Wärmequelle Rechenzentrum
Bürogebäude als Labor für nachhaltiges Bauen

Das „Z3“ der Ed. Züblin AG ist ein Bürogebäude mit innovativen Konzepten in Baukonstruktion und Gebäudetechnik. Das kompakte Gebäude bezieht seine Energie fast vollständig über eigene Energiegewinne, beispielsweise über Solarstrom- und Abwärmenutzung. Sonnenlicht gelangt durch die Fassade und auch über das Dach via Lichtleiter ins Gebäudeinnere. Eine hybride Lüftung sowie eine Präsenzsteuerung von Licht, Sonnenschutz, Heizung und Kühlung tragen zur hohen Energieeffizienz bei. 

Weltweit beschäftigt Züblin 13.000 Mitarbeiter. Die in der Bauwirtschaft tätige Unternehmensgruppe gehört zur global agierenden Strabag SE. Mit dem Neubau Z3 sollten 200-250 zusätzliche Arbeitsplätze am Stuttgarter Hauptsitz von Züblin geschaffen werden. Der Erweiterungsbau sollte zudem einen minimalen Energieverbrauch ausweisen und das Nachhaltigkeitszertifikat des DGNB in Gold erreichen. Außerdem sollte es als Demonstrationsobjekt für innovative Technologien und Konzepte im Rahmen eines Forschungsprojekts genutzt werden. Mit einem vorangestellten Architektenwettbewerb wollte der Bauherr zudem hohe städtebauliche und architektonische Qualitätsstandards sicherstellen.

Das Z3 sollte auch die Ambitionen seiner beiden Vorgänger weiterführen: Das Züblin-Haus (Z1) hatte in den 1980er Jahren Maßstäbe gesetzt mit dem Einsatz von durchgefärbten Betonfertigteilen und mit einer Glashalle, welche zwei Büroriegel großzügig verbindet. Das „Z-Zwo“, ein „Haus ohne Ecken“ fällt heute noch auf durch horizontale, rundum laufende Fensterbänder. In diesem Gebäude wurden zudem zukunftsweisende Bürostrukturen realisiert und das 2002 fertiggestellte Gebäude erhielt das DGNB-Zertifikat in Silber. Mit dem Z3 soll wiederum ein hochwertiges Arbeitsumfeld für die Mitarbeiter geschaffen werden. Gleichzeitig will der Bauherr als Bauunternehmen mit hohen baulichen und energetische Qualitätsstandards und einem besonders nachhaltigen Auftritt überzeugen.

Forschungsfokus

Im Rahmen eines begleitenden Forschungsprojekts sollen Ressourceneffizienz und Performance des Gebäudes im laufenden Betrieb und unter wissenschaftlichen Kriterien gemessen und bewertet werden. Das wissenschaftliche Monitoring erfolgt durch das Zentrum für nachhaltige Energietechnik, zafh.net. Die Hochschule Biberach und das Fraunhofer-Institut IBP übernehmen weitere, spezielle Monitoring- und Optimierungsaufgaben. Im Fokus der Untersuchungen steht der optimale Betrieb der Wärme-Kälte-Kopplung. Weitere Schwerpunkte liegen in der Analyse der verschiedenen Verschattungs- und Fassadensysteme, sowie in der Optimierung des hybriden Lüftungskonzeptes. Nicht zuletzt kann diese Forschung dem Bauunternehmen helfen, seine Planungsmethoden und –Tools sowie die Bauprozesse zu optimieren.

Gebäudekonzept

Das fünfgeschossige Bürogebäude schließt das Areal mit einer klar definierten Kante nach Süden hin ab und schafft zwischen Neubau und Bestandsgebäuden eine begrünte Zone. Der Bürobau ist als Stahlbeton-Skelettbauweise ausgeführt. Die Fassade ist das auffälligste Merkmal des kompakten Kubus. Die durch Holzlisenen vertikal gegliederte Fassade ist als vorgefertigte Holzrahmenkonstruktion konzipiert. Die sanft geschwungenen Lisenen sind aus unbehandeltem Lärchenholz gefertigt, das einem natürlichen Alterungsprozess durch Wind und Wetter unterliegt. Das honiggelbe Holz wird sich im Laufe der Zeit silbergrau einfärben.

Was unter den Lisenen wie eine Oberfläche aus einem Guss wirkt, besteht in Wirklichkeit aus einzeln vorgefertigten 4,50 x 3,50 Meter breiten Elementen in Holzrahmenbauweise, die inklusive Fenster, Sonnenschutz und Außenhaut vor Ort in den Rohbau eingesetzt wurden. Dank des hohen Vorfertigungsgrades war das Gebäude innerhalb von nur drei Wochen dicht.

Ein Novum ist die Unterkonstruktion der Glasbrüstung vor der Holzfassade. Sie ist geklebt, so bleibt die Unterkonstruktion von außen unsichtbar. Für diese neuartige Konstruktion musste eine sogenannte Zulassung im Einzelfall eingeholt werden. Mit der hochwertigen 3-Scheiben-Verglasung und einem mittleren gesamten U-Wert von 0,4 W/m²K (für opake und transparente Flächen) erfüllt die Fassade Passivhausqualität. Sonnen- und Blendschutz bietet ein hochwertiges Lamellensystem mit Cut-Off-Automatik. Für den Nutzerkomfort wird die Kategorie I gemäß DIN EN 15251 erreicht.

Die Arbeitsplätze sind entlang der Fassaden angeordnet. In den Kernzonen liegen Besprechungsräume, Teeküchen und Nebenfunktionen. Glaswände schaffen ein hohes Maß an Transparenz und lassen Tageslicht auch in innenliegende Räume. Mit einem zentral gelegenen Erschließungskern gelingt es, die Verkehrsflächen zu optimieren.

Energiekonzept

Zentrales Element im Energiekonzept dieses Neubaus ist eine Wärme-Kälte-Kopplung. Mit einem angepassten Lastmanagement wird anfallende Wärme oder Kälte für andere Anwendungen nutzbar gemacht. Beispielsweise wird die Abwärme des Rechenzentrums zur vollständigen Beheizung des Z3 genutzt. Der Wärmebedarf des Gebäudes ist so gering, dass die Abwärme sogar ausreicht, die Zufahrt zur Tiefgarage im Winter eisfrei zu halten.

Die benötigte Kälte kann zu 80 Prozent mit passiver Kühlung erzeugt werden. Auf eine aktive Kühlung mit mechanischen Kältemaschinen kann verzichtet werden. Die Kühlung erfolgt grundsätzlich mit geringen Temperaturdifferenzen – zum einen luftgeführt über die freie Nachtlüftung und im Wesentlichen wassergeführt über die Kapillarrohrdecke und Rückkühler. Ergänzend bringt die Adiabate Abluftbefeuchtung einen gewissen Kühlungseffekt und zudem fungiert im Winter die Beheizung der Tiefgaragenzufahrt als „Kühlrippe“ und kann zur direkten Kühlung genutzt werden.

Zum Einsatz kommen hybride Rückkühler, die im Nassbetrieb über den Effekt der Verdunstungskälte sehr niedrige, deutlich unter den Außentemperaturen liegende Rücklauftemperaturen erreichen. An kalten Wintertagen werden die Kühler trocken betrieben, da dann die Wärmeübertragungsfläche für diesen Leistungsbereich ausreicht.

Die natürliche Be- und Entlüftung der Büros wird durch eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung und adiabater Abluftbefeuchtung ergänzt. Dabei wird die Lüftung der innenliegenden Besprechungsräume über CO₂-Senoren gesteuert. Die Wärme- und Kälteübergabe an die Räume erfolgt mittels Kapillarrohrdecken. Die Raumklimaregelung der Büroräume verfügt über eine Einzelraumregelung mit Webschnittstelle. So können die Mitarbeiter an ihrem Rechner nachvollziehen, ob beispielweise die thermoaktiven Flächen gerade heizen oder kühlen und ob die mechanische Lüftung aktiviert ist. Zudem können sie auf das Raumklima Einfluss nehmen. Ein Präsenzmelder ergänzt die büroweise Regelung von Beleuchtung, Sonnenschutz sowie Heizung und Kühlung, so dass bei Abwesenheit möglichst wenig Energie eingesetzt wird.

Die künstliche Beleuchtung wird über die Präsenzmelder und mit Lichtstärkesensoren geregelt. Eine Besonderheit ist das Tageslichtsystem: Die innen liegenden Flure des Z3 werden mit Tageslicht versorgt. Dazu befinden sich auf dem Gründach sogenannte Sollektoren, die der Sonne nachgeführt werden und Tageslicht in Lichtleiter einspeisen. Außerdem gibt es auf dem Dach eine leistungsstarke Photovoltaik-Anlage.

Performance und Optimierung

Text Der Endenergieverbrauch für Heizung und Kühlung stimmt weitestgehend mit den ursprünglichen Berechnungen überein. Allerdings verbraucht die Beleuchtung teilweise dreimal so viel wie angenommen und ist damit ausschlaggebend für die Überschreitung des Planungswertes für das Gesamtgebäude.

Der Endenergieverbrauch für Heizung und Kühlung stimmt weitestgehend mit den ursprünglichen Berechnungen überein. Allerdings verbraucht die Beleuchtung teilweise dreimal so viel wie angenommen und ist damit ausschlaggebend für die Überschreitung des Planungswertes für das Gesamtgebäude. Auch der Verbrauch der Lüftungsanlage übersteigt die geplanten Werte. Weil sowohl Lüftungsanlage als auch Beleuchtung strombetrieben sind, wirkt sich das – mit dem Faktor 2,6 bewertet – noch deutlicher in der Primärenergiebilanz aus: Der Messwert für 2015 unterschreitet mit insgesamt 44,8 kWh/m²a die bei der Planung gültigen EnEV-Anforderungen um 65%, liegt aber etwa 72% über dem nach DIN V 18599 errechneten Bedarf aus der Planung.
Bei der Lüftungsanlage stimmen Mess- und Planungswerte zwischen Oktober und März weitestgehend überein, den Rest des Jahres verbraucht sie allerdings deutlich mehr als berechnet. Grund dafür ist, dass die Nutzer die in der Planung vorgesehene Fensterlüftung nicht zielgerichtet genutzt haben und der Betreiber sich daher für den durchgängigen Betrieb der maschinellen Lüftungsanlage entschieden hat. In der Jahressumme verdoppelt das den Verbrauch nahezu.
In der Energiebilanz hochgedämmter Gebäude rückt insbesondere bei Büros die Beleuchtung in den Vordergrund. Hauptverantwortlich für den hohen Stromverbrauch im Z3 sind die Stehleuchten an den Arbeitsplätzen. Sobald eine dieser Leuchten mit Strom versorgt wird, also wenn ein Büro besetzt ist, verursacht sie eine Grundlast von ca. 30 W. Die Leuchten lassen sich nicht genau auf einen gewünschten Beleuchtungswert einstellen, was dazu führt, dass der Nutzer oft den voreingestellten, maximalen Wert beibehält. Das Nachregulieren, Abkleben der Sensoren oder der Anschluss an eine nicht präsenzgesteuerte Steckdose haben den Energieverbrauch zum Teil deutlich erhöht.

Im Forschungsprojekt ging es den Bauherren und den Wissenschaftlern auch darum, Erfahrungen mit innovativen Komponenten zu sammeln. An Musterräumen wurden deshalb alternative Verschattungssysteme getestet. Doch weder beschichtete Lamellen noch feststehende Lamellen mit PV-Auflage schlugen sich besser als das herkömmliche System. Auch die Idee, über Glasfasern Tageslicht vom Dach aus in die Innenflure zu leiten, erwies sich über längere Distanzen als problematisch. Mit Ausnahme der beschichteten Lamellen werden die getesteten Komponenten von den Herstellern nicht weiterentwickelt.

Beim Monitoring fiel auf, dass in einem Geschoss bei der Beleuchtung eine dauerhafte Grundlast auftrat, was aufgrund der Präsenzsteuerung nicht der Fall sein sollte. Diese machte 2014 fast die Hälfte des Beleuchtungsstromverbrauchs auf der Etage aus. Ursache sind Probleme in der Bus-Kommunikation der Beleuchtungssteuerung, an deren Lösung noch gearbeitet wird.

Eine spürbare Energieeinsparung brächte die Optimierung der Sonnenschutzsteuerung bzw. der Sonnenschutzvorrichtung selbst. Denn der äußerst geringe Tageslichtanteil bei heruntergefahrener Jalousie führt dazu, dass die dimmbare Beleuchtungsanlage den Kunstlichtanteil erhöht. Er wirkt sich auch auf die Betriebsdauer der Beleuchtung der innenliegenden Verkehrsflächen aus. Diese sollten gemäß Planung durch die Glastrennwände aus den Büros mit Tageslicht versorgt werden.

Wirtschaftlichkeit

Mit diesem Neubauprojekt soll die Wirtschaftlichkeit nicht allein auf Basis von Investitions- und Betriebskosten bewertet werden. Die Betrachtung soll auf die Kosten im gesamten Lebenszyklus des Gebäudes erweitert werden. Hierbei akzeptiert der Bauherr längere Amortisationszeiten für die Energieeffizienzinvestitionen.

Projektkenndaten