Energiekonzepte und Monitoring für Green Buildings

Energiekonzepte und Monitoring
für Green Buildings
Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Heiko Timmer
Geschäftsführender Gesellschafter
Ingenieurbüro Timmer Reichel GmbH
Beratende Ingenieure, Sachverständige und Generalplaner
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Montag, 19. Oktober 2009
7. Münsteraner Facility Management Tag
S. 2
Inhalt
1
Gesetzliche Grundlagen ökologischer Nachhaltigkeit ......................................................2
2
Green Building..................................................................................................................3
3
2.1
Begriff .......................................................................................................................3
2.2
Zertifizierung.............................................................................................................3
Technische Ausrüstungen ................................................................................................4
3.1
Low-Exergy-Techniken.............................................................................................4
3.2
Energieerzeugung ....................................................................................................4
3.3
Energieverteilung......................................................................................................5
3.4
Energieübergabe an den Raum ...............................................................................5
4
Energiekonzepte...............................................................................................................6
5
Monitoring.........................................................................................................................9
6
Zusammenfassung .........................................................................................................10
1
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 Be-
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rechnungsverfahren 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
Green Building
2.1
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.
2.2
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.
•
Deutschland: DGNB (Deutsche Gesellschaft für nachhaltiges Bauen)
•
USA: U.S. Green Building Council: LEED
•
UK: UK Green Building Council: BREEAM
•
Frankreich: Association HQE: HQE
•
Japan: JSBC: CASBEE
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.
Weitere Informationen finden sich bei TIMMER (2008).
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3.1
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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,
im Kühlfall umgekehrt möglichst hohe Kühltemperaturen ausreichen. Hierzu sind in der Regel großflächige, statische Systeme oder intelligente dynamische, konvektive Systeme erforderlich.
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 dasselbe 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 Techniken anbieten, die in TIMMER
(2008) aufgeführt sind.
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3.3
S. 5
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, die in TIMMER (2008) aufgeführt sind.
3.4
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.
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
1
Meyer, F. (2006): „Dezentrale Heizungspumpen“, S. 4.
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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.
DeckenHeiz-KühlSystem
Abluft
in Flurdecke
Installationsbereiche
für optionales,
mieterseitiges
FassadenKühlsystem
Zuluft als
Quelllüftung
Frischluftsee
Hohlraumboden
Elektro, Daten
Schalldämpfer,
RLT-Kanal
Quelluftdurchlass
Abbildung 1 – beispielhaftes Konzept für die Versorgung eines Büroraums2
Innerhalb der Räume von Green Buildings können beispielsweise Techniken verbaut werden, wie beschrieben bei TIMMER (2008). Für ein Bürogebäude bietet sich ein Konzept nach
Abbildung 1 an. Hierbei wird die Zuluft über ein Quellluftsystem in den Raum eingebracht,
das sich durch eine höhere Lüftungseffektivität auszeichnet als die häufiger angewandte
Mischlüftung. Luftvolumenströme werden so minimiert. Die thermischen Lasten kompensieren schnell reagierende, Low-Exergy-Techniken als Umluftsystem. Diese sind so auszulegen, dass ihr Zuluftimpuls so gering ist, dass er das Quellluftprinzip nicht stört. Zur Anpassung an unterschiedliche thermische Lasten der Nutzung sollten Kühlsysteme nutzerseitig
nachrüstbar sein.
4
Energiekonzepte
Energiekonzepte für Green Buildings sind komplexer als die herkömmlicher Gebäude und
bedienen sich häufig aus den oben genannten Techniken. Hierdurch steigen die Investitionsund Instandhaltungskosten sowie die Kosten für den Betrieb der Anlagen. Die Energiekosten
2
RLT = Raumlufttechnik.
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sinken in der Regel im Vergleich zu Gebäuden gleicher Qualität, d.h. ein klimatisiertes Gebäude darf nicht mit einem unklimatisierten verglichen werden. Ein typisches Energiekonzept
für ein nachhaltiges Gebäude zeit Abbildung 2.
Heizung
2 Temperaturniveaus (Raumheizung und RLT)
Strom
Erdwärmesonden
Rückkühlwerke
Wärmepumpen
& KKM
Fernwärme
BHKW
-Option-
AbsorptionsKM
-Option-
Latentwärmespeicher
Latentkältespeicher
Sprinklertank
Freikühlung
Kühlung
2 Temperaturniveaus (Raumkühlung und RLT)
Abbildung 2 – beispielhaftes, thermisches Energiekonzept3
Verschiedene, komplexe Techniken sind bereits in der Planung als interaktives System zu
betrachten, da beispielsweise Wärme-, Kälte- und Strombedarf zusammenhängen. Im obigen Beispiel hängt die Dimensionierung des BHKWs davon ab, welche Strom- und Abwärmemenge möglichst ganzjährig sinnvoll genutzt werden kann, im Sommer auch über die Einspeisung in eine Absorptionskältemaschine, welche die Abwärme des BHKWs in Kälte zur
Raumkühlung umwandelt. Die Erdwärmesonden sind auf den Heiz- und Kühlfalls zu dimensionieren und mit den Wärmepumpen abzustimmen. In der Regel ist die Leistung, die dem
Erdreich entzogen werden kann, durch die Eigenschaften des Erdreichs und die Grundstücksgröße begrenzt. Zudem sind Wärmepumpen, ähnlich wie BHKWs, nur dann wirtschaftlich, wenn sie im Jahr möglichst lange Laufzeiten erreichen. Eine Auslegung auf den Spitzenlastfall, der nur kurzzeitig an kalten Wintertagen oder heißen Sommertagen auftritt, ist oft
nicht wirtschaftlich darstellbar.
Bereits die Planung muss daher komplexere, dynamische Auslegungsverfahren wie die thermische Gebäudesimulation oder sogar eine gekoppelte Betrachtung von Energie und Anla-
3
KKM = Kompressionskältemaschinen, KM = Kältemaschinen, BHKW = Blockheizkraftwerk, RLT =
Raumlufttechnik.
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gentechniken beinhalten. Somit wird auch die Planung deutlich umfangreicher und wissensintensiver. Sie führt dann zu einer sinnvollen Aufteilung zwischen Anlagentechniken, die
•
kostspielig in der Investition, aber günstig im Betrieb sind, wenn sie lange Laufzeiten
erreichen, und anderen Anlagentechiken, die
•
günstig in der Investition, aber kostspieliger im Betrieb sind, und die sich daher als
Spitzenlasttechnik eignen, die nur kürzere Zeiten im Jahr laufen.
Abbildung 3 zeigt qualitativ und beispielhaft für das Energiekonzept aus Abbildung 2 den Einsatz der verschiedenen Techniken im Jahresverlauf auf der Ordinate. Die linke Abszisse
zeigt die Heizlast in der eingezeichneten Parabel (Maxima im Winter). Die rechte Abszisse
zeigt die Kühllast (Kurve mit Maximum im Sommer). Die farbig markierten Felder stellen dar,
in welchen Betriebszuständen welche Anlagentechniken arbeiten. Dabei ist die Abbildung
rein systematisch zu betrachten, da sich im Jahresverlauf zwischen den Tagen und auch innerhalb eines Tages verschiedene Betriebszustände abwechseln; die Struktur ähnelt aber
der dargestellten.
FW
FW
Kältemaschinen
+ Rückkühlwerke
WP +
Geoth.
BHKW*
Kühllast
Heizlast
Glättung des Tagesverlaufs über
Latentwärme- / -kältespeicher
FK
Transformation
Kältemaschinen + Geothermie
BHKW* + AKM*
Jan.
WP +
Geoth.
FK
BHKW*
Transformation
Dez.
Abbildung 3 – thermisches Energiekonzept im Jahresverlauf4
Moderne Gebäude haben ganzjährig eine Kühllast, beispielsweise in EDV-Räumen. Bei
gleichzeitigem Heiz- und Kühlbedarf entziehen Wärmepumpen den zu kühlenden Bereichen
Energie und stellen diese anderen Bereichen zur Heizung zur Verfügung („Transformation“ in
4
FW = Fernwärme, AKM = Absorptionskältemaschinen, WP = Wärmepumpen, Geoth. = Geothermie,
FK = Freikühlung, Transformation = Energietransformation zwischen geheizten und gekühlten Bereichen des Gebäudes über Wärmepumpen, * = nur bedingt wirtschaftliche Anlagentechnik.
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der Abbildung). Abwärme der Blockheizkraftwerke dient im Winter zur Heizung und im Sommer durch die Kopplung mit einer Absorptionskältemaschine zur Kühlung. Somit erreicht das
BHKW lange Laufzeiten, in denen gleichzeitig eine Nutzung des Stroms und der Abwärme
möglich ist. Die Kombination ist aber anlagentechnisch sehr aufwendig und daher nicht immer wirtschaftlich. Erdwärmebohrungen versorgen das Gebäude in Kombination mit Wärmepumpen im Winter mit Wärme und im Sommer mit Kälte; auch hier dient ein System als
Energielieferant über den gesamten Jahresverlauf. Spitzenlasten werden im Winter durch
Fernwärme und im Sommer durch Kompressionskältemaschinen abgefahren. Diese Techniken sind günstig in der Investition. Ein Überhang an Kältebedarf wird bei hinreichend niedrigen Außenlufttemperaturen direkt über die Rückkühlwerke im Freikühlbetrieb abgeführt.
Stets gilt, dass eine Glättung der Bedarfe über das Jahr durch Wärme- und Kältespeicher,
z.B. auf Basis von Phase-Change-Materials, den Energiebedarf und die Dimension der zu
investierenden Anlagentechnik verkleinert.
5
Monitoring
Das beispielhaft beschriebene Energiekonzept ist komplex und auch mit einer sorgfältigen
Planung noch lange nicht realisiert. Die Anlagen müssen fachgerecht installiert und in Betrieb genommen werden. Die Inbetriebnahmephase dauert wenigstens solange, bis alle Betriebszustände erreicht wurden, d.h. ca. ein Jahr. Auch danach muss der Betreiber die Anlage fachmännisch kontrollieren und optimieren, um die in den Auslegungsrechnungen stets
optimal angenommenen Randbedingungen im tatsächlichen Betrieb auch zu erreichen. Hierzu müssen die Anlagen umfangreich Auskunft über ihre Betriebszustände geben.
Zähler für Energie- und Medienflüsse sind an allen neuralgischen Punkten vorzusehen, z.B.
•
Zentrale Übergabepunkte der Energieversorger (Strom, Fernwärme/-kälte, Erdgas,
Trinkwasser)
•
Elektrische Anlagen
•
•
o
Abgänge der Niederspannungshauptverteilung zu Nutzungseinheiten
o
Eigenstromversorgungsanlagen wie Photovoltaik, BHKW, Netzersatzanlage
Wärme-/Kältetechnik
o
Wärme-/Kälteerzeuger
o
Stränge der Heizungs-/Kältenetze
Raumlufttechnik
o
Heiz-/Kühlregister der Zentralgeräte
o
Wärmerückgewinnung der RLT-Anlagen
o
Luftbefeuchtung
o
Messeinrichtungen in Luftkanälen, i.d.R. integriert in variablen Volumenstromreglern
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S. 10
•
Wetterstation
•
Raumtemperaturen und Luftfeuchten (sofern geregelt)
•
Öffnungssignal von Fenstern (sofern erfasst zur Beeinflussung der mechanischen
Lüftung)
6
Zusammenfassung
Green Buildings sind nachhaltige, energieeffiziente und nutzeneffiziente Gebäude, die sich
neben einer Optimierung der Gebäudesubstanz durch eine effiziente Gebäudetechnik auszeichnen. Diese ist in der Regel aufwendiger und damit kostspieliger in der Investition. Um
dies durch Einsparungen im Betrieb kompensieren zu können, ist eine sorgfältige Inbetriebnahme und Einregulierung der Anlagen sowie eine Überwachung im Betrieb erforderlich.
Diese ist nur mit einem umfangreichen Monitoring möglich, das die Betriebszustände der Anlagen überwacht und dokumentiert.
Literaturverzeichnis
BAUER, M. (2007): „Der Einfluss von Green Buildings auf den Immobilienmarkt der Zukunft“.
Vortragsunterlagen Konferenz für Lebenszyklus-Management (ILM).
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.).
MEYER, F. (2006): „Dezentrale Heizungspumpen“. In: BINE Projektinfo, Nr. 13, ISSN 09378367.
TIMMER, H. (2008): „Technische Ausrüstungen für Green Buildings“, in: 6. Münsteraner Facility Management Tag, Gellenbeck/Riemenschneider/Eiling (Hrsg.), Band 3, S. 122-134, ISBN
978-3-00-026419-1, Bestellung unter [email protected].