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