Wie unter einer Wärmeglocke

Düsseldorfer “Stadttor”: Passive Solarheizung

Grundwasser für Kühldecken

Mit rund 20 Stockwerken wird Ende dieses Jahres das
“Stadttor”, eines der neuen Düsseldorfer
Wahrzeichen, über dem Tunnelmund des Rheintunnels in den
Himmel ragen. Der parallelogramm-förmige Grundriß mißt
66 x 50 m Kantenlänge; doch es ich nicht die
ungewöhnliche Fundamentkontur, die auch über deutsche
Landesgrenzen hinaus die Aufmerksamkeit der Baumeister
auf sich ziehen wird, vielmehr sind es die
energiesparenden Maßstäbe, die der Zwillings-Büroturm
mit seinen “wegweisenden ökologischen
Prinzipien” setzt, so Peter-Michael Engel von der
Investorengruppe: nämlich Klimatisierung ohne
Klimaanlage, Grundwasserkühlung ohne Kältemaschine,
Wärmedämmung ohne Dämmaterialien.

Hinter der Gebäudephysik verbirgt sich alles andere
als mysteriöse Technik. Das Team um Architekt Karl-Heinz
Petzinka sowie der JMP Ingenieurgesellschaft als
Mitverantwortliche für die Haustechnik orientierte sich
in der Planung lediglich an den vorhandenen Ressourcen:
Sonne über den gesamten Tagesgang, weil nichts das
Gebäude verschattet, sowie ein hoher Grundwasserspiegel
wegen der Nähe des Rheins. Die Baumeister umkleideten
die Büroräume mit einer doppelten Haut, stülpten dem
Bauwerk sozusagen eine Wärmeglocke über. Die läßt
sich am besten mit Wintergartenfassade beschreiben: In
einem Abstand von 1,40 m zur äußeren Verglasung zogen
sie eine zweite Wand – überwiegend ebenfalls aus
Glas – mit holzgerahmten Schwingtüren. Dieser
Zwischenraum mit seiner isolierenden Luftschicht hat
gleichsam Balkon- als auch Dämmfunktion. Umlaufende
Lüftungskästen mit regelbaren Ein- und Auslässen
erlauben über weite Teile des Jahres eine natürliche
Be- und Entlüftung aller Geschosse.

Die innere Fassade ist mit holzgerahmten Schwingtüren
ausgerüstet. Die äußere Fassade ist eine Art
“structural glazing”-Fassade, die mit einem
Großrechner-Simulationsprogramm (durchgeführt von
DS-Plan) optimierten, verschließbaren Lüftungskasten
ausgerüstet ist.

Ausgelegt ist diese Raumluft-Konditionierung für
Außentemperaturen von etwa +5 ° C bis gut +20° C. Die
Ingenieure sprechen hier von Fensterlüftung. Sie meinen
damit offene Türen in der Innenwand, geöffnete Klappen
zur Außenwelt und unter Umständen verschattende
Jalousien, wenn zuviel Sonne einfällt.

Luftklappen vom Großrechner

In der Konstruktion der Belüftung steckt
universitäres Know-how. Um den erwähnten großen
Außentemperaturbereich ohne weitere zusätzliche
Luftbehandlungsmaßnahmen abdecken zu können, bemühten
die Ingenieure den Großrechner der Universität
Stuttgart zur Optimierung der Klappen. Sie müssen
strömungstechnisch so ausgebildet sein, daß niedrigste
Luftgeschwindigkeiten die gewünschten Temperaturprofile
garantieren. Ebenfalls übertrugen die Bauphysiker diesen
Ein- und Auslässen eine Art Sicherheitsfunktion in Form
eines negativen Überdruckventils: Bei Windspitzen
öffnen die Klappen, um eine bestimmte Druckkomponente
auf die Holzfenster-Innenfassade zu verlagern. Damit
verteilt sich der Winddruck auf die beiden Hautschichten
des Stadttores.

Aber damit noch nicht genug der Ingenieurkunst. Im
Falle intensiver Sonnenbestrahlung machen die Jalousien
zu. Dabei kommen ihnen zwei Aufgaben zu: erstens
natürlich zu verschatten, zweitens aber – und das
ist die eigentliche Intelligenz der Lösung – liegen
sie so dicht an den Scheiben an, daß die
überproportionale Aufheizung zwischen Glas und Lamelle
eine ausgeprägte Thermik entwickelt und die gesamte
Warmluft aus dem Korridor ausschleust. Ein zusätzlicher
Vorteil der innenliegenden Jalousien: Selbst bei hohen
Windgeschwindigkeiten dürfen sie ausfahren und
abschirmen.

Das fortschrittliche Energiekonzept des Gebäudes
entstand weitestgehend in der Ausführungsplanung. Für
die zeichnet die Ingenieurgesellschaft JMP Jaeger,
Mornhinweg & Partner, Stuttgart, verantwortlich.
Gerhard Ruccius, Mitgeschäftsführer des schwäbischen
Unternehmens, hat aber auch in der Entwurfsplanung
mitgeredet. Das Plus dieser frühen Einbindung liegt auf
der Hand: nämlich die Realisierung einer Heizungs- und
Kühlungstechnik, die nicht durch bereits gestaltete
Innenräume gehandicapt war.

Sorptionskälte aus Fernwärme

Bleiben wir aber noch bei der Lüftungstechnik. Wie
gesagt, Wintergarten und Fassadenklappen übernehmen hier
die Hauptarbeit. Unterhalb Außentemperaturen von +5° C
und oberhalb 20° C oder 25° C hat jedoch das System
seine Funktionsgrenzen. Deshalb integrierte JMP noch eine
mechanische Be- und Entlüftung. Sie ist geprägt durch
eine Kombination von Sorptionsspeichern und adiabatischer
Kühlung. Diese Hintereinanderschaltung macht sie so
einmalig. Eigentlich ist ja die Sorptionstechnik auf der
Basis regenerativer Rotationswärmetauscher nichts Neues.
Seit einigen Jahrzehnten experimentieren Lüftungs- und
Klimatechnik mit diesem Prinzip: Ein rotierendes
Speicherrad verschließt mit seiner Seitenfläche die
beiden Querschnitte eines nebeneinander abgeordneten Zu-
und Abluftkanals. Die zuströmende Außenluft gibt an das
Absorptionsmaterial – meist irgendwelche
hygroskopisch reagierende Kristalle – im
Kühlbetrieb im Sommer ihre Feuchtigkeit ab und trocknet
dabei auch vor. Einige Minuten später dreht sich dieses
Segment vor den Auslaß, und die Abluft nimmt die
eingelagerte Feuchtigkeit auf. So entlädt sich das
Aggregat wieder. Wie gesagt, schon seit vielen Jahren
kennt die Komfortlüftung diesen Mechanismus, nur
entsprach vornehmlich das Speichermaterial nicht den
gestellten Anforderungen. Es verrottete oder vereiste
oder mußte aufwendig gewartet werden. Neuere
Entwicklungen räumten diese Defizite aus. Die
adiabatische Kühlung entstammt der Industriekühlung.
Auch hier kreuzen sich in einem Wärmetauscher ein Zu-
und ein Abluftstrom. Nur bewegt sich zwischen beiden kein
Sorptionskörper, vielmehr sprüht man in die Abluft
Feuchtigkeit ein. Die verdunstet und holt sich dabei die
notwendige Verdampfungswärme zum Teil aus der Zuluft.
Die Kombination von Sorptionstechnik und adiabatischer
Kühlung einer einzigen Zuluftstrecke gilt als Novum in
der Komfortklimatisierung. Aus diesem Grunde, nämlich
wegen des Trocknungs- und Befeuchtungsprozesses, kann
tatsächlich auch von Klimatisierung gesprochen werden,
die freilich in diesem Falle ganz ohne FCKW auskommt.

Kühldecken plus Heizkühldecken

Die Installation im Stadttor zeichnet sich noch durch
eine weitere Komponente aus. Falls die Abluft den
Sorptionskörper nicht ausreichend desorbiert, strömt
zusätzlich warme Luft ein, die sich in einem
Fernwärmetauscher temperiert hatte und so die Fortluft
darin unterstützt, die Feuchtigkeit in die Atmosphäre
zu transportieren, das heißt, den Rotor zu entladen.

Die Luftansaugung ordneten die Planer am höchsten
Punkt des Gebäudes an, um sich die beste Düsseldorfer
Qualität zu sichern. Im Winterbetrieb übernehmen die
Sorptionsräder zugleich die Wärmerückgewinnung. Die
beiden Zentralanlagen bewältigen maximal 77 000 m³ pro
Stunde – daraus errechnet sich ein theoretisch hohes
Rückgewinnungspotential von rund 70 %. Die Technik
gestattet Zulufttemperaturen zwischen 18 und 16°C bei
32°C Außentemperatur ohne Einsatz einer Kältemaschine
oder dergleichen. Das gesamte Gebäude heizt und kühlt
als FCKW-frei. Es hängt lediglich am Fernwärmenetz der
Stadtwerke Düsseldorf.

Und am Grundwasser. Das hat quasi Nahkältecharakter.
Beide Medien, Fernwärme im Winter und Grundwasser im
Sommer, durchströmen ein und dasselbe
Heizkühldeckenelement in den einzelnen Büroräumen.
Auch diese statische Heizung und Kühlung über
Heizkühldecken geht neue Wege. Insgesamt 8 000 m²
derartiger bifunktionaler Tauscherflächen sorgen im
Stadttor Düsseldorf für den Temperaturausgleich. Noch
einmal zusätzliche 5 500 m² arbeiten als reine
K&u uml;hldecken. Die befürchtete Taupunktunterschreitung hat
man heute im Griff. Sie setzt eine punktgenaue
Vorlauftemperaturregelung in Abhängigkeit von
verschiedenen Parametern wie natürlich der Außenluft
voraus. Diese Vorlauftemperatur liegt minimal bei 16 bis
17°C – für Kühldecken der übliche Bereich –
das Delta t bei etwa 3°C bis 4°C.

Um korrekt zu sein: Das Grundwasser strömt nicht
direkt durch die Decke. Selbstverständlich ist hier ein
Plattenwärmetauscher zwischengeschaltet und damit ein
Sekundärkreis gezogen. Die Brunnen liegen in etwa 30 m
Tiefe. Um hier auf sicheren Füßen zu stehen, hat JMP
einen Spezialplaner aus der Schweiz eingeschaltet, der
europaweit als einer der erfahrensten Spezialisten für
Geothermie gilt, nämlich die Firma NEK aus Zürich.
Würde man hier nicht höchstes Know-how investieren,
könnte es passieren, daß ein ganzes Herzstück des
Hauses sich als nichtfunktionsfähig erweist. Die Brunnen
müssen etwa 600 000 m³ Wasser pro Jahr spenden. Da die
Untere Wasserbehörde aber keine ganzjährige Vorhersage
für die Wassertemperatur abgeben mochte, verwies sie das
Ganze Verfahren an die Obere Wasserbehörde
(Bezirksregierung). Diese genehmigte mit 900 000 m³ eine
bestimmte Reserveentnahme.

Parkhaus als Kurzschluss-Sperre

Im Bereich des Parkhauses versickert dieses
Entnahmewasser. Dadurch ist ein ausreichender Abstand des
Schluckbrunnens zum Förderbrunnen eingehalten und ein
direkter Kurzschluß von Entnahme- und
Versickerungsstelle vermieden. Düsseldorf verfügt wegen
des Rheins über ausreichende Grundwasserströme. Nur bei
Hochwasser könnte es zu einer Strömungsrichtungsumkehr
kommen. Die schadet aber der Anlage nicht, da das gesamte
unterirdische Parkhaus als Sperrbauwerk, als künstlicher
Riegel zwischen beiden Brunnen liegt.

Der Kühlkreis kommt mit einem einzigen Wärmetauscher
zwischen Grundwasser und Deckenpaneel aus. Es muß damit
auch auskommen, weil das Grundwasser nur ein begrenztes
Temperaturangebot bereithält. Jeder zusätzliche
Tauscher würde zu Verlusten in Temperaturgradienten
führen. Im Heizfall dagegen mangelt es nicht an Wärme.
Deshalb trennte JMP das Gesamtgebäude erst einmal vom
Fernwärmenetz der Stadtwerke über einen ersten
Plattenwärmetauscher und zusätzlich die Heizdecken
über einen zweiten Tauscher. Der hängt im
Kühlwasserkreis. Im Heizbetrieb fördern ja die Brunnen
nicht; die Übergabestation markieren dann den Beginn des
alternierenden Warmwasserkreises. Auch die
Heizdeckentechnik darf zumindest als halbes Novum
angesehen werden. Die Niedrigenergiebauweise bringt sie
wieder ins Gespräch. Vor einigen Jahrzehnten waren ja
bereits Deckenstrahlungsheizungen in Mode, nur hielten
sie in vielen Fällen nicht, was die Verfechter
versprachen. Es kam häufig zu Klagen über zu hohe
Temperaturen im Kopfbereich. Deshalb fuhr JMP zusammen
mit den Bauphysik-Beratern DS-Plan extra in einem
Forschungsinstitut Versuche, um festzustellen, ob die
Behaglichkeit im Rahmen der DIN- Strahlungsasymetrie
gewährleistet ist. Die Ergebnisse sprechen für die
gewählte Ausführung. Mit Heizdeckenvorlauftemperaturen
von grob um die 35°C bei niedrigsten Außentemperaturen
bewegt sich der Komfort innerhalb der genormten Werte.

Niedrigenergie-Trend macht´s möglich

Wie angedeutet, der Grund für diese Wende zum
Besseren hinsichtlich der Behaglichkeit liegt nicht so
sehr in produktspezifischen Innovationen. Als Ursache ist
in erster Linie die Tendenz zum Niedrigenergiehaus zu
nennen, in diesem Falle also die ausreichende
Vorlauftemperatur von 35°C gegenüber den 70°C
früherer Jahre. Da bleibt der Kopf zwangsläufig kühl.
Denn dank dieser geringen Oberflächentemperatur der
Decke arbeitet die Heizung überwiegend im
Strahlungsbereich und nicht mit Konvektoren. Das führt
zu einem ausgeglichenen Temperaturprofil über die
Raumhöhe gesehen. Die einzigen Problemzonen sind wohl
die Spitzen Winkel des Parallelogramms mit den
verhältnismäßig großen Fensterflächenanteilen zum
Raumvolumen. Hier sieht deshalb die Planung ergänzende
Streifen Fußbodenheizung vor den Fenstern vor.

Genaugenommen sorgen sich die Haustechniker weniger um
zu kalte Füße. Vielmehr mußten sie Vorkehrungen
treffen, um eine Überhitzung der Fußböden wegen der im
jeweiligen Untergeschoß hängenden
Deckungsstrahlungsheizung zu vermeiden. Eine erste
Simultanberechnung der Fassaden auf einem Rechner im
Rahmen der oben erwähnten Heizdeckenvorlauftemperaturen
hatte ja schon bei etwa 5°C dank der doppelschaligen
Fassade einen ausgeglichenen Energiehaushalt bei
eingeschalteten Lampen und Büromaschinen ausgewiesen.
Ergo darf der Boden nicht speichern, um die thermische
Balance nicht durcheinanderzubringen. Aber das war ja
auch gerade der Sinn der Studie und der Untersuchungen
– auch der Versuch mit der Deckenstrahlungsheizung
-, s ich hier genau den späteren Verhältnissen zu
nähern. Bei einem Projekt dieser Größenordnung, dieser
Sensibilität und Intelligenz ist das wohl ein Muß. Die
Heiz-/Kühldeckentests fanden deshalb in Zusammenarbeit
mit einer möglichen Herstellerfirma Zent-Frenger in
Heppenheim und Leonberg und zum anderen am DIN-Institut
von Dr. Bitter, Mangelsdorf in Fellbach, statt.
Unabhängige Sachverständige beurteilen die Qualität
und gaben ihr Plazet.

Das Stadttor kommt bei 0°C Außentemperatur mit 28
Watt je Quadratmeter Wärmebedarf aus. Für den
kritischen Auslegungsfall genügen für die Außenzonen
im Mittel ca. 40W/m². Damit erfüllt es alle
Anforderungen der Wärmeschutzverordnung trotz
Glasscheiben in der Außenfassade, die für sich genommen
nur einen k-Wert von 4 oder 4,5 haben. Die doppelte Haut
des Wintergartens macht´s.

Riesiges Atrium

Zwischen beiden Gebäudetürmen spannt sich das
Atrium. Die Türme mit 17 Regelgeschossen und einer drei
Etagen hohen Traverse als vollflächige Überdachung des
gesamten Gebäudes schirmen diesen Innenhof thermisch
nach außen hin ab. Der Simulationsrechner druckte selbst
für den Extremfall immer noch Temperaturen von
mindestens 0°C aus. Dieses Areal ist als riesiger
offener Luftraum geplant, innerhalb bestimmter Grenzen
aber mithin dank der beheizten angrenzenden Büroräume
temperatur-stabil.

Noch einiges zur Regelung. Die Untergliederung der
Deckenstrahlungsheizung in Heizkreise orientiert sich an
möglichen Mietflächen. Aus den maximal 35°C
Vorlauftemperatur wird ja bereits ersichtlich, daß es
keine große Himmelsrichtungszonierung nach
unterschiedlichen Außentemperaturen geben kann. Deshalb
wählte das Ingenieurteam eventuelle Mietbereiche als
Regelzone.

Grenzen zieht zum anderen die generelle
Installationsstruktur. Jede Außenbürozone – sowohl
auf der Atriumseite als auch an der Fassade –
beginnt zuerst mit einem 2,7 m breiten
Heizkühldeckenstreifen bis etwa Raummitte. Zwischen
diesen beiden Streifen liegt die ausschließliche
Kühldecke mit im Bedarfsfall ganzjähriger Kühlung.
Heizkühldecken bzw. Kühldecken lassen sich einzeln
büroweise regeln, wobei mit Büro genaugenommen ein
Segment von 3,0 m Breite als kleinste Regeleinheit
gemeint ist. Die Grundrißnutzung selbst ließ der
Architekt offen. Einzelbüros, Flure, Großraumbüros,
Kopierräume, Sozialräume, Kombibüro mit ca. 5,20 m
Tiefe an der Fassade und dann offene Zone in der Mitte:
Alles ist so ausgelegt, daß von der Großraumnutzung bis
zum kleinsten Kämmerchen jedem individuellen Wunsch
variabel Rechnung getragen werden kann.

Natürlich mit Bus-Technik

Die regeltechnische Ausschreibung wird in den
nächsten Monaten herausgehen. Deshalb läßt sich zu den
Details noch nichts sagen. Die Vorplanung sieht aber zwei
Bussysteme vor, nämlich den EI-Bus für die Elektroseite
und für die Klimatisierung und Deckenkühlung irgendeine
Alternative aus dem Spektrum der großen DDC-Anbieter. An
diesen Bussen werden dann alle Regelventile, die zu einer
Raumzone gehören, hängen. Synchron könnten dann bis 20
Ventile und mehr angesprochen werden oder aber eben nur
eins. Darauf legen die Planer größten Wert.

Lüftungsseitig ist für die Außenzonen die
Alternative “Automatik” oder kontinuierliche
“Ein”-Betrieb interessant. Automatikbetrieb
heißt, daß, wenn die Klappen in der Fassade zumachen,
automatisch die Lüftung einschaltet, um Raumluftkomfort
zu garantieren. Bei Temperaturen oberhalb 20°C schaltet
die Sorptionstechnik ebenfalls zu. In der über das Jahr
gesehen mehrheitlichen Zeitspanne zwischen +5°C und
+20°C wird dagegen die Technik im Dachgeschoß wegen des
ausreichenden Wintergarteneffekts der Außenfassade
abschalten beziehungsweise nur noch Innenzonen ohne
natürliche Lüftungsmöglichkeit versorgen. Der Mieter,
der es dann trotzdem luftiger haben möchte, kann dann
auf “ein” stellen, und die Lüftung läuft in
der zugeordneten Zone ununterbrochen durch. Ein Resümee
zum Abschluß zieht Gerhard Ruccius von JMP:

“Ich bin der Überzeugung, daß das Düsseldorfer
Stadttor eines der interessantesten Gebäude ist, das
derzeit in Planung und Ausführung steht. Die rigorose
Kombination der verschiedenen Maßnahmen ist wohl
einmalig. Wir gehen davon aus – und die
Simulationsberechnungen bestätigen es -, daß die
späteren Nutzer im Vergleich zu Mietern in anderen
Hochhäusern mit stark reduzierten Betriebskosten
auskommen werden. Die Grundwassernutzung ist –
einmal abgesehen von den erheblichen Mehrinvestitionen
– über die Jahre gesehen auf dem jetzigen Stand
gebührenfrei. Damit tun wir auch der Umwelt etwas Gutes,
denn wenn in bezug auf die Wasserinhaltsstoffe ein
gewisser Summengrenzwert überschritten wird, müssen wir
über riesige Aktivkohlefilter dieses Wasser aufbereiten,
um es erst dann in besserer Qualität in den Boden
zurückzuleiten.”

Ökologisch im Lot

Recht hat er. Die Gesetze des Landes
Nordrhein-Westfalen sehen eine Grundwasserentnahme
einerseits und die Wiedereinleitung andererseits als
völlig getrennte Vorgänge an. Wer Grundwasser entnimmt,
darf es nicht in der schlechten Qualität, in der er es
zapfte, wieder versickern lassen, sondern er muß
Trinkwasserqualität einspeisen. Allerdings nur, wenn ein
bestimmtes Kontaminationskriterium überschritten ist.

Im übrigen stören diese Eingriffe in den
Grundwasserspiegel das ökologische Gleichgewicht im
Erdboden nicht, einfach aus dem Grunde, weil die
Grundwasserströme durch den Pegelstand des Rheins und
dessen Temperaturen überproportional im Vergleich zur
Deckenkühlung beeinflußt werden. In Düsseldorf pendelt
das Unterbodenthermometer zwischen 10 und 15°C. Mit
diesen Schwankungen kann die Kühldecke leben.

Aber weiter Ruccius´ Resümee: “Die
doppelschalige Fassade ist schon in anderen Projekten
gerade in letzter Zeit realisiert worden. Aber in dieser
Intelligenz, mit der fast stockwerksweisen
Steuerungsmöglichkeit einzelner Fassadenabschnitte über
Wintergarten und Strömungsklappen und in
regelungstechnischer Kombination mit den Heizkühldecken,
die über Grundwasser und Fernwärme gespeist werden, ist
weder uns noch dem Bauherrn ein Objekt in der Welt
bekannt.”

Was noch erwähnenswert ist: Im Sommer nutzt das
Stadttor gewissermaßen nur Abfallwärme. Die Fernwärme
in Düsseldorf aus dem kraftwärmegekoppelten Kraftwerk
fällt ja ohnehin an. Nur die nutzen die Techniker in den
Sorptionsrädern zur Trocknung und damit zur Kühlung.
Bei einem reinen Kraftwerk müßte man diese Energie
über den Kühlturm abgeben. Das heißt, für das
Stadttor ist im Kühlbetrieb genaugenommen keine
zusätzliche städtische Energieerzeugung nötig,
lediglich etwas Strom für den Pumpenantrieb.

Erschienen in: Sanitär- und Heizungstechnik 4/96
Von: Bernd Genath