Robustes Raumklima

300 Seiten Forschungsbericht liest kein Mensch  –  so der Titel des Interviews mit Florian Nagler, das im Oktober 2020 in der DBZ erschien. Schon damals wurde es deshalb als Glücksfall beschrieben, dass die Ergebnisse seines Forschungsprojekts mit dem Bauherrn B&O direkt in ein tatsächliches Bauprojekt übertragen werden konnten: die Forschungshäuser in Bad Aibling.

Seit Herbst 2020 sind die drei Gebäude aus Holz, Mauerwerk und Leichtbeton fertig und inzwischen vermietet. Die Messungen der TU München zu den ­Außenwänden, zum Raumklima und zum Energieverbrauch sollen die Simulationswerte in der Praxis prüfen und nachschärfen. Die Forschung wird durch ZukunftBau gefördert.

In diesem Oktober erschien nun die projektbegleitende Dokumentation „Einfach Bauen – ein Leitfaden“ im Birkhäuser Verlag (ISBN 978-3-0356-2463-2), welche die gewonnenen Erkenntnisse zusammenfasst. Die folgenden Auszüge beschäftigen sich mit den Ur-Themen von Architektur: Konstruktion, Fassade und Material.

Materialgerechte Konstruktion

Lärm, Regen, Wind, Kälte oder Hitze – die Außenwand schützt uns vor unangenehmen Umwelteinflüssen. Gleichzeitig ist die Außenwand meist Teil des Tragwerks und bestimmt als Fassade die Gestalt des Hauses im Stadtbild. Vor allem bei den Dämmeigenschaften sind die Anforderungen in den vergangenen Jahren immer weiter gestiegen. Deshalb werden Außenwände häufig aus mehreren Schichten konstruiert, die Unterschiedliches leisten.

Üblicherweise bildet eine Schicht aus Mauerwerk, Stahlbeton oder Holz das Tragwerk und sorgt mit ihrer Masse für Schallschutz und thermische Trägheit. Die in der Regel außen angebrachte Schicht aus Dämmstoffen garantiert die Wärmeisolation der Außenwand. Den Abschluss bildet die Fassade als Gestaltungselement und wetterabweisende Schicht. Wir sprechen hier von einer Strategie der Materialschichtung.

Eine andere Strategie sind Materialmischungen. Der Baustoffhandel bietet viele Mauersteine mit einer Füllung aus Dämmstoffen an. Ergänzt werden sie durch Sonderbauteile wie gedämmte Fens­terstürze oder Sondersteine, die zum Beispiel entlang des Auflagers der Decken zum Einsatz kommen.

Häufig werden heute beide Strategien in Kombination verfolgt. Macht man sich nun Gedanken über die weitere Zukunft der Gebäude, stellen sich Fragen: Welcher Instandhaltungsaufwand entsteht, wenn einzelne Schichten das Ende ihrer Lebensdauer erreicht haben? Sind Ersatzteile für das Gebäude auch zukünftig verfügbar? Kann ich die Teile des Gebäudes wiederverwenden oder Materialmischungen wieder voneinander trennen? Ganz allgemein: Wie steht es um die Nachhaltigkeit?

Unter der Devise „Einfach Bauen“ werden deshalb folgende Ziele verfolgt:

– Wenige Bauteilschichten

– sortenreine Verwendung mineralischer oder nachwachsender Rohstoffe

– Bauteile, den Eigenschaften des Materials folgend, zu robusten und langlebigen Konstruktionen fügen

Die drei Forschungshäuser in Bad Aibling sind in monolithischer Bauweise in Holz, Mauerwerk und Leichtbeton ausgeführt.

In Grafik 1 (rechte Seite unten) sind die Fügungen der Bauteile Außenwand, Fenstersturz und Decke dargestellt. Links sind heute übliche Konstruktio­nen platziert. Rechts daneben sind die einfachen Konstruk­tionen gegenübergestellt, welche für die Forschungshäuser in Bad Aibling entwickelt und ­angewendet wurden.

Besondere Materialien und eine Konstruktion, die den Eigenschaften des Materials folgt, machen diese Vereinfachung möglich. Die verschiedenen Fensterformen ergeben sich aus den jeweiligen spezifischen Möglichkeiten des Materials, die Fens­teröffnung zu überspannen.

Bei der Fassade aus Massivholz ist es ohne Weiteres möglich, eine rechteckige Fensteröffnung herzustellen, da die Holzfasern als Träger wirken. Die Wand aus Infraleichtbeton ist ohne Stahl gebaut. Auf diesen konnte aufgrund der materialgerechten Statik des Gebäudes verzichtet werden. Das ist sowohl ökonomisch als auch ökologisch sinnvoll, da der Stahl zwar nur ca. 5 – 15 % der Masse ausmacht, aber für einen großen Teil der Kosten und der Umweltwirkung verantwortlich ist. Beton ist sehr gut auf Druck belastbar, aber ohne Stahl nicht sehr zugfest. Ein gerader Sturz bekäme ohne Stahlbewehrung also schnell Risse. Die Öffnung wird deshalb mit einem Rundbogen überspannt. Auch bei dem Mauerwerk wurde auf stahlverstärkte Sonderbauteile verzichtet. Durch einen gemauerten Segmentbogen kann auch hier die Fensteröffnung überbrückt werden.

Fenster

Am Übergang von Innen- zu Außenraum spielt das Fenster eine entscheidende Rolle. Der Blick nach draußen oder die Möglichkeit zu lüften, sind bei fast jedem Fenster gegeben. Die Tageslichtversorgung ist dagegen vor allem von drei Faktoren abhängig: von der Größe des Fensters, der Glasart und der Einbausituation.

Dabei stehen vor allem die Größe und die Glasart in direktem Zusammenhang. Der Vergleich in Grafik 2 (Folgeseite oben) stellt die Gesamtbilanz typischer Glasarten für einen Tag-Nacht-Zyklus dar. Dabei werden sämtliche Energiegewinne und -verluste über diese Zeit betrachtet. Es wurde davon ausgegangen, dass das Fenster nach Süden zeigt, im Raum eine Temperatur von 22 °C und eine Außentemperatur von 0,7 °C herrscht. Der Wert für die Sonneneinstrahlung ist ein empirisch ermittelter typischer Wert für den Monat Dezember.

In der Tabelle werden sowohl Verglasungen aus zwei separaten, hintereinander angeordneten Scheiben, wie man sie in Altbauten heute noch häufig antreffen kann, nach ihren energetischen Eigenschaften betrachtet als auch die vier heute gebräuchlichsten Isolierverglasungen. Die Sonnenschutzgläser sind zusätzlich mit einer Beschichtung versehen, welche Anteile der Sonnenstrahlung reflektiert.

Wie viel Licht im Raum ankommt, hängt von der Beschaffenheit des Fensterglases ab. 3-Scheiben-Isolierglas lässt 71 % des sichtbaren Lichtes durch. Bei 3-Scheiben-Sonnenschutzglas sind es lediglich 36 %, der übrige Teil wird von der aufgebrachten Beschichtung reflektiert.

Je nach Glasart muss also die Fläche entsprechend gewählt werden, um zu erreichen, dass der Raum ausreichend Tageslicht erhält. Bei Sonnenschutzglas muss das Fenster deshalb etwa doppelt so groß sein, um den Raum mit der gleichen Tageslichtmenge versorgen zu können.

Solare Gewinne und Verluste

Gleichzeitig hat die Wahl des Glases aber auch Auswirkungen auf dessen energetische Bilanz. Der Energieaustausch findet bei Fenstern auf zwei Wegen statt. Erstens werden das Tageslicht und die Wärmestrahlung der Sonne als Wärmeenergie in den Raum eingetragen. Man spricht hierbei von solaren Gewinnen (Qs). Zweitens findet ein Wärmeaustausch über das Fenster statt, wenn innen und außen unterschiedliche Temperaturen herrschen. Dies bezeichnet man als Transmissionswärmeverluste (Qt). Dieser Effekt ist im Winter besonders groß. Beide Effekte, also solare Gewinne und Wärmeverluste über das Glas, finden dabei gleichzeitig statt.

Die Verglasung, die aus zwei separaten, hinter­einander angeordneten Scheiben besteht, hat eine negative Energiebilanz. Die Wärmeverluste (3 034 Wh) sind also größer als die solaren Gewinne (1 115 Wh). Dem Raum müssen deshalb täglich 1 919 Wh zugeführt werden. Anderenfalls würde die Innenraumtemperatur absinken. Das entspricht ungefähr der Energie, die eine Mikrowelle mit einer Leistung von 2000 W in einem einstündigen Dauerbetrieb verbraucht.

Die Isoliergläser haben eine bessere Energie­bilanz. Die Verglasung mit zwei Scheiben benötigt 144 Wh, die Verglasung mit drei Scheiben erreicht sogar ein Plus von 72 Wh, gewinnt also insgesamt Energie.

Erstaunlich schlecht ist das Ergebnis bei den Sonnenschutzgläsern. Das 3-Scheiben-Glas produziert einen Verlust von 792 Wh. Das 2-Scheiben-Sonnenschutzglas ist mit einem Verlust von 1  815  Wh sogar fast so schlecht wie die Altbau-Verglasung.

Das liegt zum einen daran, dass die Sonnenschutzgläser jeweils mehr als doppelt so groß sind, um die Tageslichtversorgung erreichen zu können, und dadurch eben auch mehr Wärmeverluste haben. Den größten Anteil an der schlechten Performance hat aber die Sonnenschutzbeschichtung, welche die solaren Gewinne reduziert.

Für die Forschungsgebäude wurden durchgängig 3-Scheiben-Isoliergläser eingesetzt. Die Dreifachverglasung lässt 71 % des sichtbaren Anteils der solaren Strahlung passieren. Entsprechend beträgt der Anteil der Glasfläche in Bezug zur jeweiligen Raumgröße zwischen 12 und 16 % in den Räumen der Wohnungen und 9 % im Treppenraum. Dadurch ist der solare Wärmeeintrag im Sommer nicht sehr hoch, weil die Fenster nur so groß sind, wie es für eine angemessene Versorgung mit Tageslicht notwendig ist. Die Fenster sind auf die Innenseite der Wand gesetzt. Die Laibung wirft einen Schatten auf die Fenster und reduziert so den Wärmeeintrag zusätzlich.

Die Himmelsrichtung spielt bei der Tageslichtversorgung keine entscheidende Rolle. An trüben Tagen, wenn die Tageslichtversorgung besonders kritisch ist, beträgt der diffuse Anteil des Sonnenlichtes nahezu 100 %. Die Himmelsrichtung hat in diesem Fall also keinen Einfluss.

Thermische Trägheit

Gebäude mit einer hohen Masse verhalten sich thermisch träge. Jeder kennt Orte wie Kirchen oder Kellerräume, die auch im Sommer kühl bleiben.

Luft hingegen ist das genaue Gegenteil eines trägen Bauteils. Wenig Energie, und zwar 18 Wh, reicht, um die Luft in einem Raum mit einem Volumen von 55 m³ um 1 °C zu erwärmen. Das entspricht der Wärme, die zwei Personen in fünf Minuten abgeben oder die Mittagssonne durch ein normales Südfenster innerhalb von fünf Minuten einträgt.

Gäbe es die thermische Trägheit des Gebäudes nicht, würde es im Innenraum schnell sehr warm werden. Man kann sich das Gebäude wie eine thermische Batterie vorstellen, die die Temperatur der Raumluft immer wieder ausgleichen kann. Die Kapazität dieser Batterie ist abhängig von der Bauweise des Gebäudes. Leichte Bauweisen haben pro Raum eine Kapazität von 2 500 Wh/K, schwere Bauweisen sogar von 5 500 Wh/K. Das bedeutet, dass man 2,5 bis 5,5 kWh braucht, um alle den Raum umschließenden Bauteile um 1 °C zu erwärmen.

Beobachten wir die Wirkung dieser Batterie an einem Sommertag: Immer wenn die Temperatur im Raum um 1 °C steigt, kühlen Decke und Wände die Raumluft wieder ab. Je nach Bau­weise wird dieser Zyklus 140- bis 300-mal durchlaufen, bevor die Temperatur der Decken und Wände um 1 °C gestiegen ist. Die Batterie funktioniert weiter, das gesamte System ist allerdings ab jetzt um 1 °C ­erwärmt.

In der darauffolgenden Nacht kehrt sich der ­Energiefluss um. Wenn kühlere Nachtluft in den Raum gelangt, kühlen Decken und Wände sich wieder ab. Die Batterie ist für den nächsten Sommertag geladen.

Der Vergleich mit einer Batterie hilft auch bei der Überlegung, wie groß die thermische Trägheit eines Gebäudes sinnvollerweise sein soll. Eine kleine Batterie reicht, wenn diese nicht zu sehr beansprucht und regelmäßig aufgeladen wird. Ist der Raum also vor der Sonne geschützt oder die Nachtentwärmung wird immer konsequent betrieben, reicht eine leichte Bauweise. Ist mit viel Sonne zu rechnen oder möchte man, dass die thermische Trägheit auch ohne Nachtentwärmung mehrere Tage hintereinander wirksam bleibt, ist es sinnvoll, eine große Batterie zu besitzen, also viel thermisch träge Masse im Haus zu haben.

Durch Einrichtung und Möbel werden die Effekte der thermischen Trägheit in ihrer Wirkung verlangsamt, weil das Mobiliar die Flächen abdeckt und dadurch den Austausch zwischen Wänden und Boden mit der Raumluft reduziert. Im bewohnten Zustand hat deshalb die Decke den größten Einfluss.

Wenn sich die Raumluft besonders schnell erwärmt, wirkt auch noch ein weiterer Effekt. Die von uns wahrgenommene Temperatur ist nämlich nicht nur abhängig von der uns umgebenden Luft, sondern auch von der Temperatur der uns umgebenden Oberflächen. Das bedeutet, solange die Temperatur der uns umgebenden Oberflächen, wie Wände und Decken, konstant bleibt, empfinden wir die Erwärmung der Raumluft als weniger unangenehm. Der Fachbegriff dafür ist operative Temperatur. Diese wird aus dem Mittelwert aus Lufttemperatur und Strahlungstemperatur der umgebenden Oberflächen ermittelt.

Auch das fünf-minütige Stoßlüften im Winter funktioniert in Räumen mit viel thermischer Trägheit gut. Kurze Zeit nachdem wir das Fens­ter wieder geschlossen haben, empfinden wir den Raum als angenehm warm, obwohl fast die gesamte verbrauchte Raumluft durch kühlere Außenluft ersetzt wurde. Die operative Temperatur ist nur geringfügig gefallen, die Bauteile werden die Raumluft bald wieder erwärmt haben.

Alle drei Forschungshäuser haben eine Decke aus Stahlbeton. Die tragenden Innenwände sind je nach Bauweise aus Beton, massivem Holz oder Vollziegeln. Dadurch ergibt sich eine hohe thermische Trägheit, das System wird robust. Das Betonhaus hat die größte Speichermasse mit 5 600 Wh/K je Raum, das entspricht dem 300-fachen der umschlossenen Luft. Aber auch das Holzhaus mit 3 300 Wh/K je Raum fällt noch in die Kategorie schwere Bauweise. Das Mauerwerkshaus liegt mit 4 400 Wh/K je Raum fast genau dazwischen.

Ein weiterer Baustein zur Nutzung der thermischen Trägheit der Bauteile ist die Möglichkeit einer effektiven Lüftung während kühler Sommernächte. Dadurch, dass in fast allen Wohnungen mehrere Fenster zu verschiedenen Gebäudeseiten vorhanden sind, kann quergelüftet werden. Das funktioniert deshalb besonders gut, weil schon leichte Winde dafür sorgen, dass eine gute Lüftung in der Wohnung stattfindet. Eine weitere Maßnahme, um die Nachtlüftung effektiv zu ermöglichen, ist der Einsatz von Schwingfens­tern. Dabei hat das Fenster seinen Drehpunkt mittig. Schon in der minimalen Kippstellung findet ein guter Luftaustausch statt, da sich jeweils oben und unten eine Öffnung ergibt. Die warme Luft kann oben entweichen und die kühle Nachtluft unten nachströmen.

Für eine typische Augustwoche haben wir das Innenraumklima in einer nach Osten orientierten 1-Zimmer-Wohnung simuliert. Die Ergebnisse sind in Grafik 3 (s. o.) dargestellt. Die drei Linien stellen die Außentemperatur, die Raumlufttemperatur und die Strahlungstemperatur dar. Die Außentemperaturen lagen zwischen fast 30 °C am Mittwochnachmittag und ca. 6 °C in der Nacht zum Freitag. Es ist zu erkennen, dass sich die Raumlufttemperatur immer morgens, wenn die Sonne direkt auf der Ostseite steht, erhöht. Die Strahlungstemperatur, also die gemittelte Temperatur aller Oberflächen des Raumes, bleibt hingegen nahezu konstant. Die Simulationen belegen gut, wie die thermische Trägheit der Bauteile ausgleichend auf das Raumklima wirkt. Man kann gespannt sein, ob sich diese Effekte auch in den Messergebnissen der Gebäude zeigen.

Im Frühjahr 2023, nach Abschluss und Auswertung der Messungen in den Forschungshäusern, werden wir die Ergebnisse auf einfach-bauen.net publizieren. Eine auf die Kerninhalte fokussierte Kurzversion des Leitfadens ist dort jetzt schon unter dem Menüpunkt Downloads frei verfügbar.