Im Folgenden werden die besonderen Anforderungen an die Planung von vorgefertigten Passivhäusern, die daraus resultierenden Konstruktionsweisen und die Potenziale für zukünftige Optimierungen von Konstruktion und Fügung aufgezeigt.
Das Passivhaus als zukünftiger Energiestandard
Von 1991 bis 2005 wurden in Deutschland 4000 Passivhäuser gebaut, noch größerer Beliebtheit erfreut sich die Bauweise in Österreich. Vorurteile, dass Luftdichtigkeit, hoher Dämmgrad und mechanische Be- und Entlüftung zu Einbußen in der Wohnqualität führen, sind weitgehend widerlegt und ausgeräumt.
Die Einführung des Energiepasses, der den Heiz- und Primärenergieverbrauch dokumentiert, wird zur weiteren Verbreitung der Bauweise führen. Steigen die Energiepreise weiterhin, wird der Passivhausstandard nicht auf Wohngebäude beschränkt bleiben, sondern sich auch auf andere Typologien wie den Bürobau oder Gewerbebau ausweiten. Der Referentenentwurf der nächsten Novellierung der EnEV sieht auch für Nicht-Wohngebäude Energiepässe vor und bereitet so der angesprochenen Entwicklung den Weg.
Massiv- und Leichtbauweisen
Die ersten Passivhäuser waren Massivbauten, in Wärmedämmverbundsysteme von bis zu 30 cm Stärke gekleidet. Inzwischen hat sich auch die Holzleichtbauweise im Passivhausbau etabliert. Ob dem Leicht- oder dem Massivbau der Vorzug gegeben wird, muss im Einzelnen abgewägt werden. Diverse Vor- und Nachteile stehen sich hierbei gegenüber:
Ein Vorteil der Leichtbauweise liegt in der Minimierung des Gründungsaufwands, bei Häusern ohne Keller kann beispielsweise auf Streifenfundamente verzichtet werden. Zudem bedeuten niedrigere Lasten auch geringere Transportkosten und für die Montage reichen kleinere Kräne aus. Zu kürzeren Bauzeiten führt ein relativ hoher Vorfertigungsgrad, auch die im Massivbau nötigen Trocknungszeiten entfallen. Selbst bei Fertigteilen aus Beton oder Ziegel muss zeitaufwändig die gedämmte Außenhaut aufgebracht werden. Ein weiterer positiver Aspekt ist der niedrige Primärenergiegehalt gegenüber Massivbauweisen. Bei Passivhäusern fällt der Gesamtenergieaufwand für die Errichtung eines Gebäudes durch die Marginalisierung des Heizwärmeverbrauchs besonders ins Gewicht. Zum Vergleich: Eine Holztafelwand hat einen Primärenergiegehalt von < 400 MJ/m2, eine vergleichbar gedämmte Kalksandsteinwand von > 800 MJ/m2. Weil tragende Bauteile und Wärmedämmung bei Holztafelbauten in der gleichen Ebene liegen, werden die Wandstärken kleiner und damit der Flächenverbrauch geringer.
Der Luft- und Körperschallschutz ist hingegen im Massivbau leichter zu erfüllen, ebenso wie die Luftdichtigkeit. Der häufig gelobten »Gutmütigkeit« massiver Bauten bei Planungsfehlern steht die Schadensanfälligkeit von bis zu 30 cm dicken Wärmedämmverbundsystemen gegenüber. Ein großer Vorteil des Massivbaus ist die hohe Wärmespeicherfähigkeit, die bei längeren Kälteperioden ohne Sonnenschein das Einschalten der Notheizung unnötig macht – anders als beim Leichtbau.
Anforderungen an die Planung von vorgefertigten Passivhäusern
Der Planungsaufwand für vorgefertigte Bauweisen ist im Vergleich zu konventionellen erheblich höher. Nachträgliche Änderungen von Maßen oder Verbindungen können Zeit- und Kostenvorteile der Vorfertigung ins Negative umkehren. Um Dimensionierungen und Fügungen zu überprüfen, empfiehlt sich bei komplexen Konstruktionen die Planung in 3-D, um die räumliche Verbindung der Einzelteile darzustellen. Größere Zimmereien arbeiten in der Regel mit vollautomatischen Abbundmaschinen, welche die ins CAD-Programm eingegebenen Bauteilabmessungen übernehmen können.
Aber auch erhöhte technische, konstruktive und bauphysikalische Anforderungen wie Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung schlagen sich im Detailaufwand nieder und führen im Vergleich zu konventionellen Bauten zu einem erhöhten Zeitaufwand für die Bauüberwachung.
Die Luftdichtigkeit ist ein elementarer Bestandteil des Passivhauskonzepts, da sie unkontrollierte Wärmeverluste und Feuchteschäden durch Konvektion verhindert.
Fehler, die anfangs wegen ungenügender Luftdichtigkeit zu Feuchteschäden führten, können heute mit Hilfe des Blower Door-Tests, einem Differenzdruck-Messverfahren, vermieden werden. Um den Passivhaus-Standard zu erreichen, muss der Luftdichtigkeitswert n50 unter 0,6/h liegen. In der Praxis wird meist ein Wert von ca. 0,3 /h angestrebt.
Zu Undichtigkeiten führen selten die Flächen, sondern meist die Bauteilfugen und Anschlüsse. Um diese luftdicht auszubilden, können mit Klebestreifen verbundene Folienabdichtungen auf die Innenseite der Holzständer angebracht werden. Bei der Herstellung der Bauteile werden hierbei allseitig Folienüberstände vorgesehen, die später mit den angrenzenden Bauteilen zu verbinden sind.
Weniger empfindlich sind innenliegende aussteifende Holzwerkstoffplatten. Deren Fugen werden mit breiten, dehnbaren Klebebändern abgedichtet, die Bautoleranzen und thermische Bewegungen aufnehmen können.
Bauteilanschlüsse wie der Deckenanschluss oder der Fenstereinbau sollten so detailliert sein, dass sie durch den Handwerker auf einfache Weise luftdicht ausgeführt werden können. Um Durchdringungen der luftdichten Ebene, z.B. durch das Setzen von Steckdosen, zu vermeiden, ist eine Installationsebene von mindestens 6 cm hilfreich – auch wenn hierdurch zusätzliche Kosten entstehen.
Die größte Gefahrenquelle für Leckagen ist der Deckenanschluss. Dieser kann entweder als Auflagerung (platform-framing, Abb. 5) ausgeführt werden, oder als vorgesetzte Verbindung (balloon-framing, Abb. 6), bei der die luftdichte Schicht senkrecht durchgeführt werden kann.
Die heute üblichen hinterlüfteten Konstruktionen werden in der Regel mit diffusionsdurchlässigen Bauteilquerschnitten ausgeführt, wobei es bauphysikalisch sinnvoll ist, dass der Dampfdiffusionswiderstand im Bauteil von innen nach außen nachlässt.
Deswegen wird innen häufig eine dampfbremsende OSB-Platte verwendet, die wie beschrieben mit Klebebändern abgedichtet wird. Auf der Außenseite werden hingegen diffusionsoffene Holzwerkstoffplatten oder bituminierte Weichfaserplatten angebracht, die durch eine Nut- und Feder-Verbindung als Winddichtung dienen.
Die Fugen von Fertigteilen sind Schwachstellen, da es dort außer der Luft- und Winddichtung keine Bauteilschichten als Diffusionswiderstand gibt. An Stellen, an denen durch Druckdifferenzen zwischen Innen- und Außenraum ein Luftaustausch stattfindet, kühlt sich das Bauteil bis auf die Außentemperatur ab; die von innen durchströmende feuchtigkeitshaltige Luft kondensiert und kann zu Fäulnis der Konstruktion führen. So transportiert eine 1 mm breite Fuge von 1 m Länge bei einer Innentemperatur von 20 °C und 50 % Luftfeuchtigkeit und einer Druckdifferenz von 2 Pa 360 g Wasser pro Tag. Dies zeigt, dass die Luftdichtigkeit nicht nur für den Wärme- und Feuchtehaushalt, sondern auch für Dauerhaftigkeit eines Gebäudes wichtig ist.
Im Zuge einer Erneuerung der MBO 2002 (Musterbauordnung), die nicht deckungsgleich in allen Landesbauordnungen Anwendung fand, wurde die neue Feuerwiderstandsklasse F60 (hoch feuerhemmend) eingeführt. Sie erlaubt brennbare Bauteile für tragende Funktionen einzusetzen, wenn sie mit nichtbrennbaren Baustoffen gekapselt sind. Damit sind sowohl Reihenhaustrennwände als auch bis zu fünfgeschossige Häuser mit Nutzungseinheiten von unter 400 m2 in Holzbauweise F60-BA möglich.
Für die Vorfertigung von Bauteilen ist zu berücksichtigen, dass sich im Brandfall durch Wärmeausdehnung keine Fugen bilden dürfen. Deswegen müssen immer mindestens zwei Ebenen versetzt zueinander aufgebracht werden, was in der Regel die Anbringung von zusätzlichen Ebenen nach der Bauteilmontage nötig macht.
Durch die Novellierung der Voralberger Baugesetze wurde auch bei den Passivhäusern des Architekten Johannes Kaufmann eine Brandwand in zweischaliger F60-Holz-Bauweise möglich (Abb. 13).
Um die Anzahl der auf der Baustelle zu erstellenden, schadensanfälligeren Verbindungen zu minimieren, sind größtmögliche Bauteilabmessungen anzustreben. Diese werden jedoch durch den Transport eingeschränkt. Die maximale Ladebreite eines Sattelschleppers liegt zwischen 2,50 und 2,90 m, die Länge bei 12 bis 18 m und die Höhe bei 3,00 bis 3,80 m. Diese hängt von der lichten Höhe der Brücken ab, die auf der Transportstrecke liegen. Ab 3 m Breite sind Transport-Sondergenehmigungen notwendig. Insbesondere breite Raumzellen können solch einen Mehraufwand erfordern.
Da der Transport und das Heben von Gebäudeteilen zu Verwindungen führen kann, werden bestimmte Schichten erst auf der Baustelle montiert. Dazu zählen Gipskarton-Vorsatzschalen oder Verglasungen, wenn die Elemente nur gering ausgesteift sind.
Konstruktionssysteme
In der Reihenfolge des Vorfertigungsgrades kann zwischen Skelett- und Tafelbauweisen sowie Raumzellenbauweisen unterschieden werden. Der Grad der Vorfertigung spielt insbesondere für den Innenausbau eine entscheidende Rolle, denn auf die dreitägige Rohbauzeit von Holztafelbauten folgen meist wochenlange Ausbauarbeiten. Ein Optimierungsansatz hierfür sind Schnellverbinder mit integrierten Installationsanschlüssen, die ein nachträgliches Verlegen von Installationsleitungen verzichtbar machen.
Das flexible Bausystem der Firma Fuerrot (Abb. 10, 11) aus Österreich besteht aus einem durch Andreaskreuze ausgesteiften Stahlskelett, das alle Vertikal- und Windlasten aufnimmt. Das tragende Skelett wäre auch in Holzbauweise möglich, würde aber zu weniger filigranen Querschnitten führen. Die Innenwände in Leichtbauweise sind nichttragend ausgebildet und ermöglichen eine maximale Flexibilität im Grundriss. Der Käufer kann zwischen sieben Grundrissvarianten von 89 bis 170 m2 Wohnfläche wählen. Das Passivhausprinzip wird hier als Teil eines Gesamtenergiekonzepts verstanden, das den Primärenergiegehalt der Konstruktion genauso berücksichtigt wie seine mögliche Recyclebarkeit. Die Außenwände sind mit einer Wärmedämmung von 36 cm ausgestattet und führen zusammen mit einem Lüftungskompaktgerät mit Wärmerückgewinnung zu einem Heizwärmebedarf von nur 13,5 KWh/m2.
Zu der kurzen Bauzeit des schlüsselfertigen Gebäudes von nur elf Tagen ab Bodenplatte trägt auch die Vorfertigung eines Installationsmoduls inklusive Bad und Haustechnik und die integrierte Treppe bei. Komplett in trocken gefügter Leichtbauweise erstellt, könnte das Gebäude in kürzester Zeit ab- und an einem anderen Ort wieder aufgebaut werden.
Im Wohnungsbau am häufigsten zu finden ist die Tafel- oder Elementbauweise, die statische und bauphysikalische Anforderungen in einem Bauteil vereint und zudem den Raumabschluss bilden.
Es ist auch für Passivhäuser mit Wanddicken von 30 bis 40 cm möglich, Holzelemente aus Voll- oder Leimholzprofilen mit beidseitiger Beplankung herzustellen. Um die höhere Wärmeübertragung des Holzquerschnitts gegenüber der Dämmung zu vermeiden, können bei größeren Elementen auch zwei zueinander versetzte Lagen eingebaut werden.
Häufig verwendet werden zusammengesetzte Träger wie Steg- oder Kastenprofile, deren dünne Stege im Gegensatz zu Vollholzquerschnitten eine geringere Wärmebrücke darstellen. Horizontal eingebaut wirken die Träger mit ihrer gesamten statischen Höhe und machen Spannweiten von bis zu 8 m für Dächer und 6,50 m für Decken möglich. Beim vertikalen Einsatz in Wänden werden in der Regel Ober- und Untergurt unterschiedlich dimensioniert, sodass der innere Gurt die Traglasten und der äußere nur die Eigenlasten der Fassade aufnimmt. Zusammen mit einer versetzten zweiten Lage kann die völlige Wärmebrückenfreiheit von Wandaufbauten erreicht werden.
Beim Passivhaus der Architekten Vallentin (Abb. 1, 4) bestehen die vorgefertigten Wand- und Deckenelemente aus Stegträgern, deren Zwischenräume gedämmt sind. Die innere OSB-Beplankung dient bei allen Außenbauteilen gleichzeitig der Aussteifung und der Luftdichtigkeit und bildet zudem die sichtbare Innenoberfläche. Eine Verleimung der Nut- und Feder-Verbindungen gewährleistet die Dichtigkeit. An den Bauteilfugen wurde die Beplankung in einem kurzen Streifen ausgespart und vor Ort mit einem neuen OSB-Streifen abgedichtet.
Kennzeichnend für das Gebäude sind die großen Glasfenster, die das häufig vorgefundene Postulat widerlegen, dass selbst an Südfassaden ein Öffnungsanteil von 40 % nicht überschritten werden sollte. Durch eine Dreifachverglasung mit einem U-Wert von 0,6 W/m2K wird trotz hoher Dämmanforderungen der fließende Übergang zwischen Innen- und Außenraum möglich.
Massivholzbauweisen bieten im Gegensatz zu Holzrahmensystemen den Vorteil der hohen Wärmespeicherfähigkeit und des guten Schallschutzes. Da diese Elemente nicht luftdicht sind, ist bei Außenwänden eine Folie nötig, die entweder auf der Innenseite oder bei gewünschter innerer Sichtoberfläche zwischen dem Holzelement und der äußeren Dämmschicht liegen kann und gleichzeitig als Dampfbremse dient.
Bei der Reihenhaussiedlung von Johannes Kaufmann (Abb. 12) wurden Leicht- und Massivholzbau kombiniert. Zwischen den Haustrennwänden der zehn Häuser spannen Decken aus Massivholz-Fertigelementen, deren Masse wärmeregulierend wirkt. Ihre Oberseiten bilden den Bodenbelag. Die Fassadenelemente hingegen bestehen aus gedämmten Holzkasten-Fertigelementen. Verglasungsarbeiten, Fassaden- und Innenverkleidung erfolgten nachträglich.
Durch die kompakte Gebäudeform reichte eine Dämmung von 28 cm aus, um zusammen mit der Haustechnik den Passivhausanforderungen gerecht zu werden.
Bei der 2005 fertig gestellten Passiv-Reihenhaussiedlung im schweizerischen Stein des Architekturbüros René Birri (Abb. 7–9) ergaben die Ausschreibungen einen niedrigeren Preis für die Raumzellen- als für die Elementbauweise. Zusätzlich war die Luftdichtheit besser zu gewährleisten. Der kurze Transportweg von der Zimmerei zur Baustelle ermöglichte Module in der Größe des gesamten Reihenhausgrundrisses von 5,20 ≈ 14 m. Jeweils zwei Modulgeschosse wurden auf einen Ortbetonkeller gestapelt. Das Erdgeschossmodul bildet die Kellerdecke, das im Obergeschoss die Zwischendecke und das Dach. Decken und Wände bestehen aus Stegträgern mit einem Achsabstand von 52 cm, die in der Kellerdecke und im Dach 36 cm hoch sind. In der Zwischendecke wurden 24 cm hohe Träger eingesetzt, die von Zuluftleitungen durchstoßen werden.
Die Montage der vier Reihenhäuser dauerte eine Woche, Erschließung und Keller hatten drei Monate in Anspruch genommen. Die Fassade wurde nachträglich erstellt und besteht aus zwei Lagen Vollholzprofilen, deren Zwischenräume gedämmt sind. Die Lagen sind versetzt zueinander angeordnet und ermöglichen einen gedämmten Anschlag für die Fenster. Der U-Wert der Fassade liegt bei insgesamt 0,11 W/m2K.
Innovationen für Gebäudehüllkonstruktionen
Die dicken Wände von Passivhäusern führen z.B. bei einem zweigeschossigen Wohnbau mit einer Brutto-Grundrissfläche von 150 m2 und Außenwänden von 40 cm Stärke zu einem Flächenverlust von 14 m2 im Vergleich zu einem herkömmlichen Holzbau mit 20 cm Wandstärke. Eine Lösung für dieses Problem können Vakuum-Isolations-Paneele sein. Sie haben im Vergleich zu Mineralwolle den zehnfachen Wärmedurchlasswiderstand. Daraus ergibt sich für ein 4 cm dickes VIP ein U-Wert der Außenwand von 0,12 W/m2K, womit der Passivhausstandard erreicht wird. VIP (siehe auch Detail 5/2005) bestehen aus vakuumierten Aluminiumpaketen mit einer Füllung aus Silikaten oder Kunststoffen. Sie sind wegen des als Wärmebrücke wirkenden Aluminium-Randverbunds immer in mindestens zwei versetzten Lagen einzubauen. Unter der Voraussetzung, dass die Dauerhaftigkeit des Vakuums nachgewiesen werden kann und die Produktionskosten sinken, könnte bald auf die extrem tiefen Laibungen bei Passivhäusern verzichtet werden.
Der Einsatz von VIP in ein Wärmedämmverbundsystem oder als Paneel in Pfosten-Riegel-Fassaden ist bereits erprobt und auf dem Markt erhältlich. An weiteren materialadäquaten Fügesystemen wird gearbeitet.
Bei den vorgefertigten Fassadenmodulen der Firma Gap aus Österreich trifft das Sonnenlicht auf eine unter Glas liegende Pappwabenschicht, hinter der sich eine schwarz gestrichene DWD-Platte und ein Paket mit 16 cm Zellulosedämmung befindet. Im Winter werden durch die Absorbtion auf der dunklen Fläche Wärmegewinne erzielt, auch bildet sich in den Waben eine stehende Luftschicht, die den Wärmeverlust durch Konvektion in der hinterlüfteten Ebene verhindert. Im Sommer, wenn die Sonne steil am Himmel steht, verschatten die Papierlamellen die DWD-Platte und die Hinterlüftung vehindert eine allzu große Erwärmung.
Laut Hersteller geht durch die solaren Gewinne der mittlere U-Wert einer Südfassade gegen Null, selbst bei einer Nordfassade beträgt der mittlere U-Wert durch diffuses Tageslicht nur 0,08 W/m2K. Bisher wurden die Elemente für einige Wohnhäuser und für ein großes Verwaltungsgebäude der Polizeidirektion Duisburg mit über 4000 m2 Fassadenfläche verwendet.
Die Passivhaus-Bauweise ist durch hohe Anforderungen an die Sorgfalt in der Bauausführung prädestiniert für kontrollierte und witterungsunabhängige Vorfertigung. Wegen steigender Energiekosten und neuer Material- und Produktionstechnologien werden Passivhäuser in vorgefertigter Bauweise auf dem Wohnungsmarkt immer konkurrenzfähiger. Standardisierte Vorfertigung ermöglicht nicht nur für die Erstellungskosten eine größere Sicherheit, sondern auch für die Dauerhaftigkeit des Gebäudes.
Viele gebaute Beispiele zeigen, dass weder die hohen bauphysikalischen Anforderungen Einschränkungen für eine zeitgemäße Architektursprache bedeuten, noch die seriell elementierte Bauweise zu einer gestalterischen Eintönigkeit führen muss. Vielmehr sollten die hohen Anforderungen an die Planung als Chance gesehen werden, durch Kompetenzerwerb die Stellung des Architekten auf dem Wohnungsmarkt zu festigen.
