Nachhaltige Gebäudekonzepte im Nichtwohnungsbau

Sanierung

Der Betrieb von zehntausenden österreichischen Büro- und Verwaltungsgebäuden sorgt für einen enormen jährlichen Energieverbrauch.

Überhitzungsschutz im Bestand von Bürogebäuden

Von Ernst Blümel und Christian Fink*

Nicht nur die Wärmeversorgung spielt bei diesen Gebäuden eine zentrale Rolle, sondern in zunehmendem Maße ist es die Klimatisierung, die signifikante Anteile am Energieverbrauch einnimmt. Im gesamten EU-Raum beträgt der Kühlbedarf in Büro- und Verwaltungsgebäuden bereits 193 PJ, was einem Erdöläquivalent von 4.608 Mto gleichkommt [1]. Betrachtet man dazu die Kostenseite, so summieren sich die Energiekosten im Fall eines voll klimatisierten Gebäudes in 50 Jahren Betrieb auf etwa die Hälfte der Investitionskosten für das Gebäude [2].

Behaglichkeit und Produktivität

Ein wesentlicher Faktor bei der Beurteilung von "Nutzungsqualität" und "Behaglichkeit" ist die Temperatur am Arbeitsplatz. Eine Schweizer Studie [3] zeigt deutlich, dass ein Mensch in sommerlicher Bekleidung und sitzender Beschäftigung bei einer Raumtemperatur von 23°C seine höchste Leistungsfähigkeit besitzt. Steigt die Temperatur darüber, sinkt die Leistungsfähigkeit enorm. Bei Arbeitsplatztemperaturen von beispielsweise 28°C sinkt die Produktivität eines Menschen um 25%.
Vor allem im Bestand von Büro- und Verwaltungsbauten hat der verstärkte Einsatz von EDV- und Bürogeräten in den letzten 10 Jahren häufig zum Überschreiten von Behaglichkeitsgrenzen geführt. Häufig existieren zusätzlich noch ungünstige Voraussetzungen wie hohe externe Lasten (Sonneneinstrahlung, Lüftung), hohe Belegungsdichten, wenig Speichermassen, etc., was die Situation erheblich verschärft und somit Handlungsbedarf für den Arbeitgeber bringt.
In der Regel wird diesem Handlungsbedarf mit dem Einbau von konventionellen Kompressionskältemaschinen begegnet. Vor allem die relativ einfache nachträgliche Installation ist es, die konventionelle Kälteanlagen attraktiv erscheinen lassen.

Hoher Strombedarf durch Klimatisierung

Nicht in Betracht gezogen werden bei der Installation von konventionellen Klimaanlagen zumeist die Energieverbräuche. So belegt beispielsweise eine Studie aus Deutschland [4], dass der Strombedarf für klimatisierte Bürogebäude in der Größenordnung von 50 kWh/m²a liegt. Hochgerechnet mit dem Primärenergiefaktor für Strom liegt der Kühlbedarf damit über dem Heizwärmebedarf und bietet damit ein enormes Potenzial zur Senkung des Primärenergiebedarfs und zur Senkung der Betriebskosten. Die Minimierung des Strombedarfs für Klimatisierung kann grundsätzlich durch zwei Ansätze erreicht werden: Minimierung der externen und internen Lasten und Deckung des Restbedarfs mit Umweltenergien (passive Kühlsysteme). Dies gilt sowohl für den Neubau als auch für die Sanierung.

Nationales Forschungsprojekt

Um Lösungsansätze für diese Problemstellung zu definieren, hat die AEE/intec in Kooperation mit dem Institut für Wärmetechnik an der TU-Graz seit Jänner 2003 das Projekt COOLSAN innerhalb der Programmlinie "Haus der Zukunft" des BMVIT gestartet. Ziel dieses Projektes ist es, mit innovativen Sanierungskonzepten den Energiebedarf zur Erreichung und Einhaltung von zufriedenstellenden Behaglichkeitsgrenzen im Bestand von Bürogebäuden zu minimieren. Dabei werden folgende Fragestellungen behandelt: Wie kann die Schaffung von Behaglichkeit im Bestand von Bürogebäuden ohne die Nutzung energieintensiver Kompressionskälteanlagen erfolgen? Wie können Energieverbrauch und Betriebskosten von Büro- und Verwaltungsgebäuden gesenkt werden, wenn bereits Kompressionskälteanlagen installiert sind?

Ergebnisse der Gebäudeanalysen

Im ersten Schritt wurden 15 bestehende Büro- und Verwaltungsgebäude (ca. 70.000 m² Büronutzfläche) hinsichtlich der Behaglichkeit und des Energieverbrauchs in den Sommermonaten analysiert. Bei rund zwei Drittel der untersuchten Objekte stellt primär die Überhitzung in den Büroräumen das größte Problem dar. Das verbleibende Drittel der dokumentierten Bürogebäude weist zu hohe Stromkosten für die Klimatisierung auf.
Abbildung 2 zeigt den Raumtemperaturverlauf eines Südbüros der dokumentierten Objekte. Es ist zu erkennen, dass das thermische Behaglichkeitsfeld zwischen 22 und 26°C [5] über zwei Wochen hindurch täglich deutlich überschritten wird.
Weiters wurden die Ursachen für die genannten Problemstellungen (Wärmelasten bzw. Energieeinträge) ermittelt und analysiert. Die Basis dieser Analysen bilden dabei die Daten der Vor-Ort-Begehung (Wandaufbauten, Personenbelegung, EDV- und Beleuchtungsausstattung, Verschattungssystem, etc.) und die Ergebnisse aus der Nutzerbefragung (Anwesenheitsprofil, Nutzerprofile für die Verschattungen, Beleuchtung, EDV-Geräte, etc.). Durch diese Dokumentationen war es möglich "reale" Lasten darzustellen (siehe Abbildung 3, obere Grafik).
Die Bandbreite der Kühllast reicht von knapp 35 bis 80 W/m². Dabei machen die solaren Lasten nahezu durchwegs mehr als 50% der Gesamtlast aus. Zum einen liegt der Grund dafür an den zum Teil großen Verglasungsflächen der dokumentierten Objekte (das Verhältnis AFenster/ABürofläche beträgt bis zu 0,5, siehe auch Abbildung 4), zum anderen an den ungünstigen Verschattungssystemen (z. B. innenliegende Markisen). Bei den internen Lasten überwiegt noch immer die Last der EDV-Ausstattung.
Neben den spezifischen Kühllasten wurde als zweite Kennzahl der Wärmeeintrag (Wh/m²d) herangezogen. Abbildung 3 (untere Grafik) zeigt dazu die Gegenüberstellung der Ergebnisse zu den Objekten. In diese Auswertung fließen das Benutzerverhalten und die Dauer der verschiedenen Lasten ein.

Abbildung 1: Überhöhte Raumtemperaturen und hohe Stromkosten durch Klimatisierung sind ein wesentlichen Thema im Bürobestand

Abbildung 2: Gemessene Raumtemperaturen in einem Südbüro der dokumentierten Objekte für den Zeitraum vom 1. bis 15. 8. 2003)

Die gesamte Bandbreite der Wärmeeinträge bewegt sich zwischen 300 und 1.000 Wh/m²d. Umgerechnet in Wärmelasten (Bezugszeit acht Stunden) ergibt das einen Mittelwert von 40 - 125 W/m², der über die gesamte Arbeitszeit konstant abgeführt werden muss, um Überhitzungen zu vermeiden.

Ausblick

Die Erkenntnisse aus den bisherigen Arbeiten haben bestätigt, dass der sommerliche Betrieb von Bürogebäuden ein immer größeres Problem darstellt. Dies spiegelt sich am häufigsten durch überhöhte Temperaturen in den Büroräumen bzw. hohe Stromkosten bei Objekten mit Vollklimaanlagen wider. Wesentliches Projektziel ist es, Konzepte zum Schutz vor sommerlicher Überwärmung von Bürogebäuden für den Sanierungsfall zu entwickeln und auf ihre Effizienz und Realisierbarkeit zu überprüfen. Zu diesem Zweck werden im weiteren Projektverlauf zwei konkrete Sanierungsobjekte mit hohem Umsetzungspotenzial ausgewählt und für diese innovative und nachhaltige Kühlkonzepte erarbeitet und in der dynamischen Simulationsumgebung TRNSYS simuliert.
Die Simulationsergebnisse zu den einzelnen Maßnahmenpaketen werden dann nach den Kriterien Behaglichkeit, Ökologie, Ökonomie und technische Umsetzbarkeit bewertet und als Basis für den Umsetzungsprozess weiterer Bürogebäude verwendet.

Abbildung 3: Kühllast und Wärmeeintrag der erhobenen Objekte

Abbildung 4: Großzügige Verglasungsflächen mit unzureichenden Verschattungssystemen führen zu hohen durchschnittlichen solaren Lasten

Literatur
[1] Europäische Union; Green Paper - Towards a European Strategy for the Security of Energy Supply, Technical Document, Brussels, 2000
[2] Voss, K., Löhnert, G., Wagner, A.: Energieeffizienz und Solarenergienutzung im Nichtwohnungsbau; Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme, Freiburg, 2001
[3] Zimmermann, M.: Handbuch der passiven Kühlung; EMPA Dübendorf, Schweiz, 1999
[4] Eicker, U.: Solares Kühlen: Einführung in die Technologie; Tagungsband "Erstes Symposium "Solares Kühlen in der Praxis", Fachhochschule Stuttgart, 2001
[5] DIN 1946 Raumlufttechnik, Teil 2: Gesundheitstechnische Anforderungen (VDI Lüftungsregel), DIN Deutsche Institut für Normung e.V., Berlin 1994

*) Dipl.- Ing. Ernst Blümel und Ing. Christian Fink sind Mitarbeiter der AEEINTEC, e.bluemel@aee.at [^]