Mit Massivbau klimagerecht bauen – die Bedeutung der thermischen Speichermasse

Für unsere Vorfahren war es ganz selbstverständlich, ihre Kleidung der Jahreszeit und den klimatischen Rahmenbedingungen anzupassen, ihre Gebäude über Jahrhunderte aus Ziegel oder Stein zu errichten und deren Konstruktion der jeweiligen regionalen Fertigkeit und dem Regelwerk des Handwerks anzupassen. Ermöglicht durch die Explosion neuartiger und effizienterer Herstellungsmethoden zu Beginn des Industriezeitalters, in dessen Folge die „Moderne“ entstehen konnte und damit verbunden die Entwicklung und Produktion neuer Baustoffe, scheint diese dem Bauen so immanente Gesetzmäßigkeit keine Gültigkeit mehr zu besitzen. Glas und Stahl (Eisen), Materialien, die zunächst dem Ingenieurbau, einem Antipoden der Architektur, vorbehalten waren, wechselten das Lager.

Über einen historisch sehr überschaubaren Zeitraum von wenigen Jahrzehnten waren die Architekten seit der Mitte des letzten Jahrhunderts dieser Tradition entbunden. Nunmehr konnten Gebäude losgelöst von konstruktiver und materieller Sinnhaftigkeit geplant und errichtet werden. In den nachfolgenden Dekaden wurde die einst permeable Membran zwischen Innen- und Außenraum Schritt für Schritt durch eine luftdichte Versiegelung ersetzt. In der Folge entstanden luftig-leicht erscheinende Bauten, ganzgläsern, außen wie innen, mit sogenannten Trockenwänden und mit niedrigen Raum- und Geschoßhöhen bei gleichzeitig scheinbar beliebig großen Gebäudetiefen.

Wieviel Technik braucht das Haus?

Der bis in die junge Vergangenheit ungebrochene Glaube an den Fortschritt und den Vorsprung durch technische Gebäudeausrüstung war prägend für einen Komfortbegriff, der im Wesentlichen zwei Ziele verfolgte: Vollautomatisierung und Vollklimatisierung. Komplexere energetische und ökologische Fragen waren dabei zunächst nicht nur nicht von Relevanz, sie wurden schlichtweg nicht einmal gestellt.

Dem Haus als Maschine setzt BEA Berlin das Haus mit Atmosphäre entgegen. Seit unser Büro vor fünf Jahren das Haus BE 2226 im Vorarlberg errichtete, ist ein Paradigmenwechsel in Gang gekommen. Anstelle der Frage, welche Gebäudetechnik die Richtige ist, stellt sich die viel grundsätzlichere Frage, ob sie überhaupt erforderlich ist. Das Ziel war es, ein Höchstmaß an Gebäudeselbstregulierung zu erreichen. Zusammen mit der weitgehenden Reduktion der Gebäudetechnik ermöglicht sie ein Maximum an Nutzungs- und Bedienungskomfort. Gleichzeitig konnten wir zu unserer Freude feststellen, dass es im Wesentlichen architektonisch-gestalterische Überlegungen sind, die Einfluss auf die Selbstregulierung eines Gebäudes haben, weit weniger gebäude- bzw. haustechnische Fragen.

Speicherfähigkeit der Bauteile

Es ist bekannt, dass in traditionellen Gebäuden mit dicken, massiven Wänden die Außentemperaturschwankungen kaum wahrgenommen werden. Es ist ebenso bekannt, dass konventionelle U-Wert-Beschreibungen allein den Wärmestromwiderstand berücksichtigen, aber nicht die Speichereigenschaften (Wärmekapizität) eines Bauteils. Dabei wird die Geschwindigkeit des Wärmestroms mit wachsender Wärmekapazität reduziert. Die „richtige“ Kombination eines hohen Wärmewiderstands mit einer hohen Wärmekapazität ist entscheidend für die Wärmetransmission.

Hinzu kommt, dass die Temperaturleitfähigkeit einer homogenen Wand quadratisch mit der Stärke der Wand wächst. Die Oberflächentemperaturschwankung einer 75 cm starken Außenwand beträgt nur ein Zehntel einer üblichen Außenwand. Anders ausgedrückt: Dicke Außenwände sind sehr träge und wirken wie ein Tiefpassfilter, der kurzfristige Temperaturschwankungen, die zum Beispiel beim Öffnen der Fenster zu Lüftungszwecken entstehen können, nahezu völlig ausgleicht.

Für die Planung nachhaltiger, heizungs-, lüftungs- und wärmetechnisch reduzierter Gebäude bedeutet dies zunächst die Ausbildung einer raumwirksamen Aktivierung von möglichst viel Speichermasse.

Die weitaus größten Speichermassen eines Hauses bilden immer die Decken, sofern sie in Stahlbeton ausgeführt sind. Je mehr sie nach unten (als Decke) und nach oben (als Boden) frei liegen, umso besser und sinnvoller können sie zur Gebäudeselbstregulierung verwendet werden. Dieser Forderung widersprechen zwei andere bekannte Anforderungen an Decke und Boden: die Abhängung bzw. Aufständerung. Beides dient in der Regel dem Kaschieren von Leitungsführungen und akustischen Absorptionsanforderungen. Schallabsorption der Decke sollte daher durch luftumspülte, die direkte Beziehung zum Beton nicht einschränkende Elemente aktiviert werden, zum Beispiel durch Stellwände, Raumteilungen usw. Aufgeständerte Böden hingegen sind in möglichst schweren Qualitäten, zum Beispiel einem Anhydritestrich, auszuführen. Unterstützt werden soll dies durch innenliegende, massive Wandflächen insbesondere im Bereich der Kerne und, wenn möglich, durch tragende Wandelemente. Ideal sind stützenlose Konstruktionen, wobei alle Tragfunktionen von tragfähigen Wänden übernommen werden.

Als zweites wächst der Speicherfähigkeit der Gebäudehülle eine entscheidende Rolle zu. Voraussetzung hierfür ist zunächst eine optimierte Geometrie der Gebäudehülle, die sich in einem Zahlenverhältnis zur Bruttogeschossfläche und zur Nutzfläche abbildet.

Speicherfähigkeit der Baustoffe

BE 2226 und inzwischen eine Reihe weiterer Häuser sind in Mauerziegel errichtet. Neben seiner Werthaltigkeit und seinen einfachen, dem Handwerk bekannten Schichten- und Fügungsregeln verfügt der Mauerziegel über spezifisch technische und bauphysikalische Eigenschaften, die ihn als besonders geeigneten Baustoff qualifizieren. Seine Tragfähigkeit kann aufgrund unterschiedlicher Druckfestigkeiten exakt den jeweiligen statischen Anforderungen angepasst werden – einerseits. Andererseits variiert die Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit zur Druckfestigkeit und Materialstärke. Wir haben uns beide Eigenschaften zunutze gemacht. Zwei Poroton-­Ziegelreihen nebeneinander bilden zusammen die Außenwand. Die innere dient der Lastabtragung der Geschossdecken und übernimmt im Wesentlichen die Speicherfunktion; die äußere, luftigere, übernimmt überwiegend die Funktion der Reduktion des Wärmestroms. Beide zusammen wirken als monolithisches Bauteil. Bauphysikalische und konstruktive Nachteile, wie sie in der Regel an der Schnittstelle zwischen zwei Bauteilen auftreten, werden dadurch vermieden.

Schlüsselrolle Fensteröffnung

Damit die Speichermasse im richtigen Maße aktiviert werden kann, d. h. sich Boden und Decken im Winter erwärmen und im Sommer abkühlen können, bedarf es der sorgfältigen Planung weiterer Faktoren. Dabei erhalten die Fenster eine Schlüsselrolle. Energetisch betrachtet ermöglichen sie es, dass Energie in Form elektromagnetischer Strahlung auf Oberflächen im Inneren treffen kann und dort gestreut, absorbiert oder reflektiert wird. Bei einem Glasanteil zwischen 16 und 18 % bezogen auf die belichtete Bodenfläche sollten sie raumhoch ausgebildet sein, d. h. ohne Sturz an die Unterkante der Decke anschließen. Eine gleichmäßige Anordnung der Fenster über die Fassade schafft eine ebenso gleichmäßige Lichtverteilung im Innern. Erreicht wird hierdurch nicht nur eine optimale Tageslichtausnutzung, es ermöglicht auch den besten und schnellsten Luft-austausch zwischen Innen- und Außenraum.

Die geometrische Position des Fensters an der Innenkante der Außenwand sorgt für die größtmögliche Eigenverschattung der Fensterflächen. Auf zusätzliche Bauteile wie Markisen, Schiebeelemente oder Jalousien zur Einhaltung des sommerlichen Wärmeschutzes kann verzichtet werden. Das tief liegende Fenster erfordert jedoch eine besondere Ausbildung der Einbausituation und der Auswahl des Materials. Um eine möglichst gute Lichtverteilung im Innenraum zu erreichen, sollten seine Oberflächen hell sein, mit hohen Reflexionsgraden von 70 %. Die lichte Raumhöhe sollte 3 m nicht unterschreiten.

Raumkomfort und Luftqualität

Ein weiterer Effekt massiver Mauerwände besteht darin, dass sie neben Wärme und Kühle auch Luftfeuchtigkeit, d. h. Wasser, speichern und dies wiederum an die Raumluft abgeben können. Weil die Behaglichkeit eines Raums in hohem Maße von der Raumlufttemperatur, der Strahlungstemperatur, der Luftgeschwindigkeit und der Luftfeuchtigkeit abhängt, wächst diesem Aspekt eine besondere Bedeutung zu. Im BE 2226 hat sich gezeigt, dass die Luftfeuchtigkeit aufgrund der hohen Speichermasse der Außenwand in Kombination mit einem Putz aus gelöschtem Kalk selbst im Winter nicht unter 40 % abfällt. Luft ist unser Hauptnahrungsmittel, wir atmen täglich 18 kg Luft ein. Das ist mehr als wir in einer Woche an fester Nahrung einnehmen. Eine hohe Luftqualität ist daher entscheidend für die Gesundheit des Menschen und die Luftfeuchtigkeit, gemessen wird der Prozentanteil des Wasserdampfs am Gasgemisch der Luft, spielt neben der Luftreinheit, gemessen werden die CO₂-Anteile in ppm, hierbei eine wesentliche Rolle.

Mit der Konstruktion von luftdichten Gebäudehüllen übernimmt die Architektur eine noch größere Mitverantwortung für die Qualität der Innenluft. Durch die höheren Räume können Lüftungsbedarf und -frequenz je Nutzer reduziert werden. Weil bei massiven Bauteilen die Wärmekapazität der Luft nur ein Hundertstel beispielsweise derjenigen der Decke beträgt, wirkt sich auch ein kurzzeitiger großer Temperaturwechsel der Innenluft nur geringfügig auf das Gebäude insgesamt aus. Nach kurzer Zeit gleicht sich die Lufttemperatur des Innenraumes derjenigen des Gebäudes wieder an. Wenn aber, wie bei herkömmlichen Gebäuden, nicht die Speichermassen von Wänden und Decken, sondern die Luft selbst als primärer Wärmeträger dient und gegen frische Luft ausgetauscht werden muss, entsteht ein Wärmeaustauschkarussell mit unvermeidlichen Energieverlusten.

Ebenfalls positiv wirkt sich bei hohen Räumen aus, dass sich die CO₂-Konzentration nicht gleichmäßig im Raum verteilt, sondern so verhält wie warme Luft, d. h. sie ist am höchsten in Deckennähe und steigt dem gegenüber im Aufenthaltsbereich des Nutzers nur langsam an. Dabei kommen sensorgesteuerte, schallgedämmte Lüftungsklappen zum Einsatz. Sie gewährleisten die natürliche Belüftung auch bei kleinteiliger Raumaufteilung. Entscheidend hierfür ist der Einsatz entsprechender Software, die mittels präzise angeordneter Sensoren in jedem Raum und einer Wetterstation auf dem Dach sämtliche Qualitätsparameter wie Außen- und Innentemperatur, CO₂-Konzentration und Luftfeuchtigkeit dynamisch erfassen und die entsprechenden Lüftungsklappen ansteuern kann. Verschiedene Backup-Systeme im Sommer, andere als im Winter, unterstützen sie dabei. Die Gebäudemasse selbst übernimmt dabei wie ein Akkumulator die Aufgabe der Speicherung und Entladung von Energie.

Energiebilanz im Lebenszyklus

Neue Berechnungen zeigen, dass die Gesamt­energiebilanzen (CO₂-Tonnen-Äquivalente über den Zeitraum seiner Herstellung, Instandhaltung einschließlich des End-of-Life-Zeitpunktes) eines Massivbaus (Mauerwerk) und eines Holzbaus (Holzständerwerk) nahezu gleich sind, wenn die Vorteile der thermischen Speicherfähigkeit eines Gebäudes mit in die Betrachtungen und Bewertungen einbezogen wird. Der Zielwert, der durch den richtigen Gebrauch eines optimierten Bauwerks mit hoher thermischer Speichermasse erreicht werden kann und sollte, liegt bei ungefähr 40 kW/m²a und schließt alle notwendigen Energien zur Nutzung des Gebäudes ein.

Viel ausschlaggebender für die Energiebilanz eines Gebäudes ist jedoch nach wie vor das Verhalten des Nutzers und zwar unabhängig, ob es sich um einen hoch wärmeisolierten Leichtbau oder einen Massivbau mit hoher Wärmekapazität und hohem Wärmestromwiderstand handelt. Wir sind geprägt von Gewohnheiten und einer gewissen Trägheit, auch im Umdenken automatisierter Verhaltensmuster. An dieser Stelle ist jeder von uns gefordert, Verantwortung zu übernehmen in seinem konkreten Alltag.

Im BE 2226 übernimmt eine Software die Steuerung des Gebäudes. Jedem, der sich darin aufhält, ist es möglich, die Fenster elektrisch zu öffnen oder zu schließen, sollte er das Bedürfnis nach Frischluft oder Temperaturausgleich verspüren. Nach kurzer Zeit jedoch greift die Steuerung selbständig und kaum wahrnehmbar ein und korrigiert den menschlichen Eingriff.