Umweltbewusste Architektur mit der Sonne

Der Solar Decathlon ist ein Wettbewerb, bei dem vorwiegend Studententeams aus aller Welt ein Haus entwerfen und bauen, dessen Energiebedarf allein durch Sonnenenergie gedeckt wird. Der Letzte Wettbewerb fand 2022 in Wuppertal statt und das hier gezeigte Projekt RoofKIT konnte dabei den ersten Platz holen.

Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) nimmt mit dem Projekt RoofKIT erstmals am Solar Decathlon Wettbewerb 2021/22 in Wuppertal teil. Der Beitrag ist als Aufstockung eines bestehenden Gebäudes aus dem 19. Jahrhundert in der Altstadt konzipiert und zeigt eine Vision für das Bauen im 21. Jahrhundert: sozial ausgewogen, energetisch erneuerbar und zirkulär nachhaltig.

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  Bauen muss sich ändern

  In Zeiten von Klimawandel und Ressourcenknappheit hat Architektur neben ihrem traditionellen Verständnis von Schönheit, Langlebigkeit und Funktionalität eine immer größere Verantwortung gegenüber der Gesellschaft. Das Projekt RoofKIT im Rahmen des Solar Decathlon Wettbewerbs 2021/22 ist ein Leuchtturmprojekt, das die traditionelle und zeitgenössische Sichtweise dieser Disziplin in Zeiten des Klimawandels, der sozialen Entfremdung und der Ressourcenknappheit als Entwurfsparameter begreift und verantwortungsvoll damit umgeht.

  Wenn Architekten, Ingenieure, Wissenschaftler, Designer und Planer ihrer Verantwortung für unseren Planeten und die auf ihm lebenden zukünftigen Generationen gerecht werden wollen, müssen wir im Einklang mit den bestehenden natürlichen Kreisläufen entwerfen und den Akt des Bauens als integralen sozialen Ansatz verstehen. Dies erfordert einen Bewusstseinswandel in der Art und Weise, wie wir unsere gebaute Umwelt verstehen und konstruieren: weg von linearen, temporären Lösungen hin zu einem endlosen, zirkulären Ansatz von Schönheit, Langlebigkeit und Kreislaufgerechtigkeit. Wir müssen unsere unbewusste Abfallproduktion aufgeben und ein Verantwortungsbewusstsein erreichen, bei dem Gebäude zu Erzeugern erneuerbarer Energien und zu Materialbanken der Zukunft werden.

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  Projekt im Maßstab 1:1

  Das Einzigartige am Solar Decathlon Wettbewerb ist, dass neben einem Gesamtentwurf für ein größeres architektonisches Projekt ein charakteristischer Gebäudeteil als Demonstrationsobjekt im Maßstab 1:1 gebaut und bewertet wird. Seit 2020 arbeiten mehr als 100 Studierende des KIT aus verschiedenen Fakultäten unter der Leitung der Lehrstühle für Nachhaltiges Bauen und für Gebäudetechnik an dem Projekt, das im Mai und Juni 2022 in Wuppertal in den Bau der sogenannten House Demonstration Unit“ mündet.

  Der Grundriss der Demonstrationseinheit ist nach dem Shared-Space-Prinzip konzipiert: Die einzelnen, modularen Holzwohneinheiten des Gesamtprojektes sind um ein öffentliches Atrium angeordnet. Jeder einzelne Raum, so auch die Demonstrationseinheit, gruppiert sich um ein zentrales Kernelement, in dem Küche, Bad, die gesamte technische Infrastruktur und Stauraum untergebracht sind. Neben der sehr konzentrierten Nutzung der Infrastruktur macht diese Idee die Bauweise mit vorgefertigten Holzmodulen sehr effektiv: Nur eines der vier in Wuppertal gezeigten und aufgebauten Module enthält die größeren Infrastrukturelemente, während die anderen nur über Stecksysteme verbunden sind. Die Vorfertigung garantiert dabei nicht nur sozial- und sicherheitstechnisch vorteilhafte Arbeitsbedingungen für alle Ausführenden, sondern auch eine hohe Präzision im Bauprozess.

  Konzipiert als vorgefertigtes modulares System in 100% zirkulärer Bauweise, beweist die Einheit bereits heute, dass man mit heutiger Technologie und Planungskapazität in der Lage ist, die Anforderungen des European Green Deal zur Kreislaufwirtschaft im Bauwesen zu erfüllen.

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  Konsequent nachhaltige Materialien

  Es wurden keine Klebstoffe, Imprägnierungen, Farben, Schäume oder Nassabdichtungen verwendet, so dass die Recyclingfähigkeit des Gebäudes und seiner Materialien zu 100 % gewährleistet ist. Außerdem wurden nur Monomaterialien für die Konstruktion verwendet, d.h. es gibt keine Verbundwerkstoffe oder Materialmischungen. RoofKIT will aber nicht nur zeigen, was in Zukunft möglich ist: Viele Bauteile und Materialien wurden bereits aus dem städtischen Bergwerk entnommen und im zweiten, dritten oder sogar vierten Kreislauf verwendet: Holz aus alten Scheunen im Schwarzwald, die Eingangstür aus einem Gebäude aus dem 19. Jahrhundert, Fenster aus einem Abbruchhaus in Basel, Bad- und Küchenarmaturen aus dem Messe-Rückbau.

  Diese Strategie der Wiederverwendung ist sicherlich der einfachste und direkteste Weg zu einer zirkulären Bauweise. RoofKIT enthält aber auch Materialien, die rekonfiguriert wurden, d.h. das Material wurde recycelt, während die Form des ursprünglichen Produkts verändert wurde: Das Dach von RoofKIT besteht zu 100 % aus recyceltem Kupfer, die Küchen- und Badezimmerabdeckungen sind aus alten Joghurtbechern gefertigt, Toilette und Dusche sind mit Glaskeramik verkleidet, die aus zerbrochenem Glas hergestellt wurde, der Spiegel ist aus hochglanzpoliertem Stahl, wodurch Metall-Glas-Verbindungen wie bei herkömmlichen Spiegeln vermieden werden, der Eingangsbereich ist mit Steinen aus recyceltem Bauschutt gepflastert.

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  Natürliche und biologische Komponenten

  Neben diesen technischen Kreislaufmaterialien kommen vor allem natürliche biologische Baustoffe zum Einsatz: Alle Wände sind mit Lehmputz auf Lehmplattenbasis verputzt, um die Luftfeuchtigkeit und damit die Luftqualität innerhalb der Einheit zu regulieren, der Kern der Einheit und die Decke sind mit 100 % natürlichem Filz verkleidet, alle verwendeten Dämmmaterialien bestehen zu 100 % aus getrocknetem Seegras ohne weitere Behandlung oder Zusätze. Plattenwerkstoffe und Lampenschirme aus Mycelium, dem Wurzelgeflecht von Pilzen, kommen zum Einsatz, selbst als Wetterschutz an der Unterkonstruktion der Außenfassade werden lebende Pilzorganismen verwendet. Das für die Konstruktion verwendete Holz ist leimfrei und unbehandelt. Darüber hinaus wurde die Konstruktion so konzipiert, dass synthetische Holzverbundwerkstoffe (Klebstoffe und Leime) vermieden werden und digitale Fertigungsverfahren für reversible Verbindungssysteme zum Einsatz kommen. Um die thermische Masse innerhalb der Holzleichtbaukonstruktion zu gewährleisten, wurden luftgetrocknete Lehmsteine und -platten für die Verlegung der Fußbodenheizung verwendet. Auch hier bestimmte der Aspekt der Recyclingfähigkeit den Entwurf, ohne funktionale Einschränkungen machen zu müssen.

  „Die biologischen Materialien, die den größten Teil der statischen und nicht statischen Konstruktion ausmachen, nutzen den ältesten Kreislauf unseres Planeten: den des Kohlenstoffs“

  Die biologischen Materialien, die den größten Teil der statischen und nicht statischen Konstruktion ausmachen, nutzen den ältesten Kreislauf unseres Planeten: den des Kohlenstoffs. Unsere einzigartige Flora ist in der Lage, mit Hilfe der Sonnenenergie (die unseren Planeten als einziges offenes System in Form von Strahlung mit Energie versorgt) CO2 in Zellulose und Sauerstoff umzuwandeln. Diesen perfekten Kreislauf, der für uns Menschen, Tiere und Pilze lebensnotwendig ist, gilt es zu verstehen und zu schützen und unser Handeln und unsere gebaute Umwelt als Teil davon zu verstehen, zu unterstützen und nicht zu zerstören.

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  Solarenergie pur für den Betrieb

  Daraus wird ersichtlich, dass ein zu etablierendes Kreislaufsystem im Bauwesen nur dann Sinn macht, wenn es mit erneuerbaren Energiequellen betrieben wird. Da es sich beim Projekt RoofKIT um eine Aufstockung mit hohem Energieeffizienzstandard handelt, wird der gesamte Energiebedarf (inkl. Geräte und E-Mobilität) durch Solaranlagen auf der Gebäudehülle gedeckt. Die Energieautarkie wurde bereits durch frühere Projekte nachgewiesen, z.B. durch Solar Decathlon Beiträge in früheren Wettbewerben. Die neue Herausforderung besteht darin, den Gesamtenergiebedarf sowohl der neuen Wohneinheit als auch des bestehenden Gebäudes zu decken, da das Verhältnis zwischen der verfügbaren Fläche für Solarpaneele mit dem höchsten Ertrag – dem Dach – und der Nettogeschossfläche (die den Energiebedarf bestimmt) mit der Anzahl der Stockwerke abnimmt.

  Die Solarenergienutzung erfolgt über dachintegrierte PVT-Kollektoren, die gleichzeitig Strom und Wärme liefern, wobei letztere als Quelle für eine Wärmepumpe dient, die ein Fußbodenheizungssystem und einen Warmwasserspeicher speist. Die Oberfläche der PV-Module wird mit einer speziellen Beschichtungstechnologie eingefärbt, so dass sie optisch nahezu verlustfrei mit der Kupferbedachung verschmilzt. Dieser wichtige Schritt ist notwendig, um die Solarmodule vollständig in das Gestaltungskonzept zukünftiger Gebäude sowie denkmalgeschützter Objekte integrieren zu können.

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  Smart? Aber natürlich

  Ein intelligentes Energiemanagementsystem maximiert den Eigenverbrauch der Solarenergie und die Netzdienlichkeit des Gebäudes durch Optimierung des Solarertrags, des Strombedarfs und der Ladung/Entladung der Batterien (Gebäude und E-Bikes) sowie eines thermischen Pufferspeichers.

  Um in den Sommermonaten ein angenehmes Raumklima zu gewährleisten, wurde ein passives Kühlkonzept realisiert, das eine effektive Verschattung, thermische Masse (realisiert mit Lehm, wie oben erwähnt) sowie eine Nachtlüftung zur Entladung der thermischen Masse beinhaltet. Auch hier ist es das Energiemanagementsystem, das den Komfort optimiert, indem es die Lamellenstoren an der Süd- und Westfassade sowie die Oberlichter im Dach zur Aktivierung der natürlichen Belüftung steuert. Das System bezieht auch die Bewohner in den Entscheidungsprozess mit ein, da sie über eine installierte Schnittstelle Informationen darüber erhalten, wann sie die Fassadenfenster öffnen sollen, um die Effizienz der Nachtlüftung zu verbessern. Das Thema Suffizienz (Verzicht auf aufwändige technische Infrastruktur) wird auch durch dezentrale, in die Fassade integrierte Pendellüfter ohne Luftkanäle und kabellose Lichtschalter demonstriert.

  Durch Drücken des Schalters wird, ähnlich wie bei einem Fahrraddynamo, elektrische Energie erzeugt, die über ein Funksignal die Leuchten an- und ausschaltet. Das gesamte Lichtkonzept folgt der gleichen Idee: Unnötige Leuchten werden, wo immer möglich, vermieden und flexible, kabellose Elemente werden eingesetzt, um nur die Bereiche zu beleuchten, in denen sie benötigt werden. Zusätzlich sorgt ein Beleuchtungssystem um den Kern herum für Licht in einer Lichtfarbe, die immer der Tageszeit angepasst ist.

• Auf bestehendes aufbauen

  Die komplette Einheit von RoofKIT ist auf einer Gerüstkonstruktion montiert, um ihren Charakter als aufgeständerte Entwurfsstrategie zu demonstrieren. Auch hier war das Prinzip eines bewährten temporären Systems ausschlaggebend, da alle Elemente nach dem Wettbewerb ohne Qualitätsverlust wiederverwendet werden können. RoofKIT mietete das Gerüst sowie alle anderen Bauteile und Materialien nur für einen begrenzten Zeitraum an. Da auf dem Wettbewerbsgelände keine traditionellen Fundamente erlaubt waren, wurden Gabionen verwendet, um mögliche horizontale Lasten der Konstruktion abzufangen, die wiederum nach dem Wettbewerb vollständig an einen lokalen Lieferanten zurückgegeben werden.

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