RoofKIT in Karlsruhe

Flexibel durch Funk

Vor allem in Stadtregionen steht ein großer Bedarf an bezahlbarem Wohnraum einem wachsenden Flächenverbrauch und der damit einhergehenden Bodenversiegelung gegenüber. Das ist einer der Gründe, warum Umnutzung und Aufstockung von Bestandsbauten eine zunehmend wichtige Rolle im Architekturgeschehen spielen. Am Karlsruher Institut für Technologie wurde in diesem Zusammenhang das Potenzial von Vorfertigung und modularem Bauen erkundet. Hier entwickelte ein Studierendenteam unter der Leitung von Professor Dirk Hebel des Lehrstuhls für Nachhaltiges Bauen und Professor Andreas Wagner des Lehrstuhls für Bauphysik und Technischen Ausbau den Aufstockungs-Prototyp RoofKIT, der nicht nur in Sachen Flächenverbrauch mit gutem Beispiel vorangeht.

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Konzept und Demonstrator entstanden als Wettbewerbsbeitrag für den Solar Decathlon Europe 2022 und wurden dort mit dem ersten Platz ausgezeichnet. Die Vision hinter dem Projekt war, eine modulare Aufstockung zu entwickeln, die an verschiedenen Orten und Gebäuden errichtet werden kann. Der Wettbewerbsentwurf setzte den Prototyp in einen realen Kontext: mit ihm wurde gezeigt, wie das Café Ada in Wuppertal vertikal erweitert werden könnte.

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Aufstockungs-Prototyp: Modular, kreislauffähig und energieeffizient

Beim RoofKIT handelt es sich um ein Modulsystem, bei dem die Einheiten sowohl allein als auch kombiniert funktionieren. Dadurch kann auf verschiedene Gegebenheiten und Situation reagiert werden. Eine dieser Einheiten setzte die Hochschulgruppe als 1:1-Demonstrator zunächst in Wuppertal um. Zusammengesetzt ist sie aus drei Modulen mit einem zentralen Funktionskern, der alle technischen Installationen, die Küche und das Bad bündelt. Der Kern beinhaltet außerdem eine Funktionswand mit faltbaren Möbeln und integriertem Stauraum. Die Grundrissaufteilung und Kompaktheit sind Ergebnis des Bestrebens, möglichst sparsam und effizient mit Raum umzugehen: Das Innere der Einheit kann dadurch weitgehend frei von einzelnen Möbeln und anderen Einrichtungsgegenständen bleiben. Zudem wurden die privaten Flächen pro Person reduziert und die freigewordenen Quadratmeter stattdessen großzügigen Gemeinschaftsräume zugeordnet.

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Seit April 2023 steht der Demonstrator auf dem KIT-Campus in Karlsruhe und kann dort besichtigt werden. Den Umzug hat er ohne Schäden oder Qualitätsverluste überstanden. Das war möglich, weil das Team von Beginn an die Demontierbarkeit der Bauteile einplante, die den Prototypen und künftige Module kreislauffähig machen sollen: Vergebens sucht man an der Holzkonstruktion Klebstoffe, Imprägnierungen oder Farben, Schäume oder Nassabdichtungen. Stattdessen wurden mittels digitaler Fertigungsverfahren reversible Verbindungssysteme und Fügungen eingefräst. Zudem wurde auf Verbundstoffe oder Materialmischungen verzichtet und stattdessen ausschließlich Monomaterialien verwendet, die nach Gebrauch dem Materialkreislauf zugeführt werden können, ohne dabei an Qualität zu verlieren (Downcycling).

Viele der eingesetzten Materialien sind gebraucht und entstammen bereits einem Urban-Mining-Kreislauf: Holz aus alten Scheunen im Schwarzwald, die Eingangstür aus einem Gebäude aus dem 19. Jahrhundert, Fenster aus einem abgerissenen Gebäude in Basel, Bad- und Küchenarmaturen aus Messe-Rückbauten. Die Dacheindeckung besteht zu 100 % aus recyceltem Kupfermaterial, die Küchen- und Badezimmeroberflächen wurden aus alten Joghurtbechern hergestellt, die Toilette und die Dusche sind mit Glaskeramik aus zerbrochenem Glas verkleidet, der Spiegel ist aus hochglanzpoliertem Stahl und das Pflaster im Eingangsbereich wurde aus Bauschutt gewonnen.

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Des Weiteren wählten die Hochschulgruppe viele biologische Baustoffe: Alle Wände sind mit Lehmputzen versehen, um die Luftfeuchtigkeit und damit die Luftqualität natürlich zu regulieren. Als Dämmmaterialien kamen Filz und getrocknetes Seegras zum Einsatz. Plattenwerkstoffe und Lampenschirme bestehen aus Myzelium, dem Wurzelwerk von Pilzen.

PVT-Module für Strom- und Wärmeerzeugung

Neben der hohen Raum- und Materialeffizienz, ist die Aufstockungseinheit auch in Hinblick auf Energieerzeugung und -verbrauch fortschrittlich: Der gesamte Bedarf wird mit erneuerbaren Energien gedeckt, die das Gebäude selbst über seine technische Ausstattung erzeugt. Eingesetzt wurden dafür PVT-Kollektoren, die zugleich Strom und Wärme produzieren. Die Wärme wird in eine Wärmepumpe gespeist, die wiederum Fußbodenheizung und Warmwasserspeicher bedient. Überschüssige Energie wird in einem thermischen Pufferspeicher zwischengespeichert. Damit die PVT-Module sich harmonisch in die architektonische Gestaltung einfügen, erhielten sie eine farblich an das kupferfarbene Dach angepasste Beschichtung – mit nur wenigen Verlusten beim Wirkungsgrad. In den Sommermonaten sorgt ein passives Kühlsystem für ein angenehmes Raumklima: Das System nutzt eine effektive Beschattung und die thermische Masse sowie eine Nachtlüftung zur Entladung der thermischen Masse.

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Gebäudeautomation ohne Verkabelung

Da das Modulsystem sich für verschiedenste Situationen und Bestandsstrukturen eignen sollte, musste nicht nur die Konstruktion, sondern auch die technische Ausstattung flexibel anpassbar sein. Daher hat das Team im Sinne der Suffizienz auf eine aufwendige Technikinfrastruktur verzichtet – ohne Abstriche beim Komfort für die Nutzer*innen sowie bei der Qualität der Anlagen. Eingebaut wurde ein funkbasiertes Steuerungssystem für Energie und technische Ausstattung: So sorgen in die Fassade integrierte Pendellüfter ohne Lüftungskanäle für Frischluft im Innenraum; Lichtschalter ohne Kabel steuern das Licht. Lamellenstore an der Süd- und Westfassade sowie die Oberlichter im Dach öffnen sich automatisch für eine natürliche Nachtlüftung. Das System bezieht auch die angedachten Bewohner*innen mit ein: Über eine installierte Schnittstelle erhalten sie Informationen darüber, wann sie die Fenster öffnen sollen, um die Wirksamkeit der Nachtlüftung zu verbessern.

Eingesetzt wurde dafür ein KNX RF System, das Funk als Übertragungsmedium für den Datenaustausch von Sensoren und Aktoren nutzt (RF = Radio Frequency). Diese Art von kabelloser Vernetzung bzw. Gebäudesteuerung wird häufig bei Sanierungsprojekten verwendet, wenn das Verlegen von neuen Datenleitungen nicht möglich ist. Da die Aufstockungseinheit als universale Lösung an verschiedenen Orten Anwendung finden soll, haben die Beteiligten mit der funkbasierten Gebäudeautomation eine flexible und vielseitig einsetzbare Lösung gefunden, die ohne komplizierte Installationsinfrastruktur auskommt. Das System wartet mit diversen Sensoren auf, darunter CO2-Sensoren sowie eine Wetterstation. Außerdem integriert ist das Energiemanagement, mit dem der Eigenverbrauch und Ertrag der Solarenergie, das Laden und Entladen der Batterien und des thermischen Pufferspeichers optimiert wird. Die Bedienung erfolgt manuell über KNX-Taster oder ein Tablet. Ein KNX-DALI-Gateway ermöglicht zudem die Integration einer intelligenten Lichtsteuerung. -si

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Bautafel

Architektur und Konstruktion: Professur Nachhaltiges Bauen, Prof. Dirk E. Hebel
Studentisches Projektteam: Patrick Bundschuh, Stefanie Christl, Luca Diefenbacher, Florian D’Ornano, Jonas Ernst, Dominic Faltien, Nadine Georgi, Aaron Harter, Johannes Hasselmann, Louis Hertenstein, Michael Hosch, Martin Kautzsch, Jennifer Keßler, Nicolas Klemm, Katharina Knoop, Sebastian Kreiter, Anne Lienhard, Michelle Montnacher, Fabian Moser, Friederike Motzkus, Jana Naeve, Saskia Nehr, Julian Raupp, Alexander Resch, Nicolas Salbach, Julian Schmidgruber, Natascha Steiner, Niels Striby, Dennis Sugg, Moritz Tanner, Sven Teichmann, Benjamin Weber, Vincent Witt, Immanuel Zeh
Projektbeteiligte: Professur Bauphysik und Technischer Ausbau, Prof. Andreas Wagner (Gebäudetechnologie); 2hs Architekten und Ingenieure, Prof. Karsten Schlesier HCU Hamburg und Professur Tragwerksplanung und Konstruktives Entwerfen, Prof. Ricardo La Magna (Tragwerksplanung); Professur Bauphysik und Technischer Ausbau, Prof. Andreas Wagner (Lichtdesign); Professur Stadt und Quartier, Prof. Markus Neppl (Urban Mobility); Professur Ökonomie und Ökologie des Wohnbaus, Prof. Thomas Lützkendorf (Lebenszyklusanalysen); Kaufmann Zimmerei und Schreinerei, Reuthe (Fabrikation); Bastian Niemann, clever4home, Denkendorf (Systemintegration KNX RF); Jung, Schalksmühle (KNX RF-Technologie)
Bauherr/in: Karlsruher Institut für Technologie - KIT
Fertigstellung: 2022
Standort: KIT Campus Süd, Gebäude 30.79, Richard-Willstätter-Allee / Adenauerring, 76131 Karlsruhe
Bildnachweis: Zooey Braun; SDE  2021-22

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