Ob Altbau oder Glashochhaus: Die Energie-Effizienz ist bei vielen Bestandsgebäuden „suboptimal“ – gelinde ausgedrückt

Ein Blick in die Energieausweise zeigt: Der Durchschnittsverbrauch pro Quadratmeter liegt in Frankfurt nach wie vor zwischen 150 und 200 kWh/m²a. Die EU-Kommission strebt als Niedrigstenergiestandard rund 30 kWh/m²a an.

Neubauten in Deutschland dürfen seit 2020 nicht mehr als 55 kWh/m²a haben.

Die 875.000 m2 Brücken-Wohngebäude als Niedrigenergiehäuser benötigen insgesamt ca. 26 GWh/a thermische Energie für die Raumerwärmung

Für sämtliche Wohngebäude auf den Brücken wird der Zielwert der EU-Kommission von 30 kWh/m²a unterschritten. Das ist möglich, da auf Wärmepumpen-Technik gesetzt wird und die Bauweise sowie die Energietechnik der Gebäude optimiert sind.

Die Wohngebäude auf den Brücken haben einen Wärmebedarf von rund 26 GWh/a, der Wärmebedarf für sämtliche Nichtwohngebäude auf den Frankfurter Brücken beträgt 14 GWh/a in Summe

Im Nichtwohngebäudebestand der Brückenquartiere ist der spezifische Wärmebedarf mithilfe der „Bekanntmachung der Regeln für Energieverbrauchswerte“ (BAnz AT 16.04.2021 B1) sowie mithilfe von Vergleichswerten aus der Praxis berechnet worden. In der Berechnungen wird davon ausgegangen, dass der Wärmebedarf auf ein Drittel der in der Bekanntmachung genannten Werte für bereits bestehende Nichtwohngebäuden sinken kann. Der spezifische Wärmebedarf für Nichtwohngebäude ändert sich mit der Gebäudeart. Für die geplanten Gebäudearten bzw. Nutzungsaufteilung auf den Brücken liegt der Bedarf in Summe bei ca. 14 GWh/a.

Aus drei Energiequellen werden knapp 440 GWh/a thermische Energie mithilfe der Frankfurter Brücken gesammelt: Solarthermie, Erdwärme und Abwärme von Rechenzentren – benötigt werden auf den Brücken jedoch nur 40 GWh Wärme

Allerdings ist zu berücksichtigen: Tatsächlich genutzt werden können von den 438 GWh/a Wärme letztendlich nur 238 GWh/a: Der Rest geht durch die für geothermische Speicherung typischen Verlust trotz guter Isolation und kurzer Transportstrecken verloren. 

Da nur 40GWh/a von den Brücken selbst benötigt werden, bleiben von den 238 GWh/a Wärme aus dem Boden fast 200 GWh/a übrig. Diese müssen entlang der Brücken im Winter hervorgeholt und genutzt werden, da der Boden sich ansonsten über die Zeit aufheizt: In ferner Zukunft werden mit der eingesammelten überschüssigen Energie die nebenstehenden Wohn- und Nichtwohngebäude entlang der Brücken versorgt – sobald sie ihre Raumwärme durch Wärmepumpen beziehen können. Bis dahin müssen andere Abnehmer-Lösungen gefunden werden.

Mögliche Abnehmer entlang der Brücken können z.B. Schwimmbäder oder aber auch Gewächshäuser sein. In Frankfurt gibt es eine Vielzahl von Gewächshäusern: zum einen im Palmengarten, zum anderen auf den Oberräder Feldern.

Sobald der Gebäudebestand entlang der Brücken mit Wärmepumpen und thermisch aktivierten Flächen ausgestattet ist, können die Frankfurter Brücken ihre thermische Energie an sie abgeben. Da die Gasheizungen jedoch erst nach Sanierungs- und Neubauzyklen von 20 bis 30 Jahren verschwinden werden, muss die überschüssige Wärme bis dahin anderweitig genutzt werden. Würde sie im Winter nämlich den Erdspeichern nicht entzogen werden, würde das Erdreich sich mit den Jahren aufheizen, was negative Folgen für das Grundwasser und ggf. auch für die geotechnischen Gegebenheiten hätte.

Rund die Hälfte aller Gewächshäuser entlang der Frankfurter Brücken können im Winter mit thermischer Wärme aus dem Erdboden geheizt werden

Entlang der Frankfurter Brücken stehen Gewächshäuser mit einer Gesamtfläche von schätzungsweise 85.000 m². Sie verbrauchen im Vergleich zu Wohn- bzw. Nichtwohngebäuden im Winter deutlich mehr Wärme pro Quadratmeter. Der durchschnittliche Wärmeverbrauch für ein Gewächshaus, das zum Beispiel für tropische Gewächse eine durchschnittliche Temperatur von mindestens 18 °C im Winter beibehalten muss, liegt bei über 400 kWh/m²a. Gewächshäuser mit europäischen Pflanzen hingegen, deren Temperatur im Winter lediglich nicht unter 5 bis 10 °C fallen darf, benötigen 60 bis 120 kWh/m²a.

Gewächshäuser entlang der Brücken können ihren Bedarf von schätzungsweise rund 40 GWh/a Wärme zur Hälfte aus der Erdwärme beziehen, die von den geothermisch aktivierten Pfählen der Brückensäulen bereitgestellt werden; die andere Hälfte ihres Bedarfs kann mithilfe der solarthermischen PVT-Wärme, die im Sommer durch BETS im Boden gespeichert wird, gedeckt werden.

Der Raumwärme-Verbrauch auf den Brücken von 26 GWh/a durch Wohnhäuser und 14 GWh/a durch Nichtwohngebäude sowie der Verbrauch der Hälfte der Gewächshäuser entlang der Brücken von rund 20 GWh/a lässt sich mit den 35 GWh/a Erdwärme und den 12 GWh/a Solarwärme zuzüglich 13 GWh/a Wärmepumpen-Energie abdecken

Außer der Erdwärme stehen im Winter noch rund 220 GWh/a Wärme aus anderen Quellen zur Verfügung

Mit dieser Wärme lässt sich die andere Hälfte der Gewächshäuser, die nicht durch Erdwärme abgedeckt sind, heizen. Auch das Entfrosten von Straßen oder das Wärmen von Haltestellen auf und unter den Brücken, an denen Leute warten, können potentielle Abnehmer sein, ebenso wie Schwimmbäder oder große Hallen in Brückennähe.

Sobald Gebäude entlang der Brücken auf Heizen mit Wärmepumpe umstellen, erhalten diese natürlich vorrangig Wärme aus diesem „Wärmevorrat“.

Die Kühlung der Wohngebäude dient gleichzeitig der Regeneration von Erdwärme

Für die Raumwärme der Brückengebäude wird dem Boden während des Winters Wärme entnommen. Um das Auskühlen der Erde über die Jahren hinweg zu vermeiden, muss die im Winter entnommene Wärme allerdings „regeneriert“ werden. Dies wird vor allem im Hochsommer mithilfe der thermischen Energie realisiert, die aus den Gebäuden zwecks Kühlung in den Boden hinuntergeschickt wird.

Würde man der Erde immer nur Wärme entziehen, ohne neue Wärme hinunterzuführen, würde der Boden mit der Zeit auskühlen und sein Heizpotenzial im Winter allmählich verlieren. Auf den Frankfurter Brücken werden jedoch im Zuge der Gebäudekühlung im Sommer ca. 26 GWh/a Wärme von den Wohngebäuden entnommen und mittels Wärmepumpen zur Regeneration unter die Erde geleitet.

Die Gebäude auf den Frankfurter Brücken werden einen sehr niedrigen thermischen Energieverbrauch erreichen

Für die Wohngebäude der Brücken wird die EU-Vorgabe von 30 kWh/m²a eingehalten werden. Auf diesen Wert wirken mehrere Faktoren ein, die wichtigsten sind jedoch:

Bauweise

-Bauart: Einfamilienhaus vs. Mehrfamilienhaus, kompakte Bauweise vs. zergliederte Bauweise, Reihenhaus vs. freistehendes Gebäude

-Bauphysik: Baumaterial (Ziegel, Beton, Holz, Lehm etc.) und Dämm-Materialien

Energietechnik

-Energieträger: Gas, Öl, Pellets, (Luft-)Wärmepumpe

-Abdichtung: insbesondere Fenster und Türen

-Nutzung von Abluft-Wärme/-Kühle

Auf den Frankfurter Brücken gibt es mannigfaltige Bauweisen mit verschiedenen Bau- und Dämm-Materialien.

Als Energieträger kommen Wärmepumpen, unterstützt von bodennaher Geothermie, sowie Strom für die Warmwasser-Bereitung zur Anwendung.

Optimiert wird der Energieverbrauch durch entsprechende Abdichtungen, in Teilen durch die (filterfreie) thermische Nutzung von Abluft sowie durch entsprechende Steuerungssysteme.

Auf den Frankfurter Brücken wird innovativ beides vereint: humane schöne Architektur mit optimierter Energieeffizienz

Eintönige Architektur deprimiert, während schöne, gelungene Architektur von Menschen geliebt wird: Sie wirkt tröstend und aufheiternd  – diese Erfahrung hat fast jeder schon mal gemacht.

Mit innovativer Energie-Technik wird es möglich, auf den Frankfurter Brücken die ganze Palette der Wohnmöglichkeiten zu realisieren, die unterschiedliche Gruppen von Menschen bevorzugen: egal ob Altbau oder moderne Architektur – alles ist energieeffizient gestaltet und human.

Neben der Bauart spielen die verwendeten Baumaterialien eine große Rolle für den Energieverbrauch der Gebäude

Für zu verwendende Baumaterialien gibt es auf den Frankfurter Brücken vier Kriterien:

1. Sie müssen gute Dämmeigenschaften haben.

2. Sie müssen unter Berücksichtigung des gesamten ökologischen Rucksacks nachhaltig sein.

3. Sie dürfen keine Brandgefahr darstellen bzw. die Brandgefahr nicht erhöhen.

4. Sie müssen vergleichsweise leicht sein wegen der Statik der Brücken.

Jedes Baumaterial hat seine Stärken in einer Kombination der vier Filterkriterien, und daher kommen auch völlig unterschiedliche Materialien auf den Brücken zum Einsatz, getreu dem Konzept, ein Schaufenster der Innovationen zu bieten.

Zum Teil handelt es sich um herkömmliche, altbewährte Baumaterialien und Bauweisen (z.B. Holzfachwerk), zum Teil aber auch um moderne innovative Baumaterialen (z.B. Rabbitz-Konstruktionen aus Rundeisen, Drahtgitter und Kalkgips sowie Kalkzementputz).

Welche Materialien wo Anwendung finden, wird Abschnitt für Abschnitt entschieden, gemäß dem Architekturstil in dem jeweiligen Abschnitt (hochmoderne Kugelbauten aus klassischem Fachwerk bauen zu wollen, ist beispielsweise nicht sinnvoll) sowie auch im Hinblick auf die Lokalität. Auch die Ausgestaltung der Brücke selbst pro Abschnitt ist mitbestimmend bei der Auswahl des Gebäude-Baumaterials: Ist die Brücke zum Beispiel an einer Stelle durch mehr Säulen gegründet, kann ein Gebäude darüber auch mal aus Tuffstein sein – der ist zwar als Naturstein schwerer als z.B. Fachwerk, aber er ist immer noch vergleichsweise leicht, kunsthandwerklich sehr gut zu bearbeiten, ökologisch einwandfrei und brennt nicht.

Verschiedene Arten von „Porenbeton“ sind aufgrund ihrer Leichtigkeit, ihrer guten Gestaltbarkeit und ihrer Wärmedämm-Eigenschaften ohne zusätzliche Wärmedämm-Maßnahmen eine der wichtigsten Baustoffgruppen für die Gebäude auf den Frankfurter Brücken

Porenbeton gehört zur Gruppe der Leichtbetone, auch wenn er streng genommen gar kein Beton ist, da er keine Gesteinszuschläge beinhaltet.

Porenbeton verfügt über ausgezeichnete Wärmedämmeigenschaften, welche durch die vielen, im Inneren vorhandenen Luftkammern zustande kommen. Daher lassen sich mit Porenbeton ohne zusätzliche Wärmedämmmaßnahmen Außenwände errichten, die dem Niedrigenergiehausstandard entsprechen.

Für die Ausgestaltung der unterschiedlichsten Architekturstilrichtungen und insbesondere für die Bearbeitung durch Kunsthandwerker ist er geradezu perfekt geeignet.

Nachteilig wirkt sich die relativ geringe Dichte lediglich auf die Schalldämm-Eigenschaften aus, und das Feuchte-Ausgleichsverhalten ist aufgrund der vielen Poren vergleichsweise schlecht.

Doch für die Nachteile in puncto Schallschutz – oder auch Feuchtigkeitsschutz – gibt es bereits zahlreiche innovative  Lösungsansätze, so dass Porenbeton für die Frankfurter Brücken in seinen verschiedensten Varianten insbesondere für die Quartiersabschnitte im Altbau-Stil ein passendes Material ist.

Die Frankfurter Brücken setzen aber auch auf traditionelle nachhaltige Baumaterialien

Holz und Lehm sind beide nachhaltig, in bestimmten Ausführungen vergleichsweise leicht, dämmen gut und sind (mit entsprechender Bearbeitung) nur schwer entflammbar. Ohne ergänzende Materialen zum Dämmen oder zur baulichen Verbesserung können beide Materialien nicht ihr Optimum erreichen. Auf den Frankfurter Brücken wurde das Ziel gesetzt, die unterschiedlichsten Bauweisen und Kombinationen aus herkömmlichen und nachhaltigen Baumaterialien bei ihren Gebäuden zu verwirklichen – je nach Architekturstil in einem Quartiersabschnitt herrscht dann eine andere Bauweise vor. Begleitet von Forschung und Wissenschaft sollen so über die Jahre hinweg die im Hinblick auf CO₂-Emmisionen und Nachhaltigkeit besten Bauweisen identifiziert werden. Für Fachwerkhäuser beispielsweise eignet sich der Brückenabschnitt über dem Parkplatz der Deutsche Bank Arena im Süden von Frankfurt, wo auf einem 27.000 m² großen Areal eine Hommage an die Frankfurter Altstadt entsteht. Die Häuser der Frankfurter Altstadt waren zum Teil Meisterwerke der Fachwerkskunst, welche bis heute eine ausgezeichnete Wohnatmosphäre bieten kann.

Weiteres Neuland: Sogenannte Rabbitzkonstruktionen bestehend aus Rundeisen, Drahtgitterträgern, einem Putzträger und innen Kalkgips sowie außen Kalkzementputz

Rabbitzkonstruktionen sind für Gebäude auf den Brücken ideal, da ihr Hauptbaustoff Gips ein Multi-Talent ist: Als reines Naturprodukt beinhaltet er keine Schadstoffe, ist mit niedrigem CO₂-Ausstoß verbunden und kann noch dazu unbegrenzt recycelt werden. Außerdem ist Gips dank des eingeschlossenen Wassers nicht brennbar und wirkt sogar feuerhemmend. Durch die geringe Wärmeleitfähigkeit bleibt Wärme im Gips lange erhalten – ein großer Pluspunkt beim Heizen. Seine poröse Oberfläche nimmt die Feuchtigkeit gut auf und kann dadurch das Raumklima regulieren.

Es gibt nur einen Nachteil: Gips ist zum Teil wasserlöslich. Daher verwendet man im Innenbereich Kalkgips und im Außenbereich Kalkzementputz. Dazwischen bleibt Raum für Dämmung, die aus diversen Materialien (Gras, Hanf etc. oder auch Perlit) bestehen kann.

Die notwendigen U-Werte* für das Ziel, unter 30 kWh/m​​​​​​​2a Heizenergie zu kommen, können bei der richtigen Kombination von Baustoffen und Bautechnik mit den hier vorgestellten Materialien erreicht werden

Die Frankfurter Brücken sind auch in Bezug auf moderne Bauphysik ein Schaufenster der Innovationen, so dass unterschiedlichste Baumaterialien, Kombinationen und Dämmsysteme ausprobiert und in Langzeittests weiter erforscht werden können.

Egal welche Bauart und welches Baumaterial: Die Entscheidung, ob mit Öl und Gas oder mit einem Wärmepumpen-System geheizt wird, wirkt sich am stärksten auf die EU-Vorgabe von 30 kWh/m2a für Wohngebäude aus

Herkömmliche Heizprozesse funktionieren, indem etwas verbrannt wird, sei es Öl, Gas oder auch Pellets.

Vor dem Hintergrund der CO₂-Senkungsmaßnahmen ist die Wärmepumpe inzwischen zum Mittel der Wahl geworden: Hierbei wird nichts verbrannt, sondern ein Prinzip verwendet, das quasi genau umgekehrt wie ein Kühlschrank funktioniert.

Die Wärmepumpe nutzt in geringem Maße elektrische Energie und zu 75 % die Wärmeenergie (im Fall von COP=4) aus der Umgebung, z.B. Luft, Erde oder Sole aus Solarsystemen.

Über Kompressionsvorgänge wird ein umweltverträgliches Kältemittel auf ein höheres Temperaturniveau gebracht, um damit das Wasser in den Heizrohren heizen zu können.

Auf den Frankfurter Brücken werden sämtliche Gebäude mit thermisch aktivierten Flächen ausgestattet

Ob Wand, Boden oder Leiste vor dem Fenster, die Heizsysteme haben auch kleine Nachteile: Man muss bei der Wand wissen, wo sich Heizschlaufen im Inneren befinden, um nicht versehentlich Nägel hineinzuhauen; Fußbodenheizungen sind vergleichsweise träge: Man möchte ja nicht mittags schon mit dem Heizen beginnen, wenn man erst abends um 20:00 Uhr nach Hause kommt. Und Heizleisten, aus denen warme Luft bläst, können ähnlich wie Klimageräte auch unangenehm viel Staub aufwirbeln und sind gerade für Allergiker und Asthmatiker ein Problem.

Um die negativen Auswirkungen dieser modernen und klimafreundlichen Technologien auf den Luxus zu kompensieren, werden in den Gebäuden vereinzelt redundant auch kleine herkömmliche Heizkörper angebracht, die mit Hochtemperaturwärme laufen (z.B. erzeugt mit Brennstoffzellen). Diese Heizkörper kommen nur in besonderen Situationen zum Einsatz, wenn beispielsweise in der Übergangszeit nur ein, zwei Stunden abends Wärme benötigt wird und die Fußbodenheizung, einmal angeworfen, langsam reagiert und viel zu lange nachheizt; oder bei hohem Wärmebedarf an einem kalten Wintertag als Unterstützung.

Weitere Maßnahmen: Abdichtung und Nutzung von Abluftwärme eines Gebäudes

Dass gut abgedichtete Fenster und Türen, inkl. Terrassen- und Balkontüren helfen, Heizenergie zu sparen, ist allgemein bekannt und ist auch bei Neubauten seit Jahren gängige Praxis.

Viel weniger bekannt und auch weniger beliebt ist die Nutzung von Abluftwärme aus den Räumen, um die hereinströmende Luft schon einmal vorzuwärmen. Das Prinzip ist einfach: Verbrauchte, stickige, aufgewärmte Luft will man loswerden, stößt aber hierzu nicht die Fenster auf, sondern saugt die Luft ab und leitet sie in einem Rohr nach draußen. Im Inneren dieses Rohres liegt ein zweites Rohr, durch das die frische, aber deutlich kühlere Luft reinströmt. Diese wird durch die warme Abluft vorgewärmt, bevor dann Fußboden- und Wandheizungen den Rest tun. Der einzige Nachteil: Es handelt sich um ein System, bei dem hereinströmende Luft durch eine Filteranlage geführt wird. Und Luftströme von Filteranlagen sind - zumindest für Wohnräume - meist nicht angenehm.

Dafür gibt es eine Lösung, die nicht mit Filtern arbeitet, sondern ganz aus Metall oder Keramik besteht und leicht zu reinigen ist: der sogenannte Rotationswärmetauscher, wobei zu beachten ist, dass der Begriff "Tauscher" wärmetechnisch etwas unscharf ist. Denn es findet kein Austausch, sondern nur eine einseitige Übertragung von Energie statt. Das Resultat ist jedoch eindeutig: Für das Heizen eines Raumes wird damit weniger Energie benötigt.