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Institut für Gebäudetechnik und Energie IGE
Zentrum für Integrale Gebäudetechnik
Gianrico Settembrini
Leiter Forschungsgruppe
+41 41 349 38 16
gianrico.settembrini@hslu.ch
Horw 05.09.2018
NACHHALTIGES BAUEN –
HEUTE UND MORGEN…
Gesamtheitliche Ansätze -
Beispiele aus der Forschungsgruppe
Nachhaltiges Bauen und Erneuern
Nachhaltigkeitsforum 2018
Suurstoffi Areal Rotkreuz, 6. September 2018
Folie
Nachhaltiges Bauen – heute und morgen
Treibhausgasemissionen und Folgen… Der Klimawandel
4, 05.09.2018
Quelle (Daten und Abbildungen):
MeteoSchweiz, 2013, Klimaszenarien Schweiz – eine regionale Übersicht, Fachbericht MeteoSchweiz, 243, 36 pp
Bild Titelseite: iStock - https://www.ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/zukunftsblog/ archiv/2013/10/die-klima-erwaermung-steht-nicht-still.html
Folie
Ausgangslage Klimawandel
Einfluss auf den Schweizer Gebäudepark
Es ist anzunehmen, dass das Schweizer Klima im Laufe des
21. Jh. signifikant vom heutigen und vergangenen Zustand
abweichen wird. Je nach Szenario und Region wird bis
zum Ende des Jh. eine Zunahme der jahreszeitlichen
mittleren Temperatur von 3.2-4.8°C vorausgesagt. [1]
5, 05.09.2018
[1] CH2011 (2011), “Swiss Climate Change Scenarios CH2011”, published by C2SM, MeteoSwiss, ETH, NCCR Climate, and OcCC, Zurich
Bild links: Wouda R., Editorialbild Das Magazin, Zeitschrift der TA Media AG, Ausgabe Nr. 8, Februar 2018
Bild rechts: http://www.torange-de.com/Backgrounds-textures/texture/Die-Textur-des-alten-Bürogebäude-14743.html
Folie
ClimaBau –
Planen angesichts des Klimawandels:
Energiebedarf und Behaglichkeit
heutiger Wohnneubauten
bis ins Jahr 2100
Vorkehrungen zur Optimierung der
Gesamtenergiebilanz und Behaglichkeit von
Bauten über deren gesamten Lebensdauer
Bundesamt für Energie, Bundesamt für Umwelt
2015- 2017
CCTP
ZIG
Gianrico Settembrini
www.hslu.ch/climabau
Folie
Fragenstellung des Projekts ClimaBau
Klimawandel und Schweizer Wohnbauten
Welche Raumtemperaturen sind in Wohngebäuden
im laufenden Jh. ohne Gegenmassnahmen zu erwarten?
Wie wird sich der thermische Komfort in
Wohngebäuden ohne Kühlsysteme verändern?
Welchen Energiebedarf für die Kühlung ist in
Wohngebäuden bei Erhalt der heutigen Komfort-
ansprüchen zu erwarten?
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Leistungsbedarf von Wohngebäuden verändern?
(Heizung, Kühlung und Beleuchtung)
Welche Massnahmen können getroffen werden um
den Bedarf zu optimieren? (technische Ausstattung,
Architektur, Normenwerk, Gesetzgebung usw.)
7, 05.09.2018
Bild: Die Eisskulptur von Nele Azevedo als Symbol für die Folgen der Klimaerwärmung.
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fe/Minimum_Monument_art_installation_by_Nel
e_Azevedo_in_Chamberlain_Square%2C_Birmingham_UK.JPG
Die brasilianische Künstlerin Nele Azevedo macht mit Eisskulpturen wiederholt auf die Folgen des
Klimawandels aufmerksam. Die Abbildung zeigt eine Installation in Birmingham aus dem Jahr 2014.
Folie
Inhalte des Projekts
Methodik – drei Handlungsfelder
Das Klima (mit MeteoSchweiz)
Welche Klimaszenarien, bzw. Meteodatensätze sind für
eine langfristige Betrachtung bis 2100 zu verwenden?
Der Gebäudepark (mit HSLU T&A, CCTP)
Welche repräsentative Wohnbau-Typen sind für eine
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Planung ableiten, wenn man Energiebedarf und Komfort
heutiger Wohnbauten auf deren gesamten Lebensdauer
optimieren will?
8, 05.09.2018
Folie
Ergebnisse Phase 1 – Einfluss des Klimawandels
Vergleich der Perioden «1995» und «2060»
Reduktion Heizwärmebedarf
Altbauten  ca. 20%
Neubauten  ca. 30%
Anstieg Klimakältebedarf
A  exponentiell, jedoch unbedeutend
N  stark, auf ca. 50% der Heizwärme
Klimakälteleistung in «2060»
A  25-40% der Heizleistung
N  bis zum Doppelten der Heizleistung
11, 05.09.2018
Grafiken: Jährliche Medianwerte zu Heizwärme- und Klima-
kältebedarf (links) sowie zu Heizwärme- und Klimakälteleistung
(rechts) der vier untersuchten Fallstudien in der Referenzperiode
„1995“ (1980-2009; jeweils die linke Säule) und der Periode
„2060“ (2045-2074; jeweils die rechte Säule) am Standort Basel.
Die Prozentzahlen geben die auf den Klima-wandel
zurückführbare Veränderung an .
Altbauten  Neubauten Altbauten  Neubauten
Folie
Parameter «Standort» «städtischer Wärmeinseleffekt»
Analyse der Bewertungsgrössen «Heizwärme- und Klimakältebedarf»
12, 05.09.2018
Am Beispiel der Simulationsergebnisse
für das durchschnittlich warme Jahr 2063:
Der städtische Wärmeinseleffekt für den Standort
Basel führte jeweils zu einer Erhöhung der
Überhitzungsstunden von mindestens 50%.
Entsprechend erhöht sich der Klimakältebedarf,
während sind der Heizwärmebedarf im Vergleich
geringfügig reduzieret.
Beim Standort Lugano beträgt der Klimakältebedarf
mehr als das Dreifache des Heizwärmebedarfs!
Grafik: Heizwärmebedarf (x-Achse) und Klimakältebedarf (y-Achse) des
Referenzmodells in den Jahren 2004 und 2063, den durchschnittlich warmen Jahren
der Perioden „1995“ und „2060“, jeweils am Standort Basel, unter Berücksichtigung
des städtischen Wärmeinseleffekts am Standort Basel und am Standort Lugano. Die
Grösse der Kreise stellt das Verhältnis der Anzahl an Überhitzungsstunden dar.
Folie
Schlussfolgerungen
 erheblicher Einfluss des Klimawandels
auf Energiehaushalt und Behaglichkeit in Wohnbauten
Paradigmenwechsel:
Verschiebung der Bedeutung von der Winter- (Heiz-
wärme) hin zur Sommerbetrachtung (Behaglichkeit)
Energie und vor allem bei der Leistung
Verstärkt in der südlichen Schweiz / in Städten (!)
Wichtigkeit des Verhaltens der Bewohnerschaft
Unsachgemässe Bedienung des Referenzgebäudes
Raumtemp. > 40 °C / ca.2’000 Überhitzungsstunden!
Bei optimaler Bedienung
Sicherstellung von behagliche Raumtemperaturen
Idealer Nutzer realistisch? Automation als Lösung?
Entscheidende Entwurfsparameter
Fenster, Speicherfähigkeit (nach wie vor)
Massnahmen über den Lebenszyklus von Wohnbauten
Integration in heutige Normen / Wirkung bis Ende Jh.
Free cooling/Geocooling1 bei hohem Fensteranteil?
13, 05.09.2018
1) Free cooling: Abgabe der Wärme an die Luft während der Nacht.
Geocooling: Abgabe der Wärme an das Erdreich über dieselben Erdsonden, die im Winter
Umgebungswärme für die Wärmepumpen liefern.
Bild: Minimum Monument von Nele Azevedo als Symbol für die Folgen der Klimaerwärmung.
© 2014 Steve Eggleton / eventdigital.co.uk
Folie
Gebäudehülle Hochhausfassaden –
Ein Entscheidungs- und Beurteilungs-
instrument zur Erstellung nachhaltiger
Fassaden mehrgeschossiger Gebäude
KTI-Projekt, CRB
2013 - 2016
FG MS A
CCFM
IFZ
ZIG
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www.hslu.ch/de-ch/hochschule-
luzern/forschung/projekte/detail/
?pid=3361
Folie
14 Hochhäuser der Schweiz
KTI-Projekt Hochhausfassaden
15, 05.09.2018
Folie 16, 05.09.2018
Entscheidungen
Fassaden
Rohbau
Lastabtragung
nicht über Fassade
Raumklima
Kein Schutzstreifen
Brandschutz
Nutzer
Akzeptanz?
Platzbedarf
Zentrale, Verteilung
Sommerliche
Überhitzung
Blendung
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Planung
Bauablauf
Vorfertigung
Fassadenintegration
Rohbautoleranz
Energiebedarf
Hohe externe
(Kühl-) Lasten
Geringere
Gebäudemasse
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häufig gesenkt
Höherer
Energie-
verbrauch
Höherer Kunstlichtanteil
Höherer
Heizwärmebedarf
Anforderungen an
den Wärmeschutz
Kaltluftabfall
Strahlungsasymmetrie
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Hohe Anforderungen
an Planer
Vorlauf in der Planung
Graue Energie
Fundation
Thermische
Speichermasse
Kostenkonsequenz
Auswirkungen und Wechselwirkungen
Folie
Energieeffizienz
17, 05.09.2018
asp Architekten
EWE Arena
Oldenburg 2005
JessenVollenweider
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Basel 2013-2015
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18, 05.09.2018
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Sanaa
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21, 05.09.2018
Martin Linsi
Haus in der Schweiz
Jean Prouvé
Maison Tropicale
Brazzaville 1951
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Hochschule Luzern Technik & Architektur, Kompetenzzentrum Typologie & Planung in Architektur (CCTP)
Homogene Backsteinfassade –
Ein konstruktives System
KTI-Projekt, Keller AG Ziegeleien, Ziegelei Schumacher AG,
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2017 - 2019
CCTP
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Folie
Spezialist vs. Allrounder
Homogene Backsteinfassade?
Die Idee…
24, 05.09.2018
- Tragen
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FolieLow Tech als Ansatz
Folie
Langlebigkeit
- Ressourcen und Graue Energie
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26, 05.09.2018
Gegenüberstellung der Grauen Energie eines
Wärmedämmverbundsystems WDVS und der homogenen
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Prof. Dr. Hartwig Stempfle
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Verarbeitung / Bauablauf
- Minimierte Schnittstellen:
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28, 05.09.2018
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Klimawandel
Demographischer Wandel
- Älter werdende Gesellschaft
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  • 1. T direkt Institut für Gebäudetechnik und Energie IGE Zentrum für Integrale Gebäudetechnik Gianrico Settembrini Leiter Forschungsgruppe +41 41 349 38 16 gianrico.settembrini@hslu.ch Horw 05.09.2018 NACHHALTIGES BAUEN – HEUTE UND MORGEN… Gesamtheitliche Ansätze - Beispiele aus der Forschungsgruppe Nachhaltiges Bauen und Erneuern Nachhaltigkeitsforum 2018 Suurstoffi Areal Rotkreuz, 6. September 2018
  • 2. Folie Nachhaltiges Bauen – heute und morgen Treibhausgasemissionen und Folgen… Der Klimawandel 4, 05.09.2018 Quelle (Daten und Abbildungen): MeteoSchweiz, 2013, Klimaszenarien Schweiz – eine regionale Übersicht, Fachbericht MeteoSchweiz, 243, 36 pp Bild Titelseite: iStock - https://www.ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/zukunftsblog/ archiv/2013/10/die-klima-erwaermung-steht-nicht-still.html
  • 3. Folie Ausgangslage Klimawandel Einfluss auf den Schweizer Gebäudepark Es ist anzunehmen, dass das Schweizer Klima im Laufe des 21. Jh. signifikant vom heutigen und vergangenen Zustand abweichen wird. Je nach Szenario und Region wird bis zum Ende des Jh. eine Zunahme der jahreszeitlichen mittleren Temperatur von 3.2-4.8°C vorausgesagt. [1] 5, 05.09.2018 [1] CH2011 (2011), “Swiss Climate Change Scenarios CH2011”, published by C2SM, MeteoSwiss, ETH, NCCR Climate, and OcCC, Zurich Bild links: Wouda R., Editorialbild Das Magazin, Zeitschrift der TA Media AG, Ausgabe Nr. 8, Februar 2018 Bild rechts: http://www.torange-de.com/Backgrounds-textures/texture/Die-Textur-des-alten-Bürogebäude-14743.html
  • 4. Folie ClimaBau – Planen angesichts des Klimawandels: Energiebedarf und Behaglichkeit heutiger Wohnneubauten bis ins Jahr 2100 Vorkehrungen zur Optimierung der Gesamtenergiebilanz und Behaglichkeit von Bauten über deren gesamten Lebensdauer Bundesamt für Energie, Bundesamt für Umwelt 2015- 2017 CCTP ZIG Gianrico Settembrini www.hslu.ch/climabau
  • 5. Folie Fragenstellung des Projekts ClimaBau Klimawandel und Schweizer Wohnbauten Welche Raumtemperaturen sind in Wohngebäuden im laufenden Jh. ohne Gegenmassnahmen zu erwarten? Wie wird sich der thermische Komfort in Wohngebäuden ohne Kühlsysteme verändern? Welchen Energiebedarf für die Kühlung ist in Wohngebäuden bei Erhalt der heutigen Komfort- ansprüchen zu erwarten? Wie wird sich der Gesamtenergie- und Leistungsbedarf von Wohngebäuden verändern? (Heizung, Kühlung und Beleuchtung) Welche Massnahmen können getroffen werden um den Bedarf zu optimieren? (technische Ausstattung, Architektur, Normenwerk, Gesetzgebung usw.) 7, 05.09.2018 Bild: Die Eisskulptur von Nele Azevedo als Symbol für die Folgen der Klimaerwärmung. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fe/Minimum_Monument_art_installation_by_Nel e_Azevedo_in_Chamberlain_Square%2C_Birmingham_UK.JPG Die brasilianische Künstlerin Nele Azevedo macht mit Eisskulpturen wiederholt auf die Folgen des Klimawandels aufmerksam. Die Abbildung zeigt eine Installation in Birmingham aus dem Jahr 2014.
  • 6. Folie Inhalte des Projekts Methodik – drei Handlungsfelder Das Klima (mit MeteoSchweiz) Welche Klimaszenarien, bzw. Meteodatensätze sind für eine langfristige Betrachtung bis 2100 zu verwenden? Der Gebäudepark (mit HSLU T&A, CCTP) Welche repräsentative Wohnbau-Typen sind für eine langfristige Betrachtung bis 2100 zu verwenden? Die Simulationen Welchen Einfluss hat der Klimawandel auf den Gesamtenergiebedarf und die Behaglichkeit bei den untersuchten Wohnbauten? Welche Handlungsempfehlungen lassen sich für die Planung ableiten, wenn man Energiebedarf und Komfort heutiger Wohnbauten auf deren gesamten Lebensdauer optimieren will? 8, 05.09.2018
  • 7. Folie Ergebnisse Phase 1 – Einfluss des Klimawandels Vergleich der Perioden «1995» und «2060» Reduktion Heizwärmebedarf Altbauten  ca. 20% Neubauten  ca. 30% Anstieg Klimakältebedarf A  exponentiell, jedoch unbedeutend N  stark, auf ca. 50% der Heizwärme Klimakälteleistung in «2060» A  25-40% der Heizleistung N  bis zum Doppelten der Heizleistung 11, 05.09.2018 Grafiken: Jährliche Medianwerte zu Heizwärme- und Klima- kältebedarf (links) sowie zu Heizwärme- und Klimakälteleistung (rechts) der vier untersuchten Fallstudien in der Referenzperiode „1995“ (1980-2009; jeweils die linke Säule) und der Periode „2060“ (2045-2074; jeweils die rechte Säule) am Standort Basel. Die Prozentzahlen geben die auf den Klima-wandel zurückführbare Veränderung an . Altbauten  Neubauten Altbauten  Neubauten
  • 8. Folie Parameter «Standort» «städtischer Wärmeinseleffekt» Analyse der Bewertungsgrössen «Heizwärme- und Klimakältebedarf» 12, 05.09.2018 Am Beispiel der Simulationsergebnisse für das durchschnittlich warme Jahr 2063: Der städtische Wärmeinseleffekt für den Standort Basel führte jeweils zu einer Erhöhung der Überhitzungsstunden von mindestens 50%. Entsprechend erhöht sich der Klimakältebedarf, während sind der Heizwärmebedarf im Vergleich geringfügig reduzieret. Beim Standort Lugano beträgt der Klimakältebedarf mehr als das Dreifache des Heizwärmebedarfs! Grafik: Heizwärmebedarf (x-Achse) und Klimakältebedarf (y-Achse) des Referenzmodells in den Jahren 2004 und 2063, den durchschnittlich warmen Jahren der Perioden „1995“ und „2060“, jeweils am Standort Basel, unter Berücksichtigung des städtischen Wärmeinseleffekts am Standort Basel und am Standort Lugano. Die Grösse der Kreise stellt das Verhältnis der Anzahl an Überhitzungsstunden dar.
  • 9. Folie Schlussfolgerungen  erheblicher Einfluss des Klimawandels auf Energiehaushalt und Behaglichkeit in Wohnbauten Paradigmenwechsel: Verschiebung der Bedeutung von der Winter- (Heiz- wärme) hin zur Sommerbetrachtung (Behaglichkeit) Energie und vor allem bei der Leistung Verstärkt in der südlichen Schweiz / in Städten (!) Wichtigkeit des Verhaltens der Bewohnerschaft Unsachgemässe Bedienung des Referenzgebäudes Raumtemp. > 40 °C / ca.2’000 Überhitzungsstunden! Bei optimaler Bedienung Sicherstellung von behagliche Raumtemperaturen Idealer Nutzer realistisch? Automation als Lösung? Entscheidende Entwurfsparameter Fenster, Speicherfähigkeit (nach wie vor) Massnahmen über den Lebenszyklus von Wohnbauten Integration in heutige Normen / Wirkung bis Ende Jh. Free cooling/Geocooling1 bei hohem Fensteranteil? 13, 05.09.2018 1) Free cooling: Abgabe der Wärme an die Luft während der Nacht. Geocooling: Abgabe der Wärme an das Erdreich über dieselben Erdsonden, die im Winter Umgebungswärme für die Wärmepumpen liefern. Bild: Minimum Monument von Nele Azevedo als Symbol für die Folgen der Klimaerwärmung. © 2014 Steve Eggleton / eventdigital.co.uk
  • 10. Folie Gebäudehülle Hochhausfassaden – Ein Entscheidungs- und Beurteilungs- instrument zur Erstellung nachhaltiger Fassaden mehrgeschossiger Gebäude KTI-Projekt, CRB 2013 - 2016 FG MS A CCFM IFZ ZIG Prof. Urs-Peter Menti www.hslu.ch/de-ch/hochschule- luzern/forschung/projekte/detail/ ?pid=3361
  • 11. Folie 14 Hochhäuser der Schweiz KTI-Projekt Hochhausfassaden 15, 05.09.2018
  • 12. Folie 16, 05.09.2018 Entscheidungen Fassaden Rohbau Lastabtragung nicht über Fassade Raumklima Kein Schutzstreifen Brandschutz Nutzer Akzeptanz? Platzbedarf Zentrale, Verteilung Sommerliche Überhitzung Blendung Erhöhte Anforderungen an den Sonnenschutz Planung Bauablauf Vorfertigung Fassadenintegration Rohbautoleranz Energiebedarf Hohe externe (Kühl-) Lasten Geringere Gebäudemasse Sonnenschutz häufig gesenkt Höherer Energie- verbrauch Höherer Kunstlichtanteil Höherer Heizwärmebedarf Anforderungen an den Wärmeschutz Kaltluftabfall Strahlungsasymmetrie Sprinkler Hohe Anforderungen an Planer Vorlauf in der Planung Graue Energie Fundation Thermische Speichermasse Kostenkonsequenz Auswirkungen und Wechselwirkungen
  • 13. Folie Energieeffizienz 17, 05.09.2018 asp Architekten EWE Arena Oldenburg 2005 JessenVollenweider Amt für Umwelt und Energie Basel 2013-2015
  • 14. Folie Massstab und Architektonischer Ausdruck 18, 05.09.2018 Gigon Guyer Prime Tower Zürich 2008-2011 Meili Peter Architekten Zölly Hochhaus Zürich 2009-2014
  • 15. Folie Funktionalität 19, 05.09.2018 Alison & Peter Smithson Economist Gebäude London 1964 Sanaa Zollverein-Kubus Essen 2006
  • 16. Folie Alterung 21, 05.09.2018 Martin Linsi Haus in der Schweiz Jean Prouvé Maison Tropicale Brazzaville 1951
  • 17. Folie Hochschule Luzern Technik & Architektur, Kompetenzzentrum Typologie & Planung in Architektur (CCTP) Homogene Backsteinfassade – Ein konstruktives System KTI-Projekt, Keller AG Ziegeleien, Ziegelei Schumacher AG, AGITEC AG, Biene Fenster AG, IGD Grüter 2017 - 2019 CCTP CCKI FG FM IGE Ueli Herres
  • 18. Folie Spezialist vs. Allrounder Homogene Backsteinfassade? Die Idee… 24, 05.09.2018 - Tragen - Dämmen - Schützen  in einem Konstruktionssystem
  • 20. Folie Langlebigkeit - Ressourcen und Graue Energie - Reparierbar, Anpassbar (Öffnungen) - Anwendbar auf verschiedene Ausgangslagen: Vielfalt! Resistenz - Reserven, Puffer und Toleranzen - Möglichst lange Lebensdauer der Bauteile - Wenn nicht möglich: Bauteiltrennung bei unterschiedlichen Lebensdauern  Optimiertes Gesamtsystem! Homogene Backsteinfassade Der Nachhaltigkeitsgedanke… oder eine Lebenszyklusbetrachtung 26, 05.09.2018 Gegenüberstellung der Grauen Energie eines Wärmedämmverbundsystems WDVS und der homogenen Backsteinfassade bei gleichem U-Wert der Gebäudehülle
  • 21. Folie 27, 05.09.2018 Homogene Backsteinfassade Die Lebenszyklusbetrachtung Prof. Dr. Hartwig Stempfle Hochschule Luzern Technik & Architektur, CCKI Verarbeitung / Bauablauf - Minimierte Schnittstellen: Bauteile und Materialien / Gewerke - Einfachheit, bekannte Einzelkomponenten  Fehlertolerante Bauprozesse Tragfähigkeit und Verformung (erste Versuche) - Verbesserung bei horizontaler Last > 10% - Steigerung der Verformung bei Bruchlast > 40%
  • 22. Folie Ausblick: Nachhaltigkeit morgen? «Schweiz im Wandel» 28, 05.09.2018 Bild: Minimum Monument von Nele Azevedo als Symbol für die Folgen der Klimaerwärmung. © 2014 Steve Eggleton / eventdigital.co.uk Klimawandel Demographischer Wandel - Älter werdende Gesellschaft - Krankheiten, z.B. Demenz Migration - Stadt-Land - Steigende Bevölkerungszahl - Verdichtung Wirtschaftliche Ungewissheit - Steigende Bedürfnisse - Soziale Konflikte durch Ungleichheit