Entwicklung, Planung und Bau eines neuartigen, wandelbaren Gebäudeprototypen für die symbiotische Nutzung eines energieautonomen Schulungs-Gewächshauses in Berlin
Projektdurchführung
sbp Sonne GmbH
Schwabstr. 43
70197 Stuttgart
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
Ziel des Forschungsprojektes war der modellhafte Neubau eines neuartigen, energieeffizienten Schulungs-Gewächshauses mit symbiotisch funktionierenden Nutzungsbereichen für Mensch und Pflanze. Auf dem Gelände der Bezirksgärtnerei Berlin-Charlottenburg soll dieser als prototypisches Vorbild sowohl für die energetische Ertüchtigung bestehender Gewächshäuser und Bürogebäude als auch den Neubau künftiger, bioklimatischer und energieautarker Gebäude-Hybride dienen.
Hierbei sollten systematisch und synergetisch Bereiche kombiniert werden, die sich die teils gegensätzlichen bioklimatischen Nutzungsanforderungen hinsichtlich Temperatur, Luftfeuchte, Licht und Sauerstoffgehalt von Mensch und Pflanze zu Nutze machen und dadurch gleichzeitig den Energiebedarf des Gebäudes signifikant senken.
Basierend auf der Evaluation des aktuellen konventionellen Gewächshaus- und Bürogebäudebestandes in Deutschland und dessen enormen CO2-Einsparpotenzial (Bürogebäude: 84TWh/Jahr, Gartenbau und Landwirtschaft: 41TWh/Jahr), sollte im Rahmen dieses Forschungsprojektes ein energieautonomer und innovativer Gegenentwurf hierzu konzipiert und entwickelt werden.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden
Das technisch und pädagogisch ganzheitliche Planungskonzept beinhaltete das Miteinbeziehen aller künftiger Gebäudenutzer bereits in der Konzept- und Planungsphase.
In interdisziplinärer Planungs- und Forschungsarbeit zwischen Bauingenieuren/ Architekten, Klimaingenieuren, Botanikern, Klimatologen sowie Glasherstellern, wurde hierbei ein in dieser Form bisher einzigartiger, symbiotischer und insbesondere energieeffizienter Prototyp zur kombinierten Nutzung als Schulungs-Gewächshaus entwickelt.
Die Methodik des Forschungsprojektes bestand in den beiden parallelen Strängen „Konzeption, Entwicklung und Bau des 1:1 Mock-Ups“ und der darauf aufbauenden „Objektplanung des Schulungsgewächshaus-Neubaus“ in Berlin-Charlottenburg mit symbiotisch funktionierenden Nutzungsbereichen für Mensch und Pflanze.
Die Arbeiten lassen sich grob in drei aufeinander aufbauende Projektphasen gliedern:
Wie im Forschungsantrag beschrieben, wurde zunächst in einer 1. Planungsphase aller Projektpartner ein integrales Gebäudekonzept für zwei aneinander angrenzende Gewächshausräume für „Mensch und Pflanze“ als Neubau entwickelt, berechnet und simuliert. Jedoch wurde während der 2. Phase die Notwendigkeit der beschriebenen Änderungen der grundlegenden Rahmenbedingungen (neuer Bauplatz und Bauen im Bestand) des Forschungsprojektes bekannt. Daher mussten daraufhin viele Arbeitspakete nach der ersten Konzeptphase unterbrochen und neu durchgeführt werden. Dies erwies sich bei dem Neubau auf dem Bestandsfundament, auf das das gesamte Design, samt Haupttragwerksgerüst und Anschlüssen sowie die im Forschungsprojekt neu entwickelten Gebäudekomponenten (Glashülle, wandelbarer Sonnenschutz, solarthermische Anlage, Klima- und Regelungstechnik) reagieren mussten, als große Herausforderung, welche mit einem erheblichen zeitlichen, forschungsspezifischen und projektkoordinativen Mehraufwand verbunden war. Damit dennoch sämtlich Inhalte des Forschungsprojektes bearbeitet und erfolgreich abgeschlossen werden konnten, wurde die Arbeit am Mock-Up intensiviert und viele Simulationen und empirische Versuche hierbei kleinmaßstäblich zumeist in der Versuchshalle der TU Berlin durchgeführt.
Ergebnisse und Diskussion
Der geplante Prototyp des bioklimatischen Schulungsgewächshauses Verlust sollte ursprünglich auf einer unversiegelten Rasenfläche innerhalb des Geländes der Bezirksgärtnerei errichtet werden. (siehe Kapitel 3.1). Im Laufe des Planungsprozesses wurde jedoch ein anderer Standort gewählt, der hinsichtlich der Investition und des Planungsaufwandes sicherlich aufwendiger einzustufen ist, jedoch im Sinne der Nachhaltigkeit als sehr positiv zu werten ist. Der geplante Standort befindet sich auf der Betonwanne eines Öltanklagers, das ursprünglich Heizöl für die Versorgung der Bezirksgärtnerei aufgenommen hatte.
Für den Bau der wandelbaren Verschattungselemente wurde der Bau spezieller mikroperforierter dreieckiger Paneele geplant und entwickelt. Diese bewirken je nach Stellung und Stanzung die Verhinderung sommerlicher Hitzestrahlung ins Gewächshaus und ermöglichen im Winter gleichzeitig den maximalen solaren Eintrag zur Beheizung des Gebäudes im Winter. Die Paneele werden partiell mit integrierter Photovoltaik gekoppelt. Durch die spezifische Anpassung der Geometrie und Verschattung während der Projektentwicklung ergeben sich niedrige Werte für Heiz- und Kühllast. Insbesondere konnte vor allem der Heizenergiebedarf im Vergleich zur Ausgangsvariante der Planung etwa halbiert werden.
Zur Steigerung der Energieeffizienz wurde im Rahmen dieses Forschungsprojekts neben dem Bau der dachintegrierten Photovoltaik im Bereich der Schulungszone auch die Implementierung eines Eis-Energiespeichersystems für die kombinierte Heiz- und Kühlversorgung genauer untersucht und geplant.
Bei der folglich durchgeführten Bearbeitung des Projektes konnten im Mock-Up an der TU Berlin überraschend viele positive Messergebnisse, z. B. der Abkühlwirkung durch die Pflanzen festgestellt werden. Hier konnte bei 42°C Temperatur in der Versuchshalle im Juni 2023 eine um knapp 10 °C (!) kühlere Temperatur im abgetrennten Pflanzenbereich gemessen werden. Diese Effekte auf das Bioklima im Schulungsbereich sind essentielle Voraussetzung für das Funktionieren des Schulungsgewächshauses im größeren Maßstab. Das Mock-Up der Gewächshausstruktur, inklusive wandelbarer Verschattungselemente in Dach und Fassade vom FG Entwerfen und Konstruieren-Massivbau (TU Berlin) gemeinsam mit der FA Modesta wurde im Rahmen des Projektes fertiggestellt. Die Montage und der Aufbau der Elemente (Glas und Stahlbau) ist abgeschlossen und die wandelbaren Elemente wurden erfolgreich auf ihre Praxistauglichkeit – zumindest unter Laborbedingungen getestet (Schlagregenstand, Dauerstandversuch, Belastungstests). Eine explizite Testung des Mock-Ups im Außenraum steht noch aus und wird seitens der Verfasser dringend empfohlen.
Die Pflanzkonzepte sowie die spezifische Gewächshauskonzeption wurden erfolgreich für die Durchführung der bioklimatischen Versuche „Mensch und Pflanze“ im Mock-Up angewandt und können im nächsten Schritt in der Bezirksgärtnerei Charlottenburg-Wilmersdorf angewandt werden.
Die fortlaufende Erhebung und Analyse dieser Daten mittels der im Projekt entwickelten BioMet Stationen dient der Optimierung der Wachstumsbedingungen für Pflanzen, der Verbesserung der Arbeitsbedingungen für Menschen und der Reduzierung des Energieverbrauchs. Das Projekt liefert somit wertvolle Erkenntnisse für die Entwicklung nachhaltiger Gebäudetechnologien, die langfristig zur Steigerung der Energieeffizienz und Lebensqualität in solchen hybriden Räumen beitragen können.
So konnte empirisch nachgewiesen werden, dass beispielsweise die Lufttemperatur und der UTCI-Wert im Gewächshaus durchgehend etwas niedriger als im Büro sind (s. Abb. 107). Ebenso kann eine symbiotische Nutzung nachweislich zur Verbesserung der Luftqualität beitragen. Bei erhöhter Helligkeit sind höhere Abbauraten von CO₂ im Gewächshaus zu beobachten gewesen. Folglich konnten alle Maßnahmen des Projektes zu einer Verbesserung der thermischen Behaglichkeit beitragen und auch nachgewiesen werden.
Basierend auf den in diesem Forschungsprojekt erfolgreich und vollumfänglich erarbeiteten Projekt- und Forschungsergebnissen, welche auch eine Änderung des Bauplatzes und eine damit einhergehende, umfangreiche architektonische und technische Anpassung beinhaltete, wurde von der Bezirksverwaltung Charlottenburg-Wilmersdorf die Objektplanung des bioklimatischen Schulungsgewächshauses an einen Generalplaner beauftragt.
Um zu gewährleisten, dass die im Rahmen dieses DBU-geförderten Forschungsprojekts gewonnenen Erkenntnisse und Forschungsergebnisse zum großen Teil berücksichtigt und sinnvoll integriert werden, haben die Kooperationspartner des Forschungsprojektes die Architekten bei der Planung des Realisierungsprojektes begleitet und die Ergebnisse in diesem Abschlussbericht bewertet.
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation
Präsentation des Mock-Ups bei der Langen Nacht der Wissenschaften der TU Berlin. Radio- und Fernsehbeitrag im rbb.
Fazit
Abschließend kann vom Projektteam der Kooperationspartner ein sehr positives Fazit des Folgeprojektes gezogen werden. Sämtliche Arbeitspakete wurden, sogar an einem neuen, schwieriger zu planenden Bauplatz- auf dem alten Öltanklager statt auf der „freien Wiese“- angepasst, vollumfänglich erarbeitet und erfolgreich abgeschlossen.
Der Aspekt der Wandelbarkeit macht das Schulungsgewächshaus nutzerfreundlich und deutlich nachhaltiger im Betrieb als vergleichbare Gewächshäuser. Der Aspekt der hybriden und symbiotischen Nutzung mit Pflanzen erhöht den Grad des Wohlfühlfaktors und konnte in dem Projekt analytisch nachgewiesen und gemessen werden. Die aktive Nutzung der Solarenergie senkt nachgewiesenermaßen (siehe Anhang A2) die Betriebskosten und entlastet die Umwelt.
Somit konnte gemeinsam mit dem Bezirk Charlottenburg-Wilmersdorf als Bauherr insgesamt ein überzeugendes Forschungskonzept mit entsprechenden Ergebnissen für eine erfolgreiche Ausschreibung der Planungsleistungen erarbeitet und zur Verfügung gestellt werden. Diese Ergebnisse können in ihrer in dieser Form erstmaligen ganzheitlichen Betrachtung eines hybriden Büro-Gewächshauses als explizites Vorbild und Basis für weitere spezifische Studien und Projekte sowohl von Gewächshäusern als auch Büro- oder Bildungseinrichtungen dienen.
Insgesamt konnte das neuartige und ganzheitliche Konzept eines bioklimatischen Schulungsgewächshauses in eine konkrete Umsetzung eines vollumfänglichen Mock-Ups und schließlich in eine Objektplanung übersetzt werden. Die klima-, energie- und bautechnische Effizienz des neu entwickelten Gebäude-konzeptes eines bioklimatischen Schulungsgewächshauses konnte durch eine Vielzahl von Energie-, Tragwerks- und Klimasimulationen, sowie empirische durchgeführten Versuchen am Mock-Up erfolgreich belegt werden. Auch mit dem Bau des Projektes in der Bezirksgärtnerei Berlin- Charlottenburg wurde bereits begonnen.