Wand statt Aggregat

Klimaregulierende Hüllen in subtropischen Wohngebäuden

In subtropischen Gebieten hatten die Wände von Gebäuden schon immer die wichtige Funktion, vor Hitze zu schützen. Ein Blick auf traditionelle Gebäudetypologien in den Subtropen zeigt, dass in früheren Zeiten ein behagliches Innenraumklima auch ohne Klimaanlage möglich war. Ein typisches Beispiel hierfür sind die Tulou-Bauten in der Provinz Fujian im Südosten Chinas. In den heutigen Wohnbauten hingegen wird die Wand als Teil der Gebäude- und Fassadenstruktur nur selten als klimaregulierendes Element genutzt; stattdessen verwendet man in den letzten Jahrzehnten verstärkt Klimaanlagen. Die Nutzung und der Energieverbrauch dieser Anlagen in feuchtheißen Regionen ist enorm (Abb. 1):1 Allein für die Sieben-Millionen-Metropole Hongkong wird durch Klimaanlagen ein zusätzlicher Energieverbrauch in Höhe von jährlich 6,8 Gigawatt angenommen.2 Einen zeitgenössischen Lösungsversuch für diese Problematik führt das von URBANUS-Architekten im Jahre 2008 fertig gestellte Wohnbauprojekt Urban Tulou vor, das die traditionelle Tulou-Typologie im urbanen Kontext adaptiert. An solchen Wohnbau-Projekten wird deutlich, welche Potentiale die Wand als klimaregulierendes Element besitzt und auf welche Weise Verfahren zu dessen Nutzung als neuartige Wand-Strukturen gegenwärtig entwickelt und optimiert werden könnten.

Eine spezifische architektonische Anordnung der Wände auf der Basis bauphysikalischer Grundlagen könnte somit Bestandteil der Klimaverbesserung für Innenräume in feuchtheißen Regionen sein. Wandelemente können bekanntlich unterschiedliche Aufgaben erfüllen, so z.B. Beschattung, das Arrangieren der Querlüftung oder die Weiterleitung von Temperatur in thermischer Masse. Die Vermeidung der Überhitzung durch Sonneneinstrahlung bei gleichzeitiger Ermöglichung einer natürlichen Belüftung von Gebäuden ist eine normale Anforderung an Außenwände in feuchtheißen Regionen. Doch welche Prämissen sollten erfüllt sein, damit die Wand in ihrer Eigenschaft als thermische Masse die Behaglichkeit der Innenräume optimal beeinflussen kann? Die Öffnungen in den Wänden müssen besonders konzipiert sein, um auf die unterschiedlichen äußeren Faktoren wie Temperatur und Luftgeschwindigkeit flexibel reagieren zu können. Gleichzeitig sollten im Wohnungsbau die Grundbedürfnisse der Bewohner wie zum Beispiel ausreichende Belichtung, Privatsphäre und außenliegende Freiräume berücksichtigt werden.

Wie können diese Parameter erreicht werden und welche Relevanz haben sie für die architektonische, gestalterische Erscheinung des Gebäudes? Wie kann ein ganzheitliches Konzept entwickelt werden, das diese formalen, funktionalen und energetischen Kriterien so erfüllt, dass sich ein stimmiges, aussagekräftiges Erscheinungsbild ergibt? Antworten auf diese Fragen liefern zwei Gebäude in China: das über 300-jährige traditionelle Chengqi-Lou-Tulou (1709) in der Fujian-Region und das zeitgemäße Urban Tulou in Guangzhou (2008).

Klimaregion China

In den südostchinesischen Ballungsgebieten herrscht ein feuchtes subtropisches Klima. Im Inneren der Gebäude möchte man ein angenehmes Wohnklima mit 50% Luftfeuchte und 22 Grad Celsius erzielen, während außen fast die doppelte Luftfeuchte und eine Temperatur bis zu 35 Grad Celsius herrscht. Diese Bedingungen führen zum Einsatz von Klimaanlagen als gängiger Praxis zur Regulierung des Innenraumklimas der Wohnungen. Diese elektrischen Anlagen heizen mit ihrer Abluft die Ballungsgebiete weiter auf. “Klimaanlagen […] kühlen zwar das eigene Heim […], doch die städtische Umgebung wird dadurch insgesamt noch heißer. In den wärmeren Regionen der Vereinigten Staaten und in Teilen Ostasiens kühlt es durch den massenhaften Einsatz von Klimaanlagen sogar nachts nicht mehr ab. Und so sitzen die Menschen dort in der selbstgemachten Hitzefalle”.3 Im Sinne des Wärmeinseleffekts (Urban Heat Island Effect) heizen die Klimaanlagen die durch eine zunehmende Versiegelung von Oberflächen ohnehin schon überhitzten Stadträume weiter auf, da die Baumasse als Wärmespeicher fungiert und sich nachts nicht mehr abkühlen kann.4 Zudem ist der Wirkungsgrad einer Anlage, welche ausschließlich mit Luftkühlung arbeitet, verglichen mit den in Europa gängigen wasserbasierten Heiz- oder Kühlsystemen um zwei Drittel energieaufwendiger, da Wasser als Träger von Wärme oder Kühle wesentlich effizienter ist.5

Neben diesen Nachteilen der Klimaanlage – dem hohem Energieverbrauch, dem schlechten Wirkungsgrad und der Forcierung des Wärmeinseleffektes – gibt es noch weitere negative Aspekte: So wird beim Luftkühlprozess hier nicht nur Hitze, sondern auch Kondenswasser freigegeben. Da nur die wenigsten Klimaanlagen diese Feuchtigkeit kontrolliert ableiten, tropft dieses Wasser an der Außenseite der Fassade willkürlich nach unten; vor allem in der Nacht wird dieses Dauertropfen dann als unangenehmes Geräusch wahrgenommen. Mit dem zusätzlichen Betriebslärm der Maschinen steigt der Geräuschpegel weiter an.

Die 150 Millionen Einwohner der südostchinesischen Küstenregion brauchen für die Kühlung ihrer Wohnungen mit Klimaanlagen jährlich immense Energiemengen.6 Jeder Haushalt verfügt über zwei bis fünf Klimaanlagen und Bürogebäude werden ebenfalls ausschließlich über Klimaaggregate gekühlt – denn ein behagliches Raumklima ist in den Arbeitsplatz-Richtlinien vorgeschrieben. So kann man annehmen, dass jede Person im Durchschnitt in einem Jahr circa zehntausend KWh Strom für Kühlung verbraucht.7 Die Betrachtung der Grafik zum Energieverbrauch der Klimaanlagen in den subtropischen Regionen macht den enormen Energiebedarf in China sichtbar.

In China lebt derzeit die Hälfte der Bevölkerung in Städten. Das entspricht dem Zustand in Europa vor der Industrialisierung. Gemäß statistischen Berechnungen wird sich die Stadtbevölkerung weltweit bis 2050 fast verdoppeln und von 3,5 Milliarden auf 6,3 Milliarden ansteigen. Somit würde sich der Energiebedarf für Kühlung bis zum Jahr 2050 fast verdoppeln.8 Geht man davon aus, dass die Stadtbewohner nicht auf die Nutzung der Klimaanlage verzichten wollen, stellen diese Wachstumsprognosen eine große Herausforderung an Energieerzeugung und Klimabilanz dar.

Die Potentiale der Wand als klimaregulierendes Element

Die Qualität des Wohnraumklimas wird über die Behaglichkeit und das Verhältnis von Temperaturniveau und Strahlungsintensität definiert. Dazu stellt sich die Frage, welches Innenraumklima ohne Klimaanlage in subtropischen Regionen erreichbar ist und welche Kriterien hierfür erfüllt werden müssen. Edward Ng sagte auf der Winterschool Sustainable Smart Cities an der TU Graz auf die Frage, ob es möglich sei, in subtropischen Gebieten wie Hongkong natürlich zu belüften, anstatt die Klimaanlage zu nutzen: “Um einem Temperaturanstieg entgegenzuwirken, muß man verhindern, dass Sonnenlicht in die Innenräume eindringt […]. Fenster müssen auf intelligente Weise angeordnet sein und geöffnet werden können, um Querlüftung zu ermöglichen.9

Ein behagliches Raumklima kann in subtropischen Regionen also durchaus auch ohne Klimaanlage erreicht werden. Durch Luftströmung (Ventilation) kann es verbessert werden, obgleich Lufttemperatur und Luftfeuchte gleich bleiben: Die gefühlte Temperatur, d.h. das Empfinden für Luftfeuchte und Temperatur, verändert sich bei bewegter Luft je nach Luftgeschwindigkeit. Die Luftzirkulation spielt eine erhebliche Rolle für das Wohlbefinden in Wohnräumen. Die Öffnungen in den Wänden müssen bei verschiedenen Temperaturen und unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten im Sinne unterschiedlicher Öffnungsquerschnitte zum Ein- und Austritt der Luft reguliert werden. Ein weiterer wichtiger Aspekt, der zur Behaglichkeit beiträgt, ist die Strahlungsintensität. Strahlungswärme tritt im Freien z.B. durch Erhitzung von Oberflächen durch die Sonne auf. Im Innenraum geben massive Wandelemente Strahlungswärme oder -kühle ab oder nehmen sie auf. Die Oberflächentemperaturen und die Aktivierung von Speichermasse spielen also eine wesentliche Rolle für die Behaglichkeit in Innenräumen. Das Material muss eine hohe Dichte aufweisen, um kühlere Temperaturen speichern zu können. Um die richtige Weiterleitung der Temperatur (Phasenverschiebung) zu gewährleisten, ist die Schichtdicke der Außenwand maßgeblich, damit die gespeicherte Kühle innerhalb eines bestimmten Zeitzyklus raumseitig weitergeleitet werden kann.

Das traditionelle Tulou

Die 300 Jahre alten “Tulou”-Rundhäuser10 in der Fujian-Region im Südosten Chinas nutzen die Potentiale der Wand zur Klimaverbesserung der Innenräume (Abb. 2). Obwohl man zur damaligen Zeit nicht die heutigen technischen Möglichkeiten zur Kühlung des Innenraums besaß und der Anspruch an Behaglichkeit unter dem heutigen Niveau lag, wurde mittels einfacher bauphysikalischer Grundlagen und intelligenter Raumanordnung ein angenehmes Wohnklima für die Bewohner der Tulou geschaffen.

Für den Bau der Tulou wurde Erdmaterial aus der Umgebung verwendet (Abb. 3). Durch den statischen Lastabtrag der bis zu viergeschossigen Tulou-Bauten sind die Außenwände zwischen einem und eineinhalb Meter dick. Diese massiven Lehmwände dienen als Temperatur-Puffer: Hitze wird im heißen Sommer in den Wänden gespeichert, benötigt aber aufgrund der enormen Dicke – und dadurch hohen Speicherkapazität – lange Zeit, bis sie von außen nach innen hindurchgewandert ist. Anders als bei dünneren Betonwänden, bei denen die Temperaturweiterleitung innerhalb eines Tages- und Nachtzyklus funktionieren kann, verläuft diese Phasenverschiebung hier innerhalb der Jahreszeiten. Temperaturschwankungen, die als Temperaturwellen zeitlich versetzt in der Wand verlaufen und an der Rauminnenseite heraustreten, sind von Schichtdicke und Temperaturleitfähigkeit der Wand abhängig.11 Im Sommer wird die hohe Temperatur nicht nach innen geleitet und es bleibt innen kühl; erst in kälteren Jahreszeiten strahlt die im Sommer erwärmte Wand ihre Wärme nach innen ab.

Während sich die massive Wand nach oben verjüngt, hat sie unten die größte Dicke, was den Kontakt zum Boden und damit zur Erdmasse optimiert. Durch dieses großflächige Auflager mit direktem Kontakt wird die Erdtemperatur als passive Massenkühlung genutzt: In sechs Metern Tiefe hat der Boden immer die Jahresmitteltemperatur und stellt zumeist einen Temperaturunterschied zur stärker variierenden Lufttemperatur dar. Die im Sommer kühlere und im Winter wärmere Erdtemperatur steigt nach oben in die Masse der Wand und kann so das Gebäude passiv aktivieren (Abb. 4).

Die Gebäudeaußenhülle der Tulou wird mit einer dünnen Kalklehmschicht verputzt. Die helle Kalkfarbe reflektiert solare Energieeinträge und vermeidet somit eine Überhitzung der Wand. Weiter schützt dieser Kalk vor äußeren Bewitterungen wie Schlagregen und Luftfeuchte. Die Innenwände sind unversiegelt – so kann das Erdmaterial raumseitig Feuchtigkeit aufnehmen und sie bei Bedarf wieder abgeben: Die Lehmwand sorgt für einen ausgeglichenen Feuchtigkeitshaushalt im Innern und damit für ein angenehmes Innenraumklima.

Mit seiner introvertierten Form und den massiven geschlossenen Außenmauern bietet dieser alte Bautyp seinen Bewohnern Sicherheit und Geborgenheit (Abb. 4a). Die kreisrunde Bauweise verbessert die Materialeffizienz: Mit einer runden Außenwand benötigt man im Verhältnis zum gebauten Raumvolumen weniger Baumaterial als bei einer orthogonalen Typologie. Die Wohneinheiten sind in der runden Gebäudeform nebeneinander angeordnet und alle nach außen und nach innen zum Hof orientiert. Diese durchgesteckten Wohneinheiten, zugänglich über die innenliegenden Laubengänge, ermöglichen mit kleinen quadratischen Fensteröffnungen (1×1 Meter) in der Außenwand und Öffnungen zum Innenhof die Querlüftung jeder Einheit (Abb. 5). Diese Öffnungen in den Wänden sind besonders konzipiert, um auf die unterschiedlichen äußeren Faktoren wie Temperatur und Luftgeschwindigkeit flexibel reagieren zu können. Dies ist mit einem einfachen, aber raffinierten Mechanismus gelöst, indem eine Öffnung in der Wand zum Hof eine Steuerung des Luftstromes zulässt: Zwei hintereinander angeordnete Holzgitter lassen sich hier in einem Fensterrahmen verschieben. So kann ein kleinerer oder größerer Öffnungsquerschnitt zum Durchströmen der Luft mit einer einfachen Handbewegung manuell geregelt werden (Abb. 6).

Das Urban Tulou

Das Wohnhaus “Urban Tulou”, das Architekten des Büros URBANUS in Shenzhen für das subtropische Guangzhou entwarfen, kommt teilweise ohne die Nutzung von Klimaanlagen aus (Abb. 7). Dies wird durch ein konzeptionell homogenes Zusammenspiel von Fassade, Gebäudeform, Grundrissen und einzelnen Wandelementen ermöglicht. Als Pilotprojekt dieser Art besinnt es sich auf Prinzipien lokaler, traditioneller Bauweisen und transformiert sie in eine zeitgenössische Architektur. Die URBANUS-Architekten überarbeiteten die traditionelle Wohntypologie des Tulou und entwarfen damit ein neues, funktionierendes, zeitgemäßes architektonisches Konzept. Dieses Urban Tulou wurde 2008 in der Provinz Guangdong realisiert und beinhaltet 273 Einzimmerwohnungen und Apartments sowie Schlafsäle für Bewohner mit geringem Einkommen. Interessant ist, inwieweit die Wand als klimaregulierendes Element hier die Anforderungen an Wandöffnungen zur Gewährleistung von Verschattung und zur Durchlässigkeit bei der Querlüftung erfüllen kann und welche gestalterische und äußere Erscheinungsform möglich ist, um funktionale Qualitäten wie Freiräume und Privatsphäre zu gewährleisten.

Fassade

In ihrem Zusammenspiel sind die Wandschichtungen der Fassaden trennendes und gleichzeitig verbindendes Element und bilden eine Art Filter. Die erste Schicht, die Fassadenhaut, bietet Licht- und Luftdurchlässigkeit und gleichzeitig Blickschutz, Schlagregenschutz und Sicherheit. Der Zwischenraum dient als verschattete Luftschicht zur Absenkung der Temperatur und als Aufenthaltsort vor der dahinterliegenden eigentlichen Außenwand. Diese luftabschließende Wand schafft einerseits durch die großen Verglasungen eine Verbindung zum Innenraum und ermöglicht andererseits durch massive Betonelemente die Verbindung von Innen- und Außenwand, die für die Nutzung der thermischen Masse notwendig ist.

Die in die Primärkonstruktion eingestellten Fassadenmodule bestehen aus Faserbeton-Fertigelementen (Abb. 8) an der außenliegenden Hülle und hölzernen Sonnenschutz-Paneelen an der dem Innenhof zugewandten Seite (Abb. 9). Beide Außenwandfassaden sind porös, d.h. mit kleinen Öffnungen versehen. So bietet diese Gebäudehaut eine gute Verschattung und ermöglicht durch ihre zahlreichen kleinen Öffnungen das Eindringen von Luft in das Gebäude. Das Resultat vereint den erkennbaren Einfluss chinesischer Bautraditionen und die Erfüllung von Anforderungen an zeitgenössisches Wohnen. Dazu wird das Motiv des traditionellen chinesischen Gitterfensters aufgegriffen. Es stammt ursprünglich aus der Ming- und Qing-Dynastie des 13. bis 18. Jahrhunderts. Die in Fenstern, Türen und sogar Wänden verarbeiteten Holzgitter sind ein für die traditionelle chinesische Architektur typisches Element, dem in China eine besondere handwerklich-ästhetische Aufmerksamkeit gewidmet wird (Abb. 10). Doch die eigentliche Bedeutung dieser Gitter ist rein funktional, denn sie dienen der Verschattung und – mit ihren kleinteiligen Öffnungen – auch der Belüftung des Hauses. Diese Funktionen übernehmen auch die Betonelemente der vorgestellten Außenfassade. Gleichzeitig nutzen die Architekten die Eigenschaften des Betons für eine gestalterische Adaption der traditionellen Gitterfenster.

Die Fassade präsentiert sich von innen und außen als einheitliche Struktur und verfügt formal über ein homogenes Erscheinungsbild. Die konkrete Adaption der traditionellen Holzgitter erfolgt in der feingliedrigen Ausarbeitung der Struktur der Holzpaneele. Diese sind jeweils an eine Wohneinheit angegliedert und lassen sich über die gesamte lichte Raumhöhe öffnen. Die aufklappbaren Holztüren sind mit vertikalen Holzstreben vergittert. Ein wesentlicher Entwurfsaspekt hierbei ist es, die notwendige Stabilität der Türen ohne zusätzliche Elemente zu erreichen und somit den traditionellen Ursprung auf minimalste Weise sichtbar zu machen. Die von oben und unten kommenden Holzstreben überlappen sich im mittleren Bereich und sorgen damit für die notwendige Stabilität ohne zusätzliche Elemente.

Die Außenfassade erlaubt die komplette Öffnung der dahinterliegenden Außenhaut des Gebäudes; diese ist somit vor Sonne und unbefugtem Zutritt geschützt. Da eine solche “zweite Fassade” von außen nicht sichtbar ist, kann sie freizügig gegliedert werden. Die Glastüren lassen sich vollständig öffnen, wodurch der Zwischenraum zu einem Teil des Wohnraumes wird. Dieser verschattete und gut durchlüftete Außenbereich bildet für die Bewohner eine private Aufenthaltsstätte, wird aber auch für die so banale wie essentielle Funktion des Wäscheaufhängens genutzt.

Die traditionellen Tulou sind, mit Ausnahme einiger weniger Fensteröffnungen und der Eingangstür im Erdgeschoss, von außen komplett verschlossen. Einerseits soll das neue Tulou diesen geschlossenen Charakter und damit die traditionelle Identität der alten Form bewahren, andererseits ist die Fassade des neuen Tulou luftdurchlässig und bietet so den Bewohnern natürliche Belüftung bzw. Belichtung und mehr Wohnqualität mit Aufenthaltsbereichen. Doch nicht nur die Beschaffenheit der Außenfassade ist maßgeblich für eine Behaglichkeit ohne “Air Conditioning”. Wesentlich sind die Positionierung von Außen- und Innenwänden für die Querlüftung, die Nutzung der thermischen Masse und die Anordnung der Gebäudekörper. Damit ist die gesamte architektonische Grundriss- und Gebäudestruktur für das klimaregulierende Element Wand relevant.

Gebäudestruktur

Die runde Gebäudeform des Urban Tulou ist ein formaler und funktionaler Aufgriff der traditionellen Tulou-Typologien. Durch die runde Gebäudeform des Urban Tulou gibt es keine gerichtete Orientierung und der Wind wird regelmäßig ins Innere des Gebäudes verteilt. Der Wind kommt vier Monate des Jahres aus südöstlicher und den Rest des Jahres aus nordöstlicher Richtung. Die kreisförmig angeordneten Wohneinheiten sollen zudem gleich viel Frischluft vom Innenhof bekommen. Auch wenn sich die Fassadenhaut als poröse Beton-Membran nicht in das Innere des Gebäudes hineinzieht, wird das Konzept der durchgesteckten Wohneinheiten in jedem Gebäudeteil fortgeführt (Abb. 11). Auch innen orientiert sich jede Wohneinheit einerseits zum privaten Freiraum und anderseits zum halböffentlichen Erschließungsraum auf der gegenüberliegenden Seite. Die Wohntypologie und die Weiterführung der Holzelemente sind der rote Faden des Entwurfskonzeptes, welches sich von außen nach innen oder umgekehrt durchzieht (Abb. 12).

Die Architekten modifizierten das kreisrunde Gebäudevolumen durch eine Fortführung des Gebäudekörpers nach innen und verlängerten es zu einer Spirale durch vier orthogonale Biegungen (Abb. 13). In den Zwischenräumen entstehen hierdurch fünf Innenhöfe, in denen immer eine leichte Luftzirkulation herrscht – sogar dann, wenn außerhalb des Gebäudes kein Wind weht. Durch die unterschiedliche Geschossanzahl der Gebäudekörper gibt es Abstufungen der Gebäudehöhe, durch die der Wind zirkulieren kann.

Eine wesentliche Modifikation des alten Tulou ist die partielle Wegnahme des Sockelgeschosses. Die Luft kann nun im Erdgeschoss ins Gebäude eindringen und zieht nach oben, um kühle Luft zu den Apartments zu bringen. Weitere Aussparungen gibt es in den Obergeschossen; hier werden sie als Gemeinschaftsflächen genutzt. Die Treppenaufgänge sind offen konzipiert, sodass auch hier die Luft nach innen strömen kann (Abb. 14). Das Kellergeschoss, welches als gemeinschaftliche Fahrrad-Abstellfläche genutzt wird, ragt einen Meter aus der Erdoberfläche heraus und ist nach beiden Seiten geöffnet. So kann auch hier der Wind hinein- und hinausströmen und wird abgekühlt (Abb. 15-16). Die erdberührten Bauteile profitieren im Sommer von der geothermischen Erdkühlung: Diese wird durch die Wände und Bodenplatten an die Außenluft abgegeben und kühlt diese herunter. Messungen der Luft- und der Oberflächentemperatur der unterschiedlichen Wandelemente12 zeigen dies. In den Innenhöfen entsteht nun ein Auftrieb durch die Temperaturunterschiede der Luft, da die eindringende Luft durch die Verschattung und Speichermasse des Betons abgekühlt wird und beim Erwärmen nach oben steigt. So entsteht ein thermischer und windinduzierter Auftrieb in den Innenhöfen.

Durch ihre Ausrichtung zur Loggia und dem Erschließungsgang, wird in allen Wohneinheiten eine Querlüftung gewährleistet. Die Luft kann ungehindert durch alle Wohnungsteile fließen, da diese in Schottenbauweise nebeneinander angeordnet sind. Für die Querlüftung wurden von den Architekten zahlreiche Oberlichter-Schiebeöffnungen an den umlaufenden Laubengängen konzipiert. Diese und die zur Loggia hin orientierten Glasschiebewände eignen sich durch ihren Schiebemechanismus hervorragend zur Steuerung des Lufteinlasses.

Die äußere Fassadenhaut verhindert durch Verschattung eine solare Überhitzung der dahinterliegenden tragenden Betonaußenwand. Letztere wird als Kühlmasse genutzt. Das Material dieser Betonwand weist eine hohe Dichte und damit eine gute Speicherfähigkeit auf. Um die richtige Weiterleitung der Temperatur (Phasenverschiebung) zu gewährleisten, ist die Schichtdicke der Außenwand so beschaffen, dass die gespeicherte Kühle der Nacht innerhalb eines 12-Stunden-Zyklus raumseitig weitergeleitet wird (Abb. 17-18).

Die Resultate der Messungen von Luft- und Oberflächentemperaturen der Wände13 in zahlreichen Wohneinheiten des Urban Tulou haben Folgendes ergeben: Um optimale Behaglichkeit zu erhalten, muss zwischen Querlüftung und Schließung der Fenster abgewechselt werden, damit die Strahlungskühle der Betonwände zum Einsatz kommen kann (Abb. 19). Das Innenraumklima kann demnach von den Bewohnern reguliert werden und ist somit abhängig vom Nutzerverhalten.

Zusätzlich gibt es zwischen je zwei Wohneinheiten einen innenliegenden vertikalen Luftschacht. Mit Hilfe dieses Kamins werden die Bäder natürlich entlüftet: Die auf dem Dach auftreffende Sonnenstrahlung erhitzt die Abdeckung der Schornsteinausgänge und die darunterliegende Luft. So entsteht ein Kamineffekt, indem die kältere Luft durch die Bäder förmlich in die Wohnungen hineingedrückt wird. Um den Sogeffekt zu unterstützen, werden die Tür zum Badezimmer und jene zur Loggia- oder Erschließungsseite der Wohnung geöffnet (Abb. 20).

Das Urban Tulou bietet seinen Bewohnern ein angenehmes Wohnklima und verzichtet dabei auf die Nutzung von Klimaaggregaten. Die Gebäudeform, die Fassade, die Grundrissanordnung als auch der Umgang mit den einzelnen Wandelementen haben sich aus den klimatischen und örtlichen Gegebenheiten entwickelt. Es ist eine Typologie entstanden, deren Wände ein Klimaaggregat ersetzen. Eine wesentliche Qualität des Projekts wird erzeugt durch das harmonische Zusammenspiel der auf formalen, funktionalen und bauphysikalischen Grundlagen basierenden Entwurfsparameter.

Optimierungspotentiale

Die bei der Untersuchung des Urban Tulou gewonnenen Erkenntnisse können eine Basis schaffen, auf deren Grundlage neue Gebäude entwickelt werden können. Die folgenden Aspekte verdeutlichen Ansatzpunkte für mögliche Optimierungen und damit auch für die Entwicklung von neuen Typologien.

Verschattungselemente im Hofbereich

Die Holzwandelemente im Bereich der innenliegenden Höfe sind für die Verschattung der Glasschiebetüren nicht ausreichend. Ergänzend sollten weitere verschiebbare Elemente hinzukommen, die eine direkte Sonnenbestrahlung und eine Überhitzung der Innenräume verhindern. Diese Holzgitterelemente sollten vor der Stahlbrüstung angegliedert werden, da sich der Stahl als Wärmeleiter bei direkter Sonneneinwirkung sehr stark erhitzt. Die Messung der Oberflächentemperatur ergab 37 Grad Celsius14 – eine Temperatur, die beim Berühren der Stahlbrüstung zu Verletzungen führen könnte.

Passive Luftkühlung zwischen tragenden Wänden

Die passive Luftkühlung durch die vertikalen Technikschächte am vorderen Teil der Wohneinheiten könnten parallel an die tragenden, konisch verlaufenden Wohnungstrennwände angegliedert werden. Der Lüftungsquerschnitt würde dadurch schmaler und länger werden, wodurch der Kontakt der kalten Luft zur thermischen Masse vergrößert würde, nämlich über die gesamte Länge der Wand. Die thermische Masse würde somit wesentlich effizienter die Innenräume kühlen.

Kontrollierte Lüftung im Untergeschoss zur Nutzung der Speichermasse

Die Untergeschosse werden im Sinne einer geothermischen Erdkühlung mit Nutzung der Speichermasse der erdberührenden Bauteile genutzt. Beim Urban Tulou hat dies den Vorteil, dass die Luft tagsüber abgekühlt wird und in die Innenhöfe fließen kann. Die Öffnungen sind hier permanent geöffnet – eine Möglichkeit, den Ein- und Austritt der Luft exakt kontrollieren zu können, wäre jedoch von Vorteil: Durch die Verkleinerung der Luftdurchlässe während des Tages ließe sich die Effizienz der thermischen Masse erhöhen. Entsprechend der außen vorhandenen Luftgeschwindigkeit sollte der Luftwechsel so angepasst sein, dass genügend Strahlungskühle von der Masse an die Luft abgegeben werden kann, damit die Temperaturdifferenz und die daraus resultierende Thermik in den Höfen funktioniert. Bewegliche Wandöffnungen funktionieren bisweilen mit computergesteuerten, elektronisch betriebenen Vorrichtungen. Hier könnte ein Mechanismus angewendet werden, der mit den äußeren Klimafaktoren wie Windstärke (selbstschließende Klappen) oder Temperatur (Bimetalle15) selbst reagiert.

Fazit

Die Interviews mit den Bewohnern des Urban Tulou16 haben ergeben, dass die bestehenden Öffnungen in den Wänden in Hochsommernächten nicht ausreichen, um die erforderliche Luftmenge für die Querlüftung zu erhalten. Dieses Problem lässt sich nicht einfach durch eine Vergrößerung der bisherigen Öffnungsklappen lösen, da statische Vorgaben und der Lastabtrag der Betonschottenwände nur bedingt größere Wandöffnungen zulassen. Deshalb wurde über die Entwicklung einer Wandstruktur nachgedacht, die Eigenschaften wie Lastabtrag, thermische Aktivierung und Luftdurchlässigkeit miteinander verbindet. Lichtdurchlässiger Beton existiert bereits (Abb. 21): Er wird aus feinkörnigem Beton und Glasfasermatten hergestellt und erreicht die Stabilität von gewöhnlichem Beton. Luftdurchlässiger Beton könnte auf ähnliche Weise mit der horizontalen Schichtung von kleinen Röhrchen erreicht werden.

Ein weiterer Ansatz wäre, ein Wohnungseingangs-Türelement zu entwickeln, welches wie die zuvor beschriebenen steuerbaren Öffnungselemente im traditionellen Tulou funktionieren könnte. Mit dieser alten Technologie garantiert das Holzstreben-Element Sicherheit und steuerbare Luftzufuhr. Eine Herausforderung wäre, ein neues Türelement zu entwickeln, das den heutigen Schallschutz-Anforderungen ebenfalls gerecht wird.

Neben den bereits diskutierten Verfahren wie natürliche Belüftung, passive Kühlung und Nutzung von Speichermasse und Phasenverschiebung gibt es einige weitere energetische Optimierungsmöglichkeiten, die den Verzicht auf die Klimaanlage unterstützen könnten, wie beispielsweise die adiabate und die Verdunstungskühlung.17 Es gilt, darüber hinaus zu prüfen, ob in subtropischen Regionen das Verfahren der Feuchtespeicherung18 Einsatz finden kann. Die Herausforderung besteht darin, diese Technologien ohne großen technischen Aufwand für die klimatischen Bedingungen der Subtropen einsetzbar zu machen.

Diese Erkenntnisse setzen allerdings nicht voraus, dass neu zu bauende Gebäude in gleicher Weise wie das Urban Tulou konzipiert werden sollen. Vielmehr beweist das Urban-Tulou-Projekt, dass notwendige Entwurfsparameter nicht von der äußeren Erscheinungsform abhängig sein müssen – so z.B. die Gebäudeform in ihrer kleinteiligen Gebäudekörperanordnung, die notwendig ist, um Windströme optimal innerhalb der Gebäudestruktur zu führen. Diese ist beim Urban Tulou bewusst nicht zur Geltung gekommen, sondern das Gebäude erscheint vielmehr formal als ganzheitlich, indem es durch die äußere Fassadenhaut eingefasst wird.

Standort, Bauplatz, Windrichtung und spezifische Wohnnutzung sind keine konstanten Kriterien, Bewohner und Bauherren haben unterschiedliche Anforderungen und Wünsche. Auch Budgetgrößen sind zeitabhängige Faktoren, die sich projektweise ändern. Diese Faktoren und Kriterien müssen mit den formalen, funktionalen und bauphysikalischen Anforderungen im Gesamtentwurfsprozess zusammengeführt werden und sollten so zu völlig neuen Gebäudekonzepten führen.

Richard Hassell, Gründer des Architekturbüros WOHA in Singapur, verdeutlicht seinen Entwurfsansatz folgendermaßen: “In Industriestaaten sind Gebäude technologisch anspruchsvoller, verfügen über hochtechnisierte Fassaden und zentral gesteuerte Kontrolleinheiten. Wir versuchen jedoch, nachhaltige und wartungsfreundliche Hochhäuser zu bauen, indem wir weniger mit modernen Technologien, sondern mit der Architektur selbst arbeiten. Zum Beispiel ziehen wir ein Sonnenschutzelement oder einen Balkon einer Hochleistungsverglasung vor. Anstelle von computergesteuerten Belüftungssystemen entscheiden wir uns für natürliche Belüftung durch Fenster”.19

Die Untersuchung des Urban Tulou zeigt, dass die Problemlösung nicht nur in der Entwicklung neuer, intelligenter und energiesparender Hightech-Fassadensysteme zu suchen ist, sondern vielmehr auch in einem Paradigmenwechsel liegen könnte: in der Entwicklung neuer Architekturkonzepte mit sorgsamer und durchdachter Handhabung der Wand als Option der Klimaregulierung ohne energieaufwendige Klimaaggregate. Das Ergebnis der vorliegenden Untersuchung des Urban Tulous bietet eine Grundlage, um sich der Herausforderung stellen zu können, neue Wohnalternativen in den Subtropen zu entwickeln. Und so sind es letztendlich die Architekten, die nun gefordert sind, Bauherren und Auftraggeber von neuen mutigen Wohntypologien zu überzeugen.

Die Abbildungen beziehen sich auf die Printausgabe von GAM 9 (2013)

Am Beispiel Hongkong wurde folgende Kalkulation vorgenommen: In Bürogebäuden wird das ganze Jahr über durchgehend mit Klimaanlage konditioniert, deshalb wird in allen Monaten ein minimaler Verbrauch von acht Stunden pro Person und Arbeitstag angenommen. In Wohnräumen wird die Klimaanlage im Mai und Oktober nur tagsüber (12 Stunden) verwendet. Es ist in dieser Zeit nicht allzu heiß, aber die Luftfeuchte ist in der Regel sehr hoch. In den heißen Sommermonaten Juli, August und September wird die Klimaanlage durchgehend auch nachts genutzt. Inklusive Nutzung der Klimaanlage im Büro wird hier ein 24-stündiger Betrieb der A/C angenommen. Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Tagesanzahl der Monate ergibt dies einen Jahresdurchschnittsverbrauch von 4.768 Stunden pro Person. Variierend nach Typ (Modell) der Klimaanlage und Intensität des Betriebes verbraucht diese ungefähr zwei KWh pro Stunde. Das entspricht einem jährlichen Energieverbrauch von 9.536 KWh pro Person. Air Conditioner Energy or Electricity Consumption, Mapawatt 2009, online unter: http://mapawatt.com/2009/06/23/how-much-electricity-does-my-ac-consume/ (Stand: 03.11.2012).

Andreas Frey: "Die reinste Sauna", in: Frankfurter Allgemeine Sonntagszeitung, 12.8.2012, S. 51.

EIKE - Europäisches Institut für Klima und Energie, Raimund Leistenschneider, Der Wärmeinseleffekt (WI) als maßgeblicher Treiber der Temperaturen, (Stand: 20.01.2012), online unter: http://www.eike-klima-energie.eu/klima-anzeige/der-waermeinseleffekt-wi-als-massgeblicher-treiber-der-temperaturen/ (Stand: 29.10.2012).

Der Wirkungsgrad von Klimaaggregaten, welche ausschließlich mit Kühlung von Luft arbeiten, ist verglichen mit den in Europa üblichen wasserbasierten Heiz- oder Kühlsystemen um zwei Drittel schlechter, da Wasser als Träger von Wärme oder Kühle wesentlich effizienter ist als Luft. Das wirft die Frage auf, weshalb in subtropischen Regionen nicht mit Wasser gekühlt wird. Die Nutzung von Decken- und Wandelementen mit Bauteilaktivierung wie z.B. die Betonkernaktivierung zur Kühlung mit Wasser könnte hier eine wesentlich bessere Alternative sein.

Siwei Lang: "Progress in energy-efficiency standards for residential buildings in China", in: Energy and Buildings 36, 12 (2004), S. 1191-1196.

Vgl. Air Conditioner Energy (wie Anm. 1).

Office of Dissemination, China Statistics Press, National Bureau of Statistics of China, China Statistical Yearbook 2011, Peking 2012, S. 93.

Edward Ng in einer Podiumsdiskussion im Rahmen der Konferenz Sustainable Smart Cities am 15. Februar 2011 an der Technischen Universität Graz, organisiert von Prof. Roger Riewe und Ferdinand Oswald, Institut für Architekturtechnologie. Edward Ng ist Professor an der Chinese University of Hong Kong und Experte auf dem Gebiet des ökologischen und nachhaltigen Designs sowie Herausgeber von Designing High Density Cities.

Tulou sind aus Erde gebaute, kreisrunde Häuser. "Tu lou" bedeutet wörtlich übersetzt "Erdgebäude", was auf das Baumaterial zurückzuführen ist. Wegen ihrer Gebäudeform werden Tulou auch "Rundhäuser" genannt. Sie sind vor allem im Südosten Chinas (Fujian-Region) seit dem 12. Jahrhundert entstanden.

Vgl. Bruno Keller/Stephan Rutz: Fakten der Bauphysik zu nachhaltigem Bauen, Zürich 2007, S. 46-49.

Messungen der Luft- und Oberflächentemperatur der unterschiedlichen Innen-, Außen-, Wand- und Deckenelemente des Urban Tulou, 12.-15. September 2012.

Vgl. Messungen der Luft- und Oberflächentemperatur (wie Anm. 11).

Messung der Oberflächentemperatur des nicht verschatteten Stahl-Brüstungselements am 13.09.2012, 15:15 Uhr, bei einer Lufttemperatur von 31,7 Grad Celsius.

"Ein Bimetall (auch Thermobimetall) ist ein Metallstreifen aus zwei Schichten unterschiedlicher Metalle, die miteinander stoffschlüssig oder formschlüssig verbunden sind. Charakteristisch ist die Veränderung der Form bei Temperaturänderung. Diese äußert sich als Verbiegung. Ursache ist der unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizent der verwendeten Metalle". Quelle: Wikipedia (Stand: 04.11.2012).

Interview mit Frau Sandy Li Xiao Ming am 14.09.2012, wohnhaft in der Urban-Tulou-Wohneinheit Nr. 607.

Manfred Hegger/Joost Hartwig/Michael Keller: Wärmen und Kühlen. Energiekonzepte, Prinzipien, Anlagen, Basel 2012, S. 112.

Hegger/Hartwig/Keller: Wärmen und Kühlen, S. 75 (wie Anm. 17).

Richard Hassell: India, as a society, is highly sustainable with a small ecological footprint. Interview, Construction Update - India's No. 01 Construction Portal, online unter: http://www.constructionupdate.com/News.aspx?nId=2jGZW17ll4n4hUUwYsdprg==&NewsType=India,-as-a-society,-is-highly-sustainable-with-a-small-ecological-footprint-India-Sector (Stand: 16.10.2012).

Published 24 April 2013
Original in German
First published by GAM 9 (2013)

Contributed by GAM © Ferdinand Oswald / GAM Eurozine

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