Typologische Kenngrößen von Nichtwohngebäuden im Bestand
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Nichtwohngebäude im Bestand – eine Querschnittsanalyse Typologische Kenngrößen von Nichtwohngebäuden im Bestand Querschnittsanalyse der TEK-Datenbank Michael Hörner Institut Wohnen und Umwelt GmbH, Darmstadt www.iwu.de September 2015 Ein Fachmann erkennt die energetischen Schwachstellen eines Gebäudes oft schnell, es ist aber auch für ihn nicht so einfach, zu quantifizieren, wieviel Energie verloren geht und was das kostet. Die Verbrauchsausweise nach der Energieeinsparverordnung (EnEV) können zwar Ausreißer innerhalb einer Gebäudekategorie identifizieren, die Ursachen hierfür bleiben jedoch unklar. Und aus den Kennwerten ein Einsparpotenzial abzuleiten, das wäre kühn. Eine genauere Gebäudeanalyse nach DIN V 18599 erfordert jedoch umfangreiche Analysen und detaillierte Daten. Dies gilt besonders für Nichtwohngebäude im Bestand, da hier die notwendigen Informationen nur selten komplett vorliegen. Eine weitere Schwierigkeit: Weil die Analyse nach DIN V 18599 den nutzungsspezifischen Stromverbrauch nicht berücksichtigt, ist ein Abgleich zwischen berechnetem Bedarf und gemessenem Verbrauch kaum möglich. Außerdem ist der hierfür notwendige Zeitaufwand enorm hoch. Deshalb haben Wissenschaftler des Instituts Wohnen und Umwelt (IWU) in Darmstadt gemeinsam mit anderen Fachleuten aus Wissenschaft und Praxis im Forschungsprojekt „Teilenergiekennwerte von Nichtwohngebäuden“ eine Methodik zur energetischen Analyse von Nichtwohngebäuden im Bestand entwickelt. Diese wurde in der Software „TEK-Tool“ umgesetzt und in einem Feldtest erprobt. Das TEK-Tool rechnet in Anlehnung an das Monatsbilanzverfahren der DIN V 18599, nutzt als Rechenkern jedoch die vereinfachte Mehrzonen-Nutzenergiebilanz von EnerCalC, einer im Rahmen eines gesonderten Forschungsprojekts entwickelten Software. Es berücksichtigt zusätzlich den nutzungsspezifischen Strombedarf. Zusammen mit weiteren Vereinfachungen, z. B. zur Abbildung der technischen Anlagen, wird es möglich, den Energiebedarf von Nichtwohngebäuden mit vertretbarem Aufwand zu bilanzieren. Die Software soll Energieberater dabei unterstützen, den Ist-Verbrauch zu verstehen, Teilverbräuche zu bewerten, Schwachstellen zu erkennen und Einsparpotenziale zu berechnen. Dazu werden spezifische Kenngrößen gebildet, z. B. Energiekennwerte, Nutzungsgrade oder geometrische Kenngrößen, um verschiedene energierelevante Eigenschaften der Gebäude zu quantifizieren und mit Referenzwerten vergleichen zu können. Der Gesamtenergiebedarf wird aus Teilenergiebedarfen, differenziert nach technischen Gewerken – wie Heizung, Lüftung oder Beleuchtung – und Zonen, berechnet. Daraus ergeben sich die sogenannten Teilenergiekennwerte (TEKs). Die objektspezifisch berechneten TEKs des Ist-Zustands (Ist-TEKs) werden mittels des ebenso differenzierten Systems der vordefinierten ReferenzTeilenergiekennwerte (Ref-TEKs) in eine von fünf Energieaufwandsklassen („sehr gering“ bis „sehr hoch“) eingestuft. So lassen sich der Energieaufwand, energetische Schwachstellen und das mögliche Einsparpotenzial unter Berücksichtigung der konkreten Nutzung und der baulichen Gegebenheiten schnell bewerten. Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 1 von 22 Nichtwohngebäude im Bestand – eine Querschnittsanalyse 1. Grundlagen Schätzungsweise ein Siebtel der gesamten CO2-Emissionen Deutschlands sollen auf die Beheizung, Warmwassererzeugung, Klimatisierung und Beleuchtung von Nichtwohngebäuden entfallen. Genauere Zahlen über den tatsächlichen energetischen Zustand von Bestandsgebäuden fehlen jedoch. Um diese Informationsdefizite zu reduzieren, wurden im Rahmen der Energieforschung die energetischen Eigenschaften von Nichtwohngebäuden im Bestand detaillierter untersucht. Im Projekt Teilenergiekennwerte von Nichtwohngebäuden (TEK)1 wurde dazu eine Methodik zur vereinfachten, energetischen Bilanzierung von Nichtwohngebäuden im Bestand erarbeitet und das TEK-Tool als ein Werkzeug für die Energieberatung entwickelt. Die zugrundeliegende Methodik von TEK übernimmt den Ansatz der DIN V 18599 mit einer monatsweisen Berechnung und einer Mehrzonen-Nutzenergiebilanz zur Abbildung unterschiedlicher Nutzungen in einem Gebäude. Die TEK-Methodik arbeitet jedoch wegen der bei Bestandsgebäuden oft spärlichen Datenlage mit Vereinfachungen und insbesondere in der Anlagentechnik mit Angaben, die vor Ort erhoben werden können, z.B. auf Typenschildern von raumlufttechnischen Anlagen. Die Eingabedaten der Gebäudehülle können objektspezifisch detailliert oder, wie oben bereits erwähnt, vereinfacht erfasst werden, wenn es schnell gehen soll. Die sonst sehr aufwendige Aufteilung der Gebäudehüllfläche auf die Nutzungszonen erfolgt automatisiert. Nutzungsparameter können für alle Zonen als Standardwerte oder objektspezifisch eingegeben werden. Zusammen mit weiteren Vereinfachungen im Berechnungsalgorithmus kann die Menge der Eingabedaten so deutlich reduziert und die Gebäudeanalyse erheblich beschleunigt werden. Fachleute können die Analyse bei guter Datenlage in etwa zwei bis drei Arbeitstagen durchführen. Außerdem erweitert TEK den Bilanzraum auf den nutzerspezifischen Energiebedarf wie Arbeitshilfen, Geräte, Aufzüge etc., um den berechneten Bedarf besser mit dem gemessenen Verbrauch vergleichen zu können. Das TEK-Tool wurde in einem Feldtest umfangreich getestet. So entstand die TEK-Datenbank, eine in Deutschland einzigartige Sammlung von 93 Datensätzen von Nichtwohngebäuden im Bestand unterschiedlichen Typs. Alle erfassten Gebäude sind mit detaillierten Angaben zur wärmetechnischen Beschaffenheit der Gebäudehülle, zur Effizienz der Anlagentechnik und zum Nutzerverhalten sowie zum gemessenen Energieverbrauch dokumentiert. In einer Querschnittsanalyse2 der TEK-Datenbank wurden typische, geometrische und energetische Kenngrößen von Nichtwohngebäuden im Bestand ermittelt und, soweit möglich, statistisch ausgewertet. Ausgewählte Ergebnisse dieser Querschnittsanalyse sind in diesem Beitrag zusammengefasst. Dabei wurden Kenngrößen zur Hüllflächenexposition und Energiekennwerte abgeleitet, und zwar sowohl für das gesamte Gebäude (vgl. Kapitel 2) als auch für einzelne Nutzungszonen (vgl. Kapitel 3). Sie sind für weitere Vereinfachungen des Berechnungsverfahrens nützlich und liefern interessante Vergleichswerte für die Qualitätssicherung der Berechnungen. Von besonderem Interesse sind die Untersuchungen der Differenzen von berechnetem Energiebedarf und gemessenem Energieverbrauch (vgl. Kapitel 4). Daraus abgeleitete Schätzfunktionen ermöglichen eine realistischere Einschätzung von Einsparpotenzialen (vgl. Kapitel 5). Modernisierungsvarianten und Einsparpotenziale waren ebenfalls Gegenstand der Feldphase des 1 Das Projekt Teilenergiekennwerte von Nichtwohngebäuden (TEK) wird im Forschungsschwerpunkt Energieoptimiertes Bauen (ENOB) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert (Förderkennzeichen: 0327431J). Download TEK-Tool. 2 Hörner, Michael; Bagherian, Behrooz; Jedek, Christoph: Teilenergiekennwerte von Nichtwohngebäuden Querschnittsanalyse der Ergebnisse der Feldphase, Darmstadt: IWU, 2014 (ISBN 978-3-941140-37-0) Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 2 von 22 Nichtwohngebäude im Bestand – eine Querschnittsanalyse TEK-Projekts, sie wurden in einem Folgeprojekt zu einem ersten Ansatz einer Gebäudetypologie für Nichtwohngebäude3 weiterentwickelt (vgl. Kapitel 6). 2. Gebäudekenngrößen In der Energieberatung arbeitet man, ähnlich wie in der Betriebswirtschaft, gerne mit Kenngrößen, welche bestimmte Eigenschaften, z. B. von Gebäuden, quantifizieren. Dies macht Sinn, um sie besser miteinander oder mit einem allgemein anerkannten Zielwert vergleichen zu können. Energiekennwerte sind ein weit verbreitetes Mittel, um die energetische Qualität eines Gebäudes und seiner Nutzung ohne großen Aufwand zu bewerten. Dabei ist ein einzelner Kennwert meist nicht ausreichend, um die Komplexität aus Nutzung, Größe, Baualter und Geometrie eines Gebäudes in ihrem Einfluss auf den Energiekennwert zu erfassen. In diesem Kapitel sind Verteilungen bzw. Mittelwerte und Bandbreiten verschiedener gebäudebezogener Kenngrößen angegeben, die energetisch wichtige Eigenschaften der Gebäude in der TEK-Datenbank quantifizieren und zum Verständnis der Häufigkeitsverteilung der Energiekennwerte notwendig sind. Allgemeine Eigenschaften der ausgewählten Gebäude In dem Projekt wurden vorwiegend Bestandsgebäude ab einer Größe von etwa 1.000 m² NGF zur Analyse ausgewählt. Es handelt sich überwiegend um Gebäude, an denen zum Zeitpunkt der Datenaufnahme keine größeren Modernisierungen vorgenommen worden waren. Die Gebäude sollten aus sechs grundlegenden Gebäudekategorien stammen und einen höheren Technisierungsgrad aufweisen, also in nennenswertem Umfang mit raumlufttechnischen Anlagen ausgestattet sein. Tabelle 1 zeigt die Häufigkeitsverteilungen der untersuchten Gebäude nach Baualter, nach Flächen und nach Gebäudekategorien geordnet. Baualtersklasse Häufigkeit Nettogrundfläche Häufigkeit Gebäudekategorie Häufigkeit vor 1918 10 bis 1.000 m² 4 Büro/Verwaltung 23 1919 - 1948 5 1.001 bis 5.000 m² 36 Handel 11 1949 - 1977 38 5.001 bis 10.000 29 Hochschule 19 1978 - 1994 26 10.001 bis 30.000 20 Hotel 8 1995 - 2001 7 > 30.000 m² 4 Bildung/Sport 15 / 1 Nach 2002 7 Veranstaltung 16 Tab. 1 Verteilung der Baualtersklassen, der Nettogrundflächen und der Gebäudekategorie der 93 Gebäude in der TEKDatenbank Energiekennwerte Mit dem TEK-Tool wurde für jedes Gebäude dessen Endenergiebedarf für Brennstoff/Fernwärme und elektrische Energie berechnet. Die Häufigkeitsverteilung der auf die Energiebezugsfläche4 (EBF) bezogenen jährlichen Endenergiebedarfe der Gebäude ist in Abbildung 1 aufgetragen. Sie sind in der Berechnungseinstellung OBJ-OBJ berechnet, also mit objektspezifischen Nutzungsrandbedingungen und einer detaillierten, objektspezifischen Ermittlung der Gebäudehüllflächen, Bauteilkennwerte und 3 Stein, Britta; Hörner, Michael; Jedek, Christoph, Maximilian Ihrig: Typologie-gestützte Kennwerte für die energetische Bewertung bestehender Nichtwohngebäude, Darmstadt: IWU, 2015 (ISBN 978-3-941140-45-5) 4 Die Energiebezugsfläche ist in TEK wie in der EnEV als die beheizte oder gekühlte Nettogrundfläche (NGF) definiert. Unter der NGF versteht man die Summe der nutzbaren Grundflächen eines Gebäudes. Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 3 von 22 Nichtwohngebäude im Bestand – eine Querschnittsanalyse Beleuchtungstechnik. Die Mittelwerte, über alle Gebäude in der TEK-Datenbank gerechnet, liegen sowohl für Brennstoff/Fernwärme mit 147 kWh/m²EBFa als auch für elektrische Energie mit 66 kWh/m²EBFa recht hoch. Angesichts der oben beschriebenen Gebäudeauswahl (vgl. Tabelle 1) überrascht dieses Ergebnis nicht. Die Verteilung spiegelt die energetischen Eigenschaften von überwiegend (noch) nicht modernisierten Gebäuden mit höherer Technisierung wider und zeigt, welche Bandbreite von Energiekennwerten für diese Gebäudebestände erwartet werden können. Brennstoff/Fernwärme Elektrische Energie 30 24 25 20 Häufigkeit 20 15 15 12 12 10 10 9 8 10 10 9 7 6 5 4 5 1 1 20 40 2 3 4 4 1 5 2 2 0 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 und größer Klasse des Endenergie‐Bedarfs [kWh/m²EBFa] Abb. 1 Verteilung der flächenspezifischen Kennwerte des Endenergiebedarfs für Brennstoff/Fernwärme und elektrische Energie, berechnet mit objektspezifischen Randbedingungen (OBJ-OBJ), für die Gebäude in der TEK-DB Quelle: IWU-eigene Darstellung Generell dienen Energiekennwerte der schnellen Einschätzung der Gebäudeenergieeffizienz, weshalb die TEK-Methodik konsequent Ist-Teilenergiekennwerte (Ist-TEKs) zur Beschreibung des Ist-Zustands generiert und Vergleichskennwerte nutzt, die für den Energiebedarf auf Zonenebene in fünf Energieaufwandsklassen definiert sind, sogenannte Referenz-Teilenergiekennwerte (Ref-TEKs). Für ein konkretes Gebäude ist die Zonenaufteilung bekannt und REF-TEKs können auch auf Gebäudeebene berechnet werden. In TEK wird damit eine Bewertung der Gewerke und des gesamten Gebäudes wie in Abbildung 2 vorgenommen. Das Gebäude in dieser Abbildung hat offensichtlich eine sehr relevante Schwachstelle beim Heizenergiebedarf. Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 4 von 22 Nichtwohngebäude im Bestand – eine Querschnittsanalyse Abb. 2 Primärenergiekennwerte und Bewertung der Ist-Teilenergiekennwerte der Gewerke mit Energieaufwandsklassen, die auf der Basis von Referenz-Teilenergiekennwerten definiert sind. Größe der Blasen symbolisiert Höhe des Primärenergiekennwerts. Geometrische Kenngröße Die Hüllflächenexposition von Gebäuden beeinflusst deren Heizwärmebedarf maßgeblich. Für die 93 Gebäude aus der TEK-DB wurden die in Tabelle 2 gezeigten, gebäudebezogenen Hüllflächen-Kenngrößen erhoben. Sie können Hinweise auf energetische Schwachstellen geben, wie beispielsweise ein zu hoher Fensterflächenanteil nach Norden oder ein ungünstiges A/V-Verhältnis. Kenngrößen dieser Art können auch zur Qualitätssicherung genutzt werden, um z. B. die Angaben zur Geometrie von Gebäuden in Energieausweisen einer automatisierten Plausibilitätskontrolle zu unterziehen. So geben ungewöhnliche Werte spezifische Dach-, Wand- oder Fensterflächen oder das Verhältnis A/V schnell Hinweise auf mögliche Fehler in der Erfassung der Hüllflächen. Auch wenn dies keine repräsentative Stichprobe aus dem Bestand von Nichtwohngebäuden darstellt, so ist doch zu vermuten, dass sich hier keine systematische Verzerrung ergibt wie bei den Gebäudeenergiekennwerten. Die Gebäudegeometrie folgt den üblichen Entwurfsgrundsätzen der Architektur für die unterschiedlichen Gebäudekategorien und ist zunächst vom Energiestandard weitgehend unabhängig. Allerdings muss auf die geringe Fallzahl pro Gebäudekategorie hingewiesen werden, weshalb statistische Kennzahlen wie Mittelwerte und Standardabweichungen mit Vorsicht zu benutzen sind. Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 5 von 22 Gebäudekategorie n Geschosse Anzahl Gebäude Hüllflächenexposition Mittel Mittlerer Verhältnis A/V spezifische spezifische spezifische spezifische spezifische Fensterflächen- [1/m] Kellerdeckenfläche Dachfläche Wandfläche Fensterfläche N Fensterfläche SOW [m²BTF / m²NGF] [m²BTF / m²NGF] [m²BTF / m²NGF] [m²BTF / m²NGF] [m²BTF / m²NGF] anteil (NSOW) an der Fassade [%] Mittel Stdabw. Mittel Stdabw. Mittel Stdabw. Mittel Stdabw. Mittel Stdabw. Mittel Stdabw. Mittel 0,34 0,31 0,34 0,43 0,06 0,17 Ämter, Verwaltungsgebäude 5 35% Banken 1 29% Bürogebäude (auch mit Publ.-verkehr) 16% 0,05 0,25 0,09 0,23 0,13 0,23 0,13 0,39 0,02 0,04 Stdabw. 0,08 0,11 12 33% 10% 0,30 0,10 0,30 0,16 0,30 0,16 0,44 0,14 0,06 0,03 0,14 0,04 Gerichtsgebäude 3 23% 4% 0,35 0,01 0,34 0,10 0,35 0,09 0,64 0,13 0,07 0,02 0,12 0,02 Polizei; Feuerwehr; THW 2 17% 1% 0,45 0,01 0,35 0,07 0,37 0,04 0,83 0,04 0,03 0,01 0,14 0,01 31% 11% 0,33 0,09 0,31 0,13 0,32 0,13 0,49 0,17 0,06 0,03 0,15 0,05 19% 12% 0,30 0,05 0,90 0,23 0,86 0,25 0,31 0,05 0,02 0,01 0,06 0,04 Büro, Dienstleistungen 23 5,17 Einkaufszentren 6 Großhandel 1 6% Kauf- und Warenhäuser 4 21% 14% 0,17 0,01 0,24 0,04 0,24 0,04 0,23 0,07 0,01 0,01 0,05 0,03 19% 12% 0,25 0,07 0,66 0,37 0,63 0,35 0,29 0,08 0,01 0,01 0,05 0,04 Handel 11 2,37 0,27 0,90 44% 5 24% 14% 0,40 0,14 0,81 0,43 0,84 0,39 0,72 0,30 0,03 0,04 0,18 0,09 12 28% 9% 0,28 0,07 0,29 0,12 0,32 0,14 0,46 0,11 0,04 0,04 0,13 0,05 11% 0,33 0,11 0,45 0,32 0,47 0,32 0,53 0,20 0,05 0,04 0,15 1 19 Ferien- und Schullandheime 27% 3,44 1 Hotels 7 Hotels, Beherbergungsgebäude 8 Berufsschulen 28% 0,34 23% 0,40 0,35 0,43 0,01 1 Hochschulen 0,60 0,02 Hörsaalgebäude Versuchshallen mit Werkstatt 0,61 0,45 Fachhochschulen Institutsgebäude für Lehre und Forschung 0,48 0,80 0,40 0,77 0,15 0,49 0,66 0,18 0,01 0,50 0,17 0,05 0,06 0,10 26% 9% 0,27 0,06 0,22 0,13 0,23 0,12 0,44 0,12 0,03 0,02 0,12 0,07 25% 8% 0,28 0,06 0,29 0,23 0,28 0,19 0,45 0,11 0,03 0,02 0,12 0,07 5 31% 7% 0,31 0,06 0,32 0,06 0,34 0,04 0,55 0,21 0,05 0,03 0,18 0,06 Grund-, Haupt-, Realschulen, Gymnasium 8 29% 5% 0,40 0,13 0,58 0,25 0,58 0,24 0,54 0,20 0,04 0,01 0,17 0,06 Kindertagesstätte 2 29% 6% 0,61 0,22 0,82 0,40 0,86 0,34 0,61 0,04 0,08 0,00 0,17 0,05 Sporthallen 1 20% Schulen, Kindertagestätten 15 6,80 2,62 0,44 0,90 0,76 1,04 0,18 0,08 30% 5% 0,40 0,15 0,52 0,27 0,54 0,26 0,55 0,18 0,05 0,02 0,17 0,05 Büchereien 3 29% 17% 0,24 0,04 0,26 0,07 0,28 0,07 0,28 0,03 0,02 0,02 0,10 0,08 Freizeitzentren, Gemeinde-, Bürgerhäuser 3 18% 8% 0,39 0,16 0,58 0,10 0,74 0,14 0,49 0,14 0,03 0,03 0,09 0,05 Museen, Ausstellungsgebäude 8 22% 11% 0,30 0,08 0,39 0,10 0,43 0,30 0,71 0,27 0,08 0,07 0,12 0,05 Stadthallen / Saalbauten 2 18% 8% 0,32 0,06 0,55 0,05 0,54 0,14 0,65 0,05 0,04 0,02 0,12 0,07 Veranstaltungsgebäude 16 3,3 22% 11% 0,31 0,10 0,42 0,14 0,48 0,26 0,58 0,26 0,05 0,06 0,11 0,05 Alle Gebäude (gemittelt) 93 3,87 26% 10% 0,32 0,12 0,44 0,29 0,45 0,29 0,50 0,22 0,05 0,04 0,13 0,07 Tab. 2 Spezifische geometrische Kenndaten der Gebäudehülle nach Gebäudekategorien differenziert, Berechnungseinstellung „objektspezifisch“. Quelle: TEK-Datenbank, IWU. Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 6 von 22 Nichtwohngebäude im Bestand – eine Querschnittsanalyse 3. Zonenkenngrößen Nichtwohngebäude werden für eine Energiebilanz üblicherweise in Zonen aufgeteilt, weil sich in den Gebäuden meist Räume mit sehr unterschiedlichen Nutzungen, technischer Ausrüstung und inneren Lasten befinden. Maßgeblich für die Aufteilung ist die DIN V 18599-1 und für die Nutzungsprofile DIN V 18599-10. Eine Zone fasst den Grundflächenanteil bzw. Bereich eines Gebäudes zusammen, der durch gleiche Nutzungsrandbedingungen gekennzeichnet ist und keine relevanten Unterschiede hinsichtlich der Arten der Konditionierung und anderer Zonenkriterien aufweist. Das TEK-Tool übernimmt dieses Verfahren. Teilenergiekennwerte Für jede Zone und jedes Gewerk (z. B. Heizung oder Beleuchtung) werden, wie bereits erwähnt, Ist-TEKs berechnet, also Teilenergiekennwerte im Ist-Zustand. Vergleichswerte, Ref-TEKs, sind gebäudeunabhängig für alle Nutzungsprofile der DIN V 18599 vordefiniert. Sie spannen fünf Energieaufwandsklassen auf, nach denen die Ist-TEKs bewertet werden: sehr gering, gering, mittel, hoch und sehr hoch. So können energetische Schwachstellen des Gebäudes schnell erkannt und wie in den Tabellen 3 und 4 kenntlich gemacht werden. 3.1 Heizung Nr. und Name 1) Einzelbüro Nord Std.-nutzung 01 Einzelbüro Fläche Nutz.- m² einheit TEK-Bew ert. Ist-Wert Zone (Endenergie) kWh/(m²a) W/m² h/a kWh/(m²a) Vergleichsw ert - gering W/m² h/a 463 1 Hoch 258,3 110,0 2346,8 48,5 99,7 487 2) Saal-Vorraum 04 Sitzung 39 2 Hoch 272,1 453,6 600,0 82,1 283,1 290 3) Einzelbüro Süd 01 Einzelbüro 561 1 Sehr hoch 295,8 171,8 1721,5 48,5 99,7 487 4) Verkehrsflächen 19 Verkehrsflä 265 1 Gering 50,1 28,2 1778,0 52,2 23,5 2.223 5) Foyer 19 Verkehrsflä 87 1 Hoch 197,2 95,2 2070,6 52,2 23,5 2.223 6) WC, Sanitär 16 WC, Sanitär 76 1 Hoch 422,9 176,5 2395,9 119,2 273,2 436 7) Lager / Technik / Archiv 20 Lager, Tech 558 4 8) Saal 04 Sitzung 169 2 Hoch 253,6 435,2 582,7 82,1 283,1 290 9) Serverraum 21 Rechenzen 5 3 Gering 22,0 74,3 296,1 23,4 53,5 437 10) Nebenflächen 18 Nebenfläch 15 1 Hoch 211,3 83,7 2525,7 54,3 25,9 2.098 Tab. 3 Schwachstellenanalyse mit Teilenergiekennwerten auf Zonenebene am Beispiel des Gewerks Heizung. Quelle: TEK-Tool, IWU. 3.2 Beleuchtung Nr. und Name 1) Einzelbüro Nord Std.-nutzung 01 Einzelbüro Fläche Nr. Beleuch- m² tungsanlage TEK-Bew ert. Ist-Wert Zone (Endenergie) kWh/(m²a) W/m² h/a kWh/(m²a) Vergleichsw ert - gering W/m² h/a 463 1 Gering 17,7 12,4 1428,4 20,0 17,2 1.160 2) Saal-Vorraum 04 Sitzung 39 7 Sehr gering 0,3 5,8 59,4 1,8 15,6 118 3) Einzelbüro Süd 01 Einzelbüro 561 1 Gering 18,0 12,4 1457,0 20,0 17,2 1.160 537 4) Verkehrsflächen 19 Verkehrsflä 265 2 Hoch 15,9 8,8 1800,0 2,4 4,5 5) Foyer 19 Verkehrsflä 87 5 Mittel 8,5 14,2 598,0 2,6 4,5 575 6) WC, Sanitär 16 WC, Sanitär 76 6 Mittel 18,5 14,9 1246,4 3,5 9,0 390 423 7) Lager / Technik / Archiv 20 Lager, Tech 558 3 Hoch 3,6 6,1 593,6 1,3 3,0 8) Saal 04 Sitzung 169 4 Gering 0,7 9,4 71,0 0,7 15,6 43 9) Serverraum 21 Rechenzen 5 3 Sehr gering 19,9 6,1 3276,0 29,2 14,6 1.996 10) Nebenflächen 18 Nebenfläch 15 3 Hoch 1,9 6,1 308,2 1,1 3,0 365 Tab. 4 Schwachstellenanalyse mit Teilenergiekennwerten auf Zonenebene am Beispiel des Gewerks Beleuchtung. Quelle: TEK-Tool, IWU. Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 7 von 22 Nichtwohngebäude im Bestand – eine Querschnittsanalyse Aus dem Vergleich mit dem Wert für die Energieaufwandsklasse „gering“ in den rechten Spalten dieser Tabellen kann außerdem ein überschlägiges Einsparpotenzial abgeleitet werden, wenn die Eigenschaften der entsprechenden Zone und der zugehörigen technischen Anlage auf den Standard des Referenzgebäudes der EnEV 2009 gebracht würden. Ob dieses Potenzial zu heben ist und an welchen Umständen eine solche Modernisierung eventuell scheitern könnte, kann so natürlich nicht beurteilt werden. Deshalb heißt es „strategisches“ Einsparpotenzial. In der Querschnittsanalyse wurde auch überprüft, ob die Ref-TEKs in den fünf Energieaufwandsklassen und die dahinter liegenden Annahmen gut gewählt sind, also ob die Ist-TEKs plausibel bewertet werden können. Für die Nutzung Büro (Nutzungsprofile Einzel- und Gruppenbüro) sind in Abbildung 3 beispielhaft die Häufigkeitsverteilungen der objektspezifisch ermittelten Ist-TEKs für Heizung, Warmwasser und Beleuchtung bezüglich der in TEK vordefinierten fünf Energieaufwandsklassen dargestellt. Für das Gewerk Heizung ergibt sich eine nachvollziehbare Verteilung und damit auch eine plausible Bewertung, wie man sie für – meist noch nicht modernisierte - Bestandsgebäude erwarten würde: Die meisten, zonenbezogenen Ist-TEKs für Heizung liegen in den Energieaufwandsklassen „Mittel“ und „Hoch“. Die Ist-TEKs für Warmwasser liegen dagegen überwiegend in der Energieaufwandsklasse „Sehr gering“. Dies zeigt sich auch bei den anderen Nutzungsprofilen. Es wird vermutet, dass die Standardnutzungsparameter der Vornorm DIN V 18599 für den Warmwasserbedarf in Nichtwohngebäuden unrealistisch hoch angesetzt sind und zu überhöhten Ref-TEKs führen. Die Bewertungen fallen dadurch zu gut aus. Bei der Beleuchtung in den Bürozonen liegen die meisten Ist-TEKs in den Aufwandsklassen „Mittel“ bis „Sehr gering“, also in den effizienteren Klassen. In anderen Nutzungsprofilen zeigen sich jedoch auch ganz andere Verteilungen. Vermutlich ist die tendenziell gute Bewertung der Beleuchtung im Nutzungsprofil Büro darauf zurück zu führen, dass in Bestandsgebäuden die Beleuchtungsanlagen insbesondere in den Bürozonen aus ergonomischen Gründen (Bildschirmarbeitsplätze) bereits erneuert wurden und deshalb mehrheitlich positiv bewertet werden. Spezifische Bauteilflächen In die Ref-TEKs gehen auch zonenbezogene Annahmen zu typischen Hüllflächenexpositionen ein, in Abbildung 3 durch die roten Fähnchen markiert. Zur Berechnung des Ref-TEKs für Heizung in einer Einzelbürozone wird beispielsweise ein Anteil von 0,3 m² Außenwandfläche (Bruttobezug) pro m² Zonenfläche (Nettobezug) angenommen. Auch diese Annahmen wurden an den Gebäudedaten überprüft. Der einer Zone zugeordnete Anteil der jeweiligen Bauteilhüllfläche wird im TEK-Tool in der Regel vereinfacht berechnet. Das TEK-Tool nutzt dazu einen automatischen Verteilalgorithmus auf Basis der Zonenfläche. Bei genauerer Kenntnis der Lage der Zone im Gebäude kann dieser Anteil als Option aber auch manuell zugewiesen werden. Deshalb sind in Abbildung 4 jeweils beide Kennwerte – manuell ermittelte und automatisch generierte – angegeben. Die manuell ermittelten Werte bilden dabei die Situation im Gebäude am genauesten ab. Leider ist deren Anzahl jedoch vergleichsweise gering, da die Ermittlung der Werte sehr aufwändig ist. Typische Bandbreiten der spezifischen Bauteilflächen lassen sich auf Zonenebene nur schwer identifizieren. Zu gering ist die Anzahl der Fälle in der Stichprobe und zu unterschiedlich sind die Lage im Gebäude und der Zuschnitt der betrachteten Zonen. Die zonenbezogene Annahmen zu typischen Hüllflächenexpositionen in den Ref-TEKs lassen sich aus den Häufigkeitsverteilungen aber weder bestätigen noch widerlegen. Eine weitergehende Untersuchung ist dazu notwendig. Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 8 von 22 a) Büro Heizung b) Büro Warmwasser c) Büro Beleuchtung Häufigkeit spez. Endenergiebedarf Warmwasser (Zone Büro, objektspezifisch) Häufigkeit spez. Endenergiebedarf Heizung (Zone Büro, objektspezifisch) 100 80 70 Häufigkeit spez. Endenergiebedarf Beleuchtung (Zone Einzel‐ und Gruppenbüro, objektspezifisch, korrigiert) 60 93 90 70 49 50 80 44 60 40 40 60 Anzahl 46 Anzahl Anzahl 70 50 50 36 30 40 30 20 30 20 17 15 20 10 14 10 3 2 1 1 Mittel ( 14 < x ≤ 19 kWh/m²a) Hoch (19 < x ≤ 23 kWh/ma) Sehr hoch (> 23 kWh/m²a) 5 Hoch (36 < x ≤ 60 kWh/ma) Sehr hoch (> 60 kWh/m²a) 0 0 0 Sehr gering (≤ 30 kWh/m²a) 5 10 Gering (30 < x ≤ 73 kWh/m²a) Mittel ( 73 < x ≤ 135 kWh/m²a) Hoch (135 < x ≤ 234 kWh/ma) Energieaufwandsklasse Sehr hoch (> 234 kWh/m²a) Sehr gering (≤ 10 kWh/m²a) Gering (10 < x ≤ 14 kWh/m²a) Sehr gering (≤ 12 kWh/m²a) Energieaufwandsklasse Gering (12 < x ≤ 20 kWh/m²a) Mittel ( 20 < x ≤ 36 kWh/m²a) Energieaufwandsklasse Abb. 3 Zonenbezogene Teilenergiekennwerte des spezifischen Endenergiebedarfs für Heizung (a), Warmwasser (b)und Beleuchtung (c) der 93 Gebäude im Ist-Zustand (IstTEKs) aufgetragen als Häufigkeitsverteilung über die Energieaufwandsklassen (Ref-TEKs) für die Nutzung Büro Quelle: IWU-eigene Darstellung Einzelbüro Dach Einzelbüro Außenwand Einzelbüro Kellerdecke Abb. 4 Spezifische Bauteilflächen für 70 Einzelbürozonen in den 93 Gebäuden der TEK-DB, jeweils automatisch bzw. manuell ermittelt Quelle: IWU-eigene Darstellung Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 9 von 22 Nichtwohngebäude im Bestand – eine Querschnittsanalyse Zonenflächen Am Beispiel der Gebäudekategorie Büro und Dienstleistungen, die mit 23 untersuchten Gebäuden die größte Klasse darstellt, wurden die durchschnittlichen Flächenanteile häufig vorkommender Nutzungszonen bestimmt. Die Fläche eines virtuellen Durchschnittsgebäudes dieser Kategorie besteht demnach mit einem Flächenanteil von ca. 26% aus der Nutzung "Einzelbüro", zu rund 22% aus "Verkehrsflächen", zu 15% aus "Gruppenbüro", zu 14% aus "Lager und Technik" etc. (siehe Abbildung 5). Parkhaus; 2,7% Großraumbüro; 3,2% Schalterhalle; 1,3% Kantine; 1,0% WC, Sanitär; 3,5% Nebenflächen; 4,0% Sitzung; 4,9% Einzelbüro; 26,4% Lager, Technik; 13,6% Verkehrsfläche; 21,7% Gruppenbüro; 14,8% Abb. 5 Durchschnittliche Flächenanteile in Prozent für die häufigsten Nutzungszonen in der Kategorie Bürogebäude Ergebnisse der Feldphase wie diese können in einem vereinfachten Rechenverfahren genutzt werden. Die Zonierung mit aufwändigen Flächenermittlungen schlägt wie die manuelle Hüllflächenerfassung mit knapp einem Viertel der Bearbeitungszeit zu Buche. Es wäre vorstellbar, diese zunächst durch solche statistischen Mittelwerte zu ersetzen. Zusammen mit der schon in TEK realisierten automatischen Aufteilung der Gebäudehüllflächen auf die Zonen lässt sich der Aufwand für die Abbildung der Gebäudegeometrie im Rahmen von Gebäudeanalysen dadurch stark reduzieren. Zusammen mit den in TEK tabellierten Referenz-Teilenergiekennwerten der Nutzungsprofile lassen sich mit diesen durchschnittlichen Flächenanteilen auch Benchmarks zur Klassifizierung des mit TEK berechneten Endenergiebedarfs auf Gebäudeebene definieren (vgl. Tabelle 5). Solche berechneten Bedarfsbenchmarks haben Vorteile gegenüber den weit verbreiteten Benchmarks auf der Grundlage gemessener Verbräuche: Sie sind mit einem eindeutigen Satz von Parametern verknüpft, die die Effizienz des Gebäudes beschreiben, also typische U-Werte der Gebäudehülle, Nutzungsgrade von Anlagen, Komfortparametern der Nutzer etc. Sie können zur Hochrechnung von Endenergiebedarfen in Szenarien über größere Gebäudebestände mit Hilfe von Typologien genutzt werden. Um diese auch gebäudeunabhängig als Vergleichswerte auf Gebäudeebene definieren zu können, müssten mehr belastbare Daten zu durchschnittlichen Zonenflächenanteilen pro Gebäudekategorie zur Verfügung stehen. Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 10 von 22 Nichtwohngebäude im Bestand – eine Querschnittsanalyse Büro und Dienstleistung Nutzungszone Einzelbüro Verkehrsfläche Gruppenbüro Lager, Technik Sitzung Nebenflächen WC, Sanitär Großraumbüro Parkhaus Schalterhalle Kantine Gebäude Flächenanteil 26,4% 21,7% 14,8% 13,6% 4,9% 4,0% 3,5% 3,2% 2,7% 1,3% 1,0% 97,1% Referenz‐Teilenergiekennwerte [kWh/m²EBFa] Heizung Sehr hoch Hoch Mittel Gering 290,2 159,5 101,7 40,9 225,5 144,7 93,8 44,0 293,4 165,0 103,3 41,7 283,2 189,3 118,7 54,8 549,7 242,5 165,4 69,1 243,8 157,6 100,4 45,7 586,6 260,3 194,6 100,4 324,4 171,9 108,3 40,9 222,0 71,7 45,5 23,1 298,7 187,7 115,1 46,5 493,3 225,1 128,2 48,2 289,9 163,1 105,0 45,7 Sehr gering 19,4 24,5 19,8 31,3 19,6 25,5 44,4 17,6 10,3 22,9 15,3 22,5 Tab. 5 Referenz-Teilenergiekennwerte und mittlere Flächenanteile der Nutzungszonen für die Gebäudekategorie Büro hochgerechnet auf Gebäudeebene als Benchmarks zur Bewertung, beispielhaft am Gewerk Heizung für alle Zonen mit Flächenanteil 1%. 4. Verbrauch und Bedarf Ein wichtiges Ziel im TEK-Verfahren ist es, den berechneten Bedarf und den gemessenen Verbrauch abzugleichen – insbesondere für die glaubwürdige Berechnung von Einsparpotenzialen und der Wirtschaftlichkeit von Modernisierungsmaßnahmen. Im TEK-Tool wird immer der Verbrauch erfasst und dem berechneten Bedarf gegenüber gestellt. Damit die Bilanzgrenzen übereinstimmen, werden die nutzungsspezifischen Stromverbräuche in die Analyse einbezogen. Auch die Nutzungsrandbedingungen wie Nutzungszeiten, Raumtemperaturen oder interne Wärmequellen müssen dazu objektspezifisch abgebildet werden. Aber selbst dann gelingt der Bedarfs-Verbrauchs-Abgleich nicht immer. So ist es beispielsweise sehr schwer, den tatsächlichen Luftwechsel bei Fensterlüftung oder den Einfluss von Wärmebrücken bei Bestandsgebäuden abzuschätzen. Abweichungen von ±20 Prozent zwischen berechnetem Bedarf und gemessenem Verbrauch sind deshalb bei solchen statischen Bilanzierungsverfahren als normal anzusehen. Für 91 Gebäude in der TEK-Datenbank wurden der Endenergiebedarf in den verschiedenen Berechnungseinstellungen5 und die Verbräuche von Brennstoff/Fernwärme und elektrischer Energie ermittelt. In der Querschnittsanalyse wurde für die TEK-Methode die bekannte Tatsache näher untersucht, dass berechnete Energiebedarfe und gemessene Energieverbräuche durchaus beträchtlich voneinander abweichen können. Ausgewählte Ergebnisse hinsichtlich des Verhältnisses von Bedarf und Verbrauch, fB/V, für die Berechnungseinstellung OBJ-OBJ sind in Abbildungen 6 und 7 dargestellt. Für Brennstoff/Fernwärme liegt der Mittelwert der dargestellten Häufigkeitsverteilung bei fB/V,fu = 1,16 ± 0,42 (Mittelwert µ und Stichproben-Standardabweichung σ), für elektrische Energie bei fB/V,el = 1,10 ± 0,31. Darin enthalten sind allerdings auch offensichtlich unplausible Ausreiser, für die trotz Qualitätssicherung der Berechnungen kein nachvollziehbarer Grund angegeben werden kann. Es bleibt als letzte Vermutung, dass die 5 Im Folgenden werden nur Ergebnisse in den Berechnungseinstellungen „DIN-H-BT-vereinfacht“ (mit Standardnutzungsparametern nach DIN V 18599-10 und vereinfacht ermittelten Gebäude- und Anlagenparametern) und „OBJ-OBJ“ (mit objektspezifischen Nutzungsparametern und objektspezifisch ermittelten Gebäude- und Anlagenparametern) dargestellt. Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 11 von 22 Nichtwohngebäude im Bestand – eine Querschnittsanalyse Verbrauchsangaben fehlerhaft sind. Bereinigt man die Datenbank um diese Ausreiser z. B. bei Brennstoff/Fernwärme, dann liegt der Mittelwert bei fB/V,fu = 1,11 ± 0,28. Das kann man so interpretieren: In einem Portfolio mit vielen Gebäuden überschätzen die mit dem TEK-Tool berechneten Brennstoff-Bedarfswerte bei objektspezifisch erhobenen Eingabedaten im Mittel die gemessenen Verbrauchswerte um 11%. Oder für ein einzelnes Gebäude formuliert: Berechnet der Architekt mit dem TEK-Tool den Brennstoffbedarf B für ein einzelnes Gebäude, z.B. im Rahmen einer Sanierungsplanung, dann wird der zukünftige Verbrauch V mit einer Wahrscheinlichkeit von 68% im Intervall 0,72•B ≤ V ≤ 1,20•B 6 liegen7. Dass Berechnungen des Bedarfs vom gemessenen Verbrauch abweichen, dafür gibt es viele, nachvollziehbare Gründe: Abweichungen durch das mathematische Modell eines quasi-stationären MonatsBerechnungsverfahrens selbst, Ungenauigkeiten in der Bestimmung wärmetechnischer Parameter, wie UWerte, Infiltrationsluftwechsel oder Ausnutzungsgrade, Unregelmäßigkeiten oder Fehler beim Betrieb der gebäudetechnischen Anlagen und natürlich die Parameter der Nutzung, wie Raumtemperaturen, Lüftungsverhalten oder Nutzungszeiten. Angesichts dessen sind die mittleren Abweichungen zwischen Bedarf und Verbrauch im TEK-Modell relativ gering. Verteilung der B/Vfu‐Verhältnisse mit TEK‐Obj‐Obj Häufigkeit in der Stichprobe 25 20 ‐σ µ +σ 15 10 5 0 Bereiche des B/V‐Verhältnisses Abb. 6 Häufigkeitsverteilung des Verhältnisses von Bedarf zu Verbrauch fB/V,fu für Brennstoff/Fernwärme für die untersuchten TEK-Einstellungs-Varianten (unkorrigierte Datenbasis, objektspezifische Berechnungseinstellungen) Quelle: IWU-eigene Darstellung 6 Genauer ausgedrückt: 1/(1,11 + 0,28)•B = 0,72•B ≤ V ≤ 1,20•B = 1/(1,11 – 0,28)•B 7 Dabei ist plausiblerweise unterstellt, dass die fB/V,fu normalverteilt sind mit einem Mittelwert µ = 1,11 und einer Standardabweichung σ = 0,28. Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 12 von 22 Nichtwohngebäude im Bestand – eine Querschnittsanalyse Verteilung der B/Vel‐Verhältnisse mit TEK‐Obj‐Obj Häufigkeit in der Stichprobe 25 20 ‐σ µ +σ 15 10 5 0 Bereiche des B/V‐Verhältnisses Abb. 7 Häufigkeitsverteilung des Verhältnisses von Bedarf zu Verbrauch fB/V,el für elektrische Energie für die untersuchten TEK-Einstellungs-Varianten (unkorrigierte Datenbasis, objektspezifische Berechnungseinstellungen) Quelle: IWU-eigene Darstellung Auch wenn die genauen Verhältnisse von Bedarf und Verbrauch abhängig vom Berechnungswerkzeug sind, so ist das Problem doch grundsätzlicher Natur. Zur Einschätzung des Ist-Zustands mag der gemessene Verbrauch als die objektivere Größe erscheinen, für die Prognose eines zukünftigen Zustands z.B. nach einer energetischen Modernisierung kann aber nur der rechnerische Bedarf herangezogen werden. Deshalb ist es wichtig, zu verstehen, wie sich der mit einer Berechnungsmethode ermittelte Bedarf zum Verbrauch verhält. Mit statistischen Methoden lassen sich aus den 91 Datensätzen der TEK-DB einige Erkenntnisse ableiten. 5. Schätzung des Verbrauchs auf Basis des Bedarfs In Abbildung 8 ist der gemessene Verbrauch an Endenergie Wärme der Gebäude in der TEK-DB über dem berechneten Bedarf aufgetragen. Dieser wurde in der Berechnungseinstellung des TEK-Tools ermittelt, die mit vereinfachten Algorithmen und Standard-Nutzungsrandbedingungen rechnet (Kurz: DIN-H-BTvereinfacht). Ein ideales Berechnungsverfahren würde für alle Gebäude Bedarfswerte liefern, die gleich dem Verbrauch sind, alle Datenpunkte in der Abbildung würden auf der Linie liegen, auf der Bedarf und Verbrauch übereinstimmen, der Winkelhalbierenden. TEK ist aber ein reales und - insbesondere in der hier betrachteten Berechnungseinstellung - vereinfachtes Verfahren, wie andere auch, z.B. das für den Energieausweis nach DIN V 18599. Die Trendgeraden, die aus den Ergebnissen realer, vereinfachter Berechnungsverfahren resultieren, liegen jedoch flacher als die Winkelhalbierende und zeigen einen nicht verschwindenden Achsenabschnitt auf der y-Achse. Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 13 von 22 Nichtwohngebäude im Bestand – eine Querschnittsanalyse Sanierung qvnach 50 ,tot , f , fuel kWh kWh Sanierung qbnach 0 ,tot , f , fuel 2 m a m² a qv , fuel kWh vor Sanierung kWh Sanierung qvvor ,tot, f , fuel 200 2 qb,tot, f , fuel 300 2 ma ma q b , fuel Abb. 8 Darstellung des Verbrauchs über dem Bedarf der Gebäude aus der TEK-Datenbank für Endenergie Wärme in der Berechnungseinstellung DIN-H-BT-vereinfacht, also mit Standard-Nutzungsrandbedingungen und vereinfachter Aufnahme von Gebäudehülle und Anlagentechnik. qb,tot , f , fuel berechneter Endenergiebedarf Brennstoff/Fernwärme vor/nach Modernisierung qv,tot, f , fuel gemessener Endenergieverbrauch Brennstoff/Fernwärme vor/nach Modernisierung q b , fuel berechnetes Energieeinsparpotenzial q v , fuel gemessene Energieeinsparung Quelle: IWU-eigene Darstellung Allerdings kann man die Diskrepanzen zwischen Bedarf und Verbrauch durch detaillierte Erfassung der tatsächlichen Nutzungsbedingungen und technischen Daten eines Gebäudes deutlich verringern. Es ist nur sehr zeitaufwändig und es stellt sich die Frage, ob es nicht auch andere Wege gibt, den mutmaßlichen Verbrauch eines Gebäudes zu ermitteln. Die für Endenergie Wärme typische Tendenz wurde auch schon bei Auswertungen von Daten aus Wohngebäuden beobachtet: Bei älteren, noch nicht energetisch modernisierten Gebäuden ist der gemessene Verbrauch niedriger als der berechnete Bedarf. Bei modernen, auf hohem Effizienzniveau errichteten oder bereits energetisch modernisierten Gebäuden beobachtet man eher das umgekehrte Ergebnis, der Verbrauch ist höher als der Bedarf. Konstruieren wir ein – zur Erläuterung etwas überspitztes – Beispiel entlang der Trendgeraden in Abbildung 8. Ein Gebäude mit einem vereinfacht berechneten Energiebedarf von Null – also vielleicht ein Gebäude, das Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 14 von 22 Nichtwohngebäude im Bestand – eine Querschnittsanalyse im Rahmen einer ambitionierten Modernisierung zum Niedrigstenergiegebäude saniert wurde – kann einen beträchtlichen, von null verschiedenen Verbrauch von ca. 50 kWh/m²a aufweisen (grüne Kennzeichnung). Viele Gründe können dabei eine Rolle spielen, neben schlichten Mängeln in der Betriebsführung der technischen Anlagen und systematischen Fehlern durch Vereinfachung im Rechenverfahren spielen erfahrungsgemäß vom Standard abweichendes Nutzungsverhalten eine wichtige Rolle. Andererseits ergab sich vielleicht für das gleiche Gebäude vor der Modernisierung ein rechnerischer Bedarf von 300 kWh/m²a, aber ein gemessener Verbrauch von nur 200 kWh/m²a (rote Kennzeichnung). Daraus können sich zu hohe rechnerische Energieeinsparpotenziale bei einer Modernisierung ergeben, im Beispiel von 300 kWh/m²a, während Einsparungen beim Verbrauch von nur 150 kWh/m²a gemessen werden können. Das wird mit Recht kritisiert. Denn es kann zu Fehlentscheidungen führen, wenn z.B. Entscheidungen über Modernisierungsmaßnahmen davon abhängig sind. Eine Möglichkeit, mit dieser Diskrepanz umzugehen, ist die Ableitung von Schätzgleichungen für den mutmaßlichen Verbrauch durch eine erweiterte, statistische Analyse mit der Methode der multiplen linearen Regression unter Berücksichtigung mehrerer unabhängiger Variablen (Regressoren), die das Verhältnis von Bedarf und Verbrauch maßgeblich beeinflussen. Das sind hauptsächlich Nutzungsparameter wie Raumtemperaturen, Fensterluftwechsel, interne Lasten und Nutzungszeiten. n qˆv,tot , f b0 b1 qb,tot , f bi xi i 2 mit qˆ v ,tot , f Schätzwert des spezifischen Endenergieverbrauchs in kWh/(m²a) bi geschätzte Regressionskoeffizienten der Regressionsgeraden ( i qb,tot , f spezifischer Endenergiebedarf (Regressor) in kWh/(m²a) xi weitere Regressoren ( i 0, 1, ... , n ) 2,..., n ), z.B. Nutzungsparameter Damit kann eine Schätzfunktion fV/B abgeleitet werden, deren Werte angewendet auf den berechneten Endenergiebedarf für verschiedene Kombinationen der signifikanten Nutzungsparameter einen Schätzwert des Verbrauches liefern qˆ v ,tot , f , fuel fV / B qb ,tot , f , fuel ,Std mit qb ,tot , f , fuel , Std = spezifischer Endenergiebedarf Brennstoff/Fernwärme in kWh/(m²a), vereinfacht berechnet mit Standard-Nutzungsparametern. Es ergibt sich typischerweise eine Hyperbelfunktion der Art 1 fV / B qbb1,tot , f , fuel , Std f Nutz mit dem Nutzungsfaktor fNutz, der die vom Standard abweichende Nutzung parametriert. Abbildung 9 zeigt die Korrekturfunktion fV/B in Abhängigkeit des Bedarfs und einiger Ausprägungen der Nutzungsparameter. Sehr deutlich wird die Abhängigkeit der Schätzfunktion vom Bedarf. Ineffiziente Gebäude (hoher Bedarf) werden mit Faktoren kleiner 1 korrigiert, hocheffiziente Gebäude (niedriger Bedarf) mit Faktoren um 1 oder größer. Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 15 von 22 Nichtwohngebäude im Bestand – eine Querschnittsanalyse Abb. 9 Funktion zur Schätzung des Verbrauchs aufgrund einer Berechnung des Bedarfs mit dem TEK-Tool in der Berechnungseinstellung „DIN-H-BT-vereinfacht“, einem Anteil Fenster-belüfteter Fläche von 90% und unterschiedlichen Abweichungen der Nutzungsparameter vom Standard (1.Q: keine Abweichung, Mittel: Mittelwert der Abweichungen, 4.Q: 4. Quartil der Abweichungen) Quelle: IWU-eigene Darstellung Da es sich um eine statistische Analyse handelt, beschränkt sich die Aussage allerdings auf eine Wahrscheinlichkeitsangabe: Mit einer Wahrscheinlichkeit von 68% liegt der gemessene Verbrauch in der Spanne des geschätzten Standardfehlers um den geschätzten Verbrauch. Je nach Parameterkombination wird ein Standardfehler von ca. ±30% geschätzt. Der Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass Ergebnisse mit deutlich geringerem Zeitaufwand als bei einer objektspezifisch detaillierten Bedarfsberechnung erreicht werden können. Mit dieser Regressionsgleichung können fast 60% der Abweichung des Verbrauchs vom Bedarf erklärt werden. Im Mittel über viele Gebäude werden die Aussagen zu energetischen Kennwerten und möglichen Einsparpotenzialen damit deutlich besser. Betrachtet man ein einzelnes Gebäude, können aber immer noch beträchtliche Abweichungen auftreten, so funktioniert eben Statistik. Die Methode eignet sich deshalb besonders gut für Analysen in ganzen Gebäudebeständen, in denen mit Kurzberechnungsverfahren Modernisierungsszenarien berechnet und realistische Einsparpotenziale bestimmt werden sollen. Die Situation ließe sich dadurch verbessern, dass durch höhere Fallzahlen in der TEK-Datenbank weitere Variablen in die Regressionsanalyse einbezogen werden könnten. Zum anderen würden genauere Kenntnisse der einzelnen Fehlerarten und ihres Einflusses auf das Bedarfs-Verbrauchs-Verhältnis helfen, die Schätzung des Verbrauchs verlässlicher zu machen bzw. die Bandbreite des Standardfehlers kleiner zu machen. Daran wird gearbeitet. Für elektrische Endenergie liefert das TEK-Modell anders als bei Brennstoff/Fernwärme eine deutlich bessere Übereinstimmung von Bedarf und Verbrauch. Der mit Standard-Nutzungsparametern berechnete Bedarf an elektrischer Energie erklärt bereits 88% der Streuung der Punktwolke im Verbrauchs-Bedarfs-Diagramm, die Trendgerade liegt nahe bei der Winkelhalbierenden. Offensichtlich führt die Erweiterung des Bilanzraums in TEK, die auch den nutzerspezifischen Bedarf an elektrischer Energie mit einbezieht, im Mittel über viele Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 16 von 22 Nichtwohngebäude im Bestand – eine Querschnittsanalyse Gebäude zu einer guten Übereinstimmung von Bedarf und Verbrauch. Für ein konkretes, einzelnes Gebäude kann die Abweichung aber, wie beim Brennstoffverbrauch, dennoch groß sein. 6. Modernisierung Im TEK-Tool wird eine automatische Schwachstellenanalyse des Ist-Zustands eines Gebäudes durchgeführt, vgl. Tabellen 3 und 4. Auf Zonenebene werden die Ist-Kennwerte, die Ist-TEKs, mit Hilfe der Energieaufwandsklassen und der Ref-TEKs bewertet und farblich markiert. Daneben sind die Ref-TEKs der Energieaufwandsklasse „Gering“ als Vergleichswert angegeben. Aus diesem Vergleich lässt sich ein „strategisches“ Einsparpotenzial abschätzen. Es stellt sich dann die Frage: Ist das strategische Einsparpotenzial technisch umsetzbar und was kosten die dazu erforderlichen Maßnahmen? In der TEK-Feldphase wurden deshalb zu jedem Gebäude Modernisierungsvarianten mit Einsparpotenzial, Kosten und Wirtschaftlichkeit berechnet. Im Folgeprojekt einer Nichtwohngebäude-Typologie3 wurden diese Ansätze systematisch aufbereitet, zunächst für die Kategorie der Parlaments-, Gerichts- und Verwaltungsgebäude (Bauwerkszuordnung 1000). Gebäudetypologien werden in der Initialberatung von Gebäudeeigentümern, bei der energetischen Bewertung von Gebäuden oder in der Portfolioanalyse von Gebäudebeständen verwendet. In einer Typologie werden Gebäude anhand von Merkmalen wie Gebäudekategorie, Größe, Baualter etc. in Klassen zusammengefasst und deren Charakteristika durch Beispielgebäude veranschaulicht. Dazu dienen Übersichtsblätter zu den Beispielgebäuden (vgl. Abbildung 11) mit den wichtigsten Gebäudedaten, Angaben zu Bauteilkonstruktionen und Anlagentechnik sowie mit dem TEK-Tool bestimmte Effizienzkenngrößen und Teilenergiekennwerten. Für 10 Beispielgebäude wurde der Energiebedarf im Ist-Zustand und nach Durchführung von energetischen Modernisierungen in zwei Varianten ermittelt. Im Effizienzniveau „Standard“, werden die Anforderungen an die Wärmedurchgangskoeffizienten von Außenbauteilen bei Sanierungen gemäß Anlage 3, Tabelle 1 der EnEV 2009 / EnEV 2014 eingehalten. Im Effizienzniveau „Zukunft“, das sich an den Eigenschaften passivhaustauglicher Komponenten orientiert, werden die um 50% verminderten Höchstwerte der Wärmedurchgangskoeffizienten der wärmeübertragenden Umfassungsfläche gemäß Anlage 2, Tabelle 2 der EnEV 2009 / EnEV 2014 für neu zu errichtende Gebäude unterschritten werden8. Abbildung 10 zeigt die Kennwerte des Endenergiebedarfs der 10 Beispielgebäude in allen Varianten, berechnet mit dem TEK-Tool. Neben der Betrachtung von Maßnahmen zur Sanierung der Hüllfläche und der Erneuerung der Wärmeversorgung sind auch Raumlufttechnik und Beleuchtung in die Betrachtung mit einbezogen. Typischerweise ergeben sich in der Variante „Standard“ Einsparungen beim Heizwärmebedarf um Faktoren von zwei bis vier und in der Variante „Zukunft“ um Faktoren von fünf bis zehn! Bei elektrischer Energie lassen sich Einsparungen von ca. 30% in „Standard“ und bis zu 50% in „Zukunft“ darstellen. Die Energiebilanz mit TEK umfasst auch Stromverbraucher außerhalb des Bilanzrahmens der EnEV, wie etwa Arbeitshilfen, Aufzüge, etc. Dieser Anteil ist beim Vergleich von Strombedarf und -verbrauch nicht vernachlässigbar und hat beträchtliche Anteile an den Verbrauchskosten und den CO2-Emissionen. 8 Dies gilt für Gebäude ohne Anforderungen aus dem Denkmalschutz und entspricht den Anforderungen der Richtlinie energieeffizientes Bauen und Sanieren des Landes Hessen nach § 9 Abs. 3 des Hessischen Energiegesetzes. Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 17 von 22 Nichtwohngebäude im Bestand – eine Querschnittsanalyse Jährlicher Endenergiebedarf (Brennwert) nach Energieträgern 350 Arbeitenhilfen, Zentrale Dienste, Aufzüge Strom 250 200 Bilanzrahmen EnEV Strom 150 100 Bilanzrahmen EnEV Brennstoff Amt 1962 Amt 1965 Amt 1966 Gericht 1982 Ausgangsz. Standard Zukunft Ausgangsz. Standard Zukunft Polizei 1938 Ausgangsz. Standard Zukunft Ausgangsz. Standard Zukunft Polizei 1935 Ausgangsz. Standard Zukunft Ausgangsz. Standard Zukunft Amt 1908 Ausgangsz. Standard Zukunft Gericht 1881 Ausgangsz. Standard Zukunft 0 Ausgangsz. Standard Zukunft 50 Ausgangsz. Standard Zukunft Endenergiebedarf [kWh/(m²a)] 300 Amt Gericht 1988 2003 Abb. 10 Rechnerischer Endenergiebedarf der 10 öffentlichen Verwaltungsgebäuden für den Ist-Zustand (Ist) und die Modernisierungsvarianten „Standard“(EnEV 2009 / 2014) und „Zukunft“ (EnEV-50%) Quelle: IWU-eigene Darstellung Gemeinsam mit einem externen Architekturbüro wurden zudem Kosten anhand von Kurzleistungsverzeichnisse für die dargestellten Maßnahmen ermittelt (siehe gesonderter Anlagenband9) und als Kostenkennwerte zusammengefasst. In Tabelle 6 sind die auf Bauteil-Kenngrößen bezogen Kosten für die beiden Modernisierungsvarianten am Beispielgebäude 5 dargestellt. Dabei ist jeweils nach Instandhaltungsanteil und energiebedingten Mehrkosten unterschieden. Anwender der Typologie können so neben den Einsparpotenzialen bei Energie, CO2-Emissionen und Verbrauchskosten auch die notwendigen Investitionen für die energetischen Modernisierungen schnell und überschlägig ermitteln. 9 Jedek, Christoph; Hörner, Michael; Stein, Britta: Kosten für Modernisierungsmaßnahmen von zehn Nichtwohngebäude aus dem Bestand des Hessischen Immobilienmanagement, Darmstadt: IWU, 2015 (ISBN 9783-941140-46-2) Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 18 von 22 Nichtwohngebäude im Bestand – eine Querschnittsanalyse Investitionskosten (ohne Mwst.) "Standard" KG 300 Gebäude Einheit Energiebedingte EventualInstandhaltung Modernisierung positionen 334 Außentüren und -fenster €/m²Fenster - 300,00 334 Eingangsanlage €/m²Eingangsanlage - 935,00 338 Sonnenschutz €/m²Fenster - 96,00 392 Gerüste €/m²Fassade 10,00 85,00 Gesamt 310,00 935,00 181,00 - 16,00 - 16,00 335 Außenwandbekleidungen (außen) €/m²Außenwand 85,00 44,00 - 129,00 363 Dachbeläge €/m²Dach 52,00 71,00 - 123,00 353 Dämmung Kellerdecke €/m²Kellerdecke 45,00 - 33,00 79,00 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - €/m³/hLuft KG 400 Technik Investitionskosten (ohne Mwst.) "Zukunft" KG 300 Gebäude KG 400 Technik Einheit Energiebedingte EventualInstandhaltung Modernisierung positionen 334 Außentüren und -fenster €/m²Fenster 188,00 328,00 334 Eingangsanlage €/m²Eingangsanlage 300,00 935,00 10,00 - Gesamt 526,00 1.235,00 338 Sonnenschutz €/m²Fenster 45,00 96,00 392 Gerüste €/m²Fassade 2,00 16,00 - 18,00 103,00 44,00 - 147,00 71,00 - 137,00 335 Außenwandbekleidungen (außen) €/m²Außenwand 54,00 195,00 363 Dachbeläge €/m²Dach 66,00 353 Dämmung Kellerdecke €/m²Kellerdecke 48,00 - 33,00 82,00 431 Lüftungsanlagen 59,00 - 13,00 72,00 Lüftungszentrale 20,00 - - 30,00 - - 8,00 - - - Leitungen begleitende Maßnahmen €/m³/hLuft 13,00 20,00 30,00 21,00 - Tab. 6 Spezifische Kostenkennwerte der Modernisierungsvarianten „Standard“ und „Zukunft“ (Gebäude 5) bezogen auf die Bauteilkenngrößen Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 19 von 22 - Nichtwohngebäude im Bestand – eine Querschnittsanalyse Abb. 11 Gebäudedatenblatt zu einem der 10 Beispielgebäude aus der Typologie der Nichtwohngebäude (Bauwerkszuordnung 1000) Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 20 von 22 Nichtwohngebäude im Bestand – eine Querschnittsanalyse 7. Zusammenfassung und Fazit Eine Kenngröße, also ein Produkt aus Zahl und Einheit, dient zur Quantifizierung und in der vergleichenden Analyse zur Bewertung. Benchmarking nennt man das auch und im TEK-Tool wird es zu Vergleichen des IstZustands eines Gebäudes mit dem Soll-Zustand genutzt. Hauptsächlich geschieht dies mit den Teilenergiekennwerten, kurz TEKs genannt. Aber auch geometrische Kenngrößen wie das A/V-Verhältnis, Flächenkenngrößen zur Beschreibung der objektspezifischen Hüllflächenexposition oder statistische Kenngrößen wie der Standardfehler der Verbrauchsschätzung dienen diesem Zweck. TEK nutzt Kenngrößen auf Gebäudeebene und auf Zonenebene. Kennwerte des Energiebedarfs werden in TEK für die schnelle Bewertung des energetischen Standards von Gebäuden verwendet, geometrische Kenngrößen der Hüllflächenexposition machen energetische Schwachstellen – oder im Rahmen einer Qualitätssicherung Fehler in der Erfassung - der Gebäudegeometrie schnell deutlich. Auf Zonenebene werden Kennwerte zur Identifikation von Schwachstellen in den einzelnen Gewerken verwendet. Daraus kann ein strategisches Einsparpotenzial schnell abgeschätzt werden. In der Feldphase des Projekts entstand eine bundesweit einmalige Datenbank mit geometrischen, energetischen und Nutzungsdaten von Nichtwohngebäuden im Bestand. Die statistische Auswertung dieser Daten liefert wertvolle Hinweise zu Möglichkeiten und Grenzen eines Abgleichs von Verbrauch und Bedarf. Ein Verfahren wurde aufgezeigt, wie ausgehend von einer vereinfachten Berechnung des Bedarfs und mit geringem Aufwand zumindest eine Wahrscheinlichkeitsaussage zum tatsächlichen Verbrauch gemacht werden kann. Bei vielen Gebäuden, beispielsweise in einem Quartier, lassen sich daraus durchaus brauchbare Prognosen zum Energieverbrauch in Szenarienrechnungen ableiten. In TEK wurden auch Varianten zur energetischen Modernisierung mit Einsparpotenzial, Kosten und Wirtschaftlichkeit berechnet. Daraus sind in einem Folgeprojekt erste Ansätze einer Typologie von Nichtwohngebäuden entstanden. Wichtige zusätzliche Kenngrößen wurden darin ermittelt, unter anderem Kostenkennwerte für die energetische Modernisierung mit einer durchgängigen Unterscheidung von energiebedingten Mehrkosten und Instandhaltungskosten. TEK birgt also eine ganze Menge an Informationen zur Bestandsaufnahme und energetischen Modernisierung von Nichtwohngebäuden im Bestand. Eine schnelle Analyse, der Abgleich von Bedarf und Verbrauch und Kostenkennwerte der energetischen Modernisierung machen das TEK-Tool und die zugehörigen Publikationen zu einem attraktiven Instrument der Energieberatung in Gebäuden und Quartieren bzw. Gebäudeportfolios. Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 21 von 22 Nichtwohngebäude im Bestand – eine Querschnittsanalyse Vertiefende Infos / Links # TEK – Teilenergiekennwerte für Nichtwohngebäude im Bestand Projektpräsentation auf der EnOB-Website http://www.enob.info/de/software-und-tools/projekt/details/tek-teilenergiekennwerte-fuernichtwohngebaeude-im-bestand/ # Teilenergiekennwerte von Nichtwohngebäuden (TEK): Querschnittsanalyse der Ergebnisse der Feldphase IWU, 198 Seiten, PDF, 6/2014, Link zur IWU-Website Link zur IWU-Website # Teilenergiekennwerte: Neue Wege in der Energieanalyse von Nichtwohngebäuden im Bestand IWU, 38 Seiten, PDF, 4/2014, Link zur IWU-Website Link zur IWU-Website # Komplexe Bestandsgebäude energetisch bewerten, BINE-Projektinfo 16/2013 http://www.bine.info/publikationen/publikation/komplexe-bestandsgebaeude-energetisch-bewerten # Nächste TEK-Schulung: 12. September 2015 in Kassel, Zentrum für umweltbewusstes Bauen http://www.zub-kassel.de/weiterbildung/seminare-und-lehrgaenge/energetische-bewertung-vonnichtwohngebaeuden-im-bestand-mit-der-teilenergiekennwertmethode-tek4 Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 22 von 22
