Hainbuche als Klimaanlage

Düsseldorfs Stadtmitte gibt Europas größte Grünfassade eine neue Prägung. Acht Kilometer Hainbuchenhecke auf dem Dach und vor der gestuften West- und Nordfassade des Geschäfts- und Bürohausensembles Kö-Bogen 2 verwandeln die Fronten zu hängenden Gärten. Nicht nur das. Sie formen mit der ansteigenden Rasenfläche auf der Bedeckung des benachbarten Food- und Einzelhandelmarktes ein Grüntal aus, das zum Erholen und Entspannen einlädt: In Summe profitieren Mikroklima, Umweltschutz und Lebensqualität von der erfrischenden Botanik des Neubauensembles im Stadtzentrum.

April 2021, der Neubau steht. Die Centrum Gruppe und die B&L Gruppe vollenden in diesen Wochen die Umgestaltung des Stadtquartiers zwischen dem Jan-Wellem-Platz und dem Gustaf-Gründgens-Platz nahe der Königsallee. Auf dem fast 14.000 Quadratmeter großen Areal setzt in der attraktivsten Lage der nordrhein-westfälischen Landeshauptstadt die Phytotechnologie die architektonischen Akzente. Sie ist die Wissenschaft von der nachhaltigen Begrünung, unter anderem von Fassaden und Dächern. Die Hainbuchen, zu etwa 1,30 m großen Sträuchern kupiert, schlängeln sich als acht Kilometer langer Zaun die fünf Etagen der West- und Nordfassade hinauf auf und über das Dach des Geschäfts- und Bürohauses Kö-Bogen 2 an Düsseldorfs Shoppingmeile Schadowstraße. Die Verdunstung und Verschattung der Botanik stellte die beteiligten Ingenieure vor einige Herausforderungen. Sowohl was die Bewässerungstechnik angeht als auch die Auswirkungen auf das Raumklima.

Gegen die Aufheizung

Etymologisch leitet sich Phytotechnik aus dem Griechischen ab. Phyto heißt Pflanze. Ob Pflanzentechnik als Untergruppe der Biotechnologie, kurz Biotech, gesehen werden darf, sei an dieser Stelle nicht diskutiert. Dem Kern nach befasst sich die Biotech mit der Nutzung von Organismen zur Herstellung von chemischen Verbindungen, etwa von Lebensmitteln. Die Verarbeitung von Milch zu Käse bedarf bestimmter Mikroorganismen. Oder: Ohne Hefe gärt kein Bier. Das ist Biotech. Die Phytotechnik dagegen beschäftigt sich in erster Linie mit der Wissenschaft und Nutzung eines gezielten Pflanzenanbaus – Nutzung zum Beispiel als natürliche Klimaanlage.

Die flächige Begrünung des Kö-Bogen 2 verhindert, dass sich die Fassade bei starker Sonneneinstrahlung überproportional aufheizt und Teile dieser Hitze sowohl nach innen abgibt als auch nach außen unter das Straßenklima mischt. Die Hecke übernimmt in beiden Fällen also die Funktion eines Hitzepuffers. Diesen Kühlungseffekt verstärkt die Transpiration der Blätter. Denn die Hainbuchen werden über eine Bewässerungsanlage ganzjährig bedarfsgerecht mit Wasser und Nährstoffen versorgt. Damit fungieren die acht Kilometer als riesige adiabatische Kältemaschine, von deren Aktivität sich die Käufer vor den Schaufenstern des noblen Kaufhauses an heißen Sonnentagen gerne länger festhalten lassen – was sicherlich nicht dem Portemonnaie, aber den Mietern der Ladenlokale, wie zum Beispiel H&M, gut tun wird.

Grundlage von der Beuth Hochschule

Insgesamt hat das Projekt ein Finanzvolumen von rund 600 Mio. Euro. Investor sind zwei Projektentwickler für hochwertige Immobilen, die Centrum Gruppe, Düsseldorf, und B&L, Hamburg. Die neuen Eigentümer hatten nach zähen Verhandlungen den brach liegenden und vereinsamten Gustaf-Gründgens-Platz vor dem Düsseldorfer Schauspielhaus und dem architektonischen Kleinod Dreischeibenhaus für 70 Mio. Euro der Stadt abgekauft. Für das spektakuläre Gesamtkonzept zeichnet das Düsseldorfer Architekturbüro Ingenhoven Architects verantwortlich. Wie gesagt, der Komplex steht kurz vor der Fertigstellung. Den letzten Pflanzentrog stellte der Kran bereits im Frühjahr 2020 auf die Traverse, die letzten Mieter wie auch eine Büromannschaft der Eigentümer sind jetzt, April 2021, dabei, einzuziehen. „Für mich steht dieses Gebäude für ein Paradigmenwechsel: Aus städtischer Perspektive für die Abkehr vom automobilen Zeitalter und die Hinwendung zum Menschen als Maßstab. Mit Europas größter Grünfassade bietet der Kö-Bogen zugleich eine Antwort der Städte auf den Klimawandel“, ging Architekt Christoph Ingenhoven auf einer Pressekonferenz auf die nachhaltige Aufgabe heutiger Bauprojekte ein.

Der Entwurf der Phytotechnik stammt von der Beuth Hochschule in Berlin. Sie gehört zu den eigentlich immer noch wenigen Forschungs- und Bildungseinrichtungen für diese Disziplin in Deutschland. Prof. Dr. rer. hort. Karl-Heinz Strauch – hort. für Gartenbauwissenschaft hortensium –, Lehrbeauftragter für Biosystemtechnik und Phytotechnologie, hatte zu Beginn der Planung des Geschäftshauses die Anforderungen an das Begrünungssystem in einer umfangreichen Studie vorgelegt und darin den Effekt der Pflanzenhülle aus Hainbuchen für das innerstädtische Klima betont. „Nach unseren mehrjährigen Untersuchungen kennen wir das Wachstum der Pflanzen in diesem speziellen Pflanzsystem, ihre Bedürfnisse ebenso wie ihre ökophysiologische Leistungsfähigkeit. Dabei war der Wasser- und Wärmehaushalt der Laubfläche von besonderem Interesse ebenso wie die Frage nach der CO₂-Aufnahme. Wir wissen nun, dass allein die Pflanzenhülle der Fassade eine Laubfläche von 30.000 m² hat, Sauerstoff wie ein Park mit rund 80 ausgewachsenen Laubbäumen produziert und nicht nur CO₂ aufnimmt, sondern auch Fein- und Feinststaub über die Blattoberflächen bindet.“

Belastbare Hainbuchen

Um bauphysikalische, lufthygienische und stadtökologische Wirkungen von Fassadenbegrünungen kümmert sich die Wissenschaft seit gut 20 Jahren. Die bisherigen Ergebnisse – in der Regel aus Untersuchungen an einzelnen Ausführungen – belegen eindeutig die positiven Effekte. Allerdings mangelt es an belastbaren messtechnischen Daten, die in bauphysikalische Formeln als Faktor einfließen könnten, etwa zur Berechnung des sommerlichen Kühlbedarfs von größeren Immobilien oder der Transmissionswärmeverluste. Man tut sich wegen der Wechselhaftigkeit der einzelnen Klima prägenden Einflüsse über das Jahr gesehen mit einer Gewichtung der Begrünung auf das Innenraumklima in Form von festen Beiwerten schwer.

Warum Hainbuchen zur Fassadenbegrünung? Das Auswahlverfahren enthielt verschiedene Kriterien. Gestalterisch sollte die Vegetation über das Jahr ein wechselndes Erscheinungsbild bieten. Die Pflanzen dürfen ferner nicht giftig und müssen widerstandsfähig gegen Schädlinge wie auch gegen Wind sein. Des Weiteren bedarf es Eigenschaften wie ein negatives Kletterverhalten (kein Efeu-Effekt). Sie müssen auch ohne direktes Sonnenlicht Formerhaltend gedeihen. Die Wissenschaftler sprechen in Bezug auf diese Charakteristik von Schattenflucht. Für die sonnenarme Nordseite des Neubaus an der Schadowstraße kommt mithin nur ein Grün infrage, das keine Schattenflucht entwickelt.

Karl-Heinz Strauch stützte sich für die Erstellung seines Eigenschaftenkatalogs unter anderem auf die Richtlinien für die grüne Branche der Forschungsgesellschaft Landschaftsentwicklung Landschaftsbau e.V. (FLL), Bonn, ab, wie auch auf den Forschungsbericht „Ökologie der Hainbuche mit besonderer Berücksichtigung ihrer Eignung für eine Fassadenbegrünung“, in der Prof. Dr. Albert Reif von der Universität Freiburg diesen Einsatz der „Carpinus betulus“ analysiert. Die strapazierfähige Hainbuche als nicht-immergrüne Botanik empfehlen diese und andere Veröffentlichungen als Fassadenverkleidung unter anderem deshalb, weil für die immergrüne Alternative vor allem im Winter ein hohes Gefährdungspotential durch die Kombination einer geringen Luftfeuchte mit hoher Windgeschwindigkeit besteht und damit mit Wassermangel im Wurzelbereich. Die Hainbuche demgegenüber reduziert im Winter ihr aktives Laub auf ein Minimum und damit erheblich die Gefahr von Trockenschäden.

Tropfenbewässerung zur Wasserversorgung

Die exakten Daten zur Bewässerung zog die „Arge Carpinus“ nicht aus der Schublade. Genauso wenig wie sich wegen der Vielzahl und der Wechselhaftigkeit der Einflussfaktoren die Konsequenzen auf das Raumklima beiwertmäßig erfassen lassen, entzieht sich der Wasserbedarf einer normativen Tabellierung. Die Baumschule Bruns im Ammerland an der Grenze zu Ostfriesland zog die Hainbuchen in drei Jahren groß und bereitete die Bäumchen in Trögen auf ihre ganz spezielle Belastung in der Fassade in Düsseldorf vor. Die genaue spätere Position jedes Kübels hatten die Gartenbauer im Vorhinein festgelegt. Entsprechend richteten sie die Bepflanzung im Ammerland aus. Während der Entwicklungspflege in Norddeutschland entstand auch die Tropfstrategie. Die Mitarbeiter dort erfassten und dokumentierten die Wirkung der Bewässerung an repräsentativen Segmenten und korrelierten sie mit klimatischen Rahmenbedingungen. Die Neigung der Fassade an der Schadowstraße bewirkt eine stufenförmige Anordnung der Behälterreihen.

Wassermengen und Bewässerungsintervalle müssen variabel steuerbar sein. Die Wasserverteilung geschieht durch eine Tropfbewässerung über die Oberfläche der Vegetationstragschicht. Der Wasserüberschuss tritt aus der Drainage aus. Das verhindert eine Ablagerung von Salzen in den oberen Substratschichten. Der Strauch-Bericht schreibt dazu: „Die Wasserverteilung ist so auszulegen, dass die Versorgungsintensität (Bewässerungsdauer und Bewässerungsintervall) jederzeit unterschiedlichen beziehungsweise sich ändernden Wasserbedarfen angepasst werden kann.“ Zu berücksichtigen sind „hohe Transpirationsraten an besonders exponierten Stellen. Wesentliche Ursachen sind unterschiedliche Strahlungsintensitäten und Strahlungsmengen (Globalstrahlung) als Folge der jeweiligen Flächenausrichtung sowie erhöhte Windbelastungen, die an Strömungsübergängen der Rand- und Eckbereiche der Fassade und der Dachfläche auftreten. Daraus ergeben sich Anforderungen an die Flexibilität des Bewässerungssystems und der Bewässerungssteuerung sowie an Kontrolle und Wartung. Es empfiehlt sich eine Unterteilung des Bewässerungssystems in unabhängige Bewässerungsgruppen.“

Umfangreiche Sensorik

Für die Tropfbewässerung am Kö-Bogen, mit Schatten- und Sonnenlage, mit spärlichem winterlichem Wachstum und prallem sommerlichen Blattgrün, heißt das, für die achtstündige Bewässerung am Tag einen Wasserverbrauch zwischen 1,8 bis 5,6 l pro Meter Heckenelement zu gewährleisten. Die bedarfsorientierte Regelung orientiert sich deshalb über eine Sensortechnik sowohl an den pflanzenspezifischen als auch den verbrauchsbeeinflussenden Standortbedingungen. Ebenso überwacht sie die Versorgung der Pflanzen mit Nährstoffen in Form eines wasserlöslichen Düngers, den eine Vorrichtung in der Kopfstation der Bewässerungsanlage dem Wasser beimischt. Konkret fragt die Elektronik folgende Parameter ab und justiert nach:

▪ Bewässerungsstatus des Pflanzenbestands,

▪ Füllstand der Anstauschicht,

▪ Wasserausgabestellen (Tropfer),

▪ Bewässerungsmengen,

▪ Strömungswächter für die Wasserzufuhr,

▪ Nährstoffdosierung,

▪ Salzgehalt und pH-Wert des Bewässerungswassers,

▪ Erfassung und Dokumentation der relevanten Klimadaten, Niederschlag, Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit und Windrichtung, Sättigungsdefizit der Luft.

Im Winterschlaf

Das Begrünungskonzept hatten die Firmen Jakob Leonhards Söhne und Benning Dachbegrünung als „Arge Carpinus“ umgesetzt. Pflege und Wartung erfolgen durch Leonhards. Das Wuppertaler Unternehmen befasst sich mit Garten- und Landschaftsbau seit über 130 Jahren. Aktuell begrünt Leonhards die neue Calwer-Passage in Stuttgart, die ebenfalls Kö-Bogen-Architekt Christoph Ingenhoven gestaltete (wie auch den Hauptbahnhof Stuttgart 21). Martin Belz, Prokurist und Verantwortlicher für Großprojekte, hält sehr viel von der Hainbuche: „Das ist ein sehr robustes, widerstandsfähiges und genügsames Gehölz. Selbst an Hochsommertagen wurden Wasserverbräuche von maximal 2,5 Liter/Pflanze gemessen. Sie ist sehr schnittverträglich, kennt gegenüber vielen anderen Heckenpflanzen wenig Krankheiten und besitzt eine hohe Regenerationsfähigkeit. Darüber hinaus fällt sie regelrecht in den Winterschlaf. Das Grün wechselt über gelb/rötlich in braun und verbraucht in diesem Zustand wenig Wasser und Nahrung. Für den Kö-Bogen 2 wurden im Baumschulbetrieb Bruns Hainbuchenpflanzen selektiert, die besonders laubhaltend sind und deren Blätter erst kurz vor dem Neuaustrieb abfallen. Das heißt, es bleibt weitgehend bei den bauphysikalischen Eigenschaften, nämlich der Verschattung und somit der »Dämmung« der Fassaden.“

Die Robustheit der Heckenpflanzen ist das eine, die Robustheit der Technischen Gebäudeausrüstung (TGA) das andere. Ohne Wasser und Nährstoffe hält auch die Hainbuche nicht lange durch. „Das ist klar. Deshalb haben wir im Kö-Bogen ausreichend Redundanz installiert. Die Bewässerung der rund 160 Kreise geschieht über zwei völlig unabhängige Bewässerungsanlagen. Strom- und Wasserversorgung werden aus getrennten städtischen Netzen in die beiden Anlagen eingespeist. Sollte eine Anlage ausfallen, übernimmt die andere Anlage automatisch die Versorgung sämtlicher Kreise. Unter einer kurzen Versorgungsunterbrechung leidet die Hainbuche nicht. Bricht die öffentliche Lieferung jedoch einmal völlig zusammen, kommen das Wasser aus Tankwagen und der Strom aus dem Notstromaggregat.

Wie sieht es bei einem Feuerunfall aus? Die Landesbauordnungen gehen auf den Brandschutz grüner Fassaden ein. Die DIN 4102-4 hat den Mustererlass der Arge Bau „Brandverhalten begrünter Dächer“ in ihrem Bauteilkatalog aufgenommen. Der rechnet begrünte Dächer formal den harten Bedachungen zu: „Dächer mit Intensivbegrünung und Dachgärten – das sind solche, die bewässert und gepflegt werden und die in der Regel eine dicke Substratschicht aufweisen – sind ohne weiteres als widerstandsfähig gegen Flugfeuer und strahlende Wärme (harte Bedachung) zu bewerten.“ So sieht es denn auch die Landesbauordnung NRW. Die Wissenschaftler der Beuth Hochschule in Berlin hatten sich in der Planungsphase die Feuerwiderstandsfähigkeit der Hecke genau angeschaut. Sie strapazierten sie mit einem Brandtest, malträtierten sie unter anderem mit einem Gasbrenner. Stamm und Äste fingen kein Feuer, lediglich die Blätter verkokelten. Daraufhin gab auch der Brandschutz der grünen Architektur seinen Segen insofern, dass er für die Fassade keine Sprinkleranlage verlangt.

Selbstverständlich sind Ausfälle der einzelnen technischen Komponenten möglich. In Form einer ständigen Fernüberwachung werden die entscheidenden Parameter, wie etwa die Durchflussmenge, der pH-Wert, der sich zwischen 5 und 6,5 bewegen sollte, und natürlich auch die Dosierung der Nährstoffe überwacht. Die Bilanz nach einem Jahr Hainbuchen-Fassade, von Frühjahr 2020 bis Frühjahr 2021: „Wir haben“, so Martin Belz, „alle Vorkehrungen richtig getroffen, um dieses bisher beispiellose Projekt in eine grüne Zukunft zu führen.“

Allein mit überzeugter Technikgläubigkeit sei die allerdings nicht gesichert. „Die Vorkehrungen schließen trotz aller Automatik und Sensorik eine manuelle Betreuung ein, denn die Technik kann den bekannten »Grünen Daumen« nicht ersetzen. Sie gibt keine Garantie auf dauerhaft gesundes Leben. Pflanzen sind Lebewesen. Wir müssen deshalb die Anlage im Turnus begehen, müssen uns vor allem jetzt in der Blütezeit das Blätter- und Knospenwachstum anschauen. Wir hatten im gerade vergangenen April Temperatursprünge von -10 bis +20 °C. Die Technik erfasst das zwar und fährt ihr Programm ab, aber durchfeuchtet der Boden tatsächlich wie gewünscht, steckt irgendwo noch Frost in der Erde, nehmen alle Wurzeln die Nahrung auf oder müssen wir gegensteuern? Sie müssen auch weiterhin mit Ihrer gärtnerischen Erfahrung, mit Ihrem gärtnerischen Know-how die Technik klima- und jahreszeitabhängig nachoptimieren. Sie brauchen den Gärtnerblick für die Vitalität der Pflanze. Dazu beschauen und befühlen wir Blätter, Knospe, Rinde und ziehen unsere Schlüsse.“