Forschungsbericht - LifeCycle Tower

Lifecycle Tower
Haus der Zukunft

Energieeffizientes Holzhochhaus mit bis zu 20 Geschossen
in Systembauweise
M. Zangerl, H. Kaufmann, C.Hein u.a.

Berichte aus Energie- und Umweltforschung 00/2010

Eigentümer, Herausgeber und Medieninhaber:
Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie
Radetzkystraße 2, 1030 Wien
Verantwortung und Koordination:
Abteilung für Energie- und Umwelttechnologien
Leiter: DI Michael Paula

 

Ergebnisse des Projektes



 

Ergebnisse des Projektes

Die durchgeführten Arbeiten am Forschungsprojekt wurden in mehrere zentrale Arbeitspakete (Ökologie, Tragwerk, Brandschutz, Energiedesign, Haustechnik, Ökonomie) gegliedert. 
Ermittlung Gebäude-Ökobilanz
CO2 Äquivalente Holzbau/Stahlbetonbau
Abbildungen:
Ermittlung Gebäude-Ökobilanz;
CO2 Äquivalente Holzbau/Stahlbetonbau;
 

Ökologie „Carbon Footprint“

Hinsichtlich der ökologischen Performance des LifeCycle Tower wurde eine CO2 Analyse bzw. der „Carbon Footprint“ erhoben und analysiert.

Der CO2 - Wert oder „Carbon Footprint“ ist die Gesamtmenge an CO2, die entlang des gesamten Lebenszykluses des LifeCycle Tower entsteht.

Aufgrund der Verwendung des CO2-neutralen Baustoffes Holz weist der LifeCycle Tower eine signifikant geringere CO2-Emission auf, als ein konventionelles Gebäude.

Ein LifeCycle Tower mit 20 Stockwerken emittiert in Herstellung, Instandsetzung und Entsorgung 9.493 Tonnen weniger CO2-Äquivalente als ein vergleichbarer Stahlbetonbau – das entspricht einer CO2-Einsparung von über 90%, oder etwa dem CO2-Ausstoß von 15.000 Personenflügen von Zürich nach New York.

 
Visualisierung des Rechenmodells
Abbildung:
Visualisierung des Rechenmodells
 

Tragwerk

Um in den aussteifenden Bauteilen möglichst einfache und wenige Knoten zu realisieren und an der Fassade jedes verfügbare Fassadensystem einsetzen zu können, gelangt ein Rechteck-Kerntyp mit einer Länge von 38,3 m, einer Breite von 24,8 m und einer Höhe von 76 m zur Ausformulierung.

Das Grundraster des Gebäudes beträgt 1,35 m. Dieses Raster wird durch die Fassadenstützen mit einem Achsabstand von 2,70 m aufgegriffen.

 

Im Wesentlichen lässt sich die Holz-Tragkonstruktion des Hochhauses in drei Bauelemente gliedern:

1. zentraler Erschließungskern

Das untersuchte System besteht aus massiven Brettschichtholzwänden, welche mit Stahlverbindungsmitteln verbunden werden. Hierdurch wird das Bauwerk vertikal ausgesteift.

2. Fassadenstützen

Die senkrechten Lasten an der Gebäudeaußenkante werden über Massivholzstützen nach unten abgetragen. Die Stützen bestehen aus Brettschichtholz.

3. Geschoßdecken

Als Geschoßdeckensystem kommen grundsätzlich mehrere Ausführungsvarianten in Betracht. Die funktionalen und technischen Anforderungen an das Bauwerk können mit Hohlkastendecken, Vollholzdecken, Holzrippendecken und Holzbetonverbunddecken erfüllt werden. Die Systeme haben unterschiedliche Auswirkungen auf gestalterische Flexibilität und Wirtschaftlichkeit. Im Zuge des Forschungsprojektes wurde die Holzverbunddecke als die am besten geeignete Variante identifiziert. Bei dem gewählten Hybridsystem wird der Baustoff Holz durch die Verbindung mit mineralischen, nicht brennbaren Materialien aufgewertet und stellt ein sowohl unter technischen als auch wirtschaftlichen Gesichtpunkten hervorragend geeignetes Bauteil dar, welches vor allem hinsichtlich Schallschutz und Brandschutz deutlich bessere Werte als Alternativsysteme mit sich bringt.

In obiger Abbildung ist eine Visualisierung des Gesamtmodells als Grundlage für die statischen und dynamischen Berechnungen dargestellt.

 
Ausschnitt des Gesamtmodells
Deckenelemente
Stützene
Abbildung:
Ausschnitt des Gesamtmodells
- gelb: Brettschichtholz GL24h
- blau: Stahlbeton C30/37;
Deckenelemente;
Stützen;
 

Kern

Der dargestellte Kern des Gebäudes wird ab dem 2. Obergeschoss in Brettschichtholz GL24h ausgeführt. Die Kernwände haben Wandstärken von 12 cm, 16 cm und 30 cm. Besondere Bedeutung für die Aussteifung kommt dabei den 30cm starken Kernwänden zu. Diese Kernwände tragen horizontale Einwirkungen, wie beispielsweise Wind, über Schubkräfte und ein Druck-Zug-Kräftepaar zur Gründung ab.

 

Decken

Die Geschossdecken spannen 9,45  m zwischen den Fassadenstützen und dem Kern. In den Randbereichen ohne Kernanbindung lagern die Geschossdecken auf Unterzügen und Innenstützen auf. Statisch wirken die Geschossdecken als Holz-Verbundquerschnitte mit einer 18 cm starken mineralischen Decke und 18cm hohen und 36 cm breiten Holzquerschnitten als Rippen unterhalb der mineralischen Decke. Die Holzquerschnitte haben einen lichten Abstand von 31,5 cm. Die Rohdeckenstärke beträgt insgesamt 36cm. Die Holzquerschnitte laufen parallel zur Hauptspannrichtung und reichen von ca. 26 cm hinter der Fassadenkante bis ca. 1,50 m vor die Kernwand.

Der geplante Einsatz von 2,70 m breiten Fertigteilen für die Herstellung der Decke ermöglicht eine verkürzte Gesamtbauzeit. Die Fugen zwischen den einzelnen Fertigelementen werden bauseitig mit Spezialmörtel vergossen.           

Die Deckenbereiche innerhalb des Kerns weisen eine geringe Spannweite auf, daher können diese Decken als klassische Stahlbetonflachdecken mit einer Dicke von 18 cm ausgeführt werden.

 

Stützen:

Die Stützen im Fassadenbereich werden aus Brettschichtholz verschiedener Qualitäten geplant. Sie dienen zum vertikalen Abtrag von Decken- und Fassadenlasten. Zusätzlich leiten sie horizontale Kräfte aus auftretender Windbelastung von den Fassadenelementen sicher in die Decke ein. Die Decke leitet die Kräfte zum aussteifenden Kern. Konstruktionsbedingt werden die Stützen nicht zur globalen Gebäudeaussteifung herangezogen. Sie sind an ihren Kopf- und Fußpunkten mit einer geringen Teileinspannung mit der Deckenkon­struktion verbunden; im Berechnungsmodell sind diese Anschlüsse als gelenkig angesetzt.

Die Stützen im Innenbereich haben die gleiche Funktionsweise wie die Fassadenstützen. Sie tragen jedoch keine Fassadenlasten ab und stützen einen größeren Deckenbereich, daher ist der statisch erforderliche Querschnitt der Innenstützen größer als der Querschnitt der Fassadenstützen.

Das Tragwerk im Erdgeschoss und im 1. Obergeschoss besteht aus Stahlbeton C30/37. Die Wand- und Stützenquerschnitte greifen die Querschnittsgröße der Holzstützen auf. So werden die Anschlüsse zwischen Holz und Beton sowie die Bewehrungsführung erleichtert.

Gegründet wird das Gebäude in dem hier vorliegenden Report auf einer 60 cm starken Fundamentplatte aus Stahlbeton. Untergeschosse sind nicht vorgesehen, können aber ohne größere Probleme ergänzt werden, wenn das Stützenraster und die Kerngeometrie der Obergeschosse aufgegriffen wird.

Neben der Beschreibung und Darstellung eines Aussteifungs- und Tragwerkskonzeptes wurden alle notwendigen Tragelemente in Abhängigkeit von unterschiedlichen Nutzlasten statisch nachgewiesen und Angaben zu möglichen Bauteilabmessungen gegeben. Dabei wurde gezeigt, dass die vertikalen Tragglieder (Stützen und Kernwände) in Brettschichtholzbauweise ausgeführt werden können. Als Deckensystem wurde eine Holz-Verbunddecke entwickelt und ebenfalls für unterschiedliche Nutzlasten und Bodenaufbauten statisch und schallschutztechnisch nachgewiesen. Anschluss- und Verbindungsdetails wurden exemplarisch untersucht und berechnet und die Lösungsvorschläge zeichnerisch dargestellt. Darüber hinaus wurden an einem dreidimensionalen Gesamtmodell des Gebäudes umfangreiche dynamische Untersuchungen durchgeführt. Das dynamische Verhalten des Gebäudes bei Windeinwirkungen bzw. die Auswirkungen auf die späteren Nutzer des Gebäudes wurden ermittelt und ausgewertet.

Es konnte abschließend festgestellt werden, dass das Vorhaben, ein Hochhaus in Holzbauweise zu erstellen, statisch eindeutig durchführbar ist. Es wurden Lösungen zu Aussteifungs-, Verankerungs- und Anschlussproblematiken sowie zur Dimensionierung der notwendigen Bauteile erarbeitet.

Es erscheint sinnvoll, zu folgenden Punkten weitergehende Forschung zu betreiben, um den erreichten Kenntnisstand abzusichern und auszubauen:

  • Verifizierung des vorab versuchstechnisch ermittelten Verhaltens der Fassadenstützen mit einer CFD-Naturbrandsimulation unter Ansatz realer Umgebungsbedingungen. Damit lässt sich einerseits die Art und Intensität des Abbrandes bestimmen. Andererseits kann dabei mittels Parameterstudien festgestellt werden, ob und mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Stützenpaar ausfallen kann bzw. zu welchem Zeitpunkt dies genau geschehen wird.
  • Rechnerische Parameterstudien und versuchstechnische Untersuchungen von alternativen Deckensystemen, die für unterschiedliche Spannweiten und Fußbodenaufbauten mit einer jeweils bestimmten Gebäudenutzung optimiert sind. Die Untersuchungen und Versuche sollten sowohl unter statischen bzw. dynamischen als auch unter schallakustischen und brandschutztechnischen Gesichtspunkten erfolgen.
  • Im vorliegenden Projekt wurde ein innenliegender Kern als Aussteifungssystem gewählt und nachgewiesen. Ein solches System beeinflusst dabei ziemlich deutlich den Gebäudegrundriss bzw. die Raumaufteilung. Außenliegende Aussteifungs­systeme in Ebene der Gebäudehülle stellen eine gute und für den Holzbau sinnvolle Alternative dar.
  • In einem realen Demonstrationsprojekt sollten die bisher erarbeiteten und theoretisch funktionierenden Bausysteme auf ihre Praxistauglichkeit hin geprüft werden. Ein solcher Prototyp eignet sich außerdem hervorragend dafür, Messungen und Untersuchungen vorzunehmen, um das reale Gebäudeverhalten abzubilden.

 

 
Visualisierung des Rechenmodells
Abbildung:
Entwicklung der Brandschutzbestimmungen in Europa

(Quelle: Fire In Timber , SP INFO 2010:15) 

Brandschutz

Der Brandschutz stellt grundsätzlich einen wesentlichen Aspekt der Genehmigungsfähigkeit von mehrgeschossigen Gebäuden dar. In den letzten 20 Jahren durchlebte der moderne Holzbau sowohl in technischer als auch in wirtschaftlicher Hinsicht einen enormen Entwicklungsschub, welcher sich auch in der stetigen Anpassung der gesetzlichen Regelwerke widerspiegelt. Die Abbildung auf der nächsten Seite zeigt auf, dass sich das Thema Brandschutz in den letzten Jahren permanent verändert hat und die gesetzlichen Restriktionen gegenüber mehrgeschossigem Holzbau nach und nach gelockert werden.

Aufgrund der nach wie vor signifikanten Unterschiede der nationalen und regionalen gesetzlichen Regelwerke sind Pauschalaussagen zur Genehmigungsfähigkeit von mehrgeschossigen Gebäuden nicht zulässig, insbesondere auch deshalb, weil das Genehmigungsreglement in Abhängigkeit zur Nutzungsbestimmung (Hotel, Büro, Wohnen) steht.

 

Der Einsatz von Holz für die Tragstruktur eines Hochhauses ist in den deutschsprachigen Ländern zum momentanen Zeitpunkt nur in Verbindung mit Kompensationsmaßnahmen zur Erreichung der gleichwertigen Schutzziele möglich. Erste Ansätze gibt es bei innerstädtischen Projekten, wo bis zur Hochhausgrenze mit Tragelementen aus Holz  gebaut wurde. Die Tragstruktur wurde größtenteils in gekapselter Ausführung hergestellt. Bei der Genehmigung dieser Projekte wurden Sonderwege durch das Einbeziehen der Genehmigungsbehörden und der Feuerwehr bestritten. Dieser Weg über die Behörden kann nur mit einem ganzheitlichen Brandschutzkonzept gegangen werden, in welchem die Abweichungen von den Bauregeln und erforderliche Kompensationsmaßnahmen für die Erreichung des mindestens gleichwertigen Schutzzieles beschrieben werden. Ein Herauslösen von einzelnen Betrachtungspunkten aus dem Konzept ist in der ganzheitlichen Betrachtung nicht möglich.

 

Im Forschungsbericht wird der entwickelte Bautyp LifeCycle Tower auf der Grundlage der österreichischen Regelungen bewertet und ausgelegt. In den jeweiligen Kapiteln wird zusätzlich ein Abgleich mit den Ländern Deutschland und Schweiz durchgeführt.

Laut den OIB-Richtlinien muss ein Bauwerk derart entworfen und ausgeführt sein, dass bei einem Brand die Tragfähigkeit des Bauwerkes während eines bestimmten Zeitraumes erhalten bleibt, die Entstehung und Ausbreitung von Feuer und Rauch innerhalb des Bauwerkes begrenzt wird, die Ausbreitung von Feuer auf benachbarte Bauwerke verhindert wird, die Bewohner das Gebäude unverletzt verlassen können, die Sicherheit der Rettungsmannschaften gewährleistet wird und wirksame Löscharbeiten möglich sind.

 

Das Tragwerkskonzept für den LifeCycle Tower sieht vor,

  • den zentral gelegenen Kern als Massivholzkern mit einer Kapselung über 90 Minuten aus nicht brennbaren Materialien,
  • die Geschossdecken als Holz-Beton-Verbunddecken und
  • die Stützen im Bereich der Fassaden aus Brettschichtholz in nicht gekapselter Ausführung

 herzustellen.

Ziel ist es, dass der Einsatz von Holz innerhalb der oben beschriebenen Tragstruktur die einzige Abweichung zu den baurechtlichen Vorschriften und Regelwerken darstellt. Insbesondere werden die genannten Anforderungen aus der Hochhausregel ONR 22000 [A03] zu den Fluchtweglängen und - breiten, zur Gestaltung der Treppenräume mit Vorräumen, zum Feuerwiderstand der Bauteile, zum Raumabschluss, zur sicherheitstechnischen Gebäudeausrüstung wie Branderkennung, Rauchabführung und Brandunterdrückung, zur Infrastruktur für die eingreifende Feuerwehr und im organisatorischen Brandschutz mindestens erfüllt bzw. höherwertiger geplant.

Folgende Maßnahmen sind als Kompensationsmaßnahmen zum Einsatz von nicht gekapselten Holzelementen im Forschungsprojekt vorgesehen:

  • Kompensation durch die Erhöhung der Wirksamkeit und der Verfügbarkeit der eingesetzten Löschanlage.
  • Kompensation durch die Erhöhung der Wirksamkeit der Rauchgasdruckanlagen in notwendigen Treppenräumen und deren Vorräumen.
  • Kompensation durch das Einführen eines Qualitätsmanagements für die Errichtung und das anschließende Betreiben des Gebäudes.
  • Kompensation durch die Begrenzung der maximalen Größe von brandschutztechnisch abgetrennten Nutzungsbereichen auf ca. 140 m².

 

In intensiver Auseinandersetzung mit den Möglichkeiten im Holzbau und unter Einbeziehung der Gefahr der möglichen Brandweiterleitung durch die Brennbarkeit des Baustoffes Holzes wurde folgender Ansatz für das Forschungsprojekt entwickelt:

  • Einfache und jederzeit übersichtliche Fluchtwegstruktur und Sicherstellung der Angriffswege für die Feuerwehr.
  • Bauen in Fertigteilen (Elementbauweise) mit durchgeplanten Standardlösungen, um Einzellösungen zu reduzieren. Hierbei wird der Vorteil genutzt, dass Detaillösungen baulich vorgegeben sind und die einzelnen Bauteile auf der Baustelle nur zusammengefügt werden müssen. Nachträgliche Arbeiten mit nichtvorgefertigten Elementen auf der Baustelle, wie z.B. separate Brandschutzverkleidungen, werden auf ein Minimum beschränkt. Durch diese Elementierung werden komplexe, vor Ort auszuführende Details und deren Umsetzung, die im normalen Baugeschehen auf fachliche Richtigkeit schwer kontrollierbar sind, vermieden.
  • Bemessung der nicht gekapselten Holzelemente auf Abbrand (90 Minuten).
  • Auflösung der Verbunddecke von flächigen Holzelementen in eine Linien- und Einzelstruktur.
  • Anschluss von brandschutztechnisch notwendigen Trennwänden an Decken, Böden und Flurtrennwänden aus mineralischen Baustoffen.
  • Anschluss der horizontal verlegten anlagentechnischen Ausstattungen an nicht brennbare mineralische Baustoffe.
  • Offene Verlegung von anlagentechnischen Ausstattungen in Bereichen von nicht gekapselten Holzmaterialien.
  • Entwicklung einer Holzverbundstütze aus brennbaren und nichtbrennbaren Baustoffen.
  • Keine Hohlräume in den Bauteilen.
  • Unterbindung der Brandübertragung von Geschoss zu Geschoss durch das Fortführen des Betonteiles der Verbunddecke bis an die Fassade.
  • Zoneneinteilung in den Geschossen, d.h. Rettungswege nur mit gekapselten Holztragelementen und sichtbare Holzelemente nur in den Nutzungsbereichen. Durch diese Zonierung wird erreicht, dass alle Bestandteile der Rettungswege nicht mit einer immobilen Brandlast beaufschlagt werden und eine sichere Evakuierung und Angriffsmöglichkeit für die Feuerwehr gewährleistet ist.

 

Es wurden Lösungsansätze zum bautechnischen Umgang mit dem Baustoff Holz für ein Hochhausbauvorhaben ausgearbeitet. Für das Deckenelement wurde am 16.02.2010 ein Deckenbrandversuch bei der Brandversuchsanstalt PAVUS durchgeführt bei welchem die Erreichung der Brandschutzklasse REI90 nachgewiesen werden konnte.

 
Brandversuch am 16.02.2010
Brandversuch am 16.02.2010
Brandversuch am 16.02.2010
Brandversuch am 16.02.2010
Abbildungen
Brandversuch am 16.02.2010 

Damit ist eine solide Basis geschaffen, auf der weitere Untersuchungen und Pilotprojekte aufbauen können. Es erscheint sinnvoll, zu folgenden Punkten weitergehende Forschung zu betreiben, um den erreichten Kenntnisstand abzusichern und auszubauen:

  • Realbrandversuche an Fassadenstützen, um das genaue Brandverhalten und die Wirksamkeit von Schutzmaßnahmen (u.a. Fire-Stop-Layer, Kapselung) zu bestimmen.
  • Verifizierung des vorab versuchstechnisch ermittelten Verhaltens der Fassadenstützen mit einer CFD-Naturbrandsimulation unter Ansatz realer Umgebungsbedingungen. Damit lässt sich einerseits die Art und Intensität des Abbrandes bestimmen. Andererseits kann dabei mittels Parameterstudien festgestellt werden ob und mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Stützenpaar ausfallen kann bzw. zu welchem Zeitpunkt dies genau geschehen wird.

In einem realen Pilotprojekt sollten die bisher erarbeiteten und theoretisch gut funktionierenden Bausysteme auf ihre Praxistauglichkeit hin geprüft werden. Ein solcher Prototyp eignet sich außerdem hervorragend dafür, Messungen und Untersuchungen vorzunehmen, um das reale Gebäudeverhalten abzubilden.

Die baurechtlichen Aspekte wurden im Forschungsprojekt erarbeitet und Ansätze für noch folgende Diskussionen mit den Behördenvertretern geliefert. Dabei wird die Diskussion der Schutzziele eine entscheidende Rolle einnehmen.

 
 

Energiedesign – Gebäudetechnik

Planungsziel der technischen Gebäudeausrüstung im vorliegenden Projekt LCT – LifeCycle Tower – war, neben der Funktionalität des Gebäudes, ein Raumklima zu schaffen, dass je nach Nutzungsbereich ein konzentriertes Arbeiten (Bürobereiche) oder einen entspannten Aufenthalt (Hotelbereiche) ermöglicht. Gleichzeitig sollte der erforderliche Energiebedarf auf ein Minimum reduziert werden. Das Planungsziel wurde unter Beachtung der vorhandenen Randbedingungen und der Umsetzbarkeit der Konzepte realisiert.

 

Als Zielsetzung für die Gewerke der technischen Gebäudeausrüstung waren Versorgungsanlagen und –systeme zu planen, die den Ansprüchen eines hochenergieeffizienten Gebäudes gerecht werden. Grundsätzlich liegen die energetischen Anforderungen an ein Plusenergie- oder Passivhaus deutlich über den Maßgaben für Niedrigenergiehäuser, so dass durch weitere Verringerung der Wärmeverluste und konsequente Nutzung gebäudeinterner Energien und externer Umweltenergien der Gesamtenergiebedarf weitgehend ohne konventionelle Erzeuger bereitgestellt werden kann.

 

Die besondere Herausforderung zum Erreichen dieses Standards im vorliegenden Projekt lag im Charakter des LifeCycle Tower als Hochhaus mit unterschiedlichen und anspruchsvollen Nutzungskonzepten. Dies erforderte eine möglichst genaue Betrachtung aller relevanten Energieströme und die Entwicklung eines integralen Energiekonzeptes.

 

Das grundlegende Energieversorgungskonzept beruht auf der vorrangigen Nutzung regenerativer Energien und wird in allen versorgungstechnischen Bereichen umgesetzt. So kann ein Teil der verbrauchten elektrischen Energie über fassadenintegrierte Photovoltaikmodule regenerativ erzeugt werden. Ebenso wird die Energie für die Trinkwarmwasserbereitung durch eine solarthermische Anlage auf dem Dach bereitgestellt. Als Energiequelle für Raumheizung und -kühlung des Gebäudes wird ausschließlich die Geothermie genutzt, die über ein unter dem Gebäude liegendes Erdsondenfeld erschlossen wird. Die Zentralgeräte der Raumlufttechnik verfügen über hocheffiziente Wärmerückgewinnungssysteme. Die Nachheizung der Trinkwarmwasseranlage sowie die Bereitstellung der erforderlichen Erhitzerleistung für die Raumlufttechnik erfolgt ebenfalls regenerativ durch einen Biomasse-Brennstoffkessel. Auf konventionelle Energieträger wie beispielsweise Heizöl oder Erdgas wird gänzlich verzichtet.

 

Sämtliche technische Detailangaben zu den Sanitär-, Sprinkler-, Heiz-, Kühl-, Lüftungs-, Elektro- und Aufzugsanlagen sowie zur Gebäudeautomation sind den Anhängen zu entnehmen. Dort ist ebenfalls eine umfassende thermische Simulation für die Büro- und Hotelbereiche dokumentiert.

 

Im Projekt LifeCycle Tower wurde ein umfassendes und konsequentes Energiekonzept realisiert, welches sowohl die gewerkeübergreifenden Energieströme als auch mögliche Umweltenergien oder interne Gewinne berücksichtigt. Letztendlich wurden die Verluste den Gewinnen in einer Bilanz gegenübergestellt.

 
Heizseitige Energiebilanz
Energieflussbild im Winterfall
Energieflussbild im Sommerfall
LCT-Nutzenergiebilanz
Abbildungen:
Heizseitige Energiebilanz;
Energieflussbild im Winterfall;
Energieflussbild im Sommerfall;
LCT-Nutzenergiebilanz; 

Die heizseitige Bilanz wird durch die Transmissions- und Lüftungswärmeverluste unter Berücksichtigung der Wärmerückgewinnung einerseits und durch die Gewinne nach Berücksichtigung des Nutzungsgrades andererseits aufgestellt. Für das LCT-Projekt ergibt sich ein Heizwärmebedarf von 285.430 kWh/a. Bezogen auf die Bruttogeschossfläche beträgt der Jahresheizwärmebedarf demnach weniger als 14 kWh/m2 und erfüllt damit das wesentliche Passivhaus-Kriterium. Im Vergleich zu konventionellen Hochhäusern, deren Jahresheizwärmebedarf sich im Bereich zwischen 50 und 100 kWh/m2 bewegt, nimmt das LCT-Projekt damit eine hervorragende Stellung ein.

 

Die Betrachtung der Energieströme erfolgte jahreszeitlich differenziert. Für den Winterfall ergibt sich folgendes Energieflussbild:

 

Die geothermische Erdsondenanlage steht im Winterfall einer Kompressionswärmepumpe als Wärmequelle zur Verfügung. Die Wärmepumpe bringt die Systemtemperaturen auf Anforderungsniveau. Hierfür wird elektrische Energie für den Kompressor benötigt. Diese kann teilweise durch die Erträge der Photovoltaik gedeckt werden. Ein mit regenerativem Brennstoff betriebener Heizkessel versorgt die Verbraucher mit höheren Anforderungen an die Systemtemperatur. Dies sind die Erhitzer der RLT-Anlagen, die im weiteren Verlauf einen Teil der Raumheizlast abdecken, sowie die Trinkwarmwassererwärmung für den Hotelkomplex. Die den RLT-Erhitzern zugeführte Energie wird zum großen Teil durch ein Wärmerückgewinnungssystem zurück gewonnen. Die RLT-Anlagen sind mit unterschiedlichen Wärmerückgewinnungssystemen ausgerüstet – für die Gesamtanlage wurde ein mittlerer Wärmerückgewinnungsgrad von 0,82 ermittelt.

 

Im Sommer ist eine Kühlung des Gebäudes notwendig. Kerngedanke ist wiederum die Nutzung des Erdsondenfeldes. Anstatt über eine Wärmepumpe, wird die Entzugsleistung im Sommer direkt über einen Wärmeübertrager in das System gebracht und der Raumkühlung zugeführt. Ein weiterer Teil der Raumkühllast wird über die Lüftungsanlage abgeführt. Die notwendige Kälte hierfür wird geräteintern erzeugt.

 

Die Trinkwarmwasserbereitung übernimmt bereits in den Übergangszeiten einen Großteil der notwendigen Erwärmungsleistung. In den Sommermonaten Juni und Juli deckt sie diesen Bedarf vollständig. Nur während nicht auszuschließender ungünstiger Sommerperioden wird über die regenerative Brennstoffanlage nachgeheizt.

 

Bei der Zusammenfassung der Energieströme des LCT wurde zweistufig vorgegangen. Zum einen bilden die ermittelten Planungsergebnisse die Grundlagen der Jahresenergien, d.h. die verwendeten Leistungen sind der konkreten haustechnischen Planung entnommen. Diese basiert auf einer wirtschaftlichen Auslegung der Komponenten.

 

Der zweite Ansatz ist eine überschlägige Ermittlung der maximal möglichen Erträge. Hintergrund ist die Fragestellung, inwieweit sich der LifeCycle Tower als ein Plus-Energie-Haus planen lässt. Plus-Energie-Häuser weisen eine positive Energiebilanz auf, d.h. sie stellen mehr Energie zur Verfügung, als sie verbrauchen.

 

Für diese Betrachtung wurde das Solarkollektorfeld auf eine maximale Größe erweitert, wodurch 46.300 kWh/a an zusätzlicher Energie zur Verfügung stehen. Die Größe des Erdsondenfeldes orientiert sich an der Grundfläche des Gebäudes. Im Plus-Energie-Ansatz wurde das Erdsondenfeld vergrößert und die Zahl der Erdsonden erhöht. Die zusätzlich zur Verfügung stehende Energiemenge beträgt 870.000 kWh/a. In einem weiteren Schritt wurden die Photovoltaik-Dünnschicht-Module der Fassaden-PV-Anlage durch effizientere Kristallinmodule ersetzt, wodurch der jährliche Energieertrag um etwa 70% erhöht werden kann. Darüber hinaus wurde versucht, auch auf der Verbrauchsseite ein Energieeinsparpotential zu finden. Grundgedanke dabei ist eine zu beobachtende und in Fachkreisen derzeit diskutierte erhöhte Akzeptanz der Nutzer von Passivhäusern im thermischen Behaglichkeitsbereich. Demnach stehen Nutzer im Wissen um die ökologische Sinnhaftigkeit des Gebäudecharakters eventuellen Temperaturüberschreitungen toleranter gegenüber. Diesem Ansatz folgend, kann im Hotelkomplex auf die Raumkühltechnik verzichtet werden. Diese Maßnahme verringert den jährlichen Energiebedarf um etwa 160.000 kWh. Auf der Seite der technischen Ausstattung ist der Einsatz von LED-Leuchtmitteln denkbar. Aus energetischer Sicht sind hier Einsparpotentiale von ca. 25% zu erwarten, die über den verminderten internen Gewinnen liegen werden.

 

Die beschriebenen Maßnahmen zeigen mögliche Wege des LifeCycle Tower zum Plus-Energie-Haus auf. Bei dieser Betrachtung ist zu bedenken, dass sämtliche Maßnahmen einer Wirtschaftlichkeitsüberprüfung unterzogen werden müssen. Dabei stellt sich vorrangig die Frage, wie die über den Gebäudebedarf hinaus erzeugte Energie genutzt werden soll. Im Bereich der Photovoltaikanlage ist dies kein vorrangiges Problem, da die gewonnene elektrische Energie in das Versorgungsnetz eingespeist werden kann. Für die überschüssige Wärmeenergie werden jedoch Abnehmer benötigt, die ein Verbrauchsprofil aufweisen, welches dem Angebotsprofil entspricht.

 

Das Nutzerverhalten stellt eine weitere wesentliche Einflussgröße auf den Energieverbrauch des Gebäudes dar. Dies beschränkt sich nicht nur auf herkömmliche Verhaltensweisen, die sich auf den Verbrauch auswirken, sondern auch auf die Bereitschaft, die Regelmechanismen des Gebäudes zu akzeptieren und zu nutzen. In vielen bestehenden Niedrigenergie- und Passivhäusern zeigte sich eine entsprechende Nutzeraufklärung als erfolgreicher Weg. Den späteren Betreibern des Gebäudes sollen deshalb entsprechende Lehrgänge angeboten werden. Bei ständigen Mietern (Bürobereiche) kann die Nutzeraufklärung beispielsweise. in Form eines Handbuchs erfolgen. Nichtständige Nutzer (Hotelbereiche) können über ausgelegte Flyer informiert werden. In jedem Fall sind die Nutzer auf den besonderen Charakter des Gebäudes hinzuweisen.

 

 
 

Energiedesign – Fassade

Dem einzigartigen Ansatz, ein Hochhaus in Holzelementbauweise zu errichten, war weitest möglich auch im Fassadenbau Rechnung zu tragen.

Durch die Auflage, die Fassade eines Hochhauses als nicht brennbar ausführen zu müssen, sind jedoch der offenen Verwendung von Holz als großflächigem Fassadenbaustoff Grenzen gesetzt. Der inhärente Aspekt des „grünen Gebäudes“ sollte daher auf andere Art nach Außen transportiert werden.

Dies wurde zum Beispiel durch Ausstattung und Verwendung der opaken Flächen und Brüstungsbänder als Energieproduzent und Nutzer natürlicher Ressourcen erreicht.

Über Photovoltaik und Solarthermie ist es möglich, Energie bereitzustellen. Vertikale Grünflächen in den unteren Geschossen wirken als Klimaverbesserer der Innenstadtversiegelung entgegen. Zusammen mit einer maximierten Tageslichtnutzung wird der ökologische Anspruch nach Außen getragen und verbessert zudem den „Carbon Footprint“.

Die Absicht war, wie schon beim Rohbau, auch für die Fassade eine möglichst universelle Matrix für die Länder Österreich, Schweiz und Deutschland zu erstellen, um im Zuge der Vermarktung passende Objektlösungen anbieten zu können.

Die entwickelte Fassade stellt daher in idealer Weise ein offenes, für verschiedene gestalterische und lokale Ansprüche verwertbares Musterbauteil dar. Dies sollte jedoch explizit nicht zu einer uniformen Gestalt führen, sondern nur als Werkzeug, quasi als Grundgerüst, dienen.

Mit diesem universellen Ansatz kann auf die individuellen Bedingungen des Ortes, der anvisierten Nutzung, der Konstruktion und der Ökologie reagiert werden. Nicht zu unterschätzen ist die Notwendigkeit, der gestalterischen Freiheit und Diversität Raum zu lassen.

 

Ausgehend von der frei gewählten rechteckigen Grundform eines 20-stöckigen Gebäudes mit einem zentralen Kern, errichtet auf einem fiktiven Grundstück in Bregenz in der Nähe zum Bodensee, wurden vermarktungsfähige Nutzeranforderungen definiert.

  • Variable Nutzung (auch nachträglich) zwischen Büro, Hotel und Wohnen. Trennwände in jeder 1,35 m-Achse ermöglichen.
  • Variable Ausstattung der Fassadenflächen nach Ort, Orientierung, und bauphysikalischer Anforderung.
  • Fassadenmontage ohne Gerüst. Elementierung der Bauteile mit rationeller Fügungstechnik auf der Baustelle.
  • Kombiniertes Errichten der Fassadentragstützen zusammen mit bereits vorgehängter Fassade in einem Arbeitsschritt um, mit den im Anschluss aufgelegten Fertigteildecken, ein bereits dichtes Bauteil zu schaffen.
  • Vermarktungsvorteile durch schnelle, ´trockene Bauweise´ nutzen.
  • Natürliches Belichten und Belüften ermöglichen, um die Nutzerakzeptanz zu erhöhen.
 
Aluminium-Elementfassade mit eingesetztem Holzfenster und unterschiedlicher Brüstungsbelegung
Ansicht 8
Getrennte (herkömmliche) Montage; gemeinsame Montage; eingebauter Zustand
Abbildung:
Aluminium-Elementfassade mit eingesetztem Holzfenster und unterschiedlicher Brüstungsbelegung;
Ansicht 8,10m Elementbreite mit beidseits 1/2 Achsen auskragend;
Getrennte (herkömmliche) Montage - gemeinsame Montage - eingebauter Zustand;  

Ausgehend von 1,35m Achsabstand bei einer Tragstützenstellung von 2,70 m wurde hier eine Doppelfassade in nicht brennbarer Aluminiumelementbauweise mit eingesetzter Holzfensteröffnung entwickelt.

Ausschlaggebend für die Konzentration auf eine Doppelfassade waren der jederzeit gesicherte Sonnenschutz und die Reduzierung der Schallschutzanforderung der inneren Ebene um bis zu zwei Klassen.

Die Doppelfassade hat raum- und geschossweise getrennte Funktionen zum Außenklima. Auch die Funktionsbereiche von Belichtung und Belüftung haben eigene zugewiesene Bereiche.

Detailzeichnungen zur Doppelfassade sind der Anlage zu entnehmen.

 

Das Konzept einer echten Elementfassade wurde angepasst an die hohen Anforderungen hinsichtlich des Wärmeschutzes und der Fugendichtigkeit einer Passivhausfassade.

Das elementierte Bauteil ist 8,10 m breit, um den Fugenanteil gering zu halten. Zusätzlich wurde die Fuge weg vom geschosshohen Wandbauteil im Bereich Stütze in den niedrigen Brüstungsbereich gelegt. Die Elemente enden mit jeweils einer halben Fensterachse. Jeweils zwei komplett ausgestattete Fensterfelder werden mit dem Element in Position gebracht. Jedes dritte Fensterfeld wird auf der Baustelle montiert.

 

Die gewohnte Trennung der Gewerke Rohbau und Fassade wurde bewusst aufgegeben, da die sich aus der Elementfertigung des Tragwerkes ergebenden Vorteile des leichten und trockenen Baustoffes Holz genutzt werden und darüber hinaus sich sogar ein Vorteil gegenüber der hergebrachten Bauweise ableitet.

Hinsichtlich des Wärmeschutzes wird bei den opaken Bauteilen ein U-Wert von 0,10 W/m²K erzielt. Dies stellt einen sehr guten Mittelwert für eine Passivhauswand dar. Unter Betrachtung der elementierten Bauweise ist der Wert sogar exzellent.

Die transparenten Fassadenflächen weisen einen U-Wert von 0,62 W/m²K auf.

 

Die Ergebnisse von Detailuntersuchungen zum Taupunktverlauf, zur natürlichen Lüftung und Belichtung, zum Brandschutz sowie zur Montage sind den Anhängen zu entnehmen.

 

Die hier erarbeitete Fassade zeigt nur eine mögliche Lösung im Rahmen der gestellten Parameter.

Mit der Entwicklung und der Verarbeitung neuer Materialien erweitern sich auch die Möglichkeiten des Fassadenbaus. Im Idealfall wird die Fassade der Zukunft auf unterschiedlichste, auch widersprüchliche, Anforderungen reagieren können.

 
Kostenverteilung Erichtung/Betrieb
Abbildung: Kostenverteilung Erichtung/Betrieb 

Vergleich Errichtungskosten LifeCycle Tower - Stahlbetonbau

Es wurde ein ökonomischer Vergleich zwischen den Errichtungskosten eines LifeCycle Tower und jenen eines konventionellen Stahlbetongebäudes durchgeführt.

 

Folgende, zentrale Unterschiede konnten dabei festgestellt werden:

Da im LifeCycle Tower keine abgehängten Decken notwendig sind, konnte eine beträchtliche Einsparung im Bereich der Raumhöhe und somit der sehr kostenintensiven Fassade erzielt werden.

Trotz der momentan vergleichsweise höheren Rohstoffkosten des Baustoffes Holz war der LifeCycle Tower in dieser Berechnung nur um weniger als 3% teurer als ein konventionelles Stahlbetongebäude.

Zu beachten ist, dass es sich bei dieser Berechnung um die reinen Errichtungs-, nicht jedoch um Betriebs- bzw. Lebenszykluskosten handelt. In diesen Bereichen werden deutliche Einsparungen im Vergleich zu einem konventionellen Stahlbetongebäude erzielt.

 

Lebenszykluskosten:

Es erfolgte eine Kalkulation der Lebenszykluskosten aus Investoren-, Mieter und Gesamtsicht zur wirtschaftlichen Optimierung des Gebäudes und Bewertung von Varianten. Zusammenfassend konnten folgende Erkenntnisse gewonnen werden:

  • Der Anteil der Nutzungskosten (70%) an den Lebenszykluskosten ist vergleichsweise gering (üblich bei Büro bis zu 80%). Dies liegt an den aufgrund der integralen Planung und Investition in regenerative Energien vergleichsweise geringen Nutzungskosten.
  • Aufgrund des hohen Energiestandards sind die Kosten für Wärme vergleichsweise gering.
  • Die Kosten für Aufsichtsdienste im Betrieb sind ebenfalls gering, da davon ausgegangen wird, dass die wesentliche Überwachung des Objekts über die GLT.
  • Die Kosten für die technischen Dienstleistungen liegen über den Durchschnittswerten. Jedoch muss das Paket technische Dienstleistungen, Wartungs- und Instandsetzungskosten summiert betrachtet werden. Hier liegen die Kosten in einem üblichen Rahmen.
  • Die Objektreinigungskosten sind relativ hoch. Der Grund hierfür ist das notwendige, hohe Reinigungsintervall für Hotelflächen.
  • Die restlichen Kosten befinden sich in üblichen Bandbreiten.

 

Gesamthaft kann gesagt werden, dass die Nutzungskosten (ca. 6,00 €/m²NGF p.m.) exkl. Kapitalkosten, Abschreibung und Abriss als niedrig einzuschätzen sind.