Berechenbare Unterstützung der Klimatisierung von energetisch hocheffizienten Gebäuden durch dezentrale, funktionale Innenraumbegrünung

Ausgangspunkt des Projektes war das Problem, dass in energetisch hocheffizienten Gebäuden vor allem bei Büronutzung zu niedrige relative Luftfeuchten im Raum auftreten können. Besonders im Winter werden Werte um 20 % relative Luftfeuchte gemessen, die von den Nutzern als unbehaglich trocken empfunden werden und zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen führen. Angestrebt werden bei Raumtemperaturen von 20 – 22 °C relative Luftfeuchten zwischen etwa 40 und 60 %. Die Versuchsfrage lautete, ob die Luftfeuchte mit Hilfe von funktionalen, vertikalen Begrünungen in den behaglichen Bereich angehoben werden kann.

Aus vorangegangenen Untersuchungen, die auch an der ehemaligen Forschungsanstalt für Gartenbau Weihenstephan durchgeführt wurden, ist bekannt, dass durch Topfpflanzen unter besten Wachstumsbedingungen die relative Luftfeuchte im Raum nur um maximal 4 bis 5 % erhöht werden kann. Das liegt darin begründet, dass sich Pflanzen bei niedriger Luftfeuchte selbst vor zu starker Austrocknung schützen, indem sie die Stomata schließen und somit die Transpiration reduzieren. Eine hohe Wasserabgabe lässt sich daher besser über die Verdunstung einer möglichst großen Substratoberfläche erreichen.

Diese Überlegungen führten zum Einsatz von vertikalen Begrünungssystemen mit einem flächigen Substrat, die als begrünte Oberflächenverdunster wirken. Die Verdunstungsleistung kann durch Umweltfaktoren wie Temperatur, Licht, Luftfeuchte und Luftbewegung beeinflusst werden.

Zielsetzungen

Ziele des Projektes waren, den Einfluss einer funktionalen Begrünung auf die Klimatisierung eines energetisch hocheffizienten Gebäudes zu untersuchen, die positiven Effekte nutzbar zu machen und für die negativen Effekte Gegenmaßnahmen zu ermitteln. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Integration einer biotechnischen Begrünung als funktionellen Bestandteil der grünen Architektur und auf der Planbarkeit der Klimatisierungsunterstützung durch die Begrünung. Die Ergebnisse der Forschungsarbeit sollten zu konkreten Planungsgrundlagen und Handlungsempfehlungen sowohl für Architekten und Klimatechniker als auch für Innenraumbegrüner führen.

Vorgehensweise und Ergebnisse

Nach Voruntersuchungen in der Klimakammer zur Wasserabgabe von unterschiedlichen Substraten, die für vertikale Begrünungen verwendet werden, wurde eine Auswahl von Begrünungssystemen getroffen. Diese wurden anschließend unter kontrollierten Bedingungen im Gewächshaus vor allem hinsichtlich ihrer Wasserabgabe untersucht. Zunächst wurden die unbewachsenen Systeme betrachtet, im nächsten Versuchsschritt erfolgte die Begrünung mit Philodendron hederaceum. Während der Versuchszeit wurden die Klimabedingungen im Raum – Temperatur und Luftbewegung – variiert. Eine große Herausforderung stellte die optimale Bewässerung der Pflanzen dar. Diese theoretische Stellschraube zur Erhöhung der Verdunstung wird durch die Anforderungen der Pflanze stark eingeschränkt. Die Gestaltung der Bewässerungszyklen muss daher primär auf das Pflanzenwachstum ausgerichtet sein.

Für die Untersuchungen wurden folgende Systeme mit flächigen, mineralischen Substraten und einer passiven Verdunstung (ohne Gebläse, um ein Mitreißen von Keimen aus dem Substrat in die Raumluft zu vermeiden) ausgewählt:

- Moving Wall (Sempergreen Vertical Systems, NL)
- Vertiko (Vertiko GmbH, D)
- Wonderwall (Copijn Utrecht, NL)
- Wallflore Flex (Wallflore Systems, NL)
- Vertical Green (Ruof Grün Raum Konzepte, D)
- Grüne Wand (H&W Bewässerung GmbH, D)

Die Erfassung der Verdunstungsleistung dieser sechs Systeme erfolgte unter kontrollierten Bedingungen im Gewächshaus. Die im Raum herrschenden Klimaverhältnisse (v. a. Temperatur, relative Luftfeuchte) wurden kontinuierlich erfasst und zu den verdunsteten Wassermengen, die über den Gewichtsverlust ermittelt wurden, in Beziehung gesetzt. In der Folge wurde die Anpassungsfähigkeit der Verdunstungsleistung durch die Begrünungssysteme an sich verändernde Klimabedingungen geprüft.

Parallel zu diesen Untersuchungen wurde ein geeignetes, energetisch hocheffizientes Bürogebäude für die Überprüfung der Verdunstungsleistung unter Bürobedingungen anhand von Klimamessungen ermittelt.

Im ersten Versuchsteil im Gewächshaus wurden ohne Begrünung der Substrate bei Bewässerung nach Anbieterempfehlung Wasserabgaben zwischen 8 (Wonderwall) und 50 g m-2 h-1 (Vertical Green und Grüne Wand) gemessen. Anhand der Abgaberaten pro Zeit wurde sichtbar, dass vor allem die Systeme Grüne Wand und Vertical Green die Fähigkeit zur Selbstregulation aufwiesen, da bei hoher Luftfeuchte im Raum die Wasserabgabe deutlich zurückging und sich bei niedriger Raumluftfeuchte verstärkte. In dem Versuchsteil mit Begrünung der Substrate wurden bei optimierter, auf 24 h verteilter Bewässerung Wasserabgaben zwischen 25 (Wallflore) und 50–56 g m-2 h-1 (Vertical Green, Grüne Wand, Moving Wall) ermittelt (Abb. 1). Dieser Wert ist etwa dreimal so hoch wie der Eintrag, der nur durch Topfpflanzen zu erzielen wäre.

Die Systeme Vertical Green und Grüne Wand boten den Pflanzen die beste Wasserversorgung. Das resultierte in einem sehr guten Erscheinungsbild der Pflanzen über den gesamten Versuchszeitraum. Dagegen wiesen Moving Wall und Wonderwall Kümmerwuchs bis hin zu Pflanzenausfällen durch eine unzureichende Wasserversorgung auf, die auch durch stark erhöhte Wasserabgaben nicht zu vermeiden waren. Mitverursacht wurde die unzureichende Wasserversorgung durch einen Kapillarbruch zwischen Vermehrungs- und Wandsubstrat.

Parallel zu den Gewächshausversuchen erfolgte die periodische Erfassung von klimatechnisch relevanten Parametern (relative Luftfeuchte, Raumlufttemperatur, Strahlungsintensität und CO2-Konzentration) in Büroräumen von energetisch hocheffizienten Gebäuden.

Das System Grüne Wand, das in den Gewächshausversuchen eine hohe, sich selbstregulierende Verdunstungsleistung sowie keine technischen und pflanzenbaulichen Probleme aufwies, wurde in zwei Büroräume à 17 m² und einen à 33 m² integriert, um die Prüfung unter Praxisbedingungen fortzuführen (Abb. 2). Basierend auf einer Auslegungsberechnung wurden die Begrünungsflächen an die Raumgrößen und -charakteristika angepasst. Es wurden die Wirkungen auf den Raumkomfort im Vergleich zu zwei Referenzräumen (17 und 33 m²) ohne Begrünung untersucht. Die Erfassung der Verdunstungsleistung (Wasserabgabe) erfolgte wieder über den Masseverlust der Begrünungssysteme.

In den beiden kleinen Büros mit einer reduzierten Begrünungsfläche von 0,72 m² wurden Wasserabgaben zwischen etwa 25 g pro Modul (bei hoher rel. Luftfeuchte) und ca. 54 g pro Modul (bei niedriger rel. Luftfeuchte) pro Stunde ermittelt. Hier zeigte sich die Fähigkeit zur Selbstregulation des Begrünungssystems Grüne Wand: Bei niedriger rel. Luftfeuchte wurde viel Wasser abgegeben und bei hoher rel. Luftfeuchte deutlich weniger. In dem großen Büro (1,44 m² Begrünungsfläche) lagen die stündlichen Abgaben zwischen 58 und 75 g pro Modul.

Nach Auswertung der zahlreichen Messparameter war es möglich, Zusammenhänge hinsichtlich des Raumkomforts herauszuarbeiten, die Leistungsfähigkeit der Systeme zu quantifizieren und Aussagen über die Befeuchtungsleistung zu treffen.

Die verdunsteten Wassermengen resultierten in dem kleinen Büro, dessen Tür und Fenster überwiegend geschlossen waren, maximal in einer Erhöhung der normierten, relativen Luftfeuchte um knapp 20 %-Punkte gegenüber dem unbegrünten Referenzraum. Durch häufiges Offenstehen von Tür und Fenster reduzierte sich die maximale Erhöhung der relativen, normierten Luftfeuchte auf etwa 14 %-Punkte in dem anderen kleinen Büro bzw. auf etwa 8 %-Punkte in dem großen Büro.

Die Erhöhung der Luftfeuchte im Raum mit Hilfe einer funktionalen Begrünung erfordert einen engmaschigen Betreuungsaufwand der Systeme. Neben verstopften Zuleitungen und Tropfern traten vor allem Probleme mit Pumpenausfällen auf. Besonders bei Systemen mit Substraten, die wenig Wasser speichern können, führt dies sehr schnell zu Pflanzenausfällen. Im Büroraum fühlten sich die Nutzer teilweise durch die Geräusche der Pumpen und durch die Zusatzbelichtung beeinträchtigt.

Abstract

Vor allem in Gebäuden mit energetisch hocheffizientem Status können Probleme mit zu niedriger relativer Luftfeuchtigkeit auftreten. Technische Lösungen zur Behebung dieser Problematik führen im ungünstigen Fall zur Verkeimung der Raumluft. Im Rahmen des Projektes wurde geprüft, ob der Einsatz einer funktionalen, vertikalen Begrünung zur Erhöhung der Luftfeuchte im Raum geeignet ist. Das Projekt gliederte sich in zwei wesentliche Abschnitte. Im ersten Teil wurden unter kontrollierten Bedingungen im Gewächshaus sechs Begrünungssysteme getestet. Die im Raum herrschenden Klimaverhältnisse wurden kontinuierlich erfasst und zu den verdunsteten Wassermengen in Beziehung gesetzt. Die Untersuchungen wurden zuerst in unbegrüntem, danach in mit Philodendron hederaceum bepflanzten Zustand durchgeführt. Mit Begrünung der Substrate wurden Wasserabgaben zwischen 25 und 56 g m-2 h-1 ermittelt. Anhand der Abgaberaten pro Zeit wurde sichtbar, dass vor allem die Systeme Grüne Wand und Vertical Green die Fähigkeit zur Selbstregulation aufwiesen, da bei hoher Luftfeuchte im Raum die Wasserabgabe deutlich zurückging und sich bei niedriger Raumluftfeuchte verstärkte. Im zweiten Teil des Projekts wurde das System Grüne Wand, das in den Gewächshausversuchen eine hohe, sich selbstregulierende Verdunstungsleistung sowie keine technischen und pflanzenbaulichen Probleme aufwies, in drei Büroräume eines hocheffizienten Mustergebäudes integriert, um die Prüfung unter Praxisbedingungen fortzuführen. Zwei Referenzräume ohne Begrünung fungierten als Kontrolle. Im Mittel der Werte lagen die Wasserabgaben bezogen auf den Quadratmeter begrünte Fläche mit rund 50 g m-2 h-1 im Büroraum in gleicher Größenordnung wie im Gewächshaus. Das Nutzerverhalten (z. B. Öffnung der Fenster und Türen) hatte einen großen Einfluss auf die Wirksamkeit der Begrünung. Maximal konnten somit Erhöhungen der normierten, relativen Luftfeuchte zwischen 8 und knapp 20 %-Punkten gegenüber dem unbegrünten Referenzraum erzielt werden. Nach Auswertung der zahlreichen Messparameter war es möglich, Zusammenhänge hinsichtlich des Raumkomforts herauszuarbeiten, die Leistungsfähigkeit der Systeme zu quantifizieren und Aussagen über die Befeuchtungsleistung zu treffen.

Abschlussbericht

Der Abschlussbericht (siehe Weblink in rechter Infospalte) kann auf den Seiten des Fraunhofer-Informationszentrums Raum und Bau IRB als kostenloser PDF-Download heruntergeladen werden oder als kartonierte Ausgabe für EUR 47.50 inkl. MwSt. bestellt werden.

English Abstract: Indoor greening as a predictable, decentralized support for climate control in low-energy buildings

SCIENTIFIC RATIO
Due to the effective insulation and the ventilation with heat recovery the relative hu-midity in low-energy buildings might be very low. Air humidifier can be used to restore an ambient humidity. However, humidification often results in elevated levels of germs in the air. In this study it was tested whether vertical indoor greening improves the room climate in respect to the humidity.
AIM AND SCOPE OF THE PROJECT
Six vertical indoor greening systems were selected based on the level of water that they release from the substrate. These are: Moving Wall (Sempergreen Vertical Sys-tems, NL), Vertiko (Vertiko GmbH, D), Wonderwall (Copijn Utrecht, NL), Wallflore Flex (Wallflore Systems, NL), Vertical Green (Ruof Grün Raum Konzepte, D) and Grüne Wand (H&W Bewässerung GmbH, D). The amount of water that was released as vapour by each greening was calculated from the loss of weight. Tests were con-ducted under controlled conditions in a greenhouse. The room climate was moni-tored continuously and correlated to the amount of water released by each greening system.
Then, the transpiration response to varying climate conditions was tested. The test was conducted without and with planting (Philodendron hederaceum). The frequency and level of irrigation was adjusted to the needs of the planting. The amount of water release varied between 25 (Wallflore) und 50-56 g m-2 h-1 (Vertical Green, Grüne Wand, Moving Wall). The systems Grüne Wand und Vertical Green showed a self-regulatory effect related to the air humidity and the best adaptation to changing climate conditions. The main factors influencing evaporation were air velocity and light irradiation. Temperature had a minor effect. The systems Grüne Wand and Vertical Green also provided the best water supply for the planting. As a result, the two systems showed the best plant growth and were superior in their optical appearance.
Parallel to the experiments in the greenhouse climate data of two low-energy build-ings were collected periodically (ZAE Bayern and Finanzamt Freising). The building ZAE Bayern was chosen for further experiments since it showed a less favourable room climate. In the last part of the project the indoor greening system Grüne Wand was implemented into three offices. The system was chosen because it showed the best performance in the previous tests. Two office rooms were used as control.
The data showed that the level of evaporation strongly correlated with the humidity of the room. Thus, evaporation was high at low humidity and vice versa. In the smaller offices with an indoor greening of 0.72 m² evaporation was 35 g m-2 h-1 at high humidity and 76 g m-2 h-1 at low humidity. In the larger office equipped with 1.44 m² of planted area evaporation was 41 g m-2 h-1 at high and 53 g m2 h-1 at low humidity. On average evaporation per m2 of planted area was 50 g m-2 h-1 in offices and greenhouses. In smaller offices, in which door and windows were closed most of the time, relative humidity increase by 20 percentage points compared to the control room. When doors and windows were left open humidity was 14 percentage points higher in small offices and 8 percentage points higher in the large office.
Compared to the control room comfort on the comfort scale was higher in rooms with indoor greening due to the higher humidity in winter. However, during summer indoor greening can increase the risk of water precipitation. Based on the identified parameters a suitable indoor greening area per room size was calculated and its energy consumption was estimated.

SUMMARY
Aim of this study was to establish the effect of indoor greening on the room climate in low-energy buildings. The study shows that vertical greening can increase the relative humidity. Therefore, decentralised vertical greening systems can be employed to regulate the room climate. It was stated that calculation of the necessary indoor greening area is possible. Moreover, information on maintenance is provided. In the future the data of this project will be helpful for architects and users of indoor greening.

Benchmark data

Title:
Indoor greening as a predictable, decentralized support for climate control in low-energy buildings
Scientist / project management:
Dr. Annette Bucher, Hochschule Weihenstephan-Triesdorf
Granted by Zukunft Bau, Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung, Germany
Current time of project:
01.04.2013 to 01.06.2016 (self-financing prolongation until 27.07.2015)

Publikationen

Bucher, A.; Kohlrausch, F. (2014): Was können vertikale Begrünungssysteme leisten und welche Systeme eignen sich? Infodienst Weihenstephan, November 2014.

Bucher, A.; Kohlrausch, F. (2013): Berechenbare Unterstützung der Klimatisierung von energetisch hocheffizienten Gebäuden durch dezentrale, funktionale Innenraumbegrünung. Infodienst Weihenstephan, November 2013.