Mehrgeschossige Fassaden sind in der Regel nicht vertikal oder horizontal unterteilt. Der Luftraum erstreckt sich über die gesamte Gebäudehöhe, wobei metallische Wartungsgitter auf jeder Etage eine Luftzirkulation ermöglichen. In extremen Fällen kann der Luftraum das gesamte Gebäude umhüllen, ohne eine Partitionierung zu erfordern. Schachtbox-Fassaden ähneln in ihrer Struktur denen der Ein-Geschoss-Module, wobei jedoch die Module durch vertikale, gebäudehohe Öffnungen miteinander verbunden sind. Der Schornsteineffekt zieht die Luft von den Fensterboxen in die vertikalen Schächte und von dort bis zum oberen Ende des Gebäudes, wo sie abgeführt wird.

In den meisten zeitgenössischen Entwürfen wird der Energieverbrauch eines vorgeschlagenen Gebäudes mit einem Basisfallgebäude verglichen, das bestimmten Normen entspricht. Viele Designer streben auch einen „Net Zero“-Status an, was bedeutet, dass das vorgesehene Design den Energieverbrauch auf ein Minimum reduziert. Jedoch gibt es dabei einige Hindernisse. Erstens hat das Basisfallgebäude in der Regel ein Fenster-zu-Wand-Verhältnis von 40%, während moderne Gebäude Fenster-zu-Wand-Verhältnisse von bis zu 65% aufweisen können. Zweitens kann das Gebäude an jedem Ort der Welt errichtet werden, was die Sonnenhöhe beeinflusst. Je näher das Gebäude am Äquator ist, desto höher steht die Sonne, und es kann mit minimalen Abschirmungen auskommen. Bei weit entfernten Breitengraden müssen Designer jedoch geringe Sonnenwinkel berücksichtigen. Drittens ist das Klima des Bauorts zu berücksichtigen – ob das Gebäude für eine Heiz- oder Kühl-Dominanz (oder beides) entworfen wird.

Um dies zu veranschaulichen, betrachten wir ein hypothetisches Gebäude in New York City (Klimazone 4A). Das Gebäude ist 600 m hoch, hat 144 Etagen, jede mit einer Fläche von 1944 m² und eine Gesamtfläche von 279.936 m². Ein energieeffizientes Design von Anfang an zu integrieren, ist der sicherste Weg, den Energieverbrauch zu minimieren. Die Haut des Gebäudes wirkt als Barriere zwischen Innen- und Außenumgebung, wobei die thermische Leistung des Gebäudes maßgeblich von der Haut und der Fassadengestaltung abhängt. Diese Faktoren stehen an zweiter Stelle hinter den lokalen klimatischen Bedingungen.

Die Berechnungen zur Energiebilanz bestehen aus drei wesentlichen Komponenten:

  • Wärmeleitung durch die opake Wand

  • Wärmeleitung durch das Fensterglas

  • Solarstrahlung durch das Fensterglas

Für einen bestimmten Standort oder Breitengrad, unter der Annahme, dass die klimatischen Faktoren und lokalen Parameter wie Akklimatisierungsgrade nicht variieren, hängen die Berechnungen hauptsächlich von der Wechselwirkung zwischen architektonischen Parametern (wie der Ausrichtung des Gebäudes, der Art der Verglasung und Sonnenschutzvorrichtungen) und klimatischen Parametern (wie der Intensität der Solarstrahlung und der Windgeschwindigkeit) ab.

Klimadaten: Unter sommerlichen Designbedingungen sinkt die Außentemperatur um etwa 6K (10°F) mit zunehmender Gebäudehöhe. Dies gilt auch umgekehrt für die Winterbedingungen, bei denen die Außentemperatur mit zunehmender Höhe sinkt. Solche Szenarien zeigen die Unterschiede in der Temperaturverteilung über die Gebäudehöhe, sowohl im Sommer als auch im Winter. Bei traditionellen Berechnungen geht man davon aus, dass die Außentemperatur für den gesamten Gebäudekomplex gleich bleibt, was auch für die Auswahl eines geeigneten HVAC-Systems von Bedeutung ist. Das Heiz-, Lüftungs- und Klimaanlagensystem (HVAC) muss in der Lage sein, mit variablen Kühlbedarfen umzugehen.

Mit zunehmender Gebäudehöhe steigen auch die Windgeschwindigkeiten und der Druck auf die Fassade. Diese Erhöhungen können aus Wetterdaten extrapoliert werden. Eine Megatall-Gebäude mit 600 m Höhe erfährt beispielsweise oben eine Windgeschwindigkeit von etwa 13 m/s (2560 fpm), was zu einem erhöhten Druck gegen die Fassade führt. Dieser Druck muss bei der Fassadenkonstruktion berücksichtigt werden, da hohe Windgeschwindigkeiten die Leckraten der Fassade beeinflussen können.

Berechnungstechniken: Die Berechnungen für Wärmeverlust und -gewinne erfolgen nach der Formel:

Q = U * A * T

Dabei ist Q die Wärmeenergie (Btu/h oder W), U der U-Wert der Konstruktion (Btu/ft²/°F oder W/m²·K), A die Fläche (m² oder ft²) und T die Temperaturdifferenz zwischen innen und außen. Solare Strahlung wird unter Verwendung von Sonnenbahndiagrammen berechnet, wobei die Formel lautet:

Qs = SR * SHGC * A

wobei Qs die Solarlast durch das Glas ist, SR die Sonnenstrahlung auf das Glas und SHGC der Solar Heat Gain Coefficient des Glases. In einer Beispielsrechnung werden Fassaden mit einem Fenster-zu-Wand-Verhältnis von 40% und 65% betrachtet. Beide Fassaden haben den gleichen U-Wert für die gesamte Wand (0,104 Btu/h·ft²·°F oder 0,592 W/m²·K), jedoch variiert der U-Wert des Glases. Der Unterschied in der Energieaufnahme durch das Glas zeigt, dass eine höhere Glasfläche zu einer höheren Wärmeaufnahme führt, was zu einem Anstieg des Energieverbrauchs führt. So würde eine Fassade mit 65% Glasfläche im Vergleich zu einer mit 40% Glasfläche eine zusätzliche Wärmemenge von 1.282.667 Btu/h (329.756 W) für das gesamte Gebäude bewirken.

Für die Berechnung des solarbedingten Wärmegewinns über das Fenster wird die Ausrichtung der Fassade berücksichtigt. Insbesondere bei Südfassaden ist der Solarstrahlungsgewinn stärker ausgeprägt. Eine Fassade mit 65% Glasfläche erlaubt einen höheren Solargewinn, was zu einer höheren Raumtemperatur und einem höheren Kühlbedarf führt.

Es ist also von entscheidender Bedeutung, die richtige Balance zwischen Glasanteil und Fassadengestaltung zu finden. Dies gilt nicht nur für die Gebäudeform und -ausrichtung, sondern auch für die Auswahl der richtigen Glasarten und Sonnenschutztechnologien, um den Energieverbrauch zu optimieren.

Welche HVAC-Systeme eignen sich für moderne Bürogebäude?

Moderne Bürogebäude erfordern zunehmend flexiblere, effizientere und komfortablere Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HVAC). Die Wahl des richtigen Systems hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich der Gebäudestruktur, des Platzbedarfs, der Wartungsanforderungen sowie der Energieeffizienz. Jedes HVAC-System hat seine eigenen Vor- und Nachteile, die bei der Planung berücksichtigt werden müssen. In diesem Zusammenhang werden einige der gängigsten Systeme beschrieben, die sowohl in traditionellen als auch in hochmodernen Bürogebäuden zum Einsatz kommen.

Ein zentrales Kriterium für die Auswahl eines HVAC-Systems ist der Raum, der für die Installation zur Verfügung steht. Bei Systemen wie den variablen Luftvolumenboxen (VAV) oder den Luftbehandlungsgeräten (AHU) ist der Platzbedarf oft der entscheidende Faktor. Zum Beispiel benötigen VAV-Boxen und die dazugehörigen Versorgungs- und Rückluftkanäle in der Regel eine Höhe von 500 bis 550 mm. Dies kann in großen Bürogebäuden, wie dem Cheung Kong Center in Hongkong, zu einem erheblichen Platzverbrauch führen. Solche Systeme erfordern in der Regel die Installation von ein bis zwei AHU-Räumen pro Etage, was wiederum wertvollen Arbeitsraum auf den Büroebenen beansprucht.

Im Gegensatz dazu bieten unterflurinstallierte Systeme wie das AHU-System mit VAV-Boxen oder FTU (Fan Terminal Units) einen Vorteil, wenn es um die Flexibilität und den Platzverbrauch geht. Die Versorgungsluftkanäle und VAV-Boxen erfordern in der Regel 300 mm an Raumhöhe, während Rückluftkanäle nicht zwingend notwendig sind, da die Luft durch das Deckenplenum zurückgeführt werden kann. Dies spart zusätzlichen Platz und ist besonders in großen Open-Space-Büros von Vorteil, in denen Flexibilität und eine angenehme Arbeitsumgebung essenziell sind.

Aktive Strahlenelemente (Active Beams) und Strahlungskühldecken (Radiant Cooling Ceilings) stellen eine interessante Alternative dar, da sie die Klimaanlage auf den Technikraum beschränken, ohne den Arbeitsbereich im Büro zu beeinträchtigen. Diese Systeme benötigen in der Regel nur 300 bis 350 mm Platzhöhe für die Installation und erfordern keine Kondensatabläufe. Dies trägt zur Reduzierung von Wartungsaufwand und Störungen im täglichen Betrieb bei. Diese Systeme sind jedoch weniger flexibel, wenn Anpassungen erforderlich sind, da sowohl die Strahlenelemente als auch die Wasserleitungen gleichzeitig angepasst werden müssen.

Ein weiteres zentrales Thema ist die Qualität der Raumluft (Indoor Air Quality, IAQ) und die Geräuschbelastung, die mit den verschiedenen HVAC-Systemen einhergeht. Systeme wie VAV und AHU (Variable Frequency) erzeugen häufig mehr Lärm, da sie mit rezirkulierten Luftströmen arbeiten. Diese Systeme können die Luftqualität beeinträchtigen, wenn sie nicht richtig gewartet werden, da die Luft nicht immer aus frischen Quellen stammt. Auf der anderen Seite bieten Systeme wie PAU (Pressurized Air Units) in Verbindung mit FCU (Fan Coil Units) eine 100% frische Außenluftzufuhr, was die Luftqualität im Büro deutlich verbessert. Diese Systeme erfordern jedoch eine größere Installationshöhe von bis zu 400 mm und sind empfindlicher gegenüber möglichen Leckagen an den Verbindungen zwischen den Wasserrohren.

Was die Wartung betrifft, ist das VAV-System besonders vorteilhaft, da die Wartungsarbeiten in der Regel auf den AHU-Raum beschränkt sind, ohne dass die Mieter in den Büroetagen gestört werden. Andererseits erfordert das PAU + FCU-System regelmäßige Wartungsarbeiten an den Fan-Coil-Einheiten, die störender sein können. Besonders die FCU-Systeme erfordern einen ständigen Eingriff, um Leckagen zu verhindern, was zu einem höheren Wartungsaufwand führt.

Ein weiterer Faktor, der in die Entscheidung für ein HVAC-System einfließt, ist die technologische Reife und die damit verbundenen Kosten. Systeme wie PAU + FCU und AHU + VAV Box sind weit verbreitet und bieten eine erprobte Technologie, deren Anfangsinvestitionen relativ niedrig sind. Neuere Technologien wie unterflur installierte Systeme mit AHU und VAV Box oder FTU bieten zwar innovative Lösungen, sind jedoch technologisch weniger ausgereift, und es treten häufig Probleme bei Design, Konstruktion und Betrieb auf. Diese Systeme erfordern eine höhere Anfangsinvestition und sind mit gewissen Risiken behaftet, insbesondere da es noch an technischen Materialien und Designrichtlinien mangelt.

Abschließend lässt sich sagen, dass die Wahl des richtigen HVAC-Systems für moderne Bürogebäude stark von den individuellen Anforderungen des Gebäudes und der geplanten Nutzung abhängt. Während einige Systeme mehr Flexibilität bieten und kostengünstiger sind, bieten andere eine höhere Energieeffizienz und eine bessere Luftqualität, erfordern jedoch mehr Raum und eine höhere Anfangsinvestition. Es ist entscheidend, die langfristigen Betriebskosten, den Wartungsaufwand und die Auswirkungen auf die Arbeitsumgebung zu berücksichtigen, um die optimale Lösung zu finden.

Wie man mit Ansible Aufgaben, Handler und Variablen effektiv verwaltet
Wie man durch aktives Zuhören und Empathie tiefere Einblicke in die Perspektiven anderer gewinnt
Wie die Ablehnung politischer Korrektheit zur Authentizität wurde: Eine Analyse von Trumps Rhetorik und seiner Wirkung