Gebäudekonzept

Das Gebäude

Das Plus-Energie-Bürohochhaus ist eines der 8 Gebäude am Standort Getreidemarkt, die im Zuge des Projekts TU Univercity 2015 saniert oder neu errichtet worden sind. Am Weg von einem Hochhaus der 70er-Jahre hin zu einem modernen Plus-Energie-Gebäude galt es mehrere Herausforderungen zu meistern.

Am östlichen Eck des Areals der TU Wien am Getreidemarkt befindet sich das Plus-Energie-Bürohochhaus. Es besteht im Wesentlichen aus zwei Bauteilen - einem vorgelagerten Gebäude und dem eigentlichen, elfstöckigen Hochhaus. Da man bei einem Neubau des Gebäudes aus rechtlichen Gründen nicht mehr so hoch wie zuvor hätte bauen dürfen, kam nur eine Sanierung in Frage.

Das Projektteam und die Umsetzung

Wie bei jedem anderen Bauprojekt gab es auch bei der Sanierung des Hochhauses die typischen Projektbeteiligten:

  • Eigentümerin: Bundesimmobiliengesellschaft (BIG)
  • Nutzerin: TU Wien Rektorat - TU Wien Gebäude und Technik (GuT)
  • Generalplanung: ARGE der Architekten Hiesmayr-Gallister-Kratochwil
  • Diverse Fachplanerinnen und Fachplaner im Generalplanerteam

Zusätzlich wurde das Team seitens der Wissenschaft und Forschung unterstützt durch:

  • Univ. Prof. DI Dr. Bednar - TU Wien Forschungsbereich für Bauphysik und Schallschutz
  • Schöberl & Pöll GmbH, Bauphysik und Forschung
  • Diverse Spezialistinnen und Spezialisten und Beratende

Durch die gute Kooperation zwischen allen Projektbeteiligten, deren Forschergeist sowie Innovationsdrang war es möglich, aus dem Hochhaus das weltweit erste Plus-Energie-Bürohochhaus zu entwickeln. Da dieses Projekt eine simultane, integrale Planung in einer agilen Umgebung erforderte, war Wissenstransfer und die Bewahrung des Überblicks essenziell - d.h. man benötigt intensive Kommunikation, andauernde Überzeugungsarbeit und proaktives Projektmanagement.

Ausgangssituation

Das ca. 55 m hohe Gebäude wurde in den 70er Jahren errichtet und wies einen dementsprechend hohen Energiebedarf von ca. 803 kWh/(m²BGF.a) auf (Primärenergie, nicht erneuerbar). Seine Nutzfläche von ungefähr 8.000 m² wurde einerseits mit dem Audimax (Hörsaal), einer Bibliothek, Büros und Labors genutzt.

Die Nutzerin war damals die Fakultät für Technische Chemie, wodurch sich der vormalige Spitzname "Chemiehochhaus" begründet hatte.

Ein Großteil der Räume wurde als Labors verwendet, welche eine entsprechend große Lüftungsanlage erforderten, die im obersten Geschoß des Gebäudes untergebracht war.

Istzustand nach der Sanierung

Im Zuge der Sanierung bekam das Gebäude eine neue Nutzerin - die Fakultät für Maschinenwesen und Betriebswissenschaften. Die vorherige Nutzerin ist mit ihren Labors in den neugebauten Lehartrakt gezogen.

Aus den ehemaligen Laborräumlichkeiten wurden Büros und anstelle der Lüftungsanlage befindet sich im 11. Obergeschoß nun der Veranstaltungssaal "TUtheSKY" mit traumhaftem Blick über Wien.

Im Zuge der Sanierung wurden alle Geschoße mit energieeffizienter Technik ausgestattet. Das Forschungsprojekt "Plus-Energie-Bürohochhaus" umfasst die Bürogeschoße und anteilsweise die Haustechnik, sowie den Serverraum im Keller (in der obigen Grafik grün hervorgehoben). Alle Diagramme und Erkenntnisse beziehen sich auf diesen Betrachtungsbereich.

Grundlagen und Definitionen

Ein Gebäude, das über das Jahr gesehen mehr Energie liefert, als es verbraucht ist ein Plus-Energie-Gebäude.

Klassischerweise versteht man bei dieser Definition unter "verbrauchter Energie" jene Energie, die das Gebäude für die Bereitstellung von grundlegenden Gebäudefunktionen (Heizung, Kühlung, Lüftung, Beleuchtung, etc.) benötigt und nicht die Energie, die durch die Nutzung des Gebäudes (Computer, Drucker, Telefonie, etc.) verbraucht wird.

Beim Plus-Energie-Bürohochhaus der TU Wien wird jedoch genügend Energie geliefert, um auch den Energieverbrauch, der durch die Nutzung entsteht, abzudecken ("erweiterte Definition"). Das Gebäude könnte demnach eigentlich als Plus-Plus-Energie-Gebäude bezeichnet werden.

Energieautonomie bzw. -autarkie

Dass das Plus-Energie-Bürohochhaus über das Jahr gesehen mehr Energie liefert, als es verbraucht, bedeutet nicht, dass es von externen Energiequellen unabhängig ist. Es verfügt sehr wohl über einen Anschluss an das elektrische Netz und auch an das Wiener Fernwärmenetz. Wenn die lokalen Energiequellen des Gebäudes zu einem Zeitpunkt weniger Energie zur Verfügung stellen als benötigt wird, so wird die fehlende Energie aus diesen Netzen bezogen. Wird jedoch von den Energiequellen mehr Energie zur Verfügung gestellt, so wird jene in das elektrische Netz am Standort eingespeist und von anderen Gebäuden der TU verbraucht.

Würde das Gebäude gänzlich unabhängig von Anschlüssen an externe Energiequellen sein, so würde es als energieautonomes bzw. -autarkes Gebäude bezeichnet werden. Auf das Plus-Energie-Bürohochhaus treffen diese Bezeichnungen demnach nicht zu.

Primärenergie

Für den Betrieb und die Nutzung eines Gebäudes werden unterschiedliche Formen von Energie benötigt, z.B. elektrische Energie (Strom) oder thermische Energie (Wärme). Um diese unterschiedlichen Energieformen untereinander vergleichen zu können, rechnet man sie auf die sogenannte Primärenergie um.

Die Primärenergie ist die Summe der Energien, die man benötigt um die Nutzerbedürfnisse zu befriedigen, die Verluste der Gebäudetechnik abzudecken, den Aufwand für den Transport und die Umwandlung abzudecken und die Förderung des Energieträgers aus seiner Quelle zu ermöglichen.

Man unterscheidet zwei Anteile der Primärenergie: den erneuerbaren und den nicht erneuerbaren. Für eine nachhaltige Energiezukunft ist es erforderlich den nicht erneuerbaren Anteil möglichst zu reduzieren. Alle auf dieser Homepage dargestellten Säulendiagramme verwenden den nicht erneuerbaren Anteil der Primärenergie als Einheit.

Die technische Herausforderung

Ein Gebäude mit einem Stockwerk zu einem Plus-Energie-Gebäude zu sanieren ist relativ einfach, da die vorhandenen Fassaden- und Dachflächen zumeist genügend Platz für z.B. eine Photovoltaik-Anlage bieten, die den Energieverbrauch des Stockwerks abdecken kann.

Hat man ein Gebäude mit zwei Stockwerken, so erhöht sich der Energieverbrauch und auch die Fassadenfläche, jedoch die Dachfläche bleibt gleich. D.h. es stehen dem Energieverbrauch spezifisch gesehen weniger Flächen für die Energiegewinnung gegenüber.

Je höher nun ein Gebäude ist, desto schwieriger wird es, genügend Energie am Gebäude zu gewinnen. Bei einem Hochhaus, wie dem 11-stöckigen Plus-Energie-Bürohochhaus am Getreidemarkt, stellt dies durchaus eine beträchtliche technische Herausforderung dar. Wie diese gelöst wurde, sehen Sie auf den Folgeseiten.

Energiekonzept

Das Plus-Energie-Bürohochhaus der TU Wien setzt ein integrales, innovatives Energiekonzept um, das Energieeffizienz neu definiert.

Ein modernes Gebäude, das den heutigen Nutzungsansprüchen gerecht werden soll, kann nur durch die gleichzeitige Umsetzung der folgenden beiden Maßnahmen im Plus-Energie-Standard errichtet werden:

  • die vorhandenen lokalen Energiequellen und -senken müssen identifiziert und erschlossen werden
  • der Energieverbrauch des Gebäudes muss mittels Steigerung der Energieeffizienz möglichst weit reduziert werden

Energiequellen und - senken

Das Plus-Energie-Bürohochhaus bedient sich verschiedener Energiequellen zur Gewinnung unterschiedlicher Arten von Energie.

Mittels der am Dach aufgeständerten und in die Fassade integrierten Photovoltaik-Anlage wird die Sonnenenergie direkt in elektrische Energie (Strom) umgewandelt. Eine kleinere Menge an elektrischer Energie wird über die Energierückgewinnung des Aufzugs gewonnen. Sollte der Energieertrag aus diesen beiden Quellen nicht ausreichen um den Strombedarf abzudecken, so bezieht das Gebäude die noch fehlende Energiemenge aus dem elektrischen Netz. Liegt jedoch der Energiebedarf unterhalb des Energieertrages, so wird der Überschuss zu den benachbarten Gebäuden der TU am Getreidemarkt transferiert und verbraucht.

Im Keller ist ein Serverraum untergebracht, dessen Abwärme in den kälteren Monaten zur Heizung des Gebäudes verwendet wird. Steht zu einem Zeitpunkt nicht genügend Serverabwärme zur Verfügung, so wird die noch fehlende Wärme (thermische Energie) aus dem Wiener Fernwärmenetz bezogen.

In den wärmeren Monaten kann die Serverabwärme nicht sinnvoll genutzt werden und muss in eine Energiesenke abgeführt werden: die Umgebungsluft, die mittels zweier Hybridkühltürme genutzt wird. Abhängig von der Temperatur der Umgebungsluft wird aus den Kühltürmen über eine hocheffiziente Kältemaschine indirekt oder mittels Free-Coolings direkt Kälte gewonnen. Die Kälte wird sowohl zur Kühlung des Serverraumes, als auch des Gebäudes an sich genutzt.

Darüber hinaus verfügt das Gebäude auch über eine Nachtlüftung, die einen wesentlichen Beitrag zur Kühlung des Gebäudes leistet. Sofern die Rahmenbedingungen stimmen, öffnen sich die Nachtlüftungsfenster und -klappen automatisch und lassen somit die kühle Nachtluft durch das Gebäude strömen. Für den Abzug der erwärmten Luft dienen die alten Lüftungsschächte, die vor der Sanierung für die Lüftungsanlage der Labors benötigt worden sind. Die Strömung der Nachtluft wird dabei rein über den thermischen Auftrieb bewirkt und erfordert deswegen keinerlei Hilfsenergie.

Energieeffizienz

Die lokalen Energiequellen, die zur Energiegewinnung zur Verfügung stehen, liefern eine begrenzte Menge an Energie. Damit jene Menge jedoch ausreicht, um den Energieverbrauch aller gewünschter Energiedienstleistungen abzudecken und um das übergeordnete Ziel "behagliches Raumklima" zu erreichen, muss die Energieeffizienz erhöht werden.

Durch die Reduktion von Wärmeverlusten bzw. -einträgen wird das Gebäude von der Umgebung entkoppelt. Dies wird über mehrere Maßnahmen sichergestellt:

  • extrem gute Dämmung und Luftdichtigkeit der Gebäudehülle
  • Verschattung mittels Jalousien
  • hocheffiziente Lüftungsanlage mit Wärme- und Feuchterückgewinnung
  • Dämmung von Rohrleitungen, Armaturen und Aggregaten

Darüber hinaus müssen die internen Lasten reduziert werden. Im Falle des Plus-Energie-Bürohochhauses wurde jede Komponente, die Energie verbraucht, untersucht und optimiert. Es kommen somit nur noch energieeffiziente Geräte zum Einsatz und zwar nur dann, wenn sie wirklich gebraucht werden. Dies betrifft alle Energieverbraucher im Gebäude - von den Computern über die Fluchtwegsbeleuchtug bis hin zur Kaffeemaschine. Insgesamt wurden ca. 9.300 Komponenten optimiert.

In das Gebäude ist intelligente Technik integriert - einerseits gut durchdachte, bedarfsgerecht operierende Systeme und andererseits intelligente Steuerungsalgorithmen, die diese Systeme ansteuern. Das Gebäude versucht automatisch in den Zustand zu gelangen, in dem es die geringste Energie verbraucht, lässt jedoch den Nutzerinnen und Nutzern auch die Möglichkeit, bestimmte Funktionen händisch zu übersteuern.

Die letzte wesentliche Maßnahme, die zur Steigerung der Energieeffizienz beiträgt, ist das Monitoring und der darauf basierende Optimierungsprozess. Der Gebäudebetrieb wird auch über die Inbetriebnahme hinaus (Nutzungsphase) beobachtet und mittels mehrerer Monitoringsysteme aufgezeichnet. Die Aufzeichnungen werden analysiert und fließen in einen Optimierungsprozess ein, der bis 3 Jahre nach der Inbetriebnahme andauert.

Energiebilanz

Die Umsetzung der zuvor genannten Maßnahmen resultiert in der folgenden Energiebilanz. Der Energieverbrauch ist dabei in zwei Kategorien unterteilt: in "Gebäude" und "Nutzung". Erstere umfasst alle Energiemengen, die benötigt werden um das Gebäude grundsätzlich nutzbar zu machen (Heizung, Kühlung, Beleuchtung, etc.) und zweitere beinhaltet tatsächlich den Energieverbrauch, der bei der Nutzung entsteht (Computer, Telefonie, Geräte in Sozialräumen, etc.).

Das Gebäude generiert ca. 5 kWh/(m²BGF.a) mehr Energie als sein Bürobereich insgesamt verbraucht, wodurch es der Definition eines Plus-Plus-Energie-Gebäudes entspricht.

Im Vergleich zu einem typischen Büroneubau verbraucht das Plus-Energie-Bürohochhaus nur ein Achtel und im Vergleich zum Energieverbrauch des Hochhauses vor der Sanierung sogar nur noch ein Vierzehntel.

Berücksichtigt man den Umstand, dass die TU Wien für ihre Forschungstätigkeiten auch noch einige Hochleistungsrechner benötigt, die in einem üblichen Bürogebäude nicht zu finden sind, so würde sich der Energieverbrauch von 56 kWh/(m²BGF.a) auf 108 kWh/(m²BGF.a) erhöhen. Da sich dieser zusätzliche Energieverbrauch in der Kategorie "Nutzung" befindet und der der Kategorie "Gebäude" praktisch gleich bleibt, würde dies immerhin noch der klassischen Definition eines Plus-Energie-Gebäudes entsprechen.

Nutzungskonzept

Der Schlüssel zum Plus-Energie-Standard ist ein entsprechendes Nutzungskonzept, das den Nutzerinnen und Nutzern kommuniziert und konsequent umgesetzt wird.

In etwa die Hälfte des Gesamtenergieverbrauchs eines Bürogebäudes ist durch die Nutzung bedingt.

Hinsichtlich einer nachhaltigen Energiezukunft ist es essenziell, zusätzlich zur Reduktion des Energieverbrauchs des Gebäudes auch auf der Seite der Nutzung Energie zu sparen.

Jedes Gebäude wird unterschiedlich genutzt und weist unterschiedliche Anforderungen auf. Es gibt kein Standard-Konzept, mit dem sich jedes Gebäude auf Plus-Energie-Standard bringen lässt, weswegen es gerade bei der Planung so wichtig ist, das Nutzungskonzept bereits vorab zu kennen.

Einbindung der Nutzerinnen und Nutzer

Das Nutzungskonzept muss die Frage "Wer nutzt wie welche Räumlichkeiten?" beantworten. Seine wesentlichen Elemente sind ein Raumbelegungsplan und die Erfassung der benötigten Energiedienstleistungen (z.B. Kommunikation, Durchführung von Simulationen, etc.). Hierfür sind die Bedürfnisse der Nutzerinnen und Nutzer zu erheben und es müssen die Optionen, wie man diesen Bedürfnissen entsprechen kann, bekannt sein. Mit diesem Wissen wird anschließend ein energetisch optimiertes, sinnvolles Nutzungskonzept erstellt.

Damit das erarbeitete Konzept nach seiner Umsetzung auch eingehalten wird, ist es erforderlich, dass die Nutzerinnen und Nutzer von der Vision "Plus-Energie-Gebäude" überzeugt werden und Maßnahmen zur Bewusstseinsbildung umgesetzt werden.

Durch ein entsprechendes Nutzungskonzept und den Einsatz von energieeffizienter Technologie erspart man sich nicht nur die Kosten für den Energieverbrauch, sondern man kann verschiedenste haustechnische Anlagen, wie z.B. das Kühlsystem, kleiner dimensionieren.

Ein Bürogerät oder eine haustechnische Komponente, die auf den ersten Blick nur elektrische Energie verbraucht, hat auch eine Auswirkung auf das Klima im Gebäude. Praktisch jede Kilowattstunde, die von einem Gerät verbraucht wird, landet schlussendlich in Form von thermischer Energie im Gebäude und erhöht somit dessen Temperatur. Dies fällt vor allem in den Sommermonaten ins Gewicht, da sowohl Kosten für die Energie an sich anfallen, als auch Kosten für das Wegkühlen.

Beispiel (IT-)Infrastruktur

Die detailliert aufgeschlüsselte Grafik zeigt, dass sich die Gebäudenutzng zu großen Teilen aus der Kommunikations- und IT-Infrastruktur zusammensetzt.

Das Nutzungskonzept sieht in diesem Bereich vor, dass in den Büros nur noch höchsteffiziente Computer und Bildschirme zum Einsatz kommen, die für den Bürobetrieb optimiert sind. Die rechenintensiven Vorgänge werden auf Server im Serverraum ausgelagert.

Durch die Ballung der Rechenleistungen an einem Ort, lässt sich die anfallende Wärme effizient wegkühlen oder in den kälteren Monaten zum Heizen nutzen.

Das Auslagern der rechenintensiven Vorgänge in den Serverraum erfordert kompetente IT-Lösungen, bei deren Planung die Nutzerinnen und Nutzer einzubinden sind.
 

Fazit

Wie errichtet man ein (Plus-)Plus-Energie-Bürohochhaus?

1. Nutzung lokaler (erneuerbarer) Ressourcen

  • Sonne, Umgebung, etc.
  • über den Tellerrand schauen, um unerwartete Energiequellen zu finden

2. Steigerung der Energieeffizienz

  • Minimierung des Bedarfs an elektrischer Energie
  • Minimierung des Heizwärme- und Kühlbedarfs
  • Nutzerinnen und Nutzer einschulen und von der Vision „Plus-Energie“ überzeugen

3. simultane, integrale Planung

  • regelmäßiger, intensiver Austausch zwischen allen Projektpartnern sowie den Nutzenden während der Planung, Umsetzung und Nutzung