Green Building: Energieeinsparpotential durch moderne
Werbung
Green Building: Energieeinsparpotential durch moderne Beleuchtung in Nichtwohngebäuden Masterarbeit zur Erlangung des akademischen Grades Master of Science Fachhochschule Vorarlberg Energietechnik und Energiewirtschaft Betreut von Robert Hoschek Vorgelegt von Simon Ladurner Dornbirn, 31.07.2015 Kurzreferat Green Building: Energieeinsparpotential durch moderne Beleuchtung in Nichtwohngebäuden Green Building Initiativen sind ein sehr wichtiger Bestandteil der Effizienzsteigerung von Gebäuden. In der jüngeren Vergangenheit waren, aufgrund der billigen Energie, energetische Optimierungen bis ins letzte Detail meist wirtschaftlich nicht vertretbar. Die größten Potentiale, Fenster und Fassaden wurden schnell erkannt und der Wärmedurchgangskoeffizient wurde durch entsprechende, bauliche Maßnahmen optimiert. Optimierungen an der Haustechnik, im speziellen die Heizbzw. Kälteanlage und die aktive Belüftung hielten ebenfalls Einzug in unsere Gebäude. Der technologische Fortschritt in der Beleuchtungstechnik wurde, zumindest in der Planungsphase, meist nur rudimentär betrachtet. Heute, in Zeiten von stetig steigendem Umweltbewusstsein und steigenden Energiepreisen ist es notwendig, alle Bereiche des Gebäudes möglichst effizient zu gestalten. Diese Masterarbeit gibt einen Überblick über die Möglichkeiten bzw. das Energieeinsparpotential von einem kleinen Nichtwohngebäude mit einer optimierten Beleuchtungstechnik. II Abstract Green Building: Energy Saving Potential of Modern Illumination in Non-Residential Buildings Green Building is a fundamental part to improve the energy efficiency of nonresidential buildings. Due to the cheap energy in the past, it was not so important to optimize all areas of the building. With high investment costs and cheap energy it is not possible to reach a return on invest during the lifetime of the building for some energy optimized parts. The biggest potential for energy optimization was in the windows, in the roof and in the walls of the building. Nowadays the potential of these parts is low, because a thermal insulation is standard for buildings in our region. To optimize the artificial ventilation, the heating- and cooling system is also very common for central Europe. The technological improvements and energy saving potential of modern illumination is underestimated. Due to the fact of rising energy prices and environmental awareness it is necessary to look for optimization potential in all areas of the building. This Master’s thesis will give an overview about the possibilities and the energy saving potential of an optimized building illumination. III Vorwort Green Building und nachhaltiges Bauen sind die Schlagworte der Bauindustrie, wenn es um moderne Gebäude geht. Bauphysikalische Probleme, wie beispielsweise extreme Wärmebrückenwirkungen sollten durch eine entsprechende Planung und eine sorgfältige Ausführung der Vergangenheit angehören. Ein wirtschaftlich denkender Bauherr sieht heute nicht nur die Investitionskosten, sondern hat erkannt, dass ein großer Teil der Kosten über die Lebens- bzw. Nutzungsdauer des Gebäudes anfallen. Außer von visionären Bauherren wird die Thematik des nachhaltigen Bauens vom Gesetzgeber durch neue Standards und auch von unabhängigen Zertifizierungsstellen vorangetrieben. Nachhaltiges Bauen erfordert aber weit mehr als nur eine hervorragende Gebäudehülle. In modernen Gebäuden hat die Haustechnik einen bedeutenden Einfluss auf die Energieeffizienz des Gebäudes. Zur Haustechnik zählen neben der Heizung, Kühlung und Lüftung auch die Beleuchtung und die Beschattung der Glasflächen. In der Vergangenheit wurden nicht nur die Baukonstruktion und die Gebäudetechnik getrennt voneinander betrachtet, sondern auch die verschiedenen Themen der Haustechnik. Die gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Teile wurde rudimentär mit Hilfe von Vergleichstabellen bzw. gar nicht ermittelt. Durch die vielen Annahmen, die während der Planungsphase getroffen wurden, kann ein energetisch, optimaler Betrieb praktisch ausgeschlossen werden. Der technische Fortschritt, der in den letzten Jahren in der Haustechnik stattfand, ist enorm. Die technologisch eher träge Beleuchtungstechnik, konnte mit der Entwicklung von hocheffizienten Systemen mit Leuchtstofflampen den Markt vor einigen Jahren verändern. Heute revolutioniert sich die Beleuchtungsindustrie selbst. Neue Technologien, wie beispielsweise weiße LEDs, erreichen beste Effizienzklassen und bieten neue, bis dato ungeahnte Möglichkeiten. Die Potentiale der Beleuchtung werden in der Regel zwar erkannt und teilweise auch realisiert, jedoch finden sich die Auswirkungen des geringeren Wärmeeintrags weder in der Energieberechnung noch in der Auslegung der restlichen Haustechnik. Ziel dieser Masterarbeit ist es, das Potential einer integralen Gebäudeplanung mit einem speziellen Blick auf die Beleuchtungstechnik zu eruieren. IV An dieser Stelle möchte ich mich besonders bei den Unternehmen Zumtobel Group und ATP-Sustain bedanken. Ohne die Hilfsbereitschaft und das Expertenwissen im Bereich der Beleuchtungstechnik, in der Bautechnik und in der energetischen Berechnung von Gebäuden der Mitarbeiter, welche mir jederzeit beratend zur Verfügung standen, wäre eine Masterarbeit in dieser Form nicht möglich gewesen! Ein weiteres Dankeschön gilt meinem Betreuer Robert Hoschek, der Fachhochschule Vorarlberg und natürlich meiner Familie und meinen Freunden! V Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung ....................................................................................................................1 2 Grundlagen der Energieeffizienz von Gebäuden ........................................................2 2.1 Normung..................................................................................................................2 2.2 Energieformen .........................................................................................................4 2.2.1 Nutzenergie ......................................................................................................4 2.2.2 Endenergie .......................................................................................................4 2.2.3 Primärenergie...................................................................................................5 2.2.4 Stufen des Energiebedarfs ...............................................................................5 3 Beleuchtungstechnik ...................................................................................................6 3.1 Historie der Beleuchtung.........................................................................................6 3.2 Leuchtmitteltechnologien .......................................................................................8 3.2.1 Glüh- und Halogenlampen ...............................................................................8 3.2.2 Niederdruck-Entladungslampen ......................................................................9 3.2.3 Hochdruck-Entladungslampen .......................................................................10 3.2.4 LED..................................................................................................................10 3.2.5 OLED ...............................................................................................................12 3.3 Betriebsgeräte .......................................................................................................13 3.3.1 Magnetische Betriebsgeräte für Gasentladungslampen ...............................13 3.3.2 Elektronische Betriebsgeräte für Gasentladungslampen ..............................13 3.3.3 LED-Treiber.....................................................................................................14 3.4 Steuersysteme .......................................................................................................14 3.4.1 Anwesenheitssensoren ..................................................................................14 3.4.2 Tageslichtsensoren.........................................................................................15 VI 4 Beispielgebäude ........................................................................................................15 4.1 Gebäudeplan .........................................................................................................15 4.1.1 Außenansicht .................................................................................................16 4.1.2 Grundriss ........................................................................................................17 4.2 Aufbau ...................................................................................................................19 4.2.1 Gebäudehülle .................................................................................................19 4.2.2 Innenliegende Bauteile ..................................................................................25 4.3 Nutzung .................................................................................................................26 4.3.1 Untergeschoß .................................................................................................26 4.3.2 Erdgeschoß .....................................................................................................26 4.3.3 Obergeschoß ..................................................................................................26 4.4 Zonierung...............................................................................................................27 4.4.1 Büro Süd .........................................................................................................27 4.4.2 Büro Nord .......................................................................................................28 4.4.3 Besprechungszimmer .....................................................................................28 4.4.4 Sanitär ............................................................................................................29 4.4.5 Empfang .........................................................................................................29 4.4.6 Verkehrsflächen .............................................................................................29 4.4.7 Technikraum...................................................................................................29 4.4.8 Zonenplan Untergeschoß ...............................................................................29 4.4.9 Zonenplan Erdgeschoß ...................................................................................30 4.4.10 Zonenplan Obergeschoß ................................................................................31 4.5 Haustechnik ...........................................................................................................31 4.5.1 Heizung...........................................................................................................32 4.5.2 Kälteanlage .....................................................................................................32 VII 4.5.3 Warmwasser ..................................................................................................33 4.5.4 Raumlufttechnik .............................................................................................33 4.5.5 Sonnen- bzw. Blendschutz .............................................................................34 4.5.6 Beleuchtung ...................................................................................................34 5 Beleuchtungsvarianten .............................................................................................35 5.1 Anforderungen an die Beleuchtung von Nichtwohngebäuden ............................35 5.2 Beleuchtungsarten ................................................................................................36 5.2.1 Indirekte Beleuchtung ....................................................................................36 5.2.2 Direkte Beleuchtung.......................................................................................36 5.2.3 Direkte / Indirekte Beleuchtung.....................................................................37 5.3 Berechnungsverfahren ..........................................................................................37 5.3.1 Tabellenverfahren ..........................................................................................37 5.3.2 Detaillierte Fachplanung ................................................................................40 5.4 Beleuchtungsvarianten..........................................................................................42 5.4.1 Tabellenverfahren ..........................................................................................42 5.4.2 T5-Leuchtstofflampen, nicht dimmbar ..........................................................44 5.4.3 LED-Beleuchtung, nicht dimmbar ..................................................................45 5.4.4 Arbeitsplatzbezogene LED-Beleuchtung, dimmbar .......................................46 5.5 Fazit Beleuchtungsvarianten .................................................................................48 6 Energiebedarfsvergleich des Gebäudes mit unterschiedlichen Beleuchtungsvarianten ........................................................................................................49 6.1 Primärenergiebedarf des Gebäudes .....................................................................49 6.1.1 Gesamtes Gebäude ........................................................................................49 6.1.2 Büro Süd .........................................................................................................52 6.1.3 Büro Nord .......................................................................................................53 VIII 6.1.4 Besprechungszimmer .....................................................................................53 6.1.5 Sanitär ............................................................................................................54 6.1.6 Empfang .........................................................................................................56 6.1.7 Verkehrsfläche ...............................................................................................57 6.1.8 Technikraum...................................................................................................58 6.2 Tabellenverfahren mit optimierter Dämmung......................................................58 6.2.1 Optimierte Gebäudehülle ..............................................................................59 6.2.2 Primärenergieverbrauch des gesamten Gebäudes mit optimierter Gebäudehülle................................................................................................................61 6.2.3 Transmission ..................................................................................................62 6.2.4 Fazit Optimierung der Gebäudehülle.............................................................63 6.3 7 Wirtschaftlicher Vergleich der Szenarien ..............................................................64 Fazit und Ausblick......................................................................................................65 IX Darstellungsverzeichnis Abbildung 1: Zusammenhang von Primär-, End- und Nutzenergie ............................. 5 Abbildung 2: Systematischer Aufbau einer Leuchtstofflampe .................................... 9 Abbildung 3: Prinzipielle Funktion eines Fluoreszenzkonverters zur Konvertierung von blauem in weißes Licht ........................................................................................ 11 Abbildung 4: Beispielgebäude Südansicht ................................................................. 16 Abbildung 5: Beispielgebäude Nordansicht ............................................................... 16 Abbildung 6: Beispielgebäude Westansicht............................................................... 16 Abbildung 7:Beispielgebäude Ostansicht .................................................................. 17 Abbildung 8: Grundriss Untergeschoß ....................................................................... 17 Abbildung 9: Grundriss Erdgeschoß ........................................................................... 18 Abbildung 10: Grundriss Obergeschoß ...................................................................... 18 Abbildung 11: Aufbau und Temperaturverlauf der Bodenplatte .............................. 20 Abbildung 12:Aufbau und Temperaturverlauf der Außenwand mit Erdkontakt ...... 21 Abbildung 13: Aufbau und Temperaturverlauf der Außenwand mit Luftkontakt ..... 22 Abbildung 14: Aufbau und Temperaturverlauf der Dachkonstruktion ..................... 23 Abbildung 15: Aufbau und Temperaturverlauf der Kellerdecke ............................... 24 Abbildung 16: Zonenplan Untergeschoß ................................................................... 30 Abbildung 17: Zonenplan Erdgeschoß ....................................................................... 30 Abbildung 18: Zonenplan Obergeschoß..................................................................... 31 Abbildung 19: Verteilung der Beleuchtungsstärke im Raum 1-05............................. 35 Abbildung 20: Verteilung der Beleuchtungsstärke im Flur mit der Raumnummer 001 ................................................................................................................................ 36 Abbildung 21: Definition der Nutz und Leuchten Installationsebene ....................... 39 Abbildung 22: Falschfarbendarstellung der berechneten Beleuchtungsstärke im Raum 1-14 .................................................................................................................. 41 X Abbildung 23: Darstellung der Lichtverteilung im Raum 1-14 mittels IsocandelaLinien .......................................................................................................................... 41 Abbildung 24: Reduktion des Lichtstromes während der Betriebszeit einer Leuchte .................................................................................................................................... 43 Abbildung 25: Vergleich der Beleuchtungsvarianten ................................................ 48 Abbildung 26: Primärenergiebedarf für die Anlagentechnik für das gesamte Gebäude ..................................................................................................................... 50 Abbildung 27: Primärenergiebedarf für die Anlagentechnik für die Zone Büro Süd. 52 Abbildung 28: Primärenergiebedarf für die Anlagentechnik für die Zone Büro Nord .................................................................................................................................... 53 Abbildung 29: Primärenergiebedarf für die Anlagentechnik für die Zone Besprechungszimmer ................................................................................................. 54 Abbildung 30: Primärenergiebedarf für die Anlagentechnik für die Zone Sanitär .... 55 Abbildung 31: Leuchten Anordnung im Sanitärbereich mit der Raumnummer 0-07 55 Abbildung 32: Primärenergiebedarf für die Anlagentechnik für die Zone Empfang . 56 Abbildung 33: Primärenergiebedarf für die Anlagentechnik für die Zone Verkehrsfläche ........................................................................................................... 57 Abbildung 34: Primärenergiebedarf für die Anlagentechnik für die Zone Technikraum............................................................................................................... 58 Abbildung 35: Temperatur und Verlauf des Taupunktes der optimierten Außenwand mit 300 mm Dämmung .............................................................................................. 59 Abbildung 36: Temperatur und Verlauf des Taupunktes der optimierten Dachkonstruktion mit 500 mm Dämmung ................................................................ 60 Abbildung 37: Primärenergiebedarf für die Anlagentechnik des gesamten Gebäudes .................................................................................................................................... 61 Abbildung 38: Bauteiltransmission des gesamten Gebäudes mit der Beleuchtungsvariante Tabellenverfahren .................................................................. 62 Abbildung 39: Bauteiltransmission des gesamten Gebäudes mit thermisch optimierter Gebäudehülle mit der Beleuchtungsvariante Tabellenverfahren .......... 63 Abbildung 40: Vergleich der jährlichen Betriebskosten mit unterschiedlichen Beleuchtungsvarianten .............................................................................................. 64 XI Abbildung 41: Einflussmöglichkeiten und Kosten in unterschiedlichen Phasen des Lebenszyklus des Gebäudes ....................................................................................... 66 XII Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Multiplikatoren der spezifischen elektrischen Bewertungsleistung für unterschiedliche Beleuchtungsarten ......................................................................... 38 Tabelle 2: Anpassungsfaktoren für unterschiedliche Leuchtmittel ........................... 39 Tabelle 3: Anpassungsfaktor kR für unterschiedliche Beleuchtungsarten ................ 40 Tabelle 4: spezifische Bewertungsleistung und Anschluss Leistung berechnet mit dem Tabellenverfahren .............................................................................................. 44 Tabelle 5: spezifische Bewertungsleistung und Anschluss Leistung berechnet mit Hilfe von DIALux und Verwendung von einer T5 basierender Leuchtstofflampen Beleuchtung ............................................................................................................... 45 Tabelle 6: spezifische Bewertungsleistung und Anschluss Leistung berechnet mit Hilfe von DIALux und Verwendung von einer LED basierenden, nicht dimmbaren Beleuchtung ............................................................................................................... 46 Tabelle 7: spezifische Bewertungsleistung und Anschluss Leistung berechnet mit Hilfe von DIALux und Verwendung von einer LED basierenden, arbeitsplatzbezogenen, dimmbaren Beleuchtung..................................................... 47 Tabelle 8: Vergleich des Primärenergiebedarfs des gesamten Gebäudes mit unterschiedlichen Beleuchtungsvarianten ................................................................ 50 Tabelle 9: Vergleich des Primärenergiebedarfs der Zone Büro Süd mit unterschiedlichen Beleuchtungsvarianten ................................................................ 52 Tabelle 10: Vergleich des Primärenergiebedarfs der Zone Büro Nord mit unterschiedlichen Beleuchtungsvarianten ................................................................ 53 Tabelle 11: Vergleich des Primärenergiebedarfs der Zone Besprechungszimmer mit unterschiedlichen Beleuchtungsvarianten ................................................................ 54 Tabelle 12: Vergleich des Primärenergiebedarfs der Zone Sanitär mit unterschiedlichen Beleuchtungsvarianten ................................................................ 54 Tabelle 13: Vergleich des Primärenergiebedarfs der Zone Empfang mit unterschiedlichen Beleuchtungsvarianten ................................................................ 56 Tabelle 14: Vergleich des Primärenergiebedarfs der Zone Verkehrsfläche mit unterschiedlichen Beleuchtungsvarianten ................................................................ 57 Tabelle 15: Vergleich des Primärenergiebedarfs der Zone Technikraum mit unterschiedlichen Beleuchtungsvarianten ................................................................ 58 XIII Tabelle 16: Vergleich des Primärenergiebedarfs des gesamten Gebäudes, mit einer optimierten Gebäudehülle und mit unterschiedlichen Beleuchtungsvarianten ....... 61 Tabelle 17: Wirtschaftlicher Vergleich der Energiekosten des gesamten Gebäudes mit unterschiedlichen Beleuchtungsvarianten .......................................................... 64 XIV Abkürzungsverzeichnis EnEV - Energiesparverordnung DIN - Deutsche Industrie Norm EN - Europäische Norm ISO - International Standard Organisation LED - Licht Emittierende Diode EU - Europäische Union CRI - Color Rendering Index OLED - Organische Licht Emitierende Diode DALI - Digital Adressable Lighting Interface PWM - Puls Weiten Modulation EIB/KNX - Europäischer Installationsbus EPS - Expandiertes Polystyrol XPS - Extrudiertes Polystyrol KfW - Kreditanstalt für Wiederaufbau PKW - Personenkraftwagen LPH - Leistungsphasen HOAI - Honorarordnung für Architekten- und Ingenieurleistungen XV 1 Einleitung Schon seit Jahrtausenden baut die Menschheit Gebäude. Schon seit jeher wird versucht, diese Gebäude zu beleuchten. Am Anfang waren es offene Feuerstellen, die den Menschen neben Wärme und Licht auch Sicherheit gaben. Im Laufe der Zeit entwickelte sich die Menschheit, deren Gebäude und auch die Beleuchtung weiter. Heute wohnen und arbeiten wir in modernen Gebäuden, die über eine gute Wärmedämmfassade, eine moderne Haustechnik und über eine hocheffiziente Beleuchtungsanlage verfügen. Die Effizienz des gesamten Gebäudes ist dabei im Energieausweis, der gemäß der länderspezifischen Norm erstellt wurde, nachzulesen. Jedoch erfolgt die exakte Planung der Gebäudebeleuchtung im Normalfall erst nach der Einreichung und somit erst nach dem Erstellen des Energieausweises. Für den Energieausweis werden die Daten der Beleuchtung über ein in weiterer Folge erklärtes Tabellenverfahren rudimentär berechnet. In Zeiten von billiger Energie und einfach gehaltenen öffentlichen Fördersystemen war dieses Verfahren ausreichend. Heute, mit immer strenger werdenden Förderungsrichtlinien und stetigen Optimierungen in allen Bereichen des Gebäudes, sollte jedoch verstärkt über den integralen Planungsansatz nachgedacht werden. Mit diesem Ansatz wird die Planung der Beleuchtung schon in einer sehr frühen Planungsphase erstellt und die Ergebnisse haben direkten Einfluss auf die EnergieEffizienz des Gebäudes. Als Standort des Gebäudes wurde Deutschland gewählt, da dort mit der Norm DIN V 18599 ein besonders strenger Standard gilt. Durch Anpassungen der Klimaregion und der länderspezifischen Normen kann das Gebäude an jeden beliebigen Standort transferiert werden. Die Skalierbarkeit auf größere oder kleinere Gebäude ist aufgrund der haustechnischen Ausstattung und der Betrachtung von einzelnen Räumen bzw. Zonen ebenfalls gegeben. Diese Masterarbeit gibt eine Antwort auf die Frage nach dem Energieeinsparpotential einer modernen Beleuchtungsanlage unter Berücksichtigung der Einflüsse auf die Haustechnik in einem kleinen, gut ausgestatteten Nichtwohngebäude. 1 2 Grundlagen der Energieeffizienz von Gebäuden Ein Gebäude hat die grundlegende Funktion Menschen und Güter vor Umwelteinflüssen zu schützen. Diese Aufgabe kann in Abhängigkeit der Bedürfnisse und der geographischen Lage eine einfache, aber auch eine sehr komplexe Aufgabe sein. Historisch betrachtet änderten sich mit dem technologischen Fortschritt auch die Ansprüche der Menschen. Moderne Gebäude sind technisch sehr komplexe Gewerke, die aus einer Vielzahl von Einzelkomponenten bestehen. Wirtschaftlich betrachtet, versucht der Bauherr, nach der Definition der Ansprüche an das Gebäude, die Kosten möglichst gering zu halten. Oftmals stehen die Investitionskosten im Vordergrund. Den Betriebskosten des Gebäudes wird oftmals zu wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Im Idealfall berechnet der Gebäudeeigentümer im Vorfeld die Lebenszykluskosten. Diese beinhalten neben den Kosten für den Bau, auch die Betriebskosten über die gesamte Lebensdauer und auch die Kosten für den Abriss bzw. die Entsorgung des Gebäudes. In dieser ganzheitlichen Betrachtung spielt die Energieeffizienz, welche den Energiebedarf des Gebäudes während der Nutzungsphase wiederspiegelt, eine ganz besondere Rolle. Da der Energiebedarf für die Errichtung des Gebäudes in allen Varianten identisch ist, wird in weiterer Folge nur der variable Anteil betrachtet. 2.1 Normung Die Energieeffizienz von Gebäuden wird über die Kennwerte des Energiebedarfs und des Wärmeschutzes dargestellt. Die Berechnung dieser Kennwerte erfolgt nach definierten Vorgaben, wobei in Deutschland die Energieeinsparverordnung (EnEV) die inhaltlichen Randbedingungen für die Berechnung, sowie Vorgaben für den Energieausweis festlegt. Die Regeln der Energiebilanzierung erfolgt nach DIN V 18599. Diese umfangreiche Norm regelt in seinen elf Teilen die gesamte Energieberechnung. • Teil 1: Allgemeine Bilanzierungsverfahren, Begriffe, Zonierung und Bewertung der Energieträger • Teil 2: Nutzenergiebedarf für Heizen und Kühlen von Gebäudezonen 2 • Teil 3: Nutzenergiebedarf für die energetische Luftaufbereitung • Teil 4: Nutz- und Endenergiebedarf für Beleuchtung • Teil 5: Endenergiebedarf von Heizsystemen • Teil 6: Endenergiebedarf von Lüftungsanlagen, Luftheizungsanlagen und Kühlsystemen für den Wohnungsbau • Teil 7: Endenergiebedarf von Raumlufttechnik- und Klimakältesystemen für den Nichtwohnungsbau • Teil 8: Nutz- und Endenergiebedarf von Warmwasserbereitungssystemen • Teil 9: End- und Primärenergiebedarf von stromproduzierenden Anlagen • Teil 10: Nutzungsrandbedingungen, Klimadaten • Teil 11: Gebäudeautomation (vgl.: DIN V 18599 2013, Kap.4 S.4) Die Norm stellt dabei ein Verfahren zur Bewertung der Gesamtenergieeffizienz von Wohn-, als auch Nichtwohngebäuden zur Verfügung. Die Berechnungen erlauben eine Beurteilung aller Energiemengen, die für die Heizung, Kühlung, Belüftung, Warmwasseraufbereitung und Beleuchtung notwendig sind. Gegenseitige Beeinflussung der Energieströme wird dabei ebenfalls berücksichtigt. Neben den Berechnungsverfahren, werden die Randbedingungen für eine neutrale Bewertung des Energiebedarfs ebenfalls angegeben. Die Norm ist geeignet, den langfristigen Energiebedarf von Gebäuden oder auch Gebäudeteilen zu ermitteln. Die Einsatzmöglichkeiten von erneuerbaren Energien im Gebäude können ebenfalls abgeschätzt werden. Die in der Norm dokumentierten Algorithmen sind für die energetischen Bilanzierung von Wohn- und Nichtwohngebäuden sowie von Neu – und Bestandsbauten geeignet. Eine nach der Norm DIN 18599 durchgeführte Energiebilanz folgt dem integralen Ansatz. In der Praxis heißt das, es erfolgt eine gemeinschaftliche Bewertung des Baukörpers und der Nutzung der Anlagentechnik unter Berücksichtigung der gegenseitigen Wechselwirkungen. (vgl.: DIN V 18599 2013, Kap. 4 S.4) 3 Neben dieser Berechnungsnorm, sind innerhalb der Thematik Energieeffizienz folgende Normen sehr wichtig, sie bilden Grundlage für Energieberechnungen von Gebäuden. • DIN 4108, Wärme- und Feuchteschutz • DIN 4701, Heizungsanlagen • DIN EN ISO 6946, Wärmedurchgangskoeffizienten • DIN EN ISO 13370, Wärmedurchgangskoeffizienten erdberührter Bauteile • DIN EN 13829, Dichtheit von Gebäuden • DIN ISO 69 • DIN 1946 Teil 6 Lüftungskonzepte 2.2 Energieformen Energieberechnungen sind standardisiert, um eine Vergleichbarkeit zu erreichen. Daher ist zum einen die Art der Berechnung definiert, zum anderen ist es darüber hinaus auch wichtig, den gleichen Betrachtungsrahmen der Energie zu verwenden. Das heißt, entweder wird die Energie betrachtet und ggf. verglichen, die jährlich für die Gebäudebeheizung geliefert werden muss. Oder man betrachtet zusätzlich noch die Energie, die für die Herstellung dieses Energieträgers wie Öl, Gas, Holz, Strom erforderlich ist – also seine so genannte „graue Energie“. Primär-, End- und Nutzenergie sind drei Begriffe der Energiewirtschaft, die oftmals falsch verwendet werden. Auf den folgenden Seiten werden daher die Unterschiede im Detail erklärt. 2.2.1 Nutzenergie Als Nutzenergie wird die Energiebezeichnet, die beim Verbraucher ankommt oder ankommen soll. Hinsichtlich der Heizenergie ist dies zum Beispiel die Wärme, die der Heizkörper abstrahlt. 2.2.2 Endenergie Um diese Wärme zu erhalten, muss der Heizkessel mehr Wärme erzeugen, damit auf dem Weg durch die Leitungen, am Ende die gewünschte Wärme an den 4 Heizflächen ankommt. Die Energie, die in Form von z.B. Heizöl oder Erdgas dem Heizkessel zugeführt wird, wird als Endenergiebedarf bezeichnet. Im Vergleich zur Nutzenergie sind hier also zusätzlich die Verluste des Kessels und der Verteilung über die Heizleitungen enthalten, der Endenergiebedarf ist also immer größer als der Nutzenergiebedarf. Der Endenergiebedarf kann in etwa mit dem Energieverbrauch verglichen werden. Es lässt sich also ungefähr voraussagen, wie viel Liter Öl, Kubikmeter Gas oder Tonnen Pellets das Haus benötigen wird. 2.2.3 Primärenergie Während der Endenergiebedarf die benötigte Energiemenge angibt, bewertet die Primärenergie nun noch zusätzlich den Energieträger. Über normativ festgelegte Primärenergiefaktoren, kann für jeden Energieträger aus dem Endenergiebedarf, der Primärenergiebedarf ermittelt werden. Über den Primärenergiefaktor wird der Aufwand für die Kette der Rohstoffgewinnung bis zum fertigen Energieträger abgebildet. Holz hat daher einen Primärenergiefaktor von 0,2. Elektrischer Strom hat aufgrund seiner aufwändigen Herstellung einen Faktor von 2,4. Öl und Gas liegen mit dem Faktor 1,2 dazwischen. In diesen Faktoren ist die so genannte „graue Energie“ enthalten. Jedoch basieren sie nicht auf real ermittelte Werte, sondern sie stellen eine Bewertung, eine Gewichtung dar, die als politisches Instrument dienen kann. 2.2.4 Stufen des Energiebedarfs In Abbildung 1 wird der Zusammenhang zwischen Primär-, End- und Nutzenergie anhand von einer graphischen Darstellung nochmals veranschaulicht. Abbildung 1: Zusammenhang von Primär-, End- und Nutzenergie Quelle: Energieagentur NRW 2015 5 Wie eingangs beschrieben wird die in der Natur vorkommende Quelle als Primärenergie bezeichnet. Einerseits wird die Primärenergie in einem thermischen Kraftwerk in elektrische Energie umgewandelt. Hierbei entstehen Verluste durch den Transport des Energieträgers zum Kraftwerk, die Umwandlung in elektrische Energie im Kraftwerk und Übertragungsverluste im Verteilnetz. Andererseits kommt ein Teil der Primärenergie als Endenergie beim Kunden an. Hierbei entstehen nochmals Transport- und Verteilverluste. Die Endenergie wird beim Endverbraucher in die gewünschte Energieform umgewandelt. Nach Abzug der Umwandlungsverluste ergibt sich dann die Nutzenergie. (vgl. Energieagentur NRW 2015) 3 Beleuchtungstechnik Die Beleuchtungstechnik ist seit vielen Jahrhunderten einem starken Wandel unterworfen. Zuerst wurde es das offene Feuer genutzt, später Lampen, die mit Fetten und Ölen betrieben wurden. Mit der Erfindung von elektrisch betriebenen Leuchtmitteln wurde der Beleuchtungsmarkt revolutioniert. Derzeit befindet sich die stark expandierende Branche erneut im Wandel. Der Weg führt hin zur LED Technologie, mit der neue und ungeahnte Möglichkeiten und Potentiale für den Anwender entstehen. 3.1 Historie der Beleuchtung Historisch betrachtet war Kunstlicht ein entscheidender Schritt in der Evolution der Menschheit. Die ältesten, allerdings umstrittenen archäologischen Funde von Feuerstellen stammen aus Afrika und kommen aus der Epoche des Australopithecinen und des Homo habilis, die vor ca. 4 bis 1,5 Millionen Jahren unseren Planeten bevölkerten. Die ersten unumstrittenen Funde von Feuerstellen wurden im heutigen Israel gefunden und sind ca. 790.000 Jahre alt. (vgl. Schiegl 1997 S.298 – 300) Die Feuerstellen unserer Vorfahren spendeten neben Wärme auch das erste künstliche Licht. Die ältesten gefundenen Öllampen sind ca. 10.000 Jahre alt. 6 Prinzipiell waren die ersten Öllampen primitive Steinschalen und ein Docht aus Pflanzenfasern. Als Brennstoff verwendeten unsere Vorfahren tierische Fette. Lange Zeit gab es keine wesentliche Weiterentwicklung der ersten künstlichen Lichtquelle. Die elementarsten Revolutionen stellten die Verwendung von pflanzlichem Fett als Brennstoff und die Verwendung von Stoffresten als Docht dar. Mit diesen Konstruktionen konnten erstmals geschlossene Öllampen gebaut werden. In der Epoche der römischen Herrschaft auf unserm Kontinent verbreitete sich die Öllampe rasend schnell und wurde, für die damaligen Verhältnisse in großen Stückzahlen produziert. Eine kleine, ca. 3 cm hohe Flamme hat einen Energieverbrauch von ca. 7.300 kJ pro Tag. Dies entspricht mit ca. 2 kWh knapp einem Tagesenergiebedarf eines Menschen. Die Konstruktion erreichte eine Lichtausbeute von ca. 0,1 lm/W (Lumen pro Watt). Die sehr viel modernere Argandlampe mit Glaszylinder, die im 18. Jahrhundert erfunden wurde, erreichte eine Lichtausbeute von 0,25 lm/W. Bis Anfang des 19. Jahrhunderts konkurrierten die Brennstoffe für das Kunstlicht immer mit Lebensmitteln, da wie erwähnt lebensnotwendige pflanzliche oder tierische Fette verbrannt wurden. Kunstlicht war sehr lange Zeit ein Luxusgut. Anfang des 19. Jahrhunderts, als die ersten großen Fortschritte in der Erdöldestillation gemacht wurden, verbreitete sich die Petroleumlampe und löste die alte Technologie in Europa schnell ab. Die Energieeffizienz der Petroleumlampe war ähnlich der Argandlampe und betrug ca. 0,25 lm/W. Parallel zu diesen Entwicklungen kamen Gaslampen im 19. Jahrhundert auf. Gaslampen waren meist stationär und nutzten als Energieträger Stadtgas, das über ein Leitungsnetz verteilt wurde. Diese Art der Beleuchtung war vor allem in größeren Städten beliebt. Transportable Gaslampen, wie beispielsweise Karbidlampen wurden in Fahrzeugen, aber auch im Bergbau eingesetzt. Durch einige Weiterentwicklungen, im speziellen durch die Integration eines Glühstrumpfes, erreichte dieses Leuchtmittel eine Effizienz von ca. 5 lm/W. In einigen historischen Altstädten sind Gaslampen trotz ihrer schlechten Effizienz und hohen Wartungskosten immer noch im Einsatz. (vgl. Geschichte der Öl- und Gaslampe 2000, S. 12-15) Parallel zu den Entwicklungen der Öl und Gaslampen wurden Mitte des 19 Jahrhunderts die ersten Patente für elektrisch betriebene Leuchtmittel angemeldet. 7 Technische Schwierigkeiten verhinderten jedoch vorerst den Durchbruch dieser Technologie. Der große Durchbruch der Glühlampe erfolgte dabei erst mit der Verwendung von Kohlewendeln und der Patentierung des Schraubsockels durch Thomas Alva Edison. Der Schraubsockel wird heute noch verwendet und ermöglicht ein einfaches und relativ sicheres Austauschen des Leuchtmittels. Die Glühlampe und weiter entwickelte elektrische Leuchtmittel revolutionierten den Markt und ersetzten praktisch alle Öl- und Gaslampen. Die Epoche der klassischen Glühlampe ist jedoch, zumindest in der EU, vorüber. Am 1.9.2009 trat ein Verkaufsverbot für die 100 W Glühlampe in Kraft. Glühlampen mit kleineren Leistungen wurden über die Jahre gestaffelt ebenfalls aus dem Handel genommen. Derzeit sind lediglich noch Restbestände, die vor dem jeweiligen Verbot in Verkehr gebracht wurden, Grauimporte aus Drittländern und einige Glühlampen für Spezialanwendungen im Handel erhältlich. Das einzige, was von der klassischen Glühlampe bleiben wird, ist der Edison Sockel und das birnenförmige Design in Form von sogenannten Retrofit LED Leuchtmitteln. ( vgl. Holzinger 1998 S.111 -113) 3.2 Leuchtmitteltechnologien Auf den folgenden Seiten wird ein kurzer Abriss über die unterschiedlichen Leuchtmittel und deren Relevanz dargestellt. 3.2.1 Glüh- und Halogenlampen Glüh- und Halogenlampen sind technologisch eng miteinander verwandt. In einem mit Schutzgas gefüllten Glaskolben wird eine Wolframwendel mithilfe des elektrischen Stromes zum Glühen gebracht. Das Schutzgas verhindert dabei, dass die Wendel mit Luftsauerstoff in Kontakt kommt und nicht verdampft. Der Aufbau eines solchen Leuchtmittels ist sehr einfach, jedoch ist die Effizienz mit ca. 14,5 lm/W sehr gering. Die angegebene typische Lebensdauer ist mit ca. 1000 Stunden auch gering. Glühlampen mit einer längeren Lebensdauer haben eine schlechtere Effizienz und spielten in der Allgemeinbeleuchtung keine Rolle. Halogenlampen beruhen auf einem ähnlichen Funktionsprinzip, jedoch kann durch das Beimengen von Halogenen die Wendel-Temperatur und somit der Wirkungsgrad erhöht werden. Die Halogene bewirken auch eine Selbstheilung der Wolframwendel, was 8 sich in einer längeren Lebensdauer niederschlägt. Typischerweise liegt die Lichtausbeute bei ca. 20 lm/W. Die beiden genannten Technologien spielen in modernen Beleuchtungssystemen aufgrund ihrer niedrigen Effizienz und dem hohen Wartungsaufwand inzwischen eine untergeordnete Rolle. (vgl. Scheibe 2009 S.38-40) 3.2.2 Niederdruck-Entladungslampen Niederdruck-Entladungslampen oder Leuchtstofflampen gibt es in unterschiedlichen Bauformen, jedoch beruhen sie alle auf dem gleichen technologischen Prinzip. Im Gegensatz zur normalen Glühlampe, wird bei diesem Leuchtmittel das Licht nicht über einen bei sehr hohen Temperaturen glühenden Metallfaden sondern über komplexe physikalische Wirkungen erzeugt. Wie Abbildung 2 zeigt, besteht die Leuchtstofflampe aus einem Glaskolben, zwei Wendeln, einer Edelgasfüllung, wenigen Milligramm Quecksilber und einer Leuchtschicht. Abbildung 2: Systematischer Aufbau einer Leuchtstofflampe Quelle: Osram Lamp 2015 Um den sofortigen Defekt einer solchen Lampe zu verhindern, wird zusätzlich ein geeignetes Vorschaltgerät benötigt. Sobald dieses Vorschaltgerät eingeschalten wird, werden die beiden Wendel auf Emissionstemperatur vorgeheizt. Ohne diese Vorheizung würde die Wendel schnell verschleißen und eine Schwärzung des Glaskolbens verursachen. Nach dem die gewünschte Wendeltemperatur erreicht ist, wir die Gasstrecke mit einer Spannung von bis zu einem Kilovolt gezündet. Nach dem Zünden fließt ein Strom über die Gasstrecke. Trifft dabei ein Elektron auf ein Quecksilberatom, wird das Energieniveau des Atoms angehoben und ultraviolettes 9 Licht wird emittiert. Dieses kurzwellige Licht kann vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen werden und wird daher durch den Leuchtstoff, der auf der Innenseite des Glaskolbens aufgedampft ist, in sichtbares Licht umgewandelt. Die Effizienz dieses Leuchtmittels ist im Gegensatz zur klassischen Glühlampe mit bis zu 95 lm/W sehr hoch. Beleuchtungslösungen mit Leuchtstofflampen sind heute Stand der Technik für Indoor-Anwendungen und werden daher als Variante für unser Beispielgebäude berechnet. (vgl. Theiss 2000 S.70 – 73) 3.2.3 Hochdruck-Entladungslampen Moderne Hochdruck-Entladungs- oder Metalldampflampen sind den klassischen Leuchtstofflampen sehr ähnlich, jedoch besitzen sie keine Wendeln, die vorgeheizt werden müssen und keinen Leuchtstoff. Das in der Gasstrecke emittierte Licht ist für den Menschen ohne Umwandlung sichtbar. Anstatt Wendeln, werden einfache Kathoden verwendet. Um das zünden der Gasstrecke zu ermöglichen wird eine Zündspannung von mehreren Kilovolt benötigt. Nach dem Zünden benötigt das Leuchtmittel einige Minuten um die Betriebstemperatur und den optimalen Betriebspunkt zu erreichen. Unter optimalen Bedingungen kann eine Natriumdampflampe eine Lichtausbeute von bis zu 175 lm/W erreichen. Da das Leuchtmittel nur kalt gezündet werden kann, wird es häufig für Anwendungen mit langen Betriebszeiten, wie beispielsweise Außenbeleuchtung eingesetzt. Hochdrucklampen haben im Gegensatz zu vielen anderen Lichtquellen einen relativ niedrigen Farbwiedergabeindex (CRI). Durch diesen niedrigen CRI kann das menschliche Auge Farben nicht richtig wahrnehmen. Bedingt durch diese beiden Nachteile wird dieses hocheffiziente Leuchtmittel im Beispielgebäude nicht eingesetzt und hat für den weiteren Verlauf der Arbeit keine Relevanz. (vgl. Theiss 2000 S.78 – 81) 3.2.4 LED Ganz im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Leuchtmitteltechnologien steht die Licht emittierende Diode (LED). Die LED verbindet die Vorteile der Glühlampe mit den Vorteilen der Leuchtstofflampe. Die LED ist zyklusfest, hat keine Einschaltverzögerung, bei ausreichender Kühlung eine Lebensdauer von über 100.000 h und eine sehr hohe Effizienz. Die Entwicklung der LED begann in den 10 1970er Jahren. Sie fand bald Einsatz als Statusanzeige in Elektrogeräten und Autos. Der damalige Hauptvorteil der LED gegenüber von kleinen Glühlampen war die höhere Robustheit. Historisch gesehen war die Entwicklung der blauen LED im Jahr 1994 für die Beleuchtungsindustrie fundamental. Die blaue LED war dabei deutlich effizienter als alle anderen LEDs. Abbildung 3 zeigt den Aufbau einer weißen LED. Diese weiße LED besteht aus einem blauen LED-Chip und einem Fluoreszenzkonverter. Der Fluoreszenzkonverter hat dabei die gleiche Aufgabe wie der Leuchtstoff in der Leuchtstofflampe, er konvertiert das blaue Licht in weißes Licht. Abbildung 3: Prinzipielle Funktion eines Fluoreszenzkonverters zur Konvertierung von blauem in weißes Licht Quelle: Weiße LED 2015 Alternativ besteht die Möglichkeit, weißes Licht mit Hilfe von einem blauen, einem roten und einem gelben LED-Chip, in einem Gehäuse zu erzeugen. Diese Methode ist allerdings komplex und somit teuer in der Fertigung. In der Anwendung erreichen aktuelle LEDs eine Lichtausbeute von über 160 lm/W. Damit ist die LED bereits heute das effizienteste Leuchtmittel mit einem hohen CRI. Zu Anfang wurde die LED ausschließlich in sehr hochwertigen Gebäuden eingesetzt. Bedingt durch die Industrialisierung der Fertigung und erheblichen Fortschritten in der Forschung, befinden sich die Preise für professionelle LED-Beleuchtung im Sinken. Nachteilig an der neuen Technologie ist die Notwendigkeit, dass bestehende Leuchten-Konzepte 11 adaptiert bzw. neu Entwickelt werden. Für den Endkunden bedeutet der Einsatz einer professionellen LED Lösung, immer der Ersatz der gesamten Leuchte. Für den semiprofessionellen Bereich wurden sogenannte Retrofit-LED-Leuchtmittel auf den Markt gebracht. Diese LED-Leuchtmittel sind den alten Leuchtmitteln mechanisch nachempfunden und können somit Glüh- und auch Leuchtstofflampen ersetzen. Da derartige Lösungen ausschließlich bei Renovierungen zum Einsatz kommen und deren Zulassung in Leuchten, die nicht dafür designt sind kritisch zu betrachten ist, kommen für unser Beispielgebäude ausschließlich professionelle LED-Systeme zum Einsatz. (vgl. Bullinger 2002 S. 101-104) 3.2.5 OLED Die Organische Licht Emittierende Diode (OLED) ist eine Leuchtdiode, die aus mehreren organischen Schichten besteht. Historisch gesehen ist sie der jüngste Spross der hier beschriebenen Lichtquellen. Erste erwähnenswerte Versuche mit organischen Leuchtdioden gab es in den 1980er Jahren. Bis heute konnten im Labor viele nennenswerte Fortschritte erzielt werden, jedoch ist OLED für die Beleuchtungsindustrie derzeit nur ein Prestige- und Forschungsobjekt. In der Unterhaltungsindustrie werden OLEDs in Form von Displays heute bereits in großen Stückzahlen eingesetzt. Im Gegensatz zur normalen LED ist die OLED keine punktförmige Lichtquelle sondern eine beinahe beliebig große Flächenlichtquelle. Damit wird es in Zukunft möglich sein, ganze Wände mit einer Art OLEDLeuchttapete gleichmäßig auszuleuchten. Architektonisch kann mit der OLED Technologie ganz neue Maßstäbe gesetzt werden. Des Weiteren könnte die OLED aufgrund der verwendeten Materialien und des einfacheren Herstellungsprozesses, günstiger als eine LED produziert werden. Jedoch ist diese Technologie noch nicht ausgereift und hat einige Nachteile. Der größte Nachteil der OLEDs ist, die relativ kurze Lebensdauer von deutlich weniger als 10.000 Stunden und der relativ gering Lichtstrom von ca. 55 lm/W. Derzeit spielt die OLED eine sehr untergeordnete Bedeutung und wird maximal für Akzentbeleuchtung und sehr exklusive Leuchten verwendet. Aufgrund des hohen Preises, der relativ geringen Lebensdauer und der niedrigen Effizienz im Vergleich zu LED wird die OLED im weiteren Verlauf der Arbeit nicht eingehender behandelt. (vgl. Kammoun 2008 S. 2 – 22) 12 3.3 Betriebsgeräte Moderne Leuchtmittel wie die LED oder die OLED, aber auch die Gasentladungslampen können, aufgrund ihrer elektrischen Eingeschalten nicht direkt am Stromnetz mit 230V und 50Hz betrieben werden. Es kommt immer ein sogenanntes Betriebsgerät zum Einsatz. Ein Betriebsgerät steuert und überwacht das Leuchtmittel. In einem Fehlerfall größere Schäden zu vermeiden, schaltet das Betriebsgerät das Leuchtmittel ab. Betriebsgeräte gibt es in unterschiedlichen Ausführungen. 3.3.1 Magnetische Betriebsgeräte für Gasentladungslampen Magnetische Betriebsgeräte bestehen im einfachsten Fall aus einer Kupferspule mit einem Eisenkern, einem Starter und einem Kondensator. Es gibt je nach Anforderung unterschiedliche Bauformen und unterschiedliche Effizienzklassen. Magnetische Betriebsgeräte finden sich häufig in bestehenden Gebäuden und im eher preiswerten Leuchten-Segment. Magnetische Betriebsgeräte dürfen aufgrund der EU-Vorschaltgeräte-Richtlinie 2000/55/EG wegen ihrer schlechteren Effizienz ab dem 13.4.2017 innerhalb der EU nicht mehr in den Verkehr gebracht werden. Aufgrund dieser Tatsache werden magnetische Betriebsgeräte für unser Beispielgebäude nicht berücksichtigt. (vgl. ZVEI 2010, S. 7) 3.3.2 Elektronische Betriebsgeräte für Gasentladungslampen In modernen Leuchten wird die Gasentladungslampe mit einem elektronischen Betriebsgerät betrieben. Diese Betriebsgeräte gibt es in dimmbaren und nicht dimmbaren Ausführungen. Die dimmbaren Varianten besitzen in der Regel ein DALIInterface. Mit diesem Interface kann das Betriebsgerät in die Haustechnik eingebunden werden. Nicht dimmbare Varianten werden manuell oder mit Hilfe von Sensoren über die Phase geschalten. Alle elektronischen Betriebsgeräte betreiben und überwachen die Lampe ohne externe Bauteile und bieten neben der höheren Effizienz auch einen flicker- und geräuscharmen Betrieb. Die Lebensdauer des Leuchtmittels ist aufgrund der geregelten Vorheizung und Zündung ebenfalls erheblich höher. Für das Beispielgebäude werden zwei Varianten mit nicht dimmbaren Betriebsgeräten berechnet. Einerseits kommt ein in der Norm DIN V 13 18599 definiertes Tabellenverfahren zum Einsatz und andererseits wird der Energiebedarf mit Hilfe einer detaillierten Fachplanung ermittelt. (vgl. Ganslandt, Hoffmann 2013 S. 65 – 72) 3.3.3 LED-Treiber Für die nächste Evolutionsstufe in der Beleuchtungstechnik der LED werden ebenfalls Betriebsgeräte benötigt. Diese sind wiederum als dimmbare und nicht dimmbare Ausführungen erhältlich. Die Betriebsgeräte betreiben das LED-Modul in der Regel mit einem konstanten Strom und sorgen durch entsprechende Abschaltung ebenfalls für Sicherheit. Die Dimm-Funktion wird entweder mithilfe von Puls-Weiten-Modulation (PWM) oder mit einer Reduktion der Stromamplitude realisiert. In unserem Fall verwende ich in einer Variante eine nicht dimmbare, manuell bedienbare LED-Lösung und als High-End-Variante eine sensorgesteuerte, DALI-dimmbare, arbeitsplatzbezogene Lösung. Die dimmbare Variante wird dabei über eine Veränderung der Stromamplitude gedimmt werden. (vgl. Tridonic 2015) 3.4 Steuersysteme In der Haustechnik kommen Steuersysteme wie beispielsweise EIB/KNX oftmals zum Einsatz. Die Beleuchtung, speziell im professionellen Bereich wird in der Regel über einen DALI-Bus gesteuert. An einem Busstrang können bis zu 64 Teilnehmer miteinander kommunizieren. Die Teilnehmer können sowohl Sensoren als auch Aktoren wie beispielsweise ein oben beschriebenes DALI Betriebsgerät sein. Bei den Sensoren unterscheidet man im Wesentlichen zwischen folgenden Typen: 3.4.1 Anwesenheitssensoren Anwesenheitssensoren messen mit Hilfe von Infrarotstrahlung oder hochfrequenten elektrischen Feldern das Bewegungsprofil innerhalb des eingestellten Bereichs. Außerdem messen solche Sensoren in der Regel zusätzlich den Beleuchtungslevel von externen Lichtquellen. Wird eine Bewegung erkannt und ist das Beleuchtungsniveau über dem eingestellten Schwellwert gibt der Sensor die registrierte Bewegung an die Aktoren nicht weiter. Ist der Schwellwert unterschritten und eine Bewegung wird registriert, sendet der Sensor einen 14 entsprechenden Befehl an die Aktoren und das Licht wird eingeschalten. Mithilfe von Anwesenheitssensoren wird das Licht in der Regel nur ein- bzw. ausgeschaltet. Das entsprechende Beleuchtungsniveau wird bei automatisierten Lösungen mit Tageslichtsensoren ermittelt. (vgl. Schmid 2013 S. 165 – 166) 3.4.2 Tageslichtsensoren Tageslichtsensoren messen die Reflexion des Lichtes auf einer definierten Fläche. Mithilfe eines solchen Sensors kann beispielsweise das Lichtlevel über einen ganzen Arbeitstag, in einem definierten Bereich konstant gehalten werden. Manuelle Eingriffe sind bei einer Kombination aus Anwesenheit- und Tageslicht- Sensorik nicht mehr notwendig. Das Energieeinsparpotential einer solchen Lösung kann sehr hoch sein, da der Mensch keinen Einfluss auf die Beleuchtung hat. (vgl. Schmid 2013 S. 165 – 166) 4 Beispielgebäude Bei dem von mir gewählten Beispielgebäude handelt es sich um ein kleines, fiktives Bürogebäude, das sich gemäß meiner Definition im Großraum Bremerhaven und somit in Klimazone A befindet. Um die Ergebnisse meiner Masterarbeit auf andere Gebäude anwenden zu können, war es besonders wichtig, dass es sich um einen Neubau handelt. Für eine Gebäudesanierung wird die DIN V 18599 derzeit nur bedingt angewendet. Das Gebäude spiegelt ein klassisches Bürogebäude im überschaubaren Maßstab wider, das über eine entsprechende Gebäudehülle und über eine moderne Haustechnik verfügt. Alle bauphysikalischen Berechnungen wurden mit Solar Computer in der Version 5.12.03 erstellt. Eine Archivdatei des letztgültigen Modells befindet sich auf dem Datenträger im Anhang. 4.1 Gebäudeplan Die Abmessungen des Gebäudes betragen etwa 15 x 26 m. Das Bürogebäude besitzt ein Untergeschoß, ein Erdgeschoß und ein Obergeschoß. Die Gesamthöhe beträgt 8m. 15 4.1.1 Außenansicht Das Gebäude verfügt über große Fensterflächen und die Dachkonstruktion wurde als Flachdach ausgeführt. Südseitig ist das Obergeschoß mit einem außenliegenden, fixen Blendschutz, aus Stahl, versehen. Westseitig besitzt das Gebäude im Eingangsbereich einen Windfang. Abbildung 4: Beispielgebäude Südansicht Abbildung 5: Beispielgebäude Nordansicht Abbildung 6: Beispielgebäude Westansicht 16 Abbildung 7:Beispielgebäude Ostansicht Das Untergeschoß, die Zwischendecken und die oberste Geschoßdecke sind, wie heute üblich aus Stahlbeton gefertigt. Die Außenwände, sowie die tragenden Innenwände bestehen aus Ziegeln bzw. ebenfalls aus Stahlbeton. Alle Außenwände verfügen über ein zeitgemäßes Wärmedämmverbundsystem, das in Punkt 4.2.1 Gebäudehülle genauer spezifiziert ist. 4.1.2 Grundriss Das Beispielgebäude verfügt über drei Etagen, die unterschiedlich genutzt sind. Im Untergeschoß befindet sich der Technikraum, in dem sich sämtliche haustechnischen Anlagen befinden und ein unkonditioniertes Lager. Abbildung 8: Grundriss Untergeschoß Im Erdgeschoß befinden sich der Empfang, einige Büros, ein großer Seminarraum und entsprechende sanitäre Einrichtungen. 17 Abbildung 9: Grundriss Erdgeschoß Die Raumaufteilung im Obergeschoß ist ähnlich gestaltet wie im Erdgeschoß, jedoch unterscheidet sich die Nutzung etwas. Neben Einzel- sowie Gruppenbüros befindet sich ein Besprechungszimmer und auch die Bibliothek im Obergeschoß. Sanitäre Einrichtungen sind im Obergeschoß ebenfalls zu finden. Abbildung 10: Grundriss Obergeschoß 18 4.2 Aufbau Für die Modulierung des Gebäudes muss jedes Bauteil definiert werden. Alle relevanten Daten, wie beispielsweise die verwendeten Werkstoffe, Schichtdicken und Ausführungen, müssen vorab durch die Architektur, Tragwerksplanung und die Bauphysik geklärt werden. Die Dimensionierung der tragenden Bauteile beruht auf realitätsnahen Erfahrungswerten und einschlägigen Gebäudenormen für Belastungen, wie sie in einem Bürogebäude üblich sind. Statische Berechnungen für das Gebäude wurden nicht durchgeführt, da sie keinen Einfluss auf das Ergebnis dieser Arbeit haben. 4.2.1 Gebäudehülle Hinsichtlich der Energieeffizienz von Gebäuden, ist die Gebäudehülle von maßgeblicher Bedeutung. In der warmen Jahreszeit schützt sie das Gebäudeinnere vor Überhitzung und hält somit den Energieaufwand für die Kühlung in Grenzen. Im Winter sorgt sie für geringstmögliche Heizkosten und ein behagliches Raumklima. Des Weiteren hat die Gebäudehülle die Aufgabe, einen Schutz vor eindringender Feuchte herzustellen und somit strukturellen Schäden vermeiden. Wie bei modernen Gebäuden üblich wurde eine Dichtheitsprüfung durchgeführt und die Luftdichtheit nach DIN 4108-7 ausgeführt. 19 4.2.1.1 Bodenplatte Zum einen leitet die Bodenplatte Lasten in das tragende Erdreich ab, zum anderen und für uns viel wichtiger, ist die Bodenplatte das Element, das das Gebäude vor Feuchtigkeit aus dem Erdreich und vor thermischen Einflüssen schützt. Die Bodenplatte, einschließlich der Aufbauten ergibt eine gesamte Konstruktionshöhe von 390 mm und ist wie in Abbildung 11 ersichtlich aufgebaut. Abbildung 11: Aufbau und Temperaturverlauf der Bodenplatte Quelle: U-Wert.net 2015 Die ans Erdreich grenzende Dämmung ist eine tragfähige, 100 mm starke Wärmedämmplatte aus extrudiertem Polystyrol-Schaum nach DIN 13164 (XPS). Statisch relevant ist die 200 mm starke Stahlbetonplatte. Beim verwendeten Beton handelt es sich um Normalbeton nach DIN 206, der mit 2% Stahl armiert wurde. Als zusätzliche Dämmung, und vor allem als Trittschallschutz, dient eine zusätzliche Schicht aus 20 mm starken XPS - Platten. Um die auftretenden Lasten auf die Dämmung zu verteilen und eine ebene und belastbare Schicht für den Bodenbelag zu schaffen, wird ein 60 mm starker Zementestrich angebracht. Um dem Fußboden noch optisch aufzuwerten werden im gesamten Untergeschoß 10 mm starke Fliesen verlegt. In Abbildung 11 ist neben dem Temperaturverlauf auch die Taupunkttemperatur ersichtlich. Beim Temperaturverlauf ist die Relevanz der Dämmung eindeutig erkennbar. Die beiden Dämmschichten tragen zu 91,8 % der Wärmedämmung des 20 Bauteils bei. Im Vergleich dazu trägt die 200 mm starke Stahlbetonplatte lediglich 2,2 % bei. Die Bodenplatte hat, gemäß den Berechnungen, einen U-Wert 0,267 W/m²K. Der U-Wert ist der Wärmedurchgangskoeffizient und beschreibt den Wärmedurchgang eines Fluid durch einen festen Körper in ein zweites Fluid, aufgrund von Temperaturunterschieden zwischen den Fluiden. (vgl. Lajos 2004 S. 68-69) Der Taupunkt kennzeichnet die Temperatur, bei der Wasserdampf kondensieren und Tauwasser entstehen würde. Damit kein schädliches Tauwasser im Bauteil entsteht, muss die Temperatur des Bauteils an jeder Stelle über der Taupunkttemperatur liegen, bzw. eventuell auftretendes Tauwasser muss wieder verdunsten können. Diese wichtige Bedingung ist mit dem Aufbau gewährleistet. (vgl. Schulze 2015 S. 57) 4.2.1.2 Außenwand mit Erdkontakt Die Außenwand mit Erdkontakt ist ähnlich wie die Bodenplatte aufgebaut. Um das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern, wird eine Kunststoffabdichtung verwendet. Eine 100 mm starke Schicht XPS Platten stellt die Wärmedämmung gegenüber dem Erdreich dar. Als tragendes Element kommt abermals eine 240 mm starke Wand aus Normbeton nach DIN 206 mit einer 2% Bewehrung aus Stahl zum Einsatz. Die raumseitige Oberfläche besteht aus einem 15 mm starken Kalkputz. Der Schichtaufbau der Außenwand ist in Abbildung 12 detailliert ersichtlich. Abbildung 12:Aufbau und Temperaturverlauf der Außenwand mit Erdkontakt Quelle: U-Wert.net 2015 21 Aufgrund der Kunststofffolie und der damit verbundenen Dichtheit gegenüber Wasserdampfdiffusion, kann es im Bereich der Dämmung zu Tauwasser kommen. Hier ist es wichtig, dass diese abgeführt und verdunsten kann. 4.2.1.3 Außenwand mit Luftkontakt Die Außenwand mit Luftkontakt bildet gemeinsam mit den Fenstern den sichtbaren Teil der Gebäudehülle. Neben statischen Eigenschaften muss die Außenwand mit Luftkontakt auch über entsprechende thermische Eigenschaften verfügen. In unserem Fall wird dies mit einer entsprechenden Dämmung realisiert. In Abbildung 13 werden sowohl der Schichtaufbau als auch der Temperaturverlauf und der Verlauf der Taupunkttemperatur dargestellt. Die Außenwand besteht neben der 240 mm starken tragenden Stahlbetonkonstruktion aus einem Wärmeverbundsystem und einem Kalkzementputz. Das Wärmeverbundsystem ist ein vom Hersteller zertifiziertes System, das einen genau definierten Aufbau haben muss. Das in diesem Fall verwendete System besteht aus 160 mm starker Mineralwolle nach DIN 13162 und einem Putzmörtel aus Kalkzement. Die Wahl für diesen Dämmstoff fiel aufgrund seiner besseren Umweltverträglichkeit, gegenüber Polystyrolplatten (EPS) und aufgrund seiner nicht brennbaren Eigenschaft. Abbildung 13: Aufbau und Temperaturverlauf der Außenwand mit Luftkontakt Quelle: U-Wert.net 2015 Der U-Wert dieser Konstruktion beträgt 0,204 W/m²K. Es besteht kein Tauwasser Risiko. 22 4.2.1.4 Dach Das Dach des Beispielgebäudes wurde als Flachdach ausgeführt. Die tragende und damit statisch relevante Schicht ist wiederum eine 180 mm starke, mit Stahl bewehrte Betonplatte. Um ein Gefälle auszubilden wurde ein entsprechend geneigtere Aufbeton aufgebracht. Da die thermischen Eigenschaften der Dachkonstruktion für die Energiebilanz eines Gebäudes besonders wichtig sind, wird eine Dämmung aus 200 mm Mineralwolle verwendet. Um den Aufbau vor den Umweltbedingungen zu schützen, wird eine abschließende und dichte Schicht aus Bitumen-Dachbahnen aufgebracht. Auf der Innenseite befindet sich eine 10 mm starke Putzschicht aus Kalkputz. Mit diesem Aufbau wird ein U-Wert von 0,167 W/m²K erreicht. Abbildung 14: Aufbau und Temperaturverlauf der Dachkonstruktion Quelle: U-Wert.net 2015 Wie in Abbildung 14 ersichtlich, besteht aufgrund der Dichtheit der Bitumenschicht wiederum ein potentielles Problem mit dem Tauwasser, das durch die Verlegung einer raumseitigen Dampfbremse behoben werden kann. 23 4.2.1.5 Kellerdecke Die Kellerdecke ist Teil der thermischen Gebäudehülle, weil das Untergeschoß mit Ausnahme des Treppenhauses und des Technikraums nicht beheizt ist. Aus diesem Grund besitzt die Kellerdecke über das gesamte Geschoß den in Abbildung 15 ersichtlichen Aufbau. Abbildung 15: Aufbau und Temperaturverlauf der Kellerdecke Quelle: U-Wert.net 2015 Als Bodenbeläge kommen Parkett, Teppichboden und Fliesen zur Ausführung. Darunter befindet sich der 60 mm starke Zementestrich und eine 20 mm dicken Trittschallschutz aus XPS. Die 180 mm starke, tragende Schicht ist wiederum mit Stahlbeton realisiert. Richtung Keller bildet eine 120 mm dicke Dämmung aus Mineralwolle und ein 10 mm starker Kalkzementputz den Abschluss. Mit dieser Konstruktion erhält man einen U-Wert von 0,199 W/m²K. Probleme mit dem Taupunkt gibt es bei diesem Bauteil keine. 4.2.1.6 Fenster Bei den Fenstern handelt es sich um eine Rahmenkonstruktion aus 90 mm starkem Weichholz. Der Rahmenanteil beträgt 20 % der Fensterfläche, die Rahmenkonstruktion hat einen U-Wert von 1,85 W/m²K. Die Fenster sind mit einer Dreifach-Verglasung mit einem U-Wert von 0,6 W/m²K ausgestattet. Weiteres besitzen die Fenster wärmetechnisch verbesserte Abstandshalter. In Summe haben 24 die Fenster einen Uw-Wert von 1,0 W/m²K. In Anbetracht der großen Fensterflächen ist dieser Wert besonders relevant. Die Fenster im Untergeschoß mit einem Kunststoffrahmen und einer zweifach Verglasung ausgeführt. Die Kellerfenster verfügen damit über einen Uw-Wert von 1,4 W/m²K. 4.2.1.7 Außentüre Die Außentür ist eine Konstruktion aus Holz, Aluminium und Glas. Die Türe besitzt einen Rahmenanteil von 40 %. Der Glasanteil ist ebenfalls mit einer dreifachen Verglasung realisiert. Somit liegt der Gesamt-U-Wert bei 1,05 W/m²K. 4.2.2 Innenliegende Bauteile Die im Gebäude innenliegenden Bauteile sind nur dann relevant, wenn sie sich zwischen Zonen mit unterschiedlichen Temperaturen befinden. Da das Beispielgebäude als Bürogebäude genutzt wird, sind in allen Zonen ähnliche Temperaturen zu erwarten. Innenliegenden Türen, von denen im Modell ausgegangen wird, können in diesem konkreten Fall vernachlässigt. Sie werden deswegen nicht gesondert betrachtet und werden wie eine durchgehende Wand berechnet. Um dem Gebäude eine große Flexibilität zu geben, wurden viele innenliegende Wände als Leichtbau ausgeführt. Lediglich die Wände im Bereich des Treppenhauses und der sanitären Einrichtungen wurden als massive, tragende Wände ausgeführt. 4.2.2.1 Tragende Bauteile Die tragenden Bauteile im Bereich des Treppenhauses und der sanitären Einrichtungen sind aus gebrannten Ziegeln mit Lochung nach DIN 105-100 gemauert. Auf beiden Seiten befindet sich eine 15 mm starke Schicht aus Putzmörtel. Die thermischen Eigenschaften spielen aufgrund der ähnlichen Temperaturen auf beiden Seiten der Wand für die Berechnungen in diesem Beispiel keine Rolle. 4.2.2.2 Nichttragende Bauteile Alle Trennwände im Bürobereich sind keine tragenden Wände. Der Aufbau der Wand besteht aus einer 80mm dicken Holzkonstruktion, die auf beiden Seiten mit 25 Gipskartonplatten beplankt ist. Um den Schallschutz zu optimieren, werden die Hohlräume mit Mineralwolle gedämmt und auf beiden Seiten Gipskartonplatten mit einer Stärke von 25 mm verwendet. Die thermischen Eigenschaften spielen, wie auch bei den tragenden Innenwänden, für dieses Beispiel keine Rolle und werden daher nicht ausführlich berechnet. 4.3 Nutzung Das Beispielgebäude lässt sich in Anbetracht der Nutzung in die nachfolgend ausgeführte Bereiche aufteilen. Die Nutzung ist für die Energieberechnung der relevant, da beispielsweise der Luftwechsel in einem Gruppenbüro anders ist als in einem Einzelbüro oder in Sanitärräumen. Nach entsprechender Einteilung werden die Werte mit Solar Computer berechnet. Da sich die Nutzung über die verwendeten Beleuchtungsvarianten nicht ändert, gehe ich an dieser Stelle nicht detailliert auf die Nutzung jedes einzelnen Raumes ein, sondern gebe nur eine kurze Übersicht über die einzelnen Stockwerke. 4.3.1 Untergeschoß Im Untergeschoß befindet sich neben dem Treppenhaus und dem Technikraum eine große unbeheizte Fläche, die als Lager verwendet wird. Da sich das Berechnungsbeispiel primär auf eine Büroumgebung bezieht, wird das Lager in allen Varianten nicht berücksichtigt. Alle Wände zu konditionierten Räumen sind entsprechend auf der jeweiligen Kaltseite gedämmt. 4.3.2 Erdgeschoß Die Nutzung des Erdgeschoßes lässt sich in die Kategorien Einzelbüro, Gruppenbüro, Seminarraum, Verkehrsfläche und Sanitär einteilen. Alle Räume sind an die zentrale Raumlufttechnik angeschlossen und sind sowohl beheizt als auch gekühlt. 4.3.3 Obergeschoß Die Nutzung des Obergeschoßes ist mit der Nutzung des Erdgeschoßes identisch. Ebenfalls sind alle Räume an die zentrale Raumlufttechnik angeschlossen. 26 4.4 Zonierung Für die energetische Bewertung von Nichtwohngebäuden ist eine Einteilung in Zonen unerlässlich. Das Gebäude wird idealisiert als ein Mehr-Zonen-Modell dargestellt. Jede Zone stellt eine grundsätzliche Berechnungseinheit dar und wird für sich energetisch bilanziert. Dabei ist darauf zu achten, dass Bereiche mit ähnlichen Nutzenergiemengen in einer Zone zusammengefasst werden. Diese einzelnen Räume einer Zone müssen baulich nicht verbunden sein. So ist es beispielsweise möglich, dass ein Raum im Erdgeschoß und im zweiten Obergeschoß derselben Zone angehört. Umgekehrt ist eine bauliche Trennung zwischen zwei Zonen nicht zwingend erforderlich. In dem von mir ausgewählten Gebäude befindet sich zwischen der Zone Empfang und der Zone Verkehrsfläche beispielsweise keine bauliche Trennung. Um die energetische Gebäudebilanz einfach zu halten, sollten jedoch nur so viele Zonen gebildet werden, dass die wichtigsten energetischen Unterschiede innerhalb des Gebäudes berücksichtigt werden. Wird das Gebäude in zu viele Zonen eingeteilt, wird der Berechnungsaufwand, im Vergleich zum Ergebnis, unverhältnismäßig erhöht. Die Einteilung folgt nach folgenden Kriterien: • Nutzwärmebedarf • Nutzkältebedarf • Nutzenergie der thermischen Luftaufbereitung • Nutzenergie für Befeuchtung • Nutzenergie für Beleuchtung • Nutzenergie für Trinkwarmwasserbereitung Anhand dieser Kriterien wird das Beispielgebäude in folgende Zonen eingeteilt (vgl: Dorsch 2011 S. 2-4) 4.4.1 Büro Süd Die Zone Büro Süd erstreckt sich über das Erdgeschoß und das Obergeschoß und beinhaltet alle nach Süden ausgerichteten Büros. Im Zonenplan ist die Zone Büro Süd in hellgrün eingezeichnet. Die Zone ist als Gruppenbüro definiert. Die Beleuchtung erfolgt durch Tageslicht, das vereinfacht nach DIN 18599 berechnet wird und mit Kunstlicht. Das Kunstlicht wird unter Punkt 5, Beleuchtungsvarianten 27 detailliert erklärt. Die Zone wird mit einer mechanischen Belüftung mit einem konstanten Volumenstrom mit frischer Luft versorgt. Die Sollwert-ZuluftTemperatur ist im Heiz-, als auch im Kühlfall 21°C. Die Regelung ist zeitabhängig und eine mittlere Belegungsdichte wurde definiert. 4.4.2 Büro Nord Die Zone Büro Nord erfasst alle nach Norden ausgerichteten Büros. Die Zone erstreckt sich, wie auch die Zone Büro Süd, über das Erdgeschoß und das Obergeschoß. Im Zonenplan ist die Zone Büro Nord orange eingezeichnet. Die haustechnischen Parameter, wie Beleuchtung, Lüftung und Klimatisierung sind gleich, wie in der Zone Büro Süd, definiert. Der große Unterschied zwischen den Zonen besteht in der Ausrichtung. Die Zone Büro Süd verfügt über eine wesentlich höheren Anteil an Sonneneinstrahlung und muss somit im Winter weniger geheizt werden, als die Zone Büro Nord. Im Sommer dreht sich das Verhältnis. Durch die erhöhte Sonneneinstrahlung der nach Süden ausgerichteten Gebäudeteile ist der solare Wärmeeintrag höher. Um die Temperatur auf einem konstanten Level zu halten, muss die Kälteanlage entsprechend mehr Wärme abführen. Um dieser Gegebenheit entgegen zu wirken, ist das Gebäude mit einem entsprechenden Sonnenschutz, der in Punkt 4.5.4 detailliert erläutert wird, ausgestattet. 4.4.3 Besprechungszimmer Die Zone Besprechungszimmer erstreckt sich ebenfalls über das Erdgeschoß und das Obergeschoß. Im Erdgeschoß zählt der große Seminarraum und im Obergeschoß die Bibliothek und das Besprechungszimmer zu dieser Zone. Im Zonenplan ist die Zone Besprechungszimmer in dunkelgrün gehalten. Die haustechnischen Parameter sind wiederum an die Zonen Büro Nord und Büro Süd angelehnt. Im Unterschied zu den beiden Bürozonen hat die Zone Besprechungszimmer sowohl nach Norden, als auch nach Süden ausgerichtete Fassadenteile. Aufgrund der vergleichbaren Nutzung der Räume und der einfacheren Strukturierung des Modells werden die betreffenden Räume trotz der Nord- bzw. Südausrichtung in einer Zone zusammengefasst. 28 4.4.4 Sanitär Die sanitären Einrichtungen und damit auch die Zone Sanitär erstrecken sich ebenfalls über das Erd- und Obergeschoß. Im Gegensatz zum Bürobereich handelt es sich beim Sanitärbereich um eine Abluftzone. Die Nord – bzw. Südausrichtung ist für die Zone Sanitär ebenfalls vernachlässigbar und wird daher wiederum zusammengefasst. 4.4.5 Empfang Der Empfangsbereich stellt eine eigene Zone dar. Zwar ist dieser als Gruppenbüro definiert, jedoch ist die Nutzung durch den erhöhten Parteienverkehr und bedingt durch die fehlende bauliche Abtrennung zu den Verkehrsflächen eine andere. Das haustechnische Profil ist wiederum an die Bürozonen angelehnt. Im Zonenplan ist dieser Bereich gelb eingezeichnet. 4.4.6 Verkehrsflächen Die Zone Verkehrsfläche erstreckt sich bedingt durch das Treppenhaus über alle drei Geschoße. Neben dem Treppenhaus, das durch Glastüren vom restlichen Gebäude getrennt ist, befinden sich noch die beiden Flure in dieser Zone. Im Zonenplan ist diese Zone rot markiert. Die haustechnischen Parameter sind ebenfalls mit den Bürozonen vergleichbar. 4.4.7 Technikraum Der Technikraum im Untergeschoß ist als eigene Zone definiert. Im Gegensatz zum restlichen Gebäude wird der Technikraum zwar über das zentrale Heizsystem beheizt, jedoch ist der Raum nicht an die zentrale Raumlufttechnik angeschlossen. Der Technikraum verfügt über eine eigenes Raumklimasystem. Im Zonenplan ist der Technikraum violett markiert. 4.4.8 Zonenplan Untergeschoß In Abbildung 16 ist der Zonenplan für das Untergeschoß ersichtlich. Im Untergeschoß sind lediglich die Zonen Technikraum und Verkehrsfläche zu finden. Das Lager ist wie bereits beschrieben unkonditioniert und wird daher für weitere Berechnungen nicht berücksichtigt. 29 Abbildung 16: Zonenplan Untergeschoß 4.4.9 Zonenplan Erdgeschoß In Abbildung 17 ist der Zonenplan für das Erdgeschoß ersichtlich. Neben der in rot eingezeichneten Verkehrsfläche befindet sich noch die orange markierte Zone Büro Nord, die hellgrüne Zone Büro Süd, die dunkelgrüne Zone Besprechungszimmer, die gelbe Zone Empfang und die in blau gehaltene Zone Sanitär. Abbildung 17: Zonenplan Erdgeschoß 30 4.4.10 Zonenplan Obergeschoß Abbildung 18 stellt den Zonenplan für das Obergeschoß dar. Mit Ausnahme der gelb markierten Zone Empfang finden sich dieselben Zonen wie im Erdgeschoß. Die farblichen Markierungen sind ebenfalls identisch zum Erdgeschoß. Abbildung 18: Zonenplan Obergeschoß 4.5 Haustechnik Unter dem Begriff Haustechnik sind sämtliche Ver – und Entsorgungsmaßnahmen eines Gebäudes zusammengefasst. Sie umfasst neben der elektrischen Energie, die beispielsweise für die Beleuchtung aufgewendet wird, auch die Trinkwasserversorgung, alle Energien zum Heizen, Kühlen, Lüften und für die Warmwasseraufbereitung benötigt werden. Fernmeldeanlagen, Blitzschutz, Schallschutz, Gebäudeentwässerung und Hausabfallbeseitigung zählen ebenfalls zu den Teilgebieten der Haustechnik. (vgl. Vogler 2013 S. 3) Für die weiterführenden Berechnungen sind nur die erstgenannten Punkte, der Energiebedarf für Heizung, Kühlung, Warmwasser, Lüftung und Beleuchtung relevant. Blitzschutz, Schallschutz, Gebäudeentwässerung, Fernmeldeanlagen und Abfallbeseitigung werden in weiterer Folge nicht näher behandelt. 31 4.5.1 Heizung Das Beispielgebäude verfügt über ein zentrales Heizsystem. Als Wärmeerzeuger wird ein verbesserter Brennwertkessel verwendet. Als Energieträger dient Erdgas. Die Anlage ist im Technikraum und somit innerhalb der thermischen Hülle installiert und entspricht dem aktuellen Stand der Technik. Die Heizung verfügt über eine außentemperaturgeführte Kesseltemperaturregelung und einen zusätzlichen Wärmepuffer mit einem Volumen von 2 m². Die Wärmeverteilung im Gebäude wird sowohl über die Raumlufttechnik als auch über Heizkörper realisiert. Die Heizkörper sind über ein Zweirohrsystem mit gedämmten Leitungen, die ausschließlich innerhalb der thermischen Hülle verlegt sind, angeschlossen. Die Vorlauftemperatur sollte dabei bei 35 °C, die Rücklauftemperatur bei 28 °C liegen. 4.5.2 Kälteanlage Das Beispielgebäude verfügt über zwei getrennte Klimasysteme. Das Erdgeschoß und das Obergeschoß sind an der zentralen Kälteanlage angeschlossen. Der Technikraum verfügt über eine separate Kälteanlage. 4.5.2.1 Zentrale Kälteanlage Um die Produktivität in den heißen Monaten aufrechterhalten zu können, ist eine Kälteanlage notwendig. Als Kälteerzeuger ist eine luftgekühlte Kompressionskältemaschine im Einsatz. Gemäß meiner Spezifikation arbeitet die Kältemaschine mit einem Kolbenverdichter. Als Energieträger dient dabei elektrische Energie. Für die weiteren Berechnungen wird gemäß meiner Definition der deutsche Strom-Mix angenommen. Die Kältemaschine befindet sich auf dem Gebäudedach und hat eine getaktete Zweipunktregelung mit einem Pufferspeicher. Beim eingesetzten Kältemittel handelt es sich um R134a. Die Kaltwasseraustrittstemperatur wurde dabei auf 6 °C spezifiziert. Die Kälteverteilung wird einerseits über die Raumlufttechnik, als auch über Kühlelemente in einigen Räumen realisiert. 32 4.5.2.2 Technikraum Kälteanlage Wie bereits beschrieben, verfügt der Technikraum über eine separate Kälteanlage. Bei dem gewählten Gerät handelt es sich um ein Raumklimasystem mit einer maximalen Leistung von 12 kW. Wie auch das zentrale Klimasystem verfügt das Raumklimasystem über eine Zweipunktregelung. Allerdings ist das Regelkonzept in diesem Fall wesentlich einfacher, da es sich lediglich um ein Einzonensystem handelt. 4.5.3 Warmwasser Das Warmwasser für den Sanitärbereich wird mithilfe einer Solaranlage, die auf dem Dach installiert ist bereitgestellt. Beim Kollektor handelt es sich um einen Flächenkollektor moderner Bauart. Der Kollektor hat eine Südausrichtung und eine Neigung von 30 Grad. Die berechnete Kollektorfläche beträgt 7,45 m². Ein entsprechend dimensionierter Speicher befindet sich ebenfalls im Technikraum. Sämtliche warmwasserführenden Leitungen sind thermisch isoliert und werden innerhalb der thermischen Hülle geführt. Für das Waschbecken im Seminarraum im Erdgeschoß, wird für die Warmwassererzeugung ein Durchlauferhitzer verwendet. Für die weiterführende Kalkulation wird vom deutschen Strom-Mix ausgegangen. 4.5.4 Raumlufttechnik Wie in modernen Gebäuden üblich hat auch unser Beispielgebäude eine kontrollierte Be- und Entlüftungsanlage. Der aufgrund der Raum- und Zonennutzung von der Solar Software berechnete maximale Volumens-Strom liegt dabei bei 4332,82 m³/h. Über den Plattenwärmetauscher wird ca. 50% der Abwärme zurückgewonnen. Zusätzlich verfügt das System über ein Heiz- und Kühlregister, die an der zentralen Heiz- bzw. Kühlanlage angeschlossen sind. Um trockener Luft in der kalten Jahreszeit vorbeugen zu können, befindet sich ebenfalls ein ungeregelter Verdunstungsbefeuchter im System. Zu- bzw. Abluftventilatoren sorgen für konstanten Volumens-Strom. 33 4.5.5 Sonnen- bzw. Blendschutz Wie bei Gebäuden mit großen Glasflächen üblich, werden die Fensterflächen mit einem Sonnen- bzw. Blendschutz ausgestattet. Das Beispielgebäude ist mit einer Außenjalousie mit einer Lamellenneigung von 10 Grad ausgestattet. Aus optischen Gründen ist die Farbwahl dabei auf dunkelgrau gefallen. Die Steuerung erfolgt dabei manuell bzw. zeitgesteuert. Eine automatisierte Steuerung der Außenjalousie würde sich speziell im Zusammenhang mit der Beleuchtungsvariante, arbeitsplatzbezogene, dimmbare LED-Beleuchtung anbieten. Bei dieser Variante wären ein entsprechendes Bussystem und Sensoren bereits im Gebäude installiert. Aufgrund der besseren Vergleichbarkeit der berechneten Ergebnisse verzichte ich jedoch auch bei dieser Variante auf eine automatisierte Blendschutz-Lösung. 4.5.6 Beleuchtung Die Beleuchtung ist ebenfalls eine wichtige Komponente der Haustechnik. Die Möglichkeiten, wie die Beleuchtung technisch realisiert werden kann und welche Effekte sich auf die Energiebilanz des Gebäudes einstellen, wird in den Punkten 5 und 6 ausführlich beschrieben. Um auch bei einem Stromausfall genügend Licht für eine Räumung des Gebäudes zu haben, bedarf es einer entsprechenden Notbeleuchtung. Da der Energiebedarf der Notbeleuchtung für alle berechneten Varianten identisch ist, wird er für die weiterführenden Berechnungen nicht beachtet. 34 5 Beleuchtungsvarianten Die Möglichkeiten moderner Beleuchtungssysteme sind beinahe grenzenlos. Angefangen von den unterschiedlichen Leuchtmitteltechnologien, die Eingangs ausführlich beschrieben wurden, bis hin zu komplexen Steuersystemen, die beinahe jede erdenkliche Funktion zur Verfügung stellen. Jedoch sind die Anforderungen, die von der Gebäudenorm, für Nichtwohngebäude gefordert werden seit Jahren die Gleichen. 5.1 Anforderungen an die Beleuchtung von Nichtwohngebäuden In der Norm DIN EN 12464-1 sind die Anforderungen für die Beleuchtung von Nichtwohngebäuden definiert. Für die Arbeitsplatzbeleuchtung gilt allgemein ein Mindestbeleuchtungslevel der Nutzebene von 500 lx. Dabei gilt zu beachten, dass der Schreibtisch die Nutzebene darstellt. Schreibtische haben in der Regel eine Höhe von 70 – 75 cm. Wie in Abbildung 19 dargestellt, ist die Randzone von umlaufend 0,5 m für die Lichtberechnung nicht relevant. Des Weiteren sind in der Abbildung die jeweiligen Beleuchtungsstärken zu sehen. Abbildung 19: Verteilung der Beleuchtungsstärke im Raum 1-05 Als Schreibtischarbeitsplatz gelten im Beispielgebäude sämtliche Räume der Zonen Büro Nord, Büro Süd, Besprechungszimmer und Empfang. 35 Für die Beleuchtung der Verkehrsflächen gilt das Mindestlichtlevel von 100 lx. Umlaufend wird dabei wieder die Randzone von 0,5 m abgezogen. Allerdings stellt in diesem Fall der Boden die Nutzebene dar. Abbildung 20: Verteilung der Beleuchtungsstärke im Flur mit der Raumnummer 0-01 Die 100 lx Mindestbeleuchtungslevel gelten ausschließlich für die Zone Verkehrsfläche. Im Sanitärbereich und Technikraum gilt ein Mindestbeleuchtungslevel von 200 lx. 5.2 Beleuchtungsarten In der Beleuchtungstechnik unterscheidet man im Wesentlichen zwischen drei unterschiedlichen Varianten. In der Praxis kommen auch oft Mischformen der Varianten im selben Raum vor. 5.2.1 Indirekte Beleuchtung Bei der indirekten Beleuchtung wird das Licht über die Decke und die Wände im Raum verteilt. Eine indirekte Beleuchtung bietet den Vorteil, dass sie ein sehr gleichmäßiges und weiches Licht erzeugt. Durch das Beleuchten der Decke und der Wände ist die Problematik der Entblendung ebenfalls gelöst. Problematisch bei einer ausschließlich indirekten Beleuchtung ist allerdings die fehlende räumliche Differenzierung. Bedingt durch die Reflexion des Lichtes an den Wänden und an der Decke ist der Gesamtwirkungsgrad der Beleuchtung etwas schlechter als der einer direkten Beleuchtung. (vgl. Ganslandt, Hoffmann 2013 S. 136 - 138) 5.2.2 Direkte Beleuchtung Bei der direkten Beleuchtung werden die Objekte im Raum direkt von der Leuchte angestrahlt. Um die Blendung der Leuchte zu vermindern, wird meist mit Rasterleuchten oder mit einem Diffusor, der das Licht streut, gearbeitet. Durch die 36 Verwendung von gerichtetem Licht verbessert sich die Wiedergabe von Oberflächenstrukturen der beleuchteten Objekte wesentlich. Des Weiteren können mit gerichtetem Licht einzelne Raumbereiche von fast jedem Punkt im Raum gezielt beleuchtet werden. Dadurch ergibt sich ein höherer Freiheitsgrad bei der Anordnung der Leuchten, was sich wiederum in der Komplexität der Lichtplanung positiv wiederspiegelt. Im Vergleich zur indirekten Beleuchtung ist der Gesamtwirkungsgrad etwas höher. (vgl. Ganslandt, Hoffmann 2013 S. 136 - 138) 5.2.3 Direkte / Indirekte Beleuchtung Die direkte/indirekte Beleuchtung stellt eine Mischform der beiden Beleuchtungsarten dar. Sie vereint das gleichmäßige entblendete Licht der indirekten Beleuchtung und bietet bedingt durch den direkten Anteil ein direktes Anstrahlen der Objekte im Raum. (vgl. Ganslandt, Hoffmann 2013 S. 136 - 138) Für das Berechnungsbeispiel wird ausschließlich direktes Licht verwendet. Der Grund ist die einfachere Lichtplanung, der höhere Gesamtwirkungsgrad und vor allem die bessere Vergleichbarkeit der berechneten Varianten. 5.3 Berechnungsverfahren Für die Lichtberechnung gibt es unterschiedliche Verfahren. In der Praxis gängig ist dabei das einfache Tabellenverfahren und für komplexere Gebäude ist eine detaillierte Fachplanung unumgänglich. 5.3.1 Tabellenverfahren Das Tabellenverfahren zur Berechnung der für Beleuchtung aufgewendeten Energie ist in der DIN V 18599-4 definiert. Dabei wird von sehr einfachen Gegebenheiten ausgegangen. In einem ersten Schritt kann sich der Nutzer entscheiden, ob die Beleuchtung direkt, indirekt oder als Mischform vorliegt. Je nach ausgewählter Beleuchtungsart sind die in Tabelle 1 ersichtlichen Multiplikatoren anzuwenden. 37 Tabelle 1: Multiplikatoren der spezifischen elektrischen Bewertungsleistung für unterschiedliche Beleuchtungsarten Quelle: DIN V 18599 2013, Kap.4 S. 23 Ein Raum, der mindestens einen Schreibtischarbeitsplatz hat, wird demnach im Tabellenverfahren folgendermaßen berechnet. Die Ausgangslage bildet dabei die von der Norm vorgeschriebene Beleuchtungsstärke von 500 lx. Dieser Wert wird dann mit dem Multiplikator der gewählten Beleuchtungsart multipliziert. Ausgehend von einer direkten Beleuchtung heißt das, dass wir im ersten Schritt eine Bemessungsleistung von 25 W/m² haben. Im nächsten Schritt werden die Anpassungsfaktoren der verwendeten Leuchtmitteltechnologie multipliziert. Die Anpassungsfaktoren spiegeln dabei die Effizienz, bezogen auf eine stabförmige Leuchtstofflampe mit einem elektronischen Betriebsgerät wieder. Besonders bemerkenswert dabei ist, dass sowohl eine Retrofit-Lampe als auch eine LED-Lösung schlechter bewertet wird als eine Leuchtstofflampe. Für die Berechnung gehen wir von einer Leuchtstofflampenlösung mit elektronischem Betriebsgerät aus. Somit bleibt die Bemessungsleistung vorerst bei 25 W/m². 38 Tabelle 2: Anpassungsfaktoren für unterschiedliche Leuchtmittel Quelle: DIN V 18599 2013 Kap.4 S.24 Im nächsten Schritt wird die Bemessungsleistung mit dem Raumindex multipliziert. Der Raumindex k berechnet sich folgendermaßen: ݇= ܽ∗ܾ ℎ ܽ( ∗ ݎ+ ܾ) Die Faktoren a und b entsprechen der Länge und der Breite des zu beleuchtenden Raumes. Die Höhe hr entspricht dabei der Strecke zwischen der Nutzebene und der Leuchten-Installationsebene. Ausgehend von einer Abmessung von 5 x 5 m und einem Höhenunterschied von 1,2m ergibt sich ein Raumindex k von 0,833. Abbildung 21: Definition der Nutz und Leuchten Installationsebene Quelle: DIN V 18599 2013, Kap.4 S.25 39 Ausgehend vom berechneten Raumindex k wird der Anpassungsfaktor kR anhand der Tabelle 3 bestimmt. Tabelle 3: Anpassungsfaktor kR für unterschiedliche Beleuchtungsarten Quelle: DIN V 18599 2013, Kap.4. S. 25 Gemäß den Angaben der Norm dürfen Zwischenwerte interpoliert werden. Für den Raumindex k von 0,83 ergibt sich somit ein Anpassungsfaktor von 0,863. Multipliziert mit 25 W/m² ergibt sich eine Bemessungsleistung von 21,58 W/m². (vgl DIN V 18599 2013, Kap.4 S. 23 – 25) 5.3.2 Detaillierte Fachplanung Im Gegensatz zu dem sehr einfachen Tabellenverfahren steht eine detaillierte Fachplanung. In der Regel wird detaillierte Lichtplanungen softwaregestützt durchgeführt. Lichtberechnungsprogramme, wie in unserem Fall DIALux in der Version 4.12.0.1, werden oftmals von den Leuchten-Herstellern gratis zur Verfügung gestellt. Im Fall von DIALux, das von einem herstellerübergreifenden Konsortium herausgegeben wird, stellen viele Leuchten-Hersteller lichttechnische Datensätze für den jeweiligen Leuchten-Typ zur Verfügung. Die Vorgehensweise bei einer Lichtplanung mit DIALux sieht wie folgt aus: Als erstes muss der Raum mit seiner Geometrie und der entsprechenden Nutzung definiert werden. Im nächsten Schritt muss die Nutzfläche definiert werden. Im Fall eines Büros handelt es sich dabei beispielsweise um den Schreibtisch. Anschließend muss sich der Nutzer für ein passendes Leuchten-Konzept entscheiden. Hierbei hat der Nutzer die Wahl zwischen einem direkten, einem indirekten oder einem direkt/indirekten Beleuchtungskonzept. Sobald diese Entscheidung getroffen ist, kann mit der Auswahl des Leuchten-Typs begonnen werden. Die ausgewählten 40 Leuchten können nun im Raum platziert werden. Nach diesem Schritt berechnet die Software die Verteilung des Lichtes im Raum. Die Ausgabe kann dabei, wie in Abbildung 22 dargestellt, in einer Falschfarbendarstellung ausgegeben werden. Abbildung 22: Falschfarbendarstellung der berechneten Beleuchtungsstärke im Raum 1-14 Die Falschfarbendarstellung hat den großen Vorteil, dass sogenannte Hotspots und auch die Lichtverteilung gut erkannt werden können. Nachteilig bei dieser Darstellungsvariante ist hingegen die schlechte Vergleichbarkeit mit anderen Räumen, da die farbliche Skalierung der Farben eine andere ist. Für eine bessere Vergleichbarkeit eignet sich eine Darstellung mit Isocandela-Linien, wie in Abbildung 23 gezeigt. Abbildung 23: Darstellung der Lichtverteilung im Raum 1-14 mittels Isocandela-Linien Mithilfe der Isocandela-Linien werden Punkte mit gleicher Lichtstärke, im Raum, als Linie dargestellt. Diese Variante erlaubt eine sehr einfache Vergleichbarkeit 41 unterschiedlicher Räume. Als Ausgabe einer Lichtberechnung erhält man eine Datei, die neben den Beleuchtungsstärken auch gleich die Stückliste der im Projekt verwendeten Leuchten ausgibt. In weiterer Folge wurden die Varianten „T5 Leuchtstofflampen, nicht dimmbar“, “LED Beleuchtung, nicht dimmbar“ und „Arbeitsplatzbezogene LED Beleuchtung, dimmbar“ mithilfe der Software berechnet. 5.4 Beleuchtungsvarianten In den folgenden Punkten werden die einzelnen, berechneten Varianten der Beleuchtung vorgestellt und die Vor- und Nachteile diskutiert. 5.4.1 Tabellenverfahren Die Berechnung der mittleren, spezifischen Beleuchtungsleistung wurde wie im Kapitel 5.3.1 Tabellenverfahren beschrieben durchgeführt. Die Berechnungen wurden mit der Software Solar Computer erstellt und entsprechen der aktuell gültigen Ausgabe der Norm DIN V 18599. Die Leuchten werden dabei nicht genauer spezifiziert. Es erfolgt lediglich die Auswahl des Leuchtmittels, des Betriebsgerätes und der Ansteuerung. In dem Beispiel werden die Bemessungsleistungen der Beleuchtung mit stabförmigen Leuchtstofflampen, einem elektronischen Betriebsgerät und einer geschalteten, nicht dimmbaren Ansteuerung berechnet. Weitere Eingabemöglichkeiten für den Benutzer ist ein Minderungsfaktor Sehaufgabe und der Wartungsfaktor nach DIN 12464-1. Die Norm DIN 18599 beschreibt den Minderungsfaktor Sehaufgabe folgendermaßen: „Ein Minderungsfaktor kA darf herangezogen werden, um einen mittleren Wert für den Wartungswert der Beleuchtungsstärke Ēm zu errechnen, der die Tatsache berücksichtigt, dass bei einigen Raumnutzungsarten nur eine Teilfläche der Gesamtgrundfläche eines Raumes den Bereich der Sehaufgabe ausmacht. Nach DIN EN 12464-1 liegen Anforderungen an die Wartungswerte der Beleuchtungsstärke Ēm lediglich für den Bereich der Sehaufgabe und den unmittelbaren Umgebungsbereich, hier ĒU genannt, vor. Der Minderungsfaktor kA kann den Nutzungsprofilen nach DIN V 18599-10 entnommen werden.“ (vgl DIN V 18599 2013, S. 47) 42 Alle weiteren Berechnungen werden mit einem Minderungsfaktor Sehaufgabe von 0,84 berechnet. Der Wartungsfaktor wird in der DIN 12464-1 sinngemäß folgendermaßen beschrieben: Im Laufe der Betriebszeit einer Leuchte nimmt der zur Verfügung gestellte Lichtstrom stetig ab. Die Abnahme ist abhängig von den eingesetzten Leuchtmittel, vom verwendeten Betriebsgerät und von der Konstruktion der Leuchte. Um das angestrebte Beleuchtungsniveau über einen gewissen Zeitraum sicherstellen zu können, muss die Lichtstromreduktion, ausgedrückt durch den Wartungsfaktor in der Planung berücksichtigt werden. (vgl. VDE 2014) Abbildung 24: Reduktion des Lichtstromes während der Betriebszeit einer Leuchte Anhand des Wartungsfaktors wird ein entsprechender Wartungsplan definiert. In der Regel wird von einem Wartungsfaktor von 0,67 ausgegangen. Mit modernen Leuchtmitteltechnologien und sehr sauberen Räumen kann sich der Wartungsfaktor auf 0,8 erhöhen. Da es sich beim Beispielgebäude um ein modernes und sauberes Gebäude handelt, werden alle Berechnungen mit einem Wartungsfaktor von 0,8 durchgeführt. 43 Auf die einzelnen Zonen betrachtet, sieht das Ergebnis des Tabellenverfahrens wie folgt aus: Tabelle 4: spezifische Bewertungsleistung und Anschluss Leistung berechnet mit dem Tabellenverfahren Mit 14,60 W/m² wird die spezifische Bewertungsleistung für alle Zonen, mit Ausnahme der Zone Sanitär identisch von der Software Solar Computer ausgegeben. In Anbetracht des in Punkt 5.4.1 erläuterten Tabellenverfahren müssten die berechneten Werte der einzelnen Zonen, aufgrund der anderen Geometrie und anderen Nutzung unterschiedlich sein. Da allerdings der Raumindex k mit 0,9 standardmäßig definiert ist, ergibt sich für alle Zonen, außer der Sanitärzone, die gleiche spezifische Beleuchtungsstärke. Für die Zone Sanitär ergibt sich gemäß der Berechnung eine spezifische Beleuchtungsstärke von 5,32 W/m². Die nach dem Tabellenverfahren berechnete Anschluss-Leistung der Beleuchtung beträgt 10,14 kW. 5.4.2 T5-Leuchtstofflampen, nicht dimmbar Die Variante „T5-Leuchtstofflampen“ wurde mit der Lichtplanungssoftware DIALux berechnet. T5 ist die gängigste Bezeichnung für stabförmige Leuchtstofflampen mit einem Durchmesser von 16 mm. Die Bezeichnung T16 ist im deutschsprachigen Raum ebenfalls üblich. Bei den in der Leuchte eingebauten Betriebsgeräten, handelt es sich um moderne elektronische Betriebsgeräte, die der aktuell besten Energieeffizienzklasse für nicht dimmbare Betriebsgeräte, A2 BAT, entsprechen. Die verwendeten Leuchten sind aufgrund ihres Designs und der hohen Fertigungsqualität ebenfalls unter den effizientesten, am Markt erhältlichen 44 Leuchten. Für die Zonen Büro Nord, Büro Süd, Besprechungszimmer und Empfang kommen Mirel2 T16 Leuchten aus dem Hause Zumtobel zum Einsatz. Abhängig von der Geometrie des Raumes werden dabei unterschiedliche Lampenleistungen verwendet. Die Verkehrsflächen, der Sanitärbereich und der Technikraum werden mit dem Downlight Panos HF und mit der Anbauleuchte Perluce O beleuchtet. Das Panos HF Downlight verwendet dabei eine 26W Kompaktleuchtstofflampe. Eine ausführliche Stückliste und auch die detaillierten Ergebnisse der Lichtberechnung befinden sich im Anhang. Im Detail betrachtet ergeben sich folgende, in Tabelle 5 ersichtliche Ergebnisse aus den Lichtberechnungen mit T5 Leuchtstofflampen. Tabelle 5: spezifische Bewertungsleistung und Anschluss Leistung berechnet mit Hilfe von DIALux und Verwendung von einer T5 basierender Leuchtstofflampen Beleuchtung Im Vergleich zur Berechnung mit dem Tabellenverfahren unterscheidet sich hier die spezifische Bewertungsleistung. Der wesentliche Grund hierfür ist die Geometrie der Räume. Größere Räume haben eine geringere spezifische Bewertungsleistung als kleinere. Die Anschluss-Leistung ist mit 7,25 kW deutlich geringer, als in der Berechnungsvariante mit dem Tabellenverfahren. 5.4.3 LED-Beleuchtung, nicht dimmbar Die Variante „LED Beleuchtung, nicht dimmbar“ verwendet anstatt der klassischen Leuchtstofflampe eine moderne LED als Lichtquelle. Beim gewählten LEDBetriebsgerät handelt es sich um eine einfache, nicht dimmbare Variante, die allerdings in ihrem definierten Arbeitspunkt sehr effizient ist. Die 45 Lichtberechnungen wurden wiederum mit DIALux durchgeführt. Die eingesetzten Leuchten kommen wieder aus dem Hause Zumtobel. Für die Zonen Büro Süd, Büro Nord, Besprechungszimmer und Empfang kommen Leuchten der Serie Mirel Evolution zum Einsatz. Die Zonen Verkehrsflächen, Sanitär und Technikraum werden mit dem Downlight Panos infinity und der Anbauleuchte Perluce O LED beleuchtet. Weiterführende Planungsdetails und eine entsprechende Stückliste befinden sich im Anhang. Vergleichswerte für die spezifischen Bewertungsleistungen und die Anschluss-Leistungen sind in Tabelle 6 ersichtlich. Tabelle 6: spezifische Bewertungsleistung und Anschluss Leistung berechnet mit Hilfe von DIALux und Verwendung von einer LED basierenden, nicht dimmbaren Beleuchtung Im Vergleich zu den beiden vorhergehenden Berechnungsvarianten ist eine deutliche Reduktion der spezifischen Bewertungsleistung und der AnschlussLeistung erkennbar. Die Anschluss-Leistung der Beleuchtung beträgt bei der nicht dimmbaren LED Variante 3,82 kW. 5.4.4 Arbeitsplatzbezogene LED-Beleuchtung, dimmbar Die arbeitsplatzbezogene, dimmbare LED-Beleuchtung stellt die Lösung mit dem größten Planungs- und Ausführungsaufwand dar. Als Leuchtmittel werden hierbei ebenfalls hocheffiziente LEDs eingesetzt. Im Unterschied zur nicht dimmbaren LEDBeleuchtung, werden in diesem Berechnungsbeispiel DALI dimmbare LEDBetriebsgeräte verwendet. Weiteres verfügt die Beleuchtungsanlage über eine Sensorik, die ebenfalls mit dem DALI-Bus gekoppelt ist. Mithilfe dieser Sensorik kann sowohl Präsenz, also die Anwesenheit von Personen, als auch das Beleuchtungsniveau gemessen werden. Sofern die Sensoren Anwesenheit 46 detektieren wird der jeweilige Arbeitsbereich, unabhängig von äußeren Einflüssen, auf ein konstantes Beleuchtungsniveau geregelt. Auf eine automatische Regelung des Sonnenschutzes wird aufgrund der Vergleichbarkeit mit den anderen Varianten verzichtet, obwohl die Funktionalität aufgrund der vorhandenen Sensorik naheliegend wäre. Bei den eingesetzten Leuchten handelt es sich wiederum um Leuchten von Zumtobel. In den Zonen Büro Nord, Büro Süd, Besprechungszimmer und Empfang kommen im Bereich der Schreibtische Pendelleuchten der Serie AXON zum Einsatz. Die anderen Bereiche der Räume werden mit Downlights der Serie PANOS infinity beleuchtet. Besonders bemerkenswert bei dieser Variante ist, dass es sich, um eine architektonisch hochwertigere Beleuchtungsvariante mit indirekten und direkten Beleuchtungsanteilen handelt. Für die Zonen Verkehrsfläche, Sanitär und Technikraum kommen wiederum das Downlight Panos infinity und die Anbauleuchte Perluce O LED zum Einsatz. Wie bei den anderen Varianten auch befinden sich alle Details zur Lichtplanung im Anhang. In der Tabelle 7 sind die spezifischen Bewertungsleistungen und die Anschlussleistungen ersichtlich. Tabelle 7: spezifische Bewertungsleistung und Anschluss Leistung berechnet mit Hilfe von DIALux und Verwendung von einer LED basierenden, arbeitsplatzbezogenen, dimmbaren Beleuchtung Bedingt durch die gezielte Ausleuchtung der Arbeitsbereiche konnte die spezifische Bewertungsleistung und auch die Anschluss-Leistung erneut gesenkt werden. Die Anschluss-Leistung bei dieser Variante beträgt 2,84 kW. Das Energieeinsparungspotential durch die Sensorik ist hierbei noch nicht berücksichtigt. 47 5.5 Fazit Beleuchtungsvarianten In Abbildung 25 ist der Vergleich der Beleuchtungsvarianten graphisch dargestellt. Auf den ersten Blick ersichtlich ist, wie groß die Unterschiede zwischen der mittels Tabellenverfahren und den Mithilfe von DIAlux berechneten Varianten sind. Allein durch die Planung von einer technologisch vergleichbaren Lösung, kann durch die Variante T5-Leuchtstofflampen, die in rot dargestellt ist, die Anschlussleistung gegenüber des in blau dargestellten Tabellenverfahrens von 28,56 Prozent reduziert werden. Abbildung 25: Vergleich der Beleuchtungsvarianten Bei einer Verwendung von der nicht dimmbaren LED Variante, in grün dargestellt, lässt sich gegenüber dem Tabellenverfahren die Anschlussleistung um 62,37 Prozent reduzieren. Mit der in violett dargestellten arbeitsplatzbezogenen LED Variante wird die Anschlussleistung gegenüber dem Tabellenverfahren um 71,98 Prozent reduzieren. Aus diesen Werten ist das Energieeinsparpotential, das durch eine Lichtplanung bzw. Verwendung aktueller Beleuchtungstechnik entsteht deutlich erkennbar. 48 6 Energiebedarfsvergleich des Gebäudes mit unterschiedlichen Beleuchtungsvarianten Um den Energiebedarf des Gebäudes zu ermitteln, sind umfangreiche Berechnungen notwendig. Diese Berechnungen sind mit Hilfe der Software Solar Computer erstellt worden. Die grundlegenden Bauteile, Nutzung, Zonierung und auch die Haustechnik sind in Kapitel 4 Beispielgebäude ausführlich erklärt. Die verwendeten Beleuchtungsvarianten sind in Kapitel 5 Beleuchtungen zu finden. Für alle berechneten Varianten wurden die Eigenschaften der relevanten Bauteile und auch die Grundzüge der Haustechnik nicht verändert. Die Anforderungen an die Haustechnik sind aufgrund des veränderten Wärmeeintrags der Beleuchtung bei jeder Variante jedoch anders. Das heißt, je effizienter die Beleuchtung, umso geringer die Wärmegewinne. Das heißt der Heizwärmebedarf steigt, der Kühlbedarf sinkt. Das Ergebnis jeder Berechnung stellt eine Energiebilanzierung nach DIN V 18599 dar. Diese Energieberechnungen stellen die Datengrundlage für die angeführten Tabellen dar. Die Energieausweise der Gebäudevarianten und auch das Archivfile der Solar Computer Simulation befinden sich im digitalen Anhang. 6.1 Primärenergiebedarf des Gebäudes Der Vergleich des Primärenergiebedarfs des Gebäudes stellt die objektive Vergleichsmöglichkeit dar. Alle für den Betrieb des Gebäudes benötigten Endenergien werden nach den in der Norm definierten Umrechnungsfaktoren in einen Primärenergiebedarf umgerechnet. Um auf die unterschiedlichen Zonen eingehen zu können, stelle ich in den folgenden Tabellen, jeweils eine Zone mit allen vier Beleuchtungsvarianten dar. 6.1.1 Gesamtes Gebäude In Tabelle 8 wird der Primärenergiebedarf des Gebäudes mit unterschiedlichen Beleuchtungsvarianten dargestellt. Bedingt durch den reduzierten Energieeintrag der Beleuchtung, steigt der Primärenergiebedarf der Heizung an. Durch denselben Effekt sinkt der Primärenergiebedarf der Kühlung. Die Luftförderung, die im 49 Wesentlichen durch die Nutzung bestimmt wird, bleibt bei allen berechneten Varianten gleich. Tabelle 8: Vergleich des Primärenergiebedarfs des gesamten Gebäudes mit unterschiedlichen Beleuchtungsvarianten Tabelle 8 und Abbildung 26 zeigen den Vergleich des Primärenergiebedarfs des gesamten Gebäudes. Bezogen auf die verschiedenen Anlagen hat die Heizung, je nach Beleuchtungsvariante, mit 65.028 – 68.896 kWh/a den mit Abstand größten Anteil am Energiebedarf. Im Fall einer Lichtberechnung mittels Tabellenverfahren stellt die Beleuchtung mit 32.325 kWh/a den zweit-größten Anteil am Primärenergiebedarf dar. Wie im Vergleich mit den verschiedenen Beleuchtungsvarianten ersichtlich wird, ist das Potential der Beleuchtung groß! Mit einer optimierten, arbeitsplatzbezogenen LED-Beleuchtung lässt sich der Primärenergiebedarf der Beleuchtung auf 5.624 kWh/a reduzieren. Abbildung 26: Primärenergiebedarf für die Anlagentechnik für das gesamte Gebäude Der steigende Energiebedarf fürs Heizen ist größer als jeder für die Kühlung. Dies lässt sich durch die geographische Lage des Gebäudes, sowie der Bauweise mit Lochfassade erklären. Definitionsgemäß steht das Gebäude in Bremerhaven. Laut 50 der langjährigen Klimastatistik hat die Stadt, eine durchschnittliche Temperatur von 9,05 °C. (vgl. Klimadaten Bremerhaven 2015) Bedingt durch die kühlen Außentemperaturen in Bremerhaven, ist die Heizperiode wesentlich länger als die Kühlperiode. Das Einsparpotential der Kälteanlage, das durch den geringeren Energieeintrag der Beleuchtung entsteht, ist somit recht klein. Würde das Gebäude in einer wärmeren Region stehen, wäre diese Hebelwirkung wesentlich größer. Trotz dieser ungünstigen Ausgangslage kann mit einer durchdachten Beleuchtung der Primärenergiebedarf um 8.811 bis 25.216 kWh/a gesenkt werden. Besonders auffallend dabei sind, folgende Gegebenheiten: • Der Unterschied zwischen dem Tabellenverfahren und der Leuchtstofflampen-Variante ist mit 8.811 kWh/a, was immerhin 6,7 % entspricht, groß. Vor allem in Anbetracht, dass es sich um dieselbe Technologie mit unterschiedlichen Berechnungsmethoden handelt. • Die Differenz zwischen der Beleuchtung mit Leuchtstofflampen und der nicht dimmbaren LED-Variante zeigt deutlich das Potential, das in dieser noch jungen Technologie steckt. Allein durch die Verwendung von LEDBeleuchtung, lassen sich somit nochmals zusätzliche 10.560 kWh/a, was 8,30 % entspricht, einsparen. • Die Differenz zwischen der LED und der arbeitsplatzbezogenen LEDBeleuchtung lässt sich auf zwei Unterschiede zurückführen. Die spezifische Bemessungsleistung der arbeitsplatzbezogenen Lösung ist etwas niedriger als die der normalen LED-Beleuchtung. Der zweite große Unterschied ergibt sich durch die Ansteuerung der Beleuchtungsanlage. Durch die automatische Beleuchtungsregelung durch Sensoren wird ein weiteres Potential, das in der Beleuchtung steckt, aktiviert. • Die Veränderung des Energieeintrags durch die Beleuchtung hat einen wesentlichen Einfluss auf die Dimensionierung der Heiz- und Kälteanlage. In den einzelnen Zonen sehen die berechneten Ergebnisse wie folgt aus. 51 6.1.2 Büro Süd In Tabelle 9 und Abbildung 27 werden die unterschiedlichen Beleuchtungsvarianten und der Primärenergiebedarf der Anlagentechnik für die Zone Büro Süd dargestellt. Tabelle 9: Vergleich des Primärenergiebedarfs der Zone Büro Süd mit unterschiedlichen Beleuchtungsvarianten Abbildung 27: Primärenergiebedarf für die Anlagentechnik für die Zone Büro Süd Im Vergleich zum gesamten Gebäude fällt dabei auf, dass sich in der Zone Büro Süd, mit der T5-Variante etwas weniger Energie mit der Beleuchtung einsparen lässt. Der Grund für diese Abweichung liegt einerseits in der Geometrie der Räume und anderseits in der Südausrichtung. Bedingt durch den großen Anteil an Tageslicht, der durch die großen Fensterflächen in den Raum kommt, ist die Beleuchtung öfter ausgeschaltet. Die beiden LED-Varianten liegen nahe an den Werten des gesamten Gebäudes. 52 6.1.3 Büro Nord Tabelle 10 und Abbildung 28 spiegelt den Energiebedarf der Zone Büro Nord wieder. Tabelle 10: Vergleich des Primärenergiebedarfs der Zone Büro Nord mit unterschiedlichen Beleuchtungsvarianten Abbildung 28: Primärenergiebedarf für die Anlagentechnik für die Zone Büro Nord Im Vergleich zu den anderen Zonen bzw. zum gesamten Gebäude ist das Energieeinsparpotential der Leuchtstofflampen- und LED-Beleuchtung etwas geringer. Die Gründe hierfür sind in der Geometrie der Räume bzw. in der Lichtplanung zu finden. Da die Fläche der einzelnen Büros kleiner ist als in anderen Zonen, ist die spezifische Beleuchtungsleistung speziell bei der LED-Variante etwas höher. 6.1.4 Besprechungszimmer Tabelle 11 und Abbildung 29 zeigen den Primärenergiebedarf der Zone Besprechungszimmer. 53 Tabelle 11: Vergleich des Primärenergiebedarfs der Zone Besprechungszimmer mit unterschiedlichen Beleuchtungsvarianten Abbildung 29: Primärenergiebedarf für die Anlagentechnik für die Zone Besprechungszimmer Bei der Zone Besprechungszimmer machen sich die Vorteile der größeren Räume minimal bemerkbar. Durch die größere Fläche sinkt die spezifische Bewertungsleistung in der Variante T5 etwas ab. Die LED-Varianten liegen nahe bei den Werten für das gesamte Gebäude. 6.1.5 Sanitär Tabelle 12 und Abbildung 30 stellen den Primärenergiebedarf der Zone Sanitär dar. Tabelle 12: Vergleich des Primärenergiebedarfs der Zone Sanitär mit unterschiedlichen Beleuchtungsvarianten 54 Abbildung 30: Primärenergiebedarf für die Anlagentechnik für die Zone Sanitär Besonders auffallend ist, dass die mittels DIALux berechneten Varianten schlechter, bzw. nur geringfügig besser, als die Berechnung mit dem Tabellenverfahren sind. Die Gründe hierfür sind in Abbildung 25 ersichtlich. Abbildung 31: Leuchten Anordnung im Sanitärbereich mit der Raumnummer 0-07 Die mit DIALux berechneten Varianten haben jeweils vier Downlights, um starke Schattenbildung in den WC-Kabinen zu vermeiden. Das Beleuchtungsniveau ist dadurch etwas höher als gefordert, was sich natürlich in der spezifischen Bewertungsleistung wiederspiegelt. 55 6.1.6 Empfang Der Primärenergieverbrauch für den Empfangsbereich wird in Tabelle 13 und Abbildung 32 dargestellt. Tabelle 13: Vergleich des Primärenergiebedarfs der Zone Empfang mit unterschiedlichen Beleuchtungsvarianten Abbildung 32: Primärenergiebedarf für die Anlagentechnik für die Zone Empfang Wie auch bei den Besprechungszimmern macht sich die Größe des Raumes positiv auf das mögliche Energieeinsparpotenzial bemerkbar. Im Vergleich zum restlichen Gebäude ist das Energieeinsparpotential in dieser Zone für die Varianten T5 und LED leicht unterdurchschnittlich und für die Variante LED arbeitsplatzbezogen etwas über dem Durchschnitt. 56 6.1.7 Verkehrsfläche Für die Verkehrsflächen ergeben sich die in Tabelle 14 und Abbildung 33 ersichtlichen Potentiale zur Primärenergieeinsparung. Tabelle 14: Vergleich des Primärenergiebedarfs der Zone Verkehrsfläche mit unterschiedlichen Beleuchtungsvarianten Abbildung 33: Primärenergiebedarf für die Anlagentechnik für die Zone Verkehrsfläche In der Zone Verkehrsfläche schneidet die Berechnung mit dem Tabellenverfahren, im Vergleich zu den mit DIALux berechneten Varianten besonders schlecht ab. Dies zeigt besonders, dass bei komplexeren Räumen wie beispielsweise dem Treppenhaus, eine Lichtplanung dem Tabellenverfahren weit überlegen ist. Weiteres ist für diese Zone die spezifische Bemessungsleistung für die Varianten LED und LED-arbeitsplatzbezogen dieselbe. Die Reduktion des Primärenergiebedarfs von immerhin 800,44 kWh/a ergibt sich allein durch den Einsatz einer sensorgesteuerten, dimmbaren Beleuchtung. Entsprechende Werte für die 57 Reduktion durch die Verwendung von einer Sensorik sind ebenfalls in der DIN 18599 beschrieben. 6.1.8 Technikraum Die Tabelle 15 zeigt den Primärenergiebedarf des Technikraumes. Tabelle 15: Vergleich des Primärenergiebedarfs der Zone Technikraum mit unterschiedlichen Beleuchtungsvarianten Abbildung 34: Primärenergiebedarf für die Anlagentechnik für die Zone Technikraum Im Vergleich zum restlichen Gebäude ist das Energieeinsparpotential besonders für die Varianten T5 und LED besonders hoch. Für die Variante LED-arbeitsplatzbezogen und LED wird wieder dieselbe Leuchte verwendet. Der unterschiedliche Energiebedarf ergibt sich wieder durch die sensorgesteuerte, dimmbare Beleuchtung. 6.2 Tabellenverfahren mit optimierter Dämmung Das Tabellenverfahren zur Berechnung der spezifischen Beleuchtungsleistung ist das gängigste Verfahren, denn zum Zeitpunkt der Einreichung, für die neben den Plänen 58 und statischen Berechnungen auch ein Energieausweis benötigt wird, ist die detaillierte Lichtplanung noch nicht gemacht. Um mit dem Tabellenverfahren vergleichbare Werte erreichen zu können, hat der Architekt unter anderem die Möglichkeit die Gebäudehülle zu optimieren. Auf den nächsten Seiten möchte ich zeigen, welches Maßnahmenpaket notwendig ist, um auf einen, mit den LEDVarianten vergleichbaren Primärenergiebedarf zu kommen. 6.2.1 Optimierte Gebäudehülle Die Ausgangsvariante für die Optimierung stellt die Variante Tabellenverfahren dar. Ziel ist es, den Primärenergiebedarf auf das Niveau der Variante LEDarbeitsplatzbezogen zu reduzieren. Um dieses Ziel zu erreichen, wird ausschließlich die Gebäudehülle durch folgende Maßnahmen thermisch verbessert. 6.2.1.1 Außenwand mit Luftkontakt Die Wärmedämmung der Außenwand mit Luftkontakt wird auf 300 mm erhöht. Ausgehen vom in Punkt 4.2.1.3 beschriebenen Bauteil wird die Dämmstärke damit um 140 mm erhöht. Abbildung 26 zeigt den Temperaturverlauf des neuen Wandaufbaus. Der U-Wert der neuen Wand beträgt 0,113 W/m²K. Im Vergleich dazu hat die bestehende Aussenwand einen U-Wert von 0,205 W/m²K. Abbildung 35: Temperatur und Verlauf des Taupunktes der optimierten Außenwand mit 300 mm Dämmung Quelle: U-Wert.net 2015 59 6.2.1.2 Dach Die zweite Maßnahme ist die thermische Verbesserung der Flachdachkonstruktion. Da der Dachaufbau nicht sichtbar ist, und somit architektonisch nicht relevant ist, wurde die Dämmung von 200mm auf 500 mm erhöht. Den Aufbau und den Temperaturverlauf des neuen Aufbaus ist in Abbildung 27 ersichtlich. Abbildung 36: Temperatur und Verlauf des Taupunktes der optimierten Dachkonstruktion mit 500 mm Dämmung Quelle: U-Wert.net 2015 Im Vergleich zur bestehenden Dachkonstruktion verbessert sich der U-Wert von 0,167 W/m²K auf 0,0687 W/m²K. 6.2.1.3 Fenster Da die in Punkt 4.2.1.6 beschriebenen Fenster bereits den aktuellen Stand der Technik wiederspiegeln, ist hier das Optimierungspotential nicht mehr groß. Die einzige mögliche Verbesserung ist das Verwenden eines Scheibenverbunds mit einem U-Wert von 0,5 W/m²K. Das Glas, das bei den ersten Berechnungsvarianten verwendet wurde, hat einen U-Wert von 0,6 W/m²K. Weitere Optimierungen, wie die Verwendung von einer Verglasung mit vier Scheiben, sind mit extrem hohen, Kosten verbunden und werden daher für diese Berechnung nicht beachtet. 6.2.1.4 Trennwand im Untergeschoß Die Trennwände im Untergeschoß, die sich zwischen dem Technikraum bzw. dem Treppenhaus und dem nicht beheizten Lager befinden, hat in der ursprünglichen 60 Variante eine Dämmung von 120 mm und somit einen U-Wert von 0,262 W/m²K. Die optimierte Variante hat eine 400 mm starke Dämmung. Damit erreicht sie einen U-Wert von 0,085 W/m²K. 6.2.2 Primärenergieverbrauch des gesamten Gebäudes mit optimierter Gebäudehülle Tabelle 16 und Abbildung 37 zeigen den Vergleich zwischen den ursprünglich berechneten Varianten Tabellenverfahren und LED-arbeitsplatzbezogen. Zusätzlich ist die neue Variante Tabellenverfahren mit optimierter Gebäudehülle ersichtlich. Tabelle 16: Vergleich des Primärenergiebedarfs des gesamten Gebäudes, mit einer optimierten Gebäudehülle und mit unterschiedlichen Beleuchtungsvarianten Abbildung 37: Primärenergiebedarf für die Anlagentechnik des gesamten Gebäudes In der Tabelle ist die Wirkung der Maßnahmen am besten am Energiebedarf der Heizung zu erkennen. Im Vergleich mit der Ausgangsvariante sinkt der Primärenergiebedarf für die Heizung um 8.053 kWh/a. Der Energiebedarf der Heizung steigt hingegen geringfügig an. Erklärbar ist dies ebenfalls durch die bessere Dämmung. In der ursprünglichen Variante war der Anteil der Transmission 61 wesentlich größer, bei der optimierten Variante muss diese Wärmeenergie durch die Kälteanlage abgeführt werden. Da es sich um dieselben Parameter handelt, ist der Energiebedarf für die Beleuchtung mit der ursprünglichen Variante identisch. Der Energiebedarf der Luftförderung sinkt bei der optimierten Variante ebenfalls deutlich. In Summe ergibt sich durch die optimierte Gebäudehülle ein Primärenergieeinsparpotential von 10.860 kWh/a. Im Vergleich zur ursprünglichen Variante Tabellenverfahren bietet Variante LED-arbeitsplatzbezogen ein Primärenergieeinsparpotential von 25.215 kWh/a. 6.2.3 Transmission Da die Einsparung durch die optimierte Gebäudehülle weit geringer wie erwartet ist, möchte ich den Zusammenhang anhand der Abbildungen 28 und 29 kurz erklären. Abbildung 38: Bauteiltransmission des gesamten Gebäudes mit der Beleuchtungsvariante Tabellenverfahren In Abbildung 38 sind die Bauteiltransmissionen des gesamten Gebäudes in der Variante Tabellenverfahren ersichtlich. Auffallend dabei ist, dass die Fenster, das Dach und die Außenwände mit Luftkontakt 89,67 Prozent zur gesamten 62 Bauteiltransmission beitragen. Nach der Optimierung der Dämmwerte verändert sich die Aufteilung wie in Abbildung 39 ersichtlich. Abbildung 39: Bauteiltransmission des gesamten Gebäudes mit thermisch optimierter Gebäudehülle mit der Beleuchtungsvariante Tabellenverfahren In Abbildung 29 ist die Optimierung der Hülle gut erkennbar. Was auffällt ist, dass der Anteil der Bauteiltransmission der Fenster auf 54,18 Prozent gestiegen ist. Hierdurch wird ersichtlich, dass eine weitere Optimierung an den Fenstern am meisten Potential hätte. 6.2.4 Fazit Optimierung der Gebäudehülle Besonders in diesem Vergleich wird die Bedeutung der Anlagentechnik in Nichtwohngebäuden klar. Die Stellschraube „Anlagentechnik“ und besonders die Optimierung der Beleuchtung, haben bei dieser Art von Gebäuden ein Primärenergieeinsparungspotential das mit einer Optimierung der Gebäudehülle kaum bzw. nur mit sehr hohem Kosteneinsatz erreicht werden kann. 63 6.3 Wirtschaftlicher Vergleich der Szenarien Neben dem gesenkten Primärenergiebedarf des Gebäudes stehen jedoch für viele Gebäudeeigentümer die Betriebskosten im Vordergrund. Die für die Energie anfallenden Betriebskosten lassen sich am besten über den Endenergiebedarf ermitteln. Tabelle 17: Wirtschaftlicher Vergleich der Energiekosten des gesamten Gebäudes mit unterschiedlichen Beleuchtungsvarianten Abbildung 40: Vergleich der jährlichen Betriebskosten mit unterschiedlichen Beleuchtungsvarianten In Tabelle 17 und Abbildung 40 sind die Betriebskosten für die unterschiedlichen Szenarien dargestellt. Im Vergleich zum Primärenergiebedarf ist das Kosteneinsparpotential wesentlich höher. Der Grund für diese Tatsache sind die unterschiedlichen Kosten für die verwendeten Energieträger und die Verwendung der Endenergie als Berechnungsgrundlage. Die Kosten für eine Kilowattstunde Endenergie für die Heizung, in diesem Fall Erdgas, wird mit 0,07 € angenommen. Eine Kilowattstunde an elektrischer Energie wird hingegen mit 0,26 € berechnet. 64 (vgl. Bund Deutscher Energieverbraucher 2015) Aufgrund dieses Kostenunterschiedes ergibt sich zwischen der Variante Tabellenverfahren und der Variante LED-arbeitsplatzbezogen eine jährliche Kostendifferenz von 2921,59 €. In Anbetracht der gesamten Energiekosten entspricht dies einer Einsparung von 25,20 Prozent. 7 Fazit und Ausblick Neben der Einsparung von Betriebskosten, die sich in Abhängigkeit von den aktuellen Energiepreisen verändert, stellt die Einsparung an Primärenergie weitere, bisher kaum beachtete Hebeleffekte dar, die im Folgenden aufgezeigt werden: • Erreichen von Förderbedingungen: Insbesondere die Förderungen über die KfW-Förderbank basieren auf der prozentuellen Unterschreitung des Primärenergiebedarfs, im Vergleich zum EnEV-Neubaustandard. Mit einer lichttechnischen Fachplanung und dem Einsatz entsprechend effizienter Leuchtmittel können gegebenenfalls die Förderbedingungen ohne sonst erforderliche Maßnahmen - wie etwa der Verwendung zusätzlicher Dämmung - erreicht werden. • Erreichen zukünftiger Energiestandards: Die Anforderungen an die Energieeinsparung im Neubau und Gebäudebestand steigen zukünftig weiter an. Die nächste Verschärfung des Primärenergiebedarfs um 25 % ist in der EnEV für 1.1. 2016 angekündigt. Um diese Anforderung zu erfüllen, sind insbesondere in der Anlagentechnik deutliche Veränderungen erforderlich. Hier stellt die lichttechnische Fachplanung ein effektives und wirtschaftliches Instrument dar. • Optimierung der Anlagentechnik, Synergieeffekt: Durch eine effiziente Beleuchtung sinkt wie in Kapitel 6.1.1 dargestellt der Kühlenergiebedarf des Gebäudes. Hierdurch kann die Auslegung der Kühlgeräte in Richtung einer geringeren Leistungsaufnahme verändert werden. Dies bedeutet geringere Investitionskosten. 65 • Optimierung der Anlagentechnik: Mit dem Puffer, den man durch die lichttechnische Fachplanung hinsichtlich der Primärenergieeinsparung erzielt, entsteht Spielraum für den Einsatz kostengünstigerer Technik. Die Endenergieeinsparung die mit einer optimierten Beleuchtung, in diesem Gebäude möglich ist beträgt 8.860 kWh/a. Der deutsche Strom-Mix verursachte 2013 pro Kilowattstunde einen CO2 Ausstoß von 587 g/kWh Endenergie. (vgl. GEMIS 2015) Für das Gebäude ergibt sich somit ein jährlicher CO2 Ausstoß von 5.200 kg/a. Diese jährliche Menge an CO2 entspricht dem gebundenen Kohlenstoff von ca. 10 Bäumen oder 33.000 km gefahren Kilometer mit einem PKW der 6 Liter Diesel pro 100 km benötigt. (vgl. DEKRA 2015) Die in Kapitel 6 vorgestellten Ergebnisse zeigen die Bedeutung des integralen Planungsansatzes. Wie eingangs erwähnt, wird in der Regel die Lichtplanung zu einem sehr späten Zeitpunkt durchgeführt. Dieser Ansatz vergibt wertvolle Chancen zur Optimierung von Energieeinsparung und Komfort. Der Einfluss der Beleuchtung auf die Gebäudeeffizienz und damit auf die Lebenszykluskosten ist sehr groß und sollte daher in frühen Leistungsphasen (LPH) eingeplant werden. Abbildung 41: Einflussmöglichkeiten und Kosten in unterschiedlichen Phasen des Lebenszyklus des Gebäudes Quelle: Lifecyclebetrachtung 2015 Die Möglichkeiten der Einflussnahme auf ein Gebäude sind zu Beginn der Planung sehr hoch. Hier werden die wesentlichen Weichen für die spätere Kostenentwicklung gestellt. 66 Die Gesamtleistung eines Architekten oder Ingenieurs wird in Deutschland nach der Honorarordnung für Architekten- und Ingenieurleistungen (HOAI) in folgende Leistungsphasen gegliedert: • Grundlagenermittlung • Vorplanung mit Kostenschätzung • Entwurfsplanung und Kostenberechnung • Genehmigungsplanung • Ausführungsplanung • Vorbereitung der Vergabe • Mitwirkung bei der Vergabe inklusive Kostenanschlag • Objektüberwachung • Objektbetreuung Die Ermittlung der Beleuchtungsenergie ist ein Bestandteil der Energiebilanzierung. Bislang ist es üblich, die Energiebilanzierung frühestens am Ende der Leistungsphase 3 zu erbringen. Dies ist jedoch in der Regel zu spät, um grundlegende Varianten zu betrachten. Für die Planung eines energetisch und CO2 optimierten Gebäudes ist daher die frühzeitige Erstellung eines Energiekonzeptes sinnvoll. Dieses basiert auf der Gesamtbetrachtung des Energiebedarfs, der Behaglichkeit und der Emissionen. Hierfür benötigt es einen gut abgestimmten interaktiven Planungsprozess in den ersten Planungsphasen. Ziel ist, den Gesamtenergiebedarf durch geeignete bauliche Maßnahmen zu minimieren und den verbleibenden Energiebedarf durch aktive energieeffiziente Gebäudesysteme zu optimieren, was durch Variantenberechnungen erfolgt. Die erste grobe Gesamtbilanzierung sollte daher in der Leistungsphase 2 erfolgen, wobei die Lichtplanung bereits integriert sein sollte, um in der Gesamtbetrachtung Potenziale zu erkennen und auszuschöpfen. 67 Literaturverzeichnis Bullinger, Hans-Jörg (2002) Kunststück Innovation: Praxisbeispiele aus der Frauenhofer – Gesellschaft. Berlin. Springer Verlag Bund Deutscher Energieverbraucher (2015) http://www.energieverbraucher.de/de/preise__981/ (Zugriff am 1.7.2015) Dau, Antie (2008) Ein digitales elektronisches Vorschaltgerät für Leuchtstofflampen mit neuer Steuer und Regelfunktionen. Göttingen. Cuvillier Verlag DIN V 18599 (2013): Energetische Bewertung von Gebäuden, Berlin, Beuth Verlag DEKRA (2015) http://www.dekra-online.de/co2/co2_rechner.html (Zugriff am 20.7.2015) Dorsch, Lutz (2011) Zonierung von Nichtwohngebäuden nach DIN V 18599, Berlin, Beuth Verlag Energieagentur NRW (2014) http://www.energieagentur.nrw.de/infografik/grafik.asp?RubrikID=3137 (Zugriff am 17.07.2015) Ganslandt, Rüdiger – Hoffmann, Harald (2013) Handbuch der Lichtplanung, Berlin, Springer Verlag GEMIS (2015) http://www.iinas.org/tl_files/iinas/downloads/GEMIS/2014_KEVStrom-2013_HEA.pdf (Zugriff am 20.7.2015) Holzinger, Andreas (1998) Deutsch Taschenbücher, Bd.95, Von der Wachskerze zur Glühlampe. Frankfurt am Main, Harri Deutsch Verlag Kammoun, Anis (2008) Organische Leuchtdioden aus Polymeren und niedermolekularen Verbindungen für großflächige OLED Anzeigen. Göttingen. Cuvillier Verlag 68 Klimadaten Bremerhaven (2015) http://www.wetterkontor.de/de/klima/klima2.asp?land=de&stat=10129) (Zugriff am 15.6.2015) Landesamt für Archäologie Sachsen Anhalt (2000) Geschichte der Öl und Gaslampe http://www2.archlsa.de/lightkultur/light2001/index.htm (Zugriff am 18.06.2011) Lajos, Joos (2004) Energieeinsparung in Gebäuden: Stand der Technik; Entwicklungstendenzen, 2 Auflage, Essen, Vulkan Verlag Lifecyclebetrachtung (2015) http://www.gatermannschossig.de/pages/de/profile/nachhaltiges_bauen/367.lifecyclebetrachtung.htm (Zugriff am 20.7.2015) Osram Lamp (2015) http://www.osram.de/osram_de/Professionals/Allgemeinbeleuchtung/Leuchtstoffl ampen/Technologien/Niederdruck-Gasentladung/index.html (Zugriff am 16.06.2015) Schmid, Christoph (2013) Heizung, Lüftung, Elektrizität: Energietechnik im Gebäude, Zürich, vdf Hochschulverlag Schulze, Horst (2015) Holzbau: Wände – Decken – Bauprodukte – Dächer – Konstruktionen – Bauphysik – Holzschutz, 2 Auflage, Berlin, Springer Verlag Schiegl, Solveig (1997) Feuernutzung durch den Frühmenschen. Heidelberg. Winter Verlag Scheibe, Andreas (2009) Vorteile und Nachteile beim Einsatz unterschiedlicher elektrischer Lichtquellen in der Beleuchtungstechnik. München. Grin Verlag Theiss, Erik (2000) Gebäudetechnik, Bd.1, Beleuchtungstechnik: neue Technologien der Innen- und Aussenbeleuchtung. München. Oldenbourg Industrieverlag Tridonic (2015) http://www.tridonic.com/com/de/download/technical/LCAI__ECO_LCI_TOP_Produ kthandbuch_de.pdf (Zugriff am 1.6.2015) 69 U-Wert.net (2015) http://www.u-wert.net/berechnung/u-wert-rechner/ (Zugriff am 18.07.2015) Vogler, Karl (2013) Haustechnik: Grundlagen – Planung – Ausführung, Stuttgart, B. G. Teubner Verlag VDE (2014) https://www.vde.com/de/Regionalorganisation/Bezirksvereine/Koeln/TransmitterDownloads/Downloads/Documents/Forum%20Beleuchtung%2014.11.13/zvei_leitfa den_12464_1_Licht_und_Beleuchtung.pdf (Zugriff am 25.5.2015) Weiße LED (2015) http://ledwerkstatt.ch/ueber-uns/led/ (Zugriff am 11.07.2015) ZVEI (2010) http://www.zvei.org/Publikationen/CELMA-ELC-ERPLeitfaden%20Tertiaerbeleuchtung.pdf (Zugriff am 20.6.2015) 70 Anhang Aufgrund des Umfangs des Anhangs von mehreren hundert Seiten, befinden sich alle, für die Arbeit relevanten Schriftstücke und Berechnungen auf der CD im hinteren Hardcover. 71 Eidesstattliche Erklärung Ich erkläre hiermit an Eides statt, dass ich vorliegende Masterarbeit selbstständig und ohne Benutzung anderer als der angegebenen Hilfsmittel angefertigt habe. Die aus fremden Quellen direkt oder indirekt übernommenen Stellen sind als solche kenntlich gemacht. Die Arbeit wurde bisher weder in gleicher, noch in ähnlicher Form, einer anderen Prüfungsbehörde vorgelegt und auch noch nicht veröffentlicht. Dornbirn am 31.07.2015 Simon Ladurner
