Außen grün und innen kühl

ÜBERLINGEN, 05.08.2016 – In den heißen Sommermonaten leiden besonders Städte unter Hitzewellen und große Mengen von Energie werden aufgewandt, um die Innenräume zu kühlen. Doch es geht auch anders: In einem Modellvorhaben in Berlin werden bis zu 90 % der elektrischen Energie eingespart.

Von Klaus W. König, Überlingen

Begrünte Fassade des Physik-Instituts Berlin
Physik-Institut der Humboldt-Universität zu Berlin am Standort Adlershof. Südfassade mit Fassadenpflanzen, die im Sommer als dichter grüner Vorhang wirken. In jedem Geschoss sind Pflanzkästen angebracht mit automatischer Bewässerung aus dem Regenspeicher. Verschiedene Pflanzen waren im Test, um die für die Beschattung geeigneten zu finden. | Foto: König

Die Niedrigstenergiehäuser der Zukunft werden im Sommer außen grün und innen kühl sein. Gebäudebegrünung bietet Beschattung und Verdunstungskälte. Wird die Begrünung bewässert durch gesammelte Niederschläge, ergeben sich Einsparungen an Betriebskosten für Wasser und Energie. Im städtischen Umfeld verbessern sich dadurch zugleich das Mikroklima und der natürliche Wasserkreislauf. Fachplaner ergänzen künftig diesen nachhaltigen und Kosten sparenden Ansatz bei öffentlichen und halböffentlichen Gebäuden durch die adiabate Abluftkühlung mit dem gespeicherten Regenwasser.

Kühlung durch Verdunstung

In der Physik wird die bei Verdunstung von einem Kubikmeter Wasser alleine durch Änderung des Aggregatzustandes gebundene Energie mit etwa 700 kWh angegeben, bezogen auf die Verdunstung bei 45°C. Bei 100°C sind es noch 630 kWh. In Stadtzentren würde dieser physikalische Effekt der Wärmebindung als natürliche Kühlung gut funktionieren, wären genügend wasserhaltige Flächen vorhanden. Meist wird jedoch die Solarstrahlung, statt in Verdunstung von Wasser, in fühlbare Wärme und langwellige Strahlung umgesetzt. Die Mehrzahl der Gebäude in Städten sind von einem solchen urbanen Hitzeinseleffekt betroffen. Zudem werden die inneren Wärmelasten in den an Wind armen Sommermonaten nicht ausreichend abgeführt.

Messstation zur wissenschaftlichen Begleitforschung
Messstation zur wissenschaftlichen Begleitforschung der passiven Gebäudekühlung durch Begrünung in Adlershof. Pflanztrog mit automatischer Bewässerung aus dem Regenspeicher und Überlauf. | Foto: König

Lösung Gebäudebegrünung

Eine Lösung bietet vor diesem Hintergrund die Gebäudebegrünung, bewässert durch gesammeltes Regenwasser. Grundsätzlich ist die Bewirtschaftung der Niederschläge zur Rückführung in den natürlichen Wasserkreislauf von zentraler Bedeutung für den Klimaschutz. Denn solange Regenwasser wie bisher abgeleitet wird, fehlt eine Menge Luftfeuchtigkeit, die für weiteren Niederschlag notwendig ist.

Berliner Modellvorhaben

Extensiv begrünte Dächer wandeln in den Sommermonaten 58% der Strahlungsbilanz in die Verdunstung von Wasser um. Im Gegensatz dazu liegen Bitumendächer bei 6%, wie Messungen an zwei benachbarten Dächern der UFA Fabrik in Berlin bestätigen. Ein großes Energieeinsparpotenzial haben des Weiteren Fassadenbegrünungen im Vergleich zu einem konventionellen Sonnenschutz. Dies zeigt ein Monitoring am Neubau des Institutes für Physik als Teil der Humboldt-Universität zu Berlin auf dem Campusgelände Adlershof. Hier wird Regenwasser sowohl zur Bewässerung der Fassadenbepflanzung als auch zur Verdunstungskühlung im Wärmeübertrager der Zu- und Abluft eingesetzt. Dass dabei bis zu einer Außentemperatur von 30°C auf konventionell erzeugte Kälte verzichtet werden kann, ist ein wertvoller und auf alle Neubauten übertragbarer Beitrag zum Klimaschutz.

Schutz durch Begrünung

Die Gebäudebegrünung schützt durch Beschattung die südlichen Fassaden vor hohen Temperaturen. Mit wissenschaftlicher Untersuchung begleitet die Hochschule Neubrandenburg und die Technische Universität Berlin dieses stadtökologische Modellvorhaben der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung Berlin seit Baubeginn vor 15 Jahren. Eines der Ergebnisse: Naturnahe Prozesse können nahezu 90% an Betriebskosten für die Gebäudekühlung sparen im Vergleich zu konventionellen Systemen.

Fassadenbegrünung zur Beschattung

Neun Fassaden des Institutes für Physik sind begrünt. Das Regenwasser von 4.700 m² Dachfläche wird in unterirdischen Betonzisternen gesammelt und zum Teil für die Fassadenbegrünung genutzt. Dazu versorgt eine automatische Tropfbewässerung Kübelpflanzen in 29 Abschnitten. Die Anstaupegel in den Kübelwannen werden durch eine elektronische SPS-Steuerung kontrolliert. Der Bedarf zur Bewässerung der Fassadenpflanzen beträgt nach Auswertung der bisher gewonnenen Daten 250 m³ pro Jahr.

Innenhof mit unterirdischer Regenzisterne
Innenhof mit unterirdischer Regenzisterne, Verdunstungsteich und Fassadenbegrünung in Adlershof. Niederschlagswasser wird zu 100% auf dem Grundstück bewirtschaftet. | Foto: König

Mikroklimatische Messungen

Die verschattende Wirkung der Fassadenbegrünung im Vergleich zum konventionellen Sonnenschutz kontrollieren jeweils sieben Strahlungssensoren. Um die Ergebnisse auf andere Standorte übertragen zu können, werden zudem umfangreiche mikroklimatische Messungen durchgeführt. In den ersten Jahren waren viele Fassadenpflanzen abgestorben. Als Ursache konnte Marco Schmidt von der Technischen Universität Berlin mehrere Einflüsse ausmachen, insbesondere den Austrag eines Herbizids aus der Dachabdichtung. Mittlerweile hat die Berliner Senatsverwaltung eine Handlungsempfehlung zur Vermeidung dieses Effekts herausgegeben. Aber auch mangelnde Pflege und tiefer Frost im Winter waren ausschlaggebend für den Ausfall einzelner Arten.

Schematische Darstellung des Prinzips der adiabaten Abluftkühlung
Das Prinzip der adiabaten Abluftkühlung
in Klimatisierungsanlagen. Das von den
Dächern gesammelte Regenwasser wird
innerhalb des Wärmeübertragers in die
Abluft gesprüht und kühlt diese deutlich
ab. Der Effekt überträgt sich auf die Zuluft.
| Grafik: Mall

Überprüfung erforderlich

Um den funktionsfähigen Zustand langfristig zu erhalten, sind regelmäßige Überprüfungen der technischen Komponenten der Fassadenbegrünung erforderlich. Dazu gehören die Befestigungsteile der Pflanzkübel, die Kletterhilfen sowie die Einrichtungen der Bewässerung und Düngung. Es hat sich gezeigt, dass etwa drei bis vier Pflegedurchgänge in der Vegetationsperiode erforderlich, aber auch ausreichend sind. Je nach Belaubungsdichte von Kletterpflanzen gelangen nur noch 20% der einfallenden Strahlung auf die Wandoberfläche. Messungen haben gezeigt, dass sich die Oberflächentemperaturen im Vergleich mit einer unbegrünten Wand um 15K verringern. Den größten Anteil an diesem Effekt hat die Beschattung durch die Blätter der Pflanzen, während der geringere Teil auf die Transpiration zurück zu führen ist.

Verschattung, Dämmung und Verdunstung

„Stadtbäume, Fassaden- und Dachbegrünungen tragen durch Verschattung, Dämmung und Verdunstungseffekt zur Abkühlung bei. Urbanes Grün macht unsere Städte widerstandsfähiger gegen den Klimawandel und gleichzeitig attraktiv und lebenswert. Stadtnatur muss daher als grüne Infrastruktur verstärkt gefördert und ‚ausgebaut' werden", sagte BfN-Präsidentin Prof. Beate Jessel zur Eröffnung einer vom Bundesamt für Naturschutz (BfN) gemeinsam mit dem Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) und dem Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) veranstalteten internationalen Fachkonferenz im November 2015 in Bonn. Solche positiven Beiträge von städtischem Grün zur Energieeinsparung - und somit zum Klimaschutz - konnten beispielsweise an einer Grünfassade in Wien nachgewiesen werden.

Adiabate Abluftkühlung mit Regenwasser

Der Wärmeübertrager ist in der Regel derselbe, der im Winter für die Wärmerückgewinnung genutzt wird. Das Regenwasser wird in den Abluftstrom gesprüht und kühlt die Abluft im Wärmeübetrager deutlich ab. Von Luft zu Luft, meist im Plattenwärmeübertrager, wird die Zuluft mit der Abluft vorgekühlt, ohne dass die sich begegnenden Luftströme direkt miteinander in Kontakt treten. Man spricht hier von „adiabater Abluftkühlung“. Diese Art der Gebäudeklimatisierung mit Regenwasser verbessert zusätzlich das Mikroklima im Gebäudeumfeld. Im Idealfall verlässt die Abluft den Wärmeübertrager im Temperaturniveau der Außenluft bei einer Luftfeuchte von 100%. Regenwasser hat des Weiteren eine geringe elektrische Leitfähigkeit als Indikator für einen geringen Salzanteil. Gegenüber der Verwendung von Trinkwasser zur Erzeugung von Verdunstungskälte wird nur halb so viel Wasser benötigt und kein Abwasser erzeugt.

Einsetzen der Regenspeicher
Versetzen der Regenspeicher als Mehrbehälteranlage mit einem Filterschacht und 4 Betonzisternen, zusammen 36 m³ Fassungsvermögen. Zusätzlicher Bestandteil der Regenwassernutzungstechnik ist eine Druckerhöhungsanlage mit zwei Tauchmotorpumpen, die zusammen bis zu 16,5 m³/h fördern. | Foto: Mall

Realisierte Projekte außerhalb Berlins

Schule in Mössingen: Ein Schwerpunkt in der Haustechnik dieses 2014 neu erstellten „integrativen Schulgebäudes“ ist die Regenwassernutzung, die den Sanitärbereich mit Betriebswasser versorgt sowie das Betriebswasser für die adiabate Kühlung liefert. Das Niederschlagswasser wird vom 1.800 m² großen Gründach gesammelt. Der Regenwasserspeicher mit 48 m³ Fassungsvermögen, die Druckerhöhungsanlage und das separate Leitungsnetz zu den Verbrauchern ergänzen das System. Der Überlauf des Speichers versickert auf dem Schulgelände. Die beiden Klimaanlagen sind mit einem Nennluftvolumenstrom von 15.660 m³/h für die Klassenräume und 9.000 m³/h für die Mensa ausgelegt. Die adiabate Abluftkühlung erzeugt darin bei maximalem Volumenstrom eine Leistung von 156 kW bzw. 90 kW.

Verzicht bei der Klimaanlage

Bei den Klimaanlagen wurde bewusst auf ein Backup durch eine konventionelle Kompressionskältemaschine verzichtet. Hierdurch sinken die Investitionskosten, aber auch die Betriebskosten. Gegenüber der konventionellen Lösung mit Kompressionskältemaschine entstehen pro Tag bei acht Stunden Volllastbetrieb Einsparungen von 178 Euro Stromkosten, ermittelte Marco Schmidt von der Technischen Universität Berlin. Im Vergleich zu einer Absorptionskälteanlage seien es sogar 369 Euro pro Tag für Wärme, Strom, Wasser und Abwasser. Die Stromkosten für den Pumpenbetrieb der Regenwassernutzungsanlage und der adiabaten Abluftkühlung fallen mit etwa 4 Euro pro Tag dagegen verschwindend gering aus.

Schulzentrum in Mössingen
Schulzentrum in Mössingen, Baden-Württemberg. Regenwasser wird im Sanitärbereich sowie zur Klimatisierung mit adiabater Abluftkühlung verwendet. | Foto: Lienhard

Planung, Bau, Betrieb und Wartung

Hinweise zu Planung, Bau, Betrieb und Wartung von raumlufttechnischen Anlagen sowie hygienischen Anforderungen an die Anlagen sind den VDI-Richtlinien 3803 und 6022 zu entnehmen. Durch eine neue Verordnung will das Bundesumweltministerium einen hygienisch einwandfreien Betrieb mit Verdunstungskühlung sicherstellen. Der erste Entwurf einer Verdunstungskühlanlagenverordnung wurde den betroffenen Kreisen von Wirtschaft, Politik und Wissenschaft zur Anhörung zugesandt. Diese Fassung bedarf der Zustimmung des Bundesrates und soll noch im Jahr 2016 erscheinen.

Natürlichen Kreislauf erhalten

Die Regenwassernutzung als Ressource für die Bewässerung der Fassadenbegrünung und für die adiabate Abluftkühlung bringt Energieeinsparung, da weiches Regenwasser nicht entsalzt werden muss. Zugleich wird bei der Verwendung von Regenwasser anstelle von Trinkwasser in den Klimaanlagen Wasser und Abwasser gespart. Weiterer Synergieeffekt: Regenwasser kehrt in den natürlichen Wasserkreislauf von Niederschlag und Verdunstung zurück. Dies hat positive Auswirkungen auf das lokale Mikroklima und reduziert das Phänomen der globalen Erwärmung.

Zum Autor

Klaus W. König ist Fachbuchautor, von der Industrie- und Handelskammer Bodensee-Oberschwaben öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für Bewirtschaftung und Nutzung von Regenwasser, Mitglied im DIN-Ausschuss „Wasserrecycling / Regen- und Grauwassernutzung“ und Lehrbeauftragter an der Universität Stuttgart und an der Hochschule Reutlingen, Thema „Rainwater Management“ in englischer Sprache.