MIMO – Versuchsgebäude der Hochschule Düsseldorf

Wesentliche Fakten zum Projekt

Der im Wettbewerb Solar Decathlon umzusetzende und in zwei Wochen aufzubauende Gebäude-Prototyp wird House Demonstration Unit, kurz HDU, genannt und zeigt in der Wettbewerbsausgabe erstmals die in der vorgeschalteten sog. Design Challenge – ein im Stile eines Architekturwettbewerbs ausgearbeitetes Sanierungs- und Erweiterungskonzept zur urbanen Nachverdichtung – erarbeiteten Konzeptschwerpunkte auf einem vorgegebenen Baufeld von 18 x 18 m. Die Vorgabe der sog. Solar Envelope ließ hierin einen Baukörper von maximal 10 x 10 m bei einer Höhe von max. 7 m zu. Analog zur Aufstockung der Design Challenge zeigt die HDU des Team MIMO hierin exemplarisch zwei, auf ca. 8 m verkürzte kompakte Wohnmodule sowie ein TGA-Modul, welche gesperrt gegeneinander- und über zwei Ebenen aufeinandergestellt sind sowie von der Klimahülle umgeben werden. Auf den zwei Ebenen befinden sich somit jeweils ein auf das Nötigste reduzierte Wohnmodul sowie unterschiedliche Gemeinschaftsbereiche wie eine Küche, ein großer Essbereich, eine Lounge und ein Erschließungsmöbel samt Stauraum. Der Haupteingang führt Bewohner*innen und Besucher*innen quer unter dem Obergeschoss-Wohnmodul durch den gemeinschaftlichen Küchenbereich. Dieser ist durch doppelt gewebte Vorhänge räumlich und akustisch vom übrigen Raum trennbar. Hierüber und durch unterschiedliche Heizkreise kann der Küchenbereich in den Wintermonaten als Wärmeinsel mit einem höheren Temperaturniveau einzeln genutzt werden. Beim Übergang in den zweigeschossigen Hauptraum spannt sich ein lichter, weil weit und über viele Fensterflächen geöffneter Raum auf. Hier findet das gemeinschaftliche Leben statt, erschließt eine raumbildende Treppe die obere Lounge und bietet verdeckten Stauraum.

(1) Gemeinschaftsbereich mit schallabsorbierender Korkwand zur Verbesserung der Akustik
(2) Treppen zur oberen Lounge mit verdecktem Staumraum darunter sowie Lehmsteine in der hinteren Nordwand zur Verbesserung des Raumklimas (u.a. thermische Speichermasse, Feuchtepuffer)
(3) Multifunktionsmöbel zum Wohnen und Schlafen im Erdgeschoss
(4) Westseite 

Raummodule als suffizienter Lebensraum

Die Module basieren auf massiven, leimfreien Vollholz-Wand- und Deckenelementen, die zu Raummodulen vorgefertigt und vollständig installiert auf den Solar Campus in Wuppertal transportiert wurden. Beide Wohnmodule beinhalten neben jeweils einem Bad im Mittelteil zwei unterschiedlich nutzbare Wohnräume. Im Erdgeschossmodul wird mittels eines Multifunktionsmöbels ein Wohn-Schlafraum sowie eine kleine Küche vorgestellt. Beide Wohnmodule durchstoßen mit Ihren Hauptwohnräumen die Klimahülle, um den Bewohner* innen über vollflächige Hebe-Schiebetüren Außenzugang und eine hohe Tageslichtversorgung zu ermöglichen. Der jeweils andere Wohnraum mündet ebenfalls über raumhohe und öffenbare Verglasungen in den Gemeinschaftsbereich. Vorhänge bieten innen Blendfreiheit, Verdunkelung sowie Privatheit und dienen außen als Sonnenschutz.

Die Wandaufbauten bzw. -stärken der inneren Wohn-Raummodule sind hinsichtlich der Statik sowie des Schall-, Brand- und Wärmeschutzes auf 12 bzw. 18 cm optimiert und werden mit Kork gegenüber dem Gemeinschaftsbereich mit potenziell anderem Temperaturniveau gedämmt. Hierüber entsteht ein homogener, leimfreier und auf Basis von nur zwei Baustoffen stark vereinfachter Wandaufbau. Die Korkdämmplatten werden lediglich verschraubt, wobei die Schraubenköpfe unsichtbar versenkt werden. Kork wird als nachwachsender Rohstoff ohne Zuschlag von Fungiziden oder Flammschutzmitteln verbaut und erwirkt durch seine Offenporigkeit eine hohe Schallabsorption im Gemeinschaftsbereich. Neben leimfreiem Holz und unbehandeltem Kork ist Lehm wichtigster Naturbaustoff im Projekt. Während die o.g. lediglich eingestellten Lehmsteine der Nordfassade vor allem als thermische Speichermasse und zusätzlicher Schallabsorber dienen, sind die Badkerne der beiden Wohnmodule innen wie außen vollflächig mit Lehm verputzt, um seine Vorteile hinsichtlich Wärmespeicherung, Feuchteregulierung, Schalldämmung und Schadstofffreiheit einbringen zu können. Er bekleidet ebenfalls in Lehmbauplatten eingelegte Wandflächenheizungen, die darunterliegenden Lehmbauplatten und die hier zur Aussteifung eingesetzte Diagonalschalung aus leimfreien GFM-Massivholzplatten (GFM = Glue Free Massiv). Durch die Verwendung von Akazie (Holzboden im Bad) und Edelkastanie (Mobiliar) folgt das Badkonzept der Leitlinie des leimfreien Bauens und kann auf Kleber, Leim und Silikone fast vollständig verzichtet werden. Eingefräste Ablaufrillen münden in einer Rinne aus Holz. Eine übliche Badabdichtung, welche später nicht von anderen Komponenten zu trennen ist, wurde durch eine recycelte Folie, die im Wandbereich lediglich hinter den Lehmbauplatten mechanisch fixiert wird, ersetzt. Um die Lehmwände vor Spritzwasser der Dusche zu schützen, kommen eine freistehende Duscharmatur und ein raumhoher Duschvorhang zum Einsatz. Ein weiterer Vorteil dieser Duschanordnung ist die Rollstuhlgerechtigkeit und Barrierefreiheit bei minimierter Fläche, die im gesamten Erdgeschoss gewährleistet ist.

Klimahülle und TGA-Konzept

Die den Gemeinschaftsraum und Wohnmodule umgebende sog. Klimahülle bildet über großflächige, öffenbare Dachfenster und Glas-Lamellen in der Fassade einen thermischen Pufferraum. Während in den privaten Wohnräumen eine Wandheizung in den Badkernwänden und eine mechanische Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung für übliche (Temperatur) bzw. sehr gute (Luftqualität) Raumluft- und Komfortansprüche sorgen, weist der Gemeinschaftsbereich aus Effizienzgründen eine deutlich flexiblere Komfortspanne auf. Er wird rein natürlich be- und entlüftet sowie passiv gekühlt und kann ein Temperaturniveau zwischen 15 und 35 °C annehmen. Erst bei sehr geringen Außentemperaturen werden die solaren Wärmegewinne über die großflächigen Verglasungen um Heizwärme aus einer Fußbodenheizung ergänzt.

In die Fenster eingebettete Photovoltaikzellen sorgen für Stromertrag und Schattenwurf. Ihre Anordnung ist hinsichtlich der Ein- und Ausblicke sowie des Energieertrags und Tageslichteinfalls parametrisch abgestimmt. Die BIPV-Gläser (building-integrated photovoltaics) erzielen durch hochtransparente Gläser, die Verwendung hocheffizienter kristalliner Zelltechnologien und eine spezielle Silikon-Einbettung höchste und langfristig stabile Energieerträge und eine hervorragende Schalldämmung. Ein sensorbasiertes Managementsystem steuert die Öffnung der transparenten Fassadenelemente gemäß der Komfortanforderungen. Dabei werden deren Neigung gegenüber solarer Einstrahlungswinkel zur Vermeidung möglicher Verschattung der PV-Zellen sowie Innenraumtemperatur, Luftfeuchte und CO₂-Belastung gegenüber äußerer Witterung per Sensorik und Wetterstation abgewogen. Die intelligente Fassade übernimmt damit sowohl Aufgaben des winterlichen Wärmeschutzes (Lamellen geschlossen) als auch des sommerlichen Wärmeschutzes (Lamellen teilweise geöffnet, PV-Module als Sonnenschutz) und nutzt passiv wie aktiv solare Energie. Aufgrund des im Vergleich zur Design Challenge schlechten Verhältnisses von Fläche zu Raumvolumen und der großen Glasflächen wurden sehr gute U-Werte für die Hüllflächen ausgeführt. Der Fußbodenaufbau erreicht einen U-Wert von 0,154 W/m²K, der im Wesentlichen durch 200 mm Mineralwolle, eine 20 mm Hochleistungswärmedämmplatte sowie die 120 mm starke, leimfreie Holzstapeldecke erreicht wird. Hierauf ist die Fußbodenheizung gemäß des allgemeinen Materialkonzepts schwimmend und in Trockenbauweise aus den ökologischen Materialien Basalt und Lava verlegt. Dank des direkten Kontakts der Heizrohre mit dem Holzbodenbelag entstehen trotz hoher Speicherfähigkeit (Rohdichte 1.600kg/m³ bei spez. Wärmekapazität von 1.000 J/kgK) und niedriger Vorlauftemperaturen weder thermische Trägheit, noch lange Wärmevorlaufzeiten. Auch das Haupttragwerk und Dach wird als Holzkonstruktion ausgeführt. Zwischen den knapp 10 m langen Trägern ermöglicht eine 200 mm dicke Dämmschicht aus Biomasse, Recyclingmaterialresten und Muschelkalk mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,024 W/mK einen U-Wert von 0,102 W/m²K. Die beiden opaken Flachdachbereiche werden Dach mit 0° Neigung ausgeführt und kommen durch den Einsatz einer rollennahtgeschweißten Abdichtung aus nichtrostendem Edelstahl ohne übliche Folien und Bitumenabdichtungen aus. Dieser Aufbau ist leicht, wurzelfest, wartungsfreundlich und resistent gegen stehendes Wasser. In Kombination mit einer extensiven Dachbegrünung entsteht eine hohe Wärmereflexion und UV-Strahlungssicherheit.

Die opake Nordwand wird als klassische Holz-Ständerkonstruktion mit Dämmung ausgefacht und außenseitig mit Holzfaserdämmung unter der vertikalen Schalung vollflächig gedämmt (U-Wert 0,138 W/m²K). 30 mm dicke, leim- und schadstofffreie sowie rein mechanisch verbundene GFM-Massivholzplatten werden diagonal als aussteifende Beplankung und Dampfdichtheits- sowie Luftdichtigkeitsschicht eingesetzt. Somit kann auch hier auf Folien und Klebebänder verzichtet werden.

Die opaken Sandwich-Fassadenelemente in der Aluminimum-Pfosten-Riegelfassade der Klimahülle erreichen durch dampfdicht verbaute, recycelte Mineralwolle ebenfalls gute Wärmedämmeigenschaften (U-Wert 0,156 W/m²K). Testweise wird ein kleiner Teil der opaken Hülle mit einer eigens hergestellten Dämmung aus Pilzmyzel versehen und im Verlauf des anschließenden Forschungsvorhabens LivingLab NRW untersucht. Aufgrund der vielen Stoßpunkte der Fassadenlamellen werden diese als Dreifachverglasung mit einem Ug-Wert von 0,800 W/m²K ausgeführt. Der Gesamtenergiedurchlassgrad wird zugunsten des sommerlichen Wärmeschutzes durch Low-E-Beschichtungen reduziert (g-Wert der Verglasung von 0,6 bei einer Lichtdurchlässigkeit von 0,64), aber vor allem durch die in das Glas eingesetzten PV-Zellen. Bei den Dachfenstern beträgt dieser Wert im Durchschnitt 0,26. In der Fassade wird in Kombination mit einem inneren Vorhang, der die Einstrahlung auf thermisch aktivierbare Flächen reduzieren soll, ein Gesamtenergiedurchlassgrad von 0,16 erreicht. Entscheidende Komponenten zur Reduzierung der sommerlichen Temperaturen sind die äußeren Fassadenlamellen zur Verschattung der großen Fensteröffnungsflächen sowie eine Erhöhung der thermischen Speichermassen auf knapp 110 Wh/m²K vor allem durch die opake Nordwand, die ca. 60 m² unverkleidete Lehmziegel aufnimmt. Diese stellt die Brandwand der Design Challenge dar, puffert tagsüber Wärmespitzen ab und führt diese während der Nachtlüftung ab. Die Anordnung als Mosaik löst die Massivität der Wandscheibe auf, vergrößert die Oberflächen, darüber die Wärmeaufnahme- sowie -abgabefähigkeit und bietet erhöhte Schallabsorption.

Das ebenfalls vollständig vorgefertigte und vorinstallierte Technikmodul grenzt an die genannte Gemeinschaftsküche und beherbergt sämtliche Systeme für die Energieversorgung und das Management des Gebäudes. Neben Wechselrichtern und Batteriespeicher für die Solarstromanlagen sowie elektrischer und thermischer Unterverteilung ist hier das innovative und an der Hochschule Düsseldorf entwickelte energiBUS-System verortet. Im Sinne des Gemeinschaftsprinzips koppelt dieses die Haushaltsgeräte über eine intelligente Wärmeverteilung mit zentralen Wärmespeichern sowie Wärmepumpe samt Eisspeicher. Während die Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau z.B. den Kühlschränken entzogen wird, steht diese den Wärmeverbrauchern wie der Waschmaschine auf einem höheren Temperaturniveau über das Leitungsnetz zur Verfügung. Hierzu werden Waschmaschinen, Trockner oder Gefrierschränke zentral und nicht in den Wohnungen aufgestellt und können ohne eigene Wärmepumpe auskommen. Neben der reduzierten Anzahl und Anschaffungskosten (Suffizienz) ergeben sich Stromeinsparungen von 30 % im Gesamtsystem (Effizienz).

Küchenmöbel aus Recyclingpapier

Wie das o.g. Wohn-Schlafmöbel, das Badezimmermobiliar und das Treppenmodul samt Stauraum sind auch die beiden gezeigten Küchen durch Studierende der Peter Behrens School of Arts der HSD entwickelt und in der hochschuleigenen Werkstatt gebaut. Sowohl die Kitchenette mit Möbelcharakter im Wohnmodul (Spüle, Minibar, Ofen und 2-flammiger Herd), als auch die Gemeinschaftsküche, die alle Haushaltsgeräte aufnimmt und mit dem energiBUS-System verknüpft ist, basieren auf äußerst langlebigen Verbindungen aus Recyclingpapier und Harz. Die mobile Herd-Ofenkombination kann über eine 400 V-Steckdose im Gemeinschaftsbereich, in der privaten Wohnküche und dem äußeren Terrassendeck genutzt werden. Letzteres nimmt die in der Design Challenge behandelten Themen Biodiversität, Mikroklima, Urban Gardening und E-Mobilität exemplarisch durch eine Vielzahl heimischer Zier- und Nutzpflanzen sowie eine Mobility-Box als Lastenrad-Verleihstation auf.

Aussicht und Weiterverwertung

Die HDU des Team MIMO wird im Rahmen des living.lab NRW für drei Jahre auf dem Solar Campus in Wuppertal als Forschungsobjekt genutzt. Das living.lab NRW ist die zentrale Forschungs- und Bildungseinrichtung des Landes NRW für klimaneutrales Bauen und nachhaltiges Wohnen in der Stadt der Zukunft. Das living.lab NRW wird vom Ministerium für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie des Landes NRW (MWIDE) gefördert. Weitere Nutzungsoptionen über die Zeit des Reallabors hinaus werden bereits durch die HSD und das Team eruiert. Es wird eine dauerhafte Nutzung im Sinne der Demonstration nachhaltiger Aspekte für die Energiewende im Bauwesen angestrebt.

Ergänzende Infos

Der Wettbewerb Solar Decathlon Europe 2021/22

Der Solar Decathlon gilt als der größte, internationale Gebäude-Energie-Wettbewerb. Bereits zum 20. Mal wurden Hochschulen weltweit aufgefordert, Ideen für nachhaltiges Bauen und Wohnen zu entwickeln und zu realisieren. Im Juni 2022 fand das Finale erstmals in Deutschland, genauer in Wuppertal statt. 16 internationale Studierenden-Teams haben Ihre Beiträge als 1:1-Prototypen auf dem Wettbewerbsgelände im Quartier Mirke aufgebaut und zwei Wochen lang der Öffentlichkeit, Fachpublikum und den Wettbewerbsjurys präsentiert. Erstmals stand der Solar Decathlon im Zeichen des Bauens im urbanen Bestand. Daher repräsentierten die solar versorgten House Demonstration Units (HDU) größere Sanierungs- und Erweiterungsvorhaben zur urbanen Nachverdichtung, die in der sog. Design Challenge vorab von den Teams im Stile eines Architekturwettbewerbs ausgearbeitet wurden. Bewertet wurden die Beiträge in 10 Disziplinen durch sechs Fachjurys (bspw. Architekturqualität und Nachhaltigkeit) und Messungen (bspw. Innenraumkomfort und Energieeffizienz).

Die Vision des Team MIMO

Das Team der Hochschule Düsseldorf ist angetreten, um unter dem Leitgedanken „Minimal Impact – Maximum Output“, kurz MIMO, eine Lösung für ganzheitlich ressourceneffiziente Gebäude im urbanen Kontext aufzuzeigen. Der Leitgedanke beinhaltet, dass nur das getan werden soll, was dem Ort einen Mehrwert bietet und maximalen Nutzen bei minimalem Eingriff schafft.

Konkretes Handlungsfeld des Team MIMO war die umsichtige Sanierung und Aufstockung eines existierenden Lagerhauses in Wuppertal Mirke von 1905, welches heute vom überregional bekannten Café Ada als Catering-, Tanz- und Eventlocation genutzt wird. Ziel und Leitmotiv für die Umgestaltung des Bestands ist daher vor allem der Aspekt der Erhaltung – sowohl Sicherung der baulichen Geschichte des Objekts als auch Wahrung der Atmosphäre, da diese genau das ist, was die Besucher am Ada schätzen.

Eines der übergeordneten Ziele des Team MIMO bestand darin, ein soziales Gewebe zwischen den Bewohner*innen über den individuellen Wohnraum hinaus entstehen zu lassen. Zudem sollten konsequent ökologische, recycelte und vor allem wiederverwendbare Materialien im Sinne der Konsistenz genutzt werden und die traditionelle Maxime des Wettbewerbs, die Energieeffizienz um den Aspekt der Suffizienz durch minimalen privaten Wohnraum und Sharingmodelle ergänzt werden.

Die Design Challenge

Gemäß dem Leitbild des Teams wird mittels einer effizienten Aufstockung ein Mehrwert für das Quartier geschaffen. Dieser besteht vor allem in einer Wohnraumalternative zu den überwiegend großen Wohnungen des gründerzeitlichen Quartiers Mirke. Durch behutsame Eingriffe und Erhalt des äußeren Erscheinungsbildes werden bestehende Qualitäten des Cafés und Veranstaltungszentrums funktional als auch ästhetisch geschärft und lange Schließungszeiten vermieden. Die Aufstockung entsteht daher unter der Prämisse des modularen Ansatzes. Das Aufsetzen von 26 übereinandergestapelten, vorproduzierten Vollholz-Wohnmodulen über drei Geschosse ermöglicht über digitale Planungs- und Produktionstechniken ein konsequent nachhaltiges Nutzungs-, Material- und Designkonzept, geringe Bauzeiten vor Ort und demnach eine Minimierung der mit dem Bau verbundenen Emissionen. In 15 Wohneinheiten wird privater Wohnraum für bis zu 33 Menschen aller Altersgruppen in vier verschiedenen Wohnungsabschnitten bereitgestellt. Durch Versatz und Drehung der Module sowie eine darüber gestülpte sog. Klimahülle entstehen Zwischen- und Lufträume, welche die Erschließung, aber vor allem gemeinschaftlich genutzte Co-Working-Bereiche, Lounges und einen urbanen Dachgarten aufnehmen. Der gemeinschaftliche Bereich wird als thermischer Pufferraum über die intelligente Fassade weitestgehend natürlich klimatisiert. Weitere Module nehmen bspw. gemeinsam genutzte Waschmaschinen und Gästezimmer auf. Der im Sinne der Suffizienz reduzierte private Wohnraum (ca. 20 m² Wohnfläche pro Person) wird im Prinzip des „wer teilt, hat mehr“ erweitert. Die aufgesetzte Struktur trennt Neu- und Altbau und setzt städtebaulich eine klare Kante mit Signalcharakter.

Das Team MIMO

Das interdisziplinäre Team MIMO hat 18 Professor*innen, ca. 70 Studierende und 10 Mitarbeiter*innen aller sieben Fachbereiche (Architektur, Design, Elektro- und Informationstechnik, Maschinenbau und Verfahrenstechnik, Medien, Sozial- und Kulturwissenschaften, Wirtschaftswissenschaften) vereint, um in allen Wettbewerbskategorien bestehen zu können. Während die Projektleitung und Gebäudeplanung für die Design Challenge und House Demonstration Unit (HDU) im Fachbereich Architektur zusammenliefen, haben Studierende des Fachbereichs Sozial- und Kulturwissenschaften die Klientel des Mirker Quartiers untersucht und ihre Überlegungen zur Planung der Apartments eingebracht. Gemeinsam mit Studierenden der Wirtschaftswissenschaften wurde die Realisierbarkeit der Aufstockung nachgewiesen. Mitglieder des Fachbereichs Maschinenbau und Verfahrenstechnik sowie des Fachbereichs Elektro- und Informationstechnik entwickeln Strategien für die Energieversorgung und das Lastmanagement und setzen diese mit Partnern aus der Wirtschaft erst im Labor und dann in der HDU um. Studierenden der Fachbereiche Design und Medien vollzogen die komplette Öffentlichkeitsarbeit inkl. Informationskonzept und einer Darstellung über Augmented-Reality Modelle.

Abschneiden im Wettbewerb

Das Team MIMO hat in der Gesamtwertung mit 775 von möglichen 1.000 Punkten abschließend den vierten Rang belegt. Auf dem Weg dorthin wurde die Wertung Communication, Education & Social Awareness gewonnen und im Bereich Affordability & Viability der zweite Platz belegt. Drei vierte Plätze in Engineering & Construction, Urban Mobility und Architektur runden das gute Gesamtergebnis ab. Der Abstand des Team MIMO zum ersten beträgt 39 Punkte, weniger als 5 % der erreichten Punktzahl. Dies zeigt die hohe Gesamtqualität des Team MIMO. Darüber hinaus wurde der erste Platz im außerhalb des Wettbewerbs vergebenen Applied Mobility Sciences Award und der zweite Platz im Building for Future Award belegt.

Dass zwölf Teams mehr als 60 % der Punkte erreicht haben und die ersten neun Teams im Bereich von 100 Punkten Unterschied lagen, bestätigt die hohe Qualität der Beiträge. Über alle zehn Wettbewerbsdisziplinen gab es unterschiedliche Sieger – ein Beleg dafür, wie ausgeglichen es bei dem Wettbewerb zuging.

weitere Informationen

Dieser Bericht basiert auf einem Pressetext des Team MIMO

Fotos: 1,2,3,5: Marvin Hillebrand | 4 und PDFs Grundrisse + Fassadenschnitte: Team MIMO