Hoof, J.: Forty years of Fanger´s model of thermal comfort: comfort for all? Indoor Air 18 (2008), Nr. 3, pp. 182–201.

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S. Maas et al. · Untersuchung des thermischen Komforts und der Luftqualität an vier neuen energieefﬁzienten Luxemburger Schulen mit und ohne Lüftungsanlagen

[11] Thewes, A.: Energieeffizienz neuer Schul- und Bürogebäude in Luxemburg basierend auf Verbrauchsdaten und Simulationen. Aachen: Shaker Verlag 2011. [12] Wagner, A., Schakib-Ekbatan, K.: Nutzerzufriedenheit als ein Indikator für die Beschreibung und Beurteilung der sozialen Dimension der Nachhaltigkeit. Stuttgart: Fraunhofer IRBVerlag 2010. http://www.irbnet.de/daten/rswb/10099006608. pdf (zuletzt geprüft am 06.06.2016) [13] F E Projekt TwinSkin. Validierung von Planungskonzepten für Doppelfassaden bei Bürogebäuden anhand der Betriebs- und Nutzungserfahrungen. Abschlussbericht, Stand 15.09.2008. TU Braunschweig, Institut für Gebäude- und Solartechnik. https://www.tu-braunschweig.de/Medien-DB/ igs/_Projektarchiv/abschlussbericht_twinskin.pdf (zuletzt geprüft am 06.06.2016) [14] ASHRAE: ANSI/ASHRAE Standard 55-2004. Thermal Environmental conditions for Human Occupancy. [15] Heße, N.: Umweltpsychologische Interventionen – Voraussetzungen für die Erzeugung und Förderung energieeffizienten Lüftungsverhaltens. Unveröff. Diplomarbeit. Magdeburg: Otto-von-Guericke-Universität 2009. [16] Gossauer, E.: Nutzerzufriedenheit in Bürogebäuden. Eine Feldstudie. Analyse von Zusammenhängen zwischen verschiedenen Komfortparametern am Arbeitsplatz. Dissertation. Karlsruhe: Technische Universität Karlsruhe 2008. http://www.enob.info/fileadmin/media/Publikationen/ EnOB/Nutzerzufriedenheit_in_Buerogebaeuden_-_Diss_ Gosssauer.pdf (zuletzt geprüft am 06.06.2016) [17] Brensing, J., Popescu, A., Maas, S., Steffgen, G.: Untersuchung des thermischen Komfort und der Luftqualität an ausgewählten energieeffizienten Luxemburger Schulen (unveröff. Bericht). Luxemburg: Administration des Bâtiments Publics 2014. [18] Hellwig, R. T., Bischof, W.: Gültigkeit thermischer Behaglichkeitsmodelle. Bauphysik 28 (2006), H. 2, S. 131–136. DOI: 10.1002/bapi.200610013 [19] Hellwig, R. T., Antretter, F., Holm, A., Sedlbauer, K.: Untersuchungen zum Raumklima und zur Fensterlüftung in Schulen. Bauphysik 31 (2009), H. 2, S. 89–98. DOI: 10.1002/ bapi.200910013

[20] Hellwig, R. T., Kersken, M., Schmidt, S.: Ausstattung von Klassenräumen mit Einrichtungen zum Temperieren, Lüften und Belichten. Bauphysik 31 (2009), H. 3, S. 157–162. DOI: 10.1002/bapi.200910021 [21] Steiger, S., Wellisch, U., Hellwig, R. T.: Untersuchung der Eignung verschiedener Fassaden für automatisierte Fensterlüftung in Schulen mit einem Entscheidungsbaumverfahren. Bauphysik 32 (2010), H. 4, S. 253–262. DOI: 10.1002/ bapi.201010029 [22] Hellwig, R. T.: Raumklimatische Planungsgrundlagen für Klassenräume. Bauphysik 32 (2010), H. 4, S. 240–252. DOI: 10.1002/bapi.201010028 [23] Gossauer, E., Wagner, A.: Nutzerzufriedenheit und Komfort am Arbeitsplatz – Ergebnisse einer Feldstudie in Bürogebäuden. Bauphysik 30 (2008), H. 6, S. 445–452. DOI: 10.1002/bapi.200810059 [24] Maas, S., Scholzen, F., Thewes, A., Waldmann, D., Zürbes, A.: Feldstudie zum Energieverbrauch von Bürogebäuden. Bauphysik 33 (2011), H. 3, S. 158–166. DOI: 10.1002/ bapi.201110019

Autoren des Beitrages: Prof. Dr.-Ing. Stefan Maas, stefan.maas@uni.lu Faculté des Sciences, de la Technologie et de la Communication Max Flies Studentische Hilfskraft der Universität Luxemburg Prof. Dr. rer nat. Georges Steffgen, georges.steffgen@uni.lu Professor für Sozial- und Arbeitspsychologie University of Luxembourg 6, rue Richard Coudenhove-Kalergi L-1359 Luxembourg Dr. Jessica Brensing, jessica.brensing@htwsaar.de ehem. wissenschaftliche Mitarbeiterin der Universität Luxemburg, jetzt an der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes Goebenstraße 40 66117 Saarbrücken

Aktuell Initiative Deutschland baut! e. V. Diese Initiative wurde von führenden Unternehmen der Wertschöpfungskette Bau gegründet und hat sich folgende Ziele gesetzt: Steigerung der Attraktivität der Baubranche für die gesamte Wertschöpfungskette Bau, um – dem demografischen Wandel entgegenzutreten, – Fach- und Führungskräfte in Ihrer Weiterentwicklung zu unterstützen, – jungen Menschen die Attraktivität der Berufe in der Wertschöpfungskette Bau zu vermitteln. Plattform für Themen und Anliegen von Unternehmen der Wertschöpfungskette Bau sein, um

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– einen Wissensaustausch zu fordern und fördern, – gemeinsam Synergien zu bündeln, insbesondere bei Messen, Arbeitsgruppen und im Bereich der Weiterbildung, – eine digitale Wertschöpfungskette in der Bauwirtschaft zu fördern. Sprachrohr, Interessenvertreter in der Politik – für Anliegen der Wertschöpfungskette Bau, – vertreten durch die jeweils kompetenten Mitgliedsunternehmen von Deutschland baut! e. V. sein. Wer kann Mitglied werden? Wir sprechen jedes Unternehmen an, das der Wertschöpfungskette Bau angehört,

ganz gleich welcher Unternehmensgröße – vom Planer, über Baustoffhersteller und -handel bis hin zu ausführenden Handwerks- und Bauunternehmen. Auch Spitzenverbände der Bauwirtschaft, das Fraunhofer Institut und bedeutende universitäre Träger der Bauund Immobilienwirtschaft gehören der Initiative an. Weitere Informationen: Deutschland baut! e. V. Manuela Steinert Kurfürstenstr. 129 10785 Berlin Tel. 49(0)30/21286-106 E-Mail: info@deutschland-baut.de www.deutschland-baut.de

Fachthemen Stephan Schlitzberger Christoph Kempkes Anton Maas Martin Schäfers

DOI: 10.1002/bapi.201710008

Einfluss der Wärmespeicherfähigkeit auf Heizwärmebedarf und thermischen Komfort Anhand eines Einfamilienhauses und eines Mehrfamilienhauses wird mithilfe dynamisch-thermischer Simulationsberechnungen der Einfluss der Wärmekapazität der Außen- und Innenbauteile auf den Nutzenergiebedarf für Heizen einerseits und den sommerlichen Temperaturkomfort andererseits aufgezeigt. Hierbei werden baupraktische Wand-, Decken- und Bodenkonstruktionen jeweils in einer Ausführung in Kalksandstein (schwere Bauart) bzw. Holz (leichte Bauart) zugrunde gelegt und es werden die Fälle mit und ohne nächtliche Temperaturreduktion betrachtet. Das Wärmeschutzniveau wird dabei in drei Varianten entsprechend den Niveaus EnEV 2016, KfW-Effizienzhaus 55 sowie KfWEffizienzhaus 40 gewählt. Die Nutzungsrandbedingungen entsprechen soweit möglich den Vorgaben gemäß DIN V 4108-6, DIN V 18599-10 und DIN 4108-2; für die Klimarandbedingungen wird generell der Klimadatensatz TRY04 (Potsdam, Normaljahr) zugrunde gelegt. Es zeigt sich, dass eine schwere Bauart Vorteile sowohl hinsichtlich des Nutzenergiebedarfs Heizen als auch besonders hinsichtlich des thermischen Komforts im Sommer aufweist. Die ermittelten Einsparungen an Heizwärme betragen abhängig von der Gebäudegeometrie, dem Wärmeschutzniveau und den Nutzungsrandbedingungen (Nachtabsenkung) bis zu 4 %, ein thermischer Komfort im Sommer lässt sich im Vergleich zur leichten Bauart auch ohne Kühlung relativ leicht bewerkstelligen, ebenso wie die Einhaltung der gesetzlichen Mindestanforderungen. Impact of the heat storage capacity on heating demand and thermal comfort. Dynamic simulations for a single-family house and a multi-family house are used to demonstrate the impact of the heat storage capacity from external and internal constructions on the heating demand and the thermal comfort during summer periods. For a heavy (calcium silicate masonry) and a lightweight situation (wood) typical constructions for walls, ceilings and floors are investigated and the calculations distinguish between with and without nighttime temperature reduction. The following three different levels of thermal insulation of the buildings envelopes are taken into account: “EnEV 2016”, “KfW Efficient House 55” and “KfW Efficient House 40”. As far as possible, the calculations are based on the criteria and boundary conditions of DIN V 4108-6, DIN V 18599-10 and DIN 4108-2. As climate file the actual TRY-data for Potsdam (TRY04) is used. It is shown that the heavy constructions provide certain advantages both concerning the heating demand as well as especially regarding the thermal comfort in summer periods. Depending on the buildings geometry, the insulation level and the boundary conditions (nighttime temperature reduction) the heating demand savings compared to the lightweight situation reaches up to 4 %. Regarding the thermal comfort in summer periods, it is quiet easy

for the heavy situation to ensure summer heat protection and minimum requirements without active cooling.

1 Einleitung Hinsichtlich der Wirkung der Wärmespeicherfähigkeit auf den Heizwärmebedarf ist bekanntermaßen prinzipiell zwischen zwei gegenläuﬁgen Phänomenen zu unterscheiden: Bei instationärem Heizbetrieb, wie z. B. einer Nacht- und Wochenendabsenkung bzw. -schaltung, kühlt ein Gebäude mit geringerer Wärmespeicherfähigkeit rascher aus als ein Gebäude mit hoher Wärmespeicherfähigkeit. Die Raumtemperaturen werden dadurch im Mittel gegenüber einem Gebäude mit hoher Wärmespeicherfähigkeit abgesenkt und es stellen sich niedrigere Transmissions- und Lüftungswärmesenken ein. Demgegenüber führen Sonneneinstrahlung und interne Wärmeeinträge zu Wärmequellen, welche den Nutzenergiebedarf Heizen erheblich mindern und auch komplett kompensieren können. Bei Gebäuden mit geringer Wärmespeicherfähigkeit treten dadurch höhere Temperaturüberschreitungen (Überheizungen) auf als bei Gebäuden mit einer hohen Wärmespeicherfähigkeit. Hieraus resultieren im Tagesmittel und über die Heizperiode gerechnet höhere mittlere Raumtemperaturen, die bei Gebäuden mit geringer Wärmespeicherfähigkeit zu größeren Transmissions- und Lüftungswärmesenken führen, d. h., die Energieeinträge können weniger gut genutzt werden als bei schwerer Bauart (vgl. [1] bis [5]). Für ein frei stehendes Einfamilienhaus wurde bereits in [4] auf der Basis von dynamisch-thermischen Simulationsrechnungen der Einﬂuss der Wärmespeicherfähigkeit auf den Heizwärmebedarf anhand von fünf typischen Bauarten für drei unterschiedliche Wärmeschutzniveaus untersucht. Diese Untersuchungen wurden für das mittlerweile fortgeschriebene bauliche und anlagentechnische Wärmeschutzniveau für eine leichte (Holz-) und eine schwere (Kalksandstein-) Bauart aktualisiert und in einer aktuellen Studie [6] zusammengefasst. Die Ergebnisse dieser Studie werden im vorliegenden Beitrag präsentiert. Im Vergleich zu [4] wurde in [6] auf die Untersuchung weiterer Varianten der Bauteilmassen verzichtet, die Untersuchung dafür um eine weitere Gebäudegeometrie (Mehrfamilienhaus) ergänzt. Das Wärmeschutzniveau „EnEV 2016“ entspricht dabei den seit 1.1.2016 geltenden Anforderungen der Energieeinsparverordnung 2014, das Anforderungsniveau „EH 55“ respektive „EH 40“ einer bauteil- und anlagen-

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technischen Ausführung, wie sie den KfW-Förderkriterien für ein „Eﬃzienzhaus 55“ bzw. „Eﬃzienzhaus 40“ entspricht.

2 Grundlagen und Randbedingungen 2.1 Das Rechenprogramm Das thermische Verhalten und der Energiebedarf für Heizen und Kühlen werden mittels dynamisch-thermischer Simulationsrechnung mit dem Programm HAUSer ermittelt, welches erstmalig in [7] und [8] beschrieben und dokumentiert ist. Mit dem Simulationsprogramm werden für ein Gebäude bzw. eine Gebäudezone die sich im Jahresverlauf bei Vorgabe von dynamischen, d. h. zeitlich veränderlichen, meteorologischen und der nutzungsbedingten Randbedingungen einstellenden Raumluftzustände und Lastverläufe ermittelt. Die Eingabe der Randbedingungen und die Auswertung erfolgt dabei in der Regel in Stundenwerten, der eigentliche Berechnungszeitschritt liegt typischerweise mindestens eine Größenordnung darunter, d. h. standardmäßig bei 6 Minuten. In jedem Zeitschritt werden die Temperaturverläufe sämtlicher Bauteile unter den momentanen Randbedingungen durch numerisches Lösen der Fourier’schen Wärmeleitungsgleichung mit Hilfe eines Finite-Differenzen-Verfahrens nach CrankNicolson bestimmt und für die jeweilige Gebäudezone die Bilanz aus Wärmequellen (solare und interne Wärmeeinträge) und Wärmesenken (Transmission und Lüftung) gebildet. Durch Lösen der instationären Wärmeleitungsgleichung wird mit dem Verfahren die Speichermasse der Bauteile implizit berücksichtigt, die Bauteile müssen hierfür in ihrem Schichtenaufbau mit den Materialkenngrößen Wärmeleitfähigkeit, Rohdichte und spezifische Wärmekapazität abgebildet werden. Im Heiz- bzw. Kühlfall kann aus der momentanen Bilanz die pro Zeitschritt zur Aufrechterhaltung einer vorgegebenen Temperatur erforderliche Heiz- bzw. Kühlleistung bestimmt werden, die als Summenwert den täglichen, monatlichen oder jährlichen Nutzwärme- bzw. Nutzkältebedarf ergibt. In Zeiten, in denen weder geheizt noch gekühlt wird, lässt sich aus der Zonenbilanz die sich infolge der vorgegebenen inneren und äußeren Randbedingungen einstellende Raumlufttemperatur ermitteln. Da auch die Oberflächentemperaturen je Bauteil mit Hilfe der Finite-Differenzen-Methode je Zeitschritt berechnet werden, kann auch die operative Temperatur als Mittelwert aus der Raumlufttemperatur und dem flächengewichteten Mittel der inneren Oberflächentemperaturen im zeitlichen Verlauf ausgewertet werden. Eine Validierung des zugrunde gelegten Rechenmodells erfolgte u. a. im Rahmen der Mitarbeit in den einschlägigen Normungsgremien zu den internationalen Normen DIN EN ISO 13790 [9] und DIN EN ISO 13792 [10]. Die Simulationstechnik ermöglicht die Bewertung einzelner Einflussgrößen bei sonst gleichen Randbedingungen und erlaubt somit den exakten Vergleich des Einflusses verschiedener Parameter. Als Eingangsgrößen für die Verwendung des Rechenkerns sind Angaben zur Raumgeometrie, zu den Bauteilaufbauten, zur Nutzung der jeweiligen Zone und zu den meteorologischen Verhältnissen am Standort (Jahresverläufe der Außentemperatur, Solarstrahlung, relativen

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Bild 1. Ansicht Südost des zugrunde gelegten Einfamilienhauses Fig. 1. Southeast view of the singel-family house

Feuchte etc.) erforderlich, die nachfolgend im Einzelnen beschrieben werden.

2.2 Gebäudegeometrien Die Untersuchung wird anhand von zwei Gebäuden durchgeführt. Hierbei handelt es sich um ein freistehendes Einfamilienhaus sowie ein Mehrfamilienhaus aus [11]. Für die Untersuchung mussten in einem ersten Schritt für die bestehenden Gebäudekubaturen Grundrisslösungen entwickelt werden, da für die Simulationsberechnungen eine raumweise Berechnung vorgesehen war. Ohne Einschränkung der Genauigkeit wurden dabei zur Vereinfachung der Dateieingabe leichte Modiﬁkationen vorgenommen (z. B. Entfall der Dachgaube im EFH und Anpassung der Fensterﬂächen). Bilder 1 und 2 zeigen jeweils eine Ansicht der zugrunde gelegten Gebäude.

Bild 2. Ansicht Südwest des zugrunde gelegten Mehrfamilienhauses Fig. 2. South-west view of the multi-family house

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Tabelle 1. Bauteil-U-Werte und Berechnungsrandbedingungen für die drei untersuchten Wärmeschutzniveaus Table 1. U-values of constructions and boundary conditions for the three insulation levels Gebäude

EFH

MFH

Wärmedurchgangskoeﬃzienten [W/(m2K)]

g-Wert

)UWB

Lüftung

1,3

0,60

0,05

Abluft; n " 0,55 h–1

0,35

0,90

0,55

0,02

Abluft; n " 0,55 h–1

0,12

0,15

0,90

0,55

0,02

Zu-/Abluft mit WRG, n " 0,4 h–1

0,28

0,20

0,35

1,3

0,60

0,05

Abluft; n " 0,55 h–1

EH 55

0,20

0,16

0,30

0,90

0,55

0,02

Abluft; n " 0,55 h–1

EH 40

0,12

0,10

0,15

0,90

0,55

0,02

Zu-/Abluft mit WRG, n " 0,4 h–1

Niveau

UAW

EnEV 2016

0,28

0,20

0,35

EH 55

0,16

EH 40

0,12

EnEV 2016

Das Einfamilienhaus ist nicht unterkellert, die Kellerräume im 3-geschossigen Mehrfamilienhaus werden bei den Berechnungen als unbeheizte Zonen angenommen, d. h. die Temperatur stellt sich im Jahresgang frei ein. Die wärmetauschenden Gebäudehüllflächen werden außenmaßbezogen ermittelt. Für die Bauteile werden je nach Wärmeschutzniveau typische Dicken für den Mauerwerksbau in Ansatz gebracht. Bauartspezifisch vorhandene Unterschiede im Grundriss zwischen Massiv- und Holzbauart bleiben unberücksichtigt, um bei dem Vergleich leicht/schwer nur den Bauteilaufbau zu bewerten und einen Einfluss infolge unterschiedlicher Flächen resp. Volumina von vorne herein auszuschließen. Die Flächen der Innenbauteile werden mit Achsmaßen in Ansatz gebracht.

mit geringer Transparenz entspricht. Die Betätigung der Sonnenschutzvorrichtung erfolgt in Anlehnung an [14] ab einer Grenzbestrahlungsstärke von 300 W/m2 auf das Fenster. Die zusätzlichen Verluste infolge von Wärmebrücken werden in der Simulation pauschal mit einem Aufschlag von )UWB " 0,05 W/(m2K) für die Variante EnEV 2016 und mit )UWB " 0,02 W/(m2K) für die Varianten EH 55 und EH 40 berücksichtigt. In den Varianten EnEV 2016 und EH 55 ist ein reines Abluftsystem (n " 0,55 h–1) zugrunde gelegt, im Eﬃzienzhaus 40 wird von einer Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung (n " 0,4 h–1, Rückwärmezahl 80 %) ausgegangen, so dass sich im letztgenannten Fall ein energetisch wirksamer Luftwechsel von n " 0,16 h–1 ergibt.

2.4 Nutzung 2.3 Bauteilaufbauten Die betrachteten Bauteile entsprechen baupraktischen Ausführungen aus dem Bereich der Massivbauart und der Holztafelbauart jeweils mit aufgebrachtem Wärmedämmverbundsystem. Um den Einfluss bauartbedingter Unterschiede beim Wärmeschutz auszuschließen, werden bei der leichten Bauart je nach Wärmeschutzniveau die Wärmedurchgangskoeffizienten der wärmetauschenden Hüllfläche an die Werte der schweren Bauart angepasst. Hieraus resultieren teilweise marktunübliche Wärmeleitfähigkeiten der Dämmschichten für die Holzbauvariante. Eine Zusammenstellung der zugrunde gelegten Bauteil-U-Werte findet sich in Tabelle 1. Die Wärmedurchgangskoeffizienten werden auf der Grundlage von DIN EN ISO 6946 [12] ermittelt. Der laterale Wärmetransport bei den Holzbauteilen bleibt unberücksichtigt. Die für die thermische Gebäudesimulation notwendigen Materialeigenschaften sind, soweit nicht eine Anpassung der Wärmeleitfähigkeit an den U-Wert erfolgt (s. o.), [13] entnommen. Bei den Fenstern handelt es sich für die Variante EnEV 2016 um ein 2-Scheiben-Wärmedämmglas, für die Varianten EH 55 und EH 40 wird ein 3-Scheibenglas zugrunde gelegt. Zur Reduktion der solaren Lasten im Sommer wird generell von einer Sonnenschutzvorrichtung mit einem Abminderungsfaktor FC " 0,7 ausgegangen, was z. B. einem hellen, innenliegenden Sonnenschutzsystem

In der vorliegenden Untersuchung werden aus Gründen der Vergleichbarkeit die Nutzungsrandbedingungen gemäß DIN V 4108- 6 [15] gewählt, d. h. es werden interne Wärmegewinne von 5 W/m2 unabhängig von der tatsächlichen Nutzung des Raumes bei einer Beheizung der Räume auf einen Sollwert von 19 °C angesetzt. In den Fällen mit Nachtabschaltung/Nachtabsenkung wird der Sollwert der Temperatur in der Nachtabschaltungsphase von 23 – 6 Uhr auf 10 °C (EFH, Nachtabschaltung) bzw. 15 °C (MFH, Nachtabsenkung) reduziert, so dass eine Beheizung in der Abschaltungs- bzw. Absenkungsphase praktisch nicht stattfindet. Der Luftwechsel der beheizten Gebäudezonen wird bis zu einer Raumtemperatur von 24 °C mit dem konstanten Wert gemäß Tabelle 1 angesetzt. Um bei höheren Raumtemperaturen ein Fensteröffnen zu simulieren, wird der Luftwechsel tagsüber bei höheren Raumtemperaturen als 23 °C auf n " 3 h–1 erhöht. Neben einer intensiven Lüftung am Tage trägt insbesondere eine intensive Nachtlüftung zur Senkung des Temperaturniveaus im Sommer bei. Die Aufheizung der Räume fällt hierdurch wesentlich geringer aus. Oberhalb einer Raumtemperatur entsprechend dem Sollwert für Heizen (hier 19 °C) wird daher von einer erhöhten Nachtlüftung mit n " 2 h–1 ausgegangen. In den unbeheizten Räumen wird ein konstanter Infiltrationsluftwechsel mit n " 0,1 h–1 berücksichtigt und es werden keine internen Lasten in Ansatz gebracht.

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Tabelle 2. Jahres-Heizwärmebedarf in Abhängigkeit von der Wärmespeicherfähigkeit der Baukonstruktion, dem Wärmeschutzniveau und der Nutzung Table 2. Annual heating demand depending on the heat storage capacity of the constructions, the insulation level and the usage Jahresheizwärmebedarf [kWh/(m2a)] EnEV 2016 mit Nachtabsenkung

ohne Nachtabsenkung

Einfamilienhaus schwer

leicht

schwer

leicht

47,84

47,54

36,96

37,97

EH 55

32,93

33,83

26,58

27,20

EH 40

30,54

31,18

25,66

26,41

EnEV 2016

52,38

53,13

40,09

41,88

EH 55

35,50

37,14

28,14

29,47

EH 40

31,32

32,42

25,80

27,12

2.5 Meteorologie Für die dynamisch-thermische Simulation des Raumes sind meteorologische Datensätze im Jahresgang erforderlich, üblicherweise als Stundenmittelwerte für die 8760 Stunden des „Normaljahres“. Für die hier vorliegende Fragestellung, bei der feuchtetechnische Aspekte keine Rolle spielen, sind dabei mindestens die Verläufe der Außenlufttemperatur sowie jeweils der Global- und Diﬀusstrahlung erforderlich. Für Deutschland existieren derartige Klimadatensätze seit den 80er-Jahren [16], die im Laufe der Zeit mehrfach überarbeitet und auf geänderte Klimaverhältnisse angepasst wurden. Die aktuelle Fassung der für Deutschland verfügbaren Klimadatensätze, auch „Testreferenzjahre“ genannt, ist in [17] dokumentiert. Für Berechnungen nach der deutschen Energieeinsparverordnung [18] wird regelmäßig von einem deutschlandweiten Normklima ausgegangen, welches auf dem Klimadatensatz TRY04 [17] beruht und in etwa für Deutschland mittlere Verhältnisse repräsentiert. Den Berechnungen zu den hier vorgestellten Ergebnissen liegt ebenfalls der Klimadatensatz TRY04 zugrunde.

3 Ergebnisse für den Nutzwärmebedarf Eine Zusammenstellung sämtlicher Berechnungsvarianten der Simulationsrechnungen für den Heizwärmebedarf ohne Berücksichtigung der Heizungstechnik für die Fälle mit und ohne Nachtabschaltung findet sich in Tabelle 2. Generell ist der Nutzwärmebedarf in den betrachteten Varianten bei der schweren Bauart geringer als bei der leichten Bauart, wenn auch im Falle der Nachtabsenkung teils nur marginal. Dies heißt, dass der Einfluss der höheren Ausnutzungsmöglichkeit der solaren und internen Wärmequellen infolge der höheren Speichermasse größer ist als der Vorteil der leichten Bauart bei Berücksichtigung einer Nachtabschaltung. Tendenziell scheint dieser Umstand mit verbessertem Wärmeschutzniveau deutlicher ausgeprägt, wobei beim Niveau EH 40 neben dem baulichen Wärmeschutz Effekte durch den verringerten Lüftungswärmeverlust (WRG) zu beachten sind. Bei der leichten Bauart ergeben sich je nach Wärmeschutzniveau bei durchgehendem Heizbetrieb, also ohne Berücksichtigung einer Nachtabschaltung, die folgenden Erhöhungen des Heizwärmebedarfes gegenüber der schweren Bauart:

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Mehrfamilienhaus

a) 1,4 bis 4,4 % für das freistehende Einfamilienhaus b) 4,3 bis 4,4 % für das Mehrfamilienhaus Wird eine Nachtabschaltung von 23 – 6 Uhr gemäß DIN V 18599-10 [19] berücksichtigt, reduzieren sich die Vorteile der schweren Bauart auf: a) 0,1 bis 2,7 % für das freistehende Einfamilienhaus b) 2,3 bis 2,8 % für das Mehrfamilienhaus.

4 Ergebnisse für den thermischen Komfort im Sommer Die Simulationsrechnungen wurden als Ganzjahressimulation auf Stundenbasis durchgeführt, so dass anhand der Berechnungsergebnisse auch ein Vergleich des thermischen Komforts im Sommer erfolgen kann. Eine Kühlung der Gebäude erfolgt dabei nicht, d. h. dass sich außerhalb der Zeiten, in denen eine Beheizung vorliegt, die Temperatur in den einzelnen Zonen der Gebäude infolge der inneren und äußeren Bedingungen frei einstellt. Neben den Wärmesenken bzw. -quellen über die Außenbauteile wird dabei auch die in den Bauteilmassen gespeicherte Wärme und der Wärmestrom über die Innenbauteile infolge Temperaturunterschieden in den Zonen verfahrensintern berücksichtigt. Da für beide Gebäude eine raumweise Zonierung zugrunde liegt, kann – wie für eine Bewertung des sommerlichen Komforts auch zwingend erforderlich – eine Auswertung auf Stundenbasis für einzelne Räume erfolgen. Als Bewertungsgröße sollen zunächst die z. B. auch in [14] als Anforderungsgröße heran gezogenen Übertemperaturgradstunden Gh26 ausgewertet werden. Für die 11 Zonen (Räume) des Einfamilienhauses ﬁndet sich eine Darstellung der Berechnungsergebnisse für sämtliche Berechnungsfälle, d. h. für die 3 Wärmeschutzniveaus und jeweils die Ausführung in Kalksandstein bzw. Holz in Bild 3. Der Vorteil einer schweren Bauart bei sonst gleichen Randbedingungen hinsichtlich des Komforts im Sommer wird bereits in dieser Darstellung sehr deutlich. Für die Ausführung in Kalksandstein bleiben die Gh26-Werte generell, d. h. für alle Berechnungsvarianten und in allen Räumen des Gebäudes auf einem Niveau von unter 200 Kh/a, was einem guten thermischen Komfort entspricht. Bei der Holzbauweise liegen die Werte durchweg um eine Größenordnung höher und überschreiten für einzelne Räume im Dachgeschoß den in [14] für Wohngebäude genannten Anforderungswert von 1200 Kh/a, was

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Bild 3. Berechnungsergebnisse der Übertemperaturgradstunden Gh26 für das Einfamilienhaus Fig. 3. Calculation results for “overheating degree-hours” Gh26 for the single-family house

Bild 4. Berechnungsergebnisse der jährlichen maximalen operativen Raumtemperatur für das Einfamilienhaus Fig. 4. Calculation results for the annual maximum operative room temperature for the single-family house

die Nichteinhaltung der Mindestanforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz bedeutet. Mindestens in diesen Räumen müsste – z. B. durch einen wirksameren Sonnenschutz – nachgebessert werden. Deutlich wird in Bild 3 ebenfalls, dass beim Einfamilienhaus die Zone 10 (Bad) und Zone 7 (Schlafzimmer Südost) in Hinblick auf den sommerlichen Komfort die kritischen Zonen sind. In Bild 4 ﬁndet sich ergänzend und zur weiteren Verdeutlichung eine analoge Auswertung für die sich im Laufe des Jahres maximal einstellende operative Raumtemperatur, die grundsätzlich einen ähnlichen Vergleich zulässt. Während für die schwere Bauart das Niveau in den einzelnen Räumen vergleichsweise wenig variiert und zu Maximaltemperaturen von lediglich knapp über 28 °C

führt, treten bei der Leichtbauart gerade im Obergeschoss auch extrem hohe Temperaturen von mehr als 35 °C auf. Für die 42 Zonen (Räume) des Mehrfamilienhauses – hier ohne Darstellung – ergibt sich ein ähnliches Bild, die kritischen Räume sind bei diesem Gebäude die Eckräume mit Südwestorientierung und mit vergleichsweise großer, geschosshoher Verglasung. Die absoluten Maximalwerte treten auch hier im Obergeschoss auf, wenngleich die Unterschiede hier aufgrund des Massivdaches weniger ausgeprägt sind als im Einfamilienhaus. Für die kritischen Räume ﬁndet sich eine Komfortbewertung auf Stundenbasis gem. DIN EN ISO 15251 [20] in Bild 5 (Einfamilienhaus) bzw. Bild 6 (Mehrfamilienhaus). Die hier genannten Komfortgrenzen sind in den Diagrammen als durchgezogene Linien wiedergegeben, die

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Bild 5. Komfortbewertung auf Stundenbasis gemäß DIN EN 15251 [20] für das Einfamilienhaus Fig. 5. Comfort assessment according to DIN EN 15251 [20] for the singel-family house

Bild 6. Komfortbewertung auf Stundenbasis gemäß DIN EN 15251 [20] für das Mehrfamilienhaus Fig. 6. Comfort assessment according to DIN EN 15251 [20] for the multi-family house

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Berechnungsergebnisse (Stundenmittelwerte der operativen Temperatur aufgetragen über dem gleitenden Tagesmittelwert der Außentemperatur) sind für leichte (orange) und schwere (lila) Bauart in beiden Darstellungen enthalten. Ein Komfortvergleich ist auf diese Weise besonders anschaulich möglich. Auch in den kritischen Räumen ist demnach bei massiver Bauart ein überdurchschnittlicher Komfort praktisch ganzjährig gegeben, während bei leichter Bauart unter sonst gleichen Randbedingungen die Komfortgrenzen vergleichsweise häufig deutlich überschritten werden. Literatur [1] Hauser, G.: Vergleich des jährlichen Wärme- und Energieverbrauchs von Einfamilienhäusern in Leicht- und Schwerbauweise. Bundesbaublatt 33 (1984), H. 2, S. 120–124; Bauen mit Holz 86 (1984), H. 5, S. 293–297; wksb 29 (1984), H. 18, S. 10–15. [2] Hauser, G.: Einfluss des Wärmedurchgangskoeffizienten und der Wärmespeicherfähigkeit von Bauteilen auf den Heizenergieverbrauch von Gebäuden – Literaturstudie. Bauphysik 6 (1984), H. 5, S. 180–186, Bauphysik 6 (1984), H. 6, S. 207– 213. [3] Hauser, G.: Einfluss der Baukonstruktion auf den Heizwärmeverbrauch. In: Beckert, J.; Mechel, F. P.; Lamprecht, H.-O.: Gesundes Wohnen. Wechselbeziehungen zwischen Mensch und gebauter Umwelt. Düsseldorf, Beton-Verlag (1986), S. 405–417. [4] Hauser, G., Otto, F.: Einfluss der Wärmespeicherfähigkeit auf Heizwärmebedarf und sommerliches Wärmeverhalten. db 134 (2000), H. 4, S. 113–118. [5] Hauser, G., Otto, F.: Wärmespeicherfähigkeit und Jahresheizwärmebedarf. Mikado (1997), H. 4, S. 18–22. [6] Schlitzberger, S., Kempkes, C.: Untersuchung der Wirkung der Wärmespeicherfähigkeit von Bauteilen auf den Heizwärmebedarf sowie den thermischen Komfort im Sommer. Studie des Ingenieurbüro Prof. Dr. Hauser im Auftrag der Verlag Bau Technik GmbH. Unveröffentlicht. Kassel, Februar 2016. [7] Hauser, G.: Rechnerische Vorherbestimmung des Wärmeverhaltens großer Bauten. Dissertation, Universität Stuttgart 1977. [8] Hauser, G.: Method for calculating of thermal behaviour of buildings. Proceedings ICHMT-Seminar. Hemisphere Publishing Comp., Washington (1978), S. 419–427. [9] DIN EN ISO 13790:2008-09 Energieeffizienz von Gebäuden – Berechnung des Energiebedarfs für Heizung und Kühlung. [10] DIN EN ISO 13791:2005-02 Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – Sommerliche Raumtemperaturen bei Gebäuden ohne Anlagentechnik – Allgemeine Kriterien und Validierungsverfahren. [11] Klauß, S., Kirchhoff, W.: Entwicklung einer Datenbank mit Modellgebäuden für energiebezogene Untersuchungen, insbesondere der Wirtschaftlichkeit. Kassel: ZUB, 2010.

[12] DIN EN ISO 6946:2008-04 Bauteile – Wärmedurchlasswiderstand und Wärmedurchgangskoeffizient –Berechnungsverfahren. [13] DIN 4108-4:1991-11 Wärmeschutz im Hochbau. Wärmeund feuchtetechnische Kennwerte. [14] DIN 4108-2:2013-02 Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Teil 2: Mindestanforderungen an den Wärmeschutz. [15] DIN V 4108-6: 2003-06. Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Teil 6: Berechnung des Jahresheizwärmeund des Jahresheizenergiebedarfs [16] Esdorn, H., Fortak, H., Jahn, A: Entwicklung von Testreferenzjahren (TRY) für Klimaregionen der Bundesrepublik Deutschland. Statusbericht 1985 „Rationelle Energieverwendung im Haushalt und Kleinverbrauch“ des BMFT. Köln: Verlag TÜV Rheinland (1985), S. 424–437. [17] Deutscher Wetterdienst: Aktualisierte und erweiterte Testreferenzjahre von Deutschland für mittlere, extreme und zukünftige Witterungsverhältnisse. Projektbericht. Ein Gemeinsames Projekt im Auftrag des Bundesamtes für Bauwesen und Raumordnung (BBR) in Zusammenarbeit mit der Climate & Environment Consulting Potsdam GmbH und dem Deutschen Wetterdienst (DWD). Offenbach 2011. [18] Verordnung zur Änderung der Energieeinsparverordnung. Bundesgesetzblatt, Jahrgang 2013, Teil I, Nr. 67, Bundesanzeiger Verlag, 21. November 2013, S. 3951–3990. [19] DIN V 18599-10:2011-12 Energetische Bewertung von Gebäuden – Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung – Teil 10: Nutzungsrandbedingungen, Klimadaten. [20] DIN EN 15251: 2007-03, Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden –Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik. Deutsche Fassung EN 15251:2007.

Autoren dieses Beitrages: Dr.-Ing. Stephan Schlitzberger, schlitzberger@ibh-hauser.de Dipl.-Ing. Christoph Kempkes, c.kempkes@ibh-hauser.de Ingenieurbüro Prof. Dr. Hauser GmbH Moritzstraße 17 34127 Kassel Prof. Dr.-Ing. Anton Maas, maas@uni-kassel.de Universität Kassel Fachbereich Architektur, Stadtplanung, Landschaftsplanung Fachgebiet Bauphysik Gottschalkstraße 28a 34109 Kassel Dr.-Ing. Martin Schäfers, schaefers@kalksandstein.de Bundesverband Kalksandsteinindustrie e. V. Abteilung Bauanwendung Entenfangweg 15 30419 Hannover

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Fachthemen Jan Tywoniak Martin Volf Michal Bureš Antonín Lupíšek Kamil Staneˇk

DOI: 10.1002/bapi.201710009

Vorhangfassade auf Holzbasis – eine komplexe bauphysikalische Aufgabe Der Beitrag befasst sich mit der Entwicklung einer Systemlösung für den Ersatz alter nichttragender Außenwände bei Nichtwohngebäuden aus den 1960er und 1970er Jahren. Die Hauptidee war, ein vorgefertigtes Produkt in moderner Holzbauweise zu entwickeln, um eine Alternative zu üblichen Metallbausystemen anzubieten. Es wurde bestätigt, dass ohne detaillierte bauphysikalische Analysen und Messungen eine erfolgreiche Entwicklung kaum möglich ist. Dieser Beitrag befasst sich mit Wärmeschutz und Umweltperformance. Ergebnisse des langfristigen Monitorings und weitere wichtige bauphysikalische Aspekte (Feuchteschutz, Bauakustik, Brandschutz) werden zu einem späteren Zeitpunkt behandelt. Wood based curtain wall as a complex task in building physics. The article deals with the development of a systemic solution for replacement of old curtain walls at nonresidential buildings from the sixties and seventies of the 20th century. The main idea was to develop a prefabricated system using modern wood products as an alternative to usual metallic constructions. It is demonstrated that without a complex analysis in building physics and measurements no successful development would be possible. This article is focused on thermal performance and environment oriented assessments, including embodied energy. Results of long-time monitoring and other important topics, like moisture, noise protection and ﬁre safety, will be subject of a following article.

tionen ersetzt (Bild 2), die natürlich aktuellen Energieanforderungen entsprechen. Die Hauptidee eines Forschungsvorhabens [2] war es, eine Alternative zu entwickeln, die eine ähnliche Systemlösung mit minimiertem Einsatz von Metallen und Erdölprodukten, mit hoher Energieeinsparung und mit garantiert hohem Komfort im Inneren bietet. Es war von Anfang an klar, dass es sich neben konstruktiven Fragen um eine sehr komplexe bauphysikalische Aufgabe handelt. Solche neuartige Fassade wurde zusammen mit ihren Schlüsselcharakteristika bereits vorgestellt [3], [4]. Es handelt sich um eine völlig vorgehängte Fassade mit geschosshohen Elementen (Bild 3). Jedes Element ist mit Hilfe von Stahlankern in der Decke oder im parallel laufenden Deckenbalken befestigt. Im oberen Teil jedes Elementes beﬁndet sich die zukünftige Fensterbrüstung; die Fenster sind im unteren Teil angeordnet. Solche von [5] übernommene Anordnung ist für die Arbeit auf der Baustelle vorteilhaft: Sie ermöglicht einen guten Zugang zur horizontalen Fuge zwischen den Elementen.

1 Einführung Die nichttragenden vorgefertigten Leichtbauwände (Vorhangfassaden) waren seit den 1960er Jahren massiv im Einsatz. Sie ermöglichten eine schnelle Montage und eine moderne Gestaltung. Die negativen Eigenschaften wurden erst später entdeckt: relativ große Wärmeverluste, massive Wärmebrücken, häuﬁge Neigung zur Überhitzung der Räume, Anwendung von Asbestfasern in konstruktiven Platten. Viele der ältesten Fassaden stehen vor dem Ersatz. Allein in Tschechien gibt es fast 300 Schulbauten mit Stahlbetonskelett und solchen nichttragenden Fassaden. Im Weiteren handelt es sich um verschiedene Büro- und Dienstleistungsbauten (Bild 1). In der früheren DDR wurde eine komplexe Systemlösung für Bürobauten entwickelt (sog. Typ Leipzig [1]). Konstruktiv kann es sich um Pfosten-Riegel-Fassaden oder um vorgehängte Fertigteile (Paneele) handeln. In den meisten Fällen werden alte Fassaden durch moderne Elemente auf Metallunterkonstruk-

Bild 1. Beispiel einer nichtragenden Wand aus den 1970er/1980er-Jahren (vorgehängte Paneele 1,5 m breit, 3,6 m hoch, Institutsgebäude TU Prag) Fig. 1. Example of a curtain wall from 1970’s and 1980’s; elements’ width 1.5 m, height of one ﬂoor (3.6 m); campus building of the Czech Technical University in Prague

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2 Konstruktion und Montage

Bild 2. Beispiel einer Renovierung: neue vorgehängte Metallfassade mit niedrigem U-Wert und kombiniertem Sonnenschutz (Institutsgebäude TU Prag) Fig. 2. Example of building retroﬁt: New metallic curtain wall with low U-value and a combined solar protection; campus building of the Czech Technical University in Prague

Die Montage verläuft ohne Gerüst. Von der Innenseite wird die Fassade nachträglich mit entsprechender Vorsatzschale ergänzt. Der Werkstoff Holz wird hier in verschiedenen Formen angewendet: Der Rahmen stammt aus laminiertem Furnierschichtholz. Im opaken Teil der Paneele werden OSB- und MDF-Platten angewendet, zusammen mit Holzfaserdämmplatten. Verschiedene hinterlüftete Außenwände können gewählt werden: Holzverkleidung, großformatige Platten verschiedener Art, PhotovoltaikPaneele, Verputz auf Putzträgerplatte, Hilfskonstruktion für Kletterpflanzen u. a. In der bereits erprobten Variante sind die Fensterlaibungen von außen mit Profilen aus thermisch behandeltem Holz ausgeführt, andere Abdeckungen sind möglich (faserverstärkte Verbundwerkstoffe). Nach der Montage der Elemente verlaufen die Arbeiten im Inneren wie üblich. Die Fugen werden abgedichtet und die Vorsatzschalen installiert. In der Installationsebene sind Strom- und Datenleitungen sowie nach Bedarf auch Heizungsleitungen, Heizungskörper und Lüftungskanäle angeordnet. Das heißt mit einem Zusatzeffekt für den Wärmedurchgang kann nur in solchen Varianten gerechnet werden, wo die Vorsatzschale eventuell mit einer weiteren Dämmschicht garantiert dicht angeordnet wird.

3 Wärmeschutz und Wärmedämmung Allgemein betrachtet, bietet der vollständige Ersatz der alten Fassade eine bessere Chance, um sehr niedrige

Bild 3. Schema der neu entwickelten Elementfassade in Holzbauweise Fig. 3. Scheme of the new developed wooden curtain wall

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Bild 4. Entwicklung der Anforderungen an den maximal zulässigen Wärmedurchgang, dargestellt als mittlerer U-Wert der Fassade – für Tschechische Republik, vereinfacht (Anteil der Verglasung mit 55 % angenommen) Fig. 4. Development of the required maximum thermal transmittance Umean for a building envelope according to Czech national legislation (simpliﬁed – assumed 55 % glazing ratio) in time

U-Werte zu erreichen im Vergleich zur additiven nachträglichen Dämmung (WDVS), bei relativ schmalen Gesamtdicken. Die gesetzlichen Rahmenbedingungen auf der Europäischen und nationalen Ebene [6] müssen berücksichtigt werden. Bild 4 illustriert die Entwicklung der Anforderungen in den letzten Jahrzenten. Die volle Linie entspricht aktuellen Vorschriften für Neubauten. Der graue Bereich entspricht wahrscheinlich der Realität mehr, da bis vor kurzem die energetischen Konsequenzen der Wärmebrücken nicht berücksichtigt wurden. Die Wärmedämmung in der Ausfachung kann alternativ gewählt werden: weiche Platten aus Holzfasern, Mineralwolle oder andere weiche Dämmstoffe kommen zum Einsatz. Zur weiteren Verbesserung oder zur Minimierung der Gesamtdicke kann eine Kombination mit neuartigen Dämmstoffen, wie z. B. Vakuumdämmung oder Aerogel, angewendet werden. Diese sind auch regelmäßig in sensiblen Bereichen (Anschluss Fenster – Jalousiekasten) angeordnet. Im Paneel sind passivhaustaugliche Fenster mit dreifacher Verglasung und speziellen Holzrahmen montiert [7]. Ferngesteuerte Jalousien gehören zur Standardausstattung. Analysen der Wärmeübertragung Die Wärmeübertragung wurde ausführlich analysiert. Bild 5 zeigt als Beispiel ein Anschlussdetail mit den Ergebnissen einer 2D-Temperaturberechnung, um die Kondensatfreiheit zu überprüfen und auch die zusätzlichen Wärmeströme zu bestimmen. Das neu entwickelte Paneel auf Holzbasis übernimmt von üblichen Alu-Systemen die prinzipielle Lösung der Anschlüsse mit einer profilierten AluLeiste und EPDB-Abdichtungen. Die Wärmebrücken der Anschlüsse sind im untersuchten Fall für 38 % der gesamten Wärmeübertragung verantwortlich, also weitere Optimierungen wert. Bild 6 zeigt den Einfluss der relativ kleinen Alu-Leiste, die im äußeren Bereich der Anschlüsse angeordnet ist, um die EPDM-Abdichtungen richtig zu positionieren: Die hohe Wärmeleitfähigkeit der Leiste führt zu einer erhöhten Luftzirkulation in der Fuge, was

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Bild 5. Temperatur- und Wärmestromverlauf im Fensterbereich (Horizontalschnitt) bei Außenlufttemperatur –15 °C und Innenlufttemperatur 20 °C; Abdeckleiste nicht berücksichtigt Fig. 5. Temperature and heat ﬂux distribution in a window area (horizontal cross section) under assumption of exterior air temperature –15 °C and interior air temperature 20 °C; a wooden cover strip not considered

Bild 6. Temperaturverlauf [°C] im Anschlussdetail, Träger der EPDM-Abdichtung ist aus Aluminium (links) oder aus Kunststoﬀ (rechts) Fig. 6. Temperature distribution in connection of two elements, proﬁle for positioning of water-and airtight EPDM sealing made of aluminum (left) or from plastics (right)

die örtlichen Oberflächentemperaturen negativ beinflußt und zu einem höheren zusätzlichen Wärmedurchlass führt – im Vergleich mit einer denkbaren Leiste auf Kunststoffbasis.

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Bild 7. Langfristiges Monitoring in der Klimakammer, technische Ausstattung zur Stabilisierung der Lufttemperatur und -Feuchtigkeit (links); 4 Elemente installiert in einer von 6 Öﬀnungen 3 m w 3,2 m der Außenwand (rechts) Fig. 7. Long-time monitoring in climatic room, equipment for control of air temperature and humidity (left); 4 elements placed in one of 6 openings 3 m w 3.2 m in the external wall (right)

Bild 8. Installation der Vorhangfassade bestehend aus 9 unterschiedlichen Elementen auf ca. 50 m2 der Testﬂäche (links), Detail der Verschattung (rechts) Fig. 8. Installation of curtain wall consisting of 9 diﬀerent elements at 50 m2 of testing area (left), details of shading (right)

Die U-Werte bei Abmessungen 1,5 m w 3,3 m für typische Zusammensetzungen der Paneele und beste Qualität der Verglasung können vorläufig folgenderweise beschrieben werden: Beim U-Wert des opaken Teils (übliche Variante) 0,16 W/(m2K) und Verglasung 0,6 W/(m2K) erreicht ein Paneel unter Berücksichtigung linearer und örtlicher Wärmebrücken einen Gesamt-U-Wert von 0,51 W/(m2K), bzw. ohne Verglasung 0,25 W/(m2K). Die flächenbezogenen Zuschläge )U wären dann 0,1 W/(m2K) bei Anwendung der Alu-Profile in Fugen und 0,06 W/(m2K) bei Anwendung der Kunststoff-Profile. Ein eventuell positiver Effekt einer Vorsatzschale ist hier nicht berücksichtigt.

3,0 m) und Oberflächenmaterialien (großformatige Platten, Holzverkleidung, Verputz mit Netz für Kletterpflanzen). Zur Verschattung wurden Markisen aus Holz oder ferngesteuerte Außenjalousien angewendet. Bisherige Ergebnisse nach 1,5 Jahren zeigen, dass es an keiner Stelle (15 Feuchtesensoren in Holzprofilen) zur Wasserdurchdringung gekommen ist. Feuchtigkeit variiert im Bereich 13 – 16,5 Masse-%. Saisonale Volumenänderungen bewegen sich im Bereich t 1,5 mm, was mit Sicherheit die Abdichtungen aufnehmen können.

4 Testinstallationen und Messungen Die ersten Prototyp-Elemente mit Photovoltaik-Verkleidungen wurden in der Außenwand eines speziellen Test-Raumes installiert (Bild 7). Darin herrschen definierte klimatische Bedingungen: Lufttemperatur 20 °C, relative Luftfeuchte 50 %. Die Elemente sind realen Außenklimabedingungen ausgesetzt. Die Temperaturen, Wärmeflüsse und Feuchtigkeit werden kontinuierlich gemessen – im Inneren der Elemente und an den Oberflächen. In einem dieser Elemente wurden Vakuumdämmplatten (Dicke 20 mm) in der Ausfachung mit Holzfaserplatten kombiniert. Im Bereich der Jalousien wurden bei einem Element Streifen von Vakuumdämmplatten, bei einem anderen Element Streifen aus Aerogel angewendet. Da hier von realen klimatischen Verhältnissen ausgegangen wird, sind die Beobachtungen auf mindestens zwei Jahre geplant. Eine größere Installation für Testzwecke mit 9 Elementen wurde an der experimentellen Südfassade auf insgesamt fast 50 m2 montiert (Bild 8). Die Unterkonstruktion und die Verankerungen entsprechen der Situation auf einer realen Baustelle. Hier werden die Feuchtigkeit in den Fugen und Volumenänderungen gemessen. Bewusst unterschiedlich sind die Elementbreite (0,8 m, 1,2 m, 1,5 m und

5 Labormessungen Eine Zusammensetzung von 6 Elementen (Bilder 9, 10) wurde in einem Testrahmen auf der Fläche von 3,0 m w 3,0 m installiert. Ziel war es, die Anschlüsse noch genauer zu untersuchen. In einigen Fugen wurden die Alu-Leisten durch Kunststoﬀ-Proﬁle ersetzt. Diese wurden für Testzwe-

Bild 9. Untersuchung der Paneele in der Klimakammer Fig. 9. Investigation of elements in climatic chamber

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cke mit einem 3D-Drucker gefertigt. Die Lufträume der Fugen wurden dort mit Wärmedämmung gefüllt. Bei einer Temperaturdifferenz von 36 K ist die Temperatur an der Innenseite der Kunststoffleiste um fast 13 K höher als bei der Alu-Leiste, was die Temperatur an der Innenoberfläche dementsprechend beeinflusst. In den vertikalen Fugen spielt zusätzlich die Luftströmung eine wichtige Rolle: Im Abstand 1,6 m entlang der vertikalen Fuge wurde eine Temperaturdifferenz von 4 K beobachtet. Eine Füllung der Fuge mit dämmendem Material oder eine Unterteilung mittels Kompri-Bändern o. Ä. wäre daher von Vorteil.

6 Umweltorientierte Analysen

Bild 10. Infrarotaufnahme der Innenseite der Elemente in der Klimakammer – horizontale Fuge mit Dämmung gefüllt (gelbe Linie L1), nicht gefüllt (gelbe Linie L2); Träger der EPDM-Abdichtung in beiden Fällen aus Aluminium Fig. 10. Infrared image of internal surface of the elements in the climatic chamber – horizontal joint ﬁlled by thermal insulation (yellow line L1), kept empty (yellow line L2); proﬁle for positioning of EPDM made of aluminum in both cases

Um objektive Aussagen über Qualitäten des vorgestellten Fassadensystems auf Holzbasis machen zu können, wurden früher [4] auch einige Lebenszyklusanalysen [8] durchgeführt. Die graue Energie, als nichterneuerbarer Anteil der primären Energie dargestellt, zeigte Folgendes: Die graue Energie kann im Vergleich zur üblichen metallischen Konstruktion um mehr als 40 % reduziert werden. Im Vergleich zur billigsten Lösung, die häuﬁg als Sanierung angewendet wird, nämlich mit einer traditionellen Gasbetonwand mit zusätzlicher Wärmedämmschicht, liegt die Re-

Bild 11. Vergleich der wichtigsten umweltrelevanten Parameter für zwei unterschiedliche Fassadensysteme (Holz für vorgestellte Alternative, Alu für ein System gemäß Bild 2) bezogen auf 1 m2 der Fassadenﬂäche Fig. 11. Comparison of the most important environmental indicators for two diﬀerent systems for building envelopes: Holz for the newly developed wood based system, Alu for usual system according to Fig. 2, related to 1 m2 of the envelope area

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duktion bei 20 %. Später wurde eine detailliertere Analyse (Auszug in Bild 11) erstellt, wo die wichtigsten umweltorientierten Eigenschaften mit der üblichen Vorhangfassade auf Alu-Basis verglichen wurden. Bild 11 zeigt mit Hilfe der Daten aus [9] detailliert berechnet die Beiträge zur Versäuerung AP [kgSO2,eq.], zur globalen Erwärmung GWP [kgCO2, eq.], Ozonbildung in bodennahen Schichten POCP [g C2H4,eq.], Beschädigung von Ozonschicht ODP [mg CCl3F,eq.] und die PrimärEnergie PEI [MJ] für 1 m2 der Fassadenfläche. In allen diesen Kategorien zeigt die vorgestellte Lösung auf Holzbasis günstigere Werte trotz des um ca. ¼ – ½ höheren Gewichts. Es ist bemerkenswert, wie groß der Einfluss von dreifacher Verglasung in beiden Systemen ist. Auch die Befestigung der Elemente zur tragenden Konstruktion durch Stahlanker sollte in solchen umweltorientierten Bewertungen berücksichtigt werden. Die Anker (ca. 9 % des gesamten Gewichts) tragen zum GWP mit 12 % und zur PEI mit 10 % bei, wenn wir die Fassade mit 55 % Verglasung analysieren. Auf der anderen Seite hat eine typische Vorsatzschale im opaken Bereich nur unbedeutenden Einfluss (ca. 2 % von GWP).

7 Ausblick Wichtiger Bestandteil der Entwicklungsarbeiten waren auch ausführliche Studien und Experimente zum Thema Schlagregen und Luftdichtigkeit, Bauakustik und Brandschutz. Darüber und über weitere Ergebnisse der beschriebenen Testinstallationen werden die Autoren in einer der nächsten Ausgaben von BAUPHYSIK informieren. Die Entwicklung des vorgestellten Systems geht weiter. Es wird zurzeit intensiv an der Vorbereitung der Pilotprojekte gearbeitet, die die Anwendbarkeit in der Baupraxis testen sollten.

Danksagung Das Forschungsvorhaben „Optimization, veriﬁcation and further development of building envelope based on wood and natural materials“ an der Tschechischen Technischen Universität Prag wurde durch Fördermittel unter der Nummer SGS16/012/OHK1/1T/11 unterstützt. Diese Veröffentlichung wurde durch das Ministerium für Bildung, Jugend und Sport der Tschechischen Republik im Rahmen des Nationalen Nachhaltigkeitsprogramms I (NPU I), Projektnummer LO1605 – University Centre for Energy Eﬃcient Buildings – Sustainability Phase unterstützt.

Literatur [1] Weller, B., Fahrion, M. S., Horn, S.: Mid-Century Modern: Refurbishing Curtain Walls in the Former GDR. Proc. Advanced Building Skins. International Conference on Building Envelope Design and Technology. 23. – 24. April 2015. Technical University of Graz Publishing, 2015. [2] www.uceeb.cz/envilop [3] Lupíšek, A., Bureš, M., Volf, M., Hodková, J., Novácˇek, J., Hejtmánek, P., Tywoniak, J.: Development and testing of environmentally friendly envelope for energy efficient buildings in the Czech Republic. In: Energy Procedia – 6th International Building Physics Conference, IBPC 2015. Book Series: Energy Procedia, Vol. 78, pp. 285–290. [4] Tywoniak, J., Bureš, M., Volf, M., Hejtmánek, P., Novácˇek, J., Lupíšek, A.: Leichte Elementfassade auf Holzbasis für Modernisierung der Nichtwohnhäuser. Jahrbuch GLASBAU 2016, S. 321–333. Berlin: Ernst und Sohn 2016. [5] Verordnung Nr.78/2013, Tschechische Republik (nationale Interpretierung der Richtlinie EPBD-Recast 2010). [6] Skanska LOP-Unit. Ersatz der Vorhangsfassade. Gebäude A, Fakultät für Bauwesen. Tschechische Technische Universität Prag. Detaildokumentation, Prag 2012, Realisierung 2013. [7] http://www.passiv.de/komponentendatenbank/files/pdf/ zertifikate/zd_slavona_progression_de.pdf [8] EN 15804 Sustainability of construction works. Environmental product declarations. Core rules for the product category of construction products, CEN 2012. [9] Wernet, G., Bauer, C., Steubing, B., Reinhard, J., MorenoRuiz, E., Weidema, B., 2016. The ecoinvent database version 3 (part I): overview and methodology. The International Journal of Life Cycle Assessment [online] 21 (2016), 9, pp.1218– 1230. Available at: !http://link.springer.com/10.1007/ s11367-016-1087-8# [Accessed 22-11-2016].

Autoren dieses Beitrages: Prof.Dipl.Ing. Jan Tywoniak, CSc., tywoniak@fsv.cvut.cz Deputy Head of Dep. Building Structures, Faculty of Civil Engineering, and Head of the Hygrothermal Laboratory, Dep. Architecture and Environment, University Centre for Energy Efﬁcient Buildings Dipl.Ing. Martin Volf, michal.volf@fsv.cvut.cz Dipl.Ing. Michal Bureš, michal.bures@fsv.cvut.cz Dipl.Ing. Antonín Lupíšek, Ph.D., antonin.lupisek@fsv.cvut.cz Dipl.Ing. Kamil Staneˇk, Ph.D., kamil.stanek@fsv.cvut.cz Alle Czech Technical University in Prague Faculty of Civil Engineering Thákurova 7, CZ-166 29 Prague 6, Czech Republic University Centre for Energy Efﬁcient Buildings Trˇinecká 1024, CZ-273 43 Bušteˇhrad, Czech Republic

Bauphysik 39 (2017), Heft 1

Fachthemen Jennifer Bäumer Klaus-Hendrik Lorenz-Kierakiewitz Jörg Arnold

DOI: 10.1002/bapi.201710010

Die Stadtkirche St. Michael zu Jena – Untersuchung zur Verbesserung der raumakustischen Qualität Im Zuge von Sanierungsarbeiten in Kirchenräumen kommt es oft zu Veränderungen der raumakustischen Qualität dieser Räume und leider auch zu Verschlechterungen der Raumakustik. Eine solche subjektiv als Verschlechterung empfundene Veränderung wurde nach Abschluss der (nicht akustisch beratenen) Sanierungsarbeiten im Jahr 2014 auch bei der Stadtkirche St. Michael zu Jena durch die Kirchengemeinde festgestellt. Aus diesem Grund wurden im Anschluss an die Sanierungsarbeiten auf Initiative der Kirchengemeinde 2015 im Rahmen einer Masterarbeit im Studiengang „Bauphysik und energetische Gebäudeoptimierung“ an der Bauhaus-Universität Weimar Untersuchungen zu einem Konzept zur Verbesserung der raumakustischen Qualität des Kircheninnenraumes für Musikdarbietungen erarbeitet. Für die Masterarbeit wurden neben Analysen des raumakustischen Zustandes vor und nach der Sanierung auf Basis von Tonaufnahmen detaillierte raumakustische Messungen zur objektiven Beurteilung des raumakustischen Zustandes nach der Sanierung durchgeführt sowie die Anwendbarkeit eines statistischen Rechenmodells zur Erarbeitung möglicher Verbesserungsmaßnahmen überprüft. Nachdem der subjektive Eindruck der Gemeindemitglieder mit Hilfe der durchgeführten Analysen und Messungen grundsätzlich bestätigt werden konnte, wurden zum Abschluss der Arbeit prinzipielle raumakustische Verbesserungsmaßnahmen als Grundlage für eine nachfolgende detaillierte Auslegung erarbeitet.

1 Einleitung

The City Church St. Michael of Jena – investigation to improve the quality of room acoustic condition. The quality of room acoustic conditions in historic churches often change after refurbishment works. Unfortunately, these changes may decrease the perceived room acoustics. Such outcome was observed by the church parish after the recent refurbishment (acoustically not consulted) of the Church St. Michael of Jena in 2014. Therefore, the church parish launched an initiative in 2015 to investigate concepts to improve the room acoustics of the interior of the church for music performances, as part of a master’s thesis in the course of studies “Bauphysik und energetische Gebäudeoptimierung” at the Bauhaus-University Weimar. In order to evaluate the room acoustic conditions in the church, sound recordings from before and after the interior refurbishment were analyzed. Furthermore, detailed measurements of objective room acoustic parameters were performed in order to evaluate the current conditions after the interior refurbishment. In addition, the applicability of a statistical model was examined to develop principles of possible improvement measures. Since the realised measurements and analysis conﬁrmed the subjective perceptions of the parish members, principles of possible improvement measures for the room acoustic conditions were developed in the conclusion of the thesis.

Die vom Nutzer nach Abschluss der Sanierungsarbeiten subjektiv festgestellte Verschlechterung der raumakustischen Bedingungen betriﬀt vorrangig Konzerte mit im Chorbereich platzierten Chören und/oder Orchestern. Durch die Gemeinde wird für diese Veranstaltungen seit der Sanierung ein „mulmiger“, undeutlicherer Klang bemängelt. Des Weiteren wird ein im Vergleich zum Zustand vor der Sanierung schlechterer Kontakt der Musiker untereinander geschildert. Aufgrund dieser subjektiven Verschlechterungen gegenüber dem Zustand vor der Sanierung wurden auf Initiative der Kirchengemeinde 2015 im Rahmen einer Masterarbeit im Studiengang „Bauphysik und energetische Gebäudeoptimierung“ an der Bauhaus-Universität Weimar, deren Methodik und Ergebnisse hier vorgestellt werden sollen, Untersuchungen zu möglichen Ursachen und, darauf aufbauend, zu einem Konzept zur Verbesserung der raumakustischen Qualität des Kircheninnenraumes für unverstärkte Musikdarbietungen im Chorbereich erarbeitet. Neben einer detaillierten messtechnischen Bestandsaufnahme des sanierten Kirchenraumes (Bild 1) umfassten die Betrachtungen auch Untersuchungen des raumakusti-

Die heute evangelische Stadtkirche St. Michael zu Jena wurde von 1380 bis 1508 in mehreren Bauabschnitten errichtet [1]. Bei der Kirche handelt es sich um eine dreischifﬁge spätgotische Hallenkirche, die im Laufe der Geschichte teilweise zerstört und wieder aufgebaut wurde. Gegen Ende des 20. Jahrhunderts begannen unter der Schirmherrschaft des Kirchenbauvereins Jena umfangreiche Sanierungs- und Restaurierungsarbeiten im Außen- und Innenraum (ohne begleitende akustische Beratung). Nachdem im Frühjahr 2014 die Arbeiten im Innenraum der Kirche abgeschlossen waren [2], wurde seitens der Kirchengemeinde jedoch subjektiv eine Verschlechterung der raumakustischen Qualität gegenüber dem vorherigen Zustand festgestellt. Aus diesem Grund wurden im Anschluss an die Sanierungsarbeiten auf Initiative der Kirchengemeinde im Rahmen einer Masterarbeit detaillierte Untersuchungen zu einem Konzept zur Verbesserung der raumakustischen Qualität für unverstärkte, musikalische Darbietungen im Chorbereich erarbeitet.

2 Die raumakustische Problemstellung

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Bild 1. Innenraum der Kirche St. Michael zu Jena; links: Blick von der Westseite in Richtung Altar; rechts: Blick vom Altar in Richtung Orgel mit ausgelegten Stoﬀbahnen zur Simulation der Absorption von Publikum Fig. 1. Church interior of St. Michael of Jena; left: view from western aisle towards altar; right: view from altar towards organ, with outspread audience simulation cloth

schen Zustandes vor der Sanierung – von dem leider keine raumakustischen Messdaten existieren – auf Basis vorhandener Tonaufnahmen von Konzerten, um so eine qualitative Einordnung der durch die Sanierung hervorgerufenen subjektiven raumakustischen Veränderungen vornehmen zu können.

3 Methodik der Untersuchungen 3.1 Methodik der Untersuchung des Zustandes vor der Innenraumsanierung Ein grundlegendes Element der Untersuchung war eine Befragung ausgewählter Gemeindemitglieder zu ihren subjektiven Eindrücken hinsichtlich des Klangs vor und nach der Innenraumsanierung. Da die Untersuchungen im Rahmen der Masterarbeit erst nach Abschluss der Sanierungsmaßnahmen begonnen wurden und für den Zustand vor der Sanierung keine raumakustischen Messdaten vorlagen, erfolgte zudem eine Analyse der Änderungen gegenüber dem unsanierten Zustand anhand verschiedener Konzertaufnahmen aus beiden Zeiträumen. Aus diesen Aufnahmen wurden die Nachhallzeiten des jeweiligen Zustandes – unter Berücksichtigung der jeweiligen Besetzung des Raumes mit Publikum – näherungsweise bestimmt, um eine erste Einschätzung hinsichtlich der durch die Sanierung bedingten raumakustischen Veränderungen vornehmen zu können.

3.2 Methodik der Untersuchung des Zustandes nach der Innenraumsanierung Zur Beurteilung des nach der Sanierung vorliegenden Zustandes wurde der Kirchenraum detailliert messtechnisch erfasst. Die raumakustischen Messungen des sanierten Zustandes wurden sowohl im unbesetzten Zustand als auch mit Simulation einer Besetzung von ca. 600 Personen mittels eines speziellen Publikumssimulationsstoﬀes [3] durchgeführt. Auf Basis der hierbei ermittelten Messdaten wurde dann eine Beurteilung der aktuellen raumakustischen Situation vorgenommen. Für die Beurteilung war zuvor anhand von Literaturdaten ein nutzungsspeziﬁscher Zielwert

unter anderem für die Nachhallzeit abgeleitet worden. Des Weiteren konnte aus den Bestandsmessungen die Schlussfolgerung gezogen werden, dass das Schallfeld in der Kirche ausreichend diffus ist, sodass eine statistische Betrachtung nach der Sabine’schen Diffusfeldtheorie eine geeignete Herangehensweise für die weiteren Betrachtungen darstellte. Im Anschluss an die Untersuchungen zu den Zuständen vor und nach der Sanierung mussten die beiden Fragen geklärt werden, ob zum Einen die festgestellten subjektiven Veränderungen erst durch die im Zuge der Sanierung durchgeführten Umbauten hervorgerufen worden waren, und zum Anderen, welche Maßnahmen nun prinzipiell zur Verbesserung notwendig – und zugleich realisierbar wären. Hierfür wurde ein statistischer Berechnungsansatz gewählt und dessen Anwendbarkeit begründet. Im Rahmen der Erarbeitung möglicher Prinzipien für Verbesserungsmaßnahmen waren zudem die Auflagen des Denkmalschutzes zu berücksichtigen, die sich sowohl auf das Bauwerk selbst als auch auf alle damit fest verbundenen Einbauten beziehen.

4 Beschreibung des Innenraumes als Ausgangspunkt der Betrachtungen Der Innenraum der Hallenkirche mit einem derzeitigen Volumen von ca. 14 000 m3 wird durch zwei Reihen achteckiger Säulen mit Spitzbögen in drei hohe Schiffe gegliedert (s. Bild 1), die von massiven Gewölbedecken überspannt sind. An der Westwand befindet sich eine Orgelempore, welche L-förmig in eine Besucherempore an der Nordwand übergeht. Der Chorraum ist als achteckiger, in zwei Ebenen erhöhter Bereich ausgeführt und wird ebenfalls von einem Gewölbe überspannt. Die Außenwände werden von Maßwerkfenstern durchbrochen, wobei sich die größten Fensterflächen im Chor sowie an der Südwand befinden. Die Wand- und Gewölbeflächen des Kirchenraumes sind, wie bereits vor der Sanierung, mit einer Kalkschlemme farbig angelegt. Der Bodenbelag hingegen wurde im Rahmen der Sanierung erneuert und besteht nun aus großformatigen Kalksteinplatten. Die ursprünglich un-

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Bild 2. Grundriss mit Kennzeichnung der Quell- und Empfangspositionen; Plangrundlagen [11] Fig. 2. Floor plan with positions of acoustic sources and receivers, basic plans [11]

ter den Bänken des Mittelschiffes angeordneten Holzpodeste wurden im Rahmen der Sanierung entfernt. Weitere Veränderungen wurden im hinteren Bereich des Kirchenraumes unterhalb der Orgelempore vorgenommen. Dort wurde ein Informationsbereich mit Tresen und Schränken errichtet sowie mittig unter der Orgelempore ein Stuhllager als oben offener Holzkubus (s. Bild 1). Zudem wurde der Boden für eine barrierefreie Erschließung der Kirche in Teilbereichen aufgeständert. Eine weitere deutliche Veränderung fand im Bereich der Bestuhlung statt: Die ursprünglich in den Seitenschiffen vorhandenen und auf der Sitzfläche mit Polstern versehenen Bänke wurden durch nur auf der Sitzfläche gepolsterte Stapelstühle ersetzt.

wurde. Aufgrund der beschriebenen Unsicherheiten wurde eine Mittelung aller auswertbaren Abklingvorgänge einer Aufnahmesituation vorgenommen. Aus den Ergebnissen konnte so ein qualitativer Eindruck der Nachhallzeit vor als auch nach der Innenraumsanierung gewonnen werden, welcher mit den subjektiven Eindrücken der durchgeführten Befragung ausgewählter Gemeindemitglieder sowie den aktuellen Messergebnissen verglichen wurde. Der subjektive Eindruck der Gemeindemitglieder konnte dabei durch die Ergebnisse der Analyse grundsätzlich bestätigt werden.

5 Ermittlung der raumakustischen Bedingungen vor und nach der Innenraumsanierung 5.1 Analyse von Tonaufnahmen

Für eine objektive Beurteilung der nach der Sanierung vorliegenden raumakustischen Situation wurden im Rahmen der Masterarbeit umfangreiche raumakustische Bestandsmessungen im sanierten Innenraum der Kirche durchgeführt. Eine Auswahl minimal erforderlicher Quell- und Empfangspositionen erfolgte hierfür anhand zur Verfügung gestellter Planunterlagen. Vor Ort wurden diese aufgrund subjektiv wahrnehmbarer Echoerscheinungen um drei zusätzliche Empfangspositionen ergänzt (Bild 2). Zur Erfassung der raumakustischen Bedingungen wurden neben Messpositionen in den Kirchenschiffen auch Messpositionen im Bereich des Chors angeordnet. Mit Hilfe der verschiedenen Quellpositionen sollte zudem die Auswirkung verschiedener Positionierungen von z. B. Musikern (unten vor dem Chor, im erhöhten Chor) untersucht werden. Bei den Bestandsmessungen messtechnisch ermittelt wurden die Nachhallzeiten und Hintergrundschallpegel, die Raumimpulsantworten an den in Bild 2 dargestellten Empfangspositionen sowie die Schallpegelabnahme mit zunehmendem Abstand von der Schallquelle entlang eines Messpfades im Mittelschiff beginnend bei der Quellposition S1. Da die Betrachtungen zur Verbesserung der raumakustischen Situation für eine gut besetzte Kirche erfolgen sollten, wurde der Großteil der Messungen unbesetzt und mit Besetzungssimulation (ca. 600 Personen) durchgeführt. Die Besetzung wurde hierbei mittels über den Bankund Stuhlreihen ausgelegten Bahnen eines speziellen Polyester-Simulationsstoffes simuliert (Bild 3) [3].

Um trotz des Fehlens akustischer Messungen aus der Zeit vor der Sanierung einen qualitativen Vergleich der raumakustischen Bedingungen in der Kirche vor und nach der Sanierung durchführen zu können, wurden, in Anlehnung an die von Werner Lottermoser bei der Frauenkirche Dresden [4] durchgeführten Untersuchungen, auf Basis von der Gemeinde zur Verfügung gestellter Tonaufzeichnungen (i. d. R. professionelle Konzertmitschnitte) aus beiden Zeiträumen die frequenzabhängigen Nachhallzeiten bestimmt, wobei die jeweilige Publikumsanzahl berücksichtigt wurde. Für diese Analysen wurden aus den Tonaufnahmen Sequenzen herausgeschnitten, auf denen das Abklingen des Raumes an Schlussakkorden subjektiv deutlich hörbar war. Diese Abklingvorgänge wurden anschließend mit Hilfe eines Programmskriptes für die Programmierumgebung MATLAB (Version 5) [5] gemäß ISO 3382-1 [6] ausgewertet, wobei insbesondere die Nachhallzeit aus der geglätteten ETC (Energy Time Curve) der jeweiligen Abklingvorgänge bestimmt wurde. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass die durchgeführte Analyse bedingt durch die nicht normgerechte Anregung des Schallfeldes und die jeweils verwendete Mikrofonierung und Aufnahmetechnik nicht die Vorgaben der ISO 3382-1 [6] zur Messung von Impulsantworten erfüllt, hier aber aufgrund der heute nicht mehr messbaren Zustände hilfsweise angewendet

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5.2 Detaillierte Bestandsmessungen

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gänge aus den Aufnahmen isoliert wurden, können die gewonnen Ergebnisse als qualitative Tendenz betrachtet werden. Im Zuge der weiteren Untersuchung wurde unter anderem geprüft, inwieweit sich die im tieﬀrequenten Bereich festgestellten Unterschiede auf Veränderungen am Innenausbau der Kirche zurückführen lassen können.

6.2 Raumakustische Bestandsmessungen

Die Analyse der von der Gemeinde zur Verfügung gestellten Konzertaufnahmen aus der Zeit vor und nach der Sanierung des Innenraumes konnte die geschilderten Veränderungen im tieﬀrequenten Bereich anhand der so gewonnenen Daten der frequenzabhängigen Nachhallzeiten prinzipiell bestätigen. Die ermittelten Nachhallzeitwerte in den einzelnen Oktavbändern der beiden Zustände vor und nach der Sanierung zeigen erkennbare Unterschiede, besonders im tief- und hochfrequenten Bereich (Bild 4). Für die Oktavbänder mit Mittenfrequenzen von 125 Hz und 4000 Hz liegen die Unterschiede in der Nachhallzeit an der Grenze der subjektiven Unterscheidungsschwelle von 5 % [7]. Unter Berücksichtigung der Unsicherheiten der angewendeten Auswertung, wie z. B. der Mikrofonierung, der Aufnahmetechnik, der Besetzung der Kirche sowie des genauen Zeitpunktes, ab dem die Abklingvor-

Zusätzlich zu den qualitativen Ergebnissen aus den Tonaufnahmen lieferten die durchgeführten detaillierten raumakustischen Messungen objektive Parameter zur Beurteilung der nach der Sanierung vorliegenden raumakustischen Situation. Aus den vor Ort digital aufgezeichneten Abklingvorgängen omnidirektional abgestrahlter Rauschbursts wurden konform der DIN EN ISO 3382-1 [6] die Nachhallzeiten sowie aus den Raumimpulsantworten verschiedene Energie-Zeit-Kriterien, speziell das Klarheitsmaß C80 und die frühe Abklingzeit EDT, bestimmt. Zusätzlich erfolgte eine auditive Analyse der vorliegenden Reﬂexionsstrukturen der gemessenen Raumimpulsantworten. Hierzu wurden sämtliche Raumimpulsantworten abgehört und die subjektiv wahrnehmbaren akustischen Eﬀekte kategorisiert. Die anschließende Beurteilung des raumakustischen Ist-Zustandes erfolgte anhand eines Vergleiches der aus den Messungen ermittelten Kenngrößen mit den zuvor im Rahmen einer Grundlagenermittlung aus der Literatur zusammengetragenen Richtwerten und Empfehlungen. Der Vergleich zeigte, dass die für den sanierten Zustand ermittelten Nachhallzeiten bei mittleren Frequenzen mit Werten von 5,5 s für den unbesetzten und 4,5 s für den besetzten Zustand (Bild 5) an der oberen Grenze (unbesetzt) bzw. oberhalb (besetzt) des empfohlenen Bereiches für Kirchen dieser Größe, Konfession und Nutzung liegen. Der ermittelte Frequenzverlauf ist im Vergleich zu dem stiltypischen Nachhallzeitverlauf gotischer Kirchen mit verputzten Innenwänden nach J. Meyer [8] eher untypisch, jedoch für die geplante Nutzung eher als tendenziell positiv zu bewer-

Bild 4. Frequenzabhängige Nachhallzeiten, ermittelt aus Tonaufnahmen mit Kennzeichnung der Standardabweichung Fig. 4. Frequency-dependent reverberation times, determined from sound recordings with marked standard deviation

Bild 5. Frequenzabhängige Nachhallzeiten, ermittelt aus den Messungen nach der Innenraumsanierung Fig. 5. Frequency dependent reverberation times, determined from measurements after interior refurbishment

Bild 3. Innenraum der Kirche St. Michael zu Jena mit ausgelegten Publikums-Simulationsstoﬀbahnen Fig. 3. Church interior of St. Michael of Jena with outspread cloth simulating the absorption of audience

6 Ergebnisse der durchgeführten Analysen und Messungen 6.1 Analyse der Tonaufnahmen

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Bild 6. Geglättete ETC je Oktavband für Messpfad S1-M15 (links) und S3-M14 (rechts) mit einer Energielücke in dem für die Verständlichkeit (Sprache sowie Musik) relevanten Bereich Fig. 6. Smoothed ETC per octave band for measuring path S1-M15 (left) and S3-M14 (right) showing an energy gap in a frequency range relevant for intelligibility and clarity

ten. Ausgehend von einem Maximum bei 500 Hz fällt die Nachhallzeit im unbesetzten Zustand in Richtung der tiefen Frequenzen etwas ab. Für den Zustand mit Besetzungssimulation (ca. 600 Personen) ergibt sich ein etwas gleichmäßigerer Verlauf über die Frequenzen bis zur 500-HzOktave mit zu hohen Frequenzen abnehmenden Nachhallzeitwerten. Die Auswertung der aus den Raumimpulsantwortmessungen ermittelten Energie-Zeit-Kriterien zeigt ebenfalls in Abhängigkeit der untersuchten Quellpositionen, dass die im Rahmen der Literaturrecherche ermittelten Empfehlungen für diese Kriterien nicht eingehalten werden. Die Werte der für die natürliche Sprachverständlichkeit ermittelten Indikatoren sowie der für Musik relevanten Parameter (z. B. Klarheitsmaß C80) spiegeln die seitens der Gemeinde genannten Probleme hinsichtlich der Verständlichkeit sowie des undeutlichen „mulmigen“ Klangs wider (aktuell wird die Sprachverständlichkeit in der Kirche bei Bedarf über eine neu installierte elektroakustische Beschallungsanlage hergestellt). Als eine Ursache für Verständlichkeits- und Klangprobleme konnte anhand der ausgewerteten ETC’s (Energy Time Curve) ein Fehlen früher Reflexionen ermittelt werden (s. Beispiele in Bild 6). Dieses Fehlen früher Reflexionen konnte für nahezu den gesamten für Besucher relevanten Raumbereich festgestellt werden. Die Auswertung der Raumimpulsantworten bezüglich der Reflexionsstrukturen des Raumes ergab zudem für alle gemessenen Quellpositionen subjektiv hörbare echoartige Effekte, welche ebenfalls auf fehlende frühe Reflexionen und die daraus resultierenden Energielücken zurückzuführen sind. Diese echoartigen Effekte ließen sich beim Abhören der Raumimpulsantworten erkennen, können aber beim Musikhören je nach transientem Charakter der Musik mehr oder weniger stark hörbar sein. Für Messungen mit einer unidirektionalen Schallquelle sowie für Messungen mit einer omnidirektionalen Schallquelle an der Quellposition S3 im Chor konnten zudem für einige Messpfade als subjektiv deutlich hörbar eingestufte Echoeffekte festgestellt werden (s. Bild 7). Die Ursache für einige dieser Echoeffekte ist in Reflexionen an der schallreflektierenden vertikalen Wand des unter der

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Bild 7. Beispiel für einen typischen Echoeﬀekt: ETC des Messpfades S1-M8 in Breitbanddarstellung Fig. 7. Example of a typical echo eﬀect: ETC of measuring path S1-M8 in broad band view

Orgelempore neu eingebauten Stuhllagers begründet, welche parallel zur Querachse des Raumes verläuft (s. Bild 2).

7 Entwicklung des Rechenmodells Zur Beurteilung der Wirkung möglicher Verbesserungsmaßnahmen bezüglich der Nachhallzeit wurden in einem ersten Schritt mit Hilfe eines dreidimensionalen Computermodells (erstellt in SketchUp, Versionen 6 und 2015, s. Bild 8) das Raumvolumen und die geometrischen Flächen des Kirchenraumes ermittelt, welche mit den jeweiligen Schallabsorptionsgraden in die anschließenden statistischen Berechnungen der Nachhallzeit eingingen. Vor Durchführung dieser Berechnungen erfolgte jedoch zunächst eine Überprüfung, ob ein statistisches Rechenmodell nach der Sabine’schen Diﬀusfeldtheorie im vorliegenden Fall angewendet werden konnte. Die Überprüfung der Anwendbarkeit dieser Theorie erfolgte auf Basis der durchgeführten Messungen der Schallpegelabnahme mit zunehmendem Abstand von der Quelle. Der Vergleich der Messergebnisse mit dem aus der Sabine’schen Theorie abgeleiteten und von V. M. A. Peutz und J. van der

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Bild 8. 3D-Modell zur Volumen- und Flächenermittlung Fig. 8. 3D-model for the determination of volume and surface area

Bild 9. Abnahme des Schalldruckpegels mit zunehmendem Abstand von der Schallquelle längs des Hauptschiﬀes für das 1-kHz-Terzband Fig. 9. Decrase of sound pressure level at increasing distance from acoustic source measured along the nave (1kHz-third-octave-band)

Werff modifizierten Verlauf des theoretischen Schalldruckpegels [9] zeigt eine gute Übereinstimmung dieser beiden Werte für den unbesetzten Zustand (Bild 9). Für Abstände größer als 6,3 m (entspricht ca. dem zwei-fachen Hallradius) von der für diese Messung gewählten Quellposition S1, was ungefähr dem Beginn der Bankreihen im Mittelschiff entspricht (s. Bild 2), ergibt sich eine sehr gute Übereinstimmung mit dem theoretischen Verlauf. Diese Übereinstimmung ist ein Indiz dafür, dass der Raum akustisch ein kompaktes Volumen ohne gekoppelte Räume darstellt, in welchem sich ein weitestgehend diffuses Schallfeld ausbildet. Das architektonische Volumen des Kirchenraumes entspricht zudem weitgehend dem akustisch wirksamen Volumen. Dieses Ergebnis zeigt, dass es sich bei St. Michael um einen Sabine’schen Raum handelt und dieser somit für die Prüfung von Absorptionsmaßnahmen als ein solcher behandelt werden darf, sofern diese

gleichmäßig im Raum verteilt sind. Andernfalls wären raumakustische Computersimulationen zur Prüfung von Verbesserungsmaßnahmen in jedem Fall erforderlich gewesen. Für die weiteren Betrachtungen wurde das Schallfeld des Raumes für Abstände größer des zweifachen Hallradius von der Quelle als diﬀus betrachtet, so dass Nachhallzeitberechnungen entsprechend der Sabine’schen Formel [7], welche auf der Annahme eines diﬀusen Schallfeldes basiert, durchgeführt werden konnten. Diese Berechnungen erfolgten mit Hilfe eines Tabellenkalkulationsprogrammes unter Berücksichtigung der Luftdissipation in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit. Für eine weitere Bestätigung der Anwendbarkeit der Sabine’schen Berechnungen wurde der in [10] aufgeführte Zusammenhang zu dem für einen Sabine’schen Raum zu erwartenden Stärkemaß herangezogen. Das in einem dif-

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Bild 10. Darstellung zur prinzipiellen Positionierung von Reﬂektoren bei Musikern vor und im Chor; Position und Anzahl der Elemente sind von der Anzahl und den Positionen der Musiker abhängig; Plangrundlagen [10] Fig. 10. Schematic depiction of the positioning of reﬂectors for musicians in or ahead of choir; positioning and quantity of elements depends on number and positioning of musicians; basic plans [10]

fusen Schallfeld zu erwartende Stärkemaß ergibt sich demnach zu: Gexp

⎛ V⎞ = 45 dB – 10 ⋅ log10 ⎜ ⎟ ⎝ T⎠

(1)

mit: T Nachhallzeit [s] V Raumvolumen [m3] Gemäß Gl. (1) resultiert für die Kirche St. Michael ein für ein diffuses Schallfeld zu erwartendes Stärkemaß für mittlere Frequenzen von Gexp " 10,6 dB im unbesetzten Zustand und von Gexp " 9,8 dB im Zustand mit Besetzung. Die aus der Messung des Schallpegels mit zunehmendem Quellabstand ermittelten Werte des Stärkemaßes lagen mit G10m " 10,8 dB für den unbesetzten Zustand und G10m " 8,8 dB für den besetzten Zustand ausreichend nah bei den theoretisch zu erwartenden Werten. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Messungen die realen Werte an der jeweiligen Position darstellen, wohingegen aus der statistischen Berechnung ein Erwartungswert des Raummittelwertes über das Diffusfeld bei 10 m ohne Mobiliar etc. folgt. Für den besetzten Zustand ergibt sich durch den im Bereich der Bänke als Absorptionsfläche ausgebreiteten Stoff aufgrund der im Vergleich zum unbesetzten Zustand anderen Verteilung der Absorptionsflächen im Volumen ein etwas größerer Unterschied zwischen dem theoretischen und dem aus den Messungen ermittelten Wert. Nachdem die Anwendbarkeit der Diffusfeldtheorie für den vorliegenden Kirchenraum bestätigt war, wurde das Rechenmodell zunächst mit Hilfe der Messdaten der Nachhallzeit im Bestand kalibriert, bis eine ausreichend gute Annäherung der berechneten an die gemessenen Werte erreicht werden konnte. Ebenfalls konnte so eine gute Annäherung an die Nachbildung der aus den Konzertaufnahmen ermittelten Nachhallzeiten erzielt werden. Basierend auf diesen Nachbildungen konnten darüber hinaus auch Annahmen hinsichtlich der Gründe für die vorliegenden Unterschiede im Bereich der Standardabweichung vor und nach der Innenraumsanierung überprüft werden.

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8 Erarbeitung von Prinzipien für Verbesserungsmaßnahmen Zum Abschluss der Untersuchung wurden, basierend auf den gewonnenen Ergebnissen, Prinzipien für Maßnahmen zur Verbesserung der raumakustischen Situation für die beabsichtigten Nutzungen erarbeitet.

8.1 Maßnahmen zur Optimierung der Nachhallzeit Die aus Literaturwerten für die vorliegende Nutzung und Raumgröße abgeleitete Ziel-Nachhallzeit liegt für die Kirche St. Michael mit Blick auf die geplante musikalische Ausrichtung, bei der sowohl Orgelkonzerte als auch Konzerte von Chören und Orchestern geplant sind, für den besetzten Zustand im mittleren Frequenzbereich bei knapp unter 4 s. Im Bestand lag nach der Sanierung im besetzten Zustand eine Nachhallzeit im mittleren Frequenzbereich von 4,5 s vor. Um die Ziel-Nachhallzeit zu erreichen, ist eine Absenkung der Nachhallzeit des Bestandes insbesondere im mittel- und tieﬀrequenten Bereich erforderlich. Die Verringerung soll jedoch speziell mit Hinblick auf die Orgelmusik nicht zu stark ausfallen, so dass für die musikalischen Nutzungen ein Kompromiss anzustreben wäre. Eine deutliche Veränderung des Frequenzverlaufes der Nachhallzeit wird aufgrund des eher gleichmäßigen bis schwach ansteigenden Verlaufes von den mittleren Frequenzen abwärts in Richtung der 125-Hz-Oktave für den unbesetzten und besetzten Zustand nicht angestrebt. Aufgrund der strengen Auﬂagen des Denkmalschutzes für die Kirche stehen für mögliche Maßnahmen jedoch nur wenige Flächen zur Verfügung. Im Rahmen der Untersuchungen wurde die Wirksamkeit dieser Flächen für eine Belegung mit Resonanz- bzw. Breitbandabsorbern rechnerisch getestet. Auf diese Weise konnte die angestrebte Nachhallzeit von knapp unter 4 s im mittleren Frequenzbereich im besetzten Zustand rechnerisch nachgewiesen werden. Folgende Flächen wurden dabei als mit Maßnahmen versehen angenommen: – Unterseiten der Kirchenbänke: Plattenresonatoren, – Decke und Wände des Stuhllagers: Breitbandabsorber und Lochplattenresonatoren, – Untersicht der Orgelempore: Plattenresonator,

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– Kirchenbänke und Stühle: zusätzliche Polsterung der Rückenlehnen.

8.2 Maßnahmen zur Verbesserung der Reflexionsstruktur des Raumes Neben einer Absenkung der Nachhallzeit würde sich eine Belegung der in Richtung Chor orientierten Wand des Stuhllagers mit Breitbandabsorbern auch positiv auf die im Bestand störenden Reflexionen an dieser Fläche auswirken. Zusätzlich zu den beschriebenen Maßnahmen zur Reduzierung der Nachhallzeit sowie Beseitigung störender Reflexionen wurden Vorschläge für zusätzliche schalllenkende Maßnahmen zur Verbesserung der raumakustischen Bedingungen insbesondere im Bereich des Chors erarbeitet. Mit Hilfe dieser Maßnahmen in Form von mobilen Stellwänden im Chorbereich könnte durch eine Lenkung der frühen Reflexionen zum Einen das gegenseitige Hören der Musiker untereinander gefördert werden, zum Anderen könnte eine bessere Versorgung des Publikumsbereiches mit frühen sowohl die Deutlichkeit von Sprache als auch die Klarheit von Musik fördernden Reflexionen erzielt werden. Einen möglichen Aufstellbereich, in dem derartige mobile schalllenkende Maßnahmen sinnvoll angeordnet werden könnten, zeigt Bild 10.

9 Ausblick Aufbauend auf den im Rahmen der Masterarbeit durchgeführten Analysen des raumakustischen Zustandes vor und nach Sanierung des Innenraumes sowie der daraus entwickelten prinzipiellen Maßnahmen zur Verbesserung des raumakustischen Zustandes kann nun im Rahmen einer anschließenden detaillierten Beratung die präzise Auslegung und Dimensionierung schalllenkender und absorbierender Verbesserungsmaßnahmen erarbeitet werden.

[2] Jenaer Kirchbauverein e.V.: Stationen der Stadtkirchensanierung. 1996–2015 [Online]. Available: http://www.kirchbauverein-jena.de/pro jekte/stadtkirche/stationen/. [Zugriff am 14. Sept. 2015]. [3] Lorenz, K.-H., Breuer, F.: Simulation des Publikums durch spezielle Polyester-Textilien bei der raumakustischen Messung von Konzertsälen in der Praxis. Proceedings DAGA 2003, Aachen 2003. [4] Ahnert, W., Behrens T.: Zur Raumakustik und Beschallungstechnik der wiederaufgebauten Frauenkirche zu Dresden. Proceedings DAGA 2006, Braunschweig 2006. [5] Lorenz-Kierakiewitz, K.-H., Fricke, J. P.: Room Impulse Response measurements in ten churches of Rome. Proceedings AIA – DAGA 2013, Meran 2013. [6] DIN EN ISO 3382-1:2009-10: Akustik – Messung von Parametern der Raumakustik – Teil 1: Aufführungsräume, Berlin: Beuth Verlag. [7] Cremer, L., Müller, H. A.: Die wissenschaftlichen Grundlagen der Raumakustik, Band 1, 2. Aufl. Stuttgart: S. Hirzel Verlag 1978. [8] Meyer, J.: Kirchenakustik. Frankfurt am Main: Erwin Bochinsky 2003. [9] Van der Werff, J., Breuer, F.: Behaviour of loudspeaker sound in autotunnels. New York: Audio Engineering Society 1991. [10] Gade, A. C.: The influence of basic design variables on the acoustics of concert halls; new results derived from analysing a large number of existing halls. Proceedings Institute of Acoustics Meeting – Belfast, St. Albans 1997. [11] Architekturbüro Müller&Lehmann; Photogrammetrie und Vermessung Alexander Kühn: Planzeichnungen (Grundrisse/ Schnitte) der Kirche St. Michael.

Autoren dieses Beitrages: M.Sc. Jennifer Bäumer, jb@peutz.de Dipl.-Phys. Klaus-Hendrik Lorenz-Kierakiewitz, khl@peutz.de Peutz Consult GmbH Kolberger Straße 19 40599 Düsseldorf

Literatur [1] Leppin, V., Werner, M.: Inmitten der Stadt – St. Michael in Jena. Vergangenheit und Gegenwart einer Stadtkirche. Jena: Michael Imhof Verlag 2004.

Dipl.-Ing. Jörg Arnold, joerg.arnold@uni-weimar.de Bauhaus-Universität Weimar, Professur Bauphysik Coudraystraße 11a 99423 Weimar

Aktuell BIMiD-Referenz-Bau-Prozess zur freien Verfügung Das BIMiD-Konsortium stellt ab sofort allen Interessierten den im Rahmen des Förderprojekts erarbeiteten und im Anschluss mit dem AHO e.V. abgestimmten BIM-Referenz-Bau-Prozess als PDFDokument zur Verfügung. Die Grundlagen dieses Prozesses wurden im Rahmen des Förderprojektes BIMiD von den Projektpartnern Fraun-

hofer IBP und AEC3 Deutschland GmbH erarbeitet. Ausgangspunkt waren verschiedene Norme und Richtlinien sowie die HOAI. Diese Grundlage wurde im weiteren Verlauf dann in gemeinsamen Workshops mit den Prozess-Experten im AHO (Ausschuss der Verbände und Kammern für die Honorarordnung e. V.) überarbeitet. Der daraus entstandene ReferenzBau-Prozess wird mit den tatsächlichen Prozessen bei den beiden BIM-Referenz-

objekten in Braunschweig und Ingolstadt abgegliche, praktisch erprobt und ggf. in einer neuen Version angepasst. Interessenten können sich registrieren und erhalten dann das PDF-Dokument „BIMiD-Referenz-Bau-Prozess“ per Mail: Weitere Informationen und Download: http://www.bimid.de/aktuelles/bimreferenz-bau-prozess

Bauphysik 39 (2017), Heft 1

Berichte DOI: 10.1002/bapi.201720011

Memorandum: Bauphysik und Technischer Ausbau an Universitäten und wissenschaftlich-künstlerischen Hochschulen

Die Bauphysik und der Technische Ausbau haben sich in den letzten Jahrzehnten im ln- und Ausland zu einem festen und belangreichen Bestandteil bei der Architektur- und Bauingenieurausbildung entwickelt, weil sie entscheidende Beiträge zum Wohlbefinden des Menschen in der gebauten Umwelt und zur Errichtung nachhaltiger Gebäude leisten. Die Anforderungen bei der Planung, Errichtung und vor allem auch bei der Nutzung von Gebäuden sind – gegenüber früher – gewaltig gestiegen. Klimaund Umweltschutz sowie die Schonung der vorhandenen Ressourcen avancieren zu wichtigen Kriterien beim Entwurf und bei der Materialauswahl, welche die lnvestitions- und die späteren Betriebskosten über Jahrzehnte hinweg bestimmen. Politische Auflagen zur Energieeffizienz, zum Gewässerschutz und zur Kreislaufwirtschaft bestimmen die Anforderungen mit. Derartige Vorgaben dürfen nicht als Hindernis gesehen werden, sondern sollen Stimulans für neue Gestaltungsmöglichkeiten sein. Zu beiden Fachdisziplinen, der Bauphysik und dem Technischen Ausbau, sind früher bereits Denkschriften erschienen (jeweils letzte Fassung für Bauphysik im Jahre 1999, für Technischen Ausbau im Jahr 2007). Die gestiegenen Anforderungen und der erweiterte Kenntnisfundus machen aber eine profunde Novellierung erforderlich. Diese hat von der aktuellen Definition der Fachinhalte beider Disziplinen auszugehen, die in Forschung und Lehre wie folgt lautet:

Bauphysik Die Bauphysik (Englisch: Building Physics, Building Science) umfasst die Phänomene von Wärme (Energie), Feuchte, Luft, Schall, Brand und Licht, die fallweise im Inneren von Räumen, in den Bauteilen selbst bzw. in der Umgebung von Bauwerken, d.h. in deren städtischem Verbund, in Erscheinung treten können (Klimawirkungen).

Technischer Ausbau

Man erkennt aus diesen Definitionen, dass beide Disziplinen in einigen Teilbereichen eng verflochten sind, ja sich sogar überschneiden; in anderen Teilgebieten müssen sie aber getrennt agieren. Tabelle 1 veranschaulicht die Schnittmengen (Spalte A in der Tabelle) und die speziellen Teilgebiete, die der Bauphysik (Spalte B) und dem Technischen Ausbau (Spalte C) alleine zugeordnet werden können. Es gibt also innerhalb der beiden Fachdisziplinen gemeinsame Teilgebiete (z. B. die natürliche und künstliche Beleuchtung), bei denen eine „Hand in Hand“-Zusammenarbeit unerlässlich ist, und solche, die separate Spezialkenntnisse einfordern. Die Spezialkenntnisse in den beiden Disziplinen sind in der Regel so verschiedenartig, dass bei der Lehre und vor allem aber bei Forschungsaktivitäten zwei Professuren erforderlich werden. Bauphysik und Technischer Ausbau können deshalb in der Regel nicht von ein und derselben Lehrperson vollumfänglich vertreten werden. Kooperation und Differentiation müssen in sinnvollem Verhältnis zueinander gelehrt Tabelle 1. Gemeinsame und spezielle Teilgebiete der Fachdisziplinen Bauphysik und Technischer Ausbau Gemeinsame Teilgebiete (Bauphysik und Techn. Ausbau zusammen)

Spezielle Teilgebiete Bauphysik

Technischer Ausbau

Raumklima/ Behaglichkeit Luft Licht Wärme/Kälte Energieeﬃzientes Bauen

Feuchte Schall Brand Stadtbauphysik Klimagerechtes Bauen (fremde Klimagebiete)

Integration der Technik in den Baukörper Trinkwasserversorgung Abwasser-/ Regenwasserentsorgung Gasversorgung Elektroversorgung Schwachstromanlagen /Kommunikationstechnik/ Gebäudeautomation Sicherheit Förderanlagen Abfallbeseitigung

Der Technische Ausbau (Englisch: Building Services) umfasst die Gesamtheit aller technischen Einrichtungen für Gebäude und für das Gebäudeumfeld. Für das Lehr- und Forschungsgebiet Technischer Ausbau werden auch andere Bezeichnungen, wie Technische Gebäudeausrüstung, Gebäudetechnik oder Haustechnik verwendet. lm einzelnen befasst sich der Technische Ausbau mit Einrichtungen, wie sie für Raumklima, Licht, Hygiene, Nahrung, Kommunikation, Sicherheit, Transport und Energieversorgung im Gebäude bzw. in dessen Nahumgebung benötigt werden.

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und von Studierenden gelernt werden, wenn für alle Beteiligten zufriedenstellende und zukunftsfähige Bauwerke entstehen sollen. Beide Fachdisziplinen dürfen auch nicht isoliert zu den Nachbardisziplinen betrachtet werden; sie stehen vielmehr mit denjenigen Fächern in Wechselwirkung, die ebenfalls Bestandteil der Gebäudeplanung sind (insbesondere das Entwerfen, die Baukonstruktion, die Werkstofflehre und z. B. auch die Siedlungsplanung). Wirklich nachhaltige Bauten – nicht solche, die sich bloß mit dem Modewort „Nachhaltigkeit“ schmücken -, können nur dann entstehen, wenn die jeweils selbständigen Spezialfächer mit ihren Nachbardisziplinen kooperieren und den Studierenden diese Zusammenarbeit exemplifiziert wird. Wegen des unmittelbaren Bezugs zur Gebäudeplanung können Bauphysik und Technischer Ausbau nicht durch übergreifende Fächer ersetzt werden, wie z. B. die Bauphysik durch „Allgemeine Physik“ oder „Experimentalphysik“ bzw. der Technische Ausbau durch Maschinenbau-Fächer (z. B. Energietechnik etc.). Derartige ErsatzVornahmen würden zu Fehlentwürfen führen, für deren negative Folgen man in der langjährigen Nutzungsphase eines Gebäudes bitter büßen müsste. Beängstigende Mängel oder Fehlplanungen entstehen auch dann, wenn bauphysikalische und anlagentechnische Belange zu spät in die Gebäudeplanung einfließen. Die Integration dieser Fächer in den Planungsprozess muss quasi vom ersten Planungsschritt an erfolgen, um die an das Bauwerk gestellten Anforderungen und Erwartungen optimal erfüllen zu können; aber auch, um ökonomische Nachteile zu vermeiden. Die in beiden Fächern getätigten Weichenstellungen bestimmen nämlich einen hohen Anteil der Investitionskosten und einen dominanten Teil der Betriebskosten über viele Jahrzehnte der Gebäudenutzung. Anforderungen an Bauwerke sollen soweit wie möglich mit baulichen Mitteln erfüllt werden. Wenn dies nicht möglich ist, müssen Mittel des Technischen Ausbaus eingesetzt werden. Der Einsatz anlagentechnischer Mittel hängt nicht nur von der Qualität des Entwurfs und der Nutzungsart ab, sondern wird auch stark von den außerklimatischen Randbedingungen am Gebäudestandort bestimmt. Die Regeln klimagerechten Bauens in den verschiedenen Klimagebieten unserer Erde sollen deshalb systematisch in die Architektur- und Bauingenieurausbildung einbezogen werden. Die integrale Betrachtung von Baukörper und Anlagentechnik bei verschiedenen klimatischen Bedingungen ist Voraussetzung für die Umsetzung nachhaltiger und energieeffizienter Gebäude. Eine wichtige Zukunftsaufgabe! In den letzten Jahren hat eine rasante Entwicklung auf dem Computersektor eingesetzt, welche die Modellierung und Simulation komplexer bauphysikalischer und anlagentechnischer Vorgänge stark vorangetrieben hat. Numerische Simulationen und computergestützte Planungsinstrumente sind zu einer Schlüsseltechnologie herangereift. Alternative Planungsvarianten können hierdurch im Voraus schnell vorherberechnet werden. Hieraus erwachsen aber auch Gefahren, auf die bei der Architekturund Bauingenieurausbildung deutlich hingewiesen werden muss. Die Computerprogramme und deren Algorithmen sind meist nicht mehr einsehbar und werden als „black box“ gehandhabt, ohne zu wissen, was in ihnen wirklich abläuft. Das Simulationsergebnis hängt ferner immer von

den Ausgangsdaten und Randbedingungen ab, die dezidiert bei jedem Programmlauf angegeben werden müssten, was in vielen Fällen nicht geschieht. Die Entwicklungsgrundlagen verschieben sich zunehmend in realitätsfernere, „virtuelle“ Welten. Die zugrunde gelegten Daten und Stoffwerte werden ohne Notiznahme und Bewertung in der Anwendung quasi automatisch aus den Datenspeichern des Rechners entnommen. lm Zuge solchermaßen verstärkten Einsatzes von Computersimulationen sind Experimente und messtechnische Kenntnisse in allen Teilgebieten ins Hintertreffen geraten. Dies sollte bei der Ausbildung korrigiert werden. Messtechnische Fähigkeiten müssen – insbesondere im Bauingenieurstudium – vermittelt werden. Bei der Architektenausbildung muss wieder deutlich werden, dass die Daten-Verantwortung immer beim Planenden liegt. Die Interpretation der Simulationsergebnisse und ihre verlässliche Bewertung erfordern viel Erfahrung. Diese sollten sich an folgenden 4 Fragen spiegeln: 1. Sind die Rechenmodelle validiert? 2. Wie sicher sind die zugrunde gelegten Daten und Stoffwerte (Qualitätssicherung der Daten)? 3. Stimmen die zugrunde gelegten Randbedingungen? 4. Sind die Ergebnisse plausibel? Die große Vielfalt der Anforderungen sowie die immer zahlreicheren Mittel und Instrumentarien, welche die Bauphysik und der Technische Ausbau bereitstellen, kontrastieren mit der für die Lehre in den Bachelor- und Masterstudiengängen zur Verfügung stehenden Zeit, vor allem unter dem Aspekt der politisch gewollten Studienzeitverkürzung. Wenn eine enzyklopädisch angelegte Lehre kaum mehr möglich ist, gewinnen Überlegungen zur präzisen Struktur einer exemplarischen Lehre umso mehr Bedeutung. Aber selbst hierfür ist der in Studienplänen verfügbare Zeitrahmen oftmals unzureichend. Dem einzelnen Lehrenden kommt bei der exemplarischen Gestaltung des Lehrstoffes, die immer mit einer gewissen Stoffauswahl verbunden ist, eine große Verantwortung zu. Um die exemplarische Auswahl zu erleichtern, ist im Anhang eine ausführliche Liste der einzelnen Teilgebiete der Bauphysik und des Technischen Ausbaus beigefügt. Die beiden Disziplinen gemeinsamen sowie die jeweils eigenen Bereiche sind dort mit Zielen und stichwortartigen Inhalten aufgeführt. Unabhängig von den Lehrformen und Lehrformaten werden der Lehrerfolg und die vermittelte Kenntnistiefe wesentlich vom Zeitumfang geprägt, der den jeweiligen Teilgebieten gewidmet werden kann. Die aus dem Anhang ersichtliche Breite und Vielfalt des Stoffes verdeutlichen den enormen Zeitbedarf. Die verantwortlichen Lehrenden müssen dafür sorgen, dass eine ausreichende Gesamtstundenzahl für die bauphysikalischen und anlagentechnischen Fächer zur Verfügung steht. Richtwerte für die Aufteilung der Gesamtstundenzahl auf die einzelnen Teilgebiete Gruppen sind in Tabelle 2 aufgenommen. Da im Zuge der Bologna-Reform die früher üblichen Zeitangaben in SWS – je nach Studiengang und Universität in verschiedener Weise – in ECTS oder Pt umgerechnet werden, sind in der Tabelle zur Vereinheitlichung prozentuale Richtwerte für die einzelnen Studiengänge aufgeführt. Die Prozentweıte bringen die relative Bedeutung zum Ausdruck, die eine Teilgebietsgruppe beim jeweiligen

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Tabelle 2. Prozentuale Richtwerte für die Aufteilung der Teilgebiete A, B und C auf verschiedene Studiengänge Richtwerte für Gewichtung [%] Teilgebiet

Vertiefung (Master)

Architektur

Bauingenieur wesen

Bauphysik

Technischer Ausbau

Energieberatung

Versorgungstechnik

Gemeinsame Teilgebiete

Bauphysik

Technischer Ausbau

Summe

100

Studiengang im Verhältnis zur anderen einnimmt. Bei Wahrung der Gesamtstundenzahl ist diese quasi gegeneinander aufrechnende Wichtung deshalb besonders wichtig, weil sich als Folge der Bologna-Reform relativ viele neuartige Studiengänge – manchmal mit fast schon exotischen Spezialisierungen – heraus kristallisiert haben (z. B. lmmobilientechnik, Facility Management, Fassadenplanung etc.). Aufgabe einer Universität bleibt es aber, für eine ganzheitliche Ausbildung in der Architektur und im Bauingenieurwesen zu sorgen. Die Aufsplitterung in Spezialrichtungen, wie z. B. Fachplanung für erneuerbare Energien, für Geothermie, für Altbausanierung usw., sollte den „Qualifizierungen“ und „Zertifizierungen“ durch einschlägige Berufsverbände vorbehalten bleiben, wenn der Markt denn solche Spezialisten wirklich braucht. ln den rechten Spalten der Tabelle 2 sind deshalb – neben den „klassischen“ Studienrichtungen Architektur und Bauingenieurwesen sowie den Vertieferrichtungen Bauphysik und Technischer Ausbau – exemplarisch nur die Spezialrichtungen „Energieberatung“ und „Versorgungstechnik“ mit aufgeführt. Die Tabelle könnte matrizenartig für viele weitere Sonderfächer fortgeführt werden. Man erkennt deutlich, dass – je nach Studiengang – beträchtliche Gewichtsverschiebungen auftreten. Wichtiger als eine Auffächerung in weitere Spezial-Studiengänge ist für die spätere Berufstätigkeit, dass die Disziplinen Architektur und (Fach)Ingenieurwesen sachkundig und harmonisch zusammenarbeiten. Dazu gehören die Fähigkeiten zum Dialog, zu kritischer Bewertung und zur Entscheidung. Darauf ist bei der Ausbildung neben der Vermittlung des Grundlagenwissens besonderer Wert zu legen. Die ständige Konferenz der Professorinnen und Professoren für Bauphysik und Technischer Ausbau an Universitäten und wissenschaftlich-künstlerischen Hochschulen wendet sich an alle verantwortlichen Stellen, diese Fachdisziplinen in die neu zu fassenden Studien- und Prüfungsordnungen im dargestellten Umfang einzubeziehen und eine qualifizierte Lehre sicherzustellen. Die vorliegende Denkschrift wird von den Mitgliedern der Ständigen Konferenz getragen.

Anhang: Teilgebiete der Fachdisziplinen Bauphysik und Technischer Ausbau mit stichwortartiger Angabe der jeweiligen Ziele und Inhalte Vorbemerkungen 1. Die Buchstaben A, B und C beziehen sich gemäß Tabelle 1 und 2 auf die Teilgebietsgruppen. A kennzeichnet gemeinsame Teilgebiete, B solche, die zur Bauphysik

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gehören, und C diejenigen Teilgebiete, die dem Technischen Ausbau zuzuordnen sind. 2. Für jedes Teilgebiet ist ein gewisses Grundlagenwissen erforderlich, das auf Grunddisziplinen (z. B. Ökologie, Physik, Meteorologie, Strömungsmechanik, Thermodynamik etc.) oder auf allgemeinen Normen bzw. Richtlinien aufbaut. Diese Grundlagen werden vorausgesetzt und deshalb nicht mehr eigens aufgeführt.

A1. Raumklima Ziel Behaglichkeit, thermischer Komfort, Wohlbefinden und Gesundheit in Räumen. Steigerung der Leistungsfähigkeit. Inhalt Lufttemperatur, Oberflächentemperatur, resultierende Temperatur, Wärmeübertragung im Raum, Strahlungsasymmetrie, Luftgeschwindigkeit, Turbulenzgrad, Luftfeuchte, Lautstärke, Nachhallzeit, Leuchtdichte, Beleuchtungsstärke, Farbgestaltung, Wärme-/Kälteübergabesystem, Luftdurchlässe, Raumluftströmung. A2. Luft Ziel Gute Luftqualität in Räumen, natürliche Lüftung, mechanische Lüftung. Inhalt Luftqualität, hygienischer Außenluftbedarf, Emissionen, toxische Stoffe, Gase, Stäube, Mikroorganismen, Keime, Radioaktivität, Luftdichtheit, natürliche Lüftungssysteme, raumlufttechnische Anlagen, Wärmerückgewinnungsanlagen, Luftbehandlung, Lufttransport, Luftverteilung, Lüftungsprinzipien (Lufteinbringung, Raumdurchströmung), Energieeffizienz, Schall, Hygiene bei Lüftungsanlagen, Wartung, Strömungsmesstechnik. A3. Licht Ziel Gutes Sehen, Lichtgestaltung, Tageslicht, künstliche Beleuchtung. Inhalt Sonnenstand, Besonnungsdauer, direkte und diffuse Sonneneinstrahlung, Tageslicht, Lichtstrom, Beleuchtungsstärke, Leuchtdichte, Lichtstärke, Lichtfarbe, Farbwiedergabeindex, Farbsehen, Lichtverteilung, Lichtlenkung, Blendung, transluzente und transparente Bauteile, Lichter-

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zeugung, Leuchtmittel, Leuchten, Lichtausbeute, Einschaltzeiten, Regelung, Bilanzierung, Enegieeffizienz, lichttechnische Messungen, künstliche Himmel. A4. Wärme/Kälte Ziel Herstellung gewünschter Temperatur in Räumen mit geringem Energieaufwand, Schutz der Konstruktion (thermische Beanspruchung). Inhalt Wärmeübertragung durch Leitung, Konvektion und Strahlung, Wärmespeicherung, Thermische Stoffwerte, Bauteilkenngrößen, Wärmebrücken, Wärmeverluste, Wärmebilanzen, Energiekennzahlen, passive Solarenergienutzung, instationäres Wärmeverhalten, sommerlicher Wärmeschutz, Sonnenschutzvorrichtungen, Bauteilaufheizungen, Wärmespannungen, Wärmeerzeugung, Brenner, Kessel, Gasanschlüsse, Gasleitungen, Flüssiggasbehälter, Abgasanlagen, Schornsteine, Kraft-Wärme-Kopplung, Fern-/ Nahwärme, thermische Solarkollektoren, Wärmepumpen, Wärmespeicher, Heizflächen, Regelung, Umwälzpumpen, Rohrnetz, hydraulischer Abgleich, aktive und passive Kühlsysteme, solare Kühlsysteme, Kältespeicher, Regelung, energetische Anlagenkenngrößen, Energieeffizienz, Wartung, Temperatur- und Wärmestrommessungen, Verbrauchsmessungen. A5. Energieeffizientes Bauen Ziel Integrierte Lösungen für energieeffiziente, nachhaltige Gebäude (Baukörper, Anlagentechnik). Inhalt CO2-Emissionen, Primär-, End- und Nutzenergie, energetische Bilanzierung und Bewertung, DIN V 18599, gesetzliche Anforderungen (EnEV, EEWärmeG), Konstruktionsmerkmale energieeffizienter Gebäude, energieeffiziente Anlagenkonzepte, erneuerbare Energien, Passivhäuser, Plusenergiehäuser, ökonomische Bewertung, Förderung, Lebenszyklusbetrachtung, Ökobilanzen, Nutzerakzeptanz, gestalterische Integration, Nachhaltigkeitsbewertung. B1. Feuchte Ziel Zuträgliches lnnenklima, Schutz der Konstruktion vor Feuchte. Inhalt Wasserdampf, relative und absolute Luftfeuchte, Partialdruck, Sättigungsdampfdruck, Tauvorgänge, Wassergehalt, Sorption, hygroskopische Gleichgewichtsfeuchte, Schimmelbildung und Schimmelvermeidung, Wassertransport durch Diffusion, Konvektion und Kapillarleitung, Quellung, hygrische Spannungen, Niederschläge, Schlagregenbeanspruchung von Fassaden, Bewuchs mit Algen und Moosen, Flugschnee, aufsteigende Feuchte aus dem Baugrund, Neubau-Anfangsfeuchte, Messung der Luftfeuchte und des Wassergehalts von Feststoffen, Stofftransport. B2. Brandschutz Ziel

Schutz von Leben und Gesundheit, Schutz von Sachwerten. Inhalt Brandentstehung, Brandausbreitung, Brandverlauf, Brandvorbeugung, Brandbekämpfung, Brandlast, Entflammbarkeit, Brennbarkeit, Feuerwiderstand, Rauchentwicklung, Rauchabzug, thermische Spannungsspitzen, Brandabschnitte, Sonderbauteile (Fugen, Lager, Konsolen), technische Installationen (Leitungen, Schächte, Kanäle, Durchbrüche), Schließvorrichtungen (Brandschutzklappen, Fördereinrichtungen), Feuermelder, Warnsysteme, Fluchtwege, Feuerwehrzufahrten, Löscheinrichtungen, Entrauchungseinrichtungen. B3. Schall Ziel Angenehme Hörwahrnehmung in Räumen, Lärmabwehr. Inhalt Wellenausbreitung, Schallfeldgrößen, Schallquellen, Schallpegel, Schallpegelmessung, Schallabsorption, Absorbertypen, Schallreflexion, Nachhallzeit, Echokriterien, Schalllenkung, Luftschalldämmung, Biegesteifigkeit, Spuranpassung, Koinzidenz- und Resonanzfrequenz, Flankenübertragung, Trittschalldämmung, Wasserschall, Schwingungsisolierung, Schallimmission, Betriebsgeräusche, Verkehrslärm, Freizeitlärm, Schallschirme, Ausbreitungsmessungen. B4. Stadtbauphysik Ziel Kenntnis urbaner Klimaveränderungen, Klimagestaltung durch Bauwerke. Inhalt Wärme- und Feuchtehaushalt natürlicher Flächen (Wiesen, Wälder, Seen), Wärme- und Feuchtehaushalt bebauter Flächen, Albedoveränderung, Austrocknung, Veränderung der Wärmespeicherfähigkeit, Wärmeinseln, Grünflächeneffekte, Fassaden- und Dachbegrünungen, Sick City Syndrome, Gewässerbelastung, urbane Emissionen, Ausbreitung, Smog, Feinstaub, Windprofile über bebauten Flächen, Gebäudegrenzschichten, Druckverteilung entlang von Fassaden und Dächern, Wirbelablösungen, Böigkeit, Freiplätze, offene Durchfahrten, Durchströmung von Stadtstrukturen, Windschneisen, Frischluftversorgung, Windhindernisse, Lärmimmissionen, Ausleuchtung von Stadträumen, Großhüllen zur Klimaverbesserung, Energieeinsparung durch Siedlungsplanung. B5. Klimagerechtes Bauen (fremde Klimagebiete) Ziel Bekömmliches Gebäudeklima in verschiedenen Klimazonen der Erde. Inhalt Klimadatensammlung aus verschiedenen Klimazonen, Klimamessanlagen, Datenaufbereitung, Klima-Atlanten, Lufttemperatur, Erdreichtemperaturprofile, Luftfeuchte, Sonneneinstrahlung, Trübung, Wind, Regen, Schlagregen,

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Schnee, Sand, Spurengase, topographische Einflüsse, Grundprinzipien klimagerechten Bauens, vernakulare Vorbilder, modernes Klimadesign, klimagerechter Entwurf, Abstimmung wärmedämmender und wärmespeichernder Bauteile, Luftbrunnen, Luftfänger, Verdunstungskühlung, hybride und aktive Stützsysteme. C1. Integration der Technik in den Baukörper Ziel Technisch und architektonisch hochwertige Integration der technischen Anlagen in das Gebäude bzw. den Gebäudeentwurf. Inhalt Hausanschlüsse, Brennstofflager, Gasanschluss, Abgasanlage, Schornstein, Hausanschlussraum, Technikzentralen, Versorgungsnetzstrukturen, Grundrissgestaltung, Führung von Versorgungsleitungen, Anordnung und Dimensionierung von vertikalen Schächten, Durchbruchund Schlitzpläne, Revision- und Wartungsmöglichkeiten, gestalterische Integration, Schallschutz, Brandschutz C2. Trinkwasserversorgung Ziel Bereitstellen von warmem und kaltem Trinkwasser in Gebäuden. Inhalt Wasserbedarf, Wassersparmöglichkeiten, Aufbau der öffentlichen Wasserversorgung, Hausanschluss, Warm- und Kaltwassernetz im Gebäude, Begriffe, Sinnbilder, Aufbau, Materialien, Rohrleitungen, Armaturen, Schallschutz, Warmwassererzeuger, thermische Solaranlagen, Warmwasserzirkulation, Warmwasserspeicher, Energieeffizienz, Trinkwasserhygiene, Trinkwasserverordnung, Rohrleitungsdämmung, Verkalkung C3. Abwasser-/Regenwasserentsorgung Ziel Abführen von Abwasser und Regenwasser. Inhalt Abwasserarten, öffentliches Abwassernetz, Abwassersysteme in Gebäuden, Leitungsarten, Leitungsbelüftung, Installationsplanung (Gefälle, Verziehen von Fallleitungen, Belüftung, Geruchsverschluss), Schallschutz, Rückstauschutz, Hebeanlagen, Drainage, Regenwassernutzung, Grauwassernutzung, Abwasserklärung (mechanisch, biologisch, chemisch), Versickerungssysteme, dezentrale Retention C4. Elektroversorgung Ziel Versorgen mit elektrischer Energie (Starkstrom). Inhalt Stromerzeugung (konventionell und regenerativ), Anschluss an Versorgungsnetz, Anschlusswerte, Verteiler und Zähler, Sicherungen, Gebäudeinstallation, Ausstattungsklassen, Installationsbereiche, Notstromversorgung, Batterieanlagen, Photovoltaikanlagen.

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C5. Schwachstromanlagen – Kommunikationstechnik Ziel Verständigung im Gebäude Mensch-Mensch, Mensch-Maschine, Maschine-Maschine. Inhalt Visuelle Systeme, akustische Systeme, Ruf- und Sprechanlagen, Fernsprechanlage, Internetanschluss, Datennetzwerke, Datenübertragungssysteme, Leitzentralen, Steuer- und Regelungssysteme, Gebäudeautomation, Gebäudeleittechnik. C6. Sicherheit Ziel Schutz vor Naturgewalten, Unfällen und Einbruch. Inhalt Ereignismelder, Überwachungsanlagen, Alarmanlagen, Zugangskontrollen, Schließsysteme, elektrische Sicherungsanlagen, Generalschalter, Potentialausgleichsleiter, Blitzschutzanlagen, Einbruchsicherungssysteme. C7. Förderanlagen Ziel Beförderung von Personen und Sachen. Inhalt Aufzugsanlagen, Maschinenräume, Schächte, Aussparungen, Lastenbeförderung, Rolltreppen, Rollbänder, Behältertransporte, Bandförderanlagen, Flurfördersysteme, automatischer Warentransport, Fassadenbefahranlagen, Wendesysteme. C8. Abfallbeseitigung Ziel Hygienische und ressourcenschonende Entsorgung von Abfällen. Inhalt Abfallarten, Sondermüll, Abfallsortierung, Abfallmengen, Müllsammelsysteme, Recycling, Kompostierungsvorrichtungen, Verbrennung, Deponien. Dezember 2016 Prof. Dipl.-Ing. Thomas Auer, Technische Universität München J.-Prof. Dr. rer. nat. Fazia Ali-Toudert, Technische Universität Dortmund Prof. Jesper Arfvidsson, Technische Universität Lund Prof. Dr.-Ing. Horia Asanache, Technische Universität für Bauwesen Bukarest Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Thomas Bednar, Technische Universität Wien Prof. Dr. Krzysztof Bieda, Technische Universität Krakau Prof. Dr. Irina Bliuc, Technische Universität Iasi Prof. Dr. ir. Bert Blocken, Technische Universität Eindhoven Prof. Dr.-Ing. Dirk Bohne, Leibniz Universität Hannover Prof. Dr. Sc. Ing. Anatolijs Borodinecs, Technische Universität Riga Prof. Dr.-Ing. Dirk Henning Braun, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

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Prof. Dipl.-Ing. Peter Braun, HafenCity Universität Hamburg Prof. Dr. Jan Carmeliet, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich Prof. Dr. Sc. Ing. Robert Cerny, Tschechische Technische Universität Prag Prof. (em.) Dr. rer. nat. Erich Cziesielski, Technische Universität Berlin Prof. (em.) Dr.-Ing. e.h. Klaus Daniels, Technische Universität Darmstadt Prof. (em.) Dr. Eduardo de Oliveira Fernandes, Universität Porto Prof. Dr. ir. Martin de Wit, Technische Universität Eindhoven Prof. Dr. rer. nat. Udo Dietrich, HafenCity Universität Hamburg Prof. (em.) Dipl.-Ing. DDr. habil. Jürgen Dreyer, Technische Universität Wien Prof. Dipl.- Ing. Dr. nat. techn. Oliver Englhardt, Technische Universität Graz Prof. (em.) Dr.-Ing. Hanno Ertel, Universität Stuttgart Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Phys. Wolfgang Feist, Universität Innsbruck Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Technische Universität Dresden Prof. Dr.-Ing. Marco Filippi, Universität Turin Prof. Dr.-Ing. Norbert Fisch, Technische Universität Braunschweig Prof. (em.) Dr.-Ing. Klaus Fitzner, Technische Universität Berlin Prof. Dr.-Ing. Nabil A. Fouad, Leibniz Universität Hannover Prof. (em.) Dr.-Ing. Lutz Franke, Technische Universität Hamburg-Harburg Prof. Dipl.-Ing. Raphael Frei, Technische Universität Berlin Prof. (em.) Dipl.-Ing. Dr. techn. Arch. Horst Gamerith, Technische Universität Graz Prof. Dr.-Ing. Harald Garrecht, Universität Stuttgart Prof. (em.) Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. mult. Dr. E.h. mult. Karl Gertis, Universität Stuttgart Prof. Stig Geving, Technisch-Naturwissenschaftliche Universität Norwegens Trondheim Prof. (em.) Dipl.-Ing. Lothar Götz, Universität Stuttgart Prof. Dr.-Ing. John Grunewald, Technische Universität Dresden Prof. (em.) Dr.-Ing. Jürgen Güldenpfennig, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen Prof. Dr. Carl-Eric Hagentoft, Technische Universität Chalmers Prof. (em.) Dr. sc. techn. Klaus Hänel, Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg Prof. (em.) Dr.-Ing. habil. Peter Häupl, Technische Universität Dresden Prof. (em.) Dr.-Ing. Gerhard Hausladen, Technische Universität München Prof. (em.) Dr. rer. nat. Hermann Heinrich, Technische Universität Kaiserslautern Prof. ir. Nico Hendriks, Technische Universität Eindhoven Prof. (em.) Dr.-Ing. Hugo Hens, Katholische Universität Leuven Prof. Dr.-Ing. Sabine Hoﬀmann, Technische Universität Kaiserslautern

Prof. (em.) Dr. Malle Jaaniso, Estnische Kunstakademie Tallin Prof. Dipl.-Ing. M. Arch. Anett-Maud Joppien, Technische Universität Darmstadt Prof. Mag. Dipl.-Ing. Dr. iur. Dr. techn. Peter Kautsch, Technische Universität Graz Prof. (em.) Dr. sc. nat. Bruno Keller, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich Prof. Dr.-Ing. Martin Kessel, Technische Universität Braunschweig Prof. (em.) Dr.-Ing. Kurt Kießl, Bauhaus-Universität Weimar Prof. Dr.-Ing. Jens Knissel, Universität Kassel Prof. Dr. rer. nat. Oliver Kornadt, Technische Universität Kaiserslautern Prof. (em.) Dr. Sc. Ing. habil. Andris Kreslins, Technische Universität Riga Prof. Dr.-Ing. Martin Kriegel, Technische Universität Berlin Prof. Dr.-Ing. habil. Jan Kubik, Universität Opole Prof. Dipl.-Ing. Christoph Kuhn, Technische Universität Darmstadt Prof. Dr.-Ing. Werner Lang, Technische Universität München Prof. Dr. Hansjürg Leibundgut, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich Prof. Dr.-Ing. Anton Maas, Universität Kassel (Vorsitzender) Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Ardeshir Mahdavi, Technische Universität Wien Prof. (em.) Dr.-Ing. Georg-Wilhelm Mainka, Universität Rostock Prof. Dr.-Ing. Saso Medved, Universität Ljubljana Prof. Dr.-Ing. Schew-Ram Mehra, Universität Stuttgart Prof. Dr.-Ing. Lamia Massari-Becker, Universität Siegen Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Michael Mondsberger, Technische Universität Graz Prof. Dr.-Ing. Dirk Müller, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen Prof. (em.) Dr. Dimitar Georgiev Nazarski, Universität für Architektur, Bauingenieurwesen und Geodäsie Prof. (em.) Dr. Peter Novak, Universität Ljubljana Prof. Dr.-Ing. Christoph Nytsch-Geusen, Universität der Künste Berlin Prof. (em.) Dipl.-Ing. Dr. techn. Erich Panzhauser, Technische Universität Wien Prof. Dr.-Ing. Bernard Perrin, Universität Toulouse Prof. (em.) Dipl.-Ing. Wolf-Hagen Pohl, Leibniz Universität Hannover Prof. (em.) Dr.-Ing. Dr. h.c. Adrian Radu, Technische Universität Iasi Prof. (em.) Dr.-Ing. Eckhard Reyer, Ruhr-Universität Bochum Prof. (em.) Dr.-Ing. Jürgen Roloﬀ, Technische Universität Dresden Prof. Dipl.-Ing. Matthias Rudolph, Staatliche Akademie der Bildenden Künste Stuttgart Prof. Dr. Jean-Louis Scartezzini, Eidgenössische Technische Hochschule Lausanne Prof. (em.) Dr.-Ing. Wolfgang Schelling, Leibniz Universität Hannover Prof. Dr.-Ing. Peter Schmidt, Universität Siegen

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Memorandum: Bauphysik und Technischer Ausbau an Universitäten und wissenschaftlich-künstlerischen Hochschulen

Prof. Dr.-Ing. Frank Schmidt-Döhl, Technische Universität Hamburg-Harburg Prof. Dipl.-Ing. Hartwig Schneider, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen Prof. (em.) Dr.-Ing. Ernst-Rudolf Schramek, Technische Universität Dortmund Prof. Dipl.-Ing. Jürgen Schreiber, Universität Stuttgart Prof. Dipl.-Ing. Peter Schürmann, Universität Stuttgart Prof. Dr.-Ing. Winfried Schütz, Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Phys. Klaus Sedlbauer, Technische Universität München Prof. (em.) Dr. rer. nat. Dr.-Ing. habil. Max Setzer, Universität Duisburg-Essen Prof. Dr.-Ing. Geralt Siebert, Universität der Bundeswehr München Prof. Dr.-Ing. Mike Sieder, Technische Universität Braunschweig Prof. Dr. hab. Inz. Jan Slusarek, Schlesische Technische Universität Prof. Dipl.-Ing. Claus Steﬀan, Technische Universität Berlin Prof. Dr. rer. nat. Uwe Stephenson, HafenCity Universität Hamburg

Prof. Dr.-Ing. habil. Horst Stopp, Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Streicher, Universität Innsbruck Prof. Dipl.-Ing. Stefan Stüer, Technische Universität Dresden Prof. Dr. M.Sc. Svend Svendsen, Technische Universität von Dänemark Prof. Dr.-Ing. Karsten Tichelmann, Technische Universität Darmstadt Prof. Dr.-Ing. habil. Christoph van Treeck, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen Prof. Dr. Gerrit Vermeir, Universität Leuven Prof. Dr.-Ing. Frank Vogdt, Technische Universität Berlin Prof. Dr.-Ing. Mihai Voiculescu, Technische Universität für Bauwesen Bukarest Prof. Dr.-Ing. Conrad Völker, Bauhaus-Universität Weimar Prof. Dr.-Ing. Karsten Voss, Bergische Universität Wuppertal Prof. Dipl.-Ing. Andreas Wagner, Karlsruher Institut für Technologie Prof. Dr.-Ing. habil. Wolfgang M. Willems, Technische Universität Dortmund Prof. Dr.-Ing. Felix Ziegler, Technische Universität Berlin Prof. Dr.-Ing. András Zöld, Technische und Wirtschaftswissenschaftliche Universität Budapest

Aktuell FLiB, AIBAU und Fraunhofer IBP legen Forschungsbericht zu Luft-Lecks vor Eine einfache und zuverlässige Faustformel zum Bewerten von Luft-Leckagen in Gebäuden kann es nicht geben. Dafür sind die Wirkungsweisen vorhandener Luft-Leckagen, die Vielzahl möglicher Konstruktionen sowie sonstigen Rahmenbedingungen und Einflussfaktoren viel zu komplex. Wie man in der Baupraxis mit konkreten Leckagen umgehen sollte, darüber entscheidet zunächst die Frage- bzw. Aufgabenstellung, der sich Betroffene gegenübersehen. Vor allem unter feuchtetechnischen Aspekten spielt das Vermeiden und Reduzieren von Leckagen sowie die Auswahl einer eher unempfindlichen Konstruktion eine wichtige Rolle. So lassen sich einige wichtige Ergebnisse des Forschungsprojekts „Bewertung von Fehlstellen in Luftdichtheitsebenen – Handlungsempfehlung für Baupraktiker“ zusammenfassen. Dessen abschließenden Forschungsbericht legten jetzt der Fachverband Luftdichtheit im Bauwesen e. V. (FLiB), Berlin, das Aachener Institut für Bauschadensforschung und angewandte Bauphysik gGmbH (AIBau) und das

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Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP), Valley gemeinsam vor. Um das Thema Leckagebewertung mit der nötigen Bandbreite zu erfassen, haben die Forscher bestehendes Material ausgewertet, eine Leckagesystematik erstellt, Messdienstleister und Sachverständige befragt, Praxisfälle dokumentiert und Simulationen zur Leckagebewertung durchgeführt. Zusätzlich inhaltlich bereichert und abgerundet wird diese umfassende Herangehensweise durch externe Fachbeiträge, die ebenfalls im Abschlussbericht enthalten sind. Sie beleuchten Luft-Leckagen und ihre Bewertung unter Gesichtspunkten der Lüftungstechnik, des Eintrags von Gerüchen, der Fenstertechnik, des Brandund Schallschutzes sowie aus juristischer Sicht. Erklärtes Ziel des Forschungsprojekts war es, der Baupraxis eine Handlungsempfehlung für den Umgang mit und die Bewertung von Luft-Leckagen anzubieten. Dabei unterstreichen die Forscher, dass man umso mehr Informationen, beispielsweise zu Druckverhältnissen oder Leckageverteilung, benötigt, je detaillierter eine technisch ausgerichtete Leckagebewertung erfolgen soll. Auf nur

geringer Informationsgrundlage lassen sich keine Aussagen über künftige Auswirkungen vorhandener Leckagen treffen. So ist es ratsam, ein Luft-Leck als umso risikobehafteter einzuschätzen, je weniger man über die Gesamtsituation weiß. Umgekehrt erhöht sich mit der Informationsdichte in der Regel auch die Zahl der Handlungsoptionen. Gibt es mehrere Alternativen, ist diejenige zu bevorzugen, die möglichst eindeutig zu beschreiben ist und möglichst geringe Anforderungen an die Umsetzung stellt. Die Studie betont die wichtige Rolle, die eine konzeptionelle Herangehensweise an das Thema Gebäude-Luftdichtheit sowohl für das Vermeiden und Reduzieren wie auch für das Bewerten von Luft-Leckagen spielt. Gefördert wurde sie, wie auch der Forschungsbericht, mit Mitteln der Forschungsinitiative Zukunft Bau des Bundesinstitutes für Bau-, Stadt- und Raumforschung (Aktenzeichen SWD-10.08.18.7-14.20) und steht ab sofort zum kostenlosen Download bereit. Weitere Informationen und Download: www.flib.de www.aibau.de

Bücher

Bücher Meyer, J.: Akustik und musikalische Aufführungspraxis. 6., ergänzte Aufl., PPV Medien Edition Bochinsky, Bergkirchen, 2015. 358 S., 204 Abb., 41 Notenbeispiele. ISBN 978-3-955120-58-0. 99,00 EUR. Dieses, bereits in mehreren Sprachen erschienene, Standardwerk lehrt uns, wie Musiker und Sänger mit ihren Instrumenten und Stimmen Schall abstrahlen und wie dieser in einen Raum hinein übertragen wird – ein echter Leitfaden für Akustiker, Tonmeister, Musiker, Instrumentenbauer und Architekten bei ihrer täglichen Arbeit. Die Kap. 1 bis 9 sind gegenüber der 4. und der 5. Auflage unverändert geblieben. In Kap. 1 haben einige Grundbegriffe wie „Verdeckung“, „Richtungshören“, „Cocktailparty-Effekt“ aber nichts von ihrer – vielen leider noch fremden – Bedeutung verloren. Bei der Diskussion von Frequenz- und Pegelstrukturen der Klangspektren und Richtcharakteristiken in Kap. 2 bis Kap. 4 wird selbstverständlich der ganze relevante Bereich bis 31 Hz, mindestens aber bis 63 Hz, betrachtet und nicht, wie es bei den meisten der angesprochenen Fachleute leider üblich ist, in ihren Messungen und Berechnungen der Nachhallzeit als einzigem allgemein gebräuchlichen objektiven raumakustischen Parameter bei 250 Hz, spätestens aber bei 125 Hz Halt gemacht. Gleiches gilt auch für die Grundlagen der Raumakustik in Kap. 5. Wenn es aber in Kap. 6 um die in konkreten Aufführungsstätten vorgefundenen akustischen Eigenschaften geht, kann der Autor seine Ausführungen (nach der vorhandenen Aktenlage) nur auf einen sehr eingeschränkten Frequenzbereich stützen. So wird z. B. der zu Recht hoch gepriesene Musikvereinssaal in Wien, wie allgemein üblich, gern durch eine zu den Tiefen relativ stark ansteigenden Nachhall charakterisiert. Immerhin weiß Meyer aber in seinem stets sehr genauen Duktus nach Clements 1999 zu berichten: „Zur Zeit als Brahms und Bruckner dort ihre Werke interpretierten, wirkte er akustisch enger, und die Nachhallzeit bei tiefen Frequenzen war kürzer, da (unter anderem) die Karyatiden die damaligen Holzemporen an der Vorderkante trugen und die Deckenkonstruktion leichter war.“ Selbst vor der letzten großen Restaurierung (nach 1960), bei der ein neues, stärker gepolstertes Gestühl eingebaut wurde, herrschte ja in diesem Saal (unbesetzt) nach Fuchs und Steinke 2015

Bild 1. Nachhallzeiten gemessen a) in der alten Philharmonie in Berlin (V " 18000 m3, besetzt) nach Cremer 1964, dort Bild 3 (o) und b) im Musikvereinssaal in Wien (V " 15000 m3), unbesetzt mit alter Bestuhlung (vor 1960) ([), mit neuen Sesseln (_), jeweils nach Beranek 2004, dort S. 594, und besetzt nach Cremer 1964 (+) nach Fuchs & Steinke 2015, dort Fig.12

ein zu den Tiefen deutlich abfallender Nachhall (also einem Bass-Verhältnis BR ! 1 entsprechend), s. Bild 1. In diesem Zusammenhang erscheint es erwähnenswert, dass Beranek 2004, auf den die folgenschwere Einschätzung zurückgeht, dass ein BR # 1 ein entscheidendes Güte-Kriterium für Konzertsäle und Opernhäuser sei, in seinen späten Tagen sich selbst korrigiert hat, indem er auf der Basis neuer Untersuchungen „found unexpectedly that it is immediately apparent that BR does not correlate strongly with the rating categories“ (dort S. 512). Und in einem noch späteren Konferenzbeitrag ergänzt Beranek: „Recent studies have shown, that the reverberation time at low frequencies is less important than the strength of the sound there.” In Kap. 7 bis Kap. 9 kommt der Autor immer wieder auf die optimale Platzierung der verschiedenen Schallquellen auf der Bühne, im Orchestergraben und im Zuschauerraum zu sprechen, um eine gute Balance zwischen den Instrumentengruppen sowie zwischen Orchester und Solisten zu erreichen. Er bedauert natürlich, dass seine sehr überzeugend formulierten Empfehlungen in der Praxis nur selten Berücksichtigung ﬁnden. Gerade im anhaltenden Trend, Konzert-Arenen nach dem Vorbild der Berliner Philharmonie zu bauen, in denen das Auditorium um einen zentralen Bühnenbereich herum angeordnet ist, sollten besonders die Dirigenten und Stimmführer im Orchester sich einmal etwas in dieses Buch vertiefen. Da viele reisende Ensembles und Solisten aber kaum die Zeit ﬁnden, sich auf die ständig wechselnden räumlichen Gegeben-

heiten mit den unterschiedlichsten akustischen Defiziten einzustellen, ist hier auch keine Verbesserung in Sicht. Der Rezensent möchte hier Gerhardt 2015, einen gefragten Solo-Cellist und Kammermusiker, zitieren, der daraus seine individuelle Problemlösung abgeleitet hat: „Ich spiele auch im Konzert mit Ohrstöpseln – alles. Das führt zu einer unglaublichen Konzentration (…) Außerdem bin ich unabhängig von der Halle (…) Manche klingen überall toll – da könnte ich auch ohne Ohrstöpsel spielen.“ Damit kommt man zum neuen Kapitel 10 über Konzertsaal-Akustik, in dem der Autor betont, es müsse Ziel von Neubauten bleiben, vom ersten Entwurf (der Grobstruktur) bis zur Detailausstattung (der reflektierenden/absorbierenden Flächen) durch natürliche (bautechnische) Maßnahmen ein Optimum zu erreichen. Trotzdem diskutiert er, auch in Abschn. 6.1, ausführlich die seit etwa 1990 vielerorts in Mode gekommenen ‚Hallkammern‘, die mit einem zusätzlichen Volumen von bis zu 40 % (!) variabel an das eigentliche Auditorium angekoppelt werden können. Sie sollten akustische Verhältnisse „auch für Orchesterwerke mit großem Chor von Berlioz bis Mahler schaffen, die Räume mit dem Charakter einer Kathedrale erfordern“. Er schränkt aber ein, „dass Zuhörer in der Nähe der Öffnungen der Kammern den Raumhall als von dort kommend und nicht als Saaleigenschaft empfinden.“ (Wie man hört, bleiben im KKZ in Luzern inzwischen die Hallkammern geschlossen). Auch elektroakustische Systeme, die den Nachhall im Saal über eine Vielzahl von Laut-

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Bücher / Aktuell sprechern – wiederum besonders bei den tiefen Frequenzen – künstlich verlängern, werden von Meyer mehrfach angesprochen, obgleich im klassischen Beispiel der Royal Festival Hall in London die nach Kuttruff 1975, dort Bild 22.13, zwischen 63 und 500 Hz sehr leistungsfähige Nachhallverlängerungsanlage am Ende aufgegeben wurde. Als selbst musizierender und dirigierender Akustiker weiß Meyer natürlich sehr wohl um die Bedeutung der Basslinien gemäß Burkowitz und Fuchs 2009, auch noch weit unter 125 Hz, im Zusammenspiel und Klang eines Ensembles. Der Rezensent wundert sich daher, dass er sich auf eine Arbeit von Hidaka und Nishihara 2011 bezieht, wonach „im Klangspektrum üblicher Orchestermusik im 63 Hz Oktavbereich und darunter aufgrund der Verdeckung durch Klanganteile in der 125 Hz Oktave kaum wahrnehmbar sind.“ In der zitierten Arbeit staunt man über Statements wie „lower tone sensation is not so delicate in hearing actual music (…) only when the lower-frequency instruments are playing solo will tones in the 63 Hz band be heard“. Dass aber hohe Töne tiefere so stark verdecken könnten, steht auch im Widerspruch zu Abschn. 1.2.2 des Buches: “(…) tritt eine scheinbare Abschwächung der höheren Töne durch die tieferen auf, während die Verdeckung in umgekehrter Richtung gering ist.“ In diesem Zusammenhang stößt Meyer aber eine sehr aktuelle und wichtige Diskussion an und bereichert diese durch seine große musikalische Erfahrung. Er diskutiert die subjektive Bewertung von Musikräumen aus zwei ganz unterschiedlichen Blickwinkeln, die er zwei Gruppen von Hörern mit ganz unterschiedlichem Erfahrungshintergrund zuordnet: Die einen hören Musik bewusst und kritisch nur in ihnen vertrauten Konzertsälen mit ihren gewohnten Raum-Rückwirkungen auf das gesamte Geschehen dort, durchaus auch mit ihren objektiven Defiziten, was die Klarheit der Musik betrifft. Die anderen orientieren ihre Erwartungen im Konzert an ihren Wahrnehmungen beim Hören hochwertiger Tonträger mit deren hoher Transparenz und bester Lokalisation aller beteiligten Schallquellen, wie sie in etwas größeren Sälen so an keinem Sitzplatz erreicht werden können. Nach Ansicht des Rezensenten spricht aber nichts dagegen, bei der akustischen Gestaltung von Räumen zum Darbieten und Aufnehmen von Musik und Sprache auf größtmögliche Durchhörbarkeit, insbesondere auch des Bassbereichs, zu zielen. Dass dies keinesfalls einen Anstieg, sondern vielmehr einen Abfall oder wenigstens Konstanz der Nachhall-

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zeit zu den Tiefen hin erfordert, ist seit der Erkundung der Jesus-Christus-Kirche und des großen Sendesaals des ehemaligen DDR-Rundfunks in Berlin eigentlich unbestreitbar. Auch in akustisch derart ‚schlanken‘ Räumen kann man ausgesprochen ‚kernige‘ Bässe hören und sich vom Raum ‚eingehüllt‘ fühlen, obgleich diese Räume weder dem Gewohnten noch einer Norm entsprechen! Messung und Berechnung raumakustischer Parameter basieren für gewöhnlich auf der Annahme, dass sich die Schallanteile jeder einzelnen Quelle energetisch im Raum überlagern. Im äußerst lesenswerten Abschn. 10.3 über die Klangbalance von Orchesterwerken stößt Meyer aber eine neue Tür auf zur deterministischen Betrachtung der Interferenzen des Direktfeldes mit frühen Reflexionen bei tiefen Frequenzen. Er gibt hier sehr konkrete Empfehlungen nicht nur für die Sitzordnung im Orchester sondern auch für die Konzertsaal-Gestaltung und hat dabei besonders die seitlichen Reflexionen bei der ungünstigen Ausgangssituation in Arena-artig strukturierten Sälen im Blick. Aus seinen in Meyer 2008 ausführlicher dargelegten Überlegungen heraus fordert er zu besonderer Sorgfalt bei der Positionierung der Kontrabässe und der raumakustischen Gestaltung ihrer näheren Umgebung auf dem Podium sowie im vorderen Publikumsbereich auf, um unterstützende Reflexionen zu nutzen und schädliche Interferenzen zu vermeiden. Für diese und viele andere wertvolle Hinweise ist dem Autor und seinem Werk eine aufmerksame Leserschaft zu wünschen. Literatur Beranek, L. L.: Concert Halls and Opera houses – Music, Acoustics, and Architecture. New York: Springer, 2004. Burkowitz, P. K., Fuchs, H. V.: Das vernachlässigte Bass-Fundament. VDT-Magazin, H. 2/2009, S. 35−41. Clements, P.: Reflections on an ideal: tradition and changes of the Grosser Musikvereinssaal, Vienna. Acoust. Bull. 1999, issue Nov/Dec, p. 5. Cremer, L. Die raum- und bauakustischen Maßnahmen beim Wiederaufbau der Berliner Philharmonie. Die Schalltechnik 24 (1964), H. 1, S. 1−11. Fuchs H. V., Steinke, G.: Requirements for low frequency reverberation in spaces for music. Part 2: Auditoria for performances and recordings. Psychomusicology: Music, Mind, and Brain 25 (2015), No. 3, pp. 282−293. Gerhardt, A.: Die meisten Musiker überschätzen sich. Concerti, Mai 2015, S. 10−12. Hidaka, T., Nishihara, N.: Loudness sensation of low tones in concert halls. Forum Acusticum 2011, Aalborg, pp. 1435−1438.

Kuttruﬀ, H.: Raumakustik. In: Heckl, M., Müller, H. A. (Hrsg.): Taschenbuch der Technischen Akustik, Kap. 22. Berlin: Springer, 1975. Meyer, J.: Die Schallabstrahlung der Streichergruppen im Orchester. In: 25. Tonmeistertagung – VdT Intern. Convention, Leipzig 2008, Teil 14.11, S. 16.

Helmut V. Fuchs, Berlin

Aktuell DGNB-Platin-Plakette für Büroneubau HumboldtHafenEins Der Berliner Humboldthafen ist fertig gestellt. Mit dem mäanderförmigen Neubau „HumboldtHafenEins” konnte das Büro KSP Jürgen Engel Architekten die bislang höchste DGNB-Bewertung für einen Büroneubau in Deutschland und die Plakette in Platin erringen. Für eine optimale technische und ökologische Bewertung steuerte tremco illbruck bei der Fassadenabdichtung eine ganze Reihe leistungsstarker, besonders emissionsarmer Produkte bei. Mit dem Ziel Berlins „grünstes“ Bürogebäude zu realisieren, hatte der Bauherr OVG Real Estate mit der Auslobung des Wettbewerbs einen hohen Nachhaltigkeitsstandard, günstige Lebenszykluskosten und den Fokus auf das Wohlbefinden der Nutzer gefordert. Einen hocheffizienten Energieverbrauch gewährleisten das integrierte Blockheizkraftwerk, eine Lüftungsanlage mit 75 % Wärmerückgewinnung und eine energetisch optimierte Kälteanlage. Die Fassade mit außenliegendem Sonnenschutz sowie Drei-Scheiben-Sonnenschutzisolierverglasung mit infrarotreflektierender Wärmeschutz-Bedampfung trägt zur hohen Energieeffizienz bei. Nachhaltige Materialien, wie die geprüften „sehr emissionsarmen“ Fassaden-Abdichtungsmaterialien (tremco illbruck) schaffen im Gebäudeinnern bestes Raumklima. Als erster Baustein für die Umbauung des Lennéschen Humboldthafens soll der siebenstöckige Neubau gestalterisch den Maßstab für alle weiteren Bauvorhaben setzen. Abweichend vom Masterplan öffneten die Architekten die geforderte Gebäude-Hofstruktur nach außen hin und schufen einen Baukörper in Mäanderform, der allen Mieteinheiten des Büroneubaus einen Blick auf Hafen und Spreebogen und eine optimale natürliche Belichtung der Büroflächen ermöglicht. Ein fast 10 m auskragender Gebäudekopf markiert den Auftakt des Neubaus von Süden, während das transparente

Aktuell

Bild 1. Die Dämmschicht aus 100 mm Mineralwolle an den Deckenstirnseiten wurde mit der Fassadenfolie illbruck ME010 Premium B1 überspannt. An den ebenfalls mit der Folie überspannten und an der Deckenstirn montierten Edelstahlkonsolen wurden Edelstahlschwerter adaptiert, welchen die horizontal montierten GFB-Elemente der Fassade tragen. Diese Konstruktion ermöglicht eine klare Trennung der Abdichtungs- und Dämm-Ebenen. (Foto: tremco illbruck)

Mezzaningeschoss die Schnittstelle zwischen den Obergeschossen mit Büronutzung und den unteren zwei gemeinschaftlich genutzten Ebenen mit Publikumsverkehr kennzeichnet. Zweigeschossige Arkaden in Richtung Wasser öffnen sich zur Uferpromenade und bieten Schutz vor der Witterung. Hier sind gemeinschaftlich genutzte Bereiche wie das Mitarbeiterrestaurant mit Cafeteria und gewerbliche Flächen untergebracht. Große Loggien, Balkone und mehrere Dachterrassen ermöglichen den Nutzern auf jeder Ebene einen Aufenthalt im Freien. Das Gebäudetragwerk besteht aus einer kosteneffizienten und punktgestützten Flachdeckenkonstruktion sowie aussteifenden Stahlbetonkernen. Die Gestaltung der Fassadenflächen prägt den Neubau in besonderem Maße: Rund 6.800 Fassadenelemente aus leichtem, glasfaserarmierten Beton – sog. Architekturbeton (Glasfaserbeton GFB) – bekleiden die 14.000 m2 große Fläche. Sie betonen die horizontale Ausrichtung des 25 m hohen Baukörpers und lockern ungleichmäßig angeordnet und in unterschiedlichen Formen das sonst bei Bürobauten typische Raster auf. Sämtliche Befestigungsmittel der Elemente wurden für den Betrachter unsichtbar ausgeführt. Anstelle der ursprünglich geplanten Einzel-Lochfenster-Fassade wurde während der Ausführungsplanung durch Bilfinger Hochbau GmbH in Zusammenarbeit mit dem Architekturbüro und dem Erfurter Unternehmen Metallbau Möller GmbH & Co. KG eine rund 12.000 m2 umfassende Aluminium-Fensterbandfassade entwickelt. Mit Verstärkungen versehen, trägt sie die GFB-Fertigteile, die

Bild 2. Hochdiffusionsoffen, dauerhaft UV-beständig und wasserabweisend sowie mit doppelter Klebekante versehen wurde die Fassadenfolie illbruck ME010 Premium B1 speziell für die direkte Verlegung auf Wärmedämmung hinter vorgehängten, teiloffenen bzw. offenen Fassaden mit Fugenanteil entwickelt (Foto: tremco illbruck)

zusätzlich auf Edelstahlschwertern im Bereich der Decken aufsitzen. Diese Konstruktion ermöglicht eine klare Trennung der Abdichtungs- und DämmEbenen und bietet zudem einen klaren Zeit-Vorteil: Nach Ausführung der Aluminium-Fensterbandfassade erfolgte der Innenausbau unabhängig und parallel zur Montage der GFB-Fertigteile. Die effiziente Abdichtung der Aluminiumbandfassade bedeutete auf unterschiedlichste Anforderungen passgenau reagieren. Da die einzelnen AluminiumFensterelemente geschossweise geschlossen als Fensterband eingebracht und an Boden und Decke eines jeden Geschosses befestigt wurden, mussten die von der Fassade unbedeckten Decken-Stirnseiten zur Vermeidung von Wärmebrücken auf besondere Weise gedämmt und gegen eindringende Feuchtigkeit abgedichtet werden. An dieser Stelle durchdringen die Edelstahlkonsolen zur Befestigung der GFB-Teile die Dicht- und Dämmschicht. Die feuchtevariable Fenster- und Fassadenfolie illbruck ME501 TwinAktiv bildet die bauwerknahe Schicht. Auch im Bereich des unteren Basisprofils der Fenster wurde die reißfeste, zwölf Monate frei bewitterbare und UV-stabile Folie mit dem besonders emissionsarmen illbruck SP025 Fenster-Folienkleber Öko angebracht. Da die Fugen zwischen den BetonFertigteilen offen bleiben, stellt dies besondere Anforderungen an die äußere Folie. Aus diesem Grunde wurde die davorliegende Dämmschicht aus 100 mm Mineralwolle an den Deckenstirnseiten mit der Fassadenfolie illbruck ME010 Premium B1 überspannt. Hochdiffusionsoffen, dauerhaft UVbeständig und wasserabweisend und mit

doppelter Klebekante versehen wurde diese Folie speziell für die direkte Verlegung auf Wärmedämmung hinter vorgehängten, teiloffenen bzw. offenen Fassaden mit Fugenanteil entwickelt. Zur Zeit des Einbaus am Objekt noch brandneu und nicht auf dem Markt erhältlich konnte sie als zukunftsweisendes Produkt zum ersten Mal in der Praxis erfolgreich eingesetzt werden. Den Bereich der wasserführenden Attika-Ebene dichtet die extrem witterungs- und temperaturbeständige, besonders dehnfähige illbruck ME220 EPDMFolie verlässlich ab und schützt hier besonders wirkungsvoll vor stehender Feuchtigkeit. Alle eingesetzten diffusionsoffenen und feuchtevariablen illbruck Folien korrespondieren miteinander und regulieren den Dampfdiffusionshaushalt der Gebäudehülle wie eine Membran. Sie sind feuchtevariabel durchlässig und verändern ihren sd-Wert in Abhängigkeit von der relativen Feuchte. Damit erfüllen sie nicht nur die Anforderungen einer RAL-gütegesicherten Montage, sondern setzen auch Maßstäbe beim intelligenten Feuchtemanagement. Die herausragenden Eigenschaften der Folien wurden vom ift Rosenheim, vom Fraunhofer Institut für Bauphysik (IBP) und vom Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) Berlin attestiert. Neben gutem Raumklima verfügen die Büroflächen im Gebäude über Offenheit und Transparenz. Die variablen Bürogeschosse sind als Zweibund mit einer gemeinschaftlich nutzbaren Mittelzone konzipiert: eine moderne, flexible Flächenaufteilung, die sowohl Raum für konzentriertes Arbeiten im eigenen Büro als auch Flächen für Kommunika-

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Aktuell tion, informelle Gespräche und den gegenseitigen Austausch bereitstellt. Um Tageslicht möglichst weit in die Büroflächen einzulassen und die attraktive Wasserlage auch im Inneren erlebbar zu machen, sind alle Büros in Richtung Flur und Mittelzone mit transparenten, gläsernen Bürotrennwänden abgeteilt. Diese schaffen eine optimale akustische, aber keine optische Trennung und ermöglichen den Ideenaustausch in einem kommunikativen, produktiven Arbeitsumfeld. Alle Fensteröffnungen – bis auf die an den Nordseiten – verfügen über außenliegenden Sonnenschutz. Jedes Büro kann dank der raumhohen Öffnungsflügel auch natürlich belüftet werden. Weitere Informationen: tremco illbruck Group GmbH / tremco illbruck GmbH & Co. KG Von-der-Wettern-Str. 27 51149 Köln, Deutschland

Baulicher Schallschutz mit Ziegeln und neuer DIN 4109 Die Arbeitsgemeinschaft Mauerziegel im Bundesverband der Deutschen Ziegelindustrie e. V. hat ihre Broschüre zum „Baulichen Schallschutz nach DIN 4109“ aktualisiert. Damit unterstützt der Verband Architekten und Bauplaner bei der Anwendung der seit Sommer 2016 veröffentlichten, komplett überarbeiteten neuen Normenfassung zum Schallschutz im Hochbau. Besonders die rechnerische Nachweisführung hat sich durch die Anpassung an europäische Normen erheblich verändert. Die 76 S. umfassende Broschüre gibt eine Einführung in die wichtigsten Begriffe des baulichen Schallschutzes und eine tabellarische Übersicht zu den gültigen Anforderungen. Vor allem aber erläutert sie das Nachweisverfahren der neuen DIN 4109, das auf der Systematik der europäischen Normenreihe DIN EN 12354 aufbaut. Auffälligste Änderung ist dabei der Übergang von der Betrachtung einzelner Bauteile zu einem übergreifenden akustischen Bilanzverfahren mit differenzierter Berücksichtigung aller Schallnebenwege und Bauteilanschlüsse. Durch dieses neue Nachweisverfahren wird die Schallprognose gegenüber der vorherigen Norm deutlich verbessert. Das Berechnungsverfahren, seine Randbedingungen sowie die im neuen Nachweis unentbehrlichen Bauteilkennwerte und Anschlussdetails werden ausführlich dargestellt. Für den Wohnungsbau gibt es darüber hinaus Ausführungshinweise und Konstruktionsempfehlungen zum normgemäßen Schallschutz mit Ziegelbauweisen. Im Schlusskapitel werden an-

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Mit Tabellen und Abbildungen sowie Screenshots aus der „Ziegel Bauphysiksoftware Modul Schall 4.0“ beschreibt die 76-seitige Broschüre den Schallschutznachweis nach DIN 4109:2016 in Berechnungsbeispielen (Foto: Lebensraum Ziegel / AMz)

hand von Berechnungsbeispielen die Anwendungsmöglichkeiten des Nachweisprogramms „Ziegel Bauphysiksoftware Modul Schall 4.0“ der Initiative Lebensraum Ziegel aufgezeigt. Die Broschüre ist insofern das Hintergrundwissen zu den von der Software geleisteten Berechnungen. In erster Linie ist sie jedoch eine eigenständige Arbeitsunterstützung für alle Fragen zum baulichen Schallschutz, die kompakt und übersichtlich in den veränderten Schallschutznachweis nach DIN 4109 einführt. Weitere Informationen und Download: Arbeitsgemeinschaft Mauerziegel im Bundesverband der Deutschen Ziegelindustrie e. V. Schaumburg-Lippe-Str. 4 53113 Bonn www.lebensraum-ziegel.de

BVS: Entwicklung im Normwesen – Norm nicht automatisch anerkannte Regel der Technik DIN-Normen werden immer komplizierter und komplexer. Mit der Normenvielfalt und -fülle steigen auch die Anforderungen an die Konstruktionen. Bauwerke werden somit verteuert. Eine einfache Anwendung der Regelwerke scheint unmöglich. So sieht es der Bundesverband öffentlich bestellter und vereidigter sowie qualifizierter Sachverständiger e. V. (BVS) bei seiner Delegiertenversammlung in Bremen und beschreibt, dass mit der steigenden Normenflut ein Anforderungsniveau beschrieben wird, welches in den meisten Fällen über dem Bedarf und über einer üblichen Ge-

brauchstauglichkeit liegt. Im Entstehungsprozess sind häufig interessierte Kreise – Lobbyisten und Industrie – und nicht betroffene Kreise eingebunden, sodass die Normungstätigkeit in verstärktem Maße durch wirtschaftliche Interessen beeinflusst ist. „Durch den Deutschen Richter- und Staatsanwaltstag wurde erneut eine Diskussion initiiert, ob, und in welchem Maße DIN-Normen die technischen Sachverhalte als sogenannte anerkannte Regeln der Technik widerspiegeln, die im Falle des Rechtsstreits bei Bauprozessen häufig die Grundlage der Urteilsfindung werden“, erklärt Dipl.-Ing. HelgeLorenz Ubbelohde, BVS-Vizepräsident und öffentlich bestellter und vereidigter (ö.b.u.v.) Sachverständiger für Schäden an Gebäuden. Im Gegenzug, so kritisiert der BVS, sind langfristig bewährte technische Lösungen nicht mehr anwendbar. BVS-Tenor ist, dass der Bauprozess in Planung und Ausführung unnötig komplexer wird und durchdachte, vereinfachte Lösungen missen lässt. Nach Einschätzung des Verbandes sind Kostenerhöhungen für die Bauherren eine Folge. Damit verbunden sehen die öffentlich bestellten und vereidigten Sachverständigen auch Auswirkungen auf die Bautätigkeit und eine Umstrukturierung des Marktes. Ubbelohde erläutert hierzu: „Öffentlich bestellte und vereidigte Sachverständige werden häufig, so auch bei Gericht, um ihre Einschätzung gebeten. Nicht wie oft angenommen, ist eine Norm tatsächlich auch eine anerkannte Regel der Technik. Hier gilt es zu differenzieren, wenn wir auch in der Praxis oft erleben, dass die Norm quasi mit der

Aktuell anerkannten Regel der Technik gleichgesetzt wird. Dies erklärt auch, warum in jedem Fall technisch fundiert begründet werden muss, dass im Einzelfall eine DIN-Norm nicht als allgemein anerkannte Regel der Technik gilt. Vor Gericht sind wir als Sachverständige daher gefragt, gleichzeitig aber gänzlich auf uns selbst gestellt. Richter, Rechtsanwälte und Juristen im Allgemeinen stellen sich bei Bemängelungen häufig die Frage, wie die allgemein anerkannten Regeln der Technik einzuschätzen ist. Hierin begründet sich häufig ein nicht unerhebliches Prozessrisiko, da eine Orientierung in der Einschätzung bezüglich des Regelwerks oder einer DINNorm nur selten gegeben ist.“ Der BVS sieht daher den dringenden Bedarf, aktiv zu werden. Insbesondere die BVS-Bundesfachbereiche Bau und Technische Gebäudeausrüstung setzen sich aktiv ein. Ergebnis der BVS-Bundesdelegiertenversammlung ist daher die Initiation eines Deutschen Bausachverständigen Tag e.V. Verbände der Bauund Immobilienwirtschaft, Beratende Ingenieure sowie Mitglieder des Sachverständigenwesens und bezüglich der DIN-Normen betroffene Kreise rufen gemeinsam zur Qualitätssicherung diesen Verein– voraussichtliche Erstveranstaltung 2017 – ins Leben. Ziel ist es, dahingehend zu bewerten, ob die betreffende Norm als allgemein anerkannte Regel der Technik anzusehen ist und ob eine Empfehlung ausgesprochen werden kann, eine DIN-Norm bauaufsichtlich einzuführen. Somit wird in Deutschland, in einer den Baubeteiligten zugänglichen Dokumentation, als Ergebnis eine neutrale und unabhängige Sachverständigenmeinung dazu formuliert, in welchem Maße neue Normen als anerkannte Regel der Technik anzusehen sind. Dieser Beschluss hat historische Bedeutung. Die Organisationsform wird aktuell erarbeitet. „Prinzipiell betreffen diese Sachverhalte nicht nur die Hochund Tiefbaugewerke“, so Ubbelohde. „Die Sparten der Elektrotechniker sind grundsätzlich ebenso betroffen, wenn auch offensichtlich der Handlungsdruck aktuell noch geringer ist. Ein aktuelles Beispiel dazu sind die Diskussionen zur Ausführung von Fundamenterdern um DIN 18014 und DIN VDE 0100-540.“ Weitere Informationen: Bundesverband öffentlich bestellter und vereidigter sowie qualifizierter Sachverständiger e. V. (BVS) Charlottenstr. 79/80 10117 Berlin Tel. 49(0)30/255 938-0 info@bvs-ev.de www.bvs-ev.de

Fünf Jahre Energieeffizienz-Expertenliste für Förderprogramme Qualifizierte Experten sind unerlässlich, wenn es um energieeffizientes Bauen und Sanieren geht. Deshalb gibt es seit fünf Jahren die „Energieeffizienz-Expertenliste für Förderprogramme des Bundes“: Sie definiert bundesweit Qualifikationsanforderungen für Fachleute und ermöglicht es Gebäudeeigentümern, geprüfte Experten in ihrer Nähe zu finden. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), die KfW Bankengruppe und das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) sind die Initiatoren der Expertenliste, die Deutsche Energie-Agentur (dena) betreut die stetig wachsende Datenbank. Zum fünfjährigen Jubiläum ziehen die Beteiligten eine positive Bilanz: Mittlerweile sind rund 13.800 Fachleute eingetragen. Die Nachfrage nach qualifizierten Fachkräften ist im Markt zu spüren. Das zeigen rund 52.000 Suchanfragen pro Monat. Energieberater bekommen mittlerweile jeden 3. Auftrag über die Expertenliste. Die Expertenliste ist ein wichtiger Bestandteil des umfangreichen Qualitätssicherungskonzepts für die Förderprogramme der KfW. Es wird damit sichergestellt, dass die Fördermittel sach- und fachgerecht eingesetzt werden und der Bauherr auch das gewünschte energetische Niveau erreicht. Teil der Qualitätssicherung ist auch eine stichprobenhafte Überprüfung von KfW und dena, ob bei den geförderten Bauprojekten der energetische Standard eingehalten worden ist. Das stellt zusätzlich sicher, dass die Fachleute für hocheffiziente Neubauten und Sanierungen für Wohn- und Nichtwohngebäude sowie für Vor-Ort-Energieberatungen und Energieberatungen im Mittelstand die hohen Standards erfüllen. In der „Energieeffizienz-Expertenliste für Förderprogramme des Bundes“ finden private, gewerbliche und kommunale Bauherren Fachleute für ihr energieeffizientes Bau- oder Sanierungsvorhaben. Die Energieeffizienz-Experten helfen bei der Entscheidung über sinnvolle Energiesparmaßnahmen, übernehmen die Planung, organisieren die Umsetzung und unterstützen die Bauherren bei der Beantragung von Fördermitteln bei der KfW („Energieeffizient Bauen und Sanieren“) und dem BAFA („Vor-Ort-Beratung“, „Energieberatung im Mittelstand“). Um in die Expertenliste aufgenommen zu werden, weisen die Experten ihre Qualifikation im Bereich des energieeffizienten Bauens und Sanierens bei der dena nach. Nach drei Jahren kann der Eintrag nur durch den Nachweis entsprechender Fortbildungen oder

praktischer Erfahrungen verlängert werden. Die dena betreut die Datenbank und stimmt sich dabei eng mit den Fördermittelgebern und Trägern der Expertenliste ab: dem BMWi, der KfW und dem BAFA. Chronik 2011 BMWi, BAFA und die KfW beschließen, eine bundeseinheitliche Datenbank für qualifizierte Energieeffizienz-Experten aufzubauen, um die Qualität von geförderten Energieberatungen und energieeffizienten Neubau- oder Sanierungsmaßnahmen sicherzustellen. Es sollen auch Experten gelistet werden, die Baumaßnahmen an Denkmalen sowie Baudenkmalen oder sonstiger besonders erhaltenswerter Bausubstanz begleiten können. Die dena baut die Expertenliste mit auf und betreut sie. 2012 Der 1000. Wohngebäude-Experte trägt sich in die Liste ein. 2013 Bereits 5000 Wohngebäude-Experten sind in der Liste zu finden. 2014 Ein Eintrag in die Expertenliste wird Pflicht, um Förderanträge für die KfW-Programme „Energieeffizient Bauen und Sanieren – Wohngebäude“ (Programme 151/152, 153, 430, 431) zu stellen. 2015 Ab Januar finden Unternehmen qualifizierte Fachleute im Rahmen des Förderprogramms „Energieberatung im Mittelstand (BAFA)“. Das BMWi unterstützt mit diesem Förderprogramm kleine und mittlere Unternehmen bei der Identifizierung von Energieeinsparpotenzialen. Ab Oktober 2016 können sich in die Expertenliste auch Fachleute eintragen, die KfW-Effizienzhäuser im Nichtwohngebäudebereich planen und in der Umsetzung begleiten („Energieeffizient Bauen und Sanieren – Nichtwohngebäude (KfW)“). 2016 Der 1000. Nichtwohngebäude-Experte wird gelistet. Im November feiert die Expertenliste ihren 5. Geburtstag mit mehr als 13.800 eingetragenen Experten, 23 Netzwerkpartnern und 52.000 Suchanfragen pro Monat. Weitere Informationen: Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena) Christina Stahl Chausseestr. 128 a 10115 Berlin Tel: 49(0)30/72 61 65-686 E-Mail: stahl@dena.de www.dena.de

Bauphysik 39 (2017), Heft 1

Aktuell Das Büro von morgen – das „Living Lab smart office space“ der TU Kaiserslautern und des DFKI Wie sieht das Büro der Zukunft aus? Mit dieser Frage beschäftigen sich Forscherinnen und Forscher im neuen Projekt Living Lab smart office space. Sie entwickeln neue Technikkonzepte für das Büro von morgen in einer realitätsnahen Umgebung. Das Team um Prof. Dr.-Ing. Sabine Hoffmann, FG Gebäudesysteme und Gebäudetechnik der TU Kaiserslautern und Prof. Dr. Andreas Dengel, Leiter des Forschungsbereichs Wissensmanagement, Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) arbeiten dazu eng im neuen Labor zusammen, um Ideen direkt in der Praxis zu erproben. Zu heiß, zu kalt, zu laut, zu trocken, zu wenig Privatsphäre – das sind nur ein paar Punkte aus einer Nutzerbefragung der International Facility Management Organisation zu Büroräumen aus dem Jahr 2009. Sie zeigen klar, dass der Komfort in Büros in vielen Fällen zu wünschen übriglässt. Insbesondere gibt es häufige Beschwerden zu den thermischen Bedingungen, die zu einer Unzufriedenheit am Arbeitsplatz führen. Auch schlechte Lichtverhältnisse und ein hoher Lärmpegel sind nicht förderlich für die Konzentration. Wie sich der Komfort im Büro für jeden einzelnen verbessern lässt, daran wird nun gearbeitet: personalisierte Arbeitsplätze, die auf die Bedürfnisse des einzelnen zugeschnitten sind und individuelle Unterschiede besser berücksichtigen, und gezielt eingesetzte Automationstechnik zur Regelung von Temperatur, Beleuchtung und Lüftung an jedem Arbeitsplatz regeln. Dabei sollen die Menschen die Kontrolle über ihre Umgebung behalten. Neben dem Komfort wird sich Hoffmann auch der Energieeffizienz widmen, denn mit neuen Technologien lässt sich ein Großteil an Wärme, Strom und Wasser einsparen. Am DFKI werden intelligente Assistenzsysteme für das Büro von morgen entwickelt. Des Weiteren bietet der Einsatz moderner Informationstechnologien, wie z. B. sensorische Aktivitätserkennung, Potential für flexible Arbeitsumgebungen. Am 25. November 2016 wurde das Living Lab smart office space eröffnet. Die DFKI-Living Labs zeigen Innovation zum Anfassen in konkreten praktischen Anwendungssituationen. Bereits zwei von sechs Living Labs zu den Themen „Smart Factory“ und „Smart City“ werden am Standort Kaiserslautern mit großem Erfolg für die Kundenschulung – aber auch für den Bürgerdialog – betrieben.

Bauphysik 39 (2017), Heft 1

Weitere Informationen: Prof. Dr.-Ing. Sabine Hoffmann TU Kaiserslautern, FG Gebäudesysteme und Gebäudetechnik Tel. 49(0)631/205-2909 E-Mail: sabine.hoffmann@bauing.uni-kl.de Prof. Dr. Andreas Dengel Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) Forschungsbereich Wissensmanagement Tel. 49(0)631/205-751000 E-Mail: andreas.dengel@dfki.de

Neu gegründeter Deutscher Bausachverständigentag e.V. (DBST e.V.) für Qualitätssicherung im Bauwesen Federführend hat der Bundesverband öffentlich bestellter und vereidigter sowie qualifizierter Sachverständiger e.V. (BVS) zusammen mit weiteren Spitzenverbänden im Bauwesen den Deutschen Bausachverständigentag e.V. (DBST e. V.) initiiert. Am 5. Dezember 2016 fand die Gründungsversammlung statt. „Der DBST verfolgt primär zwei Hauptziele“, erklärte Helge-Lorenz Ubbelohde, Präsident des frisch gegründeten Vereins. „Wir wollen als qualifizierte Bausachverständige in Deutschland Evaluierungen zu Regelwerken, Normen und Richtlinien vornehmen und eine zusammengeführte Sachverständigenmeinung formulieren, ob Normen im Einzelfall als Allgemein anerkannte Regel der Technik anzusehen sind. Ziel ist es, die zunehmende und unübersichtlich werdende Normenflut auf ein praktikableres Niveau zu senken, und Normen, die durch Lobbyarbeit der Industrie entstanden sind oder unrealistische Anforderungen stellen, zu kritisieren. Zum anderen wollen wir unser Fachwissen einbringen und die Interessen der Bausachverständigen vertreten. Im DBST haben wir unser Know-how gebündelt und sehen uns als Ansprechpartner und Ratgeber, die praxisnah und auf höchstem Niveau agieren.“ Neben dem BVS gehören der Zentralverband Deutsches Baugewerbe e.V., der Verband der Deutscher Bausachverständigen Deutschlands e.V. (VBD), der Bundesverband Feuchte & Altbausanierung e.V. (BuFAS), der Bundesverband Freier Immobilien- und Wohnungsunternehmen e.V. sowie Dipl.-Ing. Architekt Manfred Heinlein in Vertretung des Bauschädenforums Rottach-Egern zu den Gründungsmitgliedern. Der Sitz des Vereins ist in Berlin. Der Deutsche Bausachverständigentag wird ebenfalls Fort- und Weiterbildungen anbieten sowie den interdisziplinären Fachaustausch fördern.

Weitere Informationen: Bundesverband öffentlich bestellter und vereidigter sowie qualifizierter Sachverständiger e.V. (BVS) Pressestelle Regina Iglauer-Sander Charlottenstr. 79/80 10117 Berlin Tel. 49(0)30/255938-0 E-Mail: iglauer-sander@bvs-ev.de www.bvs-ev.de

EPISCOPE – Typologische Klassifizierung und Energieeffizienz-Monitoring von Wohngebäudebeständen in europäischen Ländern Die Steigerung der Energieeffizienz sowie eine damit einhergehende Senkung des Energieverbrauchs und der Treibhausgasemissionen sind wesentliche Bestandteile der europäischen Klima- und Energiepolitik. Für unterschiedliche Verbrauchssektoren sind in den Verordnungen der Europäischen Union sowie in den nationalen und lokalen Regelwerken ihrer Mitgliedsstaaten ehrgeizige Zielsetzungen und Anforderungen verankert. Dem Gebäudesektor wird auf diesem Gebiet eine Schlüsselrolle beigemessen, da hier durch verfügbare Technologien signifikante Verbrauchsreduktionen möglich erscheinen. Eine quantifizierbare Überprüfung der bisherigen Entwicklungen auf diesem Gebiet findet jedoch in der Regel nicht statt, zumal in vielen europäischen Ländern die Datengrundlage zum energetischen Zustand und zum Energieverbrauch des nationalen Gebäudebestandes unzureichend ist. Es stellt sich somit die Frage, wie die im Gebäudesektor erzielten Fortschritte im Sinne eines systematischen Monitorings verfolgt, überprüft und erfasst werden können. Ziel des EPISCOPE Projektes war es, die Eﬀekte energetischer Sanierungsprozesse im europäischen Wohngebäudesektor transparenter und eﬀektiver zu machen. Zu diesen Zwecke sollten Monitoring-Ansätze entwickelt werden, die auf nationaler, regionaler und lokaler Ebene anwendbar sind und Entscheidungsträger in die Lage versetzen sollen, Sanierungsprozesse nachverfolgen und steuern sowie die tatsächlich erreichten Einsparungen evaluieren zu können. Den konzeptionellen Rahmen des Projektes bildeten die nationalen Wohngebäudetypologien, die im IEE Projekt TABULA in 12 europäischen Ländern erarbeitet wurden. Dieser Ansatz wurde auf sieben weitere Länder ausgeweitet. Zudem wurden Neubauten und die jeweiligen nationalen Interpretationen des in der EPBD verankerten Niedrigstenergiegebäude-Ansatzes (Nearly Zero Energy Building nZEB) in die Systematik mit aufgenommen.

Aktuell Als Hauptaktivität wurde in jedem der teilnehmenden Länder eine Fallstudie durchgeführt, in der der Sanierungsfortschritt eines Gebäudeportfolios auf lokaler Ebene oder des Wohngebäudebestandes auf regionaler bzw. nationaler Ebene verfolgt und evaluiert wurde. Als Grundlage für den internationalen Vergleich von MonitoringErgebnissen wurde ein gemeinsamer Indikatoren-Satz entwickelt, der sowohl Strukturdaten (z. B. Fortschritte beim Wärmeschutz) als auch Energie- und Klimaschutzkennwerte (z. B. CO2-Emissionen) für den jeweiligen Gebäudebestand berücksichtigt. In Kombination mit den nationalen Gebäudetypologien und statistischen Daten zu verschiedenen Gebäudetypen können dadurch die Modelle von Gebäudebeständen besser als bisher abgebildet werden. Das Projekt wurde im Rahmen des EU-Förderprogramms „IEE – Intelligent Energy Europe“ durchgeführt. Initiator und Koordinator war das IWU. Die Projektpartner kamen aus den Ländern Belgien, Dänemark, England, Frankreich, Griechenland, Irland, Italien, Niederlande, Norwegen, Österreich, Slowenien, Spanien, Tschechien, Ungarn und Zypern. Weitere Informationen Britta Stein Tel. 49(0)6151/2904-51 E-Mail: b.stein@iwu.de www.iwu.de/forschung/energie/ abgeschlossen/episcope/

Mehrgenerationen-Klimaschutzsiedlung in Köln-Porz wird Teil der KlimaExpo.NRW Die Klimaschutzsiedlung in Köln-Porz macht Sonnenwärme mit einem der größten Eisspeicher Europas flexibel nutzbar. Zudem hat das Wohnungsunternehmen VIVAWEST die Wohnungen barrierearm gestaltet und für alle Generationen attraktiv ausgestattet – damit eine Mehrgenerationen-Klimaschutzsiedlung entsteht. Für dieses vorbildliche Engagement im Klimaschutz nahm die KlimaExpo.NRW das Projekt in ihre Leistungsschau auf. Seit 1990 hat der Wohnungsanbieter VIVAWEST die CO2-Emissionen seiner Wohnungen pro m2 Wohnﬂäche fast halbiert. Mit dem Bau der Mehrgenerationen-Klimaschutzsiedlung in Köln-Porz spart das Unternehmen pro Jahr weitere 146 t CO2 ein und geht technologisch neue Wege: mit dem bis dahin größten Eisspeicher Europas. Die Klimaschutzsiedlung Köln-Porz ist Teil des Programms „100 Klimaschutzsiedlungen in NRW“ der EnergieAgentur.NRW. VIVAWEST hat die Ge-

legenheit genutzt, um eine barrierearme Mehrgenerationen-Klimaschutzsiedlung zu gestalten, die den Bewohnern zusätzliche Notruf- und Serviceangebote bietet. Die Mehrgenerationen-Siedlung bezieht ihre Energie aus Licht und Wärme, um sie dann in einem der größten Eisspeicher Europas zu speichern. Der 1.200 m3 große Speicher ist ungedämmt in das Erdreich eingebaut und nutzt so auch noch die vorhandene Erdwärme der Umgebung, da das Wasser im Eisspeicher in der Regel kälter ist als die Umgebungstemperatur des Bodens. Im Winter hebt eine Wärmepumpe die Temperatur auf das erforderliche Niveau an, um die Wohnungen der Siedlung zu beheizen und das Warmwasser bereitzustellen. Die so entnommene Wärme füllen die auf den Dachﬂächen installierten Solarabsorber wieder auf. Sie nehmen die Wärme der Sonne und der Atmosphäre auf und führen sie dem Speicher zu. Darüber hinaus wird auch die Wärme aus der Abluft der Wohnungen an den Energiespeicher abgegeben. Im Frühjahr am Ende der Heizperiode, wenn die Einspeisung von solarer Energie jahreszeitlich bedingt gering ist, nutzt der Eisspeicher die latente Wärme, die beim kontrollierten Gefrieren des Wassers zusätzlich frei wird. Infolge der geringen Wassertemperaturen kann der Speicher im Sommer über die Wärmetauscher auch Kälte an das Fußbodenheizungssystem abgeben, das dann bei Bedarf alternativ auch zur Kühlung der Wohnräume genutzt werden kann. Weitere Informationen: Markus Schulze Projektmanager Öffentlichkeitsarbeit KlimaExpo.NRW Munscheidstr. 14 45886 Gelsenkirchen Tel: 49(0)209/408599-18 E-Mail: markus.schulze@klimaexpo.nrw www.klimaexpo-nrw.de

Feststellung der Kompetenz von Energieberatern mit VDI 3922 Blatt 2

und die Untersuchungs- und Zielbereiche für Energieberatungen generell festgelegen. In unterschiedlichen Kompetenzprofilen müssen die VDI-Energieberater zukünftig ihr Wissen und ihre Erfahrung für festgelegte Einsatzbereiche nachweisen und durch regelmäßige Weiterbildung aktuell halten. Die neue Richtlinie VDI 3922 Blatt 2 soll somit die Qualität der Energieberater sichern bzw. erhöhen, die Transparenz für Auftraggeber der Dienstleistung Energieberatung verbessern (beispielsweise bei der Umsetzung des Energiedienstleistungsgesetzes und der DIN EN 16247 bzw. der Einführung der DIN EN ISO 50001) und die Rechtssicherheit durch Aufnahme in das Technische Regelwerk steigern. Das Ziel der neuen Richtlinie ist, eine gesetzliche/verordnungsrechtliche Forderung zu schaffen, dass Energieberater in den Kompetenzprofilen nach VDI 3922 Blatt 2 geprüft sind. Dabei ist eine ausreichende Übergangfrist zur Schulung, Prüfung und Anerkennung von Beratern zu sichern. Ein zentrales Register für VDI-Energieberater wird dazu erstellt. Der Entwurf zu VDI 3922 Blatt 2 wird im III. Quartal 2017 veröffentlicht. Den Vorsitz im Ausschuss führt Dipl.Ing. (TU) Undine Stricker-Berghoff CEng MEI VDI, stellv. Vorsitzende ist Dipl.-Phys. Katja Winkelmann. Aus den interessierten Kreisen wirken u. a. mit: Energieberater und -auditoren, Planer, Ersteller und Betreiber verschiedener Industrie-/Gewerbeanlagen und Gebäude sowie deren Komponenten, Energieversorger, Prüfer und Zertifizierer, Vertreter von Forschung und Lehre sowie Weiterbildungsanbieter. Weitere Informationen: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Terhorst VDI-Gesellschaft Bauen und Gebäudetechnik Tel. 49(0)211/6214-466 E-Mail: tga@vdi.de www.vdi.de/3922

In ihrem aktuellen Positionspapier zu „Klimaschutz und Energiepolitik“ fordert die VDI-Gesellschaft Bauen und Gebäudetechnik (VDI-GBG) die Verbesserung der Qualifizierung und Zertifizierung von Energieberatern. Für die Qualifizierung sollten einheitliche Eingangsvoraussetzungen, Inhalte und Prüfungskriterien sowie ggf. Kategorien geschaffen werden. Dazu erarbeitet die VDI-GBG zurzeit die neue Richtlinie VDI 3922 Blatt 2 „Energieberatung – Feststellung der Kompetenz von Energieberatern“. Sie soll den Beratungsprozess aus VDI 3922 weiterentwickeln

Bauphysik 39 (2017), Heft 1

Veranstaltungen Termin/Ort

Thema

16. – 17.02.2017, Springe 08.03. – 06.12.2017, Springe

Wärmebrücken erkennen – berechnen – bewerten; Energie- und Umweltzentrum Sachverständiger für hygrothermische Bauphysik www.e-u-z.eu/euz-akademie

15.03.2017, Blaubeuren 22.06.2017, Schwetzingen

Schnittstelle Baustelle BauSlam – wissen mal anders

MOLL bauökologische Produkte GmbH www.proclima.de

20. – 21.03.2017, Bochum

13. Fachtagung der Forschungsvereinigung Baustatik-Baupraxis

Ruhr-Universität Bochum www.sd.rub.de

22. – 23.03.2017, Bad Wörishofen

8. HolzBauSpezial | Bauphysik: Akustik – Brand – Gebäudehülle – Materialien – Gebäudetechnik

forum-holzbau www.forumholzbau.com

28.03.2017, MörfeldenWalldorf 16.05.2017, Stuttgart und 07.11.2017, Hamburg

Schallschutz in Gebäuden (DIN 4109);

DIN-Akademie im Beuth Verlag www.beuth.de

16.11.2017, Berlin

Informationen/Anmeldung:

Raumakustik im Alltag – Grundlagen, Hilfen und Beispiele zur Anwendung von DIN 18041 und VDI 2569; Schallschutz in Gebäuden (DIN 4109);

31.03. – 01.04.2017, Hannover

10. BUILDAIR-Symposium

e.u.[z.]-Akademie www.e-u-z.eu www.buildair.eu

03. – 04.04.2017, Aachen

43. Aachener Bausachverständigentage: Bauwerks-, Dach- und Innenabdichtung: Alles geregelt?

AIBAU gGmbH www.AIBau.de

03. – 07.04.2017, Biberach

Lehrgang DIN V 18599 – inkl. Softwareschulung

Akademie der Hochschule Biberach www.akademie-biberach.de

20.04.2017, Friedberg

Fachplanertag Brandschutz IngKH

Ingenieur-Akademie Hessen GmbH www.ingah.de

27. – 28.04.2017, Bad Ischl

8. Internationaler Holz[Bau]Physik Kongress: Planungsansätze in der Bauphysik – Schallschutz, Feuchteschutz und Brandschutz

Holzforschung Austria www.holzbauphysik-kongress.de

28. und 29.04.2017, Wien, AUSTRIA

21. Internationale Passivhaustagung: Passivhaus für alle

Passivhaus Institut Dr. Wolfgang Feist www.passiv.de

11. – 14.06.2017, Trondheim, Norway

NSB2017 – 11th Nordic Symposium on Building Physics

Norwegian University of Science and Technology (NTNU), SINTEF www.ntnu.edu/web/nsb2017

The Nordic Symposium on Building Physics (NSB) 2017 will focus on the energy and hygrothermal performance of buildings and constructions. Call for Papers 25. und 26.10.2017, Kaiserslautern

Bauphysik 39 (2017), Heft 1

Bauphysiktage Kaiserslautern 2017 – Bauphysik in TU Kaiserslautern Forschung und Praxis: Fachgebiet Bauphysik/ Energetische − Thermische Bauphysik Gebäudeoptimierung − Bauakustik/ Schallschutz www.bauphysiktage-kl.de − Raumakustik − Brandschutz − Feuchteschutz − Bauphysik und Tragwerksplanung − Bauphysik meets Facility Management − Behaglichkeit und Raumklima − Energieeffiziente Gebäude − Bauphysikalische Simulationsmethoden − Bauphysik und Sanierung

Ein Unternehmen der TU Dresden AG

Stellenangebote

Unter dem Motto â&#x20AC;&#x17E;Studiere Zukunftâ&#x20AC;&#x153; steigert die Beuth Hochschule fĂźr Technik Berlin systematisch ihre Leistungen in Lehre, Forschung und Weiterbildung. Ă&#x153;ber 12.000 Studierende werden in mehr als 70 akkreditierten Bachelor- und MasterstudiengĂ¤ngen an einem attraktiven Standort mit modernster Laborausstattung fĂźr eine Karriere in Wirtschaft und Wissenschaft ausgebildet. FĂźr das nachstehend aufgefĂźhrte Fachgebiet ist folgende unbefristete Stelle zu besetzen:

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Die Bewerberin/Der Bewerber mit einem Hochschulabschluss im Bauingenieurwesen besitzt hervorragende Kenntnisse und langjĂ¤hrige Berufserfahrungen in der Planung XQG .RQVWUXNWLRQ YRQ HQHUJLHHIĂ&#x153;]LHQWHQ XQG QDFKKDOWLJHQ %DXZHUNHQ 'DUĂ&#x2014;EHU KLQDXV verfĂźgt die Bewerberin/der Bewerber Ăźber sichere Kenntnisse auf den Gebieten der Tragwerksplanung und CAD. Vorzugweise sind zudem gute Kenntnisse in der Anwendung von BIM vorhanden. Es wird erwartet, dass die genannten Themengebiete, mit 6FKZHUSXQNW LP 8PZHOWLQJHQLHXUZHVHQ LQ /HKUH XQG )RUVFKXQJ PDÂşJHEOLFK YHUWUHWHQ und weiterentwickelt werden. Die Bereitschaft, auch Lehre in den GrundlagenfĂ¤chern (z. B. Technische Mechanik, Holzbau) zu Ăźbernehmen, wird vorausgesetzt.

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Wir bitten Sie, zusĂ¤tzlich zu Ihrer schriftlichen Bewerbung ein Onlineformular auszuIĂ&#x2014;OOHQ XQWHU ZZZ EHXWK KRFKVFKXOH GH SURIHVVXU +LHU Ă&#x153;QGHQ 6LH ZHLWHUH $QIRUGHUXQgen und Hinweise, insbesondere zu den Berufungsvoraussetzungen. Bewerbungen mit den Ăźblichen Unterlagen werden unter Angabe der Kennziffer innerhalb vier Wochen nach Erscheinen an die PrĂ¤sidentin der Beuth Hochschule fĂźr Technik Berlin, Luxemburger Str. 10, 13353 Berlin, erbeten. Originalunterlagen bitte nur auf besondere Anforderung einsenden.

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Das Online-Magazin fĂźr Bauingenieure www.momentum-magazin.de

Impressum Die Zeitschrift „Bauphysik“ veröffentlicht Beiträge aus den Bereichen Wärme, Feuchte, Schall, Brand, Stadtklima sowie energiesparendes Bauen und Raumklima mit besonderem Bezug auf die bauphysikalischen Grundlagen, auf innovative Lösungen bei Berechnung, Konstruktion und Ausführung und damit im Zusammenhang stehende Fragestellungen. Verlag: Wilhelm Ernst & Sohn – Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG Rotherstraße 21, D-10245 Berlin Tel. +49(0)30/47031-200, Fax +49(0)30/47031-270, info@ernst-und-sohn.de, www.ernst-und-sohn.de

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Alle Preise sind Nettopreise. Das Abonnement gilt zunächst für ein Jahr. Es kann jederzeit mit einer Frist von drei Monaten zum Ablauf des Bezugsjahresendes schriftlich gekündigt werden. Das Abonnement verlängert sich um ein weiteres Bezugsjahr ohne weitere schriftliche Mitteilung. Spezielle Angebote und Probeheftanforderungen unter: www.ernst-und-sohn.de

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Bauphysik 39 (2017), Heft 1

Vorschau 2/17 Zum Bild Westfassade der Klosterkirche St. Georg, aus Stierstorfer, J., Wellnitz, F., Steffens, O. (Foto: Johannes Stierstorfer)

Johannes Goeke, Felix Krükel Autarkie – Tendenzen der solarthermischen Selbstversorgung Sebastian Hauswaldt, Sven Kaudelka Schutzzielbetrachtung bei EPS-basierten Wärmedämmverbundsystemen (WDVS) bei Brandbeanspruchungen (Teil 2) Karin Wiesemeyer Vergleich der Berechnungsmethoden von VDI 2055, EN ISO 12241 und ASTM C 680 Roland Schreiner Energieeffizienzklassen der VDI 4610 – Beispiel Rohrdämmungen in der EnEV Günther Kain, Friedrich Idam, Florian Gschwandtner Der Wärmedurchgang bei Doppelfenstern – Konzept zur In-Situ-Bewertung historischer Konstruktionen Johannes Stierstorfer, Felix Wellnitz, Oliver Steffens Integrale Bauforschung und simulationsgestützte Analysen zur Wahrung historischer Bausubstanz am Beispiel der Asamkirche St. Georg zu Weltenburg Volker Brombacher, Franco Michel, Wolfram Scheiding, Marco Torres Uribe, Peter Niemz Untersuchungen zum Einfluss einer nachträglichen Wärmebehandlung auf das Dämmverhalten von Holzfaserplatten (Änderungen vorbehalten)

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