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38. Jahrgang Februar 2016 ISSN 0171-5445 A 1879

Bauphysik Wärme | Feuchte | Schall | Brand | Licht | Energie

– Kritische Überlegungen zur Wirtschaftlichkeit von energiesparenden Wärmeschutzmaßnahmen – Auswirkung von Wärmeverschiebungsvorgängen in Wohngebäuden – Prinzipien der Vier-Punkt-Thermografie-Messmethode – Modellierung von Unschärfe in Ökobilanzen von Bauwerken – Möglichkeiten und Grenzen von großen Nullenergiegebäuden – Passive hygrische Klimatisierung – Ein neues Konzept für multifunktionale Betondecken

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Schalldämmungsmessung Die Nor850 ist eine Multikanal Steuerungs- und Auswertesoftware zur synchronen Steuerung mehrerer Schallpegelmesser Nor140 und Mikrofonschwenkanlagen Nor265 (über WLAN / LAN). Neben der Steuerung bietet die Nor850 auch Auswertemodule für die Bestimmung der Schalldämmung (ISO 16283 / ISO 10140) und der Schallleistung (ISO 374x).

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Inhalt

Im neuen Verwaltungsgebäude von Stabilo arbeiten ca. 100 Mitarbeiter in bestem Akustikambiente. Möglich machen das Heradesign-Akustikplatten des Deckenspezialisten Knauf AMF. Der architektonische Clou: Sie sind in einem knalligen Grün eingefärbt, das an die berühmten Textmarker erinnert. Das ist aber nicht die einzige Besonderheit … (Foto: Knauf AMF, Bericht s. S. A4–A6)

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Fachthemen 1

Andreas Holm, Karl Gertis, Christine Maderspacher, Christoph Sprengard Kritische Überlegungen zur Wirtschaftlichkeit von energiesparenden Wärmeschutzmaßnahmen

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Tanja Osterhage, Davide Calì, Dirk Müller, Rouven Voß Auswirkung von Wärmeverschiebungsvorgängen in energieeffizient sanierten Bestandswohngebäuden

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Filip Cˇmiel, Jaroslav Solarˇ, Petr Alexa Principles of the four-point thermographic measurement of the surface temperature and emissivity of glossy materials

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Benjamin Ströbele Modellierung von Unschärfe in Ökobilanzen von Bauwerken

Bitte beachten:

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Die gedruckten Jahresinhaltsverzeichnisse 2015 erhalten unsere Abonnenten mit dieser Ausgabe.

Monika Hall, Achim Geissler Möglichkeiten und Grenzen von großen Nullenergiegebäuden

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Horst Stopp, Wolfgang Schmidt, Peter Strangfeld Passive hygrische Klimatisierung

38. Jahrgang Februar 2016, Heft 1 ISSN 0171-5445 (print) ISSN 1437-0980 (online)

Oder online unter: www.ernst-und-sohn.de/artikeldatenbank

Berichte 62

Thomas Friedrich Multifunktionale Betondecken: ein neues Konzept für die Umsetzung Rubriken

Peer-reviewed journal Bauphysik ist ab Jahrgang 2007 beim Web of Knowledge (ISI) von Thomson Reuters akkreditiert.

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Aktuell (s. a. S. 37 u. 67) Technische Regelsetzung Veranstaltungen Stellenmarkt Produkte & Objekte

Impact-Faktor 2014: 0,228 A4 A10

Schallschutz und Akustik Multifunktionale Betonfertigteile

http://wileyonlinelibrary.com/journal/bapi

www.ernst-und-sohn.de/bauphysik Bautechnik 81 (2004), Heft 1

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Schallschutz und Akustik

Neongrün wie Textmarker: Akustikplatten verschönern Stabilo-Verwaltungsgebäude

der Pegel eines Ausgangssignals um 60 dB.“ Die Folge: Die Lärmbelastung sinkt, die Konzentrationsfähigkeit der Mitarbeiter steigt.

Im neuen Verwaltungsgebäude des Stifteherstellers Stabilo arbeiten ca. 100 Mitarbeiter in bestem Akustikambiente. Möglich machen das Heradesign-Akustikplatten des Deckenspezialisten Knauf AMF. Der architektonische Clou: Sie sind eingefärbt. In einem knalligen Grün, das an die berühmten Textmarker erinnert. Das ist aber nicht die einzige Besonderheit.

Kein Lärmstress: Akustikplatten schaffen gesundheitsverträgliches Umfeld Diese Akustikoptimierung ist alles andere als Luxus. Denn mittlerweile belegen zahlreiche Studien: Viele Mitarbeiter von Großraumbüros sind täglich über mehrere Stunden einem Geräuschpegel von bis zu 95 dB ausgesetzt – das entspricht schon fast dem Schallpegel einer Kreissäge oder eine Diskothek (100 dB). Spurlos geht das nicht an den Angestellten vorbei. Zu den Folgen des ständigen Lärm-Smogs zählen auch Burn-outs, Hörschäden und Kehlkopfprobleme wegen zu lauten Redens. Wölfer: „Wir konnten hier mit unserer Wandbekleidung dazu beitragen, dass die Mitarbeiter in einem gesundheitsverträglichen Umfeld arbeiten.“

Knallig: Akustikplatten sind in klassischem TextmarkerGrün eingefärbt

Bild 1. Der Stiftehersteller Stabilo ist bereits seit 160 Jahren am Markt. Nun ließ Stablio ein schönes neues Verwaltungsgebäude am Stammsitz in Heroldsberg (Bayern) errichten. Es hört auf den Namen Stabilo Cube und hat pünktlich zum 160. Geburtstag des Unternehmens eröffnet.

Fast jeder hatte sie während Schule, Ausbildung und Studium stundenlang in der Hand: Textmarker. Und die Wahrscheinlichkeit ist hoch, dass es sich dabei um einen von Stabilo handelte. Der Stiftehersteller ist nämlich seit 160 Jahren am Markt und erwirtschaftet mittlerweile einen Jahresumsatz von 500 Mio. €. Nun ließ Stablio ein schönes neues Verwaltungsgebäude am Stammsitz in Heroldsberg (Bayern) errichten. Es hört auf den Namen Stabilo Cube und hat dieses Jahr eröffnet – pünktlich zum 160. Geburtstag des Unternehmens.

Die Akustikplatten sollten aber nicht nur für angenehme Ruhe sorgen, sondern sich auch in das farbliche Konzept der Architekten einfügen. Und das ist ziemlich außergewöhnlich. Wände, Decken und Flure sind nämlich in den klassischen leuchtenden Farben der Stabilo-Textmarker gestrichen – in Grün, Gelb, Rot, Orange und Blau. Knauf AMF hat die Wandplatten deshalb in Grün (NCS 2080-G20Y) eingefärbt. Wölfer: „Die natürliche Textur der Holzwolle mit einer Faserbreite von einem Millimeter eignet sich hervorragend als Oberfläche für kreative Farbgestaltung.“ Generell stehe eine riesige Farbpalette zur Auswahl. „Kunden können fast jeden Farbton aus gängigen Farbsystemen wie RAL, NCS, BS oder StoColor sowie zahlreiche Sonderfarben wählen.“ Aber bekommen Mitarbeiter im Stabilo Cube nicht einen Farb-Overkill? Nein, denn die Architekten haben in Zusammenarbeit mit einem Feng-Shui-Berater für ausreichend ausgleichende Weißflächen gesorgt.

Akustische Herausforderung: ein großes Atrium und offene Büros In den drei Obergeschossen gibt es offene Büros und Kommunikationsflächen mit Sofa- und Sitzgruppen, die durch ein gemeinsames Atrium und eine leuchtend orangene Stahltreppe verbunden sind. Ruhiges Arbeiten ohne akustisches Chaos macht hier eine Maßnahme der Architekten des Kölner Büros mvarchitekt + starkearchitektur möglich. Die Kreativköpfe haben nämlich 250 m2 Akustikplatten an die Wand neben der Treppe montieren lassen. Als Wandbekleidung kommen „Heradesign superfine“ zum Einsatz – einlagige Holzwolle-Akustikplatten des Deckenspezialisten Knauf AMF, die für Innenräume und überdachte Außenbereiche prädestiniert sind und den Lärmpegel im Atrium des Stabilo Cube senken. Wie? Indem sie einen Großteil der Schallenergie durch Reibung in Wärme verwandeln und nur einen geringen Teil reflektieren. Damit die Umwandlung besonders effektiv funktioniert, setzt Knauf AMF auf einen besonderen Kniff: Das Unternehmen bindet die Holzwolle-Akustikplatten als weltweit einziger Hersteller mit dem Mineral Magnesit, nicht wie der Wettbewerb mit Zement. „Das führt zu einer 15 % höheren und besonders schnellen Schallabsorption“, erklärt Thomas Wölfer, Objektmanager Süd bei dem Hersteller. „In nur 0,4 Sekunden sinkt

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Bild 2. Neongrün wie Textmarker: Heradesign Akustikplatten von Knauf AMF verschönern den Stabilo Cube.

Bild 3. Der architektonische Clou: Die Heradesign-Akustikplatten sind in einem knalligen Grün eingefärbt, das an die berühmten Textmarker von Stabilo erinnert.

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Schallschutz und Akustik

Bild 4. Im neuen Verwaltungsgebäude des von Stabilo arbeiten ca. 100 Mitarbeiter in bestem Akustikambiente. Möglich machen das Heradesign-Akustikplatten des Deckenspezialisten Knauf AMF.

Bild 5. In den drei Obergeschossen gibt es offene Büros und Kommunikationsflächen mit Sofa- und Sitzgruppen, die durch ein gemeinsames Atrium und eine leuchtend orangene Stahltreppe verbunden sind. Dass hier ruhiges Arbeiten ohne akustisches Chaos möglich ist, ist einer Maßnahme der Architekten des Kölner Büros mvarchitekt + starkearchitektur zu verdanken: Die Kreativköpfe haben 250 Quadratmeter HeradesignAkustikplatten an die Wand montieren lassen. (Fotos: Knauf AMF)

Einzigartig in der Branche: Montagerichtung wechselt alle zwei Akustikplatten

Wie die Experten von Knauf AMF das gelöst haben? Mit an die Wand geschraubten Montageschienen aus Metall. Diese haben ein Hutprofil, das sich in die umlaufende Nut der Holzwolleplatte einstecken lässt. Dezent: Damit ist das gesamte Befestigungssystem unsichtbar – es sind weder Schrauben noch Schienen zu sehen. Lediglich fünf Millimeter breite Fugen zwischen den einzelnen Platten. „Die Unsichtbarkeit des Montagesystems war den Architekten sehr wichtig“, erinnert sich Wölfer. „Denn Mitarbeiter gehen über die große Treppe jeden Tag nah an den Platten vorbei. Da wären Schrauben auffälliger gewesen als in

Knauf AMF musste sich aber nicht nur bei der Farbe an die kreative Gestaltung der Kölner Architekten anpassen. Um für noch mehr optische Abwechslung zu sorgen, sollte sich die Montagerichtung der 600 × 1.200 mm großen und 11,3 kg schweren Akustikplatten alle zwei Platten ändern – von vertikal zu horizontal. „Das stellte uns vor eine große Herausforderung, denn Vorbilder für eine solche Sondermontage existieren in der Branche nicht“, sagt Wölfer.

Schwingungsisolierung

Schallschutztüren und -tore

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Lärm schlucken, Klang schaffen: Kompetenz für Industrie und Technik G+H Schallschutz GmbH Bürgermeister-Grünzweig-Str. 1 | D-67059 Ludwigshafen | Tel. +49 621 502-525 | Fax +49 621 502-593 | info@guh-schallschutz.de

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Schallschutz und Akustik Projekten, in denen die Akustikplatten mehrere Meter über dem Boden an die Decke montiert sind.“

Akustikplatten punkteten bei Architekten mit Nachhaltigkeit Die Akustikplatten sollten nachhaltig sein – genau wie das gesamte Gebäude, das dank einer Kombination aus GeothermieAnlage, CO2-Wärmepumpe und freier Kühlung umwelt- und ressourcenschonend ist. Überzeugen konnten die Akustikplatten, weil sie ein baubiologisch unbedenkliches Naturprodukt sind und lediglich aus Holz, Magnesit und Wasser bestehen. Die Produkte haben zwei Zertifikate: sind zum einen Träger des Blauen Engels, der ältesten (1978) umweltschutzbezogenen Kennzeichnung der Welt. Zum anderen trägt das verwendete Holz das Siegel der gemeinnützigen Nichtregierungsorganisation Forest Stewardship Council (FSC). Es bestätigt, dass das verwendete Holz nichts mit zerstörerischer Waldnutzung zu tun hat. „Wir sind davon überzeugt, dass umweltfreundliche Produkte immer mehr an Bedeutung gewinnen“, sagt Klaus Kumerschek, Brandmanager Heradesign bei Knauf AMF. Immer mehr Architekten gewöhnten sich auch an die raue Oberflächenstruktur der Akustikplatten: „Eine raue Struktur wurde in der Vergangenheit nicht immer geschätzt, da sie zu sehr an alte Bauplatten aus Holzwolle erinnerte. Heute sind es genau solche groben Oberflächen, mit der Architekten gerne arbeiten.“

Lärmüberwachungssystem NoiseTutor Umweltdaten in entlegenen Gebieten zu überwachen, ist für den Anwender eine anspruchsvolle Aufgabenstellung. Typische Lösungen bestehen aus komplizierten Installationen und erfordern für den zuverlässigen Betrieb des Systems Personaleinsatz vor Ort.

www.knaufamf.de Mit dem NoiseTutor ist auch eine ganzjährige, dauerhafte Lärmüberwachung möglich. (Foto: Synotech)

Schöck präsentiert neue Lösungen für Wärme- und Trittschalldämmung Als Industriepartner des Bauspezialartikelhändlers SchulzBaubedarf präsentierte die Schöck Bauteile GmbH auf der Bautec neue Produkte in den Bereichen Wärme- und Trittschalldämmung.

Der Tronsole Typ T sichert Schallschutzstufe III nach VDI 4100, auch die DEGA Klasse B, teils sogar A (Abb.: Schöck)

Kurzfristig umzusetzende Schallmessungen und Kurzzeit-Messkampagnen sind ebenfalls eine Herausforderung. In diesen Fällen sind die typischen Festinstallationen häufig zu teuer. Der NoiseTutor von Larson Davis macht die Bewältigung solcher Umweltlärm-Messaufgaben ohne Festinstallation und ohne permanenten Personaleinsatz vor Ort möglich. Das System besteht aus dem Schallpegelmesser Modell 831, einem kompakten Industrie-PC, einem GPRS-Modem und einem Akku, der im Falle einer Stromunterbrechung einspringt. Die Bedienung, Parametrierung, Steuerung und Übertragung der Messdaten wird über das Internet realisiert. Kombiniert mit dem Außen-Mikrofonverstärker PRM2013 und dem Wetterschutz EPS2116 ist mit dem Gerät auch eine ganzjährige, dauerhafte Lärmüberwachung möglich. Der Zugriff auf das System erfolgt mit eigenen Fernverwaltungsprogrammen, die den integrierten Industrie-PC von außen steuern können. Von dort wiederum ist der Zugriff auf den eingebauten Schallpegelmesser und dessen Funktionen möglich, was in der Praxis jedoch kaum nötig ist. Vordefinierte Einstellungen erleichtern die Handhabung, im Idealfall wird das System aufgestellt, angeschlossen und eingeschaltet, schon kann die Messung beginnen. www.synotech.de

Die Neuheit Isokorb ID sowie die neue Generation des Isokorb KST ermöglichen eine nachträgliche Montage von Balkonen und anderen auskragenden Bauteilen. Während das Isokorb ID System Wärmebrücken am Anschluss von Balkonen im Neubau minimiert, bietet der Isokorb KST vielfältige Lösungsmöglichkeiten im Neubau wie in der Sanierung. Besteht die Decke beispielsweise aus Holzbalken, kann mit dem Isokorb KST ein Balkon über einen Stahlträger an die Holzbalken angeschlossen werden. Das Trittschalldämmsystem Tronsole für gerade und gewendelte Treppen sichert die Schallschutzstufe III nach VDI 4100 sowie die DEGA Klasse B, teilweise sogar A. www.schoeck.de

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Lärm in Schulen – Einfache Lösungen für mehr Konzentration Mit ihren schallschluckenden Elementen bietet die Firma Sonatech aus Memmingen im Allgäu hervorragende Lösungen für den Schallschutz in Schulen an. Das Unternehmen vertreibt deutschlandweit unterschiedliche Produkte, mit denen der Nachhall reduziert wird und sich die Lärmbelastung deutlich minimieren lässt.

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Schallschutz und Akustik Um einen optimalen Schallschutz zu gewährleisten, führen die Mitarbeiter des Unternehmens Schallmessungen durch, stehen bei der Produktwahl zur Seite und bringen auf Wunsch die Elemente im Raum an.

Schall- und Brandschutz Zum Standardsortiment von Sonatech gehören die Schallschutzplatten Baso Decor. Sie werden direkt an die Decke geklebt und reduzieren so die Raumhöhe nur minimal. Gleichzeitig bieten die Elemente ein hervorragendes Schallabsorptionsvermögen über ein sehr großes Frequenzspektrum. Auch im Brandschutz warten die Baso-Decor-Elemente mit hervorragenden Werten auf. Beispielsweise halten sie Temperaturen bis 150 °C stand und sind entsprechend der DIN 4102 schwer entflammbar. Die ursprünglich für den Industriebau entwickelte QuietLine-Industry-Serie erfreut sich auch in anderen Einsatzbereichen großer Beliebtheit. Auch dieses System wird an der Decke montiert, allerdings bietet das Unternehmen sie in unterschiedlichen Formen an. So kann der Planer zwischen Rollen, Baffeln und Würfeln wählen. Darüber hinaus bietet Sonatech an, die Schallschutzkörper mit einem farbigen Stoffüberzug zu versehen, wodurch sie zum gestalterischen Blickfang im Raum werden. Dank ihres geringen Gewichts entstehen keine statischen Beeinträchtigungen, Staub und Schmutz beeinflussen die Wirkung der QuietLine-Industry-Elemente nicht.

Ästhetischer Schallschutz Ebenfalls von der Decke abgehängt – meist in einem Abstand von ca. 10 cm – werden die QuietLine-Platten der Firma Sonatech. Diese sind sehr feinporig und bieten in Kombination mit dem umlaufenden Aluminiumrahmen ein ansprechendes Er-

Die Sonatech-Elemente reduzieren den Nachhall und sorgen so für eine bessere Raumakustik (Foto: Sonatech)

scheinungsbild. Damit fügt sich die Akustik-Lösung gut in die Raumgestaltung ein. Als besonderes Highlight bietet Sonatech auch die Möglichkeit, die QuietLine-Platten mit einem beliebigen Wunschmotiv zu bedrucken. Diese werden dann wie ein Bild an die Wand gehängt und wirken genauso schallschützend wie das Pendant an der Decke. Doch darüber hinaus tragen sie zur Dekoration des Raumes bei. Damit sind sie ideal für eine gute Stimmung im Klassenzimmer. Dipl.-Ing. Claudia El Ahwany www.sonatech.de

Sicherer Trittschallschutz ist blau. Machen Sie keine Kompromisse.

Gehen Sie beim Schallschutz von Treppen auf Nummer sicher: Mit den Schallschutzsystemen von Schöck. Alle wichtigen bauphysikalischen Grundlagen für Ihre Planung finden Sie im Schöck Trittschallportal auf www.schoeck.de/trittschallportal. Schöck Bauteile GmbH | Vimbucher Straße 2 | 76534 Baden-Baden | Tel.: +49 7223 967-0

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Schallschutz und Akustik

aixFOAM Schallabsorber zeichnen sich unter anderem durch folgende Eigenschaften aus:

Raumakustik aktiv gestalten mit aixFOAM Schallabsorbern Neben den architektonischen Planungen in der Bauakustik unterstützt aixFOAM bei der Optimierung der Raumakustik oder auch Industrieakustik. Als Hersteller von professionellen Schallschutz-Systemlösungen ist das Unternehmen seit 1958 kompetenter Partner für die Fertigung und Lieferung hochwertiger Akustiklösungen. Die aixFOAM Produkte der Architectline zeichnen sich dadurch aus, dass Sie den Anforderungen von Planern, Architekten, Bauherren und Behörden gerecht werden. Schallschutz und Ästhetik müssen sich dabei nicht widersprechen. Eine optimierte Raumakustik beeinflusst maßgeblich die Leistungsfähigkeit in Büros und Klassenräumen, sorgt für eine bessere Verständlichkeit in Konferenzräumen und Arbeitsstätten und steigert das Wohlbefinden zu Hause. In Konzertsälen und Opernhäusern ist eine perfekte Akustik sogar ausschlaggebend für die Qualität und das Renommee des gesamten Hauses. Behördliche Vorgaben an die maximale Lärmbelastung von Industriearbeitsplätzen können durch den Einsatz von aixFOAM Schallabsorbern eingehalten werden. Brandschutztechnische Anforderungen sind mit den Akustikelementen des Herstellers genauso erfüllbar wie eine flexible Bild 1. Werden den Anforderungen Aufhängung, um z. B. Reinivon Planern, Architekten, Bauherren gungsarbeiten durchführen zu und Behörden gerecht: Die aixFOAM können. Produkte der Architectline

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Exklusive Formgebung Extrem gute Schalldämmung Bauaufsichtliches Prüfzeugnis vorhanden Flexible Montage und Positionierung Äußerst leicht montierbar Geringes Gewicht In diversen Brandklassen erhältlich

Bild 2. Ob Brandschutztechnische Anforderungen oder flexible Aufhängung, beides ist mit den Akustikelementen des Herstellers erfüllbar (Fotos: aixfoam)

Sie haben Interesse an einer kompetenten Beratung, unseren Produktbroschüren, benötigen Ausschreibungstexte, technische Datenblätter oder haben weitere Fragen zu unseren Produkten? Dann kontaktieren Sie uns gerne! aixFOAM Schallabsorber Schaumstoffe Helgers GmbH CNC-Schneidewerk Ernst-Abbe-Straße 12, 52249 Eschweiler Tel. +49 (0)24 03 – 838 30-22 Fax +49 (0)24 03 – 838 30-13 sales@aixfoam.de, www.aixfoam.de

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Schallschutz und Akustik

Bild 2. NEU: Egcosono P ohne Montagekörper für Fertigteilpodeste (Fotos: Max Frank)

Bild 1. Podestlager Egcosono P mit Montagekörper für Ortbetonpodeste

Trittschallminderung bis 31 dB – Podestauflagerung Egcosono P

Vorteile auf einen Blick:

Alle Typen aus dem Sortiment von Max Frank sind sowohl für Ortbetonpodeste mit passendem Bewehrungskorb als auch für Fertigteilpodeste lieferbar. Der Montagekörper wurde optimiert und wird bei der Ortbetonvariante mitgeliefert. Nach der gültigen DIN EN ISO 140-8 wird ein ∆Lw* Wert von 31 dB erreicht, das Optimum im Bereich Podestentkopplung.

– Trittschallminderung von bis zu ∆Lw* 31 dB (nach gültiger DIN) – Feuerwiderstandsklasse F90 – Typenstatik – für Ortbeton-/Fertigteilpodeste – Tragfähigkeit VRd = 75,6 kN – Typenprüfbericht LBV Brandenburg www.maxfrank.com

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Trittschall dämmen Kinderkrankenhaus, Polen Das Kinderkrankenhaus der Universitätsklinik im Warschauer Ortsteil Zwirki i Wigury besteht aus drei Trakten mit jeweils acht Stockwerken, wobei die drei Gebäudeteile unterirdisch miteinander verbunden sind. Bewegungen und Einwirkungen auf den Böden erzeugen störenden Lärm. Deshalb wurde das Gebäude mit Regupol® gedämmt, um die Ausbreitung des Trittschalls im Gebäudekomplex zu verhindern.

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Multifunktionale Betonfertigteile

Bild 1. Das neue Büro- und Verwaltungsgebäude des Betonfertigteileherstellers ABI-Beton in Andernach ist ein kubischer Baukörper aus Sichtbeton.

Büro- und Verwaltungsgebäude der ABI-Beton in Andernach Da das bestehende Verwaltungsgebäude aus den 1930er-Jahren längst nicht mehr den Anforderungen an zeitgemäße Arbeitsplätze, Platzangebot und Repräsentation entsprach, entschied sich der Bauherr, der Betonfertigteilehersteller ABI-Beton, für einen Neubau auf dem Firmengelände in Andernach. Das beauftragte Architektur-büro Planfaktur aus Montabaur entwarf einen kubischen Baukörper aus Sichtbeton, dessen Gestalt zum einen auf das industriell geprägte Umfeld reagiert und zum anderen die internen Arbeitsabläufe des Unternehmens widerspiegelt. In einem Industriegebiet der rheinland-pfälzischen Stadt Andernach befindet sich das Gelände der Firma ABI-Beton. 1950 als Bimsstoffwerk gegründet ist das Unternehmen heute auf die Produktion von hochwertigen Betonprodukten spezialisiert. Als Firmensitz diente bislang ein mehr als 80 Jahre altes, ursprünglich als Wohnhaus errichtetes Gebäude, das nicht genug Platz für die 40 Mitarbeiter bot. Über den Raummangel hinaus beschloss die Geschäftsführung auch unter energetischen Gesichtspunkten, zur Verbesserung der Arbeitsabläufe und aus repräsentativen Gründen, ein neues Büro- und Verwaltungsgebäude auf dem Firmengelände zu errichten.

tekten und Ingenieure Sichtverbindungen und kurze Wege zwischen den verschiedenen Funktionsbereichen der ABI- Beton sicherstellen, um die Arbeitsprozesse zu optimieren. Die äußere Gestalt des Baus reagiert auf die Umgebung des Baugrundstücks, ein Industriegebiet, das ein für solche Areale typisches Erscheinungsbild hat: inhomogene Gebäudestrukturen, Fassadengestaltungen und Nutzungen sowie unterschiedliche Bauvolumen. Als Kontrapunkt setzen die Planer einen klaren, kubischen Körper mit streng gerasterten Fassadenansichten, der sich über zwei Geschosse erstreckt. Zentrales Element des neuen ABI-Firmensitzes ist ein begrünter Innenhof, der als verbindendes Element den Mitarbeitern als Treffpunkt, Ruhe- und Pausenbereich sowie als abkürzende Wegverbindung zwischen den drei Gebäudeflügeln dient. Zudem sorgt das Atrium dafür, dass viel Tageslicht ins Innere fällt und Lärm und Schmutz des Industriegebietes außen vor bleiben. Rund um den Innenhof sind die Büroräume angeordnet, im ersten Obergeschoss sind

Architektur und Nutzung Für das architektonische Konzept analysierten die Architekten vom Büro Planfaktur, Nadine Bressler und Sven Letschert, zunächst die Arbeits- und Kommunikationswege der Mitarbeiter des Unternehmens ABI-Beton. Diese Beziehungen visualisierten sie in einer Matrix, welche die ordnende Grundlage für die neue Grundrissgestaltung darstellt. Auf diese Weise wollen die Archi-

Bild 2. Die Architektur ist zum einen geprägt von dem industriellen Umfeld, zum anderen spiegelt sie die Arbeits- und Kommunikationswege des Unternehmens ABI-Beton wider.

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Multifunktionale Betonfertigteile oberflächennahe Leitungen als Klimadecke zum Heizen und Kühlen des Gebäudes ausgeführt sind. Durch das in den Leitungen zirkulierende Wasser und den speicherfähigen Beton sind schnelle Reaktionszeiten möglich; zusätzliche Heizflächen sind nicht erforderlich.

Energiekonzept und Monitoring

Bild 3. Das repräsentative Entree des Neubaus öffnet sich über zwei Geschosse. Es erschließt den Bau horizontal als auch vertikal. Zudem sind hier ein Wartebereich für Besucher sowie eine kleine Ausstellungsfläche für die ABI-Produkte integriert.

straßenseitig zudem Schulungs-, Seminar- und Personalräume untergebracht. Der großzügige und repräsentative Eingangsbereich öffnet sich über zwei Geschosse. Das Foyer dient dabei nicht nur als zentraler Knotenpunkt der Anlage, sondern bietet auch eine Wartezone für Besucher und eine kleine Ausstellungsfläche für die Produkte der ABI-Beton.

Material und Konstruktion Mit einem Betonteile produzierenden Unternehmen als Bauherr war die Frage nach dem Konstruktionsmaterial schnell geklärt: Die neue ABI-Firmenzentrale sollte aus eigenen Produkten errichtet werden, nicht nur aus wirtschaftlichen Gründen, sondern auch, um den ABI-Kunden am Bauwerk zeigen zu können, welche konstruktiven und ästhetischen Möglichkeiten mit den ABIProdukten realisierbar sind. Somit plante das Büro Planfaktur gemeinsam mit dem Bauherren ein Gebäude, das außen und innen aus sichtbaren Betonfertigteilen besteht. Für die primäre Tragkonstruktion kommen somit die von der ABI-Beton selbst produzierten Thermo-Sandwichwände zum Einsatz. Ein weiteres ABI-Produkt sind die elementierten Betondecken, die durch

Zum Heizen bzw. Kühlen des Bürobaus nutzt die Firma ABIBeton mit Erdwärme eine regenerative Energiequelle. Hierzu wurden 20 Erdwärmesonden in Tiefen von 50 bis 120 m gebohrt; eine Wasser-Wärmepumpe ergänzt diese Kollektoranlage, wobei mit einer zweiten Wärmepumpe ein weiteres innovatives Produkt der Fa. ABI angeschlossen ist. In der Kellerwand sind – wie in der Decke – nun ebenfalls Kunststoffrohre einbetoniert, über die dem Erdreich weitere Wärme entzogen werden kann. Mit Hilfe von Sensoren werden jetzt die Temperaturen im Erdreich kontrolliert, um Aussagen über die Leistungsfähigkeit und das Langzeitverhalten zu erhalten, bevor das neue Thermowandsystem auf den Markt geht. Alexandra Busch Dipl.-Ing. Architektur Bautafel: Büro- und Verwaltungsgebäude der ABI-Beton in Andernach Bauherr: ABI-Beton Andernacher Bimswerk GmbH & Co. KG Planung: PLANFAKTUR Architekten & Ingenieure Nutzfläche: 1478,08 m2 Technische Funktionsfläche: 57,71 m2 Verkehrsfläche: 1314,38 m2 Nettogeschossfläche: 2850,71 m2 Bruttorauminhalt: ca. 11.000 m3 TGA: HPI Himmen Geologe: geo consult POHL Baubeginn: Mai 2014 Bauende: Oktober 2015 www.syspro.de

Bild 4. Das Schaltschema symbolisiert das virtuelle Gebäudemodell mit thermisch aktivierten Bauteilen: Geschossdecken sowie Thermowand als Strahlungs- und Erdabsorber. (Fotos: 1–3 Matthias Schmidt/PLANFAKTUR Architekten & Ingenieure, 4 SySpro-Gruppe)

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Multifunktionale Betonfertigteile

Multitaskingfähige Geschossdecken – individuell vorproduzierte, massive Raumklimadecken Massive multifunktionale Systemfertigdecken, die dennoch leichter sind als übliche Ortbetondecken oder Filigrandecken, liegen im Trend. Sie sind nicht nur für den Neubau geeignet, sondern auch optimal für An- und Umbau. Sie entsprechen dem Wunsch nach massiven Bauteilen. Dennoch wird das Fundament und Mauerwerk weit weniger belastet als bei herkömmlichen Decken, weil in die Decke werkseitig bereits röhrenförmige Hohlräume integriert sind. Diese innovativen Systemfertigdecken gibt es auch als Raumklimadecken mit integrierter Flächenheizung bzw. -kühlung und/oder mit der Ausstattung für den schnellen und wirtschaftlichen Einbau einer kontrollierten Be- und Entlüftungsanlage. Auch die Schallschutzwerte sind weit besser als bei vergleichbaren Decken. Das bahnbrechende Konzept der Schlüsselfelder Ideenschmiede Dennert wurde bereits einmal als Bauinnovation des Jahres ausgezeichnet und hat sich schon in vielen Gebäuden bewährt, vom Einfamilienhaus bis hin zum Gewerbebau. Die enormen Potenziale bei Energieeffizienz, Behaglichkeit und Wirtschaftlichkeit machen die Raumklimadecke zu einer sehr interessanten Alternative, sowohl für den Neubau als auch für die Sanierung und Modernisierung. Jedes Deckenelement wird als individuelles Einzelstück nach Plan gefertigt und als trockenes Bauteil montagefertig auf die Baustelle angeliefert und auf Wunsch auch auf das Mauerwerk durch eigenes geschultes Personal aufgelegt. Dabei werden alle Besonderheiten – wie beispielsweise integrierte Stürze, Rundungen, Durchbrüche für Versorgungsleitungen, passgenaue Auflagen für Treppen u. a. – bereits im Werk in die Deckenplatten integriert. Zudem erfüllt die innovative DXDecke alle Anforderungen an Feuerschutz, Belastbarkeit und Schallschutz mit Bestwerten. Die vom IBMB Prüfinstitut Braunschweig gemessenen Werte im Bereich Luftschall liegen um ca. 10 % besser als bei herkömmlichen Vollbetondecken. Die Raumklimafunktion dieser Systemfertigdecken ist zudem unübertroffen. Die Heizung und Kühlung kommt von dort, wo sie von der Natur vorgesehen ist, nämlich von oben. Auch die Sonne strahlt von oben, lautet das verblüffende Grundprinzip der Raumklimadecke. Die wohlige Wärme wird in Form von Wärmestrahlungswellen gleichmäßig und wohngesund in jeden Winkel des Raumes geführt. Die Heizschlangen werden bereits im Werk in den Deckenspiegel der Fertigdecke eingegossen und auf der Baustelle an den Heizkreisverteiler bauseits vom Installateur angeschlossen.

Bild 1. Heizung und Kühlung von dort, wo sie die Natur vorgesehen hat – von oben

Bild 2. Werkseitig in die Deckenkörper integrierte Hohlröhren

Geringster Konvektionsanteil Der Konvektionsanteil ist im Vergleich zu anderen Flächenheizsystemen am geringsten. Die Staubverwirbelung ist gleich Null, was auf andere Flächenheizsysteme bekanntlich nicht zutrifft. Im Sommer wird das in den Deckenspiegel eingegossene Rohrleitungssystem – beim Betrieb einer reversiblen Wärmepumpe – zur flächendeckenden Raumtemperierung, ohne lästige Geräu-

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Multifunktionale Betonfertigteile

Bild 3. Jedes Deckenelement ist nach Plan gefertigtes, individuelles Einzelstück und wird als trockenes Bauteil montagefertig auf die Baustelle geliefert. (Fotos: Dennert-Baustoffe.de)

sche oder Zugerscheinungen. Ein weiterer Vorzug der Raumklimadecke ist die wahlweise Ausstattung (DX-AIR) für den schnellen und wirtschaftlichen Einbau der Lüftungsrohre für eine kontrollierte Be- und Entlüftungsanlage. Die werkseitig in den Deckenkörper integrierten Hohlröhren nehmen die üblichen Lüftungsrohre spielend auf. Auslässe für Be- und Entlüftungssysteme werden ebenfalls bereits im Werk plangenau in den massiven Deckenelementen vorbereitet. In die Decke integrierte Kunststoffmanschetten und der patentierte Lüftungswinkel ermöglichen die einfache Montage von Ein- bzw. Ausströmventilen. www.dennert-baustoffe.de

Multifunktionale Thermowand Die Thermowand von Greencode wird individuell durchgeplant und unter kontrollierten, witterungsunabhängigen Produktionsbedingungen hergestellt. Die dreischaligen Wandelemente werden just-in-time auf der Baustelle angeliefert. Der Aufbau vor Ort erfordert wenig Zeit, die Logistik wird vereinfacht, aufwändiger Schalungs- und Bewehrungsbau entfällt. Eingebunden in den Greencode-Workflow ist die gesamte Haustechnik bereits berücksichtigt und entsprechend eingebaut bzw. der Einbau vorbereitet. Die Thermowand sorgt für eine gleichmäßige Raumtemperatur, da Beton ein ausgezeichnetes Speichermedium ist. Die Sonneneinstrahlung des Tages wird in der Nacht wieder abgegeben bzw. die Kühle der Nacht in den nächsten Tag mitgenommen. Da auch die Wandflächen mit einem Heiz-/Kühlregister belegt werden können, wird die Effizienz der Gebäude weiter gesteigert. Die durch die Wandflächen wesentlich vergrößerte Wirkfläche ermöglicht es, die Vorlauftemperaturen im Heizbetrieb weiter zu senken und somit den Einsatz regenerativer Energieträger noch wirtschaftlicher zu gestalten. Im Kühlbetrieb können Leistungswerte von bis zu 100 W/m2 Grundfläche erreicht werden. Die höheren Vorlauftemperaturen verringern den Energieeinsatz auch im Sommer und schützen das System nachhaltig vor Tauwasserbildung – auch bei schwüler Witterung und ohne Leistungseinbußen. Die Greencode-Thermowand wird liegend auf Metallschalungen betoniert. Dadurch und durch eine mehrstufige Verdichtung ver-

Objekt Wohnhaus Keller, Diepoldsau (CH), Architekt Joshua Loher (Foto: green-code.de)

fügen die Wände über eine glatte Oberfläche. Bauseits werden die Betonoberflächen gereinigt und endbehandelt. Wer sichtbaren Beton nicht oder nicht überall möchte, dem stehen alle gestalterischen Mittel offen. Die Oberflächen sind malerfähig – innen wie außen. Die Außen- und Innenschale aus Beton mit integrierter Bewehrung und zwischenliegender Dämmung wird durch die Verfüllung des Hohlraums mit Ortbeton zu einem monolithischen Bauteil. Im Greencode-Konzept bildet die Thermowand die harte Schale nach außen und die hochwertige Dämmung liegt geschützt in der massiven Wand. Das sorgt auch für optimalen Brandschutz. Dämmstärken von 4 bis 22 cm sind je nach Material und Anforderung möglich. Auch großformatige Wandflächen sind realisierbar. Die optional integrierten Heiz-/ Kühlleitungen ermöglichen eine beträchtliche Steigerung der Systemeffizienz. www.green-code.de

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Bauphysik 38 (2016), Heft 1

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Fachliteratur

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Fachthemen Andreas Holm Karl Gertis Christine Maderspacher Christoph Sprengard

DOI: 10.1002/bapi.201610002

Kritische Überlegungen zur Wirtschaftlichkeit von energiesparenden Wärmeschutzmaßnahmen Die Wirtschaftlichkeit von Wärmeschutzmaßnahmen wird derzeit heftig, z. T. auch kontrovers diskutiert. Zunehmend negative Berichte in den Medien schüren immer wieder Zweifel am wirtschaftlichen Sinn von Wärmedämm-Maßnahmen an Gebäuden. Zur Ermittlung der Wirtschaftlichkeit ist die Beachtung äußerst vielfältiger Parameter nötig, wenn keine Fehl- oder Pseudokalkulationen zustande kommen sollen. Bei der Sanierung der Altbauten muss zwischen Sowieso-Kosten und energiebedingten Kosten unterschieden werden; erstere fallen an, weil die ins Alter gekommenen Bauteile sowieso saniert werden müssen. Die kalkulatorische Ermittlung der Wirtschaftlichkeit kann nach statischen und dynamischen Methoden erfolgen, wobei nur die letzteren die zeitlichen Veränderungen wesentlicher Kalkulationsparameter (wie z. B. des Energiepreises und des Realzinses) über die Nutzungsdauer angemessen berücksichtigen können. Die Nutzungsdauer entspricht in der Regel einer Ein-Generationen-Aktivzeit von 30 Jahren. In derartigen Zeiträumen können sich auch staatliche Förderzuschüsse und steuerliche Abschreibungsmöglichkeiten stark ändern. Bei so vielfältigen Kalkulationsparametern und deren zeitlicher Veränderung überrascht es nicht, dass die Wirtschaftlichkeitsergebnisse stark schwanken. Die Amortisationszeit liegt meist zwischen 2 und 15 Jahren. In ungünstigen Fällen kann sie auch auf bis zu 30 Jahre anwachsen. In jedem Fall liegt sie innerhalb des 30-jährigen Generationszeitraums. Dies erfordert aber eine Steigerung der jährlichen Sanierungsrate auf mindestens 3 %. Economic efficiency of thermal insulation aimed at saving energy: a critical assessment. The economic efficiency of thermal insulation is often subject to intense criticism, and can be controversial. Increasingly, negative reports in the media are casting doubt on the financial justification for adding thermal insulation to buildings. In order to investigate the economic efficiency of such measures while avoiding miscalculations or pseudo-calculations, an extremely wide range of parameters must be considered. A distinction must be made when renovating old buildings between ‘business-as-usual’ costs and energy-related costs; the former are incurred because ageing building elements will usually require renovation. The calculations to establish economic efficiency may use the static or dynamic method, but only the latter can account for the changes over time in major calculation parameters (such as energy prices and real interest rate level) over the building’s useful life. This useful life is normally a single generation of active service, lasting 30 years. That is long enough for government subsidies and tax amortisation options to change significantly. It is therefore unsurprising, with so many calculation parameters and the change in these over time, that the results of economic efficiency calculations vary greatly. The

amortisation period is normally between 2 and 15 years; it can extend to 30 years, in extreme cases. It will however always fit within a single 30-year useful life. This requires a rise in the current annual rate of renovation, to at least 3 %.

1 Einleitung Das Energiekonzept der Bundesregierung [1] sieht einen „nahezu klimaneutralen“ Gebäudebestand bis zum Jahre 2050 vor. Um dieses ambitionierte Ziel zu erreichen, soll der Wärmebedarf von Gebäuden bis 2020 um 20 % und der Primärenergiebedarf bis 2050 um 80 % gegenüber 2008 gesenkt werden. Ferner soll die Sanierungsrate von jährlich 1 % auf 2 % erhöht werden. Die energetische Sanierung des Gebäudebestandes wird in diesem Energiekonzept als „wichtigste Maßnahme, um den Verbrauch an fossilen Energieträgern nachhaltig zu mindern und die Abhängigkeit von Energieimporten zu reduzieren“, beschrieben. Bei derartigen Zielsetzungen muss der Gebäudebestand in Deutschland genauer betrachtet werden. Etwa 70 % der insgesamt 18,2 Mio. Wohngebäude in Deutschland wurden vor 1979 errichtet [2]. Gemäß einer Untersuchung [3] liegt der Modernisierungsfortschritt dieser Bestandsgebäude bei ca. 25 bis 30 %. Überschlägig bedeutet dies, dass in Deutschland an knapp 9 Mio. Altbauten noch keine oder nur geringfügige Verbesserungen des Wärmeschutzes durchgeführt wurden. Man muss also feststellen, dass jedes zweite Wohngebäude in Deutschland über einen unzureichenden Wärmeschutz verfügt. In Tabelle 1 sind die Anteile der gedämmten Bauteilflächen in % an der jeweils insgesamt vorhandenen Bauteilfläche entsprechend den Angaben von [4] wiedergegeben. Der Anteil gedämmter Außenwandflächen liegt bei Ein- und Zweifamilienhäusern bei ca. 35 %. Der überwiegende Teil der Gebäudealtersklassen vor 1979 zeigt einen energetischen Standard auf einem Niveau vor der Wärmeschutzverordnung 1977 [5]. Sanierungen, die einen besseren energetischen Standard aufweisen, sind in diesen Altersklassen selten. Die Gebäudealtersklassen ab 1979 bis 2014 haben zwar größtenteils einen Standard, welcher der Wärmeschutzverordnung nach 1977 oder 1984 entspricht. Modernisierungen, die eine bessere energetische Effizienz erreichen, sind in diesen Gebäudealtersklassen aber ebenfalls selten. Die Dämmung der oberen Geschossdecke oder des Daches der älteren Wohngebäude ist mit über 60 % bei

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Tabelle 1. Zusammenstellung der prozentualen Anteile der gedämmten Bauteilfläche an der jeweiligen gesamten Bauteilfläche gemäß [4] Table 1. Compilation: percentages of the total building stock which have insulation fitted, after [4] Baujahr Altbau mit Baujahr bis 1978

Prozentualer Anteil der gedämmten Bauteilflächen an der gesamten Bauteilfläche [%] Außenwand

Dach/Obergeschossdecke

Fußboden/Kellerdecke

27,8

61,9

19,9

Baujahr 1979–2004

49,7

88,9

59,2

Neubau ab 2005

64,0

98,2

85,3

Insgesamt

35,8

71,2

33,8

Wohngebäuden bis Baujahr 1978 bereits weit fortgeschritten. Insgesamt sind fast zwei Drittel aller Dachflächen gedämmt, jedoch nicht unbedingt auf einem heutzutage sinnvollen energetischen Standard. Diese hohe Quote ist überwiegend durch eine nachträgliche Dämmung erreicht worden. Die Dämmung der Gebäude nach unten (zur Bodenplatte) oder der Kellerdecke ist erst bei knapp 20 % der älteren Wohngebäude realisiert worden. Wie bei der Dämmung der obersten Geschossdecke bzw. des Daches ist die Dämmquote nur in den jüngeren Altbauten erhöht, was wiederum mit der bereits bei der Errichtung eingebrachten Dämmung begründet werden kann. Für die Sanierung der Gebäude, und somit für die Umsetzung der geforderten Sanierungsrate, ist der Gebäudeeigentümer verantwortlich. Dieser muss entscheiden, wann und in welchem Umfang die Instandsetzungen bzw. energetischen Ertüchtigungen am Gebäude durchgeführt werden. Verbesserungen am Heizungssystem, an den Anlageteilen, an der Heizungsregelung und am Schornstein sind nicht Gegenstand der vorliegenden Untersuchung. Durch zunehmend negative Berichte in den Medien wird der wirtschaftliche Sinn von Wärmedämm-Maßnahmen immer wieder angezweifelt. Deshalb soll in der vorliegenden Studie überprüft werden, unter welchen Bedingungen Wärmedämm-Maßnahmen wirtschaftlich schlüssig sind. Dabei muss auch auf die angewandten Kalkulationsmethoden eingegangen werden, mit denen die Rentabilität der Investitionen nachgewiesen wird. Investitionen führen nämlich nicht sofort – d. h. quasi in Nullzeit – zum wirtschaftlichen Erfolg; ihre Rentabilität zeigt sich vielmehr erst in längerfristigen Kosteneinsparungen. Dies bedeutet, dass bei den vorzunehmenden Kalkulationen auch zeitliche Änderungen der Kalkulationsparameter (z. B. des Energiepreises oder des Zinssatzes) einfließen müssen, die in ihrer zukünftigen Entwicklung natürlich gewisse Unsicherheiten aufweisen. Die Auswirkung dieser Unsicherheiten auf die Genauigkeit des Kalkulationsergebnisses kann durch Variation der Kalkulationsparameter mittels dynamischer Zeitreihen und spezieller stochastischer Methoden abgeschätzt werden. Eine rein statische Kalkulation mit fixen Parametern würde den Entwicklungen nicht Rechnung tragen. Deshalb wird bei der Umsetzung der politischen Energieeinsparziele mit Recht darauf hingewiesen [4], dass „dies nicht zum Nulltarif zu haben ist, sondern erhebliche Investitionen erfordert, die aber langfristig zu einer Kostenersparnis führen.“ Wenn die Verbesserung des Wärmeschutzes im Gebäudebestand erfolgreich umgesetzt werden soll, muss die Sanierungsrate, die derzeit jährlich bei ca. 0,9 % (also unter-

2

halb 1 %) liegt, wesentlich erhöht werden. Bei einer 1%-igen Jahresrate würde die Sanierung 100 Jahre dauern; das wäre absurd. Die Bundesregierung peilt, wie oben erwähnt, eine jährliche Rate von 2 % an. Auch dieser Wert ist zu niedrig, weil der Sanierungsvorgang bei den ca. 9 Mio. sanierungsbedürftigen Altbauten dann 50 Jahre dauern würde. Wenn man davon ausgeht, dass jeder Generation, der eine etwa 30 Jahre dauernde Aktivzeit zuzuschreiben ist, jeweils eine gründliche Sanierung zugemutet werden kann, müsste die jährliche Sanierungsrate auf mindestens 3 % angehoben werden. Die Kluft zwischen der derzeit bei 0,9 % liegenden Sanierungsrate und der Wunschrate von 3 % zeigt die strikte Notwendigkeit, aber auch die Dramatik der energetischen Verbesserungsmaßnahmen im Gebäudebestand. Die ca. 30-jährige Generationen-Spanne entspricht auch jenem Zeitraum, in dem die zeitlichen Änderungen der Kalkulationsparameter bei Wirtschaftlichkeitsnachweisen der getätigten Sanierungsmaßnahmen betrachtet werden müssen. Um Wirtschaftlichkeitsrechnungen ausführen zu können, muss eine Reihe von (zeitabhängigen) Kalkulationsparametern, wie z. B. die Entwicklung des Energiepreises und des Realzinses sowie die angestrebte Nutzungsdauer, bekannt sein. Ferner sind Angaben zu den Baukosten und speziell zu den energiebedingten Kosten erforderlich. Diese Daten werden in der vorliegenden Arbeit zunächst bereitgestellt. Bevor dann Wirtschaftlichkeitsberechnungen aufgenommen werden können, müssen die verschiedenen Kalkulationsmethoden erläutert werden, weil diese – je nach Investor-Denkweise – zu unterschiedlichen Ergebnissen führen können. Dann sind die Auswirkungen der einzelnen Kalkulationsparameter und ihr Einfluss auf das Wirtschaftlichkeitsergebnis zu überprüfen. Ein Anwendungsbeispiel (Vollsanierung eines Einfamilienhauses) rundet die vorliegende Arbeit ab.

2 Zeitabhängige Kalkulationsparameter 2.1 Energiepreis Bei der Erfüllung der energetischen Einsparziele werden durch Sanierungsmaßnahmen und Reduzierung des Heizwärmebedarfs die Heizenergiekosten für die Gebäudenutzer und Bewohner gesenkt. Um diese Kosten über den gesamten Lebenszyklus der Gebäude zu berücksichtigen, ist die zeitliche Entwicklung der Energiepreise von großer Bedeutung. Mit Hilfe von Abschätzungen und Annahmen zur jährlichen Energiepreissteigerung können die Heizenergieeinsparungen in Kosteneinsparungen umgerechnet werden. Zu beachten ist, dass die langen Betrachtungszeiträume eine relativ große Unsicherheit bezüglich der Energiepreisentwicklungen mit sich bringen.

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Bild 1. Entwicklung der Energiekosten eines privaten Haushaltes in Deutschland gemäß [6] Fig. 1. Development in energy costs for a private household in Germany after [6]

In Bild 1 sind die jährlichen Ausgaben eines privaten Haushaltes in Deutschland für Energie (Licht, Prozesswärme und Raumwärme mit Warmwasser) für den Zeitraum 1996 bis 2012 abgebildet. Der Verlauf zeigt zunächst einen deutlichen Aufwärtstrend. Vergleicht man die aktuellen Energiekosten für Raumwärme und Warmwasser aus dem Jahr 2012 mit denen aus 1996, so ist eine Preissteigerung von knapp 50 % zu erkennen. In Bild 2 sind die Verbraucherpreise der Haushalte für eine Kilowattstunde Energie seit 1990 aufgetragen. In dieser Zeit haben sich die Preise für Strom und Erdgas mehr als verdoppelt, für Heizöl sogar verdreifacht. Betrachtet man den Verlauf der Preissteigerung, so fällt auf, dass die Verbraucherpreise bis zum Jahr 2000 relativ stabil waren. Erst blieb der Energieverbrauchspreis relativ konstant, dann begann eine deutliche Erhöhung der Energiepreise. Aktuell ergibt sich für den Ölpreis wieder eine Entwicklung hin zu niedrigeren Preisen. Im Jahr 2014 zahlte man bis Ende September nahezu konstant 80 € pro 100 Liter. Seit

Bild 2. Zeitliche Entwicklung der Verbraucherpreise privater Haushalte für Energie gemäß [6] im Vergleich zur Entwicklung der Preisinflation im selben Zeitraum gemäß [7] Fig. 2. Development in consumer energy prices to private households over time, after [6], compared to price inflation over the same period after [7]

September ist der Preis aber gefallen und liegt im Januar 2015 bei derzeit 55 € pro 100 Liter. Das hat natürlich Auswirkungen auf die Wiedererwirtschaftbarkeit von Sanierungsmaßnahmen.

2.2 Realzins Die Energiespar-Investitionen müssen in Verbindung mit den zu erwartenden Zinserträgen gesehen werden, die ein Investor erhalten würde, wenn er sein Geld auf die Bank trüge, statt in Wärmedämm-Maßnahmen zu investieren. Wo er günstiger fährt, kann mit Hilfe des Realzinses und der sog. Umlaufrendite bewertet werden. Die Umlaufrendite ist die durchschnittliche Rendite aller im Umlauf befindlichen, inländischen festverzinslichen Bundeswertpapiere mit einer Laufzeit von mindestens 3 und maximal 30 Jahren. Ein dafür immer wieder verwendetes Konzept ist der sogenannte Realzins. Hierbei wird eine Inflationsrate (vgl. Bild 2 unten) von dem nominalen Zins abgezogen, um eine inflationsbereinigte Bewertung zu ermöglichen. Wie stark die realisierte Umlaufrendite schwanken kann, lässt sich besonders gut an der zeitlichen Entwicklung des Realzinses zeigen. Für diesen Zins gibt es langfristige Zeitreihen, an denen die Zinszyklen mit Auf- und Abschwungphasen zu erkennen sind, welche in Bild 3 dargestellt werden. 2008 rutschen mit der Finanzkrise die Realzinsen in Deutschland auf ein Niveau von unter 2 % pro Jahr. Seit einigen Monaten liegen sie sogar

Bild 3. Zeitliche Entwicklung der realisierten Umlaufrendite Fig. 3. Development of running yields over time

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im negativen Bereich. Banken geben für Geldeinlagen dann keinen Zins mehr, sondern verlangen teilweise Zins.

2.3 Nutzungsdauer Weil die Aussagen zur Entwicklung der Energiepreise und die Zinssätze mit zunehmenden Zeiträumen immer unsicherer werden, spielen bei längerfristigen Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen die Lebensdauer bzw. die Sanierungszyklen und damit die Nutzungsdauer der Bauteile eine wesentliche Rolle. Die üblichen Lebensdauern bzw. Sanierungszyklen liegen mit ca. 30 bis 60 Jahren (Tabelle 2) deutlich über der typischen Laufzeit von Hypothekendarlehen von 10 bis 20 Jahren. Aus der langjährigen Erfahrung mit Dämmstoffen wird generell von einer hohen Lebensdauer ausgegangen. Untersuchungen [8] bestätigen, dass bei ordnungsgemäß verlegten Dämmstoffen auch nach mehr als 20 Jahren keine messbaren Änderungen vorliegen. Deshalb werden für gebräuchliche Dämmstoffe in der Normung und bei der Erteilung einer europäisch technischen Zulassung Lebensdauern von 50 Jahren angesetzt. Tabelle 2. Lebens- bzw. Nutzungsdauer von Dämmmaßnahmen an bestimmten Bauteilen nach [8] und eigenen Abschätzungen Table 2. Lifetime/useful life of insulation applied to specific structural elements, after [8] and own assessment, in years Bauteil

Lebensdauer [a] Bereich

Durchschnitt

Wärmedämmung (im Flachdach/Warmdach)

30–60

45

Dämmung im Steildach

40–60

50

Dämmung im Umkehrdach

40–60

50

Dämmung in Decken, Fußboden

30–100

65

Dämmung in Außenwand hinter Bekleidung

30–60

45

Wärmedämmverbundsystem

30–50

40

Kerndämmung

30–60

45

Dämmung unter der tragenden Gründungsplatte

50–100

75

Perimeterdämmung

30–100

65

5–25

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Dämmung für die Technische Gebäudeausrüstung

3 Mehrkosten bei Heizenergieeinsparung Energiesparende Maßnahmen kosten Geld. Kosten werden zum Hindernis für eine energetische Sanierung, wenn den Eigentümern oder Investoren der finanzielle Einsatz nicht wirtschaftlich schlüssig erscheint. Die entscheidende Frage bei allen energiesparenden Maßnahmen lautet, ob sich die im Moment der Sanierung aufzubringenden Mehrkosten durch eine Reduzierung der Brennstoffkosten im Laufe des Nutzungszeitraumes des Gebäudes wieder einspielen lassen. Wie bei Wirtschaftlichkeitsberechnungen allgemein, so sind auch hier die zu berücksichtigenden Kostengruppen zu definieren. Diese bilden die Grundlage für die Berech-

4

nung einer ökonomischen Kenngröße, welche, je nach Kalkulationsmethode, die Wirtschaftlichkeit der energiesparenden Maßnahme beschreibt. So resultieren aus der Investition im Laufe der Nutzungsdauer ständig anfallende Einnahmen- und Ausgabenströme, die zu einer Amortisation der getätigten Investitionen führen sollen. Für die Wirtschaftlichkeitsbeurteilung einer Investition in eine Dämmmaßnahme sind die Bau- und Materialkosten entscheidend. Diese können bei konkreten Vorhaben über das Einholen verschiedener Angebote abgeschätzt werden.

3.1 Sowieso-Kosten und energiebedingte Kosten Bei der Kostenbetrachtung einer energetischen Sanierung muss man zwischen den sogenannten „Sowieso-Kosten“ und den energiebedingten Kosten unterscheiden. Immer dann, wenn eine Sowiesomaßnahme ansteht, also wenn z. B. die Fassade in die Jahre gekommen ist, wenn das Dach einen Schaden hat oder die Fenster ausgetauscht werden müssen, sollte zusammen mit den notwendigen Instandsetzungsmaßnahmen auch eine energetische Sanierung durchgeführt werden. Man nennt das auch „Koppelungsprinzip“. Von den Vollkosten der Sanierung sind die sogenannten „Sowieso-Kosten“ abzuziehen, um zu den energiebedingten Mehrkosten als Teilkosten zu gelangen. Ein einfaches Beispiel: Bei verputzten Fassaden sind in der Regel in einem Zeitraum von 30 bis 50 Jahren Instandsetzungsarbeiten im größeren Umfang, wie etwa Erneuerung des Außenputzes, notwendig. Wenn eine Fassade zur Sanierung ansteht, dann fallen sowieso Kosten für das Gerüst, für die Malerarbeiten, für den Putz usw. an. Die Mehrkosten für die Dämmung und die sich daraus ableitenden Nebenarbeiten zählen zu den energiebedingten Mehrkosten. Diese Mehrkosten können den erzielbaren Einsparungen an Heizenergie gegenüber gestellt werden. Das Bauinformationszentrum Deutscher Architektenkammer stellt umfassende Informationen und Daten zur Kostenplanung von Bauprojekten zur Verfügung [9]. Diese Datenbank basiert auf abgerechneten Bauprojekten und wird ständig erweitert und aktualisiert. In Tabelle 3 sind die für eine Wärmedämmmaßnahme an der Fassade mit wärmedämmverbundsystem-relevanten Kostenstellen zusammengefasst. Dabei wurden die Kennwerte aus den Jahren 2007, 2010 und 2014 entnommen. Man kann feststellen, dass die Kosten für die Wärmedämmung im Jahre 2010 gestiegen, jedoch seit dem stabil sind. Ebenfalls stabil sind im Betrachtungszeitraum die Preise für den Außenputz. Für die Beschichtung der Fassade mit einer Dispersions-Silikatfarbe sind die Kosten sogar stark gesunken. In diesem Zusammenhang wird auf eine Studie [10] verwiesen, in welcher die Entwicklung der Baukosten seit 1990 im Zusammenhang mit den gestiegenen energetischen Anforderungen untersucht wurde. Diese Studie kommt zu dem Ergebnis, dass die Investitionskosten für Neubauten seit 1990 preisbereinigt nahezu konstant geblieben sind. Für Außenwände aus Kalksandstein mit Wärmedämmverbundsystem wurde beispielsweise im Rahmen dieser Studie festgestellt: „Preisbereinigt sind die Investitionskosten für gleiche energetische Qualität kontinuierlich gesunken. Der Eigentümer bekommt heute einen höheren Wärmeschutz fürs gleiche Geld als noch vor 10 oder 20 Jahren.“ Zusammenfassend kann man festhalten, dass die Bau-

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Tabelle 3. Vergleich der Entwicklung der Bruttopreise unterschiedlicher Positionen für die Sanierung einer Außenwand mit einem Wärmedämmverbundsystem (WDVS) nach EnEV; die Bruttokostenangaben stammen aus [9] Table 3. Comparison of developments in gross prices for various items used to renovate an external wall with an external thermal insulation composite system (ETICS) in accordance with EnEV; gross cost figures from [9] Aufbau

pro Einheit

Bruttopreis [€/m2] bzw. [€/m] 2007 [€]

2010 [€]

2014 [€]

Untergrundvorbereitung, Hochdruckreinigen

m2

2,0

2,0

2,5

Haftbrücke, Betonfläche, für Gipsputze

m2

2,0

5,0

5,0

Untergrund abkehren

m2

0,4

0,5

0,6

Fluatieren, Wände

m2

2,0

2,0

1,7

Spritzbewurf, Putzgrund

m2

6,0

6,0

6,0

Ausgleichsputz, bis 10 mm

m2

11,0

10,0

9,0

Putzträger, Metallgittergewebe

m2

13,0

12,0

12,0

WDVS, Wärmedämmung, EPS, 120 mm

m2

20,0 (0,040 W/mK)

31,0 (0,035 W/mK)

31,0 (0,035 W/mK)

WDVS, Dübelung, Wärmedämmung

m2

10,0

10,0

9,0

WDVS, Armierungsputz, Glasfasereinlage

m2

8,0

13,0

15,0

Außenputz, Unter-/Oberputz, Wand

m2

31,0

32,0

34,0

Schlämmputz, Außenwand

m2

11,0

11,0

10,0

WDVS, Eckausbildung

m

6,0

7,0

7,0

Außenputz, zweilagig, Laibungen

m

13,0

14,0

14,0

Beschichtung, Dispersions-Silikatfarbe, Außenputz

m2

13,0

10,0

8,0

Mineralischer Oberputz, WDVS

m2

15,0

Organischer Oberputz, WDVS

m2

16,0

Außenputz und WDVS; Oberputz, Beschichtung

m2

14,0

Kalkzementputz

m2

15,2

WDVS, Sockelausbildung

m

12,0

13,0

WDVS, Fensteranschluss

m

7,0

11,0

kosten im Zuge der gestiegenen energetischen Anforderungen nicht angestiegen sind. Der Vorwurf, dass mit steigenden Anforderungen an die Energieeffizienz das Bauen immer teurer und irgendwann unbezahlbar wird, ist damit widerlegt.

3.2 Ermittlung der Heizenergieeinsparungen Die zu erwartenden Heizenergie- und somit Kosteneinsparungen durch eine Sanierungsmaßnahme können überschlägig mit Hilfe der Gradtagzahl ermittelt werden. Die jährliche Gradtagzahl wird durch Aufsummierung der Temperaturdifferenzen zwischen Außen- und Raumlufttemperatur ermittelt und daher in der Einheit [Kd] angegeben. Dabei werden jedoch nur die Tage berücksichtigt, an denen das Tagesmittel der Außenlufttemperatur unter der Heizgrenztemperatur liegt. Die Heizgrenztemperatur wird dabei abhängig vom energetischen Zustand des Gebäudes gewählt. Bei einem energetisch guten Gebäude (z. B. Passivhaus) wird eine Heizgrenztemperatur von ca. 10 °C angenommen. Das bedeutet, dass erst ab einer mittleren Tagestemperatur der Außenluft von unter 10 °C geheizt werden muss. Bei einem unsanierten Bestandsgebäude liegt die Heizgrenztemperatur bei 15 °C. Um die spezifischen klimatischen Bedingungen einer Region zu berücksichtigen, gibt es regional unterschiedliche Kennwerte für die Gradtagzahl. Des Weiteren muss eine Annahme für die Raumlufttemperatur getroffen werden. Raumlufttemperatur und Heizgrenztemperatur werden mit der Gradtagzahl ange-

geben (z. B. G20/15). Dies bedeutet 20 °C Raumlufttemperatur, 15 °C Heizgrenztemperatur. Die Gradtagzahl kann durch Multiplikation mit dem Wärmestrom zur Abschätzung des Transmissionswärmeverlustes eines Gebäudes verwendet werden. Solare und innere Wärmegewinne sind separat zu berücksichtigen, wenn der Heizwärmebedarf berechnet wird. Im Folgenden werden die zu erwartenden Heizenergieeinsparungen im Vergleich zum unsanierten Zustand (U = 1,4 W/(m2K)) in Abhängigkeit des nach Sanierung erzielten U-Wertes ermittelt. Um die klimatischen Unterschiede innerhalb Deutschlands und deren Einfluss auf das Einsparpotential darzustellen, werden die Berechnungen mit den in Tabelle 4 dargestellten Gradtagzahlen durchgeführt. Zudem wird als Vergleich eine Variante mit dem Heizperiodenverfahren berechnet. Dieses ist definiert mit Tabelle 4. Gradtagzahlen für Deutschland im Überblick Table 4. Overview of degree day figures for Germany Maxima, Minima und Mittelwert

Ort

Minimal-Variante (warmes Klima)

Rheinstetten

Maximal-Variante (kaltes Klima)

Fichtelberg

langjähr. Mittel Deutschland

Jahresmitteltemperatur [°C]

Gradtagzahl G20/15 [Kd]

10,8

3 200

3,4

6 000

7,1

3 500

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miteinander kombinieren. Da es hier aber darauf ankommt, die zentralen Unterschiede der einzelnen Methoden aufzuzeigen, werden diese Kalkulationsspielarten nicht betrachtet. Bereits im Jahr 1976 wurden in der Arbeit von Werner und Gertis [11] die Kalkulationsmethoden für die Wirtschaftlichkeit von Energiesparnahmen detailliert vorgestellt. Fünf Methoden erwiesen sich als besonders wichtig, nämlich: – Statische Amortisation (einfache Tilgung) – Dynamische Amortisation ohne Energiepreisveränderung – Dynamische Amortisation mit Energiepreisveränderung – Kapitalwert und Annuität – Interner Zinsfuß

Bild 4. Heizenergieeinsparungen in Abhängigkeit des erzielten U-Wertes. Annahme: U-Wert im Bestand = 1,4 W/(m2K) Fig. 4. Savings in heating energy as a function of the U value achieved. This assumes: U value in existing housing stock = 1.4 W/(m2K)

einer Innentemperatur von 19 °C sowie einer Heizgrenztemperatur von 10 °C (G19/10; das entspricht 2 900 Kd). In Bild 4 sind die Ergebnisse dieser Berechnung dargestellt. Die Bandbreite der Heizenergieeinsparungen liegt bei der Sanierung einer Außenwand (U = 1,4 W/(m2K)) auf EnEV-Niveau (U = 0,24 W/(m2K)) zwischen ca. 80 und 170 kWh/m2. Die Relevanz bei der Auswahl der Berechnungsmethode bzw. der Wahl der Gradtagzahl für die Abschätzung von Energieeinsparungen wird dabei deutlich. Man erkennt aus Bild 4, in welchem Maß die Heizenergieeinsparung zunimmt, je besser, d. h. je kleiner der U-Wert aufgrund der Sanierung wird. Um die klimabedingten Unterschiede (Schwankung Min.-Max. in Bild 4) nicht zu stark zu betonen, wird für die folgenden Berechnungen das Heizperiodenverfahren zugrunde gelegt.

4 Ermittlung der Wirtschaftlichkeit energiesparender Maßnahmen 4.1 Grundlagen Prinzipiell können die Methoden zur Wirtschaftlichkeitsbetrachtung in statische und dynamische Verfahren aufgeteilt werden. Statische Methoden sind dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor „Zeit“ bei der Bewertung nicht berücksichtigt wird. Dagegen werden bei den dynamischen Methoden die Veränderungen von Zinsen und Zinseszinsen über den Betrachtungszeitraum mit eingerechnet. Auf der Basis der grundlegenden Arbeiten von Werner und Gertis [11] bis [14] werden im Folgenden die wichtigsten Kalkulationsmethoden jeweils bei jährlich konstanten bzw. zeitlich sich ändernden Betriebskosten unter Zugrundelegung einer konstanten Energiepreissteigerung dargestellt. Natürlich lassen sich die verschiedenen Kalkulationsmethoden noch weiter variieren. Man könnte auch zeitlich veränderliche Faktoren (wie z. B. unterschiedliche Lebensdauern mancher Bauteile) berücksichtigen oder die verschiedenen Methoden

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Die einzelnen Methoden gehen von unterschiedlichen Denkweisen des Investors aus. Hierbei ist es relativ schwierig, sich auf eine bestimmte Methode zu einigen, weil sich bei Investoren unterschiedliche Denkansätze eingebürgert haben und auch erfolgreich praktiziert wurden. Im öffentlichen bzw. öffentlich geförderten Wohnungsbau sind über Jahre hinweg zudem verschiedene Abschreibungsmodelle eingeführt und wieder geändert worden, deren Auswirkungen sich in Zeitreihen niederschlagen. Die Investor-Entscheidung für eine bestimmte Kalkulationsmethode hängt somit auch von der steuerlichen Behandlung seines Vermögens ab und wird deshalb von Steuerberatern mitbeeinflusst. Diese vielfältigen, z. T. sehr subtilen Einflussfaktoren sind ein wesentlicher Grund dafür, dass die Wirtschaftlichkeit von Wärmedämm-Maßnahmen manchmal schwankt und deshalb kontrovers gesehen wird.

4.1.1 Statische Amortisation (vgl. [11]) Mit der statischen Amortisationsrechnung bestimmt man den Zeitpunkt, an dem erstmals die Summe der Einnahmen die Summe der Ausgaben übersteigt. Sie ist eine Überschlagsmethode und kann schnelle Abschätzungen liefern. Es wird dabei allerdings die zeitliche Struktur der Einnahmen und Ausgaben und somit der Cash-Flow vernachlässigt. Vorteilhaft ist diejenige Investition, welche die geringste Amortisationszeit nA aufweisen kann:

nA =

K k

mit nA Amortisationszeit [a] K Investition [€/m2] k jährliche Rückflüsse bzw. jährliche Einsparungen [kWh/m2a] Die Amortisationszeit nA kann auch als sog. MehrkostenNutzen-Verhältnis MNV ausgedrückt werden: MNV =

 Mehrkosten energetische Maßnahme [€/m 2 ]  €   2 Heizenergieeinsparung [kWh/m a]  [kWh/a] 

Hierunter versteht man das Verhältnis der Mehrkosten infolge eines verbesserten Wärmeschutzes (energiebedingte Mehrkosten) zur jährlichen Heizenergieeinsparung. Das MNV beschreibt also die energiebedingten Kosten pro jähr-

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lich eingesparter kWh Heizenergie. Demnach gilt: Je kleiner das MNV, desto effektiver bzw. wirtschaftlicher ist eine Dämmmaßnahme!

4.1.2 Dynamische Amortisation ohne Energiepreissteigerung (vgl. [11]) Ähnlich wie in Methode I wird bei der dynamischen Amortisationsrechnung der Zeitpunkt bestimmt, bei dem die Summe der Einnahmen die Summe der Ausgaben übersteigt. Bei dieser Methode werden die zeitlich veränderlichen Zinsaufwendungen der Ausgaben bzw. die Zinserträge der Einnahmen mitberücksichtigt:

nA =

mit nA K k i

1+

i 2

    1    K i    k  − 2 

Amortisationszeit Investition jährliche Rückflüsse bzw. jährliche Einsparungen jährlicher Zinssatz

Hierbei wird der Endwert einer Investition durch Aufzinsung der anfallenden Zinsen ermittelt. Der Endwert gibt den tatsächlichen Wert einer Zahlung am Ende der Betrachtungsperiode an.

4.1.3 Dynamische Amortisation mit Energiepreissteigerung (vgl. [11]) Methode III basiert auf den zeitveränderlichen Ansätzen der Methode II. Zudem wird dabei noch die jährliche Energiepreissteigerung berücksichtigt. Diese wirkt sich auf die Einnahmen bzw. auf die Heizkosteneinsparungen der jeweils betrachteten Sanierungsmaßnahme aus:

 (1 + j)n A − 1  K   nA + 1 =0  k   2 · i + 1 − j   mit nA K k i j

Amortisationszeit Investition jährliche Rückflüsse bzw. jährliche Einsparungen jährlicher Zinssatz jährliche Energiepreissteigerung

4.1.4 Kapitalwert und Annuität (vgl. [11]) Zur Ermittlung des Kapitalwertes werden alle Ein- und Auszahlungen innerhalb des Betrachtungszeitraums unter Berücksichtigung der Verzinsung betrachtet und der anfänglichen Investition gegengerechnet. Mit dieser Methode kann beurteilt werden, ob und nach wie vielen Jahren eine Investition wirtschaftlich vorteilhafter ist gegenüber einer Anlage mit jeweiligem Zinsfuß. Vergleichend mit den Methoden II und III wird bei der Kapitalwertmethode nicht der Endwert, sondern der Barwert einer Investition beurteilt.

Um mit dieser Methode die Amortisationszeit zu berechnen, werden die Kapitalwerte aller Zahlungen für eine Investition durch Diskontierung (Abzinsung) zu einem bestimmten Zeitpunkt ermittelt und gegengerechnet:

ln nA =

mit nA K k i j q γ

1 K 1 − (q − γ ) k q ln γ

Amortisationszeit Investition jährliche Rückflüsse bzw. jährliche Einsparungen jährlicher Zinssatz jährliche Energiepreissteigerung 1+i 1+j

Dabei werden alle anfallenden Zahlungen einer Investition unter Berücksichtigung der Verzinsung auf mittlere Jahreskosten über den Betrachtungszeitraum umgelegt. Als weiteren Schritt kann der annuitätische Gewinn ermittelt werden, indem man die annuitätischen Erlöse, beispielsweise durch Heizkosteneinsparungen, von den annuitätischen Kosten subtrahiert.

4.1.5 Interner Zinsfuß (vgl. [11]) Als andere Weiterführung der Kapitalwertmethode kann die Methode des internen Zinsfußes verstanden werden. Es wird derjenige Zinsfuß ermittelt, für den der Kapitalwert gleich Null wird:

    1  n 1 qin +1 −  γ + =0 qi + γ n · K  K   k    k    mit nA K k i j q γ qi

Amortisationszeit Investition jährliche Rückflüsse bzw. jährliche Einsparungen jährlicher Zinssatz jährliche Energiepreissteigerung 1+i 1+j interner Zinsfuß

Die Lösung dieser Gleichung muss iterativ vorgenommen werden. Hierbei wird durch Ermittlung der effektiven Verzinsung einer Investition eine Aussage zur tatsächlichen Rendite gemacht. Ist der ermittelte interne Zinsfuß größer als der Kapitalzinsfuß, kann die Investition als wirtschaftlich gegenüber einer Anlage bewertet werden.

4.1.6 Gewählte Kalkulationsmethode In Bild 5 wurden die errechneten Amortisationszeiten für die Kalkulationsmethoden I bis V in Abhängigkeit des Mehrkosten-Nutzungs-Verhältnisses (MNV) dargestellt.

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Die zugrunde gelegten Annahmen für dieses Beispiel sind ein aktueller Energiepreis von 0,08 €/kWh, eine jährliche Energiepreissteigerung von 5 % sowie ein kalkulatorischer Realzins von 1, 3 und 5 %. Bei größer werdendem MNV steigen die errechneten Amortisationszeiten an. Die Veränderung des Realzinses hat keinen Einfluss auf das Ergebnis bei Methode I (statische Amortisation). Während nach Methode I diese Zunahme stetig linear erfolgt, führt die Methode II zu einem progressiven Verlauf, dessen Abhängigkeit stark vom angenommenen Realzins beeinflusst wird. Die Amortisationszeiten bei Methode II steigen bei ungünstigem MNV und höherem Realzins an. Der Grund hierfür liegt in der Vernachlässigung der Energiepreissteigerung, welche sich generell positiv auf die Amortisationszeit auswirkt. Die Methoden III, IV und V sind abhängig vom MNV und zeigen

einen schwach degressiven Verlauf. Die Methode IV ist zusätzlich noch relativ stark vom Realzins beeinflusst. Auffallend ist, dass sich bis zu einem MNV von ca. 0,5 die errechneten Amortisationszeiten nach allen fünf Methoden nicht wesentlich voneinander unterscheiden.

4.2 Einfluss der Kalkulationsparameter auf die Wirtschaftlichkeit 4.2.1 Einfluss des Energiepreises In den folgenden Darstellungen werden die Methode IV (Kapitalwertmethode und Annuitätenmethode) bzw. die Methode V (interner Zinsfuß) angewendet, weil sie den Denkweisen moderner Investoren am nächsten kommen. In Bild 6 ist der Einfluss der Energiepreissteigerung und des zum Zeitpunkt der Investition vorhandenen Energiepreises

Bild 5. Mit verschiedenen Methoden berechnete Amortisationszeit in Abhängigkeit des Mehrkosten-Nutzungs-Verhältnisses (MNV); zugrunde gelegte Annahmen für dieses Beispiel: Energiepreis 0,08 €/kWh, jährliche Energiepreissteigerung 5 % sowie kalkulatorischer Realzins 1, 3 und 5 % Fig. 5. Amortisation period, calculated using various methods, as a function of the additional cost to benefit ratio; assumptions on which this example is based: energy price 0.08 €/kWh, annual energy price rise 5 %, real interest rate levels used for calculation 1, 3 and 5 %

Bild 6. Verlauf der Amortisationszeit in Abhängigkeit des Energiepreises in €/kWh und der Energiepreissteigerung für verschieden hohe Investitionen; Annahme: U-Wert Bestand 1,4 W/(m2K), U-Wert nach Sanierung 0,24 W/(m2K) Fig. 6. Amortisation period over time as a function of energy price in €/kWh and rise in energy prices for various levels of investment; assumptions: U value of existing housing stock 1.4 W/(m2K), U value after renovation 0.24 W/(m2K)

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auf die Amortisationszeit dargestellt. Dabei wurden drei unterschiedliche Investitionen für eine Dämmmaßnahme untersucht, welche drei verschiedenen MNV entsprechen. Aus den Diagrammen ist der Einfluss der Energiepreissteigerung auf die Amortisationszeit deutlich zu erkennen. Außerdem kann man feststellen, dass mit höheren Ausgangsenergiepreisen der Einfluss der Energiepreissteigerung abnimmt. Umgekehrt sind bei niedrigen Ausgangsenergiepreisen deutliche Unterschiede bei den Amortisationszeiten in Abhängigkeit der Energiepreissteigerung zu erkennen. Mit steigendem MNV, also mit hohen Investitionskosten für eine Maßnahme, ist ein höherer Einfluss der Energiepreissteigerung festzustellen als bei niedrigerem MNV bzw. niedrigeren Investitionskosten. Bei einem MNV von beispielsweise 0,3 €/kWh/a und einem aktuellen Energiepreis von 0,08 €/kWh hat die Energiepreissteigerung kaum Einfluss auf die errechnete Amortisationszeit. Bei einem hohen MNV von 0,9 €/kWh/a und gleichem aktuellen Energiepreis verringert eine Energiepreissteigerung von jährlich 7,5 % die Amortisationszeit um ca. die Hälfte im Vergleich zu der Berechnung ohne Preissteigerung.

4.2.2 Einfluss der Nutzungsdauer Neben dem MNV und dem aktuellen Energiepreis hat auch die Nutzungsdauer einen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit einer Sanierungsmaßnahme. Je größer die Nutzungsdauer einer Maßnahme, umso länger können die erzielten Einsparungen zur Deckung der Investition verwendet bzw. jährliche Renditen erzielt werden. Um den Einfluss der Nutzungsdauer bewerten zu können, wird im Folgenden die Methode des internen Zinssatzes verwendet. In Bild 7 ist der Verlauf des internen Zinssatzes in Abhängigkeit des MNV und der Nutzungsdauer ohne und mit Berücksichtigung der Energiepreissteigerung dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass mit steigendem MNV bzw. steigender Investition der Einfluss der Nutzungsdauer zunimmt. Ab einem MNV von 0,5 €/kWh/a besitzt die Nutzungsdauer keinen nennenswerten Einfluss mehr auf den internen Zinssatz. In Bild 8 ist die Rentabilität der Sanierungsmaßnahme in Abhängigkeit von der Nutzungsdauer der durchgeführten Sanierung sowie des gewählten Dämmstoffes dargestellt. Abgebildet ist der interne Zinssatz bei Vollkostenbetrach-

tung (oben) sowie bei ausschließlicher Berücksichtigung der energiebedingten Mehrkosten (unten). Es lässt sich feststellen, dass Mehrkosten für die Wärmedämmung ab einer Nutzungsdauer von ca. 5 Jahren eine positive Rentabilität aufweisen. Ab einer Nutzungsdauer von 15 bis 20 Jahren verstetigt sich der interne Zinssatz. Bei Vollkostenbetrachtung erzielt man unter den derzeitigen Randbedingungen ab ca. 10 bis 15 Jahren eine positive Rendite. Mineralwoll-Dämmsysteme sind etwas teurer als Hartschaum-Dämmungen; dies wirkt sich auf den internen Zinssatz aus.

4.2.3 Einfluss von Dämmstoffdicke und U-Wert In Bild 9 sind die Kapitalkosten der Sanierungsmaßnahme pro eingesparter kWh dargestellt. Dabei werden die Vollkosten einer nachträglichen Dämmung der Fassade mit einem Wärmedämmverbundsystem in Abhängigkeit der Dämmstoffdicke betrachtet. Es werden die Varianten Mineralwolle (MW) und Hartschaum (EPS) unterschieden. Man kann erkennen, dass bei einer Dämmstoffdicke von ca. 8 bis 15 cm bei beiden Dämmmaterialien die geringsten Kosten im Verhältnis zu den erzielten Einsparungen erreicht werden können. Des Weiteren wird der annuitätische Gewinn als mittlere Differenz der Kosten und Einsparungen über den gesamten Nutzungszeitraum betrachtet. Dieser gibt den jährlich zu erwartenden Gewinn an, welcher durch eine bestimmte Maßnahme erzielt werden kann. In Bild 10 ist dieser in Abhängigkeit der Dämmstoffdicke sowie des er zielten U-Werts nach Sanierung pro Quadratmeter Fassade dargestellt. Ähnlich wie in Bild 9 kann auch hier ein wirtschaftliches Optimum bei einer Dämmstoffdicke von ca. 8 bis 15 cm erkannt werden. Bild 11 zeigt den Verlauf und die Bandbreite des MNV einer Fassadendämmung bei einem Wärmedämmverbundsystem mit Mineralwolle oder Hartschaum (EPS). Die Bandbreite ergibt sich dabei aus den in der späteren Tabelle 8 aufgeführten Preisspannen der Sanierungsmaßnahme. Bei den üblicherweise geringeren Investitionskosten einer EPS-Dämmung ist das erzielte MNV generell etwas niedriger. In Bild 12 ist der Verlauf des MNV für die beiden Sanierungsvarianten in Abhängigkeit des erzielten U-Wertes nach Sanierung dargestellt. Beide steigen ab einem U-Wert

Bild 7. Resultierender interner Zinssatz in Abhängigkeit der Nutzungsdauer und des MNV; zugrunde gelegte Annahmen für dieses Beispiel: Realzins von 1 % sowie Energiepreis von 0,08 €/kWh Fig. 7. Resulting internal rate of return as a function of useful life and additional cost to benefit ratio; assumptions on which this example is based: real interest rate level 1 %, energy price 0.08 €/kWh

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Bild 8. Resultierender Bereich des internen Zinssatzes in Abhängigkeit der Nutzungsdauer für nachträgliche Fassadendämmung mit EPS-Hartschaum und Mineralwolle; Annahme: U-Wert Bestand 1,4 W/(m2K), U-Wert nach Sanierung 0,24 W/(m2K) Fig. 8. Resulting range of internal interest rates as a function of useful life for retrofitted façade insulation using expanded polystyrene (EPS) and mineral wool; assumptions: U value of existing housing stock 1.4 W/(m2K), U value after renovation 0.24 W/(m2K)

Bild 9. Bereich der Kapitalkosten pro eingesparter kWh für nachträgliche Dämmung einer Außenwand mit Wärmedämmverbundsystemen aus Mineralwolle und Hartschaum (EPS) in Abhängigkeit der Dämmstoffdicke; U-Wert Bestand 1,4 W/(m2K), U-Wert nach Sanierung 0,24 W/(m2K); schraffierter Bereich: Investitionskosten-Schwankung Fig. 9. Range of capital costs per kWh saved using insulation retrofitted to an external wall with an exterior insulation and finishing system (EIFS) with mineral wool and expanded polystyrene (EPS), as a function of insulation thickness; U value of existing housing stock 1.4 W/(m2K), U value after renovation 0.24 W/(m2K); hatched area: variation in investment costs

Bild 10. Annuitätischer Gewinn für nachträgliche Dämmung einer Außenwand mit Wärmedämmverbundsystem aus Mineralwolle und aus Hartschaum (EPS) in Abhängigkeit der Dämmstoffdicke und des erzielten U-Werts nach Sanierung; schraffierter Bereich: Investitionskosten-Schwankung Fig. 10. Annuity profit for insulation retrofitted to an external wall with an exterior insulation and finishing system (EIFS) using mineral wool and expanded polystyrene (EPS), as a function of insulation thickness and U value achieved after renovation; hatched area: variation in investment costs

von ca. 0,3 W/(m2K) relativ stark an. Vergleicht man die ermittelten MNV-Werte der beiden Sanierungsmaßnahmen für einen erzielten U-Wert nach Sanierung auf EnEVNiveau (U = 0,24 W/(m2K)), so erhält man folgende Ergebnisse:

4.2.4 Einfluss des Standortes

EPS: Min: 0,36; Max: 0,52 MW: Min: 0,42; Max: 0,60

10

Weiterführend soll der Einfluss des Standortes bzw. der verschiedenen Außenklimabedingungen (wie bereits in Tabelle 4 dargestellt) auf den annuitätischen Gewinn untersucht werden. In Bild 4 wurde der Einfluss der verschiedenen klimatischen Randbedingungen auf die Heizenergieeinsparung erläutert. Basierend auf diesen Berechnungs-

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Bild 11. Mehrkosten-Nutzungs-Verhältnis (MNV) für ein WDVS mit Mineralwolle- bzw. EPS-Dämmung in Abhängigkeit der Dämmstoffdicke; U-Wert Bestand 1,4 W/(m2K), U-Wert nach Sanierung 0,24 W/(m2K) Fig. 11. Ratio of additional costs to benefit for an exterior insulation and finishing system (EIFS) using mineral wool or expanded polystyrene (EPS), as a function of insulation thickness; U value of existing housing stock 1.4 W/(m2K), U value after renovation 0.24 W/(m2K)

Bild 13. Einfluss des Außenklimas auf den annuitätischen Gewinn für die nachträgliche Dämmung einer Außenwand mit WDVS in Abhängigkeit der Dämmstoffdicke; U-Wert Bestand 1,4 W/(m2K), U-Wert nach Sanierung 0,24 W/(m2K) Fig. 13. The influence of external climate on the annuity profit for insulation retrofitted to an external wall using an EIFS, as a function of insulation thickness; U value of existing housing stock 1.4 W/(m2K), U value after renovation 0.24 W/(m2K)

4.3 Sensitivitätsanalyse

Bild 12. Mehrkosten-Nutzen-Verhältnis (MNV) für ein WDVS mit Mineralwoll- bzw. EPS-Dämmung in Abhängigkeit des erzielten U-Wertes; U-Wert Bestand 1,4 W/(m2K), U-Wert nach Sanierung 0,24 W/(m2K) Fig. 12. Ratio of additional costs to benefit for an EIFS using mineral wool or EPS insulation, as a function of the U value achieved; U value of existing housing stock 1.4 W/(m2K), U value after renovation 0.24 W/(m2K)

grundlagen soll der Standorteinfluss auf den annuitätischen Gewinn dargestellt werden. In Bild 13 ist die Bandbreite des annuitätischen Gewinns durch Ansetzen der Minimal- und Maximal-Klimata sowie des langjährigen Mittels für Deutschland mit Hilfe des Heizperiodenverfahrens in Abhängigkeit der Dämmstoffdicke veranschaulicht. Wie bei den Untersuchungen zuvor, liegt das Optimum für alle untersuchten klimatischen Randbedingungen bei ca. 10 bis 15 cm.

Wenn eine Aussage von sehr vielen – z. T. auch zu einander gegensätzlichen – Parametern abhängt, ist eine Sensitivitätsanalyse hilfreich, die aufzeigt, wie empfindlich die Aussage auf eine Parametervariation reagiert. Wie bisher dargelegt, spielt bei Wirtschaftlichkeits-Aussagen eine Vielzahl von Einflussparametern eine Rolle, nämlich: – Art der Kostenbetrachtung (Vollkosten oder energiebedingte Kosten) – Art der Kalkulationsmethode – zugrunde gelegter Energiepreis und seine künftige Entwicklung (zeitliche Veränderung) – Nutzungsdauer (oder Lebensdauer) des Gebäudes bzw. seiner Bauteile und deren energetische Qualität – klimatische Randbedingungen am Gebäudestandort – Entwicklung der Finanzmärkte – monetäre Denkweise des Investors und dessen steuerliche Einbettung in den Finanzmarkt. Die Frage der Wirtschaftlichkeit der Energieeffizienzmaßnahme wird in dieser Studie ausschließlich einzelwirtschaftlich, also aus Sicht eines Investors behandelt. Im Folgenden wird der Einfluss der verschiedenen Einflussparameter auf die Amortisation untersucht. Die Berechnungen in diesem Abschnitt basieren auf dem später beschriebenen Sanierungsbeispiel (Sanierung einer Außenwand entsprechend EnEV. Der Ausgangs-U-Wert dieser Außenwand beträgt 1,4 W/(m2K)).

4.3.1 Differentielle Sensitivitätsanalyse Zunächst soll mit Hilfe einer differentiellen Sensitivitätsanalyse der Einfluss der verschiedenen Parameter auf die

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Amortisationszeit einer Dämmmaßnahme untersucht werden. Dies soll aufzeigen, wie empfindlich das Ergebnis einer auf der Basis quasi sicherer Daten aufgestellten Wirtschaftlichkeitsberechnung reagiert, wenn einzelne Eingabedaten variiert werden. In Tabelle 5 sind die Einflussparameter mit den untersuchten Minimal- und Maximalwerten angegeben. Bild 14 zeigt die Auswirkung der Minimal- und Maximalwerte der einzelnen Parameter auf die Amortisationszeit in Abhängigkeit des MNV. Die blaue Kurve stellt dabei jeweils das Ergebnis mit dem Mittelwert aller Parameter dar. Bei den einzelnen Verläufen wurde jeweils nur der betrachtete Parameter geändert, für die anderen wurden die festgelegten Mittelwerte angesetzt. Dabei ist zu erkennen, dass vor allem der Realzins und die Energiepreissteigerung einen großen Einfluss auf die Amortisationszeit einer Investition ausüben. Außerdem liegt bei diesen Parametern der angesetzte Mittelwert im unteren bzw. oberen Tabelle 5. Untersuchte Bandbreite verschiedener Einflussparameter für die Sensitivitätsanalyse Table 5. Tested range for various parameters influencing the sensitivity analysis Einflussparameter

Einheit

Min.

Mittel

Max.

kWh/m2

68,0

85,0

102,0

Kalkulationszins

%

6,0

2,0

1,0

Inflationsrate

%

1,0

1,0

1,0

Realzins

%

5,0

1,0

0,0

Ausgangsenergiepreis

€/kWh

0,06

0,08

0,16

Energiepreissteigerung

%

2,5

5,0

7,5

Jährliche Heizenergieeinsparung durch Dämmung des Bauteils

Bild 14. Einfluss des Mehrkosten-Nutzen-Verhältnisses (Investitionskosten) auf die Amortisationszeit unter Berücksichtigung der Schwankungsbandbreiten von verschiedenen Parametern in Abhängigkeit des MNV Fig. 14. The influence of the additional cost to benefit ratio (investment costs) on the amortisation period, considering the range of variation in various parameters depending on that ratio

12

Bereich der Ergebnisspanne. Diese Parameter sollten demnach besonders gewissenhaft gewählt werden, um ein realistisches Ergebnis zu erhalten.

4.3.2 Monte-Carlo-Analyse Die bisher behandelten Ansätze erlauben es grundsätzlich, sich ein Bild von Art und Umfang der damit verbundenen Unsicherheiten zu machen. Aufschluss darüber, mit welcher Wahrscheinlichkeit die untersuchten Parameterveränderungen auftreten können, liefert eine solche Sensitivitätsanalyse hingegen nicht. Auch bleibt offen, welche Konsequenzen aus der Sensitivität im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeitsbewertung bei energetischen Sanierungsmaßnahmen zu ziehen sind. Abhilfe können stochastische Simulationsverfahren liefern. Diese Technik wird Monte-Carlo-Analyse (MCA) oder wahrscheinlichkeitsgestützte Analyse genannt. Hierbei werden mögliche Kombinationen der unsicheren Parameterwerte durch künstliche Zufallsexperimente generiert. Die Zuverlässigkeit der Analyse steigt mit der Anzahl der wiederholten Berechnungsläufe. Um den Einfluss auf die Amortisationszeit unter Berücksichtigung der in Tabelle 5 aufgeführten Parameter und ihre Bandbreite zu beachten, wurde eine Monte-Carlo-Simulation für die Amortisationszeit in Abhängigkeit der Investitionskosten durchgeführt. Die Simulation wurde dabei mehrere tausend Male wiederholt, wobei bei jeder Simulation der Kennwert jedes Parameters zufällig aus der zuvor definierten Bandbreite gewählt wurde. Als Ergebnis erhält man wiederum eine gewisse Bandbreite, dargestellt in Bild 15, welche durch Anwenden eines Konfidenzintervalls von 95 % ermittelt wurde. Das bedeutet, dass 95 % aller Simulationsergebnisse innerhalb dieser

Bild 15. Einfluss des Mehrkosten-Nutzen-Verhältnisses (Investitionskosten) auf die Amortisationszeit mit Angabe des Konfidenzintervalls der Monte-Carlo-Analyse und Darstellung des Worst- bzw. Best-Case-Szenarios in Abhängigkeit der Investitionskosten in €/m2; die mittlere Amortisationszeit ist als orangefarbene durchgezogene Linie gekennzeichnet Fig. 15. The influence of the ratio of additional costs to benefit (investment costs) on the amortisation period, stating the confidence interval for the Monte Carlo analysis and showing the best- and worst-case scenarios as a function of investment cost in €/m2; the mean amortisation period is shown as a continuous orange line

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Bandbreite liegen. Offensichtliche Ausreißer werden ausgeschlossen. Außerdem wurde der Einfluss der Investitionskosten auf die Amortisationszeit unter bei den in Tabelle 5 beschriebenen Minimalwerten als Worst-Case-Szenario ermittelt und dargestellt. Dieses Szenario verläuft deutlich steiler, was darauf zurückzuführen ist, dass durch die zufällige Auswahl aus der Parameterbandbreite bei der MonteCarlo-Simulation die gleichzeitige Auswahl aller WorstCase-Fälle relativ unwahrscheinlich ist. Im Gegenzug dazu wurde durch Ansetzen aller Maximalwerte ein Best-CaseSzenario modelliert, dessen Verlauf deutlich unterhalb des Konfidenzintervalls der Monte-Carlo-Analyse liegt. Die Verteilung der relativen Häufigkeit ist für ein MNV von 0,25 bis 1,5 €/kWh/a in Bild 16 dargestellt. Für eine Außenwand-Dämmung mit Wärmedämmverbundsystem ergibt sich der in Tabelle 6 illustrierte 95 %-Wahrscheinlichkeitsbereich der möglichen Amortisationszeit. Der Mittelwert ist zum Vergleich mitangegeben. Man ersieht aus Tabelle 6, dass die Amortisationszeiten von ca. 2 bis 7 Jahren schwanken können. Die maximale Amortisationszeit von 7,2 Jahren ist mit Investitionskosten von 150,– €/m2 verbunden. Die Monte-Carlo-Berechnung weiterer Fälle erbrachte die in Tabelle 7 ausgewiesenen Minimal- und Maximalwerte sowie die jeweiligen Mittelwerte, die über die in Tabelle 6 aufgeführten Werte hinausgehen. Aus den weit gefächerten Wertebereichen folgt, dass Aussagen über Amortisationszeiträume wegen der unsicheren Parameterentwicklungen nicht pauschal getätigt und verbreitet werden dürfen. Mit derartigen Aussagen müssen vielmehr immer auch die Kalkulationsparameter genannt werden, auf denen die Aussagen beruhen. Es muss akzeptiert werden, dass die Kalkulationsparameter grundsätzlich mit Unsicherheiten behaftet sind.

Tabelle 6. Errechnetes Mehr-Kosten-Nutzungsverhältnis und resultierende Amortisationszeiten in Abhängigkeit der Investitionskosten bei Annahme eines energiebedingten Kostenanteils von 30 % auf Basis der Ergebnisse aus Bild 13; betrachtet wird eine Sanierung ausgehend von einem U-Wert von 1,4 W/(m2K) auf die derzeit von der EnEV geforderten 0,24 W/(m2K) Table 6. Ratio of additional costs to benefit as calculated, and resulting amortisation periods, according to investment cost – assuming energy-related costs make up 30 % – on the basis of results in Fig. 13; the calculations are based on renovation measures that improve the U value from 1.4 W/m2K to the 0.24 W/m2K stipulated by EnEV Investitionskosten €/m²

Amortisationszeit

MNV

Stochastischer Ansatz DeterBereich 95% ministiMittel- Wahrscheinlichkeit €/kWh/a scher Ansatz wert von bis

90

0,32

3,6

3,0

1,9

4,5

120

0,42

4,8

3,9

2,5

5,9

150

0,53

6,2

4,8

3,2

7,2

4.4 Anwendungsbeispiel Da eine Aussage zur Wirtschaftlichkeit einer bestimmten Dämmmaßnahme von vielen Einflussparametern abhängig ist, wird eine Verallgemeinerung äußerst schwierig. Deshalb ist bei der Wahl der Parameter und Randbedingungen darauf zu achten, dass diese möglichst repräsentativ für den Gebäudebestand in Deutschland sind. Als Beispiel für eine Gesamtsanierung der Gebäudehülle soll ein typisches Einfamilienhaus aus der Gebäudealtersklasse 1968 bis 1979 dienen, dessen energetischer Zustand dem vor der

Bild 16. Relative Verteilung der errechneten Amortisationszeit für verschiedene MNV Fig. 16. Relative distribution of the amortisation periods calculated for various additional cost to benefit ratios

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Tabelle 7. Mittelwert und Schwankungsbereich der Amortisationszeit mit 95 % Eintrittswahrscheinlichkeit Table 7. Mean and range of variation for amortisation periods with 95 % probability MehrkostenNutzenVerhältnis [€/kWh/a]

Amortisationszeit [a] Mittelwert

Schwankungsbereich Minimum

Maximum

0,25

2,0

1,7

3,5

0,50

4,1

3,2

6,9

0,75

6,0

4,5

9,8

1,00

7,9

5,6

12,5

1,25

9,6

6,9

15,1

1,50

11,2

8,2

17,6

1,75

12,7

9,5

20,0

2,00

14,3

10,4

22,5

2,25

15,7

11,5

25,0

2,50

12,4

17,1

27,4

Wärmeschutzverordnung 1977 entspricht. Als Sanierungsvarianten soll ein Sanierungsniveau gemäß den Anforderungen der EnEV 2014 sowie eine etwas ambitioniertere Variante (Standard eines Niedrigenergiehauses) erreicht werden. Die notwendigen Dämmstoffdicken und die korrespondierenden Kosten für die betrachteten Sanierungsvarianten werden unter Annahme einer Wärmeleitfähigkeit von λ = 0,035 W/(mK) ermittelt. Die Angaben für Kosten der energetischen Sanierung sind nicht eindeutig und unterscheiden sich in den verschiedenen vorliegenden Studien. Exakte Kostenangaben können sich immer nur auf ein konkretes Gebäude beziehen. Nachfolgend werden zwei mögliche Methoden zur Kostenschätzung der Sanierungsmaßnahmen kurz dargestellt. Im Rahmen einer Studie [4] wurden repräsentative Kosten für Sanierungsmaßnahmen im Gebäudebestand auf Basis gewerksbezogener Kostenfeststellungen von über

500 abgerechneten Sanierungen von Wohngebäuden ermittelt. Dabei war, neben den Dämmmaßnahmen an der opaken Gebäudehülle, auch der Ersatz der Gebäudetechnik zu betrachten. Zur Auswertung wurden durch Regressionsanalyse verschiedene Kostenfunktionen entwickelt, mit denen die zu erwartenden Vollkosten sowie die energiebedingten Mehrkosten einer Sanierungsmaßnahme bei verschiedenen Dämmdicken ermittelt werden können. Die energiebedingten Mehrkosten sind dabei der Anteil an den Vollkosten, welcher ausschließlich auf die Dämmmaßnahme zurückzuführen ist. Darin enthalten sind z. B. das Dämmmaterial sowie der Arbeitsaufwand zum Anbringen der Dämmung. In dieser Studie wurde eine statistische Auswertung für die nachträgliche Dämmung einer Außenwand mit einem Wärmedämmverbundsystem mit Polystyrol-Hartschaum (Basis: n = 205 Kostenfeststellungen) und Mineralfaser (Basis: n = 33 Kostenfeststellungen) durchgeführt. In Bild 17 sind die spezifischen Bruttokosten in Abhängigkeit der Dämmstoffdicke für ein Wärmedämmverbundsystem mit einer Dämmung aus expandiertem Polystyrol (EPS) bzw. alternativ mit Dämmung aus Mineralwolle aufgetragen. Dabei kann man erkennen, dass der „Sockel“ der ohnehin erforderlichen Maßnahmen im Fall einer Sanierung bei ca. 70 €/m2 liegt. Die energiebedingten Mehrkosten durch den Dämmstoff und die dadurch erforderlichen Nebenkosten steigen mit der Dämmstoffdicke an. In Tabelle 8 sind die Brutto-Vollkosten der Maßnahmen in [€/m2] für ein geklebtes und ggf. gedübeltes Wärmedämmverbundsystem mit einem U-Wert von 0,24 W/(m2K) dargestellt. Erfasst sind alle spezifischen Vollkosten für das Wärmedämmverbundsystem mit allen Systemkomponenten sowie alle relevanten Nebenkosten, wie z. B. der Baustelleneinrichtung, der Kosten für die Demontage und Montage neuer Außenfensterbänke usw. Nicht enthalten sind hingegen die Kosten für das Gerüst. Basierend auf den Kostenentwicklungen aus Bild 17 und den Kostenbandbreiten aus Tabelle 8, lassen sich die

Bild 17. Aufteilung der spezifischen Bruttokosten für ein WDVS mit Mineralwolle- bzw. EPS-Dämmung in Abhängigkeit der Dämmstoffdicke nach [4] Fig. 17. Distribution of specific gross costs for an EIFS using mineral wool or EPS, as a function of insulation thickness, according to [4]

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Tabelle 8. Baupreise einer nachträglichen Dämmung der Außenwand mit Wärmedämmverbundsystem, geklebt und gedübelt, U-Wert ca. 0,24 W/(m2K) auf Basis der Daten von [4] Table 8. Prices for retrofitting insulation to an external wall using an external thermal insulation composite system (ETICS), attached with adhesive and rawl plugs, approx. U value 0.24 W/m2K based on data from [4] Wärmedämmverbundsystem (WDVS) WDVS aus Polystyrol-Hartschaum-Platten, geklebt, mit mineralischem Oberputz. Armierungsschicht mit Glasfasergewebe ausführen. EPS, WLG 035, WAP, B1, 140 mm WDVS aus Mineralwolleplatten, geklebt, mit mineralischem Oberputz. Glasfasergewebe in mineralischen Armierungsputz einarbeiten und Oberfläche planspachteln. MW, WLG 040, WAP-zh, A1, 160 mm

Kosten [€/m2] von

bis

90

150

100

160

relativen Anteile der energiebedingten Mehrkosten an den Gesamtkosten ableiten. In Bild 18 sind diese in Abhängigkeit der Dämmstoffdicke sowie des U-Wertes nach Sanierung der Konstruktion dargestellt. Im normal üblichen Dämmbereich zwischen 10 und 20 cm bzw. bei einem anzustrebenden U-Wert nach Sanierung von 0,24 W/(m2K)

liegt der Anteil der energiebedingten Mehrkosten bei ca. 30 bis 40 %. Bild 19 zeigt den Verlauf der Gesamt- sowie der energiebedingten Kosten einer nachträglichen Fassadendämmung auf EnEV-Niveau in Abhängigkeit des U-Werts des bestehenden Bauteils. Mit zunehmendem Wärmeschutz der bestehenden Außenwand nehmen die Gesamtkosten deutlich zu. Hier dominieren die Sowieso-Kosten. Bei einem Ausgangs-U-Wert von 0,8 bis 1,2 W/(m2K) liegen die Gesamtkosten bei ca. 2 bis 3 €/kWh. Bei einem Ausgangswert von 0,4 W/(m2K) steigen die Kosten auf fast 10 €/kWh an. Die rein energiebedingten Mehrkosten bei einer typischen Außenwand im Bestand (U-Wert zwischen 0,8 und 1,2 W/(m2K)) betragen bei Sanierung nach EnEV Anforderungen in etwa 0,3 bis 0,6 €/kWh. In Bild 20 sind die prozentualen Anteile der Wärmeverluste der einzelnen Bauteile durch Transmission sowie der Wärmebrückenanteil und die Lüftungswärmeverluste am Gesamt-Wärmeverlust dargestellt. Der Anteil der Lüftungswärmeverluste nimmt bei beiden Sanierungsvarianten zu, weil die Transmissionsverluste durch die Sanierung zurückgehen. In Tabelle 9 sind die Eingangsdaten und die Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsberechnung zusammengefasst. Man ersieht aus Tabelle 9, dass die Daten zwar in gewissen Bereichen schwanken, aber doch einige Kernaussagen zulassen. Die Amortisationszeit beträgt im ungünstigsten Fall 12 Jahre; evtl. amortisiert sich die Gesamtmaß-

Bild 18. Anteil der energiebedingten Kosten für ein WDVS mit Mineralwolle- bzw. EPS-Dämmung in Abhängigkeit der Dämmstoffdicke (links) bzw. des U-Werts (rechts) Fig. 18. Share of energy-related costs as a function of insulation thickness (left), or U value (right), for an ETICS using mineral wool or EPS

Bild 19. Verlauf der Gesamt- sowie der energiebedingten Kosten pro eingesparter Energie einer nachträglichen Fassadendämmung in Abhängigkeit des U-Werts des bestehenden Bauteils; saniert wird entsprechend den Anforderungen der EnEV Fig. 19. Development of overall and energy-related costs per unit of energy saved using retrofitted façade insulation as a function of the U value for the existing building element; renovation in accordance with EnEV requirements (German Federal Energy Saving Ordinance)

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5 Zusammenfassung

Bild 20. Prozentuale Anteile der Wärmeverluste der einzelnen Bauteile und der Lüftungswärmeverluste am GesamtWärmeverlust für ein unsaniertes bzw. saniertes Einfamilienhaus der Gebäudealtersklasse 1968 bis 1979 Fig. 20. Percentages of total heat loss due to individual building elements and ventilation, for an unrenovated and a renovated detached house built between 1968 and 1979

nahme aber schon nach 4 Jahren. Die Sanierungskosten bewegen sich zwischen € 37 000,– und € 79 000,–. Wenngleich somit – im Verhältnis zur Lebensdauer von Gebäuden – relativ rasche Amortisationen erreicht werden, so kann der Investitionsmittel-Einsatz doch beträchtlich sein; ca. € 80 000,– nimmt man nämlich für eine Einfamilienhaus-Sanierung nicht so „leichtfertig“ in die Hand.

Die Wirtschaftlichkeit von energiesparenden Wärmeschutzmaßnahmen wird heutzutage heftig, z. T. auch kontrovers diskutiert. Zunehmend negative Berichte in den Medien schüren immer wieder Zweifel am wirtschaftlichen Sinn von Wärmedämm-Maßnahmen. Häufig liegen solchen Äußerungen, „Pseudokalkulationsmethoden“ zugrunde. Das heißt, die Berechnungsmethoden sind ungenau, unvollständig oder nur überschlägig. Allerdings muss man eingestehen, dass einfache Ansätze manchmal nicht zu umgehen sind, wenn genaue Kostenrelationen und Zusammenhänge fehlen oder mit einem vernünftigen Aufwand nicht gewonnen werden können. Wichtig sind in diesem Fall eine offene Darlegung der getroffenen Vereinfachungen und eine kritische Diskussion der sich daraus ergebenden Konsequenzen. Die vorliegende Studie zeigt den starken Einfluss verschiedener Kenngrößen auf die Bewertung der Wirtschaftlichkeit und Rentabilität einer Sanierungsmaßnahme, z. B. einer nachträglichen Dämmung der Außenwand. Will man eine allgemeine Aussage machen, müssen vielfältige Parameter beachtet werden. Zum einen sind die Kalkulationsparameter und die Randbedingungen zur Ermittlung des energetischen Einsparpotentials, wie U-Wert im Bestand, Außen- und Innenklima und auch der energetische Zustand der anderen Bauteile entscheidend. Zum anderen braucht man die finanziellen Randbedingungen, wie tatsächliche Sanierungskosten, Kreditkosten- und Laufzeiten sowie die beabsichtigte Nutzungsdauer. Neben diesen projektspezifischen Angaben sind zudem zeitveränderliche Parameter wie Energiepreis- und Energiepreissteigerung sowie Realzinsentwicklung wichtig. All diese Parameter sind notwendig, um eine Aussage über die Wirtschaftlichkeitsbewertung treffen zu können. Diese zu verallgemeinern, um dann allgemeingültige Aussagen über die Wirtschaftlichkeit von Dämmmaßnahmen zu treffen, ist äußerst schwierig und eigentlich

Tabelle 9. Eingangsdaten und Berechnungsergebnisse für die beispielhafte Sanierung eines Einfamilienhauses der Gebäudealtersklasse 1968 bis 1979 Table 9. Model input data and calculation results for the renovation of a typical detached house built between 1968 and 1979 Ermittelte Größen

Art der Sanierung

Sanierungskosten [€]

Energiebedingte Mehrkosten [€] Jährliche Einsparung des Heizwärmebedarfs Qh [kWh/a] Mehrkosten-Nutzen-Verhältnis [€/kWh/a] Amortisationszeit der Gesamtmaßnahme [a]

16

Schwankungsbereich von

bis

33.400

29.690

37.100

Nach Energieeinsparverordnung

6.280

5.190

7.370

Nach Niedrigenergiehaus

3.700

2.870

4.500

Nur Instandsetzung

41.000

37.000

48.930

Nach Energieeinsparverordnung

60.000

54.800

70.380

Nach Niedrigenergiehaus

67.800

62.200

78.920

Nach Energieeinsparverordnung

19.000

17.700

21.460

Nach Niedrigenergiehaus

26.700

25.100

30.000

Nach Energieeinsparverordnung

27.100

24.500

29.700

Nach Niedrigenergiehaus

29.700

26.800

32.560

Nur Instandsetzung Jährlicher Heizwärmebedarf Qh [kWh/a]

Mittelwert

Nach Energieeinsparverordnung

0,70

Nach Niedrigenergiehaus

0,90

Nach Energieeinsparverordnung

5,6

4,2

9,2

Nach Niedrigenergiehaus

7,1

5,2

11,4

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unzulässig. Das bedeutet, dass Aussagen zur Wirtschaftlichkeit und zur Sinnhaftigkeit einer energetischen Sanierungsmaßnahme nur dann ausreichend genau gegeben werden können, wenn die Eingabedaten auch genau bekannt sind. Von den z. Z. 18,2 Mio. Wohngebäuden in Deutschland sind bei knapp 9 Mio. noch keine oder nur geringfügige Verbesserungen des Wärmeschutzes vorgenommen worden. Dies bedeutet, dass praktisch jeder zweite Altbau über einen unzureichenden Wärmeschutz verfügt. Bei Beibehaltung der derzeitigen jährlichen Sanierungsrate von weniger als 1 % (genau: ca. 0,9 %) bräuchte man also über 100 Jahre, um den noch vorhandenen Altbaubestand zu sanieren. Dies erscheint grotesk. Man kann vielmehr von jeder Generation (Generation-Aktivzeit = 30 Jahre) eine einmalige Sanierung abfordern. Dies bedeutet aber, dass die jährliche Sanierungsrate auf mindestens 3 % anwachsen muss. Für Wirtschaftlichkeitsberechnungen wird eine Reihe von (zeitabhängigen) Kalkulationsparametern benötigt, wie z. B. die Entwicklung des Energiepreises und des Realzinses sowie die angestrebte Nutzungsdauer. Ferner sind Angaben zu den Baukosten und speziell zu den energiebedingten Kosten erforderlich. Diese Kalkulationsparameter werden in der vorliegenden Studie bereitgestellt. Die Energiepreise sind in der Vergangenheit zunächst heftig gestiegen, in letzter Zeit aber wieder gefallen. Sie unterliegen im Laufe einer 30-jährigen Nutzungsdauer vermutlich großen Veränderungen. Auch der Realzins (d. h. die Umlaufrendite) weist große Zeit-Veränderungen auf. In letzter Zeit ist er sogar negativ geworden, was bedeutet, dass man keinen Ertrag einfährt, wenn man sein Geld auf die Bank bringt; evtl. muss man dafür sogar Zins zahlen. In Bezug auf die Kosten einer Sanierung ist zu unterscheiden zwischen den sog. „Sowieso-Kosten“ und den energiebedingten Kosten. Wenn eine Maßnahme sowieso ansteht, etwa wenn die Fassade abbröckelt oder ein Dach undicht geworden ist etc., sollte zusammen mit der Sowieso-Sanierung auch der Wärmeschutz verbessert werden. Die Kopplung beider sollte für jeden Investor selbstverständlich sein, wenngleich Investorenentscheidungen oftmals verschiedenen Wirtschaftlichkeitskalkulationsmodellen entspringen. Je nach monetärer Präferenz stehen einem Investor fünf Kalkulationsmethoden zur Verfügung, nämlich: – Statische Amortisation – Dynamische Amortisation ohne Energiepreisveränderung – Dynamische Amortisation mit Energiepreisveränderung – Kapitalwert und Annuität – Interner Zinsfuß Amortisationsfragen spielen auch bei Maklern eine Rolle, wenn sie Käufe oder Vermietungen vermitteln; sie sollten – zumindest bei längerfristig denkenden Kunden – mit der Wirtschaftlichkeit von Wärmeschutzmaßnahmen werben. Um zu eindeutigen Aussagen zu gelangen und – unter sonst gleichen Prämissen – divergierende Ergebnisse zu vermeiden, muss man sich auf eine bestimmte Kalkulationsmethode einigen, wobei zeitweilig evtl. auch staatliche Förderungen und steuerliche Abschreibungen hereinspielen. Dabei werden meist – wie auch in der vorliegenden Arbeit – die Kapitalwert- und die interne Zinssatz-Methode favorisiert. Überprüft man mit diesen Kalkulationsmethoden die

Wirtschaftlichkeit von Wärmeschutzmaßnahmen, so zeigen sich folgende Ergebnisse: – Die Amortisationszeit wird umso kürzer, je höher der Energiepreis und je kräftiger dessen Steigerung im Sanierungszeitraum sind. Ein Ein-Generationen-Zeitraum von 30 Jahren gilt als sinnvolles Sanierungsintervall. Dies erfordert aber eine jährliche Sanierungsrate von 3 %. Die von der Bundesregierung angestrebte 2 %-Rate reicht nicht aus. – Maximalen annuitätischen Gewinn erbringen bei Sanierungen folgende Dämmstoffdicken (Durchschnittswerte): Außenwand: 10 bis 15 cm Dach: 20 bis 30 cm Kellerdecken: 5 bis 10 cm – Die Investitionskosten (bzw. das Mehrkosten-NutzenVerhältnis) sind bei mineralischen Faserdämmstoffen geringfügig höher als bei organischen Hartschäumen (EPS). Im Mittel liegt die Kostengrößenordnung geringer Dämmstoffdicken bei ca. 0,3 €/kWh/a; dickere Dämmstoffpakete kosten ca. 0,8 €/kWh/a. – Die Auswirkung lokaler Klimaunterschiede an verschiedenen Standorten in Deutschland ist – im Verhältnis zu anderen Ländern – relativ gering. In kalten Klimazonen mit hohen Gradtagszahlen sollten die oben genannten Durchschnittswerte der Dämmstoffdicken etwas erhöht werden. Weil die Wirtschaftlichkeitsergebnisse von sehr vielen – z. T. gegensätzlichen – Kalkulationsparametern abhängen und letztere sich im Laufe der Nutzungszeit auch noch zeitlich verändern, ist eine Sensitivitätsanalyse angebracht, die aufzeigt, wie empfindlich die Wirtschaftlichkeitsaussage auf eine Parameterveränderung reagiert. Eine differenzielle Analyse liefert zwar die Aussagen-Schwankungsbreite, nicht aber die Wahrscheinlichkeit, mit welcher die gewählten Parameter eintreten. Um die Eintretens-Wahrscheinlichkeit miteinzubeziehen, müssen stochastische Simulationen (z. B. per Monte-Carlo-Analyse) eingesetzt werden. Diese zeigen in künstlichen Zufallsexperimenten auf, welche Aussagen unsichere Parameter-Kombinationen generieren. Die Zuverlässigkeit der Aussage steigt mit der Anzahl der wiederholten Berechnungsläufe. In der vorliegenden Studie wurden mehrere tausend Rechenlaufwiederholungen absolviert. In 95 %-Konfidenzintervallen zusammengefasst, ergaben sich hierbei für Sanierungen mit Wärmeschutzmaßnahmen Amortisationszeiten zwischen 2 und 30 Jahren. Der hohe Wert von 30 Jahren entspricht einer Ein-Generationenzeit. Im Kern ist festzustellen, dass unter diesen Bedingungen eine wärmeschutztechnische Sanierung des Altbaubestandes möglich ist, wenn die jährliche Sanierungsrate auf 3 % anwächst. Geschieht dies nicht, bleibt die Altbausanierung – und mit ihr ein Großteil der Energiewende – auf der Strecke. Literatur [1] Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Energiekonzept für eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung. Berlin (2010). [2] Bigalke, U. et al.: Der dena-Gebäudereport. Statistiken und Analysen zur Energieeffizienz im Gebäudebestand. Berlin (2012).

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[3] Diefenbach, N. et al.: Datenbasis Gebäudebestand. Datenerhebung zur energetischen Qualität und zu den Modernisierungstrends im deutschen Wohngebäudebestand. IWU Darmstadt (2010). [4] Hinz, E.: Kosten energierelevanter Bau- und Anlagenteile bei der energetischen Modernisierung von Wohngebäuden. BMVBS-Publikation (2012), Nr. 7. [5] Loga, T. et al.: Deutsche Wohngebäudetypologie. Beispielhafte Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz von typischen Wohngebäuden. IWU Darmstadt (2011). [6] Bundesministerium für Wirtschaft und Energie: Zahlen und Fakten. Energiedaten. Nationale und internationale Entwicklung. Berlin (2014). [7] Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung: Wohnen und Bauen in Zahlen 2011/2012. Bonn (2012). [8] Sedlbauer, K., Wetzel, C.: Energetische, ökologische und ökonomische Bewertung einer Fassadendämmung im Bestand. In: Fouad, N. A. (Hrsg.): Bauphysik-Kalender 2011, S. 56–68. Berlin: Ernst und Sohn, 2011. [9] Deutsche Architektenkammer, Bauinformationszentrum: Daten zur Kostenplanung von Bauprojekten. Datenbank (2014). [10] Manteuffel, V.: Preisentwicklung Gebäudeenergieeffizienz. Initialstudie. Deutsche Unternehmensinitiative Energieeffizienz e.V. (2014). [11] Werner, H., Gertis, K.: Zur Wahl von Kalkulationsmethoden bei der Ermittlung der Wirtschaftlichkeit von Energiesparmaßnahmen. Baumasch. u. Bautechnik 26 (1976), H. 2, S. 65–72.

[12] Werner, H., Gertis, K.: Wirtschaftlich optimaler Wärmeschutz von Einfamilienhäusern. Kritische Gedanken zu Optimierungsrechnungen. Ges.-Ing. (1976), H. 1/2, S. 27–31; H. 5, S. 97–103. [13] Gertis, K.: Was bedeutet wirtschaftlich optimaler Wärmeschutz? WKSB 22 (1977), H. 4, S. 1–4. [14] Gertis, K.: Kosten für die Verbesserung des Wärmeschutzes von Gebäuden. Kosten-Nutzen Analysen. BW 32 (1978), H. 31, S. 1238–1240.

Autoren dieses Beitrages: Prof. Dr.-Ing. Andreas Holm Leiter des Forschungsinstituts für Wärmeschutz e. V. München (FIW München) Professor für Bauphysik, Hochschule für angewandte Wissenschaften München o. Prof. (em.) Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. mult. Dr. E.h. mult. Karl Gertis Lehrstuhl für Bauphysik, Universität Stuttgart, 2007 Emeritierung. Bis 2003 Direktor des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik. Holzkirchen Dipl.-Ing. (FH) Christine Maderspacher Dipl.-Ing. Christoph Sprengrad Beide: Forschungsinstitut für Wärmeschutz e. V. München Lochhamer Schlag 4, 82166 Gräfelfing

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Fachthemen Tanja Osterhage Davide Calì Dirk Müller Rouven Voß

DOI: 10.1002/bapi.201610004

Auswirkung von Wärmeverschiebungsvorgängen in energieeffizient sanierten Bestandswohngebäuden In den letzten Jahren wurden die Anforderungen der EnEV seitens des Gesetzgebers an die thermische Gebäudehülle bei Sanierungen und Neubauten strenger. Die dadurch sinkenden Transmissionswärmeverluste nach außen führen zu einer zunehmenden Bedeutung der Wärmeverschiebungen innerhalb des Gebäudes. Die Bestimmung der hier vorgestellten Wärmetransmissionen erfolgt am Beispiel eines vom BMWi geförderten Forschungsvorhabens, bei dem drei Wohngebäuderiegel mit 90 Wohneinheiten aus den 1950/60er Jahren unterschiedlich saniert wurden. Ein hochauflösendes Monitoring ermöglicht eine detaillierte Analyse der Effizienz der sanierten Gebäude sowie deren Anlagentechnik und bildet die Grundlage für die Simulationsmodelle. Die Simulationsergebnisse zur detaillierten Betrachtung der Wärmetransmission in Mehrfamilienhäusern geben Aufschluss darüber, dass die Wärmegewinne durch angrenzende Wohnungen die Verluste durch Transmission über die wärmeübertragende Umfassungsfläche teilweise oder sogar vollständig kompensieren können.

Die Einhaltung von maximalen Transmissionswärmeverlusten über die wärmeübertragende Umfassungsfläche ist ein Bestandteil der Berechnungen. Auf Basis von Vorgaben der Normung, z. B. Raum- sowie Außentemperaturen, werden die zu erwartenden Transmissionswärmeverluste berechnet. Jüngste Veröffentlichungen [2] zeigen, dass zwischen dem Energiebedarf und -verbrauch große Differenzen auftreten können. Dies legt die Vermutung nahe, dass die gewählten Standardrandbedingungen der Normung, z. B. Innenraumtemperatur und stündlicher Luftwechsel, die Realität nicht ausreichend abbilden. Dieser Artikel befasst sich mit der Frage, ob die Wärmeverluste bzw. -gewinne zu benachbarten Wohneinheiten einen signifikanten Einfluss auf den tatsächlichen Heizwärmeverbrauch der jeweils bilanzierten Wohnung haben.

Effect of heat displacement in energy efficient residential buildings. During the last years, the requirements of the German Buildings Energy Saving Ordinance “EnEV” became more strict for both new and refurbished buildings. The decreasing transmission losses to the outside lead to an increasing importance of heat displacements between different dwellings within the building. Within a field test project, financed by the Federal Ministery for Economic Affairs and Energy (BMWi), the heat transmissions between dwellings of two buildings were quantified. Three residential buildings with each 30 apartments, built in the fifties, were differently refurbished. A high-resolution monitoring allows a detailed analysis of the efficiency of the buildings and their HVAC system, and provides the basis for the simulation models. As the results from the simulation of the heat transmission in the buildings show, some apartments can partially or even completely compensate the transmission losses over the building envelope through the heat gains received from neighboring apartments. For other apartments, losses to the neighbors represent a consistent part of the total heat losses.

Wie die meisten Gebäude der Baualtersklasse der 1950/60er Jahre standen die drei geometrisch gleich ausgerichteten Gebäuderiegel des Feldversuches aufgrund der maroden Anlagentechnik und dem Instandhaltungsrückstau zur Sanierung an. Die Gebäuderiegel sind parallel zueinander erstellt, wobei jeder Riegel über drei Eingänge mit jeweils zehn Wohnungen verfügt. Zwischen 2008 und 2010 wurden die Demonstrationsgebäude saniert. Die Sanierungsvarianten wurden in enger Zusammenarbeit mit der Wohnungsbaugesellschaft erarbeitet und umgesetzt. Gemeinsames Ziel war es, verschiedene technische Systemkomponenten als auch baukonstruktive Neuheiten in Kombination zueinander zu setzen. Letztendlich sind somit sieben verschiedene Sanierungsvarianten entstanden. Eine durchgehende Variante für Riegel R1 und jeweils drei Varianten (eine pro Eingang) für die Riegel R2 und R3. Durch diese Varianz können unterschiedliche Sanierungsvarianten miteinander in Vergleich gesetzt und Empfehlungen für die Umsetzung bei zukünftigen Sanierungen von Gebäuden dieser Baualtersklasse getroffen werden. Riegel R1 wurde nach den Vorgaben bzw. dem Standard der Wohnungsbaugesellschaft saniert. Riegel R2 wurde als „3-Liter-Haus“ ertüchtigt, dies bedeutet einen rechnerischen Energiebedarf von 30 kWh/(m2a) [3]. Der dritte Riegel (R3) wurde als Experimentiergebäude ausgeführt (Bild 1). Riegel R1 und R2 wurden an das neu ausgebaute Fernwärmenetz angeschlossen. Riegel R3 hingegen wird durch

1 Einleitung Seit der EnEV 2006 ist bei Errichtung, Änderung oder Erweiterung von Gebäuden ein Energieausweis auszustellen. Der Energieausweis dient der energetischen Bewertung von Gebäuden und ermöglicht somit den Vergleich unterschiedlicher Gebäude [1].

2 Gebäudebeschreibung und Sanierungsvarianten

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Speicherung sowie Verteilung sowohl für das Trinkwarmwasser (TWW) als auch die Heizung (HE) gemessen. In jedem Raum einer Wohnung von Riegel R2 und R3 werden die Daten zur Temperatur, relativen Feuchte, CO2-Konzentration, flüchtige organische Verbindungen (VOC), Tageslichtanteil sowie der Fensteröffnungsposition (geschlossen/ geöffnet) über eine Raummesseinheit (RME) aufgezeichnet. Detaillierte Informationen über das Monitoringsystem sind in [7] zu finden. Mit dem Monitoring wurde nach Beendigung der Baumaßnahmen im Jahr 2009 begonnen. Für die meisten Messpunkte liegt ein Zeitschritt von 60 s vor. Die Daten werden in einer HDF5-Datei gespeichert und mithilfe einer eigens dafür entwickelten Plattform auf Basis der Freeware Python-Software „ViTables“ ausgewertet.

Bild 1. Lageplan der drei sanierten Gebäuderiegel Fig. 1. Map of the three renovated blocks

unterschiedliche Wärmepumpensysteme (WP) versorgt. Je nach Sanierungsvariante sind pro Eingang Heizkörper (HK), Deckenheizung (DH), Fußbodenheizung (FBH) oder eine Luftheizung (LH) zur Wärmeübergabe im Raum installiert worden. Alle Heizsysteme wurden als Niedertemperatursysteme installiert. Das Trinkwarmwasser (TWW) wird durch Frischwasser-Stationen (zentral oder dezentral, je nach Sanierungsvariante) erzeugt. Die Frischwasserstationen erzeugen das Trinkwarmwasser bei Bedarf durch Erhitzen von Frischwasser. Die sieben unterschiedlichen Sanierungsvarianten sind schematisch in Tabelle 1 dargestellt. Ausführliche Informationen sind in [4] bis [6] nachzulesen.

3 Messtechnik Um die Effizienz der Sanierungsmaßnahmen bewerten zu können, wurde ein hochauflösendes Monitoringsystem gemeinsam mit der Fachhochschule Karlsruhe entwickelt und installiert. Es werden die Energieflüsse der Erzeugung,

4 Analyse der Wärmeverschiebung innerhalb eines hochwärmegedämmten Gebäudes und über die thermische Gebäudehülle Die EnEV-Anforderungen an den Wärmeschutz und den Primärenergiebedarf werden mit dem Ziel, den klimaneutralen Gebäudebestand erreichen zu können, mit jeder Novellierung strenger. Momentan bedeutet dies im Falle einer Sanierung der Außenwand die Einhaltung eines UWertes von 0,24 W/(m2K). Klar definiertes Ziel durch die steigenden Anforderungen ist eine deutliche Reduzierung der Transmissionswärmeverluste über die Außenwand. Die Forderungen der EnEV beziehen sich in erster Linie auf die Bauteile der wärmeübertragenden Umfassungsfläche. Das führt dazu, dass z. B. Wohnungstrennwände und innenliegende Treppenhauswände nicht nachträglich gedämmt werden müssen.

4.1 Dynamische Modellierung mit Modelica Für die Untersuchung der Wärmeverschiebung innerhalb des Gebäudes sowie über die wärmeübertragende Umfas-

Tabelle 1. Gegenüberstellung der Sanierungsvarianten Table 1. Description of each retrofit layout Dämmung

U-Wert Fenster

TGA

TWW

R1

14 cm 0,035 W/(mK)

1,3 W/(m2K)

FW, HK, AB

zentral

R2.E1, 720 m2 10 Wohnungen

16 cm 0,021 W/(mK)

1,3 W/(m2K)

FW, HK, dez. Lüftungsgeräte WRG

R2.E2, 720 m2 10 Wohnungen

16 cm 0,021 W/(mK)

0,8 W/(m2K)

FW, HK, AB

zentral

R2.E3, 720 m2 10 Wohnungen

16 cm 0,021 W/(mK)

1,3 W/(m2K)

FW, FBH, AB

zentral

0,8 W/(m2K)

CO2-Sonde WP, FBH, dez. Lüftung WRG

dezentral pro Wohnung

0,8 W/(m2K)

CO2-Sonde WP, zentr. Lüftung WRG, Lufth.

dezentral pro Wohnung

1,3 W/(m2K)

Luft-WP, Abluft WRG, Deckenheizung

dezentral pro Wohnung

R3.E1, 720 m2 10 Wohnungen

4 cm 0,008 W/(mK)

R3.E2, 720 m2 10 Wohnungen

4 cm 0,008 W/(mK)

R3.E3, 720 m2 10 Wohnungen

4 cm 0,008 W/(mK)

4 cm 0,021 W/(mK)

4 cm 0,021 W/(mK)

4 cm 0,021 W/(mK)

dezentral pro Wohnung

FW = Fernwärme; HK = Heizkörper; AB = Zwangslüftung in Kombination mit zentr. Abluft; FBH = Fußbodenheizung; WRG = Wärmerückgewinnung

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Bild 2. Modell eines Raumes in Dymola Fig. 2. Model of a room in Dymola

sungsfläche von Riegel R2 und R3 ist die Modellierungssprache Modelica für die dynamische Simulation eingesetzt worden. Das thermische Verhalten der Räume wird durch die Modellierung der raumumfassenden Wände, der Innenwände sowie der Raumluft abgebildet. Das Wohnungsmodell setzt sich wiederum aus den verschieden parametrierten Instanzen des Wohnraummodells zusammen. Die Wohnungsmodelle bilden die Basis des Gebäudemodells, wie in Bild 2 gezeigt. Die äußeren Randbedingungen auf das Gebäude werden durch ein Wettermodell, basierend auf den Messdaten der lokalen Wetterstation, in den Simulationen berücksichtigt.

Die unbeheizten Bereiche Keller und Treppenhaus sind nicht Bestandteil des Simulationsmodells. Zur Berücksichtigung der thermischen Begebenheit werden die Wände und Decken zu diesen Bereichen auf der vom Wohnraum abgewandten Seite mit einer konstanten Temperatur beaufschlagt. Für das Treppenhaus wird eine konstante Temperatur angesetzt, da sich dort ein Heizkörper befindet. Für die Luftwechselrate der Räume einer Wohnung wird ein Wert von 0,55 h–1 (Mindestluftwechselrate nach DIN V 4701-10) verwendet. In diesen Wert finden der Luftaustausch durch Infiltration, freie und maschinelle Lüftung Berücksichtigung. Die gemessene Innentemperatur jedes Raumes ist im Modell als Eingangsgröße vorgesehen. Die dadurch entstehenden Wärmeübertragungsmechanismen Strahlung und Konvektion an der Wandinnenseite werden durch das verwendete Raumwandmodell berücksichtigt. Über Wärmeleitung erfolgt der Wärmeaustausch zwischen den einzelnen Wandschichten. Der Wärmeverlust über die Fensterflächen erfolgt in Form von Konvektion zwischen Raumluft und Fensterfläche sowie durch Wärmeleitung innerhalb des Fensters nach außen. Die Messdaten für die Simulationen stammen aus der Heizperiode 2012/2013. Die Simulationen sollen Aufschluss über die Wärmeverschiebungen aufgrund des unterschiedlichen Heizverhaltens der Bewohner geben, daher wird nur der Zeitraum zwischen 1. Oktober und 30. April betrachtet. Im Folgenden wird die Transmission innerhalb des Gebäudes als Wärmeverschiebung bezeichnet.

4.2 Transmissionswärmeverlust über die Gebäudehülle Bild 3 zeigt den Vergleich der Wärmeverluste von Fensterund Außenwandflächen für Riegel 2 bezogen auf die Fläche der jeweiligen Wohnung. Der Anteil der Verluste über die Fensterflächen (UW 1,3 W/(m2K) für R2.E1 und R2.E3;

Bild 3. Vergleich der Wärmeverluste von Fenster- und Wandfläche für Riegel R2 Fig. 3. Comparison of the heat losses of window and wall surface for block B2

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Tabelle 2. Fenster- und Wandflächenanteil der Wohnungen Table 2. Window and wall area proportion of apartments Bauteil

Fensterfläche

Wandfläche

Wohnung Randbereich

15 %

85 %

innenliegende Wohnung

26 %

74 %

innenliegende DG-Wohnung

9%

91 %

DG-Wohnung Randbereich

7%

93 %

UW 0,7 W/(m2K) für R2.E2) ist in allen Fällen höher als über die Außenwandflächen (U = 0,11 W/(m2K)). Weiterhin ist ablesbar, dass die Wohnungen im vierten Obergeschoss im Vergleich zu den übrigen Wohnungen eines Eingangs einen höheren Transmissionswärmeverlust über die Außenflächen aufweisen. Dies liegt darin begründet, dass die oberste Geschossdecke gedämmt wurde und im nicht ausgebauten Dachraum daher annähernd Außentemperaturen herrschen. Für die Auswertung der Ergebnisse von Bild 3 ist Tabelle 2 zu berücksichtigen. Tabelle 2 stellt den Fensterund Wandflächenanteil der unterschiedlichen Wohnungen in Bezug auf die gesamte wärmeübertragende Umfassungsfläche der einzelnen Wohnungen gegenüber. Unter Berücksichtigung der Eingabeparameter der Simulation lassen sich vier unterschiedliche Wohnungstypen differenzieren. Die Wohnungen in den Randbereichen eines Riegels verfügen über einen höheren Außenflächenanteil als die innenliegenden Wohnungen, während die Fensterflächen für alle Wohnungen identisch sind. Aus diesem Sachverhalt resultieren die höheren Wärmeverluste über die Außenwandflächen.

4.3 Wärmeverschiebung innerhalb der Gebäudehülle Aufgrund vorhandener Temperaturdifferenzen zwischen zwei benachbarten Wohnungen oder zwischen Wohnung und Treppenhaus können Wärmeverschiebungen innerhalb der thermischen Hülle eines Gebäudes auftreten. Bild 4 zeigt die Wärmeverschiebungen zwischen den einzelnen Wohnungen in Riegel R3 für den Betrachtungszeitraum Heizperiode 2013 (Januar bis April und September bis Dezember). Jedes farbige Rechteck repräsentiert eine Wohnung des Riegels R3. Sechs Wohnungen pro Geschoss (zwei pro Eingang) über fünf Geschosse. Die Farbwahl einer jeden Wohnung gibt die durchschnittliche gemessene Wohnrauminnentemperatur während der Heizperiode wieder. Dabei steht die Farbe rot für hohe, gelb für mittlere und blau für geringe durchschnittliche Wohnungsinnentemperaturen. Die Pfeile geben die Richtung und Höhe der Wärmemenge in kWh pro Quadratmeter Nutzfläche an. Aufgrund der größeren Übertragungsfläche sind die transmittierten Wärmeströme zwischen den Etagen bei annähernd gleicher Temperaturdifferenz größer als die zweier benachbarter Wohnungen einer Etage. Es ist weiterhin feststellbar, dass Wohnungen vorhanden sind, von denen ausschließlich Wärme an die benachbarten Wohnungen abgegeben wird. Auf der anderen Seite gibt es Wohnungen, die ausschließlich Wärme von den benachbarten Wohnungen aufnehmen. In Bild 4 sind die Wärmeverluste zum Treppenhaus und nach außen nicht dargestellt. Ein Blick in die Messdaten gibt darüber Aufschluss, dass die Temperaturen in den Wohnräumen höher sind als die angesetzte Treppenhaustemperatur, somit entsteht kein Wärmegewinn innerhalb der Wohnungen durch das Treppenhaus.

Bild 4. Wärmeverschiebungen (q in kWh/m2 WF) zwischen den einzelnen Wohnungen in Riegel R3 für den Betrachtungszeitraum Heizperiode (Januar bis April und September bis Dezember) 2013 Fig. 4. Heat shifts (q in kWh/m2 WF) between the apartments in block B3 for the heating period (January to April and September to December) 2013

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4.4 Vergleich der Wärmeverschiebungen innerhalb der thermischen Hülle gegenüber dem Wärmeverlust nach außen In Bild 5 sind die Wärmeverschiebungen in kWh für jede Wohnung des Riegels R3 bezogen auf die Wohnfläche beispielhaft für eine Heizperiode gegenüber gestellt. Auf der X-Achse sind die einzelnen Wohnungen des Riegels R3 aufgetragen. Der y-Achse sind die Angaben zur Wärmemenge in kWh/m2 zu entnehmen. Negative Werte stehen für die Verluste (Treppenhaus, Gebäudehülle, Nachbarwohnung) und positive Werte für Gewinne (von der Nachbarwohnung). Die orangefarbenen Säulen geben den Anteil für Transmission über die wärmeübertragenden Außenbauteile, die grauen Säulen stellen die Verluste zum Treppenhaus dar und die ockerfarbenen Säulen geben die Wärmeverschiebung zum Treppenhaus wieder. Während des hier dargestellten Betrachtungszeitraumes entstehen über die wärmeübertragende Umfassungsfläche (Außenflächen und Treppenhaus) für alle Wohnungen Wärmeverluste. Für die Wohnungen im Erd- und Dachgeschoss ist im Vergleich zu den anderen Wohnungen ein erhöhter Gesamtwärmeverlust erkennbar. Grund hierfür ist die Lage der Wohnungen im Riegel (Randbereiche) und die damit einhergehende vergrößerte wärmeübertragende Umfassungsfläche. Die sich ergebenden Wärmeverschiebungen über die Wohnungstrennbauteile fallen sehr unterschiedlich aus. Einige Wohnungen profitieren deutlich von der angrenzenden Wohnung und dem dort vorherrschenden Heizverhalten, andere Wohnungen hingegen haben hohe Verluste zum Nachbarn zu beklagen. Bild 5 ist auch zu entnehmen, dass sich nicht für jede Wohnung eine Wärmeverschiebung zu den Nachbarwohnungen ergibt oder diese vernachlässigbar gering ausfällt. Aufgrund der vorherrschenden Temperatur im Treppenhaus ist für alle angrenzenden Wohnungen ein Wärmeverlust feststellbar. Je nach Lage der Wohnung ist dieser Wärmeverlust ähnlich ausgeprägt wie der Verlust über die Außenwände. Die detaillierte Betrachtung der Wärmeverluste pro Wohnung im Riegel R3 zeigt, dass dort Wohnungen vorhanden sind, deren Wärmeverluste über die wärmeübertragende Umfassungsfläche annähernd so groß sind wie die

Wärmegewinne durch die Nachbarwohnungen. Bei anderen Wohnungen hingegen kann der Anteil der Wärmeverluste durch Wärmeverschiebung zu den Nachbarwohnungen bis zu 50 % an den Gesamtverlusten betragen. Für hochwärmegedämmte Gebäude bedeutet dies, dass die Lage der Wohnung sowie das Heizverhalten der benachbarten Wohnungen und die damit einhergehende Wärmeverschiebung innerhalb der gedämmten Hülle einen signifikanten Einfluss auf den Wärmeverbrauch der jeweiligen Wohnung haben.

5 Fazit Die hier auf der Grundlage von Messdaten erstellten Simulationen und deren Analyse verdeutlichen die entstehenden Transmissionsvorgänge in einem größeren sanierten Wohngebäuderiegel. Die hier gewonnenen Erkenntnisse geben Aufschluss darüber, dass der Wärmeverbrauch einer einzelnen Wohnung eines größeren Mehrfamilienhauses von der Lage der Wohnung im Gebäude und unter anderem vom Heizverhalten der benachbarten Wohnungen abhängt. Die Wohnungen im Randbereich weisen aufgrund der größeren wärmeübertragenden Umfassungsfläche einen höheren Wärmeverlust nach außen auf als die anderen Wohnungen. Eine Aussage darüber, ob die Wärmegewinne durch die benachbarte Wohnungen grundsätzlich positiv zu betrachten sind oder eher zu erhöhten Lüftungsverlusten führen, kann hier nicht abschließend getroffen werden. Hierzu sind weitergehende Untersuchungen zum zeitlichen Verlauf der Wärmeverschiebungen durchzuführen. Die Heizkostenverordnung [8] bildet für Gebäudeeigentümer, Hausverwalter, Mieter und Wohnungseigentümer die rechtliche Grundlage und das Regelwerk zur Durchführung der jährlichen Wärmekostenabrechnung. Der Verteilschlüssel für Grund- und Verbrauchskosten kann unterschiedlich sein. Mindestens 50 % und höchstens 70 % der Kosten des Betriebs der zentralen Heizungsanlage sind nach den erfassten Wärmeverbrauch des Nutzers zu verteilen. Nach §§ 315 ff BGB steht dem Gebäudeeigentümer frei; für welche Variante er sich entscheidet. Vor dem Hintergrund der hier gewonnenen Erkenntnisse sei die Frage

Bild 5. Vergleich der Wärmetransmission je Wohnung bezogen auf die jeweilige Wohnfläche für Riegel R3 Fig. 5. Comparison of the heat transfer per apartment based on the respective floor space for block B3

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erlaubt, ob die heute gültige Heizkostenverordnung in Bezug auf hochwärmegedämmte Mehrfamilienhäuser alle relevanten Wärmeströme berücksichtigt.

Danksagung Die Autoren danken dem BMWi (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie), Förderkennzeichen 03ET1105A, und E.ON New Build and Technology GmbH für die finanzielle Unterstützung. Literatur [1] Weglage, A.: (Hrsg.): Energieausweis: Das große Kompendium; Grundlagen – Erstellung – Haftung. 3. Aufl. Wiesbaden: Vieweg + Teubner, 2010. [2] Bednar, T., Korjenic, A.: Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie (Hrsg.): IEA Energie in Gebäuden und Kommunen Annex 53: Gesamtenergieverbrauch in Gebäuden: Analysen und Bewertungsmethoden. Wien, 2013 [3] Weyand, N., Heinrich, H., Dahlem, K.-H.: „3-Liter-Haus“ im Bestand – Messkonzept und Messergebnisse von 3 Heizperioden. Bauphysik 29 (2007), H. 3, S. 213–220. DOI 10.1002/ bapi.200710030 [4] Calì, D., Osterhage, T., Müller, D.: Field study of different retrofit solutions for residential housing. Clima (2010). [5] Calì, D., Osterhage, T., Müller, D.: Retrofit Solutions for Residential Buildings. International Journal of Sustainable Building Technology and Urban Development 2 (2011), pp. 131–136.

[6] Müller, D., Osterhage, T., Calì, D.: Quartierskonzept Energieeffizientes Rintheim – wissenschaftliche Begleitung: Förderkennzeichen 0327400G. Abschlussbericht, 2012. [7] Wolfrum, K., Bloch, A.: Messsystem für vielkanaliges Monitoring von Energieströmen und Raumklimadaten in energetisch sanierten Wohngebäuden in Karlsruhe Rintheim. Forschung aktuell 2012, S. 18–20, Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft. [8] BBR, Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung: Verordnung über Heizkostenabrechnung in der Fassung der Bekanntmachung vom 5. Oktober 2009 BGBl. I S. 3250: Heizkostenverordnung. [9] Osterhage, T., Calì, D., Streblow, R., Müller, D.: Ergebnisse einer energetischen Sanierung: Abweichung zwischen Energiebedarf und Verbrauch – ist nur der Nutzer Schuld? Bauphysik 37 (2015), H. 2, S. 100–104. DOI: 10.1002/bapi.201510012

Autoren dieses Beitrages: Dipl.-Ing. Tanja Osterhage Calì Davide, M.Sc. Prof. Dr.-Ing. Dirk Müller Rouven Voß, B.Sc. RWTH Aachen University E.ON Energy Research Center Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik Mathieustraße 10, 52074 Aachen

Aktuell 11. GRE-Kongress Bausteine für die Energiewende

Die Politik hatte die „Energiewende“ eingeläutet. Doch wie haben sich dieser Prozess und seine Dynamik entwickelt?

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Dieser Kongress beleuchtet die Fortschritte und Hemmnisse. Es wird gezeigt, was sich bewährt hat und diskutiert, wo die entscheidenden, realen Hebel zur Umsetzung liegen. Welche Rolle spielt der Gebäudebereich in diesem Veränderungsprozess? Wie sind die Qualität des Gebäudebestands und der Stand der Gebäudesanierung? Können die Ansätze der Quartierssanierung, des nachhaltigen Bauens und des Effizienzhaus Plus-Konzepts einen wichtigen Beitrag leisten? Wie steht es um Energieeffizienz im Denkmalschutz? Die Relevanz von Themen wie Qualitätssicherung, Dokumentation und Gebäudeenergieausweis wird beleuchtet. Außerdem werden Grundfragen der Wärmewende und die Bedeutung technischer Konzepte und Vor-haben, wie Lüftungskonzepte, Fensteraustausch, Wärmebrückenberücksichtigung, Feuchteschutz von Bauteilen sowie temporärer Wärmeschutz diskutiert. Abgerundet wird die Veran-

staltung durch aktuelle Einschätzungen aus dem Bundesbauministerium und nicht zuletzt geht es um die Frage: Wie entwickelt sich die EnEV? Dies alles zeigt und diskutiert der 11. GRE-Kongress „Bausteine für die Energiewende“ am 17. und 18. März 2016 in der Orangerie in Kassel. Es werden 16 ausgewiesene Experten aus Politik, Forschung und Wirtschaft in Vorträgen und Diskussionen Rede und Antwort stehen. Die Veranstaltung wird mit 12 Unterrichtseinheiten bei der Energieeffizienz-Expertenliste (Wohngebäude) für Förderprogramme des Bundes angerechnet. Weitere Informationen und vollständiges Tagungsprogramm: Wilburg Kleff GRE e.V., Geschäftsführung Tel. +49(0)1575/514 6022 gre@gre-online.de www.gre-online.de

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Fachthemen Filip Cˇmiel Jaroslav Solarˇ Petr Alexa

DOI: 10.1002/bapi.201610001

Principles of the four-point thermographic measurement of the surface temperature and emissivity of glossy materials The emissivity and surface temperature of glossy materials are measured in IR thermography by covering the surface with a material with the known emissivity. The quantities can be, however, determined without using materials with the known emissivity. IR radiation is reflected from the measured glossy surface and a thermographer detects such reflection. This paper discusses the measurement of the surface temperature and emissivity of glossy materials which are used in external structures of the buildings – for instance, windows, light external walls or tiles. A four-point method is proposed for a more accurate determination of the surface temperature and emissivity of glossy materials. Results of successful laboratory and field tests of the method are presented. Prinzipien der Vier-Punkt-Thermografie-Messmethode für die Oberflächentemperatur und den Emissionsgrad glänzender Werkstoffe. Zur Messung des Emissionsgrads und der Oberflächentemperatur glänzender Werkstoffe mit der Infrarot-Temperaturmessmethode wird die Oberfläche mit einem Material abgedeckt, dessen Emissionsgrad bekannt ist. Die Größen lassen sich jedoch auch ohne Verwendung von Materialien mit bekanntem Emissionsgrad ermitteln. Die glänzende Oberfläche des Messobjekts reflektiert IR-Strahlung, und eine Wärmebildkamera erfasst die reflektierte Strahlung. Der vorliegende Aufsatz beschreibt die Messung der Oberflächentemperatur und des Emissionsgrads glänzender Werkstoffe für die Außenhaut von Gebäuden, beispielsweise Fenster, Leichtbaufassaden oder Fliesen. Für die präzisere Ermittlung der Oberflächentemperatur und des Emissionsgrads glänzender Werkstoffe wird eine Vier-Punkt-Methode vorgeschlagen. Es werden die Ergebnisse erfolgreicher Laborversuche und Feldversuche mit dieser Methode präsentiert.

1 Introduction It is rather complicated to determine surface temperatures of glossy materials (such as polished metals) by means of infrared thermography. The reason is that the emissivity of glossy materials is typically very low. For instance, the emissivity of glossy metal materials ranges between 0.02 and 0.50, and the emmissivity of glossy glass materials ranges between 0.67 and 0.97. Because the intensity of radiation of a metal material depends on surface treatment and on temperature, the values of the emissivity in tables are for information only. It is also very complicated to use a comparison method in order to determine the emissivity of glossy sur-

faces in the field. In that case, the surface which is being measured is coated with a material with the known emissivity (such as adhesive tapes or special can sprays).The thermogram of the surface reflects the IR radiation of the surrounding objects. This issue also occurs if the emissivity should be determined using a contact thermometer as described in [1]. The problem can be solved using the fourpoint method which is described below.

2 The four-point method The four-point method can be used for thermographic determination of the surface temperature and emissivity of glossy materials. This method uses reflection of objects on the glossy material. First, a termographic picture is taken of a sky and objects in the surrounding. Then, four reference points with different temperatures are chosen in the thermographic system and the apparent reflect temperature of those four points is determined using the direct method [1]. Then, a temperature reading is taken of a glossy surface. The focus of the thermocamera is adjusted in order to correspond to the mirror-image of surrounding shown in the thermogram. Four corresponding mirrored reference points are chosen in the thermogram. Then, the surface temperature is simulated in each reference point, depending on the surface emissivity and the measured apparent temperatures at the four points and their mirror images. The surface temperatures which are identified by the thermographic system as identical or as those within the required accuracy are the final surface temperatures of the glossy material. The emissivity of the glossy surface corresponds to the final surface temperature. This method can be used only if the system is able to adjust the focus of the IR unit on the measured surface. This means, the glossy surface should be smooth and glossy enough (for instance, glass or any polished metal sheet). Otherwise, the thermographer is not able to adjust and measure certain points with reasonable focus which results in inaccurate measurement of the surface emissivity. There must be also the same emissivity and surface temperature in the area of the glossy surface where the four points were selected. When using a thermographer for determination of the surface temperature and emissivity of glossy materials, a situation may occur when it is impossible to choose suitable reference points with different temperatures in the thermo-

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based on the Stefan-Boltzmann law [2] for intensity of radiation M [W/m2]: M = εσT4,

(1)

where σ is the Stefan-Boltzmann constant and emissivity ε expresses the ratio of intensity of radiation of a measured object to the intensity of radiation of an absolutely black body with the same temperature, T [K]. The emissivity can be determined using the formula below which is derived from the Stefan-Boltzmann law and which considers reflection of radiation from an external source of heat or from surrounding objects: Fig. 1. External source of heat Bild 1. Externe Wärmequelle

graphic picture of the sky and objects (for instance, because there are not any trees or buildings on the site). In that case, it is possible to use a special external source of heat (Fig. 1) which will heat four points up to four different temperatures. In order to obtain more accurate results, it is advisable to adjust two sources of heat to a higher surface temperature and two sources of heat to a lower surface temperature than the estimated temperature of the measured object. This has been proved in a laboratory test of a polished sheet made from stainless steel. The front plate in the external source of heat is 35 cm × 35 cm. It is fitted with three water-cooled Peltier elements which can optimally heat up or cool down 3 areas in the plate. The surface of the plate is sprayed with the paint the emissivity of which is known: 0.95. There is also a grid with 5 cm × 5 cm cells. A successful field test of the four-point method was then performed at the Faculty of Civil Engineering campus at Ostrava, Czech Republic, without any external source of heat.

2.1 Theory Calculation of the surface temperature and emissivity by means of four points and an external source of heat is

M = σT4z = εσT4 + σ(1 – ε)T04,

(2)

where ε is the emissivity of the material surface, T0 [K] = t0 [°C] + 273,15, is the apparently reflected temperature determined at the four reference points on an external source of heat or on surrounding objects, Tz [K] = tz [°C] + 273,15 is the apparent temperature at the four corresponding mirrored reference points on the surface of the glossy material determined in the thermogram of the measured surface, and T [K] = t [°C] + 273,15 is the surface temperature of the measured glossy material. Having modified the equation, one obtains the equation for calculation of the surface temperature t [°C] as a function of the surface emissivity ε:

t=

4

(t z + 273,15)4 − (t 0 + 273,15)4 (1 − ε) − 273,15 ε

(3)

The obtained curves t = f(ε) for the four chosen reference points should intersect in one point, thus determining the glossy surface temperature t and emissivity ε.

2.2 Laboratory test The external source of heat heated up the four points to four different temperatures (see Fig. 2). In accordance with the international standard [1] the emissivity of 1 was set in the termographer’s camera (FLIR SC 640). Then, a thermogram was taken of an external source of heat (see Fig. 2). Following apparent surface temperatures were read in four

Fig. 2. Thermogram with four reference points for the reflected temperature on the external source of heat (laboratory test) Bild 2. Wärmebild mit vier Referenzpunkten für die reflektierte Temperatur auf der externen Wärmequelle (Laborversuch)

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Fig. 3. Thermogram with four reference points for the reflected temperature on a glossy material (laboratory test) Bild 3. Wärmebild mit vier Referenzpunkten für die reflektierte Temperatur auf einem glänzenden Werkstoff (Laborversuch)

points: Sp1 = + 43.5 °C, Sp2 = +34.5 °C, Sp3 = +16.9 °C, and Sp4 = +20.2 °C. Then, a thermogram (Fig. 3) was taken of a glossy surface (on a stainless steel sheet). Following apparent surface

Table 1. Boundary conditions of the laboratory measurement Tabelle 1. Grenzbedingungen für den Laborversuch Surface temperature tcont [°C]

Athmospheric temperature tair [°C]

Relative humidity ϕ [%]

23.8

23.9

29.7

temperatures were measured in the mirrored four points: Sp1 = + 41.7 °C, Sp2 = +33.5 °C, Sp3 = +17.7 °C, and Sp4 = +20.6 °C. Table 1 lists the conditions existing during the measurement. The measured values were used in (3) for different values of emissivity in order to calculate real values of the surface temperature for the measured glossy material (see Table 2). The values in Table 2 were used to create the temperature chart (see Fig. 4) for each point separately with different emissivities. In cross-sections of the curves, there is the real value of the surface temperature and, in turn, the real value of the emissivity of the material.

Table 2. The measured surface temperature vs. the reflected temperature and surface emissivity (0.07–0.15) for the laboratory test Tabelle 2. Gemessene Oberflächentemperatur i. Vgl. zur reflektierten Temperatur und Emissionsgrad der Oberfläche (0,07–0,15) für den Laborversuch Emissivity ε

0.07

Measured points

Apparent reflected temperature t0 [°C]

Apparent surface temperature tz [°C]

Sp1

43.5

41.7

0.08

0.09

0.10

0.11

0.12

0.13

0.14

0.15

Surface temperature measured by the thermocamera tir [°C] 14.2

18.4

21.5

23.9

25.9

27.4

28.8

29.9

30.9

Sp2

34.5

33.5

19.2

21.2

22.8

24.0

25.0

25.8

26.5

27.1

27.6

Sp3

16.9

17.7

27.8

26.5

25.4

24.6

23.9

23.4

22.9

22.5

22.1

Sp4

20.2

20.6

25.8

25.1

24.6

24.1

23.8

23.5

23.2

23.0

22.8

Fig. 4. The measured surface temperature vs. the reflected temperature and surface emissivity (laboratory test) Bild 4. Die gemessene Oberflächentemperatur i. Vgl. zur reflektierten Temperatur und Emissionsgrad der Oberfläche (Laborversuch)

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F. Cˇmiel/J. Solarˇ/P. Alexa · Principles of the four-point thermographic measurement of the surface temperature and emissivity of glossy materials

It follows from the measurement that to with ε4 = 0.10 the surface temperatures measured by the thermocamera and the four-point method are almost compliant, the arithmetic average being tir = +24.2 °C (see Table 2 and Fig. 4). The surface temperatures were measured using a contact thermo-couple ALMEMO 2390-8 and gave an average temperature tcont = +23.8 °C which proved correctness of the thermographic measurement. The obtained emissivity ε4 = 0.10 corresponds to the emissivity ε = 0.10 which was measured in a laboratory temperature bath at 60 °C using the same thermocamera.

2.3 Field test Four reference points of different temperatures have been chosen in the surroundings of the measured glossy surface (see Fig. 5). In accordance with the international standard [1] the emissivity of 1 was set in the thermographer’s camera (FLIR SC 640).Then, a thermogram was taken of the surrounding objects (see Fig. 5). Following apparent surface temperatures were read in four points: Sp1 = +13.5 °C, Sp2 = +17.5 °C, Sp3 = +27.4 °C, and Sp4 = –26.6 °C. Then, a thermogram (Fig. 6) was taken of a glossy surface (a window of the main building of the Faculty of Civil Engineering in Ostrava). Following apparent surface tem-

Table 3. Boundary conditions of the field measurement Tabelle 3. Grenzbedingungen für den Feldversuch Surface temperature tcont [°C]

Athmospheric temperature tair [°C]

Relative humidity ϕ [%]

4.8

4.0

57.0

peratures were measured in the mirrored four points: Sp1 = + 6.3 °C, Sp2 = + 6.9 °C, Sp3 = + 8.5 °C, and Sp4 = +1.3 °C. Table 3 lists the conditions existing during the measurement. The measured values were used in (3) for different values of emissivity in order to calculate real values of the surface temperature for the measured glossy material (see Table 4). The values in Table 4 were used to create again the temperature chart (see Fig. 7) for each point separately with different emissivities. In cross-sections of the curves, there is the real value of the surface temperature and, in turn, the real value of the emissivity of the material. It follows from the measurement that to with ε4 = 0.86 the surface temperatures measured by the thermocamera and the four-point method are almost compliant, the arithmetic average being tir = +5.1 °C (see Table 4 and Fig. 7). The surface temperatures were measured using a contact thermo-couple ALMEMO 2390-8 and gave an average tem-

Fig. 5. Thermogram with four reference points for the reflected temperature on the surrounding objects (field test) Bild 5. Wärmebild mit vier Referenzpunkten für die reflektierte Temperatur an Objekten in der Umgebung (Feldversuch)

Fig. 6. Thermogram with four reference points for the reflected temperature on a glossy material (field test) Bild 6. Wärmebild mit vier Referenzpunkten für die reflektierte Temperatur an einem glänzenden Werkstoff (Feldversuch)

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F. Cˇmiel/J. Solarˇ/P. Alexa · Principles of the four-point thermographic measurement of the surface temperature and emissivity of glossy materials

Table 4. The measured surface temperature vs. the reflected temperature and surface emissivity (0.83–0.92) for the field test Tabelle 4. Gemessene Oberflächentemperatur i. Vgl. zur reflektierten Temperatur und Emissionsgrad der Oberfläche (0,83–0,92) für den Feldversuch Emissivity ε

Glass

0,83

0,84

0,85

0,86

0,87

0,88

0,89

0,90

0,91

0,92

Measured points

Apparent reflected temperature t0 [°C]

Apparent surface temperature tz [°C]

Sp1

13,5

6,3

4,8

4,9

5,0

5,1

5,2

5,3

5,4

5,5

5,6

5,6

Sp2

17,2

6,9

4,6

4,8

5,0

5,1

5,3

5,4

5,5

5,7

5,8

5,9

Sp3

27,4

8,5

4,1

4,4

4,7

5,0

5,3

5,6

5,9

6,1

6,4

6,7

Sp4

–26,6

1,3

6,1

5,7

5,4

5,1

4,8

4,5

4,2

3,9

3,6

3,4

Surface temperature measured by the thermocamera tir [°C]

Fig. 7. The measured surface temperature vs. the reflected temperature and surface emissivity (field test) Bild 7. Gemessene Oberflächentemperatur i. Vgl. zur reflektierten Temperatur und Emissionsgrad der Oberfläche (Feldversuch)

perature tcont = + 4.8 °C which proved correctness of the thermographic measurement.

3 Summary In thermographic measurements within diagnostics of external walls of buildings and structures, it is rather complicated to use a comparison method in order to determine the emissivity of glossy surfaces in the field. In that case, the surface which is being measured is coated with a material with the known emissivity (such as adhesive tapes or special can sprays). The reason is that the thermogram of the measured surface reflects the IR radiation of surrounding objects. This can be solved by the four-point method which is described above. Results have been proved by a laboratory and a field test.

Acknowledgement The work was supported by the Conceptual Development of Science, Research and Innovation Project for the year 2014, assigned to VSB-TU Ostrava by Ministry of Education, Youth and Sports of the Czech Republic, and by the National Programme for Sustainability I (2013-2020), financed by the state budget of the Czech Republic, identification code: LO1406.

References [1] ISO 18434-1:2008 (2008) Condition monitoring and diagnostics of machines – Thermography – Part 1: General procedures. [2] Siegel, R., Howell, J.: Thermal Radiation Heat Transfer. New York: Taylor & Francis 2002.

Authors:

Ing. Filip Cˇmiel, Ph. D. filip.cmiel@vsb.cz Univ. Doz. Ing. Jaroslav Solarˇ, Ph. D. jaroslav.solar@vsb.cz Both: Technical University of Ostrava Faculty of Civil Engineering L. Podéšteˇ 1875/17, 708 33 Ostrava Czech Republic Univ. Doz. Dr. Petr Alexa petr.alexa@vsb.cz Technical University of Ostrava Institute of Physics and Institute of Clean Technologies 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava Czech Republic

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Fachthemen Benjamin Ströbele

DOI: 10.1002/bapi.201610005

Modellierung von Unschärfe in Ökobilanzen von Bauwerken Die ökologische Dimension der Nachhaltigkeitsbewertung von Bauwerken umfasst verschiedene Umweltproblemfelder. Ein Ansatz ist die Beschreibung und Bewertung der Ressourceninanspruchnahme und von unerwünschten Wirkungen auf die Umwelt auf Basis einer Analyse lebenszyklusbezogener Energie- und Stoffströme. Mit der Ökobilanz besteht eine entsprechende methodische Grundlage zur Quantifizierung der Umweltwirkungen. Diese Methode kann bereits in der Entwurfsphase von Bauwerken eingesetzt werden. In frühen Phasen der Planung besteht jedoch eine unsichere Datengrundlage in vielerlei Hinsicht. Es werden unterschiedliche Formen der Unschärfe in Ökobilanzen von Bauwerken dargestellt und das Problem einer fehlenden Einbeziehung in Ökobilanzen aufgegriffen. Als ein möglicher Lösungsansatz wird die Integration von Fuzzy-Sets für die Ökobilanzierung von Bauwerken vorgestellt. Modeling of fuzziness in life cycle assessment LCA of buildings. The environmental dimension of sustainability assessment of buildings covers several environmental problem areas. One approach is the description and assessment of resources consumption and of adverse effects on the environment based on an analysis of lifecycle-related energy and material flows. LCA is an appropriate methodological basis for quantifying the environmental effects. This method can be used in the design phase of buildings already. In early stages of planning, however, the database is uncertain in many respects. Various forms of fuzziness in LCA of buildings will be outlined and the problem of lacking involvement in LCA will be addressed. As a possible solution, integration of fuzzy sets into the lifecycle assessment of buildings will be presented.

1 Zielsetzung Ein grundlegender Ansatz zur Förderung einer nachhaltigen Entwicklung von Bauwerken liegt darin, dass die Systeme zur Nachhaltigkeitsbewertung (NaWoh, DGNB, BNB) bereits in frühen Planungsphasen einbezogen werden. Innerhalb der ökologischen Dimension der Nachhaltigkeitsbewertung werden Grenzwerte für die potentiellen Umweltwirkungen vorgegeben. Diese Grenzwerte beziehen sich auf ausgewählte Phasen im Lebenszyklus eines Bauwerks und eine Nachweisführung zur Einhaltung erfolgt über die Methode der Ökobilanz. Soll bereits in der Entwurfsphase eine Ökobilanz erstellt werden, um beispielsweise den Einfluss der Kubatur auf die Umweltwirkungen darzustellen, ist dies jedoch mit

30

einer gewissen Impräzision, Unsicherheit und Vagheit in Bezug auf die Daten, verbunden. Neben der Darstellung einer solchen Unschärfe innerhalb der Ökobilanz im Lebenszyklus eines Bauwerks, besteht die Zielsetzung dieses Beitrages in der Findung einer geeigneten mathematischen Modellierung auf der Grundlage der Fuzzy-Set-Theorie. Dadurch soll die Glaubwürdigkeit einer Ökobilanz erhöht und das Bestreben, die Ökobilanz bzw. die Systeme zur Nachhaltigkeitsbewertung als Hilfsmittel in die Planungsphase von Bauwerken zu integrieren, unterstützt werden.

2 Ökobilanz Mit Systemen zur Nachhaltigkeitsbewertung wurde der Begriff der Nachhaltigkeit für den Baubereich übersetzt und eine Grundlage hin zu einer nachhaltigen Entwicklung geschaffen [1]. Hierfür müssen diese Systeme jedoch bereits in einer frühen Planungsphase von Bauwerken einbezogen werden. Es bestehen die drei Dimensionen Ökonomie, Ökologie und Soziokulturelles. Nach der Festlegung von Schutzgütern und dem Ableiten zugehöriger Schutzziele wurden Indikatoren definiert. Innerhalb der ökologischen Dimension wird eine Quantifizierung von Umweltwirkungen zum jeweiligen Bauwerk gefordert und es werden entsprechende Grenzwerte festgelegt. Mit der Ökobilanz besteht eine Methode zur Quantifizierung von Umweltwirkungen für einzelne Umweltproblemfelder, welche in der zugehörigen Normung [2] und [3] als Wirkungskategorien benannt werden. Nach der Festlegung der Betrachtungseinheit (z. B. Bauwerk, Bauelement, Bauprodukt oder Baustoff) und des Untersuchungsrahmens sowie einer Modellierung der Prozesse erfolgt die Sachbilanz. In ihr werden alle Elementarflüsse als Stoffe und Energien aufgelistet, welche ohne weitere Behandlung von Menschen entweder aus der Umwelt entnommen oder an sie abgegeben werden. Anschließend werden diese Stoffe im Zuge einer Klassifizierung den Wirkungskategorien zugeordnet. Die Stoffe haben einen unterschiedlichen Einfluss auf die jeweilige Wirkungskategorie. Mit Charakterisierungsfaktoren erfolgt eine Gewichtung der Stoffe in Abhängigkeit zu einem bestimmten Referenzstoff. Als Ergebnis einer anschließenden Aggregation resultiert ein Indikator für jede Wirkungskategorie (Bild 1). Die Ökobilanz stellt einen „Midpoint“-Ansatz dar. Es werden potentielle Umweltwirkungen ohne räumlichen und zeitlichen Bezug dargestellt, ohne einen möglichen Schaden an den

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B. Ströbele · Modellierung von Unschärfe in Ökobilanzen von Bauwerken

Bild 1. Phasen einer Ökobilanz Fig. 1. Phases of life cycle assessment LCA

Bild 2. Informationsmodule zu den Lebenszyklusphasen eines Bauwerks [4] Fig. 2. Information modules for the life cycle phases of a building [4]

Schutzgütern menschliche Gesundheit, Qualität des Ökosystems und Ressourcen zu quantifizieren. Für Bauprodukte sind in der Ökobau.dat als Datenbank bereits Ergebnisse zu Ökobilanzen enthalten. Diese Datenbank umfasst sowohl generische als auch firmenspezifische Datensätze. Die enthaltenen Umweltwirkungen zu Bauprodukten werden zunächst an Bauelemente (z. B. eine Außenwand) und anschließend an das Bauwerk weitergegeben. Wird der gesamte Lebenszyklus eines Bauwerks betrachtet, kann verhindert werden, dass Umweltwirkungen von einer Lebenszyklusphase in eine andere Phase „verschoben“ werden. In [4] werden einzelne Informationsmodule innerhalb der Lebenszyklusphasen eines Bauwerks dargestellt (Bild 2).

3 Unschärfe in Ökobilanzen Die grundsätzliche Schwierigkeit bei der Erstellung einer Ökobilanz in der Entwurfsphase eines Bauwerks liegt darin, den gesamten Lebenszyklus geeignet abbilden zu können. Einen Überblick mit der damit verbundenen zu berücksichtigenden Unschärfe als Überbegriff für Impräzision, Unsicherheit und Vagheit (s. Abschnitt 4), bietet Tabelle 1. Methodische „Spielräume“ zur Ökobilanz z. B. in Bezug auf die Allokationsregeln oder die Betrachtungsdauer werden nicht aufgeführt. Die Unschärfe in der Entwurfsphase eines Bauwerks bezieht sich auf die Phasen im

Lebenszyklus, den Daten zur Sachbilanz und den Faktoren für die Wirkungsabschätzung. Ein Grund für die Unschärfe zur Menge an Bauelementen besteht darin, dass in der Entwurfsphase noch keine statischen Berechnungen durchgeführt wurden. In Bezug auf die Nutzungsphase besteht die Unschärfe zur Menge an Bauelementen durch die Wahrscheinlichkeit einer Umnutzung des Bauwerks und einer damit verbundenen Veränderung bestehender Innenbauteile, wie abgehängte Decken oder Innenwände. Darüber hinaus fehlt für die Nutzungsphase eine Bilanzierung des Energiebedarfs und es kann lediglich eine grundlegende Zielsetzung in Bezug auf das Erreichen eines energetischen Standards formuliert werden. Hierfür muss eine bestimmte Dämmstoffdicke an die Außenwand angebracht werden. Die gewählte Dicke sowie die genaue Auswahl nach Art und Hersteller sind in der Entwurfsphase aber noch nicht bekannt. Steht die Festlegung zum Hersteller der benötigten Bauprodukte noch aus, können aus der Ökobau.dat-Datenbank generische Datensätze entnommen werden. Solche Datensätze repräsentieren eine Bauproduktgruppe. In diesem Fall bestehen auch die Angaben zum Transport nach Art und Strecke sowie zur Instandhaltung nur unscharf. Darüber hinaus können nur Spannweiten für bestimmte bauphysikalische Kennwerte angegeben werden. Als Beispiel sei die Rohdichte genannt. Für die Phase der Wirkungsabschätzung und der Anwendung der Charakte-

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B. Ströbele · Modellierung von Unschärfe in Ökobilanzen von Bauwerken

Tabelle 1. Unschärfe in der Entwurfsphase von Bauwerken Table 1. Fuzziness in the design phase of buildings Unschärfe

mögliche Gründe

Phase der Ökobilanz

Menge Bauelemente pro Bauwerk

fehlende Statik für die Errichtung des Bauwerks, mögliche Umnutzung des Bauwerks in der Nutzungsphase

Sachbilanz

Menge Bauprodukte pro Bauelement

fehlende energetische Bilanzierung für die Errichtung des Bauwerks

Sachbilanz

Rohdichte (oder andere bauphysikalische Eigenschaften)

Hersteller nicht festgelegt, Messung

Sachbilanz

technische Lebensdauer

Hersteller nicht festgelegt, Expertenschätzung

Sachbilanz

Zyklen für Instandsetzung, Wartung und Reinigung

Hersteller nicht festgelegt, Expertenschätzung

Sachbilanz

Menge Betriebsstoffe pro Bauwerk und Betrachtungsdauer

mögliche Umnutzung des Bauwerks, Verhalten des Nutzers

Sachbilanz

Menge Emissionen und Abfälle pro Baustoff

Messung, Expertenschätzung

Sachbilanz

Transportwege

Hersteller nicht bekannt

Sachbilanz

Menge Referenzstoff pro emittierter Stoff

Charakterisierungsfaktoren

Wirkungsabschätzung

Menge Umweltwirkungen pro Bauwerk

Klassifzierung

Wirkungsabschätzung

Tabelle 2. Intervalle zur Rohdichte ρ von Mineralwolle [5] Table 2. Interval to the density of mineral wool [5] Mineralwolle

scharfe Zahl für ρ [kg/m3]

Intervall für ρ [kg/m3]

Intervall für ρ in Relation zur scharfen Zahl für ρ [–]

Glaswolle

86,5

20 … 153

23 % … 178 %

Steinwolle

111

22 … 200

18 % … 180 %

Schlackenwolle

150

80 … 220

53 % … 147 %

Tabelle 3. Intervalle zu Charakterisierungsfaktoren CF [6] Table 3. Interval to characterization factors CF [6] Stoff

scharfe Zahl für den CF [kg CO2]

Intervall für den CF [kg CO2]

Intervall für den CF in Relation zur scharfen Zahl für den CF [–]

H1301 (Halon)

4900

2300 … 5600

48 % … 114 %

CFC-11

3400

1400 … 4500

41 % … 132 %

CFC-14

> 4500

3500 … > 5300

78 % … 118 %

N2O

270

170 … 270

63 % … 100 %

CH4

11

4 … 35

36 % … 318 %

risierungsfaktoren werden oft Angaben in kg benötigt. Tabelle 2 verdeutlicht die Spannweite bei der Rohdichte von Mineralwolle. Wissenschaftler entdecken immer wieder neue Ursache-Wirkungsbeziehung der Umwelt und somit auch Stoffe mit einem Einfluss auf ein Umweltproblemfeld. Andererseits können auch einer Wirkungskategorie zugeordnete Stoffe nachträglich als solche mit geringem oder keinem Einfluss klassifiziert werden. Aus diesem Grund beruht die Unschärfe zur Wirkungsabschätzung zunächst in der Klassifizierung der einzelnen Stoffe zu den Wirkungskategorien. Die zweite Ursache für eine Unschärfe liegt in der Charakterisierung, der Bezugnahme zur Referenzsubstanz. Die Charakterisierungsfaktoren entstammen Modellen mit Parametern zu spezifischen Szenarien. Für die Wirkungs-

32

kategorie globale Erwärmung werden beispielsweise unterschiedliche Zeithorizonte angesetzt. Daraus resultieren Intervalle in Bezug auf die Charakterisierungsfaktoren, welche exemplarisch in Tabelle 3 aufgelistet werden.

4 Unschärfe In [7] wird zwischen den Begriffen Impräzision, Unsicherheit und Vagheit unterschieden. Impräzision entsteht dadurch, dass eine Messung oder Beobachtung des Inputs und Outputs eines Prozesses nicht beliebig genau erfolgen kann. Falls der Prozess zufällig ausgewählt wird, sind die Prozessdaten nicht nur impräzise, sondern auch unsicher. Vagheit ist eng mit der unscharfen menschlichen Ausdrucksform verbunden. Sie besteht beispielsweise in der

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B. Ströbele · Modellierung von Unschärfe in Ökobilanzen von Bauwerken

µM

Bild 3. Mathematische Modellierungsmethoden zu unscharfen Daten [11] Fig. 3. Mathematical modeling methods for fuzzy data [11]

Form, dass die Emissionsmenge aus dem Prozess als „sehr hoch“ beschrieben wird. Unsicherheiten werden in der Regel mit Wahrscheinlichkeitsverteilungen dargestellt und mit statistischen Methoden modelliert. Ein grundlegender Unterschied zwischen der Wahrscheinlichkeitstheorie und der Fuzzy-SetTheorie besteht darin, dass bei den Fuzzy-Sets keine Begrenzungen der Fläche gemacht werden. Dies steht im Gegensatz zu den Wahrscheinlichkeitsverteilungen, für welche die Summe der Wahrscheinlichkeiten immer gleich 1 ist. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass die Wahrscheinlichkeitsdichte für die Summe aus zwei wahrscheinlichkeitstheoretischen Zufallsgrößen über ein Faltungsintegral und die Summe aus zwei Fuzzy-Zahlen (unscharfe Zahlen) mit dem Erweiterungsprinzip zu bestimmen ist. Eine weiterführende Diskussion über die Unterschiede der beiden Theorien findet sich in [8] und [9]. Ein Ansatz für die Transformation von Fuzzy-Sets zu Wahrscheinlichkeitsverteilungen findet sich in [10]. Ein Vorteil der Fuzzy-Set-Theorie liegt nach [7] darin, dass eine einheitliche Behandlung von Unsicherheit, Impräzision und Vagheit erlaubt wird (Bild 3). Darüber hinaus sind für die Darstellung von Unsicherheiten mit FuzzySets im Gegensatz zur Wahrscheinlichkeitstheorie wenige Annahmen über die Daten notwendig und in Relation zu den Intervallen ist eine detaillierte Darstellung von Impräzision möglich.

Die Arithmetik der Fuzzy-Set-Theorie basiert auf dem Erweiterungsprinzip nach [12]. Mit diesem Erweiterungsprinzip können arithmetische Operationen auf unscharfe Zahlen und Intervalle erweitert werden. Ein Fuzzy-Intervall oder eine Fuzzy-Zahl stellen spezielle Fuzzy-Mengen dar. Eine normalisierte, konvexe Fuzzy-Menge, deren Zugehörigkeitsfunktion μ(x) stückweise stetig ist, wird als Fuzzy-Intervall definiert [13]. Der Unterschied zur FuzzyZahl besteht darin, dass im Gegensatz zum Fuzzy-Intervall nur ein Gipfelpunkt mit dem Zugehörigkeitsgrad gleich 1 besteht. Auf der Grundlage der LR-Repräsentation nach [14] wurden die erweiterten arithmetischen Operationen aufgestellt. Eine Fuzzy-Zahl M vom Typ L-R nach [14]

(

()

)

LR

(1)

wird beschrieben durch den Gipfelwert m sowie α als linke Spannweite und β als rechte Spannweite. Mit der Zugehörigkeitsfunktion

(2)

besteht die L-R-Repräsentation nach [14] und die FuzzyZahl ist mit den Referenzfunktionen L (für die linke Spannweite) und R (für die rechte Spannweite) vom Typ L-R. Die Addition und Subtraktion von zwei Fuzzy-Zahlen MLR und NLR ist mit den Formeln

( ) ⊕ ( n, γ , δ ) = ( m + n, α + γ , β + δ )

MLR ⊕ NLR = m, α, β

LR

(3)

LR

LR

und

( )  ( n, γ , δ ) = ( m − n, α + γ , β + δ )

MLR  NLR = m, α, β

LR

(4)

LR

LR

möglich [14]. Eine Fuzzy-Zahl heißt nach [14] positiv, falls für die Zugehörigkeitsfunktion

()

µ M x = 0,

∀x < 0

(5)

gilt und negativ, falls

()

µ M x = 0,

∀x > 0

(6)

gilt. Diese Unterscheidung ist für die Multiplikation zweier Fuzzy-Zahlen notwendig. In [15] wird anschaulich dargestellt, dass daraus im Allgemeinen keine Fuzzy-Zahl (eine Dreiecks-Form) mehr resultiert. Um dem Bestreben nachzukommen, dass weiter einfache Rechenoperationen angewendet werden können, bestehen mit

(

MLR  NLR ≈ m, α, β

(

)

LR

≈ mn, mγ + nα, mδ + nβ

5 Fuzzy-Sets

MLR = m, α, β

  m − x für x ≤ m, α > 0 L    α  x = R  x − m  für x ≥ m, β > 0   β 

(

 n, γ , δ

)

LR

)

LR

für MLR > 0 ∧ NLR > 0

(

MLR  NLR ≈ mn, − nβ − mδ, − nα − mγ

)

LR

für MLR < 0 ∧ NLR < 0

(8)

(

MLR  NLR ≈ mn, nα − mδ, nβ − mγ

)

LR

(9)

für MLR < 0 ∧ NLR > 0 und

(

MLR  NLR ≈ mn, mγ − nβ, mδ − nα

)

LR

für MLR > 0 ∧ NLR < 0

(10)

Näherungsformeln [14]. Nachfolgend sollen lediglich FuzzyZahlen mit einem Gipfelwert zur Anwendung kommen. Weitere Operationen für Fuzzy-Zahlen und für Fuzzy-Intervalle als besondere Form einer Fuzzy-Zahl mit zwei Gipfelwerten finden sich in [14] und [13].

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(7)

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B. Ströbele · Modellierung von Unschärfe in Ökobilanzen von Bauwerken

6 Fuzzy-Sets innerhalb der Ökobilanz Die Unschärfe in Ökobilanzen kann in der Form von Fuzzy-Zahlen dargestellt werden. Die erste Fuzzy-Zahl in Bild 4 beschreibt die Menge „ungefähr 200 m2 Außenwand pro 1 Bauwerk“. Der Gipfelwert stellt den „typischen“ Wert dar, die Spannweiten links und rechts sollen alle möglichen Werte umfassen. Zu diesen Werten innerhalb der Spannweiten wird ein Zugehörigkeitsgrad zugewiesen. Beispielsweise gehört der Wert von 195 zu 0,5 zur Menge „ungefähr 200 m2 Außenwand pro 1 Bauwerk“. Die nächste Unschärfe besteht mit den bauphysikalischen Eigenschaften der Bauprodukte. Da in der Entwurfsphase noch keine herstellerspezifische Auswahl zu Bauprodukten wie der Mineralwolle getroffen wird, kann auch für die Rohdichte nur ein unscharfer Wert angesetzt werden. Als nächstes muss eine Annahme über die Lebensdauer getroffen werden. Für Steinwolle wird beispielsweise nach [16] eine Lebensdauer von 20 Jahren angesetzt und nach [17] eine Nutzungsdauer von ≥ 50 Jahren. Bei einer Betrachtungsdauer für die Ökobilanzierung von Bauwerken von 50 Jahren ist somit ungefähr ein Austausch der Steinwolle erforderlich. Falls der Hersteller bzw. das genaue Produkt noch nicht feststeht, ist auch der Output des Herstellungsprozesses in der Form von Emissionen unscharf. Nach [16] sind mit der Herstellung von 1 kg Steinwolle 0,0008 kg Methan verbunden. Dieser Wert kann mit einer Spannweite versehen werden. Abseits der Sachbilanz besteht in der Phase der Wirkungsabschätzung eine Unschärfe in Bezug auf die Charakterisierungsfaktoren (CFs). Auch hierfür können Spannweiten angegeben werden. Die Ergebnisse nach Tabelle 4 sind schwer zu interpretieren, da eine Spannweite in den negativen Bereich in diesem Fall keinen Sinn macht. Das Beispiel verdeutlicht zwei allgemeine Probleme bei der Modellierung von Unschärfe mit Fuzzy-Zahlen. Zum einen in der Form alternativer De-

finitionen für die Multiplikation. Eine Vorgehensweise für den speziellen Fall, dass keine eindeutige Zuordnung nach den Formeln (5) und (6) besteht, fehlt jedoch. Aus diesem Grund wurde für die Berechnungen in Tabelle 4 einheitlich Formel (7) verwendet. Zum anderen nimmt die Unschärfe im Zuge der Berechnungen sehr stark zu. Ein Versuch, diesem Problem zu begegnen wird in Tabelle 5 gezeigt. Für den Fall, dass die Spannweiten im Vergleich zu den Gipfelwerten nicht klein sind, wird die Näherungsformel

(

) ≈ ( mn, mγ + nα − αγ , mδ + nβ − βδ )

MLR  NLR ≈ m, α, β

)

LR

(

 n, γ , δ

LR LR

(11)

für MLR > 0 ∧ NLR > 0 verwendet [14]. Dadurch resultieren keine Spannweiten im negativen Bereich. In Tabellen 4 und 5 werden beispielhaft die Umweltwirkungen in Verbindung mit der Bereitstellung von Steinwolle ermittelt. Dies erfolgt durch Multiplikation der einzelnen Fuzzy-Zahlen. Für die Umweltwirkungen eines Bauwerks müssen weitere Bauelemente, Bauprodukte und Baustoffe berücksichtigt werden und deren Umweltwirkungen als Fuzzy-Zahlen nach Formel (3) addiert werden. Eine Zielsetzung in Verbindung mit der Quantifizierung von Umweltwirkungen bereits in der Entwurfsphase kann entweder der Vergleich zweier Entwurfsvarianten oder das Erreichen einer Bewertungsstufe zur ökologischen Qualität sein. Nach dem System zur Nachhaltigkeitsbewertung „Nachhaltiger Wohnungsbau“ (NaWoh) dürfen beispielsweise 12 kg CO2-Äqu./(m2NGF · a) nicht überschritten werden. Für den Vergleich zweier Entwurfsvarianten A und B (Bild 5) müssen zwei unscharfe Zahlen verglichen werden. Neben der Gegenüberstellung bestehender Methoden zum

Bild 4. Fuzzy-Zahlen zur Unschärfe in der Ökobilanz Fig. 4. Fuzzy numbers to fuzziness in the LCA

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B. Ströbele · Modellierung von Unschärfe in Ökobilanzen von Bauwerken

Tabelle 4. Fuzzy-Zahlen zur Bestimmung der ungefähren Menge an kg CO2-Äquivalenten für die Bereitstellung von Steinwolle pro 1 Bauwerk und pro 50 Jahre Teil 1 Table 4. Fuzzy numbers to determine the approximate amount of CO2 equivalents for the provision of rock wool per 1 building and per 50 years part 1 Fuzzy-Zahl

A

B

Gipfelwert

AB

C

200

0,12

24

111

linke Spannweite

10

0,02

5

89

rechte Spannweite

10

0,02

5

89

Zuordnung

positiv

positiv

m2

positiv

m3

positiv

m3

ungefähr

200 Außenwand pro 1 Bauwerk

0,12 Steinwolle pro 1 m2 Außenwand

Steinwolle 24 pro 1 Bauwerk

111 kg Steinwolle pro 1 m3 Steinwolle

Fuzzy-Zahl

(A  B)  C

D

((A  B)  C)  D

E

Gipfelwert

2664

2

5328

0,0008

linke Spannweite

2713

1

8090

0,00005

rechte Spannweite

2713

1

8090

0,00005

Zuordnung

nicht eindeutig

positiv

nicht eindeutig

positiv

ungefähr

2664 kg Steinwolle pro 1 Bauwerk

2-facher Bedarf pro 50 Jahre

5328 kg Steinwolle pro 1 Bauwerk und pro 50 Jahre

0,0008 kg CH4 pro 1kg Steinwolle

Fuzzy-Zahl

(((A  B)  C)  D)  E

F

((((A  B)  C)  D)  E)  F

Gipfelwert

4

11

47

linke Spannweite

7

7

104

rechte Spannweite

7

24

176

Zuordnung

nicht eindeutig

positiv

nicht eindeutig

ungefähr

4 kg CH4 pro 1 Bauwerk und pro 50 Jahre

11 kg CO2-Äqu. pro 1 kg CH4

47 kg CO2-Äqu. pro 1 Bauwerk und pro 50 Jahre

α

A

B

zur Behauptung „Fuzzy-Zahl A ist größer als Fuzzy-Zahl B“ berechnet werden. Für die Anzahl von Zugehörigkeitsgraden NOPL von p = 0 bis NOPL-1 werden die zugehörigen Konfidenzintervalle Ap und Bp (bzw. die Längen) verglichen und mit

α Ap>Bp = kg CO2-Äqu./(m2NGF · a) Bild 5. Vergleich der ungefähren Umweltwirkungen zweier Entwurfsvarianten A und B Fig. 5. Comparison of approximate environmental effects of two design variants A and B

Vergleich zweier Fuzzy-Zahlen wird in [18] eine neue Methode vorgestellt. Mit ihr soll der Wahrheitsgrad NOPL −1

α A >B =

α

Ap >Bp p= 0 NOPL −1

( )

( )

· Länge Ap · Länge Bp

( )

( )

Länge Ap · Länge Bp

p =1

(12)

a 2p − b1p

(13)

b2p − b1p + a 2p − a1p

der Grad ermittelt, dass Ap größer ist als Bp ist. Liegt die Spannweite der gewählten Entwurfsvariante über dem Grenzwert von 12 kg CO2-Äqu./(m2NGF · a) (Bild 6), besteht die Möglichkeit, diesen nach Errichtung des Bauwerks nicht einzuhalten. Erst nach der Entwurfsphase mit vorschreitendem Planungsprozess zum Bauwerk kann die Unschärfe der Daten reduziert werden. Sie verringert sich mit dem Informationszuwachs. Nach der Nutzungsphase in der Phase der Entsorgung ist ein Maximum an Informationen gegeben. Dennoch besteht weiter Unschärfe in der Form von Impräzision von gemessenen oder aus Expertenschätzungen stammenden Prozessdaten (s. Abschnitt 4). Für den Bedarf an Bauelementen im Lebenszyklus, welcher in Abhängigkeit zur technischen Lebensdauer steht, kann jedoch der Anspruch bestehen, eine scharfe Zahl anzusetzen. Eine Multiplikation von FuzzyZahlen mit einer scharfen Zahl λ∈ℜ ist mit den Formeln

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B. Ströbele · Modellierung von Unschärfe in Ökobilanzen von Bauwerken

Tabelle 5. Fuzzy-Zahlen zur Bestimmung der ungefähren Menge an kg CO2-Äquivalenten für die Bereitstellung von Steinwolle pro 1 Bauwerk und pro 50 Jahre Teil 2 Table 5. Fuzzy numbers to determine the approximate amount of CO2 equivalents for the provision of rock wool per 1 building and per 50 years part 2 Fuzzy-Zahl

A

B

Gipfelwert

AB

C

200

0,12

24

111

linke Spannweite

10

0,02

5

89

rechte Spannweite

10

0,02

5

89

Zuordnung

positiv

positiv

m2

positiv

m3

positiv

m3

ungefähr

200 Außenwand pro 1 Bauwerk

0,12 Steinwolle pro 1 m2 Außenwand

Steinwolle 24 pro 1 Bauwerk

111 kg Steinwolle pro 1 m3 Steinwolle

Fuzzy-Zahl

(A  B)  C

D

((A  B)  C)  D

E

Gipfelwert

2664

2

5328

0,0008

linke Spannweite

2250

1

4914

0,00005

rechte Spannweite

2250

1

4914

0,00005

Zuordnung

positiv

positiv

positiv

positiv

ungefähr

2664 kg Steinwolle pro 1 Bauwerk

2-facher Bedarf pro 50 Jahre

5328 kg Steinwolle pro 1 Bauwerk und pro 50 Jahre

0,0008 kg CH4 pro 1kg Steinwolle

Fuzzy-Zahl

(((A  B)  C)  D)  E

F

((((A  B)  C)  D)  E)  F

Gipfelwert

4

11

47

linke Spannweite

4

7

46

rechte Spannweite

4

24

51

positiv

positiv

positiv

ungefähr

4 kg CH4 pro 1 Bauwerk und pro 50 Jahre

11 kg CO2-Äqu. pro 1 kg CH4

47 kg CO2-Äqu. pro 1 Bauwerk und pro 50 Jahre

Reduzierung der Unschärfe vom Entwurf zur Ausführungsplanung des Bauwerks

Zuordnung

Bild 6. Reduzierung der Unschärfe mit steigendem Informationszuwachs Fig. 6. Reducing fuzziness with increasing information

36

(

)

= λm, λα, λβ

(

)

= λm, −λβ, −λα

λ  MLR = λ  m, α, β

LR

(

)

für λ > 0 (14)

LR

und

λ  MLR = λ  m, α, β

LR

(

)

LR

für λ < 0 (15)

möglich.

7 Zusammenfassung und Ausblick Um eine nachhaltige Entwicklung von Bauwerken zu verfolgen, müssen die Systeme zur Nachhaltigkeitsbewertung als Hilfsmittel in den Planungsprozess einbezogen werden. Wird eine für die ökologische Dimension notwendige Ökobilanz bereits in der Entwurfsphase eines Bauwerks erstellt, sind die Ergebnisse mit einer gewissen Unschärfe verbunden. Dies beruht auf einer impräzisen und/oder unsicheren Datengrundlage für die Sachbilanz und die Wirkungsabschätzung. Mathematisch kann eine solche Unschärfe durch Fuzzy-Zahlen modelliert werden. Es wird eine Spannweite zu den potentiellen Umweltwirkungen angegeben. Falls die Spannweite über dem Grenzwert liegt, besteht die Möglichkeit, die Forderungen der Bewertungssysteme nicht einzuhalten. Ein Informationszuwachs zu den Sachbilanzdaten zur Reduzierung der Unschärfe wird erforderlich.

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B. Ströbele · Modellierung von Unschärfe in Ökobilanzen von Bauwerken

Mit der Einbeziehung der Fuzzy-Set-Theorie in die Methode der Ökobilanz kann deren Glaubwürdigkeit erhöht werden und dem Bestreben, die Ökobilanz und allgemein die Systeme zur Nachhaltigkeitsbewertung in den Planungsprozess von Bauwerken einzubinden, förderlich sein. Die Voraussetzung liegt jedoch in der Auseinandersetzung mit den Problemen bei der Modellierung von Unschärfe mit Fuzzy-Sets. Zum einen in der Form alternativer Definitionen für die Multiplikation und zum anderen, dass die Unschärfe im Zuge der Berechnungen sehr stark zunehmen kann.

Danksagung In Bezug auf intensive Diskussionen und das gemeinsame strukturelle Aufbereiten möglicher Unsicherheiten im Lebenszyklus von Bauwerken gilt ein besonderer Dank an Herrn Prof. Dr. Thomas Lützkendorf. Für wertvolle Hinweise zur Fuzzy-Set-Theorie sei Herrn Dr. Benno Biewer gedankt. Literatur [1] Bundesministerium für Umweltschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB) [Hrsg.]: Leitfaden Nachhaltiges Bauen. 2014. URL: http://www.nachhaltigesbauen.de/fileadmin/pdf/ Leitfaden_ 2013/Leitfaden_Nachhaltiges_Bauen_300DPI_ 141117.pdf. [2] DIN EN ISO 14040:2009-11: Umweltmanagement – Ökobilanz – Grundsätze und Rahmenbedingungen. [3] DIN EN ISO 14044:2006-10: Umweltmanagement – Ökobilanz – Anforderungen und Anleitungen. [4] DIN EN 15804:2014-07: Nachhaltigkeit von Bauwerken – Umweltproduktdeklarationen –Grundregeln für die Produktkategorie Bauprodukte. [5] Nierobis, L.: Wärmedämmstoffe. 2003. URL: http://www. waermedaemmstoffe.com/htm/mineralwolle.htm. [6] Heijungs, R., Guinée, J. B., Huppes, G., Lankreijer, R. M., Udo de Haes, H. A., Wegener Sleeswijk, A., Ansems, A. M. M., Eggels, P. G.: Environmental Life Cycle Assessment of Products – Guide. Centrum voor Milieukunde. Leiden. 1992. [7] Kruse, R., Gebhardt, J., Klawonn, F.: Fuzzy-Systeme. Stuttgart: B. G. Teubner 1995.

[8] Ros, M.: Unsicherheit und Fuzziness in ökologischen Bewertungen – Orientierungen zu einer robusten Praxis der Ökobianzierung. Dissertation. ETH Zürich 1998, ETH Nr. 12726. [9] Hauke, W.: Fuzzy-Modelle in der Unternehmensplanung. Berlin Heidelberg: Springer 1998. [10] Klir, G. J., Harmanec, D.: On some bridges to possibility theory. In: De Cooman, G. et al. [Hrsg.]: Foundations and Applications of Possibility Theory. World Scientific Publishing Singapore. pp. 3–19. 1995. [11] Bushi, L.: Dynamische Ökobilanz nach ISO 14040ff. für eine umweltökonomische Bewertung von Produkten auf Basis der Fuzzy-Set-Theorie. Aachen: Shaker Verlag 2004. [12] Zadeh, L. A.: Fuzzy Sets. In: Yager, R. R. et al. [Hrsg.]: Fuzzy-Sets and Applications – Selected papers by Zadeh. New York: John Wiley & Sons, pp. 29–51. 1989. [13] Biewer, B.: Fuzzy-Methoden – Praxisrelevante Rechenmodelle und Fuzzy-Programmiersprachen. Berlin Heidelberg New York: Springer 1997. [14] Dubois, D., Prade, H.: Fuzzy Sets and Systems – Theory and Applications. In: Ames, W. F. [Hrsg.]: Mathematics in Science and Engineering Vol. 144. ACADEMIC PRESS, INC. San Diego New York Boston London Sydney Tokyo Toronto. S. iii–xvii, 1–393. 1980. [15] Böhme, G.: Fuzzy-Logik – Einführung in die algebraischen und logischen Grundlagen. Berlin Heidelberg: Springer 1993. [16] Internationales Institut für Nachhaltigkeitsanalysen und -strategien (IINAS) [Hrsg.]: Globales Emissions-Modell integrierter Systeme (GMEIS). 2015. URL: http://www.iinas.org/ gemis-de.html. [17] Bundesministerium für Umweltschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB) [Hrsg.]: Nutzungsdauern von Bauteilen. 2011. URL: http://www.nachhaltigesbauen.de/baustoff-undgebaeudedaten.html. [18] Dorohonceanu, B., Marin, B.: A Simple Method for Comparing Fuzzy Numbers. Citeseer. 2002. URL: http://citeseerx. ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.17.9044&rep=rep 1&type=pdf.

Autor dieses Beitrages: Dipl.-Ing. (FH) M.Eng. Benjamin Ströbele Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Lehrstuhl Ökonomie und Ökologie des Wohnungsbaus Kaiserstraße 12 76131 Karlsruhe

Aktuell Förderpreis des Deutschen Stahlbaues 2016 und DASt-Forschungspreis ausgelobt bauforumstahl e. V. lobt für Studierende wieder den alle zwei Jahre verliehenen Förderpreis des Deutschen Stahlbaues aus. Erstmals wird auch gemeinsam mit dem Deutschen Ausschuss für Stahlbau zusätzlich der DASt-Forschungspreis vergeben. Die Preise sind mit insgesamt 8.000 EURO dotierte. Einreichungstermin ist der 11. April 2016. Die Teilnahmeabsicht ist bis 21. März 2016 anzuzeigen. Der Förderpreis prämiert fortschrittliche und zukunftsweisende Lösungen

und Entwürfe mit Stahlkonstruktionen im Hoch- und Brückenbau, die seit 2013 an Hochschulen erarbeitet wurden. Der neue DASt-Forschungspreis legt einen verstärkten Fokus auf Forschungsbeiträge der Studierenden zum Bauen mit Stahl. Bewerben können sich Studierende der Architektur und des Bauingenieurwesens an deutschen Universitäten, Hoch- und Fachhochschulen sowie deutsche Staatsangehörige, die an einer ausländischen Einrichtung studieren. Die Wettbewerbsergebnisse werden veröffentlicht und online verbreitet sowie in einer Dokumentation zusammengestellt. Die besten Arbeiten sind außerdem gemeinsam mit den Wettbewerbs-

ergebnissen vom Preis und Ingenieurpreis des Deutschen Stahlbaues in einer Wanderausstellung zu sehen, die vor allem an Hochschulen gezeigt wird. Die Preisverleihung erfolgt auf dem Tag der Stahl.Architektur am 7. Oktober 2016 im Rahmen des Deutschen Stahlbautages in Würzburg.

Weitere Informationen: www.bauforumstahl.de/foerderpreis-desdeutschen-stahlbaues; E-Mail: sekretariat@bauforumstahl.de Tel. +49(0)211/6707-828/815

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Fachthemen Monika Hall Achim Geissler

DOI: 10.1002/bapi.201610003

Möglichkeiten und Grenzen von großen Nullenergiegebäuden Nullenergiegebäude haben üblicher Weise zwei bis vier Stockwerke. Daher interessiert die Frage, ob auch große Gebäude, d. h. Gebäude bis zu 40 Stockwerken, mit langgestrecktem bzw. quadratischem Grundriss genügend Fläche für Photovoltaik zur Verfügung stellen können, so dass eine Nullbilanz für die gesamte Gebäudetechnik (HWLK-Nullbilanz „Nullwärmeenergiegebäude“) oder den Gesamtenergiebedarf des Gebäudes (GEBNullbilanz „Nullenergiegebäude“) im Jahr erreicht werden kann. Auf der Grundlage von Simulationen anhand von vier Basismodellen, je zwei Mehrfamilienhäuser und Verwaltungsbauten, werden die Auswirkungen verschiedener Parameter auf die Nullbilanz analysiert. Ausgangspunkt ist jeweils eine sehr gute Gebäudehülle, eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung und die Klimastation Bern-Liebefeld, Schweiz (mittleres Klima). Die Hauptergebnisse können wie folgt zusammengefasst werden: – Die HWLK-Nullbilanz kann bis auf eine Ausnahme für alle Varianten bis zu 40 Stockwerken erreicht werden. – Um auch bei sehr gut gedämmten Gebäuden eine GEB-Nullbilanz zu erreichen, sind die vier wichtigsten Parameter – die Effizienz von Geräten und Beleuchtung, – die Art des Wärmeerzeugers, – die tatsächlich verfügbare PV-Fläche – sowie der effektive Systemwirkungsgrad der gesamten PV-Installation. Die untersuchten Varianten zeigen, dass schon heute große Mehrfamilienhäuser und Verwaltungsbauten trotz Verschattung nicht nur als Nullwärmeenergiegebäude bis zu 40 Stockwerken realisiert werden können, sondern sogar als Nullenergiegebäude. Dabei muss das Augenmerk bei der Planung auf einem geringen Bedarf für Geräte und Beleuchtung und einem hohen PV-Ertrag liegen. Dies gilt insbesondere für Verwaltungsbauten. The feasibility of large net zero energy buildings. A typical net zero energy buildings has two up to four stories. The question appears if large buildings of up to 40 levels could achieve a net zero balance for HVAC only and/or achieving net zero energy building status. The analysis is based on the simulation of two multifamily dwellings and two office buildings, one each with a square and a stretched footprint. The four basic models are well insulated, equipped with a mechanical ventilation system including heat recovery and allocated with the climate of Bern-Liebefeld (average climate). A wide range of parameters is investigated in regard to their impact on the zero energy balance. The main results can be summarized as follows: – The net zero balance for HVAC only can be achieved for up to 40 levels for all variants studied but one

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– The four main parameters in regard to achieving a net zero energy balance are – efficient electric devices and lighting, – the type of heating system, – the actually available area for PV and – the overall efficiency of the PV-system. The results show that a net zero balance can be achieved for large multifamily dwellings and office build-ings of up to 40 levels. To this end, however, electronic devices, lighting and PV systems with a very high efficiency are necessary. This is true particularly for office buildings.

1 Einführung 1.1 Hintergründe Standards, wie Minergie-A, Nullenergie- und Plusenergiegebäude, fordern für unterschiedliche Bilanzgrenzen eine Netto-Nulljahresbilanz. Für Einfamilienhäuser und kleine Mehrfamiliengebäude reicht in der Regel der Platz für eine entsprechend große Photovoltaikanlage auf dem Dach aus, um in der Jahresbetrachtung den Energiebedarf oder mehr durch den PV-Ertrag zu decken. Üblicherweise sind Gebäude mit einer Netto-Nulljahresbilanz ca. zwei bis vier Stockwerke hoch. Bei höheren Gebäuden wird das Verhältnis von Dachfläche zur Wohn-/Nutzfläche immer kleiner, so dass die Dachfläche nicht mehr ausreicht, um entsprechend große Anlagen zur Energiewandlung aus erneuerbaren Quellen (Photovoltaik/Solarthermie) zu installieren. In diesem Fall müssen Fassadenflächen mit einbezogen werden. Einige größere Gebäude wurden schon vollflächig mit Photovoltaikfassaden ausgestattet und können z. T. die Plusenergiebilanz (GEB-Nullbilanz: > 100 %) erreichen (Bilder 1 bis 3). Die Energieeffizienz der Geräte, der Dämmstandard, die Belegungsdichte, die Anzahl Geschosse, die nutzbare Fassaden-/Dachfläche, die Kompaktheit, die Ausrichtung und die Beschattungssituation sind wesentliche Parameter, die den Netto-Energiebedarf einerseits und den möglichen Ertrag aus erneuerbaren Quellen andererseits beeinflussen. In vorliegendem Beitrag werden Grenzen und Möglichkeiten sowie sinnvolle Kombinationen der genannten Parameter auf der Grundlage von Parameterstudien vorgestellt. Es wird dabei sowohl die Bilanzgrenze „Nullwärmeenergiegebäude“ (HWLK-Nullbilanz) als auch das „Nullenergiegebäude“ (GEB-Nullbilanz) betrachtet (Bild 4).

© Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Bauphysik 38 (2016), Heft 1

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M. Hall/A. Geissler · Möglichkeiten und Grenzen von großen Nullenergiegebäuden

Bild 1. Sanierte Mehrfamilienhäuser mit GEB-Nullbilanz (%); von links: in Chiasso (114 %), Romanshorn (107 %) und Zürich (Quellen: [1], [22]) Fig. 1. Retrofit of multi-family buildings with PV gain greater than total energy use (%); from left: in Chiasso (114 %), Romanshorn (107 %) und Zürich (Sources: [1], [22])

Bild 2. Neubau Aktiv-Stadthaus in Wien (GEB > 100 %), Sanierung des Verwaltungsbaus Flumroc, Flums (GEB 115 %), Anbau Bracher+Schaub AG, Ormalingen (GEB 96 %) (Quellen: ABG Frankfurt Holding, Solarpreis [1]) Fig. 2. New building Aktiv-Stadthaus in Wien (GEB > 100 %), Retrofit office building Flumroc, Flums (GEB 115 %), extension Bracher+Schaub AG, Ormalingen (GEB 96 %) (Sources: ABG Frankfurt Holding, Solarpreis [1])

Bild 3. Sanierung TU Wien, Campusgebäude am Getreidemarkt; Planung: Neubau Bürogebäude und Hotel Grosspeter Tower Basel; Planung: Neubau Amt für Umwelt und Energie Basel (Quellen: TU Wien, Burckhardt+Partner AG, Hochbauamt Basel) Fig. 3. Retrofit TU Vienna, Campusgebäude am Getreidemarkt; Design stage: new office building and hotel Grosspeter Tower Basel; Design stage: new office building Amt für Umwelt und Energie Basel (Sources: TU Vienna, Burckhardt+Partner AG, Building department Basel)

1.2 Methodik Zur Erarbeitung der Grenzen und Möglichkeiten werden verschiedene Gebäudegeometrien und -größen sowie unterschiedliche Parameterkombinationen herangezogen. Die Parameterstudie wird für die Typen Mehrfamilienhaus und Verwaltungsbau an je zwei typischen Basismodellen durchgeführt (Bild 5): – Variante 1: langgestrecktes Mehrfamilienhaus mit sechs Wohnungen pro Stockwerk

– Variante 2: quadratisches Mehrfamilienhaus mit vier Wohnungen pro Stockwerk – Variante 3: langgestreckter Verwaltungsbau – Variante 4: quadratischer Verwaltungsbau Bei diesen vier Basisvarianten (fett) werden folgende Parameter variiert: – Klimastation (Bern, Davos, Lugano) – Heizwärmebedarf (60 % (Minergie-P) bzw. 110 % der Neubauanforderung bei 4 Stockwerken)

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M. Hall/A. Geissler · Möglichkeiten und Grenzen von großen Nullenergiegebäuden

Bild 4. Umfang von verschiedenen Nullenergiestandards Fig. 4. Scope of different net zero energy building standards

– Wärmeerzeuger (Gasfeuerung, Fernwärme, ErdsondenWärmepumpe) – Verteil- und Speicherverluste von Heizung/Warmwasser (10 %/40 %, 50 %/60 %) – Energiebedarf für Geräte und Beleuchtung (hoher/ niedriger Bedarf) – Abstand und Höhe der Nachbargebäude (nah/mittel/ fern, hoch/tief) – Ausrichtung des Gebäudes (nur langgestreckte Gebäude: Süd/Nord, Ost/West) – Eigenverschattung durch 2 m tiefe, vorgelagerte Balkone (nur Wohnen) – Größe der nutzbaren PV-Flächen (nur Wohnen, Südfassade: komplett, nur Brüstung) und – Systemwirkungsgrad der Photovoltaikanlage (14 %, 22 %). Es wird davon ausgegangen, dass immer die gesamten möglichen Flächen auf dem Dach und den opaken Bereichen der Fassaden mit PV-Modulen belegt sind. Abkürzungen HWLK Heizung, Warmwasser, Lüftung und Klimatisierung (Der Begriff HWLK wird verwendet, auch wenn in vorliegender Untersuchung die Klimatisierung nicht berücksichtigt wird) HWLKDie Jahressumme des PV-Ertrags muss höher Nullbilanz sein als der Jahresbedarf für HWLK GEB Gesamtenergiebedarf: HWLK, Haushaltsstrom, Geräte, Beleuchtung, Lift GEBDie Jahressumme des PV-Ertrags muss höher Nullbilanz sein als der Jahresbedarf für GEB HB hoher Gesamtenergiebedarf: Wohnen – Effizienzklasse C [2] für Haushaltsstrom, Lift und Lüftungsanlage, Belegungsdichte 2.23 Verwaltung – Geräte, Beleuchtung (nach [3] Einzel-/Gruppenbüro) TB tiefer Gesamtenergiebedarf: Wohnen – Effizienzklasse A [2] für Haushaltsstrom, Lift und Lüftungsanlage, Belegungsdichte 1.78 Verwaltung – Geräte, Beleuchtung (nach [3] Einzel-/Gruppenbüro)

40

Bild 5. Schematische Darstellung der Fassadenansichten der vier betrachteten Varianten Fig. 5. Façade layout for the four basic building variants

fCH ECH Ehwlk

EE HH/HS ηPV EBF

Schweizer nationale Gewichtungsfaktoren der Energieträger (Erdgas 1, Fernwärme 0.6, Strom 2 [4]) Energieträger mit Schweizer nationalen Gewichtungsfaktoren gewichtet Grenzwert des gewichteten Endenergiebedarfs für HWLK nach MuKEn [5], gewichtet mit Schweizer nationalen Gewichtungsfaktoren, Wohnen: Ehwlk = 35 kWhECH/(m2 a) Endenergiebedarf Haushalt, Haushaltsstrom Systemwirkungsgrad der Photovoltaikanlage: Module und Verluste (PV-Systemwirkungsgrad) Energiebezugsfläche: beheizte/gekühlte Fläche inkl. Konstruktionsflächen

2 Randbedingungen 2.1 Gebäudedaten Alle Gebäude haben einen rechteckigen Grundriss und weisen ein Flachdach auf. In Tabellen 1 und 2 sind die Basisdaten für die Geometrie sowie die energetischen Eigenschaften der Bauteile zusammengestellt. Die energetischen Daten sind so gewählt, dass die verschatteten vierstöckigen Basisvarianten der langestreckten Gebäude (V1, V3) die Primäranforderungen des Minergie-P-Standards, d. h. 60 % der Neubauanforderung an den normativen Heizwärmebedarf, erfüllen. Die quadratischen Gebäude (V2, V4) weisen einen etwas geringeren Heizwärmebedarf auf. Es wird davon ausgegangen, dass die Fassade des Verwaltungsbaus nicht raumhoch verglast ist, sondern ein

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M. Hall/A. Geissler · Möglichkeiten und Grenzen von großen Nullenergiegebäuden

Tabelle 1. Daten der Gebäudegeometrie für die Varianten 1 bis 4 Table 1. Geometry data for all variants V1 to V4 Parameter

MFH (V1/V2)

Verwaltung (V3/V4)

Gebäudetiefe [m]

11,5/21,8

11,5/21,8

Gebäudebreite [m]

63,7/21,8

63,7/21,8

Etagenhöhe [m]

2,85

3,3

Netto-Wohnungsfläche [m2]

87

Anzahl Wohnungen pro Geschoss

6/4

Betrachtete Anzahl Geschosse

2 … 40

2 … 40

Energiebezugsfläche pro Geschoss [m2]

684/441

732/473

Fensteranteil N [%]

21/24

58

Fensteranteil S [%]

35/24

58

Fensteranteil O/W [%]

7/24

58

Standardfenster [m2]

1,6 × 1,3

Fensterband

Anzahl pro Etage

O/W: je 1/4

N: 18/4

S: 12/4

3 × 2,1

S: 6 / N/S/O/W: je 1

Balkontüren

[m2]

Anzahl pro Etage

Tabelle 2. Energetische Daten der Basisvarianten und die zusätzlich untersuchte Variante „Heizwärme 110 %“ Table 2. Energy data for basis variations and an additional lower insulation level as a variation Parameter

Basis

Variante „Heizwärme 110 %“

Uopakt [W/(m2 K)]

0,20*

0,48**

UFenster [W/(m2 K)]

0,90

1,4

g-Wert [–]

0,50

0,60

Glasanteil Fenster [–]

0,80

Reduktionsfaktor für EG zu unbeheizten Kellergeschoss [–]

0,73

Bauweise

massiv

** U-Wert = 0,15 W/(m2 K) + 30 % Wärmebrücke ** U-Wert = 0,40 W/(m2 K) + 20 % Wärmebrücke

durchgängiges Fensterband und einen Brüstungsbereich aufweist (V3, V4 in Bild 5). Damit können PV-Module im Bereich der Fensterbrüstung/Geschossdecke platziert werden. Dieser Bereich ist 1,4 m hoch und geht pro Stockwerk über den vollen Umfang des Gebäudes. Bei einer üblichen Geschosshöhe von 3,3 m ist das Fensterband damit 1,9 m hoch, dies entspricht einem Fensterflächenanteil der Fassade von knapp 58 %. Viele Verwaltungsbauten sind höher verglast. Es ist jedoch klar, dass ein hohes Gebäude mit einer geschosshohen Verglasung ohne Einbezug anderer Maßnahmen nicht genügend Fläche für PV zur Verfügung stellen kann, um eine Nullbilanz zu erzielen. Aus diesem Grund wird eine Fassade mit Brüstung und Fensterbändern gewählt.

2.2 Klimadaten Die Auswertungen basieren hauptsächlich auf den Daten der Klimastation Bern-Liebefeld – kurz „Bern“ (mittleres Klima, mittlere Einstrahlung). Einzelne Ergebnisse werden vergleichend für die Klimastationen Lugano (warmes Klima, mittlere Einstrahlung) und Davos (kaltes Klima, hohe Einstrahlung mit Berücksichtigung des Horizonts) dargestellt. Für die Berechnung des Heizwärmebedarfs nach SIA 380/1:2009 beruhen die Klimadaten auf dem Merkblatt SIA 2028 [6]. Die Strahlungsdaten zur Berechnung des PV-Ertrags werden aus dem Programm Meteonorm 6.1, mit der Einstellung „Standard“, entnommen.

2.3 Bedarf Berechnungsgrundlage Die Berechnung des Heizwärmebedarfs erfolgt nach SIA 380/1:2009. Für den Warmwasserbedarf werden die Standardwerte aus SIA 380/1:2009 verwendet: Mehrfamilienhaus: 75 MJ/(m2 a), Verwaltung 25 MJ/(m2 a). Tabelle 3 zeigt die verwendeten Nutzungsgrade und Jahresarbeitszahlen der Wärmeerzeuger. Für die Verteilung und Speicherung werden folgende Verluste angenommen: Heizung: 10 %, Warmwasser 40 % [7]. Wohnen Die Komfortlüftung wird bei der Berechnung des Heizwärmebedarfs durch den reduzierten flächenbezogene Außenluftvolumenstrom von 0,3 m3/(m2 h) berücksichtigt. Die Modellierung der Wohnungsgröße und -belegung beruht auf Schweizer Durchschnittswerten. Die durchschnittliche Netto-Wohnfläche wird auf 87 m2 für die Mehrfamilienhäuser festgelegt [2], [8]. Dazu wird ein Anteil des Treppenhauses addiert. Mit diesen Annahmen betragen die Brutto-Flächen je Wohnung inklusive Anteil Treppenhaus/ Tabelle 3. Nutzungsgrad/JAZ Table 3. Efficiency of heating systems Wärmeerzeuger

Nutzungsgrad/JAZ HZ

WW

Gasfeuerung, kondensierend*

0,95

0,92

Fernwärme (CH-Durchschnitt) [7]

0,98

1,0

Wärmepumpe, Erdwärme [7]

4,3

2,8

* Minergie: NachweisVers2015P.xlsx, gültig bis 31. 12. 2015

Tabelle 4. Hoher und niedriger Bedarf für Haushaltsstrom, Lift und Lüftung pro Energiebezugsfläche Table 4. High and low electricity demand for dwellings, lift and mechanical ventilation per heated floor area Langgest. MFH [kWh/(m2 a)] Bedarf

Quadrat. MFH [kWh/(m2 a)]

niedrig

hoch

niedrig

hoch

Strom pro HH

15,3

24,5

15,8

25,3

Lift

0,35

0,88

0,36

0,90

Lüftung

2,2

3,1

2,3

3,4

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Lift 114 m2 (V1) bzw. 110 m2 (V2). Diese Flächen bilden die Grundlage zur Berechnung der Energiebezugsfläche (Faktor 1.2). Es werden zwei Wohnungsbelegungen betrachtet: als durchschnittliche Wohnungsbelegung in der Schweiz im Jahr 2005 der Wert 2.23 und für das Jahr 2030 eine städtische Belegungsdichte von 1.78 [9]. Der Stromverbrauch pro Haushalt wird nach [2] bestimmt. Es werden die Effizienzklasse C mit der Belegungsdichte 2.23 (HB) als höchster Wert sowie die Effizienzklasse A mit der Belegungsdichte 1.78 (TB) als geringster Wert für den Haushaltsstrom verwendet. Der Bedarf für Lift und Lüftung wird entsprechend der verwendeten Effizienzklasse übernommen. In Tabelle 4 sind die resultierenden Zahlenwerte gegeben. Diese entsprechen einem Haushaltsstrombedarf inkl. Lift pro Wohnung von 2886 kWh/a bzw. 1782 kWh/a. Diese Werte liegen in einem Bereich, wie sie in der Literatur zu finden sind [3], [10], [11], [12]. Verwaltung Der minimale und maximale Strombedarf für Geräte und Beleuchtung wird nach Merkblatt SIA 2024 [3] „Einzel-, Gruppenbüro“ bestimmt (Tabelle 5). Diese Werte entsprechen in etwa den Werten aus der Literatur [13], [14]. PV-Ertrag Ausgehend von einem heutigen Modulwirkungsgrad von 18 % bzw. einem zukünftig möglichen von 28 %, werden PV-Gesamtsystemwirkungsgrade von 14 % bzw. 22 % betrachtet. Es wird davon ausgegangen, dass in der Fassade die gesamte Fläche genutzt wird, die abzüglich der Fensterflächen und einem konstruktiv nicht nutzbaren Anteil von 8 % zur Verfügung steht. Die Fassade wird ab dem ersten Stockwerk mit PV belegt. Es wird angenommen, dass sich das unbeheizte Kellergeschoss mit Eingangsbereich halb im Erdreich befindet und die Gebäude damit kein eigentliches Erdgeschoss aufweisen. Auf dem Dach wird die PVAnlage mit einer Neigung von 10° in Ost- und Westrichtung aufgeständert. Diese Anordnung ergibt einen höheren Ertrag als eine südliche Aufständerung mit einem Neigungsgrad von 30° [15]. Verschattung durch Nachbargebäude Für die Verschattung wird angenommen, dass das betrachtete Gebäude in alle vier Himmelsrichtungen von Nachbargebäuden umgeben ist. Die Anzahl von sechs Stockwerken für die Nachbargebäude wird gewählt, weil dies typisch ist für Mehrfamilienhäuser und Verwaltungsbauten.

Bild 6. Verschattungssituation für die Basisvariante, Abstände und Lage der Nachbargebäude zum betrachteten Gebäude (links V1, V3, rechts V2, V4) Fig. 6. Shading situation for basis variants, distance and location of neighboring buildings (left V1, V3, right V2, V4)

– Variante 1 und 3: 6 Stockwerke – Variante 2 und 4: 6 (langgestrecktes Geb.) und 10 (quadratisches Geb.) Stockwerke Die gewählten Abstände der Basisvarianten 1 und 3 bzw. 2 und 4 sind in Bild 6 dargestellt. Verschattungsfaktoren Die Höhe und der Abstand der Nachbargebäude spiegeln sich in den Verschattungsfaktoren für die Horizontverschattung wider. Die Faktoren werden pro Stockwerk, pro Fassade und für das Dach mit ESP-r [16] bestimmt und bei der Bestimmung des Heizwärmebedarfs (solare Gewinne) und für den PV-Ertrag verwendet. Die Auswirkung durch unterschiedliche Abstände der Nachbargebäude auf den PV-Ertrag für Variante 1 ist in Bild 7 dargestellt. Die erste Zahl gibt den Abstand der Gebäude vor Kopf (Ost/West) und die zweite Zahl den Abstand der Gebäude, die parallel stehen (Nord/Süd) an. Je höher das betrachtete Gebäude und je größer die Abstände zu den Nachbargebäuden werden, desto geringer ist erwartungsgemäß der Einfluss der Verschattung von niedrigeren Nachbargebäuden. Der Einfluss auf den PV-Ertrag durch die Verschattung, die sich durch unterschiedlich hohe Nachbargebäude der Variante 2 ergibt, ist in Bild 8 dargestellt. Es werden die Höhen der quadratischen Nachbargebäude variiert, da Hochhäuser oft aus einem Ensemble aus drei Gebäuden bestehen. Der Sprung in der Verschattung zwischen dem

Tabelle 5. Strombedarf für Verwaltungsbauten; Werte für Einzel- und Gruppenbüro aus [3] Table 5. Electricity demand of office buildings; data for single and open offices [3] Strombedarf [kWh/(m2 a)] niedrig

hoch

Beleuchtung

7

24

Betriebseinrichtungen

5

25

Lüftung (ohne Klimatisierung)

1

3

Total

13

52

42

Bild 7. Variante 1: Verhältnis des PV-Ertrags verschattet/unverschattet durch Nachbargebäude in Abhängigkeit von der Anzahl der Stockwerke und dem Abstand der Nachbargebäude Fig. 7. Variation 1: ratio of shaded/unshaded PV generation depending on the number of levels for different distances of the neighboring buildings

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3.2 Parameterstudie

Bild 8. Verhältnis des PV-Ertrags verschattet zu unverschattet für Variante 2; die Höhe der quadratischen Nachbargebäude wird variiert Fig. 8. Variation 2: ratio of shaded/unshaded PV generation depending on the height of the square neighboring buildings

6. und 7. Stockwerk ist mit dem Wegfall der Verschattung der 6-stöckigen Nachbargebäude zu erklären. Bilanzierung Es werden die HWLK- und die GEB-Nullbilanz untersucht. Alle Auswertungen basieren auf einer Gewichtung mit den Schweizer nationalen Gewichtungsfaktoren fCH. Für den Elektrizitätsbedarf und den PV-Ertrag wird derselbe Strom-Gewichtungsfaktor verwendet (symmetrische Faktoren). Die Ergebnisse werden auf die Energiebezugsfläche bezogen. Zur Information sind bei den Varianten jeweils die Grenzwerte des gewichteten Energiebedarfs nach MuKEn 2014 dargestellt [5].

3 Auswertung 3.1 PV-Ertrag Die Anteile des PV-Ertrags von Dach und Fassade am gesamten PV-Ertrag für alle 4 Varianten ist in Bild 9 abgebildet. Deutlich ist zu erkennen, wie der PV-Ertragsanteil vom Dach mit zunehmender Anzahl an Stockwerken stark abnimmt. Dabei ist der Verlauf hauptsächlich von der Fläche abhängig, die an den Fassaden für PV zur Verfügung steht. Die Form des Gebäudes spielt eine untergeordnete Rolle. Während bei dem Mehrfamilienhaus ca. 57 % der Fassade für PV genutzt werden kann, sind es bei der Verwaltung nur rund 42 %. Damit ist bei dem Verwaltungsbau der Anteil des PV-Ertrags vom Dach am Gesamtertrag höher, als bei dem Mehrfamilienhaus.

Die Basisvariante für alle Varianten weist folgende Merkmale auf: – Systemwirkungsgrad der PV-Anlage von 14 %, – Klimastation Bern-Liebefeld, – Orientierung der Hauptfassade nach Süden (V1, V3), – Verteil- und Speicherverluste von Heizung/Warmwasser 10 %/40 %, – Heizwärmebedarf erreicht den Minergie-P-Standard (60 % Neubauanforderung) bei 4 Stockwerken. Für die Varianten wird immer ein Parameter gegenüber der Basisvariante geändert. Die einzelnen Varianten sind in Tabelle 6 beschrieben. In diesem Beitrag wird an einem Beispiel gezeigt, wie sich die Parameter auswirken. Alle weiteren Resultate können [17] entnommen werden. Welche Flächen mit welchem Anteil PV-Module belegt werden müssen, um die verschiedenen Nullbilanzen zu erreichen, zeigt Bild 10 für Variante 1. Je nach Anzahl Stockwerke, Wärmeerzeuger und Effizienz werden unterschiedliche PV-Flächen zur Erreichung der Nullbilanz benötigt. Diese können unterschiedlich kombiniert werden. Bild 10 zeigt mögliche Kombinationen. Beispiel: Ein Gebäude in Bern mit 10 Stockwerken, ηPV = 14 % und einer Gasfeuerung kann für einen hohen Strombedarf die HWLK-Nullbilanz erreichen (schwarze, durchgezogene Tabelle 6. Zusammenfassung aller Varianten Table 6. Summary of all variants Variante 1

2

3

4

„Basisvariante“

1a

2a

3a

4a

„ηPV = 0,22“

1b

2b

3b

4b

Klima „Lugano“

3c

4c

1c

2c

1d

2d

1e

2e

1f

3d

4d

3f

Heizwärmebedarf „Heizwärme 110 %“, Tabelle 1 Ausrichtung der Hauptfassade nach Ost

3e 2h

Klima „Davos“ „Brüstung Süd“ PV nur im Brüstungsbereich an Südfassade (V1), bzw. PV nur im Brüstungsbereich auf allen Fassaden (V2), (1 m hoch)

3e

1g 1h

Ausrichtung der Hauptfassade nach West 4e

„Verteilverluste“ Heizung 50 %, Warmwasser 60 %

1i

3g

„Nachbar nah“ 15/15 m

1j

3h

„Nachbar fern“ 30/46 m

1k

Bild 9. Anteile des PV-Ertrags von Dach und Fassade am gesamten PV-Ertrag für alle 4 Varianten Fig. 9. Share of roof PV generation to total generation for all variants

Kurzbegriff

2i

2 m tiefer vorgesetzter „Balkon“

2f

„15 St“ Nachbar 15 Stockwerke hoch

2g

„20 St“ Nachbar 20 Stockwerke hoch

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Die Pfeile zeigen jeweils die maximale Anzahl an Stockwerken an, für die eine GEB-Nullbilanz erreicht werden kann. Mit Fernwärme bzw. Wärmepumpe kann die GEB-Bilanz bei einem hohen Bedarf noch mit 15 bzw. neun Stockwerken erreicht werden. Der Grenzwert für die gewichtete HWLK-Endenergie nach MuKEn 2014 wird mit einer Gasfeuerung nicht eingehalten (gestrichelte schwarze „TB, HWLK“-Linie liegt über der roten Linie), jedoch mit Fernwärme und einer Wärmepumpe ab ca. 4 Stockwerken. Wird der Systemwirkungsgrad der PV-Anlage von 14 % auf 22 % erhöht, ist bei gleichem HWLK-Bedarf mit einem höheren Haushaltsstrom die GEB-Nullbilanz erreichbar. Den Zusammenhang zeigt Bild 11. Grundsätzlich kann bei sechs Stockwerken der Bedarf für Haushaltsstrom inkl. Lift etwas höher sein als bei 40 Stockwerken. Dies liegt am Anteil des PV-Ertrags vom Dach zum Gesamtertrag, der mit zunehmender Anzahl an Stockwerken immer geringer wird. Überblick über die Varianten In Bild 12 ist die mögliche Anzahl der Stockwerke mit einer GEB-Nullbilanz für alle betrachteten Parameter der

Bild 10. Variante 1 „Basisvariante“: gewichtete Endenergie von Bedarf und PV-Ertrag unter Berücksichtigung der Verschattung in Abhängigkeit von der Anzahl der Stockwerke Fig. 10. Variation 1 “basis variation”: weighted final energy for energy load and PV generation with shading de-pending on the number of floors

Linie, „HB, HWLK“), wenn das komplette Dach und die komplette Südfassade mit PV belegt sind (roter Kreis). Eine GEB-Nullbilanz kann bei einem niedrigen Haushaltsstrombedarf von 16 kWhEE/(m2 a) (TB, GEB, hellgrau gestrichelt) erreicht werden, wenn neben Dach, Süd-, Nord und Ostfassade noch ein Teil der Westfassade für PV genutzt wird (blauer Kreis). Mit einem hohen Haushaltsstrombedarf (25 kWhEE/(m2 a) kann keine GEB-Nullbilanz erreicht werden (durchgezogene graue Linie liegt oberhalb des insgesamt möglichen PV-Ertrags).

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Bild 11. Zusammenhang zwischen dem Bedarf für Haushaltsstrom/Lift und dem Systemwirkungsgrad der PV-Anlage, um die GEB-Nullbilanz für Variante 1 inkl. Verschattung zu erreichen (oben/unten: 6/40 Stockwerke, HWLK Bedarf für Gas/FW/WP: 50/46/17 kWhEE/(m2 a), 6 Stockwerke bzw. 45/42/17 kWhEE/(m2 a), 40 St.) Fig. 11. Context of energy load for lighting, devices and lifts for GEB-zero balance of variation 1 (top/bottom 6/40 floors, HAVC load for gas/distric heating/heat pump: 50/46/17 kWhEE/(m2 a), 6 floors or 45/42/17 kWhEE/(m2 a), 40 floors)

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M. Hall/A. Geissler · Möglichkeiten und Grenzen von großen Nullenergiegebäuden Gasfeuerung

GEB-Bilanz, niedriger Bedarf

GEB-Bilanz, hoher Bedarf

– Mit einer Gasfeuerung ist eine GEB-Nullbilanz für mehrere Paramter nicht bis 40 Stockwerke zu erreichen. – Ist der Gesamtenergiebedarf hoch, ist die GEB-Nullbilanz für Gebäude mit 40 Stockwerken für alle Wärmeerzeuger nur mit einem Systemwirkungsgrad der PVAnlage von 22 % und für den Standort Davos möglich. Für Fernwärme sind 40 Stockwerke auch in Lugano bzw. mit Ost/West-Ausrichtung möglich. Variante 2 zeigt recht ähnliche Resultate (s. [17]). Insgesamt zeigt Variante 1 jedoch ein leicht höheres Potential für eine GEB-Nullbilanz als Variante 2. Das größere Verhältnis von Fassadenfläche zu Energiebezugsfläche von Variante 1 macht dies möglich. Bei beiden Varianten schneidet die Fernwärme am besten ab. Dies liegt hauptsächlich an der geringen Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe für Warmwasser. Dadurch ist der HWLK-Endenergiebedarf für die Wärmepumpe im Mittel um 10 % höher als bei Fernwärme. Obwohl die Differenz nicht groß ist, führt die mit zunehmender Anzahl an Stockwerken abflachende PV-Ertragskurve dazu, dass die GEB-Nullbilanz mit einer Wärmepumpe gerade nicht mehr möglich ist. Für Variante 3 zeigt Bild 13 eine Zusammenfassung der Resultate. Die HWLK-Bilanz ist wiederum nicht dargeGasfeuerung

GEB-Bilanz, mittlerer Bedarf

GEB-Bilanz, hoher Bedarf

Bild 12. Anzahl Stockwerke, für die eine GEB-Nullbilanz erreicht werden kann; dargestellt sind die Ergebnisse für langgestreckte Mehrfamilienhäuser (Variante 1). Die Bilanzen sind mit nationalen Gewichtungsfaktoren bewertet (niedriger/hoher (HS+Lift) Bedarf: 16/25 kWhEE/(m2 a)) Fig. 12. Number of floors for which a GEB zero balance can be achieved for multifamily dwellings (Variant 1). Balances are weighted with Swiss national weighting factors (low/ high load for domestic electricity/lift 16/25 kWhEE/(m2 a))

Variante 1 zusammengefasst. Die HWLK-Bilanz wird nicht dargestellt, da sie für alle Varianten bis zu 40 Stockwerken erreicht wird. Hierzu ist in vielen Fällen nur die Belegung des Dachs und der Südfassade mit PV notwendig. Folgende Aussagen für langgestreckte Mehrfamilienhäuser können Bild 12 entnommen werden: – Hat das Gebäude einen tiefen Gesamtenergiebedarf, kann bei den meisten Varianten die GEB-Nullbilanz mit bis zu 40 Stockwerken erreicht werden. – Ist die Südfassade nur teilweise für PV nutzbar (Variante „Brüstung Süd“), ist die GEB-Nullbilanz auch mit niedrigem Bedarf für keinen Wärmeerzeuger bis 40 Stockwerke möglich.

Bild 13. Anzahl Stockwerke, für die eine GEB-Nullbilanz erreicht werden kann; dargestellt sind die Ergebnisse für langgestreckte Verwaltungsbauten (Variante 3, mittlerer/hoher (Strom-)Bedarf: 30/49 kWhEE/(m2 a)) Fig. 13. Number of floors for which a GEB zero balance can be achieved for office buildings (variant 2, mid/high load for lighting and devices: 30/49 kWhEE/(m2 a))

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stellt, da sie auch hier in allen Fällen bis zu 40 Stockwerke erreicht wird. Auch die GEB-Bilanz mit niedrigem Gesamtenergiebedarf wird nicht dargestellt. Sie kann bis auf die Varianten „Heizwärme 110 %“ und „Verteilverluste“ mit einer Gasfeuerung für alle Varianten mit 40 Stockwerken erzielt werden. Um den Einfluss der Parameter zu verdeutlichen, wird anstatt des niedrigen ein mittlerer Gesamtenergiebedarf von 30 kWhEE/(m2 a) für Geräte/Beleuchtung und 2 kWhEE/(m2 a) für die Lüftung abgebildet. Folgende Aussagen für langgestreckte Verwaltungsbauten können Bild 13 entnommen werden: – Die GEB-Nullbilanz kann mit mittlerem Gesamtenergiebedarf für alle Varianten nur mit einem PV-Systemwirkungsgrad von 22 % bis 40 Stockwerke erreicht werden. – Ohne Verschattung durch umliegende Gebäude ist die GEB-Nullbilanz mit Fernwärme und Wärmepumpe auch für den Standort Davos bis 40 Stockwerke möglich. – Bei allen anderen Parametern reduziert sich die Anzahl der Stockwerke, für die mit mittlerem Bedarf eine GEBNullbilanz möglich ist, deutlich. – Bei einem hohen Gesamtenergiebedarf ist die GEBNullbilanz nicht oder nur für sehr wenige Stockwerke möglich. Variante 4 zeigt ähnliche Ergebnisse wie Variante 3 (s. [17]). Aus den erzielten Resultaten kann der relative Einfluss der betrachteten Parameter auf die Erreichbarkeit von GEB-Nullbilanzen abgeleitet und wie folgt zusammengefasst werden: hoch – Energieeffizienz von Geräten und Beleuchtung – Wärmeerzeuger – Heizwärmebedarf – Solarstrahlung am Standort – Größe und Systemwirkungsgrad der PV-Anlage – Verteil- und Speicherverluste für Heizung/Warmwasser mittel – Außentemperatur – Verschattung durch Nachbargebäude nah/fern – Verschattung durch Nachbargebäude hoch/niedrig niedrig – Ost-West-Ausrichtung (langgestreckter) Gebäude statt Süd-Nord – vorgelagerte Balkone – Grundriss der Gebäude Damit ergeben sich folgende Prioritäten bei der Planung mit dem Ziel, eine GEB-Nullbilanz mit einer PV-Anlage zu erreichen: 1. Priorität – niedriger Heizwärmebedarf – tiefer Bedarf von Haushaltsstrom/Lift – Wärmeerzeuger: Fernwärme oder Wärmepumpe – große PV-Flächen an allen Fassaden mit einem hohen PV-Systemwirkungsgrad – niedrige Verteil- und Speicherverluste für Heizung und Warmwasser 2. Priorität – Verschattung durch Nachbargebäude minimieren (meist nicht oder kaum beeinflussbar) – Vermeidung von vorgelagerten Balkonen

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– Ost-West-Ausrichtung für langgestreckte Gebäude gegenüber Süd-Nord Ausrichtung bevorzugen, falls möglich.

4 Praxisbeispiele Drei modernisierte Mehrfamilienhäuser in Zürich (17 Stockwerke), Romanshorn (6 Stockwerke) und Chiasso (8 Stockwerke) mit PV-Fassade werden mit den untersuchten Varianten verglichen. Die Mehrfamilienhäuser in Romanshorn und Chiasso verfügen neben der fassadenintegrierten PVAnlage zusätzlich über eine PV-Anlage sowie thermische Solarkollektoren auf dem Dach. Bild 14 zeigt den PV-Ertrag bzw. die PV-Fläche bezogen auf die Energiebezugsfläche für die vier untersuchten Basisvarianten und die drei Beispielgebäude. Die drei Beispielgebäude entsprechen in etwa dem Grundriss von Variante 2 (MFH, quadr., rote Linie). Der PV-Ertrag pro PV-Fläche ist bei dem MFH Zürich um 67 % geringer als beim MFH Romanshorn und um 33 % geringer als bei dem MFH in Chiasso. Hinsichtlich des Strahlungsangebotes sind alle drei Standorte sehr ähnlich, wobei die Strahlungswerte in Chiasso auf senkrechte Flächen ca. 10 % höher sind als in Romanshorn und Zürich. Die Verschattung der Gebäude durch umliegende Nachbargebäude ist nicht bekannt und schwer abzuschätzen. Aufgrund der Lage scheint aber für das MFH Chiasso die Verschattung gegenüber MFH Romanshorn und MFH Zürich am größten zu sein.

Bild 14. PV-Ertrag bzw. PV-Fläche pro Energiebezugsfläche; Vergleich der vier Varianten und der drei Beispielgebäude Fig. 14. PV generation and area per heated floor area; comparison of the four variants and the three example buildings

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Obwohl bei dem MFH Zürich fast die komplette Fassade ab dem 1. Obergeschoss mit PV-Modulen belegt ist, könnten noch mehr Flächen genutzt werden: die Balkonbrüstungen und das Dach. Zusätzlich ist die Fassadenfläche nicht komplett genutzt, da die Abstände zwischen den Modulen recht groß sind. Im Verhältnis zu den anderen beiden Gebäuden ist der PV-Ertrag bezogen auf die Energiebezugsfläche deutlich geringer. Es werden Solarmodule vom Typ Sharp NA-F128 (G5) mit einem Modulwirkungsgrad von 9 % verwendet [18], [19]. Der Gesamtenergiebedarf beträgt 61 kWhEE/(m2 a) [20]. Das MFH Zürich mit Pelletfeuerung kann am ehesten mit der Basisvariante 2 „Klimastation Bern, Gasfeuerung, 17 Stockwerke, verschattet und einem niedrigen Gesamtenergiebedarf“ verglichen werden. Zu berücksichtigen sind der Modulwirkungsgrad, der nur halb so hoch ist wie bei der Basisvariante, und die geringere Flächenbelegung mit PV als bei der Basisvariante. Der Fensteranteil bei dem realen Gebäude in Zürich erscheint etwas höher als bei der Basisvariante. Werden diese Randbedingungen berücksichtigt, ist die große Differenz des PV-Ertrags von Zürich und der Basisvariante 2 zu erklären (Bild 15). Das MFH Romanshorn hat einen L-förmigen Grundriss und ist an den beiden Stirnseiten an Nachbargebäude angebaut. Nur die der Straße zugewandte Süd- bzw. Westfassade sind ab dem ersten Obergeschoss mit PV belegt. Weitere PV-Module befinden sich an den Balkonbrüstungen und auf dem Dach. Auf dem Dach sind zusätzlich thermische Solarkollektoren montiert. An der Fassade wäre zwischen den Fenstern noch Platz für weitere PV-Module. Diese Flächen zu nutzen ist jedoch infolge des sehr niedrigen Gesamtenergiebedarfs des Gebäudes von 36 kWhEE/ (m2 a) [1] nicht notwendig, um die GEB-Nullbilanz zu erreichen. Es werden PV-Module mit einem Wirkungsgrad von 18 % verwendet. Das MFH Romanshorn ist grob mit der Basisvariante 2 „Klimastation Bern, Wärmepumpe, sechs Stockwerke und einem niedrigen Gesamtenergiebedarf“ zu vergleichen (Bild 16). Unter Berücksichtigung der o. g. Randbedingungen ist die Differenz des PV-Ertrags zwischen MFH Romanshorn und Variante 2 als realistisch einzuschätzen. Bei dem MFH Chiasso ist neben dem Dach, den Fassaden (ab 1. OG) und Balkonbrüstungen auch das Dach der Garagen mit PV belegt. Die aufgeständerte PV-Fläche auf dem Garagendach (5 Einzelgaragen) ist nicht bekannt,

Bild 16. Einordnung des MFH Romanshorn zu Variante 2 Fig. 16. Comparison MFH Romanshorn and basic variant 2

Bild 17. Einordnung des MFH Chiasso zu Variante 2b Fig. 17. Comparison MFH Chiasso and basic variant 2b

diese erhöht jedoch den PV-Ertrag bzw. die PV-Fläche pro Energiebezugsfläche. Auf dem Dach sind auch bei diesem Gebäude zusätzlich thermische Solarkollektoren installiert. Da verschiedene PV-Module zum Einsatz kommen, wird der mittlere Modulwirkungsgrad auf ca. 14 % geschätzt. Damit liegt er unterhalb des Modulwirkungsgrads von den Beispielvarianten, was den PV-Ertrag pro EBF vermindert. Auch dieses Gebäude hat einen niedrigen Gesamtenergiebedarf (GEB = 46 kWhEE/(m2 a)) [1]. Das MFH Chiasso entspricht sehr gut der Variante 2b „quadratischer Grundriss, Klimastation Lugano“, mit dem verschatteten Fall „Wärmepumpe mit acht Stockwerken und einem tiefen Gesamtenergiebedarf“ (Bild 17). Der Vergleich der Beispielgebäude mit der Basisvariante 2 bzw. Variante 2b zeigt, dass die Grundannahmen für die Variantenstudie gut getroffen und die Ergebnisse auf reale Gebäude übertragbar sind. Weiter bestätigen die Beispielgebäude, dass eine hohe Effizienz (niedriger Bedarf), eine große PV-Fläche und ein hoher PV-Systemwirkungsgrad wichtig sind. Damit unterstreichen die realisierten Gebäude die Aussagen, die durch die vorgängige Variantenstudie erarbeitet wurden.

5 Eigendeckungsrate

Bild 15. Einordnung des MFH Zürich zur Basisvariante 2 Fig. 15. Comparison MFH Zürich and basic variant 2

Bei Gebäuden mit PV-Anlagen ist die Eigendeckungsrate ein wichtiges Thema. Diese gibt an, welcher Anteil des Gesamtbedarfs zeitgleich von dem PV-Ertrag gedeckt werden kann. An einem Beispiel für Variante 1 mit Wärmepumpe und für ein Gebäude mit 13 Stockwerken soll die Eigen-

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einen optimierten Zeitplan für die Wärmepumpe deutlich gesteigert werden kann (s. z. B. auch [21]).

6 Planungshinweise

Bild 18. Gewichtete Endenergie und Eigendeckungsrate infolge stockwerksweiser Flächenbelegung mit PV (Basis: Variante 1 mit hohem Bedarf und Wärmepumpe, Klimastation Bern). Die Berechnung beruht auf folgenden Lastprofilen: Warmwasser: MFH Katalog Nr. 6 (Polysun), Haushaltsstrom: MFH 5 Haushalte (Polysun) und für Lüftung: 2-Stufen-Modell [3] Fig. 18. Weighted energy and self-consumption rate due to PV configuration floor by floor (basis variant 1 with high load and heat pump, climat Bern). The calculations are based on load profiles for hot water: multifamily building no. 6 (Polysun), lighting/devices: multifamily building 5 households (Polysun), ventilation: 2-step model [3]

deckungsrate betrachtet werden. Es werden 13 Stockwerke gewählt, weil hier der Anteil des PV-Ertrages des Dachs am Gesamtertrag bereits relativ gering ist. Da das Gebäude mit sechsstöckigen Nachbargebäuden umgeben ist, wird vom Dach aus ausgehend die Fassade stockwerksweise von oben nach unten mit PV belegt, damit zuerst die unverschatteten Flächen genutzt werden. Es wird untersucht, wie sich die sukzessive zunehmende PV-Fläche jeweils auf die HWLK- und GEB-Nullbilanz sowie auf die Eigendeckungsrate auswirkt (Bild 18). Für Variante 1 mit 13 Stockwerken und einem sehr gutem Wärmeschutz und hohem Bedarf brauchen nur das Dach und die obersten vier Stockwerke mit PV belegt zu werden, um die HWLK-Nullbilanz zu erreichen. Die GEBNullbilanz kann auch bei einer kompletten Belegung aller 13 Stockwerke nicht erfüllt werden. Ausgehend von einer PV-Anlage auf dem Dach steigt die Eigendeckungsrate mit zunehmender Fassadenbelegung der Stockwerke von ca. 17 % auf 28–40 % an. Dabei ist entscheidend, wann die Wärmepumpe zum Betrieb freigegeben ist. Wird die Wärmepumpe am Tag zwischen 6 und 19 Uhr, also überwiegend zeitgleich mit dem PV-Ertrag, betrieben, ergibt sich eine höhere Eigendeckungsrate, als wenn die Wärmepumpe nur in den Nachtstunden betrieben wird (derzeit i. d. R. noch günstigerer Stromtarif). Reicht der PV-Ertrag nur für die HWLK-Nullbilanz (PV auf Dach und obersten vier Etagen), ergibt sich eine Eigendeckungsrate für den Gesamtenergiebedarf von ca. 25 % bzw. 32 % je nach Laufzeitfenster für die Wärmepumpe. Die Resultate zeigen, dass die Eigendeckungsrate durch

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Aus den Untersuchungen an den vier Basisvarianten lassen sich einige Planungshinweise für Gebäude, die eine HWLK- bzw. GEB-Nullbilanz erzielen sollen, ableiten: – Um genügend PV-Fläche zur Verfügung zu stellen, sind keine hochverglasten Gebäude möglich. – Ein niedriger Heizwärmebedarf ist wichtig; d. h. 3-fachverglaste Fenster und sehr gute U-Werte für opake Bauteile. – Einen sehr großen Einfluss auf die GEB-Nullbilanz hat die Effizienz von Geräten und Beleuchtung. Daher ist ein sehr geringer Bedarf für Geräte und Beleuchtung wichtig. – Mit einem hohen PV-Systemwirkungsgrad kann z. T. ein hoher Bedarf kompensiert werden. – Geringe Verteil- und Speicherverluste für Heizung und Warmwasser reduzieren den Bedarf. – Der Einfluss des Grundrisses spielt bei den untersuchten Gebäuden eine untergeordnete Rolle. – Wenn möglich, sollte ein möglichst großer Abstand zu Nachbargebäuden gewählt werden, um die Verschattung gering zu halten. – Die Verschattung der Fassade durch vorgelagerte Balkone kann durch zusätzliche PV-Module an der Balkonbrüstung kompensiert werden. – Bei den heutigen nationalen Gewichtungsfaktoren sollten Nullenergiegebäude mit Fernwärme oder einer Erdsonden-Wärmepumpe realisiert werden. Mit der vermehrten Nutzung von Biogas bzw. Power-to-Gas-Anlagen könnte in Zukunft auch eine Gasfeuerung interessant werden. – Die HWLK-Nullbilanz kann in vielen Fällen durch den PV-Ertrag vom Dach und Teilen der Südfassade gedeckt werden. In diesen Fällen ist es auch möglich, eine andere Kombination zu wählen: z. B. nur die obersten Stockwerke mit PV-Modulen belegen, dafür aber auf allen Fassaden. Hierbei bleibt allerdings zu berücksichtigen, dass nicht belegte Flächen für den PV-Ertrag wegfallen – auch wenn das betrachtete Gebäude selbst bereits den eigenen Bedarf decken kann, ist im Sinne der Energiewende eventuell die Ausweiterung auf eine Betrachtung des Quartiers insgesamt sinnvoll.

7 Zusammenfassung Die umfangreichen Parameteruntersuchungen zeigen, dass auch große Gebäude die HWLK- bzw. die GEB-Nullbilanz erreichen können. Der Einfluss verschiedener Parameter auf die Erreichbarkeit von Nullbilanzen wird dargestellt. Diese Kenntnisse sollen Planern dabei helfen, Nullenergiegebäude zu realisieren. Zwar können im Planungsprozess nicht alle hier untersuchten Parameter beeinflusst werden, jedoch kann das Bewusstsein für die Möglichkeiten und Grenzen einzelner Parameter gestärkt werden. Die getroffenen Basisannahmen sind ambitioniert, aber nicht unrealistisch, wie der Vergleich mit realisierten Mehrfamilienhäusern in Zürich, Romanshorn und Chiasso zeigt.

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Die Ergebnisse der Studie können wie folgt zusammengefasst werden: – Die HWLK-Nullbilanz kann bis auf eine Ausnahme für alle untersuchten Varianten für Gebäude mit bis zu 40 Stockwerken erreicht werden. In der Regel ist hierzu nur Photovoltaik auf dem Dach, der Südfassade und ggf. noch in Teilbereichen an einer weiteren Fassade notwendig. – Ausgehend von einem niedrigen Heizwärmebedarf ist der Haushaltsstrombedarf bzw. die Effizienz von Geräten und Beleuchtung in Kombination mit der Höhe des erzielbaren PV-Ertrags entscheidend dafür, ob eine GEB-Nullbilanz eingehalten werden kann. – Ein weiterer wichtiger Parameter ist der Wärmeerzeuger. Mit den aktuell gültigen nationalen Gewichtungsfaktoren und typischen Nutzungsgraden/Jahresarbeitszahlen kann die GEB-Nullbilanz für die größte Anzahl an Stockwerken mit Fernwärme erreicht werden. Bei einer Erdsonden-Wärmepumpe führt die Kombination aus niedriger Jahresarbeitszahl für Warmwasser und einem hohen Warmwasserbedarf bei Wohngebäuden zu einer ungünstigeren Bilanz. Im Vergleich zu Fernwärme und Wärmepumpe ist die mögliche Anzahl an Stockwerken, für die eine GEB-Nullbilanz mit einer Gasfeuerung erzielt werden kann, deutlich geringer. – Je höher das Gebäude ist, desto geringer ist erwartungsgemäß der Einfluss durch die Verschattung durch tiefere Nachbargebäude. – Die Kompaktheit des Gebäudes spielt eine untergeordnete Rolle. – Mit zunehmender Anzahl an Stockwerken sinkt der Anteil des PV-Ertrags vom Dach gegenüber dem PV-Gesamtertrag. Dies hat zur Folge, dass – die Ertragskurve mit zunehmender Anzahl an Stockwerken abflacht und die Erreichbarkeit der Nullbilanz sensibler auf kleine Änderungen im Bedarf bzw. im PV-Ertrag wird. Die Anzahl Stockwerke, für die eine Nullbilanz erreichbar ist, wird dadurch stark beeinflusst. – höhere Gebäude effizienter betrieben werden müssen, als niedrige. – bei niedrigen Gebäuden der PV-Ertrag vom Dach relevant ist. Bei hohen Gebäuden spielt er eher eine untergeordnete Rolle und die Fassaden bringen den größten Anteil. Dies hat zur Folge, dass bei sehr hohen Gebäuden der PV-Ertrag eines Stockwerks ungefähr dem Bedarf eines Stockwerks entsprechen muss, um eine GEB-Nullbilanz zu erreichen. Ohne eine gute Planung, einen sehr effizienten Betrieb und große PV-Flächen mit hohem PV-Systemwirkungsgrad wird die Realisierung von großen Nullenergiegebäuden schwierig. Dagegen ist die Realisierung von Nullwärmeenergiegebäuden, d. h. die Erfüllung der HWLK-Nullbilanz wie sie auch durch die MuKEn auf Grundlage der EPBD angestrebt bzw. von Minergie-A verlangt wird, für große Gebäude nicht unrealistisch. Künftige Fortschritte in der PV-Technik vereinfachen das Erreichen einer „Null“.

Danksagung Die vorgestellten Ergebnisse wurden im Rahmen des Projekts „Möglichkeiten und Grenzen von Nullenergiegebäu-

den“ erarbeitet, welches das Bundesamt für Energie BFE (Schweiz) unter dem Kennzeichen SI/500950-01 gefördert hat. Literatur [1] Solaragentur Schweiz: Schweizer Solarpreis 2013, 2014; Zürich. www.solaragentur.ch. [2] Gasser, S.: Revision SIA 380/4, Teilprojekt 8: Strombilanzmodell für Wohnbauten. SIA und Amt für Hochbauten der Stadt Zürich, 2014. [3] Merkblatt SIA 2024, Standardnutzungsbedingungen für Energie- und Gebäudetechnik. 2006. [4] Nationale Gewichtungsfaktoren der Schweiz, 2009. www.endk.ch [5] MuKEn 2014, Mustervorschriften der Kantone im Energiebereich (MuKEn) 2014. EnDK. www.endk.ch [6] Merkblatt SIA 2028, Klimadaten für Bauphysik, Energieund Gebäudetechnik. 2008. [7] SIA 380, Grundlagen für energetische Berechnungen von Gebäuden. 2015. [8] Bundesamt für Statistik. www.admin.ch/bfs [9] Haushaltsszenarien – Entwicklung der Privathaushalte zwischen 2005 und 2030. Bundesamt für Statistik, 2008. [10] Merkblatt SIA 2040, SIA-Effizienzpfad Energie. 2011. [11] SIA 380/1, Thermische Energie im Hochbau. 2009. [12] Wege zum Effizenzhaus Plus. Fraunhofer-Institut für Bauphysik, Stuttgart, 2014. www.bmub.bund.de [13] Knisssel, J.: Energieeffiziente Büro- und Verwaltungsgebäude. Institut Wohnen und Umwelt, Darmstadt, 1999. [14] Aiulfi, D., Maschio, I., Dellsperer, V., Brunet, L., Primas, A., Benz-Karlström, P., Jakob, M., Honegger-Ott, A., Grodofzig, B.: Energieverbrauch von Bürobauten und Grossverteilern, Bericht im Auftrag für das Bundesamt für Energie, Projekt Nr. 101727, 2010. [15] Schaede, M., Grossklos, M.: Mehrfamilienhäuser als Passivhäuser mit Energiegewinn (PH+E) – Endbericht. Institut Wohnen und Umwelt GmbH, Darmstadt. www.iwu.de, 2014 [16] ESRU, ESP-r (open source): A Building and Plant Energy Simulation Environment. University of Strathclyde, Glasgow; http://www.esru.strath.ac.uk. Programm Version 2013. [17] Hall, M., Geissler, A.: Möglichkeiten und Grenzen von grossen Nullenergiegebäuden. Schlussbericht BFE SI/500950-01, 2015. www.fhnw.ch/habg/iebau [18] Muntwyler, U., Joss, D., Reber, N., Bützer, D., Gfeller, D.: PV-Fassadenelemente auf allen vier Seiten eines Hochhauses: Beispiel für einen Markt für PV-Dünnschicht-Elemente, 2011. www.pvtest.ch [19] Sharp Electronics, Technische Daten Sharp NA-F128(G5). www.sharp.de. [20] Pfäffli, K.: Hochhäuser Sihlweid – Schlussbericht Zielerreichung 2000-Watt-Gesellschaft basierend auf dem SIA-Effizienzpfad Enegrie. Architekturbüro Preisig Pfäffli, 2014. [21] Hall, M., Geissler, A.: Einfluss der Wärmespeicherfähigkeit auf die energetische Flexibilität von Gebäuden. Bauphysik, 37 (2015), H. 2, S. 115–123. [22] European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition (EU PVSEC): Proceedings. www.eupvsec-proceedings.com.

Autoren dieses Beitrages: Dr.-Ing. Monika Hall wissenschaftliche Mitarbeiterin Prof. Dr.-Ing. Achim Geissler Leiter Gruppe Bau Fachhochschule Nordwestschweiz, Institut Energie am Bau St. Jakobs Strasse 84, CH-4132 Muttenz

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Fachthemen Horst Stopp Wolfgang Schmidt Peter Strangfeld

DOI: 10.1002/bapi.201610006

Passive hygrische Klimatisierung Ein ureigenes Ziel der Bauphysik besteht im Errichten von Gebäuden, deren Raumklima auch ohne zusätzliche Gerätetechnik weitgehend heutigen Behaglichkeitsmaßstäben für Wohnungen und Anforderungen öffentlich genutzter Gebäude entspricht. Einen Beitrag hierzu liefern u. a. hygroskopisch wirksame Raumbegrenzungsflächen mit gezielt modifizierten hygrischen Kennwerten. Passive measures for hygric indoor climate regulation. One of the primary objectives in building physics is to construct buildings with indoor air conditions that meet current standards of comfort for residential and public buildings, wherever possible without any additional air conditioning technology. Using ‘hygroscopic’ surfaces with specifically modified hygric values as room boundaries can help achieve this objective.

1 Einführung In der Wissenschaftsgeschichte wiederholen sich verschiedene Themenbereiche, allerdings in der Regel auf einem höheren technologischen Niveau; so auch bei der Beeinflussung der hygrischen Komponenten des Raumklimas durch die Raumbegrenzungsflächen. Bereits in den 1970igern haben sich Schüle und Jenisch in Stuttgart und fast zeitgleich die Bauklimatiker um Prof. Petzold in Dresden mit dem hygrothermischen Wechselspiel an inneren Raumoberflächen befasst [1]. Dabei standen häufig maximale Feuchtebelastungen in Küchen und Bädern und deren Begrenzung durch Innenputze im Vordergrund. Arbeiten in Skandinavien, insbesondere in Schweden und Finnland, betrachten die Luftfeuchten auch in öffentlichen Räumen als Zielgröße. Da es sich dabei häufig um Museen, Archive oder Depots handelt, müssen restriktivere Vorgaben eingehalten werden. Das betrifft sowohl die Absolutwerte als auch deren Schwankungen und zeitliche Gradienten über längere Perioden. In DIN ISO 11799 [2] lauten die Forderungen für Papiere bzgl. der maximalen relativen Luftfeuchte (50 ± 3) % rel. F., was unter Beachtung finanzieller Gegebenheiten bereits eine messtechnische Herausforderung darstellt .Neben dem Vorteil geringerer Luftbewegungen bei passiver Klimatisierung mittels direktem Materialeinfluss darf auch die insgesamt bessere Energiebilanz benannt werden.

2 Grundlagen Eine Darstellung der hygrischen Vorgänge an hygroskopisch aktiven Materialoberflächen soll die benutzten Kenn-

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größen und deren Wirkung auf die Raumluftfeuchte mittels analytischer Lösungen kurz beleuchten. Eine klassische Beschreibung der hygrischen Eigenschaften erfolgt in der Regel mittels der sog. Sorptionsisothermen. Allerdings beschreiben sowohl der Sorptions- als auch der Desorptionsverlauf die auf- und abgebbaren Feuchtemengen in Abhängigkeit der relativen Luftfeuchte nur im Gleichgewichtszustand mit der Umgebung. Für die Auf- und Abgabeprozesse im Wohnbereich wird vor allem der Gradient im mittleren Raumluftfeuchtebereich zwischen 40 % rel. F. und 70 % rel. F. entscheidend wirksam. Der häufig steile Anstieg im Bereich > 80 % rel. F. bleibt wenig interessant. Sehr wichtig sind Hystereseerscheinungen, die den Einsatz praktisch in Frage stellen können, da die Wirksamkeit des Oberflächenspeichers nahezu dauerhaft trägheitslos sein sollte. Die unlängst mit großem Aufwand propagierte Substanz „Upsalite“ dient hier leider als negatives Beispiel. Die mehrfach geäußerte Bitte, eine geringe Menge für Untersuchungszwecke zur Verfügung zu stellen, blieb bislang unbeantwortet. So muss auf Literaturangaben zurückgegriffen werden und die sind weniger erfreulich. Es wird ersichtlich, dass nach einer offensichtlich sehr günstigen Abspeicherung die erforderliche Entspeicherung erst bei niedrigeren, unter üblichen Nutzerbedingungen kaum vorhandenen Werten der relativen Raumluftfeuchte eintritt. Hier wäre allenfalls an Flächenheizungen mit alternierendem Heizbetrieb zu denken. Einer Aufladung ohne aktive Heizung folgt die Entspeicherung während der Heizungsphase. Für das dynamische Geschehen spielt die sog. Sprungfunktion eine entscheidende Rolle. Sie liefert für sprungförmige Änderungen der Umgebungsfeuchte ϕ Aussagen über die damit veränderbaren Feuchtemengen einer Probe. Hierbei kommt indirekt auch der Widerstand gegenüber dem diffusiven Transport innerhalb des Materials ins Spiel. Die analytische Lösung für die in der Zeit t pro Flächeneinheit ausgetauschten Feuchtmassen m(t)/A lautet [3]

(

)

m(t) = pS · ϕLuft − ϕ Wand · A 2 t · b δ · ρ · wh  D · · − L W µ · β · pS π  2    µ ·β       ·a D ·t     · µ β δ · 1 − e L  ·  erfc  · aD · t      δL        

(1)

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mit

aD =

bD =

pS δL · µ ρW · w h δ L ρW · w h · µ pS

wobei: µ Wasserdampfdiffusionswiderstandszahl wh maximale hygroskopische Feuchte R Gaskonstante T Absoluttemperatur pS Wasserdampfsättigungsdruck ß Stoffübergangskoeffizient δ = 1,85 · 10-10 s ρ Wasserdichte ϕ rel. Luftfeuchte Die Größe aD kann man analog der Temperaturleitfähigkeit als Maß für die Signalgeschwindigkeit der diffusiven Feuchtefeldausbreitung innerhalb des Materials betrachten. Die sich ergebenden Zahlenwerte liegen bei Baustoffen um Größenordnungen niedriger als die Kennwerte für die sich ausbreitenden Temperatursignale. Daraus ergeben sich im Vergleich zu thermischen Prozessen wesentlich längere Einstellzeiten für das Feuchtegleichgewicht bei Veränderung der Umgebungsbedingungen [4]. Tendiert der Stoffübergangswiderstand bei ausreichender Luftumspülung gegen null, erhält man zur Bestimmung der ausgetauschten Feuchtemengen für die Zeitperiode von 12 h bei 20 °C und einem Feuchtesprung von 50 %/80 % die einfache Näherung

m(t) = const · A

wh µ

const ≈ 1,4 kg/m 2

Bild 1. Glasvitrine als Versuchszelle Fig. 1. Glass cabinet used as a test cell

(2)

Das liefert für übliche Wandbildner bis etwa 100 g/m2 aktiver Fläche, was in Anbetracht der geringen Feuchteinhalte von Raumluft recht viel bedeuten kann. Sehr deutlich erkennbar werden die im Widerpart miteinander stehenden Größen sorptive Anlagerung und diffusiver Transportwiderstand. Es nützt somit wenig, wenn man allein die Gleichgewichtsaussagen der Sorptionsisotherme betrachtet und nicht das Eindringvermögen des Wasserdampfes in die Strukturen beachtet. Für die austauschbaren Feuchtemengen spielt die praktisch verfügbare Zeitdauer eine entscheidende Rolle. Während im Fall der üblichen Wohnraumnutzung die halbtägige Periode von 12 h die Speicher- bzw. Entspeichermengen bestimmt, sollte man bei Archiv- und Depotbauten den halbjährlichen Austauschprozess zwischen den angelagerten und austrocknenden Feuchtmengen betrachten.

3 Messungen und laborative Untersuchungen 3.1 Messstand Im Zusammenhang mit der Validierung von Softwareentwicklung und raumklimatischen Fragestellungen in Archivgebäuden stehen zwei Versuchsstände zur Verfügung (Bilder 1 und 2). Eine klarsichtige Glasvitrine des Museumswesens erlaubt neben der ständigen Einblicknahme die

Bild 2. Klimaprüfkammer zur Untersuchung sorptiver Eigenschaften von Raumbegrenzungsflächen: Außen- und Innenansicht Fig. 2. Climate test chamber to investigate the sorptive properties of room boundary surfaces: internal/external view

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kontinuierliche wägetechnische Bestimmung sorptiv gebundener Luftfeuchtemengen an endlichen Proben bei definiertem Luftwechsel mit konditionierter Zuluft über eine externe Zuführung aus dem Raumvolumen eines Klimaschrankes. Das bietet den Vorteil feindosierter Zuluftmengen in den relativ kleinen Versuchsraum der Vitrine [5]. In einer Doppelprüfkammer laufen Untersuchungen zu Flächenheizungen hinsichtlich der Wirksamkeit ihrer hygroskopischen Eigenschaft. Zusätzlich erlaubt die Kammer eine Möglichkeit isothermer Messungen mit der darin eingestellten Glasvitrine, da quantitativ zu bestimmende sorptive Anlagerungen unterschiedliche, aber konstante relative Luftfeuchten über längere Zeiträume erfordern.

3.2 SPS11-10µ-Anlage Bislang sind die Messungen sorptiver Kenngrößen recht aufwändig und erfordern hohe Sorgfalt bei deren Ausführung. Die klassische Bestimmung der Sorptionsisotherme mittels Exsikkatoren erzwingt die wiederholte Entnahme der Probenaus dem definierten Milieu. Das verlängert zum einen die Einstellvorgänge und kann vornehmlich bei kleineren Proben die Messergebnisse unzulässig verfälschen. Eine Alternative besteht im Einsatz von automatischen Messeinrichtungen [6], die ursächlich für die Pharmaindustrie entwickelt worden sind und daher auch für Kleinstproben eine hohe Wägeempfindlichkeit besitzen (Bilder 3 und 4). Die Proben befinden sich in einem abgeschlossenen, konditionierbaren Raum auf einem karussellartigen, schrittweise bewegten Probeteller, der jede Einzelprobe nach kurzzeitigem Stillstand nacheinander auf einer hochempfindlichen Waage absetzt. Der Vorgang läuft so lange, bis das einstellbare Abbruchkriterium als Differenzmasse zwischen 2 Massebestimmungen erreicht worden ist.

Bild 3. SPS11-10µ-Gerät: Gesamtansicht Fig. 3. SPS11-10µ Sorption Analyzer

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Bild 4. Beispiel für die Bestückung des wechselbaren Probentellers Fig.4. Example of how to fill a removable sample tray

3.3 Messwerte hygrischer Materialeigenschaften Alle nachfolgenden Messergebnisse sind mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Anlage ermittelt worden. Deutlich wird bei der Auswertung der Messungen die teilweise sehr lange Einstelldauer für quaistationäre Zustände. Diese sind aber neben den absolut ausgetauschten Feuchtemengen pro Flächeneinheit ausschlaggebend für eine Langzeitwirkung auf die Dämpfung der Raumfeuchteschwankungen. Die Bilder 5 bis 8 demonstrieren nachdrücklich das dynamische Verhalten der Stoffe. Untersuchungen zu Additiven Neben den natürlichen Baustoffen und üblichen technischen Produkten spielen spezifische Additive in den Herstellungsrezepturen eine bedeutsame Rolle. Im Bild 9 werden die Wirkungen zweier unterschiedlicher Additive mit den Bezeichnungen yy und zz hinsichtlich ihrer Reaktion

Bild 5. Verlauf der Sorptions-Desorptions-Isotherme für eine nichtzementgebundene Holzbauplatte Fig. 5. Sorption/desorption isotherm over time for a noncement-bonded wooden construction panel

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Bild 6. Messprotokoll für die Aufnahme der Sorptions-Desorptions-Isotherme aus Bild 5 Fig. 6. Measurement report on the sorption/desorption isotherm from Fig. 5

Bild 7. Sorptionsverhalten einer Blähtonprobe mit Salzkonditionierung mittels Kaliumcarbonat-Dihydrat über einen längeren Zeitraum periodischer Feuchtsprünge zwischen 40 % und 60 % rel. F. Fig. 7. Sorption behaviour of an expanded clay sample, with salt conditioning using potassium carbonate dihydrate, over a long timescale; periodic moisture peaks of between 40 % and 60 % relative humidity

mit rel. Luftfeuchten bei verschiedenen Schichthöhen zunächst als Rohgranulat bzw. in pulvriger Konsistenz miteinander verglichen. Die Materialfeuchteänderung bei einem Sprung der rel. Luftfeuchten nach 12 h zwischen 60 % und 80 % und zurück erfolgt in der Angabe Feuchtmasse pro

Flächeneinheit. Sie dokumentiert den direkten Bezug auf die Veränderung der Feuchtmasse im Raum. Ein Bezug der Feuchteänderung auf die Trockenmasse täuscht bei geringen Materialdichten hohe Werteschwankungen vor. Das Additiv zz als Rohgranulat mit einer Schütthöhe von 3 mm ist in der Lage, innerhalb von 12 Stunden 102 g Feuchtigkeit pro m2 aufzunehmen und auch wieder abzugeben. Das Additiv yy 660 der Schütthöhe 3 mm erreicht bei gleichem Zeit- und Flächenbezug 191 g Feuchteänderung. Das Rohprodukt des Additivs zz liegt als Granulat in einer Korngröße 1–6 mm vor und kann durch Pulverisierung und Verarbeitung über einen mörtelähnlichen Rohstoff in einen Probekörper mit planen Oberflächen umgesetzt werden. Die Schüttdichte des Rohgranulates mit 750 kg/m3 wird durch die Bearbeitung zu einem festen Versuchskörper auf 1900 kg/m3 erhöht. Der messbare Erfolg dieser Produktfindung schlägt sich in ein innerhalb von 12 Stunden maximales Speicher- und Entspeicherpotenzial von 230 g Feuchtigkeit bei einer Bezugsfläche von 1 m2 nieder.

4 Praxisbeispiel Bei der Auswahl von Praxisbeispielen wird auf ein Archiv zurückgegriffen. Das hat den Vorteil kaum veränderter Nutzungsbedingungen über einen längeren Zeitraum und zudem straffe Vorgaben bzgl. der Raumklimaparameter, die an mehreren Stellen ohne größere Störungen gemessen werden können. Außerdem lassen sich die in den Raumbegrenzungsflächen wechselnden Feuchtmassen wägetechnisch vor Ort direkt bestimmen. Dem gegenüber stehen die Nachteile einer üblicheweise fensterlosen Hüllkonstruk-

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Bild 8. Auf- und Entladeprozess im 12-h-Intervall der 40 %/60 % rel. Feuchte-Schwankungen bei einer Temperatur von 15 °C für die salzkonditionierte Blätonprobe, s. Bild 5 Fig. 8. Sorption/desorption process at 12-hour intervals with 40 %/60 % variations in relative humidity at a temperature of 15 °C for the salt-conditioned expanded clay sample, cf. Fig. 5

Bild 9. Vergleich der Wirkung von zwei Additiven bei unterschiedlicher Konsistenz und Füllhöhe in den Proben Fig. 9. Comparing the effect of two additives in samples of differing consistencies and fill levels

tion und einer im Verlaufe der Zeit nicht kontrollierbaren Erhöhung der hygroskopischen Speicherung infolge einer Zuführung von Archivgut.

4.1 Objektdarstellung Die Bilder 10 bis 13 zeigen Ausschnitte vom Beginn der Planungsphase eines Neubaus für das Landeshauptarchiv Magdeburg LHA bis zu dessen Einweihungszeitraum im Frühjahr 2011. Der Kubus des Neubaus mit einer Grundfläche von etwa 5000 m2 umfasst 5 Ebenen. Er ist über einen geschlossenen Gang mit dem ziegelsichtigen Altbau verbunden.

4.2 Numerische Simulation Als kostengünstige Methode zur Beurteilung der Einflussnahme verschiedener Parameter auf das Raumklima eines Gebäudes setzt sich während der Planungsphase die numerische Simulation mehr und mehr durch. Im vorliegenden Fall geht es um die Wirkung des Schichtaufbaus der Raumbegrenzungsflächen auf die Raumluftfeuchte und deren Schwankungen. Sie wird lt. Normung mit max.(50 ± 3) %

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rel. F. vorgegeben. Unter der Voraussetzung einer Wandkonstruktion aus Schwerbeton mit 300 mm Miwo-Außendämmung und hinterlüfteter Vorhangfassade sowie innen zweifach mit Abstand vorgesetzter Holzbauplatten an den Wänden und einfach abgehängt an den Decken ergeben sich die in den Bildern 14 und 15 dargestellten Verläufe der relativen Luftfeuchten. Dabei wird allerdings für die mathematisch-physikalischen Grundlagen des gekoppelten Wärme-Feuchtetransports und die Modellierung der benutzten Software DELPHIN eine räumlich homogene Verteilung aller Zustandsgrößen der Raumluft vorausgesetzt. In einem eingerichteten Archivraum mit erzwungener Luftzuführung kann das nur näherungsweise der Fall sein. Aussagen über die sich einstellenden Luftströmungen mittels numerischer Simulation über FLUENT liefern die Bilder 16 und 17. Um die Luftführung an den Bauplatten zu verbessern und die Strömungsgeschwindigkeiten lokal zu erhöhen, werden die in der Raumzelle (Bild 2) durchgeführten Experimente ebenfalls mittels numerischer Simulation nachgestellt und die optimale Wahl der Luftauslässe sowie die Anordnung von Luftleitplatten untersucht. Im Bild 17 befinden sich letztere vor den Auslässen auf der Höhe des in

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Bild 10. Landeshauptarchiv LHA Magdeburg, im Vordergrund der weiterhin genutzte Altbau (Verwaltung und Sonderaufgaben) Fig. 10. Landeshauptarchiv LHA Magdeburg. The existing building in the foreground is still in use (for administration and specific tasks)

Bild 11. LHA Magdeburg, Neubau mit Verbindungsgang zum Altbau kurz vor der Fertigstellung im Frühjahr 2011 Fig. 11. LHA Magdeburg, new building with connecting walkway to old building, shortly before completion in spring 2011

Bild 13. Rollregale mit Handkurbel betrieb zur Abstandsveränderung bei der Dokumentenentnahme Fig. 13. Rolling stacks with rotary handle to adjust the distance between units for removing documents

Deckennähe befindlichen Luftschachtes. Die erzwungene Strömung der Luft direkt auf die Bauplatte bewirkt eine höhere Luftgeschwindigkeit und damit einen intensiveren Stoffübergang. Die Simulationen mit unterschiedlichen Turbulenzmodellen liefert keine nennenswerten Abweichungen.

4.3 Messeinrichtungen

Bild 12. Luftführung mit Auslass vor Wand- und Deckenverkleidung Fig. 12. Air duct with outlet fitted on top of interior wall and ceiling cladding

Bild 18 zeigt die Anordnung der Räume 22 und 24 im 2. OG, in dem zwei diagonal gegenüberliegende Archive für Langzeitmessungen verfügbar sind. Die Anbringung der Wandverkleidung aus Holzfaserplatten und deren Revisionsplatten aus dem gleichen Material muss derart erfolgen, dass eine regelmäßige Entnahme ohne Materialverlust zur Bestimmung der Massenänderung durch Feuchteaufnahme bzw. Abgabe möglich wird (Bilder 19 und 24). Die Bilder 20 und 21 beschreiben die Unterbringung der Sensoren im Detail.

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Bild 14. Verlauf der rel. Luftfeuchtigkeit in einem Magazin eines Archivgebäudes in Abhängigkeit der Wandmaterialien; Volumen 2400 m3; Raumtemperatur 17 ± 1 °C; Luftwechselrate xi > xa: 0,02 h–1 und xi < xa: 0,2 h–1; Außenwandfläche pro Etage 300 m2; Fußboden- und Deckenfläche 1100 m2 Fig. 14. Development of relative humidity in stacks at an archive building, in relation to the wall materials; volume 2400 m3; room temperature 17 ± 1 °C; air change rate xi > xa: 0.02 h–1 and xi < xa: 0.2 h–1; external wall area per storey 300 m2; floor and ceiling area 1100 m2

Bild 15. Einfluss der Wasserdampfdiffusionswiderstandszahl der unmittelbaren Raumumschließungsflächen auf die rel. Luftfeuchte des Raumes (Parameter s. Bild 14) Fig. 15. The influence of the resistance to water vapour diffusion in the surfaces immediately enclosing the room on relative humidity in that room (for parameters, see Fig. 14)

Bild 16. Berechnete Geschwindigkeitsverteilungen (Isotachen, zeitlich gemittelt) in m/s für die beiden senkrechten Ebenen der zwei Eintrittsöffnungen unterhalb der Decke im Segment eines Archivraumes mit gefüllten Archivregalen (erzwungene Konvektion); Turbulenzmodell LES Fig. 16. Velocity distribution calculated (as isotachs over time) in m/s for both vertical levels of the two inlets under the ceiling in the segment of an archive room with shelves full of archive material (forced convection); LES turbulence model

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Bild 17. Geschwindigkeitsverteilung in der Raumzelle mit einer in Deckennähe vor dem Luftschacht angebrachten Luftleitplatte Fig. 17. Velocity distribution in the room cell with an air direction plate fitted in front of the ventilation shaft, close to the ceiling

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Bild 18. Messbereiche II und III im LHA Magdeburg (in den R盲umen 22 und 24) Fig. 18. Measuring Areas II and III at LHA Magdeburg (in Rooms 22 and 24)

Bild 19. Anordnung der Revisionsplatten im Schnitt und in der Ansicht in der vorgesetzten Wandverkleidung aus Holzbauplatten Fig. 19. Section view and elevation of access panels and the wooden construction panels applied as wall cladding

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Die Vorbereitung für den Einbau der Sensoren und die Durchführung erfolgen mit hoher Sorgfalt. Eine speziell angefertigte Halterung für die definierte Ausrichtung von Sensoren wird aus den Bildern 22 und 23 ersichtlich. Bild 24 repräsentiert die Wandsituation mit der vorgesetzten Wandverkleidung bei der Entnahme beider Revisionsverschlüsse, die gleichzeitig der gravimetrischen Bestimmung angelagerter bzw. abgegebener Feuchtemengen dienen. Größere Probleme gibt es bei der Erfassung der wasserseitigen Wärmeeinträge. Innerhalb beider Magazinräume sollte ein BUS-fähiges Wärmemengenmesssystem der Firma ISTA installiert und vernetzt werden. Durch Bedenken des Nutzers einschl. der zuständigen Behörde hinsichtlich möglicher Gefährdungen des Archivgutes durch Feuchteeinträge bei einer möglichen Undichtigkeit von Anschlussverbindungen wurde ein Einbau der Technik in den Magazinräumen abgelehnt und es musste kurzfristig eine zweite Variante (Bilder 25, 26) erarbeitet werden. Der Einbau der Messtechnik erfolgt im Heizkreisverteilerschrank (Bild 26) im Flurbereich des 2. OG. Durch den minimierten Raum im Verteiler kann das von der Firma ISTA geplante BUS-System nicht zum Einsatz kommen. Stattdessen werden von der Firma AHLBORN zwei Durchflusszähler mit integrierten Temperaturfühlern in den Heizungsrückläufen und zwei Messverschraubungen mit Temperaturfühlern in den Vorläufen installiert. Zur Datenaufzeichnung wird ein Datenlogger vom TYP ALMEMO 2890-9 im selben Verteiler untergebracht. Die 12-VSpannungsversorgung des Ahlborn-Datenloggers wird aus der 24-Volt-Steuerspannung der einzelnen Heizkreisstellmotore über ein entsprechendes Netzteil realisiert

Bild 21. Ist-Situation zur Verteilung der Sensorik im Messbereich II des Raumes 22 Fig. 21. Current distribution of sensor technology in Measuring Area II, Room 22

Bild 20. Ist-Situation zur Verteilung der Sensorik im Messbereich III des Raumes 24 Fig. 20. Current distribution of sensor technology in Measuring Area III, Room 24

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Bild 22. Halterung für den lagegerechten Einbau von Sensoren Fig. 22. Bracket for the correct positioning of built-in sensors

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Die Untersuchungen zum gezielten Einfluss von Archivgutbehältnissen (Bild 27) auf die Hygrothermie ihrer Inhalte sind noch nicht abgeschlossen und werden fortgesetzt.

Bild 23. Präparierte und installierte Messtechnik zur Unterstützung einer optimierten Lüftungssteuerung Fig. 23. Measurement technology prepared and installed to support optimal ventilation control

Bild 24. Messstelle zur gravimetrischen Bestimmung der sorptiv angelagerten Feuchtemengen Fig. 24. Monitoring station to determine gravimetrically the moisture sorption volume

Bild 26. Wärmemengenmessung Fig. 26. Calorimetric flow measurement

Bild 27. Archivgutbehälter unterschiedlicher Ausführung und Beschickung einschl. Referenzbehältnisse Fig. 27. Containers for archive material in various designs and full to different levels, including reference contents

Bild 25. Schema Heizkreisverteiler, 2. OG Fig. 25. Heating manifold diagram, 2nd floor

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4.4 Messergebnisse und Ausblick Die Bilder 28 bis 31 präsentieren den Verlauf der Raumlufttemperaturen und relativen Luftfeuchten seit dem Beginn der Aufzeichnungen im Jahre 2011. Es handelt sich hierbei um tägliche Durchschnittswerte, um zum einen die Datenmenge zu begrenzen und zudem den Trend optisch besser darstellen zu können. Erkennbar werden die der administrativen Vorgabe sich zunehmend annähernden Messwerte, s. Abschnitt 1. Die Betreuung der Messanlagen erfolgt seit der Errichtung des LHA Magdeburg fachlich einvernehmlich in Abstimmung mit Herrn Dr. Heiden, dem hierfür nachdrücklich gedankt sei, genauso wie der Vertretung des verantwortlichen Landesbauamtes und dem BMWi für die finanzielle Unterstützung. Die Arbeiten werden fortgesetzt

und bestätigen den vorliegenden positiven Trend mit der feuchtepuffernden Wirkung hygroskopisch aktiver Hüllflächen. Eine Übertragung der Erkenntnisse auf weitere Projekte befindet sich in der Vorbereitungsphase, wozu u. a. auch eine Clusterbildung innerhalb der BTU Cottbus-Senftenberg zur Thematik „Dauerhaft schadensfreie Sanierung, Revitalisierung und Umnutzung mitteleuropäische Bestandsbauten“ beitragen wird mit einer Übertragung der Erkenntnisse auf Neubauten und andere Klimazonen. Ein interessantes Einsatzgebiet ergibt sich bei der künftigen Nutzung des Raumvolumens der Pontons Schwimmender Bauten. Neben einer sicheren Gewährleistung des erforderlichen Auftriebs sollen die Volumina auch einer Wohnnutzung und Speicherfunktion mit definiertem Raumklima zugeführt werden.

Bild 28. Raum 22, Temperaturverlauf der Tagesmittel der Raumluft im Messbereich II Fig. 28. Room 22, daily mean indoor air temperature over time in Measuring Area II

Bild 29. Raum 22, Verlauf der Tagesmittel der relativen Luftfeuchtigkeit der Raumluft im Messbereich II Fig. 29. Room 22, daily mean relative humidity over time in Measuring Area II

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H. Stopp/W. Schmidt/P. Strangfeld · Passive hygrische Klimatisierung

Bild 30. Raum 24, Temperaturverlauf der Tagesmittel der Raumluft im Messbereich III Fig. 30. Room 24, daily mean indoor air temperature over time in Measuring Area III

Bild 31. Raum 24, Verlauf der Tagesmittel der relativen Luftfeuchtigkeit der Raumluft im Messbereich III Fig. 31. Room 24, daily mean relative humidity over time in Measuring Area III

Danksagung Das Projekt erfuhr eine finanzielle Unterstützung durch das BMWi und wurde organisatorisch-fachlich gut betreut durch den Projektträger PTJ/EnOB. Literatur [1] Jenisch, R.: Berechnung der Feuchtigkeitskondensation und die Austrocknung, abhängig vom Außenklima. Gesundheitsingenieur, Teil 1: H. 9 (1971) und Teil 2: H. 10 (1971). [2] DIN ISO 11 799 Information und Dokumentation – Anforderungen an die Aufbewahrung von Archiv- und Bibliotheksgut. [3] Stopp, H., Strangfeld, P., Toepel, T.: Hygrothermische Wirkungen von Raum- und Außenoberflächen. Bauphysik 30 (2008), H. 1, S. 1–14. DOI: 10.1002/bapi.200810001

[4] Häupl, P.: Bauphysik-Kalender Klima – Wärme – Feuchte – Schall. Berlin: Ernst & Sohn 2008 [5] Strangfeld, P., Stopp, H.: F/E-Bericht: Passive Klimatisierung zur Langzeitaufbewahrung von Archivgut. TIB Hannover, Juni 2014. [6] Sorptionsprüfsystem SPS für Wasserdampf, SPS11-10 Anlage, info@proumid.com

Autoren des Beitrages: Prof Dr. sc. techn. Horst Stopp Dr.-Ing. Wolfgang Schmidt Dr.-Ing. Peter Strangfeld Alle: Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg, Fakultät 8, Fachgebiet Bauphysik Lipezker Straße 47 03048 Cottbus

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Berichte DOI: 10.1002/bapi.201620007

Multifunktionale Betondecken: ein neues Konzept für die Umsetzung Thomas Friedrich

Optimierung von Decken im Hochbau aus statischer Sicht Zuerst ein Blick zurück auf die Anfänge des Stahlbetons und der damit erstellten Hochbaudecken. Im Jahre 1895 entwickelte F. Hennebique erstmalig eine Unterzugsdecke bestehend aus Haupt- und Nebenunterzügen und einer dünnen Platte (Bild 1). Diese Konstruktion lehnte sich noch sehr stark an die Bauweise des Stahlbaus an, indem die einachsig gespannten Stahlträger aufeinander gelegt wurden. Die wahren Fähigkeiten des Stahlbetons zeigten sich bereits 15 Jahre später mit der Vorstellung der Pilzkopfdecke von R. Maillart. Stahlbetonplatten können die Einwirkungen auf sehr effiziente Weise zweiachsig abtragen. Gegenüber der Unterzugsdecke wird bei der Flachdecke jedoch mehr Material verbraucht. Heute, ca. 130 Jahre später, baut man bei weitgespannten Decken immer noch mit Unterzügen, um Material einzusparen. Für kleine Spannweiten wird die Flachdecke bevorzugt, da die Deckendicke relativ gering ausfällt. Hochbaudecken werden auch heute noch ausschließlich im Hinblick auf die Kosten von Material und Lohn optimiert. Waren in den Anfängen des Stahlbetons die Materialkosten entscheidend, bestimmt heute der Lohnanteil die Gesamtkosten.

Neue Zielsetzung: nachhaltig, energieeffizient und behaglich Heutzutage bestimmen ganz andere Einflussfaktoren die Konstruktion der Hochbaudecken. Nachhaltigkeit, Energieeffizienz und die höchste Behaglichkeit für den Benutzer bestimmen sowohl die Konstruktion an sich als auch den Herstellprozess (Bild 2). Damit haben die bisherigen Optimierungen ausgedient, die sich alleine nur auf die statischen Aufgaben beschränken. Vielmehr ist der gesamte Deckenaufbau der Hochbaudecke (tragende Decke, deren Aufbau und die Unterdecken) zu betrachten, was zwangsläufig auch die anderen Gewerke (exklusive dem Rohbau) betrifft. Das wiederum führt dazu, nicht mehr länger die einzelnen Funktionen getrennt und als additive Ergänzungen zu betrachten, sondern über deren funktionale Integration nachzudenken. Die einzelnen Kriterien der neuen Zielvorgabe bedingen Überlegungen und Anstrengungen für die Entwicklung einer neuen Konstruktion, die die verschiedenen Funktionen integral erfasst. Im Detail führen die neuen Zielbegriffe zu den nachstehenden Forderungen.

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Bild 1. Klassische Betondeckenkonstruktion mit Unterzügen aus den Anfängen des Stahlbetonbaus (Bauweise F. Hennebique, 1895)

Nachhaltigkeit bedeutet: – geringerer Materialverbrauch und damit Einsparung von Ressourcen, – weitgespannte Deckenelemente, um die Raumgestaltung jederzeit flexibel den entsprechenden Anforderungen an die Nutzung anpassen zu können. Energieeffizienz bedeutet: – eine kompakte Bauweise, um Gebäudevolumen einzusparen, – passive und aktive Nutzung des Konstruktionswerkstoffs als Energiespeicher, – Verteilung der thermischen Energie über große zusammenhängende und frei zugängliche Flächen (Decken, Wand) – Niedrigtemperaturverteilung im Heiz- und Kühlfall, – Energieerzeugung bzw. -verteilung über wassergeführte Systeme anstelle der luftgeführten Anlagen, da Wasser die Energie effizienter transportiert und verteilt, – wenn möglich, die Nutzung von erneuerbaren Energien als Energiequelle mit Vorzug auf die Erdwärme, da diese ganzjährig und vom Wetter unabhängig zur Verfügung steht. Behaglichkeit für den Nutzer bedeutet: – gleichmäßige und angenehme Temperaturverteilung im Raum, weg von der temperierten Luft einer klassischen Klimaanlage oder punktförmigen Heizkörpern,

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Th. Friedrich · Multifunktionale Betondecken: ein neues Konzept für die Umsetzung Produktoptimierung

Wirtschaftliche Sicht

Energetische Sicht Behaglichkeit Nachhaltigkeit

+ Kompakte Volumen + Reduktion von Energie + Funktionsintegration

Vergangenheit bis 2005

Zukünftige Entwicklung ab 2005

– die thermische Behaglichkeit erfolgt über Strahlung anstelle Konvektion, – geringe Luftgeschwindigkeiten dank Energieübertragung über Strahlung, – ausreichende Beleuchtung am Arbeitsplatz, – hoher akustischer Komfort mit den entsprechenden Maßnahmen um den Schallpegel zu reduzieren.

Erste Ansätze für eine integrale Konstruktion Bereits mit den erneuten Versuchen, ab ca. 1980 eine thermische Bauteilaktivierung innerhalb des Betonvollquerschnitts zu integrieren, wurden die ersten Ansätze für die multifunktionale Nutzung von tragenden Betonbauteilen angedacht (Bild 3). Die ergänzende Nutzung des Betonquerschnitts als passiver und aktiver Energiespeicher ermöglicht Energieeinsparungen während der Betriebszeit des Gebäudes. Die großen freien Flächen von Decke und Wand erlauben eine Energieverteilung auf Niedrigtemperaturniveau. Zudem wird durch die angepasste Oberflächentemperatur eine hohe thermische Behaglichkeit erzeugt. Die Energieübertragung über Strahlung anstelle von

Bild 3. Klassische Betonkernaktivierung: Einbau der vorgefertigten Rohrregister in die Ortbetondecke

Bild 2. Einflüsse auf die Produktentwicklung von Hochbaudecken im Wandel der Zeit

Konvektion [1] erzeugt ein angenehmes Wohlfühlklima mit geringsten Luftgeschwindigkeiten ohne größere Staubaufwirbelung. Angenehm temperierte Oberflächen der Räume erlauben eine Reduktion der Raumlufttemperatur und führen zu einer weiteren Reduktion des Energieverbrauchs. Allerdings wurde dieser Ansatz nicht in voller Konsequenz zu Ende gebracht. An der bestehenden Konstruktion, der tragenden und massiven Vollbetonplatte, wurde nichts verändert. Die wasserführenden Rohrleitungen, eingebettet innerhalb des Vollquerschnitts, liefern nur eine begrenzte thermische Leistung aufgrund der hohen Betonmasse. Mit dieser Energie kann nur die thermische Grundlast des Gebäudes abgedeckt werden. Der systembedingte Entfall der abgehängten Decke zwingt zur Verlegung der dort bislang angeordneten Leitungen an eine andere Stelle des Querschnitts. Dies betrifft hauptsächlich die Lüftung, die aufgrund der Zwangslüftung heutzutage in jedem Neubau erforderlich wird. Bei dem Einbau einer Bauteilaktivierung verbleiben nur wenige Optionen für den Einbau innerhalb der Deckenkonstruktion. Das führt vermehrt dazu, heutzutage alle Leitungen innerhalb des tragenden Deckenquerschnitts anzuordnen. Der i. d. R. ohne Schubbewehrung ausgeführte Vollquerschnitt der Flachdecken wird durch die eingelegten Rohrleitungen geschwächt und der Querkraftwiderstand erheblich reduziert [2]. Deshalb ist die Lage der Leitungen innerhalb des Vollquerschnitts präzise zu planen und zu koordinieren. Der Nachweis des Querkraftwiderstandes ist mit der Querschnittschwächung durch den Leitungsquerschnitt zu erbringen und allenfalls eine ergänzende Bügelbewehrung anzuordnen oder leitungsfreie Zonen vorzusehen. Die Vorgaben aus der Planung müssen in der Ausführung überwacht werden, was bei der Vielzahl der Elemente und deren Verlauf nicht immer so einfach umsetzbar ist. Mit der Ausführung als massiver Vollquerschnitt wird schlussendlich noch immer viel Material verwendet, weshalb auch dort der Hebel für eine Neuentwicklung angesetzt werden muss, um bereits bei der Herstellung Primärenergie einzusparen.

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Th. Friedrich · Multifunktionale Betondecken: ein neues Konzept für die Umsetzung

Obere Platte

Heizleitung

Monolitzen Elementplatte Akustikabsorber

Bild 4. Aufbau des Sandwichquerschnitts

Neuentwicklung einer Deckenkonstruktion mit Sandwichquerschnitt

Integrale Funktionsausnutzung durch Integration der Komponenten der Haustechnik innerhalb des Deckenquerschnitts

Will man zukünftig die vorgenannten Anforderungen erfüllen, die thermische Leistung sowie die Qualität beim Leitungseinbau verbessern und die Risiken bei der Tragfähigkeit verringern, so braucht es ein ganzheitliches Konzept [3]. Dazu muss der Querschnitt angepasst werden. Die folgerichtige Entwicklung führt zu einem Sandwichquerschnitt (Bild 4) in Beton, der von seiner Wirkung her mit den Leichtbaukonstruktionen zu vergleichen ist. Die beiden dünnen am äußeren Rand des Querschnitts angeordneten Schalen liefern nahezu den gleichen Biegewiderstand wie ein Vollquerschnitt. Der Schubwiderstand wird durch die wenigen diskreten Rippen gestellt. Diese sind so oder so notwendig, um die beiden Schalen kraftschlüssig miteinander zu verbinden. Durch die Reduktion des Querschnitts auf die beiden dünnen Schalen und auf wenige Rippen wird Material und folglich auch Gewicht eingespart. Die Materialeinsparungen betragen je nach Spannweite und Deckendicke zwischen 30 % und 55 %. Damit werden bereits bei der Herstellung Energie und Ressourcen eingespart und folglich weniger Primärenergie aufgewendet. Die Reduktion des Gewichts und die nahezu gleich große Steifigkeit macht es möglich, mit dem schlanken Querschnitt große Spannweiten stützenfrei zu überbrücken. In Verbindung mit einer vorgespannten Bewehrung, die zudem auch wegen des geringeren Eigengewichts geringer ausfällt, werden große Spannweiten bei geringen Durchbiegungen hergestellt. Große stützenfreie Räume erlauben eine sehr flexible Nutzung, indem die inneren Räumlichkeiten beliebig durch leichte Trennwände angepasst und verändert werden können. Diese hohe Flexibilität sichert dem Gebäude eine hohe Nachhaltigkeit. Die weitgehend einachsige Tragwirkung der Platten mit Sandwichquerschnitt wird bei deren Verwendung zur Herstellung von Flachdecken wie bei der Slim-Floor-Decke durch deckenbündige von Stütze zu Stütze spannende Unterzüge kompensiert. Allerdings braucht es dazu keine Stahl- bzw. Stahlverbundträger, denn ein vorgespannter Betonträger erfüllt den gleichen Zweck. Die Schalung und die Schubbewehrung für den deckengleichen Unterzug werden mit der unteren Schale des Sandwichquerschnitts bereits mitgeliefert.

Mit dem Sandwichquerschnitt stehen erstmalig für die geordnete Montage der Leitungen drei individuelle Ebenen zur Verfügung [3]. Jede der drei Ebenen kann für eine gezielte Anordnung von ausgewählten Leitungen genutzt werden. Die untere Schale wird mit den wassergeführten Rohrleitungen thermisch aktiviert (Bild 5). Gegenüber der klassischen Betonkernaktivierung ermöglichen die geringe Betonmasse, die Isolierung durch den Deckenhohlraum und die oberflächennahe Anordnung der Rohre eine deutlich höhere thermische Leistung sowie eine sehr schnelle Reaktionszeit. Diese Leistungsverbesserung erlaubt die alleinige Raumklimatisierung über die Decke ohne jegliche Zusatzgeräte wie Heizkörper oder Deckensegel. Die schnelle Reaktionszeit in Verbindung mit den auf das Ausbauraster abgestimmten Plattenbreiten und deren Rohrregister macht nun erst die Einzelraumregelung möglich. Die nachteilige Wirkung der glatten Betondecke auf die Raumakustik wird durch spezielle streifenförmige Absorber neutralisiert. Dank der schlanken Geometrie der Absorber können diese ebenfalls in der unteren Schale deckenbündig integriert werden. Leerrohre für Elektroleitungen zur Versorgung von abgehängten Gerätschaften finden eben-

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Bild 5. Einbau der Haustechnik-Komponenten im Fertigteilwerk

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Th. Friedrich · Multifunktionale Betondecken: ein neues Konzept für die Umsetzung

Bild 6. Einbau der großformatigen Lüftungsleitungen innerhalb des Deckenhohlraums

Bild 8. Abschluss der Montage aller Leitungen für die Haustechnik innerhalb des Deckenhohlraums

Bild 7. Montage der unteren Platte als Voraussetzung für den Sandwichquerschnitt

Bild 9. Ergänzung des Sandwichquerschnitts mit der Montage der oberen Platte

falls Platz in der unteren Schale. Entsprechend ist die Abmessung der unteren Schale zu wählen. Die mittlere Ebene, der Deckenhohlraum, steht für die vollständige Integration der Lüftungsleitungen (Bild 6), der Elektrotrassen, der Zuleitungen für die Heizverteiler und für die Sprinklerleitungen zur freien Verfügung. Die Rippen müssen dann allerdings Öffnungen in regelmäßigem Abstand für die Durchführung der Leitungen aufweisen. Schlussendlich kann die obere Ebene für die Anordnung von weiteren Leitungen wie Elektroleerrohre oder auch von wassergeführten Rohrregistern für eine mögliche Fußbodenheizung genutzt werden. In der Regel enthält die obere Ebene die Aussparungen für den Zugriff auf den Deckenhohlraum zur Revision der Leitungen.

für die restlichen Haustechnik-Leitungen werden bereits im Werk montiert. Sobald diese Einheit auf der Baustelle verlegt ist, können die Leitungen über die Plattenfugen hinweg zu einem durchgehenden Strang verbunden werden. Der gesamte Deckenhohlraum steht für die geordnete Leitungsführung zur Verfügung. Die Rippen müssen bereits die Öffnungen für die Leitungsquerung aufweisen (Bild 8). Die Beanspruchungen um die Aussparungen herum können nur mit einer speziellen Form der Bewehrung aufgenommen werden. Je nach Größe der erforderlichen Aussparung reicht bereits speziell gebogener Bewehrungsstahl aus. Alternativ liefert ein Stahlblech innerhalb des Betonstegs als Verbundkonstruktion den geforderten Widerstand [4]. Dank der Herstellung im Werk kann eine präzise Fertigung und Ausführung der Bewehrung bzw. der Verbundelemente gewährleistet werden. Eine parabel- bzw. trapezförmige Kabelgeometrie mit einer nachträglich aufzubringenden Vorspannung (Vorspannung mit oder ohne Verbund) trägt darüber hinaus zum Querkraftwiderstand bei. Damit entlastet die Wirkung aus Vorspannung zusätzliche die Beanspruchungen um die Öffnungen. Sobald alle Leitungen verbunden, verlängert bzw. ergänzt wurden, kann die obere Schale eingebaut werden. Als eigenständige selbsttragende Platteneinheit wird diese auf die Rippen gesetzt (Bild 9). Die statischen Anschlussdetails erlauben eine schubfeste Verbindung der oberen Platte mit der unteren Einheit, so dass der derart entstan-

Herstellung des Sandwichquerschnitts mit vorgefertigten Deckenplatten Der Hohlraum des Sandwichquerschnitts kann nur bedingt in Ortbeton erstellt werden. Deshalb bietet sich der Vorfabrikation eine einmalige Chance, die jeweiligen Deckenelemente und deren Sandwichquerschnitt aus einzelnen vorgefertigten Bauteilen herzustellen und auf der Baustelle zusammen zu setzen. Die untere Schale und die wenigen zugehörigen Rippen werden im Fertigteilwerk als eine Einheit hergestellt (Bild 7). Die vorgesehenen Bauteile der Haustechnik für die untere Schale und die Anschlüsse

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Th. Friedrich · Multifunktionale Betondecken: ein neues Konzept für die Umsetzung

Statik

Tragfähigkeit

TGA

Heizen/ Kühlen

Lüftung

Elektro

Bauphysik

Akustik

Beleuchtung

Bild 10. Aspekte der integralen Planung für multifunktionale Betondecken

Bild 11. Zukünftige Hochbaudecken: weitgespannt, geringer Materialverbrauch, integrierte Leitungen zum Kühlen/Heizen, integrierte Leitungen der Haustechnik

Bild 12. Deckenuntersicht mit Blick auf alle deckenintegrierte Bauteile: Kühlen/Heizen, Akustik, LED-Beleuchtung, Versorgungsleitung Elektro

dene Sandwichquerschnitt zu einer tragfähigen Einheit wird. Die derart erzeugte Einheit des Querschnitts bestimmt die Tragfähigkeit und die Gebrauchsfähigkeit der gesamten Platteneinheit.

ben gerecht werden. Die Entwicklung hat über Jahre zu dem heute verfügbaren Produkt Ceiltec® geführt (Bild 12).

Integrale Planung mit Sandwichquerschnitt

[1] Friedrich, Th., Kornadt, O., Kurz, W., Schnell, J.: Entwicklung eines weitgespannten Sandwichdeckensystems mit integrierter Haustechnik in Verbundbauweise. Beton- und Stahlbetonbau 109 (2014), H. 1, S. 678–688. DOI: 10.1002/ best.201400053 [2] Schnell, J., Thiele, K.: Bemessung von Stahlbetondecken ohne Querkraftbewehrung mit integrierten Leitungsführungen. DIBt Mittteilungen 4/2011. [3] Friedrich, Th.: Multifunktionale Betondecken, Kapitel V. In: Bergmeister, K., Fingerloos, F., Wörner, J.-D. (Hrsg.): BetonKalender 2016. Berlin: Ernst & Sohn 2015. [4] Abramski, M., Friedrich, Th., Kurz, W., Schnell, J.: Tragwirkung von Betondübeln für Sandwich-Verbunddecken mit großen Stegöffnungen. Stahlbau 79 (2010), H. 4, S. 248–258. DOI: 10.1002/stab.201001322 [5] Pafferott, J., Kalz, D., Königsdorff, R.: Bauteilaktivierung: Einsatz – Praxiserfahrung – Anforderungen. Stuttgart: Fraunhofer IRB Verlag 2015.

Mit der Verbreitung der Bauteilaktivierung ist die Planungspraxis erstmalig zu der „integralen Planung“ übergegangen, indem das Zusammenspiel (Bild 10) zwischen Architektur, Bauphysik und Anlagentechnik [5] bedarfsgerecht abgestimmt wird. Ziel muss es sein, mit der Planung und der passenden Umsetzung die zeitgemäßen Kriterien der Nachhaltigkeit, der Energieeffizienz und der Behaglichkeit des Benutzers zu erfüllen. Um den integralen Planungsprozess zu optimieren und die Zusammenarbeit der Planungsverantwortlichen zu erleichtern, braucht es neue an die aktuellen Kriterien angepasste Bauprodukte sowie neue zugehörige Bauprozesse. Das neu entwickelte Produkt der Fertigteildecke mit Sandwichquerschnitt (Bild 11) unterstützt die integrale Planung und auch den passenden Ausführungsprozess. Mit dem neuen Konzept für Deckenplatten mit Sandwichquerschnitt ist eine neue Generation von Betondecken entstanden, die als multifunktionale Betondecken [3] den heutigen Anforderungen an die vielfältigen Aufga-

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Literatur

Autor dieses Beitrages: Dipl.-Ing. Thomas Friedrich INNOGRATION GmbH Cusanusstraße 23, 54470 Bernkastel-Kues

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Aktuell

Aktuell Preisträger des DGNB-Preises „Nachhaltiges Bauen“ 2015 Ein generalsaniertes Wohnhochhaus im Schwarzwald erhielt den DGNB-Preis „Nachhaltiges Bauen“. Die Stiftung Deutscher Nachhaltigkeitspreis e. V. und die Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen DGNB e. V. verliehen die Auszeichnung am 27. November 2015 in Düsseldorf im Rahmen des 8. Deutschen Nachhaltigkeitstages. Überreicht wurde der Preis von Bundesumweltministerin Dr. Barbara Hendricks. Preisträger: Generalsanierung und Aufstockung Wohnhochhaus in Pforzheim Aus der Begründung der Jury Das Projekt „Generalsanierung und Aufstockung Wohnhochhaus in Pforzheim“ adressiert ein verbreitetes Problem des Gebäudebestands aus der Nachkriegszeit: den Umgang mit sanierungsbedürftigen Altbauten. Für das in den 1070erJahren erbaute Wohnhochhaus in zentraler Lage Pforzheims wurde unter dem Primat der „ästhetischen Nachhaltigkeit“ ein interdisziplinäres Generalsanierungskonzept erarbeitet. Die energetische Sanierung geht einher mit der Erneuerung des haustechnischen Konzepts, einschließlich der Verwendung regenerativer Energien, aber auch dem Thema der Nachverdichtung, der Verbesserung der Wohn- und der ästhetischen Qualität. So ist beispielsweise ein Absorber, der Heizwärme und Brauchwassererwärmung erzeugt, nicht sichtbar in die Fassade integriert. Photovoltaikmodule und eine Kleinwindkraftanlage auf dem Dach erzeugen erneuerbaren Strom aus eigenen regenerativen Quellen. Durch die Verwendung recyclingfähiger Baustoffe und den Verzicht

auf Verbundkonstruktionen konnte bei der Generalsanierung und Aufstockung des Wohnhochhauses die eingesetzte graue Energie reduziert werden. Die Aufstockung ermöglicht die Integration einer anderen Wohnungstypologie in den Gebäudebestand mit offenen Grundrissen und großen Terrassen. Zudem kann jede der bestehenden Wohnungen durch die Umwandlung der kleinen vorgehängten Balkone zu großen Loggien einen Zugewinn an Wohnqualität verzeichnen. Aufgrund der exponierten Stelle in der Stadt, gegenüber des Hauptbahnhofs von Pforzheim, wird das Wohnhochhaus, das bereits als Modellprojekt bei mehreren Förderprogrammen aufgenommen wurde, Botschafter in einer öffentlichkeitswirksamen Kommunikation für klimaneutrales Bauen und Sanieren. Überzeugend ist auch die nur moderate Anpassung der Mieten, denen gegenüber etwa 10 % der ursprünglichen Energiekosten bei erheblich gesteigertem Wohnkomfort stehen. Das Projekt „Generalsanierung und Aufstockung Wohnhochhaus“ zeigt in unaufgeregter, fast selbstverständlicher Weise den Umgang mit einem Wohnhochhaus, das den Anforderungen an zeitgemäßes Wohnen nicht mehr entspricht, aber gerade als kompaktes innerstädtisches Wohngebäude mit hoher Dichte an Wohnungen der Zersiedlung und Belastung aus Pendlerverkehr entgegenwirkt. Die Jury wählt das Wohnhochhaus auf Platz 1 des DGNB Preis „Nachhaltiges Bauen“ aufgrund des ausgezeichneten und beispielhaften Beitrags zur nachhaltigen Stadtentwicklung und Erneuerung. Sonderpreis für CUBITY energy-plus and modular future student living, Versailles und Frankfurt am Main Aus der Begründung der Jury CUBITY ist das erste Studentenwohnheim im Plusenergiestandard. Es wurde auf einer Grundfläche von 15 × 15 m

Bild 1. Generalsanierung und Aufstockung Wohnhochhaus, Pforzheim (Bildquelle: Dietmar Strauß, bildermacher architekturfotografie)

von Studierenden der TU Darmstadt als experimentelles Modell für temporäres Wohnen entwickelt. Überzeugend sind das äußerst innovative Raumkonzept, die Modularität, die örtliche Flexibilität und die interdisziplinäre Zielsetzung sozialer und energetischer Suffizienz. Dadurch bietet CUBITY Adaptionspotenziale für weitere Nutzungsformen und somit andere gesellschaftliche Anforderungen wie Flüchtlingswohnen oder Wohnen im Alter. Die konzeptionelle Idee von CUBITY folgt dem Haus-im-Haus-Prinzip. In einer von einer transluzenten Hülle umschlossenen Halle gruppieren sich sechs zweigeschossige Wohnkuben um einen zentralen Platz, dem „Marktplatz“. Jeder Studierende bewohnt einen privaten, in seiner Fläche bis auf das Minimum reduzierten Cube, der dem Leitmotiv des raum- und flächenoptimierten Wohnens gerecht wird. Dieses stellt den wachsenden Wohnflächenbedarf pro Person in Deutschland (derzeit 45 m2) in Frage und verfolgt stattdessen den Ansatz der Selbstbegrenzung – zum einen räumlich, durch die Reduzierung der privaten Wohnfläche, zum anderen thermisch, durch eine intelligente klimatische Zonierung in unterschiedliche Behaglichkeitsbereiche. Damit schafft CUBITY eine neue Wohnform für Studierende mit unterschiedlichen Aufenthaltsqualitäten hinsichtlich thermischem Komfort, Licht sowie Akustik. Eine Zonierung (Pufferzone) ist integraler Bestandteil des Nutzungs- sowie des architektonischen Konzepts und macht die unterschiedlichen Qualitäten erfahrbar. Großzügige Gemeinschaftsflächen setzen auf Interaktion, Kommunikation und soziale Integration, um der wachsenden Anonymität konventioneller studentischer Wohnhäuser entgegenzuwirken. Die modulare Bauweise gewährleistet die Sicherstellung eines nachhaltigen Lebenszyklus. Die aus größtenteils nachwachsenden Materialien gefertigten Bauelemente können unkompliziert rück-

Bild 2. CUBITY, Versailles/Frankfurt a. Main (Bildquelle: Thomas Ott)

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Aktuell gebaut und umgenutzt werden. Niedrige Bau- und Betriebskosten erfüllen darüber hinaus die ganzheitlich angelegte Wirtschaftlichkeitsstrategie. Im städtebaulichen Kontext vermag CUBITY Freiräume oder städtische Brachen durch Zwischennutzung temporär zu nutzen und so ökonomisch flexible Wohnlösungen zu entwickeln. Lobenswert ist nicht nur die erfolgreiche Verbindung von hochwertiger Wohnqualität auf kleinem Raum für möglichst viele Menschen. Überzeugt hat CUBITY auch in seiner Entwicklung, der Verbindung von Forschung und Wohnraum. Die Jury würdigt den innovativen Beitrag zur Baukultur der Nachhaltigkeit des Projekts CUBITY mit der Wahl unter die Top 3 des DGNB Preises „Nachhaltiges Bauen“. Sonderpreis für Energiebunker, Hamburg-Wilhelmsburg Aus der Begründung der Jury Der Energiebunker in Hamburg-Wilhelmsburg ist ein ehemaliger Flakbunker aus dem zweiten Weltkrieg, der erfolgreich zu einem nachhaltigen Energiespeicher umfunktioniert wurde. Das Gebäude steht inmitten eines ca. 1,2 km2 großen Stadt- und Wohngebietes und ist damit direkt an die zu versorgende Infrastruktur angebunden. Der Energiebunker ist ein Projekt der Internationalen Bauausstellung IBA Hamburg. Die deutlich sichtbare 2.000 m2 große Solare Hülle auf dem Dach (1.350 m2 Solarthermie) und an der Südseite der Fassade (670 m2 Photovoltaik) sowie die leicht zugängliche und einfach zu besichtigende Technik des 2.000 m3 Wasser fassenden Energiespeichers im Inneren machen wesentliche Teile der Energiewende sichtbar. Damit versorgt der Energiebunker im Endausbau der Anlagentechnik rund 3.000 Haushalte im Quartier mit bis zu 85 % regenerativ erzeugter Wärme und ca. 1.000 Haushalte mit Strom. Dabei ist der Speicher ein

Bild 3. Energiebunker, Hamburg-Wilhelmsburg (Bildquelle: Frieder Blickle für ERCO)

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Vorreiterprojekt dezentraler Energieversorgung: Er wird durch die Wärme eines biomethanbefeuerten Blockheizkraftwerks, einer Holzfeuerungsanlage, einer solarthermischen Anlage sowie aus der Abwärme eines Industriebetriebs gespeist. Der Energiebunker genießt eine hohe Akzeptanz unter den Quartiersbewohnern, nicht zuletzt da sie umfassend in die Planungs- und Bauphase mit einbezogen wurden. Das Bauwerk bietet neben der „begehbaren“ Energiezentrale mit einem Roof-Top-Café und einer Aussichtsplattform weitere Mehrwerte für Einheimische und Touristen. So ist der Energiebunker zu einem hochfrequentierten Anziehungspunkt im Stadtteil Wilhelmsburg geworden. Auch in der Architektur überzeugt die umgebaute Kriegsruine als Mahnmal und Kulturdenkmal. Der respektvolle Umgang mit der Gebäudestruktur macht sich unter anderem durch die filigran konstruierte solare Hülle im nötigen Abstand zur Gebäudekontur erkennbar. Der Energiebunker zeigt eindrucksvoll, wie Infrastruktur einen städtebaulichen Mehrwert und Identifikation schaffen kann. Damit leistet das Bauwerk einen herausragenden Beitrag zur nachhaltigen Quartiersentwicklung. Die Jury lobt die Umprägung eines Mahnmals zu einer Großskulptur im Park, die intelligente Nutzung regenerativer Energien sowie die innovative Veranschaulichung der Energiewende und würdigt das Projekt „Energiebunker“ mit der Wahl unter die Top 3 des DGNB Preises „Nachhaltiges Bauen“. Weitere Informationen: www.nachhaltigkeitspreis.de

Deutscher Nachhaltigkeitspreis Forschung 2015 an TU Dresden für Verbundbeton C 3 Das Konsortium C3 Carbon Concrete Composite der TU Dresden ist für seinen neuartigen Verbundbeton mit dem Deutschen Nachhaltigkeitspreis Forschung 2015 ausgezeichnet worden. Der Preis wurde am 27.11.2015 im Rahmen des 8. Deutschen Nachhaltigkeitstages in Düsseldorf übergeben. Mit Carbonbeton lässt sich im Bau bis zur Hälfte der Energie und Rohstoffe, die für konventionellen Bau benötigt werden, einsparen. Der Nachhaltigkeitspreis wird helfen, den neuen Werkstoff aus dem Labor auf die Baustelle zu bringen. Das ist das richtige Signal im Wissenschaftsjahr 2015 – Zukunftsstadt. Das ausgezeichnete Konsortium C3 arbeitet mit 130 Partnern aus Forschung, Unternehmen und Verbänden an der Entwicklung und Einführung

des neuen Verbundwerkstoffs Carbonbeton. Er besteht aus Carbonfasern und Hochleistungsbeton, spart bis zu 50 % Material und somit Ressourcen, Emissionen, Kosten und Energie ein. Dank seiner Flexibilität und Langlebigkeit hat C³ das Potential, herkömmlichen Stahlbeton abzulösen. Das Konsortium bindet alle Akteure der Produktentwicklung ein und strebt an, in zehn Jahren bis zu 20 % des bundesweiten Betonbedarfs zu decken. Heute wird im Bausektor fast die Hälfte aller weltweit verarbeiteten Rohstoffe verbraucht, er verursacht rund ein Drittel des Energieverbrauchs und CO2-Emissionen. Die Erforschung und Etablierung des neuen Werkstoffs bietet jetzt eine Chance, die hohe Belastung zu senken ohne Abstriche am Lebens- und Qualitätsstandard. Der Preisträger wurde in Kooperation mit dem Fernsehsender 3sat „nano“ in einem Public Voting ermittelt. Zur Wahl standen drei Finalisten, die von der Expertenjury unter Vorsitz des Generalsekretärs des Rates für Nachhaltige Entwicklung, Prof. Dr. Günther Bachmann, aus 87 Bewerbungen ausgewählt worden waren. Weitere Informationen: www.forschungspreis.de www.bauen-neu-denken.de

Bauaufsichtliche Zulassung für ein reaktives Brandschutzsystem (RBS) für Zugglieder aus Stahl Im November 2015 erteilte das Deutsche Institut für Bautechnik (DIBt) die erste bauaufsichtliche Zulassung für ein reaktives Brandschutzsystem (RBS) für Zugglieder aus Stahl. Grundlage hierfür sind die Forschungsergebnisse der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Zugglieder sind filigrane Bauteile, die überwiegend zur Stabilisierung von Tragwerken sowohl in Neubauten als auch bei der Altbausanierung eingesetzt werden. Um diese Konstruktionen vor Brandeinwirkung zu schützen, werden immer häufiger reaktive Beschichtungssysteme genutzt. Deren großer Vorteil ist, dass durch die relativ geringen Beschichtungsdicken das architektonische Erscheinungsbild der Konstruktionen erhalten bleibt. Im Falle eines Brandes schäumt das reaktive System auf und bildet eine wärmedämmende Schutzschicht um das Stahlbauteil. Die Erwärmung des Stahls verlangsamt sich, die mit steigender Temperatur einsetzende Festigkeitsabnahme des Stahls wird verzögert und die Tragfähigkeit des Bauteils bleibt länger erhalten. Allerdings fehlten für allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen bislang ausrei-

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Aktuell / Technische Regelsetzung chende Kenntnisse über das Verhalten dieser Brandschutzsysteme, die auf Stahlzuggliedern mit Vollprofil Verwendung finden sollten. Daher untersuchten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der BAM aus dem Fachbereich 7.3 Brandingenieurwesen die mechanischen Hochtemperatureigenschaften des eingesetzten Stahls, führten Brandversuche an Stahlzuggliedern mit reaktiver Brandschutzbeschichtung im Realmaßstab sowie numerische Berechnungen mittels der Finite-Elemente-Methode durch. Gefördert wurde dieses Forschungsprojekt über drei Jahre durch das DIBt. Der Einfluss verschiedener Parameter, wie beispielsweise Profilgeometrie, Trockenschichtdicke der reaktiven Brandschutzbeschichtung sowie Höhe der Zugbeanspruchung, wurden untersucht. Insbesondere kreisrunde Stahlbauteile mit kleinem Durchmesser standen im Fokus der Forschung. Ziel war es, Zulassungsgrundsätze und Leitlinien zu erstellen, um reaktive Brandschutzsysteme auf Vollkreisquerschnitten unter Zugbeanspruchung beurteilen zu können. Ferner wurden Bewertungskriterien entwickelt, die es ermöglichen Stahlzugglieder mit reaktiver Brandschutzbeschichtung in entsprechende Feuerwiderstandsklassen einzuordnen. Reaktive Brandschutzsysteme unterscheiden sich hinsichtlich der erforderlichen Trockenschichtdicke, Höhe und Struktur der Aufschäumung, thermischen Schutzwirkung sowie Rissbildung und Rissheilungsvermögen. Deshalb ist eine produktbezogene Prüfung in Form von Brandversuchen unverzichtbar. Anhand der Brandversuche werden das Aufschäum- und Rissverhalten sowie die thermische Schutzwirkung des verwendeten reaktiven Brandschutzsystems untersucht und Versagensmechanismen identifiziert. Die in der BAM erarbeiteten Methoden dienen als Grundlage für allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen des DIBt. Als weltweit erstes Produkt wurde das reaktive Brandschutzsystem „HENSOTHERM® 420 KS“ der Firma Rudolf Hensel GmbH nach dem neuen Verfahren geprüft und bewertet. Die nun vorliegende allgemeine bauaufsichtliche Zulassung erhöht die Sicherheit im Brandfall – Sicherheit macht Märkte. Weitere Informationen: Dr.-Ing. Sascha Hothan Abt. 7 Bauwerkssicherheit Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) Unter den Eichen 87 12205 Berlin Tel. +49(0)30/8104-1003 E-Mail: sascha.hothan@bam.de www.bam.de

Technische Regelsetzung EnEV: Anhebung der Anforderungen an Neubauten zum 1. Januar 2016 und befristet geltende Änderungen Die letzte Novelle der Energieeinsparverordnung (EnEV), die am 1. Mai 2014 in Kraft getreten ist, enthält unter anderem eine Anhebung der Neubauanforderungen, die zum 1. Januar 2016 wirksam geworden ist: Der erlaubte Jahres-Primärenergiebedarf für Neubauten wird um durchschnittlich 25 % und der Wert für die Mindestwärmedämmung der Gebäudehülle um durchschnittlich 20 % gesenkt. Die Anforderungen an die energetischen Anforderungen an Neubauten sind somit seit dem 1. Januar 2016 entsprechend strenger. Befristet geltende Änderungen der EnEV im Hinblick auf die Unterbringung von Flüchtlingen Wegen der aktuellen Herausforderungen bei der Unterbringung von Flüchtlingen haben Bund und Länder ein Maßnahmenpaket beschlossen, um bestehende Hemmnisse zu beseitigen. Eine entsprechende Verordnung, die am 28. Oktober 2015 in Kraft getreten ist, sieht einige – befristet bis Ende 2018 geltende – Ergänzungen in der EnEV vor. Diese enthält in einem neu eingefügten § 25a EnEV bestimmte Erleichterungen bei den Anforderungen an Aufnahmeeinrichtungen und Gemeinschaftsunterkünfte im Sinne des Asylgesetzes. Die Änderungen sollen die Unterbringung von Flüchtlingen in zu errichtenden provisorischen Gebäuden sowie die Umrüstung von bestehenden Gebäuden in Aufnahmeeinrichtungen und Gemeinschaftsunterkünfte vereinfachen und beschleunigen. So gilt beispielsweise für die Errichtung von Containerbauten mit einer maximalen Standzeit von fünf Jahren eine Freistellung von den Vorgaben der EnEV. Für bestehende Gebäude, die der Flüchtlingsunterbringung dienen, gibt es Erleichterungen bei den Dämmpflichten. Die Zweite Verordnung zur Änderung der Energieeinsparverordnung wurde am 21. November 2013 im Bundesgesetzblatt verkündet und ist am 1. Mai 2014 in Kraft getreten. Anlässe für die Novellierung waren die Umsetzung der neu gefassten EU-Richtlinie über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden (2010/31/EU) sowie der Kabinettbeschlüsse zum Energiekonzept und zur Energiewende vom September 2010 beziehungsweise Juni 2011, soweit sie das Energieeinsparrecht für Gebäude betreffen.

Weitere Informationen: www.bmub.bund.de

Auftakt von CEN/TC 442 Building Information Modelling (BIM) Am 16. September 2015 trafen sich am Hauptsitz des Europäischen Komitees für Normung (CEN – Comité Européen de Normalisation) in Brüssel etwa vierzig Delegierte der nationalen Normungsorganisationen aus ganz Europa zur Auftaktsitzung des Technischen Komitees TC 442 „Building Information Modeling (BIM)“. Mit dabei waren auch zwei Vorstandsmitglieder von buildingSMART. CEN ist eine der drei großen Normungsorganisationen in Europa und zuständig für alle technischen Bereich mit Ausnahme von Elektrotechnik und Telekommunikationstechnik. Bis zur NormReife werden die technischen Details zu einzelnen Themen in einem so genannten „Technical Committee“ (kurz: TC) erarbeitet. Die aus dem CEN-Normungsverfahren hervorgehenden Normen müssen dann in nationale Normen überführt werden, normalerweise indem sie einfach nur in nationale Regelwerke gespiegelt werden – in Deutschland bspw. in das DIN-Normenwerk. Der vom DIN Arbeitsausschuss BIM (DIN-005-01-39AA BIM) ernannten vierköpfigen Delegation aus Deutschland gehörten auch zwei Vorstandsmitglieder des deutschsprachigen buildingSMART an. Als Delegationsleiter Dr.-Ing. Thomas Liebich, gleichzeitig Obmann des DIN-Arbeitsausschuss BIM, und Prof. Rasso Steinmann, der den VDI Koordinierungskreis BIM im DIN vertritt. Bei dem Kick-Off wurden erste Eckpunkte für das weitere Vorgehen verabredet. Dazu gehören die Übernahme bestehender ISO Normen, wie ISO 16739 „IFC“, sowie die Gründung von vier Arbeitsgruppen („Working Group“, kurz: WG), deren Sekretariate von vier verschiedenen Ländern gestellt werden: – CEN/TC 442/WG 1 Strategy and Planning (UK), – CEN/TC 442/WG 2 Exchange information (D), – CEN/TC 442/WG 3 Information Delivery Specification (A), – CEN/TC 442/WG 4 Support Data Dictionaries (F). Deutschland hat den Zuschlag für die Federführung und damit für das Sekretariat für die Arbeitsgruppe 2 „Informationsaustausch“ erhalten. Das beim DIN einzurichtende Sekretariat wird aller Voraussicht nach durch die neuenplanen-bauen 4.0 GmbH direkt unterstützt. Die Gesamtkoordination des TC 442 übernimmt Norwegen.

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Veranstaltungen Thema

Termin/Ort

Informationen/Anmeldung

60. Betontage – Potenziale der Betonbauteile und Betonfertigteile von morgen

23. bis 25. Februar 2016, Neu-Ulm

Tel. +49(0)711/32732-327 info@betontage.de www.betontage.de

BIM kompakt – Seminar

25. Februar 2016, Berlin

DIN-Akademie im Beuth Verlag Tel. +49(0)30/2601-2868 dinakademie@beuth.de

7. Internationaler Holz[Bau]Physik-Kongress: 25. und 26. Februar 2016, Energieeffizienz, Feuchteschutz und Brandschutz Leipzig

www.holzbauphysik-kongress.eu

Mauerwerkstage 2016

25. Februar 2016, Fürth 01. März 2016, Leipzig 03. März 2016, Berlin 08. März 2016, Karlsruhe 10. März 2016, Darmstadt

www.wienerberger.de

Brandschutztechnik in der Praxis – Funktionen und Wechselwirkungen

29. Februar bis 1. März 2016, Frankfurt/M.

VDI Wissensforum www.vdi-wissensforum.de

Energieeinsparverordnung (EnEV 2014/ 2016): Anforderungen und Folgen für die Praxis

1. März 2016, Wuppertal

Der Energieausweis nach Energieeinsparverordnung 2014

15. März 2016, Wuppertal

Technische Akademie Wuppertal taw-wuppertal@taw.de www.taw.de/seminare/bauwesen/

Brandschutznormung und Ingenieurmethoden im Brandschutz

7. bis 9. März 2016, Ostfildern

Technische Akademie Esslingen www.tae.de/seminare

32th Internationales WTA-Kolloquium – Bauinstandsetzen + Bauphysik VII: Forschungen und Entwicklungen

10. und 11. März 2016, Hildesheim

www.wta.de/schriften/veranstaltungen

42. Jahrestagung für Akustik (DAGA 2016)

14. bis 17. März 2016, Aachen

www.daga2016.de

11. GRE-Kongress: Bausteine für die Energiewende

17. und 18. März 2016, Kassel

Gesellschaft für Rationelle Energieverwendung GRE e.V. www.gre-online.de

42. Aachener Bausachverständigentage

11. und 12. April 2016, Aachen

www.aibau.de

17. Biberacher Forum Gebäudetechnik

14. April 2016

Seminar Energiemanagement für Gebäude- und Anlagentechnik

28. bis 29. April 2016

Akademie der Hochschule Biberach www.akademie-biberach.de

Internationale Passivhaustagung 2016

22. bis 23. April 2016, Darmstadt

Passivhaus-Institut www.passivhaustagung.de

Sachverständiger für Energieeffizienz von Gebäuden

29. April 2016, Dresden

EIPOS – Europäisches Institut für postgraduale Bildung GmbH eipos@eipos.de www.eipos.de

18th to 20th May 2016, Karlsruhe

www.hs-karlsruhe.de/pcm2016.html Christina.Strauch@hs-Karlsruhe.de

Call for papers 11th IIR Conference Topics: – Thermophysical properties of Phase Change – Materials (PCMs) and Slurries – Transport phenomena of PCMs and Slurries: mass, momentum and heat transfer – Time-dependent behavior of PCMs and Slurries – Direct contact heat exchange

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Arbeiten in … Abu Dhabi – VAE

Aufwendige Wasserhaltung in der Wüste Fünf Fragen an Dipl.-Ing. Architektin Sabine Steinert, Bereichsleiterin Gebäude International, OBERMEYER Planen + Beraten GmbH

Skyline von Abu Dhabi

1. Die Planung für das 700-Betten-Krankenhaus begann 2007. Wie plant man ohne den hierzulande gewohnten Krankenhausrahmenplan? Im Gegensatz zu Deutschland/Europa erhält man hier vor Ort sehr oft nur wenige Vorgaben vom Bauherrn. Vielmehr ist eine Beratung bereits in sehr frühen Phasen der Projekt-Konzeption basierend auf ‚international best practice‘ gefragt. Dementsprechend begann auch unser Projekt für das Al Ain Hospital mit einer der Planung vorangestellten Projektstudie. Dabei wurden basierend auf den lokalen Gegebenheiten (Bevölkerungsstruktur, Einzugsbereich, Krankheitsbilder) und internationalen Vergleichswerten, die medizinische Ausrichtung, die Bettenanzahl, die notwendige Ausstattung etc. festgelegt. Parallel wurde mit ersten Studien zur räumlichen Konzeption begonnen, wobei großer Wert auf Flexibilität und Erweiterbarkeit gelegt wurde, um trotz weniger Vorgaben eine gewisse Planungssicherheit zu erhalten und zukünftige Entwicklungen und Änderungen leichter integrieren zu können.

– praktische Hinweise für Einreise und Alltag Als Tourist kann man jederzeit für 30 Tage einreisen. Eine Aufenthaltsgenehmigung für einen längeren Zeitraum ist nur mit einem gültigen Arbeitsvertrag vor Ort möglich. Wasser sollte man auf keinen Fall aus der Leitung trinken, ansonsten ist die Verpflegung unkompliziert, weil für jeden Geschmack etwas dabei ist. Öffentlicher Nahverkehr ist wenig vorhanden, dafür sind Taxis preiswert und überall zu finden. Wichtig: Die Arbeitswoche geht von Sonntag bis Donnerstag.

2. Warum spielt seit Neuestem die Reha in Abu Dhabi eine Rolle? In der traditionellen Beduinengesellschaft in den Vereinigten Arabischen Emiraten lag ein starker Fokus auf der Familie. Alte und Kranke wurden durch Angehörige gepflegt, was auch in den letzten Jahren noch immer funktioniert hat. Durch die zunehmende Veränderung der Gesellschaft (geringere Geburtenraten, zunehmende Lebenserwartung) bricht das traditionelle Familiengefüge immer mehr auf. Somit wird eine außerfamiliäre Organisation der Rehabilitation nach einer schweren Krankheit notwendig. Als eines der ersten Projekte dieser Art in den Vereinigten Arabischen Emiraten konnten wir eine integrierte Reha am Al Ain Hospital umsetzen. 3. Welche Besonderheiten waren in der Konzeptionsphase zu beachten? Wie immer beim Planen im Ausland muss man sich zu Beginn mit den örtlichen Gegebenheiten auseinandersetzen. Dazu gehören neben zumeist bekannten klimatischen und städtebaulichen Aspekten vor allem auch lokale gesellschaftliche Besonderheiten. Da die Familie einen hohen Stellenwert einnimmt, kommen z. B. die meisten Patienten mit sehr viel Begleitung. Dementsprechend werden viele große Wartezonen und größere Untersuchungs- und Behandlungsräume benötigt. Besuch wird traditionell in separaten Räumen, sogenannten „Majlis“ empfangen. Weitere zusätzliche Flächen werden für Gebetsräume benötigt und wie bei Großprojekten üblich, war auch eine Moschee zu integrieren. Die Religion spielt sogar bei der Anlage der Toiletten eine Rolle. Sie dürfen nicht nach Mekka ausgerichtet sein.

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– erforderliche Papiere Deutsche Staatsangehörige erhalten ein ‚visa on arrival‘ für 30 Tage bei der Einreise. Für eine Anstellung vor Ort ist eine Arbeitserlaubnis und Aufenthaltsgenehmigung erforderlich. Dafür sind u.a. ein mindestens sechs Monate gültiger Reisepass, ein Gesundheitstest vor Ort sowie Originale inkl. beglaubigter Kopien der Ausbildungsabschlüsse notwendig.

(© OBERMEYER)

Dipl.-Ing. Architektin Sabine Steinert, Bereichsleiterin Gebäude International, OBERMEYER Planen + Beraten GmbH

WISSENSWERTES ZUM BAUARBEITSMARKT IN ABU DHABI IM ÜBERBLICK:

Krankenhaus Al Ain: Visualisierung Patientenzimmer für Frauen

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Arbeiten in … Abu Dhabi – VAE Ein ganz entscheidender Unterschied ist jedoch die Geschlechtertrennung, die von separaten Wartezonen und Aufenthaltsräumen für das Personal bis zu einer kompletten Duplizierung von Funktionen (z. B. bei der Physiotherapie) reicht. Diese Anforderungen sind uns bereits aus der Planung verschiedener Bildungseinrichtungen bekannt, bei denen häufig nahezu der gesamte Campus dupliziert und auch physisch durch Mauern getrennt wird. 4. Wieso konnte Wasser bei der Gründung eines Bauwerks in der Wüste zum Thema werden und wie begegneten Sie dem? Der Standort unseres Projekts, Al Ain, liegt mitten in der Wüste, ist jedoch eine Oasenstadt. Daher gibt es schon in geringer Tiefe Grund- und Schichtenwasser, was eine relativ aufwendige Wasserhaltung während des Aushubs erforderte. Entsprechend ist die Bodenplatte 1,50 m dick um genügend Masse gegen den Auftrieb vor allem während der Bauzeit zu gewährleisten. Die Gründung ist als Schwarze Wanne ausgeführt, da es sich vor Ort als sehr schwierig erwies, die Betonqualität für eine Weiße Wanne zu erhalten.

Das Krankenhaus Al Ain im Gesamtmodell BIM

AUF EIN WORT © Thomas Flotmann

– Steuern Bisher keine. Es gibt aber erste Überlegungen dies in Zukunft zu ändern.

5. Das Projekt war für Obermeyer ein BIM-Pilotprojekt. Welche Rolle hat es im Rückblick gespielt? Die Planung des Al Ain Hospital Projekts war von Anfang an mit einem sehr hohen Zeitdruck verbunden. Um ein Projekt dieser Größe – ca. 330.000 m2/6.000 Räume/9.000 Türen – über alle Disziplinen konsistent und mit möglichst geringem Risiko umsetzen zu können, hatte sich unser Unternehmen für eine Planung mit BIM entschieden. Hierzu wurde gezielt entsprechende BIM- und Auslandserfahrung ‚importiert‘, indem wir zusätzliche Mitarbeiter aus dem Ausland geholt haben. Obwohl es für unser Team damals nicht einfach war, neben einem sowieso schon komplexen Großprojekt in einer fremden Sprache und in einem fremden Land auch noch eine neue Software zu nutzen, hat sich diese Entscheidung am Ende für unser Unternehmen ausgezahlt. Ohne BIM wären wir mit der Menge der Daten und der notwendigen Dokumente nicht in der geforderten Zeit fertig geworden. Große Teile unserer BIM-Erfahrung, die wir jetzt in neue Projekte einbringen können, haben wir an diesem Projekt entwickelt. Das wurde 2010 auch mit einem entsprechenden BIM-Award gewürdigt. Und auch wenn die Mitarbeiter damals viel über BIM und die damit verbundenen neuen Prozesse und Programme geflucht haben, keiner möchte heute zur konventionellen 2D-Planung zurückkehren.

Bevor wir mit dem Bau unseres Projekts in Al Ain begonnen haben, hatten wir viele Bedenken, dass die Umsetzung sehr chaotisch verlaufen würde und dass es am Ende schwierig sein würde, das gewünschte Ergebnis zu erreichen. Doch das genaue Gegenteil ist der Fall. Ich habe selten eine derart durchorganisierte Baustelle gesehen. Unser Bauleitungsteam ist verglichen mit Deutschland mit 90 Mitarbeitern sehr groß und für jedes erdenkliche Thema gibt es Formulare und Prozeduren, die zu unserem Erstaunen auch wirklich befolgt werden. Jeder, der auf die Baustelle will (auch jeder Gast), erhält eine komplette Schutzausrüstung, zu der auch Sonnenbrille und Handschuhe gehören. Das Betreten der Baustelle selbst ist für die Arbeiter nur mit Fingerabdruck und allgemein für jeden nur nach einer umfassenden (und halbjährlich zu wiederholenden) Sicherheitsschulung möglich, die neben Englisch und Arabisch u. a. in zehn verschiedenen indischen Sprachen abgehalten wird. Ohne diese Regeln zu befolgen, kommt man nicht auf die Baustelle, egal wie wichtig man ist – das musste einmal selbst unsere Geschäftsführung erfahren.

– interessante Links http://www.auswaertiges-amt.de/DE/ Aussenpolitik/Laender/Laenderinfos/ 01-Nodes_Uebersichtsseiten/Vereinigte ArabischeEmirate_node.html http://www.uaeinteract.com/

© Helmut Teichmann

(© OBERMEYER)

Visualisierung Krankenhaus Al Ain

– Gehälter Die Gehälter sind im Durchschnitt höher als in Deutschland, vor allem wenn man bei internationalen Unternehmen angestellt ist. Generell sind Europäer als ‚ausländische Spezialisten‘ zumeist sehr gut bezahlt.

Skyline von Abu Dhabi bei Nacht

(© OBERMEYER)

(© OBERMEYER)

Beachpolo

Kamelrennen

– offene Stellen in welchen Bereichen Prinzipiell werden von vielen internationalen Firmen immer Architekten und Ingenieure gesucht, um vor Ort Projekte sowohl zu planen als auch in der Ausführung zu betreuen. Des Weiteren sind auch immer Spezialisten mit besonderen Fachkenntnissen als Berater gefragt.

Baustelle Al Ain Hospital

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Ernst & Sohn Stellenmarkt · Februar 2016

Lehren und Forschen an einer dynamischen Hochschule für angewandte Wissenschaften! Wir suchen Persönlichkeiten, die auf der Grundlage einer überdurchschnittlichen Promotion ihre umfassenden praktischen Erfahrungen aus ihrer beruflichen Position in die Lehre und Forschung an unserer Hochschule einbringen wollen. Praxisnähe, interdisziplinäre Ausbildung, internationale Ausrichtung und regionale Einbindung prägen unser Profil. Exzellente Qualität von Lehre und Forschung ist unser Anspruch. Im Fachbereich 1: Architektur Bauingenieurwesen Geomatik ist je eine Professur (Bes. Gr. W 2 HBesG) für folgende Fachgebiete zu besetzen:

Professur für das Fachgebiet „Baustoffkunde“

(Kennziffer 10/2016) Gesucht wird eine promovierte Persönlichkeit mit einem HochschulAbschluss im Bereich Bauingenieurwesen. Die Befähigung zur wissenschaftlichen Arbeit sowie pädagogische Eignung werden vorausgesetzt. Die/Der Stelleninhaber/-in soll Lehrveranstaltungen in allen Bachelor- und Masterstudiengängen des Fachbereichs 1 übernehmen. Der Schwerpunkt liegt im Bereich des Bachelor „Bauingenieurwesen“ und im Master „Zukunftssicher Bauen“. Von den Bewerberinnen und Bewerbern werden vertiefte Fachkenntnisse und Berufserfahrung in verschiedenen Bereichen der Baustoffkunde erwartet. Hier sind fundierte Kenntnisse der Grundlagen, Materialprüfung und Modellierung erforderlich. Darüber hinaus sind Kenntnisse im Bereich des nachhaltigen Bauens erwünscht.

Professur für das Fachgebiet „Immobilienbewertung“ (Kennziffer 11/2016)

Gesucht wird eine promovierte Persönlichkeit mit einem HochschulAbschluss in den Bereichen der Geodäsie/Architektur/Bauingenieurwesen oder einem vergleichbaren Abschluss. Die Befähigung zur wissenschaftlichen Arbeit sowie pädagogische Eignung werden vorausgesetzt. Die/Der Stelleninhaber/-in soll Lehrveranstaltungen in allen Bachelor- und Masterstudiengängen des Fachbereichs 1 ArchitekturBauingenieurwesen-Geomatik übernehmen. Der Schwerpunkt liegt in der Lehreinheit Geoinformation und Kommunaltechnik. Von den Bewerberinnen und Bewerbern werden vertiefte Fachkenntnisse und Berufserfahrung in der Immobilienbewertung des bebauten und unbebauten Grundstücks und von baulichen Anlagen erwartet. Kenntnisse über den Einfluss der Stadt- und Landentwicklung auf die Immobilienwerte werden ebenso erwartet wie die Kenntnisse hinsichtlich des Einflusses der Immobilienbewirtschaftung auf die Immobilienwertentwicklung. Erfahrungen in der internationalen Immobilienbewertung sind von Vorteil. Wir erwarten von unseren Professorinnen und Professoren: Hohe Präsenz an der Hochschule und intensive Betreuung der Studierenden; Beteiligung an der Grundlagenausbildung, d. h. die Vertretung des jeweiligen Fachgebiets in einführender Form in allen Studiengängen des Fachbereiches; Befähigung und Neigung zur Forschung und Einwerbung von Drittmitteln; Gender- und Diversitykompetenz; Beteiligung an den internationalen Aktivitäten der Hochschule, einschließlich Lehre in englischer Sprache; Mitwirkung im interdisziplinären Studium generale; Beiträge zum Angebot der Hochschule in Weiterbildung und lebensbegleitendem Lernen; Übernahme von Verantwortung im Rahmen der akademischen Selbstverwaltung; kontinuierliche Weiterbildung in Fachwissenschaft und Hochschuldidaktik; Bereitschaft zur standortübergreifenden Kooperation mit anderen Hochschulen der Region; Engagement und Initiative im Rahmen eines leistungsorientierten Entgelts. Die Frankfurt University of Applied Sciences tritt für die Erhöhung des Beschäftigungsanteils von Frauen ein und fordert daher nachdrücklich Frauen zur Bewerbung auf. Menschen mit Behinderungen werden im Rahmen der geltenden Bestimmungen bevorzugt berücksichtigt. Es gelten die Einstellungsvoraussetzungen der §§ 61 und 62 des Hessischen Hochschulgesetzes. Die Stelle steht unbefristet zur Verfügung. Bei der ersten Berufung in ein Professorenamt erfolgt die Beschäftigung zunächst in einem Beamtenverhältnis auf Probe bzw. in einem unbefristeten Beschäftigungsverhältnis mit einer 3-jährigen Probezeit. Weitere Dienstaufgaben und Voraussetzungen ergeben sich aus §§ 6163, 68 und 69 des Hessischen Hochschulgesetzes vom 14.12.2009 (GVBl. I S. 666) in der neuesten Fassung, zuletzt geändert durch Gesetz vom 28.09.2014 (GVBl. I S. 221) - einzusehen unter www.hmwk.hessen.de. Bewerbungen mit den üblichen aussagefähigen Unterlagen (inkl. Publikationsverzeichnis, Projekte, Darstellung bisheriger Lehr- und Forschungstätigkeit) werden auf dem Postweg bis 15.03.2016 unter Angabe der Kennziffer erbeten an den Präsidenten der Frankfurt University of Applied Sciences Abteilung Personal, Nibelungenplatz 1, 60318 Frankfurt. www.frankfurt-university.de

Wissen durch Praxis stärkt

Die Frankfurt University of Applied Sciences (FRA-UAS) - mit über 13.000 Studierenden und über 900 Mitarbeitenden in Lehre, Forschung und zentralen Serviceeinheiten - liegt gut erreichbar mitten im Zentrum der Metropolregion Frankfurt-Rhein-Main. Für unseren Fachbereich 1: Architektur Bauingenieurwesen Geomatik in der Lehreinheit Bauingenieurwesen suchen wir zum nächstmöglichen Zeitpunkt - unbefristet - eine/einen

Technische Angestellte/ Technischen Angestellten im Labor für Baustoffe und Bauwerkserhaltung und Bauphysik

(Beschäftigungsumfang 100 % = 40 Std./Wo.) Kennziffer: 4/2016

Ihre Aufgaben: Das Aufgabengebiet umfasst die Mitarbeit im Fachgebiet für Baustoffe, Bauphysik und Bauwerkserhaltung. Es handelt sich um eine Kombination aus Tätigkeiten in der Materialprüfung und in der Lehre. Zu den Aufgaben in der Material- und Bauwerksprüfung gehören unter anderem die eigenständige Entwicklung von Versuchsprogrammen für anspruchsvolle Prüfaufgaben, die selbstständige Erarbeitung von Prüfanweisungen für Prüf- und Messaufgaben, die eigenverantwortliche Betreuung und Durchführung von Drittmittelprojekten sowie die technische Organisation des Laborbetriebs. Im Rahmen der Lehre wird die didaktische Aufarbeitung wissenschaftlicher Literatur, die eigenständige Ausarbeitung und Durchführung von Laborvorführungen und die fachliche Betreuung der Studierenden bei Praktika, Projekten und Abschlussarbeiten gefordert. Darüber hinaus erwarten wir Ihre Mitarbeit in den Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten des Labors. Ihr Profil: Hochschulabschluss im Bereich Bauingenieurwesen oder verwandten Fachrichtungen (Bachelor oder FH-Diplom); Vertiefte Kenntnisse im Bereich der Grundlagen des Fachgebiets sowie der Materialprüfung und Messtechnik; Kenntnisse im Umgang und der Anwendung von Normen und anerkannten Regeln der Technik; Fähigkeit, eigenständig Versuchsprogramme auch abweichend von der Norm zu entwickeln; Erfahrung im Umgang mit der Erstellung von Steuerungsanweisungen für Prüfmaschinen; Bereitschaft, sich schnell und eigenständig in neue Messtechniken und -methoden einzuarbeiten; didaktische und ingenieurpädagogische Kenntnisse und Fähigkeiten. Darüber hinaus erwarten wir sicheres Auftreten, selbstständiges und eigenverantwortliches Arbeiten, Einsatzbereitschaft, Teamfähigkeit, Flexibilität, ausgeprägte Bereitschaft zur fachbezogenen Weiterbildung sowie gute Englischkenntnisse. Die Vergütung erfolgt je nach Qualifikation bis Entgeltgruppe 11 TV-Hessen. Die Frankfurt University of Applied Sciences tritt für die Erhöhung des Beschäftigungsanteils von Frauen ein und fordert daher nachdrücklich Frauen zur Bewerbung auf. Menschen mit Behinderung werden im Rahmen der geltenden Bestimmungen bevorzugt berücksichtigt. An der FRA-UAS besteht grundsätzlich die Möglichkeit zur Teilzeitbeschäftigung. Als Trägerin des Zertifikats „Familiengerechte Hochschule“ berücksichtigt die Hochschule ihre individuelle familiäre Situation bei der Gestaltung Ihrer Arbeitszeit. Bewerbungen mit den üblichen aussagefähigen Unterlagen (bitte nur in Kopie und nicht in Mappen, da diese nicht zurückgesandt, sondern nach Abschluss des Verfahrens vernichtet werden) sind bis zum 15.03.2016 unter Angabe der Kennziffer auf dem Postweg erbeten an die Abteilung Personal der Frankfurt University of Applied Sciences, Nibelungenplatz 1, 60318 Frankfurt. www.frankfurt-university.de

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Impressum Die Zeitschrift „Bauphysik“ veröffentlicht Beiträge aus den Bereichen Wärme, Feuchte, Schall, Brand, Stadtklima sowie energiesparendes Bauen und Raumklima mit besonderem Bezug auf die bauphysikalischen Grundlagen, auf innovative Lösungen bei Berechnung, Konstruktion und Ausführung und damit im Zusammenhang stehende Fragestellungen. Verlag: Wilhelm Ernst & Sohn – Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG Rotherstraße 21, D-10245 Berlin Tel. +49(0)30/47031-200, Fax +49(0)30/47031-270, info@ernst-und-sohn.de, www.ernst-und-sohn.de Amtsgericht Charlottenburg HRA 33115B Persönlich haftender Gesellschafter: Wiley Fachverlag GmbH, Weinheim Amtsgericht Mannheim: HRB 432736 Geschäftsführerin: Franka Stürmer Steuernummer: 47013/01644, Umsatzststeueridentifikationsnummer: DE 813496225

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Wissenschaftlicher Beirat: Prof. Dr.-Ing. Heinz-Martin Fischer, HFT Stuttgart Univ.-Prof. Dr.-Ing. Nabil A. Fouad, Leibniz Universität Hannover, Hannover Univ.-Prof. em. Dr.-Ing. habil Dr. h. c. mult. Dr. E. h. mult. Karl Gertis, Holzkirchen Prof. Dr.-Ing. Hans-Gerd Meyer, Berlin Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Andreas Wagner, KIT Karlsruhe

Alle Preise sind Nettopreise. Das Abonnement gilt zunächst für ein Jahr. Es kann jederzeit mit einer Frist von drei Monaten zum Ablauf des Bezugsjahresendes schriftlich gekündigt werden. Das Abonnement verlängert sich um ein weiteres Bezugsjahr ohne weitere schriftliche Mitteilung. Spezielle Angebote und Probeheftanforderungen unter: www.ernst-und-sohn.de

Chefredakteurin: Dipl.-Ing. Claudia Ozimek Tel.: +49(0)30/47031-262, Fax: +49(0)30/47031-227, claudia.ozimek@wiley.com Redaktion: Petra Franke Tel.: +49(0)30/47031-279, Fax: +49(0)30/47031-227, petra.franke@wiley.com

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Vorschau 2/16 Dietmar Mähner, Jacob Lengers, Carina Brand „Energieklinker“ – System zur Nutzung solarer Wärmeenergie in Klinkerfassaden Es wird ein Forschungsvorhaben vorgestellt, welches das Ziel verfolgte ein System zu entwickeln, mit dessen Hilfe die solare Strahlung auf Klinkerfassaden für Heizzwecke nutzbar gemacht werden kann. Das System wurde an klein- und großformatigen Versuchsaufbauten unter realen Wetterbedingungen getestet. Neben der messtechnischen Bestimmung des Entzugspotenzials wurden weiterhin die für die technische Umsetzung wichtigen Fragestellungen bearbeitet. Ein besonderer Fokus lag bei der Entwicklung von praxistauglichen Einbaumethoden unter Verwendung von etablierten und genormten Bauprodukten.Nach ersten Erkenntnissen scheint die Nutzung dieser Energie mithilfe von Wärmepumpen technisch möglich. Johann Schwaller, Paul Wegerer, Thomas Bednar Modifikation des Glaser-Verfahrens zur Berücksichtigung solarer Strahlung und konvektiver Feuchteeinträge In der Literatur zeigte sich, dass ein Hauptproblem bei der Anwendung des Glaser-Verfahrens darin besteht, dass das Bauteilverhalten aufgrund der vereinfachten in die Berechnung eingehenden Klima- und Konstruktionsrandbedingungen teilweise nicht richtig wiedergegeben werden kann, z. B. bei Außenwänden mit kapillaraktiven Innendämm-

systemen, Flachdächern in Holzbauweise. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die im Glaser-Verfahren nicht erfassten klimatischen Einflüsse bzw. Feuchteeintragsquellen über eine Veränderung der eingehenden Klimaparameter (Temperatur und relative Luftfeuchte) zu berücksichtigen. So war es in DIN 4108-3:2001 beispielsweise möglich, bei Dachkonstruktionen aufgrund der solaren Einstrahlung von einer erhöhten Oberflächentemperatur auszugehen. Es wird ein alternativer Ansatz verfolgt. Dabei wird das Glaser-Verfahren durch eine Erweiterung der Wärme- und Feuchtestromgleichungen modifiziert. Alina Schoof, Azra Korjenic Ökologische und ökonomische Gebäudebewertung für ein Einfamilienhaus in Varianten Der Beitrag beschäftigt sich mit den ökologischen und ökonomischen Sachverhalten bei der Errichtung, der Instandhaltung und dem Abbruch eines EFH über einen Lebenszyklus von 100 Jahren. Dazu wurde eine ökologische Bilanzierung und ökonomische Kalkulation unterschiedlicher Bauweisen vorgenommen: Massivbauweise und Holzleichtbauweise. Im Rahmen der Untersuchung wurde ein reales Einfamilienhaus in zwei Ausführungen ökologisch und ökonomisch analysiert und bewertet. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Darstellung der Ergebnisse bzw. die Wahl der physikalischen Einheit Vorteile bzw. Nachteile für eine bestimmte Bauweise verschaffen kann.

Michael Grafe Die Verbrauchsstrukturanalyse – ein einfaches und schnelles Verfahren zur energetischen Bewertung bestehender Nichtwohngebäude Über den Energiebedarf und -verbrauch von Nichtwohngebäuden im Bestand ist wenig bekannt. Die Erhebung dieser gebäudebezogenen Energiekennwerte gestaltet sich zudem aufwändig, was eine vollständige Erhebung ganzer Gebäudebestände erschwert. Zur Einordnung des energetischen Zustandes eines Gebäudes im Vergleich mit anderen Nichtwohngebäuden eines Portfolios und die Ermittlung von gebäudeindividuellen Einsparpotentialen liegen bisher keine geeigneten Benchmarks vor. Das hier vorgestellte Verfahren setzt genau an diesen Punkten an.

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