Das produktive Gebäude

Das Dach ist nur der sichtbare Teil

Ein Gewächshaus auf dem Dach lässt sich leicht als architektonisches Element wahrnehmen. Glas, Pflanzen und Tageslicht sind sichtbar, die eigentliche Herausforderung bleibt dagegen weitgehend verborgen. Denn die Lebensmittelproduktion bringt zusätzliche Anforderungen an Wärme, Wasser, Luftfeuchtigkeit, Beleuchtung, Zugänglichkeit und Wartung mit sich. Und das in einem Gebäude, das bereits von Menschen genutzt wird und über bestehende technische Systeme verfügt.

Die erste Frage lautet deshalb nicht nur, ob das Dach ein Gewächshaus tragen kann. Entscheidend ist auch, welche Ressourcen das Gebäude bereitstellt, was der Anbau zurückgibt und welche Systeme voneinander getrennt bleiben müssen. Das Projekt Greenhouses to Reduce CO2 on Roofs (GROOF) stellt daher Tragwerk, Wasser, Energie, Zugänglichkeit und Dachzustand noch vor Fragen der eigentlichen Produktion.

Fällt eine Pumpe aus, kann das eine ganze Ernte gefährden. Eine veränderte Lüftungseinstellung kann Wärme und Feuchtigkeit in andere Gebäudebereiche hinein- oder aus ihnen herausführen. Arbeiten am Dach können die Produktion unterbrechen und gleichzeitig die Nutzer in den darunterliegenden Bereichen beeinträchtigen. Bei der Planung geht es daher um das Zusammenspiel zweier Betriebssysteme und nicht einfach darum, ein Gewächshaus auf einer ungenutzten Dachfläche zu platzieren.

Erst den Austausch definieren, dann das System

Kreislaufinfrastrukturen basieren auf der Idee, dass jeder Output an anderer Stelle weitergenutzt werden kann. In Gebäuden sind die Zusammenhänge jedoch komplexer. Abwärme steht möglicherweise nicht dann zur Verfügung, wenn sie benötigt wird. Regenwasser kann sich zur Bewässerung eignen, aber nicht für die Fischzucht oder Reinigung. Warme Luft kann nutzbar sein und gleichzeitig Feuchtigkeit oder Schadstoffe transportieren.

Für jeden Austausch müssen deshalb Quelle, Ziel, Qualität, zeitliche Verfügbarkeit und eine Ausweichlösung definiert werden. Wärme ist nur dann nutzbar, wenn Temperatur und Verfügbarkeit zu den Anforderungen der Pflanzen passen. Wiederverwendetes Wasser muss entsprechend seinem nächsten Einsatzzweck aufbereitet werden. Und gemeinsam genutzte Luftströme benötigen einen klaren Zweck und einen sicheren Weg.

Agrotopia in Roeselare zeigt, dass ein geeigneter Partner für solche Kreisläufe auch über das eigentliche Gebäude hinausreichen kann. Das 9.500 Quadratmeter große Forschungsgebäude befindet sich auf der Lagerhalle von REO Veiling. Inagro erläutert, dass die Wärme sowohl aus dem Blockheizkraftwerk von REO Veiling, das gleichzeitig Strom und Wärme erzeugt, als auch aus dem kommunalen Wärmenetz von MIROM stammt. Regenwasser wird für die Bewässerung gespeichert, Drainagewasser erneut genutzt. Das Gebäude trägt die Last des Gewächshauses, während die thermische Vernetzung bis in die Stadt hineinreicht.

Ein Systemdiagramm sollte Fließrichtungen, Messpunkte und Verantwortlichkeiten sichtbar machen. Ziel ist es, Austauschprozesse zu identifizieren, die sicher genutzt und zuverlässig betrieben werden können und sich bei Bedarf unterbrechen lassen, ohne andere Systeme außer Betrieb zu setzen.

Luft, Wärme und Feuchtigkeit hängen zusammen

Temperatur, Licht, Luftfeuchtigkeit und Luftbewegung beeinflussen sich gegenseitig. Lüftung führt Feuchtigkeit und Wärme ab, gleichzeitig geht dabei Energie verloren. Verschattung und Dämmung halten Wärme zurück, können jedoch den Lichteinfall reduzieren oder die Regulierung der Luftfeuchtigkeit erschweren. Die Energieempfehlungen von GROOF betrachten diese Faktoren deshalb als zusammenhängende Planungsaufgabe.

Forschungsarbeiten an dem gemeinsam vom Institute of Environmental Science and Technology und dem Catalan Institute of Palaeontology (ICTA-ICP) genutzten Gebäude nahe Barcelona zeigen, warum das entscheidend ist. Die 2017 in Applied Energy veröffentlichte Studie kombinierte gemessene Bedingungen mit einem daran validierten digitalen Modell. Die Ergebnisse zeigten, dass der Austausch mit dem Gebäude saisonale Temperaturschwankungen ausglich und Abwärme aus dem Gebäude nutzbar machte. Der Vergleich mit einem freistehenden Gewächshaus basierte allerdings auf Modellierungen und nicht auf Messdaten.

Die 2022 in Building and Environment veröffentlichte Studie untersuchte Luftströme in beide Richtungen auf Basis von Messdaten und eines kalibrierten Energiemodells. Die untersuchten Szenarien zeigten, dass der Nutzen dieses Austauschs sowohl von der Lüftungsstrategie als auch vom Energiebedarf des Gebäudes abhängt. Eine zentrale Erkenntnis lautet daher: Einzelne Kennzahlen lassen sich nicht ohne Weiteres auf andere Projekte übertragen. Luft, Wärme und Feuchtigkeit müssen gemeinsam und unter den tatsächlichen Betriebsbedingungen des jeweiligen Gebäudes bewertet werden.

Wasser erfüllt unterschiedliche Aufgaben

Ein Gebäude, in dem Lebensmittel produziert werden, verfügt in der Regel nicht über einen einzigen Wasserkreislauf. Regenwasser kann gesammelt, Trinkwasser bereitgestellt, Wasser aus Aquakulturen umgewälzt und Drainagewasser aus der Bewässerung zurückgewonnen werden. All diese Prozesse pauschal als Kreislauf zu bezeichnen, kann wichtige Unterschiede hinsichtlich Gesundheit, Pflanzenproduktion und Wartung verdecken.

In der Praxis geht es deshalb um unterschiedliche Wassersysteme und nicht um einen einzigen geschlossenen Kreislauf. Gesammeltes Regenwasser kann nach entsprechender Speicherung für die Bewässerung geeignet sein. Trinkwasser, Reinigungswasser und Aquakultursysteme können dagegen jeweils andere Anforderungen an Aufbereitung, Überwachung und Ersatzversorgung stellen. Drainagewasser lässt sich zurückgewinnen, ohne dass dadurch sämtliche Wasserquellen untereinander austauschbar werden.

Eine 2018 im Journal of Cleaner Production veröffentlichte Studie zum Forschungsgewächshaus in Barcelona untersuchte Regenwasser, Abwärme, Materialien, Düngemittel und Betrieb über den gesamten Lebenszyklus des Systems. Sie kam zu dem Ergebnis, dass ein geringerer Bedarf an Leitungswasser die Umweltauswirkungen von Düngemitteln oder Infrastruktur nicht aufhebt. Wassereffizienz muss deshalb immer gemeinsam mit Wasserqualität, technischer Ausstattung und dem Aufwand betrachtet werden, der für den sicheren Betrieb der einzelnen Kreisläufe erforderlich ist.

Die Gebäudehülle wird zur Betriebsinfrastruktur

Auch ein produktiv genutztes Dach muss Wasser abhalten, den Wärmefluss regulieren und Lasten aufnehmen. Gleichzeitig muss es Konstruktionen, Anbautechnik, Rohrleitungen, Tanks sowie Personen und Wartungsarbeiten tragen können. Durchführungen für technische Leitungen können die Abdichtung beeinträchtigen, während technische Anlagen in unmittelbarer Nähe die Pflanzen verschatten können.

Bei einem bestehenden Dach reicht es deshalb nicht aus, lediglich die Tragfähigkeit zu prüfen. Die technische Leitlinie empfiehlt, vorhandene Tragwerksunterlagen zu prüfen oder eine neue Bewertung vornehmen zu lassen. Zusätzlich sollten Abdichtung, Leitungsdurchführungen, Zugänglichkeit, Wind- und Schneelasten sowie bereits vorhandene technische Anlagen auf dem Dach untersucht werden. Diese Faktoren entscheiden darüber, ob das Gebäude den Anbau aufnehmen kann, ohne seine ursprünglichen Funktionen zu beeinträchtigen.

Die Gebäudehülle wird damit zur betrieblichen Schnittstelle zwischen zwei Nutzungen. Das Gebäude muss weiterhin vor eindringendem Wasser schützen, den Wärmehaushalt regulieren und auch während Arbeiten auf dem Dach sicher funktionieren. Der Anbau wiederum benötigt Licht, Lüftung, eine stabile technische Versorgung und Schutz vor Betriebsunterbrechungen. Details, die in einer Planung zunächst nebensächlich erscheinen, etwa eine Rohrdurchführung oder eine Wartungsklappe, können beide Seiten beeinflussen.

Auch die Zugänglichkeit gehört in diese Betrachtung. Filter müssen gereinigt, Pumpen ausgetauscht und Anbauflächen erneuert werden. Führen die Zugangswege durch belegte oder gesicherte Gebäudebereiche, kann die Wartung schnell zu Nutzungskonflikten führen. Selbst ein statisch geeignetes Dach kann sich deshalb langfristig als ungeeigneter Standort erweisen.

Auch automatisierte Systeme brauchen klare Verantwortlichkeiten

Sensoren sorgen dafür, dass Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Licht und Bewässerung innerhalb festgelegter Bereiche bleiben. Eine Gebäudeleittechnik beziehungsweise ein Building Management System (BMS) koordiniert technische Anlagen wie Heizung, Lüftung und Alarmsysteme. Die Steuerung der landwirtschaftlichen Produktion wiederum ist für die Anbauflächen zuständig. Informationen zwischen diesen Systemen sollten nur dann ausgetauscht werden, wenn dafür ein konkreter betrieblicher Grund besteht.

Inagros Beschreibung der Infrastruktur nennt 6.000 Quadratmeter Anbaufläche, verteilt auf 16 Bereiche. Jeder Bereich verfügt über eine eigene Steuerung, während ein zentraler Nährstoffcomputer die Düngelösungen aufbereitet. Dadurch können unterschiedliche Pflanzen und Versuche unter jeweils eigenen Bedingungen betrieben werden. Dennoch braucht es Menschen, die Einstellungen festlegen, auf Alarme reagieren und bei Bedarf die Betriebsstrategie anpassen.

Dasselbe gilt für Mieter oder spezialisierte Betreiber von Anbauflächen. Gemeinsam genutzte Systeme benötigen klar definierte Grenzen, geregelte Wartungszugänge und eine eindeutige Kostenverteilung. Der Gebäudeeigentümer kann beispielsweise für Dach und Hauptversorgung zuständig sein, während der Betreiber Pumpen, Bewässerung und die Steuerung der Anbauflächen übernimmt. Automatisierung ersetzt keine klar geregelten Verantwortlichkeiten.

Das Gesamtsystem bewerten

Bevor ein Projekt als effizient oder kreislauffähig bezeichnet wird, müssen neben den zurückgewonnenen Ressourcen auch zusätzliche Konstruktionen und technische Anlagen in die Bewertung einfließen. Der Bewertungsrahmen von GROOF berücksichtigt Materialien, Energie, Düngemittel, Wasser, Flächennutzung und Transportwege der Erzeugnisse. Ein kürzerer Weg bis zum Verkaufsregal ist nur ein Teil dieser Bilanz.

Auch die wirtschaftliche Bewertung erfordert eine umfassende Betrachtung. Investitionskosten, Energieverbrauch im Betrieb, Personal, Wartung, Ernteausfälle und Austauschzyklen müssen mit dem Versorgungsmodell verglichen werden, das durch das Projekt verbessert oder ersetzt werden soll. Auch die angenommenen Einnahmen benötigen eine belastbare Grundlage: Wer kauft die Erzeugnisse, zu welchem Preis und wie verändert sich die Nachfrage im Jahresverlauf? Ein technisch funktionierender Austausch kann wirtschaftlich dennoch zu teuer, zu stark von einem einzelnen Betreiber abhängig oder zu wartungsintensiv sein.

Auch das Gebäude selbst kann sich verändern. Eine Lagerhalle kann umstrukturiert werden, ein Mieter ausziehen, eine Wärmequelle wegfallen oder eine andere Kultur neue Anforderungen an Temperatur oder Wasserqualität stellen. Gemeinsam genutzte Infrastrukturen sollten deshalb von Beginn an eine Ausstiegsstrategie vorsehen: Welche Verbindungen lassen sich trennen? Welche Anlagen können entfernt werden? Und welche Gebäudefunktionen müssen auch ohne die landwirtschaftliche Nutzung weiterlaufen? Diese Fragen gehören bereits in die erste Planungsphase und nicht erst an das Ende eines Vertrags.

Fünf Fragen helfen dabei, die Bewertung auf eine belastbare Grundlage zu stellen.

• Welche Ressource wird zwischen Anbau und Gebäude ausgetauscht, in welche Richtung fließt sie und ist dieser Austausch reversibel?
• Welche Qualität, Temperatur, zeitliche Verfügbarkeit und Menge benötigt das empfangende System?
• Was geschieht, wenn die bevorzugte Quelle ausfällt, sich die Nutzung des Gebäudes verändert oder eine andere Kultur angebaut wird?
• Wer wartet die gemeinsam genutzte Technik, trägt die Kosten und darf in die Steuerung eingreifen?
• Anhand welcher technischen und wirtschaftlichen Daten lässt sich beurteilen, ob das Gesamtsystem besser funktioniert als die Alternative?

Diese Fragen verlagern den Fokus von der einzelnen technischen Anlage auf den Betrieb des Gesamtsystems und tragen dazu bei, die zukünftige Nutzbarkeit des Gebäudes zu sichern. Kulturen ändern sich, Betreiber wechseln, Genehmigungen laufen aus und Wärmequellen können wegfallen. Verbindungen, die messbar, reversibel und klaren Verantwortlichkeiten zugeordnet sind, lassen sich leichter an neue Bedingungen anpassen. Systeme, die auf einer einzigen, dauerhaft unveränderten Produktionsannahme beruhen, sind deutlich weniger flexibel.

Das Gewächshaus bleibt der sichtbarste Teil eines solchen Projekts. Die eigentliche Bewährungsprobe besteht jedoch darin, ob Gebäude und Anbau sich gegenseitig unterstützen können, ohne dass ihre unterschiedlichen Anforderungen aus dem Blick geraten. Ein Gebäude wird dann tatsächlich zum produktiven Gebäude, wenn die Austauschprozesse klar definiert, Verantwortlichkeiten eindeutig zugewiesen und die zugrunde liegenden Annahmen auch unter veränderten Bedingungen belastbar sind.