Nachhaltige Gebäudekonzepte im Nichtwohnungsbau

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Energieeinsatz in Bürogebäuden

Im Rahmen des Förderprogramms "Solar optimiertes Bauen - SolarBau" des Deutschen Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit werden Projekte aus dem Nichtwohnungsbereich dann gefördert, wenn der prognostizierte Primärenergiebedarf für die gesamte Gebäudetechnik 100 kWh/m² pro Jahr nicht überschreitet.

Energieeinsatz in Bürogebäuden

Von Karsten Voss, Sebastian Herkel, Günter Löhnert und Andreas Wagner*

Ziel der Demonstrationsbauten ist die Verbindung einer hohen Arbeitsplatzqualität mit niedrigem Energieverbrauch. Ein Begleitforschungsprogramm evaluiert die Gebäude über eine zweijährige messtechnische Kampagne.
Der Energieverbrauch von Bürogebäuden ist bis heute nur selten zentraler Gegenstand des Interesses ihrer Bauherren und Planer. Zahlreiche Bürobauten der 80er-Jahre wurden zu Lasten des Energieverbrauchs daraufhin ausgerichtet, eine möglichst vollständige Entkopplung des Innenklimas vom Außenklima zu erreichen. Der thermische und visuelle Komfort in Büroräumen wird von der umfangreichen technischen Gebäudeausrüstung (TGA) für Heizung, Lüftung, Klimatisierung und Beleuchtung gewährleistet. Der überwiegende Teil des Stromverbrauchs wird nicht durch die Bürogeräte sondern durch die TGA verursacht [1,2].

Heizen und Kühlen

Trotz der mit dem Stromverbrauch verbundenen Wärmeentwicklung im Gebäude treten auf Grund des hohen Verglasungsanteils und der hohen Lufterneuerungsraten hohe Wärmeverbräuche für die Raumheizung auf. Ein typisches Energieverbrauchsprofil als Funktion der Außentemperatur zeigt qualitativ Abbildung 1. Zusätzlich zu einem klimaunabhängigen Sockelbetrag des Energieverbrauchs wird unterhalb der Gleichgewichtstemperatur geheizt und befeuchtet, darüber gekühlt und entfeuchtet. Der Sockelbetrag resultiert aus der Geräteausstattung und dem Leerlaufbetrieb der technischen Gebäudeausrüstung. Dieser Sockelbetrag beeinflusst durch seine Abwärme die Lage der Gleichgewichtstemperatur: Je höher der Sockelbetrag ist, desto niedriger fällt die Gleichgewichtstemperatur aus. Darüber hinaus folgt die Zuordnung von Betriebstagen im jeweiligen Modus - Heizen/Kühlen - aus der Jahresdauerlinie der Außentemperatur nach Abbildung 2. Basis sind Tagesmittelwerte der Außentemperatur nach METEONORM und Messungen der Klimastation des Fraunhofer ISE in Freiburg für das Jahr 2002.
In der Praxis existieren kaum Tage, an denen weder geheizt noch gekühlt wird. Zeitweise wechseln sich zu Lasten des Energieverbrauchs Heizen und Kühlen im Tagesverlauf oder örtlich im Gebäude ab.

Sick Building Syndrome

Die vielfältigen technischen Bemühungen um ein gutes Raumklima wurden immer wieder begleitet von Klagen des Büropersonals über Befindlichkeitsstörungen unterschiedlichster Art, die unter dem so genannten "Sick Building Syndrome" zusammengefasst werden [3]. Eine aus diesem Anlass durchgeführte Studie, das sogenannte "ProKlima-Projekt", kommt zu dem Ergebnis, dass Gebäude mit Klimaanlagen zwar ein objektiv gutes Raumklima erreichen, von der Mehrzahl der befragten Personen subjektiv jedoch trotzdem deutlich ungünstiger als natürlich belüftete Arbeitsplätze bewertet werden [4]. Maßgeblichen Einfluss auf die Bewertung nimmt der Grad an individueller Beeinflussbarkeit des Raumklimas am Arbeitsplatz.
Neuerliche Tendenzen in der Architektur nehmen die Kritikpunkte der Nutzer auf. In zunehmenden Maße werden Bürogebäude realisiert, die ein hohes Maß an individueller Einflussnahme auf das Raumklima zulassen und die weitgehende Entkopplung vom Außenklima durch eine moderate Ankopplung ersetzen. Tageslichtorientierte Arbeitsplätze gehören ebenso wie die Möglichkeit zur freien Lüftung durch öffenbare Fenster zu den Merkmalen solcher Gebäude. Der Verzicht auf eine sommerliche Aufbereitung der Zuluft durch aktives Kühlen oder Entfeuchten gelingt aber erst durch ein integral geplantes Maßnahmenpaket zur sogenannten "passiven Kühlung".
Auf Grund des geringeren Umfangs an raumlufttechnischen Anlagen wurde für derartige Konzepte der Begriff der "schlanken Gebäude" eingeführt [5]. In Analogie zu der Entwicklung von Passivhäusern des Wohnungsbaus besteht die Aufgabe Gebäude so zu konzipieren, dass über einen großen Variationsbereich des Außenklimas das Raumklima im Rahmen eines definierten Komfortbereichs bleibt, der mit den Erwartungen der Nutzer übereinstimmt.

Energieverbrauch in Verwaltungsgebäuden

Knapp ein Viertel des deutschen Gebäudebestands fiel 1995 in die Kategorie des Nichtwohnungsbaus. Dies entspricht einer Nettogrundfläche von knapp 1 Mrd. m², darunter 110 Mio. m² für reine Büronutzung [6, 7]. Innerhalb der bundesdeutschen Energiestatistik werden diese Gebäude im Sektor "Gewerbe, Handel und Dienstleistungen (GHD)" geführt. Während beim Sektor der Haushalte die Bereitstellung von Wärme für die Raumheizung und Trinkwassererwärmung mit anteilig 92% als dominante Energiedienstleistung identifiziert werden kann, sinkt die Bedeutung der Wärme im GHD-Sektor auf bereits 71% [8]. Diese Zahlen lassen sich jedoch nicht auf Verwaltungsgebäude übertragen, da sie nur einen Bruchteil des Energieverbrauchs im GHD-Sektor verursachen. Daher werden im Folgenden Referenzgruppen von Gebäuden ausgewertet, um zu generalisierbaren Aussagen für erfolgversprechende Energieverbrauchs- und CO2-Minderungsstrategien speziell für Verwaltungsgebäude zu gelangen.
Mit der VDI-Richtlinie 3807 liegt eine einheitliche Darstellung von Energiekennzahlen für eine Vielzahl von Gebäudearten vor, darunter rund 1.000 Bürogebäude [9]. Energiekennzahlen im Sinne der VDI 3807 bezeichnen Verbrauchswerte von Endenergie - fossile Energieträger, Fernwärme oder Strom - bezogen auf eine gebäudespezifische Flächeneinheit. Im Weiteren wird abweichend von der VDI-Richtlinie als Flächeneinheit die beheizte Nettogrundfläche NGF als Bezugseinheit vereinbart [10]. Diese Vorgehensweise hat sich für Wohngebäude bewährt. Auf einen Volumenbezug der Energiekennwerte wurde verzichtet, da bei Bürogebäuden nutzungsbedingt zumeist keine großen Raumhöhen erforderlich sind. Energierelevante Lüftungsvolumenströme werden nicht über das Innenvolumen, sondern über die lufthygienischen oder raumklimatischen Anforderungen bestimmt. Dies ändert sich erst beim Vergleich mit Industrie- oder Laborbauten.
Abbildung 3 zeigt die Energiekennzahlen nach VDI 3807 in einer Gegenüberstellung mit Daten aus weiteren nationalen Quellen [6, 11, 12], einer Schweizer Querschnittsstudie [13] und einem frühen deutschen Pilotprojekt [14]. Als Energiebezugsfläche dient die beheizte Nettogrundfläche.

Abbildung 1: Endenergieverbrauch eines Bürogebäudes mit mäßigem Wärmeschutz und aktiver Kühlung

Abbildung 2: Jahresdauerlinie der Außentemperatur für zwei Standorte in Deutschland

Die Tatsache, dass alle Quellen mit Ausnahme des Niedrigenergiebürogebäudes (LEO 97) Endenergieverbräuche in der Größenordnung von 140 kWh/m² (+/- 13) für den Bereich Wärme aufzeigen, deutet auf eine gute statistische Absicherung hin. Dagegen ist die Streubreite des Stromverbrauchs größer. Dies zeigt sich auch innerhalb der Einzeluntersuchungen. Die dominierenden Einflussfaktoren auf den Stromverbrauch sind der Grad der Ausstattung mit raumluft- und klimatechnischen Anlagen und der Technisierungsgrad der Büroausstattung.

Förderprogramm SolarBau

Schwerpunktmäßig energierelevante Planungsaufgabe ist die technische Gebäudeausrüstung für Heizung, Lüftung, Klimatisierung und Beleuchtung. Dieses Vorgehen deckt sich mit jenem in der neuen EU-Verordnung und wird in den kommenden Jahren in Deutschland eingeführt werden [Hegner]. Mit dem Förderprogramm SolarBau des BMWA wurden die dazugehörigen Vorläuferprojekte initiiert [15].
Die Kernpunkte für ein Demonstrationsprojekt im Sinne des Förderkonzepts SolarBau sind:

Abbildung 4 zeigt beispielhaft eine mögliche Zusammensetzung des Energiebezugs für ein Gebäude aus dem Förderprogramm verglichen mit der Querschnittserhebung im Bestand nach [13]. Die Teilenergiekennzahlen stimmen gut mit Erwartungswerten aus Simulationsrechnungen überein [16]. Eine Primärenergiekennzahl von 100 kWh/m²a entspricht annähernd einer Verbrauchsreduktion um den Faktor 3. Zielführend dafür ist zunächst eine Minderung des Heizwärmeverbrauchs auf unter 40 kWh / m²a und der Verzicht auf eine Klimatisierung. Verbesserte Tageslichtnutzung in Verbindung mit effizienter künstlicher Beleuchtung senkt den Stromverbrauch. Die Integration erneuerbarer Energien in die Wärme- und Stromversorgung mindert den Energiebezug (Solarkollektoren, Biomasse) oder ersetzt in einer Bilanzbetrachtung einen Teil des Netzstrombezugs.

Energiekennzahlen der SolarBau-Demoprojekte

Anfang 2003 befanden sich 20 Projekte in der Förderung (siehe Tabelle 1, Seite 12). Ein Teil davon ist bereits abgeschlossen (6 Projekte), weitere befinden sich der Messphase (11), andere in Planung und Bau (3). Neben individuellen Forschungsthemen war es Ziel aller Projekte, Energieverbräuche und Energiekennzahlen detailliert zu erfassen und zu analysieren [15].
Abbildung 5 fasst die Ergebnisse von Projekten mit überwiegend büroähnlicher Nutzung anhand von Anfang 2003 zur Verfügung stehenden Jahresmessdaten grafisch zusammen. Primärenergiefaktoren und Stromgutschriften basieren auf DIN 4701/10. Zur Vereinfachung der Bilanzierung wird Solarstrom (PV) mit der gleichen Stromgutschrift wie die Kraft-/Wärmekopplung (KWK) bewertet, Biomasse für Heizzwecke erhält den Primärenergiefaktor 0,2.

Abbildung 3: Messtechnisch ermittelte Endenergie (links) und Primärenergieverbrauchskennzahlen (rechts) von Verwaltungsgebäuden

Abbildung 4: Zielwerte aus dem Förderkonzept SolarBau verglichen mit Verbrauchswerten für Bürogebäude aus dem Bestand nach [13]

Zahlenwerte werden in Abbildung 6 (Seite 13) für die Gebäude vorgestellt, bei denen eine Aufschlüsselung in Teilenergiekennzahlen möglich ist. Diese Art der Aufschlüsselung benötigt vor allem für die elektrische Energie ein sehr detailliertes Zählkonzept. In vielen Fällen hat die detaillierte Stromverbrauchsanalyse dazu beigetragen, Mängel im Anlagenbetrieb aufzudecken und zu beseitigen.
Von neun dargestellten Gebäuden liegen sechs unter dem vereinbarten Grenzwert des Primärenergiebezugs von 100 kWh/m²a, vier darüber. Auch das 1996 fertiggestellte LEO (Low Energy Office, Köln, als Vergleichsprojekt zu den SolarBau-Gebäuden) bleibt noch oberhalb des Grenzwertes. Erfreulich ist, dass sämtliche Gebäude weit unterhalb der Vergleichswerte nach [Weber] liegen, Abbildung 4. Die Gründe für die Überschreitung des Zielwertes liegen in einem unerwartet hohen Heizwärmeverbrauch (DB, FH BRS) oder hohen Stromeinsatz für die Beleuchtung (FH BRS, ECOTEC). Im Falle ECOTEC ist der Stromeinsatz für Heizen und Kühlen der Zuluft über reversible Wärmepumpen eine weitere Ursache.
Unter "andere Energieträger" wird überwiegend der Energieeinsatz für die Wärmeerzeugung bilanziert (Gas, Fernwärme, Biomasse). Auf der Ebene der Endenergie weisen die Gebäude Lamparter und Wagner als Deutschlands erste Passivhäuser des Nichtwohnungsbaus erwartungsgemäß die niedrigsten Werte auf [17, 18]. Das Pollmeier-Gebäude vermeidet hohen Primärenergieeinsatz bei einem im ersten Betriebsjahr unerwartet hohen Heizwärmeverbrauch von 58 kWh/m²a (ca. 73 kWh/m²a Endenergie) durch weitgehend CO2-neutrale Restholzverbrennung aus dem eigenen Sägewerk. Anlagen zur Kraft-/Wärmekopplung führen gemäß EnEV zu einer Primärenergiegutschrift (Wagner, ISE), da der gemessene Gasbezug auch zur Stromerzeugung und damit zur Substitution von Netzstrom beiträgt. Günstig wirkt sich auch der Wärmebezug aus einem Fernwärmenetz mit Kraftwärmekopplung aus (ECOTEC, ZUB).
Einen genaueren Blick auf die Verbräuche ausgewählter Gebäude erlaubt Abbildung 6 (Seite 13). Dabei wird deutlich, wie eng bei hohem Energiebezug zum Heizen der Spielraum für den Strombezug ist, soll der Grenzwert von 100 kWh/m²a nicht überschritten werden. Erst bei sehr niedrigem Wärmeverbrauch dominiert der Strombezug die Primärenergiebilanz (Lamparter). Dies ist bei vollklimatisierten Gebäuden durch den höheren Strombezug nicht der Fall. Auffällig hoch ist der Strombezug für Beleuchtung beim Gebäude Pollmeier, ausgesprochen niedrig dagegen bei ZUB und ISE. Die Ursachen dafür können eindeutig den jeweiligen Tages- und Kunstlichtkonzepten zugeordnet werden. Unterschiede im Stromverbrauch für die Lüftung ergeben sich ebenfalls aus den Anlagenkonzepten und dem Einsatz mechanischer oder freier Lüftung für die nächtliche Entwärmung der Gebäude im Sommer. Dass trotz Forderung nach ausschließlich passiver Kühlung Energie für die Klimatisierung bezogen wurde, liegt an Räumen mit besonderen Nutzungsanforderungen (Seminarräume, Rechnerzentralen, etc.)

Abbildung 5: End- und Primärenergieverbräuche (E, P) ausgewählter Demoprojekte

Fazit

Die Planung, Umsetzung und Evaluierung von Bürogebäuden unter Maßgabe eines ganzheitlichen Primärenergiezielwertes hat belastbare Ergebnisse auf einem in dieser Breite und Tiefe noch neuen Arbeitsgebiet ergeben. Dem Förderkonzept SolarBau kommt damit eine Vorreiterfunktion für künftige Planungsaufgaben unter Berücksichtigung einer auf die Bereiche Lüftung, Klimatisierung und Beleuchtung erweiterten Energieeinsparverordnung im Sinne der gegenwärtig diskutierten EU-Richtlinie zur Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden zu.

Tabelle 1: Die Demonstrationsprojekte im Förderkonzept SolarBau und ihre Besonderheiten, Stand 02/2003

Abbildung 6: End- und Primärenergieverbräuche (E, P) ausgewählter Demoprojekte (Datenquelle: jeweils die mit dem Messprogramm beauftragte Hochschule)

Umfangreiche Zusatzinformation zu sämtlichen Demonstrationsprojekten befindet sich unter www.solarbau.de im Internet.

Literatur
[1] Leibundgut, H.: Neue Gebäude mit leichtem Gepäck, Schweizer Ingenieur und Architekt, Nr. 26, S. 16-20, 2000
[2] Hörner, M.: Energiekennwerte und Benchmarking für Elektrizität in Bürogebäuden, Energieeffiziente Büro- und Verwaltungsbauten, Impuls und VDI Kongress, Frankfurt, 1998
[3] Redlich, C. A. Sparer, J., Cullen, M. R.: Sick-building syndrome, The Lancet, vol. 349, p. 1013-1016, 1997
[4] Kruppa, B., Bischof, W., Bullinger-Naber, M.: Positive und negative Wirkungen raumlufttechnischer Anlagen auf Behaglichkeit, Leistungsfähigkeit und Gesundheit, GI, Jg. 123, Heft 2, S. 88-95, 2002
[5] Voss, K.: Schlanke Gebäude - Hohe Arbeitsplatzqualität bei geringem Energieverbrauch, Energieeffizientes Bauen, Heft 3, S. 12-17, 2001
[6] Ikarus Datenbank, Version 3.1, Fachinformationszentrum Karlsruhe, 1999
[7] Erhorn, H., Gierga. M.: Bestand und Typologie beheizter Nichtwohngebäude in Westdeutschland, Fraunhofer IBP, Bericht WB 72, Stuttgart, 1992
[8] Endenergieverbrauch in Deutschland 2001, VDEW Drucksache M-23/2002, Frankfurt, 2002, http://www.ag-energiebilanzen.de
[9] VDI 3807: Energieverbrauchskennwerte für Gebäude, Blatt 1, 1994, Blatt 2, 1997, Beuth-Verlag, Berlin
[10] DIN 277: Grundflächen und Rauminhalte von Bauwerken im Hochbau, Beuth-Verlag, Berlin,1987
[11] Energie- und Wasserverbrauchskennwerte in der Bundesrepublick Deutschland, Ausgaben 1990, 1996, 1999, ages, Münster, www.ages-gmbh.de
[12] Froehlich, S., Wagner, A., Wambsganss, M., Schlums, M.: Enerkenn - Web-Based Method to Generate specific Energy Consumption data for Evaluation and Optimization of Office Building Operation, proceedings of the EPIC Conference Lyon, 2002, www.enerkenn.de
[13] Weber, L.: Energie in Bürogebäuden - Verbrauch und Energierelevante Entscheidungen, vdf Hochschulverlag an der ETH Zürich, CH, 2002
[14] Willbold-Lohr, G.: Das Kölner Low-Energy-Office, Impuls-VDI Kongress, Frankfurt, 1998
[15] Voss, K., Löhnert, G., Wagner, A.: Energieeffizienz und Solarenergienutzung im Nichtwohnungsbau - Konzepte und Bauten, Fraunhofer ISE, Freiburg, Bezug: Informationsdienst BINE, http://bine.fiz-karlsruhe.de, 2001
[16] Knissel, J.: Energieeffiziente Büro- und Verwaltungsgebäude, Institut Wohnen und Umwelt, Darmstadt, 1999, http://www.iwu.de
[17] Spieler, A. et. al.: Ein Jahr im Passiv-Solarhaus von Wagner Co. Solartechnik, Energieeffizientes Bauen, 2000, im Internet unter www.solarbau.de
[18] Seeberger, P.: Passiv-Bürohaus Lamparter - Projektpräsentation und erste Messergebnisse, 5. Passivhaus Tagung, Tagungsband, S. 320-326, Böblingen, 2002, im Internet unter www.solarbau.de

*) Prof. Dr.-Ing. Karten Voss ist Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme, Freiburg, und seit April 2003 Professor für Bauphysik und Technische Gebäudeausrüstung an der Universität Wuppertal, k.voss@uni-wuppertal.de
Dipl.-Ing. Sebastian Herkel ist Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme
Dr. Günter Löhnert ist Architekt und Inhaber der sol'id'ar planungswerkstatt berlin, Architekten und Ingenieure
Prof. Andreas Wagner ist Professor für Bauphysik und Technischer Ausbau an der Universität Karlsruhe [^]