Durch thermische Betrachtungen und Simulationen zu mehr Effizienz

Energiebedarf in Bahnhöfen

Personenbahnhöfe sind Gebäude, die sich durch ihre offene Struktur signifikant von anderen gängigen Bautypen wie Wohn-, Gewerbe-, Büro- und
öffentliche Schul- und Theaterbauten unterscheiden. Sie werden tagtäglich von Millionen Reisenden frequentiert und sind Arbeitsplatz für einige tausend Menschen. Darum ist Komfort ein wichtiger Faktor, doch Maßnahmen zur Steigerung des Komforts gehen jedoch oft einher mit Einsatz von Energie, der heute besonders effizient vorgenommen werden muss.

Denn angesichts stetig steigender Energiepreise, der starken Wetter­abhängigkeit alternativer und erneuerbarer Energiequellen sowie ökologi­scher Gründe ist der vermehrte Energieeinsatz nicht zeitgemäß. Daher soll die im Folgen­den beschriebene Studie Wege aufzeigen, wie sich aus der Analyse baustruk­tureller Eigenschaften von Bahn­höfen Lösungen ableiten lassen,
die Komfort und Energieeffizienz in ein ­optimales Gleichgewicht bringen. Dabei darf natürlich nicht die Funktion des Bahnhofs als Schnittstelle zwischen verschiedenen Verkehrsmitteln leiden. Für den thermischen Komfort bedeutet dies, eine Lösung zu dem Paradoxon zu finden, Bahnhöfe durchlässig für Personen, aber möglichst undurchlässig für Wärmeenergie zu gestalten.

 

Bahnhofsbestand in Deutschland

Die Menge der Personenbahnhöfe ist ein sehr heterogenes Portfolio. Bahnhöfe besitzen trotz ihrer ähnlichen Aufgaben und Funktionen zum Teil sehr unterschiedliche bauliche Strukturen. Das hat zum einen mit den verschiedenen Epochen, geographischen Regionen und
damit Modeerscheinungen zu tun, zum anderen mit den sehr unterschiedlichen Größen und Verkehrsaufkommen. Auch wenn es keine abgrenzbaren Gruppen von kleinen und großen Bahnhöfen gibt, da der Größenverlauf beinahe stetig ist, lassen sich doch einige allgemeine Aussagen hinsichtlich der mengenmäßigen Verteilung von Bahnhöfen in Deutschland treffen: Je kleiner die Haltepunkte, desto größer die Anzahl der Bahnhöfe mit vergleichbarer baulicher Struktur. Je größer die Bahnhöfe, desto stärker ihre Heterogenität, höher das Verkehrsaufkommen, die Anzahl der Komfortzonen und Geschäfte.

Daraus folgt der Schluss, die Energieeffizienz für Großbahnhöfe individuell zu optimieren, während es für kleine Haltepunkte zweckmäßiger ist, Standardrezepte für alle Standorte zu finden. Eine besondere Rolle spielen S-Bahnhöfe, die sich in Ballungszentren befinden und ein hohes Verkehrsaufkommen besitzen, deren bauliche Anlagen jedoch relativ klein sind.

 

Typisierung anhand der
räumlichen Struktur

Variationen der räumlichen Anordnung der Baukörper, Gleisanlagen und Verkehrswege gibt es sowohl in der Horizontalen als auch in der Vertikalen. Die Grundrissvarianten ergeben sich in der Regel aus städtebaulichen Aspekten: Kopfbahnhöfe können in unmittelbarer Nähe der Innenstädte liegen, ohne diese durch eine durchgehende Bahnlinie zu zerschneiden. Allerdings haben Kopfbahnhöfe negative Auswirkungen auf den Bahnverkehr: Die Züge fahren über dieselben Gleise in die Bahnhöfe ein und aus, weshalb nachfolgende Züge häufig warten müssen. Des Weiteren sind bei den Ein- und Ausfahrten eine größere Anzahl Weichenüberfahrten nötig.

Die vertikale Struktur eines Bahnhofs hängt sehr stark von seiner Funktion und Lage ab. Die überwiegende Anzahl der Bahnhöfe mit Nah- und Fernverkehrsanschluss hat oberirdisch liegende Empfangsgebäude, Bahnsteige und Gleise. Eine Ausnahme spielen die S-Bahnhöfe in den Großstädten: Da hier aus städtebaulichen Gründen eine oberirdische Gleisführung inakzeptabel ­wäre, sind diese Bahnhöfe in der Regel unterirdisch, zum Teil aber auch aufgeständert.

Ein drittes strukturelles Merkmal ist die Lage der verschiedenen Elemente der Gebäudehülle und die damit verbundene Ausbildung von raumklimatischen Zonen. Anders als bei „klassischen“ Gebäudetypen, bei denen die Trennung zwischen innen und außen vollständig in einer oder maximal zwei Fassadenebenen liegt, verläuft bei Bahnhöfen die Trennung in mehreren Stufen, sodass Räume entstehen, die unter verschiedenen Gesichtspunkten teilweise dem Innen- und teilweise dem Außenraum zugeordnet werden können. Insbesondere der Witterungsschutz und die klimatische Grenze verlaufen nicht un­bedingt in einer Ebene. Die Wahl der Fassadenebenen hat einen großen Einfluss auf die thermische Behaglichkeit
in den betreffenden Gebäudezonen.

Von den in Grafik 1 dargestellten Strukturen ist die Variante in der Mitte mit der nicht offiziellen Bezeichnung „Kaltbahnhof“ bei großen, verkehrsreichen und prestigeträchtigen Bahnhöfen verbreitet. Der gesamte Bahnhof befindet sich in einer Hülle, die gegen Wind und Niederschlag schützt. Ein temperiertes Innenraumklima besitzen allerdings nur bestimmte Bereiche im Empfangsgebäude. Die beiden Strukturen in derselben Grafik rechts sind typisch für kleine Bahnhöfe (A) und sehr kleine Haltepunkte (B). Die Bahnsteige befinden sich im Außenbereich. Im Fall (A) existiert neben den Verkehrsanlagen ein Empfangsgebäude, welches beispielsweise eine Gastwirtschaft und Fahrscheinautomaten enthält, aber keine direkte bauliche Beziehung zu den Bahnsteigen besitzt. Die Variante links „Warmbahnhof“ ist eher theoretischer Natur, kommt aber in seltenen Fällen zumindest ansatzweise vor. Bei diesem Bahnhofstyp fahren die Züge durch die Klimahülle in einen echten Innenraum ein und wieder heraus. Problematisch ist natürlich die Gestaltung der „Tore“, die aus Gründen der Betriebssicherheit nicht aus einem massiven Feststoff bestehen können.

 

Bauliche Strukturen und Komfort

Bei Kopfbahnhöfen mit Empfangsgebäuden besteht ein geringeres Zugluft­risiko auf den Bahnsteigen als Durchgangsbahnhöfe. Die am häufigsten vorkommende vertikale Struktur ist der oberirdische Bahnhof. Er ist optimal für den Bahnbetrieb und die relativ gesehen kostengünstigste Variante. Bahnhofs- und Bahnsteighallen bieten einen guten Wetterschutz.

In „Warmbahnhöfen“ muss im Winter ein enormes Luftvolumen beheizt werden. Die natürliche Thermik sorgt dafür, dass sich die warme Luft unter die Hallendecke sammelt, während sich am ­Boden, wo sich Reisende, Kunden und Personal aufhalten, Kaltluftseen bilden.

Der „Kaltbahnhof“ schützt zwar vor Witterungseinflüssen, hat aber in den außen liegenden Zonen Außentemperaturen. Da es keine Luftschleusen an den Einfahrbereichen der Züge gibt, ist abhängig von der Gebäudegeometrie mit Zuglufterscheinungen zu rechnen.

Unterirdische Bahnhöfe stellen optimale Bedingungen für den Bahnbetrieb, die Bewegungsabläufe der Reisenden im Bahnhof sowie gemäßigte Temperaturen dar. Von Nachteil sind erhöhte Baukosten, zusätzliche Anforderungen an Brandschutz, Sicherheitsbeleuchtung und -belüftung, hohe Konzentration von Bremsstaub ­sowie Sicherheitsrisiken, wie die zahlreichen Vorfälle mit so genannten „U‑Bahn-Schlägern“ in den vergangenen Monaten gezeigt haben.

Die offenen Bahnhöfe zeichnen sich durch die geringsten Bau- und Betriebskosten aus. Allerdings sind bei einem Haltepunkt ohne Empfangsgebäude alle Zonen klimatisch dem Außenbereich zuzuordnen. Bei offenen Bahnhöfen
mit Empfangsgebäude existiert zwar die Möglichkeit, längere Wartezeiten in einem geschützten Bereich zu verbringen. Allerdings treten im Hochsommer und im Winter für die Reisenden unangenehme Temperaturwechsel auf, wenn sie in kurzer Abfolge klimatisierte und nichtklimatisierte Bereiche durchlaufen: Innenraum PKW, Bahnhofsvorplatz, Empfangshalle, Innenraum Schalter­bereich, Außenraum Bahnsteig, Innenraum Zug. Die Frage, wie stark dieses aus Sicht der sich bewegenden Person wechselhafte Umgebungsklima wirklich als unangenehm und unkomfortabel empfunden wird, hängt sehr stark von der Bewegungsgeschwindigkeit bzw. körperlicher Aktivität, von der Kleidung und der tatsächlichen Verweildauer in der jeweiligen Zone ab. Daher ist vor allem abends und nachts, wenn die Frequenz der Zugfahrten niedrig und Wartezeiten auf Züge lang sind, mit Komforteinbußen zu rechnen.

Offene Bahnhöfe benötigen am wenigsten Energie für Beleuchtung. Bei geschlossenen Bahnhöfen fallen je nach Bauart Kosten für künstliche Beleuchtung oder für die Reinigung und Wartung von transparenten Dächern an. Bezüglich des Energieverbrauchs für Fördertechnik sind Kopfbahnhöfe am günstigsten, da nur sie einen gefahrlosen höhengleichen Zugang zu den Gleisen bieten. In aufgeständerten oder unterirdischen Bahn­höfen müssen Reisende und ihr Gepäck mindestens einen Ebenenwechsel vornehmen, in Bahnhöfen, bei denen die Gleise auf durchgehend gleicher Höhe neben dem Empfangsgebäude liegen, sind abgesehen vom Hausbahnsteig mindestens zwei vertikale Bewegungsvorgänge nötig. Der Bahnbetrieb selbst lässt sich am einfachsten, schnellsten und sichersten in Durchgangsbahnhöfen abwickeln.

 

Wegeführung

Die Art der Wegeführung ist entscheidend dafür, ob Energie für den Betrieb von Aufzügen, Fahrtreppen und eventuell sogar Treppenheizungen zum Schutz gegen Vereisung gebraucht wird. Ihre Qualität ist aber auch für die Funktionalität der Verkehrsstation verantwortlich, ob und wie schnell Reisende ihre Züge erreichen, ob Rollstuhlfahrer ohne fremde Hilfe auf dem Bahnhof zurechtkommen, ob Reisende sich im Bahnhof sicher fühlen und ob zusätzliche Energie für Tunnelbeleuchtung nötig ist.

Über- und Unterführungen sind dann nötig, wenn Empfangsgebäude und Bahnsteige höhengleich nebeneinander liegen, und die Gleise durchgängig sind. Ihnen ist gemein, dass sie den größten Aufwand an Überwindung von Höhendifferenz verursachen, da die Reisenden auf dem Weg zum Zug mindestens zwei Höhenwechsel vornehmen müssen. ­Gegenüber der höhengleichen Wegeführung in Durchgangsbahnhöfen bieten beide eine relativ geringe Unfallgefahr. Unterführungen bieten den Vorteil, dass die zu überwindende Höhendifferenz geringer ist als bei Brücken. Wind- und Wetterschutz werden automatische gewährleistet. Der Nachteil besteht in einem erhöhten Bedarf an künstlicher Beleuchtung und einem Mangel an ­optischer Übersicht, was abends und nachts zu einem Risiko in Bezug auf Kriminalität führen kann.

Bei höhengleichen Übergängen werden keine Förderanlagen benötigt, sondern im Falle von Durchgangsbahnhöfen nur Beleuchtungsanlagen und Signalanlagen. Aufgrund der hohen Unfallgefahr, vor allem bei Eisglätte, ist diese Form der Wegeführung nur bei sehr kleinen Bahnhöfen mit wenig und langsam fahrendem Zugverkehr anzutreffen. Eine höhengleiche Wegeführung in Kopfbahnhöfen ist dagegen völlig unkritisch. Um die  Bahnsteige von unterirdischen Stationen zu erreichen, ist für Ankom­men­de und Abreisende jeweils nur ein vertikaler Bewegungsablauf erforderlich.

Es gibt verschiedene architektonische Elemente, die Reisenden dazu dienen, auf unterschiedlichen Ebenen in Bahnhöfen zu gelangen. Das Ziel ist, möglichst viele Reisende schnell und reibungslos auf ein anderes Höhenniveau zu befördern, dabei Menschen mit viel Gepäck und Rollstuhlfahrer zu berücksichtigen und den Aufwand für Energie und Instandhaltung zu minimieren. Treppen, Fahrtreppen und Rampen sind am ehesten dazu geeignet, großen Menschenmassen in kurzer Zeit den Übergang auf ein anderes Höhenniveau zu ermöglichen. Ungünstig sind die damit verbundenen horizontalen Wege und mangelnde Barrierefreiheit, sodass Aufzüge eine ideale Ergänzung darstellen.

 

Detailbetrachtung der räumlichen Struktur

Ein Bahnhof ist somit weder ein einzelnes Gebäude mit einer eindeutigen Grenze zwischen innen und außen noch eine städtebauliche Ansammlung autarker Gebäude. Er stellt vielmehr ein System aus verschiedenen Zonen mit unterschiedlichen Anforderungen an Komfort und Funktionalität dar. Da sich die Zonen auch hinsichtlich ihrer thermischen Potentiale unterscheiden, bestehen energetische Gefälle innerhalb eines Bahnhofes und nach außen. Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik folgt ­gerade aus dem Bestreben energetischer Gefälle, sich auf ein gemeinsames Niveau auszugleichen, die Umwandlung von Exergie in Anergie und die damit verbundene Produktion von Entropie. Um die energetischen Gefälle aufrecht zu erhalten, muss also von außen neue Exergie hinzugeführt werden. Dies wird allgemein als „Energieverbrauch“ bezeichnet. Dieser Nachschub an Exergie kann minimiert werden, indem

 Zonen mit geringem energetischen Gefälle aneinander grenzen und

 die Grenzen zwischen Zonen mit ­energetischen Gefällen möglichst ­undurchlässig sind und den Energieausgleich unterbinden

Durch die geschickte Anordnung von Zonen und die Wahl ihrer Begrenzun­gen kann also der Ausgleichsprozess ener­getischer Gefälle in einem Bahnhof ­minimiert und unter Erfüllung der funktionellen Anforderungen und ­Komfortbedürfnisse die Energieeffizienz optimiert werden.

Die Prinzipskizzen in Grafik 2 zeigen, dass es für Empfangsgebäude zwei grund­sätzlich unterschiedliche klimatische Zonierungsvarianten gibt. Links ist das System dargestellt, welches auch in der Praxis am häufigsten Anwendung findet. Die Empfangshalle ist dabei ein nicht klimatisierter, passiver Puffer, der sowohl mit den Gewerbezonen in seinem Inneren, als auch mit dem Außenraum thermisch im Austausch steht. Die Folge sind zahlreiche thermische Übergänge und Gefälle, die allesamt bei einer energetischen Optimierung berücksichtigt werden müssen.

Diese vielen neuralgischen Punkte ließen sich konzentrieren auf die Zugänge von außen, indem die Empfangshalle aktiv klimatisiert, und die Gewerbezonen klimatisch gesehen zu Zimmern
innerhalb eines großen Hauses würden. Thermische Simulationen zeigen aber, dass diese Variante in der Gesamtbetrachtung von Nachteil wäre.

 

Gebäudezonen und deren ­Übergänge

Bahnhöfe verfügen über unterschiedliche Zonen mit ebenso unterschiedlichen Anforderungen an Komfort und Funktion. Auffällig ist, dass in manchen Zonen verschiedene Nutzergruppen unterschiedliche Anforderungen an Funktionalität oder Komfort haben. Teilweise sind die Ansprüche innerhalb einer Nutzergruppe zusätzlich von der Verweildauer abhängig. Neben der Anordnung der Zonen spielt deren Trennung die entscheidende Rolle. Wie bei Filtern sind bestimmte Zonenbegrenzungen nur für bestimmte Faktoren durchlässig, für andere nicht. Grafik 3 zeigt gängige horizontale Begrenzungstypen in Bahnhöfen. Grafik 5 zeigt eine Auswahl der wichtigsten technischen Anlagen, die für Energieverbrauch in Bahnhöfen sorgen. Durch intelligente räumlich strukturelle Lösungen kann eine Vielzahl dieser Anlagen kompensiert werden. Eine Gegenüberstellung der Funktionalitäten und entsprechenden architektonischen ­Variablen zeigt Grafik 4.

Neben der Betrachtung der verschiede­nen Gebäudezonen mit ihren funktionellen und klimatischen Anforderungen und den dazwischen liegenden Raumbegrenzungen bleibt noch die Frage danach, auf welche Art und Weise Energieniveaus in den Zonen erzeugt werden. Dabei gibt es zwei grundsätzliche Strategien: Erzeugung eines

 gleichmäßigen energetischen Niveaus durch den zentralen Einsatz leistungsstarker Anlagen

 lokal differenzierten energetischen Niveaus durch den dezentralen Einsatz kleiner Anlagen.

In Bezug auf den thermischen Komfort geht die Variabilität der Maßnahmen noch weiter, da Lufttemperatur, Strahlungstemperatur, Luftbewegung und Dämmwirkung der Kleidung gegenseitige kompensatorische Wirkungen haben.

 

Energieverbrauch in Bahnhöfen

Der Energieverbrauch in Bahnhöfen wird von einer großen Anzahl an Kri­terien beeinflusst, die im Mindmap in Grafik 6 dargestellt werden. Beachtenswert ist die Tatsache, dass die Variablen nicht wie die Zweige und Blätter eines Baumes streng hierarchisch gegliedert sind, sondern in Querbeziehungen zu einander stehen.

Um ein Gefühl dafür zu bekommen, warum und wofür Bahnhöfe überhaupt Energie verbrauchen, ist es hilfreich, sich einen groben Überblick über die technischen Anlagen in Bahnhöfen zu verschaffen. Schließlich sind sie die eigentlichen Energieverbraucher. In Grafik 5 fällt auf, dass in Bahnhöfen anders als
in fast allen anderen Gebäudetypen der Verbrauch elektrischer Energie dominiert. Insbesondere im Bahnsteigbereich wird ausschließlich Strom zum Betrieb der Beleuchtungs- und Fahrgastinformationsanlagen verwendet.Die Gewerbeflächen im Vermarktungsbereich ­werden dagegen mit Gas, Öl oder Fernwärme versorgt. Empfangs- und Bahnsteighallen werden in der Regel weder beheizt noch gekühlt.

Sehr energieintensiv ist der Betrieb des so genannten ServicePoints. Dessen Energieverbrauch setzt sich aus mehreren Teilkomponenten zusammen, wie Konvektions- und Strahlungsheizungen, Leuchtmittel und EDV. Da er aus Gründen der Kundenkommunikation sehr offen gestaltet ist, stellt seine energetische und Komfortoptimierung eine besondere Herausforderung dar.

Abschließend lässt sich feststellen, dass von den gezeigten Parametern nur die Lage der einzelnen klimatischen Zonen in Bahnhöfen als statisch angesehen und geplant werden kann. Sowohl der Betrieb der technischen Anlagen, als auch die Beschaffenheit und die Durchlässigkeit der räumlichen Trennungen sollten der Dynamik des Verkehrsbetriebes angepasst, idealer Weise mit Hilfe geeigneter Prognosemodelle sogar vorausschauend geregelt werden. Dabei ist von besonderer Bedeutung, wie lange sich Personen, d.h. Reisende, Wartende und Angestellte, in den einzelnen Zonen in Bahnhöfen aufhalten, da  der menschliche Stoffwechsel durchaus dazu in der Lage ist, eine mehrminütige Unabhängigkeit vom umgebenden Raumklima
zu schaffen.


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