Energetische Sanierung: Grundlagen, Details, Beispiele 9783955531188, 9783920034515

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Energetische Sanierung

Grundlagen Details Beispiele

Clemens Richarz Christina Schulz

∂ Green Books

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Energetische Sanierung Grundlagen Details Beispiele

Clemens Richarz Christina Schulz

Impressum

Autoren: Clemens Richarz, Prof. Dipl.-Ing. Architekt Christina Schulz, Dipl.-Ing. Architektin Fachliche Beratung: Prof. Dr. Volker Quaschning, Berlin Prof. Werner Schenk, Rosenheim Prof. Dr. Joachim Stoll, München Dipl.-Ing. (FH) Medin Verem, Gröbenzell Prof. Dipl.-Ing. Friedemann Zeitler, Penzberg Projektleitung: Jakob Schoof, Dipl.-Ing. Redaktion und Lektorat: Christina Schulz, Dipl.-Ing. Architektin Jakob Schoof, Dipl.-Ing. Jana Rackwitz, Dipl.-Ing. Korrektorat: Antje Schütze Zeichnungen: Ralph Donhauser, Dipl.-Ing. (FH) Titelgestaltung: Cornelia Hellstern, Dipl.-Ing. (FH)

Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des  Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werks ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechts. DTP & Produktion: Roswitha Siegler Reproduktion: Martin Härtl OHG, München Druck: Aumüller Druck, Regensburg 1. Auflage 2011 Institut für internationale Architektur-Dokumentation GmbH & Co. KG Hackerbrücke 6, D-80335 München Telefon: +49/89/38 16 20-0 Telefax: +49/89/39 86 70 www.detail.de © 2011 Institut für internationale Architektur-Dokumentation GmbH & Co. KG, München Ein Fachbuch aus der Redaktion DETAIL ISBN: 978-3-920034-51-5

Die für dieses Buch verwendeten FSC-zertifizierten Papiere werden aus Fasern hergestellt, die nachweislich aus umwelt- und sozialverträglicher Herkunft stammen.

Inhalt

Vorwort

6

Anlagentechnik

Grundlagen

8

Heizung Warmwasser Kühlung Lüftung Kunstlicht Photovoltaik

88 97 100 106 114 118

Projektanalyse

122

Wohngebäude Nichtwohngebäude

122 130

Anhang

138

Energiebedarf Behaglichkeit Innenraumklima Außenklima Entwurfsparameter Angemessenheit Ökonomie Energetische Bilanzierung

8 14 17 20 24 27 30 34

Bauliche Maßnahmen

38

Wärmesenken Wärmequellen Lüftung Tageslicht

38 68 76 80

86

Vorwort

Ungefähr 80 % des weltweiten Energieverbrauchs sind von 20 % der Weltbevölkerung zu verantworten. Berücksichtigt man die Wachstumsprognosen für die wirtschaftlichen Schwellenländer, so wird deutlich, dass die Reduzierung der Energieverbräuche zunehmend in den Blickwinkel unseres Handelns rücken wird. Es stellt sich hier nicht nur das Problem der Endlichkeit der Energiereserven mit der Folge unkontrollierbarer Preisentwicklungen und drohender Verteilungskämpfe, sondern auch die Gefährdung unserer Umwelt durch die Anreicherung der Erdatmosphäre mit Kohlendioxid (CO2), das bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe freigesetzt wird. In hochentwickelten Industrieländern verursacht dabei gerade der Bausektor mit der Herstellung und dem Betrieb von Gebäuden einen Anteil von ungefähr 50 % des gesamten CO2Ausstoßes, in Deutschland beispielsweise 20 % für Herstellung und Transport der Baustoffe und allein 30 % für die Konditionierung der Gebäude (Heizung, Lüftung, Kühlung, Beleuchtung). Ein vernünftiger, an langfristigen Kreisläufen orientierter – und damit nachhaltiger – Umgang mit unseren Lebensgrundlagen wird also auch das Bauen zunehmend beeinflussen. Von besonderer Bedeutung ist in diesem Zusammenhang die energetische Sanierung bestehender Gebäude. Um sie einer langfristigen Nutzbarkeit zuzuführen, müssen sie unter Einbeziehung energetischer Gesichtspunkte saniert und weiterentwickelt werden. CO2-Reduktion durch Sanierung

Schon im Vorwort zur Wärmeschutzverordnung 1995 steht: »Die eigentlichen CO2-Minderungen müssen im Gebäudebestand erbracht werden. Der Arbeitskreis ›Gebäudebestand‹ in der IMA CO2Reduktion [1] geht davon aus, dass hier ein Potenzial von rund 100 Millionen Tonnen erschließbar ist, wofür etwa 6

350 – 400 Milliarden DM investiert werden müssten«. Zunehmend setzt sich also die Erkenntnis durch, dass der CO2-Ausstoß, der bei der Konditionierung von Gebäuden anfällt, nur durch eine entsprechende Ertüchtigung der großen Masse an Bestandsgebäuden reduziert werden kann. Nachhaltige Entwicklung von Bestandsgebäuden

Wie wichtig gerade die nachhaltige und eben nicht nur die energetische Sanierung eines Hauses ist, lässt sich am Beispiel von Wohngebäuden gut darstellen. Zahlreiche Wohnungen werden mittelfristig aufgrund gravierender Grundrissmängel nur noch mit großen Abschlägen vermietet werden können – unabhängig davon, ob ihr Heizenergieverbrauch bereits neueren Standards entspricht. Solange so grobe Mängel wie fehlender Außenbezug infolge zu kleiner oder nicht vorhandener Balkone und Fenster, nicht mehr zeitgemäße Sanitärbereiche und generell die zu geringe Größe der Wohnungen nicht beseitigt werden, bleiben diese Wohnungen unattraktiv und schwer vermietbar. Dies wiederum führt erfahrungsgemäß zu unerwünschten Segregationsprozessen in der Bewohnerstruktur des Hauses, der Wohnanlage oder gar des ganzen Stadtviertels – verbunden mit beträchtlichem gesellschaftlichem Konfliktpotenzial. Derartige Wohngebäude allein energetisch zu sanieren, ohne den Wohnwert insgesamt zu verbessern, erfüllt nicht die Ziele nachhaltigen, langfristig und ganzheitlich orientierten Handelns. Bei der nachhaltigen Sanierung müssen neben der Verbesserung der energetischen Situation auch die Grundrisse so verändert werden, dass sie jetzigen und künftigen Nutzerwünschen gerecht werden können. Dazu gehört beispielsweise die Anpassung der Nasszellen an die Bedürfnisse der älteren Generation oder die Veränderung der Grundrissstruktur mit dem

Ziel, eine höhere Flexibilität in der Nutzung zu erreichen (Vergrößerung, Verkleinerung, verschiedene Nutzergruppen etc.). Die gleiche Problematik stellt sich natürlich auch im Nichtwohnungsbau. Die Umnutzung oder Weiterentwicklung bestehender Gebäude hat generell nicht nur mit Energie, sondern immer auch mit funktionalen und formalen Fragestellungen zu tun. Die Mitwirkung der Architekten ist deshalb für eine nachhaltige Sanierung unverzichtbar. Inhalt des Buchs

Da energetische Schwachstellen häufig Auslöser für weitergehende, umfassende Sanierungsmaßnahmen sind, ist eine Grundkompetenz der Architekten für energetische Fragen unerlässlich. Ohne Wissen in diesem Bereich wird es künftig schwierig, zu entsprechenden Aufträgen zu gelangen. Der gesamte Sanierungsprozess wird sonst möglicherweise ohne Architekten durchgeführt. Haben Architekten das nötige Fachwissen, wird ihre Beratungskompetenz von Anfang an nachgefragt werden. Im Zuge der Diskussionen können sie dann in ganzheitlichem Sinn die Potenziale eines Gebäudes aufzeigen und dazu beitragen, dass energetische Maßnahmen in ein tragfähiges, nachhaltiges Gesamtkonzept integriert werden. Dieses Buch soll dazu anregen, energetische Themen in die Entwurfsüberlegungen für Sanierungsmaßnahmen einzubeziehen. Um den direkten Bezug zu den gesetzlichen Anforderungen herzustellen, werden alle energetischen Fragestellungen entsprechend der Zielsetzung der EnEV [2] behandelt. Die energetische Ertüchtigung eines Gebäudes wird also im Hinblick auf den Winterfall und den Sommerfall untersucht, die Gebäudetypologie beschränkt sich nicht auf Wohngebäude, sondern umfasst verschiedene Gebäudetypen mit ihren spezifischen Fra-

gestellungen, und die Anlagentechnik wird jeweils als integrierter Bestandteil des energetischen Gesamtkonzepts dargestellt. Die Betrachtungsweise folgt dabei methodisch der EnEV und den zugehörigen Normen, da sie – unabhängig von ihrer rechtlichen Relevanz – ein umfassendes Verständnis der Einflussfaktoren ermöglichen, die die Energiebilanz von Gebäuden bestimmen. Häufig werden gerade Art und Umfang der Maßnahmen bei Bestandsgebäuden von äußeren Bedingungen und Regelungen beeinflusst, die das Projektmanagement betreffen. Zu nennen sind hierbei Fragen des Brandschutzes (Ertüchtigung von Bauteilen bei ihrer Erneuerung), des Baurechts (Abstandflächen bei Ausbauten und Dämmmaßnahmen), des Steuerrechts (Abschreibungsmöglichkeiten von Instandhaltungs- und Herstellungskosten, Denkmalschutz), der Baukosten (Förderprogramme, Mieterhöhung) und vor allem des Mietrechts (Duldungspflichten des Mieters, Umlegung der Kosten). Die genannten Problemstellungen müssen objektspezifisch im Rahmen des Bauprozesses mit den entsprechenden Fachleuten im Detail gelöst werden. Erst dann wird sich zeigen, ob und inwieweit Fragen des Projektmanagements Auswirkungen auf den Sanierungsprozess selbst haben. Wie bei jedem Bauvorhaben definieren derartige Randbedingungen die Grenzen der Machbarkeit und sind deshalb vorab zu klären. Wir hoffen, dass dem Leser mit diesem Buch der Einstieg in das Thema erleichtert wird und dass sein Interesse geweckt ist, sich bei der Gebäudesanierung mit nachhaltigen Fragestellungen zu beschäftigen. Anmerkungen [1] IMA = Interministerielle Arbeitsgruppe [2] EnEV = Energieeinsparverordnung 2009

7

Grundlagen • Energiebedarf • Behaglichkeit • Innenraumklima • Außenklima • Entwurfsparameter • Angemessenheit • Ökonomie • Energetische Bilanzierung

Energiebedarf Der zunehmende Energiebedarf – nicht zuletzt für die Konditionierung von Gebäuden – und das unvermindert anhaltende Bevölkerungswachstum führen zu einer bisher noch nie dagewesenen Nachfrage nach den Primärressourcen Öl, Gas und Kohle. Gleichzeitig erwarten Geologen, dass die weltweite Ölförderung schon in den kommenden Jahren ihr Maximum erreichen und dann sinken wird (Abb. 1.1 und 1.6, S. 11). Daher ist davon auszugehen, dass im Lauf der nächsten fünfzig Jahre die Nachfrage nach den Ressourcen Öl und Gas nicht mehr gedeckt werden kann, was ökonomische und natürlich auch politische Konsequenzen haben wird. Als Folge des Ressourcenverbrauchs wird sich auch der Ausstoß von Kohlendioxid (CO2) stark erhöhen. Dies wiederum bewirkt eine fortschreitende Veränderung der Erdatmosphäre mit zunehmender Erderwärmung und massiven Klimafolgeschäden. Bereits in der Vergangenheit haben die Industrialisierung und der weltweite Bevölkerungsanstieg dazu geführt, dass der CO2-Gehalt der Luft heute weit über allen in vorindustrieller Zeit je erreichten Niveaus liegt (Abb. 1.2). Unterdessen gehen alle Prognosen zum CO2-Ausstoß bei unverändert anhaltender Entwicklung davon aus, dass sich der Primärenergiebedarf und der mit ihm verbundene CO2-Ausstoß bis zum Jahr 2050 bezogen auf das Jahr 2000 ungefähr verdreifachen werden. Da die einzelnen Nationen einen stark unterschiedlichen Energiebedarf und CO2-Ausstoß pro Kopf aufweisen, rückt zunehmend auch die Frage in den Vordergrund, wie die vorhandenen Ressourcen bei zunehmender Knappheit verteilt werden (Abb. 1.5, S. 11). Die Frage des Energieverbrauchs ist also eine politische 8

Frage, die in letzter Konsequenz nur politisch im globalen Kontext gelöst werden kann. Dieser Versuch wird – leider bisher erfolglos – auf den Klimakonferenzen der Vereinten Nationen unternommen. Globale Zielsetzungen

Für die Entwicklung des Ressourcenverbrauchs bis zum Jahr 2050 gibt es unterschiedliche Prognosen, die sich im Wesentlichen in drei Szenarien mit verschiedenen Zielsetzungen darstellen lassen. Die Vergleichsgröße ist immer der globale CO2-Ausstoß pro Jahr (Abb. 1.3): • Szenario 1 geht von einem ungebremsten Wachstum aus, das aufgrund des Nachholbedarfs der wirtschaftlichen Schwellenländer zu enormen Zuwächsen beim Ressourcenverbrauch führt. Zwar werden die Industrieländer ihren Energieverbrauch in etwa halten, jedoch werden die anderen Länder aufgrund des wachsenden Lebensstandards ihren Energieverbrauch auf Höhe der Industrieländer steigern. In Szenario 1 liegt der CO2-Ausstoß im Jahr 2050 dann bei ca. 90 Milliarden Tonnen. • Szenario 2 geht davon aus, dass die Industrieländer ihren CO2-Ausstoß aufgrund von Vereinbarungen bis 2050 halbieren und die anderen Länder ihn nur insoweit reduzieren bzw. ansteigen lassen, bis sie den Stand der Industrieländer erreicht haben. Diese Zielsetzung ist an eine – wie auch immer zu realisierende – Beschränkung des Bevölkerungswachstums auf weltweit rund sieben Milliarden Menschen gekoppelt. In Szenario 2 liegt der CO2-Ausstoß im Jahr 2050 bei ca. 35 Milliarden Tonnen,, also etwa auf heutigem Stand. • Szenario 3 entspricht im Grundsatz der Zielsetzung von Szenario 2, jedoch werden die gemeinsamen Reduktionsziele erhöht. Die Industrieländer werden

ihren CO2-Ausstoß um 80 % reduzieren und die anderen Länder ihn nur insoweit erhöhen bzw. ihn ebenfalls absenken, bis er den reduzierten Stand der Industrieländer erreicht hat. Auch diese Zielsetzung muss mit einer Kontrolle des Bevölkerungswachstums gekoppelt sein. Ein möglicher Grenzwert wäre auch hier eine Weltbevölkerung von sieben Milliarden Menschen. Unter diesen Bedingungen läge der CO2-Ausstoß im Jahr 2050 bei ca. 18 Milliarden Tonnen. Nur mit dem Erreichen der Zielmarke aus Szenario 3 (Reduktion auf 18 Milliarden Tonnen CO2 pro Jahr weltweit bis 2050) scheint es realistisch, einen geordneten, gleitenden Übergang in ein Zeitalter zu schaffen, in dem menschliches Leben ohne den Einsatz endlicher Ressourcen zur Energieerzeugung möglich sein wird. Situation in Deutschland Die Bemühungen der staatlichen Stellen in Deutschland orientieren sich hinsichtlich der Reduktion des CO2-Ausstoßes an den Vorgaben aus Szenario 3, wobei die Ziele ausschließlich durch verbesserte Energieeffizienz, zunehmenden Einsatz regenerativer Energien und verlängerte Laufzeiten der Atomkraftwerke erreicht werden sollen. Fragen des Lebensstandards und der Lebensform der Gesellschaft, also Fragen nach den Gründen für den Energiebedarf, werden nicht gestellt. Das Erreichen der gesteckten Ziele ist daher äußerst unwahrscheinlich. Da Deutschland insgesamt nur 2 % des weltweiten CO2-Ausstoßes verursacht, werden seine Bemühungen nur geringen Einfluss auf die globale CO2-Bilanz haben. Der Sinn der Maßnahmen in Deutschland und anderen kleineren Industrieländern besteht vielmehr darin, ganzheitliche Modelle für Lebensformen

Energiebedarf

zu entwickeln, die mit einem CO2-Ausstoß von maximal zwei Tonnen pro Kopf auskommen. Hierzu gehört als wesentlicher Teil auch die Entwicklung von Know-how für die sinnvolle energetische Optimierung von Gebäuden.

2009

2050 0,5% 8,4% 0,51% 8,52% 20,9% 14,67%

Regenerative Energieversorgung

Ein globaler Emissionshandel, der bei Überschreiten eines bestimmten CO2Grenzwerts eine Strafabgabe vorsieht, die dann nachweislich zur Finanzierung regenerativer Energien verwendet wird, wäre auch global gesehen ein zusätzlicher Anreiz zur Beschleunigung des Umstiegs auf regenerative Energien. Diskutiert wird eine entsprechende Abgabe von etwa 20 Euro für jede Tonne CO2, die den festgelegten Grenzwert übersteigt. Würde ein Ziel von zwei Tonnen pro Kopf bis 2050 vereinbart, so müsste Deutschland ausgehend vom Jahr 2010 in diesem 1.1 Prognose zur Entwicklung der Weltbevölkerung bis 2050 1.2 historische Entwicklung der CO2-Konzentration in der Luft. Die immer wieder aufgrund natürlicher Prozesse aufgetretenen Schwankungen im CO2-Gehalt der Luft werden gern angeführt, um die Problematik der Klimaveränderung zu relativieren. Evident ist der vom Menschen verursachte Anstieg in den letzten 200 Jahren. Prognosen gehen davon aus, dass der CO2Gehalt der Luft bei unveränderter Entwicklung auf 600 ppm ansteigen wird. Die Brisanz dieser Einschätzung wird deutlich, wenn man berücksichtigt, dass für Innenräume die sogenannte Pettenkofer-Grenze bei 1000 ppm liegt. Ab dieser Konzentration wird empfohlen, Räume zu lüften, da sonst erste Einschränkungen in der Behaglichkeit spürbar werden. 1.3 Entwicklung des globalen CO2-Ausstoßes unter verschiedenen Randbedingungen bis 2050

5,01%

60,46 %

58,1% 4,9 %

10,84% 7,2%

Weltbevölkerung insgesamt 6810 Millionen Ozeanien 36 Mio. Lateinamerika/Karibik 580 Mio. Afrika 999 Mio. Nordamerika 341 Mio. Europa 738 Mio. Asien 4117 Mio.

Weltbevölkerung insgesamt 9276 Millionen Ozeanien 47 Mio. Lateinamerika/Karibik 778 Mio. Afrika 1941 Mio. Nordamerika 457 Mio. Europa 668 Mio. Asien 5385 Mio.

CO2-Konzentration [ppmv]

1.1 350

300

Eiszeitzyklen 250

200

-400000

-300000

-200000

-100000

2010 n. Chr. 1.2

jährliche Emissionen [Mrd. t CO2 ]

Ziel aller Bemühungen muss es sein, die Erzeugung von Energie ohne den Einsatz von endlichen Ressourcen sicherzustellen. Das Problem der Versorgungssicherheit, das bei der regenerativen Erzeugung von Strom durch die zeitliche Diskrepanz von Nachfrage und Verfügbarkeit grundsätzlich auftritt, ist dabei vordringlich zu lösen. Erfolgversprechend ist hier eine Kombination mehrerer Maßnahmen, deren Entwicklung bzw. Optimierung derzeit vorangetrieben wird: • intelligente Stromnetze • Verbundlösungen aus verschiedenen Erzeugern (Sonne am Tag, Wind bei Nacht) • Verbundlösungen mit unterschiedlichen Speichern (z. B. Druckluftspeicher, Speicherung der solar erzeugten Wärme tagsüber und Wärmenutzung zur Dampferzeugung nachts, Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse, dann durch Reaktion mit CO2 Erzeugung von Methan)

90 90 (9 Mrd. Menschen)

80

io 1

nar

70

Sze

60 50 31,5 (7 Mrd. Menschen)

40

35

Szenario 2

(7 Mrd. Menschen) 30

22,7

24,7

Szenario

3 18

20

(7 Mrd. Menschen) 10

1990

2000

2010

2020

2030

2040

2050 1.3

9

Grundlagen

verfügbare erneuerbare Energie an zugänglichen Standorten

weltweiter Energiebedarf bis 2030

Energiequellen

Wasserkraft 1,1 TW (9 % Anteil)

Wasser 2 TW Wind 40 – 85 TW

zu installierende Leistung für die Versorgung mit erneuerbarer Energie

490 000 Gezeitenturbinen 1 MW 0,9 W/m2K der Außenputz erneuert, so besteht die Verpflichtung, den Grenzwert von 0,24 W/m2K mithilfe zusätzlicher Dämmmaßnahmen einzuhalten.

U-Wert-Berechnung: λ [W/mK] R [m2K/W]

d [m]

Außenwand: Rse

0,040

Kunstharzputz

0,005

0,700

0,007

PS-Dämmplatten

0,120

0,032

3,750

Kalkzementputz

0,025

0,870

0,029

Mauerwerk

0,300

0,610

0,492

Kalkgipsputz

0,015

0,700

0,021

Rsi

0,130

Wärmedurchgangswiderstand RT

4,469

U-Wert Außenwand [W/m2K]

0,22

Bestand

Wärmeverlust durch Außenwand

0

50

100

saniert

101 (10,1)

22 (2,2)

0

5

Das außenseitige Dämmen der opaken Fassadenflächen mit einem Wärmedämmverbundsystem (WDVS) stellt in den meisten Fällen die effektivste und wirtschaftlichste Dämmmaßnahme dar. Zum einen handelt es sich bei der opaken Fassade im Wohnungsbau fast immer um den flächenmäßig größten Teil der Gebäudehülle, zum anderen sind die U-Werte der vorhandenen monolithischen Außenwände meistens deutlich schlechter als die der mehrschichtig aufgebauten Dachkonstruktionen oder Geschossdecken.

Nachteile: • die Wandstärken erhöhen sich (Gestaltungs- und Genehmigungsproblematik) • alle Anschlüsse der Fassade an andere Bauteile müssen neu geplant und angepasst werden • die Fassade wird anfälliger für mechanische Beschädigungen und Algenbefall • ein späterer Fenstertausch ist nur sehr schwer möglich

Einsparung: 78 %

10

15 [Liter Heizöl/m2a] 2.22

58

Wärmedämmverbundsystem ohne Erneuerung der Fenster

Vorteile: • die wärmespeichernde Masse der massiven Außenwand bleibt für den Innenraum erhalten • die meisten konstruktiven Wärmebrücken können eliminiert, die geometrischen Wärmebrücken stark abgeschwächt werden • alle anfallenden Wärmeverluste durch beispielsweise schlecht gedämmte Heizleitungen in Außenwänden kommen dem Innenraum zugute

[kWh/m2a] 150

+20°C

-10°C/-5°C

Deshalb ist es sinnvoll, gleichzeitig mit dem WDVS auch neue Fenster einzubauen. Auf diese Weise können die neuen Fenster zusammen mit dem WDVS in eine wärmetechnisch möglichst opti-

b

-10 °C/-5°C

2.21

male Einbaulage gebracht werden. Folgende Argumente können jedoch dazu führen, dass die ursprüngliche Einbausituation der Fenster oder sogar die vorhandenen Fenster selbst beibehalten werden: • die Fenster befinden sich in einem sehr guten Zustand und können mit einfachen Mitteln thermisch verbessert werden • die Fenster wurden bereits ausgetauscht • die vorhandenen Rollläden und Rollladenkästen sollen weiter verwendet werden • aufwendige Beiputzarbeiten und ein Austausch der Fensterbänke im Innenbereich sollen vermieden werden a Sind die Fensterbauteile noch intakt, können sie beispielsweise durch Austausch der Verglasung ertüchtigt werden. In diesem Fall müssen die neuen Scheiben einen Ug-Wert von 1,1 W/m2K aufweisen. b Häufig ist das Rahmenholz zu schmal, um eine ausreichende Überdämmung herstellen zu können. Dies gilt insbesondere, wenn auf dem Rahmenholz noch Beschläge für Klappläden angebracht sind und auch erhalten bleiben sollen. In diesem Fall sollte durch Putzabtrag in der Laibung und anschließenden dünnen Neuverputz Platz für mindestens 2 cm Überdämmung geschaffen werden. c Dämmplatten und Putzsystem bilden eine Einheit und müssen als Systembauteil entsprechend Zulassung des Systemanbieters aufeinander abgestimmt werden. Die Brandschutzanforderungen haben direkte Auswirkung auf die Auswahl der Dämmmaterialien und Putze. Die zulässige Klassifizierung der WDVS hinsicht-

Wärmesenken

lich Brandschutz sind abhängig von der Höhe h des obersten Fußbodens über dem Gelände: • mind. B 2 (normal entflammbar) für h 22 m a

e

b

d

f

c

b

e

Eine Besonderheit bezüglich des Brandschutzes stellen WDVS mit PS- oder PUHartschaumplatten und einer Dämmstärke von mehr als 10 cm dar. Hier müssen direkt über den Fensterstürzen mindestens 20 cm hohe Streifen eines Dämmstoffs der Baustoffklasse A mit einem seitlichen Überstand von mindestens 30 cm angebracht werden. Sie schützen den Rettungsweg durch das Fenster im Brandfall vor abschmelzendem Dämmmaterial. Alternativ hierzu können auch in jedem zweiten Geschoss ringförmig umlaufende Dämmstreifen aus Mineralwolleplatten angebracht werden. d Einige Systeme können auch als Dickputzsystem ausgeführt werden. In diesem Fall werden das Gewebe und der Oberputz auf einen 15 – 20 mm starken Grundputz aufgebracht, der nach Auftrag ca. drei Wochen trocknen muss. Dickputzsysteme sind widerstandsfähiger gegen Vandalismus und Spechtangriffe. Auch treten vergleichsweise weniger Schäden aufgrund von Rissbildungen auf. e Die vorhandenen Fensterläden benötigen neue Beschläge und müssen eventuell an das etwas geringere lichte Maß der äußeren Fensteröffnung angepasst werden. f Auf die Balkenauflager bei Holzbalkendecken wirkt sich die außen liegende Wärmedämmung positiv aus. Die Wandtemperaturen sind nach der Dämmmaßnahme deutlich höher und die Bildung von Tauwasser ist in diesem Bereich nicht mehr zu befürchten.

2.21 Isothermenverlauf vor (a) und nach (b) der Sanierung unter Normbedingungen nach DIN 4108-2 (- 5 °C Außentemperatur, + 20 °C Innentemperatur, 50 % rel. Raumluftfeuchte) — 12,6 °C -Isotherme (Schimmelpilzgefahr) 2.22 jährlicher Heizenergiebedarf in Kilowattstunden und in Liter Heizöl pro m2 Bauteilfläche im Bestand und nach der Sanierung (Rechnung mit Gradtagzahl 84 kKh, U-Wert Bestand 1,0 W/m2 K, Anlagenverlust 20 %)

59

Bauliche Maßnahmen

+ 20 °C

- 10°C/- 5°C

+20°C

-10°C /-5°C

a

b

Anforderungen nach EnEV (Anlage 3, Tabelle 1):

Neue Fenster, Ertüchtigung vorhandener Rollläden

Einbau neuer Fenster:

In den meisten Fällen werden zeitgleich mit dem Anbringen eines WDVS auch die Fenster erneuert, sodass diese beim Wiedereinbau in die energetisch günstigste Position, außenbündig mit dem Mauerwerk (siehe Beispiel Balkon, S. 66f.), gebracht werden können. Bei zahlreichen Gebäuden ist das Aufbringen der Dämmung aus baukonstruktiven oder baurechtlichen Gründen schwierig, sodass die Erneuerung der Fenster die einzige mögliche Maßnahme zur energetischen Verbesserung ist. Beim Fensteraustausch ohne Dämmung der Außenwand wird die kritische Oberflächentemperatur im Anschlussbereich Fenster – Wand immer unterschritten, sodass hier erhöhte Schimmelgefahr besteht. Sie kann reduziert werden durch einen fachgerechten luftdichten Anschluss der Fenster nach RAL sowie durch den ergänzenden Einbau einer einfachen Lüftungsanlage (Abluftanlage) zur kontrollierten Belüftung der Räume. So kann durch regelmäßigen Luftaustausch sichergestellt werden, dass die relative Luftfeuchtigkeit im Winter dauerhaft unter 50 % bleibt.

b Der Anschluss der Fenster an die Laibung ist luftdicht nach RAL auszuführen, wobei darauf zu achten ist, dass der innere Anschluss dichter als der äußere sein muss. Konkret bedeutet dies, dass die Laibung vor der Fenstermontage sauber verputzt werden muss auf ein lichtes Öffnungsmaß, das ca. 2 cm größer ist als das einzubauende Fenster. Der Zwischenraum wird dann mit Mineralwolle satt ausgestopft und nach außen über ein umlaufendes Kompriband luftdicht abgeschlossen. Die Laibung sollte dann außen neu verputzt werden. Innenseitig ist der Anschluss über einen Folienlappen sinnvoll, der vollflächig auf den Laibungsputz geklebt und anschließend überputzt wird. Soll die innere Laibung nicht bearbeitet werden, ist der geforderte luftdichte Abschluss auch ausschließlich mittels dauerelastischer Verfugung oder zugelassener Kompribänder herstellbar. Eine Leiste im Anschlussbereich kann diese oft unansehnlichen Fugen abdecken.

max. Uw-Wert 1,30 W/m2K Der Wert ist immer dann einzuhalten, wenn ≥ 20 % der Fensterfläche eines Hauses ausgetauscht werden. Anforderungen an Rollladenkästen: Die EnEV formuliert keine speziellen Anforderungen an Rollladenkästen. Bei der Berechnung der Transmissionswärmeverluste müssen allerdings die Fassadenflächen der Rollladenkästen separat ausgewiesen und mit einem eigenen U-Wert berücksichtigt werden, wenn der pauschale Wärmebrückenverlustkoeffizient ψ von 0,10 W/m2K nach EnEV angesetzt wird. Der U-Wert für Rollladenkästen beträgt entsprechend den Mindestanforderungen der DIN 4108-2: 0,60 W/m2K

U-Wert (Einbau ab 1995)

Wird der optimierte Wärmebrückenverlustkoeffizient von 0,05 W/m2K angesetzt oder werden die Wärmebrücken einzeln nachgewiesen, so dürfen die Rollladenkästen übermessen und die Flächen der Außenwand zugeschlagen werden (siehe S. 38 und 40). Will man den optimierten Wärmebrückenverlustkoeffizienten ansetzen, so müssen die Konstruktionsregeln nach Beiblatt 2 der DIN 4108 erfüllt werden: An den Kontaktflächen des Rollladenkastens zum Innenraum und zur Geschossdecke sind jeweils ca. 6 cm Wärmedämmung der WLG 040 vorzusehen. Die U-Wert-Berechnung des Fensters erfolgt nach DIN EN ISO 10 077-1. Sie wird hier exemplarisch auf Basis eines Fensters von 1,20 m auf 2,20 m (Rohbaumaß) mit einem Rahmenanteil von 35 % durchgeführt (Fensterfläche 2,64 m2). Beim Rahmen handelt es sich um einen verbesserten Holzrahmen mit Dämmkern. U-Wert-Berechnung: Fenster:

A [m2]

U [W/m2K]

[W/K]

Holzrahmen (verbessert)

0,79

1,00

0,790

1,85

0,60

1,110

Glas

ψ [W/mK] Länge [m] Wärmebrücken

0,04

6,00

[W/K] 0,240

Summe

2,140

U-Wert [W/m2K] (Division durch 2,64 m2)

0,810

2.23 Isothermenverlauf vor (a) und nach (b) der Sanierung unter Normbedingungen nach DIN 4108-2 (- 5 °C Außentemperatur, + 20 °C Innentemperatur, 50 % rel. Raumluftfeuchte) — 12,6 °C -Isotherme (Schimmelpilzgefahr) 2.24 jährlicher Heizenergiebedarf pro m2 Fensterfläche im Bestand und nach der Sanierung (Rechnung mit Gradtagzahl 84 kKh, U-Wert Bestand 2,7 W/m2K, Anlagenverlust 20 %)

60

a Beim Einbau neuer Fenster sollte die Breite des Rahmenholzes so gewählt werden, dass ein WDVS, das unter Umständen später aufgebracht wird, fachgerecht angeschlossen werden kann. Werden Fenster und Fassade in einem Zuge erneuert, sollte auch die Lage der Fenster innerhalb der jeweiligen Öffnung überprüft werden. Energetisch und bezüglich des Lichteinfalls ist die Montage der Fenster an der Außenkante der Laibung sinnvoll. Bei Veränderung der Fensterposition müssen allerdings auch die innenseitigen Fenstersimse und etwaige Einbaurollläden ersetzt werden.

2.23

c Die Glasauswahl erfolgt je nach Anforderung nach den Kriterien: • winterlicher Wärmeschutz (U-Wert) • sommerlicher Wärmeschutz (g-Wert) • Tageslichtdurchgang (τ-Wert) • Schallschutz (RW-Wert) • besondere Anforderungen, z. B. Brandschutz Dreischeiben-Wärmeschutzverglasungen mit einem Ug-Wert von 0,6 W/m2K sind heute Standard. Als Füllung für den Luftzwischenraum ist das Gas Argon dem Edelgas Krypton vorzuziehen, da Letzteres sehr aufwendig zu gewinnen ist. Als Abstandshalter zwischen den Scheiben sollten Kunststoffprofile mit ψ < 0,4 W/mK verwendet werden.

Wärmesenken

Bestand

d

c

b

Wärmeverlust durch Fenster

0

100

200

saniert [ kWh/m2a] 300

272 (27,2)

Einsparung: 70 %

82 (8,2)

0

10

20

30 [ Liter Heizöl/m2a] 2.24

d Hinsichtlich Energiedurchgang und Wartung ist der Rahmen das schwächste Glied der Fensterkonstruktion. Energetisch optimierte Rahmen gibt es in allen Materialien. Sie weisen einen Uf-Wert von 0,8 –1,0 W/m2K auf. Dies gilt auch für Metallkonstruktionen. Holzrahmen haben im Vergleich zu anderen Materialien einen höheren Wartungsaufwand. Bei Verwendung von Hartholz (Eiche) oder einer Vorsatzschale aus Aluminium an der Außenseite verringert sich die Wartungsintensität deutlich. e Zur thermischen Verbesserung von Rollladenkästen gibt es von verschiedenen Herstellern vorgefertigte Polystyrolschaumformteile, mit denen die vorhandenen Lufträume im Kasten gedämmt werden können. Sollte der Platz zwischen aufgerolltem Rolladen und Kastengehäuse nicht für das Dämmmaterial ausreichen, so kann der vorhandene Rollladenpanzer eventuell gegen einen Panzer ausgetauscht werden, der sich platzsparender wickeln lässt. Besonders wichtig ist bei der Sanierung von Rollladenkästen ein luftdichter Abschluss der Revisionsöffnung.

f

f Da der Gurtauslass eine unmittelbare Verbindung zwischen Innenraum und Außenluft herstellt, sollten die Luftundichtigkeiten durch den Einbau von Manschetten mit Bürstendichtungen reduziert werden.

e

a

61

Bauliche Maßnahmen

+ 20 °C

-10°C/-5°C

a Anforderungen nach EnEV (Anlage 3, Tabelle 1): Außenwände, bei denen Bekleidungen oder Verschalungen auf der Rauminnenseite aufgebracht werden: max. U-Wert 0,35 W/m2K Gegenüber außenseitig gedämmten Konstruktionen weisen innen gedämmte Außenwände starke Wärmebrücken auf. Um diesbezüglich zu realistischen Rechenergebnissen zu kommen, wurde wie beim dena-Feldversuch (siehe S. 47) der pauschale Wärmebrückenverlustfaktor verdoppelt und damit auf 0,2 W/m2K erhöht. In der EnEV selbst ist ein solcher Zuschlag nicht vorgesehen.

U-Wert-Berechnung Außenwand: d [m]

λ [W/mK] R [m2K/W] 0,040

Rse Kalkzementputz

0,025

0,870

0,029

Mauerwerk

0,300

0,610

0,492

Kalkgipsputz

0,015

0,700

0,021

Aerorock (Rockwool)

0,040

0,019

2,110

Rsi

0,130

Wärmedurchgangswiderstand RT

2,822

U-Wert [W/m2K]

0,35

U-Wert der einzelnen Fenster: Berechnung nach DIN EN ISO 10 077-1 U-Wert inneres Fenster [W/m2K]

1,20

Wärmedurchgangswiderstand [m2K/W]

0,833

U-Wert äußeres Fenster [W/m2K] (Nennwert nach DIN 4108-4)

4,5

Wärmedurchgangswiderstand [m2K/W]

0,222

U-Wert Kastenfenster:

R [m2K/W]

inneres Fenster

0,833

- Rse Luftzwischenraum > 10 cm - Rsi

- 0,040 0,173 - 0,130

äußeres Fenster

0,222

Wärmedurchgangswiderstand

1,058

U-Wert gesamt (Uw) [W/m2K]

0,95

62

Innendämmung und Ertüchtigung vorhandener Einfachverglasung

Keine Veränderungen an der äußeren Erscheinung ergeben sich, wenn die Dämmmaßnahmen an den Außenwänden auf der Rauminnenseite vorgenommen werden. Deshalb werden Innendämmungen hauptsächlich im Bereich schützenswerter Stuck- oder Klinkerfassaden eingesetzt. Vorteile: • keine Veränderung des äußeren Erscheinungsbildes • keine Genehmigungsprobleme • partielle (raumweise) Außenwanddämmung möglich • kostengünstig Nachteile: • die wärmespeichernde Masse der massiven Außenwand geht für den Innenraum verloren • Gefährdung der Bausubstanz durch starke Auskühlung der tragenden Außenwände • starke Wärmebrückeneffekte im Bereich von einbindenden Wänden und Decken • bauphysikalische Probleme vor allem im Bereich von Holzbalkendecken • Frostgefahr für Wasser- und Heizungsleitungen in den Außenwänden Bei der Anordnung der Wärmedämmung auf der Warmseite eines schweren Bauteils werden bewährte Konstruktionsregeln missachtet, was gründliche bauphysikalische Untersuchungen im Vorfeld und eine sehr sorgsame Bauausführung erfordert. Es wird empfohlen, gleichzeitig mit der Innendämmung auch eine kontrollierte Raumlüftung einzubauen, um hohe relative Raumluftfeuchten in der Heizperiode und damit mögliche Feuchteschäden zu vermeiden.

+ 20°C

b

-10°C /-5°C

2.25

a Bei Innendämmungen sollte immer eine innenseitige Dampfsperre angeordnet werden. In die Dämmung eingedrungene Feuchtigkeit kann nur sehr schlecht nach außen abtrocknen, da der Diffusionswiderstand der gemauerten und verputzten Wand relativ hoch ist. Außerdem erwärmt sich das träge Mauerwerk bei höheren Außentemperaturen nur sehr langsam, sodass ein Trocknungsprozess erst sehr spät einsetzt. Auf die Dampfsperre kann jedoch verzichtet werden, wenn ein dampfdichtes Dämmmaterial (z. B. Schaumglas) eingesetzt wird oder keine Bedenken bei zeitweiligem Tauwasserausfall an der Grenzschicht zwischen Innendämmung und Mauerwerk bestehen. Sichergestellt werden muss allerdings, dass die Wand in der Trocknungsperiode wieder vollkommen austrocknen kann und ein feuchteunempfindliches Dämmmaterial eingesetzt wird (z. B. Mineralschaum-, PUR-Hartschaum- oder Kalziumsilikatplatten). Bei weichen Dämmmaterialien ist eine Unterkonstruktion, beispielsweise aus Holzriegeln, für die Vorsatzschale notwendig. Alle steifen Dämmstoffe können mit speziellen Ansetzmörteln und -klebern von innen direkt auf die Außenwand geklebt werden. Hierzu zählen auch die verschiedenen Verbundplatten aus PSHartschaum- oder Mineralwolledämmung, die mit unterschiedlichen Deckmaterialien kaschiert sind. b Bei Holzbalkendecken gilt dem Auflagerbereich der Balken in der Außenwand besondere Aufmerksamkeit. Da nach Durchführung der Innendämmung die Temperatur der tragenden Außenwand stark absinkt, wird in den meisten Fällen der Taupunkt der Raumluft im Bereich des Balkenauflagers unterschritten.

Wärmesenken

Bestand

saniert [ kWh/m2a]

Wärmeverlust durch Wand und Fenster

0

d

50

100

150

141 (14,1)

35 (3,5)

0

5

Einsparung: 75 %

10

15 [ Liter Heizöl/m2a] 2.26

Mögliche Tauwasserbildung im Auflagerbereich und eine Durchfeuchtung der Balkenköpfe können zu Fäulnis und letztendlich zum Versagen der Deckenkonstruktion führen. Es hat sich bewährt, alle Hohlräume der freigelegten Balkenauflager mit PUR-Ortschaum auszuschäumen, um die Luftkonvektion zwischen Deckenhohlräumen und Auflager zu minimieren.

a

c

c Aufgrund der starken Wärmebrückenwirkung von Innenwänden, die in das Außenmauerwerk einbinden, muss eine Flankendämmung in den Anschlussbereichen vorgenommen werden. Diese sollte auf einer Länge von ca. 50 cm in den Raum geführt werden. In gleicher Weise sollte auch bei einbindenden Stahlbetondecken ein Streifen unterseitig gedämmt werden. Bei Holzbalkendecken ist dies nicht erforderlich, da die Wärmebrückenwirkung sehr viel geringer ist.

d

d Die ursprünglich vorhandene Einfachverglasung bleibt aus denkmalpflegerischen Gründen erhalten. Innenseitig wird ein neues, isolierverglastes Fenster mit einem Holzkasten vorgesetzt. Die alte Einfachverglasung bleibt aufgrund ihrer geringeren Dichtigkeit auch bei niedrigen Außentemperaturen frei von Tauwasserniederschlag.

a

b

2.25 Isothermenverlauf vor (a) und nach (b) der Sanierung unter Normbedingungen nach DIN 4108-2 (- 5 °C Außentemperatur, + 20 °C Innentemperatur, 50 % rel. Raumluftfeuchte) — 12,6 °C -Isotherme (Schimmelpilzgefahr) 2.26 jährlicher Heizenergiebedarf in Kilowattstunden und in Liter Heizöl pro m2 opaker Wandfläche im Bestand und nach der Sanierung (Rechnung mit Gradtagzahl 84 kKh, U-Wert Außenwand Bestand 1,4 W/m2 K, Anlagenverluste 20 %)

63

Bauliche Maßnahmen

-10°C / - 5 °C

+ 20 °C

-10 °C/ -5 °C

+ 2 °C/ + 10 °C

+20°C

+2°C/+10°C

a

b

Anforderungen nach EnEV (Anlage 3, Tabelle 1):

Kellerdeckendämmung auf der Kalt- oder Warmseite sowie Sockeldämmung

Decken zu unbeheizten Kellern, bei denen Bekleidungen an die Deckenunterseite angebracht werden: max. U-Wert 0,30 W/m2K Decken zu unbeheizten Kellern, bei denen Fußbodenaufbauten auf der Deckenoberseite erneuert werden: max. U-Wert 0,50 W/m2K Die Anforderung gilt auch als erfüllt, wenn ohne Anhebung der Türstürze die maximal mögliche Dämmstoffdicke oberseitig eingebaut wird.

U-Wert-Berechnung unterseitige Dämmung der Kellerdecke: d [m]

λ [W/mK] R [m2K/W] 0,170

Rse EPS-Dämmplatten

0,060

0,035

1,714

Stahlbetondecke

0,160

2,300

0,070

EPS-Dämmplatten

0,020

0,040

0,500

Zementestrich

0,045

1,400

0,032

Keramikfliesen

0,012

1,300

0,009

Rsi

0,170

Wärmedurchgangswiderstand RT

2,665

U-Wert [W/m2K]

0,38

U-Wert-Berechnung oberseitige Dämmung der Kellerdecke: d [m]

λ [W/mK] R [m2K/W] 0,170

Rse Stahlbetondecke

0,160

2,300

0,070

Vakuumdämmpaneel

0,020

0,007

2,857

FBH-Systemplatte

0,020

0,320

0,063

Naturstein (Granit)

0,020

2,800

0,007

Rsi

0,170

Wärmedurchgangswiderstand RT

3,337

U-Wert [W/m2K]

0,30

Die meisten Altbauten besitzen zum unbeheizten Keller eine betonierte Decke mit ungedämmtem Sockel. Besonders stark wirkt sich beides als Wärmebrücke aus, wenn ein WDVS aufgebracht wird. In diesem Fall befindet sich der massive Teil der Außenwand komplett im Warmen. Dies führt zu einem deutlich höheren Wärmeabfluss über den Sockel. Deshalb sollte bei der Außendämmung der Außenwand immer auch der Sockel gedämmt werden, auch wenn die EnEV diese Dämmmaßnahme nicht ausdrücklich fordert. Aus Kostengründen wird normalerweise die Geschossdecke zum unbeheizten Keller unterseitig (kaltseitig) gedämmt. Voraussetzung ist allerdings, dass die Raumhöhe im Keller dafür ausreicht und Leitungen an der Deckenunterseite kein zu großes Hindernis darstellen. Im Bereich von Leitungstrassen ist auch eine abgehängte Decke mit Dämmeinlage denkbar, sodass die Raumhöhe nur unterhalb der Trasse verringert wird. In den seltensten Fällen wird die Kellerdecke auf der Oberseite (Warmseite) gedämmt. In diesem Fall ist ein komplett neuer Fußbodenaufbau im Erdgeschoss erforderlich. Eine solche Maßnahme kommt vor allem dann in Betracht, wenn gleichzeitig das Heizsystem auf eine Fußbodenheizung umgestellt werden soll. Dies führt meist zu einem höheren Fußbodenaufbau, wodurch sich die Höhen der Tür- und Fensterstürze reduzieren. Die hier vorgestellte Lösung kommt dank moderner Baustofftechnologie (Vakuumdämmung) mit minimalen Aufbauhöhen zurecht und kann dadurch ökonomisch sinnvoll sein. a Je nach verwendetem Dämmmaterial kann die unterseitige Deckendämmung im einfachsten Fall von unten an die Decke geklebt werden. Sie bedarf nicht

64

-10°C/- 5°C

+20°C

+2°C/+10 °C

c

2.27

zwingend einer zusätzlichen mechanischen Befestigung oder einer Schlussbeschichtung. Die Dämmmaßnahme sollte immer zusammen mit einer außen liegenden Sockeldämmung ausgeführt werden. Denn mit einer unterseitigen Wärmedämmung befindet sich die gesamte Kellerdecke auf der Warmseite, sodass sich der Wärmeabfluss über einen ungedämmten Sockel stark erhöht. Gerade im kritischen Bereich des inneren Fußbodenanschlusses an die Außenwand stellt sich ohne Sockeldämmung keine nennenswerte Erhöhung der Oberflächentemperaturen ein. In diesem Fall machen die höheren Wärmebrückenverluste im Sockelbereich einen Teil der verringerten Wärmeverluste an den unbeheizten Keller wieder zunichte. b Soll die Kellerdecke an der Oberseite gedämmt werden, muss der alte Fußbodenaufbau bis zur Rohdecke abgetragen werden. Der hier gewählte neue Aufbau besteht aus Vakuumdämmpaneelen mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,007 W/mK. Damit entspricht die 2 cm starke Dämmung rund 10 cm eines herkömmlichen Dämmstoffs mit der Wärmeleitfähigkeit 0,035 W/mK. Darüber kann im Einfamilienhaus ein estrichloses Fußbodenheizungssystem mit geringer Aufbauhöhe eingebaut werden. Sind höhere Schallschutzanforderungen nach DIN 4109 (erhöhter Schallschutz) zu erfüllen, was im Geschosswohnungsbau der Fall ist, muss auf dem gespachtelten Altfußboden ein Trockenestrich mit einen Trittschallverbesserungsmaß von mindestens 27 dB verlegt werden. Dies ist mit einer 24 mm starken Mineralfaserdämmplatte und einer zweilagigen Trockenestrichplatte möglich. Eine Fußbodenheizung würde dann den Bodenaufbau zusätzlich erhöhen und ist daher für diese Anwendung weniger sinnvoll.

Wärmesenken

Bestand

Wärmeverlust durch Kellerdecke

0

50

100

saniert [ kWh/m2a] 150

30 (3,0)

Einsparung: 47 %

19 (1,9)

0

5

10

15 [ Liter Heizöl/m2a] 2.28

a c Häufig muss die Kelleraußenwand saniert werden, da sie aufgrund fehlender Abdichtung durchfeuchtet ist. Dadurch sinkt die innenseitige Oberflächentemperatur so weit ab, dass großflächige Schimmelbildung droht. Das geschieht besonders leicht in der warmen Jahreszeit, wenn durch falsches Lüftungsverhalten warme Außenluft in die Kellerräume gelangt und sich die enthaltene Feuchtigkeit an den erdkühlen Außenwänden niederschlägt. Wenn die Entscheidung für eine Sanierung der Kelleraußenwände gefallen ist, sollte im Zuge der erforderlichen Maßnahmen (Reinigen, Verputzen, Abdichten) auch eine Perimeterdämmung aufgebracht werden. Sie reduziert die Wärmeverluste aus dem Keller und führt zu einer höheren Temperatur der Innenoberfläche der Kelleraußenwand. In der Bilanzierung hat dies eine Verbesserung des Korrekturfaktors Fx zur Folge.

d

b

d Falls eine Sanierung der Kelleraußenwand nicht möglich oder nicht erforderlich ist, sollte untersucht werden, ob eine Sockeldämmung realisiert werden kann. Diese sollte ca. 30 cm ins Erdreich einbinden und durch Putz und eine Verblechung vor Witterungseinflüssen geschützt werden.

c

2.27 Isothermenverlauf bei einer Kellerdecke ohne (a) und mit (b) Wärmedämmung und (c) mit Deckenund Sockeldämmung unter Normbedingungen nach DIN 4108-2 (- 5 °C Außentemperatur, + 20 °C Innentemperatur, 50 % rel. Raumluftfeuchte) — 12,6 °C -Isotherme (Schimmelpilzgefahr) 2.28 jährlicher Heizenergiebedarf in Kilowattstunden und in Liter Heizöl pro m2 Deckenfläche im Bestand und nach unterseitiger Kellerdeckendämmung (Rechnung mit Gradtagzahl 84 kKh, U-Wert Bestand 0,6 W/m2K, Temperaturkorrekturfaktor 0,5 und Anlagenverlust 20 %)

65

Bauliche Maßnahmen

+ 20 °C

-10°C/- 5°C

+20°C

+ 20 °C

a Wärmebrückennachweis nach EnEV: Es gibt grundsätzlich drei Möglichkeiten, wie vorhandene Wärmebrücken in die energetische Bilanzierung nach EnEV eingehen: Der pauschale Wärmebrückenzuschlag von 0,10 W/m2K wird mit der gesamten Hüllfläche multipliziert und den übrigen Transmissionswärmeverlusten zugeschlagen. Er kann immer angesetzt werden. Der Verzicht auf einen detaillierten Nachweis wird allerdings durch einen unrealistisch hohen Zuschlag »bestraft«. Der pauschale Wärmebrückenzuschlag von 0,05 W/m2K nach DIN 4108 - Beiblatt 2 wird mit der gesamten Hüllfläche multipliziert und den übrigen Transmissionswärmeverlusten zugeschlagen. Er ist nur für Konstruktionen nach Beiblatt 2 der Norm zulässig. Bei abweichenden Konstruktionen ist ein Gleichwertigkeitsnachweis erforderlich. Individueller Wärmebrückennachweis nach DIN EN ISO 10 211-1 Die exakte Ermittlung des Transmissionswärmebedarfs aus allen linearen Wärmebrücken kann immer durchgeführt werden. Die Ermittlung ist jedoch sehr aufwendig: Es müssen alle Wärmebrückenlängen ermittelt und die zugehörigen Wärmedurchgangskoeffizienten bestimmt werden.

Bestehender Balkon und Wärmedämmverbundsystem

Der auskragende und nicht thermisch getrennte Stahlbetonbalkon stellt nicht nur eine massive Wärmebrücke mit beträchtlichen Wärmeverlusten und möglichen Feuchteschäden im Innenraum dar, sondern bereitet auch erhebliche Schwierigkeiten bei der Energiebilanzierung nach EnEV. Da im Beiblatt 2 von DIN 4108 keine vergleichbare Konstruktion vorgesehen ist, müsste der hohe pauschale Wärmebrückenzuschlag von 0,10 W/m2K angesetzt werden. Daher empfiehlt sich in diesem Fall die individuelle Ermittlung des Wärmebrückenzuschlags durch Simulationsrechnung. So kann die Wärmebrücke im Bereich des Balkons durch Verbesserungen bei den übrigen Wärmebrücken kompensiert werden. Zu überlegen ist jedoch auch, ob der Balkon nicht gänzlich abgerissen und als eigenständige Holz- oder Stahlkonstruktion vor das Gebäude gestellt oder punktuell an der Fassade aufgelegt und abgehängt wird. Vorteile: • annähernd wärmebrückenfreie Balkonkonstruktion • keine Gefahr der Schimmelbildung in den dahinter befindlichen Räumen an Deckenkanten oder Sockelleisten • Die Balkone können im Rahmen der Sanierung vergrößert werden, was zu einer Verbesserung des Wohnwerts führt.

2.29 Isothermenverlauf vor (a) und nach (b) Aufbringen eines WDVS bei einer auskragenden Balkonplatte aus Stahlbeton unter Normbedingungen nach DIN 4108-2 (- 5 °C Außentemperatur, + 20 °C Innentemperatur, 50 % rel. Raumluftfeuchte) — 12,6 °C -Isotherme (Schimmelpilzgefahr) 2.30 Isothermenverlauf bei (a) oberseitiger Dämmung, (b) unterseitiger Dämmung und (c) oberund unterseitiger Dämmung der Balkonplatte. Der Verlauf der kritischen 12,6 °C - Isotherme verändert sich durch die Dämmmaßnahmen kaum gegenüber der unsanierten Platte (Abb. 2.29 a)

66

Nachteile: • sehr teuer und aufwendig Falls die Wärmebrücke bei nicht thermisch getrennten, auskragenden Balkonplatten im Sockelleistenbereich und in der Deckenkante der dahinter liegenden Räume zu Schimmelpilzwachstum führt, schafft auch schon die außenseitige Dämmung der Außenwand Abhilfe. Auf eine Dämmung der Balkonplatte kann

- 10°C /-5°C

+20°C

b

2.29

verzichtet werden bzw. es besteht keine Notwendigkeit, die Platte abzuschneiden. Wie die oben stehenden Wärmebrückensimulationen zeigen, verschiebt sich der Dämmschwerpunkt der Wand so weit nach außen, dass die nach der Sanierung erreichten inneren Oberflächentemperaturen weit oberhalb der kritischen Temperaturen liegen. Nur im unteren Laibungsbereich der Balkontür kann es noch zu Problemen kommen, sodass hier eventuell in Teilbereichen innenseitig gedämmt werden muss. Dazu wird der Innenputz im unteren Laibungsbereich abgeschlagen und beispielsweise durch Kalziumsilikatplatten in Putzstärke ersetzt. Die inneren Oberflächentemperaturen liegen damit außerhalb des kritischen Bereichs für Schimmelpilzbildung. Da es sich hier um eine sehr kleinflächige Innendämmmung handelt, sind keine weiteren bauphysikalischen Probleme zu erwarten. Ist die Außenwand gedämmt (WDVS), wirkt sich die Wärmebrücke allerdings energetisch stärker aus. Keine Verbesserung bringt die Dämmung der Balkonplatte, wie die Isothermenverläufe in Abb. 2.31 a – c zeigen. a Der obere Anschluss der Dämmung an die Balkonplatte erfolgt mit einem in die Dämmung eingelegten Kompriband. Der Putz erhält zur Platte hin einen Kellenschnitt. b Das Wärmedämmverbundsystem hört oberhalb der Balkonplatte mit einer Fassadenabschlussschiene auf und wird mit einem Dichtband zur Balkonplatte hin abgedichtet. c Im Bereich der Schwelle ist bei Bestandsfenstern meist nur ein einfacher Winkelan-

Wärmesenken

b

schlag vorhanden. Zu beachten ist, dass bei Fensteraustausch die zweite Dichtebene dann durch eine zusätzliche Bodenauflaufdichtung oder eine mit dem Schließvorgang wirksam werdende Bodendichtung (mechanisch oder magnetisch) sichergestellt wird. Die Barrierefreiheit nach DIN 18 025 Teil 2 erlaubt eine Schwelle von 2 cm Höhe. Durch spezielle Profile, die auf das untere Rahmenholz aufgesetzt werden, kann der untere Türabschluss so ausgebildet werden, dass sowohl Dichtigkeit wie Barrierefreiheit erreicht werden.

a

a

c

b

c

2.30

67

Bauliche Maßnahmen

Wärmequellen

2 5

1

6 4

3

2.31

Unter Wärmequellen sind alle Wärmeeinträge zu verstehen, die ein Innenraum durch äußere Einwirkungen auf die Gebäudehülle und durch nutzungsbedingte Prozesse im Innenraum zu verzeichnen hat. Sie können einerseits für die gewünschte Erwärmung der Raumluft genutzt werden und somit – wie der Begriff »Wärmegewinne« impliziert – positiv auf die Energiebilanz wirken. Sie können das Innenraumklima aber auch erheblich belasten und Maßnahmen zur Kühlung erforderlich machen, was sich im Begriff »Wärmelasten« ausdrückt. Für die Energiebilanz eines Gebäudes ist entscheidend, ob die Wärmequellen zur Deckung des Wärmebedarfs genutzt werden können oder mithilfe baulicher und anlagentechnischer Maßnahmen reduziert werden müssen, um den Erfordernissen der Behaglichkeit zu genügen. Mindestwärmeschutz nach DIN 4108

a

2.32

b

Klassifizierung der Bauarten leichte Bauart

Cwirk/AG < 50 Wh/(m2K)

mittlere Bauart

50 Wh/(m2K) ≤ Cwirk/AG ≤ 130 Wh/(m2K)

schwere Bauart

Cwirk/AG > 130 Wh/(m2K)

Cwirk: wirksame Wärmespeicherfähigkeit der raumumschließenden Flächen AG: Nettogrundfläche des Raums 2.33

2.31 Wärmeeinträge äußere Wärmelasten: 1 solare Einstrahlung 2 Lüftung 3 Transmission innere Wärmelasten: 4 Bürogeräte 5 Beleuchtung 6 Personen 2.32 Verschattung durch Nachbarbebauung a räumliche Darstellung b Ansicht der verschatteten Fassade 2.33 Klassifizierung der Bauarten nach DIN 4108-2 2.34 Sommer-Klimaregionen für den sommerlichen Wärmeschutznachweis nach DIN 4108-2: 2003-07 a Einteilung der Sommer-Klimaregionen b Grenzwerte der Innentemperaturen 2.35 charakteristische Kennwerte für ausgewählte Glastypen mit optimiertem Tageslichtdurchgang 2.36 zulässige Werte des grundflächenbezogenen Fensterflächenanteils, bis zu dem ein sommerlicher Wärmeschutznachweis nicht erforderlich ist (nach DIN 4108–2, Tabelle 7)

68

Die genormte Mindestanforderung an den sommerlichen Wärmeschutz soll durch bauliche Maßnahmen gewährleisten, dass in Gebäuden auch im Sommer zumutbare Temperaturbedingungen herrschen, ohne aufwendige und energieintensive Kühleinrichtungen installieren zu müssen. Die zumutbaren Temperaturbedingungen sind in DIN 4108-2:2003-07, Tabelle 6 für die verschiedenen Klimaregionen Deutschlands beschrieben (Abb. 2.34). Die dort formulierten Randbedingungen dürfen in nicht mehr als 10 % der Aufenthaltszeit überschritten werden, wobei für die tägliche Aufenthaltszeit bei Wohngebäuden 24 h und bei Nichtwohngebäuden 10 h angesetzt werden. Für die rechnerische Ermittlung bedeutet dies, dass die gesamte Aufenthaltszeit in der sogenannten Nichtheizzeit aufaddiert wird. In 10 % dieser Stunden darf der erwähnte Grenzwert der Innentemperatur überschritten werden. Eine Maximaltemperatur wird dabei nicht festgelegt. Da es sich um ein standardisiertes Nachweisverfahren handelt, das nur die solaren Wärmeeinträge berücksichtigt, kann es trotz Einhaltung dieser Vorgaben dazu kommen, dass Räumlichkeiten nur bei aktiver Kühlung genutzt werden können. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn eine bestimmte Nutzung hohe Wärmelasten zur Folge hat. Betrachtet werden beim Nachweis des sommerlichen Mindestwärmeschutzes jeweils einzelne Räume, wobei der Nachweis für gleichartige Räume über einen Referenzraum erfolgen kann.

Bauliche Einzelaspekte Welche Faktoren sich im Einzelnen auf die Höhe der Wärmeeinträge auswirken, wird im Folgenden erläutert. Fensterflächenanteil Die Hauptwärmequelle stellt die Sonne dar. Ihre Energie gelangt vorrangig über Strahlung durch transparente Flächen in das Gebäude. Dieser Wärmeeintrag ist in erster Linie abhängig von der Orientierung, Größe und Neigung der transparenten Flächen und kann durch konstruktive Maßnahmen und Bauteileigenschaften wie Sonnenschutz und Glasqualität noch weiter beeinflusst werden. Ein Verglasungsanteil an der Gesamtfassade von 40 % ist ein ganzheitlich gesehen guter und sinnvoller Wert. Gebäude mit vollflächiger Verglasung können niemals energetisch optimierte Gebäude sein. Allerdings darf die Diskussion nicht einseitig energetisch geführt werden. Gerade Architekten sollten die räumliche Qualität großzügig oder gar vollständig verglaster Fassaden als »Wert« thematisieren und auch vertreten. Sie allein haben das Know-how, dafür Lösungen im Rahmen einer energetisch orientierten, ganzheitlichen Gesamtkonzeption zu finden. Transparente Flächen nach Süden, Westen oder Osten sollten mit einem außen liegenden Sonnenschutz und mit Gläsern ausgestattet sein, die einen reduzierten Gesamtenergiedurchlassgrad (g-Wert) besitzen. Orientierung der Fenster Anders als im Winter trägt eine Nordorientierung der Fenster im Sommer zur Optimierung der Behaglichkeit bei, weil die solaren Wärmeeinträge deutlich geringer ausfallen. Unter Umständen entsteht ein Zielkonflikt zwischen der Optimierung der Wärmeeinträge im Winter durch Südorientierung und Reduktion der Wärmeeinträge im Sommer durch Nordorientierung der verglasten Flächen. Bei Nichtwohngebäuden sollte die Begrenzung der sommerlichen Wärmeeinträge durch bauliche Mittel Vorrang haben, da sonst der anlagentechnische und energetische Aufwand zur Herstellung eines behaglichen Raumklimas unverhältnismäßig groß wird. Mit der Orientierung des Gebäudes, insbesondere der zu Überhitzung neigenden Räume, wird entschieden, ob es zu einer Kumulation von Wärmeeinträgen kommt oder ob die Überlagerung von Sonneneinträgen und nutzungsbedingten Einträgen durch geschickte Orientierung vermieden werden kann. So ist es beispielsweise energetisch gesehen nicht

Wärmequellen

Region A

sinnvoll, überwiegend vormittags genutzte Unterrichtsräume nach Osten zu orientieren, da dann die Wärmeeinträge durch die Nutzung mit den solaren Wärmeeinträgen zusammenfallen. Aus den gleichen Überlegungen heraus sollten auch ganztägig genutzte Konferenzräume nach Norden orientiert werden, um die hohen inneren Wärmelasten nicht noch durch äußere Wärmegewinne zu verstärken. Der Einfluss der umgebenden Bebauung auf die Dauer der solaren Einstrahlung, die auf eine Fassade trifft, ist häufig schwer abzuschätzen. Inzwischen bieten jedoch fast alle CAD-Programme die Möglichkeit, Verschattungen in Abhängigkeit vom Sonnenstand abzubilden. Für jede Fassade kann dann tageweise die solare Strahlung auf die transparenten Flächen ermittelt werden. Abb. 2.32 zeigt eine solche einfache räumliche Darstellung der Verschattung einer südorientierten Glasfassade für einen Stichtag, hier der 30. September um 18 Uhr.

Speichermasse Die Speichermasse eines Raums ermöglicht es, große Wärmemengen ohne spürbare Auswirkungen auf die Raumtemperatur aufzunehmen. Während sich Luft aufgrund ihrer geringen Wärmekapazität von 0,34 Wh/m3K schnell erwärmt – durch Zufuhr von 0,34 Wh erwärmt sich 1 m3 Luft um 1 K (Kelvin) –, ist diese Erwärmung bei massiven Baustoffen deutlich geringer. Eine 10 cm starke Betonschicht von der Größe eines Quadratmeters erwärmt sich bei einer Wärmezufuhr von 66 Wh lediglich um 1 K. Bei einer massiven Holzdecke (Leichtbau) wäre wegen der geringen Wärmespeicherkapazität bei gleicher Wärmezufuhr eine Temperaturerhöhung von 3 K zu erwarten, sodass dann eine mechanische Kühlung wahrscheinlich wird. Allerdings muss die in der Speichermasse eingelagerte Wärme wieder abgebaut

Region C

Kiel Rostock Hamburg Bremen Berlin Hannover Münster Essen Leipzig

Kassel

Dresden

Köln

Frankfurt Trier Nürnberg

Stuttgart Freiburg

Ausbildung der Fenster Neben der Größe und der Orientierung der Fensterflächen spielt auch deren konstruktive Ausbildung eine Rolle. Bei transparenten Flächen kann der Energiedurchgang über den Energiedurchlassgrad g der Glasflächen und über Art und Anordnung des Sonnenschutzes in bestimmten Größenordnungen geregelt werden. In Abb. 2.35 sind typische Kenngrößen für Isolierglas enthalten, wobei die drei Kennwerte Lichtdurchlässigkeit (τ), Energiedurchgang (g) und Wärmedämmung (U) nicht unabhängig voneinander optimiert werden können, da sie sich gegenseitig bedingen.

Region B

Passau

Ulm

München

a Grenzwerte der Innentemperaturen für die Sommer-Klimaregionen Höchstwert der mittleren monatlichen Außentemperatur θ [ºC]

SommerKlimaregion

Merkmal der Region

Grenzwert der Innentemperatur [ºC]

A

sommerkühl

25

θ ≤ 16,5

B

gemäßigt

26

16,5 < θ < 18

C

sommerheiß

27

θ ≥ 18 2.34

b

Typische Glaskennwerte mit optimiertem Tageslichtdurchgang Anforderung

Aufbau [mm]

U-Wert [W/m2K]

g-Wert [%]

τ-Wert

kleiner U-Wert bei hohem Tageslichtdurchgang

4-16-4

1,1

62

80

4-14-4-14-4

0,7

64

75

6-16-4

1,0

37

70

hoher Energiedurchgang bei hohem Tageslichtdurchgang geringer Energiedurchgang bei hohem Tageslichtdurchgang

[%]

Bei allen Verglasungen ist der Luftzwischenraum mit Argon gefüllt. 2.35

Auf die Grundfläche bezogener Fensterflächenanteil, unterhalb dessen auf einen sommerlichen Wärmeschutznachweis verzichtet werden kann Neigung der Fenster gegenüber der Horizontalen

Orientierung der Fenster

grundflächenbezogener Fensterflächenanteil fAG [%]

Nord-West über Süd bis Nord-Ost

10

alle anderen Nordorientierungen

15

alle Orientierungen

7

über 60 bis 90 von 0 bis 60

2.36

69

Bauliche Maßnahmen

1

werden, da sonst der temperaturregulierende Speichereffekt durch zunehmende Erwärmung der Masse über kurz oder lang nicht mehr genutzt werden kann. Dies kann beispielsweise durch Lüftung mit kälterer Außenluft in der Nacht erfolgen. Ob ein Gebäude als schwer, mittelschwer oder leicht eingestuft wird, kann über einen in DIN 4108-6:2000-11 beschriebenen Rechenvorgang ermittelt werden. Für den kritischen Raum oder die kritischen Räume werden alle an die Innenraumluft grenzenden Flächen hinsichtlich ihrer wirksamen Wärmespeicherfähigkeit Cwirk nach folgender Formel bewertet: Cwirk =  (Ai · di · ci · ρi) Wh/K

2

A = Fläche des raumumschließenden Bauteils d = Dicke c = spezifische Wärmespeicherfähigkeit ρ = Rohdichte i = jeweilige Schicht des Bauteils Dabei werden die Schichten von innen nach außen vorgehend jeweils einzeln berechnet und bauteilweise aufaddiert. Die Summe aller Bauteilwerte Cwirk wird durch die Grundfläche AG des Raums dividiert. Die daraus resultierende spezifische Wärmespeicherfähigkeit cwirk in Wh/m2 K führt dann zur Bestimmung der Bauartklassen »leicht«, »mittelschwer« und »schwer« (Abb. 2.33, S. 68). Folgende Grundregeln sind bei der Berechnung zu beachten: • Für die Berechnung der Raumfläche wird bei großen Raumtiefen und einseitiger Befensterung eine maximale Tiefe in der Größenordnung der dreifachen Raumhöhe berücksichtigt, bei beidseitiger Befensterung der sechsfachen Raumhöhe. • Die gesamte in die Berechnung einfließende Schichtdicke beträgt maximal 10 cm, da die Be- und Entladungsvorgänge der Speichermasse im Tag-/ Nacht-Rhythmus nur bis zu dieser Materialtiefe wirksam werden. • Sobald Dämmschichten mit einer Wärmeleitfähigkeit ¬ < 0,1 W/m K und einem Wärmedurchlasswiderstand R > 0,25 m2 K/W im Schichtaufbau enthalten sind, werden diese Schichten sowie die dahinter liegenden Schichten nicht in die Berechnung einbezogen. • Die Dicke von Bauteilen, die als Raumtrennwand beidseitig an Räume bzw. Raumluft grenzen, wird bei einer Wandstärke < 20 cm nur bis zur Hälfte, sonst bis zu einer Dicke von maximal 10 cm angerechnet.

a

b

c

70

2.37

Nachtlüftung Die Durchströmung des Gebäudes mit deutlich kälterer Nachtluft bewirkt eine Entwärmung des Gebäudes, wodurch es am kommenden Tag wieder Wärme aufnehmen kann. Dieser positive Effekt kommt gerade im Zusammenhang mit vorhandener Speichermasse zur Geltung. Allerdings muss eine Luftwechselrate von mindestens 1,5/h erreicht werden. Dabei stellt sich für den Planer die Frage, wie dieser Luftwechsel in Form öffenbarer Fenster bei Nichtwohngebäuden realisiert werden kann, ohne dass Witterungsschäden eintreten oder der Sachversicherer Einschränkungen im Versicherungsschutz vornimmt. Dies kann nur bei konsequenter Querlüftung mittels witterungs- und einbruchsgeschützter Fassadenöffnungen gelingen, die nicht zwangsläufig identisch mit den transparenten Flächen sind. Wenn lüftungstechnische Anlagen im Gebäude vorhanden sind, könnten diese die Nachtlüftung durch Absaugen der Abluft unterstützen oder – wenn die beschriebenen Fassadenöffnungen nicht möglich sind – den gesamten erforderlichen Luftwechsel (Zu- und Abluft) mittels Anlagentechnik realisieren. Der Stromverbrauch für den Betrieb der Ventilatoren würde sich allerdings entsprechend erhöhen. Nachweiserstellung Der Nachweis zur Einhaltung der Mindestanforderung an den sommerlichen Wärmeschutz wird raumweise geführt. Für baulich gleich gestaltete Räume wird stellvertretend ein Referenzraum, der sogenannte kritische Raum, untersucht. Schritt 1: kritischer Raum Kritische Räume lassen sich identifizieren, indem aus einer Gruppe gleichartiger Räume jeweils derjenige Raum gewählt wird, der den höchsten Fensterflächenanteil bezogen auf die Grundfläche des Raums fAG besitzt. Zur Berechnung wird die Summe der Fensterflächen Aw,i (Rohbauöffnung) durch die Nettogrundfläche des betrachteten Raums AG dividiert: fAG =

A w,i AG

Nach DIN 4108-2:2003-07, Tabelle 7 müssen alle Aufenthalts- und Arbeitsräume – unabhängig von der Orientierung – in die Betrachtung einbezogen werden, da der Nachweis für den sommerlichen Wärmeschutz bereits ab einem auf die Grundfläche bezogenen Fensterflächenanteil von 10 % zu erbringen ist (Abb. 2.36, S. 69).

Wärmequellen

Schritt 2: vorhandener Sonneneintragskennwert Ist der Referenzraum bzw. sind die Referenzräume festgelegt, wird für diese Räume der vorhandene Sonneneintragskennwert nach folgender Formel ermittelt: S=

i(Aw,i · Fc,i · gi) AG

Der vorhandene Sonneneintragskennwert S wird also in Relation zur Fensterfläche Aw in m2, zum Energiedurchlassgrad des Glases g und zum Abminderungsfaktor des Sonnenschutzes Fc ermittelt und auf die Grundfläche des Raums AG bezogen (Abb. 2.38). Aus der Tabelle wird ersichtlich, dass außen liegende Sonnenschutzvorrichtungen üblicherweise die höchsten Abminderungsfaktoren und damit den besten sommerlichen Wärmeschutz erreichen. Schritt 3: zulässiger Sonneneintragskennwert Der zulässige Sonneneintragskennwert ist ein Grenzwert, der nicht überschritten werden darf, um die Ziele von DIN 4108-2 einzuhalten. Die hierfür relevanten baulichen Einflussgrößen werden in Tabelle 9 der Norm aufgeführt und bewertet. Je besser die baulichen Vorgaben zur Reduktion der Wärmeeinträge erfüllt werden, desto höher ist der durch die Summenbildung erreichte zulässige Sonneneintragskennwert (Abb. 2.39). Wenn der Wert Szulässig über dem Wert Svorhanden liegt, sind die Mindestanforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz eingehalten. 2.37 Sanierung eines Bürogebäudes in Zürich (CH), Architekten: Romero + Schaefle, 1970 / 2001 a Vertikalschnitt, Maßstab 1:20 1 Fallarm-Markise mit Textilstore 2 Isolierverglasung 3-fach, g-Wert 0,40 (40 %), τ-Wert 0,72 (72 %) Ug 0,80 W/m2K; Uw, BW 1,2 W/m2K b vor der Sanierung c nach der Sanierung Die Sanierung des 1970 errichteten Bürogebäudes zielte neben einem energieeffizienteren Gebäudebetrieb vor allem auf eine Steigerung der Arbeitsplatzqualität ab. Die Betonbrüstungen an den Ost-, West- und Südseiten des Gebäudes wurden gekürzt und die nicht tragenden »Scheinstützen« aus der Fassade entfernt. Die neuen, fest verglasten Fenster sind mit einer hinsichtlich Wärmedurchgang, Tageslichtausbeute und Sonnenschutz optimierten Verglasung ausgestattet. Der Sonnenschutz aus Fallarm-Markisen bietet eine hohe Abschattung, ermöglicht jedoch nach wie vor einen guten Tageslichteinfall und Ausblicke ins Freie. 2.38 Anhaltswerte für Abminderungsfaktoren von fest installierten Sonnenschutzeinrichtungen nach DIN 4108-2, Tabelle 8 2.39 anteilige Sonneneintragskennwerte zur Bestimmung des maximal zulässigen Sonneneintragskennwerts. Dieser entspricht der Summe der in Zeile 1 bis 6 jeweils erreichten Teilwerte.

Anhaltswerte für Abminderungsfaktoren Fc von fest installierten Sonnenschutzvorrichtungen Sonnenschutzvorrichtung 1)

Abminderungsfaktor Fc

1 ohne Sonnenschutzvorrichtung

1,0

2 innen liegend oder zwischen den Scheiben 2) weiß oder reflektierende Oberfläche mit geringer Transparenz helle Farbe oder geringe Transparenz 3) dunkle Farbe oder höhere Transparenz

0,75 0,8 0,9

3 außen liegend drehbare Lamellen, hinterlüftet Jalousien und Stoffe mit geringer Transparenz 3), hinterlüftet Jalousien, allgemein Rollläden, Fensterläden Vordächer, Loggien, frei stehende Lamellen 4) Markisen 4), oben und seitlich ventiliert Markisen 4), allgemein

0,25 0,25 0,4 0,3 0,5 0,4 0,5

1)

2)

3) 4)

Die Sonnenschutzvorrichtung muss fest installiert sein. Übliche dekorative Vorhänge gelten nicht als Sonnenschutzvorrichtung. Für innen und zwischen den Scheiben liegende Sonnenschutzvorrichtungen ist eine genaue Ermittlung zu empfehlen, da sich erheblich günstigere Werte ergeben können. Eine Transparenz der Sonnenschutzvorrichtung unter 15 % gilt als gering. Dabei muss näherungsweise sichergestellt sein, dass keine direkte Besonnung des Fensters erfolgt. Dies ist der Fall, wenn - bei Südorientierung der Abdeckwinkel ß ≥ 50 ist - bei Ost- oder Westorientierung der Abdeckwinkel ß ≥ 85 oder γ ≥ 115 ist. Zu den jeweiligen Orientierungen gehören Winkelbereiche von ± 22,5. Bei Zwischenorientierungen ist der Abdeckwinkel ß ≥ 80 erforderlich. Vertikalschnitt durch Fassade

Horizontalschnitt durch Fassade

γ

γ

β Süd West

Ost 2.38

Anteilige Kennwerte zur Bestimmung des maximal zulässigen Sonneneintragskennwerts Gebäudelage bzw. Bauart, Fensterneigung und Orientierung

anteiliger Sonneneintragskennwert S

1 Klimaregion 1) Gebäude in Klimaregion A Gebäude in Klimaregion B Gebäude in Klimaregion C

0,04 0,03 0,015

2 Bauart 2) leichte Bauart: ohne Nachweis von Cwirk /AG mittlere Bauart: 50 Wh/(m2K) ≤ Cwirk /AG ≤ 130 Wh/(m2K) schwere Bauart: Cwirk /AG > 130 Wh/(m2K)

0,06 fgew3) 0,10 fgew3) 0,115 fgew3)

3 erhöhte Nachtlüftung 4) während der zweiten Nachthälfte n ≥ 1,5 h-1 bei mittlerer und leichter Bauart bei schwerer Bauart

+ 0,02 + 0,03

4 Sonnenschutzverglasung 5) mit g ≤ 0,4

+ 0,03

5 Fensterneigung: 0 ≤ Neigung ≤ 60 (gegenüber der Horizontalen)

- 0,12 fneig6)

6 Orientierung: nord-, nordost- und nordwestorientierte Fenster, soweit die Neigung gegenüber der Horizontalen > 60 ist und soweit Fenster vorhanden, die dauernd vom Gebäude selbst verschattet sind

+ 0,10 fnord 7)

1) 2) 3)

4) 5)

6)

7)

Höchstwerte der mittleren monatlichen Außenlufttemperaturen nach Abb. 2.34, S. 69 siehe Abb. 2.33, S. 68 ƒgew = (Aw + 0,3 · AAW + 0,1 · AD) / AG ƒgew gewichtete Außenflächen bezogen auf die Nettogrundfläche; die Gewichtsfaktoren berücksichtigen die Relation des sommerlichen Wärmedurchgangs üblicher Außenbauteile A w Fensterfläche (einschließlich Dachfenster) AAW Außenwandfläche (Außenmaße) AD wärmeübertragende Dach- oder Deckenfläche nach oben oder unten gegen Außenluft, Erdreich und unbeheizte Dach- und Kellerräume (Außenmaße) AG Nettogrundfläche (lichte Maße) Bei Ein- und Zweifamilienhäusern kann in der Regel von einer erhöhten Nachtlüftung ausgegangen werden. Als gleichwertige Maßnahme gilt eine Sonnenschutzvorrichtung, die die diffuse Strahlung permanent reduziert und deren gtotal < 0,4 beträgt. ƒneig = A w,neig/AG mit A w,neig geneigte Fensterfläche AG Nettogrundfläche ƒnord = A w,nord/A w,Gesamt mit A w,nord nord-, nordost- und nordwestorientierte Fensterfläche, soweit die Neigung gegenüber der Horizontalen > 60 ist sowie Fensterflächen, die dauernd vom Gebäude selbst verschattet sind A w,Gesamt gesamte Fensterfläche 2.39

71

Bauliche Maßnahmen

Einstrahlungsintensität [W/m2]

Horizontal

Nord

Ost

Süd

West

900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0

6

12

[°C]

Außentemperatur

18

24 Zeit [h] 2.40 Raumtemperatur

40 35 30 25 20 15 10 5 9

10

11

12

13

14

15

a [°C]

Außentemperatur

16 17 Tage

Raumtemperatur

40 35 30 25 20 15 10

Ertüchtigung Bestand Bei jeder energetischen Sanierung ist schon im Rahmen der ersten Überlegungen zu prüfen, ob beim Bestandsgebäude die Anforderungen an den sommerlichen Mindestwärmeschutz eingehalten sind. Sind beispielsweise keine außen liegenden Sonnenschutzeinrichtungen – bei Wohngebäuden auch Rollläden – vorhanden, so ist die Mindestanforderung an den sommerlichen Wärmeschutz bereits bei einem grundflächenbezogenen Fensterflächenanteil von 20 % nicht eingehalten. Dies ist sowohl bei Wohn- wie auch Nichtwohngebäuden häufig der Fall, sodass dann durch geeignete baukonstruktive Sanierungsschritte auch in diesem Punkt Verbesserungen erreicht werden sollten. Soll das Gebäude aufgrund einer spezifischen Problemlage speziell für den Sommerfall ertüchtigt werden, so sollte der moderate Grenzwert Szulässig um 50 % abgesenkt werden. Nur dann ist gewährleistet, dass auch bei stärkeren Wärmeeinträgen durch die Raumnutzung – wie es in Klassenräumen oder in Büroräumen mit umfangreicher EDV-Ausstattung vorkommt – die Behaglichkeitsgrenze bei der Raumtemperatur ohne Kühleinrichtung eingehalten werden kann. Dennoch ist bei zahlreichen Nutzungen aufgrund der hohen inneren Wärmelasten trotz weitestgehender baulicher Optimierung eine mechanische Kühlung unumgänglich (Industrieproduktion, Rechenzentren, Konferenz- und Versammlungsräume u. ä). Unter Umständen kann aber gerade bei Sanierungen durch deutliche bauliche Verbesserungen im Bereich Verglasung, Sonnenschutz und Speichermasse eine bereits installierte Anlagentechnik zur Kühlung des Gebäudes abgebaut oder zumindest in ihrer Leistung stark reduziert werden.

5 9 b

10

11

12

13

14

15

16 17 Tage 2.41

2.40 Strahlungsleistung der Sonne am längsten Tag des Jahres in Mitteleuropa 2.41 Simulation: Temperaturentwicklung in einem Büroraum (Ecklage) mit 70 % Fensterflächenanteil (bezogen auf die Grundfläche) in der Zeit vom 10. – 17. Juli a mit innen liegendem Sonnenschutz b mit außen liegendem Sonnenschutz 2.42 Anlagentechnische Möglichkeiten zum Abbau unterschiedlich großer Wärmelasten (ermittelt als Wärmeleistung nach VDI). Die maximale Wärmeeintragsleistung ist auf die Grundfläche des Raums bezogen und ergibt sich aus dem gleichzeitigen Auftreten aller Wärmeeinträge.

72

Bilanzierung nach DIN V 18 599

Für die Nichtheizzeit, die entsprechend Abb. 2.9 (S. 44) definiert ist durch den Überschuss der nutzbaren Wärmequellen über die Wärmesenken, muss bei jedem Gebäude geprüft werden, ob die Innentemperatur aufgrund der äußeren Wärmelasten so stark ansteigt, dass unbehagliche Raumzustände entstehen. Gegenüber DIN 4108-2 werden hier alle Wärmequellen berücksichtigt, also auch Wärmelasten infolge Nutzung, Lüftung und Transmission. Übergeordnetes Ziel aller Berechnungen ist es, daraus Maßnahmen zu entwickeln, um die Erwärmung der Räume auf 26 °C zu beschränken. Diese Temperatur gilt in verschiedenen Normen

und Arbeitsschutzbestimmungen als Grenztemperatur für die Behaglichkeit. Werden Wärmeüberschüsse bilanziert, so muss dies jedoch nicht zwingend zu einer Kühlung des Gebäudes mittels Anlagentechnik führen. Denn Wärmeeinträge sind stark witterungs- und nutzungsabhängig und deshalb instationär, d. h. zeitlich unregelmäßig. In vielen Fällen treffen alle möglichen Wärmeeinträge nur für kurze Zeit aufeinander und erzeugen nur kurzzeitige Temperaturspitzen. Einflussgrößen Grundsätzliche bauliche Parameter, die den Wärmeeintrag maßgeblich bestimmen, sind schon im Abschnitt »Mindestwärmeschutz« beschrieben. Folgende Punkte werden in die Gesamtbetrachtung nach DIN V 18 599 einbezogen. Solare Einträge Die Menge an solarer Energie QS,tr, die durch transparente Flächen in das Gebäude gelangt, kann nach DIN V 18 599-2:2007-02 ermittelt werden. Ausgehend von der Fensterfläche je Himmelsrichtung (A), der Strahlungsintensität der Sonne (IS, Abb. 2.40), dem effektiven g-Wert des Fensters (geff) und dem Rahmenanteil (IS) ergibt sich folgender Zusammenhang: QS,tr = FF ∙ A ∙ geff ∙ IS ∙ t Zur Ermittlung des wirksamen Gesamtenergiedurchlassgrads geff des Fensters wird der g-Wert des Glases mit verschiedenen Faktoren für Verschmutzung und unterschiedliche Einbaubedingungen abgemindert. Lüftung Bei hohen Luftwechselraten, wie sie aufgrund der hohen Belegungsdichte für Nichtwohngebäude typisch sind, erwärmt sich die Raumluft durch Lüften, sobald die Außentemperaturen die Innentemperaturen übersteigen. Zur Reduzierung der Wärmeeinträge gibt es verschiedene Möglichkeiten, die jedoch alle einer mechanischen, d. h. anlagentechnischen Unterstützung bedürfen. So kann die zugeführte Luftmenge durch eine einfache Abluftanlage ohne große Verrohrung kontrolliert werden. Die Zuluft strömt in diesem Fall durch steuerbare Außenwanddurchlässe in die Räume nach. Eine weitergehende Möglichkeit bietet die Führung der Zuluft über einen Erdkanal, wodurch sie etwa auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Der Wärmeeintrag über die Lüftung errechnet sich in gleicher Weise wie der

Wärmequellen

Lüftungswärmeverlust in der Heizzeit (siehe S. 44). Für Δ θ wird hierbei die Temperaturdifferenz zwischen Innenraumluft und eintretender Außenluft – die Übertemperatur – eingesetzt. Nutzung Die Wärmeeinträge durch die Nutzung sind unabhängig von der Jahreszeit. Sie können deshalb bei Wohngebäuden aufgrund der über 24 Stunden gleichmäßig durchlaufenden Nutzung durch eine konstante Größe von 50 Wh/m2d (d steht für Tag) für Einfamilienhäuser und 120 Wh/m2d für Mehrfamilienhäuser beschrieben werden. Bei Nichtwohngebäuden werden die nutzungsbedingten Wärmeeinträge auf Basis der Zonenbeschreibung in DIN V 18 599-10 beschrieben. Sie umfassen Einträge durch Personen, Beleuchtung, verwendete Geräte sowie Maschinen und betragen bei einem Großraumbüro (ab 7 Arbeitsplätze, Zone 3) je nach Nutzungsintensität (Anzahl Personen und Computer) 60 –168 Wh/m2d. Dazu kommt der Energieeintrag für Beleuchtung, der von der Tageslichtversorgung und vom gewählten Beleuchtungssystem abhängt. Berechnung Die Bilanzierung der Wärmeeinträge kann durch eine Kühllastberechnung nach VDI, durch die Ermittlung des Nutzkältebedarfs nach DIN V 18 599 oder durch Simulation vorgenommen werden. Kühllast nach VDI Ingenieurtechnisch gesehen ist immer der sogenannte Worst Case, also das gleichzeitige Auftreten aller möglichen Wärmeeinträge, Grundlage für die Überlegungen, ob ein Gebäude gekühlt werden sollte. Die Summe aller gleichzeitig auftretenden Lasten wird in einem auf die Raumgrundfläche bezogenen Kennwert zusammengefasst. Er liegt bei Räumen mit geringen

Wärmelasten bei etwa 20 – 30 W/m2 und kann bei Räumen mit entsprechender Nutzung (Rechenzentrum) auch bis zu 500 W/m2 betragen. Eine überschlägige Abschätzung, ob eine Kühlung – vollständig oder auch nur zeitweise – erforderlich ist, geben die in Abb. 2.42 dargestellten Werte. Nutzkältebedarf nach DIN V 18 599 Hier werden die Wärmeeinträge in der Nichtheizzeit entsprechend der Methodik für Wärmesenken ermittelt (siehe S. 44ff.). Die Nichtheizzeit definiert sich als die Zeit, in der die Einträge durch Wärmequellen – relativiert mit dem Ausnutzungsfaktor – die Verluste aufgrund der Wärmesenken übersteigen. Um nun feststellen zu können, welche Wärmemenge abgeführt werden sollte, damit eine Raumtemperatur von 26 °C nicht überschritten wird, werden die Verluste durch Wärmesenken nach dem bereits gezeigten Verfahren ermittelt. Allerdings sind die Aussagen zur Kühlung auf Basis dieser Norm sehr pauschal, da sie ausschließlich auf der Grundlage von monatlichen Durchschnittstemperaturen getroffen werden. Somit bleibt unberücksichtigt, dass der Kühlbedarf instationär auftritt, also in Abhängigkeit von der solaren Einstrahlung und Nutzung (Belegungsdichte, Geräteeinsatz) schwankt. Daher ist zusätzlich eine ingenieurtechnische Berechnung oder thermische Simulation zur Beurteilung der Wärmeeinträge erforderlich. Simulation Durch eine Simulation kann das thermische Verhalten eines Gebäudes optimal beurteilt werden. Unter vorgegebenen detaillierten Randbedingungen lässt sich die Temperaturentwicklung in einem Raum oder in einer Raumzone stündlich darstellen. Aufgrund der Angaben ist feststellbar, an wie vielen Stunden die Grenztemperatur von 26 °C überschritten und

Anlagentechnische Möglichkeiten zum Abbau von Wärmelasten nach VDI maximale Wärmeeintragsleistung [W/m2]

Anlagentechnik Kälteerzeugung

Bemerkung Kälteabgabe

< 40

keine Anlagentechnik zur Kühlung erforderlich

40 – 60

Grundwasserpumpe, Erdkanal für Lüftung

Flächen (Decke, Boden) Luft

60 – 80

Kältemaschine

Kühldecke (geringe Temperaturspreizung), Kühlsegel

> 80

Kältemaschine

Kühldecke (hohe Temperaturspreizung), Luft (Klimatisierung)

freie Kühlung (Nachtlüftung)

Gefahr der Kondensation

Beispiel: Vereinfachte Kühllastberechnung nach VDI Der Pavillon umfasst zwei Klassenräume à 65 m2 Grundfläche, von denen einer betrachtet wird. Die Gebäudehülle ist energetisch saniert. Die nach Osten orientierte Fensterfläche (g-Wert: 65 %) beträgt 20 m2, ein außen liegender Sonnenschutz ist vorhanden. Im Innenraum ist keine Speichermasse verfügbar. Die Außenlufttemperatur beträgt 30 °C, die Innentemperatur 24 °C. Im Raum befinden sich 25 Schüler. Der stündliche Frischluftbedarf beträgt 25 m3 /Schüler. Berechnet werden die beschriebene Ausgangssituation und darauf aufbauend ein sanierter Zustand. äußere Lasten

Bestand

optimiert

solare Einstrahlung 600,00 600,00 max. Leistung [W/m2] 0,37 0,65 g-Wert 0,20 0,25 Sonnenschutz 16,00 16,00 Glasfläche 80 % [m2] 710,40 1560,00 Wärmeleistung Sonne [W] Lüftung 625,00 625,00 Luftmenge [m3/h] 0,34 0,34 Wärmekapazität Luft [Wh/m3K] -2,00 6,00 Übertemperatur Luft [K] 1275,00 -425,00 Wärmeleistung [W] Transmission Dieser Wärmeeintrag kann vernachlässigt werden. innere Lasten Personen Anzahl Leistung/Person [W] Wärmeleistung [W] Geräte Anzahl Computer Leistung/Computer [W] Wärmeleistung [W] Beleuchtung Anschlussleistung [W/m2] aktiv [%] Wärmeleistung [W] Bilanz Wärmeleistung außen [W] Wärmeleistung innen [W] Summe [W] spezifische Leistung [W/m2]

25,00 25,00 70,00 70,00 1750,00 1750,00 4 100,00 400,00

2 50,00 100,00

15,00 0,50 487,50

15,00 0,25 243,75

405,40 2955,00 2637,50 2093,75 5200,00 2499,15 38,45 80,00

Kommentar Der Klassenraum hat im Sommer massive Behaglichkeitsprobleme, da der in Abb. 2.42 genannte Grenzwert von 40 W/m2 klar überschritten wird. Folgende Veränderungen wurden vorgenommen: • Verbesserung des g-Werts bei der Verglasung • Optimierung des Sonnenschutzes hinsichtlich Lage, Farbe und Tageslichteintrag • Einbau einer Lüftungsanlage mit Führung der Zuluft durch einen Erdkanal (Vorkühlung) • Brenndauer der Beleuchtung reduzieren • Geräte (Computer etc.) optimieren Die Optimierung ermöglicht ein behagliches Raumklima ohne energieintensive Kühleinrichtungen. Durch Aktivierung bzw. Nachrüsten von Speichermasse, automatisierte Sonnenschutzsteuerung und Betrieb der Lüftungsanlage bei Nacht kann der sommerliche Temperaturanstieg weiter reduziert werden.

2.42

73

Bauliche Maßnahmen

welche Maximaltemperatur erreicht wird. Das Beispiel in Abb. 2.41 (S. 72) zeigt, wie bauliche Entscheidungen mithilfe von Simulationen fundiert vorbereitet werden können. Wird ein außen liegender Sonnenschutz installiert, ist das Raumklima im Untersuchungszeitraum (10.–17. Juli) unproblematisch, während die Innentemperatur bei innen liegendem Sonnenschutz häufig über 26 °C steigt. Energetische Sanierung

Beim Nachweis des sommerlichen Mindestwärmeschutzes nach DIN 4108 fließt die Erwärmung des Gebäudes durch nutzungsbedingte Wärmeeinträge nicht ein. Speziell dieser Aspekt sollte bei allen Bauvorhaben, natürlich auch bei Sanierungen, sorgfältig überprüft werden. Von den beschriebenen Methoden ist die thermische Simulation besonders zu empfehlen. Sie gibt genauen Aufschluss über die Temperaturentwicklung im Gebäude und erlaubt außerdem durch einfache Variantenbildung, die Effizienz verschiedener baulicher und anlagentechnischer Maßnahmen zu untersuchen. Einfache thermische Simulationen – sogenannte Einzonenmodelle für Einzelräume – können Architekten als besondere Leistung selbst durchführen. In der Komplexität der Durchführung sind diese Berechnungen mit Wärmebrückensimulationen vergleichbar. Mehrzonenberechnungen wie beispielsweise die Berechnung der Temperaturentwicklung in einem verglasten unbeheizten Pufferraum einer Doppelfassade und ihrer Auswirkungen auf die dahinterliegenden Räume erfordern allerdings vertiefte Fachkenntnisse und sollten deshalb nur von hierauf spezialisierten Fachplanern durchgeführt werden. Gerade bei Sanierungsmaßnahmen, die aufgrund der baulichen Gegebenheiten oder anderer Sachzwänge nie in allen Punkten optimal ausgeführt werden können, trägt die Simulation von Varianten dazu bei, das relative Optimum hinsichtlich Vermeidung sommerlicher Überhitzung herauszufinden und die optimale Anlagentechnik für die baulichen Gegebenheiten festzulegen. Der Einfluss von Wärmequellen auf das Gebäude wird also auf zwei Ebenen ermittelt: • Die Kühllastberechnung nach VDI ist für den Ingenieur die Grundlage, um eine Anlage dimensionieren zu können, die auch in Extremsituationen funktioniert. • Ob überhaupt und in welchem Umfang aber eine Kühlung benötigt wird, kann nur über eine thermische Simulation 74

geklärt werden, da nur sie den zeitlichen Verlauf der Temperaturentwicklung annähernd abbildet. Sie sollte Bestandteil jeder Planungsmaßnahme sein, die auch die bauliche Optimierung des Hauses hinsichtlich der negativen Auswirkungen von Wärmequellen im Sommer zum Ziel hat. Bauliche Maßnahmen zur Reduktion der Wärmeeinträge Bei bestehenden Nichtwohngebäuden stellt vor allem die starke Erwärmung der Gebäude im Sommer ein Problem dar. Entweder wird diese Beeinträchtigung der Behaglichkeit in Kauf genommen oder die Räume werden mechanisch gekühlt, was zu einem erhöhten Energieverbrauch führt. Die Sanierung hat deshalb ganz wesentlich die Verbesserung des sommerlichen Wärmeschutzes zum Ziel (Abb. 2.43). a Die Nachrüstung des Gebäudes mit einem funktionsfähigen Sonnenschutz ist die effizienteste Maßnahme hinsichtlich Reduktion der sommerlichen Wärmelasten. Sonnenschutzeinrichtungen werden in der DIN 4108-2:2003-7, Tabelle 8 hinsichtlich der Durchlässigkeit der solaren Strahlung durch den Abminderungsfaktor Fc typisiert (Abb. 2.38, S. 71). Ein nicht vorhandener Sonnenschutz erhält den Fc-Wert 1, ein innen liegender Sonnenschutz einen Fc-Wert zwischen 0,75 und 0,9 und ein außen liegender Sonnenschutz einen Fc-Wert zwischen 0,25 und 0,5. b Von großer Bedeutung ist die Optimierung der Verglasung. Bei Nichtwohngebäuden ist die Reduktion des Sonneneintrags – dargestellt durch den Gesamtenergiedurchlassgrad (g-Wert) – verbunden mit einem hohen Wert für die Tageslichtnutzung (τ-Wert) wichtiger als der Wärmeschutz. Die sogenannte Selektivität der Verglasung, ausgedrückt als Quotient von τ-Wert (Tageslichtdurchgang) und g-Wert, sollte bei einer für die Sommernutzung optimierten Verglasung etwa bei dem Wert 2 liegen. Derart optimierte Gläser haben beispielsweise einen U-Wert von 1,0 W/m2K, einen g-Wert von 37 % und einen τ-Wert von 70 % (Abb. 2.35, S. 69). Das Produkt aus Fc-Wert und g-Wert ergibt gtotal, den maßgeblichen Wert für den solaren Energieeintrag nach DIN EN 410. Glasart und Konstruktion des Sonnenschutzes (Art der Lamellen, Farbe, Abstand vom Fenster etc.) bestim-

men gemeinsam und individuell bezogen auf die jeweilige Konstruktion die Gesamtabminderung des Systems. c Zweite-Haut-Fassaden mit außen liegender Einfachverglasung sind gerade im Sanierungsbereich eine gute Lösung, wenn nicht nur energetische, sondern auch baukonstruktive oder schallschutztechnische Probleme bestehen. Die zweite Haut schützt vorhandene Betonfassaden vor Witterungseinflüssen, sie verbessert den Schallschutz und erlaubt durch ihre Funktion als Witterungs- und Einbruchschutz auch eine Belüftung des Gebäudes während der Nacht. Der Wärmeschutz der Fassade wird durch die zweite Haut deutlich verbessert, sodass zusätzliche Dämmmaßnahmen in geringerem Umfang ausgeführt werden können. Bei einer Zweite-Haut-Fassade sollte die Hälfte der Fassadenfläche geöffnet werden können, um eine Überhitzung des Pufferraums zu vermeiden. Sehr gut geeignet sind deshalb Glasfassaden in Lamellenstruktur. Ein wesentlicher Vorteil der vor die bestehende Fassade montierten Verglasung besteht darin, dass der im Zwischenraum angeordnete Sonnenschutz vor Witterungseinflüssen geschützt ist und somit jederzeit aktiviert werden kann. Ohne Windschutz müssen Jalousien über Windwächter so gesteuert werden, dass sie bei Windgeschwindigkeiten über 10 m/sec (Windstärke 6) automatisch einfahren. Die solare Einstrahlung trifft dann unvermindert auf die Verglasung. d Bei fehlender Speichermasse erwärmt sich ein Raum durch Wärmeeinträge sehr schnell und neigt zu Überhitzung. Die überschüssige Wärmeenergie muss dann durch mechanische Kühlung abgeführt werden. Speichermassen wie beispielsweise Betondecken sind in der Lage, größere Wärmemengen aufzunehmen, ohne sich dabei stark zu erwärmen. Je größer die Wärmemenge ist, die zu einer Temperaturerhöhung von 1 K führt, desto wirksamer ist die Speichermasse. Die niedrigere Temperatur der Nachtluft kann zum Abbau der tagsüber gespeicherten Wärme genutzt werden, wenn ein sicheres Lüften in den Nachtstunden möglich ist. Deshalb müssen vorhandene Speichermassen im Zuge einer Sanierung wieder freigelegt werden, sodass ihre Wirksamkeit in oben beschriebenem Sinn aktiviert werden kann.

Wärmequellen

c e

d

a

b

2.43

Ist dies aufgrund anderer Anforderungen (Schallschutz, Installationen) nicht möglich, so kann Speichermasse auch nachgerüstet werden. Durch Einlegen von 2 – 4 cm dicken Latentspeicherplatten aus PCM, die bei 25 °C Lufttemperatur vom festen in den flüssigen Aggregatzustand übergehen, lässt sich eine Speichermasse vergleichbar einer Betondecke erreichen. Im dargestellten Beispiel wird die kühle Nachtluft ventilatorgestützt durch den Zwischenraum zwischen abgehängter Decke und Stahlbetondecke geführt, sodass die wärmespeichernden Bauteile zielgerichtet abgekühlt werden.

e Nichtwohngebäude müssen hohe Anforderungen an die Flexibilität ihrer Grundrissgestaltung erfüllen. Grundvoraussetzung ist hierfür die Möglichkeit, Installationen problemlos nach- oder umrüsten zu können. Bei einer Fußbodensanierung ist deshalb der Einbau eines Doppel- oder Hohlraumbodens sinnvoll. Unter den Bodenelementen können nicht nur Elektroleitungen, sondern auch Heiz-, Kühl- und Lüftungsleitungen so verlegt werden, dass eine Zugänglichkeit der Leitungssysteme immer gegeben ist.

2.43 bauliche Maßnahmen zur Reduktion der Wärmeeinträge (Ausführungsbeispiel)

75

Bauliche Maßnahmen

Lüftung Der richtigen Lüftung von Aufenthaltsräumen kommt bei Neubauten und energetischen Sanierungen besondere Bedeutung zu, da bei heutigen Bauweisen die Innenräume nahezu luftdicht vom Außenraum abgeschlossen sind. Die Forderung nach Luftdichtheit resultiert aus dem Wunsch, möglichst wenig kalte Außenluft in die Räume einströmen zu lassen und dadurch den Heizwärmebedarf senken zu können. Andererseits ist ein gewisser Luftaustausch erforderlich, um die Sauerstoffversorgung der Raumnutzer sicherzustellen und um die nutzungsbedingt zunehmende Luftfeuchtigkeit abführen zu können. Der CO2-Gehalt der Luft, der mit der Anwesenheit von Personen ansteigt, sollte durch regelmäßigen Luftaustausch unter einer Konzentration von 1000 ppm gehalten werden. Auch die EnEV beschreibt in § 6 »Dichtheit, Mindestluftwechsel« die scheinbar divergierenden Anforderungen: • Absatz 1: »Zu errichtende Gebäude sind so auszuführen, dass die wärmeübertragende Umfassungsfläche einschließlich der Fugen dauerhaft luftundurchlässig entsprechend den anerkannten Regeln der Technik abgedichtet ist.« • Absatz 2: »Zu errichtende Gebäude sind so auszuführen, dass der zum Zwecke der Gesundheit und Beheizung erforderliche Mindestluftwechsel sichergestellt ist.«

Um eine ausreichende Versorgung mit Sauerstoff zu gewährleisten, benötigt jeder Mensch stündlich 20 – 30 m3 Frischluft. So muss beispielsweise einem Wohnraum, in dem sich vier Personen aufhalten, eine Luftmenge von ca. 120 m3/h zugeführt werden. Da sich Nutzungszustände wie z. B. die Belegung mit Personen dauernd ändern, geht man bei der energetischen Bewertung der Frischluftzufuhr von mittleren durchschnittlichen Luftwechseln aus. Die durchschnittliche Luftwechselrate n wird in Abhängigkeit zum Luftvolumen des zu belüftenden Raumes festgelegt. Für einen Raum mit einem Nettoluftvolumen von 1000 m3 besagt ein Luftwechsel von n = 2/h, dass dem Raum während der Nutzungszeit durchschnittlich pro Stunde Frischluft in doppelter Menge des Nettoluftvolumens zugeführt werden muss. Eine Luftwechselrate von 2/h während einer 12-stündigen Nutzungszeit ergibt einen mittleren täglichen Luftwechsel von 1/h. In einem Monat mit 30 Kalendertagen und 22 Arbeitstagen beträgt der mittlere Luftwechsel 0,73 und in einem Monat mit 31 Kalendertagen 0,70. Wohngebäude sind wegen ihrer über 24 Stunden gleichbleibenden Nutzung hinsichtlich der zugeführten Luftmenge einfach zu beschreiben. Ohne besondere Dichtheitsprüfung werden die Wärmeverluste auf Grundlage einer mittleren Luftwechselrate von 0,7/h bilanziert. Ist die Dichtheit vor Ort gemessen worden (Blower-Door-Test) und ergab der Test einen

Auslegungs-Differenzdruck für Gebäude Lüftungssystem

Auslegungs-Differenzdruck Δpd für

Windgebiet

freie Lüftung (Querlüftung)

eingeschossige Nutzungseinheiten (typisch im MFH)

mehrgeschossige Nutzungseinheiten (typisch im EFH)

windschwach

2 Pa

5 Pa

windstark

4 Pa

7 Pa 2.44

Außenluftvolumenstrom [m3/h]

Intensivlüftung Feuchteschutzlüftung: Wärmeschutz niedrig

Mindestlüftung Nutzung Grundlüftung Feuchteschutzlüftung: Wärmeschutz hoch

350 300 250 200 150 100 50 10 10

30

50

70

90

2.44 Auslegungs-Differenzdruck Δp für Gebäude, Auszug DIN 1946-6, Tabelle 10

76

110

130

150

170

190 210 Wohnfläche [m2] 2.45

2.45 Mindestwerte der Außenluftvolumenströme für Nutzeinheiten nach DIN 1946-6

Luftwechsel n50 ≤ 3/h bei einem Überdruck von 50 Pascal, so werden die Wärmeverluste mit einer Luftwechselrate von 0,6/h errechnet. Beim Blower-Door-Test wird bei geschlossenen Fenstern mittels eines Gebläses, das in die Eingangstür montiert ist, ein Überdruck von 50 Pa erzeugt. Über die Messung der Druckveränderungen lässt sich dann der Luftverlust durch Undichtigkeiten (n50) feststellen. Wenn diese Luftwechselrate n50 ≤ 3/h ist, gilt die Nutzeinheit als dicht im Sinn der EnEV. Lüftung von Wohngebäuden

Die neue Norm DIN 1946-6:2009-05 Teil 6 »Lüftung von Wohnungen« verlangt eine präzise Beschäftigung mit der Thematik der Lüftung und liefert konkrete Rechenansätze für die Prüfung, ob eine natürliche Lüftung von Wohnungen möglich ist oder ob aus Gründen des Mindestluftwechsels eine mechanisch unterstützte Lüftung erforderlich wird. Obwohl die Norm sich auf Wohnungen bezieht, ist ihr Grundgedanke – nämlich eine Differenzierung der Luftmengen in Abhängigkeit von der Nutzung des Gebäudes – auch auf andere Nutzungen übertragbar. Dabei ist zunächst festzuhalten, dass Luft auf drei Wegen in das Gebäude gelangen kann: • durch Infiltration (Undichtigkeiten) • durch natürliche Lüftung und • durch mechanische Lüftung Durch Undichtigkeiten in der Gebäudehülle findet sozusagen zwangsläufig ein Luftaustausch statt. Dieser sogenannte nutzerunabhängige Infiltrationsluftwechsel führt bei dichten Gebäuden zu einer Luftwechselrate von 0,05 /h – 0,1/h. Bei Altbauten mit undichten Fenstern kann der Luftaustausch durch Infiltration zu einer Luftwechselrate von bis zu 1/h führen. Die bewusste nutzerabhängige Luftzufuhr erfolgt in der Regel über das Öffnen der Fenster, was aber nur bei Anwesenheit der Nutzer möglich ist. Je nach Art der Fensteröffnung (Kippstellung, vollflächige Öffnung, Durchzug beim Öffnen gegenüberliegender Fenster) und Dauer der Öffnung (Stoßlüftung, Dauerlüftung) können Luftwechselraten von bis zu 20/h erreicht werden. Aufgrund der verschiedenen Parameter lässt sich die tatsächliche Luftwechselrate bei natürlicher Lüftung nur unzureichend ermitteln. So führt beispielsweise das Querlüften eines Wohnraums von 100 m3 Luftvolumen mit einer Luftwechselrate von 12/h zu einem Luftaustausch von 1200 m3 je Stunde. Wird diese Lüftung stündlich für jeweils

Lüftung

fünf Minuten durchgeführt, ergibt sich eine Frischluftzufuhr von 100 m3/h. Bei Anwesenheit von sechs Personen mit einem stündlichen Frischluftbedarf von ca. 30 m3/Person beträgt der Frischluftbedarf aber ca. 180 m3/h, sodass die fünfminütige Stoßlüftung unter den genannten Randbedingungen nicht ausreicht. Mittels der sogenannten kontrollierten Lüftung erfolgt die Luftzufuhr und gegebenenfalls auch die Luftabfuhr maschinell. In diesem Fall kann der gewünschte Luftwechsel nutzerunabhängig sichergestellt werden (siehe Lüftung, S. 106ff.). Lüftungsanforderungen DIN 1946-6 nennt folgende Lüftungsanforderungen, die sich in der Luftmenge unterscheiden (Abb. 2.45): • Feuchteschutzlüftung Die Feuchteschutzlüftung hat zum Ziel, feuchte Luft in der Wohnung durch trockene Frischluft zu ersetzen. Die damit erreichte Reduktion der relativen Luftfeuchtigkeit reduziert die Gefahr von Schimmelbildung deutlich. Je geringer der Wärmedämmstandard oder je dichter ein Gebäude ist, desto höher muss der Feuchteschutzluftwechsel sein. Dieser Luftwechsel stellt die geringste Lüftungsanforderung dar und muss unabhängig vom Nutzer möglich sein. Er kann durch Undichtigkeiten der Gebäudehülle oder durch eine mechanische Lüftung erreicht werden. • reduzierte Lüftung Die reduzierte Lüftung dient zur Sicherstellung der hygienischen Mindestanforderungen sowie des Bautenschutzes (Feuchte) unter üblichen Nutzungsbedingungen. Infolge zeitweiliger Abwesenheit der Nutzer sind die abzuführenden Stoff- und Feuchtelasten teilweise reduziert. Die reduzierte Lüftung darf auch durch Eingreifen des Nutzers gewährleistet werden. • Nennlüftung Die Nennlüftung dient zur Sicherstellung der hygienischen Anforderungen sowie des Bautenschutzes (Feuchte) bei Anwesenheit der Nutzer (Normalbetrieb). • Intensivlüftung Bei der Intensivlüftung handelt es sich um einen zeitweilig notwendigen Luftwechsel, um erhöhte Schadstoffbelastungen kurzfristig abbauen zu können. Lüftungskonzept DIN 1946-6 verlangt bei Neubauten und Modernisierungen ein Lüftungskonzept. Dort soll nachgewiesen werden, ob der zum Feuchteschutz erforderliche Luftwechsel durch Infiltration – also durch

Undichtigkeiten – gewährleistet werden kann oder ob hierfür eine mechanisch unterstützte Lüftung erforderlich ist. Ist Letzteres der Fall, muss die Lüftungsanlage planerisch ausgearbeitet und in ihrer Funktionsweise dargestellt werden. Als erster Schritt erfolgt die Berechnung des Infiltrationsluftwechsels. Infiltrationsluftwechsel Der nutzerunabhängige Infiltrationsluftwechsel qv,Inf,wirk, also die Luftmenge, die stündlich ohne Zutun des Nutzers in eine Nutzungseinheit (Wohnung) gelangt, wird nach DIN 1946-6 wie folgt ermittelt: qv,Inf,wirk [m3/h] = 0,5 · ANE · 2,5 · n50 ·(Δp/50)0,7 Ausgehend von der Fläche ANE der Nutzeinheit und deren Raumhöhe (vereinfachend mit 2,50 m angesetzt) fließen Angaben zur Fugendichtheit (Luftwechselrate n50 bei 50 Pa Druckdifferenz) und zum Winddruck auf die Außenhülle (Auslegungs-Differenzdruck Δp) in die Berechnung ein. Der n50-Wert kann je nach Objekt mit folgenden Werten angesetzt werden: • freie Eingabe auf Basis einer durchgeführten Blower-Door-Messung • 4,5/h für Gebäudebestand unsaniert • 2,0/h für Einfamilienhaus modernisiert • 1,5/h für Wohneinheit in Mehrfamilienhaus, modernisiert (eingeschossige Wohneinheit) • 1,0/h für ventilatorgestützte Lüftung Die erforderlichen Angaben für Δp zeigt Abb. 2.44. Feuchteschutzluftwechsel Anschließend wird der erforderliche Feuchteschutzluftwechsel berechnet, der zur Vermeidung von Feuchte- respektive Schimmelschäden erforderlich ist. Ist dieser Wert größer als der vorhandene Infiltrationsluftwechsel, muss zumindest die Differenz zwischen den beiden durch eine maschinell unterstützte Luftzufuhr ausgeglichen werden. Der erforderliche Feuchteschutzluftwechsel qv,ges,NE,FL wird gemäß DIN 1946-6 nach folgender Gleichung bestimmt: qv,ges,NE,FL [m3/h] = fWS · (-0,001 · ANE2 + 1,15 · ANE + 20) Dabei ist je nach Wärmedämmung des Gebäudes für fWS 0,3 (Wärmeschutz hoch, mindestens WSchVO 95) oder 0,4 (Wärmeschutz gering, alle anderen Gebäude) anzusetzen. Aus dem fWS-Wert für Alt- und Neubauten ergibt sich, dass für ältere Gebäude ein höherer Luftwechsel erfor-

Beispiel: Luftwechsel Für das zu Wohnzwecken genutzte Beispielgebäude soll im Zusammenhang mit einem Fensteraustausch untersucht werden, ob der Infiltrationsluftwechsel zur Sicherstellung des Feuchteschutzluftwechsels ausreicht. Daten Standard Wärmeschutz gering /fws 0,4 Fläche der Nutzeinheit (ANE) 200 m2 Δp (Abb. 2.44) 2 Pa Gebäudetyp eingeschossige Nutzeinheit Gegend windschwach n50-Wert 1,5 /h Erforderlichher Feuchteschutzluftwechsel Nach Berechnung ergibt sich für qv,ges,NE,FL 84 m3/h Infiltrationsluftwechsel Nach Berechnung ergibt sich für qv,Inf,wirk

44 m3/h

Schlussfolgerung Der Infiltrationsluftwechsel reicht nicht aus, um nutzerunabhängig den erforderlichen Feuchteschutzluftwechsel durchführen zu können. Maßnahme 1 Nach dem Einbau von Fensterfalzlüftern, die eine Spaltlüftung ermöglichen, wird der n50-Wert durch eine Blower-Door-Messung ermittelt: n50 = 2,9/h Daraus folgt für den Infiltrationsluftwechsel: qv,Inf,wirk = 88 m3/h Schlussfolgerung Bei Spaltlüftung ist die Dichtheit noch ausreichend (n50 ≤ 3,0/h) und gleichzeitig der Feuchteschutzluftwechsel erreicht. Maßnahme 2 Alternativ wird der Feuchteschutzluftwechsel durch eine Abluftanlage in Verbindung mit kontrollierten Zuluftöffnungen gesichert. Möglicherweise könnten auch der Mindestluftwechsel und gegebenenfalls auch der Nennluftwechsel mit dieser Anlage erzeugt werden. Berechnung der übrigen Luftwechsel reduzierter Luftwechsel 147/h (Nennluftwechsel · 0,7) Nennluftwechsel 210/h (Feuchteschutzluftwechsel dividiert durch 0,4) Intensivluftwechsel 273/h (Nennluftwechsel · 1,3) Kommentar Maßnahme 1 stellt – insbesondere für die Nachrüstung – die kostengünstigste Lösung dar. Maßnahme 2 bietet mehr Komfort bzw. »Lüftungssicherheit«, da sie nutzerunabhängig funktioniert und auch den reduzierten Luftwechsel ohne Probleme mit einbeziehen kann.

77

Bauliche Maßnahmen

1

2

3

derlich ist als für Neubauten. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei unsanierten Altbauten die raumseitige Oberflächentemperatur der Hüllflächen und auch der Wärmebrücken tiefer liegt als bei energetisch sanierten oder neu errichteten Gebäuden. Daher ist Schimmelbildung hier bereits bei einer relativ geringen Raumluftfeuchte möglich. Weitere Luftwechsel Ist eine mechanische Lüftung erforderlich, kann sie auch für die übrigen, höheren Lüftungsanforderungen ausgelegt werden. Die anderen Luftwechsel werden dann über folgende Faktoren ermittelt: • Der Nennluftwechsel ergibt sich aus dem Quotienten des Feuchteschutzluftwechsels und 0,3 (bei gut gedämmten Häusern) oder 0,4 (bei Altbauten). • Der reduzierte Luftwechsel wird ermittelt, indem der Nennluftwechsel mit dem Faktor 0,7 multipliziert wird. • Der Intensivluftwechsel wird ermittelt, indem der Nennluftwechsel mit dem Faktor 1,3 multipliziert wird. Auf Basis der genannten Berechnungen kann nun dargestellt werden, wie die jeweils erforderlichen Luftmengen der Nutzeinheit zugeführt werden. Ist eine mechanisch unterstützte Lüftung zwingend erforderlich, muss der Nachweis geführt werden, wie die Luftmenge in die Räume gelangt und wie sie wieder abgeführt wird. Hierfür ist dann die Fachplanung eines Versorgungsingenieurs nötig.

a

Lüftung von Nichtwohngebäuden

Die Anforderungen an die Lüftung von Nichtwohngebäuden sind aufgrund der unterschiedlichen Tätigkeiten, die in den Gebäuden verrichtet werden, sehr unterschiedlich und können oft nur über Lüftungsanlagen erfüllt werden. Luftwechselraten nach DIN V 18 599 DIN V 18 599 legt für unterschiedliche Nutzungen die stündliche Frischluftmenge (Luftwechselrate oder -zahl n) fest, die zur Bilanzierung anzusetzen ist (Abb. 2.47). Allerdings gelten diese Luftmengen nur für die festgelegte Nutzungszeit. In der Nichtnutzungszeit besteht kein Bedarf an Frischluft.

b

Arbeitsstättenverordnung Die Arbeitsstättenverordnung von 1975 wurde durch Arbeitsstätten-Richtlinien (ASR) ergänzt, die das Bundesministerium für Arbeit und Soziales herausgegeben hat. Die ASR werden nun aufgrund einer Änderung der Arbeitsstättenverordc

78

2.46

nung nach und nach durch Technische Regeln für Arbeitsstätten ersetzt. Auch wenn die ASR formal gesehen ungültig sind, bieten sie nach wie vor in zahlreichen Punkten gute Orientierungshilfen für den Bau von Arbeitsstätten. In ASR 5 ist beschrieben, unter welchen Randbedingungen auch eine natürliche Lüftung von Arbeitsstätten noch möglich ist. Die verschiedenen Arten der freien Lüftung werden dort in vier Systeme unterteilt: • System I Einseitige Lüftung mit Öffnungen in einer Außenwand für Zu- und Abluft. Zu- und Abluftquerschnitte können addiert und flächenmäßig gesehen in einer Öffnung umgesetzt werden. Angenommene Luftgeschwindigkeit im Öffnungsquerschnitt: 0,08 m/sec. • System II Querlüftung mit Öffnungen in gegenüberliegenden Außenwänden oder in einer Außenwand und in der Dachfläche. Angenommene Luftgeschwindigkeit im Querschnitt: 0,14 m/sec. • System III Querlüftung mit Öffnungen in einer Außenwand und in einem gegenüberliegenden Lüftungsschacht. Die Öffnung im Lüftungsschacht weist einen Querschnitt von ≥ 80 cm2 auf, die Schachthöhe muss mindestens 4 m betragen. Angenommene Luftgeschwindigkeit im Querschnitt: 0,21 m/sec. • System IV (Räume über 4 m Höhe) Wie System II, jedoch angenommene Luftgeschwindigkeit im Querschnitt: 0,21 m/sec. Die unterschiedlichen Tätigkeiten werden bestimmten Raumgruppen zugeordnet: • Raumgruppe A Arbeitsplätze mit überwiegend sitzender Tätigkeit (Büroräume) • Raumgruppe B Arbeitsräume mit überwiegend nicht sitzender Tätigkeit (Verkauf u. ä.) • Raumgruppe C Arbeitsräume mit starker Geruchsbelästigung und schwerer körperliche Arbeit. Durch Zuordnung der jeweiligen Raumgruppe zum gewählten Lüftungssystem kann die Größe der Lüftungsöffnung bezogen auf die Bodenfläche des zu lüftenden Raums ermittelt werden. Zu beachten ist hierbei, dass die ermittelte Öffnung bei einseitig belüfteten Räumen (System I) verdoppelt werden muss, da dem Zuluftquerschnitt immer ein gleich großer Abluftquerschnitt zugerechnet werden muss (Abb. 2.48).

Lüftung

Energetische Sanierung

Wird im Sanierungsfall bei Wohngebäuden mindestens ein Drittel der Fenster ausgetauscht, so ist nach DIN 1946-6 ein Lüftungskonzept zu erstellen. Erhöhte Anforderungen gelten beim Einfamilienhaus, da dort nicht nur bei Fensteraustausch, sondern auch bei Dämmung von mindestens einem Drittel der Dachfläche ein Lüftungskonzept erstellt werden muss. Die mit der Fenstersanierung verbundene erhöhte Luftdichtigkeit von Wohnungen in Mehrfamilienhäusern (laut DIN 1946-6: eingeschossige Nutzungseinheiten) führt dazu, dass bei unverändertem Wärmeschutz des Altbaus eine kontrollierte, d. h. mechanisch unterstützte Lüftung zur Sicherstellung des Feuchteschutzluftwechsels erforderlich wäre. Soll trotz dichter Fenster der Einbau einer mechanisch unterstützten Lüftung unterbleiben, müssen bei den Öffnungsflügeln der Fenster geplante Undichtigkeiten eingebaut werden. Denkbar sind hier sogenannte Fensterfalzlüfter, die eine dauerhafte minimale Spaltlüftung ermöglichen, oder vom Nutzer zu bedienende Beschläge, die bei 45°-Stellung ebenfalls eine Undichtigkeit im System zur Folge haben. In beiden Fällen müsste dann durch eine Blower-Door-Messung der individuelle n50-Wert ermittelt werden: • Für n50 ≤ 1,5/h wäre der Feuchteschutzluftwechsel nicht erfüllt. • Für 1,5/h < n50 ≤ 3,0/h wären die Anforderungen zum Feuchteschutz erfüllt. Dann kann nach wie vor der reduzierte durchschnittliche Luftwechsel von 0,6/h bei der Bilanzierung nach EnEV angesetzt werden. • Wäre n50 > 3 /h, so würde die Nutzungseinheit nicht den Luftdichtigkeitsanforderungen nach EnEV bzw. auch nicht den Anforderungen, die für die Luft-

dichtigkeit im Rahmen des winterlichen Mindestwärmeschutzes gelten, entsprechen. Die Frage des Lüftungskonzepts sollte also gerade auch bei der Sanierung von Gebäuden mit der nötigen Ernsthaftigkeit untersucht werden, um Feuchte- oder Schimmelschäden, die aufgrund eines zu geringen Luftaustauschs entstehen, sicher vermeiden zu können. Letztendlich stellt eine kontrollierte Lüftung über einfache Abluftsysteme eine sichere und kostengünstige Lösung dar. Über regelbare Öffnungen im Fensterstock und Abluftabsaugung in den Nassräumen kann in einer Wohnung dauerhaft in geregelter Form der erforderliche Feuchteschutzluftwechsel sichergestellt werden. Um die übrigen Luftwechsel zu erreichen, müsste die Ventilatorleistung entsprechend erhöht werden und beim Intensivluftwechsel auch die Luftführung innerhalb der Wohneinheit zur Vermeidung von Zugerscheinungen sorgfältig durchgeplant werden. Bei der Sanierung eines Schulgebäudes in Basel wurde die natürliche Lüftung durch den Einsatz moderner Regelungstechnik optimiert (Abb. 2.46). Alle Fenster erhielten programmierbare elektrische Öffner. Die Motoren werden in Abhängigkeit von Innentemperatur, CO2-Gehalt der Raumluft, Windstärke, Außentemperatur und Regenbelastung so gesteuert, dass einerseits eine ausreichende Luftversorgung gewährleistet ist und andererseits ein Energieverlust oder auch ein zu hoher Wärmeeintrag durch übermäßige Luftzufuhr vermieden wird. Als Grundeinstellung ist zur Optimierung der Frischluftzufuhr eine Stoßlüftung morgens um 6 Uhr und jeweils in den Pausen festgelegt. Auch eine Nachtlüftung kann bei Bedarf in Abhängigkeit zur Temperaturdifferenz innen und außen durchgeführt werden.

Lüftungsquerschnitte für freie Lüftung nach Arbeitsstätten-Richtlinie 5 System

lichte Raumhöhe H [m]

I II

2,5 ≈ H bis 4 5,0 ≈ H 3)

III IV 1)

2) 3)

maximal zulässige Raumtiefe bezogen auf lichte Raumhöhe H [m] 1)

über 4

Zuluft- und gleich großer Abluftquerschnitt je m2 Bodenfläche [cm2/m2] 2) Raumgruppe A

Raumgruppe B

Raumgruppe C

200

350

500

120

200

300

80

140

200

80

140

200

Diese Spalte gibt an, bis zu welcher Raumtiefe die verschiedenen Systeme der freien Lüftung in Abhängigkeit von der Raumtiefe noch anwendbar sind. Die angegebenen Werte gelten jeweils für die Querschnitte der Zuluft- und Abluftöffnungen. Bei den Systemen II, III und IV gilt die maximal zulässige Raumtiefe für den Abstand zwischen den Außenwänden und/oder den Lüftungsöffnungen im Schacht bzw. im Dach. 2.48

stündliche Frischluftmenge nach DIN V 18 599-10:2007-02, Tabelle 4 Zone Bezeichnung

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33

Einzelbüro Gruppenbüro Großraumbüro Besprechung Schalterhalle Einzelhandel mit Kühlprodukten Klassenzimmer Hörsaal Bettenzimmer Hotelzimmmer Kantine Restaurant Küchen Küche – Nebenraum Sanitäranlagen Aufenthaltsräume Nebenflächen Verkehrsflächen Lager, Technik Server, Rechenzentrum Werkstatt Zuschauerbereich Foyer Bühne Messe Ausstellung Bibliothek – Lesesaal Bibliothek – Freihand Bibliothek – Magazin Turnhalle Parkhaus Parkhaus öffentlich

Mindestaußenluftvolumenstrom [m3/(m2· h)] 4 4 6 15 2 4 4 10 30 4 3 19 18 90 15 15 7 0,15 0 0,15 1,3 20 40 25 0,3 7 2 8 2 3 3 8 16

mit der geplanten Novellierung der Norm werden folgende Zonen neu aufgenommen: 34 35 36 37 38 39 40 41

Sauna Fitness Labor Behandlung Spezialpflege Flure Pflege Arztpraxen Lagerhallen

15 12 25 10 30 10 10 1

Erläuterung Für einen Raum mit 20 m2 Nutzfläche, einer lichten Höhe von 2,50 m und einem Volumen von 50 m3 ist für Zone 1 (Einzelbüro) eine stündliche Luftmenge von 80 m3 (4 m3/m2 · 20 m2) erforderlich. Bezogen auf das Raumvolumen entspricht das einer Luftwechselzahl von 1,6/h (80m3 / 50 m3). 2.47 2.46 Sanierung Schulhaus Wasgenring, Basel Architekten: Fritz und Bruno Haller Fassade (Sanierung): PPEngineering Petignat Ingenieurbüro für Fassadentechnik Baujahr: 1960 / 2004 – 2005 a Vertikalschnitt Südfassade, Maßstab 1:20 1 Sonnenschutz: Lamellen gebördelt, 80 mm 2 Festverglasung 3 Kippflügel jeweils Sonnen-/Wärmeschutzglas (Zweifach-Isolierverglasung) g-Wert 42 %, τ-Wert 68 %; Ug = 1,1 W/m2K b vor der Sanierung c nach der Sanierung Aufgrund der geringen Gebäudetiefe ermöglichten die Klappflügel in den verglasten Nord- und Südfassaden bereits vor der Sanierung eine natürliche Lüftung des Schulgebäudes. Diese wurde beibehalten und lediglich durch elektrische Fensteröffner optimiert, die in eine moderne Regelungstechnik eingebunden sind. Eine zusätzliche Lüftungsanlage war nicht erforderlich. 2.47 für die Bilanzierung einzusetzende stündliche Frischluftmenge für unterschiedliche Nutzungen nach DIN V 18 599-10:2007-02, Tabelle 4 2.48 Lüftungsquerschnitte für freie Lüftung nach Arbeitsstätten-Richtlinie 5

79

Bauliche Maßnahmen

Tageslicht Inwieweit Tageslicht die Lichtversorgung eines Raums übernehmen kann, hängt von der Größe und Ausbildung der Fenster, von der Verschattung der Fenster durch umliegende Bauten und Bepflanzung, von der Raumtiefe und von der Nutzung (erforderliche Helligkeit, Nutzung zur Tages- bzw. Nachtzeit) ab. Die Helligkeit eines Raums – verursacht durch Kunst- oder Tageslicht – wird durch die Beleuchtungsstärken auf den einzelnen Flächen des Raums (raumumschließende Flächen, Arbeitsflächen) beschrieben. Die Beleuchtungsstärke E (in Lux) gibt an, wie groß die aus allen Raumwinkeln auf eine Fläche auftreffende Lichtmenge (in Lumen) insgesamt ist. Sie entspricht dem Quotienten aus der auf eine Fläche treffenden Lichtmenge und der beleuchteten Fläche (lm/m2 = lx). Unterschiedliche Nutzungen erfordern jeweils unterschiedliche Beleuchtungsstärken. In DIN V 18 599 sind für typisierte Nutzungen spezifische Beleuchtungsanforderungen hinterlegt (Abb. 2.54). Um vergleichbare Daten über die Qualität der Tageslichtversorgung in Innenräumen zu erhalten, wird für die Berechnung des Tageslichts, das zur Beleuchtung genutzt werden kann, ein bedeckter Himmel als Lichtquelle angenommen. Diese Lichtquelle führt auf einer horizontalen Fläche außen unter freiem Himmel zu einer Beleuchtungsstärke von 10 000 lx. Wie viel Licht davon im Raum genutzt werden kann, drückt sich im Tageslichtquotienten D (in Prozent) aus. Ein Tageslichtquotient von 5 % bedeutet beispielsweise, dass an dieser Stelle des Raums (meist eine horizontale Arbeitsfläche auf 0,80 m Höhe) eine Beleuchtungsstärke von 500 lx vorhanden ist. Es sind etwa 300 – 500 lx erforderlich, um Tätigkeiten wie Schreiben oder Lesen ausüben zu können. Von Bedeutung für die Tageslichtversorgung sind neben der Größe und Lage der Fensteröffnungen auch der Lichttransmissionsgrad τ der Verglasung und das Reflexionsvermögen der Flächen im Raum. Der Lichttransmissionsgrad ist eine Produkteigenschaft des Glases, typische Werte sind in Abb. 2.35 (S. 69) dargestellt. Anforderungen nach DIN 5034

Baurechtlich gesehen ist die Belichtung von Aufenthaltsräumen ausreichend, wenn ein Achtel der Grundfläche als Rohbauöffnung für Fenster vorgesehen ist. Diese Vorgabe ist zwingend, jedoch nicht automatisch eine Gewähr für die ausrei-

a

b

2.49

2.50

2.51

2.52

Lichttechnische Anforderungen an Aufenthaltsräume mit Fenstern Anforderung

Wohnraum

Arbeitsraum (nur definiert für Raumhöhe ≤ 3,5 m, Raumtiefe ≤ 6 m und Raumfläche ≤ 50 m2)

Sichtverbindung nach außen

(Gesamt-)Breite der durchsichtigen Fensterteile mindestens 55 % der Breite der Fensterwand, Brüstungshöhe maximal 0,9 m, Unterkante der durchsichtigen Fensterteile maximal 0,95 m über dem Fußboden, Fensteroberkante mindestens 2,2 m über dem Fußboden - Höhe der Rohbaufensteröffnung ≥ 1,3 m, auch bei Raumhöhen über 3,5 m - Breite des durchsichtigen Teils jedes Fensters ≥ 1 m - Mindestfläche des durchsichtigen Fensterteils für Raumtiefen unter 5 m: 1,25 m2, für größere Raumtiefen: 1,5 m2 - durchsichtige (Gesamt-)Fensterfläche mindestens 30 % des Produkts aus Raumbreite und Raumhöhe und mindestens 10 % der Raumfläche

ausreichende Helligkeit

erforderliche Beleuchtungsstärke

D soll in halber Raumtiefe, in 0,85 m über dem Fußboden und in 1 m Abstand von den beiden Seitenwänden betragen: - im Mittel der beiden Punkte mindestens 0,9 %, an einem der beiden Punkte mindestens 0,75 % - bei Räumen mit Fenstern in zwei benachbarten Wänden 1,0 %. Möglichst hohe Reflexionsgrade der Raumbegrenzungsflächen. keine Anforderungen formuliert

Am ungünstigsten Arbeitsplatz minimal 0,6-fache Werte der Vorgaben für Beleuchtung mit Kunstlicht in DIN 5035-2.

Schutz gegen Blendung, Wärmeeinstrahlung und -verluste

z. B. Sonnenschutzeinrichtungen, Rollläden, Jalousien, Vorhänge, Gardinen

Besonnungsdauer

keine Anforderungen formuliert Ein Fenster eines Wohnraums jeder Wohnung soll am 17. Januar in Brüstungshöhe in seiner Mitte wenigstens 1 h besonnbar sein. 2.53

80

Tageslicht

chende Versorgung eines Raums mit Tageslicht. Hierfür formuliert DIN 50341:2010-09 differenzierte Anforderungen. Dabei werden unterschiedliche Mindestwerte vorgegeben, je nachdem ob die Fensterflächen für die Sichtverbindung nach außen oder für die Tageslichtversorgung erforderlich sind (Abb. 2.53). Das Erreichen dieser Mindestwerte kann in der Planung durch Simulation überprüft, nach DIN 5034-3 berechnet oder bei bestehenden Gebäuden messtechnisch nach DIN 5034-5 ermittelt werden. Tageslichtlenkung

Die Nutzung des Tageslichts kann durch gezielte Lenkung der Lichteinstrahlung in den Innenraum verbessert werden. Spezielle lichtlenkende Bauteile leiten das Tageslicht auf stark reflektierende Flächen – meist die Deckenuntersichten, von wo es in größere Raumtiefen reflektiert wird. Gleichzeitig werden die hohen Tageslichtquotienten in direkter Fensternähe reduziert, wodurch sich insgesamt die – oft unangenehmen – Leuchtdichtekontraste im Raum verringern. Für eine wirksame Tageslichtlenkung sollten die Fensteröffnungen bis zur Deckenunterkante reichen und die Decke selbst eine weiße glatte Untersicht haben oder sogar mit lichtlenkenden Deckenlamellen ausgerüstet sein. Störungen wie beispielsweise Unterzüge oder abgehängte Beleuchtungskörper beeinträchtigen die Lichtausbeute und damit die Wirtschaftlichkeit der Maßnahme erheblich. Tageslichtlenkung kann in unterschiedlicher Form mit marktgängigen Bauprodukten oder individuellen Lösungen vorgenommen werden. Die Bauteile können außen vor der Fassade, im Innenraum oder auch im Scheibenzwischenraum der Isolierverglasung liegen und starr fixiert oder dem Lichteinfall nachgeführt werden. Daraus ergeben sich unterschiedliche Qualitäten hinsichtlich Störanfälligkeit, Verschmutzung, Durchsicht und Sonnenschutzwirkung. Die wichtigsten Prinzipien werden im Folgenden vorgestellt. Einfache bauliche Maßnahmen Eine glatt weiß verputzte, tiefe Fensterlaibung lenkt Tageslicht in den Raum, ebenso wie eine Wasserfläche vor der Fassade oder einfache horizontale Bauteile (Lightshelfs), die im oberen Drittel eines Fensters innen oder außen montiert sind und das Licht gegen die Decke reflektieren (Abb. 2.49). Solche simplen Mittel können – richtig eingesetzt – durchaus effektiv sein und neben technisch aufwendigeren Systemen bestehen.

Lamellen und Jalousien Horizontale Lamellen und Jalousien ermöglichen eine genaue Lichtsteuerung, die über die Beschichtung und Profilierung der Lamellen präzise auf die jeweilige Anforderung eingehen kann. Oft vereinen sie Aufgaben der Tageslichtnutzung und des Sonnenschutzes. Besonders effektiv sind sie, wenn sie im Tagesverlauf flexibel an die Lichtsituation angepasst werden können, also drehbar montiert sind. Lamellenstores, deren oberes Drittel separat regelbar ist, können Belange der Tageslichtlenkung (im oberen Drittel) und des Sonnenschutzes (im unteren Bereich) gleichzeitig berücksichtigen (Abb. 2.50). Ihre Effektivität lässt sich durch Kombination mit innen liegenden »Lightshelfs« noch steigern. Weitere Verbesserungen bei der Umlenkung von Seitenlicht auf die Arbeitsfläche sind durch speziell für diesen Zweck entwickelte Lichtlenkdeckensysteme aus konkav gewölbten Lamellen mit mikroprismenstrukturierter Oberfläche erzielbar. Lichtlenkende Gläser Der Zwischenraum von Mehrscheibenisoliergläsern kann optische Körper und Profile aufnehmen, die Licht gezielt reflektieren oder streuen können. Sie bestehen beispielsweise aus parabolisch geformten Spiegelflächen oder aus Acrylplatten (Totalreflexion) mit prismenförmiger Oberflächengeometrie oder mit linearen Einfräsungen, die gezielt auf die jeweilige Einbausituation abgestimmt sind (Abb. 2.51). So kann etwa diffuses Himmelslicht das Material passieren, während direkte Sonneneinstrahlung nach außen oder innen reflektiert wird. Es lassen sich sogar mehrere Lagen unterschiedlich ausgelegter Prismenplatten kombinieren, um Sonnenschutz, Blendschutz und Umlenkung für unterschiedliche Sonnenstände zu gewährleisten. Eine einfachere Alternative bieten bewegliche, einlagige Prismenplatten, die ähnlich wie Jalousien einsetzbar sind (Abb. 2.52). Alle diese Systeme stören jedoch die Sichtbeziehung nach außen und sind daher nur im oberen Fassadendrittel oder für Dachverglasungen zu empfehlen. Tageslichtrohre, Heliostaten Interessante Möglichkeiten bietet die Tageslichtlenkung mittels hochreflektierender Tageslichtrohre, auch Sonnenröhre oder Solartube genannt. Über Öffnungselemente im Dach oder in der Fassade wird Tageslicht durch eine verspiegelte Rohrleitung bis zu 15 m ins Rauminnere geleitet (Abb. 2.55). Die

Erforderliche Beleuchtungsstärken (Wartungswerte) nach DIN V 18 599, Tabelle 4 Zone Bezeichnung

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33

Einzelbüro Gruppenbüro Großraumbüro Besprechung Schalterhalle Einzelhandel mit Kühlprodukten Klassenzimmer Hörsaal Bettenzimmer Hotelzimmer Kantine Restaurant Küchen Küche – Nebenraum Sanitäranlagen Aufenthaltsräume Nebenflächen Verkehrsflächen Lager, Technik Server, Rechenzentrum Werkstatt Zuschauerbereich Foyer Bühne Messe Ausstellung Bibliothek – Lesesaal Bibliothek – Freihand Bibliothek – Magazin Turnhalle Parkhaus Parkhaus öffentlich

Wartungswert mittlere Beleuchtungsstärke E¯m [lx] 500 500 500 500 200 300 300 300 500 300 200 200 200 500 300 200 300 100 100 100 500 500 200 300 1000 300 200 500 200 100 300 75 75

Mit der geplanten Novellierung der Norm werden folgende Zonen neu aufgenommen: 34 35 36 37 38 39 40 41

Sauna Fitness Labor Behandlung Spezialpflege Flure Pflege Arztpraxen Lagerhallen

200 300 500 500 300 125 500 150

Erläuterung Der Wartungswert der mittleren Beleuchtungsstärke (Ēm ) darf auf einer bestimmten Fläche nicht unterschritten werden. Bei Berechnungen wird deshalb die geforderte Beleuchtungsstärke mit einem Wartungsfaktor erhöht, sodass auch bei Verschmutzung der Lampen der genannte Wert erreicht wird (siehe Schritt 5: Wartungsfaktor WF, S. 115). 2.54

2.49 einfache Methoden der Tageslichtlenkung a Wasserfläche im Außenbereich b außen liegendes »Lightshelf« 2.50 Lichtlenkende Lamellen und Jalousien können außen und innen liegend sowie im Scheibenzwischenraum angebracht werden. Die Anordnung im Scheibenzwischenraum bietet den Vorteil, dass die Verschattung sowohl windgeschützt ist als auch den Innenraum vor Wärmestrahlung schützt. Allerdings stellt sie höhere Anforderungen an die Langlebigkeit und Wartungsfreiheit der Komponenten. 2.51 Spiegelprofile in Isolierglasscheiben 2.52 Prismenplatten als drehbare Lamellen mit Innenjalousie kombiniert 2.53 Anforderungen an Aufenthaltsräume mit Fenstern aus lichttechnischer Sicht nach DIN 5034-1:1999-10, Anhang A 2.54 erforderliche Beleuchtungsstärken (Wartungswerte) für unterschiedliche Nutzungen nach DIN V 18 599-10:2007-02, Tabelle 4

81

Bauliche Maßnahmen

ser oder Raster empfehlenswert. Eine gleichmäßige Lichtverteilung und eine gesamtenergetisch sinnvolle Anordnung ergibt sich, wenn der Abstand zwischen den Lichtbändern in etwa der Raumhöhe und ihre Breite der halben Raumhöhe entspricht (Abb. 2.59).

Oberlicht

Bilanzierung nach DIN V 18 599

Dachoberlichter verbessern die Tageslichtnutzung erheblich, können jedoch je nach Ausformung und Ausrichtung die Wärmeeinträge so stark erhöhen, dass die Energieeinsparungen bei der Beleuchtung durch Mehrbedarf zur Kühlung oder zumindest Belüftung aufgezehrt werden. Dies ist durch entsprechende Orientierung der transparenten Flächen oder wirksame Verschattungseinrichtungen zu verhindern. Eine Modellstudie im Auftrag des Fachverbands Tageslicht und Rauchschutz e.V. belegt, dass Lichtbänder mit einer Öffnungsfläche von ca. 15 bis 20 % der Dachfläche zur Tageslichtversorgung ausreichen [1]. Mit einer Vergrößerung der Oberlichtfläche auf ca. 20 – 25 % kann die Nutzfläche so gleichmäßig ausgeleuchtet werden, dass dort keine störenden Leuchtdichtekontraste mehr auftreten. Zur Vermeidung von Blendung sind außerdem lichtstreuende Glä-

Bei Nichtwohngebäuden spielt der Energiebedarf für die künstliche Beleuchtung bei der Berechnung der Gesamtenergieeffizienz eine große Rolle. Der Energieverbrauch einer Beleuchtungsanlage hängt von den baulichen Parametern ab, die die Tageslichtversorgung der Innenräume bestimmen. Mithilfe von DIN V 18 599-4 kann in einigen wenigen Schritten die Tageslichtversorgung eines Raums oder einer Raumzone ermittelt werden.

45°

aTL

hNe

hNe

45°

1. Schritt: Tageslichtversorgte Bereiche Der tageslichtversorgte Bereich eines Raums wird unabhängig von der eigentlichen Fenstergröße ermittelt, indem die Sturzhöhe (hSt) abzüglich der festgelegten Höhe der Nutzebene (hNe – in der Regel Tischhöhe 80 cm) mit dem Faktor 2,5 multipliziert wird. Das Ergebnis gibt an, bis zu welcher maximal mög-

aTL hR

aTL

2.55 Tageslicht-Spot mit flexibler Lichtröhre 2.56 beweglicher Heliostat zur Umlenkung direkten Sonnenlichts 2.57 kreisförmiges Oberlicht: tageslichtversorgter Bereich nach DIN V 18 599 2.58 Oberlichtband: tageslichtversorgter Bereich nach DIN V 18 599 2.59 Anordnung und Größe (in % der Dachfläche) von Dachoberlichtern (Maße in m) a zur ausreichenden Tageslichtversorgung b optimiert für eine gleichmäßige Lichtverteilung 2.60 Bilanzierungsschritte der Tageslichtversorgung eines Raums von 6 ≈ 8,4 ≈ 3,2 m. Die graue Fläche stellt die Höhe der Nutzebene dar (Maße in cm). a tageslichtversorgter Bereich ATL b Transparenzindex ITr c Raumtiefenindex IRt d Verbauungsindex IV : Winkel γ für gegenüberliegende, lineare Verbauung (IV ,△V)

Sonnenlauf folgen und ihre Strahlen immer auf den gleichen, ortsfesten Punkt reflektieren, z. B. vom Dach eines Gebäudes über eine Halle in untere Geschosse (Abb. 2.56). Lichtrohre und Heliostaten eignen sich besonders für sonnenreiche Regionen.

hR

Lichtausbeute hängt vom Rohrdurchmesser (mindestens 30 cm) und der Art der Verlegung (mit oder ohne Richtungswechsel) ab. In den Innenraum gelangt das Licht über Einbauelemente, die ähnlich wie Leuchten in eine abgehängte Decke integriert werden können. Die Rohrenden sind wahlweise mit Lampen ausrüstbar, die sich bei abnehmendem Tageslicht zuschalten lassen. Diese kostengünstige Art der Tagesbelichtung von Dunkelzonen lässt sich auch mit Heliostaten kombinieren, um ganztägig direktes Sonnenlicht in tiefe Raumzonen zu lenken. Heliostaten sind Spiegel, die dem

aTL

aTL

aTL

aTL

aTL

aTL aTL

aTL

2.55

2.56

82

2.57

2.58

Tageslicht

lichen Tiefe der Raum mit Tageslicht versorgt werden kann: aTL,max = 2,5 · (hSt - hNe) [m]

ITr =

dichteten innerstädtischen Gebieten wird der Lichteintrag oft in unterschiedlicher Form durch Nachbargebäude behindert. In diesem Fall besitzen die oberen Geschosse über die Nutzungszeit betrachtet einen deutlich höheren Tageslichtversorgungsgrad als die unteren Geschosse. Um diesen Sachverhalt in der Energiebilanz rechnerisch berücksichtigen zu können, wird ein Verbauungsindex (IV) ermittelt. Besteht keine Verschattung durch andere Gebäude oder auskragende Gebäudeteile, so gilt IV = 1; je größer die Beeinträchtigung durch Verbauungen ist, umso kleiner wird der Abminderungsfaktor IV. Ein einzelner Raum kann somit bei gleichmäßiger Befensterung in Abhängigkeit vom Verbauungswinkel γ unterschiedlich helle tageslichtversorgte Bereiche aufweisen (Abb. 2.60 d). Die Qualität der Tageslichtversorgung für die betrachteten Raumbereiche lässt sich dann für jeden Bereich einzeln über den auf die jeweilige Rohbauöffnung (des Fensters) bezogenen Tageslichtquotienten (DRb) darstellen:

ARohbau ATL

Über den Raumtiefenindex (IRt) wird die Raumtiefe des tageslichtversorgten Bereichs (aTL) zur Fensterhöhe in Beziehung gesetzt (Abb. 2.60 c): IRt =

aTL hSt - hNe

In dieser Rechnung fließt die Bedeutung, die die Höhenlage der Sturzunterkante über dem Fußboden für den Tageslichteinfall hat, in die Betrachtung ein. Die Menge an Tageslicht, die in einen Raum einfällt, ist auch von der umgebenden Bebauung abhängig. Gerade in ver-

DRb = (4,13 + 20 · ITr - 1,36 · IRt ) · IV [%] Die Formel zeigt, dass hier sowohl die Größe des Fensters (ITr) als auch seine

6

Bei raumbreiten Fensterbändern ist der tageslichtversorgte Bereich genauso breit wie der Raum, bei Lochfenstern zählt nur die Breite des Fensters zuzüglich ein Viertel der tageslichtversorgten Raumtiefe (aTL,max) rechts und links des Fensters (Abb. 2.60 a). Die Gesamtfläche des Raums lässt sich nun in einen mit Tageslicht versorgten Bereich (ATL) und einen nicht mit Tageslicht versorgten Bereich (AKTL) unterteilen. Je höher der Flächenanteil der tageslichtversorgten Bereiche an der Gesamtfläche ist, desto besser ist das Gebäude insgesamt natürlich belichtet (siehe Beispiel Kunstlicht, S. 117ff.). Bei Oberlichtern lässt sich der tageslichtversorgte Bereich ermitteln, indem um die Oberlichtöffnung herum eine Umrisslinie mit einem Abstand gezogen wird, der sich aus der Höhenlage des Oberlichts (Unterkante über Fertigfußboden) abzüglich der Nutzhöhe (Oberkante über Fertigfußboden) ergibt. Die umschriebene Fläche definiert, projiziert auf den Boden, den tageslichtversorgten Bereich (Abb. 2.57 und 2.58).

2. Schritt: Qualität tageslichtversorgter Bereiche Die Menge an Licht, die in den tageslichtversorgten Bereich fällt, ist abhängig von der realen Fenstergröße (Transparenzindex), von der Raumtiefe (Raumtiefenindex) und von der umliegenden Bebauung (Verbauungsindex). Der Transparenzindex (ITr) gibt das Verhältnis der Fensterfläche (Rohbauöffnung) zur tageslichtversorgten Fläche des Raums an (Abb. 2.60 b):

120

120

hST - hNe

ITr =

hST

36 22

8

2

8

2

8

hNe

a

80

TL

2 2

,m

ax

=2

80 ,5

(h

St

-h

Ne

ARohbau ATL

A Rohbau

) 12

12 0

0

A TL

24

A KTL a TL/4

ite terbre Fens b TL

A TL

a TL/4

b

a 17 % a

3 3

6

3

6

3

6

IRt =

120

3 3

hST hNe

80

a TL hST - hNe

120

γ 80

a

24

IV,△V = cos (1,5 · γ) für γ < 60°

12 0

TL

12 0

25 % b

2.59

c

d

2.60

83

Bauliche Maßnahmen

3. Schritt: Effektiver Lichttransmissionsgrad der Verglasung Für eine effiziente Nutzung des Tageslichts sind die Größe und die Ausbildung der Fenster von Bedeutung. Der effektive Lichttransmissionsgrad der Verglasung τeff wird aus der Glaseigenschaft für den Lichtdurchgang τ und den Minderungsfaktoren für den Rahmenanteil (k1), die Verschmutzung (k2) und für den nicht senkrechten Lichteinfall (k3) ermittelt: τeff = τ · k1 · k2 · k3 4. Schritt: Tageslichtversorgungsfaktor Mithilfe des effektiven Lichttransmissionsgrads (Schritt 3) und des Tageslichtquotienten (Schritt 2) kann dann aus DIN V 18 599-4, Tabelle 9 der Tageslichtversorgungsfaktor CTL,vers ermittelt werden (Abb. 2.63). Dies erfolgt unter Berücksichtigung der geforderten Beleuchtungsstärke (Wartungswert aus Abb. 2.54, S. 81) und der Orientierung der Fassade. Bei τeff, SNA (SNA: Sonnenschutz nicht aktiv) von 60 %, einer Tageslichtversorgungsklasse »mittel« und einer gewünschten Beleuchtungsstärke von 500 lx beträgt der Tageslichtversorgungsfaktor eines Raums mit Nordausrichtung 0,75. Der energetische Effekt von lichtlenkenden Systemen fließt über die Bewertung von Sonnenschutzeinrichtungen in den Tageslichtversorgungsfaktor und damit in die Bilanzierung ein.

2.61 Simulation eines Büroraums (4 ≈ 6 ≈ 2,7 m mit Lochfenstern) 2.62 Güteklassen der Tageslichtversorgung nach DIN V 18 599-4, Tabelle 6 2.63 Tageslichtversorgungsfaktor für nordorientierte Räume nach DIN V 18 599-4, Tabelle 9 (Auszug) 2.64 Umnutzung eines Fabrikgebäudes in Rehau, Architekten: weber + würschinger, 1920 /2005 a Detailschnitt, 3. Obergeschoss, Maßstab 1:20 1 VSG auf Leichtmetallrahmen 2 Heizleitung 3 Kabelkanal 4 Blendschutz-Polyestergewebe 5 Sparren (Bestand) 130 /150 mm b Halle vor der Sanierung c Halle mit Oberlicht nach der Sanierung Bei diesem Umbau einer ehemaligen Porzellanfabrik zu Büroräumen bildeten die große Gebäudetiefe von rund 20 Metern sowie der Erhalt der eher kleinen Fensterflächen in den Fassaden die größte Herausforderung für die Tageslichtplanung. Im obersten Geschoss fügten die Architekten daher zwei Oberlichtbänder beidseits des Dachfirsts ein, um den Einsatz von Kunstlicht auch in der Raummitte tagsüber zu minimieren.

Tageslichtquotient DRb,j

Klassifizierung der Tageslichtversorgung

DRb,j ≥ 6 %

gut

6 % > DRb,j ≥ 4 %

mittel

4 % > DRb,j ≥ 2%

gering

DRb,j < 2 %

keine

Tiefe (m) 2.61

2.62

Tageslichtversorgungsfaktor CTL,Vers,SNA,j für Räume mit Nordausrichtung Tageslichtquotient der Rohbauöffnung DRb gering ( 3 %)

τeff,SNA

mittel ( 5 %)

gut ( 8 %)

[%]

300 lx

500 lx

750 lx

300 lx

500 lx

750 lx

300 lx

500 lx

750 lx

< 10

0

0

0

0

0

0

0

0

0

10

0,15

0,12

0,08

0,25

0,20

0,14

0,39

0,30

0,21

20

0,30

0,23

0,16

0,47

0,37

0,26

0,67

0,53

0,39

30

0,43

0,34

0,24

0,64

0,51

0,37

0,82

0,68

0,52

40

0,55

0,43

0,31

0,76

0,61

0,46

0,90

0,76

0,62

50

0,64

0,51

0,37

0,83

0,69

0,54

0,93

0,82

0,70

60

0,71

0,57

0,43

0,88

0,75

0,60

0,95

0,86

0,76

70

0,77

0,63

0,48

0,91

0,79

0,65

0,96

0,89

0,81

80

0,82

0,68

0,52

0,93

0,82

0,70

0,97

0,91

0,84 2.63

1

2 3 4

5

a

b

84

Klassifizierung der Tageslichtversorgung als Funktion des Tageslichtquotienten für die jeweilige Rohbauöffnung DRb,j nach DIN V 18 599-4

hinten – Breite (m)

vorne

Höhenlage (IRt) und seine Verschattung durch Bebauung (IV) einfließen und der Tageslichtquotient DRb somit eine realitätsnahe Beschreibung der Belichtungsqualität liefert. DIN V 18 599-4 nimmt hierzu eine Einteilung in vier Qualitätsklassen vor (Abb. 2.62).

c

2.64

Tageslicht

5. Schritt: Effektive Tageslichtnutzung In einem letzten Schritt wird für die jeweilige Orientierung der Fassade (hier: Nord) der Zeitraum teff,Tag,KTL errechnet, in dem die Nutzung auch im tageslichtversorgten Bereich nur mit Kunstlicht möglich ist. Unter der Annahme, dass an der Nordfassade kein Sonnenschutz angebracht ist, wird nun die Nutzungszeit (festgelegt in Beschreibung der Nutzungszone) mit dem Tageslichtversorgungsfaktor CTL,vers multipliziert. Bei einer täglichen Nutzungszeit von 10 Stunden kann der tageslichtversorgte Bereich 7,5 Stunden ohne Kunstlicht genutzt werden (teff,Tag,TL = 7,5 h). Während 2,5 Stunden täglich wird dann die künstliche Beleuchtung benötigt, was sich in der Energiebilanz entsprechend niederschlägt. In weiteren detaillierten Berechnungen kann auch der Einfluss des gewählten Sonnenschutzsystems und seiner Steuerung auf die Betriebszeit der Beleuchtungsanlage berechnet werden. Die wichtigsten baulichen Parameter, die zur Reduktion der Betriebszeit der künstlichen Beleuchtung und damit zur Verringerung der Beleuchtungsenergie beitragen, sind • die Größe des tageslichtversorgten Bereichs: - Fläche und Anordnung der Fenster - Höhe des Sturzes über Fertigfußboden (möglichst ohne Sturz) gleichmäßige Befensterung (optimal: Bandfenster) • Qualität der Tageslichtversorgung: - Art der Verglasung - geringer Rahmenanteil - optimaler Sonnenschutz - Orientierung der Fassade Simulation Die Lichtverteilung im Raum ist naturgemäß nicht homogen, wie es vermeintlich im Tageslichtquotienten DRb zum Ausdruck kommt, der nach DIN V 18 599 für die gesamte Fläche berechnet wird. Diese Vereinfachung ist jedoch ein brauchbares Instrument, um mit relativ einfachen Mitteln die Tageslichtversorgung abschätzen und sie über Verbesserung der Einzelparameter optimieren zu können. Genauere und differenziertere Kennwerte zur Tageslichtsituation in Innenräumen können über EDV-gestützte Simulationen ermittelt werden (Abb. 2.61). Hierbei ist es möglich, die sich häufig überlagernden baulichen Randbedingungen (Verschattung durch Nachbargebäude, beweglicher Sonnenschutz, Raumgeometrie, Reflexionsvermögen der raumumschließenden Flächen) zu berücksichtigen.

Energetische Sanierung

Die Optimierung der Tageslichtversorgung ist insbesondere bei der energetischen Sanierung von Nichtwohngebäuden eine der zentralen Fragestellungen. Dabei sollten bauliche und technische Aspekte synchron betrachtet werden. Vor allem sollten Verbesserungsmaßnahmen für die Tageslichtnutzung nicht isoliert von anderen Komponenten des Energiebedarfs, sondern immer mit Blick auf den Gesamtenergiebedarf des Objekts vorgenommen werden. So kann es beispielsweise sinnvoll sein, die Verschlechterung des Tageslichteintrags beim Ersatz von unbeschichteten alten Isolierglasscheiben (τ-Wert 0,8) durch dreifach verglaste Wärmeschutzgläser (τ-Wert 0,70) hinzunehmen, da der dann erhöhte Energiebedarf für die Beleuchtung durch die Einsparungen bei der Beheizung und – je nach Orientierung der Fassade – auch bei der Kühlung deutlich kompensiert wird. Im Rahmen von Sanierungsarbeiten sollte immer geprüft werden, ob sich die Fläche des tageslichtversorgten Bereichs durch partielle bauliche Eingriffe wie Schaffung von Atrien und Lichthöfen vergrößern lässt. Auch die Optimierung der Fenster durch Reduktion von Sturzoder Brüstungshöhen, Verringerung des Rahmenanteils oder Abschrägen der Laibungen kann zur Vergrößerung der tageslichtversorgten Bereiche beitragen. Im Detail sind dann noch die Glasqualität sowie die Lage und Art des Sonnenschutzes zu optimieren und Möglichkeiten zu prüfen, durch Lichtlenkungsmaßnahmen mehr Tageslicht in die Raumtiefe zu leiten. Ganzheitlich denkende Architekten sollten die Tageslichtversorgung immer auch als Teil der gestalterischen Konzeption begreifen und deshalb diese Fragestellung nicht auf rein energetische Gesichtspunkte reduzieren. Gerade bei bestehenden Gebäuden können Maßnahmen zur Verbesserung des Tageslichteinfalls die räumlichen Qualitäten des Bestands erheblich steigern und bisher brach liegende Flächen einer hochwertigen Nutzung zuführen (Abb. 2.64). Anmerkung [1] Untersuchung der Auswirkungen von Dachoberlichtern auf den wärme- und lichttechnischen Energiebedarf von Hallenbauten auf Grundlage der DIN V 18 599. Bericht VK 43 218, Zentrum für Umweltbewusstes Bauen. Kassel 2008, unveröffentlicht.

Beispiel: Tageslichtversorgung Das einseitig belichtete Großraumbüro des Pavillons wird im Hinblick auf seine Tageslichtversorgung untersucht. Das Vorgehen entspricht den im Abschnitt »Bilanzierung« dargestellten Schritten 1 – 5. Daten: Grundfläche Büro (16,8 ≈ 7,2 m) Rohbauöffnung Fenster (16,8 ≈ 2,25 m) Unterkante Sturz über FFB (hSt) Höhe Nutzebene über FFB (hNe) Nordorientierung, kein Sonnenschutz

121 m2 37,8 m2 3m 0,8 m

Nutzungsprofil nach DIN V 18 599-10: Profil 3 – Großraumbüro (Abb. 1.27, S. 24) Betriebszeit bei Tag pro Jahr Betriebszeit bei Nacht pro Jahr geforderte Beleuchtungsstärke

2543 h 207 h 500 lx

1. Schritt: Festlegung des tageslichtversorgten Bereichs ATL aTL,max = 2,50 · (3,0 - 0,8) = 5,50 m bTL

= 16,80 m (gesamte Raumbreite)

ATL

= 5,50 m · 16,80 m = 92,40 m2

AKTL

= 121 m2 - 92,40 m2 = 28,60 m2

2. Schritt: Qualität des tageslichtversorgten Bereichs Transparenzindex ITr = 37,80 m2 ÷ 92,40 m2 = 0,41 Raumtiefenindex IRt

= 5,50 m ÷ 2,20 m = 2,5

Verbauungsindex IV = 1 (es liegt keine Verschattung durch Bebauung vor) Tageslichtquotient DRb = (4,13 + 20 · 0,41 - 1,36 · 2,5) · 1 = 8,9 % Bewertung (Abb. 2.62): »gut« 3. Schritt: Effektiver Lichttransmissionsgrad τglas = 0,7 (70 % laut Produktdatenblatt) k1 = 0,7 (30 % Rahmenanteil) = 0,9 (Standardwert) k2 = 0,9 (Standardwert) k3 τeff

= 0,7 · 0,7 · 0,9 · 0,9 = 0,4

4. Schritt: Tageslichtversorgungsfaktor CTL,vers = 0,76 (entnommen aus Abb. 2.63) 5. Schritt: Effektive Nutzung des Tageslichts teff,Tag,TL = 2543 h · 0,76 = 1933 h /Jahr teff,Tag, KTL = 2543 h - 1933 h = 610 h /Jahr Kommentar Aufgrund der Raumtiefe sind 24 % der betrachteten Raumfläche nicht mit Tageslicht versorgt. Durch zusätzliche Fenster an den Stirnseiten und ein Oberlicht würde der gesamte Raum zum tageslichtversorgten Bereich. Die Reduktion des Rahmenanteils auf 10 % (Faktor k1 = 0,9) würde den Lichttransmissionsgrad τeff auf 0,5, den Tageslichtversorgungsfaktor auf den Wert 0,82 und die effektive Nutzung des Tageslichts auf 2085 h/Jahr verbessern.

85

Anlagentechnik • Heizung • Warmwasser • Kühlung • Lüftung • Kunstlicht • Photovoltaik

Anlagentechnik für Gebäude hat die Aufgabe, die klimatischen Randbedingungen zu schaffen, um Räume planmäßig nutzen zu können. Dies erfolgt in Abhängigkeit von der Qualität der baulichen Hülle, vom örtlichen Klima und von den Komfortansprüchen der Nutzer. Der Einsatz von Anlagentechnik ist in der Regel mit dem Verbrauch von Ressourcen verbunden, es sei denn regenerative Energiequellen werden genutzt. Aber auch dann entsteht ein beträchtlicher Aufwand für die Herstellung, den Betrieb und die Wartung der Anlage. Deswegen ist es oberstes Ziel einer energieeffizienten Konzeption, den Einsatz der Anlagentechnik durch Optimierung von baulichen Maßnahmen und durch Hinterfragen des zu erreichenden Standards für die gewünschte Behaglichkeit auf das Notwendigste zu beschränken. Der unter diesen Prämissen ermittelte Bedarf an Anlagentechnik muss effizient, also mit möglichst geringem Ressourcenverbrauch betrieben werden können. Aufgabe der Planer ist es außerdem, die Bauteile der Anlagentechnik in das konstruktive und gestalterische Konzept zu integrieren. Hausanschlussraum Jedes Gebäude wird zur Ver- und Entsorgung an das öffentliche Netz angebunden. Folgende Netzinfrastruktur wird von der öffentlichen Hand vorgehalten: • Kaltwassernetz • Gasnetz (nicht flächendeckend) • Fernwärmenetz (nicht flächendeckend) • Abwassernetz • Stromnetz Um den Übergang von der öffentlichen Erschließung zur privaten Gebäudeerschließung eindeutig definieren zu können, ist in jedem Gebäude in Straßennähe ein sogenannter Hausanschlussraum vorzusehen. Bis in den Hausanschlussraum wird das Netz öffentlich verlegt und am 86

Übergabepunkt mit entsprechenden Absperrvorrichtungen versehen. Hier kann das Gebäude bei Arbeiten am Haus oder am öffentlichen Netz von der Infrastruktur abgekoppelt werden. Auch liegt hier die Schnittstelle der Verantwortung für Wartung, Unterhalt und Reparatur. Der Hausanschlussraum sollte vom Treppenhaus aus zugänglich sein und entsprechend Abb. 3.1 ausgestattet werden. Heizraum Aufgrund der spezifischen Gefahr, die mit der Verbrennung von Ressourcen verbunden ist, müssen Räume für sogenannte Feuerstätten besondere Anforderungen erfüllen. Differenzierte Regelungen zur Ausgestaltung von Heizräumen finden sich in der Muster-Feuerungsverordnung (MFeuVO). Die Größe des Aufstellraums für Feuerstätten wird häufig unterschätzt. Allein eine Wand im Heizraum ist belegt durch die Heizungsverteilung, dazu kommen neben dem eigentlichen Wärmeerzeuger in der Regel noch ein Brauchwasserspeicher und gegebenenfalls ein Pufferspeicher für die Heizung sowie zusätzliche Speicher zur Nutzung von thermischer Solarenergie. Alle Geräte müssen zu Wartungszwecken dreiseitig zugänglich sein. Um an der Decke ausreichend Platz für Rohrleitungen zu haben, ist in der Regel eine lichte Raumhöhe von mindestens 2,50 m nötig. Lüftungszentrale Der Platzbedarf für Lüftungsgeräte hängt von der Art der Luftaufbereitung ab und von der Menge an Luft, die bewegt werden soll. Die Geräte können zentral für das gesamte Gebäude angeordnet werden oder dezentral für einzelne Bereiche. Letzteres bietet sich insbesondere für Gebäude an, die Bereiche mit unterschiedlichen Lüftungsanforderungen aufweisen.

Kältezentrale Die Kältemaschine sollte möglichst in unmittelbarer Nähe zum Rückkühlwerk liegen, über welches die dem Innenraum entzogene Wärme an die Außenluft abgegeben wird. Kältemaschine und Rückkühleinrichtung können gemeinsam auf dem Dach des Hauses platziert werden. Die Kältemaschine kann aber auch zusammen mit anderen Einrichtungen im Untergeschoss oder dezentral nur in bestimmten Geschossen installiert werden. Sanitärzentralen Die Wasserver- und -entsorgung hat im Zuge der Diskussion um nachhaltiges Bauen eine immer wichtigere Rolle erlangt. Zu erwähnen sind in diesem Zusammenhang Anlagen zur Wasserreinigung und zur Rückgewinnung von Wärme aus dem Abwasser, was dann zur Einrichtung eigener Sanitärzentralen führt. Bei Regenwassernutzung dienen Sanitärzentralen sinnvollerweise auch der Einspeisung des gesammelten Regenwassers in das Wasserverteilnetz. Elektrozentrale Die Versorgung mit Strom erfordert Elektroverteiler, Unterverteiler und Zähler. Auch diese Einrichtungen sind sinnvollerweise räumlich separiert in einem eigenen Raum untergebracht. Schwachstromzentrale Die umfangreiche Ausstattung aller Gebäude mit unterschiedlich vernetzten Kommunikationseinrichtungen erfordert für diese Installationen eine eigene Zentrale. Platzbedarf für Technikzentralen Die Größe von Technikzentralen in Gebäuden kann überschlägig mithilfe der Norm VDI 2050 bestimmt werden (Abb. 3.2).

Anlagentechnik

Technikzentralen können je nach Objekt und Anforderung an die technische Ausstattung zentral, dezentral oder sowohl zentral als auch dezentral im Gebäude angeordnet werden. Ihre Anordnung im Untergeschoss erlaubt eine problemlose Anbindung an das öffentliche Netz. Auch können schwere Geräte und Speicher direkt, d. h. gegebenenfalls auf eigenen Fundamenten gegründet werden. Erforderliche Schalldämmmaßnahmen sind im Untergeschoss ebenfalls gut durchführbar (Abb. 3.3 a).

5 3

25

20

21 ≥ 180

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

11 Erdgleiche 10

6

2 18

24 16 17

≥ 120

1

≥ 25

19 20 21 22 23

≥ 50

≥ 35

≥ 180

4

12

8 9 13 7

15

24

20 21 22 23 24 25 26

≥ 200

14

26

Hauseinführungskabel für Starkstrom Starkstrom-Hausanschlusskasten Starkstrom-Hauptleitung ggf. Zählerschrank Starkstrom-Ableitungen von Messeinrichtungen zu den Stromkreisverteilern Kabelschutzrohr Hausanschlussleitung für Wasser mit Zähler Hausanschlussleitung für Gas Gas-Hauptabsperr-Einrichtung Isolierstück Hausanschlussleitung für Fernmeldeeinrichtung Heizungsrohre Abwasserrohr Fundamenterder Anschlussfahne des Fundamenterders Potenzialausgleichsschiene Blitzschutzanlage Schutzleiter für Heizungsrohre Verbindungsleitung bei Schutzmaßnahme im TN-System Schutzleiter bei Schutzmaßnahme im TT-System Schutzleiter für Fernmeldeanlage Schutzleiter für Antennenanlage Schutzleiter für Gasrohre Schutzleiter für Wasserrohre Deckenleuchte ggf. Bodenablauf

14

Technikfläche FF [m2]

3.1 Technikfläche FF [m2]

Anordnung von Technikzentralen Die Platzierung der Technikzentrale auf dem Dach hat den Vorteil der einfachen Organisation von Lüftungsanlagen hinsichtlich Fortluft und Außenluftzufuhr sowie bei Kühleinrichtungen der direkten Verbindung von Kältemaschine und Rückkühlwerk (Abb. 3.3 b). Bei Nutzung thermischer Solarenergie ergeben sich kurze Wege für die Einspeisung in den Pufferspeicher. Allerdings muss in diesem Fall das beträchtliche Gewicht der Anlagenbauteile in der obersten Geschossdecke aufgenommen und abgeleitet werden. Außerdem bedarf das oft unterschätzte Volumen solcher Dachzentralen einer gründlichen gestalterischen Bearbeitung, da andernfalls die Außenwirkung des gesamten Baukörpers, besonders in der Fernsicht, stark beeinträchtigt werden kann. In vielgeschossigen Gebäuden können Technikzentralen auch mittig in einem separaten Technikgeschoss sinnvoll angeordnet werden. In diesem Fall ermöglichen die kürzeren Wege für die Verteilleitungen, speziell für Lüftungsanlagen, deutlich reduzierte Querschnitte. Möglich ist es auch, die Wärmeversorgung zentral zu organisieren, während einzelne Gebäudeabschnitte je nach Anforderung mit dezentralen technischen Anlagen gekühlt oder mechanisch belüftet werden. Insbesondere bei der Raumlüftung werden zunehmend dezentrale Einrichtungen einer zentralen Anlage vorgezogen. Ein Gebäude kann dann unter Umständen sechs bis acht Lüftungszentralen besitzen. Klassenzimmer in Schulgebäuden oder Räume mit ähnlichen Nutzungen werden häufig sogar raumbezogen durch Einzelgeräte be- und entlüftet, die – wie bei Einfamilienhäusern oder großen Wohnungen – einen Luftaustausch von ca. 400 m3/h ermöglichen. Der Vorteil der dezentralen Lüftung liegt in ihrer hohen Anpassungsfähigkeit an die jeweilige Nutzung.

1 2 3 4 5

22

275 250 225

Heizung/Sanitär/Elektro ohne Raumlufttechnik

200 175 150

1100 1000

Heizung/Lüftung/Sanitär/ Kälte/Elektro RLT-Zentrale 3 V=6 m 2 h·m

900 800 700 600

thermische Bauteilaktivierung/ Kühldecke

125 100

500 400

75

300

50

200 100

25 3 7 11 15 19 23 27 31 35 39 43 47 51 Bruttogrundfläche BGF in 1000 m2 a

b S

3 7 11 15 19 23 27 31 35 39 43 47 51 Bruttogrundfläche BGF in 1000 m2 3.2 S FO RK

RK

ZU

AU

AB

RLT

ZU

AU

K H KZ

HZ

AB

FO

RLT

K KZ H

HZ

BR

BR

a 3.1 Hausanschlussraum eines Wohngebäudes (elektrische Leitungen grün, Maße in cm) 3.2 Flächenbedarf für Technikzentralen von Verwaltungsgebäuden nach VDI 2050 a ohne Lüftungsanlage b mit raumlufttechnischen Anlagen (RLT) 3.3 Technikzentrale a im Untergeschoss b auf dem Dach RK Rückkühlwerk

b

3.3 KZ HZ K FO AU AB ZU RLT H S BR

Kältezentrale Heizzentrale Kälte Fortluft Außenluft Abluft Zuluft Raumlufttechnik (Heizen und Kühlen) Warmwasser Schornstein Brennstoff

87

Anlagentechnik

Heizung Gebäude besitzen entweder eine eigene Anlagentechnik zur Wärmeerzeugung oder sind an ein Nah- oder Fernwärmenetz angeschlossen. Beim Nah- oder Fernwärmeanschluss wird im Haus statt des Wärmeerzeugers ein Wärmetauscher installiert. Fernwärmenutzung ist energetisch gesehen sinnvoll, aber aufgrund der hohen Verteilverluste nur im Umkreis von 5 bis 10 km des jeweiligen Kraftwerks möglich. In der Regel sind deshalb die Wärmeerzeuger im Gebäude selbst installiert. Heizanlagen können als Zentralheizung oder als dezentrale Etagenheizung ausgeführt werden. Bei zentraler Anordnung des Wärmeerzeugers hat die Dachheizzentrale im Vergleich zur Kellerzentrale einige Vorteile. Ein Kamin ist nicht erforderlich, eine Solaranlage kann optimal (ohne lange Verteilleitungen) angeschlossen werden. Bei der dezentralen Etagenheizung besitzt jede Wohnung eine eigene Anlage. Die Einbindung regenerativer Energiequellen ist dann jedoch nicht bzw. nur mit hohem Aufwand möglich. System

Bei einer Heizanlage handelt es sich um einen geschlossenen Kreislauf. Als Transport- und Speichermedium wird meist Wasser eingesetzt. Im Heizkessel wird das Wasser erwärmt und mithilfe der Umwälzpumpe über die Rohrleitungen zu den Heizflächen transportiert. Bei Anlagen, die unterschiedliche Temperaturanforderungen stellen, sorgt ein Verteiler in Kombination mit 3-Wege-Mischern dafür, dass in jeden Heizkreislauf die benötigte Warmwassermenge mit der erforderlichen Temperatur eingespeist wird. Die Heizflächen geben die Wärme an den Raum ab. Dabei kühlt das Heizwasser ab, fließt über die Rücklaufleitung zum Kessel

zurück und wird wieder aufgeheizt. Die Regelungstechnik übernimmt die automatische Verknüpfung der Bauteile nach entsprechend programmierten Vorgaben. Die Wärmeabgabe im Raum kann entweder durch Thermostatventile an den Heizkörpern oder durch Raumtemperaturfühler geregelt werden. Außentemperaturfühler sorgen dafür, dass die Vorlauftemperatur den jeweiligen Witterungsverhältnissen angepasst und somit nur bei sehr niedrigen Außentemperaturen auf ihren Höchstwert erhitzt wird. Vor- und Rücklauftemperaturen sind je nach Heizsystem unterschiedlich. Bei einer typischen Öl- oder Gasheizung mit Gliederheizkörpern beträgt die Vorlauftemperatur 70 °C und die Rücklauftemperatur 50 °C. Bei einer Flächenheizung, die von einer Wärmepumpe gespeist wird, liegen die Temperaturen bei 35 /28 °C. Prinzipiell sind Heizanlagen mit geringeren Systemtemperaturen effizienter und komfortabler. Für die Bereitstellung von Warmwasser und als Pufferspeicher für die Heizung werden oftmals Wasserspeicher in die Anlage integriert. Der Heizungspufferspeicher reduziert bei Anlagen, die nicht modulieren (regulierend verbrennen) können, die Taktfrequenz der Kaltstarts und verbessert damit die Effizienz der Anlage (Abb. 3.6 a). Bei Nichtwohngebäuden und auch bei energetisch hochwertigen Wohngebäuden wie Passivhäusern wird die Wärmeverteilung teilweise oder vollständig über Luft vorgenommen. Dieses Prinzip nutzt das schon vorhandene Belüftungssystem auch für den Wärmetransport, sodass dann ein wassergeführtes Verteilsystem entfallen kann (Abb. 3.6 b). Voraussetzung für die energetische Effizienz solcher Systeme ist die Abstimmung des Wärmebedarfs für die Raumkonditionierung auf die zur Frischluftver4,5

Förderdruck [kPa]

0,2 0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

60 50 1,4

40 30 III

II

20

1,6

I

10 0 Leistung [W]

1

2

3

110

3

2,5

100

2 1,8

90

1,6

80

1,4 70

1,2

60

1

50

0,8

4 5 6 Heizwasser [m3/h]

0,6 0,4

30

III II

90

0 I

3.4

88

3,5

110

40 0

50

Vorlauftemperatur [°C]

Durchfluss Heizungsrohr (Rohrnetzkennlinie) [l/s]

+10

0 -10 -20 Außentemperatur [°C] 3.5

sorgung erforderliche Luftmenge. Die am kältesten Tag erforderliche Wärmemenge sollte demzufolge mit maximal 40 °C warmer Luft in den Raum eingebracht werden können, ohne dass die Luftwechselzahl – also die Menge an Luft, die bezogen auf das Nettovolumen des Raums stündlich eingebracht wird – über das für die Frischluftzufuhr erforderliche Maß erhöht werden muss. Wenn die auf 45 °C erhitzte Luftmenge nicht ausreicht, um die nötige Wärme in den Raum einzubringen, sind nur zur Beheizung erhöhte technische Aufwendungen für größere Kanalquerschnitte, Auslässe und Antriebe erforderlich. Die genannten Vorgaben werden bei Gebäuden erfüllt, die einen geringen Wärmebedarf besitzen, also optimal gedämmte Hüllflächen und einen moderaten Fensterflächenanteil von ca. 50 % an der gesamten Fassadenfläche aufweisen. Pumpen Ein wesentliches Bauteil im Anlagensystem sind die Pumpen, die den Heizkreislauf in Gang halten. Die Anpassung der Pumpenleistung an den Bedarf trägt auch zur Energieeffizienz der Heizanlage bei. Eine ungeregelte Pumpe kann lediglich in maximal vier Stufen voreingestellt werden. Die Einstellung orientiert sich dabei an der maximal erforderlichen Wasserfördermenge in m3/h am kältesten Tag. Wird nun weniger Durchlauf benötigt, so sinkt die Pumpenleistung nur gering ab, die nicht abgerufene Leistung wird durch Erwärmung der Pumpe freigesetzt. Drehzahlgeregelte Pumpen sind dagegen in der Lage, ihre Leistung dem Bedarf anzupassen und dadurch den Stromverbrauch um bis zu 90 % zu reduzieren (Abb. 3.4). Regelung Während alte Heizkessel, sogenannte Konstanttemperaturkessel, nur im Ein/ Aus-Betrieb funktionierten, wird mit dem Einsatz von elektronischen Bauteilen die Temperatur des Heizwassers in Abhängigkeit von der Außentemperatur geregelt. In vorkonfigurierten Steuerbefehlen kann die Wassertemperatur in Bezug auf die gewünschte Innen- und Außentemperatur über die sogenannte Heizkurve am Heizkessel bestimmt werden. So führt beispielsweise die Einstellung der Heizkurve auf 0,8 dazu, dass bei -15 °C Außentemperatur eine Vorlauftemperatur von 50 °C bereitgestellt wird. Die Vorlauftemperatur sinkt dann mit steigender Außentemperatur kontinuierlich ab (Abb. 3.5). Die Heizkurve muss

Heizung

in Abhängigkeit von der Heizlast und von den vorgesehenen bzw. vorhandenen Heizflächen vom Fachplaner festgelegt werden. Aufgrund der neuen Regelungsmöglichkeiten wird diese Anfang der Neunzigerjahre eingeführte Kesselgeneration als Niedertemperaturkessel bezeichnet. In größeren Systemen, die mit einem Verteiler arbeiten, wird die Regelung durch Mischen von Warm- und Kaltwasser am jeweiligen Kreislauf vorgenommen. Das warme Wasser wird dann je nach Verfügbarkeit vom Heizkessel oder von einem Solarspeicher bereitgestellt. In kleineren Anlagen kann die Wassertemperatur direkt über den Heizkessel gesteuert werden – wie beispielsweise durch die modulierende Verbrennung bei Gasbrennern – oder indirekt durch Abmischen mit einer entsprechenden Wassermenge aus dem Pufferspeicher.

4

5.b 40/30 °C

5.a 50/40 °C

2.b 3.a

1

2.a VL 3.b

RL

3.c

Wärmeerzeugung

Wärme wird in der Regel durch direkte Verbrennung von Rohstoffen erzeugt. Als Rohstoffe stehen Gas, Öl und Biomasse zur Verfügung. Moderne Wärmeerzeuger, die mit Öl oder Gas betrieben werden, können ihre Wärmeleistung dem Wärmebedarf modulierend anpassen, sodass eine Wärmeerzeugung mit geringen Verlusten möglich ist. Eine modulierende Betriebsweise ist bei der Verbrennung von Biomasse (Holz) nur eingeschränkt möglich. Deshalb kommt hier ein Heizungspufferspeicher zum Einsatz. Bei der sogenannten Nahwärme versorgt ein Heizkessel mehrere Gebäude mit Wärme, während bei der Fernwärmeversorgung ganze Gemeinden oder Stadtteile von lokalen Energieversorgungsunternehmen mit Wärme aus Heizkraftwerken beliefert werden. Häufig wird auch Abwärme, die bei der Stromerzeugung oder Müllverbrennung entsteht, in Nah- oder Fernwärmenetze eingespeist (Abb. 3.10). Verbrennung – Niedertemperaturkessel Ein Niedertemperaturheizkessel passt seine Wärmeerzeugung automatisch den Erfordernissen an. Das Wasser wird nur so weit aufgeheizt, wie dies aufgrund der Außentemperatur oder für die Warmwasserbereitung notwendig ist. Dies ist eine wesentliche Ursache für den höheren Wirkungsgrad moderner Niedertemperaturkessel gegenüber den älteren Modellen. Außerdem sind sie besser wärmegedämmt, um die Verluste durch Auskühlung zu minimieren.

a

5.c

4

5.d

Außenluft 0 °C

Zuluft 40 °C

Fortluft 16 °C

Abluft 24 °C

2.b 3.a

1

2.a VL RL

3.b 3.c

3.6

b 3.4 Leistungsdiagramm ungeregelter Pumpen. Die Pumpe wird auf die Maximalleistung am kältesten Tag ausgelegt (Stufe III). Mit sinkendem Heizwasserbedarf fällt der Förderdruck im Rohr ab. Zur Stromeinsparung müsste dann an der Pumpe eine niedrigere Leistungsstufe (II oder I) eingestellt werden. 3.5 Heizkurve für Raumtemperatur 22 °C und Vor-/Rücklauftemperatur 50/40 °C 3.6 Anlagenschema der Wärmeverteilung a über Wasser b über Luft 1 Verteiler

Wärmeerzeugung: 2.a Wärmeerzeuger 2.b Fernwärme Speicher: 3.a Warmwasserspeicher 3.b Pufferspeicher 3.c Langzeitspeicher 4 Solarkollektor Wärmeabgabe: 5.a Hochtemperaturkreis (Heizkörper) 5.b Niedertemperaturkreis (Flächenheizung) 5.c Luftheizung: Wärmetauscher 5.d Luftheizung: Nacherhitzer

89

Anlagentechnik

Verbrennung – Brennwertkessel Brennwertgeräte sind effizienter als Niedertemperaturkessel, da sie auch die Wärme aus den Verbrennungsabgasen nutzen. Hierzu wird das relativ kalte Heizungswasser aus dem Rücklauf über einen Wärmetauscher durch das warme Abgas geführt und vorgewärmt. Bei Abkühlung unter den Taupunkt gibt das Abgas zusätzlich die Kondensationswärme an das Rücklaufwasser ab. Die abgekühlten Abgase haben dann allerdings nicht mehr genug eigenen thermischen Auftrieb und werden mit einem Gebläse abgeführt. Vorhandene Kamine müssen wegen des anfallenden Kondensats und des Überdrucks im Abgassystem für die Nutzung der Brennwerttechnik ertüchtigt werden. Hierzu zieht man beispielsweise Rohre aus Kunststoff oder Edelstahl in die alten Kamine ein. Verbrennung – neue Konzepte Die Verbrennung von Primärressourcen – in diesem Fall Gas – bietet noch in verschiedener Hinsicht Entwicklungspotenzial zur Erhöhung des Energieertrags. Zwei Strategien sind denkbar: • Bei einer gasmotorisch betriebenen Wärmepumpe wird das in der Wärmepumpe zirkulierende Medium über das Prinzip der Absorption durch Wärmezufuhr auf ein höheres Temperatur-

niveau gebracht. In der Bilanz führt das dazu, dass durch Nutzung der Umweltwärme, z. B. Luft, aus einem Kubikmeter Gas im Jahresmittel etwa 14 – 16 kWh Wärme aus der Umwelt gewonnen werden können. (Zum Vergleich: Bei Direktverbrennung liegt dieser Wert lediglich bei 10 –11 kWh.) • Ein weiteres Prinzip zur Effizienzsteigerung von Gasbrennern sind die seit Kurzem auf dem Markt befindlichen Adsorptionswärmepumpen. Durch Be- und Entladen eines ZeolithSpeichers mittels solarer Energie kann Umweltwärme genutzt werden, sodass sich bei dieser Art der Beheizung aus der Verbrennung von einem Kubikmeter Gas ca. 15 kWh Wärme gewinnen lassen. Strom – Direktheizung Bei einer Elektroheizung wird Strom direkt in Wärme umgesetzt und im Fall der Elektrospeicherheizung in einem steinernen Speicherkern gespeichert. Der Gesamtwirkungsgrad ist aufgrund der großen Verluste bei der Produktion und Verteilung des elektrischen Stroms sehr ungünstig. Sinnvoll sind Elektroheizungen vor allem dann, wenn der Aufwand der Wärmeproduktion für andere Systeme zu groß wäre. So kann beispielsweise eine Solaranlage, die das Brauchwasser

erwärmt, im Sommer durch eine elektrische Beheizung unterstützt werden, statt für wenige Stunden einen Kessel anzuwerfen. Strom – Wärmepumpe Durch Nutzung des thermodynamischen Kreisprozesses, der auch beim Kühlschrank angewendet wird, kann man mit einer geringen Menge elektrischer Energie für den Antrieb eines Verdichters eine wesentlich größere Menge Wärmeenergie produzieren (Abb. 3.7). Als Wärmequelle werden die Außenluft, besser jedoch das Erdreich oder das Grundwasser herangezogen. Die Leistungszahl COP (Coefficient of Performance), das Verhältnis der eingesetzten elektrischen Energie zur erreichten Heizleistung, sollte in Anbetracht des hohen Primärenergieeinsatzes für die Stromerzeugung im Jahresmittel mindestens drei betragen. Die Leistungszahl der Wärmepumpe ist umso höher, je geringer der Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle und dem Heizungsvorlauf ist (Abb. 3.8). Sie bildet immer einen momentanen Zustand unter festgelegten Laborbedingungen ab – also beispielsweise die elektrische Leistung und Heizleistung bei einer Ausgangstemperatur (Temperatur der Wärmequelle) von 0 °C und einer gewünschten Endtemperatur (Vorlauftemperatur des Heizsys-

Leistungszahl ε (COP) von Wärmepumpen kalt / flüssig

e

Wärmequelle

Wärmequellen

Vorlauftemperatur Heizwasser

30°C

5 °C Expansion

Luft

Gebäude 36°C

12 °C a

b

d

8°C

30°C Kompression 11 °C gasförmig

40°C c

Grundwasser

Erdreich

°C

- 15

- 10

-5

±0

+5

+10

+15

~+10

~±0

30

–

–

–

3,10

3,20

3,30

3,50

5,80

5,00

35

2,50

2,60

2,70

2,90

3,00

3,20

3,40

5,20

4,40

40

2,20

2,30

2,40

2,60

2,80

3,00

3,20

4,70

3,90

45

2,00

2,10

2,30

2,40

2,60

2,80

3,00

4,30

3,50

50

1,90

2,00

2,10

2,30

2,50

2,70

2,90

4,00

3,30

55

1,80

1,90

2,00

2,20

2,40

2,60

2,80

3,80

3,10

3.7 3.7 Funktionsschema einer Wärmepumpe für die Raumheizung a Wärmequelle (z. B. Erdsonde, Erdkollektor, Grundwasser oder Außenluft) b Wärmetausch Wasser bzw. Sole/Kältemittel (Kältemittel verdampft) c Verdichter: Kältemittel wird durch Kompression erhitzt (Stromzufuhr) d Wärmetausch Kältemittel/Wasser (Wärmeabgabe an Heizkreislauf) e Expansionsventil: Expansion des Kältemittels (Verflüssigung und Abkühlung) 3.8 Effizienz von Wärmepumpen: ungefähre mittlere Leistungszahl (COP) bei unterschiedlichen Wärmequellen und Temperaturen 3.9 Treibhauspotenziale verschiedener Kältemittel für Wärmepumpen relativ zu Kohlendioxid (siehe Abb. 3.27, S. 101)

3.8 Treibhauspotenziale (GWP) von Kältemitteln im Vergleich zu CO2 Abkürzung

Name

Stoffgruppe

R 12

Dichloridfluormethan

FCKW

Treibhauspotenzial

R 134 a

1, 1, 1,2-Tetrafluorethan

HFKW

1300

R 404 A

Gemisch aus verschiedenen HFKW

HFKW

3260

R 407 C

Gemisch aus verschiedenen HFKW

HFKW

1530

R 410 A

Gemisch aus verschiedenen HFKW

HFKW

1730

R 290

Propan

FKW-frei

R 600 a

Butan

FKW-frei

3

R 744

Kohlendioxid

FKW-frei

1

R 717

Ammoniak

FKW-frei

0

R 1070

Propen

FKW-frei

3

6640

3

3.9

90

Heizung

tems) von 35 °C. Sie dient zum Vergleich der Effizienz von Wärmepumpenanlagen unterschiedlicher Hersteller. Zu beachten ist, dass die elektrische Leistung des gesamten Systems in die Betrachtung einbezogen werden muss – also auch der Stromverbrauch der Ventilatoren von LuftWasser-Wärmepumpen oder der Kreislaufpumpen von Grundwasser- und Erdwärmepumpen. Für die energetische Bilanzierung ist die sogenannte Jahresarbeitszahl β die bessere Kenngröße. Hier wird monatlich der Stromeinsatz für das jeweilige System mit der vom System abgegebenen Wärmemenge in Beziehung gesetzt. Naturgemäß schwankt die Jahresarbeitszahl in Abhängigkeit von der Temperatur der Wärmequelle und der gewünschten Temperatur des Heizsystems. Während bei Wärmepumpen, die Grundwasser (10 °C) oder Erdwärme (2 °C) als Wärmequellen nutzen, die Wärmequelle eine relativ konstante Temperatur besitzt, stellt sich die Situation bei der Wärmequelle Luft vollkommen anders dar. Hier schwankt die Temperatur der Wärmequelle zwischen -12 und + 30 °C. Dementsprechend unterschiedlich sind auch die Leistungszahlen der Luftwärmepumpe – unabhängig von der gewünschten Zieltemperatur. Für alle verfügbaren Wärmequellen gilt eine niedrige Vorlauftemperatur im Heizsystem als wesentliche Voraussetzung für die Effizienz der Wärmepumpe. Sie wird nur erreicht, wenn der Wärmebedarf gering ist und die Wärmeabgabe über Flächensysteme (Fußboden- oder Wandheizung) erfolgt. Als Alternative zur Flächenheizung ist unter Umständen auch die Installation sehr groß dimensionierter konventioneller Heizkörper oder neuartiger gebläseunterstützter »Niedrigstenergieheizkörper« möglich. Auch zur Brauchwasserversorgung ist die Erzeugung von 60 °C heißem Wasser allein über eine Wärmepumpe energetisch ineffizient. Hier sollte eine Solaranlage unterstützend zur Wärmeerzeugung herangezogen werden, sodass sich die Zeit, in der Warmwasser über die Wärmepumpe erzeugt wird, deutlich reduzieren lässt. Eine weitere energetische Optimierung ist durch dezentrale Frischwassermodule im Warmwassersystem möglich, wodurch die Zieltemperatur reduziert und somit die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe erhöht werden kann (siehe Warmwasser, S. 97ff.). Umwelttechnisch problematisch sind allerdings die Medien, die den Kreislaufprozess in der Wärmepumpe in Gang hal-

ten. Treten diese Gase unkontrolliert aus, so ist ihre Klimaschädlichkeit beträchtlich. Bei der Auswahl der Wärmepumpe ist deshalb auch zu prüfen, ob umweltfreundliche Betriebsmittel eingesetzt werden können (Abb. 3.27, S. 101). Kraft-Wärme-Kopplung durch Verbrennung Kernstück eines Blockheizkraftwerks (BHKW) ist ein Verbrennungsmotor oder eine Gasturbine zum Antrieb eines Stromgenerators. Der erzeugte Strom wird am Entstehungsort genutzt oder in das Stromnetz eingespeist, die Abwärme dient zur Gebäudebeheizung (KraftWärme-Kopplung). In der Regel werden mit einem BHKW die Grundlasten der Heizung und mit einem weiteren Heizkessel die Spitzenlasten abgedeckt. Aus wirtschaftlichen Gründen sollten BHKWs nur bei Wärmebedarf, also nicht zur reinen Stromproduktion und möglichst ganzjährig eingesetzt werden. Ideal ausgelastet werden BHKWs in Nahwärmenetzen mit möglichst gleichmäßiger Wärmeabnahme. Kraft-Wärme-Kopplung durch Wasserstoffnutzung In der Brennstoffzelle reagieren Wasserstoff und Sauerstoff, die durch einen Elektrolyten getrennt sind, miteinander zu Wasser. Dabei kommt es zu einem Elektronenfluss und die Brennstoffzelle produziert Strom. Wie beim BHKW wird auch hier die entstehende Abwärme zur Gebäudebeheizung genutzt (KraftWärme-Kopplung). Der benötigte Wasserstoff kann durch Elektrolyse aus Wasser oder durch Abspaltung aus Erdgas gewonnen werden. Wenn die Elektrolyse mittels Solarstrom durchgeführt wird, kann Wasserstoff ohne Ressourcenverbrauch erzeugt werden. Eine Speicherung des solar erzeugten Wasserstoffs ist inzwischen möglich, die Nutzung der Brennstoffzellentechnologie befindet sich jedoch noch im Entwicklungsstadium. Regenerative Energie – Biomasse Die Verbrennung von Biomasse – in der Regel handelt es sich um Holz – ist in den einschlägigen Normen sehr positiv bewertet, weil hierbei ein nachwachsender Rohstoff zum Einsatz kommt, also nur wenig Primärenergie (für Herstellung und Transport) verbraucht wird. Auch ist die Verbrennung hinsichtlich des CO2-Ausstoßes rechnerisch nahezu emissionsfrei, da die Biomasse zu ihrem Wachstum den Anteil an CO2 aus der Umwelt entnimmt, den sie bei der Verbrennung wieder abgibt. Allerdings ist die Verbrennung

Beispiel: Wärmepumpe Bei dem Gebäude soll die Energieversorgung (Heizung und Warmwasser) komplett über eine Luft-Wasser-Wärmepumpe erfolgen. Die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe wird auf Grundlage der VDI 4650 berechnet. Eingabedaten Leistungszahlen ε (COP) der Wärmepumpe (Herstellerangabe; A = Ausgangs-/ W = Zieltemperatur) εN1 bei A – 7/ W 35 3,00 εN2 bei A 2 / W 35 3,50 εN3 bei A10 / W 35 4,40 Korrekturfaktoren für 55 °C Vorlauf- und –16 °C Außentemperatur (siehe unten stehende Tabelle) 1) Fϑ1 0,180 Fϑ2 0,564 Fϑ3 0,147 Berücksichtigung von Temperaturdifferenzen (FΔϑ) am Verflüssiger (VDI 4650, Tabelle 1) ΔϑM bei der Prüfstandsmessung 5 oder 10 K berechnet ΔϑB am konkreten Projekt 1,000 FΔϑ (vereinfacht) α Deckungsanteil der Wärmepumpe an Heizung und Warmwasserbereitung (im monoenergetischen Betrieb, monovalenter oder bivalenter Betrieb mit unterschiedlichen Energieträgern) 1,00 x Anteil des Heizwärmebedarfs 0,82 y Anteil des Warmwasser-Wärmebedarfs 0,18 Jahresarbeitszahl Heizbetrieb Gleichung: βH = (εN1 · Fϑ1 + εN2 · Fϑ2 + εN3 · Fϑ3 ) · FΔϑ βH = Jahresarbeitszahl Heizbetrieb = 3,16 Jahresarbeitszahl Brauchwassererwärmung Gleichung: βW = (εN1 · 0,103 + εN2 · 0,903 + εN3 · 0,061) · FΔϑ βW = Jahresarbeitszahl Brauchwassererwärmung = 3,74 Gesamt-Jahresarbeitszahl Gleichung: βWP =

1 x· α +y· α +1–α βh βWP

βWP = Gesamt-Jahresarbeitszahl = 3,25 Korrekturfaktoren laut VDI 4650, Tabelle 4 a (für Vorlauftemperatur 55 °C, HG = 15 °C) Betriebszustand Fϑ1 (A–7, W35) Fϑ2 (A2, W35) Fϑ3 (A10, W35)

Normaußentemperatur [°C] - 10 - 12 - 14 - 16 0,051 0,081 0,109 0,180 0,635 0,635 0,626 0,564 0,217 0,179 0,160 0,147

91

Anlagentechnik

von Holz aus mehreren Gründen kritisch zu hinterfragen. Holz eignet sich in hohem Maß als CO2-Speicher; es ist unverständlich, warum dieser Speicher durch die Verbrennung aufgelöst wird. Besser wäre deshalb der konsequente Erhalt dieser CO2-Speicher und eine anderweitige Nutzung des Holzes, beispielsweise vermehrt für Baukonstruktionen. Auch ist mit der Holzverbrennung gerade in Kleinanlagen eine erhöhte Feinstaubbelastung verbunden, sodass sie nur in größeren Anlagen, die mit leistungsfähigen Feinstaubfiltern ausgerüstet sind, in Form von Nahwärmekonzepten erfolgen sollte. Nur in dieser Form ist eine effiziente Emissionskontrolle möglich. Nicht zuletzt lässt sich die Verbrennung von Biomasse nur dann rechtfertigen, wenn sie auf Grundlage eines nachhaltigen Konzepts erfolgt. Unkontrollierte Abholzungen sind genauso wenig sinnvoll wie die Nutzung wertvoller Bodenflächen zur Treibstoffgewinnung.

Regenerative Energie – Umweltwärme Wärme, die sich wieder regeneriert, kann der Umwelt mithilfe von Wärmepumpen entnommen werden. Wärme aus dem Grundwasser, aus der Erde oder aus der Luft ist jedoch nur mit einem beträchtlichen Aufwand an Hilfsenergie zur Wärmeerzeugung nutzbar. Denn die aus der Umwelt entnommene Wärme muss erst mithilfe strombetriebener Wärmepumpen auf ein Temperaturniveau von ca. 30 – 60 °C gehoben werden, damit sie für die Beheizung oder Warmwasserbereitung im Gebäude brauchbar ist. Einsparungen bei der benötigten Hilfsenergie sind daher bei dieser Form der Wärmeerzeugung Ziel einer energieoptimierten Gesamtplanung. Regenerative Energie – thermische Solaranlagen Die Sonne liefert wesentlich mehr Energie, als wir benötigen. Durch südorientierte Verglasungen wird die Sonnenein-

strahlung passiv zur Gebäudebeheizung genutzt. Mit einer thermischen Solaranlage in Kombination mit Speichermedien kann die solare Energie aktiv, also unabhängig vom baulichen Konzept genutzt werden. Sie wird von Kollektoren aufgenommen und über einen Wasserkreislauf in einen Speicher transportiert. Thermische Solaranlagen werden hauptsächlich für die Erwärmung des Brauchwassers eingesetzt. Bei den heutigen Energiepreisen ist es wirtschaftlich sinnvoll, bis zu 70 % des Warmwasserbedarfs mit Solarenergie zu decken. Durch den höheren Speicher- und Regelungsaufwand ist eine intensivere Nutzung der Solarenergie mittels Langzeitspeicher zur Gebäudebeheizung heute noch nicht wirtschaftlich und daher auch seltener anzutreffen. Eine geringfügige Heizungsunterstützung kann jedoch als Erweiterung der solaren Brauchwassererwärmung günstig realisiert werden, indem lediglich der Pufferspeicher vergrößert

Beheizung eines Wohngebäudes: Variantenvergleich Erzeugerwirkungsgrad [-]

Endenergie [kWh]

Ressource

Primärenergie [kWh]

TreibKosten/ hausJahr potenzial [€] [kg CO2Äquiv.]

Kosten in 20 Jahren [€]

Investition 2) [€]

Annuität Gesamt [€] [€]

Bemerkung

Wärmeerzeugung Verbrennung Konstanttemperaturkessel bis Baujahr 1985

1,3

13 000

Gas

14 300

3159

1040

38 257

Niedertemperaturkessel bis Baujahr 1995 ab Baujahr 1996 Baujahr 2010

1,2 1,15 1,1

12 000 11 500 11 000

Gas Gas Gas

13 200 12 650 12 100

2916 2795 2673

960 920 880

35 314 32 371 32 371

6000

8890

41 261

Brennwertkessel bis Baujahr 1995 ab Baujahr 1996 Baujahr 2010

0,14 1,05 1 0,95

10 500 10 000 9500

Gas Gas Gas

11 550 11 000 10 450

2551 2430 2309

840 800 760

30 900 29 428 27 917

8000

11 773

39 690

Holzpelletkessel Baujahr 2010

1,2

12 000

Biomasse

2400

480

500

18 329

16 000

23 546

41 875

Gasmotor-Wärmepumpe Baujahr 2010

0,75

7500

Gas/regen. 1)

8250

1822

600

22071

12 000

17 659

39 730

Zeolith-Heizgerät Baujahr 2010

0,6

6000

Gas/Solar

6600

1458

480

17657

20 000

29 434

47 091

Strom

26 000

6830

2200

80 928

mit Lager und Pufferspeicher mit Pufferspeicher mit 10 m2 Solaranlage

Wärmeerzeugung Strom Strom direkt Baujahr 2010

1

Elektroheizkörper

Wärmepumpe Luft bis Baujahr 1995 ab Baujahr 1996 Baujahr 2010

0,55 0,5 0,45

5500 5000 4500

Strom/regen. 1) Strom/regen. 1) Strom/regen. 1)

14 300 13 000 11 700

3756 3415 3074

770 700 630

28 324 25 749 23 174

Wärmepumpe Erdreich bis Baujahr 1995 ab Baujahr 1996 Baujahr 2010

0,45 0,4 0,35

4500 4000 3500

Strom/regen. 1) Strom/regen. 1) Strom/regen. 1)

11 700 10 400 9100

3074 2732 2390

630 560 490

23 174 20 599 18 024

Wärmepumpe Grundwasser 0,35 bis Baujahr 1995 0,3 ab Baujahr 1996 0,25 Baujahr 2010

3500 3000 2500

Strom/regen. 1) Strom/regen. 1) Strom/regen. 1)

9100 7800 6500

2390 2049 1708

490 420 350

18 024 15 449 12 874

22 000

32 357

45 231

10 000

80 928 mit Pufferspeicher

14 000

20 602

43 776 200 m Erdsonden

22 000

32 357

50 381 Saug-Schluckbrunnen

Kraft-Wärme-Kopplung Motor Wärmeerzeugung Stromgutschrift

20 000 6000

Gas

6400

762

940

34 578

22 000

32 357

66 935

mit Pufferspeicher und Spitzenlastkessel

Brennstoffzelle Wärmeerzeugung Stromgutschrift

18 000 6000

Gas

4200

276

780

28 693

40 000

58 865

87 558

Brennstoff nicht nachwachsend

1)

Die regenerative Energie wird mithilfe von Strom/Gas (Hilfsenergie) gewonnen.

2)

für Wärmeerzeuger 3.10

92

Heizung

wird. Solaranlagen können auch bei bestehenden Heizanlagen relativ einfach nachgerüstet werden. Der solare Eintrag über Kollektoren kann mithilfe der in DIN 4108-6 für 35 Regionen in Deutschland verfügbaren Strahlungstabellen in Abhängigkeit von der Orientierung und Neigung des Kollektors abgeschätzt werden (Abb. 3.11). Aufgrund der hohen Anlagenverluste bei der Verteilung und Speicherung können nur ungefähr 50 % der auftreffenden Strahlungsenergie zur Wärmeerzeugung genutzt werden. Wenn also auf einen 30 ° nach Süden ausgerichteten Kollektor von 1 m2 Fläche im September 113 kWh Sonnenenergie auftreffen, so sind davon ca. 55 kWh zur Wärmeerzeugung nutzbar. Das Dilemma bei der Nutzung von Kollektorwärme zur Beheizung besteht in der zeitlichen Diskrepanz zwischen Wärmeerzeugung und -abnahme. Flach- und Röhrenkollektoren Die Kollektoren sind das Herzstück einer Solaranlage. Schwarze Absorber sammeln die Solarstrahlung und erwärmen das Wasser. Bei Flachkollektoren sind die Absorberbleche in ein flaches rechteckiges Gehäuse eingebaut und mit einer Glasplatte abgedeckt (Abb. 3.21, S. 98). Vakuum-Röhrenkollektoren bestehen aus einer Reihung von evakuierten Glasröhren, die jeweils einen Absorberblechstreifen enthalten (Abb. 3.22, S. 98). Das Vakuum sorgt für eine bessere Dämmung und somit höhere Effizienz des Kollektors. Bei beiden Typen können die Absorberbleche innerhalb des Kollektorgehäuses so eingestellt werden, dass der Wärmeeintrag auch bei nicht südorientierten Standorten optimiert werden kann. Luftkollektoren Luftkollektoren funktionieren nur in Verbindung mit einer Lüftungsanlage. Die Außenluft wird über einen Kollektor angesaugt, der aus einem Kanalsystem aus Aluminiumrohren mit einer Glasabdeckung besteht. Auf diesem Wege vorerwärmt, wird die Luft bei Bedarf in der Lüftungsanlage durch Wärmetausch mit der Abluft weiter erwärmt oder direkt in die Räume eingebracht. Wird die Wärme nicht benötigt, kann sie über eine Luft-Wasser-Wärmepumpe für die Brauchwassererwärmung genutzt werden. Luftkollektoren können auch in Verbindung mit der Adsorptionstechnik zur Gebäudebeheizung und Kühlung eingesetzt werden (siehe Kühlung, S. 100ff.).

Solare Einstrahlung am Standort Würzburg (Referenzklima Deutschland) durchschnittliche monatliche Strahlungsintensität in [W/m2] und monatliche Energiemenge in [kWh/m2]

Orientierung

Jan Feb Mrz horizontal Süd

Apr

Mai

Jun

Jul

Aug Sep

Okt

Nov Dez

jährliches Strahlungsangebot [kWh/m2] Jan – Dez

Wert für die Heizperiode [kWh/m2] Okt – Mrz

0° 33 52 82 190 211 256 255 179 135 75 39 22 24,6 34,9 61,0 136,8 157,0 184,3 189,7 133,2 97,2 55,8 28,1 16,4

1120,0

225,0

30° 51 67 99 210 213 250 252 186 157 93 55 31 37,9 45,0 73,7 151,2 158,5 180,0 187,5 138,4 113,0 69,2 39,6 23,1

1216,0

295,0

45° 57 71 101 205 200 231 235 178 157 97 59 34 42,4 47,7 75,1 147,6 148,8 166,3 174,8 132,4 113,0 72,2 42,5 25,3

1187,0

310,0

60° 60 71 98 190 179 203 208 162 150 95 60 35 44,6 47,7 72,9 136,8 133,2 146,2 154,8 120,5 108,0 70,7 43,2 26,0

1104,0

310,0

137 119 130 135 112 115 81 54 33 90° 56 61 80 41,7 41,0 59,5 98,6 88,5 93,6 100,4 83,3 82,8 60,3 38,9 24,6

810,0

270,0 3.11

Wärmedämmung von Warmwasser-/Wärmeverteilungsleitungen Zeile

Art der Leitungen / Armaturen

Mindestdicke der Dämmschicht, bezogen auf eine Wärmeleitfähigkeit von 0,035 W/(mK)

1

Innendurchmesser bis 22 mm

20 mm

2

Innendurchmesser über 22 mm bis 35 mm

30 mm

3

Innendurchmesser über 35 mm bis 100 mm

gleich Innendurchmesser

4

Innendurchmesser über 100 mm

100 mm

5

Leitungen und Armaturen nach den Zeilen 1 bis 4 in Wand- und Deckendurchbrüchen, im Kreuzungsbereich von Leitungen, an Leitungsverbindungsstellen, bei zentralen Leitungsnetzverteilern

½ der Anforderungen der Zeilen 1 bis 4

6

Leitungen von Zentralheizungen nach den Zeilen 1 bis 4, die nach dem 31. Januar 2002 in Bauteilen zwischen beheizten Räumen verschiedener Nutzer verlegt werden

½ der Anforderungen der Zeilen 1 bis 4

7

Leitungen nach Zeile 6 im Fußbodenaufbau

6 mm

8

Kälteverteilungs- und Kaltwasserleitungen sowie Armaturen von Raumlufttechnik- und Klimakältesystemen

6 mm

3.12 Jährliche Wärmeverluste durch Verteilung [kWh] Vorlauf/Rücklauf [°C]

ohne Dämmung

Dämmung nach EnEV Anlage 5

doppelter Dämmstandard

90 /70

73 108

16 409

10 970

70 /55

53 742

12 020

8045

55 /45

39 877

8872

5978

35 /28

19 398

4229

2926

2

Gesamtbilanz Gebäude (2800 m Wohnfläche): Nutzenergiebedarf Heizung EnEV-Standard: 150 000 kWh Nutzenergiebedarf Heizung Bestand (Baujahr 1965): 450 000 kWh 3.13

3.10 Vergleich unterschiedlicher Anlagentechnik zur Deckung des Heizenergiebedarfs (10 000 kWh/ Jahr) in einem Gebäude Der Energiebedarf beinhaltet den Nutzenergiebedarf (Heizung) sowie die Anlagenverluste für Verteilung und Übergabe. Das Heizsystem wird mit 50/40 C betrieben. Annahmen: Kosten Gas 0,08 Ct/kWh, Strom 0,22 Ct/kWh, Wärmepumpenstrom 0,14 Ct/kWh. Lebensdauer der Systeme 20 Jahre, Finanzierung 4 %, Preissteigerung 5 % 3.11 solare Einstrahlung am Standort Würzburg (EnEV-Referenzklima Deutschland) aus DIN 4108-6:2003-06 In der jeweils oberen Zeile kann die durchschnittliche monatliche Strahlungsleistung der

Sonne auf unterschiedlich geneigte Flächen abgelesen werden. Multipliziert man diesen Wert mit der Anzahl der Stunden eines Monats (also z. B. 31 Tage ≈ 24 h/Tag), so erhält man die monatliche Energiemenge, die die Sonne zur Verfügung stellt (jeweils untere Zeile). 3.12 Wärmedämmung von Wärmeverteilungs- und Warmwasserleitungen, Kälteverteilungs- und Kaltwasserleitungen sowie Armaturen gemäß EnEV Anlage 5 3.13 jährliche Wärmeverluste durch Verteilung bei einem neungeschossigen Wohnhaus mit 36 Wohneinheiten (2800 m2 WF) bei unterschiedlichen Dämmstandards der Verteilleitungen (200 m Verteilleitungen im UG, 200 m Strangleitungen und 200 m Anbindeleitungen für die Heizkörper)

93

Anlagentechnik

Anlagenverluste für Wärmeerzeugung, Verteilung und Speicherung Bezeichnung

Heizkreistemperatur

Baualtersklasse

Wärmeverteilung Erzeuger-Aufwandszahl EnEV-Nutzfläche AN [m2] 150

500

2500

bis 1986

1,47

1,36

1,28

1987–1994

1,34

1,26

1,19

ab 1995

1,33

1,23

1,16

bis 1986

1,24

1,21

1,18

1987–1994

1,19

1,15

1,13

ab 1995

1,14

1,11

1,09

bis 1986

1,11

1,09

1,07

1987–1994

1,09

1,06

1,04

1. Wärmeerzeugung Heizung a) zentrale Wärmeerzeugung Konstanttemperatur-Kessel

Niedertemperatur-Kessel

70 /55 °C

Brennwert-Kessel

ab 1995

1,07

1,05

1,04

Brennwert-Kessel verbessert

55 /45 °C

ab 1999

0,99

0,98

0,97

Fernwärme-Übergabestation

alle

alle

1,02

1,02

1,02

1979 bis 1994

0,41

0,41

0,41

ab 1995

0,39

0,39

0,39

1979 bis 1994

0,33

0,33

0,33

ab 1995

0,27

0,27

0,27

1979 bis 1994 ab 1995

0,27

0,27

0,27

0,23

0,23

0,23

alle

1,02

1,02

–

bis 1994

1,24

1,24

1,24

ab 1995

1,14

1,14

1,14

ab 1995

1,07

1,07

1,07

Elektro-Wärmepumpe, Außenluft Elektro-Wärmepumpe, Erdreich

55 /45 °C

Elektro-Wärmepumpe, Grundwasser zentraler Elektro-Speicher (Blockspeicher)

alle

b) wohnungszentrale Wärmeerzeuger Therme (Umlaufwasserheizer)

alle

Brennwerttherme

3.14 Bezeichnung

Heizkreistemperatur

Baualtersklasse

Wärmeverluste [kWh/(m2 · a)] EnEV-Nutzfläche AN [m2] 150

500

2500

2. Übergabe Heizung Zentralheizung, thermostatisch geregelt

alle

alle

3,3

3,3

3,3

Einzelfeuerstätte

–

alle

0

0

0

bis 1978

75,1

43,5

32,7

bis 1978, nachträglich gedämmt

40,9

28,2

23,9

ab 1979 bis 1994

11,6

3. Verteilung Heizung

zentrale Verteilung

zentrale Verteilung

70 /55 °C

55 /45 °C

20,2

13,8

ab 1995

9,3

5,4

4,1

bis 1978

57,4

32,9

24,4

bis 1978, nachträglich gedämmt

30,8

21,0

17,6

ab 1979 bis 1994

15,3

10,3

8,5

ab 1995

9,3

3,9

2,9

bis 1978

8,4

8,4

8,4

wohnungsweise Verteilung

alle

ab 1979 bis 1994

5,4

5,4

5,4

ab 1995

1,3

1,3

1,3

dezentrales System (ohne Verteilung)

–

alle

0

0

0

bis 1994

3,2

1,3

0,4

ab 1995

2,5

1,0

0,3

bis 1994

2,5

1,0

0,3

ab 1995

1,9

0,7

0,2

bis 1994

4,4

1,8

1,1

ab 1995

3,4

1,4

0,8

4. Speicherung Heizung Elektro-Zentralspeicher Pufferspeicher Elektro-Wärmepumpe Pufferspeicher für Holzkessel

70 /55 °C 55 /45 °C 70 /55 °C

3.15 3.14 pauschale Ansätze für Anlagenverluste bei der Wärmeerzeugung 3.15 pauschale Ansätze für Anlagenverluste bei der

94

Wärmeübergabe, -verteilung und -speicherung 3.16 überschlägige Ermittlung von Speichergrößen für die thermische Nutzung solarer Energie

Bei der Wärmeverteilung wird zwischen horizontal verlaufenden Leitungen (Verteilleitungen), vertikal verlaufenden Leitungen (Strangleitungen) und Anbindeleitungen unterschieden. Unter Anbindeleitungen versteht man die Leitungen, die ausgehend von der Strangleitung zum Heizkörper oder zum Verteiler der Fußbodenheizung führen. Zur Vermeidung von Anlagenverlusten müssen diese Leitungen gemäß EnEV Anlage 5 gedämmt werden (Abb. 3.12, S. 93). Die Verluste durch das Verteilsystem sind gerade bei bestehenden Gebäuden aufgrund der fehlenden Dämmung beträchtlich (Abb. 3.13, S. 93). Wärmespeicherung

Speicher dienen dazu, die Zeitpunkte der Wärmeerzeugung und der Wärmeentnahme voneinander zu trennen. Man unterscheidet Speicher in Langzeit- und Kurzzeitspeicher sowie nach Art der Speicherung. Sensible Wärmespeicher ändern bei der Aufnahme oder Abgabe von Wärmeenergie ihre Temperatur, latente Wärmespeicher hingegen ändern den Aggregatzustand. Wasser beispielsweise ist in gefrorenem Zustand ein La-tentwärmespeicher, da es beim Schmelzen Wärmeenergie aufnimmt, ohne seine Temperatur zu ändern. Nachdem es geschmolzen ist, stellt es bis zum Sieden einen sensiblen Wärmespeicher dar. Im Bereich der Gebäudeheizung und Warmwasserbereitung sind Wasserspeicher als sensible Kurzzeitspeicher üblich. Da sich im Speicher von allein eine Temperaturschichtung einstellt, sollte dieser Effekt auch bei der Einbringung der Wärme berücksichtigt werden (oben: warm, unten: kalt). Zur überschlägigen Dimensionierung der unterschiedlichen Speichertypen bieten die Werte in Abb. 3.16 einen ersten Anhaltspunkt. Die endgültige Dimensionierung muss allerdings von einem sachkundigen Fachplaner in Abhängigkeit vom gewählten System (Warmwasserbereitung, Heizungsvorlauftemperatur, Kollektorgröße, solarer Deckungsgrad) ermittelt werden. Grundsätzlich kann beispielsweise ein optimal gedämmtes Einfamilienhaus zu 100 % mit solarer Wärme konditioniert werden. Hierfür wären etwa 80 m2 Kollektor, ein Pufferspeicher für 200 Liter, ein Brauchwasserspeicher für 200 Liter sowie ein Langzeitspeicher für 40 000 Liter erforderlich.

Heizung

Brauchwasserspeicher Die Erwärmung von Warmwasser in Durchlauferhitzern ist nur in kleinen Mengen möglich. Auch ist bei der dezentralen Erwärmung eine Nutzung der Solarenergie nicht möglich. Warmwasser wird daher in Speichern bevorratet, deren Größe an die Zahl der Nutzer und ihren Warmwasserbedarf angepasst ist. Pufferspeicher Heizungspufferspeicher führen bei Wärmeerzeugern, die nicht in der Lage sind, modulierend zu arbeiten, zu einer Reduktion der Taktfrequenz. Pufferspeicher sind deshalb bei der Wärmeerzeugung mit Holz und anderer Biomasse immer notwendig. Bei Wärmepumpen ist ein Pufferspeicher ebenfalls sinnvoll. Bei allen Wärmeerzeugern ist die Nutzung der Solarenergie zur Heizungsunterstützung nur dann möglich, wenn ein Pufferspeicher zum Einsatz kommt, der von der Heizung und der Solaranlage mit Wärme versorgt wird. Langzeitspeicher Langzeitspeicher erlauben es, die Energie über einen sehr langen Zeitraum, üblicherweise eine Saison, zu speichern. Dies können sehr große, hochgedämmte Wasserspeicher, Latentwärmespeicher oder das Erdreich sein. Auch die oberflächennahe Geothermie, z. B. Erdsonden bis 100 m Tiefe, ist je nach Regenerationsfähigkeit und Nutzung nicht als Energiequelle, sondern eher als Speicher zu betrachten. Mittels Langzeitspeicher kann Solarenergie, die im Sommer effektiv gewonnen wird, im Winter in großem Umfang zur Heizungsunterstützung eingesetzt werden. Wärmeabgabe

Ziel einer energetisch optimierten Planung muss es sein, die Wärme in Abhängigkeit vom baulichen Standard mit möglichst geringer Vorlauftemperatur an den Raum abzugeben. Die Wärmeabgabe an den zu beheizenden Raum kann über Heizkörper, Flächenheizungen oder Luftheizungen erfolgen.

Heizkörper Heizkörper wie Konvektoren, Glieder- und Plattenheizkörper sind im Gebäudebestand am häufigsten vorzufinden. Sie geben ihre Wärme teilweise über Strahlung und teilweise über Konvektion ab. Ihre Leistung hängt von ihrer Größe und von der Temperatur des Heizwassers ab. Wird bei einer Sanierungsmaßnahme nur der Wärmeerzeuger erneuert, so müssen die Heizkörper entweder vergrößert oder durch Heizkörper mit optimierter Wärmeabgabe ersetzt werden, wenn beabsichtigt ist, die Vorlauftemperatur abzusenken. Wird gleichzeitig durch Dämmmaßnahmen die Heizlast reduziert, so kann die Vorlauftemperatur auch bei unveränderter Heizkörperfläche abgesenkt werden. Flächenheizung Flächenheizungen sind großflächig und werden mit niedrigeren Vorlauftemperaturen betrieben. Es gibt Fußboden- und Wandheizungen, in hohen Räumen auch Deckenheizungen. Da die aufgeheizten Flächen die Wärme gleichmäßig über milde Strahlung an den Raum abgeben, erzeugen sie ein sehr angenehmes Raumklima. Durch die zeitliche Verzögerung zwischen Wärmeaufnahme und -abgabe ist das System allerdings träge und schlecht regelbar. Flächenheizungen eignen sich daher vor allem für dauerbeheizte Räume mit möglichst gleichbleibenden Bedingungen. Sie können auch nur eingeschränkt auf Änderungen der Raumaufteilung oder Nutzung reagieren. Heizkörper lassen sich hier durch Austausch und Versetzen oder durch Änderung der Vorlauftemperatur besser anpassen. Da Flächenheizungen nur mit niedrigen Vorlauftemperaturen betrieben werden können, kommt ihr Einsatz im Sanierungsfall nur dann in Frage, wenn gleichzeitig der Wärmebedarf reduziert wird. Luftheizung Luft kann nur mit maximal 45 °C in einen Raum eingeblasen werden. Da sie nur

Wärmespeicher im Vergleich Speicher/ Speichergrößen

Bezugsgröße Kosten Bemerkung (Lieferung und Montage)

Trinkwasser Trinkwasser (ohne Solar) Trinkwasser (mit Solar)

60 l / Person 80 l / Person

2 €/l 3 €/l

Pufferspeicher (Heizung) Pufferspeicher (ohne Solar) Pufferspeicher (mit Solar)

10 l /kW 50 l /m2

2 €/l 3 €/l

Langzeitspeicher 20 kWh/m2a Heizungsunterstützung 300 l /m2 40 kWh/m2a Heizungsunterstützung 400 l /m2 60 kWh/m2a Heizungsunterstützung 500 l /m2

0,20 € / l

Beispiel: Wärmeabgabe Die Wärmeabgabe kann auf drei Arten erfolgen: • wassergeführt über Radiatoren • wassergeführt über eine Flächenheizung • luftgeführt über die Lüftungsanlage Die Heizlast wird raumweise für den kältesten Tag ermittelt, hier exemplarisch für einen Raum. Die genaue Auslegung der wärmeabgebenden Bauteile erfolgt im Rahmen der Fachplanung. Ausgangslage • kältester Tag in München -12 °C • gewünschte Raumtemperatur 20 °C • Grundfläche des untersuchten Raums 120 m2 • opake Hüllfläche 357 m2 • transparente Hüllfläche 38 m2 • Ūopak 0,3 W/m2K 1,4 W/m2K • Ūtransparent • mittlerer Luftwechsel 0,7/h • Ziel: niedrige Vorlauftemperaturen Heizlast • Transmissionswärmeverluste 0,3 W/m2K · 357 m2 · 32 K = 1,4 W/m2K · 38 m2 · 32 K = Gesamt: • Lüftungswärmeverluste 360 m3 · 0,7/h · 0,34 Wh/m3K · 32 K = • gesamte Wärmeverluste: • spezifische Wärmeverluste:

3427 W 1702 W 5129 W 2741 W 7870 W 65 W/m2

Radiatoren • Anordnung im Brüstungsbereich • 7 Heizkörper à B 200 cm ≈ H 50 cm • VL /RL 55 /45 °C • Dreisäuler mit 43 Gliedern (d = 6,2 cm) • Leistung je Heizkörper 1161 W (27 Watt/Glied) • 7 Heizkörper 8127 W Damit kann die benötigte Wärmeleistung von 7870 W von den Heizkörpern erbracht werden. Flächenheizung (Fußbodenheizung) • Vorlauf /Rücklauf • Bodenbelag • Rohrabstand • Heizkreis

45 /35 °C Parkett 20 cm 18 m2

Luftheizung • maximale Zulufttemperatur 40 °C • erforderliche Luftwechselzahl, um mit der Übertemperatur von 20 °C den Transmissionswärmeverlust ausgleichen zu können: 5129 W = 360 m3 · x/h · 0,34 Wh/m3K · 20 K

Angabe gilt für 5 Personen

Ergebnis: x = 2 (zweifacher Luftwechsel)

Die m2-Angabe bei der Bezugsgröße bezieht sich auf die Kollektorfläche

Kommentar Der erforderliche hohe Luftwechsel führt zu einer deutlichen Vergrößerung einer unter Umständen sowieso geplanten Lüftungsanlage sowie zu einem erhöhten Strombedarf für Ventilatoren. Erst bei Reduzierung der Heizlast durch Dämmmaßnahmen auf ca. 2500 Watt ist der Wärmetransport über Luft auch energetisch gesehen eine sinnvolle Alternative.

Die m2-Angabe bei der Bezugsgröße bezieht sich auf die Kollektorfläche 3.16

95

Anlagentechnik

eine geringe Wärmeaufnahmekapazität besitzt, sind hohe Luftwechsel und Leitungsquerschnitte erforderlich, um größere Wärmemengen transportieren zu können. Grundsätzlich sollte die Luftmenge aufgrund der erforderlichen großen Transportenergie und Anlagentechnik auf das hygienisch notwendige Maß beschränkt werden. All diese Gründe legen es nahe, dass Luftheizungen nur für sehr gut gedämmte Gebäude mit sehr geringen Heizleistungen im Bereich bis maximal 20 W/m2 Anwendung finden sollten. Bei diesen Gebäudetypen haben Luftheizungen einen sehr großen Vorteil: für Lüftung, die sowieso empfehlenswert oder notwendig ist, und Heizung wird nur ein System benötigt. Energetische Sanierung

Die Energie, die ein Heizkessel erzeugen muss, setzt sich zusammen aus dem Nutzenergiebedarf des Gebäudes selbst sowie aus den Verteilungs-, Speicherund Übergabeverlusten. Unabhängig von der daraus resultierenden Energiemenge ist die Effizienz, mit der diese Energiemenge bereitgestellt wird, das ausschlaggebende Beurteilungskriterium zur Auswahl des Wärmeerzeugers. Je nach Konstruktionsart des Heizkessels fallen mehr oder weniger Verluste bei der Wärmeerzeugung an. Das können Abgasverluste oder Wärmeverluste bei schlecht isolierten Heizkesseln sein. Auch häufige Taktungen (Kaltstarts), die immer mit der Auskühlung des Heizkessels verbunden sind, führen zu unnötiger Wärmeabgabe durch die dauernd erforderliche neuerliche Anwärmung des Kessels. Die Effizienz des Wärmeerzeugers ist deshalb bei der energetischen Sanierung immer eine vorrangig zu diskutierende Fragestellung. Kennwert für die Effizienz eines Wärmeerzeugers ist die Erzeugeraufwandszahl, die das Verhältnis von eingesetzter Energie (Endenergie Heizung) zur erzeugten Wärmeenergie (Heizwärmebedarf) beschreibt. Wird beispielsweise ein alter Niedertemperaturkessel mit einer Erzeugeraufwandszahl von 1,19 durch einen neuen Brennwertkessel mit der Zahl 0,99 ersetzt, so reduziert sich die Energiemenge, die ein Gebäude benötigt, allein durch diese Maßnahme um ca. 20 %. (Abb. 3.14, S. 94). Beim Austausch eines Heizkessels ohne Optimierung bei der Wärmeverteilung und -übergabe ist darauf zu achten, dass der Kessel später – im Zuge eventueller Dämmmaßnahmen – an die dann vermin96

derte Leistung anpassbar ist. Auch können ältere, noch funktionstüchtige Heizanlagen, die bis zum Ablauf ihrer Lebensdauer weiter betrieben werden sollen, durch eine Solaranlage in ihrer energetischen Effizienz verbessert werden. Die Solaranlage ist nach dem Kesselaustausch weiter nutzbar. Wärmepumpen Der nachträgliche Einsatz von Wärmepumpen scheitert im Bestand immer dann, wenn die oben beschriebene Zielsetzung einer niedrigen Vorlauftemperatur aufgrund der schlechten Bausubstanz nicht erreicht wird. In diesem Fall ist eine Wärmepumpe nur dann sinnvoll, wenn sie durch einen Spitzenlastheizkessel ergänzt wird, der in der Lage ist, Wasser schnell auf die für den Vorlauf benötigte hohe Temperatur zu erhitzen, oder wenn die Heizflächen vergrößert werden, sodass die Vorlauftemperatur spürbar reduziert werden kann. Energieeinsparverordnung Bei Heizanlagen schreibt die EnEV in den Paragraphen 10 und 10 a folgende Nachrüst- bzw. Umrüstpflichten vor: • Bisher ungedämmte Verteilleitungen müssen entsprechend Anlage 5 der EnEV gedämmt werden (Abb. 3.12, S. 93). Übergangsfristen hierfür gibt es nicht mehr. • Elektrische Speicherheizsysteme, die vor 1990 eingebaut wurden (elektrische Direktheizung), dürfen nur noch bis 2019 betrieben werden, später eingebaute Geräte maximal 30 Jahre ab Einbau. Hydraulischer Abgleich Der energetisch optimierte Betrieb einer Heizanlage ist nur möglich, wenn die einzelnen Systemkomponenten – also Wärmeerzeuger, Wärmeverteilung und Wärmeabgabe – auf Basis einer ingenieurtechnischen Berechnung konfiguriert und aufeinander abgestimmt werden. Folgende Punkte sind dabei zu berücksichtigen: • präzise Bestimmung von Vor- und Rücklauftemperatur mit dem Ziel, das Temperaturniveau abzusenken • genaue Ermittlung der umlaufenden Heizwassermenge, um die Wärmeabgabe am Heizkörper sowie die Pumpenleistung präzise bestimmen zu können • Abstimmung der Rohrquerschnitte auf die Wassermenge zur Vermeidung von Fließgeräuschen

Während diese Berechnungen bei Neuanlagen zum Standard gehören (DIN 18 380, DIN EN 12 828) und zwangsläufig durchgeführt werden, ist dies bei Altanlagen immer dann aufgrund fehlender Kenntnisse über das Gesamtsystem nur eingeschränkt möglich, wenn die Anlage selbst durch Ersatz des Heizkessels nur teilweise modernisiert wird oder die Heizlast durch Dämmmaßnahmen reduziert wird. Der hydraulische Abgleich bei Altanlagen sollte eine ingenieurtechnische Nachrechnung des gesamten Heizsystems umfassen, um die Anlage dann auf dieser Basis nach durchgeführter baulicher und anlagentechnischer Sanierung wieder optimal betreiben zu können. Dazu gehören die Festlegung der neuen Vor- und Rücklauftemperaturen unter Einbeziehung der vorhandenen oder der erneuerten Heizkörper sowie die Optimierung des Verteilsystems mittels bedarfsgerecht ausgelegter, hocheffizienter Umwälzpumpen. Erst wenn im System in etwa gleiche Druckverhältnisse herrschen, lassen sich präzise Einstellungen der Durchflussmengen am Thermostatventil vornehmen und so die geplanten Wärmemengen im jeweiligen Raum auch abrufen. Die planerische Optimierung einer bestehenden Heizanlage durch den hydraulischen Abgleich führt zu Energieeinsparungen in der Größenordnung von 10 bis 20 %. Die Kosten hierfür können über die HOAI ermittelt werden. Da es sich um die Nachberechnung einer bestehenden Anlage handelt, werden bei der Honorarermittlung diejenigen Kosten als anrechenbare Kosten angesetzt, die bei der Neuerrichtung einer Anlage entsprechender Größe anfallen würden. Die Berechnung einer Heizanlage würde demzufolge nach § 53 und 54 HOAI in der Honorarzone II zu Planungskosten in Höhe von 5 bis 7 % der Erstellungskosten (anrechenbaren Kosten) führen. Anlagenverluste Anlagenverluste in Form ineffizienter Wärmeerzeuger, nicht gedämmter Verteilleitungen, Speicherverluste oder Verluste aufgrund ungenügender Regelungsmöglichkeiten bei der Wärmeübergabe im Raum führen zu beträchtlichen Energieverlusten, die im Zuge einer energetischen Sanierung reduziert werden müssen (Abb. 3.15, S. 94). Die Sanierung der Anlagentechnik ist häufig noch vor dem Fensteraustausch und der Fassadendämmung die wirkungsvollste energetische Maßnahme.

Warmwasser

Warmwasser

Wasserbedarf unterschiedlicher Gebäudetypen Art des Gebäudes

Grundlage bei der Ermittlung des Wärmebedarfs für die Warmwasserbereitung ist die Menge an heißem Wasser, die pro Person und Tag benötigt wird. Für Wohngebäude werden ca. 20 – 25 Liter 60 °C heißes Wasser pro Person angesetzt. Bei Nichtwohngebäuden hängt der Warmwasserbedarf von der Nutzung ab (Abb. 3.17). Die benötigte Energiemenge zur Erwärmung von einem Liter Wasser von 10 °C (Temperatur in der Wasserzuleitung) auf 60 °C (Temperatur im Wasserspeicher) lässt sich aus wenigen Angaben berechnen. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser beträgt 4,19 kJ/kg oder umgerechnet 1,16 Wh/l K. Zur Erwärmung eines Liters um 50 Kelvin wird also die Energiemenge von 58 Wh benötigt. Der Wärmebedarf zur Warmwasserbereitung beträgt demzufolge in einem Monat mit 30 Tagen bei einem täglichen Warmwasserbedarf von 25 Litern pro Person 44 kWh. Die Warmwasserbereitung bringt je nach gewähltem Anlagensystem unterschiedliche Anlagenverluste mit sich, die den Energiebedarf für das Gesamtsystem stark beeinflussen. Energetisch von Vorteil ist bei allen Versorgungsnetzen für Warmwasser eine kompakte Anordnung der Sanitärräume bzw. Abnahmestellen für Warmwasser (Abb. 3.18).

Gesamtwasserbedarf Kaltwasserbedarf [l /Tag] 1) [l /Tag] 1)

Warmwasserbedarf [l /Tag] 1)

einfacher Wohnungsbau

90 /140

65 /80

25 /60

allgemeiner Wohnungsbau

100 /170

70 /100

30 /70

Einfamilienhäuser

110 /180

70 /110

40 /70

gehobener Wohnungsbau

140 /230

90 /150

50 /80

180 /280 und mehr

120 /180 und mehr

60 /100

Hotels etc. je Bett einfache Gasthöfe Hotels gehobene Hotels Luxus-Hotels

60 /100 90 /130 110 /200 150 /350

20 /30 30 /40 40 /70 70 /200

40 /70 60 /90 70 /130 80 /150

Krankenhäuser je Bett 150 – 300 Betten 300 – 600 Betten 600 – 1000 Betten

250 /450 300 /500 400 /600

200 /340 240 /380 320 /470

50 /110 60 /120 80 /150

Altenheime je Bewohner

100 /150

70 /90

30 /60

Kinderheime je Platz

100 /130

60 /80

40 /50

5 /10

5 /10

–

100 /150

70 /90

30 /60

Villen mit großem Garten

Schulen (ohne Bäder) je Schüler Kasernen je Person Bürogebäude je Beschäftigten

25 /35

15 /20

10 /15

Kaufhäuser je Beschäftigten

25 /50

20 /40

5 /10

Speiserestaurants je Sitzplatz starke Besetzung

30 /50 50 /80

15 /20 20 /30

15 /30 30 /50

140 /200 40 /90 280 /370

70 /120 15 /40 150 /180

50 /80 25 /50 130 /190

Hallenbäder je Besucher Schwimmbäder Reinigung/Brausebad Reinigung/Wannenbad 1)

Die erste Zahl gibt den durchschnittlichen, die zweite den größten Wasserbedarf an. 3.17

Zentrale Warmwasserbereitung

In zentral beheizten Gebäuden übernimmt der Wärmeerzeuger der Heizung in der Regel auch die Warmwasserbereitung (Abb. 3.20 b, S. 98). Der Vorteil dieses Systems besteht nicht zuletzt darin, dass hier problemlos solare Energie zur Erwärmung des Wassers einbezogen werden kann. Mit dieser Konfiguration sind aber auch hohe Anlagenverluste in Form von Verteilverlusten bei der Zirkulation (lange Wege) und – abhängig von der Qualität des Wärmeerzeugers – Erzeugungsverlusten verbunden. Überschlägig lässt sich festhalten, dass bei diesen Systemen häufig Anlagenverluste in der Größenordnung der zur eigentlichen Erwärmung des Wassers benötigten Energie anfallen. Die hohen Verluste bei der Verteilung (Zirkulation) und der Speicherung könnten durch Absenken der Wassertemperatur auf 40 °C deutlich verringert werden. Da aber in diesem Fall die nötige Temperatur zur Vermeidung von Legionellenbefall nicht erreicht wird, sollte die Nacherwärmung des Wassers dann in jeder Wohnung über dezentrale Wärme-

a

b

3.17 Wasserbedarf für Gebäude unterschiedlicher Nutzung, je Person und Tag 3.18 Reduktion der Verteilverluste durch Anordnung der Nassräume in einem kompakten Gebäudekern Neubau Mehrfamilienhaus in den Umfassungsmauern einer ehemaligen Zehntscheune, Weil der Stadt, Baujahr: 1995, Architekten: Richarz Schulz, München a Grundriss, Maßstab 1:300 b Grundriss Sanitärkern, Maßstab 1:100 c Ansicht c

3.18

97

Anlagentechnik

Sanierung der Warmwasserversorgung eines Mehrfamilienhauses: Variantenvergleich dezentrale Versorgung, ein elektrischer Durchlauferhitzer in jeder Wohnung

zentrale Wasserversorgung, Brennwertgerät (Gas) mit Brauchwasserspeicher Verteilung / Erzeugung Verteilleitungen im Keller Strangleitungen Anbindeleitungen

200 m 200 m 360 m

– – 360 m

Energiebedarf Nutzenergie Verteilung Speicherung Erzeugungsverluste Endenergiebedarf

40 000 kWh 25 000 kWh 5000 kWh 5000 kWh 75 000 kWh

40 000 kWh – – – 40 000 kWh

Umwelt Primärenergie Warmwasserbereitung Primärenergie Herstellung/Jahr Primärenergie Gesamt CO2 Warmwasserbereitung CO2 Herstellung CO2 gesamt

82 500 kWh 2000 kWh 84 500 kWh 18 225 kg 300 kg 18 525 kg

108 000 kWh 500 kWh 108 500 kWh 25 720 kg 70 kg 25 790 kg

Kosten Kosten Verteilung (inkl. Brandschutz) Kostenanteil Zentrale Kosten Einzelgeräte Kosten Baumaßnahmen Kosten Mietminderung Gesamtkosten Investition Kosten Wasserbereitung

40 000 € 20 000 € – 300 000 € 20 000 € 380 000 € 6000 €

10 000 € – 36 000 € 70 000 € 5000 € 121 000 € 8000 €

regenerative Energie Teildeckung

Deckung von 70 % des Endenergiebedarfs durch 120 m2 thermische Kollektoren 100 % durch Bezug Biogas

100 % Deckung

Deckung von 70 % des Endenergiebedarfs durch 300 m2 Photovoltaik 100 % durch Bezug Ökostrom einfache Verrechnung; Sanierung der Einzelwohnungen möglich; günstige Lösung für Investor

Sonstiges

Basis: neungeschossiges Wohnhaus mit 36 Wohnungen und 2900 m2 Wohnfläche, vier Wohnungen je Etage, Versorgung mit vier Vertikalsträngen aus Edelstahlrohren Gaskosten 0,08 €/kWh, Stromkosten 0,20 €/kWh, Lebensdauer der Systeme/Betrachtungszeitraum: 20 Jahre 3.19

9 7

10 9

6

7

10

3

10 9

6

3

4

10

4 2 1

2 1 a

b 11

9

3.19 vergleichende Betrachtung von zentraler und dezentraler Warmwasserversorgung 3.20 Schema zur Wasserversorgung a zentrale Versorgung mit Brauchwasserzirkulation b zentrale Versorgung mit Wärmezirkulation und Frischwassermodul in jeder Nutzungseinheit c dezentrale Wasserversorgung 7 Frischwassermodul 1 Wasser 8 Durchlauferhitzer 2 Gas 9 Armatur 3 Speicher 10 Warmwasser 4 Heizung 11 Photovoltaik 5 Solarkollektor 12 Strom 6 Zirkulation 3.21 Flachkollektor 3.22 Vakuumröhrenkollektor

8

10 12

4 2 1 c

98

10

9 8

Dezentrale Warmwasserbereitung

Die dezentrale Warmwasserbereitung wird mit Strom oder auch mittels Gasetagenheizungen vorgenommen (Abb. 3.20 c). Moderne Durchlauferhitzer mit einer Ausgabeleistung von bis zu 20 Litern 60 °C heißen Wassers pro Minute erlauben auch das gleichzeitige Duschen von zwei Personen. Der Wegfall des aufwendigen Verteil- und Speichersystems führt zu einer Reduktion des Energiebedarfs um 50 %. Durch die Anbindung der dezentralen Wärmeerzeuger an das nutzungsbezogene Stromnetz entfällt auch der Aufwand für die Ablesung und Abrechnung der Energiekosten zur Warmwasserbereitung. Der Nachteil von gasbetriebenen Durchlauferhitzern besteht darin, dass eine Einbindung regenerativer Energiequellen nicht möglich ist. Bei strombetriebenen Durchlauferhitzern kann der Energiebedarf zur Warmwasserbereitung vollständig ressourcenfrei durch regenerativ erzeugten Strom gedeckt werden. Wird dieser Strom direkt am Gebäude erzeugt, so ist er auch bei der energetischen Bewertung nach EnEV anrechenbar/ abzugsfähig. Nicht zuletzt werden durch den Wegfall des Verteilnetzes und der Speicher bei durchschnittlich komplexen Verteilsyste-

5

5

tauscher, sogenannte Frischwasserstationen, vorgenommen werden. Eine solche Absenkung der Warmwassertemperatur ermöglicht auch eine deutlich effizientere Nutzung der Solarenergie sowie eine Reduktion des Strombedarfs bei Wärmepumpen. Durch innovative Konzepte kann bei größeren Wohnanlagen sogar die Wärme des Abwassers genutzt werden. Sinnvoll ist in diesem Zusammenhang die getrennte Entsorgung von fäkalienfreiem und fäkalienhaltigem Wasser. Die Wärme wird dem 25 – 30 °C warmen fäkalienfreien Wasser über eine Wärmepumpe entnommen und dann wieder dem Brauchwasserspeicher zugeführt. Arbeitet die Warmwasserversorgung auf niedrigem Temperaturniveau (z. B. 45 °C), so ist diese Art der Wärmerückgewinnung besonders wirkungsvoll. In diesem Fall erübrigt sich der Einsatz einer thermischen Solaranlage. Die Trennung des Abwassers führt auch zu einer Reduktion der Wasser- und Abwassermengen, da das fäkalienfreie Wasser nach biologischer Reinigung vor Ort entweder versickert oder nochmals zur Toilettenspülung genutzt werden kann.

3.20

Warmwasser

men ca. 4 kg Stahl pro m2 Wohnfläche eingespart, was wiederum eine Verringerung des Primärenergieeinsatzes bei der Herstellung sowie des damit verbundenen CO2-Ausstoßes von 4000 kg bedeutet. Diese Reduktion sollte durch Umrechnung auf die Lebensdauer einer Anlage (ca. 30 Jahre) bei der vergleichenden Betrachtung von zentraler oder dezentraler Versorgung berücksichtigt werden (Abb. 3.19). Energetische Sanierung

Die in Fachkreisen und auch in der EnEV immer noch häufig vertretene Meinung, dass die Wassererwärmung mit Strom energetisch gesehen wenig Sinn ergibt, ist durchaus kritisch zu sehen. Gerade im Sanierungsfall ist der Einbau einer neuen zentralen Warmwasserbereitung häufig mit hohen Aufwendungen und Kosten verbunden, insbesondere wenn die Maßnahme in bewohntem Zustand durchgeführt werden muss. Eine solche Erneuerung der Anlagentechnik ist außerdem nur in einem Zuge für das gesamte Gebäude durchführbar, während dezentrale Konzepte auch eine sukzessive Sanierung einzelner Wohnungen ermöglichen. In diesem Fall müssen nur die eventuell maroden Kaltwasserleitungen ersetzt werden. Durch den Wegfall der Legionellenproblematik aufgrund der kurzen Leitungswege ist bei dezentralen Systemen auch eine Erwärmung des Wassers auf 40 °C ausreichend. Werden Gebäude in unbewohntem Zustand saniert, ist eine zentrale Warmwasserbereitung sinnvoll. In diesem Fall sollten die Wasserentnahmestellen so organisiert werden, dass jede Wohnung über einen vertikalen durchlaufenden Versorgungsstrang angebunden werden kann. Des Weiteren ist unabhängig vom baulichen Standard bei zentral versorgten

Gebäuden die Einbindung von thermischer Solarenergie zur Warmwasserbereitung sinnvoll, da dann in der Regel von Mai bis September die nötige Energie zur Warmwasserbereitung regenerativ zur Verfügung gestellt wird, wenn die Fläche der eingesetzten Kollektoren etwa einen Quadratmeter pro Hausbewohner beträgt. Grundsätzlich zu empfehlen ist die Nutzung thermischer Solarenergie zur Wärmeerzeugung immer dann, wenn die Wärme direkt im Gebäude verwendet werden kann. Dies ist bei der Warmwasserbereitung der Fall. Bei Altbauten, die aus baurechtlichen (Denkmalschutz) oder baukonstruktiven Gründen nicht oder nicht umfassend energetisch saniert werden können, leisten thermische Solaranlagen kostengünstig einen spürbaren Beitrag zur Reduktion des Ressourcenverbrauchs. Die darüber hinaus noch erforderliche Wärme wird dann über den Wärmeerzeuger bereitgestellt, der auch die Wärme für die Beheizung erzeugt. Zur Vermeidung von Anlagenverlusten sollte über die Installation von dezentralen Frischwassermodulen nachgedacht werden. Bei der Detailplanung ist zu klären, ob für Waschmaschinen und gegebenenfalls auch für Spülmaschinen Warmwasseranschlüsse sinnvoll sind. Zu prüfen ist auch, ob und inwieweit eine Wärmerückgewinnung aus dem Abwasser möglich ist. Auch bei Nichtwohngebäuden mit geringem Warmwasserbedarf ist die dezentral organisierte Anlagentechnik immer die erste Wahl. Die Einbindung von regenerativer Energie ist bei dezentralen, mit Strom betriebenen Systemen durch den Bezug von sogenanntem »Ökostrom« oder über Direkterzeugung von regenerativ gewonnenem Strom über gebäudeintegrierte Photovoltaik möglich.

Beispiel: Solarenergienutzung Bei dem Pavillon, der von fünf Personen bewohnt wird, soll die Warmwasserbereitung durch thermische Nutzung der Solarenergie optimal unterstützt werden. Hierfür wird die bestehende Gasheizung durch Kollektoren und einen neuen Speicher ergänzt.

Daten • Standort • Anzahl Personen • Bedarf WW (60 °C)

Würzburg 5 125 Liter/Tag (5 · 25 Liter/Tag) • Wärmebedarf WW 7,27 kWh/Tag (Erwärmung von 10 auf 60 °C) • Endenergiebedarf WW 15,63 kWh/m2 Tag • Kollektorgröße 6 m2 (1–1,5 m2/Person für 70 – 80 % Deckungsrate) • Kollektortyp Vakuumröhrenkollektor • Ausrichtung 60 ° Süd (optimiert für Heizzeit) • Speicher 600 l • Abstand Speicher zu Kollektor 6m

Erträge (Jahresbilanz) • Wärmebedarf WW • Endenergiebedarf WW • solare Einstrahlung (Abb. 3.11, S. 93) • Solarertrag • Wirkungsgrad (Solaranlage) • Deckungsrate WW • Deckungsrate Endenergie • spezifischer Kollektorertrag

2654 kWh 5705 kWh 6368 kWh 2163 kWh 34 % (2654/6368) 81 % (2163/2654) 34 % (2043/5705) 361 kWh/m2

Ökologie • jährliche Einsparung Ressource (Erzeugungsverluste berücksichtigt) • jährliche Einsparung CO2 • jährliche Einsparung Primärenergie

260 m3 Gas 632 kg 286 kWh

Ökonomie • jährliche Einsparung Ressource

182 € (Gas 0,70 €/m3) • Investition 7000 € • Annuität 25 Jahre (3 % Zins) 10 049 € • Einsparung Ressource in 25 Jahren 12 937 € (8 % Preissteigerung)

Kommentar Bei vermieteten Gebäuden kann die Investition in eine Solaranlage als Betriebsausgabe über zehn Jahre abgeschrieben werden, was die ökonomische Bilanz weiter verbessert. Durch Erweiterung der Anlage um 4 m2 und Installation eines Pufferspeichers lässt sich ihre Effizienz steigern, da die solaren Gewinne in der Übergangszeit zur Heizungsunterstützung genutzt werden können. Bei einem Mehraufwand von ca. 2000 Euro für die Investition werden dann zusätzliche Einsparungen von jährlich etwa 70 Euro erzielt. 3.21

3.22

99

Anlagentechnik

Kühlung Wenn überschüssige Wärme nicht durch Lüftung aus einem Raum ins Freie abgeführt werden kann, ist Anlagentechnik zur Kühlung erforderlich. Eine Kälteanlage besteht je nachdem, ob Wasser oder Luft als Medium zum Abtransport der Wärme eingesetzt wird, aus Kühlflächen oder Luftauslässen im Innenraum zur Kälteabgabe, einem Leitungsnetz zur Kälteverteilung, einem Kälteerzeuger sowie einer Rückkühleinrichtung. Die überschüssige Wärme wird dem Raum durch den Austausch von Luft oder durch einen Wasserkreislauf entzogen. Das dadurch erwärmte Medium gibt diese Wärme in der Kältemaschine an das dort zirkulierende Kältemittel ab (Abb. 3.27 und 3.9, S. 90). Das Kältemittel wird anschließend so weit erwärmt (höher als die Temperatur der Außenluft), dass die aufgenommene Wärme an die Außenluft abgegeben werden kann. Die Erwärmung des Kältemittels erfolgt je nach Funktionsweise der Kältemaschine durch mechanische Kompression oder durch einen thermischen Verdichter. Für das letztgenannte Verfahren ist auch thermische Solarenergie oder Fernwärme nutzbar. Liegen die benötigten Kaltwassertemperaturen im Bereich von 10 bis 15 °C, kann die Wärme alternativ auch direkt an das Erdreich abgegeben oder in das Grundwasser eingespeist werden. Kälteerzeugung

Eine Kälteerzeugung ist zentral für das gesamte Gebäude oder dezentral durch sogenannte Split- bzw. Multi-Split-Geräte für einzelne Raumgruppen möglich (Abb. 3.23). Die Kühlung durch raumbezogene Einzelgeräte führt immer zu Problemen bei der Platzierung der Rückkühleinrichtung (Beeinträchtigung der Fassade). Bei der Entscheidung über die Art der Kälteerzeugung sollten neben funktio-

nalen Kriterien auch energetische Aspekte Berücksichtigung finden, da sie die Effizienz der Anlage wesentlich beeinflussen (Abb. 3.26). Kompressionskältemaschine Der Kaltdampfkompressionsprozess der Wärmepumpe ist die bislang gebräuchlichste Art der Kälteerzeugung. Im Verdampfer, also auf der kalten Seite, befindet sich ein Kältemittel bei niedrigem Druck, das bereits bei niedriger Temperatur verdampft. Dabei nimmt es Wärme auf. Ein motorisch betriebener Verdichter komprimiert den Dampf, wodurch sich dieser weiter aufheizt. Das hohe Temperaturniveau ermöglicht dann über den Kondensator eine Wärmeabgabe über die Rückkühleinrichtung an die Außenluft. Anschließend lässt das Expansionsventil das abgekühlte Kältemittel in den Verdampfer expandieren und weiter abkühlen. Der Kreisprozess beginnt von Neuem (Abb. 3.24).

Fernwärme auch thermische Solarenergie genutzt werden. Adsorptionskältemaschine Die Kühlung durch Adsorption funktioniert besonders gut bei Kühlung von Luft und setzt somit eine Lüftungsanlage voraus. Hier wird mit Wärme ein physikalischer Prozess in Gang gesetzt, der sich die Eigenschaft von Luft zunutze macht, bei Feuchtigkeitszufuhr abzukühlen und sich bei Feuchtigkeitsentzug zu erwärmen (siehe Lüftung, S. 106ff.). Adiabate Kühlung Auch die adiabate Kühlung setzt eine Lüftungsanlage voraus. Der Fortluftstrom wird durch Befeuchtung abgekühlt und anschließend in einen Wärmetauscher geführt, wo ein Wärmefluss von der warmen Außenluft zur gekühlten Abluft stattfindet. Dadurch kann die Zuluft gekühlt werden (siehe Lüftung, S. 106ff.). Regenerative Kühlung

Kältemaschine mit thermischem Verdichter (Absorption) Die Raumwärme wird an das Kältemittel Ammoniak abgegeben, das durch diese Wärmeaufnahme verdampft und anschließend im Absorber in Wasser gelöst wird. Hierbei wird ein Teil der Wärme frei. Sie kann für den weiteren Prozessverlauf genutzt werden. Im Austreiber wird das Kältemittel unter Wärmezufuhr vom Wasser getrennt und zum Kondensator geleitet, wo es seine Wärme an den Rückkühlkreislauf abgibt. Das Wasser fließt in den Absorber zurück (Abb. 3.25). Im Vergleich zur Kompressionskältemaschine benötigt die Absorptionskältemaschine eine wesentlich geringere Antriebsleistung. Allerdings wird für den Austreiber zusätzlich Wärmeenergie benötigt. Für die Kühlung mit thermischen Verdichtern, also mit Wärme, kann neben den klassischen Energieträgern Gas, Öl oder

Soll die Kälteerzeugung ohne Ressourceneinsatz, also nur durch Nutzung regenerativer Energiequellen erfolgen, können aufgrund des hohen Temperaturniveaus nur geringe Wärmelasten abgebaut werden. Die Reduktion der Wärmeeinträge durch bauliche Maßnahmen ist deshalb unabdingbare Voraussetzung, um mit regenerativer Energie kühlen zu können. Erdreich Das Erdreich ist durch seine ganzjährig ausgeglichene moderate Temperatur im oberflächennahen Bereich bis 100 m Tiefe eine hervorragende Kältequelle. Erdreichwärmetauscher zur Kühlung der Zuluft, sogenannte Erdkanäle, haben sich seit vielen Jahren bewährt. Mit flächig verlegten Erdabsorbern oder tiefen Erdsonden kann Wasser bzw. ein WasserGlykol-Gemisch je nach Leistung und Verlegetiefe im Sommer auf Temperatu-

2 1 2

2

5

3 4

a

100

b

c

3.23

Kühlung

ren von 12 –16 °C abgekühlt werden. Diese Kältequelle eignet sich am besten zur Kombination mit einem massenaktivierenden Kühlsystem, z. B. einer Bauteilaktivierung. Wegen des Grundflächenbedarfs ist die Anwendung, gerade in der Sanierung, allerdings oftmals schwierig (Abb. 3.28 d, S. 102).

18°C

B

Raum

24°C A

H2O

H 1 20°C

4°C 18°C C

G

E

Nachtkälte Rückkühlwerke dienen normalerweise dazu, das Kältemittel herkömmlicher Kältemaschinen abzukühlen. Im Rückkühlkreislauf wird die Wärme des Kältemittels direkt oder über das Medium Wasser an die Umwelt abgegeben. Rückkühlwerke stehen deshalb immer als separate Bauteile auf dem Dach eines Gebäudes. Sie können auch dazu verwendet werden, massenaktivierende Kühlsysteme nachts wieder abzukühlen (siehe Kühldecke und Bauteilaktivierung, S. 103). Eine bislang selten ausgeführte Möglichkeit der regenerativen Kühlung ist die direkte Nutzung der Strahlungskälte des sommerlichen Nachthimmels. Ein einfaches System sind Schwimmbadabsorbermatten auf dem (möglichst flachen) Dach. Das nachts zirkulierende Wasser kann die Speichermassen im Gebäude direkt abkühlen oder die Kälte in einem Wasserspeicher einlagern. Die mittlere Leistung dieses Systems liegt in unseren Breitengraden bei 50 – 80 W/m2 Absorberfläche. Solare Kühlung Die oben beschriebenen Absorptionsund Adsorptionskältemaschinen können solar betrieben werden, indem die notwendige Prozesswärme mit thermischen Solarkollektoren erzeugt wird. Zum Abbau einer monatlichen Wärmemenge von beispielsweise 5000 kWh wird eine solar erzeugte Wärmemenge von ca. 7500 kWh benötigt. Diese Wärmemenge kann eine Kollektoranlage von 40 m2 in den Monaten Juni bis August vollständig zur Verfügung stellen (Abb. 3.28, S. 102). Der Strom für den Betrieb von Kompressionskältemaschinen kann auch direkt vor

NH3

NH3

8°C

40°C

33°C

14°C

Grundwasser Noch effizienter als Erdkälte kann Grundwasser zur Kühlung genutzt werden. Durch permanenten Abfluss ist die Wärmeaufnahmekapazität des Grundwassers annähernd unbegrenzt. Technisch gesehen kann die Grundwasserkühlung auch im Sanierungsfall realisiert werden, da lediglich zwei Brunnen – ein Entnahmebrunnen und ein Schluckbrunnen – gebohrt werden müssen (Abb. 3.28 b, S. 102).

27°C D

2

40°C

8°C

Wärme Rückkühlung

Kältespeicher F Kältemaschine

Wärmezufuhr 3.24

3.25

Energetische Bewertung von Kälteerzeugern Endenergie Ressource/ Primärenergie CO2-Ausstoß Kosten Bemerkungen [kWh] Hilfsenergie [kWh] [kg] [%] Kompressionskältemaschine (Strom)

5000

Kompressionskältemaschine (Gas)

10 000

Absorptionskältemaschine Adsorptionskältemaschine

Strom

13 000

3235

120

flexibel einsetzbar

Gas

7700

1743

140

flexibel einsetzbar

14 000

Gas

8800

1992

180

flexibel einsetzbar

14 000

Gas

8800

1992

220

nur bei Klimaanlage

Erdkälte 1)

700

Strom

3250

809

100

nur bei geringer Leistung

Grundwasser 2)

500

Strom

3250

809

100

nur bei geringer Leistung

Nachtlüftung 3)

1200

Strom

3120

776

100

nur eingeschränkt nutzbar

1)

Wärmetauscherflächen im Erdreich unter Bodenplatte, im Winter für Heizzwecke nutzbar Brunnen bis ca. 5 m Tiefe 3) Mehrkosten für größere Anlage bei sowieso vorhandener Lüftungsanlage 2)

3.26 Kältemittel für Wärmepumpen/Kompressionskältemaschinen nach Umweltrelevanz 1) Kältemittel

Bezeichnungen

H-FCKW (ab 2010 Verkaufsverbot von Neuware) 2)

R 123, R 124, R 22, R 401 A, R 401 B, R 402 A, R 402 B, R 403 B

H-FKW 3)

R 125, R 134 a, R 227ea, R 23, R 236 fa, R 245 fa, R 404 A, R 407 C, R 407 D, R 410 A, R 413 A, R 417 A, R 422 A, R 422 D, R 437 A, R 507, R 508 B

natürliche Kältemittel 4)

R 717 (Ammoniak), Isobutan 1.5, Isobutan 1.8, R 600 a (Isobutan 2.5), R 600 (n-Butan 2.5), R 290 (Propan 2.5), R 1270 (Propen 2.6), R 744 (Kohlendioxid)

Sondergase

1-Buten, Dimethylether, R 152 a, R 32

1)

Die Klimaschädlichkeit wird in CO2-Äquivalenten gemessen. Allein durch die unkontrollierte Entsorgung von Kältemitteln gelangen in Deutschland jährlich 5 Millionen Tonnen CO2-Äquivalente in die Atmosphäre. 2) 1 kg H-FCKW (Fluorchlorkohlenwasserstoff) trägt 10 000-mal stärker zum Treibhauseffekt bei als 1 kg CO2. Darüber hinaus baut FCKW die Ozonschicht in der Atmosphäre ab. 3) 1 kg des heute immer noch verwendeten H-FKW (fluorierter Kohlenwasserstoff) trägt 3500-mal stärker zum Treibhauseffekt bei als 1 kg CO2. 4) keine Klimaschädlichkeit 3.27 3.23 Prinzipien der Kühlung a zentrale Gebäudekühlung b Etagenkühlung c Einzelraumkühlung 1 Kältezentrale 2 Rückkühlung 3 Kälteabgabe (Umluft) 4 Kälteerzeugung 5 Kompaktgerät 3.24 Kühlen mit Strom: Kompressionskältemaschine A Kältemittelkreislauf B Kühlkreislauf Gebäude C Kaltwasserkreislauf D Kühlwasserkreislauf E Wärmetausch Wasser/Kältemittel (Kältemittel verdampft)

F Kältemittel wird durch Kompression erhitzt (Stromzufuhr) G Wärmetausch Kältemittel /Wasser H Expansion Kältemittel (Verflüssigung und Abkühlung) 3.25 Kühlen mit Wärme: Absorptionskältemaschine Zur Temperaturerhöhung des Kältemittels wird statt eines Kompressors (Abb. 3.24 F) ein thermischer Verdichter mit Absorber (1) und Austreiber (2) eingesetzt. 3.26 energetische Bewertung unterschiedlicher Arten der Kälteerzeugung für einen angenommenen Kältebedarf von 10 000 kWh in einem Monat 3.27 Kältemittel für Wärmepumpen /Kompressionskältemaschinen gegliedert nach Umweltrelevanz

101

Anlagentechnik

5 3 2 1

6

7

4 8

b

a

8

Kälteverteilung

10 3 2 4

6

1

7

d

c

9

4

1 2 3 4 5 6

3

2 1

e

a

7 8 9 10

3.28

Kältemaschine (Ab- oder Adsorption) Kälteabgabe über Kühlsegel oder Zuluft Rückkühlung Stromversorgung Kollektor zur Wärmeerzeugung Kälteabgabe über Bauteilkühlung (Boden/Decke) Wärmetauscher Saug- und Schluckbrunnen Erdabsorber Photovoltaik

d

b

e

c

f

102

Ort photovoltaisch erzeugt werden. Diese direkte Stromnutzung ist besonders effizient, da die Einspeisung in das Netz und der Strombezug vom Netz entfallen. Bei der energetischen Bilanzierung nach EnEV wird der direkt genutzte Strom daher in Form von Abzügen beim Primärenergiebedarf positiv berücksichtigt.

3.29

Je nach System der Kälteabgabe ist die Verteilung der Kälte über das Medium Wasser oder Luft möglich. Luft hat gegenüber Wasser den Nachteil, dass aufgrund ihrer geringen Wärmekapazität (0,34 Wh/m3K im Vergleich zu 1160 Wh/m3K bei Wasser) große Volumina zu befördern sind (Rohrquerschnitte, Ventilatorleistung). Ist jedoch eine Lüftungsanlage vorgesehen bzw. vorhanden und kann diese Luft für den Kältetransport mitgenutzt werden, entfällt die Investition für ein zweites Verteilsystem. Denkbar sind auch Kombinationen von beiden Arten der Verteilung. Wasser Die Kälteverteilung kann besonders effizient über einen Wasserkreislauf ähnlich der Heizungsverteilung vorgenommen werden. Die Kühlleistung hängt von der Vorlauftemperatur ab. Je kälter das Wasser ist, das in die Räume oder Raumzonen eingebracht wird, desto mehr Wärme kann es aus dem zu kühlenden Bereich abführen. Allerdings besteht bei sehr kalten Oberflächen die Gefahr von Tauwasserbildung. Daher darf die Temperatur der gekühlten Flächen in der Regel nicht mehr als 3 K unter Raumtemperatur absinken, solange die Luft nicht entfeuchtet wird. Der entsprechend erwärmte Rücklauf wird dann der Kältemaschine zugeführt und dort wieder abgekühlt. Alle Prinzipien der Heizungsverteilung gelten auch bei der Kälteverteilung:

3.28 Möglichkeiten der Gebäudekühlung mit regenerativen Energien a solare Kühlung: thermischer Kollektor b Kühlung mit Grundwasser c solare Kühlung: Photovoltaik d Kühlung mit Erdkälte e Kühlung mit Nachtkälte 3.29 Prinzipien der Kälteabgabe Medium Wasser: a Kühldecke b Bauteilaktivierung (Decke) c Fußbodenkühlung Medium Luft: d dezentrale Umluftkühlung mit zentraler Kälteerzeugung e dezentrale Luftkühlung mit Kompaktgerät f zentrale Luftkühlung 3.30 Leistungsdaten bei unterschiedlichen Systemen der Kälteabgabe (bezogen auf: 3 m Raumhöhe)

Kühlung

• Je größer die Fläche der Kälteabgabe ist, desto höher kann die Vorlauftemperatur sein. • Je weniger Wärme aufgrund baulicher oder nutzungstechnischer Vorgaben in den Raum gelangt, desto wärmer kann das Wasser im Kühlkreislauf sein. Systeme, die unter Nutzung vorhandener Speichermassen die Kälteabgabe großflächig ermöglichen, sind daher energetisch gesehen besonders effektiv. Luft Wird die Zuluft für die Räume direkt im Kälteerzeuger gekühlt und von dort in die Räume verteilt, fungiert die Luft als Verteilmedium für die Kälte. Wenn die zur Kühlung erforderliche Luftmenge jedoch die hygienisch notwendige Frischluftmenge übersteigt, ist zu überlegen, ob zusätzlich ein wassergeführtes System zur Kühlung installiert werden soll. Damit ließe sich der Aufwand für den energieintensiven Kältetransport über Luft reduzieren. Kälteabgabe

Für die Übergabe der Kälte an den Innenraum existieren ähnlich der Wärmeabgabe mehrere Möglichkeiten, die sich in Kälteleistung, Temperaturspreizung, Komfort und Kosten unterscheiden (Abb. 3.29 und 3.30). Kühldecke und Bauteilaktivierung Kühlelemente können als direkt auf der Decke aufgebrachte und verputzte Rohrmatten oder als abgehängte Platten ausgeführt werden. Bei Kühlelementen, die Teil einer Systemdecke sind, spricht man von Kühldecken. Werden Kühlflächen als Einzelteile von der Decke abgehängt, handelt es sich um Kühlsegel. Die Kälteabgabe erfolgt überwiegend über Strahlung und stellt somit eine sehr komfortable Art der Kühlung dar. Wie bei allen Kühleinrichtungen muss

auch hier darauf geachtet werden, dass kein Tauwasser ausfällt, dass also die Oberflächentemperatur der Kühlfläche nicht die Taupunkttemperatur der Raumluft unterschreitet. Bei der Bauteilaktivierung sind Wasseroder Luftleitungen in der Betondecke verlegt. Durch den direkten Kontakt der Kühlleitungen mit der Speichermasse kann die Speicherwirkung verbessert werden. Die großflächige Anordnung in Kombination mit Speichermasse ermöglicht trotz relativ hoher Vorlauftemperaturen den Abbau hoher Wärmelasten, da die Anlage auch über 24 Stunden betrieben werden kann. Aufgrund der hohen Vorlauftemperatur können regenerative Energiequellen wie Erdwärme, Grundwasser oder ein Rückkühlwerk effizient genutzt werden. Fußbodenkühlung Eine Fußbodenheizung kann im Sommer auch als Fußbodenkühlung eingesetzt werden. Hierdurch lassen sich Kosten und Installationsaufwand im Vergleich zu einem getrennten Wärme- und Kälteabgabesystem reduzieren. Die Kälteabgabe erfolgt über den direkten Kontakt und über Strahlung. Der Nachteil der Fußbodenkühlung besteht darin, dass bei zu großer Kälteabgabe das Behaglichkeitsempfinden deutlich beeinträchtigt wird, da der Temperaturunterschied zwischen Kopf und Fuß zu groß wird. Eine Fußbodenkühlung kann deshalb nur mit einer geringen Temperaturdifferenz bezogen auf die Raumlufttemperatur betrieben werden. Ihre Leistungsfähigkeit ist daher begrenzt. Luftkühlung Bei Luftkühlung wird die Kälte über gekühlte Frischluft, gekühlte Umluft (Raumluft) oder eine Mischung von beiden (Mischluft) an den Raum abgegeben. Die kühle Zuluft kann im oberen Bereich

Leistungsdaten von Systemen zur Kälteabgabe maximale Untertemperatur [K] 1)

maximale Leistung [W/m2]

Kosten 2) [€/m2]

Bemerkung

Kühlkörper Kühldecke

8

100

200 – 600

Kühlsegel

8

120

200 – 800

Kühlfläche in Verbindung mit Systemdecke abgehängte Einzelflächen

Aktivspeicher Fußbodenkühlung Betonkerntemperierung

8 8

15 – 30 20 – 40

Luftkühlung 1-facher Luftwechsel 2-facher Luftwechsel 4-facher Luftwechsel

8 8 8

8 16 24

1) 2)

0 – 40 20 – 40

thermische Speicher, die durch Anlagentechnik aktiviert werden

250 – 350 300 – 400 350 – 450

Heizen, Kühlen, Lüften mit einem System

Temperaturdifferenz zwischen Raumluft und Kühlmedium (Tauwassergefahr, Behaglichkeitsstörung) Kosten beinhalten nicht Kälteerzeugung bzw. Mess- und Regeltechnik

Beispiel: Kühlung Vereinfachte monatliche Bilanzierung des Energiebedarfs für die Kühlung eines südorientierten Büroraums (Großraum, 121 m2) im Monat Juli Daten Fensterfläche (A) Luftwechsel Luftmenge (V/ h) Betriebszeit Juli (t) Sonnenschutz Innentemperatur Außentemperatur Juli

38 m2 6 m3/h pro m2 726 m3/h 20,8 Tage à 11 h außen liegende Jalousie 22 °C (Ansatz für Kühlzeit) 24,6 °C (Rechenansatz)

Wärmequellen (Qsource) solarer Wärmeeintrag durch transparente Flächen (QS ) 104 kWh/m2 solare Einstrahlung (Is) g-Wert DIN 410 (g⊥) 0,65 0,8 Reduktion Rahmen (FF) 0,9 Reduktion Verschmutzung (FV) 0,9 Reduktion Verschattung (FS) Reduktion Sonnenschutz (FC) 0,25 QS = FF · A · Is · Fv · Fs · Fc · g =

416,15 kWh

Wärmeeintrag Lüftung (QV) QV = V/h · 0,34 Wh/m3K · ΔT · t =

146,84 kWh

Wärmeeintrag durch Transmission (QT ) kann wegen Geringfügigkeit vernachlässigt werden Wärmeeintrag durch Nutzung (QI,source ) QI,source = 162 Wh/m2d · 121 m2 · 20,8 d = 407,72 kWh (Wert 162 Wh/m2d aus Abb 1.27, S. 24) Summe der Wärmequellen (Qsource ) Qsource = QS + QV + QT + QI,source =

970,70 kWh

Wärmesenken (Qsink) (siehe Rechenmethode Heizzeit, S. 45f.)

600,00 kWh

durch Kühlung abzubauende Wärmemenge (Qc,outg) 370,70 kWh Qc,outg = 970,70 kWh - 600 kWh = Stromeinsatz zum Abbau der Wärmemenge Kompressionskältemaschine Kältemittel R 134 a Rückkühlung wassergekühlt Kaltwasseraustrittstemperatur 14 °C Kühlwassereintrittstemperatur 27 °C Nennkälteleistungszahl (EER) 4,6 Teillastkennzahl (PLV) 1,34 Qc,outg Strombedarf Qc,f,elektr = = 156,31 kWh (EER · PLV) regenerative Stromerzeugung solare Einstrahlung (Is) Stromertrag ca. 10 % benötigte Photovoltaikfläche

104 kWh/m2 10,4 kWh 15 m2

Kommentar Die regenerative Kühlung kann mithilfe von Photovoltaik direkt vorgenommen werden, da Kühlbedarf und solare Einstrahlung gleichzeitig auftreten.

3.30

103

Anlagentechnik

des Raums einströmen, wodurch sie sich aufgrund der natürlichen Thermik gut im Raum verteilt, oder mit höherer Geschwindigkeit von unten eingeblasen werden. Eine besonders hygienische und effizien-te Form der Zuluftführung ist die Quelllüftung. Die kühle Zuluft quillt durch bodennahe Öffnungen langsam in den Raum und bildet einen Kaltluftsee, da sie schwerer ist als die warme Raumluft. Durch interne Wärmequellen wie den Menschen erhält die Luft Auftrieb und strömt ohne mechanische Unterstützung (Ventilatorleistung) nach oben. Bilanzierung nach DIN V 18 599

Die Norm stellt Bilanzierungsmethoden für die gebräuchlichsten Prozesse der Kälteerzeugung zur Verfügung, nämlich für Kompressions- und Absorptionskältemaschinen. Alle übrigen Verfahren können nur über individuelle ingenieurtechnische Berechnungen bilanziert werden. Rund 90 % der installierten Geräte sind strombetriebene Kompressionskälteanlagen. Daher konzentriert sich die folgende Beschreibung auf deren energetische Bewertung nach DIN V 18 599. Die Bilanzierung erfolgt über die Nennkälteleistungszahl EER (Energy Efficiency Ratio) und den Teillastkennwert PLV (Part Load Value). Die Nennkälteleistungszahl gibt den maximal erforderlichen Stromeinsatz zur Kühlung am heißesten Tag des Jahres an, wenn alle Wärmelasten gleichzeitig auftreten. Bei einer Nennleistungszahl von 3 kann ein Wärmeeintrag von 3 kW mit einem Stromeinsatz von 1 kW abgebaut werden. Je höher die Nennleistungszahl ist, desto effizienter arbeitet die Baualterfaktor für bestehende Kälteerzeuger Baujahr des Kälteerzeugers

Faktor für das Baualter ƒC, Bestand

nach 1990

1

nach 1985 bis 1990

0,92

nach 1980 bis 1985

0,87

vor 1980

0,82

Kältemaschine. Maßgebend für die Nennkälteleistungszahl ist der Temperaturhub, den das Kältemittel im Kühlkreislauf überwinden muss, sowie die Art der Rückkühlung (über Wasser oder Luft). Für bestehende Anlagen ohne verfügbare Leistungsdaten gibt DIN V 18 599 in Abhängigkeit von der Bauart und dem verwendeten Kältemittel Nennkälteleistungszahlen an, die je nach Baujahr noch mit einem Baualterfaktor abgemindert werden (Abb. 3.31). Mit dem Teillastkennwert (PLV) wird berücksichtigt, dass die Wärmemengen in unterschiedlichem Umfang auftreten und daher zu ihrem Abbau nicht immer die volle Leistung der Kältemaschine erforderlich ist. Je nach Regelungsmöglichkeit der Kältemaschine hinsichtlich der Temperatur des Kaltwasserkreislaufs und der Art der Rückkühlung wird eine mittlere Leistung der Maschine definiert. Damit kann der Stromeinsatz abgeschätzt werden, der monatlich zum Abbau der überschüssigen Wärmemenge benötigt wird. Die Effizienz von Absorptionskältemaschinen lässt sich über das Nennwärmeverhältnis ζ beschreiben, das Verhältnis von zugeführter Wärme zu abgeführter Wärme. Dieser Wert liegt bei etwa 0,7 und besagt, dass zum Abbau einer Wärmemenge von 1 kW eine Wärmezufuhr von 0,7 kW erforderlich ist. Absorptionskältemaschinen können auch mit solar erzeugter Wärme, Fernwärme oder Abwärme aus Kraft-Wärme-Kopplung betrieben werden, allerdings muss die Eintrittstemperatur des Heizmediums mindestens 80 °C betragen.

Eine überschlägige Abschätzung des Energiebedarfs der Kältemaschine kann in vier Schritten vorgenommen werden: • Schritt 1: Abzubauende Wärmemenge (Qc,outg) Aufbauend auf die Beispielrechnung S. 45 (Wärmequellen) kann die Wärmemenge ermittelt werden, die im Lauf eines Nutzungsmonats auftritt und abgebaut werden muss. • Schritt 2: Nennkälteleistungszahl (EER) Sie kann mithilfe Abb. 3.31 je nach gewählter Kältemaschine ermittelt werden. • Schritt 3: Teillastkennwert (PLV) Er hängt vom gewählten Kühlsystem ab und ist in differenzierter Form in DIN V 18 599-7 (Anhang A) aufgeführt. • Schritt 4 a: Strombedarf (Qc,f,elektr) für Kompressionskältemaschinen Der monatliche Strombedarf zum Abbau der Wärmemenge ergibt sich aus folgender Rechnung: Qc,f,elektr = Qc,outg ÷ (EER · PLV) • Schritt 4 b: Wärmebedarf (Qc,f,therm) der Absorptionskältemaschine Der monatliche Wärmebedarf für die Absorptionswärmepumpe berechnet sich wie folgt: Qc,f,therm = Qc,outg ÷ ζ · PLV Besonders effizient kann Kälte erzeugt werden • mit wassergekühlten Kompressionskältemaschinen, • wenn die Kaltwasseraustrittstemperatur hoch liegt (z. B. 14 °C statt 6 °C) und • die Kühlwassereintrittstemperatur niedrig ist (z. B. 27 °C statt 40 °C).

Nennkälteleistungszahl (EER) für luftgekühlte Kompressionskältemaschinen Kältemittel

R 134 a

Austrittstemperatur Kaltwasser [ºC]

mittlere Verdampfungstemperatur [ºC]

Nennkälteleistungszahl üblicher Leistungsbereich Kolben- und Scrollverdichter 10 bis 1500 kW

Schraubenverdichter 200 bis 2000 kW

6

0

2,8

3,0

14

8

3,5

3,7

a

b

3.31 Nennkälteleistungszahlen (Standardwerte) nach DIN V 18 599-7, Tabelle 20 und 22 a Korrekturfaktor für die Kälteleistungszahl nach DIN V 18 599-7, Anhang F b für luftgekühlte Kompressionskältemaschinen c für wassergekühlte Kompressionskältemaschinen 3.32 Typisches Anlagenschema für regenerative Beheizung und Kühlung eines Bürogebäudes. Für die Beheizung sorgen Erdsonden, die an eine Sole /Wasser-Wärmepumpe angeschlossen sind. Über eine Fußbodenheizung gelangt die Wärme in die Räume. Im Sommer ermöglichen die niedrigen Erdreichtemperaturen eine passive Kühlung über die Fußböden. Zusätzlich wird die Zuluft über ein Erdregister vortemperiert.

Nennkälteleistungszahl (EER) für wassergekühlte Kompressionskältemaschinen Kältemittel

27/ 33 R 134 a 40 /45 c

104

Ein-/Austrittstemperatur Kühlwasser [ºC]

Austrittstemperatur Kaltwasser [ºC]

Nennkälteleistungszahl mittlere üblicher Leistungsbereich VerdampfungstemTurboperatur [ºC] Kolben- und Schraubenverdichter verdichter Scroll200 – 2000 kW 200 – 2000 kW verdichter 10 – 1500 kW

6

0

4,0

4,5

5,2

14

8

4,6

5,3

5,9

6

0

3,1

2,9

4,1

14

8

3,7

3,7

4,8 3.31

Kühlung

Die Kaltwasseraustrittstemperatur kann umso höher sein, je niedriger die Wärmelasten sind und je mehr Fläche zur Kälteabgabe zur Verfügung steht. Die Kühlwassereintrittstemperatur kann umso niedriger gehalten werden, je kühler die Außenluft beim Rückkühlprozess ist wie beispielsweise bei Aufstellung der Rückkühlanlage in einer Tiefgarage.

3 1

5 4

6

8 13

7

Energetische Sanierung

Ziel energetischer Sanierungsmaßnahmen ist es insbesondere im Nichtwohnungsbau, die Wärmeeinträge deutlich zu verringern, um bestehende Kühlanlagen im Umfang reduzieren oder sogar gänzlich entfernen zu können. Andererseits ist gerade die Nachrüstung von Kühleinrichtungen in bestehenden Gebäuden oft eine der Kernmaßnahmen, um deren Nutzbarkeit angesichts der gestiegenen Komfortansprüche aufrechtzuerhalten. Ein Problem ist dabei häufig der Platzbedarf für die Installation der Anlagentechnik: Kältemaschine, Rückkühler, Bauteile zur Kälteverteilung und -abgabe. Im Nachrüstungsfall kommt insbesondere die Kälteverteilung über Luft wegen des hohen Platzbedarfs der Rohrleitungen nicht oder nur in unterstützender Form infrage. Müssen nur einzelne Räume gekühlt werden, bieten sich dezentral arbeitende Kältegeräte an, die in Schränke oder abgehängte Decken eingebaut werden können. Schwierigkeiten bereitet bei diesen flexibel einsetzbaren Geräten nur die Rückkühlung, also die Abfuhr der Wärme an die Außenluft. Wenn eine Abluftanlage vorhanden ist, kann die Abluft das Kältemittel abkühlen; andernfalls muss der Rückkühler mit Außenkontakt ins Gebäudekonzept integriert werden. Eine weitere Möglichkeit zur Kühlung einzelner Raumbereiche oder auch größerer Zonen ist die flexible und additive Nachrüstung sogenannter Kühlsegel (Metallplatten mit aufgeschweißten oder aufgeschraubten Rohrschlangen), die sichtbar unter der Decke installiert und an ein wasserführendes Verteilnetz angeschlossen werden. Müssen größere Bereiche oder das komplette Gebäude gekühlt werden, ist der Einbau einer zentralen Kältemaschine mit einem Wasserleitungsnetz zur Kälteverteilung sinnvoll. Die Kälteabgabe kann dann raumweise über Induktionsgeräte erfolgen, die die Raumluft mittels Gebläse an kühlen Rohrregistern vorbeiführen und dadurch abkühlen. Induktionsgeräte können – falls parallel zum Kaltwassersystem auch ein Heißwassersystem verlegt wird – auch zur Beheizung verwendet werden.

7

2

13 9

10

13

11 12 1 2 3 4

Sommersonne Wintersonne Photovoltaik Fortluft

Quelle

5 6 7 8

9 Fußbodenheizung/ Kühlung 10 Außenluft 11 Erdkanal

Lüftungsgerät Wärmepumpe Zuluft Abluft

Energietechnik

Übergabe und Verteilung

Netzstrom

12 Erdsonden 13 Pflanzenwand zur Luftbefeuchtung

Energiedienstleistung

Strom

Sonne

Photovoltaik

Trinkwasserspeicher

Erdreich

Erdsonden

Wärmepumpe

Warmwasser

Fußbodenheizung

Raumheizung

Kühlung

Außenluft

Erdkanal

Biomasse

Pflanzenwand

Lüftungsgerät (WRG)

Luftkanal

Außenluftversorgung

Luftfeuchtigkeit 3.32

Sehr interessant für den Sanierungsfall im Hinblick auf eine Reduzierung des Primärenergiebedarfs ist die Nutzung regenerativer Kühlsysteme in Form von Erdsonden oder Grundwasserbrunnen. Voraussetzung hierfür ist eine nur geringe Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf, wie dies bei der großflächigen Bauteilkühlung mit relativ hohen Vorlauftemperaturen der Fall ist. Da Kühlleitungen in Massivdecken nicht nachträglich realisierbar sind, kommen hier allerdings nur die – bisher noch hochpreisigen – Latentspeicherelemente infrage, die unterhalb der Geschossdecken nachgerüstet werden können. Sie enthalten ein-

gelegte Rohrschlangen und werden mit relativ geringer Aufbauhöhe auf bestehende Decken aufgebracht oder von bestehenden Decken abgehängt. Mithilfe dieser Elemente können auch bei Altbauten aktiv speichernde Systeme installiert werden, die dann eine Nutzung regenerativer Kälte ermöglichen. Die im Sommer dem Gebäude entzogene Wärme kann mittels Erdsonden sogar im Erdreich gespeichert (Temperaturerhöhung) und im Winter mithilfe einer Wärmepumpe wieder genutzt werden. Die erhöhte Temperatur der Wärmequelle Erdreich erhöht dann die Leistungszahl der Wärmepumpe (Abb. 3.32). 105

Anlagentechnik

Lüftung Zur Aufrechterhaltung hygienischer Luftverhältnisse muss jedem Raum, abgestimmt auf die Nutzung, die richtige Frischluftmenge zugeführt werden. Das Ziel, die Luftmenge zu kontrollieren, führt zum Einsatz unterschiedlicher Anlagentechnik. Je nach Umfang der Luftbehandlung wird zwischen Vollklimaanlagen, Teilklimaanlagen und Lüftungsanlagen unterschieden. Bei Vollklimaanlagen wird die Luft beheizt, gekühlt sowie be- und entfeuchtet, sodass jedes gewünschte Raumklima unabhängig vom Außenklima realisiert werden kann. Bei Teilklimaanlagen findet eine reduzierte Luftbehandlung statt, bei der die Anlage nur ein bis drei der oben genannten Maßnahmen (Heizen, Kühlen, Be- und Entfeuchten) durchführt. Reine Lüftungsanlagen dienen ausschließlich der Frischluftversorgung und der Feuchteschutzlüftung (Abb. 3.34 und 3.35). Lüftungsanlagen

Häufig wird der Einsatz einer Lüftungsanlage nur im Zusammenhang mit der möglichen Energieeinsparung diskutiert, die durch Reduzierung der Lüftungswärmeverluste erreicht wird. Die Kontrolle der eindringenden Außenluftmenge trägt insbesondere bei Nichtwohngebäuden auch dazu bei, im Sommer die Erwärmung des Raums zu reduzieren. Viel häufiger stellt sich aber das Problem, dass nicht zu viel, sondern zu wenig gelüftet wird, sodass CO2-, Schadstoff- und Feuchtigkeitsabfuhr nicht mehr sichergestellt sind. Die Gewährleistung eines ausreichenden Luftaustauschs ist bei zunehmend dichteren Gebäudehüllen ein zentrales Anliegen, um hygienische Beeinträchtigungen zu vermeiden (siehe Lüftung, S. 76ff.). Häufig werden Lüftungsanlagen auch eingesetzt, um trotz Schallbelastung eine Lüftung der Aufenthaltsräume zu ermöglichen. Durch entsprechende Filter kann außerdem verhindert werden, dass Schadstoffe in die Innenräume gelangen (Abb. 3.36).

Kontrollierte Wohnraumlüftung (KWL) Bei der einfachsten Form einer kontrollierten Lüftung, die häufig im Wohnungsbau Anwendung findet, gelangt die Zuluft über regelbare Öffnungen im Fensterstock oder in der Außenwand in den Raum. Für die Abluft wird ein zentraler Ventilator angeordnet, der die Luft aus den Geschossen kontinuierlich absaugt und die Zuluft dadurch nachzieht. Der Abluftschacht sollte möglichst zentral in der Nutzeinheit liegen, am besten im Sanitärbereich. Bei innen liegenden Nassräumen werden die sonst erforderlichen Einzelraumlüfter dann überflüssig. Die Abluftführung innerhalb einer Nutzeinheit erfolgt durch einfaches Nachströmen über die Bodenfugen der Türen, also ohne Lüftungsleitungen. Das reine Abluftsystem lässt sich bei Altbauten einfach nachrüsten, indem vorhandene Lüftungsschächte (Auftriebslüftung) dafür genutzt werden. Durch kontinuierliche Absaugung am Schachtende funktioniert die Lüftung nun  unabhängig von der Witterung (Abb. 3.33 a). Kontrollierte Lüftung mit Wärmerückgewinnung (WRG) Ein direkter Wärmeaustausch zwischen warmer Abluft und kalter Außenluft (Wärmerückgewinnung) ist nur dann möglich, wenn die Zuluft über ein Rohrsystem in einen Wärmetauscher geführt wird. Dort nimmt sie die Wärme der Abluft auf, um anschließend in die Räume verteilt zu werden. Sinnvoll ist bei derartigen Konzepten eine an der Nutzung orientierte Anordnung des Lüftungsgeräts, also z. B. wohnungsweise, da nur dann die Erträge der Wärmerückgewinnung dem jeweiligen Wärmeverbraucher direkt zugute kommen. Diese Anlagensysteme lassen sich bei zentraler Luftansaugung auch mit einem Erdkanal oder Erdkollektor (Solekreislauf) zur Vorerwärmung der Luft im Winter oder zur Vorkühlung der Luft im Sommer kombinieren. In geringem Umfang ist hier auch eine Befeuchtung der Luft möglich, indem ähnlich der WRG

ein Feuchteaustausch zwischen Zu- und Abluft herbeigeführt wird (Feuchterückgewinnung). Im Sanierungsfall ist der Einbau einer kontrollierten Lüftung mit Wärmerückgewinnung meist problemlos möglich, obwohl die Zuluftkanäle ca. 15 cm Raumhöhe beanspruchen. Der Flur erhält als Verteilerzone eine abgehängte Decke, die Zuluft gelangt über schallgedämmte Öffnungen oberhalb der Zimmertüren in die Räume. Die Absaugung erfolgt ohne eigenes Rohrnetz direkt in den Bädern (Abb. 3.33 b). Eine besondere Form der Lüftung mit Wärmerückgewinnung stellt das Einzelgerät dar, das als komplette Einheit in der Außenwand angeordnet wird und einen einzelnen Raum versorgt. Diese Geräte kommen vor allem dann zum Einsatz, wenn einzelne Räume starken Lärmeinwirkungen von außen ausgesetzt sind und Fensterlüftung nur eingeschränkt möglich ist (Abb. 3.33 c). Teilklimaanlagen

Einfache zentrale Konditionierungen mit Luft werden bei Passivhäusern realisiert. Dort wird die kontrollierte Lüftung des Gebäudes auch dazu benutzt, um den – beim Passivhausstandard minimierten – Heizwärmebedarf zu decken. Die dem Raum zugeführte Luft wird im Lüftungsgerät erhitzt, sodass Luftaustausch und Wärmetransport in einem Verteilkreis möglich sind. Die Wärmeverteilung über Wasser in Form eines Vor- und Rücklaufsystems entfällt dann vollständig. Besonders effektiv wird diese Anlage durch Wärmerückgewinnung aus der Abluft, die zur Vorerwärmung der Zuluft genutzt wird. Die relative Feuchtigkeit der Luft nimmt bei Erwärmung ab, was zu dem Wunsch führt, die erwärmte Luft auch noch befeuchten zu können. Moderne Lüftungsgeräte bieten deshalb zusätzlich die Möglichkeit der Befeuchtung und Feuchterückgewinnung. Soll ein Gebäude auch gekühlt werden, so kann dies ebenfalls über das Lüftungsgerät geschehen. Allerdings sind der

WRG

a

106

b

c

3.33

Lüftung

Luftkühlung enge Grenzen gesetzt, weil die relative Luftfeuchtigkeit durch Abkühlung steigt, sofern nicht gleichzeitig eine Entfeuchtung vorgenommen wird.

Lufttechnik

Prozesslufttechnik

Adiabate Luftkühlung Diese Sonderform der Luftbehandlung ermöglicht mit geringer Energiezufuhr eine Kühlung der Luft allein durch Befeuchtung. Hierfür wird dem Abluftstrom Wasser zugesetzt, wodurch seine Temperatur sinkt, ohne dass ein Wärmeaustausch stattfindet (adiabat). Die solchermaßen abgekühlte Fortluft strömt dann in einem Wärmetauscher an der warmen Außenluft vorbei und kühlt diese ab (Abb. 3.37 und 3.38, S. 108). Mit der adiabaten Kühlung können kleinere Wärmemengen effektiv abgeführt werden. Sie ist daher besonders für Gebäude mit geringem Kühlbedarf geeignet. Vollklimaanlagen

In einem Vollklimagerät kann die Luft durch Zufuhr von Wärme erhitzt, durch Zufuhr von Kälte abgekühlt und entfeuchtet sowie durch Zufuhr von Dampf befeuchtet werden. Wärme, Kälte und Feuchte werden mit hierfür geeigneten technischen Anlagen erzeugt. Im Gegensatz zu getrennten Anlagen für Heizen, Kühlen und Lüften mit separaten Verteilsystemen leistet eine Klimaanlage alles in einem System über entsprechend vorbehandelte Luft. Ein Klimagerät ist modular aufgebaut und besteht aus Abluftventilator, Wärmetauscher, Erhitzer, Kühler (mit Entfeuchtung), Befeuchter, Nacherhitzer und Zuluftventilator. Anlagen mit einer reduzierten Luftbehandlung haben entsprechend weniger Bausteine (Abb. 3.40, S. 109). In Nichtwohngebäuden müssen gegebenenfalls einzelne Räume oder Bereiche wegen großer Raumtiefen oder bestimmter Nutzungsanforderungen künstlich belüftet werden. In solchen Fällen – beispielsweise in Konferenzzonen, Versammlungsräumen und Bereichen der medizinischen Versorgung – kann es sinnvoll sein, die gesamte Konditionie3.33 Lüftungskonzepte a kontrollierte Lüftung mit Abluftsystem b kontrollierte Lüftung mit Wärmerückgewinnung c kontrollierte Lüftung mit WRG (Einzelraum) 3.34 Darstellung unterschiedlicher Systeme zur Luftversorgung in Gebäuden nach DIN 1946-1 3.35 Energiebilanzen verschiedener Lüftungssysteme. Annahmen: 350 m2 WF, 2,50 m lichte Raumhöhe, 185 Heiztage, Anlagenwirkungsgrad 90 %, Gaspreis 0,70 €/m3, Strompreis 0,24 €/kWh, Energiepreissteigerung 6 %, Lebensdauer 20 Jahre, Zinssatz 4 %; Ventilatorleistung 0,2 W/m3 bei Abluftbetrieb, 0,5 W/m3 bei Zuund Abluftbetrieb. 3.36 Leistungsfähigkeit von natürlicher Lüftung, Abluftsystemen und Zu- und Abluftsystemen

prozesslufttechnische Anlagen

Anlagen mit Lüftungsfunktion

Lüftungsanlagen

Teilklimaanlagen

Raumlufttechnik

raumlufttechnische Anlagen (RLT-Anlagen)

Anlagen ohne Lüftungsfunktion

Klimaanlagen

freie Lüftungssysteme

Außenhaut- bzw. Fensterlüftung

Umluftanlagen

Umluftteilklimaanlagen

Schachtlüftung

Dachaufsatzlüftung

Umluftklimaanlagen 3.34

Energetische Bewertung – Lüftung natürlich

kontrolliert 1)

kontrolliert mit WRG 2)

Heizung Heizwärmebedarf [kWh] Heizenergiebedarf [kWh] Energieträger Kosten Heizenergie [€] Primärenergie [kWh]

28 000 31 111 Gas 2178 34 222

24 000 26 666 Gas 1866 29 333

18 000 20 000 Gas 1400 22 000

Hilfsenergie Strombedarf [kWh] Energieträger Kosten Hilfsenergie [€] Primärenergie [kWh]

– – – –

311 Strom 75 809

777 Strom 186 2020

Jahresbilanz Kosten gesamt [€] Primärenergie gesamt [kWh]

2178 34 222

1941 30 142

1586 24 020

jährliche Einsparung (bezogen auf natürliche Lüftung) Kosten [€] Primärenergie [kWh]

– –

237 4080

592 10 202

Kosten/Nutzen (20 Jahre) 3) Investitionskosten in 20 Jahren (Annuität) 4) [€] – – Energiekosteneinsparung in 20 Jahren [€] – Mehrkosten in 20 Jahren [€]

11 773 8718 3065

36 791 21 777 15 014

1)

Infiltrationsluftwechsel 0,15 und Luftwechsel Anlage 0,4 Infiltrationsluftwechsel 0,2 und Luftwechsel Anlage 0,4 3) Mehr- bzw. Minderkosten über einen Betrachtungszeitraum von 20 Jahren, verglichen mit natürlicher Lüftung 4) Annahme: Investitionskosten für Abluftanlage 8000 €, für Zu-/Abluftanlage 25 000 €. Die Kosten für eine ohnehin erforderliche Belüftung von innen liegenden Bädern (DIN 18 017) müssten hiervon abgezogen werden. 2)

3.35

Belüftungsarten natürlich

zentrale Abluftanlage

Zu- und Abluftanlage 1 ) (dezentral/wohnungsbezogen)

Luftzufuhr

zu viel/zu wenig

einstellbar

einstellbar

Wärmerückgewinnung

nicht möglich

möglich (zentrale Abluftwärmepumpe)

gut möglich (Abluft auf Außenluft)

Feuchteregelung

bedingt möglich

gut möglich

gut möglich

Luftfilterung

nicht möglich

bedingt möglich

optimal möglich

Schallschutz (Lärm von außen) nicht möglich

bedingt möglich

optimal möglich

Schallschutz (innerhalb)

gut möglich

bedingt möglich (Überströmschlitze)

möglich (Schalldämpfer einbauen)

Baukonstruktion

geringer Aufwand

geringer Aufwand

hoher Aufwand (Zuluftverteilung)

passive Vorerwärmung

nicht möglich

bedingt möglich (Ansaugung über Puffer)

optimal möglich (Erdkanal, Luftkollektor)

Bedienung

stark nutzerabhängig

nicht nutzerabhängig (Grundlüftung)

nutzerabhängig regelbar

Nachtlüftung

bedingt möglich problemlos (Einbruch-/Witterungsschutz)

problemlos

Kosten

0 €/m2

60 – 80 €/m2

1)

20 – 30 €/m2

bei innen liegenden Bädern entfällt die Lüftung nach DIN 18 017 3.36

107

55

5

0,0

0,1 5

0,1

50

hti

uc

0,3

40

ftfe

Lu

0,2

45

tive

a rel

Lufttemperatur [°C ]

Anlagentechnik

0,5

35

eit

gk

0,4

0,6

C

D

0,7 0,8 9 0, 0 1,

30

C

B

20

50

15

55 6 En 0 6 th 5 alp 70 ie 7 h[ 5 kJ 80 /k g] 85

A 25

40

45

10

25

30

35

5

e rm Wä fuhr e rm Zu Wä fuhr Ab

15

20

0

10

-5

5

Feuchte Zufuhr

-10 Außenluft -15

D = 32 °C / 35 % C = 22 °C / 60 %

Luftverteilung

Abluft A =26°C/58% C= 30 °C/ 55 %

-20 0 2

4

8 10 12 14 16 18 20 22 24 Wassergehalt [g /kg]

6

rung des Raums über das Medium Luft zu realisieren, insbesondere wenn bestimmte Grenzwerte der Luftfeuchtigkeit einzuhalten sind. Hier kommen dann sogenannte Multi-Split-Geräte (»Etagenkühlung«) oder Einzelgeräte (SplitGeräte) zum Einsatz. Je weiter die Anforderungen an die Raumluft steigen, desto komplexer wird die zentrale Aufbereitung der Luft. Eine Änderung in einem Feld der Luftaufbereitung führt immer auch zu Veränderungen in den anderen Feldern. Die energetischen Aufwendungen zur Klimatisierung können am hx-Diagramm dargestellt werden (Abb. 3.37). Für Gebäude, die auch für Nutzungsänderungen offen sein sollen, ist die Art und Struktur der haustechnischen Versorgung besonders sorgfältig zu planen, da luftführende Systeme durch einen hohen Platzbedarf (Leitungen, Geräte) gekennzeichnet und Veränderungen mit großen Eingriffen verbunden sind.

Die Verteilung der Luft erfolgt in einem Rohrsystem mit konstantem oder variablem Volumenstrom und je nach gewünschter Regelungsmöglichkeit als Ein- oder Mehrkanalanlage.

3.37

Abluft

Zuluft

A

Befeuchtung

B

Wärmetausch

C

C

D

Fortluft

Außenluft 3.38

1 5

6

Kanalführung Bei Ein-Kanal-Systemen wird die Luft durch einen Zuluftkanal in die Räume verteilt. Differenzierte Anforderungen an die Raumtemperatur können für verschiedene Gebäudezonen durch in den Kanal eingebaute Nacherhitzer (sogenannte terminale Nachwärmer) realisiert werden. Soll gleichzeitig geheizt (z. B. an der

2 4 3

3.39

108

Volumenstrom Zur reinen Frischluftversorgung von Räumen ist ein konstanter Volumenstrom ausreichend. Gegebenenfalls kann bei extremer Raumnutzung auch eine unterstützende Luftzuführung über Fensterlüftung erfolgen. Soll mit konstantem Volumenstrom außerdem geheizt oder gekühlt werden, wird die Luft in der Zentrale entsprechend temperiert. Ein variabler Volumenstrom ermöglicht es demgegenüber, die Menge der zentral aufbereiteten Zuluft über Volumenstromregler raumbezogen zu steuern und damit auf differenzierte Nutzerwünsche bezüglich der Temperatur zu reagieren. Anlagen mit variablem Volumenstrom können sich rasch an veränderliche Heizund Kühllasten in Räumen anpassen und eignen sich daher besonders für Räume mit stark schwankender Belegung.

Nordseite) und gekühlt (z. B. an der Südseite) werden, müssen die Bereiche ausgehend vom Zentralgerät über getrennte Luftkanäle versorgt werden. Ein Zwei-Kanal-System besteht aus zwei parallel verlaufenden Kanälen für Warmund Kaltluft, die erst kurz vor der Abnahmestelle (Raum oder Raumgruppe) auf die gewünschte Zieltemperatur abgemischt werden. Wegen des hohen Installationsaufwands werden diese Anlagen nur selten ausgeführt. Luftgeschwindigkeit Die Luft kann mit hohem Druck (Hochdruckanlage, Luftgeschwindigkeit 10 –14 m/sec) oder mit niedrigem Druck (Niederdruckanlage, 2 – 8 m/sec) im Kanalsystem verteilt werden. Hochdruckanlagen haben den Vorteil der kleineren Kanalquerschnitte und des entsprechend geringeren Platzbedarfs für die Luftverteilleitungen, erfordern jedoch andererseits einen höheren Aufwand zur Geräuschminderung in den Kanälen. Außerdem ist derStrombedarf für die Ventilatoren im Vergleich zu Niederdruckanlagen deutlich erhöht. Übergabe

Die Luft gelangt über Quell-, Drall- oder Schlitzauslässe in den Raum. Deren Anzahl, Größe und Lage im Raum ist im Rahmen einer Fachplanung festzulegen, die neben einer effektiven Luftführung auch das Vermeiden von Zugerscheinungen für die Nutzer (maximale Ausblasgeschwindigkeit 0,3 m/sec) zum Ziel hat. Unter dem Gesichtspunkt der Energieeffizienz sollte die Konditionierung eines Raums nicht allein über Luft, sondern in Kombination mit einem wasserführenden System vorgenommen werden, um die Luftmenge und damit den hohen Energieeinsatz für Ventilatoren zu reduzieren. Induktionsgeräte, die im Brüstungsbereich, im Boden oder in der abgehängten Decke eingebaut sind, ermöglichen im Raum die individuelle Nacherhitzung bzw. -kühlung der vorbehandelten Luft aus der Klimazentrale. Diese Primärluft wird in das Induktionsgerät eingeblasen, an wasserführenden Heiz- oder Kühlregistern vorbeigeführt und in den Raum ausgeblasen. Dabei zieht sie Raumluft mit sich (Induktion), die dadurch gleichermaßen temperiert wird. Der Platzbedarf für die Luftleitungen und die Klimageräte sinkt durch diesen Effekt deutlich, da weniger Luft zentral aufbereitet und konditioniert werden muss. Eine Be- oder Entfeuchtung ist im Induktionsgerät nicht möglich.

Lüftung

c +

a 712

b

814

2441

Abluftgerät

Zuluftgerät mit Nacherhitzer b c

d

+

e

h

a

b

c

d

+

-

e

f

d c

a

+

-

712

712

h

3356 6407 Zuluftgerät mit Nacherhitzer und Kühler

Zuluftgerät mit Nacherhitzer, Kühler und Befeuchter

kombinierte Zu- und Abluftgeräte: 712

g

712

b

712 b

712

g

b

b d

a

+

a

2848

712

a

a

kombiniertes Zu- und Abluftgerät mit Wärmerückgewinnung 712

g

3763

c

kombiniertes Zu- und Abluftgerät mit Wärmerückgewinnung und Nacherhitzer

712

b

b c +

a

d

e -

a 712

4373

kombiniertes Zu- und Abluftgerät mit Wärmerückgewinnung, Nacherhitzer und Kühler d 712

g

d 712

b

b c +

d

e -

f

d c +

a 712

Der große Nachteil der ausschließlichen Konditionierung über Luft im Vergleich zu Lösungen mit getrennten Anlagen für Heizen, Kühlen und Lüften besteht im deutlich erhöhten Energiebedarf für den Antrieb des Ventilators, der sich aus den großen Luftmengen und weiten Transportwegen ergibt. Demgegenüber orientiert sich der Luftwechsel und damit der Stromverbrauch für den Ventilator bei Gebäuden mit Einzelgeräten zur Konditionierung ausschließlich an der nötigen Frischluftmenge. Für die Beheizung im Winter und die Kühlung im Sommer ist bei einem zentralen luftgeführten System die Luftmenge entsprechend zu erhöhen, damit die benötigte Wärme oder Kälte in den Raum transportiert werden kann. Angesichts der geringen Wärmekapazität von Luft (0,34 Wh/m3K im Vergleich zu 1160 Wh/m3K bei Wasser) wird deutlich, dass gerade bei solchen Anlagen eine bauliche Optimierung hinsichtlich des winterlichen und sommerlichen Energiebedarfs unerlässlich ist. Nur dann kann das an sich faszinierend einfache Prinzip der zentralen Konditionierung mit vertretbarem energetischem Aufwand umgesetzt werden. Die elektrische Leistungsaufnahme und damit der Strombedarf eines Ventilators hängen von drei Faktoren ab: • Luftmenge Wird nur die Luftmenge bewegt, die für die Frischluftversorgung nötig ist, kann die Fördermenge auf eine Grundlüftung ausgelegt werden. Eventuell zeitweilig erforderliche höhere Luftmengen können dann auch über Fensterlüftung zugeführt werden. Wird Luft zum allei-

h

a

712

Energieaufwand Ventilator

getrennte Zu- und Abluftgeräte:

712

Das Nachheiz- oder Nachkühlregister kann als Zwei- oder Vierrohrsystem ausgeführt werden: • Zwei-Leiter-Induktion Je nach Jahreszeit wird entweder nachgekühlt oder nachgeheizt. Die Wärme oder Kälte wird durch zwei Leitungen transportiert ( VL, RL). • Vier-Leiter-Induktion Hier sind parallel ein Heiz- und ein Kühlwasserkreislauf installiert, sodass innerhalb des Gebäudes Beheizung und Kühlung gleichzeitig stattfinden können (bereichsweise oder wahlweise). Das aufwendige und teure System besitzt eine hohe Flexibilität, die besonders für Gebäude mit Mischnutzungen oder sehr hohen Komfortansprüchen von großem Wert ist (Abb. 3.39).

a 6000 kombiniertes Zu- und Abluftgerät mit Wärmerückgewinnung, Nacherhitzer, Kühler und Befeuchtung (Vollklimagerät) 3.40

3.37 hx-Diagramm: adiabate Kühlung 3.38 adiabate Kühlung (bei Kälteabgabe über Luft) A Abluft (26 °C /58 %) B Befeuchtung: Temperatur sinkt C Wärmetausch: Außenluft kühlt ab, Abluft nimmt Wärme auf D Außenluft (32 °C /35 %) 3.39 Vier-Leiter-Induktionsgerät für Brüstungseinbau 1 Ansaugung Raumluft 2 Heiz-/Kühlfläche 3 Kalt- und Warmwasser (4-Leiter) 4 Primärluft 5 Ausblasgitter

6 temperierte Zuluft 3.40 Zu- und Abluftgeräte für unterschiedliche Arten der Luftbehandlung (ca.-Maße in cm) a Ventilator b Filter c Erhitzer d Revision e Kühler f Befeuchter g Wärmerückgewinnung h Mischkammer (Beimengung von Raumluft, wenn gewünscht)

109

5

0,1

0,0

5

0,1

50

0,1

5

0,0

50

5

0,1

45

0,2

0,3

40

0,5

0,7 0,8 9 0, 0 1,

B 20

50

15

25

B

20

e rm Wä fuhr Ab

15 10

40

30 25 20 15

-5

5

Feuchte Abfuhr

Feuchte Zufuhr

-10

-10 -15

e rm Wä fuhr Zu

10

30 25 5

10

-5

A

0

15

20

0

e rm Wä fuhr Zu

35

5

35

5

-15

A Ausgangstemperatur= 32°C/60% B Zieltemperatur = 22°C/50%

A Ausgangstemperatur= 0°C/80% B Zieltemperatur= 22°C/50%

-20

-20 a

8 10 12 14 16 18 20 22 24 Wassergehalt [ g/ kg ]

2000

45

2 0,

G

0,

40

3

H Energieaufwand Luftbehandlung

0,4

960 35

0,5

30

0,7 0,8 9 0, ,0 1

E A

25

H

B F

15

Zuluft

Heizung

35

E

5

30

Befeuchtung

e rm Wä fuhr Ab

25

B

F

40

10 Abluft A

e rm Wä fuhr u Z

45 sp 50 ez 5 ifis 5 ch 60 eE 6 nt 5 ha 70 lpi e[ kJ

20

3.42

G

6 0,

D 1200

Sollen für den energetischen Nachweis bessere Werte als in dieser Tabelle angesetzt werden, ist ein Nachweis nach DIN EN 13 779 erforderlich.

0

20

Befeuchtung

C

Heizung (ca. 40 °C)

-5

Feuchte Abfuhr

-10

C

Außenluft

-15 G Fortluft a

110

G D

Feuchtetauscher

D= 30°C/40% F = 22°C/50%

-20 0 2

Außenluft b

Feuchte Zufuhr

15

Wärmetauscher

10

H

5

H

4

6

Häufig werden aus Platzgründen möglichst kleine Flachkanäle mit rechteckigem Querschnitt ausgeführt. Sie müsen mit hoher Geschwindigkeit durchströmt werden, damit die benötigte Luftmenge in die Räume gelangt. Die erforderliche Druckerhöhung – ausgedrückt in Pascal – wird durch Addition von Teildruckerhöhungen (Gerät, Rohrquerschnitt, Leitungswege) in Abhängigkeit von der Luftgeschwindigkeit ermittelt. Abb. 3.42 stellt diesen Sachverhalt für größere Anlagen dar. Anlagen mit kurzen Wegen erfordern deutlich geringere Druckerhöhungen, was die notwendige Ventilatorleistung reduziert. Die detaillierte Auslegung des Kanalnetzes und der mit ihm verbundenen Druckverluste ist Teil der Fachplanung.

t

Zuluftventilatoren von (Teil-)Klimaanlagen

5

0,1

kei htig

1600

50

uc

Zuluftventilatoren mit Erwärmung

750

0,1

5

0,0

ftfe

1250

55

Lu

Abluftventilatoren

Totaldruckerhöhung bei Gesamtwirkungsgrad 60 % des Ventilators [Pa]

8 10 12 14 16 18 20 22 24 Wassergehalt [ g/ kg ] 3.41

6

tive

Ventilatoren spezifische Leistungsaufnahme [ W/(m3/s) ]

4

rela

Standardwerte für Ventilatoren

0 2 b

g]

6

/k

4

Lufttemperatur [ °C ]

0 2

nigen Wärme- oder Kältetransport genutzt, muss sichdie zu befördernde Luftmenge an dem jeweils herrschenden Wärme- oder Kältebedarf orientieren. In der Regel führt dies dann zu einem erhöhten Luftaustausch. • Strömungswiderstand Den geringsten Strömungswiderstand im Kanalsystem bieten Rundrohre mit einem möglichst geringen Anteil an Bögen. Sie sind allen anderen Querschnittsformen mit gleicher Querschnittsfläche überlegen. • Querschnittsfläche des Luftkanals Je größer der Kanalquerschnitt ist, umso niedriger wird die Fördergeschwindigkeit und damit der Energiebedarf des Ventilators sein.

40

45

10

0,6 0,7 0,8 9 0, ,0 1

45 sp 50 ez 55 ifis ch 60 eE 6 nt 5 7 ha lpi 0 7 e[ 5 kJ 80 /k g] 85

25

0,5

30

sp ez ifis ch 55 e En th 60 a 65 lpie [kJ 70 /k g] 75 80 85

30

35

t kei

A

0,4

0,6

tig ch

35

feu uft

0,4

40

eit gk hti

uc

ftfe

0,3

Lu

45

tive

0,2

55

L tive rela

Lufttemperatur [°C ]

55

rela

Lufttemperatur [°C ]

Anlagentechnik

Abluft A=26°C/70% G=32°C/70%

8 10 12 14 16 18 20 22 24 Wassergehalt [ g/ kg ] 3.43

Die Konditionierung von Luft umfasst vier Teilbereiche mit jeweils spezifischem Energieeinsatz, die im Folgenden genauer beschrieben werden: Erwärmung, Kühlung, Be- und Entfeuchtung. Eine Sonderform stellt die Klimatisierung

3.41 hx-Diagramm: Luftkonditionierung mit a Kühlung und Entfeuchtung (Sommer) b Erwärmung und Befeuchtung (Winter) 3.42 Standardwerte für die elektrische Leistung von Ventilatoren nach DIN V 18 599-7 3.43 Kühlen mit Wärme: Adsorptionskältemaschine (Erwärmung und Entfeuchtung) a Anlagenschema b hx-Diagramm A Abluft (26 °C /70 %) B Befeuchtung: Temperatur sinkt C Erwärmung: rel. Feuchte sinkt D Außenluft (30 °C /40 %) E Erwärmung F Befeuchtung auf 22 °C / 50 % (Zuluft) G Feuchtetausch im Sorptionsrad: Abluft nimmt Feuchte auf und kühlt dabei ab Außenluft gibt Feuchte ab und erwärmt sich H Wärmetausch: Außenluft kühlt ab Abluft nimmt Wärme auf

Lüftung

mit regenerativ erzeugter Wärme und ergänzender Befeuchtung dar (Abb. 3.43 a und b). Diese Form der Luftkonditionierung ist vor allem dann interessant, wenn Wärme in Form von Fernwärme oder Abwärme von Blockheizkraftwerken zur Verfügung stehen. Lufterwärmung Um Luft um 1 Kelvin zu erwärmen, ist eine Wärmemenge von 0,34 Wh pro m3 Luft erforderlich. Zur Erwärmung kann der Luftstrom über ein Heizregister geführt werden, das vom Wärmeerzeuger mit der nötigen Wärmemenge versorgt wird. Aus dem hx-Diagramm ist ersichtlich, dass mit der Erwärmung der Luft immer ihre relative Feuchtigkeit abnimmt, wodurch im Winter Behaglichkeitsprobleme entstehen können, wenn der Wert im Raum unter 30 % absinkt (Abb. 3.41 b). Um Heizenergie zu sparen, kann die kalte Außenluft vorerwärmt werden, indem sie durch einen Erdkanal oder durch eine Tiefgarage geführt wird, bevor sie in das Gebäude gelangt. Außerdem ist es energetisch sinnvoll, die in der Abluft enthaltene Wärme an die zugeführte Außenluft zu übertragen. Hierfür stehen folgende Methoden zur Verfügung: • rekuperativer Wärmetausch Zu- und Abluftströme werden in geschlossenen Kreisläufen zusammengeführt, ohne dass ein Stoffaustausch stattfindet. Lediglich die enthaltene Wärmeenergie wird über groß aufgefächerte Kontaktflächen der luftführenden Leitungen ausgetauscht (z. B. Plattenwärmetauscher). Mit diesem Verfahren können bei Großgeräten bis zu 75 % und bei kleineren Geräten bis zu 90 % der in der Abluft enthaltenen Wärme zurückgewonnen werden. • regenerativer Wärmetausch Hier wird sowohl die sensible (messbare) als auch die in der Feuchtigkeit enthaltene latente Wärme ausgetauscht. Die Übertragung erfolgt über ein rotierendes Sorptionsrad, das dem Abluftstrom Wärme und Feuchte entzieht (Stoffaustausch) und an die deutlich kältere Zuluft abgibt. Durch die Rückgewinnung von Wärme und Feuchte sind regenerative Tauscher noch effizienter als rekuperative. • dezentraler Wärmetausch Regenerativer und rekuperativer Wärmetausch sind nur möglich, wenn Außen- und Fortluftströme zusammengeführt werden können. Dies erzwingt Kanalführungen, die oft aufgrund baulicher Gegebenheiten nicht möglich oder sinnvoll sind. Die Wärmeübertragung

kann dann dezentral über eine Trägerflüssigkeit erfolgen, die zwischen Zuund Abluft zirkuliert. Luftkühlung Luftkühler sind in gleicher Form wie Lufterhitzer konstruiert. Die Luft durchströmt ein Kühlregister, das von einer Kältemaschine mit kaltem Wasser versorgt wird. Bei Abkühlung nimmt die relative Feuchtigkeit der Luft zu, was zu Behaglichkeitsproblemen und eventuell Feuchteschäden führt, wenn die relative Luftfeuchtigkeit im Raum über 60 % ansteigt. Dann muss die Luft entfeuchtet werden (Abb. 3.41 c). Zur Reduzierung des Kühlenergiebedarfs kann die Luft vorgekühlt (Leitungsführung durch Erdreich oder Tiefgarage) und die enthaltene Wärmeenergie über die bereits beschriebenen Verfahren rückgewonnen werden. Luftentfeuchtung Luft lässt sich entweder über Temperaturabsenkung entfeuchten oder über Kontakt mit hygroskopischen Stoffen, die ähnlich einem Schwamm Wasser aufnehmen. Wenn es darum geht, Raumluft im Sommer auf einen präzisen Temperatur- und Feuchtezustand einzustellen, wie dies bei anspruchsvollen Nutzungen (Labore, Museen, medizinische Behandlungsbereiche etc.) der Fall ist, ist die Entfeuchtung über Kühlung in einem Klimagerät das Mittel der Wahl. Hier kommt das physikalische Phänomen zum Tragen, dass kalte Luft weniger Wasserdampf aufnehmen kann als warme. Zur Entfeuchtung wird Luft also so weit gekühlt, bis Tauwasser ausfällt. Der Kühlprozess wird bis zu einer Temperatur fortgesetzt, von der aus die gewünschte Zieltemperatur allein über Erwärmung erreicht wird. Die Abhängigkeiten von Ausgangs- und Zielwerten für Temperatur, relative und absolute Feuchte sowie Energieinhalt sind im hx-Diagramm (Abb. 3.41 a) dargestellt. Mit seiner Hilfe lässt sich der Prozess präzise berechnen und die erforderliche Energiemenge für die beiden Prozessschritte erfassen (siehe nebenstehendes Beispiel). Der hohe Energiebedarf ergibt sich aus den prozessbedingt großen Unterschieden zwischen Eingangs-, Zwischen- und Endtemperatur. Luftbefeuchtung Soll Luft befeuchtet werden, z. B. im Winter, wenn kalte Außenluft zugeführt und erwärmt wird, so muss dies – analog dem Entfeuchtungsvorgang – in zwei Schritten geschehen. Dementsprechend hoch ist

Beispiel: Lüftung und Konditionierung Das Großraumbüro (121 m2 Grundfläche, Betriebszeit 11 h) soll konditioniert werden. Der Energieaufwand für Lufttransport und Luftbehandlung in einer Klimaanlage wird verglichen mit einer reduzierten Lösung aus Einzelsystemen zum Heizen, Kühlen und Lüften. Lufttransport Frischluftwechsel (Zone 3 DIN V 18 599) 726 m3/h Strombedarf • Abluft 0,40 Wh/m3 (bei 750 Pa) • Zuluft 0,45 Wh/m3 (bei 800 Pa) • Zuluft Klimaanlage 0,55 Wh/m3 (bei 1200 Pa) (wegen Druckerhöhung) Einzelsystem (nur Frischluftversorgung) Energiebedarf Lufttransport pro Tag: • Zuluft 0,45 Wh/m3 · 11 h · 726 m3/h = 3,6 kWh • Abluft 0,40 Wh/m3 · 11 h · 726 m3/h = 3,2 kWh Klimaanlage Energiebedarf Lufttransport pro Tag: • Zuluft 0,55 Wh/m3 · 11 h · 726 m3/h = 4,4 kWh • Abluft 0,40 Wh/m3 · 11 h · 726 m3/h = 3,2 kWh Kommentar Wenn, wie hier angenommen, die Frischluftmenge ausreicht, um die erforderliche Wärme-/Kältemenge zu transportieren, entsteht für die zentrale Klimaanlage nur ein geringer zusätzlicher Transportaufwand. Luftbefeuchtung (Winter) Um bei 0 °C Außentemperatur und 80 % rel. Luftfeuchte im Innenraum präzise 22 °C / 50 % zu erreichen, ist folgender energetischer Mehraufwand zur Befeuchtung für einen Tag erforderlich (Abb. 3.41 b): • zusätzliche Lufterwärmung (7986 m3) von 21 auf 39 °C, um anschließend durch Befeuchtung die Zieltemperatur erreichen zu können 23 kJ/kg · 0,28 Wh/kJ · 1,2 kg/m3 · 7986 m3 = 62 kWh • Zufuhr von Wasser 6,5 g/m3 · 7986 m3 = 52 000 g = 52 l • Energieaufwand zur Verdampfung des Wassers 52 l · 1,16 Wh/l · K · 90 K = 5,4 kWh Luftentfeuchtung (Sommer) Um bei einer Außenluft von 32 °C / 60 % den gewünschten Zustand innen (22 °C / 50 %) zu erreichen, ist pro Tag folgender energetischer Mehraufwand zur Entfeuchtung erforderlich (Abb. 3.41 a): • Abkühlen der Luft von 26 auf 11 °C, um anschließend durch Erwärmung die gewünschte Zieltemperatur erreichen zu können: 42 kJ/kg · 0,28 Wh/kJ · 1,2 kg/m3 · 7986m3 = 114kWh • Erwärmung der Luft von 11 auf 22 °C: 12 kJ/kg · 0,28 Wh/kJ · 1,2 kg/m3 · 7986 m3 = 3,2kWh Energetischer Mehraufwand der Klimaanlage Wintertag: Strom (Ventilator) 0,8 kWh Wärme 67,4 kWh Sommertag: Strom (Ventilator) 0,8 kWh Wärme 3,2 kWh Kälte 114,0 kWh Zum Vergleich Der Energieaufwand für eine Konditionierung mit Einzelsystemen (ohne Be- und Entfeuchtung) beträgt im Winter 35 kWh und im Sommer 16 kWh pro Tag.

111

Anlagentechnik

Varianten-Nummer

Spezifische Energiekennwerte Monat Juli Feuchteanforderung

Befeuchter-Typ

WRG-Typ

ohne Verduns- Verduns- Dampf- keine Wärme keine mit 75 % befeuchtung Tole- Tole- tung regelbar ter ranz ranz nicht regelbar

1 ‡

Energiekennwerte für Zuluft 18 °C, Betriebszeit 12 h, 31 Tage Wärme Wärme und Feuch- qH [Wh/ te (m3h)]

‡

4 ‡

99 ‡

5

‡

‡ ‡

‡

8

‡

12

‡

‡

15

‡

‡

19

‡

22

‡

‡

‡ ‡

‡

26

‡

‡

29

‡

‡

33

‡

‡

36

‡

‡

40

‡

‡

43

‡

‡

‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

Kälte

qSt [Wh/ (m3h)]

qC [Wh/ (m3h)]

–

474

–

471

–

496

13

–

489

103

–

488

112

‡

‡

–

Dampf

4

–

481

103

–

484

44

–

481

697

–

1394

682

–

1385

591

–

1273

463

–

Bilanzierung nach DIN V 18 599

Da die Außenluftbedingungen ständig variieren, lässt sich der Energiebedarf für ein Jahr nur über eine Simulationsrechnung ermitteln. DIN V 18 599-3 legt daher Durchschnittswerte zur Bilanzierung unterschiedlicher Anlagen fest. Dabei wird der Energiebedarf zur Luftkonditionierung für unterschiedliche Anlagentypen in Form von Kennwerten zur Erhitzung, Kühlung/Entfeuchtung und Befeuchtung monatsweise dargestellt (Abb. 3.44). Grundlage der Betrachtung ist jeweils die Energiemenge, die benötigt wird, um 1 m3 Luft auf 18 °C zu erwärmen und wahlweise zu kühlen bzw. zu be- und entfeuchten. Andere Lufttemperaturen finden über entsprechende Faktoren in der Rechnung Berücksichtigung. Der komplexe Rechenvorgang kann im Detail nur von Fachplanern durchgeführt werden.

1269

538

76

1307

464

76

1292

Spezifische Energiekennwerte Monat Dezember 1 ‡

‡

4 ‡

‡

5

‡

‡

8

‡

‡

12

‡

‡

15

‡

‡

19

‡

‡

22

‡

‡

‡ ‡ ‡ ‡

26

‡

‡

29

‡

‡

33

‡

‡

36

‡

‡

40

‡

‡

43

‡

‡

‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

1938

–

–

6

–

–

2668

–

–

1214

–

–

2670

–

–

601

–

–

1893

–

–

4

–

–

3292

–

–

1239

–

–

3295

–

–

1207

–

–

1855

1462

–

2

1461

–

Energetische Sanierung

3.44 Typenschild eines Lüftungsgeräts (Muster) Typ/Baujahr: NN/1982 3

Auftragsnummer: NN

Luftleistung: 5000 m /h

Motorleistung: 2,2 kW

Δp ext.: 420 Pa

Nennstrom: 8,5 /4,9 A

Heizleistung: 72 kW

Spannung: 220 /380 V

Kühlleistung: – kW

Drehzahl: 1500 min-1 3.45

3.44 spezifischer monatlicher Energiebedarf für Wärme, Kälte, Be- und Entfeuchtung bei unterschiedlichen Anlagenvarianten zur Konditionierung mit Luft nach DIN V 18 599-3 (Auswahl) 3.45 Typenschild eines Lüftungsgeräts (Muster) 3.46 Beispiel Bürogebäude: Raumkonditionierung mit Luft ohne Be- und Entfeuchtung, Nutzung regenerativer Energiequellen

112

auch hier die benötigte Energiemenge. Zunächst wird die Luft in einem ersten Schritt deutlich über Raumtemperatur erwärmt und im zweiten Schritt befeuchtet, wodurch sie wieder abkühlt – bei richtiger Einstellung exakt auf die gewünschte Zieltemperatur. Im hx-Diagramm können die benötigten Energieund Wassermengen für die angenommenen Ausgangs- und Zielwerte abgelesen werden (Abb. 3.41 b, S. 110). Der Wärmebedarf ist besonders hoch, weil die Luft nicht auf Raumtemperatur, sondern deutlich stärker erwärmt werden muss, damit der Befeuchtungsprozess realisiert werden kann. Hinzu kommt der Energiebedarf für die Erwärmung des zugeführten Wassers auf die Siedetemperatur.

• Reduktion der mechanischen Lüftung durch natürliche Abluft im Sommer über das Atrium • Vorerwärmung/Vorkühlung durch Erdkanal • Lufterwärmung und Luftkühlung mit Wärmepumpe (Wärmequelle Grundwasser) a Schnitt mit Energie- und Lüftungskonzept b Technikkonzept c Bauteilaktivierung durch einbetonierte Lüftungskanäle in den Geschossdecken

Bestehende Anlagen zur Raumklimatisierung weisen häufig folgende Schwachstellen auf: • eine Wärmerückgewinnung fehlt • die bewegten Luftmengen sind zu hoch • Ventilatormotoren sind uneffektiv • Zentralgeräte erlauben keine differenzierte Reaktion auf unterschiedliche oder wechselnde Randbedingungen In der Regel muss deshalb die gesamte Anlagentechnik entfernt und neu konzipiert werden. Reparaturen und Ergänzungen – z. B. Nachrüstung eines Wärmetauschers – sind nur schwer oder mit hohem Aufwand durchzuführen, da die Anlage auseinandergebaut, ergänzt und anschließend wieder zusammengebaut werden muss. Einen ersten Eindruck vom technischen Zustand eines Lüftungsgeräts liefert das

Lüftung

Typenschild, das auf jeder Anlage angebracht ist. In Abb. 3.45 sind die Daten aufgeführt, die dem Typenschild entnommen werden können. Bei der energetischen Sanierung von vorhandenen Lüftungs-, Teilklima- oder Klimaanlagen muss nach erfolgter Analyse und Dokumentation des vorhandenen Systems die bauliche Situation bzw. die damit zusammenhängende Heiz- oder Kühllast bewertet und wenn möglich optimiert werden. Zu untersuchen sind dabei • die Qualität der Dämmung einschließlich der Fenster • die Qualität des sommerlichen Wärmeschutzes (Fenster, Sonnenschutz, Speichermasse) • Lüftungsmöglichkeiten des Gebäudes Im Bestand können niemals alle Parameter in gleicher Weise optimiert werden. Fast immer ist aber eine Verbesserung der verglasten Flächen einschließlich Sonnenschutz möglich, was zu einer drastischen Reduktion der Kühllast führt. Bei Kühlung über Luft bewirkt dies eine deutlich verringerte Luftmenge, was wiederum Auswirkungen auf Ventilatoren und Kanalquerschnitte hat. Nach erfolgter baulicher Analyse und Beseitigung baulicher Schwachstellen wird dann auf Basis einer neuen Lastberechnung und unter Einbeziehung regenerativ erzeugter Energie eine neue Anlagenkonzeption entwickelt. Die geschilderte ganzheitliche Analyse führt häufig zur Entklimatisierung bestehender Gebäude und Ausrüstung mit Einzelsystemen für Heizung, Kühlung und Lüftung. Der Energiebedarf zur Konditionierung kann damit um bis zu 70 % reduziert werden. Der Verzicht auf intensive Be- und Entfeuchtungsprozesse, die umfassend und zuverlässig nur mit zentralen Klimaanlagen zu leisten sind, führt allerdings zu gewissen Behaglichkeitseinbußen in Spitzenlastzeiten. Lediglich bei Gebäuden mit höchsten Anforderungen an die Konditionierung (z. B. Museen, Produktionsgebäude in der High-Tech-Industrie) werden gleichbleibende, präzise Klimarandbedingungen benötigt, die sich nur über eine Klimaanlage erreichen lassen. In diesen Fällen muss eine bestehende Anlage durch effiziente Technik ersetzt werden, die auch regenerative Energiequellen einbezieht. In allen anderen Fällen ist eine Klimaanlage durch andere Anlagentechnik ersetzbar, sofern die baulichen Rahmenbedingungen eine Reaktion auf die klimatischen Veränderungen erlauben (siehe Wärmequellen, S. 38ff. und Wärmesenken, S. 68ff.).

13

1 3

9

8

9 10

4

11 8

2

12 14 4

4

5

7

6 1 2 3 4 5

Sommersonne Wintersonne Solarthermie Zuluft Wärmepumpe

6 Bohrbrunnen 7 Lüftungsgerät mit Wärmerückgewinnung 8 Abluft (Entlüftung über Atrium)

9 Photovoltaik 10 außen liegender Sonnenschutz 11 thermische Bauteilaktivierung über Zuluft

12 Außenluft 13 Fortluft (Sommer) 14 Fortluft (Winter)

a Quelle

Energietechnik

Übergabe und Verteilung

Netzstrom

Sonne

Energiedienstleistung

Strom

Durchlauferhitzer

Photovoltaik

Solarthermie

Warmwasser

Grundwasser

Bohrbrunnen

Wärmepumpe

Lufterhitzer

Raumheizung

Außenluft

Erdkanal

Lüftungsgerät (WRG)

Luftkanal mit Bauteilaktivierung

Kühlung

Außenluftversorgung b

c

3.46

113

Anlagentechnik

Kunstlicht Kunstlicht dient dazu, einen Raum bei nicht ausreichender Tageslichtversorgung so zu belichten, dass die dort geplanten Tätigkeiten verrichtet werden können. Bei der Planung von Kunstlicht sind neben der Frage des Energieverbrauchs immer auch Aspekte der Ergonomie (Behaglichkeit, Blendung) und der Ästhetik (Raumausleuchtung) von Bedeutung. An dieser Stelle wird die Frage der Beleuchtung mit Kunstlicht ausschließlich in energetischer Hinsicht betrachtet. Grundlagen

Wie lange eine künstliche Beleuchtung betrieben wird, hängt von Art und Umfang des zur Verfügung stehenden Tageslichts und von der Tätigkeit selbst ab. Die Qualität bzw. Effizienz der Beleuchtungsanlage bestimmt, wie viel Strom in der Betriebszeit verbraucht wird. Die für eine bestimmte Belichtungsqualität erforderliche Anzahl der Beleuchtungskörper ist abhängig von folgenden Parametern: Qualität von Leuchtmittel und Beleuchtungskörper Um bei Dunkelheit eine definierte Beleuchtungsstärke (Lux) zu erhalten, muss ein bestimmter Lichtstrom, der von Beleuchtungsmitteln (Lampen) erzeugt wird, auf eine definierte Fläche auftreffen (Abb. 3.47 a). Je weniger Energie eine Lampe zur Bereitstellung des Lichtstroms benötigt, desto effizienter ist die Beleuchtung. In Abb. 3.48 sind diesbezügliche typische Kennwerte für unterschiedliche Lampentypen aufgeführt. Der aus der Lampe kommende Lichtstrom wird durch den Beleuchtungskörper (Leuchte) reduziert. Diese Verringerung drückt sich im Betriebswirkungsgrad der Leuchte aus, der in der Regel zwischen 70 – 80 % liegt (Abb. 3.47 b). Die Effizienz einer Beleuchtungsanlage wird ermittelt, indem die Gesamtleistung der installierten Lampen auf die beleuchtete Fläche bezogen wird (W/m2, Abb. 3.47 c).

Vorschaltgeräte bei Entladungslampen Bei Entladungslampen (Leuchtstoffröhren) erhöhen elektronische Vorschaltgeräte (EVG) im Vergleich zu konventionellen Vorschaltgeräten (KVG) oder verlustarmen Vorschaltgeräten (VVG) die Effizienz der Beleuchtungsanlage. Der Ersatz alter Beleuchtungsanlagen mit ineffizienten Vorschaltgeräten (KVG) durch neue effiziente Leuchten hat einen vergleichbaren Einspareffekt zur Folge wie der Ersatz eines alten Heizkessels durch einen neuen Kessel mit deutlich geringeren Erzeugungsverlusten. In DIN V 18 599-4, Tabelle 2 ist der Mehrbedarf an Energie abhängig von den eingesetzten Vorschaltgeräten angegeben. Er liegt beim VVG um 14 % höher und beim KVG um 24 % höher als beim EVG. Elektronische Steuerung Die elektronische Steuerung von Beleuchtungsanlagen abhängig vom Tageslicht oder von der Präsenz im Raum reduziert die Betriebsdauer der Beleuchtungsanlage deutlich. Nach DIN V 18 599-4, Tabelle 22 verringern Präsenzmelder den Energiebedarf um 20 %. Tageslichtabhängige elektronische Steuerungen sind besonders effektiv, wenn sie die Beleuchtungsanlage bei ausreichendem Tageslichtangebot abschalten und dem Nutzer die Möglichkeit einräumen, die Anlage wieder manuell einzuschalten. Diese Steuerung reduziert die Brenndauer der Anlage um bis zu 20 % und führt damit auch zu einer entsprechenden Stromeinsparung. Art der Beleuchtung Die Art der Beleuchtung eines Raums (direkt oder indirekt) bestimmt ebenfalls den Energiebedarf der Beleuchtungsanlage. Die direkte Beleuchtung ist energetisch gesehen die effizienteste Form, sie hat jedoch durch starke Leuchtdichtekontraste negative Auswirkungen auf das visuelle Behaglichkeitsempfinden der Raumnutzer. Beleuchtungskonzepte mit

indirekten Anteilen zur Aufhellung der Deckenflächen schaffen hier Abhilfe. Wird die Raumbeleuchtung vollständig indirekt – also über Reflexion an der Decke – vorgenommen, so steigt der Energieverbrauch deutlich gegenüber den vorgenannten Systemen (Abb. 3.49). Mithilfe von DIN V 18 599-4 lässt sich die installierte Leistung (Watt) von direkten, indirekten und gemischten Beleuchtungsanlagen relativ einfach vergleichen. Danach ist der Energiebedarf für eine direkt-indirekte Beleuchtung um bis zu 50 % höher als für die entsprechende direkte Beleuchtung; der Mehrbedarf für Strom zur ausschließlich indirekten Beleuchtung liegt sogar bei 80 %. Bilanzierung nach DIN V 18 599

Der Stromverbrauch für die Beleuchtung eines Gebäudes ist von zwei Randbedingungen abhängig. Zunächst muss die installierte Beleuchtungsleistung (p) ermittelt werden, die es ermöglicht, im Raum bei Dunkelheit die geforderte Beleuchtungsstärke zu erzeugen. Die Betriebsdauer der Beleuchtungsanlage ist die zweite Einflussgröße für den Stromverbrauch (siehe Beispiel Tageslicht, S. 85). Bei der funktionalen Beschreibung einer Beleuchtungsanlage fließen mehrere Aspekte ein, die zur Bilanzierung Schritt für Schritt aus Tabellen der Norm entnommen oder berechnet werden müssen: Schritt 1: Geforderte Beleuchtungsstärke Ēm Für Großraumbüros (Nutzungsprofil 3 der DIN V 18 599-10) beträgt dieser Wert beispielsweise 500 lx (Abb. 2.54, S. 81). Schritt 2: Systemlichtausbeute ηS Die Systemlichtausbeute (lm/W) beschreibt die Effizienz des Leuchtmittels. Sie entspricht dem Quotienten aus dem erzeugten Lichtstrom (z. B. 4600 lm für eine Leuchtstoffröhre T 8) und der dazu erforderlichen elektrischen Anschlussleistung (z. B. 51 W). In dem geschilderten Beispiel liegt sie bei 90 lm/W (Abb. 3.48). 600

Leuchtstoffröhre T 8 ( 51 W, 4600 lm ) 4 · 51 W = 204 W 18 400 lm ÷ 18 m2 = 1000 lx

150

Abminderung durch: Wirkungsgrad 73% Wartungsfaktor 0,67

150 1000 lx

500 lx

00

6

300

a

114

204 W

300

18 m

204 W

300

18400 lm

2

204 W

54 m2 b

c

11 W/m2 3.47

Kunstlicht

Schritt 3: Betriebswirkungsgrad ηLB Der Betriebswirkungsgrad wird vom Design und von der Ausstattung des gewählten Beleuchtungskörpers bestimmt. Er ist deshalb produktabhängig und beträgt in der Regel 70 – 80 %; für die oben beschriebene Leuchtstoffröhre T 8 können 73 % des erzeugten Lichtstroms zu Beleuchtungszwecken genutzt werden (Abb. 3.47 b).

Lampentypen: elektrische Anschlussleistung [W] und emittierter Lichtstrom [lm] Lichtstrom [lm]

Schritt 5: Wartungsfaktor WF Mit dem Wartungsfaktor werden der Alterungsprozess und die Verschmutzung der Leuchte berücksichtigt. Denn die geforderte Beleuchtungsstärke muss auch bei altersbedingt sinkender Lichtausbeute und nutzungsgemäßer Verschmutzung noch erreicht werden. Der Wartungsfaktor WF beträgt standardmäßig 0,67 und bewirkt eine Erhöhung der zu installierenden elektrischen Leistung (siehe Schritt 7, S. 116). Schritt 6: Raumwirkungsgrad ηR Der Raumwirkungsgrad beinhaltet einerseits die Raumgeometrie in Form des Raumindexes k und andererseits das Reflexionsvermögen der raumumschließenden Flächen. Der Raumindex k wird aus der Raumtiefe aR, der Raumbreite bR und der Höhe h´R des Beleuchtungskörpers über der zu beleuchtenden Nutzebene wie folgt berechnet: k=

NV-Halogen 2) [W]

Energiesparlampe [W]

400

40

7

700

60

11

800

T 8 3) [W]

T 5 4) [W]

LED 5) [W]

14 (7)

8

50

900

75

1200

15

13

14

20

16

14

1300

18

1400

Schritt 4: Minderungsfaktor kA Dieser pauschale Wert berücksichtigt bei flächig beleuchteten Nutzungsbereichen, dass nicht alle Flächen mit der vorgegebenen Beleuchtungsstärke beleuchtet werden müssen. Für ein Großraumbüro (Zone 3 im Nutzungsprofil nach Abb. 2.54, S. 81) beträgt der Faktor beispielsweise 0,92. Es gibt für Büros aber auch Beleuchtungskonzepte, die eine Grundbeleuchtung von nur 200 lx mit arbeitsplatzbezogenen Ergänzungsleuchten kombinieren, die auf der Arbeitsfläche dann die geforderten 500 lx erbringen. In diesem Fall kann der Minderungsfaktor auch deutlich niedriger angesetzt werden; dann ist er jedoch individuell zu berechnen.

Glühlampe 1) [W]

100

1500

75

2000

100

23

2500

30

28

3000

36

35

5000

58

54

Zur Bewertung der Effizienz (Systemlichtausbeute ηs) wird der Lichtstrom durch die Anschlussleistung [lm/W] dividiert; Werte produktabhängig, gerundet. 1) Glühlampen bis 80 W dürfen nicht mehr verkauft werden. 2) Niedervolt-Halogen (mit Transformator) 3) Leuchtstoffröhre Durchmesser 26 mm 4) Leuchtstoffröhre Durchmesser 16 mm 5) Light-Emitting Diode (46,6 cm ≈ 10,5 cm ≈ 10,5 cm) 3.48

700 lx

500 lx

500 lx

a

b

300 lx

+200 lx 500 lx

+400 lx 300 lx

c

500 lx

d

100 lx

3.49

aR · bR h´R · (bR + aR)

Je größer der Abstand der Lampe von der Nutzebene ist, desto mehr sinkt also der Raumindex. Ein kleiner Raumindex führt zur Erhöhung der erforderlichen Beleuchtungsleistung.

3.47 Beleuchtungsanlage für Büronutzung (Prinzip) a Lampe (Leuchtmittel) b Leuchte (Beleuchtungskörper) c Beleuchtungsanlage 3.48 Lampentypen 3.49 unterschiedliche Konzepte, um die für Büros geforderte Beleuchtungsstärke von 500 lx auf der Nutzebene zu erreichen:

a direkte Beleuchtung b indirekte Beleuchtung c direkt mit arbeitsplatzbezogener Zusatzbeleuchtung d arbeitsplatzbezogene Beleuchtung mit indirekter Grundbeleuchtung Indirekte Beleuchtung führt bei gleicher Beleuchtungsstärke zu höherem Stromverbrauch.

115

Anlagentechnik

1

2

3

4

a

Nach Berechnung des Raumindexes kann der Raumwirkungsgrad ηR in Abhängigkeit vom Reflexionsvermögen der raumumschließenden Flächen aus einer Tabelle ermittelt werden (Abb. 3.51). Reflexionsgrade sind werkstoffspezifisch und vom Lichtplaner zu berechnen. Überschlägig können für Decken und Wände mit dem Faktor 0,7 – 0,8 helle Flächen, mit 0,4 – 0,6 mittelhelle Flächen und mit 0,2 – 0,3 dunkle Flächen beschrieben werden. In DIN V 18 599-4 werden demgegenüber für den Reflexionsgrad vereinfachend Standardwerte angesetzt (Boden dunkel 0,2 / Wand 0,5 / Decke 0,7), sodass der Raumwirkungsgrad über eine Tabelle in Abhängigkeit zur Beleuchtungsart festgelegt werden kann (Abb. 3.52). Die Möglichkeit zur Einflussnahme über die Reflexionswerte der Flächen ist hier allerdings nicht gegeben. Schritt 7: Installierte elektrische Leistung p Die auf die Raumgrundfläche bezogene installierte elektrische Leistung p zur Erfüllung der Sehaufgaben berechnet sich nun wie folgt: p=

kA · Ēm WF · ηS · ηLB · ηR

b

Schritt 8: Stromverbrauch Beleuchtung Multipliziert man nun die auf die Grundfläche bezogene Beleuchtungsleistung p mit der Größe der zu beleuchtenden Fläche und mit den Stunden, in denen die Beleuchtung auch in den tageslichtversorgten Bereichen in Betrieb sein muss, so erhält man den jährlichen Stromverbrauch für die Beleuchtung in den tageslichtversorgten Bereichen. Hinzuaddiert wird der Stromverbrauch in den Nutzungsstunden zur Nachtzeit. Hier ist nur ein einfacher Rechenschritt auszuführen. Die Fläche der zu beleuchtenden Zone wird mit den Stunden (207 Stunden in der Nachtzeit in Zone 3) und der installierten Leistung multipliziert. Mit dieser einfachen Berechnung lässt sich der Energieaufwand für die Beleuchtung abschätzen. Die Kenntnis der genannten Einflussparameter erlaubt dann eine Optimierung und energetische Bewertung der Beleuchtungsanlage.

c

Energetische Sanierung

Bei zahlreichen Bestandsgebäuden hat die Beleuchtungsanlage einen großen Anteil am Stromverbrauch und damit am CO2-Ausstoß bzw. Primärenergiebedarf des Gebäudes. Verursacht wird dieser hohe Verbrauch durch die ungenügende d

116

3.50

Nutzung des Tageslichtangebots sowie durch veraltete Beleuchtungstechnik. Folgende Schwachpunkte sind bei der Anlagentechnik häufig zu beobachten: • überinstallierte Beleuchtung (Anschlusswerte bis zu 40 W/m2 gegenüber realisierbaren Werten von 10 bis 15 W/m2) • veraltete Beleuchtungstechnik (fehlende oder veraltete Vorschaltgeräte) • ineffiziente Lampen mit schlechter Systemlichtausbeute (lm/W) • fehlende Steuerungsmöglichkeit der Beleuchtung Ein erster, einfacher Optimierungsschritt bei Bestandsanlagen besteht in der Reduzierung des häufig überhöhten Lampenanteils durch Entfernen von Lampen. Anschließend sollte überprüft werden, ob und in welcher Form weitere Verbesserungen, etwa durch Austausch der Leuchtmittel, möglich sind. Der Energiebedarf für Beleuchtungsanlagen lässt sich durch Optimierung der Tageslichtversorgung (siehe Tageslicht, S. 80ff.) und anschließenden Einsatz einer effizienten Beleuchtungsanlage um bis zu zwei Drittel reduzieren. Typische Kennwerte für ältere und neue ganzheitlich sanierte Beleuchtungsanlagen sind in Abb. 3.53 dargestellt. Dabei wird die Sanierung der Anlagentechnik durch den verbesserten Anschlusswert (W/m2) dokumentiert, da die neue Anlagentechnik mit weniger Stromzufuhr die gleiche Lichtausbeute erreicht (Zeile 2). Mithilfe von elektronischen Steuerungen wie Präsenzmeldern und Tageslichtsteuerung lässt sich die Betriebszeit der Lampen reduzieren (Zeile 3). Die Umstellung der Beleuchtungsart von direkter Beleuchtung zu direkt-indirekter oder indirekter 3.50 »Haus im Haus«, Handelskammer Hamburg, Behnisch Architekten, Umbau 2007 In die Halle des klassizistischen Hauptsitzes der Hamburger Handelskammer fügten Behnisch Architekten einen fünfgeschossigen Einbau mit Besprechungsräumen, einer Bibliothek, einem Restaurant und einem Wirtschaftsgründerzentrum ein. Die Räume werden ausschließlich mit LED-Technik beleuchtet. Insgesamt wurden 160 000 Lichtpunkte in 380 quadratischen LichtDeckenmodulen installiert. a Konstruktionsaufbau eines Deckenelements 1 Tragstruktur aus L-Profilen 2 Rastergitter, Aluminium 2 mm 3 LED-Streifen, 40 Stück 4 Diffusorplatte, 8 mm b LED-Rasterdecke c Börsenhalle vor dem Umbau d fünfgeschossiger Einbau in der Halle 3.51 Raumwirkungsgrad bei direkter Beleuchtung: Der Raumwirkungsgrad beträgt bei einem Raumindex von 2,0 und hellen Oberflächen 1,09, bei dunklen Oberflächen 0,72. 3.52 Raumwirkungsgrade nach DIN V 18 599-4 3.53 energetische Bewertung verschiedener Beleuchtungsanlagen

Kunstlicht

Beleuchtung führt zur Erhöhung der Anschlussleistung, da in diesem Fall ein stärkerer Lichtstrom erzeugt werden muss (Zeilen 4 und 5). Dem steht jedoch ein enormer Komfortzuwachs gegenüber. Die verbesserte Tageslichtnutzung durch bauliche Maßnahmen führt zur Vergrößerung der Fläche der tageslichtversorgten Bereiche und damit zu einer weiteren Reduktion der Betriebszeit der Anlage (Zeile 6). Zu prüfen ist auch, ob und in welcher Form neuartige Leuchtmittel wie LEDs (Light-Emitting Diode) zum Einsatz kommen können (Abb. 3.50). Der Vorteil dieser Leuchtmittel liegt weniger in ihrer

energetischen Effizienz (lm/W) als vielmehr in ihrer geringen Oberflächentemperatur, die eine deutliche Verringerung der Wärmeeinträge mit sich bringt. Die Kühllasten sinken dadurch unter Umständen so weit, dass die Anlagen zur Gebäudekühlung deutlich verkleinerbar oder sogar ganz überflüssig werden. Allerdings ist diese High-End-Beleuchtungstechnik teuer. Deshalb ist speziell bei Sanierungsmaßnahmen zu prüfen, ob der ökonomische Aufwand für den kompletten Ersatz der Altanlage über die damit zusammenhängenden Einsparungen und den Komfortgewinn begründet werden kann. Beispiel: Kunstlicht Für das einseitig belichtete Großraumbüro des Pavillons wird der jährliche Stromverbrauch für die Beleuchtung untersucht.

Raumwirkungsgrad ηR bei direkter Beleuchtung Reflexionsgrade p (Deckenmontage der Leuchten) Decke

0,8

0,8

0,8

0,5

0,5

0,8

0,8

0,5

0,5

0,3

Wand

0,8

0,5

0,3

0,5

0,3

0,8

0,3

0,5

0,3

0,3

Nutzebene

0,3

0,3

0,3

0,3

0,3

0,1

0,1

0,1

0,1

0,1

Raumindex k

Raumwirkungsgrad ηR

0,6

0,73

0,46

0,37

0,44

0,36

0,66

0,36

0,42

0,35

0,35

0,8

0,82

0,57

0,47

0,54

0,46

0,74

0,45

0,51

0,44

0,44

1,0

0,91

0,66

0,56

0,62

0,54

0,80

0,53

0,59

0,52

0,51

1,25

0,98

0,75

0,65

0,70

0,62

0,85

0,61

0,66

0,60

0,59

1,5

1,03

0,82

0,73

0,76

0,69

0,89

0,67

0,72

0,66

0,65

2,0

1,09

0,91

0,82

0,84

0,78

0,94

0,75

0,78

0,73

0,72

2,5

1,14

0,98

0,90

0,90

0,84

0,97

0,81

0,83

0,79

0,77

3,0

1,17

1,03

0,96

0,95

0,90

0,99

0,86

0,87

0,83

0,82

4,0

1,20

1,09

1,03

1,00

0,95

1,01

0,91

0,91

0,88

0,86

5,0

1,22

1,13

1,07

1,03

0,98

1,03

0,93

0,93

0,91

0,89

Daten siehe Tageslicht Beispiel, S. 85)

3.51 Raumwirkungsgrade ηR als Funktion der Beleuchtungsart und des Raumindex Beleuchtungs- relativer unterer art halbräumlicher Lichtstrom der Leuchte ϕu

0,6

0,8

1

1,25

1,5

2

2,5

3

4

5

direkt

0,48

0,59

0,67

0,76

0,82

0,89

0,94

0,98

1,02

1,05

≥ 0,7

Raumindex k

direkt /indirekt

0,1 ≤ ϕu < 0,7

0,23

0,30

0,36

0,43

0,48

0,56

0,62

0,67

0,73

0,77

indirekt

< 0,1

0,17

0,23

0,29

0,36

0,41

0,48

0,53

0,57

0,62

0,65

Zwischenwerte für den Raumindex können interpoliert werden. 3.52 Energetische Bewertung von Beleuchtungsanlagen Anschluss- Vollbetriebs- Endenergie Primärenergie CO2[kWh] [kWh] stunden wert Ausstoß [h] [W/m2] [kg] 1

Altanlage

25

1600

4000

10 400

2572

2

Neuanlage EVG 1)

14

1600

2240

5824

1440

3

1)

Neuanlage EVG , tageslichtgesteuert mit Präsenzmelder

14

1000

1400

3640

900

4

Neuanlage wie 3, jedoch indirekt

18

1000

1800

4680

1209

5

16 Neuanlage wie 4, jedoch mit direkter, arbeitsplatzbezogener Zuschaltung

1000

1600

4160

1093

6

Neuanlage wie 5, mit Verbesserung der Tageslichtversorgung

10

800

800

2080

514

Schritt 1 – 6 Beleuchtungsstärke Ēm 500 lx 80 lm/W Systemlichtausbeute ηS 0,7 Betriebswirkungsgrad ηLB (produktabhängig) Minderungsfaktor kA 0,92 Wartungsfaktor WF 0,67 (Standardwert) Raumindex k 2,3 (aR = 16,80 m / bR = 7,20 m / h´R = 2,20 m) Reflexionsgrad Boden/Wand/Decke 0,2/0,5/0,7 Raumwirkungsgrad ηR 0,95 Schritt 7: installierte elektrische Leistung p = (0,92 · 500) ÷ (0,67 · 80 · 0,7 · 0,95) = 12,9 W/m2 Jährlicher Strombedarf Gesamtbetriebszeit pro Jahr Betriebszeit Tag pro Jahr Betriebszeit Nacht pro Jahr tageslichtversorgter Bereich nicht tageslichtversorgter Bereich

2750 h 2543 h 207 h 92,4 m2 28,6 m2

Strombedarf für Betriebszeit Nacht pro Jahr: 323 kWh • 207 h · 121 m2 · 12,9 W/m2 = Strombedarf für Betriebszeit Tag pro Jahr: • tageslichtversorgter Bereich: 610 h · 92,4 m2 · 12,9 W/m2 = 727 kWh • nicht tageslichtversorgter Bereich: 2 2 938 kWh 2543 h · 28,6 m · 12,9 W/m = gesamter Strombedarf pro Jahr 1988 kWh spezifischer Wert 16,43 kWh/m2 jährlicher Primärenergiebedarf 42,7 kWh/m2 Bauliche Maßnahmen: optimierte Tageslichtnutzung (siehe Tageslicht Beispiel, S. 85) Strombedarf für Betriebszeit Nacht pro Jahr • unverändert 323 kWh Strombedarf für Betriebszeit Tag pro Jahr • tageslichtversorgter Bereich: 640 kWh 410 h · 121 m2 · 12,9 W/m2 = • nicht tageslichtversorgter Bereich keiner (gesamter Bereich ist tageslichtversorgt) gesamter Strombedarf pro Jahr 963 kWh spezifischer Wert 8,0 kWh/m2 jährlicher Primärenergiebedarf 19,2 kWh/m2 Anlagentechnische Maßnahmen Die installierte Leistung kann optimiert werden durch differenzierte Beleuchtung (kA-Faktor), durch effizientere Lampen (Systemlichtausbeute ηS) und Leuchten (ηLB-Faktor), durch elektronische Regelungstechnik und durch Aufhellung der raumumschließenden Flächen (Raumwirkungsgrad ηR). Damit ist eine installierte elektrische Leistung von 10 W/m2 erreichbar. gesamter Strombedarf pro Jahr 597 kWh spezifischer Wert 4,9 kWh/m2 jährlicher Primärenergiebedarf 12,7 kWh/m2

Die Werte beziehen sich auf einen Büroraum mit 100 m2 Nettogrundrissfläche, 5 m Raumtiefe, Fensterflächenanteil von 50 % und hellen Oberflächen. Primärenergiefaktor: 2,6 (Strommix Deutschland) 1) elektronisches Vorschaltgerät 3.53

117

Anlagentechnik

Photovoltaik

Technologie

Das Prinzip der Photovoltaik besteht darin, solare Strahlung in Elektrizität umzuwandeln. Dieser bereits 1839 von Edmond Becquerel entdeckte Effekt wurde nach dem Zweiten Weltkrieg für die Raumfahrt weiterentwickelt. Ziel war die autonome Energieversorgung von Raumstationen mit solar erzeugtem Strom. Eine breite Anwendung des photovoltaischen Prinzips wurde durch die Einspeisung des erzeugten Stroms in die öffentlichen Stromnetze möglich. Stromerzeugung und Stromverbrauch sind nun nicht mehr direkt aneinandergekoppelt, sodass photovoltaisch erzeugter Strom auch einen Beitrag zur allgemeinen Stromversorgung leisten kann. 2010 lag der Anteil des PV-Stroms am deutschen Strommix bei 2 %. Ziel ist es, diesen Anteil bis zum Jahr 2020 auf 10 % zu erhöhen und gleichzeitig die Kosten für die Herstellung der Module um 50 % zu senken. Um diese Zielsetzung zu erreichen, wird der Einsatz von Photovoltaik über erhöhte Einspeisevergütungen gefördert, allerdings mit rückläufiger Tendenz. 1,5 Wp

13,5 Wp

Die Stromerzeugung mittels Photovoltaik kann über drei unterschiedliche Technologien realisiert werden, die sich im Ertrag und in den Herstellungskosten unterscheiden (Abb. 3.57): • kristalline Siliziumzellen (dünne Scheiben – Wafer) • Dünnschichtsolarzellen (Beschichtungen mit Vakuumtechnik oder Galvanik) • Nanosolarzellen (Bedruckung mit organischen und anorganischen Nanostrukturen) Die einzelnen Zellen werden addiert, zu Modulen zusammengefügt und dann beliebig zu Anlagensystemen konfiguriert (Abb. 3.54). Um eine Vergleichbarkeit der elektrischen Leistung der unterschiedlichen Zellen zu ermöglichen, werden die jeweiligen Konstruktionen unter genormten Bedingungen (STC: Standard Test Conditions) getestet. Angenommen wird dabei eine senkrecht zum Modul auftreffende Strahlungsstärke von 1000 W/m2, eine Zelltemperatur von 25 °C und eine Air Mass (AM) von 1,5. Die AM beschreibt die Konsis-

54 Wp 45 cm

108 Wp

609 cm

100 cm

10 cm

30 4c m

10 cm

2,1 kWp

Zelle

Zellstring

Stromertrag

Modul

Generator

Strang

3.54 Kenndaten unterschiedlicher Typen von Solarzellen maximaler Zellwirkungsgrad (Labor) [%]

Modulwirkungsgrad (kommerziell) [%]

Leistung pro m2 Modulfläche [ Wp]

Flächenbedarf für 1 kWp [m2]

Leistungsverlust bei Temperaturerhöhung [% / °C]

monokristallin Standard Hochleistungszellen hybride HIT-Zellen

21,6 24,7 20,2

12 –16 16 – 20 16 –17

120 –160 160 – 200 160 –170

6,5 – 9 5 – 6,5 6 – 6,5

0,4 – 0,5 0,3 – 0,4 0,33

polykristallin

20,3

11,5 –15

115 –150

7–9

0,4 – 0,5

Zelltyp

tenz der Luft, die wiederum Einfluss auf die spektrale Zusammensetzung des Lichts hat. In Europa beträgt der Wert für AM 1,5, am Äquator 1,0. Die unter diesen Bedingungen im Labor erreichte Leistung der jeweiligen Solarzelle wird mit kWp (P für Peak) bezeichnet. Die unter derart abstrakten Laborbedingungen ermittelten Leistungsdaten erlauben allerdings keine Prognosen über den tatsächlichen Ertrag der unterschiedlichen Systeme in der praktischen Anwendung. Neuartige Solarzellen könnten in Zukunft in faltbaren Mobiltelefon-Ladegeräten oder auf Automobildächern umweltfreundlichen und billigen Strom liefern. Sie bestehen aus organischen Halbleitermaterialien, sind biegsam und dünn wie eine Klarsichthülle sowie leicht und variabel im Farbton. In der Bauindustrie sollen diese organischen Solarzellen als dünne photoaktive Schicht auf Dächern, an Fassaden oder sogar in Verglasungen zum Einsatz kommen. Während Photovoltaik auf der Basis von Silizium bis zu 20 % der Sonnenenergie in Strom umwandelt, können mit Techniken auf der Grundlage von organischen Materialien bisher ca. 5 % der solaren Energie in Strom umgesetzt werden (Abb. 3.55 und 3.57). Der geringe Stromertrag der organischen Solarzellen wird durch die erwarteten niedrigen Kosten mehr als ausgeglichen werden.

Die Strommenge, die aus Photovoltaikanlagen entnommen werden kann, hängt vom geografischen Standort und von folgenden anlagentechnischen Randbedingungen (Performance Ratio – PR) ab: • Orientierung • Verschattung • Oberflächentemperatur der Anlage (bedingt durch die Einbausituation) • Leistungsfähigkeit der Anlage (kWP)

kristallin

Dünnschicht Silizium amorph mikrokristallin mikromorph

13,2 15,2 13,0

5 –7 5 –7 7–9

50 –70 50 –70 70 – 90

15 – 21 15 – 21 11 –14

0,1 – 0,2 0,5 – 0,7 0,3 – 0,4

CIS Standard (Selen) Schwefel Nanosolarzellen

20,0 13,1 14,0

8 –11 6 –7 8 –10

80 –110 60 –70 80 –100

9 –13 15 –17 10 –13

0,3 – 0,4 0,3

CdTe

16,5

6 –11

60 –110

9 –17

0,2 – 0,3

6

k. A.

20 – 30

30 – 40

k. A.

organische Nanosolarzellen

3.55 3.54 modulares Prinzip der Photovoltaik: Die Solarzelle als Grundbaustein lässt sich beliebig addieren und zu einem Solarstromsystem

118

kombinieren. Die angegebenen Werte gelten für monokristalline Siliziumzellen. 3.55 Leistungsdaten verschiedener Solarzellen

Insbesondere die Verschattungsfreiheit ist eine Grundvoraussetzung für die optimale Funktionstüchtigkeit von Anlagensystemen. Teilverschattungen führen zu Störungen im Stromfluss, die Leistungsverluste und unter Umständen sogar einen Totalausfall des gesamten Systems bewirken können. Deshalb ist eine sorgfältige Planung der Anlage mit Simulation des Sonneneinfalls unter Berücksichtigung möglicherweise verschattender Bauten und Bäume unabdingbar. Um den Stromertrag zu optimieren, ist es außerdem erforderlich, die Oberflächentemperatur der Zellen niedrig zu halten. Dazu muss die Abwärme, die auf der

Photovoltaik

Globalstrahlung horizontal [kWh/m2a]

Einstrahlung auf Generatorfläche [%]

Performance Ratio (PR) [%]

Modulwirkungsgrad [%]

Modulfläche [m2]

Jahresertrag [kWh/a]

Flächenertrag [kWh/m2a]

regionale Faustwerte Süd-/Flachdach:

b

a

spezifischer Ertrag [kWh/kWpa]

kWh

c 900 –1200 kWh/m2a

Nord: 35– 100 % Ost/West: 65 – 116 % Süd: 80 – 116 %

regionale Mittelwerte: a) 975 kWh/m2a b) 1025 kWh/m2a c) 1100 kWh/m2a

a) 850 b) 900 c) 950

mono-/ polykristallin a) 9 5 –170 b) 1 0 0 – 180 c) 105 – 190

< 70 % Warmfassade verschattet

mono-/polykristallin 11,5 –2 0 % a-Si, μc-Si 5–9 % CIS, CdTe 6 – 11 %

a-Si, μc-Si a) 45– 75 b) 47,5 –80 c) 5 0– 85

bis 85 % bei optimaler Ausrichtung, Hinterlüftung, Planung, Installation / Wartung

CIS, CdTe a) 5 0– 95 b) 52,5 –100 c) 5 5– 105

Beispiele: a) 10 kWp Flachdachanlage in Würzburg mit polykristallinen Modulen (14,5 % Wirkungsgrad), Reihenaufstellung in Südausrichtung mit 30 ° Neigung. 69 m2 Modulfläche, benötigte Dachfläche ca. 3 · 69 m2  210 m2, gegenseitige Verschattung ca. 2 %, geschätzte Performance Ratio = 76 % 1090 kWh/m2a

·

114 %

·

69 m2

·

14,5 %

·

76 %

= 9448 kWh/a = 945 kWh/kWpa = 137 kWh/m2a

b) 100 m2 Warmfassade in Berlin mit CIS-Modulen (10,5 % Wirkungsgrad), Südwestausrichtung, unverschattet, 95 m2 Modulfläche, PV-Leistung = 95 m2 · 10,5 % = 10 kWp, geschätzte Performance Ratio = 71 % 3.56

kristalline Siliziumzellen

monokristallin

Dünnschichtsolarzellen

polykristallin

Sondertypen: • Hochleistungszellen • Hybridzellen

Sondertypen: • Bandsolarzellen

• Wafertechnik: runde bis quadratische Einzelscheiben • Scheibendicke 0,2 mm, Kantenlänge 10 –15,6 cm • ca. 90 % Marktanteil, ausgereifte Technologie

Nanosolarzellen

Verbindungshalbleiter

Silizium

• amorph • mikromorph • mikrokristallin

(an)organische Halbleiter organisch: • Farbstoffsolarzellen • Kunststoffsolarzellen anorganisch: • CIS

• Cadmiumtellurid (CdTe) • Kupfer-IndiumGallium-Diselenid/ Kupfer-IndiumDisulfid (CIS)

• Druckverfahren • Nanostruktur • Pilotstadium

• Vakuumtechnik, Galvanik: in der Regel vollflächige Substratbeschichtung • Schichtdicke 0,5 – 5 μm, Breite der Zellenstreifen 0,5 –17 mm • ca. 10 % Marktanteil, steigend

3.57 Einbausituation

Fassade

Dach

Flachdach

Aufdach

Sonnenschutz

Schrägdach

Indach

Aufdach

feststehende Systeme

Indach

Kaltfassade

Warmfassade

Glasdach

feststehende Lamellen

bewegliche Systeme

Schiebeläden

bewegliche Lamellen 3.58

3.56 Vorgehensweise und Beispielrechnung zur schrittweisen Ertragsabschätzung bei PV-Anlagen 3.57 Typologie und Merkmale marktüblicher Solar-

zellen. Monokristalline Zellen weisen charakteristische runde Ecken, polykristalline eine ausgeprägte Kristallstruktur und Dünn-

schichtmodule streifenförmige Zellen auf. 3.58 Einbaumöglichkeiten für Photovoltaik an Gebäuden

119

Anlagentechnik

3.59 Temperaturerhöhung und Minderung des Solarstromertrags kristalliner Module Einbausituation der Module

Warmfassade

Temperaturerhöhung gegenüber der Umgebung

Minderung des jährlichen Energieertrags

55 K

10,5 %

Warmdach

43 K

7,5 %

Kaltfassade, schlecht hinterlüftet

39 K

7,0 %

Kaltfassade, gut hinterlüftet

35 K

6,0 %

Dach, schlecht hinterlüftet

32 K

5,0 %

Dach, gut hinterlüftet

29 K

4,0 %

Aufdach, großer Abstand

28 K

3,5 %

völlig freie Aufstellung

22 K

2,0 % 3.60

Vergütung für Strom aus gebäudegebundenen PV-Anlagen bei Netzeinspeisung [Ct/kWh] 0 – 30 kWP (ca. 0 – 200 m2)

30 – 100 kWP (ca. 200 – 800 m2)

100 – 500 kWP (ca. 800 – 2000 m2)

43,01

40,91

39,58

39,14

37,23

35,23

13 % Sonderkürzung

34,05

32,39

30,65

3 % Sonderkürzung

33,03

31,42

29,73

28,74

27,33

25,86

Degression 2009 2010 01.07.2010 01.10.2010 01.01.2011 01.01.2012 1

--9 % Degression (EEG)

13 % Degression (EEG) 1

Degression EEG (9 – 21 %)

abhängig vom Ausbau der Photovoltaik 3.61

Vergütung für Strom aus gebäudegebundenen PV-Anlagen bei Selbstnutzung [Ct/kWh] Anlagengröße

0 – 30 kWP

30 – 100 kWP

100 – 500 kWP

Selbstnutzung

30 %

> 30 %

30 %

> 30 %

30 %

> 30 %

2009

26,63

31,01

24,53

28,91

23,20

27,58

2010

22,76

27,14

20,85

25,23

18,85

23,23

01.07.2010

17,67

22,05

16,01

20,39

14,27

18,65

01.10.2010

16,65

21,03

15,04

19,42

13,35

17,73

01.01.2011

12,36

16,74

10,98

15,36

9,49

13,87 3.62

3.59 teiltransparente Photovoltaikelemente als Überdachung des zentralen Platzes am Gemeindezentrum in Ludesch (A), 2006, Architekt: Hermann Kaufmann, Schwarzach 3.60 Minderung des Solarstromertrags kristalliner Module bei unterschiedlicher Einbausituation

120

3.61 Vergütung für Strom aus gebäudegebundenen PV-Anlagen in Ct/kWh bei Einspeisung ins Netz 3.62 Vergütung für Strom aus gebäudegebundenen PV-Anlagen in Ct/kWh bei Selbstnutzung 3.63 solare Erträge und Strombilanz eines Beispielgebäudes (siehe nebenstehendes Beispiel)

Rückseite der Zellen anfällt, abgeführt werden. Denkbar ist dies durch Hinterlüftung der Module (Abb. 3.56, S. 119). Wird die Wärmeabfuhr zusätzlich mechanisch unterstützt, so kann die in der abgesaugten Luft enthaltene Wärme über eine LuftWasser-Wärmepumpe zurückgewonnen und für andere Zwecke – beispielsweise für die Warmwasserbereitung – genutzt werden. Dieses Prinzip machen sich die sogenannten Hybridkollektoren zunutze: Die Abwärme der Photovoltaikelemente, die als Abdeckung eines Solarkollektors montiert sind, wird vom Kollektor aufgenommen und für die Erwärmung von Brauchoder Heizungswasser verwendet. Energieeinsparverordnung

Erst seit der Novellierung der EnEV im Jahr 2009 kann der photovoltaisch erzeugte Strom bei der Berechnung des Primärenergiebedarfs durch einen entsprechenden Abzug angerechnet werden. Voraussetzung hierfür ist allerdings nach § 5 EnEV, dass der Strom »im unmittelbaren räumlichen Zusammenhang zu dem Gebäude erzeugt und vorrangig in dem Gebäude selbst genutzt und nur die überschüssige Energiemenge in ein öffentliches Netz eingespeist« wird. Als Eigennutzer gelten nur die in der EnEV zu bilanzierenden Verbraucher. Bei zentral beheizten Wohngebäuden, deren Energiebedarf über Verbrennung von Primärressourcen gedeckt wird, steht deshalb als anrechenbarer Strombedarf nur die Hilfsenergie zur Verrechnung mit PV-Strom zur Verfügung. Wird dagegen die Warmwasserbereitung dezentral mittels Durchlauferhitzern vorgenommen, kann der dafür notwendige Strombedarf im Sommer über Photovoltaik erzeugt und bei der Berechnung abgezogen werden. Gleiches gilt auch für ganzjährig betriebene Lüftungsanlagen. Interessant ist die Einbeziehung des regenerativ erzeugten Stroms für Nichtwohngebäude, da hier der im Sommer anfallende Strombedarf für die Kühlung regenerativ substituiert werden kann. Die Anrechnung des Stroms erfolgt monatsweise. Für jeden Monat müssen der Stromertrag der Photovoltaikanlage und der Strombedarf, der im Gebäude entsteht, ermittelt werden. Überschreitet der Ertrag den Bedarf, fällt kein Primärenergieaufwand an. Im umgekehrten Fall wird der Strombedarf, der nach Abzug des regenerativ erzeugten Stroms übrig bleibt, mit dem üblichen Primärenergiefaktor 2,6 multipliziert. Dieser Wert geht dann in den Primärenergiebedarf ein.

Photovoltaik

Ökonomie

Ökologie

Das Gesetz für den Vorrang erneuerbarer Energien (Erneuerbare Energien Gesetz EEG) vom 25.10.2008, zuletzt geändert am 11.08.2010, regelt die finanzielle Förderung der Nutzung erneuerbarer Energiequellen für die Energieerzeugung. Das Gesetz verfolgt das Ziel, bis 2020 mindestens 30 % des Strombedarfs aus erneuerbaren Quellen zu decken. Die Fördersätze basieren auf einer festen Bezugsgröße aus dem Jahr 2009 und werden jährlich reduziert. Diese Reduktion fällt umso höher aus, je mehr PVAnlagen bis zum Stichtag installiert sind (Abb. 3.61 und 3.62). Gemäß § 33 beträgt die sogenannte Basisreduktion für solar erzeugten Strom aus Anlagen an oder auf Gebäuden pro Jahr 9 % . Ab 2011 wird stärker reduziert, wenn die installierte Leistung bestimmte Grenzen überschreitet. Zu ihrer Ermittlung wird die Leistung der im Zeitraum vom 1. Juni bis 30. September bei der Bundesnetzagentur neu registrierten Anlagen herangezogen und mit dem Faktor 3 multipliziert. Übersteigt das Ergebnis die Grenze von 3500 MW, verringern sich die Vergütungssätze für das Jahr 2011 zusätzlich um 1 % je 1000 MW, die über 3500 MW hinausgehen. Die Kappungsgrenze beträgt 13 %. Wenn dieser Fall eintritt, wird die Förderung nicht um den Regelsatz von 9 %, sondern um 13 % reduziert. Aufgrund des starken Wachstums auf dem PV-Markt wurden 2010 sogar Sonderkürzungen von 16 % vorgenommen. Ab 1. Januar 2011 gelten deshalb die in Abb. 3.61 und 3.62 dargestellten Vergütungssätze für solar erzeugten Strom. Die jeweils zum Zeitpunkt der Anlageninstallation geltenden Vergütungssätze werden 20 Jahre lang garantiert. Interessant ist die relativ hohe Vergütung des selbst genutzten Stroms. Bei dem derzeitigen Marktpreis für konventionellen Strom von etwa 21 Ct/kWh ist die Eigennutzung des Stroms daher günstiger als die Netzeinspeisung und der »Rückkauf« des benötigten Stroms.

Eine Photovoltaikanlage muss je nach Effizienz – abhängig von Standort, Einbausituation und Modulleistungsfähigkeit – 1,5 bis 2,5 Jahre betrieben werden, damit die zur Herstellung benötigte Primärenergie durch die solar gewonnene Energiemenge kompensiert wird. Bei einer angenommenen Lebensdauer der Anlage von 20 Jahren beträgt der Erntefaktor 10 – 17 (siehe Angemessenheit, S. 27ff.). Für Anlagen in Deutschland ist ein Erntefaktor von 10 und damit eine energetische Amortisationszeit von ungefähr zwei Jahren zu erwarten.

Ertrag [kWh]

Bei Bestandsgebäuden kann die Nachrüstung von Photovoltaik in unterschiedlichster Form vorgenommen werden (Abb. 3.58, S. 119). Unerlässlich ist es dabei, die gestalterisch stark wirksamen Photovoltaikelemente in das architektonische Gesamtkonzept des Gebäudes zu integrieren. Zu beachten ist auch, dass der Ertrag einer Anlage um ca. 25 % abnimmt, wenn sie nicht in der optimalen Neigung, sondern beispielsweise senkrecht in der Fassade angeordnet wird. Dieser Verlust an Effizienz kann bei der sogenannten gebäudeintegrierten Photovoltaik durch den zusätzlichen Nutzen ausgeglichen werden, den die stromerzeugenden Bauteile als Wetterhaut oder als Sonnenschutz besitzen. Besonders effizient – weil mit ökonomischem, funktionalem oder auch städtebaulichem Mehrwert verbunden – sind solche Bauteile, wenn sie in Form beweglicher Lamellen als Sonnenschutz oder wie beim Gemeindezentrum in Ludesch als Überdachung eines Hofs eingesetzt werden (Abb. 3.59). Nachgerüstete Photovoltaiksysteme besitzen also immer energetisches und auch gestalterisches Potenzial, wenn sie im Zuge einer architektonischen Gesamtplanung entwickelt werden. Sie können Bestandsgebäude daher in verschiedener Hinsicht positiv verändern.

Febr März

April

Mai

Juni

Juli

Aug

Sept

Okt

Nov

Dez

1857

2205

3611

7409

7767

8820

9188

6782

5537

3391

1940

1132

0

243

367

815

854

970

1011

746

609

373

213

0

Strombedarf [kWh] Lüftung Beleuchtung Hilfsenergie Gesamt

100 190 80 370

100 160 80 340

100 150 80 330

100 120 40 260

100 90 – 190

100 60 – 160

100 60 – 160

100 90 – 190

100 120 40 260

100 150 80 330

100 160 80 340

100 190 80 370

Bilanz [kWh] Netzeinspeisung Eigennutzung Strombezug

0 0 370

0 243 97

67 330 0

555 260 0

664 190 0

810 160 0

851 160 0

556 190 0

349 260 0

43 330 0

0 213 127

0 0 370

Sonneneinstrahlung Stromertrag (11 %)

Jan

Energetische Sanierung

Beispiel: Photovoltaik Der Pavillon erhält auf dem Dach eine nach Süden orientierte, um 30 ° geneigte Photovoltaikanlage. Der Abstand der Module ist so gewählt, dass die Sonne bis zu einem Einstrahlwinkel von 28 ° verschattungsfrei auf die Module auftrifft. Nur im Dezember und Januar ist die Anlage abgeschaltet, da sie dann verschattet wäre (Abb. 3.63). Untersucht werden die mögliche Größe der Anlage, ihre Rentabilität sowie die Anrechnung des Ertrags nach § 5 EnEV. Daten • Fläche der Module • Leistung • Kosten • Versicherung • Wartung • Kapitalzins • Preissteigerung Wartung • Lebensdauer Kosten in 20 Jahren • Annuität Investition und Wartung • Versicherung • Gesamt Strombilanz (Abb. 3.63) Ertrag • Sonneneinstrahlung • Stromertrag (11 %)

49 m2 7 kWP 18 200 € 36 €/Jahr 120 €/Jahr 3,5 % 3,5 % 20 Jahre

25 779 € 700 € 26 479 €

59 639 kWh/a 6232 kWh/a

Strombedarf • Lüftung • Beleuchtung • Hilfsenergie • Gesamt

1200 kWh/a 1540 kWh/a 560 kWh/a 3300 kWh/a

Bilanz (Überschuss) • Netzeinspeisung • Eigennutzung • Strombezug

3896 kWh/a 2336 kWh/a 964 kWh/a

Einnahmen Prozentanteil Eigennutzung 37 % Es handelt sich um eine Anlage kleiner 30 kWp, über 30 % des erzeugten Stroms werden selbst genutzt. Kalkulation für 1 Jahr • Netzeinspeisung: 3896 kWh · 0,29 ct/kWh = 1120 € • Eigennutzung 2336 kWh · 0,17 ct/kWh = 391 € • eingesparter Strombezug: 2336 kWh · 0,20 ct/kWh = 467 € • gesamter Jahresertrag 1978 € kumulierte Erträge über 20 Jahre

39 556 €

Gewinn in 20 Jahren

13 077 €

Anrechnung gemäß Energieeinsparverordnung Durch die Eigennutzung von 2066 kWh Strom wird der Gesamtprimärenergiebedarf um 5372 kWh reduziert.

3.63

121

Projektanalyse • Wohngebäude • Nichtwohngebäude

Wohngebäude Standort: München Architekt: Clemens Richarz, Christina Schulz, München Tragwerk: Gustl Lachenmann, Vaihingen/Enz HLS: Franz Koller, München Bauphysik: Clemens Richarz Haustyp: Dreifamilienhaus Baujahr: 1936 Sanierung: 2001, 2003, 2009

Architektur

Die energetische Sanierung bietet die Chance, im Zuge der erforderlichen baulichen Maßnahmen auch das Entwicklungspotenzial zu aktivieren, über das die meisten älteren Wohngebäude in funktionaler, räumlicher, ästhetischer und wirtschaftlicher Hinsicht verfügen. Vor Durchführung der Sanierung sollten daher folgende Problemfelder untersucht werden: • Bestehende Wohngebäude stehen häufig auf vergleichsweise großen Grundstücken, deren wirtschaftliche

4.1

4.2

122

Ausnutzung (GFZ / GRZ) nicht gegeben ist. Es ist deshalb grundsätzlich zu klären, ob ein Altbau aus wirtschaftlichen Gründen abgebrochen werden sollte oder ob eine wirtschaftliche Optimierung durch Nachverdichtung der Bebauung möglich ist. • Ausbaureserven am Gebäude selbst können häufig mit wenig Aufwand genutzt werden. Dazu gehört beispielsweise der Ausbau von Dachgeschossen. • Auch Optimierungen von Grundrissen, die eine Verbesserung des Außenbezugs zur Folge haben, oder auch die Neuordnung und Vergrößerung der Fenster sind Maßnahmen, die vor Inangriffnahme einer Sanierung überlegt und gegebenenfalls umgesetzt werden sollten. Da die Wohngebäude aufgrund bestehender Mietverträge häufig in bewohntem Zustand saniert werden müssen, ist es manchmal unabdingbar, die Umsetzung eines Gesamtkonzepts in einzelne Abschnitte aufzuteilen. Auch der finanzielle Spielraum der Bauherrschaft kann dies erfordern. Die Einzelmaßnahmen sollten in jedem Fall als Teil einer Gesamtkonzeption entwickelt werden. Das hier analysierte Dreifamilienhaus wurde 1936 als voll unterkellerter Massivbau mit zwei Vollgeschossen und Giebeldach errichtet. Durch Leerstand ergab sich 2001 die Möglichkeit, das Gebäude im Inneren grundlegend zu sanieren. Wegen der starken Eingriffe in alle Nutzungsbereiche sollte dabei vorrangig und umfassend die nicht mehr zeitgemäße Haustechnik (Wasserversorgung, Heizung, Elektroinstallation) erneuert werden. Außerdem wurde ein Konzept für eine langfristig angelegte, umfassende Gebäudesanierung entwickelt, die unter Einbeziehung architektonischer und ener-

getischer Fragestellungen das Potenzial der Immobilie ausschöpft. Das Grundstück bot baurechtlich gesehen folgende Erweiterungsmöglichkeiten: • Ausbau des nur teilweise zu Wohnzwecken genutzten Dachgeschosses zu einer Dreizimmerwohnung • Erweiterung des Gebäudes an der östlichen Giebelseite durch einen eingeschossigen Anbau, der die Wohnfläche um 65 m2 erhöht. Die Wohnung im ersten Obergeschoss erhält hierdurch eine begrünte Dachterrasse mit 20 m2 Grundfläche und damit einen hochwertigen Außenbereich, der die Wohnfläche zusätzlich um 5 m2 vergrößert. • Aufstockung des erdgeschossigen Erkers an der Südseite um ein Geschoss, sodass der betroffene Wohnraum im ersten Obergeschoss mit einem Wohnflächenzuwachs von 5 m2 großzügige Proportionen erhält. • Abbruch der sanierungsbedürftigen und teilweise baufälligen Balkonplatten. Die Dachgeschosswohnung erhält als Ersatz einen neuen abgehängten Stahlbalkon an der gegenüberliegenden Seite, der die Wohnfläche um 1 m2 erweitert und zu einer räumlichen Entflechtung der wohnungsbezogenen Außenbereiche (Terrassen, Balkon) beiträgt. Durch diese Maßnahme und die Absenkung aller Brüstungshöhen um 20 cm sowie den Einbau elektrischer Rollläden wird der Wohnkomfort des Gebäudes im Zuge der energetischen Optimierung erheblich verbessert. Die kubische Gestalt wird durch die Neuordnung gestärkt. Das Projekt zeigt auch, dass immer dann ein über die rein energetische Verbesserung hinausgehender Nutzen entsteht, wenn Architekten die Sanierungsaufgabe in ganzheitlichem Sinn planen und umsetzen.

Wohngebäude

4.3

4.4

4.5

4.6

4.7

4.1 Nordfassade (Straßenansicht) vor der Sanierung 4.2 Nordfassade (Straßenansicht) nach der Sanierung 4.3 Grundriss Dachgeschoss Maßstab 1:200 3-Zimmer-Wohnung, 64 m² Wohnfläche, der beheizte Bereich ist farbig unterlegt. 4.4 Schnitt Maßstab 1:200 Der beheizte Bereich ist farbig unterlegt. 4.5 Grundriss 1. Obergeschoss Maßstab 1:200 3½-Zimmer-Wohnung, 96 m² Wohnfläche, der beheizte Bereich ist farbig unterlegt. 4.6 Grundriss Erdgeschoss Maßstab 1:200 5½-Zimmer-Wohnung, 157 m² Wohnfläche, der beheizte Bereich ist farbig unterlegt. 4.7 Lageplan, Maßstab 1:1500 4.8 Südfassade (Gartenansicht) nach der Sanierung; rechts der Anbau 4.8

123

Projektanalyse

Passivkonzept

Das Passivkonzept eines Gebäudes umfasst alle baulichen Gegebenheiten des Bestands bzw. die Summe der Sanierungsmaßnahmen, die die Wärmeverluste und -gewinne des Gebäudes über seine Hülle beeinflussen. Bestand Das Gebäude ist entsprechend seiner Entstehungszeit als Massivbau mit 38 cm dicken Ziegeln konstruiert. Erstaunlicherweise wurden bereits Hochlochziegel mit 1400 kg/m3 Rohdichte verwendet. Das Gebäude ist voll unterkellert, Kelleraußenwände und -decke sind betoniert. Die übrigen Geschossdecken bestehen aus Holzbalkenkonstruktionen mit Kiesfüllungen im Fehlboden zur Verbesserung des Schallschutzes. Das nur teilweise ausgebaute Dachgeschoss war ungedämmt, lediglich die Abmauerung der Abseiten bewirkte eine gewisse Grunddämmung. Der bauliche Zustand der Hülle blieb bis auf den Einbau von Kunststofffenstern mit Isolierverglasung zu Beginn der Achtzigerjahre unverändert. Die Hüllflächen weisen gemäß der »Bekanntmachung der Regeln zur Datenaufnahme und Datenverwendung im Wohngebäudebestand« vom 30. Juli 2009 folgende Werte auf: • Dach 1,4 W/m2K 2 • Wand 1,7 W/m K (berechnet) • Fenster 2,7 W/m2K (erneuert 1980) • Bauteile gegen Erdreich 1,2 W/m2K Der winterliche Mindestwärmeschutz ist damit wie bei allen Bauten dieser Zeit nicht eingehalten. Dies gilt für sämtliche Bauteile der Gebäudehülle. Dagegen sind die Anforderungen des sommerlichen Mindestwärmeschutzes aufgrund der geringen Befensterung und der vorhandenen Klappläden erfüllt. Gesamtkonzept der Sanierung Das Sanierungskonzept wurde so entwickelt, dass eine Umsetzung in drei Schritten möglich war, wobei die Schritte zwei und drei in bewohntem Zustand realisierbar sein sollten. 1. Bauabschnitt: Grundsanierung • Dacheindeckung inklusive Dämmung und Ausbau zur Dreizimmerwohnung • Erneuerung der kompletten Haustechnik 2. Bauabschnitt: Anbau 3. Bauabschnitt: Hülle • Abbruch Balkone und Vordächer • Aufstockung Erker

• • • • •

Dämmung Untergeschoss Austausch Fenster Neubau Balkon und Vordächer Dämmung Fassade Einbau Solaranlage

Mit dem dritten Bauabschnitt wurde der Standard »KfW-Effizienzhaus 85« nach EnEV 2009 erreicht. Sanierung des Dachs Bei der Sanierung des Dachs im ersten Bauabschnitt wurden die Dachüberstände für das später aufzubringende Wärmedämmverbundsystem bereits berücksichtigt. Folgende Arbeitsschritte erfolgten: • Abbau der Ziegel und Dachlattung • neuer Dachaufbau mit Verschalung auf bestehender Sparrenkonstruktion, Unterspannbahn, Konterlattung, Lattung und Ziegeleindeckung • Dämmung des Sparrenzwischenraums mit 12 cm Mineralwolle WLS 035. • Querlattung 6 ≈ 6 cm unter die vorhandenen Sparren mit Mineralwolldämmung • Dampfsperre • Gipskartonverkleidung Sanierung der Fenster Folgende Arbeitsschritte wurden durchgeführt: • Ausbau der Fenster und Klappläden • Ausbau der äußeren Elemente der vorhandenen dreiteiligen Fensterstürze und Ersatz durch einen jeweils höher gelegten Ziegelsturz, um Platz für die neuen Rollladenkästen zu gewinnen, ohne den Lichteinfall zu verringern. • Teilabbruch der Brüstungen bis auf 70 cm üFFB und Grobverputz der Laibungen • Einbau der neuen Fenster schichtverleimter Rahmen mit Luftkammern, Uf = 1,1 W/m2K Zweischeibenisolierglas 4/16/4 mit Argonfüllung, Ug = 1,1 W/m2K, τ = 80 %, g-Wert = 60 % Randverbund Thermix TN, ψ = 0,04 W/mK Holzfensterbänke innen • Verputz der inneren Laibungen • Einbau der Rollläden mit elektrischem Antrieb und Fernbedienung (geringer Montageaufwand, Leitungsführung außen unter dem WDVS) Sanierung der Außenwand Folgende Arbeitsschritte wurden durchgeführt: • Ausbessern des Altputzes • Aufbringen eines Wärmedämmver4.9

124

Wohngebäude

bundsystems aus EPS-Platten (WLS 032), 16 cm, mit Systembeschichtung • Montage der äußeren Stahlfenstersimse in die fertig verputzten Laibungen mittels vormontierter Konsolen. Die Absturzsicherungen sind auf den Stahlbänken befestigt und greifen nicht in das WDVS ein. Sanierung der Kellerdecke Zur Dämmung der Wohnräume gegen den unbeheizten Keller wurden folgende Arbeitschritte durchgeführt: • unterseitige Dämmung in den Kellerräumen mit Verbundplatten aus 5 cm EPS (WLS 035) und 5 mm Holzwolledeckschicht • abgehängte Decke im Bereich des Flures (Leitungstrasse)

Sanierung der Wärmebrücken Die wesentlichen Wärmebrücken bestanden im Bereich der auskragenden Balkonplatten und Vordächer. Sie wurden durch Abbruch beseitigt. Die klassischen neuralgischen Punkte konnten bei der Sanierung durch eine entsprechende Detaillierung »wärmebrückenfrei« gemäß DIN 4108 Beiblatt 2 ausgeführt werden. Die konstruktive Einbindung der neuen Balkone und Vordächer wurde durch minimierte Stahllaschen, die das WDVS durchdringen, nahezu wärmebrückenfrei gelöst. Nach der Sanierung weist das Gebäude keine nennenswerten Wärmebrücken mehr auf.

8

10

41

41

2 2 1

1 25

25

21

21 ψ = + 0,028

12,6°C

12,6 °C

ψ = +0,808

a

b 10

16

41

41

5

2 2 1 1

25

25

21

21 ψ = + 0,005

ψ = -0,029

c 4.9 Vertikalschnitt Außenhülle, Maßstab 1:20 4.10 Horizontalschnitt Außenhülle, Maßstab 1:20 4.11 Wärmebrücken am Rollladenkasten Zielsetzung: Das Einbaudetail soll erstens ein einheitliches Erscheinungsbild für Fenster mit und ohne Rollladen ermöglichen und zweitens die bestehende Fensteröffnung nicht verkleinern (Lichteinfall). Außerdem soll die Lösung mit ψ ≤ 0,05 W/mK wärmebrückenfrei nach DIN 4108 Beiblatt 2 sein (siehe Wärmebrücken, S. 40ff.). Ausführung: Vorbaurollladen 21 ≈ 17 cm, elektrisch betrieben, Befestigung des Kastens standardmäßig an den Schienen, nicht am Rohbau. Die bestehenden dreiteiligen Fensterstürze (Standard für Baujahr 1936) konnten ohne großen Aufwand im äußeren Bereich durch einen neuen Sturz ersetzt werden, um Platz für den Rollladenkasten zu schaffen. Dieser kann bei entsprechender Stärke der Außendämmung (WLS 032) überputzt werden. Die grüne Linie (Isotherme) markiert die kritische Bauteiltemperatur von 12,6 °C. Liegt sie an der Innenoberfläche, drohen Schimmelschäden.

12,6 °C

12,6 °C

Sanierung der Kelleraußenwand Die Dämmung der Kelleraußenwand ist energetisch gesehen keine zwingende Maßnahme. Eine Dämmung des Sockels wäre zur Beseitigung der Wärmebrücke ausreichend. Da jedoch eine Sanierung der feuchten Kelleraußenwand erforderlich war, konnte die energetische Situation der Wand mit geringem Mehraufwand verbessert werden. Durch die Außendämmung der Wand erhöht sich die Temperatur der Wandoberfläche innen, womit insbesondere im Sommer die Gefahr der Schimmelbildung durch kondensierte Luftfeuchtigkeit sinkt. Folgende Arbeitsschritte fanden statt: • Aushub bis Kellersohle • Reinigen der Betonwand durch Wasserstrahlen, Ausbessern von Fehlstellen • Aufbringen eines Zementputzes • bituminöse 2-Komponenten-Abdichtung • Dämmplatten aus XPS (WLS 035), 6 cm, geklebt • Noppenbahn zum Schutz der Dämmung • Verfüllen des Arbeitsraums

4.10

d

4.11 Es wurden vier Varianten untersucht: a Sturz ungedämmt Der ψ-Wert ist mit 0,808 W/mK deutlich zu hoch, es besteht Schimmelgefahr. Die Dämmung der Außenwand muss 8 cm betragen, um den Kasten zu integrieren. b Dämmung des Sturzes mit 2 cm PU (WLS 024) Der ψ-Wert verbessert sich auf 0,035 W/mK, womit die Norm erfüllt ist. Die konstruktiv erforderliche Dämmstärke der Außenwand beträgt nun 10 cm. c 5 cm Dämmung am Sturz (WLS 032) Diese einfache Maßnahme – bei Öffnungsbreiten bis 150 cm ist eine Höhe von 7 cm für den neuen Sturz ausreichend – bringt eine deutliche Verbesserung des ψ-Werts auf 0,024 W/mK. d Verbreitertes Rahmenholz Der Rollladen wird zusammen mit dem Fensterelement vor dem bestehenden Sturz eingebaut, wodurch der ψ-Wert mit 0,03 W/mK deutlich über dem Grenzwert der Norm bleibt. Diese sehr montagefreundliche Lösung erfordert allerdings eine Dämmstärke von 16 cm.

125

Projektanalyse

Anlagentechnik

Die Anlagentechnik eines Gebäudes umfasst die gesamte technische Ausrüstung, die zu seinem Betrieb und seiner vorgesehenen Nutzung erforderlich ist. Im Sanierungsfall fehlen häufig Leistungsund Verbrauchsdaten der Altanlagen, ohne die jedoch eine Bewertung der Maßnahmen nicht möglich ist. Ersatzweise können diese Anlagen dann mit Werten aus der »Bekanntmachung der Regeln zur Datenaufnahme und Datenverwendung im Wohngebäudebestand« vom 30. Juli 2009 belegt werden.

4.12

4.13

4.12 Terrasse mit Vordach; rechts der Anbau 4.13 Blick in den Anbau 4.14 Anlagenschema zur Heizung und Warmwasserbereitung 1 Solarkollektor 2 solarer Pufferspeicher 3 Brauchwasserspeicher 4 Gas-Brennwertkessel 5 Umschaltventil 4.15 Wärmeverteilung im Wohngeschoss 4.16 Lüftungskonzept Untergeschoss Um Feuchteschäden durch falsches Lüftungsverhalten der Nutzer insbesondere im Sommer auszuschließen, wurden die Fenster der Abstellräume zugemauert. Stattdessen sorgt eine einfache zeitgesteuerte Lüftungsanlage mit einer Zuluftleitung entlang der Südseite und einer Abluftleitung entlang der Nordseite für eine kontrollierte Durchlüftung des Kellers.

126

Bestand Die vorgefundene technische Gebäudeausrüstung des analysierten Wohngebäudes hatte, was die Verteilleitungen betrifft, den Stand der Erstausstattung aus dem Jahr 1936. Lediglich die Wärmeerzeuger für Heizung und Warmwasser waren 1983 erneuert worden. Daten der Anlagentechnik im Bestand: • Heizung Ölzentralheizung Heizleistung nach DIN EN 12 831 60 kW (ca. 240 W/m2) Verteilverluste 43,5 kWh/m2 Speicherverluste 0 kWh/m2 Übergabeverluste 3,3 kWh/m2 Wirkungsgrad Erzeugung 1,21 • Warmwasserbereitung dezentrale, direkt beheizte Elektrospeicher (100 l ) in den Nassräumen Verteilverluste 3,8 kWh/m2 Speicherverluste 1,5 kWh/m2 Übergabeverluste 0 Wirkungsgrad Erzeugung 1,0 Sanierungskonzeption Die neue Anlagentechnik ist modular aus Einzelgeräten aufgebaut, sodass der Austausch einzelner Bauteile ohne Beeinträchtigung der anderen Anlagenbauteile möglich ist. So könnte beispielsweise der im ersten Sanierungsschritt eingebaute Gasbrennwertkessel später problemlos durch ein effizienteres Zeolith-Heizgerät ersetzt oder auch durch eine Wärmepumpe ergänzt werden. Sanierung der Heizung Im Zuge der energetischen Sanierung wurde die Heizanlage von Öl auf Gas umgestellt. Durch den Wegfall der Öltanks konnte im Keller ein weiterer Abstellraum gewonnen werden. Die Wärmeerzeugung erbringt nach der Sanierung ein modulierender Gasbrennwertkessel mit 30 kW Leistung. Die Heizung wird solar unterstützt. Ebenfalls erneuert wurde die gesamte

Heizungsverteilung inklusive der Wärmeabgabe. Ausgehend von einem zentralen Steigstrang ist nun jede Wohnung über einen Stockwerksverteiler angeschlossen, von dem ausgehend die Vor- und Rücklaufleitungen vor der Wand hinter der Sockelleiste verlaufen. Die Heizkörper wurden nicht mehr unterhalb der Fenster, sondern seitlich davon angeordnet, was Voraussetzung für die spätere Vergrößerung der Fenster war (Abb. 4.15). Daten der neuen Anlagentechnik: • Heizleistung laut DIN EN 12 831 30 kW • Verteilverluste 3,0 kWh/m2 • Speicherverluste 0 • Übergabeverluste 1,0 kWh/m2 • Wirkungsgrad Erzeugung 0,98 Sanierung der Warmwasserversorgung Ebenfalls komplett erneuert wurde die sanitäre Installation des Gebäudes. Die Warmwasserbereitung erfolgt nun zentral über den Gasbrennwertkessel. Dieser erwärmt einen Brauchwasserspeicher mit 300 l Fassungsvermögen, von dem aus die einzelnen Wohnungen versorgt werden. Die Warmwasserbereitung wird solar unterstützt. Daten der neuen Anlagentechnik: • Heizleistung ist nach DIN EN 12 831 bei der Heizung enthalten • Verteilverluste 5,7 kWh/m2 • Speicherverluste 1,8 kWh/m2 • Übergabeverluste 0 • Wirkungsgrad Erzeugung 1,12 Bei isolierter Betrachtung der aufgeführten Leistungszahlen schneidet die neue zentrale Warmwasserversorgung schlechter ab als die alte dezentrale Anlage. Nicht zum Ausdruck kommen hierbei jedoch die tatsächlich erzielten energetischen Verbesserungen durch den Wechsel von Strom zu Gas (geringerer Primärenergiefaktor 1,1 statt 2,6 in der Gesamtbilanz) und die Möglichkeit, solare Energie zu nutzen (siehe S. 128). Lüftung Die Lüftung erfolgt wie im Bestand weiterhin auf natürlichem Wege. Wegen des Fensteraustauschs musste jedoch ein Lüftungskonzept entsprechend DIN 1946-6 entwickelt und umgesetzt werden. Da nicht zuletzt aus Kostengründen auf eine kontrollierte Lüftung verzichtet wurde, war der notwendige Luftwechsel für den Feuchteschutz durch eine nutzerunabhängige, natürliche Lüftung zu gewährleisten. Diese »geplante Undichtigkeit« der Gebäudehülle wurde mit Fensterbeschlägen erreicht, die in 45°-Stellung eine minimale Spaltlüftung

Wohngebäude

ermöglichen. Laut Tabelle 4 der DIN 1946-6 ist mit einem Blower-Door-Test nachzuweisen, dass im Gebäude ein Feuchteschutz-Luftwechsel durch Infiltration von mindestens 2,8 /h stattfindet. Dieser Wert konnte bei entsprechender Einstellung des Beschlags erreicht werden. Da sich die Fenster durch entsprechende Betätigung der Griffe dicht verschließen lassen, sind andererseits auch die Anforderungen der EnEV hinsichtlich der Luftdichtigkeit (Luftwechsel durch Infiltration maximal 3,0 /h) erfüllt. Das Lüftungsverhalten der Nutzer wird zusätzlich durch sogenannte Lüftungsampeln unterstützt. Diese Geräte zeigen optisch und auch akustisch an, wann aufgrund schlechter Raumluftbedingungen (Feuchte, CO2) eine Fensterlüftung erforderlich wird. Die Sanierung des feuchten Kellers wurde durch den Einbau einer zeitgesteuerten Zwangsbelüftung unterstützt (Abb. 4.16). Nutzung solarer Energie Die Anlage zur Heizung und Warmwasserbereitung erhielt im dritten Sanierungsabschnitt eine solare Unterstützung durch Vakuumröhrenkollektoren auf der südlichen Dachfläche. Die Last der 10 m2 großen Solaranlage auf der Dachkonstruktion beträgt mit 16,6 kg/m2 insgesamt 166 kg und kann von dem bestehenden Dachstuhl problemlos aufgenommen werden. Dem vorhandenen System wurde ein neuer Pufferspeicher vorgeschaltet, der das Brauchwasser vorerwärmt. Hierfür wird das Kaltwasser im solaren Pufferspeicher über einen Wärmetauscher geführt und somit erwärmt, bevor es in den bestehenden Trinkwasserspeicher gelangt. Das gleiche Prinzip wird bei der Heizung angewandt, um den Rücklauf vorzuerwärmen, bevor er im Brenner wieder auf die gewünschte Vorlauftemperatur gebracht wird (solare Heizungsunterstützung). Sobald die Temperatur des neuen Pufferspeichers 8 C über der Rücklauftemperatur der Heizung liegt, wird der Rücklauf in einem geschlossenen Rohrsystem durch den Wärmetauscher des neuen Pufferspeichers geleitet.

DG

DG 1

OG

OG

EG

EG

Gas Kaltwasser 3

4

5 2

4.14

4.15

Die eingesetzte Solaranlage weist folgende Kenndaten auf: • Kollektortyp Vakuumröhrenkollektoren • Gesamtfläche 10,44 m2 • Aperturfläche 9,33 m2 • solarer Pufferspeicher 800 l • Kollektorertrag 602 kWh/m2 4.16

127

Projektanalyse

Bilanzierung

Bei energetischen Sanierungsarbeiten sind die Aufwendungen immer aufzugliedern in reine Sanierungsarbeiten, die im Rahmen der Instandhaltung sowieso erforderlich sind, in Maßnahmen zur Vergrößerung der Nutzflächen und in Arbeiten, die den energetischen Zustand des Objekts verbessern. Nur die letztgenannten Aufwendungen dürfen in eine Amortisationsrechnung hinsichtlich Aufwand (Investition) und Ertrag (Energieeinsparung) einbezogen und wirtschaftlich bewertet werden. Ökonomie Die Maßnahmen zur energetischen Sanierung des untersuchten Dreifamilienhauses führten zu einem Investitionsaufwand von 96 000 € für energetische Mehraufwendungen. Eine Förderung der Maßnahmen war folgendermaßen möglich: • Förderung aus dem KfW-Programm »Energetisch Sanieren« mit 12,5 % Tilgungszuschuss und einem Zinssatz von 1,4 %. Für dieses KfW-Programm sind die Kosten der Gesamtmaßnahme anrechenbar, nicht allein die rein energetisch bedingten Mehraufwendungen. • Förderung durch das Förderprogramm »Energieeinsparung« der Stadt München für Außenwand und Fenster sowie thermische Solarkollektoren. Nach der Sanierung reduzierte sich der Endenergiebedarf für die Bereitstellung der Wärme (Heizung, Warmwasser) um ca. 80 %, sodass anstelle von 7300 l Öl und 4600 kWh Strom nur noch insgesamt 2450 m³ Gas benötigt werden. Durch die Vergrößerung der Wohnfläche hat sich der Gasbedarf um 550 m³ auf dann 3000 m³ erhöht. Die Erweiterungsmaßnahmen werden jedoch bei der ökonomischen Bewertung der Sanierung nicht in die Betrachtung einbezogen. Lediglich der Energiebedarf des sanierten Altbestands dient als Vergleichsmaßstab zur Bewertung der Investition für die energetische Sanierung.

Bei einem zugrunde gelegten Energiepreis von 60 Cent/m³ Gas, 60 Cent/l Öl und 20 Cent/kWh Strom betragen die Kosten für die Wärmebereitung nach der Sanierung nicht mehr 5300 €, sondern nur noch 1470 € im Jahr. Die Ersparnis von 3830 € muss nun die energetischen Mehraufwendungen in Höhe von ca. 76 000 € wieder refinanzieren. Betrachtet man einen Zeitraum von 20 Jahren und geht man davon aus, dass im Mittel eine Energiepreissteigerung von 6 % bei den Ressourcen Öl und Gas und etwa von 5 % bei Strom zu erwarten ist, stellt sich folgende ökonomische Situation dar (siehe Rechenverfahren, S. 30ff.): Kosten: • Investition • Tilgungszuschuss KfW • Zuschuss Stadt München • Investition abzgl. Zuschuss • Annuität der Investition (Zinssatz 1,4 %) • mittlere Kosten pro Jahr

96 000 € 12 000 € 8000 € 76 000 € 87 663 € 4383 €

Ertrag: • Einsparung pro Jahr 3830 € • Preissteigerung pro Jahr 6% • Einsparung gesamt 140 888 € • mittlere Einsparung pro Jahr 7044 € Bilanz: • mittlere Kosten pro Jahr 4383 € • mittlere Einsparung pro Jahr 7044 € • Überschuss pro Jahr 2661 € • Amortisation 14,6 Jahre Häufig wird fälschlicherweise angenommen, dass sich die gesamten Sanierungskosten – also auch die Instandhaltungskosten – über die Energieeinsparung refinanzieren müssten. Da dies in der Regel nicht realisierbar ist, wird daraus geschlossen, die energetische Sanierung würde sich nicht rechnen. Dies ist grundsätzlich ein falscher Ansatz, da die Instandhaltungskosten auch ohne energetische Maßnahmen auf den Immobilienbesitzer zukommen. Energetische

Zusatzmaßnahmen, die im Rahmen einer Generalsanierung durchgeführt werden, können sich also in 15 bis 20 Jahren amortisieren, und dies bei einer angenommenen jährlichen Energiepreissteigerung von moderaten 6 %. Da die meisten der getätigten Investitionen eine Lebensdauer von deutlich mehr als 20 Jahren besitzen, würde die Nichtdurchführung der energetischen Generalsanierung ökonomisch gesehen sogar zu einem Schaden führen. Ökologie Der ökologische Standard der Sanierungsmaßnahme definiert sich wie folgt: • Primärenergiebedarf vorher gesamt 92 500 kWh spezifisch (EnEV) 306 kWh/m2 • Primärenergiebedarf nachher gesamt 33 000 kWh spezifisch (EnEV) 101 kWh/m² • CO2-Ausstoß vorher gesamt 24 958 kg spezifisch (EnEV) 82,64 kg/m² • CO2-Ausstoß nachher gesamt 7290 kg spezifisch (EnEV) 22,2 kg/m2 Nachhaltigkeit Ziel der Sanierungsmaßnahme war nicht zuletzt, eine flexible und damit nachhaltige Nutzung des Wohngebäudes zu ermöglichen. So wurde die Aufteilung in drei Wohneinheiten beibehalten. Der Anbau, der die Erdgeschosswohnung horizontal erweitert, kann vollständig abgekoppelt und aufgrund der sanitären Ausstattung auch als autonome Einheit genutzt werden. Denkbar sind auch Nutzungsmodelle wie Wohnen – Arbeiten oder Wohnen – Betreuen. Die Innenaufteilung des Anbaus ist hierfür durch nicht tragende Trennwände weitgehend flexibel gehalten. Der Verzicht auf eine vertikale Verknüpfung der Wohngeschosse schafft auch die Voraussetzung dafür, die Wohneinheiten bei Bedarf barrierefrei ausbauen zu können.

Gesamtkosten Maßnahmen Kostengruppe 2 – 7 570 000 € (Förderung bereits abgezogen) davon bauliche Maßnahmen 450 000 €

davon anlagentechnische Maßnahmen 120 000 €

davon Anteil Instandhaltung Dachsanierung Fenstersanierung Putzsanierung Kellerwände Betonsanierung Innensanierung

davon Anteil energetische Verbesserung Wärmedämmung Fassaden Wärmedämmung Dach verbesserte Fensterrahmen Kelleraußenwand Wärmedämmung

davon Anteil Erweiterungsmaßnahmen Aufstockung Dachgeschoss Aufstockung Erker Süd Balkonerneuerung

davon Anteil Instandhaltung Ersatz Heizung Sanitärinstallation elektrische Rollläden

davon Anteil energ. Verbesserung Solaranlage mit Pufferspeicher Elektroinstallation komplett

davon Anteil Erweiterungsmaßnahmen Lüftung Keller

180 000 €

56 000 €

214 000 €

95 000 €

20 000 €

5000 € 4.17

128

Wohngebäude

Einheit

Bestand

saniert

Anbau

Gesamt

m3 m2 m2 m2 m2 1/m

945 650 241 271 302 0,30

1026 698 250 271 328 0,29

208 247 65 65 67 0,31

1234 945 315 355 395 0,29

W/m2K W/m2K W/m2K W/m2K W/m2K W/m2K W/m2K

1,28 1,11 – 1,11 2,70 1,44 0,20

0,21 0,17 – 0,17 1,19 – 1.22 0,53 0,04

0,19 0,18 – – 1,22 0,17 0,04

0,04

m2 %

35 11

47 15

58 50

105 30

% – – –

80 0,3 schwer möglich

60 0,3 schwer möglich

50 0,5 (Bäume) schwer möglich

Tageslicht (DIN V 18 599) tageslichtversorgter Bereich (in % der NGF) Tageslichtdurchgang Fenster

% %

55 80

70 80

85 70

75

Lüftung Luftvolumen (0,8 Ve) zu belüftende Fläche (Wohnfläche) davon natürlich belüftbar

m3 m2 %

756 241 100

820 250 100

166 65 100

986 315 100

– kWh/a

Öl 73 300

Gas/solar 22 000

Gas/solar 5000

Gas/solar 27 000

Warmwasser Energieträger Endenergie

– kWh/a

Strom 4600

Gas/solar 2500

Gas/solar 500

Gas/solar 3000

Kühlung Energieträger Endenergie

– kWh/a

ohne Kühlung –

ohne Kühlung –

ohne Kühlung –

ohne Kühlung –

Lüftung System Endenergie

– kWh/a

natürliche Lüftung –

natürliche Lüftung –

natürliche Lüftung –

natürliche Lüftung –

– – – –

– – – –

Neubau – 30 % Neubau erfüllt Effizienzhaus 85

Neubau – 30 % Neubau erfüllt Effizienzhaus 85

Neubau – 30 % Neubau erfüllt Effizienzhaus 85

6050 1336

33 000 7290

Daten beheiztes Volumen (Ve) Hüllfläche Wohnfläche beheizte Nettogrundrissfläche (NGF) EnEV-Fläche (0,32 ≈ Ve) Kompaktheit (beheizte NGF/beheiztes Volumen) Passivkonzept Winter Dach Wand gegen Außenluft Wand gegen Erdreich Wand gegen unbeheizte Räume Fenster Boden gegen Keller, Erde, Luft Wärmebrücken (Einzelnachweis) Sommer Fläche Fenster Fensterflächenanteil (bezogen auf die Fassadenfläche) g-Wert Fenster Fc-Sonnenschutz Speichermasse Nachtlüftung

Aktivkonzept (Endenergie) Heizung Energieträger Endenergie

Bilanz Energetischer Standard EnEV 2007 EnEV 2009 EEWärmeG KfW Ökonomie Annuität (20 Jahre, 1,4 % Zins) Einsparung in 20 Jahren (6 % Preissteigerung) Amortisation Ökologie Primärenergie CO2

€ €

87 663,22 140 888

Jahre

14,6

kWh/a kg/a

92 590 24 958

26 950 5954

4.18 4.17 Kostenaufteilung der Gesamtmaßnahme 4.18 sanierungsrelevante Projektdaten

129

Projektanalyse

Nichtwohngebäude

Gebäudetyp: Standort: Architekt: Projektleitung: Tragwerk: HLS: Bauphysik: Fassade: Baujahr: Sanierung:

Bürogebäude Zürich Max Dudler Architekten AG, Zürich Daniel Pescia Pöyry Infra AG, Zürich Pöyry Infra AG, Zürich Wichser Bauphysik, Zürich Stäger Nägeli, Zürich 1971 2007

Architektur 4.19

4.20

4.21

4.19 4.20 4.21 4.22

Lageplan, Maßstab 1:5000 Schnitt, Maßstab 1:500 Fassade vor der Sanierung a Grundriss Dachgeschoss, Maßstab 1:500 b Zonierung nach DIN V 18 599-10 4.23 a Grundriss 1.– 4. Obergeschoss, Maßstab 1:500 b Zonierung nach DIN V 18 599-10 4.24 a Grundriss Erdgeschoss, Maßstab 1:500 b Zonierung nach DIN V 18 599-10 4.25 Fassade nach der Sanierung Zonierung nach DIN V 18 599-10: Büro Kantine Nebenflächen Sanitär

130

Die Sanierung dieses innerstädtischen Verwaltungsgebäudes aus den Sechzigerjahren ist in verschiedener Hinsicht typisch für zahlreiche Gebäude aus dieser Zeit. Errichtet als klar gerasterte Stahlbetonskelettbauten mit nicht tragenden, kaum gedämmten Fassaden erfüllen sie die heutigen Anforderungen an Wärmeund Schallschutz bei Weitem nicht mehr und sind ohne grundlegende Sanierung auch den veränderten Nutzungsbedingungen (Kühllasten durch EDV) und gestiegenen Komfortansprüchen nicht mehr gewachsen. Der hier analysierte Verwaltungsbau ist Teil eines größeren Gebäudekomplexes, der sich in den Händen verschiedener Eigentümer befindet. Grundsätzlich stellte sich bei der Sanierung die Frage, ob und inwieweit der zu sanierende Teil den Gestaltvorgaben des Bestands folgen sollte oder ob er durch individuelle Problemlösungen den Gesamteindruck des homogenen Bestandsgebäudes aufheben durfte. Im Zuge der Sanierung mussten nicht nur hohe energetische Anforderungen erfüllt werden, sondern waren auch neu aufgetretene Fragen bezüglich der Lärm- und Feinstaubbelastungen (das Gebäude liegt an einer inzwischen stark befahrenen Straße) zu beantworten. Der ökonomische Druck, die vorhandenen Erweiterungsmöglichkeiten im Bereich des Dachgeschosses zu nutzen, stellte eine zusätzliche Herausforderung dar, die bei der Entwicklung der architektonischen Gesamtkonzeption berücksichtigt werden musste. Hinzu kam die klassische Problemstellung, den Stahlbetonskelettbau baukonstruktiv zu sanieren. Dabei war zu klären, ob die nicht tragenden Massivbrüstungen bei der Sanierung erhalten bleiben oder ob sie entfernt werden und durch eine vollkommen neu erstellte Fassade ersetzt werden sollten. Für letztere Variante sprach der nicht unerhebliche Flächengewinn durch den Abbruch der Brüstung. Letztlich ausschlaggebend für die

Entscheidungen im Sanierungsprozess war das übergeordnete Ziel, die städtebaulich markante U-förmige Blockrandbebauung aus den Sechzigerjahren so zu belassen, dass sie als Gesamtanlage formal wirksam bleibt. Grundlage für das gestalterische und darauf aufbauend auch das baukonstruktive Sanierungskonzept war deshalb eine Analyse der konstituierenden Elemente des Bestandsgebäudes. Fensterbänder, die durch außen vorgesetzte, farblich abgesetzte Sonnenschutzelemente zusammengefasst und durch die Sprossen vor den Doppelstützen des Tragwerks vertikal rhythmisiert werden, sowie Brüstungsfelder aus emaillierten Glasplatten waren die gestalterischen Vorgaben aus dem Bestand, die auch bei der Entwicklung der neuen Fassade übernommen wurden. Die vorhandene Betonbrüstung wurde zwar entfernt und durch eine hochwärmedämmende Paneelfassade ergänzt, die Gliederung in Brüstungsband und Fensterband ist jedoch deutlich ablesbar und in gleicher Materialität erhalten geblieben. Die Bandfensterkonstruktion ist insofern verändert, als sich nun eine zusätzliche Glasscheibe außen vor dem Sonnenschutz befindet, sodass ein Kastenfenster entsteht. Die innere Verglasung besteht aus einem Dreischeiben-Wärmeschutzglas. Die Bandfenster sind durch kräftig ausgebildete vertikale Montagefugen in der äußeren Fensterebene gegliedert, die gestalterisch an die Plastizität der Bestandsfassade anknüpfen. Die Sanierungsmaßnahme wird komplettiert durch die Nutzung des Erweiterungspotenzials auf dem Flachdach. Ein neu errichteter, hinter die Fassadenebene zurückgesetzter Kubus bietet Raum für eine Cafeteria mit Nebenräumen. Ferner ermöglicht er in gestalterisch gelungener Form die Unterbringung der neuen Gebäudetechnik (siehe Anlagentechnik, S. 134) auf dem neuen Dach. Der rückwärtige, in den Hang eingegrabene Teil des Erdgeschosses und das Untergeschoss sind auch nach der Sanierung unverändert mit Tiefgaragenplätzen und untergeordneten Nutzungen (Heizung, Öltank, Lager) belegt. Die in den Zeichnungen (Abb. 4.22b, 4.23 b und 4.24 b) gezeigte Nutzungsgliederung ist die Grundlage für die Bilanzierung von Nichtwohngebäuden nach DIN V 18 599. Die sogenannte Zonierung des Gebäudes bildet die Voraussetzung dafür, die differenzierten Anforderungen an die Konditionierung der einzelnen Zonen in der Berechnung berücksichtigen zu können.

Nichtwohngebäude

a

b

4.22

a

b

4.23

a

b

4.24

4.25

131

Projektanalyse

Passivkonzept

Das Passivkonzept eines Gebäudes umfasst alle baulichen Gegebenheiten des Bestands bzw. die Summe der Sanierungsmaßnahmen, die die Wärmeverluste und -gewinne des Gebäudes über seine Hülle beeinflussen. Bestand Das Gebäude ist typisch für seine Erstellungszeit als Stahlbetonskelett mit Flachdecken und nicht tragender Fassade konstruiert und basiert auf einem präzisen Raster von 1,20 m. Die Hülle mit den Fensterbändern und glasverkleideten, ungedämmten Betonbrüstungen blieb bis zur Sanierung unverändert. Sie weist nach Tabelle 2 der in Deutschland geltenden »Bekanntmachung der Regeln zur Datenaufnahme und Datenverwendung im Nichtwohngebäudebestand« vom 30. Juli 2009 folgende Werte auf: • Dach 0,6 W/m2K • Wand 1,0 W/m2K • Fenster 2,7 W/m2K • Bauteile gegen Erdreich und unbeheizte Räume 1,0 W/m2K Der heute geforderte winterliche Mindestwärmeschutz ist wie bei den meisten Bauten dieser Zeit nicht eingehalten. Demgegenüber sind die Anforderungen des sommerlichen Mindestwärmeschutzes aufgrund der außen liegenden Jalousien und des moderaten Fensterflächenanteils schon im Bestand erfüllt. Gesamtkonzept der Sanierung Wegen der differenzierten Besitzverhältnisse wurde keine Gesamtplanung für die Sanierung des kompletten Baublocks erstellt, sodass der hier dokumentierte Gebäudeteil unabhängig vom Rest der Anlage zu sanieren war. Umso sinnfälliger wirkt die Entscheidung zur Beibehaltung der maßgebenden Gestaltungselemente der Außenhülle, um die gestalterisch homogene Erscheinung der Gesamtanlage nicht aufzulösen. Die energetische Sanierung der opaken Flächen orientierte sich an den in der Schweiz geltenden Vorschriften (SIA 380/1), wobei in dieser Dokumentation die Kennwerte der deutschen Energieeinsparverordnung 2009 als Grundlage für die Bilanzierung verwendet wurden. An der Geschossdecke zur Tiefgarage wurden ebenso wie an den ans Erdreich grenzenden Wänden keine Maßnahmen durchgeführt. Die Rohbaustruktur musste durch Ergänzung zweier aussteifender Querwände an die heute geltenden Anforderungen

angepasst und für die Lastabtragung des neuen Dachgeschosses ertüchtigt werden (Abb. 4.28 und 4.29). Sanierung des Dachs Um die zusätzlichen Kräfte aus der Aufstockung in die ausreichend tragfähigen Stützen einleiten zu können, wurde die Deckenbewehrung im Bereich der Stützenköpfe verstärkt. Hierfür wurde die vorhandene Decke in einem ersten Arbeitsschritt freigelegt und mit ca. 2 m Umgriff um die Stützen herum oberseitig bis zur obersten Bewehrung abgetragen. Nach dem Einbringen der neuen Klebearmierung erfolgte das Aufbetonieren der gesamten Decke um 5 cm, womit die geforderte erhöhte Tragfähigkeit gesichert war. Die verbliebene Dachfläche des Bestands wurde wie die neue Dachfläche mit 20 cm PU-Dämmplatten (WLS 030) gedämmt, mit einer Kunststofffolie abgedichtet und bekiest. Die Maschinenfundamente der Technikzentrale sind durch eine druckfeste Dämmplatte thermisch von der Deckenkonstruktion getrennt.

7

3

2

Sanierung der Außenwand Folgende Arbeitsschritte wurden durchgeführt: • Abbruch der nicht tragenden Betonbrüstungen • Montage von Blechpaneelen mit 16 cm Wärmedämmung (WLS 030) zwischen die Fensterbänder und außenseitige Verkleidung mit Glasplatten Sanierung der Fenster Folgende Arbeitsschritte wurden durchgeführt: • Ausbau der alten Fenster und Jalousien • Einbau neuer Aluminiumkastenfenster mit Dreifachverglasung innen und Einfachscheibe außen; der Zwischenraum ist durchlüftet. • Montage des Sonnenschutzes innerhalb der Kastenfenster Der gesamte Aufbau der neuen Fensterkonstruktion weist folgende Werte auf: • Wärmedurchgangskoeffizient Uwindow 0,6 W/m2K 10 % • Energiedurchlassgrad gtotal • Lichtdurchlässigkeit τ 30 %

6

1

5 4

Sanierung der Wärmebrücken Durch die neue, vor dem Rohbau verlaufende Fassadenkonstruktion sind keine nennenswerten Wärmebrücken mehr vorhanden. Die Wärmebrücken im Sockelbereich bleiben aufgrund des hohen Aufwands, der mit der Sanierung in dem Bereich verbunden ist, bestehen. 4.26

132

Nichtwohngebäude

4.26 Vertikalschnitt Hülle, Maßstab 1:20 1 innere Verglasung: Rahmen Aluminium, Uframe = 1,1 W/m2K Dreifachverglasung 4/16/4/16/4 mm mit Argonfüllung, Uglas = 0,7 W/m2K τ-Wert = 71 % g-Wert = 48 % Randverbund ψ = 0,05 W/m2K 2 äußere Verglasung: Rahmen Aluminium Uframe = 3,0 W/m2K Lüftungsöffnungen seitlich und unten Glas ESG 8 mm g-Wert = 30 % τ–Wert = 43 % 3 Lamellenstore Aluminium, grau beschichtet fc- Wert 0,18 4 Brüstungselement: ESG 8 mm Aluminiumpaneel mit 16 cm Dämmung (WLS 030) 5 Heizkörper 6 abgehängte Decke: Lochblech Aluminium, Mineralwolle 7 Abluftansaugung 4.27 Horizontalschnitt Hülle, Maßstab 1:20 4.28 ergänzende Aussteifung im Normalgeschoss 4.29 Verstärkung der Deckenbewehrung im 4. OG 4.30 Gebäudeecke mit Kastenfenster (Innenansicht)

4.27

4.28

4.29

4.30

133

Projektanalyse

Anlagentechnik

Die Anlagentechnik eines Gebäudes umfasst die gesamte technische Ausrüstung, die zu seinem nutzungsgemäßen Betrieb erforderlich ist. Bestand Im Sanierungsfall fehlen häufig Leistungsund Verbrauchsdaten der bestehenden Anlagen, ohne die jedoch eine Bewertung der Maßnahmen nicht möglich ist. Ersatzweise können Werte aus der »Bekanntmachung der Regeln zur Datenaufnahme und Datenverwendung im Nichtwohngebäudebestand« herangezogen werden. Heizung Der Wärmeerzeuger, eine Ölzentralheizung, war ebenso wie der Pufferspeicher für das Warmwasser (300 l) zum Zeitpunkt der Sanierung erst sechs Jahre alt und stand daher nicht zur Disposition. Die Heizanlage und der zugehörige Öltank mit 30 000 Litern Fassungsvermögen sind im Untergeschoss untergebracht. Basierend auf Tabelle 5 der oben genannten Bekanntmachung werden der Anlage folgende Daten zugeordnet: • Vor-/Rücklauf 70 /50 °C • Heizleistung 200 kW (ca. 80 W/m2) • Verteilverluste ca. 20 kWh/m2 • Speicherverluste ca. 5 kWh/m2

4.31 Anlagenschema 1 Raum 2 Kältemaschine 3 Rückkühler 4 Brauchwasserspeicher 5 Heizung 6 Pufferspeicher Heizung Kreislauf A: Außentemperatur unter 15 °C freie Kühlung über Rückkühlwerk Kreislauf B: Außentemperatur über 15 °C klassische Kühlung, wenn kein Bedarf bei Brauchwasser (4) und Heizung (5) Kreislauf C: Rückkühlung durch Nutzung der Wärme für Brauchwasser (4) und Heizung (5) 4.32 Lüftung und Kühlung im Normalgeschoss (Deckenuntersicht) a Zuluft b Abluft c Kühldecke 4.33 Technikzentrale auf dem Dach der Aufstockung a Fortluft b Außenluft c Abluft d Zuluft e Lüftung Tiefgarage f Kühlung / Kältemaschine g Rückkühlung h Kühlung Reserve i Rückkühlung Reserve 4.34 neue Aufstockung mit umlaufender Dachterrasse 4.35 Technikzentrale auf dem wannenförmig ausgebildeten Dach

• Übergabeverluste • Wirkungsgrad Erzeugung

3,3 kWh/m2 ca.1,2

Lüftung, Kühlung Das Bestandsgebäude wurde natürlich über die Fenster be- und entlüftet. Eine Kühlung erfolgte nicht. Angesichts der gestiegenen Lärm- und Feinstaubbelastung durch den Straßenverkehr und der erhöhten Kühllasten infolge der EDVvernetzten Arbeitsplätze liegt hier erheblicher Sanierungsbedarf vor.

Sanierung Die Konditionierung des Gebäudes wird mit getrennten Systemen für Heizung, Kühlung, Lüftung und Beleuchtung vorgenommen, sodass der Ersatz einzelner Komponenten ohne Beeinträchtigung der anderen Bauteile der Anlagentechnik möglich ist (Abb. 4.31). So kann beispielsweise die Heizanlage zu einem späteren Zeitpunkt ersetzt oder durch einen zweiten Wärmeerzeuger ergänzt werden. Alle neuen Großgeräte – also Kühlung, Rückkühlung und Lüftung – wurden in der neuen Technikzentrale auf dem Dach der Aufstockung platziert (Abb. 4.33). Besondere Sorgfalt verwandten die Planer darauf, dass die Technikaufbauten keine optische Beeinträchtigung nach außen zur Folge haben. Hierfür erhielt das Dach der Aufstockung in der Mittelzone eine wannenförmige Vertiefung, in der die hohen Geräte von außen nicht erkennbar untergebracht werden können.

Elektroinstallation, Beleuchtung Die Arbeitsplätze waren über unzureichend flexible Brüstungskanäle verkabelt. Die überdimensionierte und nur eingeschränkt regelbare Beleuchtungsanlage mit Leuchtstoffröhren und konventionellen Vorschaltgeräten wies eine installierte Beleuchtungsleistung von 25 W/m2 auf.

Heizung Die Erzeugung der Heizwärme über die Ölzentralheizung blieb unverändert bestehen. Neu installiert wurden aber ihre Verteilung und Übergabe. Hierzu dienen wie bereits im Bestandsgebäude Heizkörper, die unterhalb der Fenster angebracht sind.

Warmwasserversorgung Der Energiebedarf für Warmwasser kann in Bürogebäuden vernachlässigt werden. Laut Tabelle 6 der DIN V 18 599-10 muss der Warmwasserbedarf erst dann in die Berechnung einbezogen werden, wenn der Energiebedarf zur Warmwasserbereitung 0,2 kWh/Person am Tag überschreitet. Damit könnten etwa 4,6 Liter Wasser von 10 °C auf 60 °C erwärmt werden.

A

B

3 20°C

10°C

30°C

40°C

45°C

30°C

2

C

26°C

1

4

5

6 4.31

134

Nichtwohngebäude

Die Vor- und Rücklauftemperaturen sind so niedrig wie möglich ausgelegt, um die Altanlage später durch eine Luft-WasserWärmepumpe ersetzen und auf diese Weise Umweltwärme effizient nutzen zu können. Bereits jetzt wird die Abwärme der Kälteanlage für die Wärmeerzeugung genutzt. Nach der Sanierung weist die Heizanlage folgende Kennzahlen auf: • Vorlauf 50 °C • Rücklauf 40 °C • Heizleistung 60 kW • Verteilverluste 10 kWh/m2 • Speicherverluste 5 kWh/m2 • Übergabeverluste 3 kWh/m2 • Erzeugungsverluste 1,2 kWh/m2 Warmwasserversorgung Die Warmwasserbereitung wurde unverändert übernommen, wobei die Wärmeerzeugung durch Nutzung der Abwärme aus der Rückkühlung energetisch sinnvoll ergänzt wird. Lüftung Das Gebäude erhielt eine mechanische Lüftung, um energetisch effizient und ohne Beeinträchtigung durch Schallimmissionen be- und entlüftet werden zu können. Die zentrale Lüftungsanlage befindet sich auf dem Dach.

Die erforderliche Frischluft wird im Winter über die Wärmerückgewinnung vorerwärmt und im Sommer über eine Kälteanlage so weit vorgekühlt, dass sie mit maximal 26 °C in die Räume gelangt. Vertikale Schächte und horizontale Lüftungsrohre in den abgehängten Decken bringen die Zuluft in die Flurbereiche der einzelnen Geschosse und saugen die Abluft entlang der Fenster ab. Dadurch werden eine gute Durchlüftung und ein effektiver Abbau der Wärme erreicht (Abb. 4.32). Die Lüftungsanlage weist folgende Kennzahlen auf: • Luftvolumen 14 000 m3/h • Luftwechselzahl 1,5 – 2/h • Anschlusswert Strom ca. 5 KW (jeweils für Zuluft und Abluftventilator) Kühlung Zur Kühlung des Gebäudes wurden Kühldecken in den Räumen installiert. Die hierfür erforderliche Kälte erzeugt eine Kompressionskältemaschine in der Technikzentrale. Lediglich bei Außentemperaturen unter 0 °C wird die Kälte durch »free cooling«, d. h. direkt über die Rückkühleinrichtung auf dem Dach, gewonnen. Die Rückkühlung erfolgt über Luft. Daten der Kältemaschine: • Leistung 138 kW • Vor-/Rücklauf 10 /18 °C

a

Elektroinstallation Die Elektroinstallation wurde komplett erneuert. Ein neuer Doppelboden mit Auslässen in definierten Abständen erlaubt nun die Vernetzung aller Arbeitsplätze sowie die problemlose Integration der Anschlüsse für die arbeitsplatzbezogenen Leuchten.

c

e

g

b

Beleuchtung Lediglich die Nebenräume und die Erschließungsflächen des Gebäudes erhielten eine fest installierte Beleuchtung. Die Bürozonen werden ausschließlich über Stehleuchten bzw. über arbeitsplatzbezogene Einzelleuchten versorgt, da aufgrund der geringen Raumhöhe keine Beleuchtungsanlage im Deckenaufbau integriert werden konnte. Der Vorteil der dezentralen Beleuchtung besteht darin, dass sie nahezu unbeschränkt flexibel sowohl bezogen auf den Standort wie auch bezogen auf die Helligkeit und damit auf den Stromverbrauch organisiert werden kann. Der Einsatz von LED-Leuchten reduziert die Wärmeeinträge in den Räumen und damit die Kühllast deutlich. Durch die Verbesserung der Beleuchtungsanlage konnte der Anschlusswert von 25 W/m2 auf 10 W/m2 gesenkt werden.

d

b

f

c

i

h

a

4.32

4.33

4.34

4.35

135

Projektanalyse

Bilanzierung

Aufwendungen bei energetischen Sanierungsarbeiten sind immer aufzugliedern in reine Sanierungsarbeiten, die aufgrund des Bauunterhalts im Rahmen der Instandhaltung sowieso erforderlich sind, und Arbeiten, die den energetischen Zustand des Objekts verbessern. Dazu kommen in der Regel noch Kosten für bauliche und anlagentechnische Erweiterungen, die zur besseren Ausnutzung des Grundstücks oder zur Komfortverbesserung beitragen. Nur die Mehraufwendungen, die aus rein energetischen Gründen anfallen, dürfen im Sinne einer Amortisationsrechnung hinsichtlich Aufwand (Investition) und Ertrag (Energieeinsparung) wirtschaftlich bewertet werden. Die beschriebenen Maßnahmen führten zu den in Abb. 4.36 zusammengestellten Aufwendungen. Ökologie Nach Durchführung der Sanierungsmaßnahmen wird der ökologische Standard bzw. die ökologische Verbesserung wie folgt definiert: • Primärenergie vorher gesamt 688 000 kWh spezifisch (NGF) 275 kWh/m2 • Primärenergie nachher gesamt 296 000 kWh spezifisch (NGF) 118 kWh/m2 • CO2 vorher gesamt 189 000 kg spezifisch (NGF) 76 kg/m2 • CO2 nachher gesamt 78 000 kg spezifisch (NGF) 31 kg/m2 Ökonomie Durch die Sanierung verringerte sich der Endenergiebedarf für die Bereitstellung der Wärme (Heizung, Warmwasser) um ca. 90 %. Zur Verbesserung der Behaglichkeit wurde im Zuge der Sanierung neue Anlagentechnik für Kühlung und

Lüftung installiert, was andererseits den Energiebedarf für Strom um 46 000 kWh erhöhte. Die Erweiterungsmaßnahmen werden bei der ökonomischen Bewertung der Sanierung nicht in die Betrachtung einbezogen. Lediglich der Energiebedarf des sanierten Altbestands dient als Vergleichsmaßstab zur Bewertung der Investition für die energetische Sanierung. Bei einem Preis von 60 Cent /l für Öl und 13 Cent/kWh für Wärmepumpenstrom betragen die Kosten für die Wärmeerzeugung nach der Sanierung nur noch 4800 € im Jahr anstelle von 30 000 € im unsanierten Zustand. Die erzielte Ersparnis von 25 200 € muss nun die energetischen Mehraufwendungen in Höhe von ca. 650 000 € wieder refinanzieren. Betrachtet man einen Zeitraum von 20 Jahren und geht man von einer durchschnittlichen Energiepreissteigerung von 6 % für Öl und Strom aus, stellt sich folgende ökonomische Situation dar: Kosten energetischer Mehraufwand: • Investition 650 000 € • Zuschuss 0€ • Annuität der Investition (Zinssatz 3,5 %) 914 694 € • mittlere Kosten pro Jahr 47 735 € Ertrag: • Einsparung pro Jahr 25 200 € • Preissteigerung pro Jahr 6% • Einsparung gesamt 926 997 € • mittlere Einsparung pro Jahr 46 349 € Bilanz (gerundet): • mittlere Kosten pro Jahr • mittlere Einsparung pro Jahr • Amortisation

48 000 € 46 000 € 20 Jahre

Maßnahmen wie der Einbau einer Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung und die Erneuerung der Beleuchtungsanlage müssten als separate Investition nach den gleichen Kriterien bewertet wer-

den. Auch hier liegen die Auslöser für die Investition zunächst im Bauunterhalt (Beleuchtungsanlage) bzw. in der Verbesserung der Behaglichkeit (Lüftung, Schallschutz). Werden in diesem Zusammenhang weitergehende Maßnahmen geplant, die der energetischen Optimierung dienen, so müsste hier ebenfalls der Mehraufwand und der durch den Mehraufwand erreichte Einspareffekt ökonomisch und ökologisch bilanziert werden. Wie hier dargestellt, amortisieren sich energetische Zusatzmaßnahmen, die im Rahmen einer Generalsanierung durchgeführt werden, in 15 bis 20 Jahren – und dies bei einer moderaten angenommenen Energiepreissteigerung von durchschnittlich 6 % im Jahr. Da die meisten der getätigten Investitionen bauliche Maßnahmen betreffen, die eine Lebensdauer von deutlich mehr als 20 Jahren besitzen, würde es ökonomisch gesehen sogar zu einem Schaden führen, wenn die energetische Generalsanierung nicht durchgeführt würde. Nachhaltigkeit Das Sanierungskonzept für das Bürogebäude war unter anderem auch auf eine flexible und damit nachhaltige Nutzung ausgerichtet. Der Bürobereich kann für verschiedene Nutzungen unterteilt werden. Auch eine vollständig getrennte geschossweise Erschließung und damit separate Vermietung der Flächen ist möglich. Durch den neu geplanten Aufzug ist das Gebäude barrierefrei nutzbar. Auch die neu geschaffene Cafeteria im Dachgeschoss kann aufgrund ihrer direkten Anbindung an das Treppenhaus von allen Nutzern des Hauses besucht werden. Die innerstädtische Immobilie ist außerdem hervorragend an das öffentliche Verkehrsnetz angeschlossen, sodass ein weiteres wichtiges Nachhaltigkeitskriterium erfüllt ist.

Gesamtkosten Maßnahmen Kostengruppe 2 – 7 2 800 000 € davon bauliche Maßnahmen 1 850 000 €

davon anlagentechnische Maßnahmen 950 000 €

davon Anteil Instandhaltung Dachsanierung Fenstersanierung Fassadendämmung

davon Anteil energetische Verbesserung Mehraufwand Kastenfenster Mehraufwand Dreifachglas Mehraufwand Dämmung Mehraufwand Abbruch Brüstung

davon Anteil Erweiterungsmaßnahmen Aufstockung Dachgeschoss

davon Anteil Instandhaltung Ersatz Heizung Beleuchtung

davon Anteil energetische Verbesserung Mehraufwand für Luft-WasserWärmepumpe

davon Anteil Erweiterungsmaßnahmen Kühlung kontrollierte Lüftung mit Wärmerückgewinnung

750 000 €

600 000 €

500 000 €

150 000 €

50 000 €

750 000 € 4.36

136

Nichtwohngebäude

Einheit

Bestand (1971)

saniert

Erweiterung (DG)

Gesamt

m3 m2 m2 m2 m2 1/m

8500 2500 – 2500 2700 0,29

8500 2500 – 2500 2700 0,29

1000 350 – 250 320 0,25

9500 2850 – 2750 3020 0,28

W/m2K W/m2K W/m2K W/m2K W/m2K W/m2K W/m2K

0,6 1,0 0,6 – 2,70 1,0 0,10

0,20 0,20 – 0,17 0,6 1,0 0,03

0,20 0,20 – – 0,8 – 0,03

0,03

m2 %

790 11

790 15

190 50

980 30

%

80 0,25 schwer nicht möglich

40 0,25 leicht möglich (Anlage)

60 0,25 leicht möglich (Anlage)

Tageslicht tageslichtversorgter Bereich (in % der NGF) Tageslichtdurchgang Fenster

% %

70 80

70 40

100 70

75

Lüftung Luftvolumen zu belüftende Fläche Luftwechselzahl im Betrieb davon natürlich belüftbar

m3 m2 – %

7500 2500 1– 6 100

6700 2500 2 0

800 350 2 0

7500 2850 2 0

Aktivkonzept (Endenergie) Heizung Energieträger

–

Öl

Verteilung Endenergie

– kWh/a

Heizkörper 500 000

Luft-Wasser-Wärmepumpe Heizkörper 37 000 (Strom)

Luft-Wasser-Wärmepumpe Heizkörper 3000 (Strom)

Luft-Wasser-Wärmepumpe Heizkörper 33 000 (Strom)

Warmwasser Energieträger

–

Öl

Endenergie

kWh/a

k. A.

Luft-Wasser-Wärmepumpe k. A.

Luft-Wasser-Wärmepumpe k. A.

Luft-Wasser-Wärmepumpe k. A.

Kühlung Energieträger Verteilung Endenergie

– – kWh/a

ohne Kühlung – –

Strom Kühldecke/Wasser 19 000

Strom Kühldecke/Wasser 4500

Strom Kühldecke/Wasser 23 000

Lüftung System Endenergie

– kWh/a

natürliche Lüftung –

Lüftung mit WRG 27 000

Lüftung mit WRG 4000

Lüftung mit WRG 31 000

Beleuchtung System Anschlussleistung Endenergie

– W/m2 kWh/a

direkt 25 53 000

direkt/indirekt 10 31 000

direkt/indirekt 10 2000

direkt/indirekt 10 33 000

Bilanz energetischer Standard EnEV 2009 EEWärmeG KfW

– – –

– – –

Neubau – 15 % erfüllt –

Neubau – 15 % erfüllt –

Neubau – 15 % erfüllt –

Ökonomie Annuität (20 Jahre, 3,5 % Zins) mittlere Einsparung in 20 Jahren Amortisation

€/Jahr €/Jahr Jahre

Ökologie Primärenergie CO2

kWh/a t/a

35 000 9

331 000 82

Daten beheiztes Volumen (Ve) Hüllfläche Wohnfläche beheizte Nettogrundrissfläche (NGF) EnEV-Fläche (0,32 ≈ Ve) Kompaktheit (beheizte NGF/beheiztes Volumen) Passivkonzept Winter Dach Wand gegen Außenluft Wand gegen Erdreich Wand gegen unbeheizte Räume Fenster Boden gegen Keller, Erde, Luft Wärmebrücken (Einzelnachweis)

Sommer Fläche Fenster Fensterflächenanteil (bezogen auf die Fassadenfläche) g-Wert Fenster Fc-Sonnenschutz Speichermasse Nachtlüftung

48 000 46 000 20

688 000 189

296 000 78

4.36 Kostenaufstellung der Gesamtmaßnahme 4.37 sanierungsrelevante Projektdaten

4.37

137

Anhang

• • • • •

Autoren

Literatur (Auswahl)

Prof. Clemens Richarz 1954 geboren in Freiburg/Breisgau 1973 – 1980 Studium der Architektur an der Eidgenössischen Hochschule in Zürich 1980 – 1983 Tätigkeit als angestellter Architekt 1983 – 1988 wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Stuttgart am Institut für Baukonstruktion und Entwerfen bei Prof. Dr. h. c. Peter C. von Seidlein 1988 – 1990 Mitarbeit am Forschungsvorhaben »Industriebau der Zukunft« an der Universität Stuttgart am Institut für Entwerfen und Konstruieren bei Prof. Dr. h. c. mult. Kurt Ackermann seit 1993 Professur an der Hochschule München, Fakultät Architektur mit den Lehrgebieten Baukonstruktion und Klima Design seit 1983 freiberufliche Tätigkeit als Architekt, ab 1990 mit Christina Schulz

Allgemein Bundesarbeitskreis Altbauerneuerung e.V. (Hrsg.): Bauen im Bestand. Köln 2009 Daniels, Klaus: Low-Tech, Light-Tech, High-Tech. München/Basel 1998 Daniels, Klaus: Technologie des ökologischen Bauens. München/Basel 1995 Giebeler, Georg u.a.: Atlas Sanierung. München/Basel 2008 Glücklich, Detlef (Hrsg.): Ökologisches Bauen. München 2005 Gonzalo, Roberto; Habermann, Karl J.: Energieeffiziente Architektur. München/Basel 2006 Gore, Al: Eine unbequeme Wahrheit. München 2006 Hausladen, Gerhard u.a.: ClimaDesign. München 2005. Hegger, Manfred u.a.: Energie Atlas. München/Basel 2008 Meadows, Dennis; Meadows, Donella; Zahn, Erich: Die Grenzen des Wachstums. München 1972 Pehnt, Martin: Energieeffizienz. Heidelberg 2010 Schmidt-Bleek, Friedrich: Das MIPS Konzept – Weniger Naturverbrauch – mehr Lebensqualität durch Faktor 10. München 2000 Voss, Karsten u.a.: Bürogebäude mit Zukunft. Köln 2005 Ziegler, Jean: Der Kampf gegen Armut und Unterdrückung. München 2008

Zahlreiche Preise in Wettbewerben und für ausgeführte Bauten Mitglied Bayerische Architektenkammer seit 1983 Energieberater (BAFA) für Wohngebäude und Nichtwohngebäude, Sachverständiger ZV EnEV Autor und Mitautor zahlreicher Publikationen (Bücher, Fachzeitschriften) Konzeption und Durchführung von Weiterbildungsmaßnahmen bei der Bayerischen Architektenkammer und der Architektenkammer Baden-Württemberg Christina Schulz 1959 geboren in Bad Honnef 1978 – 1981 Studium der Betriebswirtschaft an der Berufsakademie Stuttgart 1981 – 1987 Studium der Architektur an der Universität Stuttgart 1987 – 1990 Tätigkeit als angestellte Architektin 1990 – 1995 wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Universität Stuttgart am Institut für Baukonstruktion und Entwerfen bei Prof. Dr. h. c. Peter C. von Seidlein seit 1990 freiberufliche Tätigkeit mit Clemens Richarz Zahlreiche Preise in Wettbewerben und für ausgeführte Bauten Mitglied Bayerische Architektenkammer seit 1990 Energieberaterin (BAFA) für Wohngebäude Autorin und Mitautorin zahlreicher Publikationen (Bücher, Fachzeitschriften). Redaktionelle Betreuung von Fachbüchern. Lehraufträge für Baukonstruktion an der Hochschule München

Grundlagen Energiebedarf Bockhorst, Michael: ABC Energie. Bonn 2002 Behaglichkeit Grandjean, Etienne: Wohnphysiologie – Grundlagen gesunden Wohnens. Zürich 1973 Meyer, Christoph; Oppermann, Jens; Wimmer, Andreas: Behaglichkeitsatlas – Bewertung der Anordnung von Heizflächen und Lüftungselementen hinsichtlich Raumklima und thermischer Behaglichkeit. Stuttgart 2004 Innenraumklima Arbeitsgemeinschaft ökologischer Forschungsinstitute (AGÖF): Innenraumschadstoffe, Fogging und Gerüche; Ergebnisse des 8. AGÖF-Fachkongresses am 19./20. September 2007 in Fürth Schulze-Darup, Burkhard (Hrsg.): Passivhaus-Projektbericht: Energie und Raumluftqualität. Fürth 2002 Außenklima Hupfer, Peter; Kuttler, Wilhelm (Hrsg.): Witterung und Klima. Wiesbaden 2006 Entwurfsparameter Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen; Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung (Hrsg.): Leitfaden Nachhaltiges Bauen. Berlin/Bonn 2001

138

Autoren Literatur und Links Normen und Richtlinien Abbildungsnachweis Register

Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (Hrsg.): Leitfaden Nachhaltiges Bauen. Berlin 2011 Ebert, Thilo; Eßig, Natalie; Hauser, Gerd: Zertifizierungssysteme für Gebäude. München 2010 König, Holger u.a.: Lebenszyklusanalyse in der Gebäudeplanung. München 2009 Ökonomie Keller, Siegbert: Baukostenplanung für Architekten. Wiesbaden 1995 Schulte, Karl-Werner: Immobilienökonomie. Band 1: Betriebswirtschaftliche Grundlagen, Band 2: Rechtliche Grundlagen, Band 3: Stadtplanerische Grundlagen, Band 4: Volkswirtschaftliche Grundlagen. München 2005 – 2008 Energetische Bilanzierung Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung: Leitfaden für Energiebedarfsausweise im Nichtwohnungsbau. Berlin 2007 Rainer, Dirk: Energieeinsparverordnung Schritt für Schritt. 5. Auflage. Neuwied 2010 Schoch, Torsten: EnEV 2009. 2. Auflage. Berlin 2009 Wichtermann, Karl-Heinz: Praxis der Gebäudeenergieberatung – EnEV 2009. Bad Nenndorf 2010 Bauliche Maßnahmen Allgemein Liersch, Klaus W.; Langner, Normen: Bauphysik kompakt. Berlin 2008 Richter, Ekkehard u.a.: Lehrbuch der Bauphysik: Schall – Wärme – Feuchte – Licht – Brand – Klima. Wiesbaden 2008 Willems, Wolfgang M.; Dinter, Simone; Schild, Kai: Vieweg Handbuch Bauphysik Teil 1: Wärme- und Feuchteschutz, Behaglichkeit, Lüftung. Wiesbaden 2006 Zürcher, Christoph; Frank, Thomas: Bauphysik – Bau und Energie, Band 2. Zürich 2004 Wärmesenken Hauser, Gerd; Stengel, Horst: Wärmebrückenatlas für den Mauerwerksbau. Wiesbaden 2002 Institut für Bauforschung e.V. Hannover (Hrsg.): U-Werte alter Bauteile. Stuttgart 2005 Pfundstein, Margit u.a.: Dämmstoffe. München 2007 Schittich, Christian (Hrsg.): Solares Bauen. München/ Basel 2003 Volland, Karlheinz; Volland, Johannes: Wärmeschutz und Energiebedarf nach EnEV 2009. Köln 2009 Wärmequellen Fraunhofer Solar Building Innovation Center (Hrsg.): Sonnenschutz. Stuttgart 2008

Anhang

Lüftung Fraunhofer-Institut für Bauphysik (Hrsg.): IBP Bericht WTB-0-2007: Weiterentwicklung und Evaluierung von Technologien und von Bewertungsmethoden zur Steigerung der Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden (Abschlussbericht EnEff06). Stuttgart 2008

DIN EN 14 500: 2008-08 Abschlüsse – Thermischer und visueller Komfort – Prüf- und Berechnungsverfahren DIN 14 501: 2006-02 Abschlüsse – Thermischer und visueller Komfort – Leistungsanforderungen und Klassifizierung

Tageslicht Köster, Helmut: Tageslichtdynamische Architektur. Grundlagen, Systeme, Projekte. München/Basel 2004

Innenraumklima DIN EN 15 251: 2007-08 Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden – Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik DIN ISO 16 000 Innenraumluftverunreinigungen In den Teilen 1 – 23 wird die Bestimmung von Innenraumluftverunreinigungen geregelt. Auswahl: Teil 8: 2008-12 Bestimmung des lokalen Alters der Luft in Gebäuden zur Charakterisierung der Lüftungsbedingungen Teil 16: 2009-12 Nachweis und Zählung von Schimmelpilzen – Probenahme durch Filtration

Anlagentechnik Allgemein Daniels, Klaus: Gebäudetechnik. Ein Leitfaden für Architekten und Ingenieure. München 1992 Daniels, Klaus; Hamman, Ralph: Energy Design for Tomorrow. Fellbach 2009 Hayner, Michael; Ruoff, Jo; Thiel, Dieter: Faustformel Gebäudetechnik für Architekten. Stuttgart 2010 Lenz, Bernhard; Schreiber, Jürgen; Stark, Thomas: Nachhaltige Gebäudetechnik. München 2010 Pistohl, Wolfram: Handbuch der Gebäudetechnik. Band 1 – Sanitär/Elektro/Förderanlagen. Neuwied 2009 Band 2 – Heizung/Lüftung/Beleuchtung/Energiesparen. Neuwied 2009 Quaschning, Volker: Erneuerbare Energien. München 2008 Quaschning, Volker: Regenerative Energiesysteme. Technologie – Berechnung – Simulation. München 2007 Recknagel, Hermann; Sprenger, Eberhard; Schramek, Ernst-Rudolf: Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik 11/12. München 2010 Reiß, Johann u.a.: Solare Fassadensysteme. Energetische Effizienz – Kosten – Wirtschaftlichkeit. Stuttgart 2005. Heizung, Warmwasser Haller, Andreas; Humm, Othmar; Voss, Karsten: Renovieren mit der Sonne. Staufen 2000 Lüftung Horstkotte, Klaus; Fritzsche, Nico: Taschenbuch für Lüftungsmonteure und -meister. Heidelberg 2011 Richter, Wolfgang u.a.; IRB – Fraunhofer Institut für Bauphysik (Hrsg.): Bewertung von dezentralen raumweisen Lüftungsgeräten für Wohngebäude sowie Bestimmung von Aufwandszahlen für die Wärmeübergabe im Raum infolge Sanierungsmaßnahmen. Stuttgart 2004 Trogisch, Achim: Planungshilfen für Lüftungstechnik. Heidelberg 2009 Kühlung Ranft, Fred; Frohn, Bernhard: Natürliche Klimatisierung. München /Basel 2004 Kunstlicht Brandi, Ulrike u.a.: Tageslicht – Kunstlicht. München 2005 Ganslandt, Rüdiger; Hofmann, Harald: Handbuch der Lichtplanung. Wiesbaden 1992 Photovoltaik Weller, Bernhard u.a.: Photovoltaik. München 2009

Normen und Richtlinien Grundlagen Behaglichkeit DIN EN 15 251: 2007-08 Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden, Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik DIN EN ISO 7730: 2006-05 Ergonomie der thermischen Umgebung. Analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und PPD-Indexes und von Kriterien der lokalen thermischen Behaglichkeit

Entwurfsparameter, Kompaktheit VDI 2050, Blatt 1: 2006-12 Anforderungen an Technikzentralen – Technische Grundlagen für Planung und Ausführung Angemessenheit DIN EN 15 643 Nachhaltigkeit von Bauwerken – Bewertung der Nachhaltigkeit von Gebäuden Teil 1: 2010-12 Allgemeine Rahmenbedingungen Teil 2: 2011-05 Rahmenbedingungen für die Bewertung der umweltbezogenen Qualität Teil 3: 2010-04 Rahmenbedingungen für die Bewertung der sozialen Qualität Teil 4: 2010-04 Rahmenbedingungen für die Bewertung der ökonomischen Qualität DIN EN 15 942: 2009-05 Nachhaltigkeit von Bauwerken – Umweltproduktdeklarationen – Kommunikationsformate zwischen Unternehmen Ökonomie DIN 276 Kosten im Bauwesen Teil 1: 2008-12 Hochbau DIN 18 960: 2008-02 Nutzungskosten im Hochbau VDI 2067, Blatt 1-22 Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen Energetische Bilanzierung DIN V 18 599: 2007-02 Energetische Bewertung von Gebäuden – Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwasser und Beleuchtung Teil 1: Allgemeine Bilanzierungsverfahren, Begriffe, Zonierung und Bewertung der Energieträger Teil 2: Nutzenergiebedarf für Heizen und Kühlen von Gebäudezonen Teil 3: Nutzenergiebedarf für die energetische Luftaufbereitung Teil 4: Nutz- und Endenergiebedarf für Beleuchtung Teil 5: Endenergiebedarf von Heizsystemen Teil 6: Endenergiebedarf von Wohnungslüftungsund Luftheizungsanlagen für den Wohnungsbau Teil 7: Endenergiebedarf von Raumlufttechnik- und Klimakältesystemen für den Nichtwohnungsbau Teil 8: Nutz- und Endenergiebedarf von Warmwasserbereitungsanlagen Teil 9: End- und Primärenergiebedarf von KraftWärme-Kopplungsanlagen Teil 10: Nutzungsrandbedingungen, Klimadaten Energieeinsparverordnung (Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden) Bekanntmachungen des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung vom 30. Juli 2009 – Regeln für Energieverbrauchskennwerte im Wohngebäudebestand – Regeln für Energieverbrauchskennwerte im Nichtwohngebäudebestand – Regeln zur Datenaufnahme und Datenverwendung im Wohngebäudebestand – Regeln zur Datenaufnahme und Datenverwendung im Nichtwohngebäudebestand Gesetz zur Förderung Erneuerbarer Energien im Wärmebereich 2011 (EEWärmeG)

Bauliche Maßnahmen Wärmesenken DIN 4108 Wärmeschutz und Energieeinsparung in Gebäuden Teil 2: 2003-07 Mindestanforderungen an den Wärmeschutz Teil 3: 2001-07/Berichtigung: 2002-04 Klimabedingter Feuchteschutz, Anforderungen, Berechnungsverfahren und Hinweise für Planung und Ausführung Teil 4: 2007-06 Wärme- und feuchtetechnische Bemessungswerte Teil 6: 2003-06 Berechnung des Jahres-Heizwärme- und des Jahresenergiebedarfes Teil 7: 2001-08 Luftdichtheit von Gebäuden, Anforderungen, Planungs- und Ausführungsempfehlungen Beiblatt 2: 2006-03 Wärmebrücken – Planungsund Ausführungsbeispiele DIN EN ISO 6946: 2008-04 Bauteile – Wärmedurchlasswiderstand und Wärmedurchgangskoeffizient – Berechnungsverfahren DIN EN ISO 10 077 Wärmetechnisches Verhalten von Fenstern, Türen und Anschlüssen Teil 1: 2010-05 Allgemeines Teil 2: 2009-07 Numerisches Verfahren für Rahmen DIN EN ISO 10 211: 2008-04 Wärmebrücken im Hochbau – detaillierte Berechnung DIN EN ISO 13 370: 2008-04 Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – Wärmeübertragung an das Erdreich DIN EN ISO 13 789: 2008-04 Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – Spezifischer Transmissionsund Lüftungswärmedurchgangskoeffizient – Berechnungsverfahren Wärmequellen DIN 4108 Teil 2: 2003-07 Mindestanforderungen an den Wärmeschutz DIN EN 410: 1998-12 Glas im Bauwesen – Bestimmung der lichttechnischen und strahlungsphysikalischen Kenngrößen von Verglasungen DIN EN 12 207: 2000-06 Fenster und Türen – Luftdurchlässigkeit – Klassifizierung; DIN EN 14 351 Teil 1: 2009-05 Fenster und Türen – Produktnorm, Leistungseigenschaften – Fenster und Außentüren ohne Eigenschaften bezüglich Feuerschutz und/oder Rauchdichtheit Lüftung DIN EN 13 829: 2001-02 Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – Bestimmung der Luftdurchlässigkeit von Gebäuden – Differenzdruckverfahren Tageslicht DIN 5034 Tageslicht in Innenräumen Teil 1: 2011-07 Allgemeine Anforderungen Teil 2: 1985-02 Grundlagen Teil 3: 2007-02 Berechnung Teil 4: 1994-09 Vereinfachte Bestimmung von Mindestgrößen für Wohnräume Teil 5: 2010-11 Messung Teil 6: 2007-02 Vereinfachte Bestimmung zweckmäßiger Abmessungen von Oberlichtöffnungen in Dachflächen DIN 5036 Teile 1– 4: Strahlungspysikalische und lichttechnische Eigenschaften von Materialien DIN 5039: 1995-09 Licht, Lampen, Leuchten – Begriffe, Einteilung VDI 6011, Blatt 1: 2002-08 Optimierung von Tageslichtnutzung und künstlicher Beleuchtung – Grundlagen Anlagentechnische Maßnahmen Allgemein DIN EN 15 232: 2007-11 Energieeffizienz von Gebäuden – Einfluss von Gebäudeautomation und Gebäudemanagement Heizung, Warmwasser DIN V 4701 Energetische Bewertung heiz- und raumlufttechnischer Anlagen im Bestand Teil 12: 2004-02 Wärmeerzeuger und Trinkwassererwärmung

139

Anhang

DIN EN 832: 2003-06 Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden, Berechnung des Heizenergiebedarfs, Wohngebäude DIN EN 12 831: 2003-08 Heizungsanlagen in Gebäuden, Verfahren zur Berechnung der Normheizlast Beiblatt 1: Nationaler Anhang DIN EN 12 975 Thermische Solaranlagen und ihre Bauteile – Kollektoren Teil 1: 2011-08 Allgemeine Anforderungen DIN EN 15 377 Teil 1– 3 Heizsysteme in Gebäuden, Planung von eingebetteten Flächenheiz- und Kühlsystemen mit Wasser als Arbeitsmedium VDI 4650, Blatt 1: 2009-03 Berechnung von Wärmepumpen: Kurzverfahren zur Berechnung der Jahresaufwandszahlen von Wärmepumpenanlagen – Elektrowärmepumpen zur Raumheizung und Warmwasserbereitung Blatt 2: 2010-11 Kurzverfahren zur Berechnung der Jahresheizzahl und des Jahresnutzungsgrades von Sorptionswärmepumpenanlagen – Gaswärmepumpen zur Raumheizung und Warmwasserbereitung – Elektrowärmepumpen zur Raumheizung und Warmwasserbereitung VDI 6012 Dezentrale Energiesysteme im Gebäude Blatt 1: 2010-09 Grundlagen und Energiespeicher Blatt 3: Brennstoffzellen Kühlung VDI 2078: 1996-07 Berechnung der Kühllast klimatisierter Räume VDI 2078, Blatt 1: 2003-02 Berechnung der Kühllast klimatisierter Räume bei Raumkühlung über gekühlte Raumumschließungsflächen Lüftung DIN EN 12 792: 2004-05 Lüftung von Gebäuden – Symbole, Terminologie und graphische Symbole DIN EN 13 779: 2007-09 Lüftung von Nichtwohngebäuden, Allgemeine Grundlagen und Anforderungen für Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme DIN 1946-6:2009-05 Raumlufttechnik Teil 6: Lüftung von Wohnungen – Allgemeine Anforderungen, Anforderungen zur Bemessung, Ausführung und Kennzeichnung, Übergabe/Übernahme (Abnahme) und Instandhaltung VDI 2071: 1997-12 Wärmerückgewinnung in Raumlufttechnischen Anlagen VDI 3803: 2010-02, Blatt 1: 2010-02 Zentrale Raumlufttechnische Anlagen. Bauliche und technische Anforderungen (VDI-Lüftungsregeln) VDI 3804: 2009-03 Raumlufttechnik – Bürogebäude (VDI-Lüftungsregeln) VDI 4706: 2011-04 Kriterien für Raumklima (VDI-Lüftungsregeln) VDI 6035: 2009-09 Raumlufttechnik – Dezentrale Lüftungsgeräte – Fassadenlüftungsgeräte (VDI-Lüftungsregeln) VDI 6040, Blatt 1: 2010-05 (Entwurf) Raumlufttechnik, Schulen, Anforderungen Kunstlicht DIN 5035 Beleuchtung mit künstlichem Licht Teil 6: 2006-11 Messung und Bewertung DIN 6169 Farbwiedergabe Teil 1: 1976-01 Allgemeine Begriffe Teil 2: 1976-02 Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen in der Beleuchtungstechnik DIN EN 12 464 Licht und Beleuchtung – Beleuchtung von Arbeitsstätten Teil 1: 2011-08 Arbeitsstätten in Innenräumen Teil 2: 2007-10 Arbeitsplätze im Freien DIN EN 12 665: 2009-08 Licht und Beleuchtung – Grundlegende Begriffe und Kriterien für die Festlegung von Anforderungen an die Beleuchtung

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Photovoltaik DIN EN 50 461: 2007-03 Solarzellen – Datenblattangaben und Angaben zum Produkt für kristalline Silizium-Solarzellen DIN EN 60 904 Photovoltaische Einrichtungen DIN EN 61 646: 2009-03 Terrestrische DünnschichtPhotovoltaik (PV) Module – Bauarteignung und Bauartzulassung DIN VDE 0126-21: 2007-07 (E) Photovoltaik im Bauwesen

Links (Auswahl) Übergeordnete Informationen www.bmvbs.de Internetseite des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung mit aktuellen Informationen zu Neuerungen im Bereich der Gesetzgebung und Verordnungen. www.energie-info.de Wissensdatenbank zum Thema Energie mit hervorragendem Glossar www.thema-energie.de Datenbank der dena mit gegliederten Themen www.bine.info Berichte über bauliche und anlagentechnische Maßnahmen mit innovativem Charakter (Forschungen, Evaluationen etc.) www.ea-nrw.de Homepage der Energieagentur Nordrhein-Westfalen mit vielen Informationen zum Thema Energie www.umweltbundesamt.de Website des Umweltbundesamts www.enbausa.de Nachrichtenportal zum Thema Energieeffizientes Bauen und Sanieren Informationen zum Thema Umwelt www.greenpeace.de und www.footprint.at Ganzheitliche Betrachtung von Umweltthemen, Ökologischer Fußabdruck www.zae-bayern.de Informationen über neue Forschungen auf dem Gebiet des ressourcenoptimierten Bauens www.enob.de Forschungsportal für energieoptimiertes Bauen mit zahlreichen Projektbeispielen www.wuppertal-institut.de Grundsätzliche Informationen zum Energie- und Ressourcenverbrauch. Ökologischer Rucksack von (Bau)Stoffen. www.klimabuendnis.org Informationen zur Klimaveränderung www.weltbevoelkerung.de Statistiken zur Bevölkerungsentwicklung www.gemis.de Ermittlung und Bewertung des Schadstoffausstoßes, der beim Ressourcenverbrauch entsteht www.energiekrise.de Tabellen und Grafiken zur Endlichkeit der Ressourcen www.deutschebp.de Grundlagenmaterial zum globalen Energieverbrauch www.energie-info.de Informationen rund um das Thema Energie; gute Stichwortsuche im Glossar www.atmosfair.de Verrechnung der Umweltschäden von Flugreisen durch Unterstützung ökologischer Projekte www.klima-sucht-schutz.de Ratgeber zu Energieeinsparung und Klimaschutz mit vielen konkreten Beispielen und Anregungen www.architektur.tu-darmstadt.de/powerhouse Seite des Fachgebiets Entwerfen und Energieeffizientes Bauen der TU Darmstadt mit Begriffserklärungen (ca. 800 lexikalische Einträge) und Projektdokumentationen

Grundlagen Energiebedarf www.ise.fhg.de Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme www.solarserver.de Internetportal zu Sonnenenergie, Solarthermie, Photovoltaik und solarem Bauen www.eurosolar.de Europäische Vereinigung für Erneuerbare Energien www.erneuerbareenergien.de Website des gleichnamigen Magazins für Erneuerbare Energien www.bsw-solar.de Bundesverband Solarwirtschaft www.unendlich-viel-energie.de Agentur für Erneuerbare Energien www.zsw-bw.de Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg www.erneuerbare-energien.de Informationsportal des Bundesumweltministeriums zu Erneuerbaren Energien www.sonnewindwaerme.de Informationsportal der gleichnamigen Zeitschrift für Erneuerbare Energien Behaglichkeit www.ibp.fraunhofer.de Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP) Innenraumklima www.anbus.de Informationen zur Analyse und Bewertung von Umweltschadstoffen www.lfu.bayern.de Website des Bayerischen Landesamts für Umwelt (LfU) mit Daten und Informationen zu Klimawandel, Luftreinhaltung, Umweltmanagement etc. Außenklima www.klimadiagramme.de Informationen zum Klima www.dwd.de Link zur Homepage des deutschen Wetterdienstes www.volker-quaschning.de Sonnenstandsdiagramme, Klimadaten, Informationen zu Erneuerbaren Energien und Klimaschutz Entwurfsparameter www.enob.info Informationen über das Förderkonzept »Energieoptimiertes Bauen« (EnOB) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie www.eneff-schule.de Informationen zum Forschungsvorhaben »Energieeffiziente Schule« (EnEff:Schule), einem EnOB-Begleitprojekt Angemessenheit www.dgnb.de Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen – verleiht das DGNB-Zertifikat www.usgbc.org Nachhaltigkeitsstandard LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) aus den USA, der den Begriff Nachhaltigkeit umfassend definiert www.intep.de Von Prof. Peter Steiger gegründetes Ingenieurbüro, das sich auf die Erfassung und Bewertung von Stoffkreisläufen und bauökologische Fragestellungen spezialisiert hat www.nachhaltigesbauen.de Informationsportal Nachhaltiges Bauen des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, mit Leitfäden (u. a. »Leitfaden Nachhaltiges Bauen«) und Baustoffdatenbanken (u. a. Ökobau. dat, WECOBIS, Nutzungsdauern von Baustoffen)

Anhang

Abbildungsnachweis Ökonomie www.destatis.de Informationsportal des Statistischen Bundesamts Deutschland Energetische Bilanzierung www.enev-online.de Aktuelle Informationen rund um die Energieeinsparverordnung und verwandte Themen (Wärmegesetz, europäische Gebäuderichtlinie) Bauliche Maßnahmen Wärmesenken www.ift-rosenheim.de Informationen über Fenster www.ivh.de Informationen über Hartschaumplatten www.vip-bau.de Informationen über Vakuumdämmstoffe www.fvhf.de Informationen über vorgehängte hinterlüftete Fassaden Wärmequellen www.baunetzwissen.de Online-Fachlexikon unter anderem zu den Themen Sonnenschutz, Fenster und Fassade www.sonnenschutz.com Informationen über Sonnenschutzanlagen Lüftung www.wohnungslueftung-ev.de Umfassende aktuelle Informationen zum Thema Lüftung, Excel-Tools zur DIN 1946-6 www.komfortlueftung.at Informationen zum Thema Lüftung und Energieeffizienz Tageslicht www.fvlr.de Fachverband Tageslicht und Rauchschutz www.thedaylightsite.com Literatur und Forschungsergebnisse zum Thema Tageslicht (englischsprachig) www.baunetz.de/infoline/licht Informationen zu Kunst- und Tageslicht Anlagentechnik Heizung und Kühlung www.bhks.de Bundesverband Heizungs-, Klima- und Sanitärtechnik www.waermepumpe.de Informationen über Wärmepumpen www.solarwaerme.at Firmenunabhängige Informationen zu Solarwärmeanlagen Lüftung siehe Bauliche Maßnahmen, Lüftung Kunstlicht www.licht.de Fördergemeinschaft gutes Licht www.baunetz.de/infoline/licht Informationen zu Kunst- und Tageslicht Photovoltaik www.solarwirtschaft.de Bundesverband Solarwirtschaft www.erneuerbare-energien.de Informationsportal des Bundesumweltministeriums zu Erneuerbaren Energien http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/ Geoinformationssystem zur Simulation von Photovoltaik-Anlagen www.ise.fraunhofer.de Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE)

Allen, die durch Überlassung ihrer Bildvorlagen, durch Erteilung von Reproduktionserlaubnis und durch Auskünfte am Zustandekommen des Buchs mitgewirkt haben, sagen die Autoren und der Verlag aufrichtigen Dank. Sämtliche Zeichnungen in diesem Werk sind eigens angefertigt. Fotos, zu denen kein Fotograf genannt ist, sind Architektenaufnahmen, Werkfotos oder stammen aus dem Archiv der Zeitschrift DETAIL. Trotz intensiven Bemühens konnten wir einige Urheber der Abbildungen nicht ermitteln, die Urheberrechte sind jedoch gewahrt. Wir bitten in diesen Fällen um entsprechende Nachricht. Die Zahlen beziehen sich auf die Abbildungsnummern. Grundlagen 1.1 Deutsche Stiftung Weltbevölkerung: DSWDatenreport 2009, Hannover 1.2 www.globalwarmingart.com 1.4 nach Jacobson, Mark Z.; DeLucchi, Mark A.: »Emissionsfreie Welt bis 2030« In: Spektrum der Wissenschaft 12/2009, S. 82f. 1.5 Internationales Wirtschaftsforum Regenerative Energien (IWR), Münster 1.6 Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR), Hannnover 1.8 BP Review, www.bp.com 1.9 Institut für Wohnen und Umwelt, Darmstadt 1.11 DIN 4108-2: 2003-07 1.12 – 1.16 DIN EN ISO 7730 1.17 Institut für Angewandte Umweltforschung e. V., Oberursel 1.18 Umweltbundesamt und Arbeitsgemeinschaft der Obersten Landesgesundheitsbehörden (AOLG) 1.19 Umweltbundesamt (InnenraumlufthygieneKommission/IRK), Dessau-Roßlau 1.20 Weltgesundheitsorganisation (WHO), Genf 1.21, 1.22 http://koeppen-geiger.vu-wien.ac.at/ 1.23 nach Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR), Köln 1.24 Klimadaten nach: www.wetteronline.de, www.klimadiagramme.de, http://re.jrc.ec. europa.eu/pvgis und www.geo-reisecommunity.de 1.25 DIN 18 599: 2007-02 1.26 Christian Kandzia, Esslingen 1.27 DIN V 18 599-10, Tabelle A 4 1.29 a Frank Kaltenbach, München 1.29 b Bruchhaus/Lachenmann, München 1.30 Jean-Luc Valentin, Frankfurt am Main 1.33 Richarz und Strunz, München 1.34 Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen e.V. – DGNB (Hrsg.): Das Deutsche Gütesiegel Nachhaltiges Bauen. Stuttgart 2009, S. 11 1.35, 1.36 Baukosteninformationszentrum Deutscher Architektenkammern GmbH (BKI), Stuttgart 1.38 Freelunch.com/Moody`s 1.39 Bundesministerium für Verkehr, Bau und Wohnungswesen: Leitfaden Nachhaltiges Bauen. Berlin 1/2001 1.40 Datengrundlage auf: Statistisches Bundesamt, Fachserie 17 Reihe 7, Verbraucherpreisindizes für Deutschland. Wiesbaden 1.41 DIN 18 960 1.42 DIN 276-1 Bauliche Maßnahmen 2.1 DIN 4108-2: 2003-07, Tabelle 3 2.2 Oberacker, Reiner: Die Nebel lichten sich, In: Glaswelt 3/2004, S. 28ff. 2.3 DIN EN ISO 6946 2.4 DIN 4108-2: 2003-07 2.5 DIN 4108-2: 2003-07 und DIN EN ISO 6946 2.6 DIN 4108-2: 2003-07, Tabelle 4 2.8 DIN 4108 Beiblatt 2: 2006-03 (Auswahl) 2.9 nach DIN V 18 599-2: 2007-02 2.11 Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena), Berlin 2.33 DIN 4108-2 2.34 DIN 4108-2: 2003-07 2.35 Glas Trösch Beratungs-GmbH, Ulm-Donautal

2.36 2.37 c 2.38 2.39 2.40

DIN 4108–2, Tabelle 7 Heinrich Helfenstein, Zürich DIN 4108-2, Tabelle 8 DIN 4108-2, Tabelle 9 Zürcher, Christoph; Frank, Thomas: Bauphysik. Zürich 2004 2.44 DIN 1946-6, Tabelle 10 2.45 DIN 1946-6 2.46 b Fritz Haller Bauen und Forschen GmbH, Solothurn 2.46 c Reynaers AG, Frauenfeld 2.47 DIN V 18 599-10:2007-02, Tabelle 4 2.48 Arbeitsstätten-Richtlinie (ASR) 5 2.49 – 2.52 Brandi, Ulrike: Tageslicht – Kunstlicht. München 2005, S. 42ff. 2.53 DIN 5034-1:1999-10, Anhang A 2.54 DIN V 18 599-10: 2007-02, Tabelle 4 2.55 VELUX Deutschland GmbH, Hamburg 2.56 wie 2.49, S. 43 2.61 wie 2.49. S. 25 2.62 DIN V 18 599-4, Tabelle 6 2.63 DIN V 18 599-4, Tabelle 9 (Auszug) 2.64 c Markus Weidlich, Weiden Anlagentechnik 3.1 DIN 18 012 3.2 VDI 2050, Blatt 1 3.3 VDI 3803 3.8 Pistohl, Wolfram: Handbuch der Gebäudetechnik. Band 2 – Heizung/Lüftung/Beleuchtung/Energiesparen. Neuwied 2009 3.9 Quaschning, Volker: Erneuerbare Energien und Klimaschutz. München 2008 3.12 nach EnEV Anlage 5, Tabelle 1 3.14, 3.15 Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung: Bekanntmachung der Regeln zur Datenaufnahme und Datenverwendung im Wohngebäudebestand. Berlin, 30. Juli 2009 3.17 Pistohl, Wolfram: Handbuch der Gebäudetechnik, Band 1. München 2009 3.21 SikoSolar Vertriebs GmbH, Jenbach (A) 3.22 Viessmann Werke GmbH, Allendorf (Eder) 3.27 www.thema-energie.de / Deutsche EnergieAgentur GmbH (dena), Berlin 3.31 DIN V 18 599-7, Tabelle 20 und 22 3.32 Lenz, Bernhard; Schreiber, Jürgen; Stark, Thomas: Nachhaltige Gebäudetechnik. München 2010, S. 99 3.40 nach Wolf GmbH, Mainburg 3.43 DIN V 18 599-7 3.44 DIN V 18 599-3 (Auswahl) 3.46 a, b wie 3.32, S. 97 3.46 c Kiefer Luft- und Klimatechnik, Stuttgart 3.50 a Nimbus Design GmbH, Stuttgart 3.50 b Jürgen Landes 3.50 c Behnisch Architekten 3.50 d Roland Halbe, Stuttgart 3.51 Osram GmbH, München 3.52 DIN V 18 599-4 3.54 – 3.58 Weller, Bernhard u. a.: Photovoltaik. München 2009, S. 11, 14, 22, 30f., 50 3.59 Bruno Klomfar, Wien 3.60 wie 3.54, S. 30 Projektanalyse 4.1, 4.2, 4.8, 4.12, 4.13 Richarz und Schulz, München 4.21 Max Dudler Architekten, Zürich 4.25, 4.30, 4.34, 4.35 Wehrli Müller Fotografen, Regensdorf

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Anhang

Sachregister 3-Wege-Mischer

88

Abfallschlüsselnummer 19 Abgasverluste 96 Abluftventilator 107 Abminderungsfaktoren 71, 74 Abschreibung 31f. Absorptionskältemaschine 100, 104 Absorptionstechnik 93, 100 Abwärme 35, 89, 91, 111, 118 Abwasser 86, 98 Acrylplatten 81 adiabate Luftkühlung 100, 107 Adsorptionskältemaschine 110 Aggregatzustand 94 Air Mass (AM) 118 Ammoniak 100 Amortisation 31f., 128, 136 Anbindeleitung 93 Anlagenverlust 11, 96 Annuität 31 Anschlusswert 117 Arbeitsschutzbestimmungen 72 Arbeitsstättenverordnung 78 Asbest 18 Atomkraftwerk 8 Atrium 85 Attika 56 Aufsparrendämmung 48, 52 Aufstockung 122 Aufzug 136 Ausbau von Dachgeschossen 122 auskragende Decken 39 Auslegungs-Differenzdruck 76 Ausnutzung (GFZ/GRZ) 122 Ausnutzungsgrad 44 Außendämmung Außenwand 48 Außenluft 20 Außentemperaturfühler 88 Austreiber 100 Balkonplatten 66 Barrierefreiheit 67, 128, 136 Baukosten 31 Baunutzungskosten 32 Baustoffdatenbank 27 Bauteilaktivierung 101, 103 Bauunterhalt 136 Becquerel 118 Befeuchter 107 Befeuchtungsprozess 112 Behaglichkeit 14, 16, 136 Beleuchtung 34, 80, 114, 134 Beleuchtungsanlage 82, 114, 134 Beleuchtungsleistung 134 Beleuchtungsstärke 114 Bestandsaufnahme 47 Betriebskosten 33 Betriebsmittel 91 Betriebswirkungsgrad 114 Bevölkerungswachstum 8 Bilanzierung der Wärmeströme nach DIN V 18 599 43 Bilanzierung des Stromverbrauchs nach DIN V 18 599 114 Biomasse 12, 34, 89, 91 Blendschutz 81 Blendung 82 Blockheizkraftwerk 35, 91 Blower-Door-Test 76, 127 Brandschutz WDVS 59 Brauchwasserspeicher 86, 95 Brennstoffzelle 91 Brennwertkessel 89 Brüstungshöhe 85 Clothing-Faktor 15 8, 13, 117, 128, 136 CO2-Ausstoß CO2-Gehalt 76 Dachabdichtung 56

142

Dachbegrünung 57 Dachsanierung 124 Dämmplatten, druckfest 52, 132 Dämmschüttungen 50 Dämmstoffe 49 Dämmung oberste Geschossdecke 48 Dämmziegel 48 Dampfbremse 50ff., 54 Dampfsperre 48, 50f., 62 Dauerlüftung 76 Deutsche Energie-Agentur 47 Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen e.V. 27 dezentraler Wärmetausch 111 Dickputzsysteme 59 DIN 5034 80 Doppelboden 135 Doppelfassade 74 Drallauslässe 108 Druckerhöhung 110 Dünnschichtsolarzellen 118 Durchlauferhitzer 98 Einfachverglasung 62 Einkanalanlage 108 Einsparung 128, 136 Einstrahlwinkel 20 elektrische Anschlussleistung 115f. elektrische Speicherheizsysteme 96 Elektrizität 118 Elektroheizung 90 Elektroinstallation 34 Elektrolyse 91 elektronisches Vorschaltgerät (EVG) 114 Elektrospeicherheizung 90 Elektrozentrale 86 Endenergie 117 Endenergiebedarf 13 energetische Amortisationszeit 28 energetische Begriffe 11 Energieausweis 25 Energiedurchgang 69 Energieeinspargesetz 34 Energieeinsparung 34,128 Energieeinsparverordnung (EnEV) 25, 34, 36f. Energiepreis 31 Entfeuchtung 111 Entklimatisierung 23, 113 Entnahmebrunnen 101 Erdabsorber 100 Erdkanal 73, 106, 111 Erdsonden 95, 100 Erdwärmepumpe 91 Erhitzer 107 Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) 121 Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) 34 Erntefaktor 28, 121 Ersatzmaßnahmen 34 Erweiterung 122 Erzeugeraufwandszahl 96 Erzeugungsverluste 135 Europäische Richtlinien 34 Expansionsventil 100 Fachverband Tageslicht und Rauchschutz e.V. 82 Feinstaub 18, 92, 130 Fenster 38, 58, 60, 124 Fensteranschluss 60 Fensterfalzlüfter 79 Fensterflächenanteil 23, 68 Fensterladen 60 Fensterrahmen 60 Fernwärme 35, 86, 88, 100 feuchteaktive Dämmsysteme 48 Feuchteschäden 40 Feuchteschutzlüftung 77 Feuchtigkeitsabfuhr 106 Feuchtigkeitsrückgewinnung 106 Feuerstätten 86 Flachdach 56

Flächenheizung Flachkanal Flachkollektor Flexibilität Fließgeräusch flüssige Biomasse Förderung Formaldehyd Free Cooling Frischluftbedarf Frischluftmenge Frischluftzufuhr Frischwassermodul Frischwasserstation Fußbodenaufbau Fußbodenheizung Fußbodenkühlung Gas Gasbrennwertkessel Gasetagenheizung gasförmige Biomasse Gasnetz Gebäudebestand gebäudeintegrierte Photovoltaik geneigtes Dach Geothermie Gesamtenergiedurchlassgrad Gesamtkosten Gesamtlichtbedarf Glasauswahl Glaskennwert Glasqualität globale Zielsetzungen globaler Emissionshandel globales Energiesystem Globalstrahlung (horizontal) Großraumbüro Gründachaufbau Grundwasser Grundwasser-Wärmepumpen Hausanschlussraum Hausstaub Heizanlage Heizkörper Heizkurve Heizleistung Heizmonat Heizperiode Heizraum Heiztage Heizwärmebedarf Heliostaten Helligkeit Herstellungsenergie Hilfsenergie hinterlüftete Vorsatzschale Holz Holzbalkendecke Holzschutzmittel Hüllfläche hx-Diagramm hydraulischer Abgleich indirekte Beleuchtung Induktionsgeräte Infiltration Infiltrationsluftwechsel Innendämmung Innenraumklima innere Wärmelast Installationsebene installierte elektrische Leistung Instandhaltung Instandhaltungskosten intelligente Stromnetze Intensivlüftung interne Wärmequelle Investitionskosten

16, 88, 95 110 93 75, 109 96 34 121, 128 17 135 44 103, 106 76 91, 99 98 64 64, 91 103 34 127 98 34 86 47 121 48, 50, 52, 54, 124 95 68, 72 30 85 60 69 85 8 9 10 119 25 57 101 91 86 18 134 95 88 135 45 44 86 45 44ff. 81 80 27 120 48 12, 34 54 17 24 14, 108, 111 96 115 105, 108 76 76 48, 62 68 72 51 116f. 128 30 9 77 24 30, 128, 136

Anhang

Isotherme 19 Jahresarbeitszahl 91 Jalousien 81 Kälteabgabe 102 Kälteerzeuger 100 Kältemaschine 86, 100 Kältemittel 100 Kältetransport 102 Kälteverteilung 100 Kältezentrale 86 Kaltluftsee 104 Kaltstart 96 Kaltwassernetz 86 Kalziumsilikatplatten 62, 66 Kamin 90 Kanalnetz 110 Kanalquerschnitt 110 Kapitalkosten 32 Kappungsgrenze 121 Kastenfenster 132 Kellerabdichtungen 39 Kelleraußenwand 125 Kellerdeckendämmung 49, 64, 125 Klebearmierung 132 Klimabeschreibung 20 Klimaregion 20 Klimatypen 20 Klimazonen 11, 20 Komfortklassen 15f. Kompaktheit 11, 24, 26 Kompressionskältemaschine 100, 135 Kondensator 100 konditionierte Fläche 24 konstanter Volumenstrom 108 Konstanttemperaturkessel 88 kontrollierte Raumlüftung 62, 106 konventionelles Vorschaltgerät (KVG) 114, 134 Kostengliederung nach DIN 276 30 kristalline Siliziumzellen 118 kritischer Raum 70 Kühlbedarf 44 Kühldecke 103 Kühler 107 Kühllastberechnung 73 Kühllasten 100, 113, 134 Kühlleistung 102 Kühlschrank 90 Kühlsegel 103 Kühlung 34, 72, 134 kumulierter Energieaufwand 12 Kunstlicht 85 Kurzzeitspeicher 94 Laibung 58, 60, 66 Lampen 114f. Längen- und Breitengrad 20 Langzeitspeicher 91, 94f. Latentwärmespeicher 23, 75, 94 Lebensdauer 30, 31, 99 LED (Light-Emitting Diode) 117, 135 Legionellenbefall 97 leichtflüchtige, kohlenstoffhaltige Gase 17 Leistungszahl COP 90, 91 Leuchtdichtekontraste 81f., 114 Leuchte 114 Leuchtmittel 114 Leuchtstoffröhre 134 Lichtdurchlässigkeit 69 Lichthof 85 Lichtlenkung 85 Lichtmenge 80 Lichtsteuerung 81 lichtstreuende Gläser 82 Lichtstrom 114 Lichttransmissionsgrad 80, 84 Lichtversorgung 80 Lightshelf 81 Lösungsmittel 17

Luftanalyse 19 Luftaufbereitung 86 Luftbehandlung 110 Luftdichtheit 39, 54, 60, 67, 127 Lufterwärmung 111 Luftgeschwindigkeit 15 Luftheizung 96 Luftkollektor 93 Luftkühlung 103, 111 Luftmenge 96 Luftqualität 17 Luftschicht 38 Lüftung 34, 72, 134 Lüftung von Nichtwohngebäuden 78 Lüftungsampel 127 Lüftungsanlage (Abluftanlage) 60, 72, 106, 136 Lüftungseinzelgerät 106 Lüftungskonzept 77, 79, 126 Lüftungswärmeverluste 44f. Lüftungszentrale 86 Luftvolumen 76, 135 Luft-Wasser-Wärmepumpe 91 Luftwechsel 19, 44, 70, 76, 96, 108, 135 Lumen 80 Materialaufwand 27 Maximaltemperatur 74 mechanische Lüftung 76 Mehrkanalanlage 108 Mietspiegel 33 Mindestluftwechsel 76, 108 Mindestwärmeschutz (DIN 4108) 36, 38 Mineralfaser 18 Mineralschaum 48, 62 Mischnutzung 109 Modulwirkungsgrad 119 Multi-Split-Gerät 100, 108 n50-Wert 77 Nacherhitzer 107 Nachheizgerät 108 Nachrüstungsverpflichtung 54, 96 Nachtkälte 101 Nachtlüftung 70, 75, 79 Nachverdichtung 122 Nahwärme 89 Nanosolarzellen 118 nanozelluläre Schäume 49 natürliche Lüftung 76 Nebenflächen 25 Nennkälteleistungszahl EER 104 Nennlüftung 77 Nennwärmeverhältnis 104 Nichtheizzeit 44, 68 Nichtnutzungszeit 44 Niederschlagsmenge 20 Niedertemperaturkessel 89 Niedrigstenergiestandard 35 Normklima 23 Nutzebene 82 Nutzenergiebedarf 13, 96 Nutzfläche 24 Nutzkältebedarf 73 Nutzung 25f. Nutzungsprofil 24 Nutzungszeit 44 Oberflächentemperatur 16, 19, 40, 78 Oberlicht 82 Ökobilanz 27 ökologischer Rucksack 27 Öl 34 organische Halbleitermaterialien 118 Orientierung 25f., 68, 85 Ozonabbaupotenzial 27 PAK (polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe) 17f. Passivhausstandard 24f., 35, 124 PCP (Pentachlorphenol) 17 Performance Ratio (PR) 119

Personenbelegung 24 Photooxidantienbildung 27 Photovoltaik 28, 34, 99 Platzbedarf für Technikzentralen 86f. PMV-Index 15 PPD-Index 15 Präsenzmelder 114 Preissteigerung 31 Primärenergiebedarf 12, 34, 117, 128, 136 Primärressourcen 8 Prismenplatte 81 Produktdeklarationen 49 Pufferraum 23, 74 Pufferspeicher 86, 127, 134 Pumpen 88, 96 Quellauslässe 108 Quelllüftung 70, 103 Radon 19 Rahmenanteil 72, 85 Rahmenmaterialgruppe 39 Raumindex 115, 117 Raumkonditionen 24 Raumtemperatur 15, 72 Raumtiefenindex 83 Raumwirkungsgrad 115ff. reduzierte Lüftung 77 Referenzraum 70 Reflexion 115f. Regelungstechnik 79, 88 regenerative Energieversorgung 9, 86 regenerative Kühlung 100 regenerativer Wärmetausch 111 rekuperativer Wärmetausch 111 relative Luftfeuchte 15 Ressourcenverbrauch 8, 86 Rohbauöffnung 80 Rohstoffe 89 Rollladen 36, 58, 60f., 125 Rückkühlung 100, 135 Rückkühlwerk 86, 135 Sanierungskosten 128 Sanitärzentrale 86 Sauerstoffversorgung 76 Sauerstoffzufuhr 106 Schadstoffabfuhr 106 Schadstoffgehalt 17 Schadstoffgutachten 19 Schallschutz 64 schaltbare Wärmedämmung 49 Schaumglas 62 Schimmelpilzbildung 16, 19, 38, 40, 43, 65f., 78 Schlitzauslässe 108 Schluckbrunnen 101 Schuldzinsen 31 Schwachstromzentrale 86 schwerflüchtige Gase 17 Schwimmbadabsorbermatte 101 Selektivität 74 sensible Wärmespeicher 94 Sichtverbindung 81 Silikatplatte 48 Simulation 74, 85, 112 Sockeldämmung 64 Solaranlage 91, 126f. solare Einträge 72, 92 Solarenergie 86, 98ff. Solarkraftwerk 10 Solartube 81 Solarzelle 118 sommerlicher Wärmeschutz 13, 23, 68, 113, 132 Sonneneinstrahlung 20 Sonneneintragskennwert 71 Sonnenschutz 68, 71, 74, 85, 113 Sorptionsrad 111 Speicherkapazität 44 Speichermasse 13, 23, 69, 75, 103 Speicherverluste 96, 126, 135

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Anhang

Rechenbeispiele spezifische Wärmekapazität von Wasser 97 spezifischer Wärmeverlust 44 Spitzenlastheizkessel 96 Spülmaschine 99 Stahlbetonskelettbauten 130 Standard Conditions Test (SCT) 118 Stehleuchte 135 Steuer 32 Stoßlüftung 76 Strahlung 19 Strahlungsintensität 72 Strahlungskälte 101 Strahlungstabellen 92 Strangleitungen 93 Strom 34 Strombedarf 109, 120 Stromertrag 120 Strommix 118 Stromnetz 86 Strompreis 10 Strömungswiderstand 110 Stromverbrauch Beleuchtung 116 Sturzhöhe 82 Systemlichtausbeute 114 tageslichtabhängige elektronische Steuerung 114,116 Tageslichtdurchgang 69 Tageslichtlenkung 81 Tageslichtnutzung 81, 85, 117 Tageslichtquotient 80 Tageslichtrohr 81 Tageslichtversorgung 13, 80, 82, 84 Taupunkttemperatur 103 Tauwasser 54, 63, 103, 111 Teilklimaanlagen 106 Teillastkennwert PLV 104 Temperatur der Raumumschließungsflächen 15 Temperaturschichtung 94 Temperaturspreizung 103 thermische Solarenergie 34, 92 thermodynamische Kreisprozesse 90 Thermostatventil 88, 96 Tilgung 31 Transmissionswärmeverluste 43ff. Transparenzindex 83 Treibhauspotenzial 27 Treibstoffgewinnung 92 Trinkwasserspeicher 127 Trockenestrich 64 TVOC (Total Volatile Organic Compounds) 17 Typenschild 112 Überdüngungspotenzial 27 Übergabeverlust 96, 135 Übergangsfristen 96 Umkehrdach 39, 56 Umrüstpflichten 96 Umwälzpumpe 88 Umweltwärme 92 Undichtigkeit 76 Unterspannbahn 52 Untersparrendämmung 48 U-Wert 43f. Vakuumdämmung 49, 64 Vakuum-Röhrenkollektor 93, 127 variabler Volumenstrom 108 Ventilator 91, 109 Verbauungsindex 83 Verbrauchsdaten 126, 134 Verbundbaustoff 49 Verdampfer 100 Verglasung 58, 60 Vergütungssatz 121 Verkehrsfläche 25 verlustarmes Vorschaltgerät (V VG) 114 Versauerungspotenzial 27 Verschattung 69, 118 Verteilleitungen 96

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Verteilungsverlust 96, 126 Verwaltungsbau 130 Verwaltungskosten 32 Vier-Leiter-Induktion 109 VOC (Volatile Organic Compounds) 17 Vollklimaanlage 106 Vorlauf 135 Vorschaltgerät 114 Wandheizung 16, 91 Wärmeabgabe 95 Wärmebrücken 40ff., 63f., 132 Wärmebrückenzuschlag 41, 66 Wärmedämmputz 48 Wärmedämmung 23, 48, 69 Wärmedämmverbundsystem 48, 58, 66, 124 Wärmedurchgangskoeffizient 43 Wärmedurchlasswiderstand 39, 43 Wärmeerzeuger 126 Wärmegewinn 44 Wärmelasten 68 Wärmeleitfähigkeit 43 Wärmepumpe 88, 90 Wärmequellen 43f., 68, 91 Wärmerückgewinnung 106, 135f. Wärmeschutzverordnung 34, 36 Wärmesenken 43f. Wärmespeicherfähigkeit 70 Wärmespeicherkapazität 50, 69 Wärmespeicherung 94 Wärmetauscher 107 Wärmetransport 88 Wärmeübergangswiderstand 40, 43 Wärmeverluste 44 Wärmeversorgung 88 Wärmeverteilung 93 Warmwasser 95, 97, 99, 126, 134 Wartungsfaktor 84, 115 Waschmaschine 99 Wasserkraftwerk 10 Wasserstoffnutzung 91 Weichmacher 17 Weltbevölkerung 8 Windkraftwerk 10 Windschutz 74 Windstärke 79 winterlicher Mindestwärmeschutz 38 Wirkungsgrad Erzeugung 126 Wirtschaftlichkeit 32 Wohnfläche 24 Zelluloseflocken 50, 54, 56 Zentralgerät 112 Zeolith-Heizgerät 90, 126 Zinssatz 31 Zirkulation 97 Zu- und Abluftquerschnitt 78 zugänglicher Dachraum 54 Zuluftkanal 106 Zuluftventilator 107 Zwangsbelüftung 127 Zwei-Leiter-Induktion 109 Zweite-Haut-Fassade 23, 74 Zwischensparrendämmung 48, 50, 52

Angemessenheit Behaglichkeit Gebäudeform Heizzeit Kühllast (vereinfachte Berechnung) Kühlung Kunstlicht Lüftung und Konditionierung Luftwechsel Ökologie und Ökonomie Photovoltaik Solarenergienutzung Standortklima Tageslichtversorgung Wärmeabgabe Wärmebrücken Wärmepumpe

27 15 25 45 73 103 117 111 77 33 121 99 23 85 95 43 91

Projektbeispiele Sanierung eines Bürogebäudes, Stuttgart 23 Behnisch und Partner Erweiterung Münchener Rückversicherung 26 Baumschlager Eberle Sanierung von Plattenbauwohnungen, Leinefelde 26 Stefan Forster Architekten Sanierung eines Wohnhauses, München 28 Richarz und Strunz Sanierung eines Wohnhochhauses, Ingolstadt 41 Adam Architekten Sanierung eines Bürogebäudes, Zürich 70 Romero + Schaefle Sanierung Schulhaus Wasgenring, Basel 78 Fritz und Bruno Haller Umnutzung eines Fabrikgebäudes, Rehau 84 weber + würschinger Neubau Mehrfamilienhaus, Weil der Stadt 97 Richarz und Schulz Umbau Handelskammer Hamburg 116 Behnisch Architekten Neubau Gemeindezentrum, Ludesch 120 Hermann Kaufmann Sanierung eines Wohngebäudes, München 122ff. Richarz und Schulz Sanierung eines Bürogebäudes, Zürich 130ff. Max Dudler Architekten

Nachhaltige Sanierung von Bestandsgebäuden bedeutet mehr als nur eine Verbesserung der Energiebilanz – und gerade diese Komplexität prädestiniert Architekten für die Aufgabe. Das Buch »Energetische Sanierung« wurde von Architekten für Architekten geschrieben. Es zeigt, wie Gestaltung, Konstruktion und Anlagentechnik bei der Sanierung unterschiedlicher Gebäudetypen zusammenwirken. Die Autoren vermitteln Grundlagenwissen zu Innen- und Außenklima, energetischer Bilanzierung, Ökologie und Wirtschaftlichkeit. Illustriert von zahlreichen Ausführungsdetails erläutern sie Maßnahmen zum Wärmeschutz, zur Tageslichtnutzung, Heizung, Kühlung und Lüftung. In jedem Kapitel verdeutlichen Rechenbeispiele die Auswirkungen von Entwurfsmaßnahmen, die Dimensionierung der Anlagentechnik und die Gebäudebilanzierung nach DIN V 18 599. Ausführliche Analysen eines Wohngebäudes und eines Nichtwohngebäudes zeigen darüber hinaus den Zusammenhang der einzelnen Maßnahmen im architektonischen Gesamtkontext.