Nachhaltige Architektur im Klimawandel - das "Active Energy Building"

Do, 30.01.2020 — Anton Falkeis & Cornelia Falkeis-Senn

Anton FalkeisCornelia Falkeis-SennIcon MINTDas "Active Energy Buildung", ein Apartmentwohnhaus in Vaduz (Liechtenstein), ist hinsichtlich Energietechnik und Gebäudekonstruktion ein Meilenstein umfassend nachhaltiger Architektur: das Haus i) nutzt ausschließlich erneuerbare Energieformen, ist energieautonom und versorgt auch noch umliegende Gebäude mit Energie und ii) es ermöglicht eine höchstmögliche Adaptierbarkeit der Grundrisse über die gesamte Lebensdauer des Gebäudes ohne dabei die tragenden Strukturen zu beeinträchtigen. Der von intensiver transdisziplinärer Forschung (mit Anleihen aus der Natur) begleitete Bau hat überaus innovative Elemente realisiert u.a. zur Effizienzsteigerung der Energieproduktion, zur Klimaregulierung des Gebäudes, zur Konstruktion eines leichten Tragwerks und einer textilen Gebäudehülle zur Beschattung. Die Architekten Anton Falkeis und Cornelia Falkeis-Senn (falkeis2architects, Wien und Vaduz) beschreiben das von ihnen konzipierte und realisierte visionäre Projekt, das international ein enormes Echo gefunden hat.

In den letzten Jahrzehnten haben städtische Ballungsräume die wachsende Weltbevölkerung äußerst effektiv absorbiert und ländliche Bevölkerung angezogen. Heute beherbergen diese Ballungsräume bereits mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung, sind für 75 % des globalen Energieverbrauchs verantwortlich und für 80 % der von Menschen verursachten CO2 Emissionen.

Weit über ihre ursprüngliche Bestimmung hinaus gewachsen, stellen Städte der Gegenwart die erfolgreichsten, vom Menschen selbst geschaffenen Umwelten dar. Diese Städte können aber nicht länger als räumliche Einheiten verstanden werden, sie verhalten sich vielmehr wie lebende Organismen: je nach den sich ständig verändernden Bedingungen dehnen sie sich wie Amöben aus oder ziehen sich zusammen.

Bis jetzt hat eine derartige "biologische" Sichtweise in unsere derzeitige Städteplanung nicht Einzug gehalten. Modelle für urbanes Wachstum haben in den Planungen des 20. Jahrhunderts die sich ergebenden Wechselwirkungen nicht berücksichtigt, dem System mangelte es an Flexibilität und versagte dabei widersprüchliche Elemente mit einzubeziehen. Dass es um eine evolutionäre Entwicklung geht, wurde überhaupt nicht ins Kalkül gezogen.

Wir haben versucht urbane Entwicklungen zu analysieren und haben dann daraus einige Tools entwickelt, die beim Entwerfen zeitgemäßer Städte eingesetzt werden können:

Städte der Zukunft müssen i) ihren Energiebedarf lokal produzieren und ii) auf allen Ebenen nachhaltig sein.

Das Energie-Konzept

Das Konzept der "Active Energy Buildings" ("aktiven Energiegebäude") bietet eine neue Strategie, die sowohl CO2-Emissionen als auch den Energieverbrauch senkt.

"Active Energy Buildings" sind energieautonome Strukturen, die ausschließlich erneuerbare Energiequellen nutzen. Fokussiert wird auf Geothermie sowie auf die passive und aktive Nutzung der Solarenergie. Aktive Solarnutzung bedeutet, dass mittels Photovoltaik elektrische Energie erzeugt wird und mittels einer neu entwickelten, patentierten Gebäudetechnologie dem Gebäude direkt - ohne vorherige Konversion in elektrische Energie - Wärme oder Kälte zugeführt wird.

Ziel ist es ein energieautarkes Gebäude zu realisieren, das vernetzt innerhalb eines Gebäudeverbunds - einem lokalen Energiecluster - eine aktive Rolle als Energieproduzent und Versorger einnimmt. Abbildung 1.

Abbildung 1. "Active Energy Buildings". In einer amöbenartigen, dynamischen urbanen Struktur arbeiten "Aktive Gebäude" als lokale Solarkraftwerke. Die erzeugte Energie wird primär im Gebäude verwendet, E-Autos in der Tiefgarage dienen als Zwischenpuffer. Energieüberschüsse werden dann im Cluster verteilt - für Zwecke des Wohnens und Arbeitens - und zum Auffüllen der Speicher von Wasserkraftwerken genutzt. (Bild: falkeis2architects)

Das "Active Energy Building" - der Prototyp

Basierend auf transdisziplinärer Forschung und Entwicklung, welche parallel zu einem über sechs Jahre dauernden Planungs- und Realisierungsprozess liefen und auf diesen einwirkten, wurde das "Active Energy Building" in Vaduz (Liechtenstein) 2017 fertiggestellt. Es war als Siegerprojekt aus einem internationalen Wettbewerb hervorgegangen.

Involviert in den Forschungs- und Entwicklungsprozess waren interdisziplinäre Teams aus Physikern, Physikochemikern, Informatikern, Robotikingenieuren, Tragwerkplanern, Gebäude- und Energietechnikern. Das Ziel war ein Gebäude nach einem holistischen Konzept der Nachhaltigkeit zu realisieren: Es sollte nachhaltig sein in Hinblick auf die ausschließliche Nutzung erneuerbarer Energien, auf die Effizienzsteigerung der Energieproduktion, auf neue Methoden zur Raumklimatisierung und auf innovative Strukturen, welche die Gebäudekonstruktion an zukünftige Bedürfnisse adaptierbar machen sollte.

Entstanden ist daraus der erste Prototyp einer urbanen, dezentralen Energieversorgung, der ausschließlich erneuerbare Energiequellen - Sonnenenergie und Geothermie - nutzt und auch hinsichtlich der Konstruktion Vorstellungen realisiert, die man mit dem Begriff Nachhaltigkeit verbindet (s.u.). Abbildung 2. Einige der Innovationen sind von der Natur inspiriert.

Abbildung 2. Das "Active Energy Building" in Vaduz. Oben: von Südosten. Unten: von Südwesten. Ein Großteil der Dachfläche und die Südseite sind mit nachgeführten Photovoltaik-Paneelen bestückt. In die Fassaden der Ost- und Westseite sind sogenannte Klimaflügel (pat.) integriert, die über Phasenwechsel-Materialien als latente Wärmspeicher fungieren. (Fotos: Roland Korner)

Das "Active Energy Building" streckt seine Flügel - Solarflügel und Klimaflügel - in Richtung Himmel. Photovoltaikzellen und Phasenwechsel-Materialien (Phase Change Materials - PCM) als Teil einer beweglichen Gebäudehülle gewinnen Sonnenstrahlung zur Erzeugung von Strom und zum Heizen des Gebäudes und nutzen Weltraumstrahlung zur Kühlung. Um die Solareinstrahlung maximal zu nutzen, wurde in dem Nord-Süd ausgerichteten Bauwerk die Ost-Seite aufgefächert terrassiert, eine breite geneigte Südseite generiert und in der Westseite ein Canyon-artiger Einschnitt geschaffen.

Solar-Tracker steigern die Effizienz der Photovoltaik-Elemente

Die Flächen, die am meisten der Sonne ausgesetzt sind - die verbreiterte Südseite und die gesamte Dachfläche - werden zur Stromerzeugung herangezogen. Für die gebäudeintegrierten Photovoltaik-Elemente wurde ein sogenannter Solar-Tracker entwickelt, der - basierend auf einem astronomischen Programm und den Daten einer Wetterstation - die "Solarflügel" kontinuierlich der Sonne nachführt. Abbildung 3.

Damit konnte die Effizienz der Solarstromerzeugung fast dreifach gesteigert werden.

Abbildung 3. Die in die Dachfläche integrierten, bis zu 14 m2 großen Solarflügel liegen in Ruheposition flach in der Dachstruktur. Mit Sonnenaufgang heben sie sich und werden durch einen Solartracker kontinuierlich der Sonnenposition nachgeführt. Dies führt zu einer fast dreifachen Effizienzsteigerung. (Foto: Wössner)

Innovative Raumklimatisierung via Klimaflügel

Neben Photovoltaik und Geothermie werden latente Wärmespeicher- Klimaflügel - eingesetzt, um Räume zu klimatisieren. Als mögliche Speichermaterialien werden sogenannte Phasenwechselmaterialien (Phase Change Materials - PCM) untersucht und Paraffine auf Grund ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften als besonders geeignet befunden. Paraffine können beim Phasenübergang auf kleinem Raum extrem hohe Energiedichten einlagern.

Das je nach Verwendung unterschiedlich schmelzende Phasenwechselmaterial befindet sich Im Inneren sogenannter Klimaflügel, brandsicher eingekapselt in lamellenförmig angeordneten Aluminiumprofilen. Insgesamt ist das Gebäude mit sieben großflächigen Klimaflügeln ausgestattet: vier auf der Westseite werden zu Speicherung von Wärme verwendet (Abbildung 2, unten), drei Flügel auf der Ostseite zur Speicherung von Kälte.

Die Heizflügel kommen in der kühlen Jahreszeit zum Einsatz. Bei Sonnenaufgang öffnen sich die Flügel, folgen dem Sonnenlauf, das PCM absorbiert die Sonnenstrahlung, und speichert Wärme. Sind die Speicher vollgeladen, schließen sich die Flügel, hängen sich in das Lüftungssystem des Gebäudes ein und dieses gibt die gespeicherte Wärme an die Frischluft ab. Im Sommer bleiben die Flügel geschlossen und tragen zum Schutz gegen sommerliche Überwärmung bei.

Wenn in den Sommermonaten und bei Föhnlage die Außentemperatur hoch ist, werden die Kühlflügel als Alternative zu Kühlaggregaten eingesetzt. In der Nacht geöffnet, strahlen sie Wärme in den Himmel ab. Beim Entladen der Flügel über das Lüftungssystem wird die kühle Luft direkt in die Räume abgegeben. Abbildung 4.

Abbildung 4. Insgesamt ist das Gebäude mit sieben großflächigen Klimaflügeln ausgestattet: vier auf der Westseite werden zu Speicherung von Wärme verwendet (Abbildung 2, unten), drei Flügel auf der Ostseite zur Speicherung von Kälte. (Foto: Michael Zanghellini)

Durch Klimaflügel wird Wärme als Wärme und Kälte als Kälte genutzt ohne eine Konversion in eine andere Energieform dazwischen.

Eine nachhaltige Gebäudekonstruktion

Nachhaltigkeit wird zweifellos über die Adaptabilität eines Gebäudes definiert: Während seiner gesamten Lebensdauer soll man es an die jeweilige Funktion anpassen, neue Raumprogramme über die gesamte Nutzungsdauer realisieren können, ohne die tragenden Strukturen zu beeinträchtigen.

Ein evolutionär optimiertes Tragwerk

Adaptierbarkeit setzt ein optimiertes Tragwerk voraus, das eine höchstmögliche Grundriss-Flexibilität ermöglicht. Als "intelligente" Stützstruktur, die neben den Vertikallasten der Stockwerke auch Horizontallasten (infolge von Erdbeben oder Windlasten) aufnehmen kann, wurden A- und V-förmige Stützelemente entwickelt, die wie Bäume durch das Gebäude wachsen. Um eine möglichst hohe Flexibilität in den Raumprogrammen realisieren zu können, musste die Zahl der Stützen jedoch auf ein Minimum beschränkt werden. Dazu wurde die Position der Stützen am Rechner nach einem, dem evolutionären Optimierungsgedanken entlehnten, sogenannten genetischen Algorithmus ermittelt; nach 5000 Iterationen ergab sich die evolutionär optimierte Verteilung im Gebäude. Abbildung 5.

Abbildung 5. Die Tragstruktur ist ein Skelettbau, der aus Betongeschoßplatten und Fertigteil-Stützen besteht. Links: Die optimierten Positionen der A-und V-förmigen Stahl-Beton-Stützen (grau) und der wabenförmigen Struktur des Voronoi-Skeletts (braun, 3D Modell: Bollinger & Grohmann). Rechts die Stützen im Rohbau. (Foto: Roland Korner)

Tragskelett nach dem Vorbild der Natur

Um die Energietechnik in das Gebäude zu integrieren, wurde ein hochfunktionales leichtes Tragskelett konstruiert, das Anleihen bei der Natur nimmt. Es ist eine Geometrie, wie man sie beispielsweise an einem Libellenflügel sieht oder wie sie durch Aggregation von Zellen entsteht. Dahinter steckt ein präzise definiertes mathematisches System, das der Mathematiker Voronoi bewiesen hat. Mittels des nach ihm benannten Voronoi - Algorithmus wurde ein hochfunktionales leichtes Tragskelett aus Zellen mit optimalem Verhältnis von Tragleistung zu Materialstärke generiert, in welche die Energietechnik eingebettet wurde. Dieses Skelett bildet Teile der Ostfassade, überspannt das Gebäude über die gesamte Länge und bildet das Dachgeschoß mit einer südseitigen Auskragung. Abbildung 6.

Abbildung 6. Das Voronoi-Tragwerk. Oben links: Polygonale 3D-Struktur nach dem Vorbild der Natur. Oben rechts: Modell des Voronoi-Skeletts (falkeis2architects). Unten links: das Voronoi-Skelett zieht sich wabenförmig über Teile der Ostseite, in welche die Kühlflügel (gelb) eingebettet sind und das Dach mit 13 integrierten Solarflügeln. Unten rechts: Die Voronoi Dachstruktur zur Aufnahme der Solarflügel. (Rendering: falkeis2architects, Foto: Roland Korner)

Eine textile Hülle und eine nachhaltige Inneneinrichtung

Für die Verschattung des Gebäudes wurde eine textile, freitragende Hülle entwickelt. Es ist eine Lamellenstruktur aus Textilbändern, die sich aus dem Gebäude heraus entwickelt und lamellenförmig um den Gebäudekörper gezogen wird. Geschlossene Lamellenbänder treten aus dem Gebäude hervor, werden hochgezogen und bilden Schutzdächer gegen die hochstehende Mittagssonne über den Terrassen, bevor sie sich an der Westseite wieder langsam schließen um die tiefstehende Abendsonne zu verschatten. Abbildung 7 oben.

Abbildung 7. Oben: eine innovativ textile Beschattung, die aus dem Gebäude herauswächst und Schutzdächer über den Terrassen bildet, rechts Teile der Westfassade (Foto: Roland Korner). Unten: Das 5- geschoßige Mehrfamilienhaus im Längsschnitt (falkeis2architects) und ein Beispiel für einen Wohnraum. (Foto: Roland Korner)

Das Gebäude selbst ist ein fünf Stockwerke hohes Mehrfamilienhaus mit 12 Wohneinheiten. (Abbildung 7 unten). Die zwölf Einheiten selbst sind hochwertig ausgestattet, wobei Einbaumöbel Stauraum schaffen und gleichzeitig Wände bilden. Ausgesuchtes Material und Lüftungssystem verhindern Schadstoffemissionen (beispielsweise von Formaldehyd). Dadurch kann eine Reduktion der Lüftungsraten erzielt und Heiz- und Lüftungsenergie eingespart werden. Auch bei den Beleuchtungskörpern wurden die zur Zeit energie-effizientesten LED-Leuchten am Markt eingebaut.

Fazit

Mit dem "Active-Energy-Building" ist der Prototyp eines neuen urbanen, dezentralen Energieerzeugungssystems entwickelt worden, das ein demokratischeres Modell der Energiegewinnung wie auch der Energieverteilung bereitstellt. Das Gebäude geht von einem umfassenden Nachhaltigkeitsbegriff aus, der sowohl für die Ausformulierung des Baukörpers als auch für die Konstruktion des Tragwerks gilt und von der Entwicklung der Energietechnik bis hin zur Gestaltung der Innenräume reicht. In dem Bau stecken eine ganze Reihe von, zum Teil von der Natur inspirierten Innovationen, welche Möglichkeiten aufzeigen den großen Herausforderungen unserer Gesellschaft - Reduktion von CO2-Emissionen im Kampf gegen Klimawandel, Energieknappheit und Verknappung von Ressourcen - wirksam zu begegnen.

Bereits während der Bauphase ist das Gebäude auf sehr große internationale Resonanz gestoßen; viele Medien haben darüber ausführlich berichtet und aus der Fachwelt sind zahlreiche Einladungen zu Vorträgen an akademischen Institutionen und zu Ausstellungen erfolgt - u.a am Massachusetts Institute of Technology in Boston, dem Archtober in New York, in Nanjing, Costa Rica, Bergen, Washington, Los Angeles, Toronto, Vancouver, Berlin, Luzern, Bozen und auch in Graz und Wien.


Weiterführende Links

falkeis2architects: http://www.falkeis.com/

falkeis2architects: active energy building – MAK FUTURE LAB (2018). Video 1:10:35. Vortrag und Gespräch mit Anton Falkeis (deutsch) am Museum für Angewandte Kunst in Wien.

Anton Falkeis: Building Innovation for an Architecture in Motion (16.10.2019). Vortrag am 2019 Green Building Festival in Toronto (englisch). Video 55:31 min.

Prof. Anton Falkeis: Interview in FL1 TV: http://www.1fl.li/article.php?artid=prof-anton-falkeis

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