Wissenschaftswerkstatt: Das »inHaus2« in Duisburg

Komfort der Zukunft

Nachdem 2001 in Duisburg das »inHaus1« eröffnete – ein Probe-Wohngebäude als Forschungsprojekt der Fraunhofer Gesellschaft –, wurde im November vergangenen Jahres in direkter Nachbarschaft das »inHaus2« vorgestellt. Ausgerichtet auf die Nutzungsbereiche Büro, Hotel sowie Gesundheit und Pflege, stehen hier neuartige Raumkonzepte und Baumaterialien sowie »intelligente« Gebäudetechnik auf dem Prüfstand. Etwa eine Akustiklösung für bauteilaktivierte Decken oder eine Fassade mit integrierten Lüftungsgeräten und Phasenwechselmaterialien.

Text: Christine Fritzenwallner

Zugegeben, von außen betrachtet ist das Gebäude auf dem Gelände der Universität Duisburg eher eine vertane Chance. Das innovative Innere dringt über die äußere Gestaltung kaum nach außen. Der Turm mit seinem funktionslos ausladenden Dach bildet das Foyer und beinhaltet die vertikale Erschließung, von ihm aus erstrecken sich im 90 °-Winkel zwei dreigeschossige Gebäuderiegel. Doch Architektur steht beim »inHaus2« auch nicht im Vordergrund: Hier müssen sich neuartige Technologien wie »intelligente« Gebäudetechniksysteme über die Jahre hinweg bewähren, Raumkonzepte von Probanden erprobt werden und Bauteile und Baustoffe zu Testzwecken und für umfangreiche Langzeitmessungen zur Verfügung stehen. Und bereits die Fassade ist Experimentierfeld für jüngste Entwicklungen.
Für dieses zweite Forschungsgebäude haben sich neun Fraunhofer-Institute [1] unter der Leitung des Duisburger Fraunhofer-Instituts für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme zusammengeschlossen. In Kooperation mit rund vierzig Partnern aus der Wirtschaft [2] werden die neuartigen Raumkonzepte, Gebäude- und Fassadensysteme dieses Mal vor allem für drei Nutzungsarten getestet: für Büros, die von der Fraunhofer Gesellschaft selbst als Verwaltung genutzt werden, Hotelzimmer und Veranstaltungsräume und für den Bereich »Health & Senior Care«. Dort finden sich, aus-gerichtet auf die Bedürfnisse Demenzkranker, Räume für eine Alters- WG oder Testzimmer für die häusliche und stationäre Betreuung pflege- bedürftiger Menschen sowie mit Sensortechnik ausgestattete Möbel.
Während bereits in der Bauzeit eine neue Technologie für Bauabläufe getestet wurde – so die Verwendung von RFIDs (radio frequency identification) zur Kennzeichnung und IT-basierten Steuerung gelieferter Materialien [3] – ist nun das vorrangige Ziel die Untersuchung von Möglichkeiten hinsichtlich Reduzierung und Optimierung von Betriebskosten. Übersteigen diese doch die Investitionskosten für ein Gebäude oft schon nach knapp zehn Jahren. Da spielen Energiekonzept und Energieverbrauch natürlich die größte Rolle. Mit oberflächennaher Geothermie – zwölf Erdwärmesonden reichen 120 m tief in den Boden –, einer Wärmepumpe und thermoaktiven Bauteilen in Form von Betonkern- und Fußbodentemperierung entspricht das »inHaus2« dem heutigen Stand der Technik und wird nun hinsichtlich seiner Betriebsoptimierung untersucht.
Die mobile Minibar
Für Besucher »erlebnisreicher« wird es im sogenannten Hotel der Zukunft [4], in dem vier Musterräume zur Verfügung stehen: Ein »WellcomeLab«, ein »MediaLab«, ein »FlexibleLab« und ein »Showcase FutureHotel«. Darin will man die aktuellen Hoteltrends – Individualisierung, Erlebnis, Wellness – mit einer Kostensenkung im Betrieb vereinen. Das zur Eröffnung noch nicht fertiggestellte »WellcomeLab« (für Wellness und »Comfort«) zeigt und simuliert zukünftig unterschiedliche Baumaterialien, erfasst die Wirkung von Farbe, Akustik und Raumklima auf den Gast und will vor allem dessen Sinne ansprechen. So soll er sich dort beispielsweise persönliche Wunschbilder von einem USP-Stick an seine Innenwand projizieren oder dem Raum über eine steuerbare Akustikdecke seinen Wunschklang verpassen können. Im »MediaLab« will man verschiedene Techniken bei der Gestaltung von Hotelzimmern vor allem auf ihren Nutzen hin testen: Ein Spiegel, der sich beim Näherkommen heranzoomt und so zum Kosmetikspiegel wird? Eine Kamera im Bad, die den Blick auf den eigenen Rücken ermöglicht? Im »FlexibleLab« mit jeweils zwei 36 m2 großen Räumen untersuchen die Planer, wie und ob ein Hotelzimmer problemlos über flexible Trennwände vom Einzel- über ein Doppel- zum Familienzimmer oder gar zum Konferenzraum werden kann. Dieser nicht gerade neue Ansatz wirkt etwas gewollt. Ob sich der Aufwand für den Umbau später tatsächlich lohnt, Nutzen und Nachfrage übereinstimmen?
Ähnliche Gedanken kommen im »FutureHotel« auf, errichtet auf einem organisch geformten (!) Grundriss von 38 m2, doch stehen dort Ästhetik, Design und Service im Vordergrund. Sieht so die Zukunft des Hotelzimmers aus? Futuristisch wirkt es tatsächlich: Unter der Lichtdecke mit darüber angebrachten farbigen LEDs, die den Raum in verschiedene Farben tauchen können, kringeln sich spiralförmig Arbeitsplatz, Bett, Kleiderschrank und Badezimmer mit Sichtfenster zum Schlafraum. Das Bad wird auf Wunsch zur Wärmekabine. Eine herkömmliche Minibar gibt es nicht, Bier und Nüsschen kommen, voll automatisiert, auf Rollen. Hierzu gibt der Gast über die TV-Fernbedienung seine Bestellung auf, und schon surrt eine mit Bewegungssensoren ausgestattete mobile Minibar gemächlich durch die Gänge und liefert das Gewünschte. Nur: Rentiert sich diese angebliche Energieverbrauch-Reduktion aufgrund der fehlenden Zimmer-Minibar tatsächlich, und wieviele Geräte versperren sich und anderen Gästen dann womöglich gegenseitig in den Fluren den Weg? Den Gast mag das alles nicht weiter kümmern – in sanften Wogen schaukelt sein Bett ihn später in den Schlaf. ›
Thermisch aktive Bauteile – Feind der Raumakustik?
Mit aktuelleren Problemlösungen befasst sich die Forschung hingegen im Bürobereich. So gut und effizient die in den letzten Jahren immer häufiger verwendeten thermisch aktiven Bauteile sind – ein Problem einer Decke mit Betonkernaktivierung ist, dass Abhängungen darunter die Wirkung nahezu komplett zunichte machen: Um zur Klimatisierung eines Raumes beizutragen – sei es im Sommer durch die Abgabe von Kälte oder im Winter zum Beheizen – muss die Betondecke unbekleidet sein. Folglich ist es schwierig, die Akustik in Großraumbüros in den Griff zu bekommen. Daher erforschen Ingenieure vom Fraunhofer IBP [5] im »inHaus2« für HochTief als Auftraggeber eine neuartige Akustiklösung: In die Rohdecke eingelegt wurden schmale, 5 cm tiefe Absorberstreifen aus Glasschaum. In einem Raum wurde ein Raster von 25,3 cm mit 5 cm breiten Streifen gewählt (Bild 4), was zu einem Absorberflächenanteil von rund 20 % führt, in einem anderen sind im Raster von 15 cm unterschiedlich breite Streifen angeordnet. Dort beträgt der Absorberflächenanteil 33 %.
20 % Absorberfläche sind akustisch allerdings bereits ausreichend und wärmetechnisch noch unproblematisch: Bleibt die Decke dann unverputzt, ergibt sich, wie Berechnungen anhand eines Finite-Elemente-Modells demonstrierten, eine nur etwa 4 % verringerte Wärmeübertragung im Vergleich zu einer herkömmlichen Betondecke.
Klar, dass dies beim Schalen unverhältnismäßig viel Zeit erfordert, ganz zu schweigen von einem erheblichen Materialverbrauch: Da die Absorberstreifen sowohl der Bewehrung als auch den Kühlschleifen in die Quere kommen, wird der Deckenaufbau zwangsläufig höher. Weniger tiefe Absorber würden hingegen tiefe Frequenzen nicht aufnehmen. Eine neuartige Deckenstruktur wäre notwendig, Ideen von Tragwerksplanern sicher hilfreich.
Bis aber endgültige Messergebnisse vorliegen, wird noch etwas Zeit vergehen. Derzeit schweifen die Gedanken der Ingenieure in Richtung Alternativen zu Glasschaum, etwa mikroperforierte Bleche mit einer dahinter liegenden Luftschicht, die die Wärme beziehungsweise Kühle besser weiterleitet. Auch wird nach einem Putz gesucht, der hierzu offenporig und durchlässig genug ist, um die Decke von unten gleichmäßig streichen zu können.
Cli-Fi
Ein weiteres Forschungsfeld im »inHaus2« wird derzeit von der Firma Gartner bearbeitet, die dort fünf unterschiedliche Fassadenarten einbauten. Unter anderem eine Structural-Glazing-Fassade, anstelle von Silikon verklebt mit doppelseitigem Klebeband, oder eine »Integrierte Fassade«, die für Heiz- und Kühlzwecke genutzt wird, eingesetzt bereits bei der BMW-Welt in München [6]. Sie ist verbunden mit der Geothermieanlage, der Absorptionskühlung und der thermisch aktivierten Betondecke und folglich direkt eingebunden in das Energiekonzept des Gebäudes.
Ein neuer Ansatz sind die »climate systems façade integrated«, kurz »Cli-Fi«, in einer 160 m2 großen Fassadenfläche im Süden und Osten. Dabei sitzen direkt in der Fassade sechs kleinformatige, dezentrale Lüftungsgeräte [7], ausgestattet mit Phasenwechselmaterialien. Als sogenannte PCMs (phase change materials) [8] geeignet sind sowohl Paraffine als auch Salzhydrate. Bislang kennt man deren Verwendung im Baubereich zum Beispiel als Mikrokügelchen in Kühl-/Heizdecken oder in Putzen. Hier haben sie, angereichert mit Grafit, die Funktion, die über Nacht gewonnene Kühlenergie zu speichern, diese bei Tag abzugeben und so den dahinter liegenden, 80 m2 großen Raum vor Überhitzung zu schützen. Labormessungen fanden bereits statt, die Betriebstests sollen dieses Jahr starten. Eine rechnerische Simulation ergab für den Testraum eine Kühlenergie-Einsparung von 23–26 %, je nach verwendetem Speichermaterial. Für einen kleineren Raum von rund 50 m2, wie sich bei der verwendeten Anzahl an Lüftungsgeräten inzwischen als optimale Größe herausgestellt hat (rund 8–10 m2 Fläche pro Gerät), rechnen die Ingenieure sogar mit Einsparungen von etwa 35 %. Die maximal zur Verfügung stehende Kühlenergie (die gesamte, gespeicherte Energie) beträgt rund 1,6 KWh pro Gerät. Die Forscher wollen im Laufe der Versuchsreihe noch leistungsfähigere Materialen testen und hoffen, dann eine abrufbare Leistung von rund 400 Watt über einen Zeitraum von sechs Stunden zu erzielen, was der Leistung konventioneller, fassadenintegrierter Klimageräte nahe kommt.
Durch eine derartige Entwicklung kann man unter Umständen sowohl eine zentrale Lüftungsanlage und deren notwendige Leitungsführungen als auch Energiekosten sparen, außerdem lässt sich so jeder Raum individuell steuern. Allerdings sind Fassaden mit PCMs nur dann sinnvoll, wenn keine allzu hohen internen Kühllasten anfallen und der Sonnenschutz konsequent geregelt wird. Liegen in Deutschland die Temperaturen auch in den Nächten über 20 °C, wird es des Weiteren mit der Kühlleistung am Tag schwer werden, da sich die Elemente über Nacht nicht vollständig entladen können, sprich der notwendige Phasenwechsel in den festen Zustand nicht stattfindet. Dieser liegt bei Salzhydraten zwischen 16– 20,5 °C, bei Paraffinen ist die Erstarrungstemperatur etwas besser mit 18–22,5 °C.
Schlüssel zur Zukunft
Neben den genannten Entwicklungen gibt es im »inHaus2« aber noch mehr zu entdecken, mal mehr, mal weniger offensichtlich [9]. Da ist zum Beispiel eine sorptionsgestützte Klimatisierung zur Entfeuchtung der Raumluft, die Wärme als Antriebsenergie nutzt (vgl. S. 66 ff in dieser Ausgabe), eine sensorbetriebene Spültechnik im Sanitärbereich oder ein Sensorfußboden, der Bewegungen registriert. Hierzu wurde ein Gewebe eingesetzt, das – basierend auf einer Technologie von BASF – auf Druck reagiert und so beispielsweise auch einen Sturz eines Menschen erkennt. Erfolgt daraufhin keine Bewegung, wird ein Notruf ausgelöst. Umgekehrt kann sich über diesen Sensorboden aber auch das Licht ausschalten, werden keine Personen mehr im Raum wahrgenommen. Der eigentliche Bodenbelag darüber ist variabel, zum Beispiel aus Teppich [10] oder aus Kautschuk [11] wie im »FutureLab«. In vielen Bereichen sind es also Sensoren, die die Haustechnik und die Bauteile erst »intelligent« machen und für die Zukunft rüsten.•
[1] Beteiligte Fraunhofer-Institute: IMS Duisburg, IBP Stuttgart und Holzkirchen, IAO Stuttgart, ISST Dortmund, ISE Freiburg, IPA Stuttgart, IML Dortmund, IDMT Ilmenau, Umsicht Oberhausen [2] Fraunhofer unterscheidet zwischen Komponenten-, Beistellungs- und Anwendungspartnern (Betreiber von Einrichtungen, die die Nachfrageseite vertreten) sowie Systempartnern. Zu letzteren zählen BASF, Gartner, Henkel, HochTief, Isover, Osram (LEDs »FutureHotel«), T Systems und Xella (u. a. Forschungen bei der Verwendung von Hohlraumböden) [3] siehe db 4/2008, E-Technik, S. 78 ff [4] Fraunhofer IAO, Stuttgart. Anwendungspartner Hotelkette Lindner. [5] Horst Drotleff und Roman Wack, Fraunhofer IBP, Stuttgart, »Integrale Akustiksysteme für thermisch aktive Betonbauteile«, Forschungsprojekt im Rahmen der Forschungsinitiative Zukunft Bau; Auftraggeber: HochTief [6] siehe db 10/2007, Technik spezial, S. 84 ff [7] Roland Bornemann, Josef Gartner GmbH, Monika Hall, Josef Gartner Switzerland AG mit Detlef Makulla und Matthias Kiebel, beide caverion GmbH, Geschäftsbereich Krantz Komponenten; Auftraggeber: HochTief [8] siehe u. a. db 4/2007, Technik aktuell, S. 74 ff; [9] www.inhaus-zentrum.de. Besichtigung über Voranmeldung. [10] www.inhaus-zentrum.de (»SensFloor«) [11] www.inhaus-zentrum.de (»noraplan uni«)
Forschungs- und Baukosten insgesamt: 8,7 Mio Euro. Förderung durch das NRW-Ministerium für Innovation und Wissenschaft, Forschung und Technologie, der EU, dem BMBF und der Fraunhofer Gesellschaft.