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072_087_xia 96_report_IA50FOKU.QXD 25.07.2016 13:28 Seite 72 REPORT Gebäudehülle / Dach I Bauen mit Glas ETA-Fabrik – Ein Industriegebäude als Teil der Prozesskette Die Reduktion des Primär und Endenergiebedarfs sowie der CO2- Emissionen bei gleichzeitiger Steigerung der Produktivität und der Lastflexibilität stellen gegenläufige Ziele dar, die aus politischer, ökologischer und ökonomischer Sicht in den kommenden Jahren in Deutschland umzusetzen sind. Im Rahmen des von BMWi sowie Land Hessen geförderten und von der TU Darmstadt gemeinsam mit Industriepartnern unterstützten Forschungsprojektes ETA-Fabrik sollte ein neues Verständnis von Energieeffizienz entwickelt werden. Energiesysteme zu verstehen und Abhängigkeiten zu erkennen standen im Vordergrund. Durch den Einsatz der richtigen Energieform in der notwendigen Menge zur richtigen Zeit am richtigen Abb. 2: Schema der gebäudeintegrierten thermischen Vernetzung2 Ort werden Überkapazitäten vermieden und die Energieeffizienz wird auf diese Weise gesteigert. nen Temperaturniveaus sinnvoll gespeichert werden? zung der Produktionsmaschinen, der Versorgungs- Über eine isolierte Optimierung jeder Subeinheit hin- Wie kann eine Interaktion zwischen Produktion und technik und des Gebäudes. Technisch bilden drei aus (z. B. Einzelmaschine, Heizungssystem, Kühlsy- Gebäude bzw. seiner umgebenden und tragenden wasserbasierte thermohydraulische Rohrleitungssy- stem) wurde das System Produktionsfabrik als Hülle von statten gehen? Kann beispielsweise die steme gemäß Abb. 2 die Grundstruktur zum Aus- Ganzes betrachtet und dadurch zusätzliche Einspar- thermische Aktivierung von Flächen der Gebäudehül- schöpfen der Effizienzpotenziale. potenziale identifiziert. Die ETA-Fabrik steht so für die le aktiv zur Erwärmung und Kühlung des Gebäudes Ein Kaltwasserniveau (ca. 15°C) zur Versorgung von energetische Systemoptimierung durch Verschieben genutzt werden? Produktionsmaschinen, zur Kühlung und wasserba- der Systemgrenzen. Durch diesen Ansatz werden Dafür wurde, zur Sicherstellung der Übertragbarkeit sierten Abwärmeabfuhr, ein Warmwasserniveau (ca. marktfähige, wirtschaftlich realisierbare Energieeins- der im Projekt erzielten Ergebnisse auf möglichst vie- 35°C) zur Rückkühlung einer Absorptionskältema- parpotenziale von rund 40 % (Abb. 1) gegenüber einer le Unternehmen, eine typische Produktionsprozess- schine und zur Niedertemperaturbeheizung des konventionellen Produktionsstätte erwartet unter kette der metallverarbeitenden Industrie in ein eigens Gebäudes sowie ein Heißwasserniveau (ca. 85°C) Wahrung der Systemeffizienz und Wirtschaftlichkeit. entwickeltes Fabrikgebäude am Campus Lichtwiese zum Antrieb der Absorptionskältemaschine, gespeist In einer interdisziplinären Projektstruktur bestehend der TU Darmstadt integriert. Durch die Verknüpfung aus Hochtemperaturabwärme sowie durch Block- aus Maschinenbauern, Bauingenieuren, Architekten, von den Produktionsprozessen, der Gebäudetechnik heizkraftwerke. Die bedarfsabhängig optimale Be- Verfahrenstechniker und den industriellen Anwen- sowie des Gebäudes und seiner Konstruktion wird triebsweise des Gesamtsystems wird mit ca. 100 dern wurde das Produktionsgebäude als „Maschine das Effizienzpotenzial des Gesamtsystems erforscht Feldgeräten (Pumpen, Ventilen, Großgeräten) der um die Maschine“ betrachtet. Somit ergaben sich und demonstriert. Diese Betrachtungsweise ermög- haustechnischen Anlagen sowie einem innovativen als wesentliche wissenschaftliche Fragestellungen: licht die Rückgewinnung bisher ungenutzter Verlust- System der Gebäudeleittechnik mit ca. 600 Daten- Wie kann unvermeidlich entstehende Abwärme im wärme sowie eine effiziente Abfuhr von Wärmeüber- punkten realisiert. Hierbei werden nicht nur konven- Produktionsgebäude weiterverwendet werden und schüssen aus dem Gebäude. Die Planung zu einem tionelle, statische Regelungsstrategien angewendet, wie kann dafür thermische Energie auf verschiede- derartigen Gebäude kann nur in einem integralen sondern auch prädiktive Verfahren unter Einbezie- und interdisziplinären Prozess erfolgen, sodass die- hung zukünftiger Prognosedaten (Produktionspro- ser bereits Teil des Gebäudeansatzes ist: Energieeffi- gramm, Wetter, etc.) sowie Simulationsdaten. Die zienz und Nachhaltigkeit. Bereits der architektoni- Gebäudehülle spielt eine wichtige Rolle bei der Opti- sche Entwurf des Gebäudes orientiert sich also ne- mierung energieintensiver Produktionsprozesse. Ziel ben den Randbedingungen aus der Funktionalität ist es, Energie aus der Solarstrahlung (außen) und vor allem an den energetischen Fragestellungen. der Abwärme aus der Prozesskette (innen) zu wandeln, zu speichern und entsprechend ihrer Eignung Abb. 1: Einsparpotentiale bei ganzheitlicher Betrachtung einer industriellen Fertigung1 072 I 073 xia 07-09 2016 Energie- und gebäudetechnisches Konzept zur energetischen Wiederverwendung in das System Im Fokus der gebäudetechnischen Anlagen liegen zurückzuführen. Die in der Raumluft befindliche pro- insbesondere die Systeme zur thermischen Vernet- zessbedingte Überschusswärme wird gesammelt Fotos: Eibe Sönnecken, Darmstadt 072_087_xia 96_report_IA50FOKU.QXD 25.07.2016 13:28 Seite 73 Abb. 3: Blick auf die büroseitige Gebäudenordfassade und die thermisch aktivierte Westfassade Abb. 4: Blick auf die hallenseitige Gebäudesüdfassade und die thermisch aktivierte Ostfassade und einem geeigneten Produktionsschritt zugeführt Gestalt und Funktion der ETA-Fabrik der damit verbundene unkontrollierte thermische Ein- oder in Speichern konserviert. Zur Gebäudekühlung Die Modellfabrik befindet sich prominent am Eingang trag durch die Sonne zu vermeiden. Dies wird im werden die Wand- und Dachelemente raumseitig mit zum Campus Lichtwiese in einem Bereich, der mit oberen Bereich der Glasfassaden durch wartungs- im Verhältnis zur Raumluft kühlerem Wasser aus dem bereits bestehenden Blockheizkraftwerk dem freie Lichtlenklamellen in den Scheibenzwischenrau- dem Kaltwasserspeicher oder direkt aus dem Kühl- Thema „Energie“ gewidmet ist. Der in Nord-Süd- men garantiert. Im unteren bodennahen Fassaden- prozess mittels Absorptionskältemaschine durch ein Richtung linear ausgerichtete Baukörper wird im bereich wird der Sonnenschutz von parametrischen oberflächennahes und feines, kapillarähnliches Lei- nördlichen Teil erschlossen und beherbergt einen Glaselementen übernommen. Hierbei dienen geome- tungsnetz durchströmt. Darüber hinaus verfügbare dreigeschossigen Bürobereich mit Seminar- und Be- trisch auskragende, mit Siebdruck belegte Glas- Abwärme wird durch den Transport von warmem sprechungsräumen. Im südlichen Gebäudeteil befin- teilflächen, deren Neigung nach den Parametern des Wasser durch den äußeren Teil der Gebäudehülle det sich der eingeschossige Hallenbereich für typi- standortspezifischen Sonnenverlaufs im Jahresrhyth- passiv an die Umgebung abgeführt. Falls kein Tem- sche Produktionsanlagen der metallverarbeitenden mus festgelegt wurde, der Verschattung des Innen- peraturgefälle zwischen aktivierten Fassaden- und Industrie. Der gesamte Baukörper wird von einer ein- raumes. Das nach außen gekippte Mittelfeld jedoch Dachplatten und der Umgebungsluft sich einstellt, heitlichen, in Dach- und Wandbereich identischen wird mit Klarglas belegt und ermöglicht aufgrund sei- lässt sich dieses mit einer Berieselung des Daches Hüllkonstruktion aus Betonfertigteilen umschlossen. ner Schrägstellung Sichtbezüge nach innen und eine mit Grauwasser und der einhergehenden Verdun- Die beiden Gebäudestirnseiten sind jeweils als Ganz- Entspiegelung des Glases (Abb. 4). stungskühlung herstellen. glasfassaden konzipiert. Nach Norden, im Bereich Zur Beheizung des Gebäudes im Winter kann war- der Büros konfiguriert sich die Fassade als Pfosten- Thermisch aktivierte Hüllelemente mes Wasser aus den Speichern oder dem Maschi- Riegel-Structural-Glazing-Konstruktion. Darin sind Eine schnelle thermische Aktivierung bedarf im Indu- nenkühlprozess durch die kapillarähnlichen Rohrlei- opake Flächen integriert, die gleichzeitig die Öff- striebau spezieller Hüllelemente im Dach- und Wand- tungen geführt werden. Durch die Funktion der nungselemente bilden (Abb. 3). Mit dem Ziel der bereich. Hierfür eignet sich besonders der Werkstoff äußeren Gebäudehülle als Massivabsorber kann auf- Optimierung der Dämmeigenschaften der Fassade Beton, da eine statisch optimierte Geometrie, der genommene solare Energie in das Speichersystem bezüglich des U- und g-Wertes wurden in die Schei- Einbau und die Nutzung erforderlicher Träger- und abgeführt werden. benzwischenräume der opaken Isolierverglasung Leitmedien sowie eine materialeinheitliche Umset- Auch das elektrische Anlagensystem wurde energe- erstmals in einer Fassade vliesbelegte Vakuumiso- zung architektonisch ansprechend realisierbar sind tisch optimiert. Hierdurch konnte die Anschlusslei- lierpaneele eingelegt. und brandschutztechnische Anforderungen gut um- stung des Gesamtgebäudes schlank umgesetzt wer- Die nach Süden orientierte Halle erhält eine Element- gesetzt werden können. Darüber hinaus ist er über- den. Dies ermöglicht der Einsatz eines im For- fassade mit integrierter Toranlage und vorgelagerter regional verfügbar, auf weite Sicht ausreichend vor- schungsprojekt weiterentwickelten kinetischen Ener- Anlieferzone. Um die Präzision des Produktionspro- handen und bietet viel Potenzial hinsichtlich einer Re- giespeichers, welcher Lastspitzen glättet und zu- zesses zu gewährleisten, müssen selbst geringste duzierung des Primärenergiebedarfs. künftig darauf vorbereitet wird, Netzdienstleistungen Verformungen der Maschinen vermieden werden. Der modulare Aufbau des Gebäudes entsteht durch wie Blindleistungskompensation zu übernehmen. Aus diesem Grund sind die direkte Besonnung und die mittels oberflächennaher integrierter feiner und 072_087_xia 96_report_IA50FOKU.QXD 25.07.2016 13:28 Seite 74 Abb. 5 links: Hüllelement für Dach- und Wandbauteile aus Beton3 Abb. 7 rechts: Statisches System des Primärtragwerks Halle mit Wegaufnahmemöglichkeit der Dachbinder kapillarähnlicher Leitungen thermisch aktivierbaren Wand- und Dachelemente mit einer Länge von 10 m bzw. 20 m, eine Dämmung aus mineralisiertem Schaum (MF) sowie deren Verkleidung mit Dachund Fassadenplatten aus mikrobewehrtem ultrahochfestem Beton (mrUHPC) (Abb. 5). Die Stahlbetonfertigteile vereinen bereits die Funktionen des Tragens und Hüllens und stellen gleichzeitig eine Schalung für den neu entwickelten, zementgebundenen, mineralisierten Schaum dar. Dieser wurde werkseitig mit einer Rohdichte von nur 180 kg/m³ bei einer Wärmeleitfähigkeit von 0,06 W/mK aufge- Abb. 6: Kapillarrohrmatten vor der Betonage, mineralisierter Schaum in der Fertigung, PI-Platten nach der Montage, mrUHPC-Elemente der Gebäudehülle bracht4. Den äußeren Abschluss der Hüllkonstruktion Zusammenfassung Projektpartner Okalux bilden 5 cm starke hinterlüftete und aktivierte Fassa- In der ETA-Fabrik wird die Gebäudehülle thermisch Okalux brachte umfangreiches Know-how in die den- und Dachplatten aus mikrobewehrtem, ultra- aktiviert und mit der Konstruktion und den thermi- Glasfassadengestaltung ein. In der ETA-Fabrik wur- hochfestem Beton5. schen Speichern in den Gebäudeenergiekreislauf den passgenaue Lösungen mit verschiedenen Sys- Die thermische Aktivierung erfolgt durch ein ober- einbezogen. Die Integration einer Niedertemperatur- temen gefunden. So kam mit Okasolar F an der voll- flächennah eingebautes und wassergefülltes Rohrlei- Flächenheizung in die Hallentragkonstruktion, die verglasten Südfassade ein richtungsselektives Ta- tungsnetz aus Polypropylen. Hiermit kann die in einer Aktivierung der Gebäudeteile an sich, die damit ver- geslichtsystem zum Einsatz. Speziell geformte, fest- Fabrik nötige hohe thermische Dynamik des bundene Möglichkeit der Nutzung der Abwärme so- stehende Lamellen im Scheibenzwischenraum len- Systems erreicht werden (Abb. 6). wie die umgekehrte Möglichkeit der Kälteerzeugung ken das Tageslicht zur Decke, von dort wird es re- Das somit aktivierte Betonbauteil fungiert als riesige der thermisch aktivierten Dachflächen wurden nur flektiert und der Innenraum indirekt belichtet. Durch Heiz- oder Kühlfläche, die schnell auf die Erfordernis- durch einen integrativen Planungsprozess von An- diese optimale Tageslichtnutzung entsteht eine ange- se der Raum- und Maschinenklimatisierung reagie- fang an erreicht. Weitere Elemente sind die Integrati- nehme Atmosphäre für die Mitarbeiter. Gleichzeitig ren kann. Die Energiespeicherung erfolgt in externen on der Belüftung des Seminarraums in die Hohlräu- bietet das System nahezu 60 % Durchsichtigkeit und Betonbehältern. Die thermische Aktivierung der Trag- me der Hohlkammerdecken, neuartige Vakuumiso- hohen Wärmeschutz. An der Ost- und Westfassade struktur führt zu einer ungleichmäßigen Temperatur- lierpaneele, die in die nordseitigen Fassadenelemen- sorgt ein transluzentes Kapillarsystem für eine gleich- verteilung im Querschnitt. In Kombination mit weite- te integriert wurden und die innovativen Verglasun- mäßige, diffuse Lichtstreuung in den Raum. ren Belastungen (Kranbahnbetrieb, Imperfektionen) gen zur Lichtstreuung, Lichtlenkung und Verschat- Okalux+ integriert Kapillarplatten zwischen zwei Iso- entstehen erhebliche statische Zusatzbelastungen. tung in den Seitenfenstern und der Südfassade. lierglasscheiben, die eine hohe Lichttransmission und guten Sonnenschutz gewährleisten. Darüber Diesen wird durch die Einführung von zwei unterschiedlich ausgebildeten Querkraftgelenken im Übergang von Wand- zu Dachelement entsprechend Abb. 7 begegnet. Durch die Verwendung von beinahe ausschließlich zementösen Baustoffen, können die Schichten einfach getrennt und aufgrund ihres mineralischen Charakters später der Wiederverwertung zugeführt werden. Als weitere Besonderheit wurde die Decke des Seminarraums als Hypokaustendecke ausgebildet, bei der eine thermische Speichermasse über temperierte Zuluft aktiviert wird. In diesem Deckensystem werden die Hohlräume von Hohlkammerdecken zur Luftführung genutzt und die Luft über Bohrungen in den Seminarraum eingeblasen. Das Luftkanalnetz ist so vollständig in die Konstruktionshöhe der Decke integriert; Tragwerk und Lüftungssystem werden zu einer Einheit. 074 I 075 xia 07-09 2016 Autoren Andreas Maier, Jens Schneider, Ulrich Knaack, TU Darmstadt, Institut für Statik und Konstruktion (ISM+D, ehemals IWMB) Martin Beck, TU Darmstadt, Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) hinaus wirken die Kapillarröhrchen im Scheibenzwi- Literaturverzeichnis 1 Abele, E. ET AL.: Skizze des Forschungsprojektes „ η-Fabrik“ Vorhabensbeschreibung des Forschungsprojektes „ η-Fabrik“ im Rahmen des 5. Energieforschungsprogrammes der Bundesregierung „Innovation und neue Energietechnologien“, gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie. TU Darmstadt 2013. 2 Dietz-Joppien Architekten AG: Energieschema. Frankfurt.2016. 3 Schneider, J.; Garrecht, H.; Maier, A.; Gilka-Bötzow, A.: Ein multifunktionales und energetisch aktives Fassadenelement aus Beton. Bautechnik 91 (2014), Heft 3, Berlin: Ernst&Sohn Verlag, S. 167–174. 4 Gilka-Bötzow, A.; Röser, F; Koenders, E.A.B.: Mineral Foam in energy active Buildings. Nagasaki: International Conference on the Regeneration and Conservation of Concrete Structures (RCCS) 2015, S. 8 5 Wörner, J.D.; Hauser, S.: DUCON, ein innovativer Hochleistungsbeton. Beton und Stahlbetonbau Hefte 2 und 3. Berlin: Ernst&Sohn Verlag 1999, S. 66-75 und S. 141-145. Nordseitig kam an den nichttransparenten Flächen schenraum als kleine Luftpolster und reduzieren Konvektion und Wärmestrahlung. So erreicht das Fassadensystem einen Ug-Wert von 0,9 W/m2K. Okalux HPI zum Einsatz. Das innovative Hochleistungs-Isolierglasmodul garantiert den auf der Nordseite notwendigen Wärmeschutz. Dank einer im Scheibenzwischenraum integrierten Vakuumisoliereinheit glänzt das System mit einem hervorragenden Ug-Wert von 0,23 W/m2K. Okalux HPI lässt sich nahtlos in alle gängigen Fassadensysteme integrieren – die konstruktive Tiefe der Vakuummodule entspricht der Tiefe herkömmlicher Isoliergläser. Weitere Informationen: www.okalux.com 072_087_xia 96_report_IA50FOKU.QXD 25.07.2016 13:28 Seite 75 Gebäudehülle / Dach I Bauen mit Glas REPORT Forschungsprojekt Neubau der ETA-Fabrik auf dem Campus Lichtwiese der TU Darmstadt, www.etafabrik.tu-darmstadt.de Architektur Dietz-Joppien Architekten AG, Prof. Dipl.-Ing. Anett-Maud Joppien, Dipl.-Ing. Joachim Stephan Eisele Staniek Architekten, Prof. Dipl.-Ing. Johann Eisele Foto: Eibe Sönnecken, Darmstadt Tageslichtsystem Okasolar F in der Südfassade – angenehme Atmosphäre und Durchblick nach außen Funktionsgläser Okalux+ mit Kapillareinlage im Scheibenzwischenraum sind in der Ost- und Westfassade verbaut. Foto: Schüco International KG Foto: Eibe Sönnecken, Darmstadt Tragwerk, thermische Aktivierung und Fassaden TU Darmstadt, Institut für Statik und Konstruktion ISMD (ehemals IWMB), Prof. Dr.-Ing. Jens Schneider Haustechnik, Energiekonzept und Maschineninterieur TU Darmstadt, Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW), Dipl.-Wirtsch.-Ing. Martin Beck Schüco Parametric System Projektpartner Schüco mit aufwendigen Sonderlösungen realisierbar. Mit Vollständig verglaste Stirnseiten sind ein Gestal- dem Schüco Parametric System lassen sich dreidi- tungsmerkmal der Zukunftsfabrik: Auf der Nordseite mensionale Freiform-Fassaden nun erstmals als ein- schützt eine Schüco FW60+ Structural Glazing (SG)- fach zu planende Systemlösung umsetzen und mit Fassade die Büros vor Überhitzung. der Sicherheit eines Serienprodukts kalkulieren. Die Ein Eyecatcher ist die spektakulär gestaltete Vergla- Projektbeteiligten können dabei in allen Entwurfs-, sung an der stark dem Zenitlicht ausgesetzten Süd- Planungs- und Fertigungsstufen auf eine durch- fassade. Hier wurde erstmals das Schüco Parame- gehend geschlossene digitale Prozesskette zurück- tric System an einem Gebäude verbaut. Die parame- greifen. So lassen sich Schnittstellenprobleme umge- trischen Glaselemente im unteren Fassadendrittel er- hen und Kosten für Änderungswünsche frühzeitig lauben einen effektiven Sonnenschutz und ermögli- bilanzieren. Weiterer Vorteil: Durch Kombination und chen zugleich vielfältige Sichtbezüge zwischen Innen Fügung der Einzelelemente lassen sich verschiedene und Außen. Die Fassade besteht aus sechs vorge- Geometrien abbilden und unterschiedliche Gläser fertigten, je 3,5 x 2,4 m großen Elementen, die mit oder Füllungen einsetzen. „Man kann Fassaden- einem Autokran in das zuvor aufgestellte Stahlskelett strukturen ein anderes Gesicht geben“, sagt Bauin- eingehängt wurden. Bei den drei oberen, stärker der genieur Prof. Jens Schneider. „Die dreidimensionale Sonne ausgesetzten Scheiben sind 32 % des Glases Faltung der Fassade ermöglicht es, lokale Gegeben- mit einem Punktmuster als Sonnenschutz bedruckt. heiten aufzugreifen, Sichtbezüge herzustellen und Die unterste Scheibe ist transparent und nach vorn großflächige Fassaden zu gliedern. Vor allem bei zum Boden geneigt: So lassen sich störende Refle- Bürogebäuden oder Hochhäusern entstehen da- xionen vermeiden und Passanten können von außen durch interessante Gestaltungsmöglichkeiten.“ blendfrei in die Halle schauen. Die Konstruktion kragt um knapp 70 Zentimeter aus. Weitere Informationen: Bislang waren individuell gestaltete 3D-Fassaden nur www.schueco.de