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Naturmuseum mit Planetarium und Sternwarte - Tom Widmaier
Erweiterung der Umwelt-Bildungs-Meile am Botanischen Garten: Eine Chance für Augsburg
Energieeffizientes Planen und Bauen – E2D
Projektbeschreibung
Bachelorarbeit Tom Widmaier, WS 2021-22
Integraler Entwurf mit Schwerpunkt nachhaltiger Materialeinsatz, Lebenszyklus, Typologie
Betreuung: Prof. Dr. Joachim Müller, Prof. Susanne Runkel
Studiengang: Energieeffizientes Planen und Bauen – E2D
Aus der Aufgabenstellung:
„Umweltbildung gewinnt vor dem Hintergrund der übergeordneten Perspektive eines Wandels zu mehr Nachhaltigkeit und Klimagerechtigkeit zunehmend an Bedeutung. Die Ziele nachhaltiger Entwicklung, etwa gemäß der von der UN verabschiedeten Agenda 2030, erfordern somit u.a., „dass alle Lernenden die notwendigen Kenntnisse und Qualifikationen zur Förderung nachhaltiger Entwicklung erwerben, unter anderem durch Bildung für nachhaltige Entwicklung und nachhaltige Lebensweisen (…)“.
Das Naturmuseum Augsburg kann hierzu einen wichtigen Beitrag leisten. Als ältestes Museum der Stadt hat es eine bewegte Geschichte hinter sich. Seit 1991 befindet sich die Sammlung und ein Planetarium als Teil des Einkaufzentraums „Augusta Arcaden“ in guter innerstädtischer Lage, hat derzeit aber kein ihrer Bedeutung angemessenes Gebäude oder Kontext, welche weitere Möglichkeiten der Umweltbildung eröffnen könnte. Ein große Chance für Augsburg bietet sich mit den Erweiterungsflächen des Botanischen Gartens Augsburg, wo derzeit mit dem „Umweltbildungszentrum Augsburg“ ein erster wichtiger Baustein einer „Umweltbildungsmeile“ entsteht.
Aufgabe ist daher der Entwurf eines Neubaus für das Augsburger Naturmuseum mit Planetarium und einer Sternwarte. Das Programm umfasst zusätzlich einen Veranstaltungsbereich „Forum“, ein Cafe/ Restaurant und pädagogische Bereiche mit Werkstattcharakter. Ein Übernachtungsbereich mit 30 Schlafplätzen bietet Raum z.B. für Schulklassen oder Erwachsenengruppen. Die Synergie aus dem Hybrid unterschiedlicher Nutzungen und dem besonderen Ort soll voll entfaltet werden. Hierzu ist eine besonders hohe Qualität der Innenbereiche, der Blickbeziehungen sowie der Kommunikationsflächen unumgänglich. Ebenso zentral ist auch die Wirkung nach außen, bei der das Gebäude selbst eine exemplarische Vorbildfunktion für zukunftsfähiges Bauen einnimmt.“
Erläuterung des Entwurfs (Tom Widmaier):
Ziele
Das neue Naturmuseum in Augsburg steht für Nachhaltigkeit und Energieeffizienz. Durch Einsatz lokaler und nachwachsender Materialien, die Nutzung natürlicher Ressourcen wie Wind und Sonne und die Ausnutzung physikalischer Phänomene wie Thermik oder Verdunstungskälte wird das Naturmuseum zum Vorbild für nachhaltiges Bauen. Die Architektur mit ihren aufeinander abgestimmten und an die spezifischen Anforderungen des Naturmuseums angepassten Komponenten integriert das Gebäude selbstbewusst in seine Umgebung.
Das neue Naturmuseum befindet sich im Spickel-Gebiet in Augsburg in direkter Anbindung an die Erweiterungsflächen des botanischen Gartens. Westlich des Gebäudes befindet sich das Umweltbildungszentrum, auf südlicher Seite der Parkplatz und der Augsburger Zoo. Das Naturmuseum fügt sich gut in die Umgebung ein und ergänzt das Naturerlebnis in der wunderbar grünen Umgebung mit wichtigem Kultur- und Bildungsaspekt. Der Haupteingang befindet sich westlich als Gegenüber des Umweltbildungszentrums mit Anbindung an den Parkplatz. Durch die öffentliche Rampe wird das Gebäude Teil des Parks und der Erweiterungsfläche des botanischen Gartens, mit Sicht über den gesamten Zoobereich und botanischen Garten.
Zentral bei der Entwurfsfindung des neuen Naturmuseums in Augsburg ist der Erlebnisrundweg. Dieser startet und endet im Foyer am Haupteingang auf der Westseite gegenüber des Umweltbildungszentrums. Um den idealen Rundweg herzustellen bietet sich eine Innenhoftypologie an.
Um den Bezug zum Park herzustellen ist die nordwestliche Gebäudeecke an das Gelände angepasst. Dadurch entsteht eine öffentliche Rampe, die den Platz zwischen Museum und Umweltbildungszentrum erweitert und das Gebäude Teil der Landschaft werden lässt. Die Rampe kann auch außerhalb der Öffnungszeiten des Museums als Treffpunkt mit toller Aussicht genutzt werden und schirmt den Innenhof und die Erweiterungsflächen des botanischen Gartens vom Parkplatz und der Zufahrtsstraße ab.
Durch die öffentliche Rampe entsteht als Kontrast zu dem langen Museumstrakt ein großer Raum mit verschiedenen Nutzungsmöglichkeiten. Hier ist eine große Sitztreppe platziert, die für Vorträge genutzt werden kann und das Ende des Museumsrundgangs darstellt.
Ein weiterer spannender Raum entsteht auf der anderen Seite mitten im Museum durch das Absenken des Planetariums. Dieses ist durch die großen Fenster an der Ostfassade von der Straße aus sichtbar und wirkt so als Blickfang und Anzugspunkt für Besucher.
Die Gesamterschließung des Museums erfolgt über eine Rampe mit maximal 6% Steigung. So entsteht ein spannendes Spiel mit den Raumhöhen, diese können optimal an die Nutzungen angepasst werden. Die Austellungsräume haben alle eine lichte Raumhöhe von mindestens 4 Metern, die Schlafräume , WC‘s und Abstellräume hingegen lichte Höhen zwischen 2,45 und 3 Metern. In dem Startbereich der Rampe ist das Planetarium platziert, um den Raum unter der Rampe nutzen zu können.
Die Nord- und Ostfassade sowie die Fassaden im Innenhof sind mit begrünten, vorgehängten Elementen ausgestatten, die verschiebbar sind. Durch diese Elemente kann der Lichteinfall in den Innenhof gesteuert und somit an den Lichtbedarf angepasst werden. Vor allem in den Museumsräumen ist das ein hilfreiches Element.
Die Süd- und Westfassade ist durch eine Rotorelementfassade bekleidet (s.u.). Die leichten Savonius-Rotoren aus Aluminium produzieren Strom und können durch einen Regler fixiert werden, um den Lichteinfall in den Innenraum zu steuern. Diese Windfassade steht als Vorbild für ein nachhaltiges modernes Gebäude.
Tragwerk
Das Tragwerk wird in Skelettbauweise ausgeführt. Für die Buchenholzkonstruktion wurden Zangenstützen in Kombination mit einer Raster-Kastendecke gewählt. Das Tragwerksraster beträgt konsequent 2,5 x 2,5 Meter. Überspannt werden im Museumsbereich 12,5 Meter bis maximal 20 Meter. Dieses Tragwerk ermöglicht fließende Raumübergänge, da im Innenraum keine tragenden Elemente nötig sind. Die Zangenstützen stehen vor den Außenwänden sichtbar im Innenraum und können so auch über die reine Funktion als Tragwerk hinaus genutzt werden, etwa als Grundlage für die Befestigung von Sitzbänken im Cafebereich, Ausstellungen im Museum oder Sichtschutz in den Schlafräumen. Zusätzlich ermöglicht ie Konstruktion im Falle einer Umnutzung eine einfache und unkomplizierte Anpassung der Raumhöhen und Zwischenwände. Ausgesteift wird die Konstruktion durch GFM Platten.
Für den großen Veranstaltungsraum, der als öffentliche Rampe ausgeführt ist, wurden aufgrung der hohen Spannweite und der höheren Lasten durch das begehbare Dach V-Stützen gewählt, die wie ein Fachwerkträger wirken.
Materialeinsatz und Ökobilanz
Bei der Materialauswahl wurde auf Regionalität und Nachhaltigkeit geachtet. Für eine möglichst minimalistische und einfache Konstruktion wurde auf die natürliche Fähigkeiten der Materialien zurückgegriffen. Um die Speichermasse zu erhöhen und damit den sommerlichen Wärmeschutz zu verbessern, kommt im Innenbereich viel Lehm zur Anwendung. Die Zwischenwände und die innerste Schicht der Außenwände bestehen aus Lehmbausteinen. Als Dämmstoffe kommen Perlite-Schüttungen, Schilfdämmungen, Holzfaserdämmplatten und Schaumglasschotter zum Einsatz. Für die Dampfbremse wurden alternativ zu Folien GMF Platten verwendet, die auch als Aussteifung der Außenwände dienen.
Durch den hohen Einsatz von Holz, Lehm und recycelbaren Materialien kann das Treibhauspotential in kg C02 äqivalent, bezogen auf die Konstruktion K, deutlich gegenüber dem Referenzwert der DGNB von 9,4 auf 2,63 kg CO2 /m2 a gesenkt werden. Der Wert für den Betrieb liegt durch die PV Anlage und die Rotorelementfassade auch deutlich unter dem Durchschnitt.
Energiekonzept und -bilanzierung mit Rotor-Elementfassade
Schaut man sich die durchschnittliche Windgeschwindigkeit und die Windrichtung der Stadt Augsburg an, sieht man, dass ein großes Potential in der Windenergie liegt. Um dieses zu nutzen, wird das Gebäude mit einer Rotorelementfassade ausgestattet. An der Windrose lässt sich ablesen, dass die Hauptwindrichtung der Stadt Augsburg Südwest ist. Aus diesem Grund ist die Süd- und Westseite des Museums mit den Savonius-Rotoren ausgestattet. Die Gesamtrotorfläche beträgt ungefähr 390 m2 und produziert ca. 49.000 kWh Strom im Jahr.
Die Fassade ist auch für die Anpassung der Lichtverhältnisse im Innenraum zuständig und funktioniert als Sonnenschutz. Außerdem ist sie ausschlaggebend für das äußere Erscheinungsbild des Gebäudes. Die Rotor-Elementfassade steht für Nachhaltigkeit und ein energieautarkes Gebäude, was nach außen sichtbar wird. Die Aluminiumrotoren können durch einen Regler angehalten und gedreht werden. Die Abbildung zeigt in zwei Zuständen, wie man dadurch den Blick nach außen öffnen oder schließen kann. Vor allem in den Museumsräumen können so die Lichtverhältnisse optimal an die Anforderungen angepasst werden.
Als Material für die Rotoren wurde Aluminium gewählt, da Aluminium sehr leicht und langlebig ist. Im Herstellungsprozess schneidet Aluminium nicht sehr gut in der Ökobilanz ab, da es jedoch ohne Qualitätsverlust recycelbar ist und länger als andere Baumaterialien verwendet werden kann gleicht sich das sichtlich am GWP Wert aus. Außerdem wird für die sekundäre Produktion von Aluminium weniger Energie benötigt. Zudem wird nur sehr wenig Aluminium für die Fassade benötigt, da die einzelnen Elemente sehr dünn sein müssen und keine statischen Anforderungen zu erfüllen haben.
Gebäudetechnik
Zusätzlich zu der Rotor-Elementfassade produzieren 600 m2 monokristalline Photovoltaikzellen auf dem Dach ca. 86.700 kWh Strom im Jahr. Zusammen produzieren die Rotoren und die PV Anlage somit ca 135.700 kWh Strom im Jahr. Durch diesen hohen Gewinn an Strom war es naheliegend, eine Strom Wasser-Wasser Wärmepumpe als Wärmeerzeuger zu wählen. In Kombination mit Stromspeichern ist das Naturmuseum fast Energieautark. Es wurde versucht möglichst minimalistisch mit dem Einsatz von Technik umzugehen und eher auf Passive Maßnahmen zurückzugreifen oder die natürliche Potenziale der Materialien zu nutzen. Die einzelnen Komponenten sind gut aufeinander abgestimmt.
Die Wärmepumpe erzeugt auch Warmwasser und kühlt im Sommer. Die Windkraftanlage und die PV Anlage ergänzen sich gegenseitig sehr gut. Im Winter, wenn weniger Strom durch die PV Anlage produziert wird, ist eine Steigerung der Windgeschwindigkeit und damit auch eine Steigerung der Stromproduktion abzulesen.
Energetische Bilanzierung
Bauteilaktivierung
Um die Räume zu jeder Jahreszeit vorzutemperieren, befinden sich in den Stampflehmwänden Leitungen, die warmes bzw. kaltes Wasser durch die Bauteile führen. Betrieben wird dies über die reversible Grundwasser-Wärmepumpe. So kann über die große Speichermasse der Lehmwände in der Heizperiode Wärme zugeführt und in den warmen Sommermonaten abtransportiert werden.
Querlüftung/ Nachtauskühlung
Um eine Überhitzung des Gebäudes im Sommer auszuschließen, wird im Ausstellungs-, Eingangs und Cafébereich zusätzlich zur zentralen Lüftungsanlage eine erhöhte Nachtlüftung (>= 2h-1) angenommen. Das Lüftungsprinzip erfolgt über Lüftungsklappen seitlich der Pfosten-Riegel Fassade. In der Ausstellung sowie dem Foyer und Veranstaltung können zusätzlich die Oberlichter geöffnet werden. Dabei wird der thermische Auftrieb genutzt. In den Büro- und Schlafbereichen kann zusätzlich quer über den Flur gelüftet werden.
Öffnung des Gebäudes nach Norden
Um zu hohe Wärmegewinne durch solare Einstrahlung im Sommer zu vermeiden und einen aktiven Kühlbedarf zu vermeiden, öffnet sich das Gebäude in Richtung Nord- Westen. Fensterflächen, die in Richtung Süden zeigen sind durch freistehende, drehbare Lamellen dauerhaft verschattet, lassen trotzdem den Außenraumbezug und eine optimale Tageslichtversorgung der Ausstellungsfläche zu. Zusätzlich wird die Ausstellung über nach Norden geneigte Dachflächenfenster entlang des Firstes natürlich belichtet.
Die nach Süden geneigten Dachflächen sind mit 30° Neigung für die Anordnung PV- Paneelen ausgerichtet. Die Büroflächen sowie die Pädagogischen Räume mit dauerhalft hohen internen Wärmegewinnen sind im Nord-Osten des Gebäudes angeordnet.
Der zulässige Höchstwert des Jahres-Primärenergiebedarf von 97,15 kWh/m2 für den Neubau wurden um 66% unterschritten. Die Anforderungen an die mittleren U-Werte wurden um 71% (opake Außenbauteile 0,08 statt 0,28 W/m2a) und 55 % (transparente Außenbauteile 0,68 statt 1,5 W/m2a) unterschritten.
Der Endenergiebedarf beträgt - 16 kWh/(m2/a). Durch die Maßnahmen wird der Effizienzhaus 40 EE Standart erreicht.
Abgabeleistungen
- Lageplan (M 1: 500), Grundrisse, Ansichten, Schnitte (M 1: 100/ 1:200)
- Materialkonzept incl. Detaildarstellungen M 1:10 der Fassade. Ein besonderer Fokus liegt auf einem nachhaltigen Materialeinsatz incl. der Demontage- und Recycling-Fähigkeit
- Energie- und Ökobilanzierung:
_ Konzeptphase: Drei strategische Varianten mit qualitativer Beschreibung der Konzeption, Konstruktion und Technik sowie Kenndaten (U-Werte, Ökodaten, erneuerbare Energien …)
_ Entwurfsphase Energiebilanzierung: mit Auswertung End- und Primärenergiebedarf Ist und Referenz, Einsatz erneuerbare Energien sowie passive Maßnahmen
_ Entwurfsphase Ökobilanzierung (eLCA): mit Randbedingungen der Zertifizierung DGNB und mit folgender Auswertung (Zahlenwerte und grafisch):
- GWP Global Warming Potential (in kg CO2äquivalent pro m2NGF) Gesamt sowie differenziert nach Konstruktion und Nutzung
- GWP Global Warming Potential (in kg CO2äquivalent pro m2NGF) der Konstruktion: Differenziert nach AW, DE+TR, DA, BP, FE, IW und TGA und differenziert nach den jeweiligen Modulen A bis D - Standort iund soziale Nachhaltigkeitskriterien:
Individuelle Bewertung des Standortes gem. SITE 1.1, 1.3 und 1.4, Nachweis des sommerlichen Wärmeschutzes, Nachweis der Tageslichtversorgung, barrierearmer Zugang und Nutzungsmöglichkeiten. - Modelle M 1:500 / 1:100
Die Abgabeleistungen insbes. der Energie- und Ökobilanzierung sind in einem gesonderten umfangreichen Berichtsheft nachgewiesen.
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