Markus Pfeil

Thermisch neu

Strategie I: Kybernetik und Architektur

Die thermische Konditionierung einer Kirche erfordert grundlegend andere Ansätze beim Energiekonzept, als dies beispielsweise bei Wohn- oder Bürogebäuden der Fall ist. Der Kirchenraum besitzt ein großes Raumvolumen bei verhältnismäßig geringer Personendichte. Die Nutzungsdauer der Kirche beschränkt sich auf die Gottesdienste und das Temperaturniveau zur Erzielung einer thermischen Behaglichkeit liegt niedriger aufgrund der warmen Bekleidung, welche die Kirchenbesucher während der Messen anbehalten.

Im Fall der Kirche St. Augustinus in Heilbronn sah das architektonische Konzept von pfeiferkuhnarchitekten, Freiburg, eine Innenraumschale aus Polycarbonatplatten vor. Diese erfüllen eine zentrale Rolle im ganzheitlichen Energiekonzept. Durch diese Innenraumschale wurde der zu konditionierende große Kirchenraum gegenüber der unsanierten Kirche verkleinert. Innerhalb dieses Kirchenraums wurde eine weitere, noch kleinere Zone, die Tageskirche, ausgebildet. Die Hülle dieser Zone besteht aus Massivholzwänden und Polycarbonatplatten (Abb 1).

Für die Beheizung des großen Kirchenraums im Nutzungsfall wurde eine Solltemperatur von 12°C projektiert. Solare Strahlung während der Heizperiode wird über die vergrößerten Fenster eingefangen und im Zwischenraum (Luftraum zwischen ursprünglichem Dachstuhl und neuer Polycarbonatschale) absorbiert und in Wärme umgewandelt. Durch den Betrieb einer Umluftanlage wird die solar erwärmte Luft über die Seitenwände in den großen Kirchenraum eingeblasen. Der restliche Wärmebedarf zur Erzielung der Solltemperaturen wird über eine Kombination aus Fußbodenheizung und Wandflächenheizung gedeckt, wobei der hohe Strahlungsanteil dieser Systeme vorteilhaft ist. Die im großen Kirchenraum erwärmte Luft, die noch weiter durch die Abwärme der Personen erwärmt wird und aufsteigt, wird am obersten Punkt der Polycarbonatschale abgesaugt und im vorbeschriebenen Umluftkreislauf wieder dem Kirchenraum zugeführt (Abb. 2).

Die Lüftungsanlage spielt im Energiekonzept eine zentrale Rolle. Es wurde lediglich eine einfache Abluft- / Umluftanlage mit einem Volumenstrom von 4.400 m³/ h gewählt und auf eine aufwendige Wärmerückgewinnungsanlage verzichtet, da die Lüftungswärme aufgrund des Umluftbetriebs nicht verloren geht.

Für die Nutzung der kleinen Tageskirche an drei Gottesdiensten pro Woche wurde eine Solltemperatur von 15°C festgelegt. Die Temperatur des großen Kirchenraums kann dann bis auf 8°C fallen, da hier keine Nutzung stattfindet. Der große Kirchenraum dient in dieser Zeit quasi als thermischer Pufferbereich für die Tageskirche, deren Transmissionswärmeverluste auf diese Weise reduziert werden. Im großen Kirchenraum wird der Umluftbetrieb dann in Betrieb genommen, wenn durch solare Gewinne die Lufttemperatur im Zwischenraum um 2 K über der Innenraumluft des großen Kirchenraums liegt. In der Tageskirche selbst erfolgt die Regelung auf die Solltemperatur mittels Fußbodenheizung (Abb. 3).

Die Versorgung der Kirche mit Frischluft erfolgt allein durch die Nachströmung über altersbedingte Fugen, was sich im Betrieb als ausreichend erwiesen hat.

Im Sommer, bei hohen Tagestemperaturen und hohen solaren Strahlungsleistungen, wird die Lüftungsanlage vom Umluftbetrieb auf reinen Abluftbetrieb umgeschaltet. Sind die Strahlungsgewinne im Luftzwischenraum tagsüber sehr hoch und steigt die Temperatur in der Folge hier an, so werden die Fenster geöffnet und ein drohender Hitzestau wird über die Anlage abgelüftet und als Fortluft weggeblasen (Abb. 4).

Für eine Nachtlüftung kann durch Umschaltung von Lüftungsklappen der Abluftbetrieb von der Absaugung des Zwischenraums auf die Absaugung aus dem großen Kirchenraum umgeschaltet werden. Zusammen mit geöffneten Fenstern strömt so kühle Nachtluft in den großen Kirchenraum ein und kühlt die thermischen Speichermassen der Kirche aus, so dass am folgenden Tag angenehm kühle Innentemperaturen vorhanden sind (Abb. 5).

Außerhalb der extremen Sommer- und Winterbedingungen erfüllt die Lüftungsanlage die Funktion einer Feuchteregulierung für die Kirchenorgel. Bei steigender relativer Feuchte im Innenraum wird der Abluftvolumenstrom erhöht, so dass die nachströmende trockenere Außenluft eine Reduzierung der relativen Innenfeuchte erzeugt.

Für die Wärmeversorgung der Kirche wurde aus Kostengründen auf eine vorhandene Gaskesselanlage zurückgegriffen. Eine zukünftig nachhaltigere Wärmeerzeugung, mit Reduzierung des fossilen Energieeinsatzes und Anteilen erneuerbarer Energien, könnte beispielsweise durch den Einsatz einer geothermischen Wärmepumpenanlage erfolgen. Die Voraussetzungen sind durch die großflächigen Strahlungsheizsysteme mit geringen Systemtemperaturen in jedem Fall gegeben.

Das Projekt zeigt auf vorbildliche Weise, dass durch einen integralen Ansatz Architektur und technische Gebäudeausrüstung zu einem ganzheitlichen Energiekonzept verbunden werden können. Die neue Innenraumschale aus Polycarbonat ist an erster Stelle Architektur, da sie einen neuen Raum formt und die Transluzenz des Materials den Raum in ein neues Licht taucht. Gleichzeitig ist diese Polycarbonatschale aber auch zentrales Element im Energiekonzept. Es sammelt Solarenergie ein, bildet Wege für den Lufttransport aus und dient wie selbstverständlich als thermische Pufferzone für die Konditionierung der Nutzungsbereiche.

Prof. Dipl.-Ing. Markus Pfeil (*1967), Beratender Ingenieur VBI, studierte von 1987 bis 1995 Maschinenbau. 1997 gründete er gemeinsam mit Holger Koch das Ingenieurbüro Pfeil & Koch ingenieurgesellschaft in Stuttgart und Köln. Nach verschiedenen Lehraufträgen ist Markus Pfeil seit 2011 Professor für „Ganzheitliche Technische Gebäudeausrüstung“ an der msa | münster school of architecture im Fachbereich Architektur.