Der vertikale Gebrauch von Hochhäusern, in denen unterschiedliche Nutzergruppen untergebracht sind, erfordert eine präzise Planung und ein optimiertes Management der Ressourcen, insbesondere im Hinblick auf den Energieverbrauch. Die eigentliche Synergie eines solchen Gebäudes entsteht durch die Nutzung der unterschiedlichen Energiebedarfzyklen der einzelnen Nutzer, die durch ein integriertes Managementsystem miteinander harmonisiert werden. Dies ermöglicht nicht nur eine Reduzierung des Gesamtenergieverbrauchs, sondern auch eine effizientere Auslegung der technischen Systeme des Gebäudes.

Eine zentrale Energieanlage kann dazu beitragen, Heiz- und Kühllasten zu kompensieren, während die Energieverteilung mit einer vor Ort integrierten Energiespeicherung, sei es in Form von Batterien oder durch thermische Zwischenspeicherung, kombiniert werden kann. Ein solches System kann den Einsatz von Abwärme aus einer Absorptionskühlanlage zur Stromerzeugung nutzen, wodurch Spitzenlasten geglättet und die Effizienz insgesamt gesteigert werden. Besonders innovative Systeme wie die variablen Kältemittelfluss-Systeme und Wärmerückgewinnung ermöglichen eine hohe Effizienz, wenn Heiz- und Kühlbedarfe gleichzeitig in verschiedenen Bereichen des Gebäudes gedeckt werden müssen.

Das vertikale Zoning, oder das sogenannte „Stacking“ von Etagen, wird in der Regel auf 15 bis 20 Stockwerke begrenzt. Diese Einteilung hilft nicht nur, die vertikalen Wasser- und Stromversorgungsleitungen zu minimieren, sondern erleichtert auch die Planung von Rückzugsbereichen. Solche „refuge floors“ tragen dazu bei, den sogenannten „Stack Effect“, also die vertikale Luftzirkulation, zu reduzieren, was sowohl die energetische Effizienz als auch den Komfort der Nutzer erhöht. Zudem können diese horizontalen Pausenflächen als Terrassen ausgebildet werden, um den Austausch zwischen den Nutzern zu fördern und den vertikalen Raum als gemeinschaftlichen „Straßenraum“ zu nutzen.

Ein weiteres zentrales Element ist die Vertikaltransporttechnik, die für die effiziente Nutzung des vertikalen Raumes und die schnelle, sichere Beförderung von Nutzern sorgt. Ein Paradebeispiel dafür ist der Shanghai Tower, dessen Aufzugsystem in neun separate Zonen unterteilt ist und 106 Aufzüge umfasst, einschließlich eines besonders schnellen Super-Express-Aufzugs. Moderne Systeme wie das „Destination Dispatching“, bei dem die Nutzer bereits vor Fahrtantritt einem bestimmten Fahrstuhl zugeordnet werden, reduzieren die Wartezeiten und minimieren die Gesamtfahrzeiten. Dies ist besonders wichtig in Gebäuden mit vielen Stockwerken und unterschiedlichen Nutzergruppen, da hier die Verkehrsströme effizient organisiert werden müssen. Auch die Verwendung von Smartphone-Apps und RFID-Chipkarten zur Steuerung des Zugangs trägt zur Sicherheit und Benutzerfreundlichkeit bei.

Ein interessantes Phänomen, das in solchen Mehrnutzungstürmen auftritt, ist die flexible Nutzung von Parkplätzen. Da die Nachfrage nach Parkflächen zu verschiedenen Zeiten unterschiedlich ausfällt, können bestimmte Parkräume zu unterschiedlichen Tageszeiten verschiedenen Nutzergruppen zur Verfügung gestellt werden. So kann beispielsweise das Büroparkhaus abends und am Wochenende für den Einzelhandel oder für Freizeitaktivitäten genutzt werden. Diese Flexibilität führt zu einer Reduzierung der erforderlichen Stellplätze und trägt zur Effizienz des gesamten Gebäudebetriebs bei.

Neben diesen technischen Aspekten ist es wichtig, auch die ästhetischen und funktionalen Anforderungen an die Gebäudehülle zu berücksichtigen. Eine hohe Fenster-Wand-Verhältnis, das heute oft bei 65% oder mehr liegt, erfordert eine gezielte Planung der Fassade, um die Wärmegewinne und -verluste im Gebäude zu minimieren. Besonders bei sehr hohen oder megahohen Türmen muss die Fassadengestaltung so ausgelegt werden, dass der Solarstrahlungseintrag verringert wird und gleichzeitig eine angenehme Innenraumtemperatur erhalten bleibt. Die Ausrichtung des Gebäudes spielt dabei eine entscheidende Rolle, da die Sonneneinstrahlung und Windverhältnisse je nach Lage und Höhe des Gebäudes variieren können. Es muss dabei auch berücksichtigt werden, dass benachbarte Gebäude in der Zukunft abgerissen oder neu gebaut werden können, was Auswirkungen auf den künftigen Kühlbedarf hat.

In diesem Zusammenhang stellt sich eine weitere Herausforderung: die Anpassung an zukünftige städtebauliche Entwicklungen. Da die Verdichtung der Städte weiterhin voranschreitet, werden immer mehr Menschen in Hochhauswohnungen leben müssen. Dies erfordert eine genaue Planung und Integration von verschiedenen Nutzungsmöglichkeiten in einem Gebäude, um nicht nur die Effizienz zu steigern, sondern auch die Lebensqualität zu erhöhen. Ein gut durchdachtes Gebäude mit mehreren Nutzergruppen kann somit als Teil einer intelligenten Stadtgestaltung dazu beitragen, den Energieverbrauch zu optimieren und den Verkehr zu reduzieren.

Bei der Planung von Hochhäusern und Türmen sollte also stets eine ganzheitliche Herangehensweise verfolgt werden, die sowohl die technologischen, als auch die sozialen und ökologischen Aspekte berücksichtigt. Nur durch die Kombination von technischer Raffinesse, kreativer Architektur und einer intelligenten Nutzung von Ressourcen lässt sich die Effizienz eines Gebäudes steigern und gleichzeitig der Komfort der Nutzer sicherstellen.

Wie sich variierende Außentemperaturen auf den externen Energiebedarf eines Gebäudes auswirken

Die Berechnung des externen Energiebedarfs eines Gebäudes ist ein essenzieller Bestandteil der Planung von Heiz- und Kühlsystemen. Es ist bekannt, dass Außentemperaturen einen entscheidenden Einfluss auf den Energiebedarf haben, insbesondere bei der Kühlung und Beheizung großer Gebäude. Der Einsatz von variierenden Außentemperaturen im Vergleich zu konstanten Außentemperaturen hat dabei signifikante Auswirkungen auf den externen Energiebedarf eines Gebäudes, was sich je nach Fensterglasanteil (WWR, Window-to-Wall Ratio) und Jahreszeit unterschiedlich auswirkt.

Beispielsweise wurde festgestellt, dass sich bei einem Fensterglasanteil von 65 % der externe Energiebedarf eines Gebäudes im Sommer um 23 % reduziert, wenn die Außentemperatur variabel gehalten wird, im Vergleich zu einer konstanten Außentemperatur. Diese Veränderung hat den Effekt, dass die Lasten von 23.650.699 Btu/h (6.935.689 W) auf 18.288.290 Btu/h (5.363.135 W) sinken. Ein solches Ergebnis ist besonders bedeutend für die Planung von Klimaanlagen und thermischen Schutzmaßnahmen, da eine Reduzierung des externen Energiebedarfs zu einer effizienteren Nutzung von Ressourcen und einer Verringerung des gesamten Energieverbrauchs führt.

Für den Winter zeigen die Berechnungen, dass sich der externe Energiebedarf bei variierenden Außentemperaturen im Vergleich zu konstanten Außentemperaturen leicht erhöht. Für einen 65 % WWR-Anteil steigt der externe Energiebedarf von –24.632.050 Btu/h (–7.223.475 W) auf –25.866.296 Btu/h (–7.585.424 W), was eine Erhöhung um rund 5 % bedeutet. Diese Veränderung muss bei der Planung von Heizsystemen berücksichtigt werden, insbesondere wenn es um die Beheizung von Gebäuden in kälteren Jahreszeiten geht. Der Unterschied mag klein erscheinen, doch in großen Gebäuden summiert sich dieser zusätzliche Bedarf schnell und kann langfristig zu höheren Betriebskosten führen.

Die Auswirkungen einer variablen Außentemperatur variieren auch je nach Stockwerk des Gebäudes. Für niedrigere Stockwerke, wie die ersten bis dritten Etagen eines Gebäudes, zeigt sich im Sommer kein Unterschied im externen Energiebedarf, wenn eine variable Außentemperatur genutzt wird. Im Winter jedoch kann sich die Nutzung einer variablen Außentemperatur deutlich bemerkbar machen: Der externe Energiebedarf erhöht sich für Stockwerke mit einem hohen Glasanteil um bis zu 10 %. Dies sollte bei der Planung von Heizsystemen und der thermischen Isolation des Gebäudes beachtet werden, um eine gleichmäßige Wärmeverteilung und eine effiziente Energienutzung zu gewährleisten.

Besonders interessant sind die Unterschiede im Energiebedarf auf verschiedenen Etagen des Gebäudes. Für die unteren Etagen (bis 330 Fuß Höhe) wird bei einem variablen Temperaturprofil im Sommer ein Rückgang des externen Energiebedarfs von 13.384 Btu/h (3926 W) pro Etage verzeichnet. Im Winter jedoch erhöht sich dieser Bedarf aufgrund der Temperaturdifferenz über die Etagen hinweg. Diese Unterschiede verdeutlichen die Notwendigkeit einer detaillierten Analyse der Temperaturprofile über die gesamte Gebäudehöhe hinweg, um ein ausgewogenes und effizientes Heiz- und Kühlsystem zu entwickeln.

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Planung von Gebäuden, die auf eine net-zero- oder CO2-neutrale Architektur abzielen, ist die Berücksichtigung der externen Lasten bei der Berechnung des gesamten Energiebedarfs. Der Trend geht dahin, Gebäude so zu entwerfen, dass sie über das Jahr hinweg möglichst wenig Energie verbrauchen und der Energieverbrauch durch nachhaltige Methoden wie Solarenergie oder durch den Einsatz von Technologien zur thermischen Speicherung ausgeglichen wird. In solchen Szenarien kann die richtige Berechnung der externen Lasten und der Einfluss der variierenden Außentemperatur auf die Gebäudeplanung den Unterschied zwischen einem funktionalen und einem ineffizienten Design ausmachen.

Letztlich zeigt sich, dass die Berücksichtigung variabler Außentemperaturen bei der Berechnung des externen Energiebedarfs eines Gebäudes von großer Bedeutung ist. Bei einem hohen Glasanteil (65 % WWR) führt diese Praxis zu einer Reduzierung der Lasten im Sommer und zu einer Erhöhung der Lasten im Winter. Diese Faktoren müssen von Architekten und Ingenieuren berücksichtigt werden, um die Betriebskosten zu minimieren und ein optimales Energiemanagement zu gewährleisten.

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