SusTherm

Gemeinsame Forschung mit Partnern in Bhutan

Projekttitel:
SusTherm - Potentialstudie zur nachhaltigen Wärmedämmung von Gebäuden unter den alpinen Klimabedingungen Bhutans

Förderstelle:
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Projektdauer:
01.02.2015 - 31.12.2016

Projektleiter:
Prof. Dr. Mark Jentsch

Projektpartner:
Tenzin (director of department) & Karma Namgyel (chief engineer),
Engineering Adaptation and Risk Reduction Division (EARRD),
Department of Engineering Services (DES),
Ministry of Works and Human Settlement (MoWHS)

Am Projekt beteiligte Personen:
Bauhaus-Universität Weimar: Prof. Dr. Mark Jentsch, Dipl.-Ing. Christoph Kulle, Dr. Torsten Seiffarth, Dr. Thomas Haupt, Tobias Bode, Toni Pauer
Department of Eneering Services: Tenzin, Karma Namgyel, Karma Euthra, Jamyang Dukjey, Karma Tenzin

Projektbeschreibung

Die meisten bestehenden Gebäude in Bhutan verfügen nicht über eine Wärmedämmung und zeichnen sich durch hohe Infiltrationsraten durch schlecht abgedichtete Fenster und Türen aus. Um diese Situation zu verbessern, untersuchte das Projekt SusTherm die allgemeine Durchführbarkeit der Verbesserung der Luftdichtheit und der Verwendung von Wärmedämmstoffen in Bhutan. Dafür wurden Lösungen untersucht, die zur vorhandenen Ressourcenbasis passen und mit dem lokalen Know-how verwurzelt sind.

Das Projekt umfasste vorläufige Gebäudeüberwachungsstudien, um einen Hinweis auf die aktuelle thermische Leistung des vorhandenen bhutanischen Gebäudebestands zu erhalten. Ergänzt wurde dies durch Laborarbeiten an bhutanischen Baustoffen in Deutschland sowie die Ausbildung von bhutanischen Nachwuchsforschern zum Einsatz von Gebäudeleistungsbewertungsgeräten. Der Schwerpunkt dieses Projektes lag auf der Schaffung der wissenschaftlichen Grundlagen für die Entwicklung nachhaltiger Wärmedämmstoffe, indem erstmals grundlegende Informationen über die thermischen Eigenschaften des aktuellen Gebäudebestands in Bhutan erstellt wurden.

Die Ergebnisse der Forschungskooperation wurden in einer Fachzeitschrift zur Verbreitung der wichtigsten Forschungsergebnisse publiziert. In dieser Veröffentlichung werden Empfehlungen für die thermische Verbesserung von Gebäuden in Bhutan gegeben.

Projekthintergrund

In den Industrieländern stand die Wärmedämmung in den letzten Jahrzehnten im Mittelpunkt einer Vielzahl von Forschungsarbeiten. Dies könnte zu der Schlussfolgerung führen, dass es neben der fortgeschrittenen Materialforschung keinen wissenschaftlichen Bedarf für weitere Untersuchungen gibt. Dies bleibt jedoch hinter der Realität in Entwicklungsländern zurück, in denen technische Kapazitäten, Fähigkeiten und finanzielle Ressourcen für die Herstellung und Umsetzung von High-End-Lösungen wie Mineralwolle oder Polystyrol/Polyurethanschaum fehlen. Erst recht mangelt es an Einrichtungen, die benötigt werden, um diese Materialien am Ende ihrer Nutzungsdauer angemessen zu entsorgen. Im Rahmen der Möglichkeiten eines Entwicklungslandes ist eine individuelle Überprüfung der lokal verfügbaren Ressourcen und Qualifikationsbasis erforderlich, um umwelt-, ökonomisch und sozial tragfähige Lösungen für die thermische Verbesserung von Gebäuden zu entwickeln. Dies war der Ausgangspunkt der Forschungskooperation zwischen der Bauhaus-Universität Weimar und dem Department of Engineering Services in Thimphu.

Wie Abbildung 1 für Paro, Bhutan im Vergleich zu Erfurt, Deutschland, hervorhebt, erleben die zentralen Gebiete von Bhutan externe Wintertemperaturen auf einem Niveau, das die Berücksichtigung der Wärmedämmung zu einer praktikablen Option macht. Traditionell wurden Gebäude in den westlichen Teilen Von Bhutans aus Stampflehmwänden und in zentralen und östlichen Gebieten des Landes mit massiven Steinmauern errichtet [1]. In den letzten Jahrzehnten haben sich die Bauweisen in städtischen Gebieten zu ungedämmten Stahlbetonskelettkonstruktion mit einfacher Ziegelausfachung, die mit Zement verputzt werden, geändert [1,2].

Abb. 1 - Vergleich der klimatischen Bedingungen in Erfurt und Paro: jährliche Temperaturschwankungen (Datenquellen: Erfurt - Meteonorm 7, Thimphu - WMO World Weather Information Service, Daten zur Verfügung gestellt von Department of Hydromet Services (DHMS), Bhutan)

Wie in den Abbildungen 2 und 3 hervorgehoben wird, hat die Verschiebung des Bauwesens, im Vergleich zu den traditionellen Baumethoden ,zu schlankeren Wandkonstruktionen geführt. Damit gingen auch einige der Vorteile traditioneller Konstruktionen verloren, wie z. B. die thermische Masse, die eine Klimamoderation an heißen sonnigen Tagen und kühlen Nächten [3] bietet. Während bereits Verbesserungsmöglichkeiten für traditionelle Stampflehmwände untersucht wurden, um die modernen Code of Practice Standards [3] sowie die seismische Leistung moderner Stahlbetonskelettbauten in Bhutan zu erfüllen [4], wurden die Wärmedämmung und die Luftinfiltration bisher nicht eingehend analysiert.

Abb. 2 - Links: Traditionelles Gebäude (unten rechts) mit Neubauwohnungen um das Gebäude herum, rechts: Stadterweiterung (Fotos: Jigme Choden)
Abb. 3 - Ansicht einer Baustelle für ein neu gebautes Wohnhaus mit Stahlbetonskelett und importiertem Mauerwerk, einschließlich Konstruktionsdetails einer Türöffnung und eines Fensterrahmens (Fotos: Jigme Choden)

Das SusTherm-Projekt befasste sich mit diesem Thema, indem es Feldstudien zur allgemeinen Durchführbarkeit der Verbesserung der Luftdichtheit und zur Verwendung von Wärmedämmstoffen auf der Grundlage lokaler Ressourcen und Fähigkeiten in Bhutan durchführte. Sie hat den Ausgangspunkt für die Entwicklung umfassenderer Forschung im Bereich der Materialentwicklung, -prüfung und -überwachung von Fallstudiengebäuden geliefert.

Durchgeführte Arbeit und Ergebnisse

Die Zusammenarbeit zwischen der Bauhaus-Universität Weimar und der Abteilung Engineering Adaptation and Risk Reduction (EARRD) war geprägt von gemeinsamen Workshops und einem Austausch von Nachwuchsforschenden. Der erste Workshop fand im April 2015 in Weimar statt (Abbildung 4). Er diente dazu, einen Katalog von Forschungsfragen zu entwickeln und die Anforderungen an Gebäudeleistungsuntersuchungen in Bhutan zu definieren. Es wurde vereinbart, dass das Hauptziel der Potenzialstudie darin besteht, die thermischen Eigenschaften einzelner Gebäudeelemente zu untersuchen und zu bewerten, wobei der Schwerpunkt auf Wänden und Fenstern liegt. Darüber hinaus wurden die für die Gebäudeüberwachung in Bhutan zu verwendenden Geräte demonstriert und erste gemeinsame Tests durchgeführt, um die Partner mit den Geräten vertraut zu machen.

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Abb. 4 - links: Diskussion über Konstruktionsdetails beim ersten Projekt-Workshop in Weimar, rechts: Gruppenfoto bei der Jahresveranstaltung des Instituts

Der zweite Workshop fand im Oktober 2015 in Thimphu, Bhutan statt. Dieser Workshop befasste sich mit der Verfeinerung des Monitoring-Programms für die bauphysikalischen Messungen vor Ort, die beim ersten Workshop in Weimar entwickelt wurden. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Gebäude in der Gegend von Thimphu identifiziert, wobei sichergestellt wurde, dass ein breites Spektrum typischer historischer und moderner Bauarten abgedeckt wurde. Außerdem wurde darauf geachtet, dass die ausgewählten Gebäude sowohl Wohnungen als auch Büros beinhalteten. Darüber hinaus umfasste der Workshop Besuche in einer betonstabilisierten Lehmziegel-Produktionsanlage und bei einem lokalen Fensterhersteller.

Im Rahmen des Workshops führte das komplette Team aus bhutanischen und deutschen Forschern eine erste gemeinsame Bewertung eines Gebäudes aus zementstabilisierten Lehmwänden durch. Diese Untersuchung, die in den Abbildungen 5 bis 7 dargestellt ist, zielt darauf ab, die aus Deutschland versandten Geräte zu testen sowie die für die Überwachung entwickelten Methoden zu überprüfen und zu verfeinern. Neben dem Blick auf Wand-U-Werte, das Raumklima, Wärmebrücken und kapillare Wasseraufnahme der Wände wurden Luftdichtheitsprüfungen durchgeführt und die Eigenschaften von Baustoffen, Fenstern und Fugen der Prüfgebäude dokumentiert.

Bild 5 - Südfassade des untersuchten Gebäudes in zementstabilisierter Lehmblockbauweise.
Abb. 6 - Links und Mitte: Druckdifferenzprüfung zur Bestimmung der Luftdichtheit des Gebäudes, rechts: Einrichten der Geräte zur Überwachung des Raumklimas im Gebäude
Bild 7 - Kapillare Wasserabsorptionsmessungen an 10 Tage / 1 Jahr alten zementstabilisierten Lehmziegeln

Diese Bewertung bildete die Grundlage für das Gebäudemonitoring im Monat nach dem Workshop, der von den beiden am Projekt beteiligten deutschen MSc-Studenten und den drei bhutanischen Nachwuchsforschern durchgeführt wurde. Betrachtet man insgesamt 10 verschiedene Gebäude, zeigte sich, dass sowohl aktuelle als auch historische Wandkonstruktionen recht hohe U-Werte von typischerweise etwa 1,0 bis 1,5 W/m2K aufweisen. Die Luftdichtheitsprüfungen ergaben, dass die heutigen Gebäude Luftinfiltrationsraten von bis zu 5 Luftwechseln pro Stunde aufweisen, was hauptsächlich auf schlechte Fugen und Dichtungen von Fenstern und Türen zurückzuführen ist. Darüber hinaus wurde eine raumklimatisierende Wirkung historischer Bauten mit gestampften Lehmwänden im Vergleich zu modernen Bauformen demonstriert. Insgesamt ergaben die Bewertungen eine Reihe von Optionen zur Verbesserung der Qualität der Bausubstanz.

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Die drei bhutanischen Nachwuchsforscher, die bereits am Gebäudemonitoring-Programm in Bhutan beteiligt waren, kamen im April 2016 zu einem zweiwöchigen Forschungsaufenthalt nach Deutschland. In der ersten Woche ihres Aufenthaltes erhielten sie eine Weiterbildungen im Bereich des Einsatzes von Luftdichtheitsprüfgeräten sowie thermischer Durchlässigkeit und Komfortmessungen im Innenbereich. Dies war eine Vorbereitung, um solche Tests in bhutanischen Gebäuden unabhängig durchführen zu können. In der zweiten Woche folgten Labortests zur Wasseraufnahme, Druck- und Zugbiegefestigkeit und Partikelgrößenverteilung von bhutanischen zementstabilisierten Lehmziegeln (CSEB), da diese als Interessensschwerpunkt für die künftige gemeinsame Forschung identifiziert wurden (Abbildung 8). Der dritte Workshop in Weimar, der sich an den Forschungsaufenthalt der bhutanischen Nachwuchsforscher in Deutschland anschloss, diente der Auswertung der während der Forschungsaufenthalte gesammelten Daten und der Vorbereitung der Informationen, die für die unten angegebene gemeinsame Zeitschriftenpublikation benötigt werden.

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Abb. 8 - Bhutanesische Nachwuchsforscher, die im Werkstofflabor in Weimar arbeiten

Basierend auf den Ergebnissen der Labortests an zementstabilisierten Lehmziegeln, die die Möglichkeiten zur Optimierung dieses Baumaterials und der damit verbundenen Bauweisen ermittelten, führte Teammitglied Toni Pauer detaillierte Untersuchungen als Teil seiner MSc-Arbeit durch. Bei Klimakammerversuchen mit zementstabilisierten Lehmziegeln konnte nachgewiesen werden, dass die Ziegel in Verbindung mit einem Kalkzementputz auf einer Holzwolledämmung eine wirksame Gebäudehülle für die bhutanischen Klimabedingungen darstellen würden (Abbildung 9). Basierend auf diesen Erkenntnissen wurden gemeinsam mit den Partnern aus Bhutan Ideen für eine optimierte Bauweise entwickelt, die eine Wärmedämmschicht auf Basis lokal hergestellter Holzwolledämmplatten integriert, wie in Abbildung 10 dargestellt. Es ist zu hoffen, dass es Möglichkeiten geben wird, dies auf einem echten Demonstrationsgebäude in Bhutan in zukünftigen Kooperationsarbeiten zu testen.

Bild 9 - Links: Klimakammerversuch an verschiedenen zementstabilisierten Lehmziegeln in Weimar, rechts: Probe eines zementstabilisierten Lehmziegels mit einem Kalkzementputz auf einer Holzwolledämmung
Abb. 10 - Entwurfsskizze eines Musterhauses zur Demonstration von Verbesserungen an zementstabilisierten Lehmwandkonstruktionen in Bezug auf Material, Konstruktion und Bauphysik

Veröffentlichte Arbeiten

Jentsch MF, Kulle C, Bode T, Pauer T, Osburg A, Tenzin, Namgyel K, Euthra K, Dukjey J, Tenzin K. Field study of the building physics properties of common building types in the Inner Himalayan valleys of BhutanEnergy for Sustainable Development, 38 (2017) 48-66. → Beitrag anzeigen

Referenzen

[1] Nock D (1995), The Architecture of Bhutan, The Architectural Review, 198 (1186): 78-81.
[2] Lang DH, Sing Y, Namgyel K (2013), Building Classification Scheme for Bhutan, EQRisk project report, Report no. 13–006, Kjeller – Roorkee – Thimphu, August 2013
[3] Sethna Z (2008), A Sustainability Approach to Standards for Rammed Earth Construction in Bhutan, Fourth-year Undergraduate Project, University of Cambridge
[4] Dorji J (2009), Seismic Performance of Brick Infilled RC Frame Structures in Low and Medium Rise Buildings in Bhutan, MSc Thesis, Queensland University of Technology