Ambitioniertes Großprojekt: Eine Klinik im Passivhausstandard

Um das gleich mal richtig einzuordnen: Das Klinikum Frankfurt Höchst im Westen der Stadt ist mit seinen knapp 1.000 Betten eines der größten Krankenhäuser der Mainmetropole. Auf dem etwa 70.000 m² großen Areal sind zahlreiche Fachabteilungen von Augenheilkunde bis Urologie untergebracht – seine Gründung geht auf den Herzog von Nassau zurück, der 1858 die Errichtung eines Hospitals für Handwerker und Gesinde genehmigte. Bereits 17 Jahre später kam es zu einer ersten Erweiterung des Gebäudes und es folgten viele weitere, zuletzt ein Anbau im Jahr 2005.

Doch schon kurz darauf zeichnete sich ab: Es wird ein zeitgemäßer und die zerfaserten Strukturen ordnender Neubau mit modernem Operationstrakt benötigt. Der neue Gebäudekomplex (Abb. 1) sollte im Passivhaus-Standard errichtet werden, was nicht nur planerisch-technisch sehr ambitioniert war, sondern in der damaligen Planungsphase „die derzeit und über Jahrzehnte höchste Einzelinvestition der Stadt“ [1] mit sich brachte.

Hohe Energieverbräuche sprechen für Passivhaus-Standard

Im März 2012 begannen auf dem dafür vorgesehenen Klinik­areal (Abb. 3) die Abrissarbeiten, um Platz für den Neubau (Abb. 2) zu schaffen. Eineinhalb Jahre später lag die Grundlagenstudie des Passivhaus Instituts in Darmstadt zur Umsetzung des Passivhaus-Konzeptes in Krankenhäusern auf dem Tisch, die unter anderem auch eine Antwort auf die häufig gestellte Frage gab, ob Investitionen in die Energieeffizienz überhaupt sinnvoll sind, wenn Teile des Gebäudes allein durch die ohnehin anfallende Abwärme „beheizt“ werden können. Das Fazit zu diesem Punkt: Ja, da die Nutzung von Prozessabwärme in der Regel Sekundärprozesse wie zum Beispiel zusätzlichen Abluftbedarf bedingt, „die den primärenergetischen Vorteil der Abwärmenutzung auf nur noch einen Bruchteil verringern können“ [2], weshalb die Optimierung des die Abwärme erzeugenden Prozesses immer Vorrang haben sollte.

Zudem könnte die Abwärmequelle irgendwann durch technische Optimierungen versiegen, wie das Beispiel des Übergangs von Röhrenbildschirmen zu LCD- oder LC-Displays zeigt. Wichtigste Erkenntnis der Passivhaus-Studie lautet indes: Gegenüber dem aktuellen Gebäudeenergiegesetz lassen sich in einem Passivhaus-Krankenhaus die Energieverbräuche um 40 bis 50 Prozent reduzieren.

Dass es sinnvoll ist, bei einem Krankenhausneubau den Fokus auf die Effizienz zu legen, erschließt sich allein schon aus dem Umstand, dass Kliniken generell sehr hohe Energieverbräuche aufweisen – die hierfür anfallenden Kosten machen etwa drei Prozent der gesamten Klinikkosten aus. Selbst beim heutigen Mindeststandard, der gegenüber den vielen Krankenhäusern aus dem letzten Jahrhundert bereits eine nennenswerte Verbesserung darstellt, sind noch Energieverbräuche von rund 250 kWh/(m²a) zu verzeichnen – wovon übrigens mehr als die Hälfte auf den Strombedarf entfällt. So war die Entscheidung für den Passivhaus-Standard letztlich eine logische Konsequenz, zumal das Stadtparlament bereits 2007 diesen Standard in einem Grundsatzbeschluss prinzipiell für den Bau neuer Gebäude vorgeschrieben hat. Auf der Grundlage des passivhaustauglichen Entwurfs des Architekturbüros wörner traxler richter erfolgte schließlich 2016 der Spatenstich mit Grundsteinlegung für das Mega-Projekt.

Harter Schnitt nach Leistungsphase 4

Bis zur Genehmigung hat das Passivhaus Institut das Konzept im Rahmen seiner Studie betreut und die Passivhausanforderungen definiert. Ab der Leistungsphase 5 (Ausführungsplanung) wechselte das Team komplett: Die Verantwortung für die weitere Planung, Ausschreibung und Umsetzung übernahm die ARGE Klinikum Frankfurt Höchst mit der ZECH Hochbau AG und der Max Bögl Stiftung & Co. KG. Die Umsetzung des Passivhausstandards in die Praxis, bis hin zur zertifizierbaren Übergabe des Klinikneubaus ans Passivhaus Institut, lag mit den Leistungsphasen 5 bis 9 in den Händen der erfahrenen Passiv­haus-Fachplaner Herz & Lang GmbH.

Schnell war klar: Die Herausforderungen waren in Anbetracht der gewählten baubegleitenden Planungsform immens, zumal das Generalübernehmerteam keinerlei Passivhauserfahrung vorzuweisen hatte und befürchtete, die Passivhausthematik könne den Termin- und Kostenrahmen gefährden – die anfängliche Skepsis seitens des GÜ sorgte somit nicht gerade für einen Traumeinstieg des Passivhaus-Consulters in das Projekt. Dabei ist dessen Aufgabe in solchen Projekten elementar: Ihm obliegt die baubegleitende Planung, Ausschreibung und Betreuung, um passende Lösungen und Produkte in Anbetracht der Passivhausanforderungen für Hülle und Technik umzusetzen. Letztlich schweißte die Aufgabe unter dem gegebenen Zeitdruck alle Beteiligten zusammen, man bewies Durchhaltevermögen und entwickelte mit jedem Baufortschritt mehr und mehr Teamgeist.

Nutzungsspezifsche Anforderungen

Die ersten greifbaren Früchte der Arbeit zeigten sich im April 2020, als die Luftdichtheitsmessung des Komplexes hervorragende n_50- und q_50-Werte hervorbrachte: Die Zahlen von jeweils 0,12 1/h und 0,45 m³/(hm²) unterschritten die gesetzte Obergrenze von 0,3 1/h um 60 Prozent. Damit endete ein langer Prozess, der mit der akribischen Planung der Details und Anschlüsse begonnen hatte. Und über alledem standen die nutzungsspezifischen Anforderungen einer Klinik mit ihren besonderen Ausstattungen wie zum Beispiel

• die strengen Vorschriften für Operationssäle,
• die schwierigen Anschlüsse mit dem Hubschrauberlandeplatz auf dem Dach des Klinikums,
• die medizinischen Gase,
• die überraschend hohen Stromverbräuche von Computertomographen und MRT-Geräten (jeweils 3 kWh im Energiesparbetrieb und bis zu 120 kWh pro Anwendung [2], die immerhin sieben Prozent des Gesamtprimärenergiebedarfs ausmachen (Abb. 4),
• die Notwendigkeit eines permanent offenen Quenchrohres [3] bei MRT-Geräten.

Hinzu kommen die sehr hohen Anforderungen an die Hygiene, Sicherheit und Brandschutz sowie die Zugänglichkeit zu Räumen und Technik. Wie bei einem kleinen Passivhauswohngebäude muss auch bei der Klinik die Hülle gut gedämmt, luftdicht und wärmebrückenfrei sein (Abb. 5) – so wurde zum Beispiel die Attika auf einer Länge von 1,5 km komplett thermisch entkoppelt.

Die verschiedenen internen Wärmegewinne sind zu erfassen und es ist zu prüfen, wie sie sich optimal nutzen lassen. Stets geht es um den besten Kompromiss zwischen solaren Gewinnen, Tageslichtangebot, Wärmeverlusten und Überhitzungsrisiken. Und auch bei einem Krankenhaus steht man vor der Aufgabe, die passenden hocheffizienten technischen Anlagen für Lüftung, Heizung, Warmwasser und Kühlung zu planen und ihre Installation auf ein optimiertes Zusammenspiel hin auszurichten.

Fenster, Lüftung, Leitungsdämmung

Insbesondere die Fenster, Lüftung und Leitungsdämmung entpuppten sich als äußerst komplex in Fragen zur Abstimmung untereinander. So waren für die Fenster beim Klinikum in Frankfurt Höchst zunächst energetisch sehr hochwertige Rahmen angedacht, deren Montage vollständig in der Dämmebene vorgesehen war, was in der Baupraxis Probleme aufwarf. Über einen langen Prozess in der Detaillierung und Komponentenauswahl sowie dank eines sehr detaillierten Leistungsverzeichnisses konnte letztendlich eine energetisch gleichwertige Lösung entwickelt werden (U_W < 0,8 W/(m²K), die deutlich wirtschaftlicher zu realisieren war.

Hinsichtlich der Lüftung war das Ingenieurbüro Herz & Lang gezwungen, ein Tool zur Beurteilung von nicht zertifizierten Lüftungsgeräten zu entwickeln. Bei den 47 Lüftungsgeräten mit sehr unterschiedlichen Größen war eine messtechnische Bestimmung des Wärmebereitstellungsgrades und der Stromeffizienz im Vorfeld nicht möglich. Außerdem brauchte es eine faire, nicht allzu vereinfachte Bewertung der Geräte, um der Wirtschaftlichkeit Rechnung zu tragen.

Eine Erkenntnis bei der Leitungsdämmung war, am besten schon vor der Ausschreibung eine sehr detaillierte „Dämm­matrix“ zu erstellen, um in Bezug auf Kosten und Platzverhältnisse keine unverhältnismäßigen Anforderungen zu provozieren.

Ein komplexes Räderwerk – Heizung, Kühlung, Regelungstechnik

Um den Energiebedarf für die Kühlleistung zu reduzieren, griff man neben effizienten Geräten (Rückkühler, Kältemaschine) auch auf passive Kühlstrategien zurück (Abb. 6): So vermeidet ein außenliegender Sonnenschutz das Aufheizen der Räume über die 1.000 Fenster an dem Gebäudekomplex, und die zwischen den kammartig angelegten Gebäudeteilen durchführende Magistrale wird für die Nachtlüftung herangezogen. Daneben regulieren Lüftungsanlagen mit Verdunstungskühlung und die Betonkerntemperierung (BKT) mit Rückkühlern das Klima in den unzähligen Räumen. Die Reduktion der inneren Wärmelasten – zum Beispiel durch LED-Beleuchtung und angepasste Lichtkonzepte – leistet ihr Übriges.

Die Energieversorgung des Klinikneubaus erfolgt über Gas-Brenwertkessel, die auf 20 W/m² Heizleistung ausgelegt sind, und über eine Brennstoffzellenanlage mit 42 % elektrischer und 38 % thermischer Energieumwandlung. Rund 40% der erzeugten Energie braucht es für die Bereitstellung des Trinkwarmwassers, wobei der Bedarf auf rund 50 l pro Planbett und Tag ausgelegt ist und sehr gut gedämmte Verteilleitungen die Verluste minimieren (Abb. 7). Der naheliegende Gedanke, die Flachdächer mit PV-Modulen zu belegen und so den Strombedarf zu einem guten Teil regenerativ zu erzeugen, zeigte sich allerdings wegen der damit verbundenen Blendungsgefahr für die Hubschrauberpiloten als nicht umsetzbar.

Vor der aufwendigen Einregulierung und Inbetriebnahme der Systeme waren noch die Steuerungsstrategien abzustimmen, und es mussten sämtliche Steuerungsparameter abgefragt und optimiert werden. Dieser Prozess ist sehr wichtig, da eine optimierte Mess-, Steuerungs- und Regeltechnik das letzte Kettenglied zwischen der Umsetzung der leblosen einzelnen Komponenten und dem lebhaften Betrieb darstellt. Er legt auch den Grundstein für die nächste wichtige Phase: die Optimierung im Betrieb. Ein halbes Jahr Testbetrieb soll den reibungslosen Ablauf im zukünftigen Vollbetrieb sicherstellen und ein Monitoring vom PHI wird sowohl für den Feinschliff der Energieeffizienz sorgen als auch wertvolle Daten über das Pilotprojekt sammeln.

Neue Strukturen und Technik optimieren den Betrieb

Der Neubau glänzt nicht nur mit höchster energetischer Effizienz (Abb. 10), sondern verbessert maßgeblich die Arbeitsumgebung für die Mitarbeiter und optimiert die inneren Abläufe und damit auch die Kommunikation unter den Abteilungen und Stationen. Es rückt baulich näher, was zusammengehört: So zum Beispiel der Weg vom Hubschrauberlandeplatz zu den OP-Sälen und der Intensivstation, bei dem ja nun wirklich jede Sekunde eine Frage des Überlebens sein kann. Sowohl die technische Ausstattung der Arbeitsplätze für Medizin und Pflege sowie die Ausgestaltung der Räumlichkeiten ist nun auf modernstem Stand, und die Anordnung der Funktionsräume ist an die Abläufe angepasst – und da alle Stationen gleich konzipiert wurden, können sich neue oder die Bereiche wechselnde Mitarbeiter leichter und schneller orientieren.

Jedes Patientenzimmer verfügt über eine eigene Nasszelle, was sowohl den Patienten entgegenkommt, aber auch den Pflegekräften die Arbeit und Versorgung erleichtert. In der neuen Klinik gibt es nur noch Zweibett-Zimmer, und diese sind so geräumig, dass das am Fenster stehende Bett ohne aufwändiges Rangieren aus dem Zimmer geschoben werden kann („Höchster Zimmer“). Auch an die Kleinsten wurde gedacht: Mit dem neu eingerichteten Kinderzentrum sind alle Stationen zentral auf einer Ebene untergebracht, kindgerecht gestaltet und eingerichtet: Kindernotaufnahme, Kinderklinik, Kinderchirurgie, Geburtshilfe mit Kreißsaal, Wochenstationen und Elternzentrum und natürlich Spielpunkte und -plätze (innen wie außen).

Mehr Komfort auch für Patienten und Besucher

Die Vorteile der Passivhausbauweise bekommen auch Patienten und Besucher zu spüren: Die Raumtemperatur in den Krankenzimmern wird für Patienten angenehme 22°C betragen, was aufgrund des sehr guten Wärmeschutzes der Gebäudehülle keinen erhöhten, sondern einen geringeren Energiebedarf einfordert. Und die ungeliebten zugigen Fensterplätze, die man von älteren Kliniken kennt, gibt´s im Passivhaus Klinikum Frankfurt Höchst nicht: Die dreifach verglasten Fenster weisen keine spürbaren Unterschiede zwischen Raum- und Oberflächentemperatur auf. Alle Fenster sind außenseitig verschattet und – Passivhauskritiker aufgepasst! – winters wie sommers öffenbar. Die Erfahrung hat gezeigt: Die in einem Passivhaus übliche Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung sorgt für eine so frische und angenehm vorgewärmte Raumluft, dass das Bedürfnis, im Winter die Fensterlüftung vorzuziehen, kaum mehr aufkommt. Es ist die Behaglichkeit, die zählt, nicht das Dogma.

Inzwischen ist die Zertifizierung des Gebäudes erfolgt, und voraussichtlich im Herbst dieses Jahres geht das Klinikum in den Betrieb. Unmittelbar danach zieht der Bautross weiter: Zwei Bestandsgebäude (Geb. A + B) werden abgerissen, weitere Bauabschnitte sind geplant. Auch daran beteiligt sich die Stadt Frankfurt am Main zum größten Teil mit einer Gesamtsumme von 48,17 Mio. Euro – konkret für den Funktionsbau, der sich dann unmittelbar an den jetzigen Neubau anschließt.

Dieser Artikel von Claudia Siegele erschien zuerst in Gebäude Energieberater-Ausgabe 06/2022.