Auf dem Prüfstand III - Technische Universität Braunschweig

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EVA - Forschungsprojekt Evaluierung von Energiekonzepten:
Auf dem Prüfstand III
Das Forschungsprojekt EVA des IGS - Instituts für Gebäude- und Solartechnik im Fachbereich
Architektur der TU Braunschweig, Prof. Dr. Ing. M. Norbert Fisch, nimmt Energiekonzepte und
den Nutzerkomfort realisierter Bürogebäude unter die Lupe. In Folge berichten wir über die
Ergebnisse aus der Praxis.
In dieser Ausgabe:
Bericht Nr. 2
EnergieForum Berlin
Architektur
BRT Architekten,
Hamburg (Entwurf), und
Jensch Architekten,
Berlin
Dipl.-Ing. Architekt
Stefan Plesser
Dipl.-Ing. Robert Himler
Dipl.-Ing. Architekt
Carsten Bremer
Prof. Dr.-Ing.
M. Norbert Fisch
Technische Universität
Braunschweig
Fachbereich Architektur
IGS - Institut für Gebäude- und Solartechnik
Prof. Dr.-Ing.
M. N. Fisch
Mühlenpfordtstraße 23
38106 Braunschweig
T 0531. 391-3555
[email protected]
www.igs.bau.tu-bs.de
Mit dem Forschungs- und Entwicklungsprojekt EVA - Evaluierung von
Energiekonzepten untersucht das Institut für Gebäude und Solartechnik (IGS) der TU Braunschweig, Prof.-Dr. Ing. M. Norbert Fisch, die
Energieeffizienz, das Raumklima und den Nutzerkomfort zukunftsweisender Bürogebäude in der Praxis. Geprüft werden innovative Energiekonzepte und deren Komponenten wie Betonkerntemperierung, Atrien, dezentrale Lüftungstechnik etc.
Ziel von EVA ist es, die Energiekonzepte von Bürogebäuden im Praxisbetrieb zu untersuchen und Optimierungspotenziale hinsichtlich Energieeffizienz (Strom, Wärme, Kälte) und Nutzerkomfort zu erschließen.
Nutzer- und Betreibererfahrungen werden bewertet und Möglichkeiten
zur Optimierung untersucht. EVA wird durch das Bundesministerium
für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) im Rahmen des Programms “EnOB Energieoptimiertes Bauen” gefördert.
Städtebauliche Situation und architektonischer Entwurf
Eines der bedeutendsten Baupotenziale der Berliner Innenstadt
erstreckt sich vom Alexanderplatz über die Alexanderstraße zur Jannovitzbrücke beiderseits der Spree bis zur Elsenbrücke. Die außerordentlich günstige Lage und ausgezeichnete Infrastruktur begründen die
stadtplanerische Entscheidung des Senats, den Bereich Berlin Ostbahnhof/Spreeufer unter dem Titel media spree als City-Ergänzungsgebiet zu entwickeln.
Lage des EnergieForum Berlin am Berliner Ostbahnhof.
Quelle: EnergieForum Berlin
Exposé www.energieforumberlin.de].
Als eines der ersten Projekte wurde das aus einem Altund Neubaukomplex bestehende EnergieForum Berlin
im Jahr 2003 fertiggestellt.
Auf dem Grundstück befindet sich das ehemalige
Zentralmagazin der Städtischen Gaswerke, das in den Jahren 1906 bis 1908 von Reimer &
Körte errichtet wurde. Das fünfgeschossige Magazingebäude, das
Pförtnerhaus und das Verwaltungsgebäude wurden auf der Grundlage
eines Denkmalpflegeplanes vom Architekturbüro Jentsch, Berlin, denkmalgerecht erhalten und für eine Büronutzung instandgesetzt. Das
städte- und hochbauliche Konzept des Neubaus leitet sich im Wesentlichen aus dem bestehenden Magazingebäude als dominantes und
maßstabsgebendes Element ab. Er besteht aus zwei L-förmigen
Gebäuderiegeln, zwischen denen ein Atrium liegt, dass sich zur Spree
hin öffnet. Der Entwurf der Neube-bauung stammt vom Architekturbüro
Bothe Richter Teherani (BRT), Hamburg.
EnergieForum Berlin: Prüfung bestanden!
Das EnergieForum Berlin im Zentrum Zukunftsenergien/Internationales
Solarzentrum bietet Firmen und Institutionen des Sektors der regenerativen Energien und der Umwelttechnik Geschäftsräume unter einem
Dach. Der thematischen Zielsetzung des Gebäudes entsprechend
wurde ein ganzheitliches Energiekonzept für ein energieeffizientes
Bürogebäude unter besonderer Berücksichtigung der regenerativen
und rationellen Energiewandlungstechnologien entwickelt.
Förderung
Bundesministerium
für Wirtschaft und
Arbeit - BMWA,
Berlin
Eva wird unterstützt
durch: EON Fond
Projektpartner
Universität Karlsruhe,
Fachbereich Bauphysik
Steinbeis-Transferzentrum Energie-, Gebäude- und Solartechnik,
Stuttgart
bhbr Architekten,
Hamburg
DEZEM - Dezentrale
Messtechnik, Berlin
Projektlaufzeit
2004 bis 2007
Energieforum Berlin
Baubeginn 2001
Fertigstellung 2003
Foto: IB Valentin
Prof. K. Müller + Partner Consulting GmbH
Das EnergieForum Berlin
Das Projekt wird im Rahmen des Förderprogramms “SolarBau:MONITOR” durch das BMWA gefördert. Das wissenschaftliche Monitoring
wird seit 2004 sukzessive auf das Projekt EVA übertragen, um den
Betrieb des Gebäudes bis 2006 in einer Langzeit-Untersuchung zu
dokumentieren.
Im Folgenden werden der architektonische Entwurf, das Energie- und
Technikkonzept sowie Messergebnisse zum EnergieForum vorgestellt.
Außerdem werden Betriebserfahrungen des ersten Jahres sowie die
kontinuierlichen Optimierungsmaßnahmen während des Monitorings
erläutert.
Die Zeitschrift Bauphysik des Verlags Ernst & Sohn hatte das Planungsteam des EnergieForum Berlin anlässlich des 25. Jahrgangs mit
dem Bauphysik-Preis 2003 für das ganzheitliche Energiedesign ausgezeichnet.
Bauteile und Grundriss des EnergieForums
Die Gebäuderiegel des Neubaus wurden als achtgeschossige multifunktionale Mehrzweckgebäude errichtet. Sie ermöglichen ebenso wie
der Altbau neben weitgehend variabler Raumaufteilung und der Bildung unterschiedlich großer Mieteinheiten auch die Anordnung traditioneller Zweibundanlagen. Das Atrium bildet den Mittelpunkt des Gebäu-
Projektbeteiligte:
Bauherr
Hanseatic Sechzehnte
Grundbesitz Investitionsgesellschaft mbH &
Co. KG
Enderwerber
Projektgesellschaft
Hanseatica Sechzehnte
Grundbesitz Investitionsgesellschaft mbH &
Co. KG, ein Beteiligungsunternehmen der
R+V Versicherungsgruppe Bereich Immobilien, Wiesbaden
Das Atrium mit Blick zur Spree
Energiekonzept Sommer
Architektur
Altbau: JentschArchitekten, Berlin
Neubau (Entwurf):
Bothe Richter Teherani
Architekten BDA,
Hamburg
Bauleitung: Werner
Jahn - Guido Jahn
freischaffende Architekten, Berlin
dekomplexes.
Es wird zeitweise als multifunktionale Ausstellungs- und Veranstaltungsfläche und als Marktplatz für Konzepte, Innovationen und Produkte einer nachhaltigen Energiewirtschaft genutzt.
Energie- und Klimadesign
Ziel war die Umsetzung eines ganzheitlichen Energiekonzepts mit
hohem Nutzerkomfort für ein energieeffizientes Bürogebäude entsprechend den Vorgaben des SolarBau:MONITOR-Programms. Der Zielwert für den jährlichen Primärenergiebedarf beträgt 100 kWh/(m²a) für
Wärme und Strom bezogen auf die beheizte Netto-Grundfläche. Der
errechnete Nutzenergiebedarf des Gebäudes teilt sich wie folgt auf:
40 kWh/(m²a) für Heizwärme und 20 kWh/(m²a) für Strom (ohne den
Energiebedarf für nutzungsspezifische Geräte wie z. B.: Computer,
Kopierer, Kaffeemaschinen).
Das Magazingebäude wurde gemeinsam mit den beiden Neubauflügeln und dem dazwischen liegenden Atrium als kompakter Baukörper
gestaltet und hochwärmegedämmt. Seine Fassaden sind jeweils mit
einer individuell nach den Himmelsrichtungen konzipierten Kombination
aus Verglasung, Sonnen- und Blendschutz ausgestattet.
Neben der Fensterlüftung, die in allen Büroräumen möglich ist, wird
das Gebäude durch Lüftungsanlagen mit hocheffizienter Wärmerückgewinnung belüftet. Die Heizung und Kühlung der Büroräume erfolgt je
nach Lage der Räume im Gebäude über eine Betonkerntemperierung
bzw. Niedertemperatur-Heizkörper.
Das Gebäude wird neben dem Netzstrom mit Fernwärme versorgt. Die
aus statischen Gründen erforderliche Pfahlgründung des Neubaus wird
in Verbindung mit dem Erdreich zusätzlich als saisonaler Wärme- und
Kältespeicher genutzt. Auf der Südseite des Gebäudes ist eine Fotovoltaik-Anlage in die Fassade integriert.
Baukörper - Gründung - Gebäudehülle
Der gesamte Baukörper aus Neu- und Altbau wurde durch die Integration des Atriums sehr kompakt gestaltet. Das Verhältnis von Außenhülle
zu beheiztem Volumen beträgt 0,15 m-1.
Im Rahmen der Sanierung des Altbaus wurde eine 8 cm starke Innendämmung aus Mineralfaser in Kombination mit einer feuchtepermeablen Dampfbremse sowie neuen Fenstern eingebaut. Das Pfettendach
des Altbaus mit liegendem Dachstuhl wurde mit einer Aufsparrendämmung erstellt. Die Ost-/Westseite des Neubaus ist als Lochfassade,
bestehend aus vorgehängten Metallelementen mit 16 cm Mineralfaserdämmung, ausgeführt. Die Südfassade wurde als Bandfassade mit
ebenfalls 16 cm Mineralfaserdämmung als elementierte Pfosten-Riegelkonstruktion erstellt.
Alle Fenster des Neu- und Altbaus sind mit wärmegedämmten Rahmen der Materialgruppe 1.0 und Verglasungen mit einem U-Wert von
1,1 W/(m²K) nach Bundesanzeiger (BAZ) ausgeführt. Es wurden ausschließlich wärmedämmende Glasabstandshalter aus Edelstahl eingesetzt.
Durch den außergewöhnlich guten Wärmeschutz des Gebäudes liegt
der prognostizierte Wärmebedarf 47 Prozent unter dem Anforderungsniveau der zum Planungszeitpunkt gültigen Wärmeschutzverordnung
WSchVo 1995.
U-Werte der Gebäudehülle (Neubau)
Tragwerksplanung
Altbau: Ristow &
Schöpe, Berlin
Neubau: Pichler Ingenieure GmbH, Berlin
Energiekonzept Winter
Brandschutzkonzept
Hosser, Hass & Partner,
Braunschweig
TGA
Winter Ingenieure,
Düsseldorf
Sommerlicher Wärmeschutz
Alle in Richtung Süden, Osten und Westen orientierten Fenster des
Gebäudes verfügen über einen manuell bedienbaren, innenliegenden
und hochreflektierenden Sonnenschutz mit Tageslichtlenkung in Kombination mit einer farbneutralen Sonnenschutzverglasung (g = 34 %,
( = 68 %). Beide Maßnahmen reduzieren die externe Wärmelast,
schützen die Räume vor übermäßiger Erwärmung und gewährleisten
blendfreies Arbeiten sowie ständigen Blickkontakt in die Umgebung.
Heizungs- und Lüftungskonzept
Bürofassadenkonzepte
Energiekonzept Bauphysik Simulationen
Steinbeis-Transferzentrum Energie-, Gebäude- und Solartechnik,
Stuttgart, Braunschweig
Monitoring
TU Braunschweig,
Institut für Gebäudeund Solartechnik (IGS),
Braunschweig
Univ. Prof. Dr.
M. Norbert Fisch,
Dipl.-Ing. R. Himmler
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erfolgt über einen Wärmeübertrager und eine Abluftwärmepumpe.
Übergangszeit: Die Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung im
Neubau dienen vorrangig der Energieeinsparung. Ist der Betrag der
rückgewonnenen Wärme geringer als der unter Berücksichtigung des
Primärenergiefaktors aufgewendete Strombedarf der Anlagen, so werden diese ausgeschaltet. Der Nutzer soll in diesem Fall über die Fenster lüften.
An den Fenstern sind Anzeigen mit LED (rot: mechanische Lüftung,
grün: Fensterlüftung) angebracht, welche die Nutzer über den
Umschaltzeitpunkt informieren. Die Lüftungsanlage des Altbaus ist aufgrund der durch die Schallemissionen vom Stralauer Platz eingeschränkten Möglichkeit zur Fensterlüftung ganzjährig in Betrieb. Die
Heizfunktion der Betonkerntemperierung wird während der Übergangszeit deaktiviert, um eine Überhitzung der Büros zu verhindern. Die statischen Heizflächen werden bei Bedarf zugeschaltet. Die Vorlauftemperatur wird in Abhängigkeit von der Außenlufttemperatur gesteuert.
Steigt die mittlere Außenlufttemperatur über einen einstellbaren Wert
(zurzeit 18°C), so wird die automatische Nachtlüftung mittels elektrischer Stellantriebe der Büros bzw. des Atriums ausgelöst. Dies führt zu
einer thermischen Regeneration der inneren Wärmespeichermassen
(Geschossdecken) und reduziert Temperaturspitzen am folgenden Tag.
Die Nachtlüftung wird abhängig von der Außenlufttemperatur und den
Raumlufttemperaturen geregelt. Die Zu- und Abluftöffnungen des Atriums sind mit der Regelung verknüpft, so dass eine Querlüftung der
Büros von der Umgebung über das Atrium ermöglicht wird, falls die
Nutzer die Bürotüren nachts offen lassen.
Bürokonzept Südfassade
Heizungs- und Lüftungskonzept Neubau im Winter
Sommer: Im Sommer werden die Büros im Neubau ebenso wie das
Atrium ausschließlich natürlich belüftet. Die Büros im Altbau werden
mechanisch belüftet, jedoch können die Fenster von den Nutzern
jederzeit geöffnet werden. Die Nachtlüftung bleibt aktiv und wird bei
Bedarf ausgelöst. Steigt die mittlere Außenlufttemperatur über einen
einstellbaren Wert (zurzeit 18°C), wird die Betonkerntemperierung in
den Geschossdecken des Neubaus mit einer Vorlauftemperatur von
18°C zur Kühlung aktiviert. Die Betonkerntemperierung wird direkt von
der Energiepfahlanlage mit Kaltwasser versorgt.
Beleuchtungskonzept
Die eingesetzten Sonnen- und Blendschutzsysteme ermöglichen eine
weitgehende Tageslichtnutzung. Um dieses Energiesparpotenzial nutzen zu können, werden in den Büros fassadenseitig Kunstlichtsysteme
mit einem elektronischem Vorschaltgerät (15 W/m²) und einer Konstantlichtregelung (500 Lux) eingesetzt. Die zweite, flurseitige Leuchtenreihe wird nur bei Bedarf manuell zugeschaltet. Die Beleuchtung in
den Fluren wird präsenzabhängig gesteuert.
Kühlungs- und Lüftungskonzept Neubau im Sommer
Winterfall: Die beiden Neubauflügel werden über je eine Zu-/Abluftanlage mit Rotations-wärmetauscher belüftet (hygienischer Mindestluftvolumenstrom: 4 m³/(m²h) bzw. 1,3 h-1). Der Heizwärmebedarf wird über
fassaden- bzw. atriumsseitig angeordnete Niedertemperatur-Heizkörper (Auslegung: 60/40°C) gedeckt. Bei Außenlufttemperaturen unter
10°C wird die Betonkerntemperierung der Geschossdecken mit einer
gleitenden Vorlauftemperatur zwischen 20 und 26°C zugeschaltet und
damit die Grundlast gedeckt.
Das denkmalgeschützte Magazingebäude wird über eine Abluftanlage
und schallschützende Zuluftelemente mit Winddruckklappen in den
Brüstungsbereichen unterhalb der Fenster belüftet. Dadurch konnte
das Lüftungskanalnetz auf das notwendige Minimum reduziert werden,
ohne auf den Komfort und die Energieeinsparung einer mechanischen
Belüftung zu verzichten. Die Wärmerückgewinnung aus der Abluft
Energiepfahlanlage: Saisonale Wärme- und Kältespeicherung
Während der Heizperiode wird dem Boden um die Gründungspfähle
mittels einer elektrisch angetriebenen Wärmepumpe Wärme entzogen
und dieser somit abgekühlt. Der Betrieb der Anlage wird unterbrochen,
sobald die Verdampferaustrittstemperatur der Wärmepumpe einen
Wert von ca. 4°C unterschreitet. Dies tritt auf, wenn das Erdreich um
die Pfähle bis auf ca. 5 - 6°C abgekühlt ist (mittlere Erdreichtemperatur im gesamten von den Pfählen erschlossenen Bereich). Die Pfahltemperatur beträgt dann etwa 4 - 5°C. Die gekoppelte Gebäude- und
Anlagensimulation hat ergeben, dass dem Erdreich im Zeitraum von
Oktober bis April eine Wärmemenge von ca. 85 MWh/a entzogen werden kann.
Im Sommer dient die im Untergrund gespeicherte Kälte zur Gebäudekühlung. Dazu werden die hydraulischen Kreise der Energiepfahlanlage und der thermischen Betonkerntemperierung in den Geschossdecken über einen Wärmetauscher gekoppelt und das Wasser umgewälzt. Die überschüssige Raumwärme wird von dem in den Betondecken zirkulierenden Wasser aufgenommen, das sich dabei erwärmt.
Das Wasser gibt seine Wärme über die Energiepfähle an den Unter-
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grund ab, die Erdreichtemperaturen steigen dabei im
Bereich der Pfähle auf bis zu 15°C. Dem Untergrund soll
dabei die gleiche Wärmemenge - ca. 85 MWh - zugeführt
werden, wie im Winterhalbjahr über die Wärmepumpe
entnommen wurde.
Energieversorgungskonzept
Der Heizwärmebedarf des Gebäudes soll zu ca. 20 Prozent von der mit der Wärmepumpe gekoppelten Energiepfahlanlage, zu 5 % von der Abluftwärmepumpe im
Magazingebäude und zu 75 % vom Fernwärmeanschluss
gedeckt werden.
Eine Fotovoltaikanlage mit Netzeinspeisung, die mit einer
Spitzenleistung von 55 kW projektiert ist, soll mit einem
Jahresertrag von 46 MWh/a ca. 10 % des Strombedarfs
decken. Die Module aus monokristallinen Solarzellen
(Fläche ca. 500 m²) sind auf den beiden Neubaudächern
und an der Südfassade angebracht. Ein BrennstoffzellenBlockheizkraftwerk mit einer elektrischen Leistung von
0,8 kWel und einer thermischen Leistung von 2,6 kWth
wurde zu Demonstrationszwecken aufgebaut, um den Nutzern und
Besuchern des EnergieForums diese Zukunftstechnologie zu demonstrieren. Der Hauptstrombedarf wird über das Netz gedeckt.
Evaluierung
Im Mittelpunkt der Evaluierung stand die Analyse der Energieeffizienz
des Gebäudes. Insbesondere wurde untersucht, ob die hochgesteckten Zielwerte der Planung im praktischen Betrieb tatsächlich eingehalten wurden.
Für das Jahr 2004 wurde der Zielwert von 100 kWh/(m²NGFa) mit
einem Primärenergieverbrauch von 85,5 kWh/(m²NGFa) um 14,7 %
deutlich unterschritten. Der Zielwert Nutzenergieverbrauch Heizwärme
von 40 kWh/(m²NGFa) wurde mit 50,6 kWh/(m²NGFa) um 26,5 %
überschritten. Dies wurde durch den Ertrag der Wärmepumpe Energiepfähle kompensiert, der wesentlich höher lag als prognostiziert. Der
Zielwert Nutzenergiebedarf Strom wurde mit 21,7 kWh/(m²NGFa) nur
geringfügig überschritten. Der Wärmebedarf des Gebäudes wurde zu
83 % über die Fernwärme, 16 % über die Energiepfahlanlage und zu
einem Prozent über die Abluftwärmepumpe gedeckt.
Die gesamte Heizenergie zur Betonkerntemperierung von 176 MWh/a
wurde über die Wärmepumpe Energiepfähle geliefert. Entgegen
dem prognostizierten Betrag von 85 MWh/a wurden dem Erdreich
134 MWh/a Wärme entzogen. Für den Betrieb der Wärmepumpe mussten dazu 33 MWh/a elektrische Energie aufgewendet werden. Dies
ergibt eine sehr gute Jahres-Arbeitszahl von 5,4 (ohne Umwälzpumpe
Energiepfähle) oder 4,8 (mit Umwälzpumpe Energiepfähle). Für das
Jahr 2004 wurden insgesamt 1.643 Volllaststunden gemessen.
Im Vergleich mit Referenzgebäuden, die im Projekt EVA untersucht
wurden, weist das EnergieForum ebenfalls eine hohe Energieeffizienz
auf. Zu beachten ist, dass in EVA im Vergleich zum SolarBau:MONITOR auch der Energieverbrauch der Ausstattung in den Mietbereichen
betrachtet und auf die gesamte BGF bezogen wird.
Als Kennwerte für den Endenergieverbrauch des EnergieForums wurden in EVA 24 kWh/(m²BGFa) für den gesamten Stromverbrauch
einschließlich des Mieterstroms und 34 kWh/(m²BGFa) für den Wärmeverbrauch ermittelt.
Nach der Inbetriebnahme der Gebäudeleittechnik im Herbst 2003 wurden in enger Zusammenarbeit mit dem Gebäudemanagement (Hochtief Facility Management) einzelne Probleme und Störungen während
des Gebäudebetriebs aufgedeckt und behoben. Ohne Optimierungsmaßnahmen hätten diese auf Dauer zu einem erheblichen Mehrverbrauch an Heizwärme und Strom bzw. zu Einbußen beim Nutzerkomfort geführt.
Die Ergebnisse des wissenschaftlichen Monitorings und des Energiecontrollings zeigen erwartungsgemäß, dass die Lüftungswärmeverluste
entscheidenden Einfluss auf den Heizwärmebedarf und - im Fall der
Schema der Energieversorgung
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Kennwerte der Energieversorgung
Nutz- und Primärenergieverbrauch 2004.
Heizwärmeverbrauch 2004
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Energiebilanz der Wärmepumpe Energiepfähle
Kennwerte für den spezifischen Jahresendenergieverbrauch Wärme und Strom mit
Referenzgebäuden aus EVA
(bezogen auf die BGF, Energieforum: Werte für 2004)
Betriebserfahrungen im ersten
Jahr (Auszug)
32 % führen. Der Strombedarf für den Betrieb der Wärmerückgewinnungsrotoren wäre im Vergleich zum Gesamtstrombedarf vernachlässigbar gering. Insgesamt erhöhte sich der Primärenergiebedarf um elf
Prozent. Der Ausfall der WRG im EnergieForum wurde durch den
Defekt eines Frequenzumformers ausgelöst. Eine Störmeldung der GLT
lag nicht vor.
Szenario 2: Durch eine Deaktivierung des Wochenzeitschaltprofils der
Lüftungsanlagen liefen diese im Winter zeitweise im Dauerbetrieb. Bliebe dies unerkannt, würde sich der Heizwärmebedarf um 16 %
erhöhen. Der Strombedarf stiege um 32 %. Zusammen ergibt dies
einen Primärenergiemehrbedarf von 29 % gegenüber dem Best-Practise-Szenario. Der Störfall wurde ausgelöst durch die Installation eines
Software-Updates. Eine Störmeldung der GLT wurde nicht ausgegeben.
Szenario 3: Der ganzjährige Betrieb der Lüftungsanlagen durch den
Ausfall der Sommer-Winter-Umschaltung würde einen um 13 % höheren Strombedarf verursachen. Der Primärenergiebedarf stiege um 8 %.
Der Ausfall war bedingt durch eine fehlerhafte GLT-Programmierung
und hat keine Störmeldung verursacht.
Szenario 4: Durch die Nachtlüftung des Gebäudes während der Heizperiode ergäbe sich ein Mehrverbrauch an Heizwärme von 81 %. Der
Mehrbedarf an Strom für den Antrieb der Stellmotoren ist vernachlässigbar gering. Es würde insgesamt ein um 27 % erhöhter Primärenergiebedarf entstehen. Der Fehler wurde durch den Ausfall der Außenlufttemperatur-Messung verursacht.
Szenario 5: Bei einem Leerstand des Gebäudes von 30 % und der
Beheizung der nicht genutzten Bereiche auf 21°C ergibt sich eine
Mehrverbrauch an Heiz- und Primärenergie von 18 bzw. 6 %. Dieser
Mehrverbrauch wird durch die geringeren inneren thermischen Lasten
des Gebäudes durch Beleuchtung, Geräte und Menschen verursacht.
Ein erhöhter Stromverbrauch entsteht nicht.
Die Erfahrungen aus dem Monitoring im EnergieForum zeigen, dass
eine Überlagerung der angeführten Einzelszenarien ebenfalls auftreten
kann. In der Kombination könnte so der tatsächliche Energieverbrauch
den in der Planung angestrebten Energiebedarf um über 100 % überschreiten, ohne dass offensichtliche Störungen bei Nutzung und
Betrieb des Gebäudes sichtbar würden. Es würden Mehrkosten allein
für Fernwärme von bis zu 40 T /a entstehen. Dies unterstreicht die
Bedeutung des Energie-Monitorings im Betrieb.
Lüftungsanlagen - auf den Strombedarf haben. Es wurde deshalb
besonderes Augenmerk auf den Betrieb der Lüftungsanlagen und der
Nachtlüftung gelegt. Die Tabelle zeigt einige der Störungsszenarien, die
im Laufe des ersten Betriebsjahres identifiziert bzw. behoben wurden.
Die Störungen wurden durch das Monitoring in der Regel schnell
erkannt und soweit möglich behoben. Um eine vergleichbare Bewertung im Kontext der Jahres-Energiekennwerte zu ermöglichen, wurden
die dargestellten Szenarien als dauerhafte Randbedingungen einer
validierten Simulation des Gebäudes angesetzt. Die Ergebnisse zeigen
den Einfluss der Störungen auf die Energiemehrverbräuche im Vergleich zum Best-Practise-Szenario.
Szenario 1: Der ganzjährige Ausfall der Wärmerückgewinnung in den
Neubauten würde zu einer Erhöhung des Jahresheizwärmebedarfs um
Raumklima und Nutzerkomfort
Neben der Optimierung der Energieeffizienz liegt der Fokus der Evaluierung auf dem Raumklima und dem Nutzerkomfort. Hierzu wurden
im Gebäude ebenfalls erste Untersuchungen im Atrium und in den
Büros durchgeführt.
Zur Analyse des Lüftungskonzepts im Atrium wurden kontinuierlich
Lufttemperaturen gemessen. Die Auswertung einer Schönwetterphase
zeigt, dass im Atrium auch ohne Sonnenschutz und künstliche Belüftung ein angenehmes Klima herrscht. Die Temperaturen im Atrium
lagen bei geöffneten Lamellen maximal 5 K über der Außenlufttemperatur. Sie werden jedoch auf Grund der Abminderung der Solarstrahlung
durch die farbneutrale Sonnenschutzverglasung und die Durchströmung des Atriums als niedriger und das Klima insgesamt als angenehm empfunden: das natürliche Lüftungskonzept funktioniert.
Allerdings konnte auch im Atrium noch eine Optimierung der Regelung
erreicht werden: in einigen Zeiträumen mit Außenlufttemperaturen zwischen 10 und 20°C lagen die Lufttemperaturen im Atrium bei bis zu
30°C. Dies ließ sich auf die geschlossenen Lüftungslamellen zurückführen. Die Sicherheitsfunktion der Gebäudeleittechnik hatte ab einer
Windgeschwindigkeit von 4 m/s die Zu- und Abluftöffnungen des
Atriums geschlossen. Der Grenzwert in der Gebäudeleittechnik wurde
daraufhin auf 6 m/s korrigiert.
In insgesamt 56 Büroräumen des Neubaus wurden im Jahr 2004 die
Raumlufttemperaturen gemessen, um den sommerlichen Wärmeschutz zu bewerten. Den aktuellen Auswertungen liegt der Zeitraum
53
1. 1. 2004 bis 25.10.2004 zu Grunde. Als Bewertungskriterium wird
die DIN 4108-2 (7/2003) angesetzt. Diese verlangt für Berlin, dass die
Raumtemperatur in Büroräumen an weniger als 10 % der Nutzungszeit
(10 h/d), also in weniger als ca. 260 h/a über 27°C liegt.
Die Analyse der Messdaten zeigt, dass in einzelnen Büroräumen bis zu
250 Überhitzungsstunden vorlagen, also in weniger als 10 % der
gesamten Nutzungszeit. Das Kriterium nach DIN 4108-2 wurde somit
in allen 56 Büros eingehalten. Zu berücksichtigen ist, dass ca. 30 %
der Mietflächen nicht genutzt werden. Die entsprechenden Messungen
wurden in die Bewertung mit einbezogen.
Bei der detaillierten Analyse wurde festgestellt, dass die Raumlufttemperaturen über 27°C vermutlich weitgehend auf die noch nicht vollständig optimierte Betriebsführung bzw. Anlagentechnik zurückzuführen ist.
Einige Störungen konnten bereits identifiziert werden:
- Die Vorlauftemperatur der Betonkerntemperierung lag auf Grund
eines anlagentechnischen Fehlers zu hoch. Dies führte dazu, dass in
einzelnen Räumen insbesondere während der Übergangszeiten in
Frühling und Herbst Raumlufttemperaturen über 26°C gemessen wurden.
- Der Defekt eines Ventils in der dynamischen Heizung führte dazu,
dass die Zulufttemperatur in den Büros zu stark erwärmt wurde.
- Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Temperatursensoren für
die Steuerung der Kühlfunktion nicht kalibriert waren und zu niedrige
Raumlufttemperaturen anzeigen. Dadurch wurde die Kühlfunktion der
entsprechenden Räume zu spät ausgelöst.
Das Nutzerverhalten, das über die Fensterlüftung und den Einsatz des
Sonnenschutzes ebenfalls einen erheblichen Einfluss auf die Raumlufttemperaturen hat, kann zusätzlich zu einer Überhitzung beigetragen
haben. Dieser Einfluss konnte noch nicht bewertet werden.
Berücksichtigt man die Ausschöpfung der Potenziale des Gebäudes
zur effizienteren Kühlung durch eine optimierte Betriebsführung, werden die genannten Anforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz
voraussichtlich im gesamten Gebäude eingehalten. Die Betriebsführung zur Optimierung des Nutzerkomforts wird deshalb im weiteren
Monitoring im Mittelpunkt stehen.
Fazit - Lessons learnt
Im EnergieForum lag der tatsächliche spezifische Jahresheizwärmeverbrauch im ersten Jahr bei 58 kWh/(m²NGF·a). Nach der Optimierung
im Rahmen des wissenschaftlichen Monitorings (IGS, TU Braunschweig), die neben den hier dargestellten Szenarien auch andere
Bereiche des Betriebes betraf, zeichnet sich im 2. Jahr eine Reduzierung um ca. 33 % ab. Das Ziel des SolarBau:MONITOR-Projekts eines
Primärenergiebedarfes von 100 kWh/(m²·a) bzw. eines Jahres-Heizwärmebedarfs von unter 40 kWh/(m²a) wird damit erreicht.
Durch die Optimierung des Betriebs werden in den ersten drei Betriebsjahren ca. 735 MWh Heizwärme bzw. Kosten von ca. 35 T eingespart. Ohne das Monitoring wären diese erhöhten Energieverbräuche
nicht entdeckt worden und hätten zu Mehrkosten geführt.
Der Vergleich mit anderen Bürogebäuden in EVA zeigt, dass die im
EnergieForum geplante und in der Praxis erreichte Energieeffizienz eine
Verbesserung gegenüber dem derzeitigen Standard um den Faktor 3-4
darstellt. Gleichzeitig haben die bisher durchgeführten Untersuchungen
gezeigt, dass es in einigen Räumen zeitweise zu Überhitzung kommt.
Die Analysen lassen jedoch erwarten, dass der Nutzerkomfort in dieser
Hinsicht durch Maßnahmen zur Betriebsoptimierung weiter verbessert
werden kann. Diese werden im weiteren Verlauf des Monitorings
umgesetzt und dokumentiert. Das Beispiel EnergieForum zeigt, dass
der Energiedesigner, der in der Planung die integrale Kompetenz zur
Verbindung von Architektur, Gebäudehülle, Bauphysik und Anlagentechnik einbringt, auch die Inbetriebnahme des Gebäudes und die
ersten Betriebsjahre überwachen sollte. Zum einen, um die ganzheitlichen Ansätze des Planungsteams auch im Betrieb zu berücksichtigen.
Zum anderen, um eine Qualitätssicherung der Planungsziele durchzuführen und ein Optimum an Effizienz und Komfort zu erreichen.
Bürogebäude mit anspruchsvollen Energiekonzepten werden heute oft
Sensitivitätsanalyse zum Energiemehrbedarf von Betriebsszenarien im Vergleich zum Best-Practise
Lufttemperaturen im Atrium (Schönwetterperiode)
Darstellung der Überhitzungsstunden in den Referenzräumen
mit zusätzlichen Investitionen in Planung und Errichtung zur Erreichung
einer hohen Energieeffizienz realisiert. Im EnergieForum wird die ökonomische und ökologische Rendite dieser Anstrengungen durch ein
ganzheitliches Engagement für das Projekt auch tatsächlich erreicht.
Internetlinks
www.igs.bau.tu-bs.de
www.energieforum-berlin.de
www.solarbau.de
www.enerkenn.de
www.ensan.de