Unsichtbarer Energieverbrauch

Unsichtbarer Energieverbrauch – tec 21 / 10.7.01
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Unsichtbarer Energieverbrauch
Ueli Kasser, Hansruedi Preisig, Judith Wydler
Am Zentrum für Nachhaltiges Gestalten, Planen und Bauen der Zürcher Hochschule Winterthur
ZHW hat sich in den letzten Jahren ein wachsendes Knowhow über die Graue Energie von Gebäuden entwickelt. Dieser Aspekt in der Bauökologie wird im Rahmen der Weiterbildung gelehrt 1
und fliesst zunehmend auch in den Lehrplan des Architekturstudiums an der Fachhochschule
ein2. Mehrere Diplomarbeiten haben die Graue Energie von Gebäuden zum Thema und im
Rahmen von Dienstleistungsaufträgen wurden für Bauherren und Architekten Gebäude und Projekte unter dem Blickwinkel der Grauen Energie analysiert und optimiert. Vor zwei Jahren wurde
ein kommerzielles EDV-Programm für den Heizwärmebedarf und andere bauphysikalische Berechnungen durch die Graue Energie erweitert 3. Das Programm enthält eine umfangreiche Datenbibliothek, die periodisch aktualisiert wird.
Bedeutung
Die Graue Energie hat sich als ein einfacher, praxistauglicher und zuverlässiger Indikator für
den "ökologischen Rucksack" von Baustoffen, Bauteilen und Gebäuden erwiesen. Sie ist direkt
abhängig vom Stofffluss, der bei einem Verbrauch von einigen Tonnen Baustoffen pro Jahr
und Einwohner ausserordentlich hoch ist4. Vor dem Hintergrund knapp werdender Ressourcen
und einer begrenzten Belastbarkeit der Biosphäre, ist es notwendig, dass man sich im Rahmen
der Nachhaltigkeit auch mit der Grauen Energie von Gebäuden beschäftigt. Für eine gesamtheitliche und abschliessende Beurteilung ist die Graue Energie in den Kontext der übrigen
Bewertungskriterien von Entwurf und Konstruktion zu stellen, um einer integralen Betrachtungsweise gerecht zu werden. Eine einseitige Grauenergie-Optik kann bei der Schlussbeurteilung zu
Fehlinterpretationen führen, wie dies übrigens auch bei der Betriebsenergie der Fall ist. So lässt
sich beispielsweise die Frage ob Holz- oder Massivbau allein aufgrund der energetischen Aspekte nicht schlüssig klären.
Zeitaufwand
Ein Hindernis in der praktischen Umsetzung ist der relativ grosse Aufwand zur Berechnung der
Grauen Energie eines Gebäudes. Selbst mit Hilfe von EDV-Programmen, nimmt die Berechnung eines Gebäudes ohne weiteres mehrere Stunden in Anspruch. Soll der Stofffluss eines
Gebäudes zum praktisch handhabbaren Kriterium werden, sind einfache Methoden und Instrumente gefragt. Eine solche wurde für die Beurteilung von Wettbewerbseingaben im Rahmen des
Forschungsprogrammes SNARC5 entwickelt. Sie erlaubt eine schnelle Grobabschätzung und
basiert auf den Erkenntnissen aus der Analyse bestehender Gebäude.
Wohnüberbauung "In Böden" als Beispiel
Im Bild 1 sind Graue Energie und Masse nach Bauteilen eines Wohngebäudes pro m2 Energiebezugsfläche aufgezeichnet. Es handelt sich um die vorstädtische Wohnsiedlung "In Böden" des
Architekturbüros A.D.P. in Zürich, die 1995 fertiggestellt wurde. Sie umfasst drei viergeschossi-
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ge Wohngebäude, die über eine eingeschossige Kindertagesstätte verbunden sind (vgl. Bild 2).
Die Graue Energie wurde nach Fertigstellung anhand detaillierter Pläne und einem ausführlichen Materialbeschrieb berechnet, und zwar für ein Wohngebäude inkl. Untergeschoss mit Unterniveaugarageanteil6. Das Haus ist in Massivbauweise gebaut. Untergeschosse und Decken
sind aus bewehrtem Beton, die Aussenwände aus Kalksandstein mit aussenliegender Wärmedämmung und vorgehängten Faserzementplatten. Nicht berechnet wurde der Aufwand an
Grauer Energie für den Aushub, die Terraingestaltung und Umgebung, die Entsorgung der Baustellenabfälle, die Baumaterialtransporte vom Lieferanten auf die Baustelle sowie die Herstellung und Montage der haustechnischen Analgen und Installationen. Aus verschiedenen Untersuchungen weiss man, dass die vier nicht berücksichtigten Bereiche zusammen höchsten 10 bis
maximal 15 % der "gesamten" Grauen Energie ausmachen7. D.h. die auf einen m2 Energiebezugsfläche (EBF) bezogene Graue Energie würde sich um maximal 750 MJ erhöhen (Bild 1).
Das Untergeschoss weist einen relativ hohen Anteil an Grauer Energie auf, was auf die unterirdischen Garagen zurückzuführen ist. Der Anteil der Fenster ist relativ gering. Untergeschoss,
Aussenwände, Decken, Dach und Innenwände/Innenausbau machen ungefähr je einen Fünftel
der Grauen Energie aus. Untergeschoss- und Dachanteil sind von der Anzahl Geschosse abhängig, während Aussenwände und Decken sowie Innenausbau/Innenwände eher von der Gebäudeform und von den spezifischen Konstruktionen abhängig sind. Nach unserer Erfahrung
darf man diese Aufteilung im Sinne einer Faustregel auf jedes mehrgeschossige Gebäude anwenden.
Graue Energie und Betriebsenergie
Ein Vergleich von Grauer Energie und Betriebsenergie erfordert eine zeitliche Betrachtung. In
Bild 3 sind die Graue Energie, die anfangs in die Wohnsiedlung für den Bau "investiert" wurde
und die Zufuhr von Primärenergie für die Heizung über 30 Jahre aufgezeichnet. Nicht in diesem
Diagramm enthalten ist die elektrische Energie für Beleuchtung, Haushaltapparate sowie
Warmwasseraufbereitung. Die Heizwärmezufuhr ist beim untersuchten Gebäude nach 30 Jahren signifikant grösser als die Graue Energie. Das hängt vor allem damit zusammen, dass der
Heizwärmebedarf Qh mit ca. 210 MJ/m2 EBF und Jahr verhältnismässig hoch liegt. Hätte man
beispielsweise im selben Objekt einen Minergiestandard (Qh ca. 85 MJ/m2 und Jahr) realisiert ,
wäre die Summe aus Grauer Energie und Betriebsenergie über 30 Jahre deutlich niedriger (Variante in Bild 3). Bei der Minergievariante erhöht sich die Graue Energie um etwa um 8 %. Die
Hälfte dieser Mehrinvestitionen ist auf die Erhöhung der Dämmstoffdicke von 14 auf 20 cm bei
Wand und Dach zurückzuführen. Die andere Hälfte wäre in Materialien und Komponenten der
mechanischen Bedarfslüftung zu investieren. Diesem Mehraufwand steht jedoch eine viel grössere Einsparung im Betrieb gegenüber. Der Mehraufwand an Grauer Energie für den Minergiestandard ist energetisch bereits nach drei bis vier Jahren amortisiert. Über dreissig Jahre
betrachtet bringt die Minergievariante eine Einsparung von 35 % resp. rund 5000 MJ / m2 .Das
entspricht ca. 135 Liter Heizölaequivalenten oder 300 kg Kohlendioxidemissionen. Das Beispiel
zeigt die heute allgemein anerkannte Tatsache, dass ein niedriger Betriebsenergieverbrauch
entsprechend dem Niveau des Minergiestandards bzw. der Zielwerte der Norm SIA 180/1: 2001
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"Thermische Energie im Hochbau" Priorität hat. Diese Zielsetzung hat Vorrang vor allen Überlegungen zur Grauen Energie. Wird jedoch ein solch niedriges Niveau erreicht, so wird die Graue
Energie des Gebäudes zunehmend bedeutender. Am Beispiel "In Böden" (Bild 3) lässt sich zeigen, dass die Graue Energie innerhalb einer 30 Jahres-Betrachtung mehr als die Hälfte der
"Gesamtenergie" ausmacht. Deshalb stellt sich im Niedrigenergiebereich zwangsläufig die Frage, wie auch die Graue Energie optimiert werden kann.
Fassadenmaterial und Dachaufbau
Für Dach und Aussenwand wurden am Beispiel "In Böden" verschiedene Varianten gerechnet.
Zwei davon sind in Bild 4 aufgezeichnet. Bei der Variante A wurde anstelle des bestehenden
Kompaktdaches ein Kunststofffoliendach berechnet, bei der Variante B wurde die hinterlüftete
Fassade aus Faserzementplatten durch eine verputzte Aussenwärmedämmung ersetzt. Diese
Veränderungen an der Gebäudehülle haben einen geringen Einfluss auf die Graue Energie des
gesamten Gebäudes. Beim Kunststoffdach verringert sich die Graue Energie um etwa 3 %, bei
der verputzten Aussenwärmedämmung um weniger als 1 % gegenüber dem bestehenden Bau.
Solche Unterschiede liegen im Bereich der Unsicherheiten und Fehlertoleranzen.
Gebäudeform und Grösse
Nach der Entwurfsphase lässt sich aufgrund dieser Erkenntnisse die Graue Energie kaum mehr
wesentlich beeinflussen, während bei der Betriebsenergie noch ein grösserer Spielraum vorhanden ist. Die Graue Energie wird somit primär in der Entwurfsphase durch den Architekten
und Bauherren bestimmt, während die Betriebsenergie sowohl in der Projektierung durch den
Architekten wie in der Bewirtschaftung durch den Benutzer oder bei späteren Sanierungen beeinflusst werden kann. Weil bei allen Gebäuden ein grosser Teil der Grauen Energie in der Gebäudehülle und in den Unter- und Garagegeschossen enthalten ist, sind Gebäudegrösse und
die -Form die entscheidenden Faktoren. Dach, Aussenwände und Untergeschoss machen beim
"In Böden" ca. 65 % aus. Je grösser und kompakter das Gebäude (kleines Verhältnis Oberfläche zu Volumen), desto geringer ist der Anteil der energieintensiven Gebäudehülle. Bei kleineren und aufgelösteren Formen (grosses Verhältnis Oberfläche zu Volumen) nimmt die auf die
Geschossfläche bezogene Graue Energie zu.
Oberflächen/Volumen-Verhältnis
Das lässt sich anhand von drei Modellgebäuden einfach illustrieren (Bild 5). Reduziert man einen Würfel von der Kantenlänge 9 Meter auf einen solchen von 6 Meter, so bleibt zwar die Form
gleich, das Verhältnis Oberfläche zu Volumen O/V nimmt jedoch deutlich zu. Pro Volumeneinheit, resp. pro m2 Geschossfläche muss mehr Oberfläche „aufgewendet“ werden. Dementsprechend ist auch die auf die Geschossfläche bezogene Graue Energie bei gleicher Materialisierung signifikant höher. Wird ausgehend von selben Würfel unter Beibehaltung des Volumens
resp. der Geschossfläche nur die Form verändert, so ergibt sich ebenfalls eine signifikante Erhöhung der Grauen Energie. Der Einfluss von Grösse und Form wird in der Regel unterschätzt.
Durch kompaktere, sich dem Würfel annähernde Formen lassen sich bis zu einem Viertel an
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Grauer Energie einsparen. Selbstverständlich ist die Graue Energie nicht das alleinige Kriterium
zur Bestimmung von Grösse und Form. Bei allzu kompakten Gebäuden besteht die Gefahr,
dass gerade jene Nischen und Bereiche verloren gehen, die für Erholung und Begegnung wichtig sein können und die einen Beitrag an eine hohe Wohnqualität erbringen können. Es gilt also,
zwischen den verschiedenen Forderungen abzuwägen und in einer integralen Betrachtungsweise die optimale Lösung zu finden.
Bauweise
Die Materialisierung der Aussenwände, Dächer und Decken ist eine weitere wichtige Einflussgrösse, die während der Entwurfsphase, das heisst in einem frühen Planungsstadium festgelegt
werden. Dabei geht es weniger um die einzelnen Schichten als um das Konstruktionsprinzip.
Eine Massivbauweise erfordert zwischen 1.5 bis 2 t Baustoffe pro m2 Energiebezugsfläche,
während eine Leichtbauweise in Holz in der Regel weniger als 1 t/m2 aufweist. Bei einem mittelgrossen Gebäude kann man davon ausgehen, dass sich die Graue Energie bei einer Leichtbauweise in Holz gegenüber einem Massivbau um etwa einen Drittel reduzieren lässt. Allerdings
darf auch die Bauweise analog der Form und Kompaktheit nicht nur aufgrund der Grauen Energie alleine beurteilt werden. Die Vorteile der Masse in Bezug auf Schallschutz, Wärmespeicherung und Brandschutz sind ebenso in eine gesamtheitliche Beurteilung mit einzubeziehen.
Fensterkonzept
Ein weiterer wesentlicher Faktor stellt das Fenster dar. Je nach Grösse der Fenster, Rahmenanteil und Rahmenmaterial können Fenster pro Flächeneinheit ein Mehrfaches an Grauer Energie
aufweisen als geschlossene Aussenwände. Diese ist hauptsächlich im Rahmenmaterial enthalten. Das Wärmeschutzglas ist pro Flächeneinheit etwa gleich energieintensiv wie eine geschlossene Aussenwand. Erhöht man beispielsweise den Anteil Metallfenster an der Fassade eines
mittelgrossen Gebäudes von 40 auf 60 %, so erhöht sich die Graue Energie pro Geschossfläche etwa um 15 %. Bei Holz/Metall-, Kunststoff- und Holzfenstern ist der Einfluss deutlich geringer. Das Fensterkonzept ist mit Überlegungen zu möglichen Energiegewinnen und Witterungsschutz zu ergänzen.
Ausblick
Wie über viele Aspekte der Nachhaltigkeit wird auch über die Graue Energie als Mass für den
Ressourcenaufwand eines Gebäudes zu einem grossen Teil in der Entwurfsphase entschieden.
In der Projektierungsphase ist der Einfluss auf den Stofffluss nur noch bescheiden. Damit Planerinnen und Planern ihren Einfluss wahrnehmen können, sind die komplexen Zusammenhänge
zwischen Grösse, Form und Materialisierung auf das Wesentliche zu reduzieren. Ein paar einfache Regeln müssen nachvollziehbar sein. Wie die Kostenfolgen von Entscheiden in frühen Phasen, müssen auch die Konsequenzen für die Ressourcenintensität erkennbar werden. Mit der
"Systematik zur Beurteilung von Wettbewerben und Studienaufträgen" SNARC8 sind erstmals
einfache Grobabschätzungen möglich und können in den Rahmen der Nachhaltigkeit eingeordnet werden.
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Bild 1
Graue Energie und Massen pro m2 Energiebezugsfläche der viergeschossigen Wohnüberbauung "In
Böden" in ZH-Affoltern (Systemgrenzen vgl. Text, geschätzter Anteil: Aushub, Haustechnik, Baustellenenergie und Baustellenabfälle, Transporte auf die Baustelle)
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Bild 2
Bild 3
Wohnünerbauung 'In Böden' in Zürich-Affoltern, Siedlungs- und Baugenossenschaft Waidmatt Zürich.
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Primärenergie in MJ pro m EBF
Gesamtenergiebetrachtung der Wohnüberbauung "In Böden" über die ersten 30 Jahre Nutzung für
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Bild 4
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Istzustand: Qh ca. 210. MJ/m EBF und Jahr
Variante Minergie: Qh ca. 85 MJ/m2 EBF und Jahr
2
Graue Energie in MJ/m EBF
Der Einfluss von Konstruktionen: Das Verändern von Dach- oder Aussenwandkonstruktionen bei einem
bestehenden Gebäude hat einen geringen Einfluss auf die Graue Energie. Bestehend: Kompaktdach mit
hinterlüfteter Aussenwärmedämmung und Eternitfassade, Variante A: Kunststoffdach, Variante B: Verputzte Aussenwärmedämmung.
9m
20.25 m
6m
Würfel 6 m
Oberfläche/
Volumen O/V
1.00 m
2
Geschossfläche GF
76 m
Total MJ/m2 GF
5000
Bild 5
–1
Würfel 9m
0.666 m
243 m
2311
–1
2
Längsquader
0.765 m
243 m
–1
2
2831
Der Einfluss von Form und Grösse eines Gebäudes schematisch: bei gleicher Materialisierung ist das
Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen O/V hauptsächlich für die Höhe der Grauen Energie verantwortlich.
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Adresse der Verfasser:
Ueli Kasser dipl. chem. Ökologe SVU, Prof. Hansruedi Preisig dipl. Arch. SIA, Judith Wydler dipl.
Arch. HTL, Zentrum für nachhaltiges Gestalten, Planen und Bauen, 8401 Winterthur
www.nachhaltigesbauen.ch
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Nachdiplomkurs "Aspekte der Bauökologie"; 20 Kurstage jeweils alle 14 Tage am Freitag zwischen Ende Oktober und anfangs Juli, ZHW Zentrum für nachhaltiges Gestalten, Planen und Bauen
Vertiefungsthema Nachhaltigkeit im 4. Studienjahr an der Abteilung Architektur an der ZHW
3
Thermo 2000; Programm für Energienachweise, Wärme- und Feuchteschutz, Graue Energie; Thermo Bauphysik
Dr. J. Krieg, Ruhtalstrasse 30, 8400 Winterthur.
4
Nachhaltiges Bauen in der Schweiz; Koordinationsgruppe des Bundes für Energie- und Ökobilanzen, Bern,
.
1996
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Systematik zur Beurteilung der Nachhaltigkeit bei Architekturwettbewerben und Studienaufträgen, Das Projekt
wurde von verschiedenen öffentlichen und privaten Bauherren sowie der KTI des Bundesamtes für Berufsbildung und Technologie BBT unterstützt, der Schlussbericht erscheint Mitte dieses Jahres.
6
Forschungsarbeit in Zusammenarbeit mit dem AWEL, Abt. Energie des Kantons Zürich, präsentiert anlässlich
der Veranstaltung im September 2000 an der ZHW.
7
vgl. u.a.Geiger, B., Fleissner, Th.,; Stoffliche und energetische Lebenszyklusanalysen von Wohngebäuden. In:
Gesamtheitliche Bilanzierung von Energiesystemen, VDI- 1328, Düsseldorf 1997.