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Energetische Bewertung hocheffizienter Gebäude

Nachweisverfahren und Anforderungsniveau für das Programm klima:aktiv Bauen und Sanieren

Von Martin Ploss und Daniela Bachner

In den vergangenen Jahren haben hocheffiziente Gebäude ihre Praxis­tauglichkeit bewiesen: Für Passivhäuser zeigen zahlreiche Studien, dass die vorausberechneten Energiebedarfswerte auch bei realem Nutzerverhalten erreicht werden [1], [2]. Einige Studien belegen weiters, dass hohe Einsparungen zu geringen Mehrkosten und damit wirtschaftlich erreicht werden können [5].

Ausgangssituation

Auch für Gebäude mit hohen solaren Deckungsgraden (Sonnenhaus, AktivHaus…) zeigen wissenschaftliche Messungen und Praxiserfahrungen, dass sehr niedrige Energieverbräuche erzielt werden können [3], [4]. Während für Gebäude nach dem Passivhauskonzept mit dem Passivhausprojektierungspaket (PHPP) ein validiertes Berechnungs­verfahren zur Verfügung steht, konnte der Energiebedarf derartiger Gebäude ohne zusätzliche Berechnungen mit spezieller Solar-Software jedoch bislang weder mit PHPP (Version 7.1) noch nach OIB Richtlinie 6 (2011) berechnet werden. Gebäude mit hohen solaren Deckungsgraden konnten daher in den Kriterien der Gebäudebewertung klima:aktiv Bauen und Sanieren nicht berücksichtigt werden. In einem von klima:aktiv Bauen und Sanieren kofinanzierten Projekt des Energieinstitut Vorarlberg wurden mehrere Nachweiswege verglichen und Anforderungen definiert, seit Januar 2014 können nun auch Gebäude mit hohen solaren Deckungsgraden deklariert werden.

Hocheffiziente Gebäude werden sich nur am Markt durchsetzen, wenn sie

  • die vorausberechneten Energiebedarfswerte auch in der Praxis erreichen und
  • zu geringen Mehrkosten errichtet und wirtschaftlich betrieben werden können.

Die energetisch-wirtschaftliche Optimierung von Gebäuden ist daher ein zentrales Thema in den klima:aktiv-Kriterienkatalogen. So wird die Durchführung von Wirtschaft­lichkeits­berechnungen ebenso bepunktet wie die Qualitätssicherung der Energiebedarfsberechnung nach dem Zertifizierungsverfahren für Passivhäuser und die Erfassung der Energieverbräuche und die Betriebsoptimierung.

Wirtschaftlichkeit

Eine aktuelle Studie des Energieinstitut Vorarlberg [5] zeigt, dass das Kostenoptimum beim Neubau von Wohn­gebäuden ohne Berücksichtigung von Fördergeldern bei Primärenergiebedarfwerten (nach OIB) von 80 bis 140 kWh/m.²BGFa liegt. Damit liegt der Wert deutlich niedriger als der im Nationalen Plan für 2021 festgelegte Höchst­wert von 160 kWh/m²BGFa [6]. Das Kostenoptimum entspricht sehr gut den Anforderungen des klima:aktiv Kriterienkatalogs von 90 bis 135 kWh/m²BGFa [7]. Die Primär­energiebedarfwerte von Passivhäusern mit thermischen WW-Solaranlagen liegen bei Berechnung nach OIB RL 6 bei 67 bis 80 kWh/m²BGFa [5].

Abbildung 1: Kostenoptima bezüglich des Primärenergiebedarfsgesamt OIB [5], Anforderungen des nationalen Plans [6] und des klima:aktiv Kriterienkatalogs für den Neubau von Wohngebäuden [7]

Energiebedarfsberechnung

Berechnung nach OIB RL 6 (2011)

Die Berücksichtigung der Erträge großer Solaranlagen ist nach OIB Richtlinie 6 bzw. ÖNORM H 5056 [8] bisher nicht möglich. Die solarthermischen Erträge in Gebäuden mit höheren Deckungsgraden können lt. ÖNORM mit geeigneten Berechnungsprogrammen separat berechnet werden. Für die Neufassung der Norm wurde im Jahr 2013 mit der Entwicklung eines Berechnungsverfahrens begonnen, mit dem auch große thermische Solaranlagen abgebildet werden können.

Berechnung nach PHPP

In der seit April 2013 verfügbaren Version 8 können Systeme mit solarer Heizungsunterstützung direkt in PHPP berechnet werden. Alternativ können die mit anderen Programmen berechneten Solarerträge als Monatswerte in PHPP eingegeben werden.

Erstes Projektziel war es nun, auf der Grundlage des klima:aktiv Kriterienkatalogs einen Nachweisweg für Gebäude mit hohem solaren Deckungsgrad festzulegen, mit dem der Energiebedarf realitätsnah und einfach berechnet werden kann. Zweites Ziel war die Justierung des Anforderungsniveaus für Gebäude mit hohem solarem Deckungsgrad.

Zur Festlegung des Nachweisweges und des Anforderungsniveaus wurden zwei Berechnungsmethoden für Gebäude mit hohen solarthermischen Deckungsgraden an einem Beispiel-Einfamilienhaus in drei unterschiedlichen Heizwärmebedarf (HWB)-Stufen angewandt und hinsichtlich der Rechengenauigkeit, der Handhabbarkeit und der Nachvollziehbarkeit bei der Qualitätssicherung bewertet.

Beispielhaus

Die Untersuchung wurde an einem Einfamilienhaus mit einer BGF von 283 m² durchgeführt, das mit 45 m² Kollektorfläche, 65° Dachneigung und einem Pufferspeicher von 9.360 Liter errichtet wurde. Der „dreigeschossige“ Speicher steht wie der Heizkessel im unbeheizten Keller (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2: Schnitt des Beispiel-Einfamilienhauses

Da ein Vergleich der Berechnungen mit PHPP und OIB RL 6 zeigte, dass die OIB Richtlinie 6 den Absolutwert des Heizwärmebedarfs um etwa 16% unterschätzt, wurden alle weiteren HWB-Berechnungen mit PHPP durchgeführt.

Aus 10 mit PHPP schrittweise verbesserten Varianten wurden die folgenden drei für die weitere Bearbeitung gewählt:

  • HWBPHPP = 64 kWh/m²EBFa (Gebäudevariante entsprechend Energieausweis)
  • HWBPHPP = 17 kWh/m²EBFa (beste Variante mit Außenwänden aus ungefüllten 50er Ziegeln)
  • HWBPHPP = 42 kWh/m²EBFa (Vorschlag HWB-Grenze für Gebäude mit hohen solaren Deckungsgraden)

Der Aufstellraum des Pufferspeichers im Keller und der Treppenraum in den Keller wurden als Teil des beheizten Gebäudevolumens definiert, als Standort wurde Dornbirn verwendet. Der Lage des Gebäudes entsprechend wurde eine geringe Verschattung angenommen.

Nach der in Abbildung 3 dargestellten Matrix wurde die Berechnung der Energiekennwerte durchgeführt.

Für jede HWB-Stufe und jedes Energieversorgungssystem wurde eine Referenzvariante ohne Solaranlage untersucht, die Solaranlagen werden in Schritten von 6 m² Absorberfläche bis 48 m² vergrößert. Die Speichergröße steigt mit der Kollektorgröße und beträgt im Mittel 175 Liter/m² Absorberfläche. Dies entspricht den Empfehlungen des Sonnenhausinstituts von 150 bis 200 Liter/m² Kollektorfläche [9]. Für einige Kollektorflächen wurden mehrere Speichergrößen simuliert.

Abbildung 3: Matrix der untersuchten Varianten

Zwei Verfahren zur Berechnung des End- und Primärenergiebedarfs

End- und Primärenergiebedarf sowie CO2-Emissionen wurden für jede Gebäudevariante mit zwei Verfahren berechnet. Die für die Berechnungen getroffenen Annahmen werden in Tabelle 1a+b dargestellt.

In Verfahren 1 wurde PHPP 7.1 zur Berechnung des Heizwärmebedarfs herangezogen, die Wärmeversorgungssysteme und die Solaranlage wurden mit Polysun designer berechnet. Dabei ist zunächst die Schnittstelle zwischen den Programmen zu klären. Polysun bietet drei Wege der Eingabe der energetischen Gebäudequalität:

  • Die Eingabe des HWB –Jahreswerts und die Summe der Transmissions- und Lüftungsverluste,
  • die Eingabe der Heizlast und
  • die Auswahl des Gebäudetyps und des Energieniveaus aus einem Gebäudekatalog.

Da nur bei Eingabe des HWB und der Verluste auch der Jahresverlauf des HWB des effizientesten Gebäudes hinreichend genau nachgebildet wurde, wurde in allen Polysun-Berechnungen dieser Weg gewählt.

In Verfahren 2 wurde die gesamte Berechnung mit PHPP 8 durchgeführt.

In beiden Verfahren wurden die Standard-Annahmen aus PHPP verwendet. Die folgenden Eingabegrößen wurden für alle Varianten identisch angenommen:

  • Raumlufttemperatur 20°
  • 35m² EBF pro Bewohner, d.h. gesamt 5,86 Bewohner
  • Warmwasserbedarf 25 Liter (60°C) je Person und Tag
  • Leitungslängen
  • Leitungsdämmung 1,5 * Durchmesser
Der Haushaltsstrombedarf wurde mit 20 kWh/m²EBFa etwas geringer angenommen, als bei Verwendung der PHPP-Standard-Geräteausstattung.

Außerdem wurde das Gebäude mit verschiedenen Wärmeversorgungssystemen (Gas-Brennwert, Pellet und Sole-Wärmepumpe) untersucht. HWB und Wärmeverluste (Transmission und Lüftung) wurden für die drei beschriebenen Energieniveaus eingegeben. Die Kesselleistung liegt je nach Energieniveau zwischen 15 und 26 kW. Gewählt wurden der „Flachkollektor, gut“ aus der Polysun-Datenbank und Solarschichtenspeicher mit integriertem Trinkwarmwasserspeicher (System Jenni).

Tabelle 1: Eingangsparameter zweier Verfahren zur Berechnung des End- und Primärenergiebedarfs

Ergebnisse der Berechnungen mit PHPP 8

Abbildung 4 und 5 zeigen Ergebnisse der Berechnungen mit PHPP 8 und Randbedingungen PHPP Standard beispielhaft für den solaren Wärmebeitrag und den Primärenergiebedarf.

Der Solare Wärmebeitrag gesamtPHPP (siehe Abbildung ) liegt für die Variante HWB 17 (grüne Kurve) bei maximal 78%, für HWB 42 (blau) bei 66% und für HWB 64 (rot) bei 60%. Der Primärenergiebedarf gesamt der Varianten ohne Solaranlage liegt zwischen 117 und 154 kWh/m2EBFa. Der Anteil des blau hinterlegten Haushaltsstrombedarfs beträgt etwa 52 kWh/m²EBFa (siehe Abbildung 5).

Aus dem Diagramm 5 kann abgelesen werden, welche Gebäudevarianten bezüglich des Jahreswertes des Primärenergiebedarfs gleichwertig sind. Zum Beispiel ergibt sich für die Variante mit HWB 17 kWh/m²EBFa mit 6 m2 Absorberfläche und 1.000 Liter Speicher der gleiche Primärenergiebedarf wie für die Variante mit einem HWB von 64 kWh/m²EBFa mit 48 m² Absorberfläche und 8.000 Liter Speicher (siehe Abbildung 5).

Ein Vergleich des jahreszeitlichen Verlaufs des Primärenergiebedarfs zeigte, dass bei Gebäudevarianten mit gleichem Jahres-Primärenergiebedarf und unterschiedlichem HWB stets die Variante mit großer thermischer Solaranlage einen deutlich höheren winterlichen Energiebedarf hat, während die Variante mit HWB 17 kWh/m²EBFa im Sommer mehr Energie benötigt.

Abbildung 4: Solarer Wärmebeitrag gesamtPHPP der Gebäudevarianten mit HWBPHPP 17 (grün), HWBPHPP 42 (blau) und HWBPHPP 64 (rot), die Variation der Speichergrößen liegt zwischen 1 m³ und 10 m³, Wärmeerzeuger Gas-Brennwert

Abbildung 5: Primärenergiebedarf (PEB) gesamtPHPP der Varianten mit HWB 17 (grün), HWB 42 (blau) und HWB 64 (rot), die Variation der Speichergrößen liegt zwischen 1 m³ und 10 m³, Wärmeerzeuger Gas-Brennwert

Vergleich der Ergebnisse der beiden Berechnungsverfahren

Bezüglich des Endenergiebedarfs für Heizung und Warmwasser liegen die Abweichungen für das Gebäude mit HWBPHPP 42 kWh/m²EBFa meist bei weniger als 10 %. Während PHPP für kleine Solarsysteme niedrigere Energiebedarfswerte prognostiziert, kommt es für Gebäude mit großen Solaranlagen auf höhere Endenergiebedarfswerte. Die Abweichungen für das Gebäude mit einem HWB von 64 kWh/m²EBFa sind geringer als für die Variante mit HWB 42 kWh/m²EBFa. Für sehr große Solaranlagen im Gebäude mit HWB 17 kWh/m²EBFa prognostiziert PHPP um bis zu 30 % höhere Endenergiebedarfswerte als Polysun. Die absoluten Abweichungen sind jedoch mit etwa 3 kWh/m²EBFa sehr gering.

Auch die solaren Deckungsgrade stimmen bei beiden Verfahren gut überein, die Abweichungen liegen bei maximal 5 %. Für Speichergrößen von 2.000 bis 8.000 Liter und Kollektorgrößen von 18 bis 42 m² sind die Abweichungen in allen HWB-Niveaus sehr gering. Die Berechnung des gesamten Wärmeversorgungssystems inklusive großer Solaranlage mit PHPP 8 ist mit wenigen zusätzlichen Eingaben möglich. Die Ergebnisse bezüglich solarem Deckungsgrad, Endenergiebedarf und CO2-Emissionen stimmen sehr gut mit den Berechnungsergebnissen aus Polysun überein.

Auch mit der Literatur ergibt die Berechnung gute Übereinstimmung. Für das Beispielhaus mit einem Heizwärmebedarf von 17 kWh/m²EBFa, d.h. von 3.500 kWh/a mit knapp 6 Bewohnern ergibt sich bei Berechnung mit PHPP für eine Speichergröße von 8.000 Liter und 42 m² Kollektorfläche ein solarer Deckungsgrad von 78%, das Sonnenhausinstitut gibt für ein vergleichbares Gebäude mit 4 Bewohnern und ähnlich dimensionierter Solaranlage 80% an [9].

Resumé und Nachweiswege in klima:aktiv

Sehr niedrige Primärenergiebedarfswerte können auf verschiedenen Wegen erreicht werden. Um den gleichen Jahres- Primärenergiebedarf zu erreichen, benötigt ein Haus mit einem HWB von 64 kWh/m²EBFa etwa 40 m² mehr Absorberfläche und einen etwa 7.000 Liter größeren Speicher als das Haus mit einem HWB von 17 kWh/m²EBFa. Ein Haus mit einem HWB von 42 kWh/m²EBFa benötigt im Vergleich zum Haus mit HWB 17 kWh/m²EBFa etwa 18 m² mehr Kollektorfläche und ebenfalls einen etwa 7.000 Liter größeren Speicher.

Für die Variante mit der besten Dämmung (HWB 17 kWh/m²EBFa) steht die eingesparte solarthermische Kollektorfläche für eine zusätzliche PV-Anlage mit etwa 5 kWpeak und einem Jahresertrag von 4.500 kWh/a zur Verfügung.

Angesichts der Unterschätzung des Heizwärmebedarfs bei Berechnung nach OIB, der mäßigen Nachbildung des Jahresverlaufs des Heizwärmebedarfs hocheffizienter Gebäude durch Polysun und der einfachen Handhabbarkeit wird PHPP 8 als Nachweisweg für die klima:aktiv Stufen Gold und Silber festgelegt. Ein vereinfachter Nachweis auf Basis des HWBOIB und des Solaren Deckungsgrades durch Polysun wird als Nachweisweg für die Stufe Bronze festgelegt. Für den Nachweis der Stufen Gold und Silber gelten für Gebäude mit hohen solaren Deckungsgraden die folgenden Anforderungen:

Der maximale HWBPHPP wird für Gebäude mit einem A/V-Verhältnis von 0,8 auf 42 kWh/m²EBFa festgelegt. Dies ist eine Erhöhung um 40% gegenüber der Mindestanforderung für alle anderen Gebäude. Voraussetzung für die weniger strenge Mindestanforderung ist ein solarer Wärmegewinngesamt von mindestens 50%. Die Regelung ermöglicht den Bau von klima:aktiv Gebäuden ohne Komfortlüftung; da diese für Mehrfamilienhäuser aus lufthygienischen Gründen aber für unabdingbar gehalten werden, gelten die erhöhten HWB-Werte nur für Einfamilienhäuser und Doppelhäuser. Der maximale Primärenergiebedarf beträgt für Gebäude mit hohen solaren Deckungsgraden 120 kWh/m²EBFa. Wird dieser Wert erreicht, so wird wie für Gebäude mit anderem Energiekonzept die Höchstpunktezahl vergeben. Die CO2-Emissionen dürfen maximal 24 kg/m²EBFa betragen. Wird dieser Wert erreicht, so erhalten die Gebäude die Maximalpunktezahl. Die Erträge von PV-Anlagen können für alle Gebäude in einem eigenen Kriterium bewertet werden.

Die genauen Kriterientexte finden sich in der im Januar 2014 online gestellten Katalogversion 5.1 [10].

Mit der Implementierung des beschriebenen Rechenweges ist es möglich, Gebäude unterschiedlicher Energiekonzepte miteinander zu vergleichen und von Fall zu Fall zu entscheiden, welches Konzept – auch unter Wirtschaftlichkeitsaspekten - das geeignetste ist. Die Konzepte „Passivhaus“ und „Aktivhaus“ haben sich in den vergangenen Jahren ohnehin angenähert, viele Passivhäuser haben – auch größere - thermische Solaranlagen, viele „Aktivhäuser“ haben inzwischen einen sehr guten Wärmeschutz, einige zusätzlich eine Komfortlüftung.

Literatur

  1. W. Wagner et al.: Forschungsprojekt Passivhauswohnanlage Lodenareal – Endbericht Gleisdorf, Dezember 2012
  2. M. Treberspurg, R. Smutny et al.: Nachhaltigkeits-Monitoring ausgewählter Passivhaus-Wohnanlagen in Wien
  3. Sven Kobelt: Ergebnisse der messtechnischen Analyse von SolarAktiv Häusern Solar- und Wärmetechnik Stuttgart, Präsentation HeizSolar – 3. Experten-Workshop Mannheim, März 2013
  4. J. Wellstein: Solares Wohnen überzeugt, in: hk Gebäudetechnik 12/2012[5]
  5. M. Ploss et al.: Analyse des kostenoptimalen Anforderungsniveaus für Wohnungsneubauten in Vorarlberg , Energieinstitut Vorarlberg, Dornbirn, 2013
  6. OIB-Dokument zur Definition des Niedrigstenergiegebäudes und zur Festlegung von Zwischenzielen in einem „Nationalen Plan“ gemäß Artikel 9 (3) zu 2010/31/EU
  7. klima:aktiv Bauen und Sanieren: Kriterienkatalog Wohngebäude Neubau , Version 5.0 (Januar 2012) erstellt von Energieinstitut Vorarlberg + Österreichisches Institut für Bauen und Ökologie GmbH Lebensministerium, bmvit (Auftraggeber)
  8. ÖNORM H 5056 Ausgabe 2011-03-01 Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden - Heiztechnikenergiebedarf, Österreichisches Normungsinstitut, Wien
  9. W. Hilz: Projektierung von Sonnenhäusern, HeizSolar Expertenworkshop, Sonnenhaus Institut, Berlin, Oktober 2012
  10. klima:aktiv Bauen und Sanieren: Kriterienkatalog Wohngebäude Neubau, Version 5.1 (Januar 2014) erstellt von Energieinstitut Vorarlberg + Österreichisches Institut für Bauen und Ökologie GmbH Lebensministerium, bmvit (Auftraggeber)

Autorenbeschreibung

Arch. DI Martin Ploss leitet den Bereich energieeffiziente und ökologische Gebäude am Energieinstitut Vorarlberg, This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

Daniela Bachner, MSc, war als Mitarbeiterin des EIV maßgeblich an der Erstellung der Studie beteiligt. Sie ist inzwischen Mitarbeitern bei e7 Energie Markt Analyse, Wien.

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