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Forschung an der Fakultät für Architektur#

Energieeffiziente Sanierung von Büroobjekten#

von


Univ.-Ass. Dipl.-Ing. Andreas Ampenberger

Vertragsprof. BSc. CEng MCIBSE Brian Cody


Institut für Gebäude und Energie


Univ.-Ass. Dipl.-Ing. Andreas Ampenberger
Univ.-Ass. Dipl.-Ing. Andreas Ampenberger

Vertragsprof. BSc. CEng MCIBSE Brian Cody
Vertragsprof. BSc. CEng MCIBSE Brian Cody



© Forschungsjournal WS 06/07


Gebäude sind verantwortlich für 50 % des Weltenergiebedarfs, was deutlich zeigt, wie wichtig eine Minimierung des Energiebedarfs von Gebäuden für unsere Gesellschaft ist. Natürlich kann man ein Gebäude aber nur dann insgesamt als nachhaltig für die nächsten Generationen bezeichnen, wenn es architektonischen Ansprüchen genügt, gut „funktioniert“ und auch behagliche Raumzustände gewährleistet.


Abb. 1: Entwurf mit Erweiterung durch Verlängerung des Baukörpers
Abb. 1: Entwurf mit Erweiterung durch Verlängerung des Baukörpers

Die am Institut für Gebäude und Energie behandelten Fragestellungen werden deshalb stets ganzheitlich unter Beachtung der Aspekte Energieperformance, Raumklima und architektonischer Qualität betrachtet. Forschung am Institut reicht über Studien zur Energieeffizienz technischer Gebäudeausrüstung über Fragestellungen, die sich mit dem Thema Gebäudeform und Energie beschäftigen bis hin zu Projekten im städtebaulichen Maßstab. In Architekturwettbewerben werden immer öfter in der Auslobung Anforderungen zur Minimierung von Herstell-, Betriebs-, und Rückbauenergie formuliert. Diese Entwicklung resultiert aus der Erkenntnis, dass eine Optimierung der Energieperfomance sehr wichtig ist und zu einem frühen Zeitpunkt besonders effektiv. Eine nachgeordnete Bewertung der angebotenen Wettbewerbskonzepte durch Spezialisten ist ein wichtiges Instrument, das den Bauherren zur Verfügung steht, um Sicherheit in seinen Entscheidungen zu erhalten. Aufgrund der Komplexität der Aufgabe sollte diese Prüfung unbedingt stattfinden. Natürlich sollte auch die Fortführung des gewählten Entwurfs kontinuierlich durch Spezialisten begleitet werden. In diesem Sinne wurde das Institut für Gebäude und Energie beauftragt, die Energieeffizienz der Entwürfe des Architektenwettbewerbs für die neue Konzernzentrale des Energieversorgers STEWEAGSTEG GmbH in Graz zu beurteilen. Der Auftraggeber entschied sich im Rahmen einer Restrukturierung für eine Sanierung ihres Hochhauses am Leonhardgürtel, ein Gebäude aus den frühen 60er Jahren. Zusätzlich wird der Standort um 150 Personen erweitert. Als Resultat der Beratung konnte die STEWEAG-STEG GmbH letztlich verschiedene Designoptionen bezüglich Energieeffizienz und Komfortaspekten fundiert beurteilen. Die Bewertung der Entwürfe umfasste beispielsweise die Auswirkungen der Situierung und Orientierung auf dem Grundstück, den Einfluss der Gebäudeform auf den Energiehaushalt, eine optimale Gestaltung der Fassade sowie die Fragestellung, inwieweit natürliche Lüftung möglich ist. Abb. 1 zeigt einen Entwurf, der die Aufgabe der Erweiterung durch Verlängerung des Baukörpers in der Längsachse löst. Auffällig ist, dass sich derzeit die Bemühungen der Planer hinsichtlich energetischer Verbesserungen auf eine Reduktion der Wärmeverluste im Winter durch Verbesserung des Dämmstandards konzentrieren. Verstärkt wird diese Tendenz dadurch, dass auch Rechenvorschriften für den einzuführenden Gebäudeenergiepass derzeit nur diesen Nachweis fordern. Viele andere Gesichtspunkte werden dagegen oft nicht beachtet, wie eine gesamtenergetisch optimale Fassadengestaltung. Hier gilt es Blendung und eine hohe thermische Last im Raum durch Solarstrahlung zu vermeiden sowie gleichzeitig eine gute Tageslichtversorgung zu ermöglichen. Für viele Bauherren und Planer bringt die Aufschlüsselung des

Abb. 2: simulierter Primärenergiebedarf für den unsanierten Bestand, sanierten Bestand und Neubau
Abb. 2: simulierter Primärenergiebedarf für den unsanierten Bestand, sanierten Bestand und Neubau

Energiebedarfs auf die einzelnen Verursacher überraschende Erkenntnisse. Diese Kenntnis ist Voraussetzung, um die Relevanz einzelner Aspekte vernünftig einschätzen zu können. Um hier Klarheit zu schaffen, wurde eine computergestützte Simulationsrechnung durchgeführt. Ein Simulationsmodell wird dabei sowohl mit den auftretenden äußeren Lasten in Form von stündlichen Klimadaten als auch mit inneren Lasten, wie Personenbelegung, Abwärme durch Bürogeräte und Beleuchtung beaufschlagt. Der Bestand wurde einem sanierten Bestand sowie einem Neubau gegenübergestellt, der frei von sämtlichen Zwängen ist, z.B. Möglichkeit einer anderen Gebäudeorientierung oder einer besonders schlanken Gebäudeform. Folgende Eingabedaten liegen zugrunde: Bestand unsaniert: u-Wert Wand = 1 W/m2K, u-Wert Fenster = 3.2 W/m2K, 2-facher Luftwechsel, Wärmerückgewinnung 50%, Effizienz der Luftförderung der RLT-Anlage = 3W/(ls) Beleuchtung 15 W/m2 (ohne Steuerung), innenliegender Sonnenschutz Bestand saniert: u-Wert Wand = 0.2 W/m2K, u-Wert Fenster = 1.3 W/m2K 1.5-facher Luftwechsel, Wärmerückgewinnung 70%, Effizienz der Luftförderung der RLT-Anlage = 2.5 W/(ls), Beleuchtung 12 W/m2 tageslichtgesteuert, außenliegender Sonnenschutz Abb. 2 zeigt den Primärenergiebedarf der Varianten. Alle Wärmeverbraucher wurden mit einem Primärenergiefaktor von 1, alle elektrischen Verbraucher mit einem Primärenergiefaktor von 3 bewertet. Der Wärmebedarf - rötlich eingefärbt - verschlingt in einem Verwaltungsbau dieser Art nur einen Bruchteil der benötigten Energie. Es ist zu erkennen, dass für die Transmissionsverluste über die Gebäudeoberfläche die Sanierung der Fenster eine deutliche Einsparung bringt. Die Sanierung der opaken Wandflächen verspricht isoliert betrachtet ebenso eine deutliche Reduktion, nämlich um 400% von rd. 12 kWh/m2 BGFa auf 3 kWh/m2 BGFa. Für den Gesamtenergiebedarf ist dies jedoch eher von untergeordneter Bedeutung. Dies würde – aus energetischer Sicht – sogar ein weiteres Nachdenken über das Erhalten der bestehenden opaken Wandflächen erlauben.

Aus Abb. 2 ist weiterhin ersichtlich, dass auf eine ausreichende Tageslichtversorgung geachtet werden muss. Der Anteil des Primärenergiebedarfs, der für Kunstlicht aufgewendet wird, liegt im unsanierten Fall mit 31% vom Gesamtbedarf höher als der des Wärmebedarfs des Gebäudes. Durch eine entsprechende Ausbildung der Fassade mit ausreichenden Fensterflächen, einem effektiven Sonnenund Blendschutz, der selbst im geschlossenen Zustand noch eine gute Belichtung erlaubt sowie mit Tageslicht lenkenden Maßnahmen lässt sich der Kunstlichtbedarf signifikant senken. Im Verwaltungsbau erkennen Unternehmen immer häufiger die enorme Bedeutung eines optimierten Raumklimas für das Wohlbefinden und damit die Leistungsfähigkeit der Mitarbeiter. Kleine Verbesserungen zeigen hier große ökonomische Wirkung. Umso erstaunlicher ist, dass in fast keinem Entwurf Stellung bezogen wurde, ob Fenster geöffnet werden dürfen. Der Luftwechsel soll in erster Linie weiterhin über eine bestehende mechanische Anlage erfolgen. Dabei ist erwiesen, dass eine weitgehend natürliche Belüftung das Wohlbefinden deutlich zu steigern vermag. Auch ist ein Öffnen von Fenstern aufgrund unserer gemäßigten Klimaverhältnisse ohne Behaglichkeitseinbußen häufig möglich. In einem Grundlagenforschungsprojekt am Institut für Gebäude und Energie ([COD 01] und [COD 02]) wurde gezeigt, dass durch ein geeignetes Konzept mit hybrider Betriebsweise von Fenster und mechanischer Anlage (mixed mode), nochmals eine Energieersparnis gegenüber einem reinen Betrieb mit mechanischer Anlage möglich ist. Dies beruht u.a. auf dem für Bürogebäude großen Potenzial zur freien Erwärmung der Außenluft, da hohe interne Lasten vorhanden sind. Die mechanische Lüftung wird erst bei Überschreitung bzw. Unterschreitung bestimmter Grenzwerte der Außentemperatur eingeschaltet, typischerweise bei Außentemperaturen unter 5°C und oberhalb 22°C. In der verbleibenden Zeit werden die Büros über Fenster natürlich gelüftet. Wesentlich dabei ist, dass der in Abb. 2 ausgewiesene Energiebedarf für die Luftförderung der mechanischen Anlage dadurch nochmals drastisch reduziert werden kann. Im Anschluss an dieses Forschungsprojekt wurde die Aufgabenstellung in die Lehre des Wintersemesters 2006 eingebunden. Vier eigenständige Lehrveranstaltungen werden angeboten, die sich allesamt mit dem Projekt beschäftigen. Die folgenden Themen werden in den Lehrveranstaltungen bearbeitet: architektonischer Entwurf, Aufstellen eines Klima- und Energiekonzepts, konzeptionelle Planung der Gebäudetechnik, thermische und energetische Computersimulation. Alle Lehrveranstaltungen sind miteinander vernetzt, so dass am Ende jeweils eine Gesamtlösung für die Aufgabe als Teamprodukt entsteht.

Quellenhinweis:

[COD 01] Energieeffiziente Lüftung von Bürogebäuden (1) in HLH Bd.56 (2005) Nr. 12, Brian Cody, Springer-VDI-Verlag, 2005, Düsseldorf [COD 02] Energieeffiziente Lüftung von Bürogebäuden (2) in HLH Bd.57 (2006) Nr. 1, Brian Cody, Springer-VDI-Verlag, 2005, Düsseldorf

Website: www.ige.tugraz.at