Projektschlussbericht
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Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP Forschung, Entwicklung, Demonstration und Beratung auf den Gebieten der Bauphysik Zulassung neuer Baustoffe, Bauteile und Bauarten Bauaufsichtlich anerkannte Stelle für Prüfung, Überwachung und Zertifizierung Institutsleitung Univ.-Prof. Dr.-Ing. Gerd Hauser Univ.-Prof. Dr.-Ing. Klaus Sedlbauer IBP-Bericht IBP-425125 Energieoptimiertes Bauen: Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden - Abschlussbericht zum Förderprojekt 0327880A Durchgeführt im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) Autoren Dr.-Ing. Michael Krause Dipl.-Ing. Horst Stiegel Dipl.-Ing. Katrin Schalk Dipl.-Ing. M.Sc. Stephanie Schimmel Kassel, Juli 2013 Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP Nobelstraße 12 | 70569 Stuttgart Telefon +49 711 970-00 Telefax +49 711 970-3395 www.ibp.fraunhofer.de Standort Holzkirchen Fraunhoferstr. 10 | 83626 Valley Telefon +49 8024 643-0 Telefax +49 8024 643-366 Standort Kassel Gottschalkstr. 28a | 34127 Kassel Telefon +49 561 804-1870 Telefax +49 561 804-3187 Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie unter dem Förderkennzeichen: 0327880A gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren Die Autoren danken den nachfolgend aufgeführten Projektpartnern für die Unterstützung des Forschungsprojektes: Isofloc Wärmedämmtechnik GmbH SCHWENK Dämmtechnik GmbH & Co. KG REHAU AG & Co. Bielefelder Gemeinnützige Wohnungsgesellschaft mbH Wohn- und Wirtschaftservice Herford GmbH MOLL bauökologische Produkte GmbH Lignotrend Produktions GmbH va-Q-tec AG Heinrich Lamparter Stahlbau GmbH & Co. KG Wagner & Co. Solartechnik GmbH Internorm Fenster GmbH Arbeitskreis Ökologischer Holzbau e.V. Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden 1 Einleitung 2 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.1.6 2.1.7 2.2 Markt- und Wohnbestandsanalyse Wohnbestandsanalyse Architektur Orientierung Geschossigkeit Verbauung und Verschattung Fenster Balkone und Loggien Restliche Fassade Marktpotentialanalyse 3 Bewertung durchgeführter Sanierungsmaßnahmen Internationale und nationale Vorhaben Großformatige, horizontale Fassadenmodule Großformatige, vertikale Fassadenmodule Kleinformatige, vollständig vorgefertigte Module Halb-vorgefertigte Module Vorgefertigte Dachmodule Integration anlagentechnischer Komponenten in vorgefertigte Systeme Logistik Stärken Herausforderungen Kosten Energetische Betrachtungen 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.4 5 10 10 12 12 12 12 13 13 13 13 Energetischer Standard einer Sanierung mit vorgefertigten Bauteilen Berechnungen des Energiebedarfes mittels Referenzgebäude Ergebnisse für zwei grundlegende Varianten Weitere Variantenstudien Einbausituation der Fenster Fassadenintegrierte Haustechnik Lüftung Heizung Realisierungsmöglichkeiten von Plusenergiegebäuden in der Sanierung Abschließende Betrachtung Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 17 17 18 20 22 22 23 25 26 28 29 30 31 34 34 37 39 41 42 43 44 45 47 3 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden 5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.6 5.6.1 5.6.2 5.6.3 5.7 6 6.1 6.2 6.3 Entwicklung von Konzepten zur Sanierung mit vorgefertigten Bauteilen Entwurf- und Konstruktionsprinzip von Kleinelementen in Holzbauweise Vorgefertigtes multifunktionales Fensterelement Konzeptionelle Umsetzung - Lösungsansatz Umsetzung eines 1:1-Fenstermoduls als Demonstrator Leitungsführung auf der Fassade Wärmedämmverbundsysteme auf EPS-Basis Wärmedämmverbundsysteme auf der Basis biegesteifer (Holz)faserdämmstoffplatten Holzmodule Lüftungskonzepte für die Bestandssanierung Dezentrale Lüftungssysteme Zentrale Lüftungssysteme Nachrüstung von gebäudezentralen Abluftanlagen (Zuluft /Abluft) Zusammenfassung 48 48 49 52 56 57 59 60 61 61 63 63 65 66 69 70 71 71 71 72 6.4.1 6.4.2 Leitfaden zum Planungsablauf Allgemeiner Planungsablauf Phase 1 - Zieldefinition Phase 2 – Objektdokumentation und Grundlagenermittlung Brandschutz Statik Schallschutz Feuchteschutz/Hygiene Wärmeschutz Phase 3 – Entwicklung des GesamtSanierungskonzepts (Planungsablauf) Planungsablauf der technischen Gebäudeausrüstung Planungsablauf der Fassadensanierung 7 Identifizierung von Umsetzungsprojekten 78 8 Zusammenfassung 80 9 Literatur 82 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.3.5 6.4 Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 68 68 68 74 74 77 4 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden 1 Einleitung In Deutschland werden ca. 1/3 des gesamten Endenergieverbrauchs durch die thermische Konditionierung von Gebäuden verursacht - der Energieeinsparung im Gebäudebereich kommt somit eine im Vergleich zu den Verbrauchssektoren „Verkehr“ und „Industrie“ mindestens gleichrangige Bedeutung zu. Einsparungen in diesem Sektor haben zum einen unmittelbare Bedeutung zur Reduzierung der CO2-Emissionen und sind zum anderen stark Ressourcen schonend. Im Neubaubereich hat der Gesetzgeber seit 1977 durch verschiedene Wärmeschutz-, Heizungsanlagen- und Energieeinsparverordnungen, spätestens aber mit der Einführung der Energieeinsparverordnung 2002 bereits ein relativ hohes Niveau – häufig wird der Begriff „Niedrigenergiehaus“ angeführt – erreicht, s. Abbildung 1-1. Dass weitere Verbesserungen wünschenswert und technisch durchaus realisierbar sind verdeutlicht die Eintragung der verschiedenen Forschungs- und Demonstrationsvorhaben, bei denen derzeit das Thema Plusenergiehäuser im Fokus steht, Gebäude, die im Jahresdurchschnitt selber mehr Energie erzeugen, als sie verbrauchen. Abbildung 1-1: Zulässige Primärenergiebedarfe von Neubauten bezogen auf WSVO/EnEV, Baupraxis und Forschung [Hauser 2011] Die gesetzlichen Anforderungen an Bestandsgebäude fallen vor dem Hintergrund des Wirtschaftlichkeitsgebotes demgegenüber eher moderat aus und greifen zudem meist nur, wenn Veränderungen an der Gebäudehülle ohnehin anstehen. Zahlenmäßig macht der Gebäudebestand jedoch den Großteil der Gebäude in Deutschland aus (vgl. Abbildung 1-2). Gerade hier ist aber eine Vielzahl von – nicht nur älteren – Gebäuden mit teilweise extrem hohem Energieverbrauch zu verzeichnen [BMV07]. Dies und auch die anhaltend rückläufige Neubautätigkeit verdeutlicht die besondere Bedeutung der Sanierung im Gebäudebestand im Hinblick auf die Einhaltung der von der Bundesregie- Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 5 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden rung angestrebten Reduzierung der CO2-Emissionen. Aktuell wird von der Gesetzgebung versucht, diesem Umstand durch die Einführung von Energieausweisen sowie durch steuerliche Abschreibungsmöglichkeiten und attraktive Förderprogramme zur energetischen Gebäudesanierung Rechnung zu tragen. Abbildung 1-2: Vergleich Altbau-Neubau nach [ERH08] In energetischer Hinsicht müssen (Stand 2012) praktisch alle vor 1995, d.h. vor Einführung der Wärmeschutzverordnung 1994/1995, errichteten Gebäude als „Altbau“ bezeichnet werden. In der Literatur [ERH08, u.a] wird jedoch häufig die Einteilung - Altbau vor 1978, Neubau nach 1978 - vorgenommen. Prinzipiell handelt es sich bei einer solchen Festlegungen immer um eine dynamische Grenze, deren Kriterien entweder baukonstruktiver Art oder „Energieverbrauchniveau“ abhängig sind und immer wieder angepasst werden müssen/müssten. Wesentlich praktikabler ist daher die Einteilung in Baualtersklassen. Maßnahmen zur Gebäudesanierung müssen dabei nicht nur energetisch effizient, sondern auch so kostengünstig wie möglich gestaltet werden und sich in überschaubaren Zeiträumen, ggfs. unter Berücksichtigung entsprechender Förderungen, wieder erwirtschaften lassen. In selbstgenutzten Wohngebäuden wird mit konventionellen Sanierungssystemen bereits eine gute Wirtschaftlichkeit erreicht, vgl. [Sto 12], im Mehrgeschosswohnbau müssen allerdings zusätzliche Aspekte berücksichtigt werden. Die Beeinträchtigung der Bewohner und Eigentümer (Lärm- und Staubbelästigung, Mietausfall) muss dabei auf das notwendige Minimum reduziert werden. Eine Akzeptanz für energetische Sanierungen ist zudem nur dann zu erwarten, wenn auch Komfortaspekte ausreichend Berücksichtigung finden, d.h. Komfortsteigerungen ohne zusätzlichen Einsatz von Energie erzielt werden. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 6 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Abbildung 1-3: Klassische Gebäudesanierung als Einzelmaßnahmen Die traditionelle Gebäudesanierung (siehe Abbildung 1-3) wird in aller Regel individuell und getrennt nach Gewerken geplant und ausgeführt. Insbesondere die nachträgliche Installation anlagentechnischer Komponenten innerhalb des Gebäudes ist oft mit erheblichen Beeinträchtigungen der Bewohner verbunden. Häufig ist ein Leerstand der Wohnungen über längere Zeiträume, verbunden mit entsprechenden Miet- oder Nutzungsausfällen, unumgänglich. Die Trennung nach Gewerken birgt zudem die Gefahr, dass die Einzelmaßnahmen nicht aufeinander abgestimmt sind und wichtige, bauphysikalische Grundlagen (Wärmebrücken, Luftdichtheit) missachtet werden. Sanierungskonzepte, bei denen die oben genannten Aspekte berücksichtigt werden, werden zum Beispiel durch minimalinvasive und multifunktionale Konzepte mit hohem Vorfertigungsgrad repräsentiert. Viele Wohnungsbauunternehmen sind bestrebt ihre (bestehende) Mieterstruktur zu halten. Sie vermeiden daher Sanierungsabläufe, die länger andauernde Umsetzungen der Mieter oder gar eine vollständige Entmietung der Objekte voraussetzen. „Minimalinvasiv“ in Bezug auf eine Sanierungstechnik zielt hierbei darauf, die Bewohner so wenig wie möglich zu belasten und die Sanierungsmaßnahme im Wesentlichen von außen durchzuführen. Ergänzend dazu wird die Dauer der Sanierungsmaßnahme sehr stark von den benötigten Installationszeiten vor Ort bestimmt. Je mehr dieser Installationen vorab und nicht an der Baustelle durchgeführt werden, umso kürzer können die Beeinträchtigungen der Bewohner sein. Der Schlüssel hierfür liegt somit in einer größtmöglichen Vorfertigung von Sanierungssystemen, die eine einfache Montage vor Ort ermöglichen. Für eine unkomplizierte Planung und Montage sind einfache, schlichte Fassaden von Vorteil, wie sie beispielsweise bei den Gebäuden der Nachkriegsjahre gegeben sind, vgl. Abbildung 1-4. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 7 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Abbildung 1-4: Typisches Mehrfamilienhaus aus den Jahren 1950-1970 Den Leitgedanken eines Mehrfachnutzens verfolgend wird der Ansatz „minimalinvasiv“ durch Multifunktionalität ergänzt. Nachdem sich die Reduzierung der Transmissionswärmeverluste, unter den zurzeit gültigen Randbedingungen, einem „ökonomisch-technischen“ Optimum genähert haben dürfte, setzen speziell im Gebäudebestand konstruktive Belange hier vielfach Grenzen. Die Verringerung der Lüftungswärmeverluste und damit einhergehend die Sicherstellung hygienisch zufriedenstellender Raumluftkonditionen stellen die nächste große Herausforderung im Wohnungsbau dar. Dies gilt sowohl für die Sanierung des Bestandes als auch für den Wohnungsneubau. Verändertes – beruflich und/oder familiär bedingt – oder unangepasstes Nutzerverhalten erfordern weitgehend nutzerunabhängige, intelligente Lüftungssysteme. Somit bedeutet Multifunktionalität in diesem Zusammenhang, dass mehrere Anforderungen von Gebäude, Fassade und Anlagentechnik, z.B. Wärmedämmung und Lüftungstechnik, robust in einer Komponente vereint sind. Ergänzend hierzu können die vorhandenen Heizungskomponenten (Übergabe, Verteilung, Erzeugung) als neues „(Rest-) Raumwärmebedarfsdeckungssysteme“ ertüchtigt und in das geplante Sanierungskonzept integriert werden. Weitere Möglichkeiten ergeben sich hierdurch zur Erneuerung bzw. Nachrüstung von Elektro- und Kommunikationssystemen. Speziell die Integration der Multifunktionalität in einen Vorfertigungsprozess bietet zwar große Chancen zur Synergienutzung und Kostenersparnis, stellt aber auch neue Herausforderungen an den kompletten Bauprozess. Ein Beispiel einer industriellen Vorfertigung von kompletten Gebäudeteilen für eine Gebäudeaufstockung, bei der die Montage ohne die Verwendung eines Gerüstes erfolgen kann, verdeutlicht Abbildung 1-5. Dadurch kann der Aufwand vor Ort und damit die Beeinträchtigung der Nutzer auf ein Minimum reduziert werden. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 8 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Abbildung 1-5: Komplette Vorfertigung und Montage ganzer Raummodule Das diesem Bericht zugrunde liegende Forschungsvorhaben hat bezüglich der hier dargestellten Problematik das Ziel, vorgefertigte, multifunktionale Systeme zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden zu entwickeln. Hierzu wird im ersten Schritt eine umfassende Wohnungsbestandsanalyse durchgeführt, bei der sowohl Baualtersklassen als auch typische Bebauungssituationen betrachtet werden. Durch die Analyse der in den letzten Jahren entwickelten Konzepte zur Sanierung mit vorgefertigten Elementen, z.B. solche, die im Rahmen des ECBCS Annex 50 der Internationalen Energie Agentur betrachtet werden, können wertvolle Hinweise für die Weiterentwicklung der Ideen erarbeitet werden. Insbesondere können durch Variantenrechnungen und Endkundenbefragungen, z.B. von Wohnungsbaugesellschaften, realisierbare und gewünschte Energieniveaus für die Sanierungslösungen identifiziert werden. Speziell wird dafür zusammengefasst, welche organisatorischen und bauphysikalischen Aspekte bei einer Sanierung und insbesondere bei Sanierungssystemen mit einem hohen Grad an Vorfertigung zu berücksichtigen sind. Unter Berücksichtigung der vorangehenden Aspekte werden vom Fraunhofer IBP Sanierungskonzepte entwickelt, die sowohl Vorfertigung als auch Multifunktionalität in einem Sanierungssystem vereinen. Hauptbestandteil dieser Lösungen stellt ein vorgefertigtes Fenstermodul dar, bei dem durch die Integration einer Technikbox die Funktionen Belüften, Heizen oder auch ITVersorgung ermöglicht werden. Im Rahmen der Vorfertigung wird ein Dämmstoffrahmen inklusive einer innenliegenden Fensterzarge vorgesehen, wodurch das Fenster zum einen an die energetisch günstigste Stelle platziert werden kann und zum anderen durch die Vorfertigung die häufig auftretenden Schwachstellen am Fensterverbund zuverlässiger gelöst werden können. Aufbauend auf den entwickelten Konzepten wurden Detailzeichnungen und Visualisierungen erstellt, die es einer Fensterfirma ermöglichten, einen ersten Demonstrator im 1:1-Maßstab zu entwickeln. Dieser Demonstrator wurde im Projekt auf verschiedenen Veranstaltungen und Messen eingesetzt, um zusammen mit Herstellern und Wohnungsbaugesellschaften Umsetzungsmöglichkeiten an zu sanierenden Gebäuden zu diskutieren. Speziell die noch zu entwickelnden Installationstechniken und die derzeit noch fehlende Massenfertigung der Module erschweren in diesem Stadium jedoch eine großflächige Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 9 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Umsetzung durch Wohnungsbaufirmen, so dass die Erprobung der Ansätze im Rahmen von weiteren Forschungsprojekten parallel vorbereitet wird. 2 Markt- und Wohnbestandsanalyse Um neue vorgefertigte Sanierungskonzepte auf die jeweiligen Marktbedürfnisse anzupassen, werden auf Basis verschiedener Studien und Informationen beispielsweise von Wohnungsbaugesellschaften eine Markt- und Wohnungsbestandanalyse durchgeführt. Diese Analyse soll zum einen die Gebäudetypologie hinsichtlich der konstruktiven Bautechnik, zum anderen aber insbesondere auch den Sanierungsbedarf sowohl energetisch als auch bezüglich Instandhaltung und Verbesserung des Gebäudestandards aufzeigen und hinsichtlich des Einsatzes von Sanierungskonzepten mit vorgefertigten Bauteilen bewerten. 2.1 Wohnbestandsanalyse Abbildung 2-1: Altersstruktur des Gebäudebestandes und Heizenergieverbrauch von Mehrfamilienhäusern Abbildung 2-1 verdeutlicht, dass die Gebäudealtersklasse der „Nachkriegsbauten“ der 50er, 60er und 70er Jahre Schwerpunkt der Anstrengungen zur Sanierung des Gebäudebestandes sein muss. Diese Gebäude machen fast 50 % des Wohngebäudebestandes aus, wobei der Anteil der Mehrfamilienhäuser mit 3-12 WE hier mehr als 50 % beträgt. Die Vorteile von Sanierungstechniken mit vorgefertigten Komponenten, die naturgemäß einen „höheren“ Planungsaufwand erfordern, kommen allerdings erst bei größeren Stückzahlen dieser Elemente zum Tragen. Die gilt sowohl für die Planung des Sanierungsprozesses, als auch für die Herstellung der Komponenten. Diese „Großserieneffekte“ sind am effizientesten im Mehrfamilien-Geschosswohnbau, vornehmlich öffentlicher bzw. gemeinnütziger Wohnungsträger umzusetzen. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 10 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden In Tabelle 2.1 sind typische Fassaden und Bebauungsstrukturen von Mehrgeschoss-Wohnbauten beziehungsweise Siedlungen der Wiederaufbaujahre zusammengestellt. Die Darstellung steht exemplarisch für den Mehrgeschosswohnungsbau der 30er bis 70er Jahre in Deutschland in den alten und neuen Bundesländern. Zu erkennen ist hierbei, dass an ein und demselben Gebäude abhängig von der Orientierung sowohl glatte homogene Fassaden, als auch Fassaden mit auskragenden Balkonen sowie Loggien vorzufinden sind. Tabelle 2.1: Übersicht typischer Mehrfamilienhäuser der 1950er bis 1970er Jahre Fassade I Fassade II Luftbild/Bebauung 1970 - 1980 1960 - 1970 1950 - 1960 Baujahr Für die „qualitative“ Bewertung der Gebäude und Fassaden, für die der Gebäudebestand in 11 deutschen Großstädten betrachtet wird, sind in Bezug auf die Sanierung mit vorgefertigten Elementen folgende Aspekte von besonderer Bedeutung: Architektur Orientierung Geschossigkeit Verbauung/Verschattung Fensterabmessungen und Fensteranordnungen Balkone/Loggien Geometrien der Restwandflächen Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 11 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden 2.1.1 Architektur Bis Ende der 50er bzw. Mitte der 60er Jahre zeichnen sich die Gebäude durch eine recht „einfache“ Architektur aus. Die Fassaden sind sehr „reduziert“ gehalten; der Baukörper weicht selten von einer simplen Quaderform ab. Häufig sind in der Reihung Dreigruppen ausgeführt, als Grundkonzeption der Erschließung und der Wohnungsorganisation findet man überwiegend den typischen 2-Spänner - vereinzelt auch 3-Spänner. Als Dachform überwiegt, vor allem bis in die 50er Jahren das Satteldach - Flachdächer finden sich vermehrt ab Mitte/Ende der 60er Jahre. Für die Sanierung mit vorgefertigten Bauteilen eignet sich diese „einfache“ Struktur besonders gut. Speziell die stark gegliederten Fassaden von Gebäuden in „Fertigteilbauweise“ von Großsiedlungen der Baujahre ab Anfang/Mitte der 1970 Jahre bereiten hier größere Schwierigkeiten. 2.1.2 Orientierung Eine große Anzahl von Siedlungen und Gebäuden der Wideraufbaujahre basieren auf den städtebaulichen Grundüberlegungen des „Modernen Bauens“ (CIAM I bis XI, 1928 -1959). Wesentliche Entwurfsprinzipien waren hier die Umsetzung einer Zeilen bzw. Reihenbebauung (Parallelausrichtung) mit begrünten Zwischenräumen sowie eine Ost-/Westorientierung der Fassaden mit dem Ziel einer „gleichmäßigen“ Belichtung der Wohnungen. Diese städtebaulichen Muster lassen sich auf Stadtplänen und Luftaufnahmen sehr gut erkennen. Die „reine Lehre“ einer Ost-/Westorientierung ist jedoch nicht generell umgesetzt, vor allem wenn bestehende oder geplante Infrastruktur hier Priorität hatten oder eine besondere Topographie vorlag. 2.1.3 Geschossigkeit Die Geschossigkeit der Gebäude wächst von 3, in Einzelfällen auch 2, Geschossen bei Typen der 50er Jahre über 3-4 in den 60er Jahren auf bis zum Teil 5 Geschossen ab Mitte der 70er. Die begünstigenden Gründe für die Zunahme der Geschossigkeit sind bessere Baumaterialen und -techniken; limitierend wirkten sich technische Möglichkeiten sowie Anforderungen des Brandschutzes und die Vorgaben des Bauplanungsrechts aus. 2.1.4 Verbauung und Verschattung Der Mehrgeschosswohnungsbau der ersten und zweiten Nachkriegsdekade weist in den Freiflächen/Zwischenräumen der Zeilenbebauung, verglichen mit Siedlungen ab Ende 1960, eine geringe Bepflanzungsdichte auf. Durch die großen Abstände der Gebäudezeilen treten keine nennenswerten gegenseitigen Verschattungseffekte auf. Ein vorhandener starker Baumbestand (Bäume sind mittlerweile über 40 Jahre alt; sie überragen vielfach Trauf- bzw. Firsthöhen der Gebäude) kann die Belichtung der Wohnungen jedoch stark beeinträchtigen. Desweitern sind die Konsequenzen für geplanten Sanierungsmaßnahmen -speziell für die Belange der Baustelleneinrichtung (Logistik)- zu beachten. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 12 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden 2.1.5 Fenster Die Fenster der Gebäude sind vor allem in den 50er einflüglig und rechteckig oder quadratisch, selten über 1,2 m breit und bis 1,4 m hoch. Mehrflügelkonstruktionen sind bis max. 2,5 m Breite anzutreffen. Fenster von Bädern oder Toiletten haben teilweise recht kleine Abmessungen (0,5 m x 0,5 m). Die Anordnung auf der Fassade ist naturgemäß vom Wohnungszuschnitt bestimmt und ist an der Treppenhausachse gespiegelt. Auf konstruktive Besonderheiten der Fenster und speziell ihrer Einbausituation wird in Kapitel 5 (Konzepte) näher eingegangen. 2.1.6 Balkone und Loggien Die vorhandenen Balkone und Loggien sind in der Regel sehr klein; die auskragenden Balkonplatten sind nicht thermisch getrennt – die Geschoßdecken sind in diesem Bereich nicht oder nur geringfügig wärmegedämmt. Die im Zuge einer energetischen Sanierung angebrachten Wärmedämmmaterialien schränken diese ohnehin beengten Platzverhältnisse weiter ein. Wandvorlagen und Pfeiler zwischen Fenster und Balkontür sind vielfach sehr schmal. 2.1.7 Restliche Fassade Bei Fensterflächenanteilen von teilweise über 30 % verbleiben vor allem zwischen den Fenstern nur noch recht schmale (vertikale) Restwandstücke und Fensterpfeiler. Größere zusammenhängende (horizontale) Wandbereiche sind nur zwischen Fenstersturz und Fensterbrüstung (zwischen den Geschossen) zu finden. Sanierungskonzepte, die eine fassadengeführte Nachrüstung von technischen Verteilungssystemen (Lüftungskanäle, Heizungsrohre und Elektroleitungen) beabsichtigen, müssen diese zentrale Randbedingung bereits in der Konzeptionsphase berücksichtigen – dies gilt im besonderen Maß, wenn Brandschutzanforderungen für die Fassade beachtet und umgesetzt werden müssen. 2.2 Marktpotentialanalyse Zur Bewertung/Abschätzung des Marktpotentials für vorgefertigte Fassadenelemente liefert keine der relevanten Quellen [Sta 08], [IWU09], [GdW 09] differenzierte Flächenangaben bezüglich der sanierungsfähigen/sanierungsbedürftigen Fassaden, da sich die vorhandenen Untersuchungen in der Regel auf Angaben bezüglich Wohneinheiten und Wohnflächen beschränken. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 13 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Abbildung 2-2: Bewohnte Wohneinheiten nach Art der Nutzung, Größe des Wohngebäudes (Typ), (Wohn-) Fläche und Personen(belegung). [Sta 09] In Abbildung 2-3 ist die vom Institut für Wohnen und Umwelt erstellte Übersicht des Gebäudebestandes aufgeschlüsselt nach Baualtersklassen dargestellt. Die Studie weist erstmalig auch die Anzahl der Gebäude aus. Angaben zur thermischen Hüllfläche (Dach, Fassade, etc.) sind hier nicht vorhanden, können aber u.a. in der Ikarus-Studie von 1999 entnommen werden [Ste 99]. Abbildung 2-3: Deutsche Gebäudetypologie – Häufigkeit von Gebäudetypen unterschiedlichen Baualters. Deutscher Wohngebäudebestand Ende 2009 [IWU 11] Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 14 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Zur Abschätzung des potentiellen Marktvolumens für vorgefertigte Fassadenelemente sind aber die Fassadenfläche und der Sanierungsbedarf der Fassade zwingend erforderlich. Hierfür wird ein Ansatz entwickelt, der aus den Angaben der vorhandenen Wohnfläche die benötigte Außenwand- und Fensterfläche von Mehrfamilienhäusern ableitet (Abbildung 2-4). Abbildung 2-4: Abschätzung der Fassaden- Fensterflächen aus der Wohnfläche In Tabelle 2.2 ist das potentielle Sanierungsvolumen für die Mehrfamilienhäuser der 1950er bis 1980er Jahre dargestellt. Die Kosten der Außenwandsanierung werden mit 110,00 €/m2, die Kosten der Fenster mit 300,00 €/m2 angesetzt. Die Sanierungsquote dieser Mehrfamilienhäuser wird in [IWU10] für die Baualtersklasse bis 1978 einheitlich mit 20 – 25 % angegeben. Daraus lässt sich, für die ca. 6 Millionen Mehrfamilienhäuser die zwischen 1950 und 1980 errichtet wurden, ein „Brutto-Marktvolumen“ von 36 Mrd. € ermitteln. Tabelle 2.2: Gebäudebestand und Marktvolumen Bei der zu Grunde gelegten Sanierungsquote muss angemerkt werde, dass die eingebauten Dämmstoffdicken nicht den heutigen Standards entsprechen (bei mehr als 25 % der Wanddämmung sind Dämmstoffdicken < 5 cm angegeben). Bei der Bewertung der Fenster fällt auf, dass ca. 50 % älter als 25 Jahre sind und nur ca. 8 % ab 2005 erneuert worden sind - ihr technisch/optischer Zustand dürfte vielfach nicht mehr zufriedenstellend sein. Angaben zum tech- Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 15 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden nischen bzw. optischen Zustand der Wandflächen und Fenster werden nicht erhoben. In Anbetracht des Alters vieler dieser „Sanierungsmaßnahmen“ kann man davon ausgehen, dass selbst die Außenwände zumindest einen neuen Anstrich erhalten müssten. Unter weiterer Berücksichtigung der Quoten für 10-15 % Abriss und Neubau 2-4 % Rückbau bei Leerstand verbleibt immer noch ein theoretisches Marktvolumen von ca. 30 Mrd. €. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 16 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden 3 Bewertung durchgeführter Sanierungsmaßnahmen Ein wichtiger Schritt bei der Entwicklung neuartiger Sanierungskonzepte ist eine Analyse existierender Sanierungslösungen mit vorgefertigten Bauteilen. Hierbei ist ein wichtiger Ansatz, bereits durchgeführte Sanierungsmaßnahmen mit vorgefertigten Bauteilen im Vergleich zu konventionellen Sanierungen zu untersuchen und zu bewerten. Bei der Betrachtung, bei der energetische und ökonomische Aspekte eine wichtige Rolle spielen, werden alle Fragen zum Organisationsablauf von der Planung bis zur Installation und Inbetriebnahme berücksichtigt und auf Ihre Praxistauglichkeit untersucht. 3.1 Internationale und nationale Vorhaben In den letzten Jahren wurden vielversprechende Konzepte entwickelt und umgesetzt, in denen eine Sanierung mit vorgefertigten Elementen realisiert wurde. Das Vorhaben „Prefabricated Systems for Low Energy Renovation of Residential Buildings“ im ANNEX 50 der ECBCS (Energy Conservation in Buildings and Communities) der Internationalen Energie Agentur IEA ist im internationalen Bereich das umfangreichste Projekt zu diesem Thema. Aus diesem Vorhaben sind zahlreiche Veröffentlichungen hervorgegangen, u.a.: Retrofit Strategies Design Guide [Emp-B 11] Retrofit Simulation Report [Emp-D 11] Retrofit Module Design Guide [Emp-C 11] Building Renovation Case Studies [Emp-A 11] Project Summary Report [Zim 12] Weiterhin finden sich u.a. folgende internationale Projekte im Bereich vorgefertigter Sanierungslösungen: BEEM-UP sowie E2ReBuild im Rahmen des EeB-PPP Programms TES EnergyFacade sowie smartTES im Rahmen des WoodWisdom-Net Programms das von Velux umgesetzte Projekt SOLTAG; Teil des Forschungsprojektes „Demohouse“, gefördert im 6. Rahmenprogramm der Europäischen Union Unter den in Deutschland und Österreich jeweils rein national durchgeführten Vorhaben im Bereich vorgefertigter Sanierungselemente sind u.a. folgende Projekte zu nennen: Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 17 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Das österreichische Forschungsprojekt “multifunctional plug&play facade“ im Rahmen des COMET-Programms, unter der wissenschaftlichen Leitung der TU Graz „e80ˆ3-Gebäude“, ein Leitprojekt im Rahmen des österreichischen Vorhabens „Haus der Zukunft Plus“ das Parkgelände Mietraching in Bad Aibling von Schankula Architekten die Aufstockung und energetische Sanierung der Ford-Siedlung in Köln Die internationalen und nationalen Projekte zeigen, unter dem Einsatz verschiedener Materialien und Konstruktionen, unterschiedliche Ansätze für vorgefertigte Module zur Sanierung von mehrstöckigen Wohngebäuden auf. Die Fassadenmodule wurden u.a. in Deutschland, Österreich, Frankreich, Portugal, den Niederlanden, Finnland, Schweden, Großbritannien und der Schweiz entwickelt und spiegeln die verschiedenen nationalen Anforderungen wieder, die sich auf den Gebäudebestand als auch auf die lokalen Klimaverhältnisse beziehen. Neben der vollständigen Vorfertigung der Fassadenmodule finden sich ebenso halb-vorgefertigte Systeme, die sich auf Teilbereiche der Fassade, beispielsweise auf den Bereich der Fenster, konzentrieren. Abbildung 3-1: Zwei Ansätze für modulare Sanierungssysteme, vollständig vorgefertigte Module (oben) und halb-vorgefertigt Module (unten) [Emp-B 11] 3.1.1 Großformatige, horizontale Fassadenmodule Bisher werden bei den durchgeführten Sanierungsmethoden mit vorgefertigten Fassadenelementen hauptsächlich stapelbare (geschosshohe) horizontal orientierte Holz-Rahmen-Konstruktionen mit bereits eingebauten Fenster- bzw. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 18 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Türelementen verwendet. Die Grundkonstruktion dieser Wandelemente entspricht weitestgehend dem traditionellen Prinzip von FertighausWandelementen. Die äußere Fassade ist abhängig von den Elementgrößen, nur gelegentlich im „Voll-Finish“ ausgeführt, d.h. mit endgültiger Textur bzw. Materialität. In der überwiegenden Zahl der Fälle (gestapelte Elemente, horizontale Fugen) muss jedoch nach wie vor die endgültige Fassadenausführung vom Gerüst „vor-Ort“ erfolgen. Eine vielversprechendes und mittlerweile an mehreren Gebäuden realisiertes System ist die TES Energy Facade, welche von einem Konsortium bestehend aus der TU München und weiteren europäischen Partnern, sowie Praxispartnern aus der Holzbaubranche im Rahmen des europäischen Verbundes "WoodwisdomNet" entwickelt wurde [Lat 08]. Bei diesem System handelt es sich, wie in Abbildung 3-2 zu sehen, um großformatige horizontal angeordnete Holzrahmenmodule, die derzeit als energieeffiziente Sanierung von Gebäuden als auch für Gebäudeerweiterung sowie Dachaufstockungen zum Einsatz kommen. Abbildung 3-2: Holz-Großelemente, geschosshohe Elemente [lattkearchitekten.de] [www.bauloesungen.de] Eine große Herausforderung bei solchen großformatigen Fassadenelementen liegt vor allem in der Integration der anlagentechnischen Komponenten und der Definition von Schnittstellen zu weiteren Sanierungskomponenten wie z.B. Verteilleitungen der Gebäudetechnik. Im Rahmen des Forschungsvorhaben SmartTES werden für diese Holzmodule derzeit Lösungen entwickelt, bei denen Versorgungstechnik und Leitungsführung in den Bau- und Installationsprozess integriert sind [Lat 10]. Die österreichische Entwicklung der Firma Gap-Solution im Rahmen des ANNEX 50 Vorhabens besteht aus großflächig verglasten Fassadenmodulen, die vollständig vorgefertigt werden. Die geschosshohen Elemente sind hierbei bis zu 12 m lang und bestehen aus einer Holzrahmenkonstruktion. Die vorgefertigten Module werden auf eine Installations- bzw. Ausgleichsschicht montiert, in die elektrische Leitungen, Verteilleitungen des Heizsystems sowie Rohrleitungen integriert werden. Der verbleibende Raum wird mit Dämmmaterial aufgefüllt. Die in die Fassade integrierten Solarwaben aus Zellulose, die auf der zur Sonne orientierten Seite des Moduls hinter einer Isolierglasscheibe installiert sind, nutzen die solaren Einträge, sodass die Temperatur in diesem Bereich erhöht und Wärmeverluste minimiert werden können. In die nach Sü- Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 19 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden den orientierten Fassaden werden Solarkollektoren anstelle von Solarwaben integriert. Das Fassadenmodul beinhaltet zudem ein dezentrales Lüftungsgerät mit Wärmerückgewinnung. [Emp-C 11] Abbildung 3-3: Transport und Montage der horizontalen, verglasten Fassadenmodule [Emp-C 11] Ebenso wurden mehrere im Rahmen des E2Rebuild-Projektes verwirklichte Gebäudesanierungen mit großformatigen Modulen in Holzrahmenbauweise umgesetzt. Auch in der deutschen Sanierungspraxis ist ansatzweise ein höherer Vorfertigungsgrad zu beobachten. Für geplante Aufstockungen und Anbauten bei durchzuführenden Sanierungen ist der Einsatz von vorgefertigten Bauteilen bereits realisiert. Diesbezüglich wurden mehrere dreigeschossige Mehrfamiliengebäude in Köln-Niehl [Sei 08] aus den 1950er Jahren um ein weiteres Geschoss aufgestockt. Die Aufstockung erfolgt mit großelementierten vorgefertigten Bauteilen. Die zu ertüchtigenden Altbaufassaden wurden konventionell mit einem Wärmedämmverbundsystem ausgestattet. [Mah 08] 3.1.2 Großformatige, vertikale Fassadenmodule Neben den großformatigen horizontalen Elementen wurden ebenso großformatige, vertikale Fassadenelemente beispielsweise durch den französischen Beitrag im Rahmen des Annex 50 Projektes, mit Metallunterkonstruktion für Gebäude mit bis zu acht Stockwerken entwickelt. Die mehrgeschossigen Module bestehen aus Stahlrahmenkonstruktionen, die aufgrund der entstehenden Lasten als Tragstruktur erforderlich werden und mehreren Schichten Mineralwolle. Besondere Aufmerksamkeit muss bei diesem System auf die Vermeidung von Wärmebrücken gelegt werden. [Emp-C 11] Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 20 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Abbildung 3-4: Vertikale Fassadenmodule mit Metallunterkonstruktion [Emp-C 11] Auch der Ansatz des Projektes „e80ˆ3-Gebäude“ sieht großformatige vertikale Fassadenmodule vor. Die Elemente für bis zu 4-geschossige Gebäude werden im Rahmen des Projektes in Holzbauweise und im „Vollfinish“, d.h mit Fassadenbekleidung, vollständig vorgefertigt ausgeführt. Anlagentechnische Komponenten beispielsweise zur Heizung, Wasser- oder Elektroleitungen werden in außenliegende, vorgefertigte Haustechnikmodule zwischen den vertikalen Fassadenmodulen in die Fassade integriert. Die Fassade enthält zudem energieerzeugende Aktivelemente wie Solarkollektoren und Photovoltaik-Module. [sb13] Abbildung 3-5: Haustechnikmodul (links) und integrierte Photovoltaik-Module (rechts) [sb13] Im Zusammenhang mit dem Umbau eines Kasernengebäudes in Bad Aibling zu einem Wohngebäude, wurde auch dessen Fassade energetisch saniert und mit vorgefertigten Holzelementen mit bereits fertiger Oberfläche ausgestattet. Die Module im System der „Aktiven Gebäudehülle“ enthalten dabei eine integrierte Lüftung über die Fassade. [Schan 11 ] Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 21 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden 3.1.3 Kleinformatige, vollständig vorgefertigte Module Der Ansatz kleinformatiger, kassettenförmiger Module des Annex 50 Projektes (vgl. Abbildung 3-6) konzentriert sich auf vollständig vorgefertigte Elemente. Die Elemente, deren Dämmung an das portugisische Klima angepasst ist, haben eine Abmessung von 1m x 1m. Ein spezielles Montagesystem, bestehend aus Profilen an den Seiten der Module und einer Unterkonstruktion, die auf der bestehenden Wand angebracht wird, ermöglicht ein einfaches Montieren und Demontieren. [Zim 12] [Emp-C 11] Abbildung 3-6: Kleinformatiges Modul mit Unterkonstruktion [Emp-C 11] Im Rahmen des österreichischen Forschungsprojektes „Multifunctional Plug&Play Facade“ entwickelt ein österreichisches Konsortium vorgefertigte Fassadenmodulen mit integrierter Anlagentechnik, welche vor allem für den Einsatz im Neubaubereich aber auch für die Sanierung vorgesehen sind. Während des Projektes werden derzeit Prototypen entwickelt und getestet, die vorzugsweise für den Neubau oder Ersatz von Vorhangfassaden in Gebäuden in Skelettbauweise dienen sollen. [Schra 09] 3.1.4 Halb-vorgefertigte Module Der für die Schweiz im Rahmen des Vorhaben „Prefabricated Systems for Low Energy Renovation of Residential Buildings“ im Annex 50 entwickelte Vorschlag basiert auf kleinen Modulen in Holzbauweise mit einem hohen Grad der Vorfertigung. Die vorgefertigten Fassadenmodule konzentrieren sich hierbei auf den Bereich der Fenster, während die Bereiche zwischen den Modulen in einem zweiten Schritt traditionell saniert werden, wobei die Zwischenbereiche Platz für anlagentechnische Versorgungsleitungen wie beispielsweise Heizungsrohre bieten. Auch die Fertigstellung der Fassade, als vorgehängte hinterlüftete Fassade oder mittels Putz, erfolgt direkt auf der Baustelle. Grundsätzlich bestehen die Module aus: 1) Einer ausgleichenden Schicht, die an der bestehenden Außenwand befestigt wird. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 22 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden 2) Einer lastabtragenden Konstruktion mit Dämmschicht und eventuell darin integrierten Leitungen. 3) Einer zweiten Dämmschicht. Die Dicke der Dämmung kann entsprechend dem gewünschten U-Wert gewählt werden. 4) Einer Bekleidung der Fassade, die vorgefertigt und mit dem Modul geliefert oder auf der Baustelle montiert werden kann. [Emp-C 11] Abbildung 3-7 zeigt das Fassadenmodul mit einer Abmessung von 2,8m x 2,8m. Abbildung 3-7: Isometrie des Basismoduls in Holzbauweise, von vorne (links), von hinten (rechts) [Emp-C 11] Abbildung 3-8: Aufbau der halb-vorgefertigten Fassadenmodule, kombiniert mit konventionellen Sanierungsmaßnahmen [Emp-C 11] 3.1.5 Vorgefertigte Dachmodule Ergänzend zu diesen in der Schweiz im Rahmen des Annex 50 Vorhabens entwickelten Fassadensystem, wurde dieses System auch auf die Entwicklung von Dachelementen für Flach- oder Satteldächer übertragen und Lösungen für Aufstockungen entwickelt, welche an einem Gebäude in Zürich umgesetzt Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 23 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden wurden. Hierbei wurde ein kompletter Dachstuhl vorgefertigt erstellt und im Ganzen per Kran auf das bestehende Gebäude montiert (vgl. Abbildung 3-9). [Emp-C 11] Abbildung 3-9: Vorgefertigte Dachstrukturen im Rahmen des Annex 50 [www.empa-ren-ch] Auch das Projekt „SOLTAG“, umgesetzt von Velux als Teil des Forschungsprojektes „Demohouse“, bietet eine Dachsanierungslösung in Form eines vorgefertigten Dachmoduls. Das Dachmodul dient als Ergänzung für bestehende Bauten der 60er und 70er Jahre ohne dabei mit den vorhandenen Energiesystemen verbunden werden zu müssen. Die energieerzeugende Hülle des Dachmoduls enthält hierfür Solarkollektoren für Warmwasser und die Fußbodenheizung, Photovoltaikmodule zur Stromerzeugung sowie integrierte Lüftungskanäle für eine kontrollierte Lüftung mit Wärmerückgewinnung, sodass der Energieverbrauch eines Nullenergiehauses erreicht werden kann. Das Satteldach mit einem Winkel von 45 ° orientiert sich dabei nach Süden, um eine ausreichende Nutzung der Sonnenenergie sowie eine optimale Belichtung mit Tageslicht zu gewährleisten [Vel 06]. Abbildung 3-10: Vorgefertigte Dachmodule zur energetischen Dachsanierung [Vel 06] Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 24 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden 3.2 Integration anlagentechnischer Komponenten in vorgefertigte Systeme Wie bereits anhand der vorgestellten Beispiele dargestellt, bieten vorgefertigte Fassadenmodule die Möglichkeit, anlagetechnische Komponenten, beispielsweise für die Heizung, Kühlung oder Lüftung des Gebäudes, in die neue Hülle zu integrieren. Grundsätzlich sind hierbei Komponenten für folgende Bereiche denkbar: Heizung, Lüftung, Klimatechnik Innovative Verschattungssysteme Elektro- und IT-Installationen (BUS Systeme) sowie Beleuchtung Wasserleitungen Photovoltaik Solarthermische Komponenten Steuerungs- und Regelungstechnik Um die Energieeffizienz des Gebäudes zusätzlich zur optimierten Gebäudehülle zu verbessern und gleichzeitig den erforderlichen Luftwechsel zu realisieren, ist es sinnvoll ein mechanisches Lüftungssystem mit Wärmerückgewinnung in die vorgefertigten Fassaden- und Dachmodule einzubauen. Zentrale Lüftungssysteme haben sich hierbei als energetisch beste Variante erwiesen. Ebenso ist auch der Einsatz von dezentralen Systemen möglich. [Emp-A 11] Neben Lüftungsanlagen können auch elektrische Leitungen, Informationsund Kommunikationstechnik oder Photovoltaik-Elemente, Bestandteil der neuen Fassade sein. Auch die Aufnahme von Wasserleitung ist grundsätzlich möglich. Allerdings sollten die damit verbundenen Risiken von Schäden durch undichte Stellen sehr sorgfältig abgewogen werden. Doppelrohrsysteme könnten hierbei zusätzliche Sicherheit bieten. [Emp-A 11] In den untersuchten Projekten zeigen sich unterschiedliche Ansätze zur Integration anlagentechnischer Komponenten sowohl direkt innerhalb der Fassadenelemente als auch in eigens dafür entwickelten vorgefertigten Zwischenmodulen, sowie im Fall von halb vorgefertigter Sanierungslösungen konventionell zwischen den vorgefertigten Modulen. Die Integration von anlagentechnischen Systemen, speziell die Integration von Versorgungsleitungen und Kanälen ist bei horizontal stapelbaren, nur jeweils geschosshohen Elementen schwierig. Die notwendigen Verbindungen von Versorgungsleitungen zwischen den Elementen erschweren den Montageablauf deutlich bzw. schließen die Verwendung eines solchen (horizontalen) Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 25 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Elementierungskonzeptes ohne geeignete sichere Verbindungstechnologien, z.B. Steckverbindungen, vollständig aus. Abbildung 3-11: Großelemente, geschosshohe Elemente [Kra 12] Für die Vollintegration von Kanälen und Leitungen eignen sich vertikale, über mehrere (alle) Geschosse orientierte Systeme, vgl. Abbildung 3-12 besser. Ein Verbinden von Kanälen und Leitungen zwischen den Elementen ist hier nicht erforderlich; Sammelleitungen und Sammelkanäle können entweder im Sockeloder im Dachbereich erfolgen. Im Sockelbereich geführte Sammel- speziell aber Kanalleitungen führen jedoch wegen der erforderlichen großen Querschnitte sowie der jeweils erforderlichen Verbindung zu den vertikalen Elementen zu konstruktiven Schwierigkeiten, die die Montage vor Ort wiederum erschweren. Abbildung 3-12: Großelemente, fassadenhohe Elemente [Kra 12] Die Verwendung kleinformatiger Module in Form eines halb-vorgefertigten Systems erhöht die Flexibilität und vereinfacht die Integration anlagentechnischer Komponenten. Diese können nach der Installation der vorgefertigten Elemente einfach und problemlos in die verbleibenden Zwischenräume eingebaut und anschließend überdämmt werden. [Kra 12] 3.3 Logistik Die maximale Größe der vorgefertigten Elemente wird durch die Transportmöglichkeiten zur Baustelle (in der Schweiz: 3,5m x 10m) begrenzt. Größere Elemente sind nur durch kostenintensive und aufwändige Sondertransporte möglich. [Zim 12] Werden Fassaden im „voll-finish“ ausgeführt, bedeutet dies einen erhöhten Aufwand für den Transport, da die bereits fertig gestellten Oberflächen vor Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 26 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Beschädigungen zu schützen sind. Besonders bei der Verwendung feuchteempfindlichen Materialien ist auf einen wettergeschützten Transport der vorgefertigten Fassadenelemente zu achten. Die Montage von großformatigen vertikalen Fassadenelementen, speziell der Weg vom Transport-LKW zur Bestandsfassade, erfordert spezielle Hebegeschirre bzw. Manipulatoren. Die Groß-Elemente müssen auf dem TransportLKW liegend transportiert und anschließend um 90 ° gedreht werden, um sie montieren zu können. Die Montage dieser Großelemente am Gebäude erfordert zwingend eine „gerüstfreie“ Fassade, da aufgrund der Höhe der Elemente ein Einfädeln hinter das Gerüst zu großen Problemen führt. Eventuell notwendige Vorarbeiten (Teilabbruch, Demontage, Dacharbeiten) müssten entweder von einem wieder abzubauenden Gerüst oder mit Hilfe von fahrbaren Arbeitsbühnen durchgeführt werden. Wird Anlagentechnik in Großelemente integriert, sind hinsichtlich der Logistik und des Bauablaufs mehrere Aspekte zu beachten. Zum einen müssen diese Technologien, z.B. Rohrleitungen oder auch dezentrale Lüftungsgeräte, bereits während der Vorfertigung in die Elemente eingebaut werden. Dies erfordert, dass mehrere Gewerke von einer Firma bzw. in einer Werkshalle bearbeitet werden, wodurch sich der Bauablauf deutlich zu herkömmlichen Abläufen verändert. Hierbei sind Alles-in-einer-Hand-Firmen oder die Zusammenarbeit mit Subunternehmern gefordert, speziell letzteres erfordert eine gute Koordination der Arbeiten sowie eine geeignete Festlegung von Verantwortlichkeiten und Gewährleistungsaspekten. Auch bezüglich der Montage der mit Anlagentechnik versehenen Elemente müssen neue bzw. angepasste Lösungen entwickelt werden. Alle in diese Fassadenelemente integrierten Kanal- und Leitungssysteme müssen grundsätzlich durch die „Bestandswand“ ins Gebäude geführt und mit Komponenten (Geräten, bestehenden Leitungen) verbunden werden. Hierzu werden üblicherweise Löcher gebohrt oder Durchbrüche hergestellt. Beispielhaft bedeutet dies für die Montage von vorgefertigten Wandelementen mit integrierten Lüftungskanälen unter Verwendung üblicher Außenwanddurchlässen, dass: Durchbrüche (passgenau) durch die Wände hergestellt werden müssen (Kernbohrung) Die Großelemente an der Fassade montiert werden müssen Die Luftkanalverbindungen ggf. an mehreren Anschlusspunkten (hinter dem am Kran hängenden Großelement) (luftdicht!) eingepasst werden müssen Montagearbeiten zwischen Bestandswand und hängenden Großelement sind dabei nur schwer durchführbar. Konzepte bei denen solche Großelemente zwischen Baugerüst und Bestandswand „eingefädelt“ werden müssen, erschweren Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 27 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden den Bauprozess erheblich – vielfach stehen dem auch arbeitsschutzrechtliche Vorgaben entgegen. Für minimalinvasiv durchzuführende Sanierungstechniken ist es zwingend erforderlich, dass Abbruch und Montagearbeiten von außen über die Fassade erfolgen. Mit herkömmlicher „Vollgerüsttechnik“ ist dies – wenn überhaupt – nur eingeschränkt durchführbar. [Kra 12] Kleinformatige Elemente erscheinen demnach auch hinsichtlich logistischer Anforderungen wesentlich leichter zu bewältigen. Hierbei können die üblichen Transport- und Logistikmöglichkeiten der Baubranche, ähnlich einer konventionellen Sanierung, zum Einsatz kommen. 3.4 Stärken Aus dem Einsatz vorgefertigter Systeme bei der Sanierung von Gebäuden ergibt sich im Vergleich zu konventionellen Systemen eine Reihe von Vorteile. Hierzu zählen: ein schneller und effizienter Bauablauf die Vermeidung von Leerständen mit Mietausfällen die Möglichkeit zur Integration anlagentechnische Komponenten in die Fassade der Erhalt der bestehenden Wohnfläche ein hoher Qualitätsstandard die Optimierung von Konstruktions- und Produktionsabläufen Potential zur Kosteneinsparung sowie eine zuverlässige Kostenplanung Vorgefertigte Fassadenmodule erlauben im Vergleich zu konventionellen Sanierungstechniken einen schnelleren und damit effizienteren Bauablauf und reduzieren den Montageaufwand vor Ort und somit die Beeinträchtigung der Bewohner auf ein Minimum. Leerstände und damit verbundene Mietausfälle können drastisch reduziert und in den meisten Fällen komplett vermieden werden, da Sanierungen auch im bewohnten Zustand erfolgen können. [EmpB 11] [Emp-C 11] Zudem bieten vorgefertigte Systeme die Chance anlagentechnische Komponenten in die Fassadeelemente zu integrieren, sodass eine einfache Nachrüstung bestehender Gebäude von außen über die Fassade, unter Erhalt der bestehenden Wohnfläche, möglich wird. Neben der Verbesserung des thermisch-hygrischen Komforts und der Raumluftqualität kann dadurch die Energieeffizienz des Gebäudes, über die neue wärmegedämmte Hülle hinaus, entscheidend verbessert werden. Ebenso können diese Komponenten bei einer Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 28 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Änderung der Nutzungsanforderungen oder im Falle eines Defekts einfacher ausgetauscht werden. Die Vorfertigung bietet, neben den bereits genannten Vorteilen, einen hohen Qualitätsstandard. Die Herstellung der Fassadenelemente vorab im Werk ist präziser, sicherer und einfacher als auf der Baustelle, da diese unter idealen Bedingungen und unabhängig von wechselnden Wetterverhältnissen erfolgt. Dabei können auch digitale Abbundmaschinen zum Einsatz kommen, die einen hohen Grad der Präzision erlauben. Auch der Aufwand für die Koordination der einzelnen Gewerke vor Ort entfällt, da dies kompakt und routiniert vorab in der Halle realisiert werden kann. Im Zuge der seriellen Produktion können Konstruktionen und Produktionsabläufe weiter optimiert und zuverlässige Kostenplanungen erstellt werden. Die Serienfertigung bietet dabei zudem die Möglichkeit von Kosteneinsparungen gegenüber konventionellen Sanierungslösungen. [Zim 12] [Emp-C 11] 3.5 Herausforderungen Speziell die Herstellung von Großelementen erfordert ein sehr präzises Aufmaß des Bestandsgebäudes. Als Alternative zu traditionellen Aufmaßmethoden kommen dabei immer häufiger 3D Laser-Scanner Systeme und Photogrammetriesysteme zum Einsatz, mit Hilfe derer 3D-Modelle des Gebäudes inklusive aller Wände, Vorsprünge, Fenster, Dachanschlüsse usw. erstellt werden, vgl. z.B. [Kom 12]. Die Messemethode an sich liefert bereits sehr gute Ergebnisse, der notwendige „digitale Nachbearbeitungsprozess“ kann vor allem bei komplizierten Fassaden zum Teil sehr aufwändig sein. Zudem stellt sich schnell die Frage der Gewährleistung, sobald die Vermessung des existieren Gebäudes inklusive der Erstellung von 3D-Modellen als externe Dienstleistung vergeben wird und bei der Erstellung der Module Abweichungen über Toleranzgrenzen hinweg auftreten. Moderne Zimmerrein oder spezialisierte Fertighaushersteller verfügen meist (zumindest was CAD/CNC Zeichnung - Abbund angeht) schon über diese Techniken - Fensterbaubetriebe messen, zumindest die „üblichen Lochfassaden“ des Geschosswohnungsbaus, klassisch auf. Die für ein sehr präzises Aufmaß erforderlichen Messmethoden, beispielsweise in Form von 3d Laser Scannern, schränken somit die Zahl der Betriebe, die solche Sanierungsmaßnahmen ausführen können stark ein, wohingegen bei kleinformatigen Modulen ein größerer Anbieterkreis zur Verfügung steht, da weniger spezialisierte Planungs- und Produktionsmittel erforderlich sind. [Kra 12] Zudem müssen, wie bereits beschrieben, alle in die Fassaden integrierten Kanäle und Leitungen mit Hilfe von Durchbrüchen durch die Bestandwand geführt und mit bestehenden Leitungen und Kanälen verbunden werden. Insbesondere ist es hierbei erforderlich, dass diese „Passpunkte“ in allen Geschossen übereinstimmen. Je mehr „Passpunkte“, d.h. Punkte (Fensteröffnungen, Durchbrüche, Verankerungspunkte) zwischen Wandelement und Bestandswand berücksichtigt werden müssen, desto aufwändiger und schwieriger werden Aufmaß und Montage. Hierbei zeigt sich ein deutlicher Nachteil großformatiger Elemente, bei denen eine Vielzahl an Punkten in einem Element Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 29 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden beachtet werden müssen, gegenüber kleinformatigen Lösungen, mit denen zugleich eine flexiblere Anpassung an den Bestand möglich ist. Je größer und multifunktionaler die Elemente, desto mehr Planungsaufwand ist dabei nötig. [Kra 12] Beschränkungen in der Fassadengestaltung ergeben sich durch die Geometrie der Fassadenelemente, sofern die endgültige Bekleidung der Fassade nicht vor Ort vorgenommen wird. Zudem wird die Größe der vorgefertigten Elemente, insbesondere betrifft dies großformatige Module, durch die Transportmöglichkeiten zur Baustelle begrenzt. Bei vertikalen Elementen mit mehr als vier Geschossen besteht aufgrund der durch die hohen Lasten erforderlichen Metallunterkonstruktion, ein erhöhtes Risiko für Wärmebrücken. [Emp-C 11] 3.6 Kosten Wirtschaftlich betrachtet sind vorgefertigte Sanierungslösungen konkurrenzfähig mit traditionellen Maßnahmen, grundsätzlich aber nicht zwangsläufig günstiger. Großes Potential zur Kosteneinsparung gegenüber traditionellen Techniken bieten hierbei vor allem einfache, sich wiederholende Fassaden und Dächer ohne komplexe Formen, sowie ganzheitliche Gebäudesanierungen bei denen weitgehende Änderungen beispielsweise der Fenstergröße, der Raumgröße oder eine Erweiterung des Dachgeschosses vorgesehen sind. [Emp-A 11] Speziell Lösungen in Holzbauweise sind im Vergleich mit konventionellen Sanierungstechniken mittels traditioneller Wärmedämmverbundsysteme mit einem erhöhten Kostenaufwand verbunden. Stehen wirtschaftliche Gesichtspunkte im Vordergrund, spricht dieser Aspekt derzeit gegen eine breite Umsetzung dieser Sanierungslösung. Gerade für Wohnungsbaugesellschaften, deren Bestand großes Potential für eine energetische Sanierung mittels vorgefertigter Elemente aufweist, erscheinen in Holzbauweise ausgeführte Systeme daher wenig lukrativ. Wirtschaftliche Vorteile vorgefertigter Systeme ergeben sich aus der kurzen Bauzeit vor Ort, da Leerstände und ein damit verbundener Mietausfall stark verkürzt und in vielen Fällen sogar komplett vermieden werden kann. Durch die Möglichkeit anlagentechnische Komponenten in die Gebäudehülle zu integrieren ist es zudem möglich die vermietbare Fläche, bei verbessertem Energiestandard, in vollem Umfang zu erhalten. Die Integration von Photovoltaik-Modulen in vertikale Bereiche der Fassade erscheint nach aktuellem Stand oftmals nicht wirtschaftlich. Dem verringerten Ertrag verglichen mit einer optimierten Ausrichtung, bedingt durch einen z.T. hohen Verschattungsgrad der Bestandsbauten durch umgebenden Bäume und Gebäude, als auch durch den ungünstigen Einfallswinkel stehen hohe Investitionskosten gegenüber. Auch die Anordnung der in Standardgröße erhältlichen Elemente auf der Fassade unter Berücksichtigung der bestehenden Fensteröffnungen, schränkt die Größe der verbleibenden und nutzbaren Flä- Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 30 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden chen und damit die Möglichkeiten der Anwendung ein. Aus wirtschaftlichen Gründen wird derzeit die Integration solcher Systeme im Rahmen einer Sanierung selten durchgeführt, im Hinblick auf die zukünftige Realisierung von Nullenergie- oder Plusenergiegebäuden wird der Fassadenintegration von Photovoltaik aber große Bedeutung zukommen. 3.7 Energetische Betrachtungen Die mit den vorgefertigten Sanierungskonzepten, im Rahmen der untersuchten Projekte, erreichte Energieeffizienz für bestehende Wohngebäude ist mit Niedrigenergiegebäuden (30-50 kWh/m²·a) vergleichbar. In vielen Fällen wird durch die Sanierung mit vorgefertigten Fassadenelementen und die Integration anlagentechnischer Komponenten, beispielsweise mit dem Einbau eines Lüftungssystems mit Wärmerückgewinnung oder dem Einsatz erneuerbarer Energien, sogar der Standard eines Passivhauses, eines Nullenergiehauses oder eines Plusenergiehauses erreicht. Die folgende Tabelle gibt einem Überblick über die Energieeinsparungen einiger Projekte, mit vorgefertigten Sanierungslösungen: Annex 50 Zug Annex 50 Zürich Annex 50 Roosendaal Annex 50 Dieselweg Energieverbrauch Energieverbrauch vor Sanierung nach Sanierung kWh/m²a kWh/m²a 226 25 (280) (74,3) 175 20 (217) (59,4) 137 38 (151) (43,7) 142 14 (312) (41,6) 184 12 (400) (35,6) E2ReBuild 280 22 München- (340) (22) 3-19, Graz Annex 50 Dieselweg 4, Graz Sendling Heizsystem Erdgekoppelte Wärmepumpe Erdgekoppelte Wärmepumpe Gas Thermische Solaranlage Tabelle 3-1: Überblick über die erreichten Energieeinsparungen (Primärenergiewerte in Klammern) X X X Photovoltaik- Energie- ertrag einsparung kWh/m²a % 9,5 88,9 (73,5) (28,2) *93,3 (83,5) 27,4 88,6 (72,6) (81,4) *104,2 (110,1) _ 72,3 (72,3) _ GrundwasserWärmepumpe X (86,7) _ GrundwasserWärmepumpe X Fernwärme X 90,1 93,5 (91,1) k.A. 92,1 (93,5) * Energieeinsparung unter Berücksichtigung der am Gebäude erzeugten Energie Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 31 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Neben einer neuen vorgefertigten Gebäudehülle, wird im Rahmen der Sanierung des Projektes in Zug, ein mechanisches Lüftungssystem mit Wärmerückgewinnung, sowie eine erdgekoppelte Wärmepumpe installiert und somit der Energieverbrauch um mehr als 80 % reduziert. Thermische Solarkollektoren und die Photovoltaikanlage auf dem Dach des Gebäudes verringern den jährlichen Energieverbrauch auf nahe Null. [Emp-A 11] Der Energieverbrauch zum Heizen und für Warmwasser konnte für das Projekt in Zürich um 88,6 % in Bezug auf die Endenergie und 72,6 % hinsichtlich der Primärenergie reduziert und somit Passivhausstandard erreicht werden. Dabei kommen ein fassadenintegriertes Lüftungssystem, sowie erneuerbare Energien, beispielsweise in Form der erdgekoppelten Wärmepumpe zum Einsatz. In Kombination mit den Erträgen der thermischen Solaranlage und den durch die Photovoltaik Anlage auf dem Dach produzierten Strom, konnte das Gebäude in ein Nullenergiehaus umgewandelt werden. [Emp-A 11] Auch innerhalb des Projektes in Roosendaal konnte durch die Sanierung mit vorgefertigten Elementen, die sowohl an der Fassade als auch im Dach zum Einsatz kommen, in Kombination mit einer mechanische Lüftung mit Wärmerückgewinnung und solarthermischer Kollektoren auf dem Dach, mit einer deutlichen Energieeinsparung, Passivhausstandard erreicht werden. [Emp-A 11] Der Energieverbrauch der beiden Gebäude in Graz konnte um 90,1 % bzw. 93,5 % hinsichtlich der Endenergie gesenkt werden. Vorgefertigte großformatige Fassadenmodule mit integrierten Fenstern und einem Lüftungssystem wurden eingesetzt, mit deren Hilfe bestehende Wärmebrücken beseitigt wurden. Innerhalb der Demonstrationsprojekte wird in Bezug auf die leistungsfähige Sanierung mit vorgefertigten Bauteilen, in Kombination mit solarthermischen Kollektoren in der Fassade und dem Dach sowie einem dezentralen Lüftungssystem mit Wärmerückgewinnung, Passivhausstandard erreicht. [Emp-A 11] Der Energiebedarf des Projektes in München Sendling innerhalb des E2ReBuild-Vorhabens, konnte für den Primärenergiebedarf von 340 kWh/m²a und mit einem Endenergiebedarf von 280 kWh/m²a, jeweils auf 22 kWh/m²a gesenkt werden. [sb13] Das Ziel eines Energieverbrauchs von 30-50 kWh/(m²·a) für Heizung, Lüftung und Warmwasser wird durch den Einsatz einer Lüftung mit Wärmerückgewinnung, der Nutzung von Fernwärme und einer solarthermischen Kollektoranlage sogar noch unterschritten. Zusammen mit der geplanten Solarstromanlage ergibt sich darüber hinaus für das Gesamtvorhaben eine Plusenergiebilanz. [DW 12] Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass mit vorgefertigten Sanierungslösungen und der darin integrierten Anlagentechnik hohe Energieeinsparungen möglich sind. Die Energieeinsparungen für Heizung, Lüftung und Warmwasser sind bei den durchgeführten Projekten in der Regel größer als 80 % und die Energieeffizienz und der Komfort eines Niedrigenergiegebäudes bzw. eines Passivhauses damit gut erreichbar. Dabei spielt der Einsatz von Lüftungs- Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 32 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden anlagen mit Wärmerückgewinnung eine große Rolle. Soll die Energieeffizienz des bestehenden Gebäudes darüber hinaus weiter gesteigert werden, ist der Einsatz von thermischen Solaranlagen und Photovoltaiksystemen, z.B. auch in Kombination mit Wärmepumpen, sinnvoll. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 33 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden 4 Energetischer Standard einer Sanierung mit vorgefertigten Bauteilen Der Anspruch einer Sanierung mit vorgefertigten Bauteilen ist in erster Linie, den Fertigungs- und Montageprozess dahingehend zu optimieren, dass es zu zeit- und wirtschaftlicher Ersparnis, geringeren Eingriffen für die Bewohner und zu einer Qualitätssteigerung in der Ausführung kommt. Die energetische Qualität muss selbstredend den aktuell geltenden ordnungsrechtlichen Vorgaben, den Anforderungen der Energieeinsparverordnung (EnEV) 2009 genügen. Darüber hinaus sollte auch die geplante Fortschreibung des Anforderungsniveaus ab 2014/16 - Reduzierung des Primärenergiebedarfs um ca. 25 % - erfüllbar sein. 4.1 Berechnungen des Energiebedarfes mittels Referenzgebäude Im Rahmen des Projekts werden umfangreiche Berechnungen zur Untersuchung der energetischen Qualität von Sanierungen mit vorgefertigten Bauteilen durchgeführt. Dafür wird ein typisches Mehrfamilienhaus (Baujahr 1958 – 1968) als Modellgebäude definiert. Dieses entspricht in seiner Charakteristik einem Gebäudetyp, der zahlreich vorhanden ist und sich hinsichtlich seiner Geometrie für den Einsatz einer Sanierung mit vorgefertigten Bauteilen eignet, vergleiche Kapitel 2. Die Abbildung 4-1 zeigt die Abmessungen des Modellgebäudes. Es handelt sich um einen dreigeschossigen Zweispänner, dessen First nach Nord/Süd orientiert ist. An der Längsseite beträgt der Fensterflächenanteil 25 %, giebelseitig sind keine Fenster vorhanden. Das Gebäude hat weder Balkone noch Loggien. Abbildung 4-1: Modellgebäude zur Berechnung des Energiebedarfes Zunächst werden 4 verschiedene Varianten-Rechnungen durchgeführt: das Bestands Gebäude im IST-Zustand Referenzausführung nach EnEV 2009 als Standardsanierung Fassadenelement Prefab II ohne Technik Integration und Prefab II mit fassadenintegrierter Lüftung Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 34 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Die Tabelle 4-1 dokumentiert die angenommenen U-Werte und die Anlagentechnik für das Bestandsgebäude, das Referenzgebäude und die beiden „Prefab“- Ausführungen. Gemäß der aktuell geltenden Energieeinsparverordnung [EnEV 09] wird der Energiebedarf mit dem Bilanzverfahren der DIN V 18599 zunächst für das Bestands Gebäude mit typischen U-Werten für die Baualtersklassen der Bauteile ermittelt [DENA]. Zur besseren Vergleichbarkeit wird die Referenzanlagentechnik (jedoch ohne mechanische Abluftanlage) angenommen. Im nächsten Schritt wird die Berechnung mit den Kennwerten und der Anlagentechnik analog zur Ausführung des Referenzgebäudes der EnEV 2009 durchgeführt (siehe Tabelle 1 [EnEV 09]). In der Regel ist es, im Rahmen einer Standardsanierung, möglich mit Dämmstoffdicken von 10-12 cm (EPS, WLG 035) für Außenwände, dem Austausch der Altbaufenster sowie den Anforderungen der EnEV für die Dämmung der obersten Geschossdecke und die Kellerdecke das Gebäude auf Neubauniveau zu bringen. Für eine Sanierung der Fassade mit vorgefertigten Elementen kann davon ausgegangen werden, dass sowohl die Dämmung der obersten Geschossdecke als auch die Decke zum unbeheizten Keller gemäß der Ausführung des Referenzgebäudes der EnEV, unabhängig von der geplanten Fassadensanierung, durchgeführt wird, so dass für die beiden zunächst untersuchten „Prefab-Varianten“ lediglich der U-Wert der Außenwände und die Anlagentechnik variiert wird. Tabelle 4-1: Energetische Kennwerte der betrachteten Varianten Variante U-Wert Außenwände [W/m²K] Basis; Bestand 1,2 Referenzgebäude 0,28 Prefab0,21 Fassadenelemente Typ I Prefab0,21 Fassadenelemente Typ II U-Wert oberste Geschossdecke [W/m²K] 2,1 U-Wert Kellerdecke [W/m²K] 1,5 U-Wert /gWert Fenster [W/m²K] / [-] 2,6 / 0,76 0,20 0,20 0,35 0,35 1,3 / 0,6 1,3 / 0,6 0,20 0,35 1,3 / 0,6 Anlagentechnik Referenzgebäude, jedoch ohne mech. Abluft Referenzgebäude Referenzgebäude Dez. Zu-/Abluft mit WRG 80 %, sonst Referenz Der in der Berechnung angenommene U-Wert für die Außenwände von 0,21 W/m²K ist mit dem Wandaufbau, wie er in der Abbildung 4-2 oben rechts dargestellt ist, mit einem Dämmstoff der Wärmeleitgruppe (WLG) 045 bei einer gesamten Querschnittsdicke von 190 mm ohne Probleme zu erreichen. In der Variante „Prefab I“ wird damit bereits eine kleine Reduzierung Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 35 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden des Transmissionswärmeverlustes und demzufolge bei gleicher Anlagentechnik auch des Primärenergiebedarfes, gegenüber des Neubaustandards gemäß Referenzausführung, erreicht (siehe Abbildung 4-3). Die Variante „Prefab II“ geht von dem gleichen U-Wert der Außenwand aus, allerdings wird die Anlagentechnik mit einem Zu- und Abluftsystem mit Wärmerückgewinnung (WRG) gegenüber der Referenzausführung verbessert. Damit kommt ein großer Vorteil von multifunktionalen Fassadenelementen zum Tragen. Wenn davon ausgegangen wird, dass so zum Beispiel ein zentrales Zu-/Abluftsystem über die Fassade realisiert werden kann, was bei einer herkömmlichen Sanierung nur innerhalb der Wohnungen mit großen Beeinträchtigungen für die Nutzer machbar wäre, wird die energetische Qualität der Sanierungsmaßnahme erheblich verbessert. Wie Abbildung 4-2 zeigt, können bei vertretbaren Bauteilabmessungen Wärmedurchlasswiderstände der neuen Konstruktionen zwischen 4,0 und 8,3 m²K/W erreicht werden. Wird daraus der U-Wert für die gesamte Konstruktion (inkl. Bestandswand mit einem U-Wert von 1,2 W/(m²K)) berechnet, sind U-Werte zwischen 0,11 und 0,21 W/(m²K) realisierbar. Um mit den gleichen Abmessungen einen besseren Wärmeschutz zu erzielen, müssten allerdings kostenaufwändige Materialien mit größerer Dämmwirkung, wie zum Beispiel Vakuum Isolationspaneele (VIP) oder Aerogele eingesetzt werden. Eine energetische „Refinanzierbarkeit“ dieser Hocheffizienzdämmstoffe im Zuge einer einfachen Flächenbilanz ist meist nicht gegeben. Ihr Einsatzgebiet definiert sich in der Regel dadurch, dass zur Erreichung einer hohen energetischen Qualität bezogen auf die Konstruktion nur geringe Abmessungen/Bautiefen realisiert werden können. Dies kann zum einen durch statische Anforderungen an das Gewicht des Sanierungssystems gegeben sein, zum anderen aber auch durch Einschränkungen von Nachbarbebauungen oder öffentlichen Räumen (z.B. Gehwegen). Insbesondere das Angebot der AerogelDämmstoffe nimmt gegenwärtig sehr stark zu, die Kosten sind im Vergleich zu Standarddämmstoffen, unter einfacher Betrachtung des Materials, vergleichsweise hoch. Die Zielsetzung der Entwicklung der verschiedenen Regelquerschnitte ist eine Optimierung des Wärmeschutzes unter Berücksichtigung der Bauteildicken. Zudem sollten Wärmebrückeneffekte durch die Querschnittsschwächung bei der Integration von TGA-Komponenten wie Lüftungskanälen, Heiz- und/oder Elektroleitungen untersucht werden. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 36 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Abbildung 4-2: Unterschiedliche Material- und Aufbauvariationen eines Regelquerschnittes, (linke und rechte Seite stellen jeweils unterschiedliche Ausführungsmöglichkeiten bezüglich der verwendbaren Dämmmaterialien dar), Maße in mm 4.2 Ergebnisse für zwei grundlegende Varianten Im Folgenden werden die detaillierten Ergebnisse der Energiebedarfsberechnungen, basierend auf den in Abschnitt 4.1 vorgestellten Rahmenbedingungen näher betrachtet. Abbildung 4-3 stellt die Ergebnisse zudem grafisch dar. Für das betrachtete Bestandsgebäude beträgt der Primärenergiebedarf 276 kWh/m²a bei einem spezifischen Transmissionswärmeverlust (HT‘) von 1,47 W/m²K. Der Transmissionswärmeverlust wird angegeben, um das Niveau des Wärmeschutzes der Bauteile (ohne den Einfluss der Anlagentechnik) mit zu betrachten. Auf die Anforderungsgröße, den Primärenergiebedarf (Qp), haben die Ausführung der Anlagentechnik und die Art der Energiebereitstel- Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 37 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden lung oftmals einen dominanten Einfluss, so dass dieser allein zur Bewertung und zum Vergleich von verschieden Varianten nicht ausreichend ist. Wird das Gebäude auf Neubaustandard analog zur Referenzausführung (nun mit mechanischer Abluftanlage) saniert, sinkt HT‘ um rund 73 % auf 0,39 W/m²K und infolge dessen auch der Primärenergiebedarf um rund 65 %. TransmissionsWärmeverlust HT‘ 1,43 0,39 0,35 0,35 Abbildung 4-3: Grafische Darstellung der Energiebedarfsberechnung verschiedener Varianten siehe Tabelle 4-1 für ein typisches MFH, dargestellt sind Primärenergiebedarf und Transmissionswärmeverlust Die „einfache“ Sanierung mit einem vorgefertigten Bauteil mit einem U-Wert von 0,21 W/(m2*K) analog zu Material und Schichtdicke des Regelquerschnittes (Prefab I) oben rechts in Abbildung 4-2 bringt eine leichte Reduktion von HT‘ und Qp verglichen mit der Referenzvariante. Wenn es gelingt, zusätzliche anlagentechnische Funktionen in das Fassadenelement zu integrieren, wie beispielsweise dezentrale Lüftungstechnik mit Wärmerückgewinnung (Prefab II), kann der Primärenergiebedarf um rd. 27 % gegenüber Neubaustandard gesenkt werden und somit die Einstufung der KfW als Effizienzhaus 85 erreicht werden. Hinsichtlich der geplanten Verschärfung des Anforderungsniveaus der EnEV bietet diese Sanierungsvariante mit integrierter Lüftung selbst ohne Integration von aktiven Solarkomponenten ein gutes Potenzial zur Einhaltung von Energieeinsparzielen. Prinzipiell lässt sich festhalten, dass bezüglich des Erreichens eines sehr guten Wärmeschutzes und damit einhergehender Energiebedarfsreduktion keinerlei Einschränkungen hinsichtlich einer Sanierung mit vorgefertigten Bauteilen zu erwarten sind. Im Gegenteil, durch Integration von bedarfsreduzierender Haustechnik und einer möglichst wärmebrückenfreien Detailausbildung können weitere Energieeinsparpotenziale erschlossen werden. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 38 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden 4.3 Weitere Variantenstudien Aufbauend auf den grundlegenden Untersuchungen der vorherigen Abschnitte werden Berechnungen für eine Variantenmatrix am gleichen Modellgebäude durchgeführt. Die unterschiedliche Kombination von Wärmeschutzmaßnahmen mit möglichen Lüftungsvarianten verdeutlicht die hohe Zahl der Sanierungsmöglichkeiten, wobei alle Varianten im Rahmen einer Sanierung mit vorgefertigten Fassadenelementen ausführbar sind. Tabelle 3-1 zeigt die Ergebnisse aller Untersuchungen am Modellgebäude. In den ersten drei Spalten werden jeweils die U-Werte der Außenwände und der obersten Geschossdecke, sowie der Fenster variiert. Von der obersten Zeile bis zur letzten Zeile wird das Wärmeschutzniveau der Bauteile sukzessiv erhöht. Die untersuchten U-Werte der Außenwände liegen zwischen 0,1 und 0,3 W/(m²K), für die Fenster werden 2-, bzw. 3-Scheiben Wärmeschutzverglasungen (U=1,3, bzw. 0,9 W/(m²K)) und der Wärmeschutz der obersten Geschossdecke kann 0,1, 0,15 und 0,2 W/(m²K) betragen. Hinsichtlich der Anlagentechnik wird die Lüftung variiert, während die Heizungsanlage nach EnEV Referenz (Öl Brennwertkessel mit Systemtemperaturen 55/45°C, mit freien Heizflächen) unverändert bleibt, da diese weitestgehend unabhängig von der Fassadensanierung ist. Es zeigt sich, dass alle Kombinationen deutlich unterhalb des Anforderungswertes nach EnEV 2009 liegen, dieser beträgt für alle Varianten der Modellrechnungen 94,0 kWh/(m²a). Das Ergebnis einer bautechnischen Standardsanierungslösung befindet sich in der dritten Zeile (siehe Markierungen in Abbildung 4-3): Der Endenergiebedarf bei einer Sanierung ohne Lüftungsanlage liegt bei 57,5 kWh/(m²a) und mit 70 % vom Anforderungswert Qp wird die primärenergetische Anforderungsgröße nach EnEV 2009 eingehalten. Bei einer zu erwartenden Verschärfung des Anforderungswertes wird es deutlich schwieriger, diesen allein mit bautechnischen Sanierungsmaßnahmen einzuhalten. Hier zeigt sich das große Potential von Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung. So kann bei einer zentralen Zu-/Abluftanlage mit Wärmerückgewinnung der Endenergiebedarf auf 43,3 kWh/(m²a) gesenkt werden und mit 53 % vom Anforderungswert Qp liegt der Primärenergiebedarf deutlich unter dem Anforderungswert. Eine weitere Reduzierung des U-Wertes, beispielsweise auf 0,15 W/(m²K), hat verglichen damit weit geringere Energieeinsparungen zur Folge. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 39 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x [W/(m²K)] dezentrale Ab‐ luft/Zuluftanlage mit Wär‐ merückgewinnung Abluft/Zuluftanlage mit Wärmerückgewinnung zentrale Abluftanlage mit Abluft/Wasser‐ Wärmepumpe zentrale Abluftanlage ohne Wärmerückgewinnung ohne Lüftungsanlage 0,10 Endenergiebedarf, bzw. Prozent vom Anforderungswert Qp [kWh/(m²a)] / [%] x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x Lüftung 0,15 U‐Werte Fenster 0,90 [W/(m²K)] 0,20 U‐Werte Oberste Geschossdecke 1,30 0,10 0,15 0,25 0,30 U‐Werte Außenwand [W/(m²K)] 0,20 Tabelle 4-2: Jahres-Primärenergiebedarfswerte für die berechneten Varianten des Wärmeschutzes in Kombination mit Lüftungstechnik, die für vorgefertigte Fassadenelemente relevant ist x x x x x x x x x x x x x x x 63,0 77 % 61,4 77 % 61,5 78 % 48,9 64 % 49,8 60,3 73 % 58,6 73 % 58,8 73 % 46,1 61 % 47,1 67 % 64 % 57,5 70 % 56,0 70 % 56,2 70 % 43,4 57 % 44,4 61 % 54,8 67 % 53,3 67 % 52,1 64 % 50,6 64 % 62,0 76 % 60,5 76 % 59,2 72 % 57,7 72 % 56,5 69 % 55,0 69 % 53,8 66% 52,4 66% 51,2 63 % 49,7 63 % 41,7 38,9 57 % 54 % 48,9 46,2 43,8 40,8 38,0 66 % 63 % 60 % 56 % 53 % 53,5 67 % 40,7 54 % 50,8 64 % 38,0 51 % 60,6 76 % 47,9 63 % 57,9 72 % 45,2 60 % 55,2 69 % 42,5 56 % 52,6 66% 39,8 53% 49,8 63 % 37,1 50 % 61,1 58,3 55,6 52,9 50,2 74 % 71 % 68 % 65 % 62 % 59,5 56,8 54,1 51,4 48,8 74 % 71 % 68% 65% 62% 59,6 57,0 54,3 51,6 48,9 74 % 71 % 68% 65% 62% 46,9 44,2 41,5 38,8 36,1 62 % 59 % 55% 52% 49% 47,9 45,2 42,5 39,7 37,1 65 % 62 % 59% 55% 52% 58,8 56,1 53,4 50,7 48,1 71 % 68 % 65 % 62 % 60 % 57,3 54,6 51,9 49,3 46,5 71 % 68 % 65 % 62 % 60 % 57,5 54,8 52,1 49,4 46,7 72 % 69 % 66 % 63 % 60 % 44,7 42,0 39,3 36,7 33,9 60 % 56 % 53 % 50 % 47 % 45,7 43,0 40,3 37,6 34,9 62 % 59 % 55 % 52 % 49 % 57,8 55,1 52,5 49,8 47,1 70 % 67 % 64 % 61 % 57 % 56,3 53,6 51,0 48,3 45,6 70 % 67 % 64 % 61 % 59 % 56,5 53,8 51,2 48,4 45,8 71 % 68 % 65 % 62 % 59 % 43,8 41,1 38,4 35,6 33,0 59 % 55 % 52 % 49 % 46 % 44,8 42,1 39,3 36,6 34,0 61 % 57 % 54 % 51 % 48 % 57,8 55,1 52,5 49,8 47,1 70 % 67 % 64 % 61 % 57 % 56,3 53,6 51,0 48,3 45,6 70 % 67 % 64 % 61 % 59 % 56,5 53,8 51,2 48,4 45,8 71 % 68 % 65 % 62 % 59 % 43,8 41,1 38,4 35,6 33,0 59 % 55 % 52 % 49 % 46 % 44,8 42,1 39,3 36,6 34,0 61 % 57 % 54 % 51 % 48 % Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 40 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden 4.4 Einbausituation der Fenster Im Wohngebäudebestand findet man unterschiedliche Einbausituationen der Fenster vor: Die Fenster können ca. 12-14 cm tief in der Laibung aber auch fast fassadenbündig montiert sein (Abbildung 4-4). Abbildung 4-4: Unterschiedliche Einbausituation der Fenster im unsanierten Zustand Nach der Sanierung treten, bei Beibehaltung der ursprünglichen Einbaulage, sowohl optisch als auch energetisch unbefriedigende Effekte auf. Durch die großen Aufbaudicken der Wärmedämmverbundsysteme (WDVS) führt die Montage eines neuen Fensters an der ursprünglichen Stelle der Bestandswand häufig zu architektonisch und energetisch unbefriedigenden Lösungen durch die entstehenden tiefen Fensterlaibungen (Abbildung 4-5). Abbildung 4-5: Es entstehen tiefe Fensterlaibungen nach der Sanierung Aus energetischer Sicht liegt die optimale Einbautiefe eines Fensters mitten in der wärmetechnisch wirksamen Dämmschicht des Wandaufbaus [Wärmebrückenatlas]. Bei der Mehrzahl der Sanierungen wird die Außenfassade gedämmt, so dass das Fenster möglichst weit außen in der neuen Konstruktion sitzen sollte, um Wärmebrückeneffekte zu minimieren (wie in Abbildung 4-6 Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 41 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden näher dargestellt). Bei Beibehaltung der tiefen Einbaulage sollten die Fensterlaibungen gedämmt werden (siehe Beiblatt 2 der [DIN 4108]). Um den Einfluss und die Größenordnung des Wärmebrückeneffektes zu verdeutlichen, wird eine ungünstige Einbausituation im bestehenden Mauerwerk bei gleichzeitigem Einsatz einer 3-Scheiben Wärmeschutzverglasung gegenüber einer 2-Scheiben Wärmeschutzverglasung in der günstigeren Position in der Dämmebene rechnerisch verglichen (Abbildung 4-6). Vereinfachend werden hierbei die direkten Einflüsse von Verglasung und Wärmebrückenwirkung betrachtet. Der spezifische Transmissionswärmeverlust HT gibt dabei den Wärmestrom über die gesamte Fensterfläche inklusive umlaufender Wärmebrücke an. Für die Varianten liegt dieser Wert nahezu gleich bei 1,56, bzw. 1,54 W/K, das heißt, dass der Effekt der 3-Scheiben-Verglasung komplett durch die ungünstigere Fensterposition aufgehoben wird (ohne Berücksichtigung der solaren Gewinne, welche bei günstiger Einbausituation und 2Scheiben-Verglasung zusätzliche positiv zu bewerten wären). Abbildung 4-6: Wärmebrückeneinfluss des Fensteranschlusses mit Fensterlaibungsumfang P Die Konzepte für vorgefertigte Bauteile im Rahmen einer Sanierung sollten diesem Umstand auf jeden Fall Rechnung tragen. 4.5 Fassadenintegrierte Haustechnik Speziell die Integration von Haustechnik in Fassadensysteme eröffnet neue Möglichkeiten der Gewerke übergreifenden Sanierung von Bestandsgebäuden mit vorgefertigten Bauteilen und Systemen. Gleichzeitig führen neue Integrationsmöglichkeiten neben veränderten Planungen, Materialbedarfen und Ausführungslösungen zu verändertem energetischen Verhalten des Gebäudes und des haustechnischen Systems. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 42 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden 4.5.1 Lüftung Im Ein- und Zweifamilienhausbereich gibt es erste Erfahrungen mit der Luftkanalführung auf, bzw. innerhalb der Fassade. In die Dämmung integrierte Lüftungskanäle können zur nachträglichen Installation eines zentralen Zu- und Abluftsystems genutzt werden. Innerhalb der Wohnungen sind keinerlei zusätzliche Installationen notwendig, lediglich eine Kernbohrung durch die Außenwand stellt die Verbindung zwischen Innenraum und Kanalsystem her. Abbildung 4-7 zeigt links ein Schema der Zuluftführung und rechts den Einbau der in Dämmung integrierten Kanäle am Beispiel des vom FraunhoferInstitut für Bauphysik patentierten Systems FAW® [Hauser 13] an einem Zweifamilienhaus in Kassel. Abbildung 4-7: Schema der Zuluftkanalführung (links) und Montage des Wärmedämmverbundsystems mit integrierten Lüftungskanälen (rechts) Für die gesamtenergetische Bilanzierung eines solchen Systems müssen sowohl thermische Aspekte als auch Fragestellungen zum Hilfsenergiebedarf betrachtet werden. Für die thermischen Aspekte sind hierbei zwei Kriterien relevant: zum einen der Wärmebrückeneffekt durch die Schwächung der Dämmebene an der Stelle der Kanalführung und zum anderen die gegenüber der Luftführung im Inneren der Gebäudehülle veränderten Luftkanalwärmeverluste. Beispielhafte Berechnungen für ein Zweifamilienhaus ergeben, dass der zusätzliche Wärmebrückeneffekt einer solchen Konstruktion (die Schichtdicke der ungestörten Dämmebene oberhalb des Kanals beträgt 8 cm) unter 1% auf die gesamte Fassade bezogen, liegt. (∆UWB-Lü = 0,01 W/(m²K)). Ab einer Dämmstoffüberdeckung > 100 mm der in der Fassade verlegten Leitungen bzw. Kanäle könnte somit deren energetischer Einfluss vernachlässigt werden. Erste Messungen an dem Beispielgebäude haben keine relevanten Temperaturunterschiede an den Dämmplatten (Messpunkte jeweils innen und außen) mit und ohne Kanalführung ergeben. Diesbezüglich zeigt Abbildung 4-8 neben der Außenlufttemperatur den Temperaturverlauf auf der Außenseite der Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 43 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Dämmung sowie innen auf der Oberfläche der ursprünglichen Außenwand für einen Tag im April. Abbildung 4-8: Temperaturverläufe über einen Tag im April auf den Oberflächen der Dämmplatten mit integrierter Luftführung sowie der Außenlufttemperatur Somit kann davon ausgegangen werden, dass es keine signifikanten Unterschiede bei der Oberflächentemperatur an den Stellen der Kanalführung geben wird, so dass ergänzend zu der energetischen Unbedenklichkeit auch keine Abzeichnungen durch Verfärbungen oder Algenwachstum auf der Oberfläche zu erwarten sind. 4.5.2 Heizung Für die Führung von Heizungsleitungen auf der Fassade gelten ähnliche Abschätzungen wie für die Lüftungsleitungen. Aufgrund des deutlich geringeren Durchmessers fallen die Schwächung der Dämmebene und damit der mögliche Wärmebrückeneinfluss noch geringer aus als bei den Lüftungsleitungen. Soll der auftretende Wärmeverlust über die Rohrleitungen normativ (nach DIN V 18599) abgebildet werden, müssen Zwischenlösungen gewählt werden. Noch sind die Integrationen von Luft- oder Wasserleitungen in der Fassade in den Berechnungsvorschriften der Norm nicht vorgesehen. Und sowohl die theoretische Anordnung der Heizleitungen „innerhalb der Zone“, wie auch „Standardrandbedingungen beheizt“ treffen die tatsächliche Situation nur sehr unzureichend. Berechnungen am Modellgebäude liefern als Größenordnung einen um rund 10 % erhöhten Endenergiebedarf bei der Leitungsführung außerhalb von Zonen („Standardrandbedingungen beheizt“). Befindet sich die Leitungsführung außerhalb der Außenwand aber unter der Fassadendämmung, werden über- Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 44 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden schlägig 90 % der Rohrleitungsverluste der Zone zugeführt, so dass sich daraus ein verglichen mit einer konventionelle Rohrleitungsführung um 1 % erhöhter Endenergiebedarf ergibt. 4.5.3 Realisierungsmöglichkeiten von Plusenergiegebäuden in der Sanierung Plusenergiehäuser sollen im Laufe eines Jahres über die Verwendung Erneuerbarer Energien mehr Energie erzeugen als bei durchschnittlicher Nutzung im Gebäude verbraucht wird. Ein Plusenergiehaus ist dann erreicht, wenn sowohl der Jahres-Endenergiebedarf als auch der Jahres-Primärenergiebedarf einen negativen Bilanzwert haben [BMVBS 12]. Bei Wohngebäuden geht zusätzlich zu dem für den Gebäudebetrieb benötigten Anlagenstrom auch der von den Nutzern verbrauchte Haushaltsstrom in die Bilanzierung ein. Um für Gebäude einen Plusenergiehausstandard zu erreichen, bietet sich am Gebäude in der Regel nur die Nutzung von Photovoltaik zur Energieerzeugung an. Speziell in der Sanierung besteht hier aber die Problematik, dass Geometrie, Ausrichtung, Fensterflächen und Fensteranordnungen sowie Dachflächen festgelegt sind und somit nur eingeschränkt hinsichtlich einer Stromerzeugung optimiert werden können. Um für existierende Gebäude das Potential zur Realisierung eines Plusenergiestandards zu ermitteln, müssen die Bedarfe für Beheizung, Kühlung, Trinkwarmwasser und Strom gegenüber den Energieerträgen (hier: Photovoltaik) bilanziert werden. Da die Bedarfe sowie Erträge sehr stark von Gebäude- und Standorteigenschaften wie dem A/AN-Verhältnis, dem Fensterflächenanteil und der Ausrichtung abhängig sind, ist auch das Plusenergiepotential je nach Eigenschaften unterschiedlich zu bewerten. Der Einfluss der Geschossanzahl auf die Machbarkeit eines Plusenergiegebäudes wird im folgenden Beispiel analysiert. Betrachtet wird ein Wohngebäude mit der Länge von 20 m, einer Breite von 10 m und einer Geschosshöhe von 3 m. Beheizt wird das Gebäude über eine Wärmepumpe und zur Stromerzeugung wird das Gebäude auf dem Dach sowie auf Süd-, Ost- und Westseite mit Photovoltaik ausgerüstet. Es wird davon ausgegangen, dass das Gebäude natürlich belüftet und nicht gekühlt wird. Betrachtet werden muss daher der Bedarf für Trinkwarmwasser und Gebäudebeheizung. Alle Werte werden als spezifische Werte mit Bezug auf die Gebäudenutzfläche angegeben. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 45 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Abbildung 4-9: Spezifischer Ertrag von Photovoltaik-Systemen in Abhängigkeit von der Geschossanzahl Der Ertrag durch Photovoltaik ist in Abbildung 4-9 dargestellt. Wie zu erkennen, sinkt der spezifische Jahresertrag durch die PV-Dachanlage, da das Verhältnis der PV-Dachfläche zur Gebäudenutzfläche mit der Geschossanzahl abnimmt. Die spezifischen Jahreserträge an den Fassaden sind konstant mit 13,6 kWh/m²a im Süden und 10,8 kWh/m²a in Osten und Westen. Der Abgleich von Bedarf und Ertrag ist in Abbildung 4-10 dargestellt Zu erkennen ist, dass der spezifische Jahres-Wärmebedarf für Beheizung bei größerer Geschossanzahl aufgrund des verbesserten A/AN-Verhältnisses und der dadurch verringerten Transmissionswärmeverluste sinkt. Der spezifische Trinkwarmwasserbedarf wird konstant mit 20 kWh/m²a angenommen. Zur endenergetischen Bewertung wird eine Wärmepumpe mit einem COP von 3,5 angenommen. Zusätzlich wird bei dem Gebäude von einem Haushaltsstrombedarf von 25 kWh/m²a ausgegangen. Aus Abbildung 4-10 wird deutlich, dass das Plusenergiepotential sinkt je größer die Anzahl der Geschosse ist. Der Grund hierfür ist das Zusammenspiel des spezifischen Heizwärmebedarfes und des spezifischen Ertrages der PVDachanlage, welche beide je nach Anzahl der Geschosse variieren. Dabei dominiert der Einfluss des spezifischen PV-Ertrages zunächst, sinkt jedoch auch steiler als der spezifische Heizwärmebedarf, sodass dieser bei vielgeschossigen Gebäuden maßgebend wird. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 46 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Abbildung 4-10: Plusenergiepotential in Abhängigkeit der Geschossanzahl. Darstellung der Bedarfe negativ, Erzeugung positiv Das Potential zur Errichtung eines Plusenergiehauses ist unter den hier angesetzten Voraussetzungen bei niedriger Geschosszahl bis zu 3 Geschossen gegeben. Bei größeren Geschosszahlen ist eine Machbarkeit nur noch unter Verwendung hocheffizientere Photovoltaik-Module gegeben, da die benötigte Dachfläche zur Erzeugung eines ausreichenden Stromertrages fehlt. 4.5.4 Abschließende Betrachtung Vorgefertigte Elemente zur Wohngebäudesanierung können höchsten energetischen Anforderungen gerecht werden und dem Wärmeschutz der Bauteile sind keine aus der Vorfertigung resultierenden Grenzen gesetzt. Die Wärmebrückensituation, z.B. beim Fenstereinbau oder bei Materialwechseln innerhalb der Konstruktion kann, insbesondere durch die Vorfertigung, minimiert und damit optimiert werden. Durch mögliche Integration von Gebäudetechnik innerhalb der Fassade können Konzepte verwirklicht werden, die in der Bestandssanierung (ohne Auszug der Mieter) bisher nicht möglich waren und die den Energiebedarf weiter senken. Die innerhalb des Vorhabens durchgeführten Variantenstudien möglicher Kombinationen zwischen Wärmeschutz der Bauteile und vorstellbaren Lüftungsvarianten ergeben einen größtmöglichen Spielraum um zu energetisch sinnvollen und nachhaltigen Lösungen zu gelangen. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 47 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden 5 Entwicklung von Konzepten zur Sanierung mit vorgefertigten Bauteilen Aufbauend auf den in den Kapiteln 2 und 3 gewonnen Erkenntnissen werden zwei Sanierungskonzept mit vorgefertigten Elementen entwickelt – zum einen basierend auf dem „traditionellen“ Prinzip der Fassadenelementen in Holzbauweise mit hinterlüfteter Außenhaut, zum anderen für die bei Bestandsbauten am häufigsten eingesetzten Wärmedämmverbundsystem auf EPSBasis. 5.1 Entwurf- und Konstruktionsprinzip von Kleinelementen in Holzbauweise Aufgrund der unter Abschnitt 3 dargelegten Gründe erscheinen speziell für die Aspekte Aufmaß, Konstruktion sowie die Baulogistik kleinformatigere Systeme, wie sie bereits im Rahmen des ECBCS Annex 50 entwickelt wurden, einfacher umsetzbar zu sein. Die methodisch kleinste reproduzierbare Einheit wird hierbei durch die Fenstergröße und Anordnung definiert, so dass ein „Fenstermodul“ einen guten Kompromiss zwischen Vorfertigung und Handhabung darstellt. Die Entwicklung solcher Elemente (siehe Abbildung 5-1), die z.B. Leitungsführungen zwischen den Elementen auf der Fassade erlauben, verspricht eine größere Flexibilität in Bezug auf eine einfachere Integration in den traditionellen Bauprozess. Für die Fertigung solcher Module steht außerdem ein größerer Anbieterkreis zur Verfügung, da weniger spezialisierte Planungs- und Produktionsmittel erforderlich sind. Abbildung 5-1: Holz-Kleinelemente mit Freiräumen zwischen Modulen Die wesentlichen Vorteile dieses Fenster-Modul-Konzepts verglichen mit großen Elementen sind: Geringere Anforderungen an die Planung Nutzung üblicher Logistik (Transport, Montage) Leitungsführung in den Zwischenräumen der Elemente möglich Keine Beschränkungen durch die „Elementgeometrie“ für die Fassadengestaltung Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 48 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Ergänzend zu einer „hochwertigen“ Ausführung mit Holzkonstruktionen kann der Lösungsansatz mit Kleinelementen auch auf „einfache“ Wärmedämmverbundsysteme übertragen werden. Auf der einen Seite besitzen die vorgehängten Holzkonstruktionen z.B. eine deutlich höhere Flexibilität in Bezug auf die Ausgestaltung der Fassade, der Materialauswahl (Gestaltung) und der Möglichkeit der Integration aktiver Fassadenkomponenten (z.B. Photovoltaik bzw. thermische Solarkollektoren). Steht jedoch die Fragen der Investitionskosten im Vordergrund, weisen WDV-Systemlösungen teils deutliche Kostenvorteile auf. Abbildung 5-2 zeigt Prinziplösungen für Holzkonstruktionen sowie WDV-Systeme die dem Kleinelementkonzept entsprechen. Abbildung 5-2: Überführung des Modulprinzips für Holz-Kleinelemente auf WDV-Systeme 5.2 Vorgefertigtes multifunktionales Fensterelement Eine wesentliche Funktion des Fensters ist (war) neben der Tageslichtversorgung die Sicherstellung der Raumlüftung. Durch die gestiegenen Anforderungen der Energieeinsparverordnungen an die Luftdichtheit der Gebäudehülle sowie das sich ändernde Nutzerverhalten ergibt sich die Notwendigkeit Systeme anzubieten, die den grundlegenden hygienischen und energetischen Anforderungen an den Luftwechsel von Aufenthaltsräumen gerecht werden. Das Fenster ist traditionell das technologisch anspruchsvollste Bauteil in der Gebäudehülle. Dies gilt für seine Fertigung, im besonderen Maße jedoch für den Einbau (Montage) in die vorhandenen Öffnungen am Objekt. An diesem Punkt finden sich aber auch die meisten Planungs- und Ausführungsmängel. Durch die Verlagerung diffiziler und somit fehleranfälliger Montagearbeiten hin zu einer Vorfertigung unter Werkstattbedingungen lässt sich die Ausführungsqualität deutlich steigern. Neben der höheren Ausführungsqualität hat die Vorfertigung als Nebeneffekt weitere Vorteile: So ist der Bauablauf unabhängig von Wettereinflüssen und damit besser planbar. Die Arbeitsbedingungen für Handwerker sind komfortabler, die Ausführungsgüte besser als auf der Baustelle. Diese „Werkstattmontage“ ermöglicht außerdem die Weiterbeschäftigung erfahrener Mitarbeiter, für die die körperlich „harten“ Bedingungen auf der Baustelle aus gesundheitlichen Gründen nicht mehr zumutbar sind. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 49 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Der erste Lösungsansatz, aufgezeigt an einem WDV-System, besteht nun darin, ein vorgefertigtes Modul zu konzipieren, bei welchem das Fenster mit einem speziellen Zargensystem an der energetisch optimalen Stelle der Wärmedämmebene platziert wird [Schli 84], die Zuluft zentral über zargenintegrierte Kanäle zugeführt wird, ein WDVS-Fensterelement einen umlaufenden Dämmstoffkranz mit Grundarmierungsspachtel enthält (vgl. Abbildung 5-13), alle bereits handwerklich anspruchsvollen Arbeiten (Fensterbänke, ggf. Rollladen, Putzschienen, usw.) „in der Werkstatthalle“ gefertigt werden. Dieses komplette WDVS-Fenster Modul wird von außen in die vorhandene Fensteröffnung eingebaut. Die „Restdämmarbeiten“ der Fassade werden anschließend zwischen den bereits montierten Fenstern vorgenommen - das abschließende Fassadenfinish erfolgt wie üblich. Diesbezüglich verdeutlicht Abbildung 5-3 verschiedene Ausführungsvarianten, an denen auch die grundsätzliche Übertragbarkeit auf andere Wärmedämmmaterialien, die z.B. auf mineralischen- bzw. nachwachsenden Rohstoffen basieren, aufgezeigt ist. Zertifizierte, herstellerspezifische Detaillösungen bezüglich Schlagregensicherheit sind entsprechend der jeweiligen WDV-Systeme umsetzbar. Abbildung 5-3: Detailzeichnungen zu Ausführungsvarianten Für die Integration haustechnischer Systeme bieten sich nun verschiedenste Möglichkeiten an. Speziell die mechanische Belüftung des Gebäudes könnte über eine Zuluftführung im seitlichen Zargenbereich des Fensters realisiert werden. Da bei dieser Lösung allerdings statische und montagetechnische Probleme auftreten können, erscheint eine Realisierung in einer „Technik-Box“ unterhalb der Innenfensterbank wie in Abbildung 5-4 dargestellt sinnvoller. Innerhalb einer solchen Technikbox könnten neben Ventilatoren, Wärmetauschern und Filtern alle möglichen gebäudetechnischen Komponenten zur Versorgung der jeweiligen Räume zusammengefasst werden. Bei den nachfolgenden Abbildungen handelt es sich um prinzipielle Darstellungen. „Durchkonstruierte“ Lösungen müssen sich vor allem mit der „Tauwasserproblematik“ auseinander setzen. Zur Lösung dieser Aufgabe - speziell für die Zulufteinheit – können hochef- Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 50 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden fiziente Dämmstoffe in Verbindung mit entsprechenden Fertigungstechnologien eingesetzt werden. Abbildung 5-4: Technikbox im Bereich der Fensterbrüstung zur Aufnahme beliebiger TGAKomponenten Abbildung 5-4 zeigt unterschiedliche Möglichkeiten zur Ausgestaltung der Technikbox hinsichtlich Lüftung, Luftführung und Heizungsanschluss. Dargestellt sind eine Umlenkung der (zentralen) Zuluft über einen Heizkörper zur Verbesserung der Wärmeabgabe (NT-WP-Betrieb), dezentrale Zuluft mit dezentralen Ventilatoren sowie dezentrale Heizungspumpe [Sin 10] und „KonvektionsBooster“ im Umluftbetrieb. Die Technikbox dient hierbei als zentraler „Übergabepunkt“ zum Raum und kann dabei beispielsweise steuerbare Zuluftventile zur Reduzierung der notwendigen Volumenströme und zum Abgleich von Bedarfslüftungssystemen enthalten. Die raumseitige (umgelenkte) Luftführung über einen vorhandenen Heizkörper ermöglicht dabei durch die Vermeidung von Zugerscheinungen behaglichere Strömungszustände. Der Brüstungsbereich, dessen Mauerwerk (Baustoff) ggf. bis auf die Geschossdecke abgetragen werden kann und normalerweise keine statische Funktion hat, bietet genügend „Konstruktionsraum“ für mehrere (auch großvolumige) Komponenten. Je nach Bedarf und Vor-Ort-Gegebenheiten können hier z.B. dezentrale Lüftungssysteme mit Wärmerückgewinnung, Elektrospeicherheizsysteme oder auch Lüftungssysteme mit erhöhten schalltechnischen Anforderungen zum Einsatz kommen. Falls die Notwendigkeit zur Erneuerung des vorhandenen Heizungsrohrnetzes besteht oder absehbar ist, bietet sich die Möglichkeit dies von außen über die Fassade zu realisieren. Auch eine vorsorgliche Installation von Leerrohren ist leicht möglich. Eine Nachinstallation von Antennen-, BreitbandKabelanschlüssen sowie die Elektroversorgung von Rollladenantrieben über die Fassade ist bereits gängige Praxis (Abbildung 5-15, links). Der energetische Einfluss hinsichtlich einer Wärmebrückenwirkung wird für WDV-Systemen in [Scha 12] untersucht (Abbildung 5-5). Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 51 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Abbildung 5-5: Untersuchung des energetischen Einflusses fassadengeführter Leitungssysteme 5.3 Konzeptionelle Umsetzung - Lösungsansatz Der Lösungsansatz besteht nun in der Ausführung einer um den Fensterblendrahmen umlaufenden Zargen- bzw. Futterkonstruktion, die die vorhandene Fensterlaibung vollständig auskleidet, eine sichere Montage des Fensters in der gewünschten Ebene des Wandquerschnitts ermöglicht und bei der keine wesentlichen Nacharbeiten im Wohnraum mehr anfallen. Der zweite wichtige Aspekt des neuartigen Ansatzes (Einbauzargen werden seit Langem im Fensterbau beschrieben und diskutiert) ist die konstruktive Ausbildung der Technik-Box. In Abbildung 5-6 sind diesbezüglich die jeweiligen Grundkomponenten des Fenstermoduls dargestellt, Abbildung 5-7 verdeutlicht die unterhalb der Fensterbank vorgesehene Technik-Box. Abbildung 5-6: Darstellung des „Grundgerüstes“ der Module Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 52 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Abbildung 5-7: Technik-Box zur Aufnahme von TGA-Komponenten (Lüftung, Elektro/Elektronik/IT, Heizung) Mit dieser Anordnung der Technik-Box wird ein gut zugänglicher Raum zur Aufnahme von Technikkomponenten bereitgestellt. Der entscheidende Grund für das Technik-Box-Konzept im Brüstungsbereich des Fensters ist jedoch der zur Verfügung stehende „Konstruktionsraum“(ggf. nach unten erweiterbar) zum Einbau der notwendigen Komponenten. Dieser relativ große Konstruktionsraum erlaubt zum einen die Verwendung handelsüblicher Lüftungskomponenten (Zuluftventile, Luftfilter, Schalldämpfer), zum anderen sind „robuste“ (Sonder-Konstruktionen) eventuell notwendiger mechanischer Bauteile (Luftdichtheit, Brandschutz) integrierbar. Darüber hinaus erlaubt die Technik-Box, als zentraler Zugangspunkt, die Umsetzung technischer Lösungen für fast alle lüftungstechnischen Grundkonzepte. Systemlösungen von vollständig dezentral über zentral/dezentral bis komplett zentral, jeweils mit und ohne Wärmerückgewinnung sind möglich. Umsetzbar ist z.B. (bei entsprechender Größe der Technik-Box) der Einbau marktgängiger dezentraler Lüftungssysteme mit Wärmerückgewinnung. Eventuell notwendige Kondensat-Ablaufleitungen können ebenso wie die notwendige Stromversorgung auf der alten Bestandswand geführt werden. Abbildung 5-8 Links: Prinzip eines Polystyrol WDVS-Moduls; Rechts: Erweiterte Varianten des WDVS-Moduls (Brandschutzriegel, Vorbau-Rollladen). Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 53 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Abbildung 5-8 zeigt das Prinzip des vollständigen Fenstermoduls mit „WDVSDämmstoffkragen“ und ergänzenden Konstruktionsvarianten, bei dem sowohl ein Brandschutzriegel als auch ein Vorbau-Rollladenkasten bereits integriert ist. In Abbildung 5-9 ist das Konzept im Fassadenkontext dargestellt. Entscheidende Bedeutung für den reibungslosen Montageprozess haben die eingesetzte „Gerüsttechnik“ und die Koordination der Arbeiten. Vorstellbar sind Montagetechniken, die in der Phase des Fensterausbaus und der Neumontage der Module „gerüstfrei“ durchgeführt werden. Nach erfolgter Fenstermontage wird dann das Vollgerüst (für Dacharbeiten ohnehin notwendig) gestellt. Abbildung 5-9: Prinzipdarstellung des Montageablaufs der WDVS-Module Abbildung 5-10 zeigt eine Übertragung des Prinzips des Polystyrol-WDVSystems auf Holzweichfaserplatten-Ausführungen. Die, nach der Modulmontage, vorerst freien Zwischenräume können zur einfachen Montage eventuell benötigter Lüftungskanäle sowie sonstiger Versorgungsleitungen genutzt werden. Anschließend kann dieser Zwischenraum mit Standardplatten überdeckt werden. Die restlichen verbleibenden freien Bereiche lassen sich z.B. mit Zellulosefaserdämmstoff weitgehend „wärmebrückenfrei“ und hinterströmungssicher ausfüllen. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 54 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Abbildung 5-10: Variante eines WDV-Systems aus Holzweichfaserplatten (links), Kanal- und Leitungsführung (rechts) Bei den benötigten Luftkanälen sind innerhalb der Fassade nur Flachkanäle sinnvoll einsetzbar. Sammelkanäle sollten - wegen der benötigten größeren Abmessungen – nicht auf der Fassade, sondern entweder innerhalb des Dachraumes (Abseiten/Kniestock) oder der Kellerräume verlegt werden (Abbildung 5-11). Im Sockelbereich der Fassade können Probleme bei der Führung von Sammelleitungen z.B. im Bereich von Kellerfenstern auftreten. Das Prinzip der „Zargenlösung“ mit Technikbox ist auch auf die Konstruktionsart Holzfassade (entspricht dem klassischen Holz-Rahmenbau) mit HolzKleinmodulen übertragbar. Auf der der Bestandswand zugewandten Seite dieser Elemente wird hierbei eine flexible (weiche) Anpassungs- bzw. Ausgleichsschicht aus Mineralfaser-Dämmplatten vorgesehen. Die vorhandene Fensterzarge sowie das „Modulgerippe“ können, bei entsprechender konstruktiver Ausführung auch zur Lastabtragung herangezogen werden. Abbildung 5-11: Sanierungsprinzip des Holz-Modul Konzepts, Luftkanalführung Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 55 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Abbildung 5-12: Grundprinzip Holzelement (Horizontalschnitt) 5.4 Umsetzung eines 1:1-Fenstermoduls als Demonstrator Um die konstruktive Machbarkeit des Konzepts zu überprüfen und Ansätze für Optimierungen zu identifizieren, wird aufbauend auf den entwickelten Ideen ein 1:1-Modul entwickelt. Die bisher im Rahmen konzeptioneller Betrachtungen aufgezeigten Möglichkeiten werden nach der Definition der wesentlichen Anforderungen an dieses Demo-Modul in konkretere technische Vorentwürfe überführt und als WDVS-Lösung ausgeführt (Abbildung 5-13). Die FensterZarge sowie die Technikbox werden als Holzelemente ausgeführt, als Fenster findet ein handelsübliches Fenster mit 3-Scheiben-Verglasung Verwendung. Der umlaufende Dämmstoffkragen aus Polystyrol ist inklusive Armierung und Grundputz realisiert - die verputzen Laibungsbereiche sind für leichte Transportaufgaben ausreichend stabil. Anhand dieses Moduls werden Fragen der endgültigen Ausbildung aller Detailpunkte (z.B. Lösungen zur Montage, Luftdichtheit, Fragen des Verformungsverhaltens unterschiedlicher Materialien, …) untersucht und Optimierungsmöglichkeiten und Kostenansätze mit Fensterbauern und WDVS-Verarbeitern diskutiert. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 56 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Abbildung 5-13: Demonstrator des WDVS-Fenster-Moduls (1:1 Modell) Abbildung 5-14: Einbausituation des WDVS-Fenster-Moduls (1:1 Modell) 5.5 Leitungsführung auf der Fassade Hinsichtlich der Ausnutzung des Synergieaspekts ist die „Integrierbarkeit“ nachzurüstender und/oder zu ersetzender anlagentechnischer „Dienstleistungen“ (für Bestandsbauten) in diese vorgefertigten Elemente erforderlich. Unter der Prämisse der minimalinvasiven Sanierung – eines möglichst geringen „inneren“ Eingriffs – sollte somit die Nachrüstung über die Fassade ermöglicht werden. Traditionell werden leitungsgebundene Versorgungssysteme innerhalb von Gebäuden verlegt. Bei erstmaliger Errichtung von Gebäuden ist die Verlegung von Rohren und Leitungen in Wandschlitzen, unterhalb des Fußbodenaufbaues bzw. „unter Putz“ üblich. Unter dem Gesichtspunkt, dass Neubauten vielfach Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 57 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden bereits nach ca. 25 bis 30 Jahren einer mehr oder weniger grundlegenden Sanierung unterzogen werden, sollte diese Methode hinterfragt werden, um zukünftig technische Versorgungssysteme möglicherweise über bzw. in der Fassade zu führen. Jedoch selbst bei neu zu errichtenden Gebäuden kann es bereits zu einer erheblichen „Flächenkonkurrenz“ von Installationssystemen kommen (Abbildung 5-15, links). Durch die Integration in die Fassaden können solche Nutzungskonflikte vermieden werden. Gerade im Bestand ist eine „Nachrüstung“ technischer Systeme im Inneren des Gebäudes nur schwer durchführbar, bei einem minimalinvasiven Sanierungskonzept sollte dies vermieden werden. Abbildung 5-15: Flächenkonkurrenz von TGA-Systemen (links), nachträgliche Elektroinstallation über die Fassade (rechts) Die „Zuführung“ ins Gebäudeinnere ist im Bereich Fensterbrüstung durch Integration in die Technikbox recht einfach möglich. Alle in Frage kommenden technischen Versorgungsleitungen können in einem Knoten zusammengefasst werden - hier sind „sowieso-Maßnahmen“ (Abbrucharbeiten, neue Fensterbank innen und außen) erforderlich – Terminabsprachen mit den Nutzern werden auf eine Minimum reduziert. Die Nachrüstung bzw. Instandsetzung von haustechnischen Versorgungssystemen ist prinzipiell sowohl bei WDVS - als auch bei Holzelementmodulen realisierbar. Über die Module wird der Zugang zu den jeweiligen Räumen, z.B. durch Leerrohre und/oder Teilkanäle die in die Technikbox einbinden, umgesetzt. Die Verlegung der Leitungen bzw. Kanäle auf der Fassade erfolgt im Anschluss an die Montage der Module. Die räumliche Anordnung der jeweiligen Leitungen sowie die damit verbundene terminlichen Abhängigkeiten müssen „geplant“ werden. Die Leitungsführung sollte nach Möglichkeit „kreuzungsfrei“ geplant und ausgeführt werden. Lösungen die erst „auf dem Gerüst“ entwickelt werden, sind unbedingt zu vermeiden, d.h. eine Leitungsplanung ist zwingend erforderlich. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 58 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden 5.5.1 Wärmedämmverbundsysteme auf EPS-Basis WDV-Systeme auf EPS-Basis werden heute überwiegend einlagig ausgeführt. Vielfach kommen Stufenfalz- oder Nut-/Federsysteme zur Anwendung. Bei „einlagiger“ Ausführung sind derzeit Systeme mit integrierten Luftkanälen [Kai 12] in der Erprobungsphase, systemspezifische Formteile (Bögen, Abzweige, etc.) sind für dieses System derzeit noch nicht verfügbar. Für weitere auf der Fassade verlegte Leitungen (Elektro, Heizung, etc.) werden die Dämmstoffplatten vor Ort angepasst (Abbildung 5-16). Abbildung 5-16: WDV-System mit Lüftungskanälen und TGA-Versorgungsleitungen auf der Fassade, einlagige Ausführung In Abbildung 5-17 ist ein „zweilagiges“ Konzept dargestellt. Hier werden in einem ersten Arbeitsschritt Systemplatten, die bereits Aussparungen zur Aufnahme von handelsüblichen Kanälen enthalten, auf die Fassade aufgebracht. Im nächsten Arbeitsschritt werden dann Kanäle und/oder Leitungen in diese Aussparungen eingesetzt [Coy 13]. Im dritten Arbeitsschritt wird anschließend die „zweite Lage“ EPS-Dämmplatten aufgebracht (Abbildung 5-17, links). Abbildung 5-17 (rechts) zeigt die Möglichkeit der zweilagigen Ausführung, die besonders bei beengten Platzverhältnissen auf Fassaden von Mehrfamilienhäusern (große Fensterflächenanteile) hinsichtlich einer Leitungs- bzw. Kanalführung Vorteile bieten kann. Bei diesem Konzept wird nach der Verlegung der Leitungen (Elektro, Heizung, …) die erste Lage von EPSDämmplatten, zwischen den Leitungen angebracht, die zweite Plattenlage (mit integrierten Luftkanälen) überbrückt dann diese Installationsebene. Vorteilhaft bei dieser Variante ist, dass nur eine Plattendicke mit integrierten Kanälen benötiget wird, die Güte des Wärmeschutzes lässt sich über die erste Lage Dämmstoff steuern. Dieses System ist auch hinsichtlich der Leitungsführung unproblematischer, da die Leitungen/Kanäle auf unterschiedlichen Ebenen liegen. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 59 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Abbildung 5-17: WDV-System mit Lüftungskanälen und TGA-Versorgungsleitungen auf der Fassade, zweilagige Ausführung Für WDV-Systeme aus mineralischen Faserdämmstoffen sind derzeit keine vorgefertigten leitungsintegrierten Lösungen bekannt, prinzipiell aber realisierbar. Für Luftführungen wäre hier aber die Integration von Kunststoff- oder Metallkanälen erforderlich. 5.5.2 Wärmedämmverbundsysteme auf der Basis biegesteifer (Holz)faserdämmstoffplatten In Abbildung 5-18 ist das Prinzip der Leitungs- bzw. Kanalführung bei Konstruktionen für Holzfaserplatten dargestellt. Die Regelquerschnitte dieser Systeme haben systembedingt (bei vergleichbaren U-Werten) größere Bautiefen als WDV-Systeme auf EPS-Basis. Diese größere Bautiefe vereinfacht oder ermöglicht erst eine Leitungsführung innerhalb der Konstruktion. So ist z.B. die Verlegung großvolumiger Abwasserrohre sowie neuer Warm- und Kaltwasserleitungen für die Sanierung der Sanitärinstallationen über die Fassade möglich. Dieses – zeitweise parallel zum vorhandenen – nutzbare Ver-/ und Entsorgungssystem ermöglicht eine größere Flexibilität bei der Planung und Umsetzung von minimalinvasiven Maßnahmen. Eine Sanierung der Bäder (im Bestand) wird in der Regel nur bei einem Mieterwechsel durchgeführt. Die neuen Sanitärobjekte werden an die neuen äußeren Versorgungsstränge angeschlossen, das „alte System“ bleibt parallel in Betrieb. Nach vollständiger Sanierung aller Bäder wird das alte innenliegende Versorgungssystem stillgelegt. Schalltechnische Defizite der alten Abwasserführung können ebenfalls deutlich reduziert oder vollständig beseitigt werden. Sind die normalen Konstruktionstiefen der neuen Fassadenaufbauten für den Einbau großvolumiger Rohre bzw. Kanäle nicht ausreichend, so ist es vorstellbar, diese durch eine „partielle Lösung“ (neue Fassadenstrukturierung) zu realisieren (Abbildung 5-19). System- bzw. konstruktionsbedingte Wärmebrücken lassen sich hier mit „Hocheffizienzdämmstoffen“ kompensieren. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 60 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Abbildung 5-18: Wärmedämmverbundsystem auf Basis von Holzfaserdämmplatten Abbildung 5-19: Installationsführung, Variante bei größerem Raumbedarf 5.5.3 Holzmodule In Abbildung 5-20 ist das Prinzip der Leitungsführung in den freien Zwischenräumen der Holzmodule dargestellt. Die hier gezeigte „hinterlüftete“ Außenfassade – Materialwahl und Gestaltung sind beliebig – ermöglicht im Wartungsfall eine verhältnismäßig einfache Kontrolle bzw. Reparatur der Versorgungssysteme. Abbildung 5-20: Holzmodule mit „Installationszwischenraum“ 5.6 Lüftungskonzepte für die Bestandssanierung Eines der ältesten, vor allem im Geschosswohnungsbau anzutreffendes Lüftungssystem, nutzt das Prinzip des thermischen Auftriebs über zentrale Lüftungsschächte. Bei Grundrisskonzepten (Mehrfamilienhäusern) mit „innenliegenden“ Bädern und/oder bei Vorliegen besonderer räumlicher Gegebenheiten ist diese Lüftungstechnik zwingend notwendig und daher auch baurecht- Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 61 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden lich festgeschrieben. Eine grundlegende Schwäche dieser Systeme ist jedoch die „Unzuverlässigkeit“ der zur Verfügung stehenden Antriebskräfte für den notwendigen Luftaustausch. Bei diesen „Naturzug-Systemen“ lassen sich naturgemäß keine sicheren Betriebszustände garantieren. Diese lassen sich nur mit Hilfe von ventilatorunterstützten Systemen erreichen. Lüftungssysteme werden grundsätzlich in zwei Hauptgruppen, in dezentrale (Raum) und zentrale (Gebäude) - ohne und mit Wärmerückgewinnung - unterschieden. Jedes Lüftungsprinzip hat jedoch spezifische Vor- und Nachteile. Bei der Auswahl des Lüftungskonzeptes muss, unter Berücksichtigung der jeweiligen objektspezifischen Besonderheiten, den Wünschen der Nutzer und der Investoren (Betreiber) Rechnung getragen werden. Auf der Nutzerseite (Mieter) sind dies vor allem: Leichte Bedienbarkeit Behaglichkeit Gute „akustische“ Eigenschaften (Außenlärm, Betriebsgeräusche) Geringe „Baubelastung“ Aus der Sicht des „Betreibers“ sind dies vor allem: Kostenaspekte (Investition, Wartung) Betriebssicherheit Nutzer-/Mieterakzeptanz Eine Darstellung der jeweiligen systemspezifischen Vor- und Nachteile ist beispielsweise in [RWE 10, PIS 09] zu finden. Eine vergleichende energetische Untersuchung von zentralen Zuluft/Abluftsystemen mit Wärmerückgewinnung und einer bedarfsgeführten Abluftanlage wird z.B. in [Kru 09 ] durchgeführt. Vergleichende energetische Untersuchung von Lüftungskonzepten zeigen in Abhängigkeit der jeweils zu Grunde gelegten Randbedingungen (Luftwechselraten und Druckverluste/Kanalnetz) teilweise divergierende Ergebnisse. Luftwechselraten n zwischen 0,7 bei Zu-/Abluftanlagen und ca. 0,3 bei bedarfsgeführten Abluftanlagen bestimmen die Bewertung maßgeblich. Hinsichtlich der Bewertung des Hilfsstrombedarfs fehlen im Sanierungsfall ohne eine detaillierte Kanalnetzplanung im Vorplanungsstadium oftmals die notwendigen Kennwerte zur Bestimmung der sich einstellenden Druckverluste, so dass oftmals nur Schätzgrößen angesetzt werden können. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 62 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden 5.6.1 Dezentrale Lüftungssysteme Dezentrale Lüftungssysteme (mit und ohne WRG) lassen sich – bei frühzeitiger Planung – in die Technikbox der Fenstermodule integrieren. Die Außen- und Fortluftführung ist unterhalb der Fensterbank möglich. Die raumseitige Zuluft/Abluftführung lässt sich bei Ausnutzung der Zargenkonstruktion des Fenstermoduls zur Luftführung „kurzschlussfrei“ konstruieren. Eventuell notwendige Ablaufleitungen für anfallendes Tauwasser an den Wärmetauschern können zwischen Bestandswand und neuer Fassade verlegt werden. Wartungsarbeiten sind leicht durchführbar. Dezentrale Lüftungssysteme sind im Wohnungsbau in der Regel nicht mit dem Heizungs- und/oder Trinkwarmwassersystem verknüpft. Abbildung 5-21: Dezentrales Lüftungskonzept mit Wärmerückgewinnung 5.6.2 Zentrale Lüftungssysteme Lüftungssysteme deren Hauptkomponenten (Lüfter, Wärmetauscher) an zentraler Stelle angeordnet werden, benötigen ein durch das ganze Gebäude geführtes Kanalnetz zur Luftführung. Diese Lüftungskanäle sind entweder bereits vorhanden (alte Luftschächte, obsolete Schornsteine) oder müssten „nachgerüstet“ werden. Für den „minimalinvasiven“ Sanierungsansatz kommt dann nur eine Verlegung der eventuell nachzurüstenden Lüftungskanäle auf/in der Fassade in Frage. 5.6.2.1 Verbesserung (Ertüchtigung) bestehender Lüftungskonzepte (Abluftsysteme) Eine erste „Ertüchtigungsstufe“ von bestehenden Schachtlüftungen stellt die Nachrüstung zentraler, kontinuierlich betriebener Abluftventilatoren und dezentraler Zuluftelemente dar. Eine Effizienzsteigerung – energetisch sowie funktionell – dieser Lösungen ist meist nicht gegeben, ein Anstieg des Heizenergieverbrauchs ist oftmals die Folge. Die Lüftungsaufgabe „Sanitärraum“ wird mehr oder weniger zufriedenstellend gelöst. Die Behaglichkeit in den Wohnräumen wird durch teilweise sehr hohe Volumenströme und den zwangsläufigen Kaltlufteinfall beeinträchtigt. Eine Wärmerückgewinnung aus der Abluft wird üblicherweise – in der (vermeintlichen) Ermangelung eines kostengünstig zu erstellenden „Lüftungs-Rückkanals“ - nicht in Erwägung gezogen. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 63 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Abbildung 5-22: Funktionsweise von ventilatorgestützten Abluftsystemen Der entscheidende Schritt für weitere, effizienzsteigernde Überlegungen ist die Einbeziehung der „restlichen“ vorhandenen Heizungssysteme und deren geplante Sanierung bzw. Optimierung. Je nach Zustand und Art der vorhandenen oder geplanten „Nutzwärme-Bereitstellung“ sind die unterschiedlichsten Lösungen vorstellbar. Eine einfache Möglichkeit der Wärmerückgewinnung aus der zentralen Abluft ist die „Einkoppelung“ der Wärme der Abluft in die TrinkwarmwasserErzeugung mit Hilfe von Luft/Wasser-Wärmepumpensystemen (Abbildung 5-23). Diese Systeme wurden bereits in den 1980-Jahren von skandinavischen Fertighausanbietern für Einfamilienhäuser eingesetzt. Dieses Konzept der „Wärmerückgewinnung“ nutzt die vorhandenen Komponenten des Trinkwarmwassersystems – für die Komponente WRG-Einheit muss nichts „investiert“ werden. Zusätzlich verbessert die „eingekoppelte“ Abluft die Effizienz der Trinkwarmwasserbereitstellung, wobei eine ganzjährige Volldeckung des Trinkwarmwasserbedarfs jedoch nicht erreicht werden kann und hierbei auf Zusatzheizsysteme zurückgegriffen werden muss. Abbildung 5-23: Einbeziehung der Trinkwarmwasserbereitstellung in das Lüftungskonzept Zur weiteren Verbesserung eines solchen Systems ist es unerlässlich, das „manuelle“ Lüftungskonzept aufzugeben und den jeweiligen, individuellen „Luftaustausch“ einzelner Räume automatisch anzupassen. Hierzu sind Zuluftkomponenten erforderlich, die es erlauben den Durchfluss/Volumenstrom zwischen 0 und 100 % zu beeinflussen. Diese Zuluftelemente (Standard- oder Sonderkonstruktionen) können zusätzlich Aufgaben des Brandschutzes übernehmen und lassen sich idealerweise in der Technikbox der vorgefertigten Fensterelemente unterbringen. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 64 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Abbildung 5-24: Ein Erweiterung des Lüftungskonzepts durch elektro-mechanisch kontrollierbare Zuluftelemente In Abbildung 5-24 ist ein Lüftungskonzept bei außenliegenden Sanitärräumen dargestellt, „innere“ Lüftungsschächte sind nicht vorhanden. Hier wird der notwendige Abluftkanal über in die Fassade integrierte Kanäle realisiert. Durch den Einsatz elektro-mechanisch kontrollierbarer Zulufteinrichtungen (ALD) besteht – bei entsprechenden baulichen Voraussetzungen – die Möglichkeit die Volumenströme individuell für jeden Raum anzupassen bzw. auf das nötige Minimum zu beschränken. Abbildung 5-25: Konzept einer minimalinvasiven TGA-Vollsanierung Abbildung 5-25Abbildung 5-26 zeigt einen möglichen „Vollausbau“ aller verknüpfbaren haustechnischen Dienstleistungen (Lüftung, Trinkwarmwasser, NT-Heizkörper als Restheizung) die minimal-invasiv über die Fassade nachinstallierbar sind. Diesem Konzept liegt die Annahme zu Grunde, dass bei einer solchen Gebäudesanierung keine Wärmeschutzqualität angestrebt wird, bei der die erforderliche „Restraumwärme“ vollständig über die Lüftungsanlage bereitgestellt werden kann und ein konventionelles Heizungssystem nach wie vor benötigt und gewünscht wird. 5.6.3 Nachrüstung von gebäudezentralen Abluftanlagen (Zuluft /Abluft) In Abbildung 5-26 sind die Möglichkeiten der Luftkanalführung eines Zu/Abluft-Systems mit zentraler Wärmerückgewinnung in Abhängigkeit der baulichen Gegebenheiten dargestellt. Für den Fall, dass keine vorhandenen Lüftungskanäle (alte Schornsteine) genutzt werden können, muss die gesamte Kanalführung auf der Fassade erfolgen. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 65 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Abbildung 5-26: Ausführungsvarianten möglicher Kanalführungen für Lüftungszentralgeräte Dies kann, sofern Anforderungen des Brandschutzes und/oder des Schallschutzes erfüllt werden müssen zu sehr aufwendigen Installationen der fassadenintegrierten Lüftungskanäle führen (Abbildung 5-27). Abbildung 5-27: Lüftungskanalführung auf der Fassade Zusätzlich können die geometrischen Abhängigkeiten zwischen (vorgefertigten) Lüftungselementen und dem vorhandenen Fassadenraster - in Verbindung mit den geringen Restwandflächen der Fassade - die Planung und Ausführung erschweren. 5.7 Zusammenfassung In den diesem Bericht zugrundeliegenden Untersuchungen werden verschiedene Ausführungskonzepte für die Sanierung mit vorgefertigten Bauteilen entwickelt und untersucht. Aufgrund der Komplexität großformatiger Lösungen hinsichtlich des Bauablaufs sowie der Integration anlagentechnischer Systeme werden kleinformatige Lösungsansätze als für den Wohnungsbestand geeigneter eingestuft. Die wesentlichen konzeptionellen Aspekte, die bei der Entwicklung von vorgefertigten Fassadenmodulen und deren baulicher Realisierung berücksichtigt werden müssen, sind hierbei: Frühzeitige Planung und Bereitstellung geeigneter Baustellenlogistik Verwendung kleinformatiger vorgefertigter Fenster-Fassademodule mit Montagezarge und Technikbox Zusammenführung aller neu zu installierenden Leitungen/Systeme in der bzw. durch die Technikbox des Moduls Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 66 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Einbau von elektro-mechanisch kontrollierbaren (fernsteuerbaren) Zuluft-/Abluftelementen in der Technikbox Installation von Leitungs- und Kanalsystemen zwischen den montierten Elementen Einsatz von elektronischen Systemen zur Bedarfsermittlung und Steuerung von Lüftungssystemen Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 67 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden 6 Leitfaden zum Planungsablauf Eine Sanierung im Bestand unterscheidet sich grundsätzlich von einer Neubauplanung. Zum einen muss bei der Planung und Konzeptionierung von Bestandssanierungen vor allem auf die Belange der Bewohner Rücksicht genommen werden, zum anderen sind die vorhanden Gebäudegegebenheiten zu berücksichtigen. Es müssen daher Sanierungsabläufe und -techniken angewendet werden, die Mieter/Nutzer möglichst minimal (Handwerker, Lärm, Staub, …) belasten. Abgeleitet aus diesen Prämissen bieten Sanierungskonzepte, die die notwendigen Maßnahmen über die Fassade durchführen, große Vorteile. Darüber hinaus sind bei der Planung der speziellen Sanierungstechnik für ein zu sanierendes Gebäude aktuelle und zu erwartende normative Randbedingungen zu berücksichtigen. 6.1 Allgemeiner Planungsablauf Der Planungsablauf einer minimalinvasiven Gebäudesanierung unterscheidet sich nicht grundsätzlich von der üblichen Vorgehensweise. Im Gegensatz zur „Neubauplanung“, bei der die gesamte Baumaßnahme in der Regel ohne längere Unterbrechungen abgewickelt wird, kann es bei der Bestandssanierung – meist bedingt durch die unterschiedliche Restnutzungsdauer der einzelnen Bauteile bzw. Komponenten – zu einer großen zeitlichen Spreizung der Abwicklung der Sanierungsmaßnahmen kommen. Der allgemeine Planungsablauf gliedert sich sinnvollerweise in 3 Phasen: Phase 1: Zieldefinition Phase 2: Objektdokumentation und Grundlagenermittlung Phase 3: Konzeptentwicklung Nach Abschluss der Vorplanung setzt die übliche Genehmigungs- und Ausführungsplanung ein. 6.2 Phase 1 - Zieldefinition In Phase 1 werden die Projektziele durch den Auftraggeber (Investor) definiert. Diese Zieldefinition bzw. „Grundsatzentscheidung“ muss zwingend getroffen werden und sollte nur in Ausnahmefällen widerrufen werden, um die Randbedingungen für den nachfolgenden Planungsprozess so konstant und planbar wie möglich zu gestalten. Die Zielerreichung ist während des gesamten Planungsprozesses zu überprüfen (reflektieren). Die Projektziele basieren in der Regel auf Erkenntnissen bereits durchgeführter, ähnlich gelagerter Sanierungsprojekte. Hauptsächlich sind dies Erkenntnisse, die aus einer: Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 68 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden betriebswirtschaftlichen Nachkalkulation (Bau- und Betriebskosten) „Nutzerbefragung“ (Was war schlecht, was war gut, soziokulturelle Randbedingungen, offene Wünsche) gewonnen werden. Nachfolgend sind beispielhaft mögliche Projektziele aufgeführt: Minimalinvasive (Fassaden)sanierung Wärmeschutz nach EnEV Lüftungsmanagement Bereitstellung/Beibehaltung eines individuell beeinflussbaren Heizungssystems Wohnungsspezifische TGA/Sanitär-Sanierung bei Leerstand Keinen (nennenswerten) Wartungsaufwand für „Geräte“ in den Wohnungen Vorgaben spezifischer Investitionskosten Ausgehend von den Erkenntnissen aus Phase 1 ist eine Zieldefinition vorzunehmen. Hierbei ist es sinnvoll (notwendig), ein erforderliches Lastenheft in „zwingend notwendig“ und „wünschenswerte“ Vorgaben zu gliedern und diese Punkte präzise zu beschreiben. 6.3 Phase 2 – Objektdokumentation und Grundlagenermittlung In Phase 2 werden die in Phase 1 formulierten Ziele mit den objektspezifischen Randbedingungen abgeglichen. Als erster Arbeitsschritt ist die Erstellung einer allgemeinen Gebäudedokumentation (Zeichnungen, optischer Zustand z.B. über Fotos, technischer Zustand von Bausubstanz und technischer Gebäudeausrüstung, Energieverbräuche, etc.) erforderlich. In einem zweiten Schritt sind die maßgeblichen planungsrechtlichen / normativen Vorgaben zu ermitteln. Diese sind, in der Reihenfolge ihrer Wichtigkeit/Tragweite, Vorgaben bezüglich: Brandschutz Statik Schallschutz Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 69 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Hygiene/Feuchteschutz (Lüftung) Wärmeschutz (EnEV) Des Weiteren sind allgemeine oder auch objektspezifische „Planungsgrundsätze“ zu formulieren. 6.3.1 Brandschutz Gebäude werden brandschutztechnisch in Gebäudeklassen (GK 1-5) eingeteilt. Für mehrgeschossige Wohnbauten gelten bei GK1-2(3) relativ leicht zu erfüllende Anforderungen, ab GK 4 (Höhe der letzten obersten Geschoßdecke > 7m) sind verschärfte Anforderungen zu erfüllen. Aus den jeweils maßgeblichen Landesbauordnungen leitet sich aus der Gebäudeklasse 4 dann die Forderung nach einer hochfeuerhemmenden Ausführung (F60) der Bauteile ab, entflammbare Baustoffe (B1, B2) sind aber zulässig. F60-Konstruktionen sind mit allen „marktgängige“ Fassadenkonstruktionen erreichbar, für diese Systeme liegen bauaufsichtliche Zulassungen vor. Die geplanten, in die Fassade einzubauenden technische Komponenten, müssen – speziell bei Gebäuden ab GK4 - auf mögliche Brandschutzanforderungen (Eignung bzw. Zulässigkeit) hin untersucht werden. So fordert z.B. die hessische Bauordnung (HBO) für Lüftungsleitungen (innerhalb von Gebäuden): „Lüftungsleitungen sowie deren Verkleidungen und Dämmstoffe müssen aus nichtbrennbaren Baustoffen bestehen; brennbare Baustoffe sind zulässig, wenn ein Beitrag der Lüftungsleitungen zur Brandentstehung oder Brandweiterleitung nicht zu befürchten ist oder Vorkehrungen hiergegen getroffen sind. Lüftungsleitungen, die trennende Wände und Decken, für die eine Feuerwiderstandsfähigkeit vorgeschrieben ist, überbrücken, sind so herzustellen, dass Feuer und Rauch ausreichend lang nicht übertragen werden können“. Inwieweit diese Vorgaben auch auf „in der Fassade“ verlegte Lüftungskanäle anzuwenden ist, muss derzeit für den Einzelfall geklärt werden. Desweitern sind die Richtlinien für brandschutztechnische Anforderungen an Lüftungsanlagen (Lüftungsanlagen-Richtlinie – LüAR) sowie die (Muster)Leitungsanlagen-Richtlinie MLAR zu beachten. Aus der MLAR lassen sich keine (direkten/offensichtlichen) Einschränkungen für die Verlegung von „Elektroleitungen“ oder sonstigen Leitungen in Fassaden ableiten. Für in die Fassade einzubauende Komponenten (z.B. Leitungen, Durchführungen, Außenwanddurchlässe , dezentrale Lüftungsgeräte) sind bauaufsichtliche Zulassungen vielfach nicht vorhanden. Eventuell erforderliche Brandschutzklappen bzw. Kaltrauchsperren in den Lüftungsleitungen der Fassade sind entweder nicht für die verbauten Lüftungsleitungen (Flachkanäle, rechteckige Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 70 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Querschnitte) geeignet und/oder sie können nicht gewartet/kontrolliert werden. Einige Schwierigkeiten die durch Brandschutzauflagen entstehen, können jedoch ggf. mit einem entsprechenden aufwändigeren Kanalführungskonzept gelöst bzw. umgangen werden. 6.3.2 Statik Die grundsätzliche Standsicherheit der zu sanierenden Gebäude muss für eine minimalinvasive Sanierung vorausgesetzt werden. Zur Auswahl geeigneter Lastabtragungs- bzw. Montagekonzepte von Fassadenmodulen ist die Kenntnis der verwendeten Baumaterialien sowie des statischen Grundkonzeptes des Sanierungsobjektes notwendig. Die in der Nachkriegszeit häufig verwendeten „Substitutionsbaustoffe“ eignen sich auf Grund ihrer minderen Qualität nicht immer für übliche Schrauben-Dübel-Systeme, die auch nennenswerte Horizontalkräfte aufnehmen müssen. Durch die Wand geführte GewindebolzenPlatten-Lösungen sind bei „minimalinvasivem“ Sanierungsansatz nicht anwendbar. In diesen Fällen sind statische Systeme zu bevorzugen, die die Lasten vertikal in „belastbare“ Bauteile einleiten. Dies sind in erster Linie Geschoßdecken aus Stahlbeton oder ausschließlich auf „Druck“ - ggf. partiell verstärktes - belastetes Mauerwerk. Eine weitere Möglichkeit wäre, solche Fassadenlasten „hängend“ aufzunehmen/abzutragen. 6.3.3 Schallschutz Für den Schallschutz gilt ähnlich, wie für den Brandschutz, dass die Anforderungen des Schallschutzes (DIN 4109) für Außenbauteile bei (sanierten) Außenwänden und Fenster eingehalten werden müssen. Diese Anforderungen stellen in der Regel auch kein Problem dar. Bei in die Fassade zu integrierenden Komponenten (Lüftungsgeräte, Außenluftdurchlässe) kann dies zu erheblichen Konsequenzen führen. Die „schallschutzrelevanten“ Angaben vieler Komponenten sind oftmals ungenügend. Auch beim Schallschutz schränkt die planungsrechtliche Vorgabe die Wahlfreiheit bezüglich möglicher anlagentechnischer Sanierungskonzepte stark ein oder sie erzwingen Sonderlösungen. Im Gegensatz dazu stellen im Falle von dämmstoffintegrierten Lüftungskanälen solche Sonderkonstruktionen aufgrund ihrer hohen Schallabsorption im Kanal keine Probleme dar [Hauser 13]. 6.3.4 Feuchteschutz/Hygiene Seit Einführung der DIN 1946-6:2006-11 ist sowohl bei Neubau- als auch bei Sanierungsmaßnahmen die Erstellung eines Lüftungskonzeptes erforderlich. Die Erstellung eines Lüftungskonzeptes wird erforderlich, wenn im Ein- bzw. Mehrfamilienhaus mehr als 1/3 der vorhandenen Fenster ausgetauscht werden. Diese begrüßenswerte und notwendige Vorgabe -primär zum Zwecke der Sicherstellung hygienischer Wohnbedingungen eingeführt - bietet erstmalig die Chance, sinnvolle lüftungstechnische Maßnahmen nicht mehr aus- Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 71 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden schließlich „energetisch“ begründen zu müssen. In der Regel ergibt sich bei der Erstellung des Lüftungskonzeptes nach DIN 1946-6 für Gebäude mit geringen (beabsichtigen) Infiltrationsluftwechsel die Notwendigkeit zum Einbau ventilatorgestützter Lüftungssysteme. Zur Erstellung eines „wirtschaftlichen“ Lüftungskonzeptes ist es notwendig, die vorhanden baulichen Gegebenheiten (Schachtlüftungssysteme, nicht mehr benötigte Schornsteine) in die Planung mit einzubeziehen. In Abbildung 6-1 sind die möglichen Lüftungssysteme nach DIN 1946-6 dargestellt. Abbildung 6-1: Lüftungssysteme nach DIN 1946-6:2006-11 Bei der Konzeption von Lüftungssystemen und zum Erreichen der gewünschten Effizienz ist eine hohe Akzeptanz durch die Nutzer anzustreben. Von Bedeutung sind hier vor allem: 6.3.5 ein ausreichendes „Frischluftgefühl“ eine schnelle Geruchs- und Schadstoffabfuhr akustischer Komfort (Außenlärm, Betriebsgeräusch) thermischer Komfort (Zugluftfreiheit) schneller Tauwasserabbau an Fenstern bei extremen Lasten (Dusche, Kochen) geringer Energieverbrauch leichte Wartungs- und Bedienbarkeit (falls notwendig) Wärmeschutz Die grundlegenden planerischen Randbedingungen für den Wärmeschutz ergeben sich aus der Wärmeschutzverordnung und aus den Einzelanforderungen an Fassadenbauteile (Wand, Fenster) der DIN 4108 und von Förderpro- Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 72 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden grammen z.B. der KfW. Die dort eingeforderten bzw. festgelegten Bauteilanforderungen für max. U-Werte von Außenwänden und Fenstern sind auch mit vorgefertigten Fassaden bzw. Fassadenmodulen erreichbar. Selbst „Passivhaus-U-Werte“ von < 0,15 W/m2K sind - falls beabsichtigt - realisierbar. Die dafür notwendigen Bauteildicken betragen teilweise mehr als 30 cm - die konstruktiven Zwänge der Bestandsgebäude setzen hier, in Bezug auf max. Bauteilabmessungen die Grenzen. Bauteildicken von neuen Fassaden bis zu 20 cm sind in den meisten Situationen jedoch problemlos umsetzbar. Tabelle 6-1: Anhaltswerte für U-Werte von Fassadenbauteilen Außenwände Fenster EnEV < 0,24 W/m2K < 1,3 W/m2K Passivhausstandard < 0,15 W/m2K < 0,80 W/m2K Häufig treten jedoch im Innenbereich von Loggien Schwierigkeiten auf. Hier können die „Regel-Wandquerschnitte“ vielfach nicht realisiert werden (Pfeilerabmessungen, Innenecken). Der Versuch, in einem solchen Fall diese Regel-U-Werte zu realisieren, ist meist nicht wirtschaftlich und führt in den meisten Situationen zu unbefriedigenden architektonischen Lösungen und zu Nutzungseinschränkungen. Vergleichbare Schwierigkeiten treten an Vor- bzw. Rücksprüngen der Fassade auf, wenn die Fenster (Wandöffnungen) sehr nah an diesen Kanten sitzen. Balkone (Kragplatten) aus „energetischen“ Gründen abzureißen ist nicht wirtschaftlich - die einzige Legitimation für den Abriss sind „funktionale“ Defizite bezüglich Statik und Feuchteschutz (Wasserführung). Selbst die inneren Oberflächentemperaturen im Bereich der „balkonbedingten“ Wärmebrücke sind vielfach nach einer Außendämmmaßnahme im Regeldetail Wand/Kragplatte ausreichend hoch. [Hauser 91]. Der Detailpunkt Balkontür/Kragplatte/Fenstersturz sollte immer durch Wärmebrückenberechnungen untersucht und abgesichert werden. Eine einseitige (unterseitige) Dämmung der Kragplatte ist fast wirkungslos, nur eine ober- und unterseitige Wärmedämmung der Kragplatten verbessert die Situation merklich (Dämmstoffdicken ≥ 4 cm). Die Dämmung der Stirnseite der Balkonplatte ist praktisch wirkungslos [Hauser 91]. Ein eventuell vorhandenes Schimmelpilz-Restrisiko kann durch geeignete Lüftungskonzepte kompensiert werden. Bei der Auswahl der Fenster, speziell der zum Einsatz kommenden Fensterprofilen, sollte neben dem energischen auch der „architektonische“ Anspruch berücksichtigt werden. Speziell im Gebäudebestand der frühen 50er und 60er Jahre sind relativ kleine/schmale Fenster (Bäder) vorhanden. Die recht breiten „Passivhaus-Fensterprofile“ können hier zu unzureichenden architektonischen Lösungen führen. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 73 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden 6.4 Phase 3 – Entwicklung des Gesamt-Sanierungskonzepts (Planungsablauf) Zur Entwicklung eines stringenten Gesamtkonzepts (Masterplan) einer minimalinvasiven Bestandssanierung muss primär ein Sanierungskonzept für die technische Gebäudeausrüstung entwickelt werden. Das (konstruktive) Konzept sowie die Bauablaufplanung für die Sanierung der Fassade (Fenster und Wand), des Daches und des unteren Gebäudeabschlusses kann erst nach Erstellung des TGA-Konzeptes erarbeitet werden. Hierfür sind z.B. genaue Angaben zu den geplanten neuen Versorgungssystemen (Leitungsführung, Material, Abmessungen, etc.) erforderlich. Es ist notwendig, den technischen Istzustand aller vorhandenen haustechnischen Systeme (Komponenten und Verteilungssysteme) zu dokumentieren sowie eine Einschätzung ihrer Restnutzungszeiten vorzunehmen. Ergeben sich hieraus kurzfristig notwendige Arbeiten, so sind nur (Ersatz-) Maßnahmen sinnvoll, die bezüglich eines möglichen Gesamtkonzeptes nicht prädeterminierend sind. Ein weiterer, konzeptionell zu berücksichtigender Aspekt ist der Wartungsaufwand technischer Komponenten. Hier zeichnet sich immer häufiger der Wunsch - die Notwendigkeit - zur zentralen Wartbarkeit bzw. nach „Wartungsfreiheit“ der einzusetzenden Systeme bzw. Komponenten ab. Der hierfür erforderliche Arbeitsaufwand (Koordination, Durchführung) verursacht sowohl beim Mieter als auch beim Eigentümer Zeitaufwand und somit Kosten. Diese Problematik trifft in gleichem Maß für die Erfassung der nutzerspezifischen Betriebskosten zu. 6.4.1 Planungsablauf der technischen Gebäudeausrüstung Zentraler Punkt der Neukonzipierung der technischen Gebäudeausrüstung ist der technische Zustand und die Funktionalität des innerhalb des Gebäudes vorhandenen Leitungs- und Rohrnetzes. Sanierungsarbeiten an diesen Systemen oder die Nachrüstung nicht vorhandener Systeme innerhalb des Gebäudes betreffen in der Regel alle oder zumindest mehrere Wohnungen gleichzeitig. Ist absehbar, dass der Austausch dieser Systeme notwendig ist/wird, so ist eine vollständige Verlagerung möglichst vieler Ver- und Entsorgungsleitungen in bzw. unter die neu Fassade eine sinnvolle Option. Die Installation der neuen Verteilsysteme kann daher nur zeitgleich mit einer „wärmetechnischen“ Sanierung des Gebäudes (der Fassade) durchgeführt werden. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine zeitlich/terminliche Entzerrung des Bauablaufs oder ermöglicht die „Restnutzung“ technischer Komponenten. Beispielhaft seien hier grundlegende Sanierungsarbeiten an den Sanitäreinrichtungen genannt. Diese „aufwendigen“ Arbeiten werden in der Regel bei Leerstand einer Wohnung durchgeführt; eine gegebenenfalls notwendige Erneuerung der Fallleitungen tangiert jedoch alle Wohnungen. Ver- und Entsorgungssysteme, die bereits zur späteren Nutzung in der Fassade vorinstalliert sind, können so den Arbeits- und Sanierungsprozess deutlich vereinfachen. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 74 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Diese grundsätzlichen Überlegungen müssen für alle vorhandenen Leitungssysteme der Sanitär-, Elektro- und Heizungsverteilung angestellt werden. Für ein minimalinvasives Sanierungskonzept ist ein temporärer „Parallelbetrieb“ alter und neuer Leitungssysteme unabdingbar. Bei der Sanierung des Heizungssystems stehen neben dem bereits behandelten Leitungs- bzw. Verteilsystem drei Hauptkomponenten zur möglichen Sanierung bzw. zur Nachrüstung an: Wärmeerzeugung einer möglichen Integration Erneuerbarer Energietechnologien Wärmespeicherung Wärmeverteilung und -bereitstellung Nutzwärmebereitstellung - Heizflächen Neue Nutzwärmeübergabesysteme sollten aus Gründen größtmöglicher Flexibilität und Effizienz als Niedertemperatursysteme ausgeführt werden. Der deutlich verbesserte Wärmeschutz der thermischen Hüllflächen und der Einbau von Lüftungssystemen erlauben vielfach den NT-Betrieb des Systems mit den noch nutzbaren alten Heizflächen. Gewünschte oder erforderliche neue Heizflächen werden dann auf „möglichst geringe“ Systemtemperaturen hin optimiert. Nutzwärmeerzeuger Falls der Austausch des vorhandenen Nutzwärmeerzeugers nötig oder geplant ist, müssen Wärmeerzeugung, -verteilung und –übergabe ideal aufeinander angepasst werden. In der Regel sind die installierten Wärmeerzeuger in Bezug auf den „neuen“ Leistungsbedarf stark überdimensioniert – die Effizienz dieser Systemkomponente kann sich zum Teil deutlich verschlechtern. In Verbindung mit hydraulischen Weichen oder Pufferspeicher können diese Defizite jedoch reduziert werden. Zunehmend setzen sich auch im Bereich der Wärmeversorgung von Mehrfamilienhäusern multivalente Systeme durch, die sich z.B. aus Heizsystemen für regenerative und fossile Energieträger zusammensetzen. So können für die Grundlastabdeckung Biomassekessel, Wärmepumpen oder (Mini)­Blockheizkraftwerke zum Einsatz kommen. Ein mögliches Konzept der Nutzwärmebereitstellung für Mehrfamilienhäuser ergibt sich aus der Kombination von Photovoltaikanlage oder Solarthermieanlage, Wärmepumpe und Niedertemperatur-Wärmeabgabesystem. Der Spitzenlastbedarf dieses Systems lässt sich mit Hilfe einer gasbetriebenen Gastherme bzw. Gasthermenkaskade abdecken. Durch die große Vielfalt der verfügbaren Systeme und der möglichen „Energieträger“ ist eine Konzeptentwicklung zur Nutzwärmebereitstellung nur unter Einbeziehung aller objekt- und nutzerspezifisch Randbedingungen durch- Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 75 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden führbar. Grundsätzlich ergeben sich aus der Wahl des/der Nutzwärmeerzeuger keine direkten Konsequenzen für die Sanierung der Gebäudehülle. Bei einer möglichen Verlagerung der „alten Heizzentrale“, die üblicherweise im Keller untergebracht ist, in den nicht ausgebauten Dachboden, können sich durch den freiwerdenden Schornstein Nutzungsmöglichkeiten zur Lüftungskanäle und Leitungsinstallationen ergeben bzw. die Leitungsführung in der Fassade vereinfachen. Der freiwerdende Heizungs-/Brennstofflagerraum im Keller ist für Mieter besser/leichter nutzbar (Fahrräder, Kinderwagen, …) als der Dachboden. Wärmespeicher Die Energiespeicherung wird zukünftig eine immer größere Bedeutung erlangen. Thermische Speicher stellen nach wie vor die preiswertesten und technologisch anspruchslosesten Systeme zur Energiespeicherung dar. Diese Pufferspeicher können zwei Aufgaben erfüllen. Zum einen übernehmen sie die Funktion einer „hydraulischen Weiche“ zum Zwecke der zeitlichen und massenstrombedingten Entkopplung von Nutzwärmebedarf und Nutzwärmeerzeugung. Zum anderen erlaubt ein Pufferspeicher-Konzept (übergangsweise) einen Weiterbetrieb eines älteren, überdimensionierten Heizkessels in einem neuen Wärmeverteilungs- und Wärmeabgabesystems. Thermische Speicher können ebenfalls die Funktion als „zentrale Sammelstelle“ unterschiedlichster Nutzwärmeangebote übernehmen und einen Teilbeitrag zur Trinkwarmwasserbereitstellung in Verbindung mit Frischwasserstationen liefern. Des Weiteren ist ihre Speicherfähigkeit zum einen überregional als Lastverschiebungspotenzial zum anderen lokal zur Nutzung erneuerbarer Energieangebote (Photovoltaik, Solarthermie) verwendbar. Bei der Konzeptionierung solcher Speichersysteme müssen jedoch deren spezifischen Anforderungen in Bezug auf den Standort (Raumbedarf, Größe, Gewicht) sowie die Planung der Leitungsführung berücksichtigt werden. Thermische Speicher stellen somit den dritten wichtigen Baustein der Konzeptentwicklung für den Bereich Nutzwärmeversorgung dar. Weiter zu beachtende Aspekte sind die Energiekostenerfassung und Gebäudeautomation, die im Rahmen einer Sanierung erneuert bzw. angepasst werden können/sollten. Energiekostenerfassung Am 01.01.2009 ist die Heizkostenverordnung in Kraft getreten. Ab dem 01.01.2014 sind neben den Heizenergieverbräuchen erstmalig auch die Energieverbräuche der Trinkwarmwasserbereitstellung zu erfassen und abzurechnen. Bei den häufig im Wohnungsbestand in den 70er und 80er Jahren nachgerüsteten Gas-Etagenheizungen erübrigt sich die Energiekostenerfassung; bei einer Umstellung dieser Heizungssysteme auf eine zentrale Wärmeversorgung müssen jedoch diese Systeme zur Energiekostenerfassung nachgerüstet werden. Für die Datenerfassung stehen neben der klassischen Methode der manuellen Ablesung der individuellen Verbräuche auch Systeme zur zentralen Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 76 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden leitungsgebundenen oder funkbasierten Erfassung zur Verfügung. Derzeit sind überwiegend firmenspezifische (proprietäre) Systeme – sowohl funkbasiert, als auch leitungsgebunden – verfügbar. Für die leitungsgebundenen Systeme ergibt sich Möglichkeit der Vorinstallation der erforderlichen Verkabelung bzw. von Leerrohsystemen in der Fassade. Gebäudeautomation Anwendungen der Gebäudeautomation (Raumklimamanagement, Energieeffizienz, Komfort) erlangen eine immer stärkere Bedeutung. Vorinstallierte Leitungen oder Leerrohre in der Fassade ermöglichen eine problemlose Nachrüstung erforderlicher Sensoren und Aktoren. 6.4.2 Planungsablauf der Fassadensanierung Der Planungsablauf ist prinzipiell bis auf zwei, allerdings wesentliche Punkte mit der üblichen Ablaufplanung identisch. Dies sind die Teilbereiche: Baustellenlogistik Planung der Leitungsführung Für die Baustellenlogistik muss vor allem für die Sanierungsmethode mit Fenstermodule auf WDVS-Basis die übliche „Gerüsttechnologie“ hinsichtlich des Arbeitsraumes zwischen Gerüst und Fassade sowie des Materialtransports weiter entwickelt werden. Der „Montageprozess“ der Fassadenelemente wird seitens der anbietenden und ausführenden Firmen prinzipiell beherrscht. Eine Planung und konstruktive (konzeptionelle) Berücksichtigung einer Leitungs- und Kanalführung in der neuen Fassade ist „planerisches“ Neuland. Die wesentlichen – einschränkenden – Randbedingungen sind hier die zu Verfügung stehenden Restwandflächen und die Erfordernisse des Brandschutzes. In Kapitel5 sind für die beiden gebräuchlichsten Sanierungssysteme für Fassaden – WDVS- und Holz-Elementfassaden – Sanierungskonzepte und die planerisch maßgeblichen Aspekte ausführlich dargestellt Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 77 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden 7 Identifizierung von Umsetzungsprojekten Neue Bauprodukte und Konzepte bedürfen einer umfassenden Bewertung bevor sie sich einen Massenmarkt erarbeiten können. Hierunter fällt die Festlegung der einzelnen Projektphasen von der Planung über die Produktion von Modulen, deren Installation am zu sanierenden Gebäude bis hin zur Abnahme der Gesamtsanierungsmaßnahmen. Für all diese Phasen ist die Zuweisung von Verantwortlichkeiten, die Definition von Schnittstellen zwischen den beteiligten Firmen und Gewerken sowie die Steuerung und Überwachung des Bauprozesses notwendig. Diesbezüglich ist im Rahmen des Projektes die Erstellung eines Demonstrators aufbauend auf den in Kapitel 5 dargestellten Konzepten realisiert worden. Anhand dieses Demonstrators erfolgt eine Evaluierung des Konstruktionsprozess, der Einbau des Fenstermoduls wurde an einer Modellwand unter Zuhilfenahme von Hebesystemen erprobt. Aufgrund der Konstruktion des Moduls als vorgefertigtes Fenster-Rahmen-Modul sowie dessen Gewichtes spiegelt dieser Einbau die spätere reale Einbausituation gut wieder, bei der der Einbau ebenfalls von außen und dort unter Zuhilfenahme eines Krans oder Gerüst erfolgen sollte. Abbildung 7-1: Einbau des Fenstermoduls in die Testwand und Präsentation auf der Bau 2013 in München Durch die Darstellung der Konzepte und die Präsentation des Demonstrators auf Messen und Veranstaltungen, vergleiche Abbildung 7-1, wird die Realisierung an einem realen Gebäude mit Vertretern der sowohl im Projekt beteiligten als auch an den Veranstaltungen teilnehmenden Wohnungsbauunternehmen vorangetrieben. Eine erste Umsetzung ist hierbei im Rahmen des von der Europäischen Union geförderten Projektes RetroKit [Abbildung 7-2] an einem Wohngebäude in Frankfurt geplant. Weitere Erprobungen konnten zum Zeitpunkt dieses Berichtes noch nicht vereinbart werden. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 78 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden Abbildung 7-2: Umsetzungsgebäude im Rahmen des EU Projektes RetroKit Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 79 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden 8 Zusammenfassung Der vorliegende Abschlussbericht befasst sich mit der Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden. Das Vorhaben wurde gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie und durchgeführt vom Fraunhofer-Institut für Bauphysik in Zusammenarbeit mit Industriepartnern unterschiedlicher Gewerke. Die beteiligten Firmen sind: Isofloc Wärmedämmtechnik GmbH SCHWENK Dämmtechnik GmbH & Co. KG REHAU AG & Co. Bielefelder Gemeinnützige Wohnungsgesellschaft MBH Wohn- und Wirtschaftsservice Herford GmbH MOLL bauökologische Produkte GmbH Lignotrend Produktions GmbH va-Q-tec AG Heinrich Lamparter Stahlbau GmbH & Co. KG Wagner & Co. Solartechnik GmbH Internorm Fenster GmbH Arbeitskreis Ökologischer Holzbau e.V. Im ersten Schritt wird eine Wohnungsbestandsanalyse durchgeführt, aus der sich die Mehrgeschosswohnbauten der Nachkriegsjahre als Hauptmarkt herauskristallisieren. Diese Gebäude sind in großer Zahl in Deutschland (und auch in Europa) vorhanden, bedürfen in den meisten Fällen einer energetischen Sanierung und zeichnen sich durch verhältnismäßig einfache Fassadenstrukturen aus, die eine Sanierung mit vorgefertigten Bauteilen erleichtern. Das sich aus diesen Gebäuden ergebende Marktvolumen wird auf ca. 30 Mrd. Euro abgeschätzt. Die Bewertung von in der Vergangenheit durchgeführten Sanierungsmaßnahmen mit vorgefertigten Bauteilen ergibt, dass speziell im Holzbau vielversprechende Ansätze mit großformatigen Systemen entwickelt werden. Aufgrund der hohen Bauqualität und den daraus resultierenden verhältnismäßig hohen Investitionskosten erscheinen diese Systeme jedoch für den Bedarf von Wohnungsbaugesellschaften nur bedingt geeignet zu sein. Speziell die Integration von anlagentechnischen Systemen und Komponenten ist bei diesen Systemen derzeit nicht gelöst, Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 80 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden so dass die Entwicklung von kleinformatigeren Elementen, z.B. auch auf WDVSBasis erfolgversprechender erscheint. Hinsichtlich des erreichbaren energetischen Standards einer Sanierung kann gezeigt werden, dass die Vorfertigung keine Grenzen hinsichtlich der energetischen Qualität setzt. Speziell hinsichtlich der optimalen Einbausituation von Fenstern bietet die Vorfertigung große Vorteile zur Platzierung des neuen Fensters in der Dämmebene. Je nach Modulaufbau bietet sich zusätzlich die Möglichkeit, hocheffiziente Dämmmaterialien wie Vakuum-Dämmpanelle oder AerogelDämmstoffe in die Konstruktion zu integrieren. Aufbauend auf diesen Untersuchungen werden neuartige Konzepte zur Sanierung mit Fenster-Zargen-Systemen entwickelt. Hierbei wird das Fenster als in den Bauprozess mit all seinen Anschlussdetails am schwierigsten zu behandelndes Bauelement identifiziert, so dass diese Anschlussdetails unter kontrollierten Werkstattbedingungen gelöst werden sollten. Die Entwicklung sieht dabei ein vorgefertigtes Modul bestehend aus Fenster, Fensterzarge, Dämmstoffkranz und Technikbox vor, welches von außen in das bestehende Fensterloch eingefügt wird. Die Fensterzarge übernimmt bei diesem System die Funktion der Lastabtragung. Der Dämmstoffkranz überdeckt im Randbereich des Fensters das existierende Mauerwerk, so dass der Anschluss der Restdämmarbeiten nicht am Fenster sondern auf der ebenen Fassade erfolgen kann. Die Technikbox übernimmt die Schnittstelle für Anlagentechniken z.B. zum Heizen oder Lüften, wobei diese je nach Konzept als Durchführung für Systeme oder zur Aufnahme von Technologie ausgeführt wird. Hinsichtlich der Integration anlagentechnischer Komponenten in vorgefertigte Sanierungssysteme werden fassadenintegrierte Leitungsführungen untersucht. Bei dem vielversprechenden FAW®-Lüftungskonzept werden Luftführung und Dämmung in einer Komponente dadurch vereint, dass Aussparungen in EPSDämmstoffplatten direkt als Luftkanal für zentrale Lüftungssysteme in Wärmedämmverbundsystemen dienen. Im Rahmen des Projektes wird zur Weiterentwicklung der Konzepte ein Demonstrator des Moduls im Maßstab 1:1 entwickelt und an einer Testwand eingebaut. Anhand dieses Moduls werden Fragen der endgültigen Ausbildung aller Detailpunkte untersucht und Optimierungsmöglichkeiten und Kostenansätze mit Fensterbauern und WDVS-Verarbeitern diskutiert. Aus den konzeptionellen und konstruktiven Untersuchungen wird ein Leitfaden sowie eine Bewertungsmethode entwickelt, mit Hilfe derer derzeit eine Umsetzung der Ideen an realen zu sanierenden Gebäuden vorbereitet wird. Speziell im Rahmen des von der Europäischen Union im 7.Rahmenprogramms geförderten Projekts „RetroKit“ ist die Umsetzung der Konzepte bei der Sanierung eines Wohngebäudes in Frankfurt geplant. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 81 Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden 9 Literatur BMV07 [BMVBS 12] [Coy 13] [DENA] [DIN 4108] [DIN V18599] [DW 12] [ERH08] [Emp-A 11] [Emp-B 11] [Emp-C 11] [Emp-D 11] [EnEV 09] [GdW 09] [Hauser 91] [Hauser 10] BMVBS: CO²-Gebäudereport 2007, Berlin, 2007 Das BMVBS-Effizienzhaus-Plus, http://www.bmvbs.de/effizienzhausplus Coydon, Fabien: Rapid Retrofit Solutions, Integrating HVAC into Prefabricated EWIS Systems. Conference (presentation + paper) 17.06.2013, Prag, 2013. Energetische Bewertung von Bestandsgebäuden – Arbeitshilfe für die Ausstellung von Energiepässen, Deutsche Energie Agentur GmbH, 2004. DIN 4108 Beiblatt 2: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Wärmebrücken – Planungs- und Ausführungsbeispiele, März 2006. DIN V 18599-1:2011-12: Energetische Bewertung von Gebäuden – Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung – Teil 1 bis 11. DW - Die Wohnungswirtschaft: Sonderheft Holz Dezember, 2012 Erhorn, H.: Gebäudesanierung – Potentiale der Zukunft, Gebäude – Update: Marktchancen der Sanierung mit vorgefertigten Bauteilen, Kassel, 2008 Empa, Building Science and Technology Lab: ECBCS Annex50 Prefabricated Systems for low Energy Renovation of Residential Buildings, Building Renovation Case Studies, Duebendorf, 2011. Empa, Building Science and Technology Lab: ECBCS Annex50 Prefabricated Systems for low Energy Renovation of Residential Buildings, Retrofit Strategies Design Guide - Advanced Retrofit Strategies & 10 Steps to a Prefab Module, Duebendorf, 2011. Empa, Building Science and Technology Lab: ECBCS Annex50 Prefabricated Systems for low Energy Renovation of Residential Buildings, Retrofit Module Design Guide, Duebendorf, 2011. Empa, Building Science and Technology Lab: ECBCS Annex50 Prefabricated Systems for low Energy Renovation of Residential Buildings, Retrofit Simulation Report, Duebendorf, 2011. EnEV 2009 - Energieeinsparverordnung für Gebäude Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden (Energieeinsparverordnung – EnEV 2009) GdW Bundesverband deutscher Wohnungs- und Immobilienunternehmer e.V. Wohnungswirtschaftliche Daten und Trends 2009/2010, Berlin 2009 Hauser, G.: Auskragende Balkonplatten bei wärmeschutztechnischen Sanierungen. Bauphysik 13 (1991), H. 9, S. 144-150. Hauser, G.: Energieeffizientes und solares Bauen für eine nachhaltige Energieversorgung von Gebäuden. 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(Erscheint demnächst in Bauphysik) IWU Institut für Wohnen und Umwelt: Deutsche Gebäudetypologie – Häufigkeit von Gebäudetypen unterschiedlichen Baualters (Deutscher Wohngebäudebestand Ende 2009) IWU Institut für Wohnen und Umwelt: Datenbasis Gebäudebestand Datenerhebung zur energetischen Qualität und zu den Modernisierungstrends im deutschen Wohngebäudebestand, Darmstadt 2010 IWU Institut für Wohnen und Umwelt: Basisdaten für Hochrechnungen mit der Deutschen Gebäudetypologie des IWU: Neufassung August 2011, Darmstadt 2011 Kaiser, Jan: Dämmstoffintegrierte Lüftungskanäle – Erste Ergebnisse, 9. GRE-Kongress „Die Energiewende entscheidet sich im Gebäudebereich“, Kassel, 2012. Komzet Bau Bühl: Aufmaßsysteme, Berufsförderungswerk der Südbadischen Bauwirtschaft GmbH, 2012 Krause, M.; Stiegel, H.: Minimalinvasives Sanierungssystem mit vorgefertigtem, multifunktionalem WDVS-Fassadenmodul, 2012. 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[Zim 12] Zimmermann, M.: ECBCS Annex50 Prefabricated Systems for low Energy Renovation of Residential Buildings, Project Summary Report, UK, 2012. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht IBP-425125 84 Berichtsblatt 1. ISBN oder ISSN 2. Berichtsart Abschlussbericht 3a. Titel des Berichts Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden 3b. Titel der Publikation 4a. Autoren des Berichts (Name, Vorname(n)) 5. Abschlussdatum des Vorhabens Krause, Michael; Stiegel, Horst; Schalk, Katrin; Schimmel, Stephanie 31.12.2012 4b. Autoren der Publikation (Name, Vorname(n)) Juli 2013 Krause, Michael; Stiegel, Horst; Schalk, Katrin; Schimmel, Stephanie 7. Form der Publikation 8. Durchführende Institution(en) (Name, Adresse) 9. Ber.Nr. Durchführende Institution 6. Veröffentlichungsdatum Broschüre FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR BAUPHYSIK Standort Kassel Gottschalkstrasse 28 a 34127 Kassel 10. Förderkennzeichen 0327880A 11a. Seitenzahl Bericht 84 11b. Seitenzahl Publikation 12. Literaturangaben 13. Fördernde Institution (Name, Adresse) 44 Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) 14. Tabellen 53107 Bonn 15. Abbildungen 6 61 16. Zusätzliche Angaben 17. Vorgelegt bei (Titel, Ort, Datum) 18. Kurzfassung Der vorliegende Bericht stellt die Abschlussdokumentation des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) geförderten Forschungsvorhabens „Entwicklung von vorgefertigten, multifunktionalen Systemen zur energetischen Sanierung von Wohngebäuden“ dar. Das Vorhaben wurde von Mai 2010 bis Dezember 2012 vom Fraunhofer-Institut für Bauphysik bearbeitet. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung energetisch optimierter Lösungen zur Sanierung von Wohngebäuden mit vorgefertigten, multifunktionalen Systemen. Die Systeme haben durch ihre Vorfertigung sowie durch die Integration von anlagentechnischen Systemen ein großes Potential zur Verbesserung des Sanierungsablaufs sowie zur Erhöhung der Energieeffizienz im Gebäudebestand. Durch die hohe Anwendungsorientierung des Vorhabens wird, um eine breite Umsetzung der Systeme speziell im Geschosswohnungsbau zu erreichen, der Schwerpunkt auf das Erreichen einer guten Umsetzbarkeit sowie einer hohen Wirtschaftlichkeit der zu entwickelnden Konzepte gelegt. 19. Schlagwörter Gebäudesanierung, Vorfertigung, Multifunktionalität, Fassadensystem 20. Verlag BMWi-Vordr. 3831/11.05 21. Preis
