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2012-02

Nachhaltige Gebäude

Abbildung 1: Neue Materialien und Technologien in der Sanierung von Wohngebäudefassaden zeigen Lösungen abseits des klassischen Vollwärmeschutzes. Doch wie nachhaltig lässt sich damit sanieren? (Quelle: AEE INTEC)

Das ambitionierte Ziel im Gebäudebestand energetische Standards, wie Niedrigst-, Null- oder Plusenergiegebäude zu erreichen, ist oft nur durch hohen Aufwand und Ressourceneinsatz erreichbar. Im Sinne einer nachhaltigen Entwicklung muss die Verlagerung des Energieaufwandes und Ressourceneinsatzes in vor- bzw. nachgelagerte Prozesse des Gebäudelebenszyklus (Herstellung und Entsorgung) vermieden werden.

Sanierungen auf Plusenergiestandard –
Ein Ausblick auf Potential und konstruktive Lösungen!

Von Danilo Schulter, Guido Cresnik und Sonja Geier*

Die Plusenergiebilanz

Der Energiebedarf für das Heizen wurde bisher als nahezu einziger Kennwert für die energetische Bewertung des Gebäudes herangezogen. Der Paradigmenwechsel vom Gebäude als „Consumer“ zum „Prosumer“ erhöht die Komplexität in der Gebäudebewertung. Wurden ursprünglich nur Anforderungen an die thermisch-energetische Gebäudequalität mittels Grenzwerten für den Heizwärmebedarf oder den Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) von Bauteilen definiert, ist im Rahmen einer energetischen Bilanzierung auch vor Ort erzeugte Energie zu berücksichtigen. Bislang wurde aber der für die Bilanzierung notwendige Energieüberschuss, also die sogenannte „Plusenergie“ nur durch die Gegenüberstellung des energetischen Energiebedarfes oder -verbrauches und der Energieerzeugung ermittelt. Dass der Energiebedarf neben energetischen auch stoffliche Aufwendungen impliziert, wurde vernachlässigt. Die laufende Verbesserung der Energieeffizienz von Gebäuden zeigt nun, dass der graue Energiebedarf für Instandhaltungs- und Entsorgungsprozesse im Vergleich zum operativen Energieaufwand immer mehr an Bedeutung gewinnt. Folglich müssen die über den gesamten Lebenszyklus aufgewendeten Ressourcen verstärkt betrachtet werden, um eine Verlagerung des Energieverbrauchs und den damit verbundenen Emissionen in vor- bzw. nachgelagerte Prozessketten zu vermeiden.

Abbildung 2: Plusenergiebilanzierung unter Berücksichtigung aller energetischen und stofflichen Aufwendungen im Lebenszyklus eines Gebäudes. Die Systemgrenze inkludiert die Gebäudehülle und die direkt an der Gebäudehülle erzeugte Energie aus solarthermischen Kollektoren oder Photovoltaikmodulen. (Quelle: Schulter 2011)

Die Bedeutung der Gebäudehülle für die Plusenergiebilanz

Nachhaltiges Bauen bedeutet verkürzt, die langfristige Funktionalität und Zufriedenheit der NutzerInnen durch minimale Umweltwirkungen und optimierte Lebenszykluskosten sicherzustellen. Dieser Ansatz gilt auch für die künftige Entwicklung von Bauprodukten und Bauteilen. Als einem Teil der Gebäudehülle kommt beispielsweise der Fassade infolge ihrer exponierten Lage am Gebäude eine besondere Bedeutung hinsichtlich architektonischer Qualität und bauphysikalischer Anforderungen zu. Der verstärkt auftretende Trend zur Integration neuer Technologien in die Fassade, wie z.B. Photovoltaik, solarthermische Anlagen oder haustechnische Komponenten (sogenannten „aktiven“ Fassaden) steht oftmals im Widerspruch mit den Forderungen der Nachhaltigkeit im Sinne einer ganzheitlichen Betrachtung. Nachhaltigkeit für Fassaden aus nicht energetischer Sicht bedeutet, dass einerseits Einzelkomponenten kontrollierbar, austauschbar und rezyklierbar sind und andererseits die Fassade als Ganzes wartungs- und reparaturfreundlich ist. Am Beispiel dieser „aktiven“ Fassaden zeigt sich, dass ein fächerübergreifendes Zusammenwirken von IngenieurInnen (Bauwesen, Gebäudetechnik, Maschinenbau, technische Physik, Elektrotechnik) und ArchitektInnen erforderlich ist. Gerade in der Systementwicklung von Bauteilkomponenten führt eine Vernachlässigung wesentlicher Planungsschnittstellen zu einer Vielzahl an negativen Folgewirkungen. Während erhöhter Montageaufwand oder Improvisationen für Anschlüsse oder Übergänge noch auf der Baustelle sichtbar werden, zeigen sich eine Reihe an Auswirkungen, wie beispielsweise Schimmelbildung durch Kondensatanfall, Bauteilrisse durch Zwängungsspannungen, ein deutlich erhöhter Wärmebedarf oder erhöhter Instandhaltungs- und Entsorgungsaufwand erst langfristig nach vielen Jahren im Betrieb.

Vom einzelnen Bauteil in der Gebäudehülle zum gesamten Gebäudebestand – der methodische Ansatz von „Know How Plus“

Die Basis für den Bottom-up Ansatz bilden repräsentative Bauteile des österreichischen Gebäudebestandes, untergliedert nach Gebäudealter, um die bei einer Sanierung am wahrscheinlichsten anzutreffenden Konstruktionen prinzipiell analysieren zu können. Die Entwicklung passender Sanierungsvarianten für die ausgewählten Bauteile zielt auf das Erreichen des Plusenergiestandards für das Gesamtgebäude ab.
Die energetische und stoffliche Auswertung dieser repräsentativen Bauteile im Bestand und für die entwickelten Sanierungsvarianten stellen, neben statistischem Zahlenmaterial bzw. Literaturrecherchen, die Basisdaten für die Modellierung des österreichischen Gebäudebestandes dar. Die darauf aufbauende Potentialanalyse zielt auf den Nachweis ab, dass die CO₂-Emissionen über den Lebensweg von sanierten Gebäuden auf Plusenergiehausstandard in Summe Null sind. Die Frage ist wo in Österreich noch Handlungsbedarf hinsichtlich Sanierungen auf Plusenergiehaus-Standard, der nachfolgenden Instandhaltung und Entsorgung besteht, damit dieses Ziel erreicht wird. Natürlich können und sollen auch andere erneuerbare Energieträger (Biomasse, Wind, etc.) ihren Beitrag zum Plusenergieziel leisten. Der Fokus im Projekt „Know How Plus“ liegt jedoch in der Sanierung der Gebäudehülle – der Anteil der aus einem Wechsel des Energieträgers oder Energieversorgungssystems lukriert werden kann, stellt ein weiteres Verbesserungspotential dar, auf das hier nicht weiter eingegangen wird.

Abbildung 3: Methodische Vorgehensweise zur Ermittlung des Potentials mittels „Bottom-up“ Ansatz von der Bauteil-Ebene zur Modellierung des Österreichischen Gebäudebestandes (Quelle: Schulter, 2011)

Konstruktionsdetails für Plusenergiesanierungen in der Praxis

Die Herausforderung in jeder Sanierung besteht darin, auf Vorgaben aus dem Bestand eingehen zu müssen. Die Wahl der Sanierungsmethodik ist von einer Vielzahl an Rahmenbedingungen abhängig – entscheidend ist nicht die „richtige“, sondern die „geeignete Technologie richtig“ einzusetzen. Die Fragen in der (Sanierungs-) Praxis können selten aus der Literatur, sondern oft nur aus der Praxis beantwortet werden. Für eine nachhaltige, hochwertige Sanierung sind sie allenfalls entscheidend. Ziel des Projektes „Know How Plus“ war es nicht, für die Planungsphase einschränkende Leitdetails zu erarbeiten, da dies aufgrund der Vielzahl an unterschiedlichen Bauteilaufbauten und der Vielfalt an Bauprodukten nicht zielführend wäre. Vielmehr soll durch die Analyse repräsentativer Aufbauten und Sanierungstechnologien und deren umfassender Bewertung der Spielraum, die Möglichkeiten, aber auch die Grenzen für deren Einsatz aufgezeigt werden. Die Bewertung aus bauphysikalischer Sicht stellt dabei einen wichtigen Teil dieser Arbeit dar. Ein Bewertungsblatt eines Außenwandaufbaus ist in Abbildung 4 exemplarisch dargestellt. Die Gesamtheit der bewerteten Aufbauten wird in einem baukonstruktionsorientierten Leitfaden zusammengefasst.

Abbildung 4: Auszug aus dem baukonstruktionsorientierten Leitfaden – Übersicht über unterschiedliche Sanierungsvarianten, einschließlich bauphysikalischer Kennwerte

Im Projekt stehen die Evaluierung der stofflichen Einflüsse aus der Nutzungs- und Entsorgungsphase und der Bedarf an grauer Energie im Vordergrund der ökologischen Bewertung. Viele relevante Aspekte, wie die Trennbarkeit, Demontierbarkeit sowie Zugänglichkeit können nur qualitativ bewertet werden. Gerade diese Aspekte sind aber durch das komplexe Zusammenfügen von Rohbau, Ausbau und Gebäudetechnik (im Allgemeinen und vor allem bei „aktiven“ Fassaden im Speziellen) aufgrund unterschiedlicher Lebens- bzw. Nutzungsdauern von Bauteilschichten oder Einzelkomponenten eines Bauteiles von Bedeutung. Während im Rohbau mehr als 60 Jahre angenommen werden, sind es im Ausbau 15 bis 30 Jahre und bei der Gebäudetechnik nur 10 bis 15 Jahre.

Abbildung 5: Lebenszyklusorientierte Bewertung für Sanierungsvarianten ausgewählter Bauteile (Schulter 2011)

Deshalb ist es gerade in der Systementwicklung und Planungsphase wesentlich, eine Verbesserung der konstruktiven Durchbildung bzw. Produktentwicklung in Richtung lebenszyklusorientierter Systemlösungen bzw. Bauteilkonstruktionen anzustreben. Mit den gängigen Berechnungsmodellen (Statik, Bauphysik, Energieausweis etc.) werden diese qualitativen Aspekte unzureichend oder gar nicht erfasst. Dazu müssen mittels eines Schichtenmodells die in Frage kommenden Bauteile analysiert werden, um Aussagen zu treffen, ob die durchschnittliche Lebensdauer der jeweiligen Bauteilschichte oder der Einzelkomponente erreicht wird, oder ob es zu einem vorzeitigen Austausch kommt, wodurch ein wesentlich höherer Stoff- und Energiebedarf verursacht wird. Dadurch wird der Einfluss der Nutzungs- und Entsorgungsphase auf den Bedarf an grauer Energie für Instandsetzungs- bzw. Entsorgungsprozesse aufgezeigt, d.h., wie viel Energie muss für die Instandsetzung oder thermische Sanierung eingesetzt werden und welcher energetischer Einspareffekt (im Falle einer thermischen Sanierung) wird damit erreicht.

Potential für den Gebäudebestand in Österreich

Die wesentlichen Eckpfeiler sind somit die Zielsetzungen hinsichtlich einer Reduktion des energetischen und stofflichen Bedarfes aus der thermischen Sanierung über den gesamten Lebenszyklus, der Verfügbarkeit passender Flächen für die solare Energiegewinnung und der gewählten Sanierungstechnologien. Das Einsparpotential bei Gebäudesanierungen auf Plusenergiehausstandard wurde dann durch Aggregation der Ökobilanzergebnisse unter Einbezug der „Statistik Austria“-Daten [1] über den österreichischen Gebäudebestand ermittelt. Die Szenarien möglicher thermischer Sanierungsmaßnahmen und Energieerzeugungssysteme für die jeweiligen bauepochen- und bauweisenspezifischen Aufbauten der thermischen Gebäudehülle ergeben eine Bandbreite des Reduktionspotentials. Die Gegenüberstellung dieses Reduktionspotentials bezogen auf den Bestand, die eingesetzten Ressourcen und solaren Erträge ergeben letztendlich die Antwort auf die Frage, ob und mit welchen Technologien eine Plusenergiebilanz möglich ist oder nicht.

Zusammenfassung der Ergebnisse

Eine umfassende Lebenszyklusbewertung ist auch in der Plusenergiebilanzierung notwendig, um das ganzheitliche Denken und Handeln im Bauwesen zu etablieren. Die Verbesserung des Wissens über energieeffiziente, kreislauffähige und instandhaltungsfreundliche Systemlösungen, Konstruktionen und ihre Auswirkungen auf den grauen Energieaufwand bzw. die Treibhausgasemissionen bedeutet das Plusenergiepotential in energetischer und stofflicher Hinsicht – also ganzheitlich auszuschöpfen.

Abbildung 6: Systemgrenze und zugrundeliegende Rahmenbedingungen des Best-Case und Worst-Case für ein exemplarisches Szenario.

Abbildung 7: Ergebnisse der Potentialanalyse – Darstellung des Reduktionspotentials von Treibhausgasemissionen bei einer Sanierung des gesamtösterreichischen Gebäudebestandes auf Plusenergiehausstandard.

Im Rahmen einer Szenario-Analyse wurde das gesamtösterreichische Potential ermittelt. Exemplarisch wird hier das Ergebnis eines Szenarios erläutert (siehe Abbildungen 6 und 7). Für den „Best-Case“ dieses Szenarios werden Sanierungstechnologien mit den geringsten Umweltwirkungen aus der thermischen Sanierung zugrundegelegt. Dies bedeutet die Auswahl jener Sanierungsvarianten der thermischen Gebäudehülle, die im Rahmen der Plusenergiesanierung das geringste „Global Warming Potential“ (GWP) sowie den geringsten „kumulierten Energieaufwand“ (KEA) verursachen. Der Energieträgermix des Bestandes wird anteilig übernommen, jedoch reduziert um die vor Ort aus Solarthermie oder Photovoltaik erzeugte Energie (Wärme und Strom). Dabei werden Solarthermie und Photovoltaiktechnologien mit dem bestmögichen Wirkungsgrad abgebildet.
Der „Worst-Case“ bildet eine Sanierung ab, die zwar bezogen auf den Bauteil nahezu dieselben Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Werte) erreicht, allerdings die höchsten Umweltwirkungen verursacht. Gründe für die erhöhten Werte sind beispielsweise eine Verkürzung der Bauprodukte-Lebensdauer durch mangelnde Lösbarkeit im Instandsetzungsfall oder ein höheres Deponie-Abfallaufkommen aufgrund einer schlechteren Trennbarkeit der zusammengefügten Bauteilschichten. Das bedeutet, dass die zugrundegelegte Sanierungsvariante für den jeweiligen bauepochenspezifischen Bauteil den höchsten Wert hinsichtlich GWP, KEA und Deponie-Abfallaufkommen aufweist. Der Energieträgermix des Bestandes wird ebenfalls anteilig übernommen, ebenfalls reduziert um die vor Ort aus Solarthermie oder Photovoltaik erzeugte Energie (Wärme und Strom). Jedoch werden Photovoltaiktechnologien mit einem schlechteren Wirkungsgrad abgebildet. Für solarthermische Anlagen sind keine signifikanten Unterschiede im Wirkungsgrad der derzeit eingesetzten Technologien identifizierbar, diese werden mit dem Best Case gleichgesetzt.
In Abbildung 7 ist anhand eines exemplarischen Szenarios das Reduktionspotential an Treibhausgasemissionen durch eine Sanierung des gesamtösterreichischen Gebäudebestandes (Wohn- und Nichtwohngebäude) auf Plusenergiehausstandard im Vergleich zum Status Quo von 80,1 Mio. Tonnen CO₂-Äquivalent laut Klimaschutzbericht 2011 [2] dargestellt. Im günstigsten Fall (Best-Case Szenario) kann durch die Sanierung des gesamten österreichischen Gebäudebestands auf Plusenergiehausstandard der Ausstoß an Treibhausgasen in Österreich um etwa ein Viertel gesenkt werden. Im ungünstigsten Fall (Worst-Case Szenario) beträgt die Reduktion immerhin etwa 15 % (siehe Abbildung 7). Das Kyoto-Ziel von Österreich für die Verpflichtungsperiode 2008 bis 2012 (Ø 68,8 Mio t. CO₂-Äquivalente pro Jahr) wird in beiden Fällen erreicht bzw. sogar unterschritten.
Das Ergebnis zeigt aber deutlich: der Einsatz von Sanierungstechnologien und Baukonstruktionen mit geringen Umweltauswirkungen und hohen Wirkungsgraden von Photovoltaikanlagen führt zu einer um etwa 40% größeren Reduktion von Treibhausgasemissionen und Deponie-Abfallaufkommen. Die Bedeutung des Einsatzes von kreislaufgerechten Bauprodukten und Sanierungstechnologien wird damit unterstrichen. Es ist für eine nachhaltige Plusenergiehaussanierung sehr wohl von Bedeutung, ob der „klassische Vollwärmeschutz aufgeklebt“ wird, oder ob eine kluge Auswahl an kreislauffähigen Bauprodukten und zerlegbare, demontierbare und wartungsfreundliche Konstruktionen für die Sanierung der thermischen Gebäudehülle verwendet werden.
Eine nachhaltige Sanierung auf Plusenergiehausstandard muss somit über die rein energetische Bilanzierung hinausgehen und auch die Stoffströme über den gesamten Lebenszyklus in der Bewertung berücksichtigen. Der Plusenergiehausstandard muss folglich, neben der Maximierung der thermisch-energetischen Gebäudequalität und der erzeugten Energie aus Solarthermie und Photovoltaik vor Ort, auch auf die konstruktive Ausbildung auf Bauteilebene, die Fügetechnik und die Bauproduktauswahl eingehen.
Die Erkenntnisse aus dieser Potentialanalyse sind einerseits für politische Entscheidungen von Bedeutung wie die Lenkung von Fördergeldern im Rahmen der Wohnbauförderung oder dergleichen. Andererseits wird damit und in Kombination mit dem baukonstruktionsorientierten Leitfaden ein wesentlicher Beitrag zur öffentlichen Meinungsbildung hinsichtlich qualitativ hochwertiger Gebäudesanierungen auf Plusenergiehausstandard unter ganzheitlichen Gesichtspunkten geleistet.

Ausblick

Auch auf europäischer Ebene spiegelt sich der Lebenszyklusgedanke wider. Dies zeigen unter anderem die „Thematische Strategie für städtische Umwelt“ [3] oder der Entwurf der Bauprodukteverordnung [4], der eine Erweiterung um den Punkt „Nachhaltige Nutzung natürlicher Ressourcen“ vorsieht. Was bislang fehlte, ist eine wissenschaftlich abgesicherte Grundlage, mit der das Einsparpotential von Konstruktionen mit geringstmöglichem Sanierungs- Instandhaltungs- und Entsorgungsaufwand aufgezeigt werden kann. Der im Projekt „Know How Plus“ entwickelte baukonstruktionsorientierte Leitfaden bietet erstmals praxisorientiertes Wissen über die Möglichkeiten und Grenzen von Gebäudesanierungen auf Basis ganzheitlicher Lebenszyklusbetrachtungen. Nun liegt es an der künftigen Umsetzung, dass eine Erhöhung der Energie- und Ressourceneffizienz durch den Einsatz von instandhaltungs- und kreislaufoptimierten Konstruktionen in der Praxis erreicht werden kann.

Weitere Informationen und Anmerkung

Das Forschungsvorhaben wurde im Rahmen des Programms „Haus der Zukunft Plus“ gefördert, welches ein Forschungs- und Technologieprogramm des Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie (BMVIT) ist. Es wird im Auftrag des BMVIT von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft gemeinsam mit der Austria Wirtschaftsservice Gesellschaft mbH und Österreichischen Gesellschaft für Umwelt und Technik (ÖGUT) abgewickelt.
Weitere Informationen zum Haus der Zukunft Plus Projekt „Know How Plus – Möglichkeiten und Grenzen von Gebäudesanierungen auf Plusenergiehausstandard“ sind auf der Homepage von Haus der Zukunft nachzulesen. Der Endbericht, die Potentialstudie sowie der baukonstruktionsorientierte Leitfaden werden ab Mitte Juli 2012 zum Download zur Verfügung stehen.

www.hausderzukunft.at/results.html/id5991

*) DI Danilo Schulter ist Mitarbeiter am Institut für Materialprüfung und Baustofftechnologie mit angeschlossener Technischer Versuchs- und Forschungsanstalt (TVFA) für Festigkeits- und Materialprüfung an der Technischen Universität Graz Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
DI Guido Cresnik ist Doktorand am Institut für Materialprüfung und Baustofftechnologie mit angeschlossener TVFA für Festigkeits- und Materialprüfung an der Technischen Universität Graz
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DIⁱⁿ Sonja Geier ist Mitarbeiterin des Bereiches Nachhaltige Gebäude von AEE INTEC
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