Heliotrop - archiTEC24

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Heliotrop

Im Freiburger Stadtteil Merzhausen steht das drehbare Büro- und Wohngebäude "HELIOTROP". © Viessmann
Im Freiburger Stadtteil Merzhausen steht das drehbare Büro- und Wohngebäude "HELIOTROP". © Viessmann

Daten und Fakten

Standort: Ziegelweg 28, 79100 Freiburg
Bauherr: Rolf Disch
Architekt: Rolf Disch
Bauzeit: 1992-1994; Fertigstellung: 1994

Nutzfläche/Gesamtfläche: 355 m²

Auszeichnungen:

  • Deutscher Architekturpreis 1995 Anerkennung für HELIOTROP
  • Sonderpreis beim Wettbewerb „Das goldene Haus“ 1996 für das HELIOTROP
  • Sonderpreis beim Wettbewerb „Freiburger Innovationspreis“ 1996 für das HELIOTROP

Architekten

Rolf Disch – Büro für Solararchitektur
Wiesentalstr.19, 79115 Freiburg
Tel.: 07 61 / 4 59 44 -0
Fax: 07 61 / 4 59 44 -44
E-Mail: info@rolfdisch.de
www.rolfdisch.de

Projektteam
Büro Rolf Disch, Blumer Holzbau, Andreas Wirth

Bürophilosophie:
„Die Sonnenkraft nutzen und dabei Lebensqualität gewinnen.“ Häuser, die mehr Energie produzieren, als Ihre Bewohner verbrauchen  können. Hohe Lebensqualität mit gesunden Baustoffen. Sonnenenergie als Motor der  Gesellschaft. Das ist die Vision von Rolf Disch. Dass diese Vision keine Utopie ist, haben er und sein Team längst bewiesen. Die Vielzahl unterschiedlichster Bauprojekte bezeugt dies anschaulich. Solartechnologie, Kosten-Nutzen Rechnung und Architektur verschmelzen bei  Rolf Disch zu einer  überzeugenden Alternative konventionellen Bauens und  Wohnens. So  beschäftigt sich sein Büro seit Jahren mit der Entwicklung von Plusenergiehäusern®; kleinen Kraftwerken, die die Sonnenenergie sowohl aktiv wie auch passiv optimal nutzen um eine konkrete Alternative zu fossilen Energieträgern zu bieten.

Fachplaner

Haustechnikplanung:
Krebser & Freyler
Planungsbüro GmbH für technische Gebäudeausrüstung
Postfach 1353, 79327 Teningen
Hausanschrift: Tscheulinstraße 2, D-79331 Teningen
Tel.: 0 76 41 / 91 11 0
Fax: 0 76 41 / 91 11 40
E-Mail: krebser-freyler@t-online.de

Statik für Holzbau:
Werkgruppe Freiburg
Werner Miller Architekt, Ulrich Mayer Architekt, Andreas Wirth Ingenieur
Holzbau
Friedrichring 16-18, 79098 Freiburg
Tel.: 07 61 / 2 02 44 -21
Telefax 07 61 / 2 02 44 -26
E-mail: wgf@werkgruppe-freiburg.de

Entwurfsaufgabe

Dem drehbaren Solarhaus Heliotrop® liegt die Idee zugrunde, ein Gebäude zu entwickeln, das höchsten Ansprüchen an Umweltschutz und Architektur genügt, ohne dass der Wohnkomfort darunter leidet. Den Planern schwebte ein Haus vor, das während seines Betriebs und sogar darüber hinaus so umweltschonend wie möglich ist, indem es wenig Fläche verbraucht, regenerative Energien nutzt und wiederverwertbare Baustoffe verwendet. Die Bewohner sollten keinen Emissionen ausgesetzt sein und nach Ablauf der Nutzungszeit des Hauses keine schwer zu entsorgende „Altlast“ zurückbehalten.

Hierfür galt es einen Prototypen zu entwickeln, dessen Hauptmerkmal die permanente Ausrichtung zur Sonne ist. Anders als bei konventionellen bis dahin realisierten Solarbauten, die aufgrund ihrer fixen Lage nur einen Bruchteil der einstrahlenden Energie nutzen können, dreht sich das Heliotrop um seine  eigene Achse und folgt dem Lauf der Sonne während des Tages. Damit kann es sehr viel mehr kostenlose Solarenergie einfangen. Der bezeichnende Name des Experiments kommt aus dem Griechischen und bedeutet soviel wie „der Sonne zugewandt“. Die erste realisierte Fassung des Heliotrops wurde 1994 in Freiburg errichtet. Sie dient dazu, den Einsatz und die bestmögliche Kombination verschiedener Energiesysteme für den Gebäudebetrieb zu testen und zu erforschen.

Projektbeschreibung

Das Heliotrop ist ein innovatives Wohn- und Bürogebäude, dessen Form an einen Baum mit zylindrischer Krone erinnert. Es ist zur einen Seite verglast, zur anderen Seite geschlossen. Fast wie eine Sonnenblume wendet es sich der Sonne zu, denn ein Motor und eine Drehmechanik führen seine verglaste Seite bei Bedarf der Sonne nach. Der restliche Teil der Außenhaut ist hochwärmegedämmt und hilft so, die Transmisssionswärmeverluste im Winter zu minimieren. Dadurch wird eine optimale Ausbeute an solarer Energie ermöglicht. Das Bauwerk setzt sich im Wesentlichen aus drei Bestandteilen zusammen: Zuunterst befindet sich die im Erdreich verankerte Basis aus Stahlbeton, wo die technischen Anlagen für Mechanik und Energiespeicherung untergebracht sind. Dort beginnt auch die senkrechte Verbindungsröhre aus Brettschichtholz, die ihrerseits als Rotationsachse für die segmentförmigen Geschossebenen des „Baumhauses“ dient. Sie verbindet den unterirdischen Technikbereich mit den Nutzebenen und der Dachterrasse. Die Geschosse bestehen aus einer Holz-Skelettkonstruktion und sind fest mit der zentralen Achse verbunden. In ihrem Kern bündeln sich alle senkrechten Steigstränge zur Verteilung der Wärmemedien im Haus. Der zylinderförmige Kern fungiert seinerseits als Spindel, um die sich die Treppenstufen zur Erschließung der Wohn- und Büroräume drehen. Die einzelnen Raumsegmente schrauben sich mit einem Höhenversatz von 90 Zentimetern spiralartig um die Mittelachse nach oben und bilden so gleichsam eine zweite, äußere Wendeltreppe, ein dreidimensionales Raumkontinuum. Jeder Raum ist direkt vom Treppenturm aus erschlossen. Dem zylindrischen Baumhaus ist ein umlaufender Balkon vorgelagert, der – wie die Segmente selbst – in Stufen nach oben steigt. Die oberste Ebene ist der Stromerzeugung vorbehalten. Dazu wurde auf der Dachterrasse eine Photovoltaik-Anlage montiert, die ebenfalls der Sonne nachgeführt wird. Diese liefert mehr Strom, als das Gebäude im selben Zeitraum verbrauchen kann. Der überschüssige Strom wird ins Netz eingespeist. Im Heliotrop finden modernste Haustechniken zur Dämmung und Wärmerückgewinnung Anwendung. Mit durchweg ökologischen Materialien erbaut, wird das Gebäude zum Vorbild für einen sinnvollen und schonenden Umgang mit den natürlichen Ressourcen. Wegen seiner Zeichenhaftigkeit besitzt das Heliotrop einen hohen Wiedererkennungswert, der es zum internationalen Sinnbild für eine zukunftsweisende Solararchitektur macht.

Baukonstruktion

Tragwerk
Der Prototyp des Heliotrops wurde zu Experimentierzwecken entwickelt. Das Bauwerk unterscheidet sich hauptsächlich dadurch von anderen Solarbauten, dass es nicht unbeweglich ist, sondern seine Ausrichtung ändern kann. Statt mit einer Immobilie hat man es hier beinahe mit einer „Mobilie“ zu tun. Die gesamte oberirdische Konstruktion wurde in Skelettbauweise ausgeführt. Tragende Elemente sind aus Fichten-Brettschichtholz gefertigt. Dabei übernimmt die Drehachse des Heliotrop im Mittelpunkt des Bauwerk mehrere wichtige Funktionen. Sie ist insgesamt 14 m hoch und dient durch ihre röhrenförmige Ausbildung als aussteifender Kern, an dem die segmentartigen, versetzten Geschossebenen befestigt sind. Der nachwachsende Rohstoff gilt als ökologisch unbedenklich und lässt sich auch leicht entsorgen. Das Konzept sieht eine Aufteilung in Module vor, die aufgrund der Vorfertigung eine hohe Passgenauigkeit aufweisen sowie eine kurze Bauzeit ermöglichen. Die einzelnen Räume können jeweils an den Segmentgrenzen durch Trennwände unterteilt werden.

Die Statik für die Unterkonstruktion der dachseitig montierten Photovoltaik- Anlage wurde nach der Methode der finiten Elemente berechnet. Ziel war es, die PV-Module jeweils im optimalen Winkel zur Sonneneinstrahlung zu positionieren, damit eine maximale Energieausbeute erzielt werden kann. Die exponierte Lage der PV-Anlage auf der Dachterrasse erforderte zudem eine Berücksichtigung hoher Windlasten bei der statischen Dimensionierung. Daher sahen die Ingenieure ein fünffaches Sicherheitssystem vor, dass auch bei starkem Wind eine optimale Orientierung garantiert.

Drehmechanik
Um im Winter eine optimale Ausrichtung des verglasten Fassadenteils zur Sonne zu gewährleisten, rotiert das gesamte Bauwerk langsam um seine Mittelachse. Dadurch lassen sich maximale solare Gewinne erzielen. Die so gewonnene Energie wird einerseits zur Erwärmung der Räume, andererseits zur Warmwasserbereitung mittels Solarkollektoren eingesetzt. Ein Elektromotor treibt die zentral gelegene Röhre aus Brettschichtholz an, deren Basis auf einem Drehkranz aufgelagert ist. Mittels Zahnrädern rotiert die Säule mitsamt der daran befestigten Skelettkonstruktion. Da die Bewegung sehr langsam ist, reicht eine vergleichsweise geringe Leistung des Motors aus. Die in der Drehachse senkrecht geführten Leitungen (Strom, Wasser, Medien) sind jeweils an den Übergängen zwischen drehenden und feststehenden Bauteilen in flexiblen Schläuchen geführt, die so lang sind, dass sie die täglich zurückgelegte maximale Drehstrecke ausgleichen können.

Fassade
Die Fassade ist durch zwei gegensätzliche Prinzipien gekennzeichnet: einerseits maximale Durchlässigkeit der Haut, damit energiereiche Sonnenstrahlung eindringen und in passiver Form direkt zur Erwärmung der dahinter liegenden Räume herangezogen werden kann; andererseits maximale Isolierung der Haut, um Transmissionswärmeverluste weitgehend zu reduzieren.

Um im Winter möglichst viel Energie einzufangen, lässt sich die durchlässige Seite der Fassade dem Tages- und Jahreslauf der Sonne anpassen, indem das Gebäude um seine Mittelachse rotiert. Die transparenten Fassadenteile bestehen aus einer 3-fachen Wärmeschutzverglasung. Demgegenüber weist die hochwärmegedämmte Seite nur minimale Öffnungen auf. So werden die Transmissionswärmeverluste verringert. Im Sommer funktioniert das Heliotrop nach dem umgekehrten Prinzip: Der transparente Teil dreht sich in den Schatten und das Haus wendet mit seiner geschlossenen Seite der Sonne den Rücken zu, um Überhitzung zu vermeiden. Die fünfte Fassade – das Dach – dient als Terrasse. Die dort installierten Photovoltaik-Module erzeugen nicht nur Strom, sondern bieten gleichzeitig auch Schutz vor der Sonne und fangen zudem noch Regenwasser auf, das sich zur Toilettenspülung und Gartenbewässerung nutzen lässt.

Interview

mit Rolf Disch, Architekt des Heliotrops

Welche Vorbilder haben Sie zum Entwurf des Heliotrops inspiriert?
Die Natur, genauer gesagt, der Baum diente als Vorbild für die Entwicklung und Ausgestaltung des Heliotrop.

Wie viele Exemplare des Heliotrops sind insgesamt realisiert worden und wie werden diese heute genutzt?
Es sind drei Exemplare gebaut worden. Das erste wird zum Wohnen und Arbeiten genutzt, das zweite fungiert als Besucherhaus, und das dritte war zunächst zu Demonstrationszwecken und als Ausstellung in Basel auf dem Messeplatz aufgestellt und wurde danach zu einem Zahntechniklabor und Cafe ausgebaut.

Haben Sie für eine gewisse Zeit in dem Gebäude gewohnt oder gearbeitet? Wie empfindet man dabei die Rotation und die damit verbundenen wechselnden Aussichten?
Seit 10 Jahren bewohnt Herr Disch mit seiner Frau das Heliotrop. Es werden viele nationale und internationale Besucher und Besuchergruppen empfangen. Die Aussicht ist grandios und erlebnisreich. Herr Disch und seine Frau erfahren das Heliotrop als einen Ort mit geschlossenen Kreisläufen der Natur. Energie wird eingefangen und vor Ort benutzt. Wasser wird wieder aufbereitet, Abfälle kompostiert. Der gesamte Haushalt wird den Kreisläufen angepasst.

Wie sieht die Energiebilanz nach über 10 Jahren Betriebsdauer aus? Wie viel Energie wurde verbraucht, bzw. konnte als Überschuss ins Netz abgegeben werden?
In den 10 Jahren wurden ca. 78.000 kWh Solarstrom ins öffentliche Stromnetz eingespeist. Der Eigenverbrauch liegt bei ca. 20.000 kWh in 10 Jahren.

Wie sähe eine zeitgenössische Adaption des Heliotrops aus? Was wäre überdenkenswert?
Verbesserungen gibt es heute im Fensterrahmenbereich, bei den Verglasungen und der Wärmedämmtechnik.

Wie war die Integration der verschiedenen Fachgebiete in die Planung organisiert?
Sie erfolgte durch das Architekturbüro Rolf Disch. Die Oberleitung oblag Herrn Disch, der die Koordination der anderen Fachingenieure leitete.

 

Wasser/Abwasser

Um möglichst wenig kostbares Trinkwasser zu verbrauchen, wird überall dort, wo es die Nutzung erlaubt, Grauwasser verwendet. Die auf der Dachterrasse montierten Solarmodule dienen neben ihrer eigentlichen Aufgabe gleichzeitig zur Sammlung von Regenwasser, das im Haus zur Toilettenspülung und außerhalb zur Gartenbewässerung benutzt werden kann, nachdem es gefiltert worden ist. Das Abwasser aus dem Haus wird in einen Teich eingeleitet, der als Kleinkläranlage funktioniert. Die Fäkalien werden kompostiert und so mit der Zeit in Dünger verwandelt. Auch hierbei wurde darauf geachtet, möglichst viele natürliche Ressourcen schonend zu nutzen und der Natur wieder zurückzugeben.

Heizung/Kühlung

Haustechniker ermittelten durch eine dynamische Berechnung, dass das Heliotrop maximal von November bis Februar geheizt werden muss. In erster Linie stammt die Energie für die Heizung aus passiven solaren Gewinnen. Darüber hinaus sind im Prototyp, der 1994 als Experimentierhaus in Freiburg realisiert wurde, zu Testzwecken zwei verschiedene Heizsysteme eingebaut worden. Zum einen ist dies eine Deckenstrahlheizung, die sich als rasches Niedertemperaturheizsystem eignet, zum anderen ein Solarspeicher, welcher die kontrollierte Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung und Erdwärmetauscher bei einer evtl. notwendigen Nacherwärmung unterstützt. Dieses System übernimmt im Sommer auch die Funktion einer Klimaanlage und ermöglicht auf diese Weise Energieeinsparungen und eine Verbesserung des Wohnkomforts. Gleichzeitig ergänzt es auch die Deckenstrahlungsheizung bei der schnellen Raumaufwärmung oder der sommerlichen Kühlung. Beide Systeme decken den zusätzlichen Wärmebedarf in den Wintermonaten.

Warmwasserbereitung

Solarkollektoren des Typs Vitosol von Viessmann übernehmen die Warmwasserversorgung des Heliotrops. Der Clou: Sie wurden als Brüstungselemente am umlaufenden Balkon montiert; neben der Energieerzeugung dienen sie also gleichzeitig zur Gliederung der Fassade und als Absturzsicherung. Sie ersetzen ein konventionelles Geländer und werden dadurch zu einem integralen Teil der Architektur, anstatt wie bei vielen anderen Gebäuden additiv an die Fassade oder aufs Dach appliziert zu werden. Jedem Raumsegment ist ein Kollektorelement zugeordnet, das seinerseits aus 6 vertikal übereinander liegenden Glasröhren besteht. Diese münden seitlich in senkrecht stehende Elemente, die Vor- und Rücklauf des Speichermediums beinhalten. Die Vakuum-Röhrenkollektoren, die hier zum Einsatz kamen, werden von einer Flüssigkeit durchströmt, die an den absorbierenden Flächen vorbeifließt. Die Absorber, das Herzstück der Kollektoren, bestehen aus schmalen Metallstreifen – in den häufigsten Fällen aus Kupfer. Dennoch sind die meisten Absorber schwarz, was an einer selektiven Beschichtung aus Schwarzchrom, Schwarznickel oder Titanoxid liegt. Diese dunkle Beschichtung nimmt die Sonnenenergie besonders wirksam auf und wandelt sie in Wärme um, die durch die hervorragende Leitfähigkeit von Kupfer an die Absorberflüssigkeit übertragen wird. Das System Vitosol arbeitet mit sogenannten Sol-Titan-Absorbern, die aufgrund ihres Materials und selektiver Beschichtung eine maximale Absorption von Sonnenlicht bei geringer Reflexion und minimierten Transmissionsverlusten gewährleisten. Die eintreffende kurzwellige UV-Strahlung wird in Wärme umgewandelt und in dieser Form direkt ans umgebende Wasser abgegeben. Innerhalb der Glasröhren herrscht Vakuum, damit Wärmeverluste des heißen Absorbers nach außen minimiert werden. So kann die Sonnenenergie optimal für die Wassererwärmung und zur Heizungsunterstützung genutzt werden. Die transparenten Kollektoren aus Bor-Silikatglas sind radial drehbar, so dass die Absorberfläche immer im optimalen Winkel zur Sonne steht. Vitosol wird in vorgefertigten Modulen geliefert und ist durch eine Steckverbindung leicht zu montieren. Dieses Kollektorsystem gilt als sehr wartungsfreundlich, da die Röhren einzeln austauschbar sind. Bei Beschädigung oder Fehlfunktionen einzelner Röhren ist ein gezielter Eingriff möglich, ohne das komplette Element entfernen zu müssen. Das erwärmte Wasser wird entweder als Warmwasser an den Zapfstellen bereitgestellt, oder ins Leitungsnetz der Niedertemperatur-Fußbodenheizung eingeleitet. Darüber hinaus stehen im Basisgeschoss thermische Pufferspeicher zur Verfügung.

Autor: Sibylle Eck

 

Eingesetzte Produkte

Vitosol 200-T | Vakuum-Röhrenkollektor ©Viessmann

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