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2009-01

Nachhaltige Gebäude

Abbildung 1: Ansicht des Haupthauses von Westen (Quelle: RKW Architekten, Fotograf: Carsten Costard)

Im Rahmen des Förderprogramms „Energieoptimiertes Bauen“ werden seit 1995 Demonstrationsgebäude gefördert, anhand derer innovative Energiekonzepte und Technologien aufgezeigt und überprüft werden. Das Haupthaus der KfW Bankengruppe in Frankfurt a.M. ist eines davon.

Revitalisierung des Haupthauses der KfW Bankengruppe in Frankfurt a.M.
Energiekonzept und Messergebnisse

Von Michael Kleber und Andreas Wagner *

Dieses Bürogebäude wurde 1968 im Frankfurter Westend nahe des Palmengartens erbaut und von 2003 bis 2006 saniert. Im Rahmen des Teilprogramms EnSan [1] wurde die Sanierung durch das Fachgebiet Bauphysik und Technischer Ausbau (fbta) wissenschaftlich begleitet und ein zweijähriges Monitoring durchgeführt.
Das Gebäude besteht aus vier miteinander verbundenen Bürotürmen mit zehn bis fünfzehn Geschoßen (Abbildung 1). Der vierte, nördlichste Turm wurde im Zuge der Sanierung um drei auf elf Geschoße erhöht. Das Gebäude hat heute eine Nettogeschoßfläche von 21.875 m² und bietet Platz für 575 Mitarbeiter. Das Regelgeschoß weist im Wesentlichen nach Osten und Westen orientierte Büroräume auf, die jeweils über einen Flur erschlossen werden. Zwischen den beiden Fluren befinden sich Treppenhäuser und Aufzüge, Sanitärräume, Teeküchen und Archivräume. Im neunten Obergeschoß zweier Türme gibt es Speiseräume mit einer angegliederten Küche, das Erdgeschoß wurde erweitert, so dass dort heute ein großer Sitzungssaal, drei kleinere Sitzungsräume, eine Wandelhalle und ein helles Eingangsfoyer das Raumprogramm ergänzen.
Ausschlaggebend für die Sanierung waren nicht länger hinzunehmende Mängel im Brandschutz, eine nicht mehr zeitgemäße Arbeitsplatzsituation in den Büros und in die Jahre gekommene haustechnische Anlagen. Die KfW Bankengruppe, die in Deutschland den Klimaschutz im Wohngebäudebereich und im mittelständischen Gewerbe fördert, wollte nicht nur die funktionale und gestalterische Qualität deutlich steigern, sondern im Rahmen einer integralen Planung ein energieeffizientes Gebäude umsetzen und so die Ziele ihrer eigenen Förderprogramme unterstreichen.
Als eines der Hauptkriterien in EnSan galt damals die Senkung des Primärenergieverbrauchs in den Bereichen Heizen, Lüften, Kühlen und Beleuchten um mindestens 50% gegenüber dem Zustand vor der Sanierung. Dieser spezifische Jahresverbrauch des Bestandsgebäudes wurde 2001 mit 247 kWh/m²a ermittelt, was aufgrund der bereits eingesetzten Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung ein guter Kennwert war, den zu halbieren folglich ein ambitioniertes Ziel darstellte.

Energiekonzept

Durch die Zusammenarbeit von Projektsteuerer, Architekten, Fachplanern und Energieplanern entstand ein integrales Gebäude- und Energiekonzept. Die Energieplaner führten regelmäßig die Primärenergiebilanz für den jeweils aktuellen Planungsstand nach und kommunizierten diese an das Team. Die Berechnung erfolgte nach einer eigens entwickelten Systematik, die sich jedoch an Richtlinien wie z.B. dem LEE [2] oder Methoden der DIN V 18599 [3] orientiert, ergänzt durch Simulationsrechnungen mit TRNSYS [4] und Radiance [5].
Die Büroräume werden über Radiatoren im Brüstungsbereich beheizt. Im Erdgeschoß sind die Halle, das Foyer und der große Sitzungssaal mit einer Fußbodenheizung versehen, einige Lüftungsanlagen verfügen über Vor- bzw. Nacherhitzer sowie Wärmerückgewinnung. Die Standardbüros werden je Turm über eine zentrale Abluftanlage belüftet. Dabei strömt Außenluft über Nachströmöffnungen oberhalb jedes zweiten Fensters in die Büros. Abgesaugt wird die Abluft über die Schattenfuge der abgehängten Decke in den Zwischenraum und von dort in einen zentralen Abluftkanal, der sie über das Dach nach außen führt.
Diese Lüftung ist präsenz- und außentemperaturabhängig geregelt, um unnötige Lüftungswärmeverluste im Winter und vermeidbare Wärmeeinträge im Sommer zu vermeiden. Im Sommer wird die Lüftung nachts auch zur Nachtkühlung genutzt, um die Kühllasten in den Büros tagsüber möglichst weit zu reduzieren. Der innovative, automatische Sonnenschutz aus einem Glas-Sandwichelement mit eingelegtem Streckmetall verringert zusätzlich die externen Lasten. Der verbleibende Kühlbedarf wird über Kühldecken gedeckt. Der Klimaboden im großen Sitzungssaal kann auch gekühlt werden, die Lüftungsanlagen des Sitzungssaals, der Halle, der Küche und weiterer Räume mit höheren Lasten sind mit Luftkühlern ausgestattet.
Die Beleuchtung in den Büros ist präsenz- und tageslichtabhängig ausgeführt, die installierte Leistung beträgt 16 W/m², wobei theoretisch auf dem Arbeitsplatz eine Beleuchtungsstärke bis 1200 lx möglich ist, momentan aber eine Einstellbarkeit durch den Nutzer zwischen 300 und 750 lx implementiert wurde. In den Fluren beträgt – bis auf wenige Ausnahmen – die installierte Leistung 6 W/m².
Neben den klassischen Energieträgern war auch die Ressource Wasser Gegenstand des Energiekonzeptes. In den WCs wurden Vakuum-Toiletten installiert, das Wasser aus den Waschbecken wird einer Grauwassernutzung zugeführt und das Regenwasser vom Dach wird in einer Zisterne gesammelt und für die Gartenbewässerung genutzt.
Die Bereitstellung von Wärme und Kälte erfolgt aus einem Kraft-Wärme-Kälte-Verbund, in den drei BHKW, zwei neue Gasbrennwertkessel, vier Absorptionskältemaschinen und vier Kompressionskältemaschinen integriert sind. Dieser Verbund versorgt auf dem Areal der KfW zur Zeit noch zwei weitere Gebäude. Der Betrieb dieses Verbundes wirkt sich entscheidend auf die Primärenergiefaktoren und somit auch auf die Primärenergiebilanz aus. Diese Verbrauchsbilanz für die ersten zwei Jahre des Gebäudebetriebs zu ermitteln und mit den berechneten Bedarfswerten zu vergleichen war das primäre Ziel des Monitorings.

Monitoring

Für das Monitoring wurde anders als z.B. im Projekt „Monitoring DB Netz AG“ [6] kein eigenes Messnetz aufgebaut, sondern auf die Gebäudeleittechnik aufgesetzt. Raumparameter wie Zustand der Beleuchtung oder Position des Sonnenschutzes waren bereits verfügbar, da im Gebäude eine komplexe Einzelraumregelung implementiert wurde. Wärme-, Kälte- und Stromzähler sowie weitere zusätzliche Sensoren wurden auf den vorhandenen LON-Bus aufgeschaltet. Alle Daten werden zentral über einen OPC-Server bereitgestellt. Auf einem eigenen Rechner im Gebäude wird vom fbta ein OPC-Client betrieben, der alle zehn Minuten die aktuellen Daten des OPC-Servers abfragt, diese in eine Datei exportiert und einmal pro Nacht über das Internet an den Datenbankserver in Karlsruhe schickt. Hier werden mittlerweile Daten von vier Gebäuden gehalten und verwaltet.
Zur Auswertung der Daten wurde auf Basis der langjährigen Erfahrung im Monitoring eine Software entwickelt, die unabhängig von der eingesetzten Gebäudeleittechnik und vom Betriebssystem funktioniert und speziell auf Auswertungen im Gebäudebetrieb zugeschnitten ist. Dieses Werkzeug bietet einen übersichtlichen Umgang mit den gespeicherten Messdaten an und Grafiken wie Carpet-Plots, sortierte Dauerlinien oder Temperatur-Charts mit eingeblendeten Komfortbereichen lassen sich auf Knopfdruck erzeugen. Für Auswertungen mit Statistikprogrammen oder per Tabellenkalkulation lassen sich die Daten in beliebiger Auflösung exportieren.

Abbildung 2: Carpet-Plot der Leistungsaufnahme des Abluftventilators in einem der Bürotürme, erstellt mit Auswertungssoftware MoniSoft

Ergebnisse

Die Ergebnisse aus dem Jahr 2007 und erste Auswertungen der Daten aus dem Jahr 2008 zeigen, dass in bestimmten Bereichen von Beginn an oder durch erfolgte Optimierungen gute Kennwerte erreicht werden, offenbaren aber auch, dass es an manchen Stellen noch Handlungsbedarf gibt.

Heizung

Der Endenergieverbrauch für die Heizung lag mit ca. 130 kWh/m²a sowohl 2007 als auch 2008 deutlich über dem Zielwert. Ein Grund für einen größeren Heizwärmebedarf sind die höheren Solltemperaturen in den Büros, die im Mittel bei 22°C liegen. In der letzten Bedarfsprognose war dieser Einfluss gegenüber einer Solltemperatur von 20°C mit zusätzlich 7 kWh/m²a beziffert worden. Auswirkung auf den Wärmeverbrauch hat ebenso die verminderte Luftdichtheit des Gebäudes, die im Bereich der Aufzugsschächte nachweislich vorhanden war. Diese waren aufgrund des Brandschutzes auf dem Dach zur Außenluft hin geöffnet, wurden aber 2008 nachträglich durch brandschutztaugliche Jalousieklappen geschlossen. Diese Maßnahme sollte nach Berechnungen die Infiltrationsluftwechselrate um 0,1 h-1 vermindern und damit 7 kWh/m²a Heizenergie einsparen. Hinzu kommt, dass der Sitzungssaal und die Halle im EG deutlich mehr Nutzungsstunden aufwiesen als in der Planung angenommen. Da in den dortigen Lüftungsanlagen die Zuluft erwärmt wird, musste auch hier mehr Heizenergie aufgebracht werden. Schließlich konnte noch festgestellt werden, dass die Regelung der zentralen Abluftanlage nicht optimal eingestellt war (Abbildung 2). Der Ventilator lief teilweise nachts im Winter und in den Übergangszeiten, so dass kalte Luft ins Gebäude gesaugt wurde.

Lüftungsanlagen

Für den Stromverbrauch der Luftförderung wurden im Jahr 2008 endenergetisch 10 kWh/m²a ermittelt, was doppelt soviel ist wie der berechnete Bedarf. Zum einen spiegeln sich hier ebenso die höheren Nutzungszeiten wider, zum anderen war die Regelung einiger Anlagen noch nicht so umgesetzt wie geplant. Die Lüftungsanlage der Halle im EG z.B. wies 2007 2.000 statt der angenommenen 600 Volllaststunden auf. Eine WC-Abluftanlage lief lange Zeit im Dauerbetrieb, die Regelung wurde im Juli 2008 korrigiert und der Stromverbrauch konnte hier um 60% gesenkt werden. Außerdem wurde anhand der ermittelten maximalen Leistungsaufnahmen der Ventilatoren festgestellt, dass deren Effizienz nicht an die Planwerte heranreicht. Auffällig sind die Anlagen für die Halle und den Sitzungssaal mit jeweils ca. 0,9 Wh/m³. Hier sind die beengten Verhältnisse im Baubestand und die deshalb teilweise geringen Kanalquerschnitte eine Ursache, weitere Gründe müssen noch untersucht werden.

Beleuchtung

Die Beleuchtung in den Büros ist effizient und der tageslichtabhängige Verbrauch anhand von Stromverbrauchswerten gut zu erkennen (Abbildung 3). In einem der vier Treppenhäuser wurde durch temporäre Messungen mittels Datenloggern festgestellt, dass dort die Beleuchtung im Dauerbetrieb brannte, während sie in den anderen nach einem Zeitprogramm geschaltet wurde. In einem von diesen war das Zeitschaltprogramm auch am Wochenende aktiv. Hier ließen sich durch die richtige Regelung 31 % einsparen. Insgesamt betrug der Endenergieverbrauch für die Beleuchtung im Jahr 2007 15,2 kWh/m²a und 14,4 kWh/m²a im darauffolgenden Jahr.

Abbildung 3: Mittlere tägliche Leistungsaufnahme Beleuchtung 8.OG Bauteil A in Abhängigkeit von der Globalstrahlung

Kälteverbrauch

Lag der Kälteverbrauch 2007 mit 27,8 kWh/m²a (Endenergie) noch erheblich über dem Planwert von 14,6, wurde 2008 ein Kennwert von 19,9 kWh/m²a erreicht. Primärenergetisch macht sich hier aber der Ausfall zweier Absorptionskältemaschinen bemerkbar, insgesamt trugen die AKMs im Jahr 2007 nur 27% zur Kälteerzeugung bei, den Rest deckten die Kompressionskältemaschinen. Für die Berechnung der Primärenergiebilanz musste hier der Primärenergiefaktor geschätzt werden. Es wurde mit 0,5 der Wert vor der Sanierung verwendet, der Wert für den optimalen Betrieb des Kraft-Wärme-Kälte-Verbundes wurde auf 0,3 berechnet. Für die Wärmeerzeugung war der Ziel-Primärenergiefaktor inklusive der Stromgutschrift für die Blockheizkraftwerke bei 80% Deckungsanteil auf ca. 0,1 berechnet worden. In 2007 lieferten die BHKW jedoch nur 22% der Heizenergie, 2008 waren es wegen eines Defekts der Anlagen nur noch 1,5%.
Entsprechend erhöht fällt die Primärenergiebilanz in diesen Bereichen aus (Abbildung 4). Dargestellt sind links der Ausgangszustand und die Prognose bei Planungsstand 2003. Ganz rechts ist der gemessene Verbrauch auf Basis der optimalen Primärenergiefaktoren dargestellt, welche die Energieplaner 2004 berechnet hatten.

Abbildung 4: Primärenergiebilanzen des Haupthauses im Vergleich

Ausblick

Das Monitoring im Rahmen des Förderprogramms endet im Sommer 2009, sodass in der verbleibenden Zeit noch weitere Optimierungen auf den Weg gebracht werden. Die Wiederinbetriebnahme sowohl der Blockheizkraftwerke als auch der Absorptionskältemaschinen ist für das laufende Jahr geplant. Die regelmäßig mit dem Bauherrn stattfindenden Termine und daraus abgeleitete Optimierungen werden den Energieverbrauch näher an die Zielwerte bringen. Auch bei zwei weiteren Gebäuden in Frankfurt entschied sich die KfW Bankengruppe, den Auftrag für ein (nicht gefördertes) Monitoring öffentlich zu vergeben.
Nach Abschluss des Förderprojektes wird ein Abschlussbericht erstellt und auf der Projektseite [7] im Internet zum Download verfügbar sein. Das fbta wird 2009 seine mit dem Projekt „enerkenn“ [8] begonnenen Untersuchungen im Bereich Benchmarking von Gebäuden fortsetzen. Im Zuge dessen soll auch das Analysewerkzeug um Funktionen zum Vergleich mehrerer Gebäude ergänzt werden.

Fazit

Wie in anderen Projekten des EnOB-Förderprogramms hat sich auch hier die Wichtigkeit der Überprüfung von Gebäudebetrieb und Verbrauchswerten gezeigt. Die festgestellten Probleme waren oft nicht konzeptionell begründet, sondern durch den Betrieb der Anlagen, und traten auch bei diesen ambitionierten Projekten auf. Die Querschnittsanalysen der EnOB-Begleitforschung zeigen aber auch, dass es Gebäude gibt, die von Beginn an sehr gut funktionierten. Wichtig ist dabei, dass der Betreiber die Hintergründe und Zusammenhänge des Energiekonzeptes kennt und möglichst schon während der Planungsphase in die Prozesse integriert wird. Bei teilweise immer komplexer werdenden Gebäudekonzepten und Regelungsstrategien ist es nicht immer einfach, das Gebäude optimal zu betreiben. Hier gilt es, dem Betreiber Werkzeuge an die Hand zu geben. In der Regel ist die Gebäudeleittechnik auf die Überwachung des Gebäude-Momentanzustandes ausgelegt. Zwar existieren mittlerweile Zusatzmodule verschiedener Hersteller, die für eine Langzeitbetrachtung und die Optimierung des Gebäudebetriebs ausgelegt sind, aber sie werden, sei es aus Kostengründen, sei es aus Zeitmangel, eher selten eingesetzt.
Auch im Bereich der Messtechnik besteht noch Handlungsbedarf. Dieses Projekt zeigte, dass der sachgemäße Einbau von Messeinrichtungen beispielsweise durch den Heizungsbauer sowie die durchgängige Bereitstellung einer großen Menge von Datenpunkten auf einem OPC-Server in kleiner Zeitauflösung noch nicht zum Standardrepertoire der Haustechnik gehört. Die Anforderungen an Genauigkeit und Verfügbarkeit werden in Zukunft aber steigen, insbesondere wenn Messdaten zur Zertifizierung von Gebäuden oder für Anwendungen im Bereich smart grid herangezogen werden sollen.

*) Dipl.-Ing. Michael Kleber ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachgebiet Bauphysik und Technischer Ausbau des Karlsruher Instituts für Technologie und beschäftigt sich mit Gebäudemonitoring
Prof. Dipl.-Ing. Andreas Wagner ist Leiter des Fachgebiets Bauphysik und Technischer Ausbau am Karlsruher Institut für Technologie
www.fbta.uni-karlsruhe.de, www.kit.edu [^]