Alfred Kerschberger, Markus Binder Transparente Wärmedämmung
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RK-Stuttgart Architekten und Ingenieure Alfred Kerschberger, Markus Binder Transparente Wärmedämmung im Vergleich Wirtschaftlichkeit von Maßnahmen zur Energieeinsparung und CO2-Emissionsminderung in der aktuellen Situation - Kurzfassung - Januar 2006 FVTWD RK-Stuttgart Fachartikel TWD - Kurzfassung Architekten und Ingenieure Dr.-Ing. Alfred Kerschberger, Dipl.-Ing. Markus Binder Transparente Wärmedämmung im Vergleich – Wirtschaftlichkeit von Maßnahmen zur Energieeinsparung und CO2-Emissionsminderung in der aktuellen Situation 1. Aktuelle Gründe für Energiesparinvestitionen Obwohl das Thema Energieeinsparung auch schon in der Vergangenheit aktuell war, hat sich das Klima in jüngster Zeit noch einmal deutlich zugunsten energiesparender Investitionen verbessert. Dafür gibt es eine Vielzahl von Gründen: Energieeinsparung als öffentliches Interesse (EnEV, dena, KfW) Durch das politische Engagement des Bundes und der Länder ist die Energieeinsparung in Gebäuden in den Blickpunkt des öffentlichen Interesses gerückt. Die Gründung der deutschen Energieagentur DENA im Jahr 2000, die Einführung der Energieeinsparverordnung 2002 und die Massen- und Pilotförderprogramme der KfW ergaben in den letzten Jahren eine immense Anschubwirkung für das energiesparende Bauen und Sanieren. Diese Entwicklung wird auch von der neuen Bundesregierung weiter gestützt: Im Rahmen des ausgeweiteten CO2-Gebäudesanierungsprogramms sollen in den kommenden vier Jahren 5,6 Milliarden Euro an Fördergeldern ausgeschüttet werden. Bewusstsein bei Bauherrn und Planern verstärkt Die staatlich geförderten Energieberatungen und die mit der EU-Richtlinie 2006 eingeführte Ausstellung von Energiepässen etc. haben dazu geführt, dass sich mittlerweile viele Planungsbüros auf dem Gebiet des energiesparenden Bauens engagieren. Das Baugeschehen verlagert sich zunehmend vom Neubau in den Bestand, mehr als 50 % aller Bauleistungen finden heute bereits im Altbau statt, dabei besteht eine Hauptaufgabe in der energetischen Verbesserung. Energiepreissituation und weitere Entwicklung Die Preise für Heizöl und Gas sind in den letzten 10 Jahren um 170 % gestiegen, allein in den letzten zwei Jahren betrug der Anstieg rund 70 %. Kaum jemand glaubt, dass die Steigerungsraten nun in diesem extremen Maße bestehen bleiben, aber schon mehren sich Stimmen, die behaupten, daß der Zenit der Ölförderung erreicht oder überschritten ist (2). Auf inflationsbereinigte Energiepreissteigerungen von 3 bis 6 %, oder auch mehr, werden wir uns langfristig wohl einstellen müssen. Denn Energie wird nicht erst teuer, wenn sie kurz vor dem Aus steht, sie wird schon teuer, wenn sie sich verknappt, ja sogar dann schon, wenn Angst vor der Verknappung aufkommt. CO2-Emissionen und Klimaschutz Wie stark die CO2-Emissionen sich auf das Weltklima auswirken, ist immer noch Gegenstand der Fachdiskussionen. Die Gefährlichkeit scheint aber nicht wie bei anderen „Modegefahren“, abzunehmen, wenn Wissenschaft und Medien ihren berufsspezifischen Nutzen daraus gezogen haben. Vielmehr häufen sich gerade in letzter Zeit Alarmmeldungen, nachdem der zu erwartende Klimawandel und seine Folgen bisher weit unterschätzt worden sind (1). Im Protokoll von Kyoto hat die Bundesregierung sich verpflichtet, die CO2 Emissionen von 1990 bis zum Jahr 2012 um 21 % zurückzufahren. 13 % sind davon erreicht (Stand Ende 2004 (3)), rund die Hälfte jedoch nicht durch Einsparbemühungen, sondern durch den ZuSeite 1 Datum: 06.03.2006 FVTWD RK-Stuttgart Fachartikel TWD - Kurzfassung Architekten und Ingenieure sammenbruch der ostdeutschen Industrie nach der Wiedervereinigung. 8 % oder 88 Megatonnen CO2 Äquivalente pro Jahr fehlen noch. Würde der gesamte Gebäudebestand der Bundesrepublik auf Neubaustandard gebracht, könnten über 90 Megatonnen CO2 eingespart werden. Relevanz des Heizenergieverbrauchs Auch die Tatsache, dass rund 40 % des Primärenergieverbrauchs in Deutschland für die Gebäudeheizung aufgewendet wird, macht deutlich, welch großes Einsparpotential in der Reduzierung des Heizenergieverbrauchs liegt. Geeignete Maßnahmen dafür sind die Verbesserung der Wärmedämmung; die Anwendung von Wärmerückgewinnungstechniken sowie die Nutzung von Solarenergie und anderen regenerativen Energien. Besonders interessant sind Maßnahmen zur passiven Nutzung von Solarenergie, da sie einerseits die Gebäudehülle von einer Wärmeverlust- in eine Wärmegewinnfläche verwandeln, und andererseits mit einem Minimum an Wartungs- oder Betriebskosten bei hoher Lebensdauer funktionieren. 2. Transparente Wärmedämmung (TWD) Ein hocheffizientes passives Solarsystem im obigen Sinne ist die transparente Wärmedämmung. TWD-Systeme zur Wärmeschutzverbesserung und Solarenergienutzung von Gebäuden wurden erstmals Anfang der achtziger Jahre realisiert und sind seitdem in über 100000 m2 Außenwandfläche eingesetzt worden. Als transparente Wärmedämmung (TWD) wird ein Bauteil bezeichnet, das als Wärmedämmung den Wärmeverlust nach außen verringert und gleichzeitig Sonnenlicht nach innen durchtreten lässt, wo es als Wärme oder Tageslicht genutzt wird. Als eigentliches TWD-Material finden meist absorbersenkrechte Wabenoder Kapillarstrukturen aus PMMA oder Polycarbonat Verwendung, die nach außen mit einer transparenten Schutzschicht aus Glas oder Kunststoff abgedeckt sind. Im Lauf der Entwicklung haben sich mehrere Funktionstypen herausgebildet: TWD als solare Wandheizung Das Sonnenlicht trifft durch die TWD-Fassade auf eine dunkle Massivwand, wo es als Wärme gespeichert und mit Zeitverzögerung an den dahinterliegenden Raum abgegeben wird. Im Gegensatz zu konventioneller Dämmung reduziert die TWD nicht nur die Wärmeverluste, sondern wirkt in der Heizperiode als solare Wandheizung. Vorteile dieser Systeme sind ihr einfacher Aufbau und die phasenverschobene Raumerwärmung (Solargewinne über die Fenster und die Wand ergänzen sich zeitlich). Um sommerliche Überwärmungen zu vermeiden, wird entweder eine außenliegende Verschattung vorgesehen, oder das System wird so dimensioniert, dass sommerlichen Gewinne unkritisch sind. Hilfreich sind hierbei die Südorientierung der Fassade, da die sommerliche Sonnenlaufbahn eine Selbstverschattung bewirkt, sowie eine Massivwand mit hohem Wärmespeichervermögen zur Pufferung von Temperaturspitzen. TWD als solar erwärmte Wärmedämmung Eine Abwandlung der solaren Wandheizung lässt das Sonnenlicht ebenfalls durch eine Außenverglasung treten, absorbiert es dann aber im Dämmmaterial z.B. aus Mineralfaserdämmung oder Kartonwaben. Durch die Erwärmung des Dämmmaterials wird der Temperaturunterschied zwischen innen und außen aufgehoben. Eine Speicherwand ist nicht nötig, das System lässt sich auch gut mit Leichtfassaden kombinieren. Seite 2 Datum: 06.03.2006 FVTWD RK-Stuttgart Fachartikel TWD - Kurzfassung Architekten und Ingenieure TWD als Tageslichtsystem Genau wie eine Verglasung wird ein transparent gedämmtes, meist beidseitig verglastes Paneel als lichtdurchlässiges Hüllelement eingesetzt. Im Unterschied zur Verglasung ist keine klare Durchsicht möglich, dafür streuen TWD-Tageslichtsysteme das Licht gleichmäßiger in den Innenraum. Sie sind deshalb für Spezialanwendungen geeignet wie z.B. Oberlichtverglasungen oder bei gewünschten speziellen Lichteffekten. Bei Wohngebäuden hat die Anwendung von TWD-Tageslichtsystemen kaum Bedeutung obwohl sie für einige Situationen wie z.B. Treppenhausverglasungen durchaus eine gute Lösung darstellen kann. Dagegen sind bei Industriehallenverglasungen schon Projekte mit mehreren tausend Quadratmetern TWD realisiert worden. Bild 1: Links TWD als Tageslichtsystem, Mitte TWD als solar erwärmte Wärmedämmung, rechts TWD als solare Wandheizung Die Produkte der diversen Hersteller sind unterschiedlich in Erscheinung und Konstruktionsart. Es gibt Modulkonstruktionen, Pfosten-Riegelkonstruktionen, Profilglas mit eingelegten TWD-Strukturen, TWD-Stegplatten, transparente Wärmedämmverbundsysteme und schließlich absorbierende, farbige Dämmstoffe hinter transparenten Glasscheiben. Die Erscheinungsform reicht von putzartigem Charakter bis hin zur reinen Glasfassade. OKAPANE Kapillarfüllung außen innen Bild 2: Links Systemaufbau Linit-Profilglas-TWD, rechts Anwendung von Profilglas-TWD bei der Sanierung einer Industriehalle in Salzgitter (Quelle: FVTWD) Seite 3 Datum: 06.03.2006 FVTWD RK-Stuttgart Fachartikel TWD - Kurzfassung Architekten und Ingenieure Bild 3 links: Schematischer Aufbau eines transparenten Wärmedämmverbundsystems, rechts: Integration von Sto Therm Solar-Platten in ein konventionelles WDVS (Quelle: FVTWD) Unterkonstruktion Innenputz Massivwand Pfosten (vertikal) TWD-Element Dichtlippe Abdeckprofil Bild 4 links: Schematischer Aufbau eines Stegpatten-Modulsystems, rechts Integration eines Modulsystems in ein konventionelles WDVS (Quelle: FVTWD) Produktname System Hersteller Produktdicke (mm) Kapilux TWD TWD-Paneel Okalux 49 Kapillarsystemglas TWD-Paneel LES 112 LINIT-TWD Profilglas-TWD Lamberts 74 TWD-Basic Stegplatten-TWD Bayer Sheet 100 Europe Stotherm Transp. WDVS Sto AG 105 Solarfassade Kartonwabenpaneel Gap solar 105 Tab. 1: Beispielhafte Kenndaten von TWD–Systemen MaterialDicke (mm) 30 100 40 100 WärmeWiderstand R (m²K/W) 1,08 1,08 0,42 1,14 49 % 64 % 59 % 40 % 100 80 0,97 0,83 41 % 13 % Diffuser g-Wert Die Kosten von TWD-Systemen liegen bei 400 bis 650 €/m² für Holzmodulfassaden, 450 bis 750 €/m² für Aluminiumfassaden und 200 – 400 €/m² für Einfachsysteme. Wird eine zusätzliche Verschattung benötigt, steigen sie um weitere 100 bis 250 €/m². Eher zurückhaltende Teilflächenbelegung und vorhandene feste Verschattungselemente wie Balkone etc. erlauben es in Verbindung mit einer Südausrichtung der Fassade meist, auf eine Verschattung zu verzichten. Da TWD-Systeme bei der Sanierung in aller Regel in ein umgebendes, opakes Dämmsystem eingebettet werden, dieses also in den entsprechenden Flächen ersetzen, Seite 4 Datum: 06.03.2006 FVTWD RK-Stuttgart Fachartikel TWD - Kurzfassung Architekten und Ingenieure sollten für Wirtschaftlichkeitsvergleiche stets die Investitions-Mehrkosten und die MehrEinsparungen gegenüber der opaken Dämmung herangezogen werden. Transparente Dämmsysteme machen bei verschattungsfreier Südorientierung eine Gebäudehüllfläche zur Wärmegewinnfläche. Gegenüber üblichen Dämmsystemen sind Energieeinsparungen von 50 - 100 kWh pro m² TWD-Fläche und Jahr erreichbar. Will man eine hohe Effizienz der TWD-Systeme erreichen, sollte man die TWD-Flächen auf die Südorientierung mit Maximalabweichungen bis zu 20 Grad beschränken. Ebenso sind sehr große Flächenanteile zu vermeiden, da die nutzbaren flächenspezifischen Wärmegewinne mit steigender TWD-Fläche zurückgehen. Als weiteres, wichtiges Planungskriterium gilt ein gutes Zusammenspiel von Solargewinnen über Fenster und TWD-Systeme. Sofort wirksame Gewinne über direkte Einstrahlung und zeitlich versetzte Gewinne über Solarwandsysteme sollten sich möglichst über den Tagesverlauf ergänzen. Transparente Dämmungen wirken am besten vor schweren Massivwänden (mindestens 1400 kg/m3), welche die solare Wärme gut speichern und nach innen weiterleiten. An Niedrigenergiegebäuden bringen TWD-Systeme geringere Einsparungen als an konventionell gedämmten Gebäuden, denn bei höherem Wärmebedarf kann das Solarangebot in den Übergangszeiten besser ausgenutzt werden. Effiziente TWD-Gebäude öffnen sich nach Süden und schließen sich nach Norden. Weiterhin begünstigen folgende Gebäudeeigenschaften die TWD-Anwendung (6): - Größere Räume oder offene Raumsituationen hinter der TWD-Wand zur besseren Ausnutzbarkeit der Gewinne - Feststehende, horizontale Verschattungselemente vorhanden (Balkon, Dachüberstand) - Lage des Gebäudes in kaltem, strahlungsreichen Winterklima (z.B. Bergland) 3. Alternative Maßnahmen zur Energieeinsparung und CO2-Verminderung Ein Bauherr, der die Anwendung von transparenter Wärmedämmung in Betracht zieht, hat natürlich auch andere Möglichkeiten, in umweltfreundliche Maßnahmen zu investieren. TWD tritt somit in Konkurrenz mit anderen Technologien, die einen ähnlichen Umweltnutzen erbringen. Im Vergleich solcher konkurrierenden Maßnahmen zählt letztlich wiederum die monetäre Wirtschaftlichkeit: Es wird in diejenige Umweltmaßnahme investiert, die das beste Kosten-Nutzen-Verhältnis erbringt. Im Folgenden soll deshalb die Wirtschaftlichkeit einer transparenten Wärmedämmung mit einigen anderen aktuellen Energiespar- und Umweltmaßnahmen verglichen werden. Betrachtet werden: Stark verbesserte Wärmedämmung Hat man früher die wirtschaftlichsten Dämmstärken bei 10 – 12 cm gesehen, so wird heute von Seiten der Niedrigenergieplaner eine optimale Wärmedämmung im Bereich von 25 – 35 cm favorisiert. Auch erste Sanierungsprojekte mit 30 cm Wärmedämmung werden schon umgesetzt (5). Die Wirtschaftlichkeit einer Erhöhung der Außenwand-Dämmstärke auf 30 cm soll deshalb untersucht werden. Kollektoren zur solaren Heizungsunterstützung Eine Kollektoranlage ist dann besonders wirtschaftlich, wenn ihre Erträge das ganze Jahr über genutzt werden können. Deshalb sind Kollektorsysteme zur Warmwasserbereitung grundsätzlich sinnvoller als Anlagen zur Heizungsunterstützung, welche nur das niedrige Solarangebot in der Heizperiode verwerten oder Kombianlagen, die für die WarmwasserbeSeite 5 Datum: 06.03.2006 FVTWD RK-Stuttgart Fachartikel TWD - Kurzfassung Architekten und Ingenieure reitung überdimensioniert sind. Dennoch hat sich auch deren Wirtschaftlichkeit aufgrund gesunkener Kollektorkosten und Standardisierung der Anlagen in den letzten Jahren verbessert, so dass eine Wirtschaftlichkeitsuntersuchung Sinn macht. Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung Um einen extrem niedrigen Heizenergieverbrauch zu realisieren, sind Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung unverzichtbar. Im Niedrigenergie- und Passivhaus sind sie deshalb mittlerweile Standard. Ihr Einbau ist im Neubau stets einfacher als in der Sanierung, da Kanalführungen und Platzbedarf für Lüftungskomponenten planerisch berücksichtigt werden können. Hohe Investitions- und Wartungskosten stellen zusammen mit nicht angepasstem Nutzerverhalten (Fensteröffnen im Winter) die Wirtschaftlichkeit häufig in Frage. Holzpellet-Heizung Eine Holzpellet-Heizung spart gegenüber einer guten Öl- oder Gasheizung keine Endenergie. Im Gegenteil, aufgrund ihres schlechteren Wirkungsgrades verbraucht sie etwas mehr. Dennoch spart die Holzpelletanlage Heizkosten, da der Pelletpreis nur 40 – 60 % des Ölbzw. Gaspreises beträgt. Weiterhin wird Holz gerne als regenerativer Energieträger betrachtet, der beim Verbrennen nur die Menge an CO2 freisetzt, die er beim Wachstum gebunden hat. Dementsprechend wird der Primärenergiefaktor in der EnEV auf 0,1 gesetzt, obwohl er physikalisch bei 1,0 bis 1,2 liegt. Bei aller Euphorie für diesen neu entdeckten, alten Brennstoff darf nicht vergessen werden, dass auch bei maximaler Nutzung der natürlichen Ressourcen nur etwa 4,5 % unserer Heizwärme mit Holz gedeckt werden können (7). Wärmepumpe mit Erdsonden als Wärmequelle Mit Unterstützung der Elektrizitätswirtschaft wird seit einiger Zeit die Kombination von Erdwärmenutzung mit elektrischen Wärmepumpen propagiert. Während man früher mit einem horizontalen Rohrregister flächig in einer Tiefe von 1,5 bis 3 m dem Erdreich Wärme entnahm, werden im aktuellen System 50 – 100 m tiefe Erdsonden gebohrt. Die Bohrlöcher werden ausbetoniert, nachdem eine Leitung mit wärmeübertagender Sole in ihnen verlegt worden ist. Vorteile gegenüber der Erdregister-Lösung: Erdarbeiten werden in nur geringem Umfang nötig und aufgrund der größeren Tiefe erhält man etwas wärmere und gleichmäßigere Temperaturen. Idealerweise wird das System eingesetzt, wenn sowieso eine Bohrpfahlgründung erfolgen muß. Wärmepumpen arbeiten dann besonders effektiv, wenn sie einen geringen Temperaturhub bewerkstelligen müssen. Ein Wärmepumpen-Erdwärmesondensystem wird in der Regel auf 35 Grad Vorlauftemperatur ausgelegt. Als Wärmeabgabesystem kommt damit nur eine Flächenheizung in Frage. Dies wiederum begrenzt die sinnvolle Anwendung in aller Regel auf Neubauten. Im Bestand wird man nur äußerst selten nachträglich eine Fußbodenheizung einbauen. 4. Methodik der Wirtschaftlichkeitsrechnung Als "wirtschaftlich" bezeichnen wir eine Maßnahme üblicherweise dann, wenn der Nutzen den Aufwand überwiegt. Eine Wirtschaftlichkeitsuntersuchung ist stets ein Vergleich. Entweder vergleicht man eine Energiesparmaßnahme mit dem Istzustand oder mit einer üblichen Standardmaßnahme. Als Aufwand werden in der Regel die Investitions(mehr)kosten, als Nutzen die Heizkosten(mehr)einsparungen definiert. Die hier angewandte Methodik der Wirtschaftlichkeit folgt dem in (4) entwickelten Verfahren. Für den Zeitraum ihrer jeweiligen Lebensdauer wird für jede Maßnahme und für jedes Jahr der Barwert = Gegenwartswert Seite 6 Datum: 06.03.2006 FVTWD RK-Stuttgart Fachartikel TWD - Kurzfassung Architekten und Ingenieure berechnet. Längerfristige Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen, über mehrere Investitionsperioden, z.B. über 50 oder 80 Jahre sind äußerst unsicher, da sich heutige, leicht überproportionale Entwicklungen in mehreren Jahrzehnten (zumindest rechnerisch) exponentiell verstärkt haben. Damit bringen sie sehr starke Veränderungen der Wirtschaftlichkeit für Zeiträume, deren Randbedingungen wir eigentlich nicht vorhersehen können. In dem Jahr, wo der Barwert vom Negativen ins Positive wechselt, findet die Amortisation des Systems statt. Allerdings kann dieser Wert keine sichere Wirtschaftlichkeitsaussage ergeben. Wenn z.B. zwei Verbesserungsmaßnahmen die gleiche Amortisationszeit von 8 Jahren haben, aber eine Maßnahme hat eine Nutzungsdauer von 10 Jahren, die andere von 50 Jahren, so ist die Wirtschaftlichkeit der längerlebenden Maßnahme sehr viel besser. Sinnvoller ist es deshalb, die Wirtschaftlichkeit über die Lebensdauer einer Maßnahme zu betrachten und einen äquivalenten Energiepreis EPE anzugeben. Der EPE bedeutet anschaulich, daß die Verbesserungsmaßnahme über ihre Lebensdauer einer Energielieferung mit dem genannten Energiepreis gleichkommt. Dieser Energiepreis ist der heutige Preis. EPE entsteht aus dem Barwert aller Zahlungsströme über die Lebensdauer der Maßnahme, dividiert durch ihre Energieeinsparung bzw. Energiegewinnung, unter Berücksichtigung der Energiepreissteigerung und Kapitalverzinsung. Dabei werden in den nachfolgenden Angaben zur Wirtschaftlichkeit zusätzliche Stromeinsparungen oder Strommehrverbräuche mit Faktor 3 in Wärme „umgerechnet“. 5. Modellgebäude für die Wirtschaftlichkeitsrechnungen Was im Neubau sinnvoll ist, muss nicht auch optimal für die Gebäudesanierung sein – und umgekehrt. Aus diesem Grund betrachten wir zwei sehr unterschiedliche Beispielgebäude. Ein 1,5-geschossiges Einfamilienhaus mit Satteldach steht beispielhaft für den Bereich Neubau. Mit seiner Energiebezugsfläche von 139 m² und Konstruktionen wie einem vollgedämmten Sparrendach und Wänden mit Wärmedämmverbundsystem entspricht es in Größe und Bauart dem heute üblichen Neubaustandard. Ein Gas-Brennwertkessel sorgt für die Gebäudebeheizung. Als Repräsentant für die Sanierung eines bestehenden Gebäudes wird ein viergeschossiges Mehrfamilienhaus betrachtet. Es handelt sich um ein typisches, in den 1960er Jahren in Plattenbauweise errichtetes Gebäude mit 32 Wohneinheiten. Die beheizte Gebäudenutzfläche beträgt 1936 m². Durch eine Reihe von Sanierungsmaßnahmen wie z.B. das Dämmen aller Außenwände mit einem Wärmedämmverbundsystem, den Einbau von neuen Fenstern mit Wärmeschutzverglasung und die Einrichtung eines Niedertemperatur-Ölkessels wird das Gebäude auf den EnEV-Standard für Bestandsgebäude gebracht. Untersucht wurde für die Modellgebäude die Wirtschaftlichkeit folgender Maßnahmen (1 – 8): - 30 cm WDVS gegenüber 10 cm WDVS (Bezeichnung E1 bzw. M1) - Holzpelletkessel gegenüber Gasbrennwertkessel (Neubau EFH, Bezeichnung E2) bzw. gegenüber Niedertemperatur-Ölkessel (Sanierung MFH, Bezeichnung M2) - Kollektoranlage zur Heizungsunterstützung gegenüber „keine Maßnahme“ (Bezeichnung E3 bzw. M3) - Zu- und Abluftanlage mit Wärmerückgewinnung gegenüber „keine Maßnahme“ d.h. Fensterlüftung (Bezeichnung E4 bzw. M4) Seite 7 Datum: 06.03.2006 FVTWD RK-Stuttgart Fachartikel TWD - Kurzfassung Architekten und Ingenieure - Wärmepumpe mit Erdsonden als Wärmequelle gegenüber Gasbrennwertkessel (Neubau EFH, Bezeichnung E5). Eine Wärmepumpenheizung mit Erdsonden wurde für den Sanierungsfall aus oben genannten Gründen nicht betrachtet. - TWD-Fassade in unterschiedlichen Qualitäten an 25 % der Südfassade gegenüber 10 cm WDVS (Bezeichnung E6, E7, E8 bzw. M6, M7, M8) 6. Einflußfaktoren für die Wirtschaftlichkeitsvergleiche Folgende allgemeinen Randbedingungen fließen in die Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen ein: Investitionskosten unter Berücksichtigung aktueller Förderbedingungen Jeweils zwei der untersuchten Varianten profitieren von dem Marktanreizprogramm, mit dem das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) die Verwendung erneuerbarer Energien fördert: die Solarkollektoranlage zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung (Varianten E3, M3) sowie der Holzpelletskessel (E2, M2) als Anlage zur Verfeuerung fester Biomasse. Die Förderhöhe richtet sich hierbei jeweils nach der Anlagengröße. Die Kollektoranlagen werden mit 135,- € je m² Bruttokollektorfläche bezuschusst. Bei den Pelletsheizkesseln ist die Nennwärmeleistung der Anlage maßgeblich. Für jedes kW an Wärmeleistung erhält der Bauherr eine Unterstützung in Höhe von 60,- €. Das Einfamilienhaus fällt hierbei unter die Kleinanlagenregelung und wird mit der festgelegten Mindestsumme von 1700,- € gefördert. Im Bereich der Sanierung bringt das CO2-Gebäudesanierungsprogramm günstige Zinssätze. Einen zusätzlichen Teilschulderlass von 15 % gibt es nur dann, wenn der niedrige EnEVGrenzwert für den Neubau eingehalten wird. Wir gehen von einer Basis-Sanierung auf EnEV-Grenzwert Altbau (= 140 % Neubau) aus, wie in der Regel ausgeführt. Insofern kommen aus dem CO2-Gebäudesanierungsprogramm der KfW nur die günstigeren Zinssätze zum Zuge. Wartungs- und Instandhaltungskosten Wartungs- und Instandhaltungskosten wurden über eigene Projekte oder Recherchen fallspezifisch detailliert ermittelt: Lebensdauer-Annahmen Als Lebensdauer der Maßnahmen werden angenommen: Wärmeschutz 40 Jahre, Lüftungssysteme, Solaranlage 30 Jahre mit Austausch von Teilkomponenten nach 15 Jahren, Heizkessel, Wärmepumpe 20 Jahre. Erdsonden für Wärmepumpe 40 Jahre. Dies sind zum Teil längere Zeiträume, als üblicherweise angenommen. Doch in der Praxis halten Baukomponenten oft länger als ihre rechnerische Lebensdauer, vor allem bei regelmäßiger Wartung. Energiepreise Die Energiepreise einschl. 16 % Umsatzsteuer werden als Durchschnittswerte Ende 2005 angesetzt: Heizöl: 5,9 Ct / kWh , Holzpellets: 3,6 Ct / kWh, Gas: 6,1 Ct/kWh, Strom: 18 Ct/kWh Beim Gaspreis und Strompreis als leitungsgebundene Energieträger wurde der Grundpreis mit auf den Arbeitspreis umgerechnet. Seite 8 Datum: 06.03.2006 FVTWD RK-Stuttgart Fachartikel TWD - Kurzfassung Architekten und Ingenieure Kapitalverzinsung und Preisteigerungsraten für Energie, Wartung, Ersatz Verzinsung und Preissteigerungsraten sind jeweils inflationsbereinigt. Liegt z.B. eine Inflationsrate von 4 % vor, so bedeutet eine reale, steuerbereinigte Kapitalverzinsung von 2 % eine steuerbereinigte Nominalverzinsung von (1,04 * 1,02 =1,0608) = 6,1 %. Es wird jeweils ein optimistischer, mittlerer und pessimistischer Pfad angegeben. Dementsprechend erbringt jeder Berechnungslauf drei Amortisationszeitangaben, eine pessimistische, eine mittlere (realistische) und eine optimistische Angabe. Pessimistischer Pfad Mittlerer Pfad Optimistischer Pfad Reale Energiepreissteigerung 3,0 % 4,5 % 6,0 % Reale Kapitalverzinsung 3,0 % 2,0 % 1,0 % Reale Baupreissteigerung 2,0 % 1,0 % 0,0 % Reale Ersatzkostensteigerung 1,0 % 0,5 % 0,0 % Tab. 2: Randbedingungen der den Wirtschaftlichkeitsabschätzungen zugrundeliegenden Entwicklungspfade Hinweise zur Wirtschaftlichkeitsrechnung Für den Sanierungsfall muß man festhalten, dass der Wirtschaftlichkeitsvergleich gegenüber einer Referenzvariante natürlich schlechtere Ergebnisse liefert als ein Vergleich gegenüber dem Gebäudezustand vor Sanierung. Nur stellt sich die Frage: Würde jener Vergleich interessieren ? Ein Bauherr muss ja sowieso das tun, was die aktuellen Vorschriften erfordern, also z.B. einen Wärmeschutz gemäß EnEV aufbringen. Die Frage muss deshalb lauten: Lohnt sich der Mehraufwand für einen weitergehenden Wärmeschutz, lohnt sich der Mehraufwand für TWD, für Solaranlage oder Wärmepumpe ? Weiterhin: Bei der Berechnung der Wirtschaftlichkeit geht es nicht um die absolute Höhe der Energieeinsparung, sondern um das Aufwand – zu – Nutzen – Verhältnis. Wenn Maßnahme A beispielsweise 10 % der Energieeinsparung von Maßnahme B erbringt, aber nur 5 % von Maßnahme B kostet, ist Maßnahme A wirtschaftlicher, auch wenn sie sich nur sehr viel geringer auf die Energiebilanz des Gebäudes auswirkt. 7. Auswertung und Interpretation Die Wirtschaftlichkeitsrangfolge der Maßnahmen wurde anhand ihres äquivalenten Energiepreises festgelegt. Dieser geht jeweils vom mittleren Energiepreis-Entwicklungsszenario aus. Zusätzlich wurden Amortisationszeit und Lebensdauer angegeben, um generell zu überprüfen, ob sich eine Maßnahme in ihrer Lebensdauer überhaupt „rentiert“ und um die Pelletheizung einzuordnen, bei der ein äquivalenter Energiepreis aufgrund des Endenergie-Mehrverbrauchs einen unsinnigen negativen Wert annimmt. Seite 9 Datum: 06.03.2006 FVTWD RK-Stuttgart Fachartikel TWD - Kurzfassung Architekten und Ingenieure Neubau Einfamilienhaus Rang Ökomaßnahme 1 E6 2 E7 3 E1 4 E8 5 E5 6 E4 7 E3 8 E2 TWD an Fassade Einfachsystem TWD an Fassade Mittlerer Aufwand WDVS auf 30 cm erhöhen TWD an Fassade hocheffektiv Wärmepumpe mit Erdsonden als Wärmequelle Lüftungsanlage mit WRG Kollektoren zur Heizungsunterstützung Holzpellet-Heizung Altbau MFH-Sanierung Rang Ökomaßnahme 1 M2 2 M6 3 M7 4 M1 5 M8 6 M3 7 M4 Holzpellet-Kessel für besteh. Zentralheizung, TWD an Fassade Einfachsystem TWD an Fassade Mittlerer Aufwand WDVS auf 30 cm erhöhen TWD an Fassade hocheffektiv Kollektoren zur Heizungsunterstützung Lüftungsanlage mit WRG Amortisationszeit (Jahre) 20...24...32 Lebensdauer (Jahre) 40 Äquivalenter Energiepreis (Eurocent / kWh) 2,9 Ct/kWh 22…27...37 40 3,3 Ct/kWh 23 ...28...40 40 3,6 Ct/kWh 25…31…kA 40 4,1 Ct/kWh 29 ...39...kA 15...23...28* 25 ...kA...kA 20/40 6,2 Ct/kWh 30 6,5 Ct/kWh 29...kA...kA 30 8,6 Ct/kWh kA...kA...kA 20 Nicht sinnvoll, da Energiemehrverbr. Amortisationszeit (Jahre) 5.....5.....5 Lebensdauer (Jahre) 20 19...24...32 40 Äquivalenter Energiepreis (Eurocent / kWh) Nicht sinnvoll, da Energiemehrverbr. 2,8 Ct/kWh 23...28...39 40 3,4 Ct/kWh 23...28...39 40 3,4 Ct/kWh 24...30...kA 40 3,8 Ct/kWh 22...27...kA 30 5,0 Ct/kWh 22...28...kA 30 5,2 Ct/kWh Amortisationszeitangaben für optimistische, mittlere und pessimistische Entwicklung kA = Keine Amortisation innerhalb der Lebensdauer Angabe äquivalente Energiepreise für mittlere Entwicklung *E5: Unter Ansatz eines Bruttostromtarifs für Wärmepumpe und Heizstab von 0,13 Ct/kWh Tab. 3: Wirtschaftlichkeitsrechnung: Rangfolge der Maßnahmen nach Wirtschaftlichkeit Seite 10 Datum: 06.03.2006 FVTWD RK-Stuttgart Fachartikel TWD - Kurzfassung Architekten und Ingenieure Betrachten wir zunächst die Ergebnisse für das Einfamilienhaus (Tab. 3): Unter den gewählten Randbedingungen (Gebäude erfüllt EnEV-Grenzwert Neubau) weisen die TWD-Systeme äquivalente Energiepreise von 3 – 4 Ct/kWh auf. Dies verdanken sie ihrer langen Lebensdauer und niedrigen Wartungskosten, die auf dem Niveau des Referenzsystems WDVS liegen. Auch eine Erhöhung der konventionellen Wärmedämmung von 10 auf 30 cm schneidet mit 3,6 Ct/kWh sehr gut ab. Mit 6,2 bzw. 6,5 Ct/kWh liegen Wärmepumpen mit Erdsonden und Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung bereits deutlich schlechter. In der mittleren Energiepreisentwicklung amortisieren sie sich knapp vor Ende ihrer Lebensdauer von 30 Jahren. Legt man bei der Wärmepumpe einen erniedrigten Bruttostromtarif für den Betrieb des Systems (einschl. Zusatzheizstab) von 0,13 Ct/kWh statt 0,18 Ct/kWh zugrunde, so verringert sich die Amortisationszeit auf 23 Jahre, wiederum mittlere Energiepreissteigerungen vorausgesetzt. Der äquivalente Energiepreis bleibt gleich, da in diesen die Stromtarife nicht eingehen. Solare Heizungsunterstützung ist noch immer zu aufwendig, um ein gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis zu erreichen. Kollektoren zur Heizungsunterstützung liegen mit 8,6 Ct/kWh weit abgeschlagen, genauso wie die Pelletsheizung, die sich auch im optimistischen Szenario nicht innerhalb ihrer Lebensdauer amortisiert. Über die Hälfte der Heizkosteneinsparungen des Pelletkessels werden durch höhere Wartungskosten aufgezehrt. Die verbleibende jährliche Kosteneinsparung von 120 €/a reicht nicht aus, um die Mehrkosten der Pelletsheizung von 7800 € während der Lebensdauer des Wärmeerzeugers auszugleichen. Kommen wir zur Sanierung des Mehrfamilienhauses (Tab. 3): Auf den ersten Blick überraschend liegt hier der Holzpelletkessel ganz vorn (Referenzvariante neuer Öl-Niedertemperaturkessel). Und dies, obwohl sich die Pelletheizung beim Einfamilienhaus an letzter Stelle befand. Doch bei genauerem Hinsehen ist das Ergebnis leicht erklärbar: Die Systemmehrkosten und Wartungsmehrkosten betragen im MFH rund das 2,5fache der Anlage im EFH, die Heizkosteneinsparungen sind jedoch aufgrund der Gebäudegröße mit 32 Wohnungen und des entsprechenden Energieverbrauchs um das 17-fache höher. Mit niedrigen äquivalenten Energiepreisen zwischen 3 und 4 Ct/kWh glänzen auch hier die TWD-Systeme und die Erhöhung der konventionellen Wärnmedämmung von 10 auf 30 cm. Etwas abgeschlagen, aber immer noch in einem Bereich, wo die Investition wirtschaftlich sinnvoll wäre, liegen die Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung und die Kollektoranlage zur Heizungsunterstützung mit je ca. 5 Ct/kWh. Zusammengefasst liegen die TWD-Systeme sowohl im Neubaubereich als auch in der Sanierung in der Spitzengruppe der Wirtschaftlichkeit. In diesem Zusammenhang muß jedoch nochmals darauf hingewiesen werden, dass die TWD-Gewinne jeweils für ein Gebäude auf EnEV-Standard berechnet wurden. Bringen wir den EFH-Neubau z.B. durch besseren Wärmeschutz auf Niedrigenergiestandard (70 kWh/m2 temperierter Nutzfläche) so sinken die TWD-Einsparungen beim mittleren TWD-System von 1100 kWh/a auf 770 kWh/a. Setzen wir zusätzlich ein Lüftungssystem mit Wärmerückgewinnung ein, dann sinkt der Endenergieverbrauch Heizung der Referenzvariante auf 43 kWh/m2a und die TWD-Einsparungen gehen auf 560 kWh/a zurück. Daraus resultieren für das mittlere Preisentwicklungsszenario folgende äquivalenten Energiepreise: Seite 11 Datum: 06.03.2006 FVTWD RK-Stuttgart Fachartikel TWD - Kurzfassung Architekten und Ingenieure Äquivalenter Energiepreis einer TWD-Anwendung (TWD mittel) EFH Neubau auf EnEV-Standard 2,3 Ct/kWh EFH Neubau hohe Wärmedämmung, 7 Liter Haus 4,7 Ct/kWh EFH Neubau hohe Wärmedämmung und Lüftung mit WRG, 4 Liter Haus 6,5 Ct/kWh Tab. 4: Äquivalente Energiepreise der TWD-mittel-Anwendung für Niedrigenergiehäuser Im Ergebnis können TWD-Anwendungen auch bei Gebäuden mit niedrigem Wärmebedarf sinnvoll angewendet werden. Bei äquivalenten Energiepreisen um 5 bis 7 Ct/kWh halten sie mit einer konventionellen Wärmeversorgung mit. Allerdings leidet ihre Wirtschaftlichkeit im Vergleich zum EnEV-Standard-Gebäude. Positiv für den Wirtschaftlichkeitsrang der TWD wirkt sich aus, dass die Wirtschaftlichkeit der anderen alternativen Wärmeversorgungssysteme (Holzpelletkessel, solare Heizungsunterstützung, Wärmepumpe mit Erdsonden) bei geringerem Wärmebedarf des Gebäudes ebenfalls schlechter wird, da von einer niedrigeren Heizkostenbasis der Referenzvariante auszugehen ist und deshalb auch die Einsparungen geringer ausfallen. Insgesamt betrachtet, eignet sich die transparente Wärmedämmung unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten für alle Gebäudestandards bis herunter zum 3-LiterHaus. Besonders sinnvoll ist die TWD bei Gebäuden, die nicht gravierend besser als EnEVStandard gebaut werden und wo ein kostengünstiges System zur solaren Heizungsunterstützung gesucht wird. Auch bei Sanierungen, wo sehr niedrige Energiestandards wesentlich schwieriger als im Neubau zu erreichen sind, ist TWD eine wirtschaftlich vorteilhafte Alternative zu anderen, über das Übliche hinausgehenden Energiesparmaßnahmen. Und was ist mit der Photovoltaik ? Der hier dargestellte Wirtschaflichkeitsvergleich bewegte sich nur im Bereich Heizwärmeversorgung und –einsparung. Schaut man in die Praxis, so ist die PV zur solaren Stromerzeugung der große Renner der letzten Jahre. Ihre gute Wirtschaftlichkeit erreicht die PV allerdings nur wegen der hohen Einspeisevergütung, die den Markt drastisch verzerrt. Ohne Förderung wäre die PV deutlich unwirtschaftlicher als passive oder aktive Solarthermie. Die solare Stromerzeugung wird – aus welchen Gründen auch immer – von der Politik einseitig bevorzugt. Eine gegebene Fördersumme, verlagert von der PV in die solare Wärmeerzeugung, würde eine spürbar größere volkswirtschaftliche Primärenergieeinsparung erbringen. Maßnahmen zur solaren Wärmeerzeugung sollten deshalb ebenfalls mindestens soweit gefördert werden, dass sie gegenüber der Photovoltaik konkurrenzfähig werden. Mit anderen Worten: Wir brauchen ein solares Wärmegesetz, wenn wir auf die Anforderungen de Zukunft optimal antworten wollen. 9. Fazit Nach Jahren der Euphorie in den 80er und 90er Jahren wird die transparente Wärmedämmung heute insgesamt deutlich unter Wert gehandelt. Für massive Gebäude, welche Wärmeschutz und Haustechnik nicht bis aufs Letzte ausreizen (was in der Sanierung oft auch gar nicht möglich ist) kann die TWD als wirtschaftlich sinnvolle und kostengünstige Maßnahme zur solaren Heizungsunterstützung gelten. Ein großer Pluspunkt sind darüber hinaus Seite 12 Datum: 06.03.2006 FVTWD RK-Stuttgart Fachartikel TWD - Kurzfassung Architekten und Ingenieure die lange Lebensdauer und die Freiheit von Wartungs- und Instandhaltungskosten. Und schließlich kann ein Bauherr seiner Mit- und Umwelt auch ein weithin sichtbares Zeichen geben, dass sein Gebäude die Sonne „anzapft“. Zum Kosteneinsparnutzen kommt der Imagenutzen für den Bauherrn hinzu. Eine Wärmepumpe mit Erdsonde ist dagegen nur ein Stück energiesparender Technik, das im Keller Strom verbraucht..... 10. Literaturquellen (1) Max-Planck-Institut für Metereologie: Workshop:Climate Scenarios for the Future and their Use for Impact Studies, Hamburg, 29. –30. Sept, 2005 (2) Vera von Keller, Karl-Heinz Remmers: Öl vor dem Aus ? Sonnenenergie, Heft Nov. 2005 (3) Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit: Energiedaten 9.2005 (4) Kerschberger: Wirtschaftlichkeit von TWD, Uni Stuttgart, Dissertation, 1997 (5) GAG Ludwigshafen: Passivhaus im Mietwohnungsbestand, Expose, Hoheloogstr. 1 und 3, Ludwigshafen am Rhein, 2005 (6) Kerschberger, Platzer, Weidlich: Transparente Wärmedämmung, Wiesbaden, Bauverlag, 1998 (7) W. Feist (Hrsg.): Einsatz von Passivhaustechnologien bei der Altbau-Modernisierung. Arbeitskreis Kostengünstige Passivhäuser – Protokollband Nr. 24. Darmstadt, Passivahaus Institut, 2003 Dank an Firma Müller + Krummel, Stuttgart für die fachmännische Unterstützung bei der Kalkulation der haustechnischen Verbesserungen.Dank an Wagner Solartechnik und Lignasol für Kalkulationshilfen. Über die Autoren: Dr.-Ing. Alfred Kerschberger, freier Architekt, Jg. 1958, Geschäftsführer RK-Stuttgart Architekten und Ingenieure (www.rk-stuttgart.de). Seit 1986 zahlreiche Pilotprojekte, Studien und Fachbücher in den Bereichen Ökologisches und Solares Bauen, energetische Sanierung und Bauökonomie Dipl.-Ing. Architekt Markus Binder, Jg. 1970. Freier Mitarbeiter bei verschiedenen Architektur- und Planungsbüros mit den Schwerpunkten integrale Planung und innovative bauphysikalische Gebäudekonzepte Eine ausführliche Langfassung dieser Untersuchung ist beim Fachverband TWD erhältlich. www.fvtwd.de Seite 13 Datum: 06.03.2006
