Technische Ausrüstungen für Green Buildings

Technische Ausrüstungen für
Green Buildings
Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Heiko Timmer
Geschäftsführer
Ingenieurbüro Timmer Reichel GmbH
Beratende Ingenieure, Sachverständige und Generalplaner
Ohligser Straße 37
42781 Haan
T +49 (0)2129. 9377-0
F +49 (0)2129. 32033
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Dienstag, 2. Juni 2009
6 Münsteraner Facility Management Tag
Inhalt
1
Gesetzliche Grundlagen ökologischer Nachhaltigkeit ......................................................3
2
Green Building..................................................................................................................3
3
4
2.1
Begriff .......................................................................................................................3
2.2
Zertifizierung.............................................................................................................4
Technische Ausrüstungen ................................................................................................4
3.1
Low-Exergy-Techniken.............................................................................................4
3.2
Energieerzeugung ....................................................................................................5
3.3
Energieverteilung......................................................................................................6
3.4
Energieübergabe an den Raum ...............................................................................6
Zusammenfassung ...........................................................................................................7
6. Münsteraner Facility Management Tag
1
S. 3
Gesetzliche Grundlagen ökologischer Nachhaltigkeit
In der Europäischen Union entstehen ca. 40% des Primärenergiebedarfs durch den Betrieb
von ca. 160 Millionen Gebäuden. Somit findet sich im Gebäudebestand das größte Potential
zur Reduzierung des Treibhausgases Kohlendioxid (CO2). Die Europäische Union (EU) hat
sich im Kyoto-Protokoll verpflichtet, ihre CO2-Emissionen zwischen den Jahren 1990 und
2010 um 330 Mio. t zu reduzieren. Um dieses Ziel zu erreichen, sollen allein durch Verringerungen des Energieverbrauchs in Gebäuden 45 Mio. t CO2 eingespart werden. Hierzu muss
der Primärenergiebedarf der Gebäude um 22% sinken. Dieses Ziel ist in der European Energy Performance of Buildings Directive (EPBD) festgelegt. Die EPBD wurde am 16.12.2002
erlassen und ist von den Mitgliedsstaaten in nationales Recht umzusetzen.
Die Energieeinsparverordnung (EnEV) ist das prominenteste Beispiel eines Gesetzes, das
auf der EPBD beruht. Sie beinhaltet Anforderungen an neu zu errichtende und bestehende
Gebäude mit dem Ziel der Energieeinsparung. Die EnEV wurde in kurzen Abschnitten immer
wieder überarbeitet, schon in 2009 wird eine neue Fassung den zulässigen Primärenergiebedarf von Neubauten um weitere 30% gegenüber den ohnehin starken Anforderungen der
bestehenden EnEV absenken.
Die EnEV verwendet für die Berechnung des Primärenergiebedarfs die Vorgaben der DIN V
18599. Somit ist erstmals eine Vornorm in einem Gesetz erwähnt. Das umfangreiche Berechnungsverfahren berücksichtigt alle in Gebäuden üblichen Techniken und den Nutzereinfluss über standardisierte Nutzerprofile. Alternativ ist unter bestimmten Voraussetzungen die
Erstellung von Energiepässen auf Basis historischer Verbrauchswerte zulässig.
2
2.1
Green Building
Begriff
Unter „Green Building“ versteht man Gebäude, bei denen in allen Phasen des Lebenszyklus
Nachhaltigkeit erzielt werden soll. Ein wichtiger Aspekt der Nachhaltigkeit ist der ökologische
Einfluss, der sich in einem niedrigen Primärenergiebedarf, aber auch in der Schonung anderer natürlicher Ressourcen darstellt. Zudem sind ökonomische Aspekte, wie die Flexibilität
der Immobilie und die Leistungsfähigkeit der Nutzer, sowie soziale Aspekte, wie Gesundheit
und Komfort, zu berücksichtigen.
Die Mehrkosten durch die Investition in nachhaltige Techniken refinanzieren sich im Idealfall
über den Lebenszyklus. Daher bieten sich eine integrale Planung und Lebenszykluskostenbetrachtungen an.
6. Münsteraner Facility Management Tag
2.2
S. 4
Zertifizierung
Für die energetischen Ziele von Green Buildings gibt es Normen wie die EnEV, die einen
Vergleich unterschiedlicher Qualitäten erlauben. Bei den übrigen Aspekten ist dies selten der
Fall. Der Markt verlangt nach einem Zertifikat, das ein Maß für die Nachhaltigkeit eines Gebäudes bietet und somit ein Benchmark mit anderen Gebäuden erlaubt.
Es haben sich bereits in vielen Ländern Institutionen gegründet, die ein solches Zertifikat anbieten.
•
USA: U.S. Green Building Council: LEED
•
Frankreich: Association HQE: HQE
•
UK: UK Green Building Council: BREEAM
•
Japan: JSBC: CASBEE
•
Deutschland: DGNB (Deutsche Gesellschaft für nachhaltiges Bauen)
Die Anforderungen sind dabei sehr unterschiedlich. Die Kategorie „silber“ in der USamerikanischen LEED-Zertifizierung entspricht in etwa einem Neubau, der dem herrschenden, deutschen Gesetz entspricht. Einen Fahrradständer bewertet das LEED-System mit
ebenso vielen Punkten wie eine effiziente Gebäudeautomation. Diese Beispiele verdeutlichen, dass die Zertifikate international nicht vergleichbar sind.
Es handelt sich bei obigen Zertifikaten um quasi privatwirtschaftliche Institutionen oder eingetragene Vereine ohne gesetzliche Auszeichnung. Ein offizielles Zertifikat bietet das
GreenBuilding-Programm der EU. Gebäude durchlaufen einen standardisierten Bewertungsprozess und erhalten bei Erfolg die Auszeichnung „GreenBuilding-Partner“. Das Programm
wird in Deutschland durch die Energieagentur (dena) unterstützt. Planer, die an zertifizierten
Gebäuden mitgewirkt haben, dürfen sich „GreenBuilding-Unterstützer“ nennen.
3
3.1
Technische Ausrüstungen
Low-Exergy-Techniken
Nachhaltige Techniken sollten nicht nur wenig Energie verbrauchen, sondern auch mit möglichst geringwertiger Energie auskommen. Der thermodynamische Begriff der Exergie erweitert die Energie um ihre Wertigkeit, insbesondere das Temperaturniveau, auf dem die Energie zur Verfügung steht. Umweltwärme, die in unerschöpflicher Menge aber auf einem sehr
niedrigen Temperaturniveau vorliegt, ist zum Heizen weniger wertvoll als Energie mit ausreichend hoher Temperatur. Elektrische Energie ist reine Exergie, da sie sich für beliebige Zwecke eignet.
Ein grundlegendes Ziel in der Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden ist daher, die erforderlichen Temperaturdifferenzen zwischen der Wärme-/Kälteerzeugung und der Energieübergabe im Raum zu minimieren. Zum Heizen sollen möglichst niedrige Heiztemperaturen,
6. Münsteraner Facility Management Tag
S. 5
im Kühlfall umgekehrt möglichst hohe Kühltemperaturen ausreichen. Hierzu sind in der Regel großflächige, statische Systeme oder intelligente dynamische, konvektive Systeme erforderlich.
Im Folgenden werden stichpunktartig Techniken aufgeführt, die sich prinzipiell für den Einsatz in Green Buildings eignen.
3.2
Energieerzeugung
Die Energieerzeugung in Green Buildings sollte so effizient wie möglich gestaltet sein. Für
die Bereitstellung von Wärme und Kälte bietet sich die Nutzung von Umweltenergien an. Um
Wärme und Kälte vom verfügbaren auf das benötigte Temperaturniveau zu transferieren,
stehen thermodynamische Kreisprozesse zur Verfügung, wie sie in einer Wärmepumpe Anwendung finden.
Die Planung sollte auch die Nutzung von Abwärmen aus dem Gebäude selbst, z.B. aus
EDV-Bereichen, betrachten. Diese ist bei vielen modernen Gebäuden möglich, da diese im
Jahresverlauf typischerweise eine Kühllast in der gleichen Größenordnung wie die Heizlast
aufweisen. Stünden leistungsfähige Speichertechniken zur Verfügung, wäre es sogar denkbar, ein modernes Gebäude im Jahresmittel beinahe energieautark zu versorgen.
Neben den bekannten Eisspeichern, die zur Kältespeicherung die Schmelzwärme des Eises
nutzen, werden seit kurzer Zeit Materialen erforscht, welche das selbe Prinzip bei höheren
Temperaturen verwenden. Diese „phase change materials“ werden chemisch entsprechend
konstruiert. Sie bestehen in der Regel aus Paraffinen. Sie können sowohl in Baustoffe selbst
integriert werden, um die Trägheit des Bauwerks in Decken, Wänden und Böden zu erhöhen,
als auch in haustechnischen Anlagen wie RLT-Geräten eingesetzt werden.
Die gleichzeitige Erzeugung von Wärme und Strom in Blockheizkraftwerken ist sehr effizient,
jedoch anlagentechnisch aufwendig. Bereits in der Planung müssen Folgekosten, insbesondere durch Wartung, berücksichtigt werden.
Zur Energieerzeugung in Green Buildings können sich folgende Techniken anbieten:
•
Wärmepumpe / Kältemaschine in Kombination mit Geothermie
•
Abwärmenutzung, z.B. von EDV-Bereichen
•
Solarthermie
•
Photovoltaik
•
Latentwärmespeicher
o
•
Kraft-Wärme-Kopplung
o
•
PCM – phase change materials
Blockheizkraftwerke
Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung
6. Münsteraner Facility Management Tag
o
S. 6
Blockheizkraftwerke in Kombination mit Ab- oder Adsorptionskälte
•
Kältemaschine mit Freikühlbetrieb
•
Desiccant-Cooling-Prozess
•
Wärmerückgewinnung
•
Biomasse
Holzfeuerungen sind in der Liste nicht enthalten, da sie trotz der sehr guten CO2-Bilanz in
der Regel hohe Feinstaubemissionen zeigen. Wird dieser Aspekt bei der Planung hinreichend beachtet, so sind auch Holzfeuerungen für den Einsatz in Green Buildings geeignet.
3.3
Energieverteilung
Die Energieverteilung in Gebäuden erfolgt in der Regel mit Wassersystemen oder in der Kältetechnik auf mit Kältemitteln. Der Transport des Mediums erfordert einen Aufwand an elektrischer Energie, um die Reibungsverluste an den Rohrwänden zu überwinden. Moderne,
zentrale Pumpen enthalten eine Drehzahlregelung, die bei verminderter Leistungsabnahme
im Netz auch die Pumpenleistung reduziert.
Eine noch bessere Leistungsanpassung ist mit dezentralen Pumpen möglich, die in einem
klassischen Heizungsnetz z.B. an jedem Heizkörper sitzen. Die Entwickler erwarten hierdurch eine Reduzierung der Brennstoffkosten um bis zu 20%1.
Es eignen sich daher für die Energieverteilung in Green Buildings:
3.4
•
Dezentrale Pumpensysteme
•
Elektronisch geregelte, zentrale Pumpen
Energieübergabe an den Raum
Die Übergabe von Wärme und Kälte an den Raum muss sich an den Erzeugersysteme orientieren. Niedertemperaturheiz- und Hochtemperaturkühltechniken benötigen Techniken im
Raum mit hoher Effizienz. Geeignet sind hier in der Regel großflächige Systeme und dynamische, konvektive Systeme.
Typische Vertreter der großflächigen Systeme sind Betonkerntemperierungen, Fußboden-,
Decken-, und Wand-Heiz-Kühl-Systeme. Aufgrund ihrer Größe und der Integration in Baumaterialien wie Beton und Estrich sind sie tendenziell träge und daher eingeschränkt regelbar. Sie eignen sich für Räume ohne sehr dynamische, innere Lasten. Die Systeme sind geräuschfrei und durch die große Strahlungsfläche sehr behaglich. Besondere Bauformen, die
sich z.B. in berippten Hochleistungs-Heiz-Kühl-Decken finden, kompensieren den Nachteil
der schlechten Regelbarkeit.
1
Meyer, F. (2006): „Dezentrale Heizungspumpen“, S. 4.
6. Münsteraner Facility Management Tag
S. 7
Dynamische, konvektive Systeme bewegen Luft über einen Wärmetauscher. Dieser Effekt
reduziert ihr Bauvolumen erheblich und sorgt für eine sehr schnelle Regelbarkeit. Konvektive
Systeme können die Konditionierung der Raumluft relativ exakt an die Raumnutzung anpassen. Bei geschickter Regelung schalten die Systeme erst bei Nutzung des Raums ein und
stellen in kürzester Zeit den behaglichen Raumzustand ein. Bei Verlassen des Raums schalten sie unmittelbar und ohne signifikanten Nachlauf wieder ab und erlauben eine gleitend
abgesenkten Energiesparbetrieb. Im Gegenzug entstehen Luftbewegung und Geräusche.
Bei Planung ist daher die Vermeidung von Zugerscheinungen und Strömungsgeräuschen
besonders zu beachten.
In modernen Gebäuden entstehen etwa zwei Drittel des Heizenergiebedarfs durch Lüftungswärmeverluste. Weitere Reduzierungen des Heizenergiebedarfs setzen folglich mechanische Lüftungsanlagen mit einer Wärmerückgewinnung voraus. Solche Systeme gibt es
nicht nur für aufwendige zentrale raumlufttechnische (RLT) Anlagen. Auch dezentrale Lüftungssysteme, die im Bereich der Fassade integriert werden, oder Wohnungslüftungssysteme bietet der Markt an. Der Luftaustausch erfolgt dabei dezentral über die Fassade. Innerhalb der Geräte wird die Luft je nach Bauart auch geheizt und gekühlt.
Innerhalb der Räume von Green Buildings können beispielsweise folgende Techniken verbaut werden:
•
Großflächige Heiz-Kühl-Systeme
o
Decke
o
Wand
o
Boden
o
Betonkerntemperierung
•
Fassaden-Heiz-Kühl-Systeme
•
Ventilatorkonvektoren mit entsprechender Konstruktion
•
Mechanische Be-/Entlüftung mit Wärmerückgewinnung
•
Latentwärmespeicher
o
4
PCM – phase change materials
Zusammenfassung
Green Buildings sind nachhaltige, energieeffiziente Gebäude, die sich neben einer Optimierung der Gebäudesubstanz durch eine effiziente Gebäudetechnik auszeichnen.
6. Münsteraner Facility Management Tag
S. 8
Literaturverzeichnis
Cox, P. & Fischer Boel, M. (2002): „Directive 2002/91/EC of the European Parliament and
the Council of 16 December 2002 on the energy performance of buildings”. In: Official Journal of the European Communities.
NN (2006): „GreenBuilding. Energieeffizienz in Nichtwohngebäuden.” Deutsche EnergieAgentur dena (Hrsg.).
NN (2006): „GreenBuilding Programm. Unterstützer-Leitfaden.” Deutsche Energie-Agentur
dena (Hrsg.).
NN (2008): „DGNB“. Elektronische Information. Deutsche Gesellschaft für nachhaltiges Bauen e.V. (DGNB).
NN (2003): “The Energy Performance of Buildings Directive - A summary of its objectives
and contents “. Chartered Institution of Building Services Engineers (Hrsg.).
Bauer, M. (2007): „Der Einfluss von Green Buildings auf den Immobilienmarkt der Zukunft“.
Vortragsunterlagen Konferenz für Lebenszyklus-Management (ILM).
Meyer, F. (2006): „Dezentrale Heizungspumpen“. In: BINE Projektinfo, Nr. 13, ISSN 09378367.
Technische Ausrüstungen für
Green Buildings –
Gebäudeenergiepass und
ökologische Nachhaltigkeit
6. Münsteraner Facility Management Tag
Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Heiko Timmer
Endenergieverbrauch in Deutschland
Etwa 1/3 des gesamten Endenergie-Verbrauchs in Deutschland entfällt
auf Raumheizung, Warmwasser und Strom.
Quelle: DIW
1
European Energy Performance of Buildings Directive
• EPBD: erlassen 16.12.2002
• 160 Mio. Gebäude in der EU verbrauchen
40% des Primärenergiebedarfs
• Kyoto Protokoll: CO2-Reduktion von 330
Mio. t von 1990 – 2010
• Einsparung von 22% bis 2010
• Entspricht 45 Mio. t CO2
Energetische Bewertung
2
Hegener, H.-D.: "Einführung von Energieausweisen Klimaanlagen", BMWi.
Rouvel, L. (2004): "Bewertung der Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden", TU
München.
Inhalt der DIN 18599
Vergleichbarkeit von Gebäudekosten
Wo bleibt die Fahrweise, d.h. der Nutzereinfluss?
3
Durchschnittswerte der Betriebskosten
von Bürogebäuden
Jones Lang LaSalle (2005): OSCAR 2005 Büronebenkostenanalyse
Bauunterhalt
8%
Verwaltung
9%
öff. Abgaben,
Versicherung
10%
Wartung,
Instandsetzung,
Hausmeister
25%
Bewachung
9%
Reinigung
19%
Wärme, Kälte,
Wasser
10%
Strom
10%
Grafik: Energieagentur NRW. Daten: Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit, 2004.
Mineralölwirtschaftsverband, 2004. Tecson-Digital, 2004.
Energiepreise
Strom
Gas
Heizöl
4
Grafik: Energieagentur NRW. Daten: Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit, 2004.
Mineralölwirtschaftsverband, 2004. Tecson-Digital, 2004.
Energiepreise, inflationsbereinigt
GreenBuilding
5
Zertifizierung weltweit
• USA: U.S. Green Building
Council: LEED
• Frankreich: Association
HQE: HQE
• UK: UK Green Building
Council: BREEAM
• Japan: JSBC: CASBEE
• Deutschland: DGNB
(Deutsche Gesellschaft für
nachhaltiges Bauen)
GreenBuilding Programm der EU
•
•
•
•
•
•
•
•
Steigerung der Energieeffizienz von Nichtwohngebäuden
Erschließung wirtschaftlicher Energieeinsparpotenziale
Anreize für Investitionen in Energieeffizienz und erneuerbare
Energien
Beschleunigung bei der Markteinführung energieeffizienter
Technologien
Weiterentwicklung der Qualitätsstandards für Nichtwohngebäude
Erzeugung von Nachahmungseffekten durch Wissenstransfer und
Öffentlichkeitsarbeit
Bereitstellung von Informationen für Gebäudeeigentümer und
Gewinnung von Gebäudeeigentümern als Programmpartner
Zertifizierung
– Eigentümer: GreenBuilding-Partner
– Planer: GreenBuilding-Unterstützer
Quelle: dena
6
Low-Exergy-Techniken
• Exergie: „Arbeitsvermögen“ der Energie
• Berücksichtigt neben der Energie z.B. das
Temperaturniveau
• Minimierung der benötigten
Temperaturdifferenzen
– Heizen mit möglichst niedrigen Temperaturen
– Kühlen mit möglichst hohen Temperaturen
Betonkerntemperierung
•
Verlegung von Rohren in
tragenden Betondecken
• Decke wird permanent
mit warmem oder kaltem
Wasser durchströmt
• Nutzung der
Speichermasse
9 Keine Heiz-/Kühlelemente
im Raum sichtbar, keine
abgehängte Decke
- Träge
- Schlechter
Wärmeübergang
- Nur für kleine Lasten
Quelle: Uponor-Velta GmbH & Co. KG
7
Versorgung der Betonkerntemperierung
9 Kälte auf niedrigem
Temperaturniveau
nutzbar
9 „Aufladung“ der
Decke in der Nacht
- Schlecht regelbar
- Bei Wetteränderung
werden Räume zu
warm oder zu kalt.
- Gegenheizen häufig
in Morgenstunden
erforderlich
Quelle: Uponor-Velta GmbH & Co. KG
Geothermische Energie
•
•
Je 100m Tiefe steigt
Temperatur um 3K
Tiefe der Bohrung
– Oberflächennah bis 400m
(Kopplung mit Wärmepumpe)
– Tiefbohrungen ca. 2500m
(>85°C)
•
Bauarten
– Offen (Wasseraustausch mit
Erdreich)
– Geschlossen (Wasser oder
Glykol führendes Doppelrohr)
•
Leistung
– Ca. 40-50 W/m
– Wassertemperatur ca. 15°C
8
Dezentrale Pumpentechnik
• Zentral
• Zentrale Pumpen versorgen
gesamtes Gebäude
• Leistungsregelung
• Dezentral
Fotos: BINE, ITR
• Kleine Pumpe an jedem
Heizkörper
• Vereinfachter hydraulischer
Abgleich
• Erwartet: -20% Heizkosten
Solarkollektor
Abdichtung mit
Entwässerung
Spezialglas
Wärmedämmung
Aluminiumabsorber mit
Kupferrohr
Quelle: Weishaupt
9
Integration von Solarsystemen im Haus
Abb.: Viessmann
• Solarzelle erzeugt
Gleichstrom
• Umwandlung in
Wechselstrom 230 V im
Wechselrichter
(„Netzeinspeisegerät“)
• Einspeisung ins öffentliche
Stromnetz
• Vergütung über
gesonderten Stromzähler
gem. EEG
• Blitzschutz beachten
Abb.: Viessmann
Leistungsdaten
• Bsp.: 26,4 m² Fläche
• PV-Anlage mit 2,64 kWP
• erzeugt je nach Standort,
Ausrichtung und Neigung
ca. 2.000 – 2.300 kWh/a
• Entspricht 57-66 % des
Strombedarfs eines 4Personenhaushalts
• CO2-Minderung ca. 2.100
kg/a
• Alterung verringert
Leistung: ca. 0,25% p.a.
10
Tab.: Viessmann
Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)
Achtung: Die Vergütung sinkt mit dem Jahr der Inbetriebnahme nach 2006!
Investitionskosten und Wirtschaftlichkeit
Abb.: Viessmann
• Investition ca. 5.000 €/kWP
• Versicherung ca. 0,12 €/kWP
• Wirtschaftlichkeit nur durch EEG
gegeben, nicht bei Bewertung
mit marktüblichem Strompreis
• Private Investoren als Mieter
öffentlicher Dachflächen
• Blitzschutz i.d.R. ab 10 kWP von
Gebäudeversicherern gefordert
11
Objekt: Gas-BHKW, MainTower, Frankfurt.
Blockheizkraftwerke
Kraft-Wärme-Kopplung
W
är
a
rk
ve
m
m
e
ro
St
Strombezug
EVU
Foto: Dachs
uf
Gebäude
12
Raumlufttechnische Anlagen
• Zentrale Anlage mit
verzweigtem Kanalnetz
Abbildung: ITR
• Zentral
• Luftansaugung und –ausblas
über Fassade
Abbildung: Trox
• Dezentral
Leistungsfähigkeit in Abhängigkeit der Temperatur
Quelle: Fachinstitut Gebäude-Klima e.V.
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Fassadenintegrierte Kühlsysteme
Foto: Caverion
Ultraflache Deckenkühlsysteme
Foto: Caverion
14
Fazit
• Green Buildings sind nachhaltige,
energieeffiziente Gebäude
– Optimierung der Gebäudesubstanz
– effiziente Gebäudetechnik
– Schaffung von Behaglichkeit und
Arbeitsproduktivität
Ingenieurbüro Timmer Reichel GmbH
Beratende Ingenieure, Sachverständige und Generalplaner
VDI – VBI – VSR – TOS
Mitglied der Ingenieurkammer Bau NRW
Ohligser Straße 37
42781 Haan
Tel.
Fax
02129. 9377-0
02129. 32033
www.itr-haan.de
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