Steuerung der Pflanzengesundheit durch moderne Gebäudetechnik

In der modernen Gebäudearchitektur weckt eine Innenraumbegrünung bezüglich der Vitalität und Gesundheit der Bepflanzung hohe Erwartungen an Ästhetik, Aufenthaltsqualität und Unterhaltungskosten mit Lebenszyklusansatz. Die Nutzer wollen weder durch ein unangemessenes Raumklima belästigt werden noch sind unzureichende Wuchsbedingungen mit folgenschweren Fehlentwicklungen und Finanzaufwendungen akzeptabel.

Der Pflanzengesundheit muss in Planungs-, Ausführungs- und Pflegephasen große Aufmerksamkeit gewidmet werden. Da Pflanzenkrankheiten, Schädlinge und Lästlinge in der Folge kaum bekämpft werden können. Vorbeugende Maßnahmen haben daher auch vor dem Hintergrund gesellschaftlicher und umweltpolitischer Entwicklungen eine hohe Priorität. Daraus folgt, die Kultursteuerung bereits bei der Gebäudekonzeption und auch die Pflegekonzepte inkl. der Kosten darauf auszurichten.

Der Umbau des Großen Tropenhauses im Botanischen Garten Berlin ist ein praxisnahes Beispiel, das durch wissenschaftliche Studien der Berlicher Hochschule für Technik im Forschungsprojekt "BAER2Fit" begleitet wurde.

Analyse eines integrierten Ansatzes

Die bisherige Bau- und Betriebsweise von Tropenhäusern bewirkt häufig große Schwankungen bei den Klimabedingungen, einen hohen Energieeinsatz mit entsprechenden Unterhaltungskosten und erhebliche Probleme in der Gesunderhaltung der Pflanzen.

Mit der in den Jahren 2006 bis 2009 durchgeführten baulichen und technischen Sanierung des denkmalgeschützten Großen Tropenhauses (GTH) im Botanischen Garten Berlin aus dem Jahr 1906 ergab sich die einmalige Chance, die Steuerung des Mikroklimas unter Glas vor dem Hintergrund einer gewünschten Umweltentlastung durch Energieeinsparungen sowie die Pflanzenentwicklung der Exponate wissenschaftlich zu begleiten. Mit den Erkenntnissen wurden die Klimabedingungen des Tropenhauses gezielt optimiert.

Ziel hierbei war es, optimierte Wachstumsbedingungen für eine gesunde Pflanzenentwicklung zu schaffen, wobei die erforderlichen raumklimatischen Bedingungen mit möglichst geringem Energieaufwand zu gewährleisten waren.

Dies war möglich, in dem unter anderem die Luftheizung aus den 60er Jahren ersetzt wurde durch eine Fassadenheizung (Heizungswasser fließt durch die Fassadenprofile), die Verwendung einer besonders lichtdurchlässigen Verglasung (2-fach Wärmeschutz-Sicherheitsglas mit Anti-Reflexbeschichtung), neuen Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung sowie diversen Möglichkeiten zur Bewässerung, Beregnung beziehungsweise Luftbefeuchtung. Spezielle Umlufttürme dienen darüber hinaus unter anderem zur Vergleichmäßigung der Lufttemperaturschichtung.

Für eine bedarfsgerechte, energieoptimierte Betriebsführung des GTH erfolgte ein umfangreiches Monitoring sowie die Auswertung der Betriebsparameter mit Hilfe der neu installierten Gebäudeleittechnik (vgl. Bildunterschrift Abb. 1). Neu war die Möglichkeit, die Soll-Temperaturen und die Luftfeuchtigkeit im gesamten Innenraum der GTH zu erfassen und zu steuern.

Außerdem wurden in Laboruntersuchungen an Hand von Pflanzenproben und durch verschiedene Duft-, Farb- und Lichtfallen kontinuierlich die Insektenpopulationen erfasst und die Einführung von natürlichen Gegenspielern wie Raubmilben, Florfliegen, Marienkäfern, Schlupf- und Erzwespen verfolgt. In Abstimmung mit dem F&E Team wurden die Betriebsparameter des GTH nach und nach angepasst.

Wechselwirkungen Gebäude – Technik – Pflanzen

Im GTH stehen sehr unterschiedliche Aspekte in Wechselwirkung miteinander. Da ein optimierter Gebäudebetrieb mit dem Ziel der gesunden Pflanzenentwicklung bei gleichzeitiger Energieeinsparung angestrebt wird, müssen diese Wechselwirkungen und Abhängigkeiten hinreichend erkannt und verstanden sein. Folgende Aspekte sind von Bedeutung:

Temperaturextrema – Pflanzenvitalität und -gesundheit

Pflanzliche Stoffwechselprozesse sind temperaturabhängig, wobei jede Pflanze einen genetisch fixierten optimalen Wachstumsbereich besitzt. Bei Temperaturunterschreitung wächst sie langsamer oder erleidet sogar Kälte- und im Extremfall Frostschäden. Mit steigender Temperatur hingegen steigert sie in einem gewissen Maße zunächst ihr Wachstum, um dann zu stagnieren und später Hitzeschäden zu zeigen. Je mehr die Klimabedingungen vom optimalen Bereich entfernt sind, je mehr reagieren Pflanzen mit veränderten Stoffwechselprozessen und verminderten Photosyntheseraten, was die Anfälligkeit (Prädisposition) gegenüber Schaderregern deutlich erhöhen kann.

Insbesondere werden die pflanzeneigenen Abwehrmechanismen geschwächt und die Schaderregerpopulationen nehmen merklich zu. Gleichzeitig haben auch Schaderreger sowie ihre natürlichen Gegenspieler ihre individuellen Temperaturansprüche, so dass ihre Aktivitäten, Vermehrungsraten und damit schädigende Wirkungen direkt beeinflusst werden. Die sogenannte Wirt-Parasit-Beziehung wird unmittelbar von der Temperatur beeinflusst (s. Abb. 3)

Lufttemperatur – Transmissions- und sensibler Lüftungswärmeverlust

Je geringer die mittlere Raumlufttemperatur in geschlossenen Räumen ist, desto geringer sind die Transmissionswärmeverluste sowie der sensible Lüftungswärmeverlust. Das wurde bei der Planung und dem Betrieb des neuen Tropenhauses berücksichtigt, indem einerseits eine für Gewächshäuser sehr gut wärmedämmende Zweifachverglasung mit thermisch getrennten Rahmenprofilen eingesetzt wurde (UW-Wert ca. 1,3 W/m²K) und andererseits der Sollwert der Lufttemperatur auf nur 21 °C tagsüber und 18 °C in der Nacht eingestellt wurde (vgl. Abb. 5).

Darüber hinaus erfolgte eine dynamische Sollwertanpassung in Abhängigkeit der am nächsten Tag zu erwartenden Sonneneinstrahlung, so dass eine übermäßige vorausschauend vermieden. Die für die besonders kalten Jahreszeiten vorgesehenen Lüftungsanlagen arbeiten mit Wärmerückgewinnung, so dass nur geringe sensible Lüftungswärmeverluste entstehen.

Bewässerung – Pflanzenentwicklung – Transpiration

Wasser ist für die pflanzliche Entwicklung in vielerlei Hinsicht essentiell. Zum einen ist Wasser Bestandteil jeder Pflanzenzelle und ist das Medium für viele Stoffwechselprozesse, zum anderen sorgt es im Boden für den Nährstofftransport an die Feinwurzelspitzen. Pflanzen des tropischen Regenwaldes benötigen eine hohe Luftfeuchtigkeit.

Gleichzeitig aber bewirkt eine hohe Luftfeuchtigkeit eine nur geringe Ausbildung der Blattabschlussgewebe, so dass Schaderreger leichter durch diese hindurch in die Pflanze eindringen können. Insbesondere viele Pilzarten benötigen zur Sporenkeimung auf der Blattoberfläche eine hohe Luftfeuchte, so dass ihre Aktivität erst hierdurch möglich wird (s. Abb. 4).

Zu viel Wasser im Boden verdrängt in den Poren die Bodenluft mit der Folge anaerober Bedingungen und Feinwurzelsterben, zu wenig Wasser verursacht die Einstellung der Feinwurzelbildung. Bei einer zu geringen Luftfeuchte schließen viele Pflanzen ihre Blattöffnungen (Stomata), so dass die Transpiration merklich abnimmt.

Relative Luftfeuchte – latente Heizleistung und latenter Lüftungswärmeverlust

Je höher die gewünschte Raumluftfeuchte ist, desto mehr Wasser muss einem begrünten Innenraum in Form von Gießwasser oder Hochdrucknebel zugeführt werden. Für die Verdunstung des Wassers wird die Verdunstungsenthalpie benötigt, d. h. eine Wärmezufuhr, die üblicherweise aus der umgebenden Luft heraus erfolgt. Als Folge sinkt die Raumlufttemperatur (Verdunstungskühlung). Um die Raumlufttemperatur aufrecht zu erhalten, ist also eine weitere Wärmezufuhr beispielsweise über die Fassaden- oder Lüftungsanlagen erforderlich. Geht die befeuchtete Luft aufgrund des Außenluftwechsels verloren, so ist auch diese latente Wärme verloren.

Lufttemperatur – relative Feuchte

Die Aufnahmefähigkeit von Wasserdampf in der Luft ist stark von der Lufttemperatur abhängig. Da warme Luft mehr Wasserdampf aufnehmen kann, ist zum Erreichen einer bestimmten relativen Luftfeuchte bei höheren Lufttemperaturen mehr Wasser erforderlich als bei niedrigeren Temperaturwerten. Unter Berücksichtigung der bei der Verdunstung benötigten latenten Wärme bedeutet eine höhere Lufttemperatur auch einen höheren Wärmebedarf für die Luftkonditionierung.

Tauwasser – Lichteinfall – Korrosion

Kondensation an der Fassade ist aus mehrfacher Hinsicht nicht erwünscht. Tauwasser auf den Verglasungen reduziert den Lichteinfall, außerdem bilden sich Algen, die dauerhaft die Gläser verschmutzen. Bildet sich langfristig Tauwasser auf Metallteilen, ist mit Korrosion zu rechnen. Von Überkopfverglasungen abtropfendes (kaltes) Tauwasser kann zu Schädigung der Blatter tropischer Pflanzen führen.

Raumklima – Taupunkttemperatur

Die Taupunkttemperatur ergibt sich aus den jeweiligen Raumluftzuständen. Je feuchter die Luft ist, desto höher ist der Taupunkt und die Gefahr von Tauwasserbildung an den kalten Stellen der Fassade steigt. Auch bei einer beheizten Fassade lassen sich diese kälteren Stellen nicht mit Sicherheit vermeiden. Soll Kondensation an der Fassade vermieden werden, ist es zum Beispiel sinnvoll, nachts, wenn besonders leicht niedrigere Oberflächentemperaturen an der Innenseite der Fassade auftreten können, die Raumluftfeuchte entsprechend abzusenken.

Nachtabsenkung – Entfeuchtungsleistung

Senkt man in der Nacht die Raumlufttemperatur in einem Gebäude ab, so reduzieren sich die Wärmeverluste und man spart Heizenergie. Soll die Lufttemperatur einer sehr feuchten Luft nachts abgesenkt werden, so ist eine gezielte Entfeuchtung der Luft nötig, da sonst leicht eine Taupunktunterschreitung an den kältesten Teilen der Gebäudehülle auftreten kann. Im GTH mit etwa 37.000 m³ Raumvolumen ist eine Nachtabsenkung von 21 °C und 70 Prozent auf 18 °C und 60 Prozent (vgl. Abb. 6) mit der erforderlichen Abführung von ca. 140 l Wasser verbunden.

Entfeuchtung – Wärmerückgewinnung

Bei einer aktiven Entfeuchtung der Raumluft fällt neben dem Wasser eine erhebliche Menge latenter Wärme an. Diese Wärmemenge wird bei der Anhebung der Raumluftzustände am Morgen wieder benötigt. Sollen keine Energiemengen verschwendet werden, muss das Gebäudetechnik-konzept über eine leistungsfähige latente Wärmerückgewinnung und/oder über gute Speichermechanismen für latente Wärme verfügen.

Oberflächentemperatur Gebäudehülle – erforderliche Lufttemperatur Innenraum

Beim Menschen wirkt sich die Oberflächentemperatur der einen Raum umschließenden Wände durch den Strahlungswärmeaustausch auf die Wärmebilanz aus, so dass die thermische Behaglichkeit beeinflusst wird. Für Pflanzen ist dieser Sachverhalt relativ ungeklärt. Dieser Zusammenhang ist jedoch wichtig, bietet er doch beim Tropenhaus mit beheizter Fassade gegebenenfalls die Möglichkeit, geringere Raumlufttemperaturen bei gleichem "Wohlbefinden" der Pflanzen zu fahren und damit wirksam Energie einzusparen.

Luftzirkulation

Luftumwälzungen führen dazu, dass Klimaschichtungen in Pflanzenbeständen unter Glas weniger ausgeprägt sind, so dass die pflanzliche Entwicklung unter gleichmäßigeren Bedingungen stattfindet. Dies ist aber mit der Gefahr verbunden, dass durch die Luftströmung Insekten und Pilzsporen im Raum besser verteilt werden und ihre Verbreitung gefördert wird.

Die Ergebnisse lassen sich insgesamt wie folgt zusammenfassen:

Botanische Sicht

In der Eingewöhnungsphase der Neubepflanzung ergab die Analyse der Pflanzenentwicklung, dass der Anpassungsvorgang nach etwa einem Jahr weitgehend überwunden war. Die zuwachsende Blattmasse war deutlich grüner, vitaler und kaum von Schädlingen befallen verglichen mit der Pflanzenentwicklung der bisherigen Kultursituation. Die eingesetzten Nützlinge etablierten sich erfolgreich im Pflanzenbestand. Der Gesundheitszustand einer Pflanze umschließt auch den Zustand des unterirdischen Wurzelsystems. Da in diesem Bereich die Empfindlichkeit zum Beispiel gegen Pilzbefall höher ist, war auch die Wurzelentwicklung genauer zu beobachten. Im Ergebnis zeigten die Wurzeln keine Fäulnis und boten ein gutes Feinwurzelwachstum.

Technisch energetische Sicht

Raumluftzustände mit abgesenkter Innentemperatur und -feuchte bewirken bei sorgfältiger Betriebsführung eine erhebliche Senkung des Energieaufwands für die Konditionierung der Innenluft. Diese andauernde Umweltentlastung wurde ermöglicht durch eine laufende Analyse der Raumluftzustände (Monitoring), die in die Abstimmung mit den für die Pflanzen Verantwortlichen einfloss und gewisse Anpassungen der Sollwerte Schritt für Schritt nach sich zog (vgl. Abb. 5 und Abb. 6).

So wurde ein stabiles Mikroklima etabliert, das eher an angenehme Innenraumbedingungen in Bürogebäuden erinnert als an tropische Bedingungen. Bleiben die Pflanzen dabei aber vital und wachsen bei guter Bodenbeschaffenheit wie gewünscht, gibt es aus botanischer und gärtnerischer Sicht keine Probleme. Offensichtlich waren die Pflanzen im GTH nach einer gewissen Eingewöhnungszeit in der Lage, sich dem veränderten Mikroklima anzupassen und gesund zu gedeihen.

Somit trägt die Anpassungsfähigkeit der Pflanzen und deren Ausnutzung zur Effizienzsteigerung des Gebäudebetriebs und damit der Umweltentlastung nennenswert bei.

Fazit

Auch nach zwischenzeitlich mehrjährigem Betrieb haben sich die anfänglichen positiven Erkenntnisse weiter manifestiert. Die Pflanzen haben sich weiterhin vital entwickelt, größere phytopathologische Probleme traten bislang nicht auf. Lediglich der Nützlingseinsatz musste punktuell verstärkt werden.

Die Sollwerte für Lufttemperatur und -feuchte wurden in letzten Jahren wieder etwas angehoben (vgl. Abb. 7), was aber in Bezug auf die erzielten Wärmeenergie-Einsparungen nur geringe Einbußen bewirkte. Heute werden nur noch etwa 30 Prozent (!) der Fernwärmemenge vor der energischen Sanierung des GTH benötigt. Gleichzeitig ist aber ein erheblich gestiegener Stromverbrauch unter anderem für Lüftungsanlagen und künstliche Beleuchtung festzustellen, so dass das Gesamtenergie-Einsparergebnis weniger positiv ausfällt als erhofft.

Wesentlich für einen energieeffizienten Betrieb eines Tropenhauses mit gesunden Pflanzen ist demnach ein dauerhaftes, konsequentes Monitoring der Betriebsbedingungen möglichst mit jährlichem Energiebericht, ein stetiger Austausch mit den Gärtnerinnen und Botanikerinnen, die die Gesundheit der Pflanzen beurteilen können, sowie regelmäßige Definition von Klimaschutzzielen sowie deren Überprüfung (Controlling).

Diese positiven Erfahrungen können prinzipiell auch in anderen Gebäudebegrünungen erwartet werden. Individuell müssen sie jedoch den lokalen Gegebenheiten angepasst werden, was die Einbindung von Experten erforderlich macht. Die Erfahrungen ermutigen jedoch, die Gebäudearchitektur und die grünen Infrastrukturen interdisziplinär weiter zu entwickeln.