Das Klima als Entwurfsfaktor – Architektur und EnergieAus: Energie Atlas Nachhaltige Architektur...

Luzern, 13.01.2014

Prof. Urs-Peter MentiLeiter Kompetenzzentrum

T direkt +41 41 349 33 [email protected]

Architektur und Energie:

Das Klima als Entwurfsfaktor

Energieapéro Luzern 2014

Folie

- Urs-Peter Menti

- Dipl. Masch.-Ing. ETH/SIA, MAS-BA

- Hochschule Luzern – Technik & Architektur

- Leiter Zentrum für Integrale Gebäudetechnik

- Prof., Hauptamtlicher Dozent für Gebäudetechnik

- Fachbereichsleiter Minergie-P bei Minergie

- Leiter Zertifizierungsstelle Minergie Zentralschweiz

- 1995 – 2004 Amstein + Walthert AG

- 2004 – heute Hochschule Luzern

2, 16.01.2014

Kurzvorstellung

Folie

ZIG: Forschung, Dienstleistung, Lehre, Weiterbildung

3, 16.01.2014

Konzepte, Studien

LabormessungenFeldmessungen Akkreditierte Prüfstelle

Simulationen Zertifizierung Minergie(-P,-A,-Eco)

Folie

Forschungsthemen ZIG

Mit dem Fokus Gebäude und Gebäudetechnik orientieren wir uns in einer gesamtheitlichen Betrachtung an den Werten Energieeffizienz, Emissionsfreiheit und Behaglichkeit.

4, 16.01.2014

Gebäude –Mensch – Energie

Energieversorgung von Quartieren und

Arealen

Transformation Gebäudepark

Luft- und Wasserreinheit

Folie

Radonstudie Kanton Luzern

Analyse Zusammenhang «energieeffizien-tes Bauen – Radonbelastung»Phase I: Radonmessungen in energie-effizienten Gebäuden Phase II: Radonmessungen vor / nachenergetischen Sanierungen

Kanton Luzern / Bundesamt für Gesundheit

2011-2012 // 2013 - 2015ZIG

Prof. Dr. Heiner Manz

Folie

Hotel THE CHEDI, Andermatt

Überprüfung Kondensationsrisiko an Glaswänden im Pool-Bereich mittelsCFD-Simulationen

Basler & Hofmann

2012

Zentrum für Integrale Gebäudetechnik I 6

ZIGIwan Plüss

Folie

Energieversorgung Zug

(Machbarkeitsstudie)

Wissenschaftliche Begleitung

Kanton / Stadt Zug

2013


ZIG

Matthias Sulzer

Folie

Energieeffizientes und schadstoff-

armes Fahrgastschiff

Optimierungen der Schiffsaufbauten (Hülle) und Zusatzsysteme (Heizung, Kühlung, Lüftung, Beleuchtung, etc.)mit Hilfe von Simulationsrechnungen

KTI, Shiptec

2013 - 2015


Prof. Urs-Peter Menti

Folie 9, 16.01.2014

Architektur und Energie

Kann sich Architektur um Fragen der Energie kümmern?

Ja!

Muss sich Architektur um Fragen der Energie kümmern?

(Ja!?)

Folie 10, 16. Januar 2014

Aussage B:

„Das beste Ge-bäude ist ein Ge-bäude, welches keine (Gebäude)-Technik braucht„

>>>

Einschränkungen für Architektur

Aussage A:

„Die (Gebäude / Energie-)Technik wird es dann schon richten…“

>>>

Völlige Freiheit für die Architektur

Folie

- Ausrichtung des Gebäudes nach Süden

- «Öffnung» des Gebäudes nach Süden

- Beschattung Fassade im Sommer (Balkone)

- Sehr gut gedämmte Gebäudehülle

- «Vernünftiger» Glasanteil (Tageslicht / th. Last)

- Kompakte Bauweise

- ...

11, 16.01.2014

Wie sieht ein architektonischer Entwurf für hohe Energieeffizienz aus?

Wohnüberbauung Bern Brünnen Baufeld 2 Kugelhaus Dresden

Folie

- Ausrichtung des Gebäudes nach Süden

- «Öffnung» des Gebäudes nach Süden

- Beschattung Fassade im Sommer (Balkone)

- Sehr gut gedämmte Gebäudehülle

- «Vernünftiger» Glasanteil (Tageslicht / th. Last)

- Kompakte Bauweise

- ...

12, 16.01.2014

Wie sieht ein architektonischer Entwurf mit hoher Energieeffizienz aus?

Ist das immer noch so?

Sind diese Ansätze heute noch richtig?

?

Folie

- Indikatoren

CO2-Thematik rückt ins Zentrum

- Systemgrenzen

Gesamtheitlichere Betrachtung

- Technologien

Erneuerbare Energien, Energieeffiziente Technik

13, 16.01.2014

Veränderungen

Folie

Heizwärme

Gesamte Betriebsenergie

Betriebsenergie + Graue Energie

Betriebsenergie + Graue Energie + gebäudeind. Mobilität

Nutz- oder Endenergie

Primärenergie

Primärenergie + Treibhausgasemissionen

Die Beurteilungskriterien verändern sich…

14, 16.01.2014

Folie

- Die einzelne Komponente

Wirkungsgrad, Leistungszahl, U-Wert, g-Wert, …

- Das Gebäude als System

Jahresarbeitszahl, Gesamtenergiebedarf, Graue Energie, …

- Das Gebäude im System

Areal- und Quartierbetrachtungen,regionale oder überregionale Themen, Smart Grid, …

15, 16.01.2014

Die Systemgrenzen verändern sich…

Folie 16, 16.01.2014

Ausweiten der Betrachtungsgrenzen in 3 Dimensionen

Komponente Gebäude Areal/Quartier/…

Heizwärmebedarf

Betriebsenergie-bedarf (BE)

BE + Graue Energie (GE)

BE + GE + Mobilität

Nutzenergie

Endenergie

Primärenergie

CO2 / THG

Folie

Energieeffizienz heute und morgen…

17, 16.01.2014

- Gesamtheitlichere Betrachtung wird nötig

- Lebenszyklusbetrachtung: Erstellung + Betrieb + Rückbau

- Bewertung auf Stufe Primärenergie / Treibhausgasemissionen

- …

� Welche Massnahmen sind nun richtig?

� Auf was kann / soll der architektonische Entwurf Rücksicht nehmen?


Gesamtenergieeffizienz

Graue Energie

Gebäudeinduzierte Mobilität

Betriebsenergie

Verdichtung

Kompaktheit

Weitere Einflussfaktoren

Weitere Einflussfaktoren

Beleuchtung

Raumheizung

Raumkühlung Weitere

Tageslichtnutzung

Solarer Eintrag (G/L)Verluste (T/L)

Sommerlicher Wärmeschutz

Gesamtheitliche Betrachtung: Einflussfaktoren auf die Gesamtenergie(effizienz)


Was wird durch Entscheide im Entwurf beeinflusst?

- Heizwärmebedarf (Raumheizung, Warmwasser)- Beleuchtungsenergiebedarf- Kühlenergiebedarf

- Lüftungsenergiebedarf- Hilfsenergiebedarf- Prozessenergiebedarf

- Graue Energie- Gebäudeinduzierte Mobilität

Wird durch architektonische Entscheide kaum

beeinflusst

Wird durch architektonischeEntscheide wesentlich

beeinflusst Gesa

mtheitlic

heBetrach

tung nötig!

Folie

Wie geht man mit diesen Anforderungen und dieser Komplexität im architektonischen Entwurf um?

- Umfassendere Beurteilungskriterien und Systemgrenzen

- Reaktion mit verschiedenen Strategien im architektonischen Entwurf

- Überprüfung der verschiedenen Strategien hinsichtlich der Zielerfüllung

20, 16.01.2014

Ansatz A:Projektspezifische Analysen (z.B. mittels Simulationsrechnungen in frühen Projektphasen)

Ansatz B:Systematische, (typologische) Analysen; veröffentlicht in «Das Klima als Entwurfsfaktor»

Folie 21, 16.01.2014

Folie

Exkurs: Gesamtenergiebetrachtung und ihre Konsequenzen

22, 16.01.2014

- Forschungsprojekt Hochschule Luzern (finanziert durch BFE, AHB, AUE) aus dem Jahre 2010

- Macht eine ‘maximal’ gedämmte Gebäudehülle bei grösseren Bürobauten aus gesamtenerge-tischer Sicht Sinn?

- Integrale Berücksichtigung

> Raumwärme> Klimakälte (für vergleichbaren Komfort)> Beleuchtungsenergie> z.T. Graue Energie

- Bewertung: auf Stufe Primärenergie (Jahresenergie-bedarf) bzw. auf Stufe Treibhausgasemissionen

Folie

Ausgangslage

23, 16.01.2014

- Variationen:

- Typologie- U-Wert Hülle (opak)- U-Wert Verglasung- g-Wert Verglasung- Glasanteil Fassade- interne Lasten

- Wärmeerzeugung(Holz, Gas, Fernwärme, Erdsonden-WP)

- mit / ohne Ökostrom- …


Primärenergiebedarf vs. Heizwärmebedarf

0

10

20

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40 60 80 100 120 140 160

Qh MJ/m2 (SIA 380/1:2009)

Pri

märe

ne

rgie

in

kW

h/m

2a

(H

eiz

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, K

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Fernwärme Gas Wärmepumpe Holz

Qh,li,MeP Qh,li

Heizwärmebedarf Qh (SIA 380/1:2009)

Primärenerg

iebedarf

Heizen, Kühlen, Beleuch

tung

Pellet

Fernwärme

Gas

WP


Primärenergiebedarf und Kompaktheit

Kompaktheithoch tief

Energiebedarf Raumheizung

Energiebedarf total

Energiebedarfkünstliche Beleuchtung

Primärn

erg

iebedarf


Erkenntnisse /Konsequenzen

- Eine Gesamtbetrachtung führt zu neuen Gesichts-punkten

- Eine Betrachtung auf Stufe Primärenergie oder Treibhausgasemissionen favorisiert andere Lösungen als eine Betrachtung auf Stufe Nutzenergie

- Minergie-P lockerte aufgrund der vorgestellten Studie für grosse Gebäude (> 5000m2 EBF) mit hohen in-ternen Lasten (z.B. Bürobauten) die Primäranforde-rung (Anforderung an die Gebäudehülle). Für diese Gebäude muss die Dämmung der Gebäudehülle «nur» Minergie entsprechen.


Beispiele zur zunehmenden Komplexität des Planens…

Lohnt sich ein Bal-kon rein aus ener-getischer Sicht?

Lohnt sich ein sehr hoher Glasanteil rein aus energeti-scher Sicht?

Raumheizung?Raumkühlung?Beleuchtung?

Graue Energie?

Primärenergie?

Treibhausgas-emissionen?

?Gesamtbetrachtung!

Raumheizung?Raumkühlung?Beleuchtung?

Graue Energie?

Primärenergie?

Treibhausgas-emissionen?

?Gesamtbetrachtung!


… und der Versuch Antworten darauf zu liefern!

Das Klima als EntwurfsfaktorArchitektur und Energie

Herausgegeben von Tina Unruh

Autoren: Christian Hönger, Roman Brunner, Urs-Peter Menti, Christoph Wieser

Mit Positionen von: Roger Boltshauser, Gion Caminada, Philippe Rahm, Sascha Roesler

Erschien Mitte September 2013 im Quart-Verlag, Luzern

Zweite, aktualisierte und erweiterte Auflage

Folie 29, 16.01.2014

Folie

Architektur und Energie: neues Thema?

Traditionelle Bauformen

• Belegung von sonnigen und wind-geschützten Plätzen

• Schutz vor Kälte in Höhlen (Mitteleuropa)• Nutzung der Windströmung (Arabien)

Vordenker der Nachhaltigkeit

• Richard Buckminster Fuller:bereits 1940 Dymaxion-Karte(Weltklimakarte), Dymaxion-Kuppel

• Kuppeln als material- und energie-effiziente Gebäudekonzepte

30, 16.01.2014

Hassan Fathy: Qa`a des Muhib Ad-DinAsh-Shaf i Al-Mawaqqi, Kairo, 1350.Aus: Arch+ Feb. 1987, Aachen. S. 43

Richard Buckminster Fuller (1895-1983)

Folie

Architektur und Energie: Strategien I

31, 16.01.2014

Sparen

• VerdickenVolumen grösser, Oberfläche kleiner

• Schrumpfenzusammengezogene Gestalt (Winterhaus)

• Eingraben, mit Erde zudecken

Zehnderhütte, SchnittAus: die Bauernhäuser im Kanton Luzern, Ernst Brunner, 1977 Luzern, S. 178

Peter Vetsch, Wohnhaus Raven, AsconaAus: Vetsch 1994, S. 44

Folie

Architektur und Energie: Strategien II

32, 16.01.2014

Gewinnen

• Aussetzen: die sonnengeformte Gestalt

• Blähen, das Sommerhaus

• Umhüllen, raumhaltige Hülle

Arup Associates: Schule , Ladalch Indien 2001 (Sonnenfänger)Aus: Energie Atlas Nachhaltige Architektur Egger, Fuchs, Stark, Zeumer, 2008, Basel/Boston/Berlin S. 231

Martin Wagner, das wachsende Haus, Berlin, 1932Aus: das wachsende Haus – Ein Beitrag zur Lösung der städtischen Wohnungsfrage, 1932, Berlin S. 149

Folie

Architektur und Energie: Strategien III

33, 16.01.2014

Ausweichen

• Einschliessen (raumhaltige Hülle)

• DurchlüftenQuerlüftung durch tiefe Volumen

• Wandern (nutzungsneutrale Räume)

Candilis Josic, Wohnblock Semiramis, Casablanca 1953Aus: Candilis Josic Woods, A decade of architecture andurban design, 1968, Stuttgart/Bern S. 26-28

Folie

Untersuchungsobjekte (Wohnbau / Bürobau)

«Wohn-Block»

• 4-geschossiger Zweispänner

• 8 Wohneinheiten à 300m3

(LxBxH = 10x10x3m)

• Massivbau mit Kompaktfassade

• Fensteranteil ca. 50%

• WP Luft/Wasser

«Büro-Block»

• 4-geschossig mit Infrastrukturkern

• 4 Büroeinheiten à 2’100m3

(LxBxH = 15x40x3.5m)

• Massivbau mit Kompaktfassade

• Fensteranteil ca. 75%

• WP Sole/Wasser

34, 16.01.2014

14

15

40

Folie

Wohngebäude: Gebäude-«Zoo»(Variationen)

Zusätzliche Parameter

• U-Werte Gebäudehülle und Fenster

• Fensterverteilung

• Verglaster Balkon

• Konstruktion

• Eingraben

Ziel

• Einfluss frühkonzeptioneller Entscheide auf Energiebilanz erkennen

• Handlungsempfehlungen für eine energieeffiziente Architektur

35, 16.01.2014


Energetische Analyse eines «Zoos» von Gebäuden

Nutzung: Wohnen


Energetische Analyse verschiedener Variationen (Wohnen)

Bewertung: • Nutzenergiebedarf Raumheizung,

Raumkühlung, Beleuchtung• Primärenergiebedarf n.e. (Betrieb)

• Graue Energie (Erstellung)

• Primärenergiebedarf (Betrieb + Erstellung)

Basis: 8-FH Variationen


Ergebnisse (qualitativ): Balkon (Wohnen)

Nutzenergiebedarf - Raumheizung � � � � � � � � �

- Raumkühlung () () ()- Beleuchtung � � � � � � � � �

Primärenergiebed. n.e. (Betrieb) � � � � � � � � �

Graue Energie (Erstellung) � � � � � � � � �

Primärenergiebedarf � � � � � � � � �

(Betrieb + Erstellung)


Nutzung: Wohnen



Bewertung: • Nutzenergiebedarf Raumheizung,

Raumkühlung, Beleuchtung• Primärenergiebedarf n.e. (Betrieb)

• Graue Energie (Erstellung)

• Primärenergiebedarf (Betrieb + Erstellung)

Energetische Analyse verschiedener Variationen (Wohnen)


Ergebnisse (qualitativ): Glasanteil (Wohnen)

Nutzenergiebedarf - Raumheizung � � � � � � �

- Raumkühlung � � � � � � � � �

- Beleuchtung � � � � � � � � �

Primärenergieb. n.e. (Betrieb) � � � � � �

Graue Energie (Erstellung) � � � � � �

Primärenergiebedarf � � � � � � � � � � � �

(Betrieb + Erstellung)


Nutzung: Wohnen


Ergebnisse (quantitativ): Balkon

Nutzung: Wohnen


Ergebnisse (quantitativ): Glasanteil

Nutzung: Wohnen

Folie

Wohngebäude: Resultate (Auswahl)

Fazit

• positiver Effekt der kompaktenBauweise

• Eingrabungen nachteilig(Formfaktor!, Beleuchtung)

• Verformungen kontraproduktiv

• Balkone aus energetischer (!) Sicht nicht wünschenswert

• Verglaste Balkone können sich (je nach Beurteilungskriterium) wiederum positiv auswirken

43, 16.01.2014

0

20

40

60

80

100

120

140

"Basis":0.47

"Eingrabung":0.77

"Verformung":0.51

"Balkon 2m":0.47

"Balkon Nordvergl.": 0.47

%

Betriebsenergie (PEne)

Betrieb+Erstellung (PEne)

Betrieb+Erstellung (THG)

100% 100%

100% 100%

«Basis»

100% 121%

119% 120%

«Eingrabung»

100% 103%

103% 103%

«Verformung»

100% 115%

116% 117%

«Balkon 2m»

100% 118%

98% 107%

«Balkon Nord verglast»

Folie

Bürogebäude: Gebäude-«Zoo» und Resultatübersicht

44, 16.01.2014

Verdicken

Verformen I

Verformen II

Verformen III

Folie


45, 16.01.2014

Balkon

Konstruktion

Ausrichtung Verglasung

Fensteranteil

Folie


46, 16.01.2014

Hofsituationen unterschiedlicher Anordnung

Folie

Bürogebäude: Auswahl einiger Ergebnisse

47, 16.01.2014

Folie

Bürogebäude: Einfluss Standort

48, 16.01.2014

Relevanz Klima

• Heizung vs. Kühlung: Reaktion Architektur erforderlich!

• Einfluss der Beleuchtung

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5

10

15

20

25

kWh/m

2a

Nutzenergie

Beleuchtung

Kühlung

Heizung

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5

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25

kWh/m

2a

Primärenergie n.e.

Beleuchtung

Kühlung

Heizung

Diagramme: Standortvergleich Bürogebäude (Basisvariante). Stufe Nutzenergie und Primärenergie nicht erneuerbar.Zur Ermittlung der PEne wurden Werte des CH-Srommix und übliche JAZ einer Sole-Wasser-WP für die Wärme-/ Kälteerzeugung verwendet (3.9/3.8).

Folie

Bürogebäude: Kompaktheit des Baukörpers

49, 16.01.2014

Kompakte Körper

• Wichtigkeit des Formfaktorsbei gleichbleibender EBF

0

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80

100

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2a "langgezogen":0.350

0 "BASIS":0.326

2b "quadratisch":0.306

3d "zwölfeckig":0.288

%




Folie

Bürogebäude: Kompaktheit des Baukörpers

50, 16.01.2014

Kompakte Körper

• Wichtigkeit des Formfaktorsbei gleichbleibender EBF

• Relevanz der Beleuchtungsowie der Grauen Energieund Grauen THG-Emissio-nen in der detaillierten Dar-stellung ersichtlich

0

20

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2a "langgezogen": 0.3500 "4 Einheiten": 0.3262b "quadratisch": 0.3063d "zwölfeckig": 0.288

%

Beleuchtung

Kühlung

Heizung

Erstellung

2a «langgezogen»0.350

0 «BASIS»0.326

2b «quadratisch»0.306

3d «zwölfeckig»0.288




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Bürogebäude: Volumenvergrösserung

51, 16.01.2014

Volumenvergrösserung

• Strategie «Verdicken»

• Wichtigkeit Formfaktor

• Relevanz Beleuchtung

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0 "4 Einheiten":0.326

10a "16 Einheiten":0.235

10b "32 Einheiten":0.210

10c "64 Einheiten":0.189

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Bürogebäude: Volumenvergrösserung

52, 16.01.2014

Volumenvergrösserung

• Strategie «Verdicken»

• Wichtigkeit Formfaktor

• Relevanz der Beleuchtungsowie der Grauen Energie und Grauen THG-Emissio-nen in der detaillierten Darstellung ersichtlich

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0 "4 Einheiten": 0.32610a "16 Einheiten": 0.23510b "32 Einheiten": 0.21010c "64 Einheiten": 0.189

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Beleuchtung

Kühlung

Heizung

Erstellung

0 «4 Einheiten»0.326

10a «16 Einheiten»0.235

10b «32 Einheiten»0.210

10c «64 Einheiten»0.189




Folie

Bürogebäude: Fensteranteil

Fensteranteil

• Optimum bei ca. 50%

• Wichtigkeit des Aufwands für die Erstellung, insbe-sondere bei den THG-Emissionen

53, 16.01.2014

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6a "Fenster 25%" 6b "Fenster 50%" 6c "BASIS 75%" 6c "Fenster 100%"

%




Folie

Bürogebäude: Zusammenfassung

54, 16.01.2014

Zusammenfassung

• Standort entscheidend

• Relevanz Beleuchtung

• Optimierung des Fensteranteils ist vorteilhaft

• Stellenwert der Grauen Energieund insbesondere der GrauenTreibhausgasemissionen

• Wichtigkeit Formfaktor 0

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Hinweis

Das Klima als EntwurfsfaktorArchitektur und Energie

In diesem Buch sind nur die Resultate für Wohnbautendokumentiert.

Die Resultate für Bürobautenwerden in einer späteren Publikation veröffentlich

Interessenten für die Publikation mit den Resultaten für die Büro-bauten melden sich bei:

[email protected]

Zweite, aktualisierte und erweiterte Auflage

Folie

Zusammenfassung

56, 16.01.2014

• Veränderungen bei Systemgrenzen / Indikatoren / Technologien

• Bisherige Grundregeln für energieeffiziente Architektur: immer noch korrekt?

• Fragestellung wird zunehmender komplexer (gesamtheitliche Betrachtung) �Einsatz von Simulationen.

• Gesamtbetrachtung (insbesondere Berücksichtigung der Grauen Energie und der Treibhausgasemissionen) führen teilweise zu neuen Lösungsansätzen

• Entwurf ist immer noch massgebend für eine hohe Energieeffizienz

• Verformungen lohnen sich kaum• Beleuchtungsenergiebedarf hat zentralen Einfluss (Tageslichtnutzung)• Massnahmen mit hohem Anteil Grauer Energie sind meist kontraproduktiv• Tiefer Formfaktor bleibt weiterhin ein zentrales Element der Energieeffizienz• Die Architektur muss für eine hohe Energieeffizienz immer auf den Standort reagieren

Folie

Architektur und Energie: Das Klima als Entwurfsfaktor

57, 16.01.2014

Last but not least:

• Energieeffizienz kann durchaus auch eine Quelle für architektonische Inspiration sein.

Viridén + Partner AG, MFH Eco Renova, RomanshornNorman Foster Solar Award 2013Solaragentur Schweiz

ETH Studio Monte Rosa / Bearth & Deplazes Architekten AG, SAC Hütte Sektion Monte Rosa, ZermattNorman Foster Solar Award 2010Solaragentur Schweiz

Besten Dank!

Folie 58, 16.01.2014

Das Klima als Entwurfsfaktor – Architektur und EnergieAus: Energie Atlas Nachhaltige Architektur...

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