Auf dem Weg zum klimaneutralen Gebäudebestand

Autoren: Andreas Zinner, TH Rosenheim, Dr. Oliver Mayer, Bayern Innovativ GmbH (Stand: Juni 2020)

Bei dem folgenden Beitrag handelt es sich um einen Auszug der Bachelor-Arbeit von Herrn Andreas Zinner

Neue Simulationen zur energetischen Bewertung

Bei Betrachtung des historischen Verlaufs der Entwicklung von Anforderungen an die Gebäudeeffizienz bzw. den Energieverbrauch von Gebäuden in Deutschland lässt sich ein eindeutiger Trend der Regularien ableiten. Seit der ersten gesetzlichen Einführung der ersten Wärmeschutzverordnung 1977 als Reaktion auf die damalige Ölkrise wurden diese Anforderungen über die Jahre stetig verschärft.

Die erste Wärmeschutzverordnung stellte auch schon erste Anforderungen an die Einzelbauteile der Hüllfläche. Eine Fortschreibung dieses Trends auf europäischer Ebene stellt die Einführung der EPBD-Richtlinie (Energy Performance of Buildings Directive) aus dem Jahr 2010 dar. Damit wurden erstmals einheitliche Standards in Europa festgelegt. Diese Richtlinie wurde 2018 zuletzt novelliert. Da momentan ca. 40 % des Energieverbrauchs und knapp 36 % der CO₂–Emissionen Europas auf den Gebäudesektor zurückzuführen sind, zeigt sich hier ein enormes Einsparpotential. Durch die Ziele dieser Richtlinie soll so bis 2030 der regenerative Anteil Energieerzeugung 35 % betragen. Bis 2050 soll darüber hinaus ein vollständig klimaneutraler Gebäudebestand erreicht werden.

Neues Gesetz zur Umsetzung der Klimaziele

Dies soll mit der Einführung des Gebäudeenergiegesetzes (GEG) nun auch in Deutschland umgesetzt werden. Die geplante Umsetzung soll die bereits bestehende Energieeinsparverordnung (EnEV), das Energieeinspargesetz (EnEG) und das Erneuerbare-Energien-Wärme-Gesetz (EEWärmeG) zu einem Regelwerk zusammenführen. Eine konkrete Verschärfung der EnEV findet dabei nicht statt, es wird der in der EnEV 2016 derzeit gültige Neubaustandard mit den Anforderungen an Niedrigstenergiegebäude gleichgesetzt ([27], S. 1- 40). Zusätzlich wird die bisher gültige Ausgabe der DIN V 18599:2016-10, welche die Berechnungsgrundlage für die Nachweisführung der drei aktuellen Regularien bildet, mit einer Neufassung aus dem Jahre 2018 ersetzt. Auf diese wird auch im kommenden GEG verwiesen.

Beim Vergleich der Umsetzung der EPBD-Richtlinie (Energy Performance of Buildings Directive) mit anderen Ländern in der EU lassen sich dabei Unterschiede erkennen: Allgemein wird als Orientierung für die Berechnungsgrundlage aller Staaten die EN ISO 13790 herangezogen, wobei in Luxemburg seit kurzem auch die DIN V 18599 die zu verwendende Bewertungsgrundlage darstellt. In Luxemburg und Deutschland wird beispielsweise zur energetischen Bewertung eines Gebäudes ein Referenzgebäude mit gleicher Kubatur und Nutzung, jedoch einer festgelegten haustechnischen Ausstattung zur zulässigen Grenzwertbildung angesetzt. Eine positive Anrechnung durch niedrige Hüllflächen zu Volumenverhältnis oder energetisch vorteilhafter Fensterorientierung und -größe werden damit nicht berücksichtigt.

Bisherige Berechnungsverfahren zum Energiebedarf nicht mehr zeitgemäß

Vor dem Hintergrund der wachsenden Anforderungen an die energetische Effizienz von Gebäuden (sowie an den Komfort innerhalb von Gebäuden) wurde untersucht, ob die herkömmlichen Berechnungsverfahren in Deutschland zur Ermittlung des Energiebedarfs diesen Ansprüchen noch gerecht werden, da es sich dabei um Verfahren handelt, die teilweise auf starken Vereinfachungen und Mittelungen beruhen. Dabei wurde der Nutzenergiebedarf eines beispielhaften Gebäudes zunächst mit instationären sowie stationären Randbedingungen innerhalb eines Simulationsprogramms ermittelt. Zusätzlich wurde die Energiebedarfsberechnung mit dem in Deutschland standardisierten Monatsbilanzverfahren nach DIN V 18599 durchgeführt und die Ergebnisse abschließend einander gegenübergestellt.

Bei dem in der Arbeit verwendeten Gebäude handelt es sich um die ehemalige Bibliothek der Gemeinde Feldkirchen-Westerham, welche im Zuge eines Bauvorhabens um einen Verbindungsgang zur Vergrößerung der Bibliothek und ein Wohngebäude mit einer Cafeteria im Erdgeschoss erweitert werden soll. Im Laufe der Vorplanung zum Bauvorhaben wurden seitens der Gemeinde Feldkirchen-Westerham allerdings Zweifel an der geplanten Nutzung geäußert, weshalb die Planung und das eigentliche Bauvorhaben bis auf Weiteres eingestellt wurden. Somit liegen speziell für die technische Ausstattung des geplanten Gebäudes nach Vorplanungsstand wenig bis kaum Informationen vor. Die Kubatur des Gebäudes wurde dennoch für die Erstellung dieser Arbeit verwendet, da besonders die Konstellation der verschiedenen Gebäudeteile und deren unterschiedliche Hüllfläche interessante Ergebnisse vermuten ließen.

Die Berechnungsergebnisse der drei Varianten wurden einander gegenübergestellt. Bei der Darstellung des Heizwärme- und Kühlenergiebedarfs wurden zunächst die relevanten Wärmesenken, die zur Verfügung stehenden Wärmequellen und abschließend der resultierende Nutzenergiebedarf dargelegt. Dabei wurde hauptsächlich auf die drei Nutzungszonen (Wohnen, Bibliothek, Büro) eingegangen, da diese den größten Anteil der Nutzfläche des gesamten Modells haben und somit maßgeblich den Energiebedarf darstellen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Pauschalisierungen bzw. Mittelungen, die für eine stationäre Betrachtung der eigentlich dynamischen Vorgänge am Energiehaushalt eines Gebäudes erforderlich sind, vergleichbare Ergebnisse zu einer instationären Berechnung liefern. Unterschiede ergeben sich dabei besonders bei Betrachtung stark dynamischer Einflüsse wie solarer Einstrahlung oder nutzerbasierter Wechselwirkungen, welche mittels thermisch-dynamischer Gebäudesimulation deutlich besser in ihren Auswirkungen abbildbar sind. Unterschiede ergeben sich folglich beim solaren Wärmeangebot über die Heizperiode, weshalb hier eine detaillierte Betrachtung anhand von baulicher Verschattung bzw. Strahlungsdaten besonders bei der Bewertung von regenerativer Energieerzeugung auf solarer Basis lohnt.

Nutzerverhalten entscheidend

Um den durchaus relevanten Einfluss des Nutzerverhaltens auf den Energieverbrauch von Gebäuden korrekt berücksichtigen zu können, müssen diese bei beiden Varianten mit hinreichender Genauigkeit bekannt sein. Die grundsätzliche Möglichkeit, diese zu berücksichtigen, liefern allerdings auch beide Berechnungsansätze.

Ein besonderer Vorteil von instationären Betrachtungen liegt in der Möglichkeit, (abseits der rein energetischen Bedarfsbetrachtung) konkrete Vorhersagen zu raumklimatischen Parametern in ihrer dynamischen Natur treffen zu können. Vom Energiebedarf differenzierte Problemstellungen, wie beispielsweise sich einstellende Raumtemperaturen im Sommer oder Angaben zur Raumluftqualität bei verschiedenen Lüftungsstrategien, können damit gelöst werden. Auch die Bewertung von haustechnischer Ausstattung oder Regelungsstrategien zum Betrieb dieser ist durch gekoppelte Anlagensimulation möglich. Eine weitere Möglichkeit, um die korrekte Umsetzung weiterer dynamischer Einflüsse im Ansatz vom stationären Bilanzverfahren der DIN-V-18599 untersuchen zu können, bietet sich beispielsweise durch Ansetzen der minimalen Solltemperatur nach DIN V 18599-10 innerhalb der stationären Simulationsvariante. Damit könnte im Weiteren eine Gegenüberstellung der auftretenden Wärmesenke bzw. -quelle zwischen Nutzungs- und Nichtnutzungszeit im Simulationsprogramm gegenüber dem empirischen Ansatz nach DIN V 18599 erfolgen. Dass für eine Reglementierung des Energieverbrauchs von Gebäuden auf staatlicher Ebene Vereinheitlichungen erforderlich sind, stellt einerseits mit Sicherheit eine solide Basis für eine Bewertungs- und Vergleichbarkeitsgrundlage von Gebäuden dar. Andererseits sind genaue, dynamische Abbildungen durch Simulationen zum jetzigen Stand der Technik durchaus möglich. Diese Möglichkeit sollte, gerade im Hinblick auf die in dieser Untersuchung dargelegten Ergebnisse, in die Entwicklung zukünftiger Bewertungs- und Auslegungsansätze zur Gebäudeplanung einfließen.