Seit über 35 Jahren ist Bauphysik die einzige deutsche Fachzeitschrift, die alle Einzelgebiete der Bauphysik bündelt. Hier werden jährlich ca. 35 wissenschaftliche Aufsätze und Projektberichte mit interdisziplinärem Hintergrund veröffentlicht und aktuelle technische Entwicklungen vorgestellt. Damit ist die Zeitschrift Spiegel der Forschung in Wissenschaft und Industrie und der Normung, mit starken Impulsen aus der Planungspraxis.
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Bauphysik Wärme | Feuchte | Schall | Brand | Licht | Energie – Kritische Überlegungen zur Wirtschaftlichkeit von energiesparenden Wärmeschutzmaßnahmen – Auswirkung von Wärmeverschiebungsvorgängen in Wohngebäuden – Prinzipien der Vier-Punkt-Thermografie-Messmethode – Modellierung von Unschärfe in Ökobilanzen von Bauwerken – Möglichkeiten und Grenzen von großen Nullenergiegebäuden – Passive hygrische Klimatisierung – Ein neues Konzept für multifunktionale Betondecken 38. Jahrgang Februar 2016 ISSN 0171-5445 A 1879 1
– Kritische Überlegungen zur Wirtschaftlichkeit von energiesparenden Wärmeschutzmaßnahmen
– Auswirkung von Wärmeverschiebungsvorgängen in Wohngebäuden– Prinzipien der Vier-Punkt-Thermografi e-Messmethode– Modellierung von Unschärfe in Ökobilanzen von Bauwerken– Möglichkeiten und Grenzen von großen Nullenergiegebäuden– Passive hygrische Klimatisierung– Ein neues Konzept für multifunktionale Betondecken
Die Nor850 ist eine Multikanal Steuerungs- und Auswertesoftware zur synchronenSteuerung mehrerer Schallpegelmesser Nor140 und Mikrofonschwenkanlagen Nor265 (über WLAN / LAN). Neben der Steuerung bietet die Nor850 auch Auswertemodule für die Bestimmung der Schalldämmung (ISO 16283 / ISO 10140) und der Schallleistung (ISO 374x).
Schalldämmungsmessung
Die Akustische Kamera bietet mit 128 bzw. 256 Mikrofonen ein unschlagbaresPreis-Leistungsverhältnis! Direkte LAN-Verbindung zwischen Laptop und Mikrofon-Array (kein zusätzliches Frontend notwendig). Batteriebetrieben - optimal für denmobilen Einsatz.
1 Andreas Holm, Karl Gertis, Christine Maderspacher, Christoph Sprengard Kritische Überlegungen zur Wirtschaftlichkeit von energiesparenden
Wärmeschutzmaßnahmen
19 Tanja Osterhage, Davide Calì, Dirk Müller, Rouven Voß Auswirkung von Wärmeverschiebungsvorgängen in energieeffi zient
sanierten Bestandswohngebäuden
25 Filip Cmiel, Jaroslav Solar, Petr Alexa Principles of the four-point thermographic measurement of the surface
temperature and emissivity of glossy materials
30 Benjamin Ströbele Modellierung von Unschärfe in Ökobilanzen von Bauwerken
38 Monika Hall, Achim Geissler Möglichkeiten und Grenzen von großen Nullenergiegebäuden
50 Horst Stopp, Wolfgang Schmidt, Peter Strangfeld Passive hygrische Klimatisierung
Berichte
62 Thomas Friedrich Multifunktionale Betondecken: ein neues Konzept für die Umsetzung
Rubriken
24 Aktuell (s. a. S. 37 u. 67)69 Technische Regelsetzung70 Veranstaltungen Stellenmarkt
Produkte & Objekte
A4 Schallschutz und AkustikA10 Multifunktionale Betonfertigteile
Im neuen Verwaltungsgebäude von Stabilo arbeiten ca. 100 Mitarbeiter in bestem Akustikambiente. Möglich machen das Heradesign-Akustikplatten des Decken-spezialisten Knauf AMF. Der architektonische Clou: Sie sind in einem knalligen Grün eingefärbt, das an die berühmten Textmarker erinnert. Das ist aber nicht die einzige Besonderheit … (Foto: Knauf AMF, Bericht s. S. A4–A6)
Peer-reviewed journalBauphysik ist ab Jahrgang 2007 beim Web of Knowledge (ISI) von Thomson Reuters ak-kreditiert.
Impact-Faktor 2014: 0,228
Bitte beachten:
Die gedrucktenJahresinhaltsverzeichnisse 2015erhalten unsere Abonnenten mit dieser Ausgabe.
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www.ernst-und-sohn.de/bauphysik
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A4 Bauphysik 38 (2016), Heft 1
Schallschutz und Akustik
Fast jeder hatte sie während Schule, Ausbildung und Studium stundenlang in der Hand: Textmarker. Und die Wahrscheinlich-keit ist hoch, dass es sich dabei um einen von Stabilo handelte. Der Stiftehersteller ist nämlich seit 160 Jahren am Markt und erwirtschaftet mittlerweile einen Jahresumsatz von 500 Mio. €. Nun ließ Stablio ein schönes neues Verwaltungsgebäude am Stammsitz in Heroldsberg (Bayern) errichten. Es hört auf den Namen Stabilo Cube und hat dieses Jahr eröffnet – pünktlich zum 160. Geburtstag des Unternehmens.
Akustische Herausforderung: ein großes Atrium und offene BürosIn den drei Obergeschossen gibt es offene Büros und Kommu-nikationsflächen mit Sofa- und Sitzgruppen, die durch ein ge-meinsames Atrium und eine leuchtend orangene Stahltreppe verbunden sind. Ruhiges Arbeiten ohne akustisches Chaos macht hier eine Maßnahme der Architekten des Kölner Büros mvarchitekt + starkearchitektur möglich. Die Kreativköpfe haben nämlich 250 m2 Akustikplatten an die Wand neben der Treppe montieren lassen.Als Wandbekleidung kommen „Heradesign superfine“ zum Ein-satz – einlagige Holzwolle-Akustikplatten des Deckenspezialisten Knauf AMF, die für Innenräume und überdachte Außenbereiche prädestiniert sind und den Lärmpegel im Atrium des Stabilo Cube senken. Wie? Indem sie einen Großteil der Schallenergie durch Reibung in Wärme verwandeln und nur einen geringen Teil reflektieren.Damit die Umwandlung besonders effektiv funktioniert, setzt Knauf AMF auf einen besonderen Kniff: Das Unternehmen bindet die Holzwolle-Akustikplatten als weltweit einziger Her-steller mit dem Mineral Magnesit, nicht wie der Wettbewerb mit Zement. „Das führt zu einer 15 % höheren und besonders schnellen Schallabsorption“, erklärt Thomas Wölfer, Objekt-manager Süd bei dem Hersteller. „In nur 0,4 Sekunden sinkt
der Pegel eines Ausgangssignals um 60 dB.“ Die Folge: Die Lärmbelastung sinkt, die Konzentrationsfähigkeit der Mitarbei-ter steigt.
Kein Lärmstress: Akustikplatten schaffen gesundheits-verträgliches UmfeldDiese Akustikoptimierung ist alles andere als Luxus. Denn mitt-lerweile belegen zahlreiche Studien: Viele Mitarbeiter von Groß-raumbüros sind täglich über mehrere Stunden einem Geräusch-pegel von bis zu 95 dB ausgesetzt – das entspricht schon fast dem Schallpegel einer Kreissäge oder eine Diskothek (100 dB). Spurlos geht das nicht an den Angestellten vorbei. Zu den Fol-gen des ständigen Lärm-Smogs zählen auch Burn-outs, Hörschä-den und Kehlkopfprobleme wegen zu lauten Redens. Wölfer: „Wir konnten hier mit unserer Wandbekleidung dazu beitragen, dass die Mitarbeiter in einem gesundheitsverträglichen Umfeld arbeiten.“
Knallig: Akustikplatten sind in klassischem Textmarker-Grün eingefärbtDie Akustikplatten sollten aber nicht nur für angenehme Ruhe sorgen, sondern sich auch in das farbliche Konzept der Architek-ten einfügen. Und das ist ziemlich außergewöhnlich. Wände, Decken und Flure sind nämlich in den klassischen leuchtenden Farben der Stabilo-Textmarker gestrichen – in Grün, Gelb, Rot, Orange und Blau. Knauf AMF hat die Wandplatten deshalb in Grün (NCS 2080-G20Y) eingefärbt. Wölfer: „Die natürliche Tex-tur der Holzwolle mit einer Faserbreite von einem Millimeter eignet sich hervorragend als Oberfläche für kreative Farbgestal-tung.“ Generell stehe eine riesige Farbpalette zur Auswahl. „Kun-den können fast jeden Farbton aus gängigen Farbsystemen wie RAL, NCS, BS oder StoColor sowie zahlreiche Sonderfarben wählen.“ Aber bekommen Mitarbeiter im Stabilo Cube nicht einen Farb-Overkill? Nein, denn die Architekten haben in Zu-sammenarbeit mit einem Feng-Shui-Berater für ausreichend aus-gleichende Weißflächen gesorgt.
Neongrün wie Textmarker: Akustikplatten verschönern Stabilo-Verwaltungsgebäude
Im neuen Verwaltungsgebäude des Stifteherstellers Stabilo arbeiten ca. 100 Mitarbeiter in bestem Akustikambiente. Mög-lich machen das Heradesign-Akustikplatten des Deckenspe-zialisten Knauf AMF. Der architektonische Clou: Sie sind ein-gefärbt. In einem knalligen Grün, das an die berühmten Text-marker erinnert. Das ist aber nicht die einzige Besonderheit.
Bild 1. Der Stiftehersteller Stabilo ist bereits seit 160 Jahren am Markt. Nun ließ Stablio ein schönes neues Verwaltungsgebäude am Stammsitz in Heroldsberg (Bayern) errichten. Es hört auf den Namen Stabilo Cube und hat pünktlich zum 160. Geburtstag des Unternehmens eröffnet.
Bild 2. Neongrün wie Textmarker: Heradesign Akustikplatten von Knauf AMF verschönern den Stabilo Cube.
Bild 3. Der architektonische Clou: Die Heradesign-Akustikplat-ten sind in einem knalligen Grün eingefärbt, das an die berühmten Textmarker von Stabilo erinnert.
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Schallschutz und Akustik
Wie die Experten von Knauf AMF das gelöst haben? Mit an die Wand geschraubten Montageschienen aus Metall. Diese haben ein Hutprofil, das sich in die umlaufende Nut der Holzwolle-platte einstecken lässt. Dezent: Damit ist das gesamte Befesti-gungssystem unsichtbar – es sind weder Schrauben noch Schie-nen zu sehen. Lediglich fünf Millimeter breite Fugen zwischen den einzelnen Platten. „Die Unsichtbarkeit des Montagesystems war den Architekten sehr wichtig“, erinnert sich Wölfer. „Denn Mitarbeiter gehen über die große Treppe jeden Tag nah an den Platten vorbei. Da wären Schrauben auffälliger gewesen als in
Einzigartig in der Branche: Montagerichtung wechselt alle zwei AkustikplattenKnauf AMF musste sich aber nicht nur bei der Farbe an die krea-tive Gestaltung der Kölner Architekten anpassen. Um für noch mehr optische Abwechslung zu sorgen, sollte sich die Montage-richtung der 600 × 1.200 mm großen und 11,3 kg schweren Akus-tikplatten alle zwei Platten ändern – von vertikal zu horizontal. „Das stellte uns vor eine große Herausforderung, denn Vorbilder für eine solche Sondermontage existieren in der Branche nicht“, sagt Wölfer.
Bild 4. Im neuen Verwaltungsgebäude des von Stabilo arbeiten ca. 100 Mitarbeiter in bestem Akustikambiente. Möglich machen das Heradesign-Akustikplatten des Decken-spezialisten Knauf AMF.
Bild 5. In den drei Obergeschossen gibt es offene Büros und Kommunikationsflächen mit Sofa- und Sitzgruppen, die durch ein gemeinsames Atrium und eine leuchtend orangene Stahltreppe verbunden sind. Dass hier ruhiges Arbeiten ohne akustisches Chaos möglich ist, ist einer Maßnahme der Architekten des Kölner Büros mvarchitekt + starkearchitektur zu verdanken: Die Kreativköpfe haben 250 Quadratmeter Heradesign-Akustikplatten an die Wand montieren lassen. (Fotos: Knauf AMF)
Lärm schlucken, Klang schaffen:Kompetenz für Industrie und Technik
Projekten, in denen die Akustikplatten mehrere Meter über dem Boden an die Decke montiert sind.“
Akustikplatten punkteten bei Architekten mit NachhaltigkeitDie Akustikplatten sollten nachhaltig sein – genau wie das ge-samte Gebäude, das dank einer Kombination aus Geothermie-Anlage, CO2-Wärmepumpe und freier Kühlung umwelt- und res-sourcenschonend ist. Überzeugen konnten die Akustikplatten, weil sie ein baubiologisch unbedenkliches Naturprodukt sind und lediglich aus Holz, Magnesit und Wasser bestehen. Die Pro-dukte haben zwei Zertifikate: sind zum einen Träger des Blauen Engels, der ältesten (1978) umweltschutzbezogenen Kennzeich-nung der Welt. Zum anderen trägt das verwendete Holz das Sie-gel der gemeinnützigen Nichtregierungsorganisation Forest Ste-wardship Council (FSC). Es bestätigt, dass das verwendete Holz nichts mit zerstörerischer Waldnutzung zu tun hat.„Wir sind davon überzeugt, dass umweltfreundliche Produkte immer mehr an Bedeutung gewinnen“, sagt Klaus Kumerschek, Brandmanager Heradesign bei Knauf AMF. Immer mehr Archi-tekten gewöhnten sich auch an die raue Oberflächenstruktur der Akustikplatten: „Eine raue Struktur wurde in der Vergan-genheit nicht immer geschätzt, da sie zu sehr an alte Bauplatten aus Holzwolle erinnerte. Heute sind es genau solche groben Oberflächen, mit der Architekten gerne arbeiten.“
www.knaufamf.de
Lärm in Schulen – Einfache Lösungen für mehr Konzentration
Mit ihren schallschluckenden Elementen bietet die Firma Sonatech aus Memmingen im Allgäu hervorragende Lösun-gen für den Schallschutz in Schulen an. Das Unternehmen vertreibt deutschlandweit unterschiedliche Produkte, mit denen der Nachhall reduziert wird und sich die Lärmbelas-tung deutlich minimieren lässt.
Die Neuheit Isokorb ID sowie die neue Generation des Isokorb KST ermöglichen eine nachträgliche Montage von Balkonen und anderen auskragenden Bauteilen. Während das Isokorb ID Sys-tem Wärmebrücken am Anschluss von Balkonen im Neubau mi-nimiert, bietet der Isokorb KST vielfältige Lösungsmöglichkeiten im Neubau wie in der Sanierung. Besteht die Decke beispiels-weise aus Holzbalken, kann mit dem Isokorb KST ein Balkon über einen Stahlträger an die Holzbalken angeschlossen werden. Das Trittschalldämmsystem Tronsole für gerade und gewendelte Treppen sichert die Schallschutzstufe III nach VDI 4100 sowie die DEGA Klasse B, teilweise sogar A.
www.schoeck.de
Schöck präsentiert neue Lösungen für Wärme- und Trittschalldämmung
Als Industriepartner des Bauspezialartikelhändlers Schulz-Baubedarf präsentierte die Schöck Bauteile GmbH auf der Bautec neue Produkte in den Bereichen Wärme- und Tritt-schalldämmung.
Der Tronsole Typ T sichert Schallschutzstufe III nach VDI 4100, auch die DEGA Klasse B, teils sogar A (Abb.: Schöck)
Lärmüberwachungssystem NoiseTutorUmweltdaten in entlegenen Gebieten zu überwachen, ist für den Anwender eine anspruchsvolle Aufgabenstellung. Typi-sche Lösungen bestehen aus komplizierten Installationen und erfordern für den zuverlässigen Betrieb des Systems Perso-naleinsatz vor Ort.
Mit dem NoiseTutor ist auch eine ganzjährige, dauerhafte Lärm-überwachung möglich. (Foto: Synotech)
Kurzfristig umzusetzende Schallmessungen und Kurzzeit-Mess-kampagnen sind ebenfalls eine Herausforderung. In diesen Fäl-len sind die typischen Festinstallationen häufig zu teuer. Der NoiseTutor von Larson Davis macht die Bewältigung solcher Umweltlärm-Messaufgaben ohne Festinstallation und ohne per-manenten Personaleinsatz vor Ort möglich. Das System besteht aus dem Schallpegelmesser Modell 831, einem kompakten In-dustrie-PC, einem GPRS-Modem und einem Akku, der im Falle einer Stromunterbrechung einspringt. Die Bedienung, Parame-trierung, Steuerung und Übertragung der Messdaten wird über das Internet realisiert.Kombiniert mit dem Außen-Mikrofonverstärker PRM2013 und dem Wetterschutz EPS2116 ist mit dem Gerät auch eine ganz-jährige, dauerhafte Lärmüberwachung möglich. Der Zugriff auf das System erfolgt mit eigenen Fernverwaltungsprogrammen, die den integrierten Industrie-PC von außen steuern können. Von dort wiederum ist der Zugriff auf den eingebauten Schall-pegelmesser und dessen Funktionen möglich, was in der Praxis jedoch kaum nötig ist. Vordefinierte Einstellungen erleichtern die Handhabung, im Idealfall wird das System aufgestellt, ange-schlossen und eingeschaltet, schon kann die Messung beginnen.
Gehen Sie beim Schallschutz von Treppen auf Nummer sicher: Mit den Schallschutzsystemen von Schöck.Alle wichtigen bauphysikalischen Grundlagen für Ihre Planung �nden Sie im Schöck Trittschallportal auf www.schoeck.de/trittschallportal.
Sicherer Trittschallschutz ist blau. Machen Sie keine Kompromisse.
Um einen optimalen Schallschutz zu gewährleisten, führen die Mitarbeiter des Unternehmens Schallmessungen durch, stehen bei der Produktwahl zur Seite und bringen auf Wunsch die Ele-mente im Raum an.
Schall- und BrandschutzZum Standardsortiment von Sonatech gehören die Schall-schutzplatten Baso Decor. Sie werden direkt an die Decke ge-klebt und reduzieren so die Raumhöhe nur minimal. Gleichzei-tig bieten die Elemente ein hervorragendes Schallabsorptions-vermögen über ein sehr großes Frequenzspektrum. Auch im Brandschutz warten die Baso-Decor-Elemente mit hervorragen-den Werten auf. Beispielsweise halten sie Temperaturen bis 150 °C stand und sind entsprechend der DIN 4102 schwer ent-flammbar. Die ursprünglich für den Industriebau entwickelte QuietLine-In-dustry-Serie erfreut sich auch in anderen Einsatzbereichen gro-ßer Beliebtheit. Auch dieses System wird an der Decke montiert, allerdings bietet das Unternehmen sie in unterschiedlichen For-men an. So kann der Planer zwischen Rollen, Baffeln und Wür-feln wählen. Darüber hinaus bietet Sonatech an, die Schall-schutzkörper mit einem farbigen Stoffüberzug zu versehen, wo-durch sie zum gestalterischen Blickfang im Raum werden. Dank ihres geringen Gewichts entstehen keine statischen Beeinträchti-gungen, Staub und Schmutz beeinflussen die Wirkung der QuietLine-Industry-Elemente nicht.
Ästhetischer SchallschutzEbenfalls von der Decke abgehängt – meist in einem Abstand von ca. 10 cm – werden die QuietLine-Platten der Firma Sona-tech. Diese sind sehr feinporig und bieten in Kombination mit dem umlaufenden Aluminiumrahmen ein ansprechendes Er-
Die Sonatech-Elemente reduzieren den Nachhall und sorgen so für eine bessere Raum-akustik (Foto: Sonatech)
scheinungsbild. Damit fügt sich die Akustik-Lösung gut in die Raumgestaltung ein. Als besonderes Highlight bietet Sonatech auch die Möglichkeit, die QuietLine-Platten mit einem beliebi-gen Wunschmotiv zu bedrucken. Diese werden dann wie ein Bild an die Wand gehängt und wirken genauso schallschützend wie das Pendant an der Decke. Doch darüber hinaus tragen sie zur Dekoration des Raumes bei. Damit sind sie ideal für eine gute Stimmung im Klassenzimmer.
Dipl.-Ing. Claudia El Ahwany
www.sonatech.de
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Schallschutz und Akustik
Raumakustik aktiv gestalten mit aixFOAM Schallabsorbern
Neben den architektonischen Planungen in der Bauakustik unterstützt aixFOAM bei der Optimierung der Raumakustik oder auch Industrieakustik. Als Hersteller von professionel-len Schallschutz-Systemlösungen ist das Unternehmen seit 1958 kompetenter Partner für die Fertigung und Lieferung hochwertiger Akustiklösungen.
Die aixFOAM Produkte der Architectline zeichnen sich da-durch aus, dass Sie den Anforderungen von Planern, Architek-ten, Bauherren und Behörden gerecht werden. Schallschutz und Ästhetik müssen sich dabei nicht widersprechen.Eine optimierte Raumakustik beeinflusst maßgeblich die Leis-tungsfähigkeit in Büros und Klassenräumen, sorgt für eine bes-
sere Verständlichkeit in Konfe-renzräumen und Arbeitsstätten und steigert das Wohl befinden zu Hause.In Konzertsälen und Opern-häusern ist eine perfekte Akus-tik sogar ausschlaggebend für die Qualität und das Renom-mee des gesamten Hauses. Behörd liche Vorgaben an die maximale Lärmbelastung von Industriearbeitsplätzen können durch den Einsatz von aix-FOAM Schallabsorbern einge-halten werden.Brandschutztechnische Anfor-derungen sind mit den Akustik-elementen des Herstellers ge-nauso erfüllbar wie eine flexible Aufhängung, um z. B. Reini-gungsarbeiten durchführen zu können.
Bild 2. Ob Brandschutztechnische Anforderungen oder flexible Aufhängung, beides ist mit den Akustikelementen des Herstellers erfüllbar (Fotos: aixfoam)
Bild 1. Werden den Anforderungen von Planern, Architekten, Bauherren und Behörden gerecht: Die aixFOAM Produkte der Architectline
aixFOAM Schallabsorber zeichnen sich unter anderem durch folgende Eigenschaften aus:
– Exklusive Formgebung – Extrem gute Schalldämmung – Bauaufsichtliches Prüfzeugnis vorhanden – Flexible Montage und Positionierung – Äußerst leicht montierbar – Geringes Gewicht – In diversen Brandklassen erhältlich
Sie haben Interesse an einer kompetenten Beratung, unseren Produktbroschüren, benötigen Ausschreibungstexte, technische Datenblätter oder haben weitere Fragen zu unseren Produkten? Dann kontaktieren Sie uns gerne!
Das Kinderkrankenhaus der Universi-tätsklinik im Warschauer Ortsteil Zwirki i Wigury besteht aus drei Trakten mit jeweils acht Stockwerken, wobei die drei Gebäudeteile unterirdisch mit-einander verbunden sind. Bewegungen und Einwirkungen auf den Böden erzeugen störenden Lärm. Deshalb wurde das Gebäude mit Regupol® gedämmt, um die Ausbreitung des Trittschalls im Gebäudekomplex zu verhindern.
Trittschallminderung bis 31 dB – Podestauflagerung Egcosono P
Alle Typen aus dem Sortiment von Max Frank sind sowohl für Ortbetonpodeste mit passendem Bewehrungskorb als auch für Fertigteilpodeste lieferbar. Der Montagekörper wurde op-timiert und wird bei der Ortbetonvariante mitgeliefert.
Nach der gültigen DIN EN ISO 140-8 wird ein ∆Lw* Wert von 31 dB erreicht, das Optimum im Bereich Podestentkopplung.
Bild 2. NEU: Egcosono P ohne Montagekörper für Fertig-teil podeste (Fotos: Max Frank)
Bild 1. Podestlager Egcosono P mit Montagekörper für Ortbeton podeste
Vorteile auf einen Blick:
– Trittschallminderung von bis zu ∆Lw* 31 dB (nach gültiger DIN)
tekten und Ingenieure Sichtverbindungen und kurze Wege zwi-schen den verschiedenen Funktionsbereichen der ABI- Beton sicherstellen, um die Arbeitsprozesse zu optimieren.Die äußere Gestalt des Baus reagiert auf die Umgebung des Baugrundstücks, ein Industriegebiet, das ein für solche Areale typisches Erscheinungsbild hat: inhomogene Gebäudestruktu-ren, Fassadengestaltungen und Nutzungen sowie unterschiedli-che Bauvolumen. Als Kontrapunkt setzen die Planer einen kla-ren, kubischen Körper mit streng gerasterten Fassadenansichten, der sich über zwei Geschosse erstreckt. Zentrales Element des neuen ABI-Firmensitzes ist ein begrünter Innenhof, der als ver-bindendes Element den Mitarbeitern als Treffpunkt, Ruhe- und Pausenbereich sowie als abkürzende Wegverbindung zwischen den drei Gebäudeflügeln dient. Zudem sorgt das Atrium dafür, dass viel Tageslicht ins Innere fällt und Lärm und Schmutz des Industriegebietes außen vor bleiben. Rund um den Innenhof sind die Büroräume angeordnet, im ersten Obergeschoss sind
Bild 1. Das neue Büro- und Verwaltungsgebäude des Betonfertigteileherstellers ABI-Beton in Andernach ist ein kubischer Baukörper aus Sichtbeton.
Bild 2. Die Architektur ist zum einen geprägt von dem industriellen Umfeld, zum anderen spiegelt sie die Arbeits- und Kommunikationswege des Unternehmens ABI-Beton wider.
Büro- und Verwaltungsgebäude der ABI-Beton in Andernach
Da das bestehende Verwaltungsgebäude aus den 1930er-Jah-ren längst nicht mehr den Anforderungen an zeitgemäße Ar-beitsplätze, Platzangebot und Repräsentation entsprach, ent-schied sich der Bauherr, der Betonfertigteilehersteller ABI-Be-ton, für einen Neubau auf dem Firmengelände in Andernach. Das beauftragte Architektur-büro Planfaktur aus Montabaur entwarf einen kubischen Baukörper aus Sichtbeton, dessen Gestalt zum einen auf das industriell geprägte Umfeld reagiert und zum anderen die internen Arbeitsabläufe des Unterneh-mens widerspiegelt.
In einem Industriegebiet der rheinland-pfälzischen Stadt Ander-nach befindet sich das Gelände der Firma ABI-Beton. 1950 als Bimsstoffwerk gegründet ist das Unternehmen heute auf die Pro-duktion von hochwertigen Betonprodukten spezialisiert. Als Fir-mensitz diente bislang ein mehr als 80 Jahre altes, ursprünglich als Wohnhaus errichtetes Gebäude, das nicht genug Platz für die 40 Mitarbeiter bot. Über den Raummangel hinaus beschloss die Geschäftsführung auch unter energetischen Gesichtspunkten, zur Verbesserung der Arbeitsabläufe und aus repräsentativen Gründen, ein neues Büro- und Verwaltungsgebäude auf dem Fir-mengelände zu errichten.
Architektur und NutzungFür das architektonische Konzept analysierten die Architekten vom Büro Planfaktur, Nadine Bressler und Sven Letschert, zu-nächst die Arbeits- und Kommunikationswege der Mitarbeiter des Unternehmens ABI-Beton. Diese Beziehungen visualisierten sie in einer Matrix, welche die ordnende Grundlage für die neue Grundrissgestaltung darstellt. Auf diese Weise wollen die Archi-
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Multifunktionale Betonfertigteile
oberflächennahe Leitungen als Klimadecke zum Heizen und Kühlen des Gebäudes ausgeführt sind. Durch das in den Leitun-gen zirkulierende Wasser und den speicherfähigen Beton sind schnelle Reaktionszeiten möglich; zusätzliche Heizflächen sind nicht erforderlich.
Energiekonzept und MonitoringZum Heizen bzw. Kühlen des Bürobaus nutzt die Firma ABI- Beton mit Erdwärme eine regenerative Energiequelle. Hierzu wurden 20 Erdwärmesonden in Tiefen von 50 bis 120 m gebohrt; eine Wasser-Wärmepumpe ergänzt diese Kollektoranlage, wobei mit einer zweiten Wärmepumpe ein weiteres innovatives Produkt der Fa. ABI angeschlossen ist. In der Kellerwand sind – wie in der Decke – nun ebenfalls Kunststoffrohre einbetoniert, über die dem Erdreich weitere Wärme entzogen werden kann. Mit Hilfe von Sensoren werden jetzt die Temperaturen im Erdreich kon-trolliert, um Aussagen über die Leistungsfähigkeit und das Lang-zeitverhalten zu erhalten, bevor das neue Thermowandsystem auf den Markt geht.
Alexandra Busch Dipl.-Ing. Architektur
Bautafel: Büro- und Verwaltungsgebäude der ABI-Beton in AndernachBauherr: ABI-Beton Andernacher Bims-
werk GmbH & Co. KGPlanung: PLANFAKTUR Architekten &
IngenieureNutzfläche: 1478,08 m2
Technische Funktionsfläche: 57,71 m2
Verkehrsfläche: 1314,38 m2
Nettogeschossfläche: 2850,71 m2 Bruttorauminhalt: ca. 11.000 m3
TGA: HPI Himmen Geologe: geo consult POHLBaubeginn: Mai 2014Bauende: Oktober 2015
www.syspro.de
straßenseitig zudem Schulungs-, Seminar- und Personalräume untergebracht. Der großzügige und repräsentative Eingangsbe-reich öffnet sich über zwei Geschosse. Das Foyer dient dabei nicht nur als zentraler Knotenpunkt der Anlage, sondern bietet auch eine Wartezone für Besucher und eine kleine Ausstellungs-fläche für die Produkte der ABI-Beton.
Material und KonstruktionMit einem Betonteile produzierenden Unternehmen als Bauherr war die Frage nach dem Konstruktionsmaterial schnell geklärt: Die neue ABI-Firmenzentrale sollte aus eigenen Produkten er-richtet werden, nicht nur aus wirtschaftlichen Gründen, sondern auch, um den ABI-Kunden am Bauwerk zeigen zu können, wel-che konstruktiven und ästhetischen Möglichkeiten mit den ABI-Produkten realisierbar sind. Somit plante das Büro Planfaktur gemeinsam mit dem Bauherren ein Gebäude, das außen und in-nen aus sichtbaren Betonfertigteilen besteht. Für die primäre Tragkonstruktion kommen somit die von der ABI-Beton selbst produzierten Thermo-Sandwichwände zum Einsatz. Ein weite-res ABI-Produkt sind die elementierten Betondecken, die durch
Bild 3. Das repräsentative Entree des Neubaus öffnet sich über zwei Geschosse. Es erschließt den Bau horizontal als auch vertikal. Zudem sind hier ein Wartebereich für Besucher sowie eine kleine Ausstellungsfläche für die ABI-Produkte integriert.
Bild 4. Das Schaltschema symbolisiert das virtuelle Gebäudemodell mit thermisch aktivierten Bauteilen: Geschossdecken sowie Thermowand als Strahlungs- und Erdabsorber. (Fotos: 1–3 Matthias Schmidt/PLANFAKTUR Architekten & Ingenieure, 4 SySpro-Gruppe)
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Multifunktionale Betonfertigteile
Geringster KonvektionsanteilDer Konvektionsanteil ist im Vergleich zu anderen Flächenheiz-systemen am geringsten. Die Staubverwirbelung ist gleich Null, was auf andere Flächenheizsysteme bekanntlich nicht zutrifft. Im Sommer wird das in den Deckenspiegel eingegossene Rohr-leitungssystem – beim Betrieb einer reversiblen Wärmepumpe – zur flächendeckenden Raumtemperierung, ohne lästige Geräu-
Multitaskingfähige Geschossdecken – individuell vorproduzierte, massive Raum-klimadeckenMassive multifunktionale Systemfertigdecken, die dennoch leichter sind als übliche Ortbetondecken oder Filigrandecken, liegen im Trend. Sie sind nicht nur für den Neubau geeignet, sondern auch optimal für An- und Umbau. Sie entsprechen dem Wunsch nach massiven Bauteilen. Dennoch wird das Fundament und Mauerwerk weit weniger belastet als bei her-kömmlichen Decken, weil in die Decke werkseitig bereits röhrenförmige Hohlräume integriert sind. Diese innovativen Systemfertigdecken gibt es auch als Raumklimadecken mit integrierter Flächenheizung bzw. -kühlung und/oder mit der Ausstattung für den schnellen und wirtschaftlichen Einbau einer kontrollierten Be- und Entlüftungsanlage. Auch die Schallschutzwerte sind weit besser als bei vergleichbaren De-cken.
Das bahnbrechende Konzept der Schlüsselfelder Ideenschmiede Dennert wurde bereits einmal als Bauinnovation des Jahres ausgezeichnet und hat sich schon in vielen Gebäuden bewährt, vom Einfamilienhaus bis hin zum Gewerbebau. Die enormen Potenziale bei Energieeffizienz, Behaglichkeit und Wirtschaft-lichkeit machen die Raumklimadecke zu einer sehr interessan-ten Alternative, sowohl für den Neubau als auch für die Sanie-rung und Modernisierung. Jedes Deckenelement wird als indivi-duelles Einzelstück nach Plan gefertigt und als trockenes Bauteil montagefertig auf die Baustelle angeliefert und auf Wunsch auch auf das Mauerwerk durch eigenes geschultes Personal aufgelegt. Dabei werden alle Besonderheiten – wie beispielsweise inte-grierte Stürze, Rundungen, Durchbrüche für Versorgungsleitun-gen, passgenaue Auflagen für Treppen u. a. – bereits im Werk in die Deckenplatten integriert. Zudem erfüllt die innovative DX-Decke alle Anforderungen an Feuerschutz, Belastbarkeit und Schallschutz mit Bestwerten. Die vom IBMB Prüfinstitut Braun-schweig gemessenen Werte im Bereich Luftschall liegen um ca. 10 % besser als bei herkömmlichen Vollbetondecken. Die Raum-klimafunktion dieser Systemfertigdecken ist zudem unübertrof-fen. Die Heizung und Kühlung kommt von dort, wo sie von der Natur vorgesehen ist, nämlich von oben. Auch die Sonne strahlt von oben, lautet das verblüffende Grundprinzip der Raumklima-decke. Die wohlige Wärme wird in Form von Wärmestrahlungs-wellen gleichmäßig und wohngesund in jeden Winkel des Rau-mes geführt. Die Heizschlangen werden bereits im Werk in den Deckenspiegel der Fertigdecke eingegossen und auf der Bau-stelle an den Heizkreisverteiler bauseits vom Installateur ange-schlossen.
Bild 1. Heizung und Kühlung von dort, wo sie die Natur vorge-sehen hat – von oben
Bild 2. Werkseitig in die Deckenkörper integrierte Hohlröhren
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Multifunktionale Betonfertigteile
fügen die Wände über eine glatte Oberfläche. Bauseits werden die Betonoberflächen gereinigt und endbehandelt. Wer sicht-baren Beton nicht oder nicht überall möchte, dem stehen alle gestalterischen Mittel offen. Die Oberflächen sind malerfähig – innen wie außen. Die Außen- und Innenschale aus Beton mit integrierter Bewehrung und zwischenliegender Dämmung wird durch die Verfüllung des Hohlraums mit Ortbeton zu einem mo-nolithischen Bauteil. Im Greencode-Konzept bildet die Thermo-wand die harte Schale nach außen und die hochwertige Däm-mung liegt geschützt in der massiven Wand. Das sorgt auch für optimalen Brandschutz. Dämmstärken von 4 bis 22 cm sind je nach Material und Anforderung möglich. Auch großformatige Wandflächen sind realisierbar. Die optional integrierten Heiz-/Kühlleitungen ermöglichen eine beträchtliche Steigerung der Systemeffizienz.
www.green-code.de
Bild 3. Jedes Deckenelement ist nach Plan gefertigtes, individuelles Einzelstück und wird als trockenes Bauteil montagefertig auf die Baustelle geliefert. (Fotos: Dennert-Baustoffe.de)
Multifunktionale Thermowand
Die Thermowand von Greencode wird individuell durchge-plant und unter kontrollierten, witterungsunabhängigen Pro-duktionsbedingungen hergestellt. Die dreischaligen Wandele-mente werden just-in-time auf der Baustelle angeliefert. Der Aufbau vor Ort erfordert wenig Zeit, die Logistik wird verein-facht, aufwändiger Schalungs- und Bewehrungsbau entfällt. Eingebunden in den Greencode-Workflow ist die gesamte Haustechnik bereits berücksichtigt und entsprechend einge-baut bzw. der Einbau vorbereitet.
Die Thermowand sorgt für eine gleichmäßige Raumtemperatur, da Beton ein ausgezeichnetes Speichermedium ist. Die Sonnen-einstrahlung des Tages wird in der Nacht wieder abgegeben bzw. die Kühle der Nacht in den nächsten Tag mitgenommen. Da auch die Wandflächen mit einem Heiz-/Kühlregister belegt wer-den können, wird die Effizienz der Gebäude weiter gesteigert. Die durch die Wandflächen wesentlich vergrößerte Wirkfläche ermöglicht es, die Vorlauftemperaturen im Heizbetrieb weiter zu senken und somit den Einsatz regenerativer Energieträger noch wirtschaftlicher zu gestalten. Im Kühlbetrieb können Leistungs-werte von bis zu 100 W/m2 Grundfläche erreicht werden. Die höheren Vorlauftemperaturen verringern den Energieeinsatz auch im Sommer und schützen das System nachhaltig vor Tau-wasserbildung – auch bei schwüler Witterung und ohne Leis-tungseinbußen.Die Greencode-Thermowand wird liegend auf Metallschalungen betoniert. Dadurch und durch eine mehrstufige Verdichtung ver-
Objekt Wohnhaus Keller, Diepoldsau (CH), Architekt Joshua Loher (Foto: green-code.de)
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sche oder Zugerscheinungen. Ein weiterer Vorzug der Raum-klimadecke ist die wahlweise Ausstattung (DX-AIR) für den schnellen und wirtschaftlichen Einbau der Lüftungsrohre für eine kontrollierte Be- und Entlüftungsanlage. Die werkseitig in den Deckenkörper integrierten Hohlröhren nehmen die übli-chen Lüftungsrohre spielend auf. Auslässe für Be- und Entlüf-tungssysteme werden ebenfalls bereits im Werk plangenau in den massiven Deckenelementen vorbereitet. In die Decke inte-grierte Kunststoffmanschetten und der patentierte Lüftungswin-kel ermöglichen die einfache Montage von Ein- bzw. Ausström-ventilen.
Kritische Überlegungen zur Wirtschaftlichkeit von energiesparenden Wärmeschutzmaßnahmen
Andreas HolmKarl GertisChristine Maderspacher Christoph Sprengard
Die Wirtschaftlichkeit von Wärmeschutzmaßnahmen wird derzeit heftig, z. T. auch kontrovers diskutiert. Zunehmend negative Be-richte in den Medien schüren immer wieder Zweifel am wirtschaft-lichen Sinn von Wärmedämm-Maßnahmen an Gebäuden. Zur Er-mittlung der Wirtschaftlichkeit ist die Beachtung äußerst vielfälti-ger Parameter nötig, wenn keine Fehl- oder Pseudokalkulationen zustande kommen sollen. Bei der Sanierung der Altbauten muss zwischen Sowieso-Kosten und energiebedingten Kosten unter-schieden werden; erstere fallen an, weil die ins Alter gekommenen Bauteile sowieso saniert werden müssen. Die kalkulatorische Er-mittlung der Wirtschaftlichkeit kann nach statischen und dynami-schen Methoden erfolgen, wobei nur die letzteren die zeitlichen Veränderungen wesentlicher Kalkulationsparameter (wie z. B. des Energiepreises und des Realzinses) über die Nutzungsdauer ange-messen berücksichtigen können. Die Nutzungsdauer entspricht in der Regel einer Ein-Generationen-Aktivzeit von 30 Jahren. In der-artigen Zeiträumen können sich auch staatliche Förderzuschüsse und steuerliche Abschreibungsmöglichkeiten stark ändern. Bei so vielfältigen Kalkulationsparametern und deren zeitlicher Verände-rung überrascht es nicht, dass die Wirtschaftlichkeitsergebnisse stark schwanken. Die Amortisationszeit liegt meist zwischen 2 und 15 Jahren. In ungünstigen Fällen kann sie auch auf bis zu 30 Jahre anwachsen. In jedem Fall liegt sie innerhalb des 30-jährigen Gene-rationszeitraums. Dies erfordert aber eine Steigerung der jährli-chen Sanierungsrate auf mindestens 3 %.
Economic effi ciency of thermal insulation aimed at saving energy: a critical assessment. The economic effi ciency of ther-mal insulation is often subject to intense criticism, and can be controversial. Increasingly, negative reports in the media are casting doubt on the fi nancial justifi cation for adding thermal in-sulation to buildings. In order to investigate the economic effi -ciency of such measures while avoiding miscalculations or pseu-do-calculations, an extremely wide range of parameters must be considered. A distinction must be made when renovating old buildings between ‘business-as-usual’ costs and energy-related costs; the former are incurred because ageing building elements will usually require renovation. The calculations to establish eco-nomic effi ciency may use the static or dynamic method, but only the latter can account for the changes over time in major calcu-lation parameters (such as energy prices and real interest rate level) over the building’s useful life. This useful life is normally a single generation of active service, lasting 30 years. That is long enough for government subsidies and tax amortisation options to change signifi cantly. It is therefore unsurprising, with so many calculation parameters and the change in these over time, that the results of economic effi ciency calculations vary greatly. The
amortisation period is normally between 2 and 15 years; it can extend to 30 years, in extreme cases. It will however always fi t within a single 30-year useful life. This requires a rise in the cur-rent annual rate of renovation, to at least 3 %.
1 Einleitung
Das Energiekonzept der Bundesregierung [1] sieht einen „nahezu klimaneutralen“ Gebäudebestand bis zum Jahre 2050 vor. Um dieses ambitionierte Ziel zu erreichen, soll der Wärmebedarf von Gebäuden bis 2020 um 20 % und der Primärenergiebedarf bis 2050 um 80 % gegenüber 2008 ge-senkt werden. Ferner soll die Sanierungsrate von jährlich 1 % auf 2 % erhöht werden. Die energetische Sanierung des Gebäudebestandes wird in diesem Energiekonzept als „wichtigste Maßnahme, um den Verbrauch an fossilen Energieträgern nachhaltig zu mindern und die Abhängig-keit von Energieimporten zu reduzieren“, beschrieben.
Bei derartigen Zielsetzungen muss der Gebäude-bestand in Deutschland genauer betrachtet werden. Etwa 70 % der insgesamt 18,2 Mio. Wohngebäude in Deutsch-land wurden vor 1979 errichtet [2]. Gemäß einer Unter-suchung [3] liegt der Modernisierungsfortschritt dieser Be-standsgebäude bei ca. 25 bis 30 %. Überschlägig bedeutet dies, dass in Deutschland an knapp 9 Mio. Altbauten noch keine oder nur geringfügige Verbesserungen des Wärme-schutzes durchgeführt wurden. Man muss also feststellen, dass jedes zweite Wohngebäude in Deutschland über einen unzureichenden Wärmeschutz verfügt.
In Tabelle 1 sind die Anteile der gedämmten Bauteil-fl ächen in % an der jeweils insgesamt vorhandenen Bau-teilfl äche entsprechend den Angaben von [4] wiedergege-ben. Der Anteil gedämmter Außenwandfl ächen liegt bei Ein- und Zweifamilienhäusern bei ca. 35 %. Der überwie-gende Teil der Gebäudealtersklassen vor 1979 zeigt einen energetischen Standard auf einem Niveau vor der Wärme-schutzverordnung 1977 [5]. Sanierungen, die einen besse-ren energetischen Standard aufweisen, sind in diesen Al-tersklassen selten. Die Gebäudealtersklassen ab 1979 bis 2014 haben zwar größtenteils einen Standard, welcher der Wärmeschutzverordnung nach 1977 oder 1984 entspricht. Modernisierungen, die eine bessere energetische Effi zienz erreichen, sind in diesen Gebäudealtersklassen aber eben-falls selten.
Die Dämmung der oberen Geschossdecke oder des Daches der älteren Wohngebäude ist mit über 60 % bei
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2 Bauphysik 38 (2016), Heft 1
halb 1 %) liegt, wesentlich erhöht werden. Bei einer 1%-igen Jahresrate würde die Sanierung 100 Jahre dauern; das wäre absurd. Die Bundesregierung peilt, wie oben erwähnt, eine jährliche Rate von 2 % an. Auch dieser Wert ist zu niedrig, weil der Sanierungsvorgang bei den ca. 9 Mio. sanierungs-bedürftigen Altbauten dann 50 Jahre dauern würde. Wenn man davon ausgeht, dass jeder Generation, der eine etwa 30 Jahre dauernde Aktivzeit zuzuschreiben ist, jeweils eine gründliche Sanierung zugemutet werden kann, müsste die jährliche Sanierungsrate auf mindestens 3 % angehoben werden. Die Kluft zwischen der derzeit bei 0,9 % liegenden Sanierungsrate und der Wunschrate von 3 % zeigt die strikte Notwendigkeit, aber auch die Dramatik der energetischen Verbesserungsmaßnahmen im Gebäudebestand. Die ca. 30-jährige Generationen-Spanne entspricht auch jenem Zeitraum, in dem die zeitlichen Änderungen der Kalkula-tionsparameter bei Wirtschaftlichkeitsnachweisen der getä-tigten Sanierungsmaßnahmen betrachtet werden müssen.
Um Wirtschaftlichkeitsrechnungen ausführen zu kön-nen, muss eine Reihe von (zeitabhängigen) Kalkulations-parametern, wie z. B. die Entwicklung des Energiepreises und des Realzinses sowie die angestrebte Nutzungsdauer, bekannt sein. Ferner sind Angaben zu den Baukosten und speziell zu den energiebedingten Kosten erforderlich. Diese Daten werden in der vorliegenden Arbeit zunächst bereit-gestellt. Bevor dann Wirtschaftlichkeitsberechnungen auf-genommen werden können, müssen die verschiedenen Kalkulationsmethoden erläutert werden, weil diese – je nach Investor-Denkweise – zu unterschiedlichen Ergebnis-sen führen können. Dann sind die Auswirkungen der ein-zelnen Kalkulationsparameter und ihr Einfl uss auf das Wirtschaftlichkeitsergebnis zu überprüfen. Ein Anwen-dungsbeispiel (Vollsanierung eines Einfamilienhauses) run-det die vorliegende Arbeit ab.
Bei der Erfüllung der energetischen Einsparziele werden durch Sanierungsmaßnahmen und Reduzierung des Heiz-wärmebedarfs die Heizenergiekosten für die Gebäudenut-zer und Bewohner gesenkt. Um diese Kosten über den gesamten Lebenszyklus der Gebäude zu berücksichtigen, ist die zeitliche Entwicklung der Energiepreise von großer Bedeutung. Mit Hilfe von Abschätzungen und Annahmen zur jährlichen Energiepreissteigerung können die Heiz-energieeinsparungen in Kosteneinsparungen umgerechnet werden. Zu beachten ist, dass die langen Betrachtungszeit-räume eine relativ große Unsicherheit bezüglich der Ener-giepreisentwicklungen mit sich bringen.
Wohngebäuden bis Baujahr 1978 bereits weit fortgeschrit-ten. Insgesamt sind fast zwei Drittel aller Dachfl ächen ge-dämmt, jedoch nicht unbedingt auf einem heutzutage sinn-vollen energetischen Standard. Diese hohe Quote ist über-wiegend durch eine nachträgliche Dämmung erreicht worden. Die Dämmung der Gebäude nach unten (zur Bo-denplatte) oder der Kellerdecke ist erst bei knapp 20 % der älteren Wohngebäude realisiert worden. Wie bei der Däm-mung der obersten Geschossdecke bzw. des Daches ist die Dämmquote nur in den jüngeren Altbauten erhöht, was wiederum mit der bereits bei der Errichtung eingebrachten Dämmung begründet werden kann. Für die Sanierung der Gebäude, und somit für die Umsetzung der geforderten Sa-nierungsrate, ist der Gebäudeeigentümer verantwortlich. Dieser muss entscheiden, wann und in welchem Umfang die Instandsetzungen bzw. energetischen Ertüchtigungen am Gebäude durchgeführt werden. Verbesserungen am Heizungssystem, an den Anlageteilen, an der Heizungs-regelung und am Schornstein sind nicht Gegenstand der vorliegenden Untersuchung.
Durch zunehmend negative Berichte in den Medien wird der wirtschaftliche Sinn von Wärmedämm-Maßnah-men immer wieder angezweifelt. Deshalb soll in der vor-liegenden Studie überprüft werden, unter welchen Bedin-gungen Wärmedämm-Maßnahmen wirtschaftlich schlüssig sind. Dabei muss auch auf die angewandten Kalkulations-methoden eingegangen werden, mit denen die Rentabilität der Investitionen nachgewiesen wird. Investitionen führen nämlich nicht sofort – d. h. quasi in Nullzeit – zum wirt-schaftlichen Erfolg; ihre Rentabilität zeigt sich vielmehr erst in längerfristigen Kosteneinsparungen. Dies bedeutet, dass bei den vorzunehmenden Kalkulationen auch zeitli-che Änderungen der Kalkulationsparameter (z. B. des Ener-giepreises oder des Zinssatzes) einfl ießen müssen, die in ihrer zukünftigen Entwicklung natürlich gewisse Unsicher-heiten aufweisen. Die Auswirkung dieser Unsicherheiten auf die Genauigkeit des Kalkulationsergebnisses kann durch Variation der Kalkulationsparameter mittels dynami-scher Zeitreihen und spezieller stochastischer Methoden abgeschätzt werden.
Eine rein statische Kalkulation mit fi xen Parametern würde den Entwicklungen nicht Rechnung tragen. Deshalb wird bei der Umsetzung der politischen Energieeinsparziele mit Recht darauf hingewiesen [4], dass „dies nicht zum Nulltarif zu haben ist, sondern erhebliche Investitionen er-fordert, die aber langfristig zu einer Kostenersparnis füh-ren.“
Wenn die Verbesserung des Wärmeschutzes im Gebäu-debestand erfolgreich umgesetzt werden soll, muss die Sa-nierungsrate, die derzeit jährlich bei ca. 0,9 % (also unter-
BaujahrProzentualer Anteil der gedämmten Bauteilfl ächen an der gesamten Bauteilfl äche [%]
Tabelle 1. Zusammenstellung der prozentualen Anteile der gedämmten Bauteilfl äche an der jeweiligen gesamten Bauteil-fl äche gemäß [4]Table 1. Compilation: percentages of the total building stock which have insulation fi tted, after [4]
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3Bauphysik 38 (2016), Heft 1
September ist der Preis aber gefallen und liegt im Januar 2015 bei derzeit 55 € pro 100 Liter. Das hat natürlich Aus-wirkungen auf die Wiedererwirtschaftbarkeit von Sanie-rungsmaßnahmen.
2.2 Realzins
Die Energiespar-Investitionen müssen in Verbindung mit den zu erwartenden Zinserträgen gesehen werden, die ein Investor erhalten würde, wenn er sein Geld auf die Bank trüge, statt in Wärmedämm-Maßnahmen zu investieren. Wo er günstiger fährt, kann mit Hilfe des Realzinses und der sog. Umlaufrendite bewertet werden.
Die Umlaufrendite ist die durchschnittliche Rendite aller im Umlauf befi ndlichen, inländischen festverzins-lichen Bundeswertpapiere mit einer Laufzeit von mindes-tens 3 und maximal 30 Jahren. Ein dafür immer wieder verwendetes Konzept ist der sogenannte Realzins. Hierbei wird eine Infl ationsrate (vgl. Bild 2 unten) von dem nomi-nalen Zins abgezogen, um eine infl ationsbereinigte Bewer-tung zu ermöglichen. Wie stark die realisierte Umlaufren-dite schwanken kann, lässt sich besonders gut an der zeit-lichen Entwicklung des Realzinses zeigen. Für diesen Zins gibt es langfristige Zeitreihen, an denen die Zinszyklen mit Auf- und Abschwungphasen zu erkennen sind, welche in Bild 3 dargestellt werden. 2008 rutschen mit der Finanz-krise die Realzinsen in Deutschland auf ein Niveau von unter 2 % pro Jahr. Seit einigen Monaten liegen sie sogar
In Bild 1 sind die jährlichen Ausgaben eines privaten Haushaltes in Deutschland für Energie (Licht, Prozess-wärme und Raumwärme mit Warmwasser) für den Zeit-raum 1996 bis 2012 abgebildet. Der Verlauf zeigt zunächst einen deutlichen Aufwärtstrend. Vergleicht man die aktuel-len Energiekosten für Raumwärme und Warmwasser aus dem Jahr 2012 mit denen aus 1996, so ist eine Preissteige-rung von knapp 50 % zu erkennen.
In Bild 2 sind die Verbraucherpreise der Haushalte für eine Kilowattstunde Energie seit 1990 aufgetragen. In die-ser Zeit haben sich die Preise für Strom und Erdgas mehr als verdoppelt, für Heizöl sogar verdreifacht. Betrachtet man den Verlauf der Preissteigerung, so fällt auf, dass die Verbraucherpreise bis zum Jahr 2000 relativ stabil waren. Erst blieb der Energieverbrauchspreis relativ konstant, dann begann eine deutliche Erhöhung der Energiepreise. Aktuell ergibt sich für den Ölpreis wieder eine Entwicklung hin zu niedrigeren Preisen. Im Jahr 2014 zahlte man bis Ende September nahezu konstant 80 € pro 100 Liter. Seit
Bild 1. Entwicklung der Energiekosten eines privaten Haushaltes in Deutsch-land gemäß [6]Fig. 1. Development in energy costs for a private household in Germany after [6]
Bild 2. Zeitliche Entwicklung der Verbraucherpreise privater Haushalte für Energie gemäß [6] im Vergleich zur Entwick-lung der Preisinfl ation im selben Zeitraum gemäß [7]Fig. 2. Development in consumer energy prices to private households over time, after [6], compared to price infl ation over the same period after [7]
Bild 3. Zeitliche Entwicklung der realisierten UmlaufrenditeFig. 3. Development of running yields over time
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4 Bauphysik 38 (2016), Heft 1
im negativen Bereich. Banken geben für Geldeinlagen dann keinen Zins mehr, sondern verlangen teilweise Zins.
2.3 Nutzungsdauer
Weil die Aussagen zur Entwicklung der Energiepreise und die Zinssätze mit zunehmenden Zeiträumen immer un-sicherer werden, spielen bei längerfristigen Wirtschaftlich-keitsbetrachtungen die Lebensdauer bzw. die Sanierungs-zyklen und damit die Nutzungsdauer der Bauteile eine wesentliche Rolle. Die üblichen Lebensdauern bzw. Sanie-rungszyklen liegen mit ca. 30 bis 60 Jahren (Tabelle 2) deut-lich über der typischen Laufzeit von Hypothekendarlehen von 10 bis 20 Jahren. Aus der langjährigen Erfahrung mit Dämmstoff en wird generell von einer hohen Lebensdauer ausgegangen. Untersuchungen [8] bestätigen, dass bei ord-nungsgemäß verlegten Dämmstoff en auch nach mehr als 20 Jahren keine messbaren Änderungen vorliegen. Deshalb werden für gebräuchliche Dämmstoff e in der Normung und bei der Erteilung einer europäisch technischen Zulassung Lebensdauern von 50 Jahren angesetzt.
nung einer ökonomischen Kenngröße, welche, je nach Kal-kulationsmethode, die Wirtschaftlichkeit der energiespa-renden Maßnahme beschreibt. So resultieren aus der In-vestition im Laufe der Nutzungsdauer ständig anfallende Einnahmen- und Ausgabenströme, die zu einer Amortisa-tion der getätigten Investitionen führen sollen. Für die Wirt-schaftlichkeitsbeurteilung einer Investition in eine Dämm-maßnahme sind die Bau- und Materialkosten entscheidend. Diese können bei konkreten Vorhaben über das Einholen verschiedener Angebote abgeschätzt werden.
3.1 Sowieso-Kosten und energiebedingte Kosten
Bei der Kostenbetrachtung einer energetischen Sanierung muss man zwischen den sogenannten „Sowieso-Kosten“ und den energiebedingten Kosten unterscheiden. Immer dann, wenn eine Sowiesomaßnahme ansteht, also wenn z. B. die Fassade in die Jahre gekommen ist, wenn das Dach einen Schaden hat oder die Fenster ausgetauscht werden müssen, sollte zusammen mit den notwendigen Instandset-zungsmaßnahmen auch eine energetische Sanierung durch-geführt werden. Man nennt das auch „Koppelungsprinzip“. Von den Vollkosten der Sanierung sind die sogenannten „Sowieso-Kosten“ abzuziehen, um zu den energiebedingten Mehrkosten als Teilkosten zu gelangen. Ein einfaches Bei-spiel: Bei verputzten Fassaden sind in der Regel in einem Zeitraum von 30 bis 50 Jahren Instandsetzungsarbeiten im größeren Umfang, wie etwa Erneuerung des Außenputzes, notwendig. Wenn eine Fassade zur Sanierung ansteht, dann fallen sowieso Kosten für das Gerüst, für die Malerarbeiten, für den Putz usw. an. Die Mehrkosten für die Dämmung und die sich daraus ableitenden Nebenarbeiten zählen zu den energiebedingten Mehrkosten. Diese Mehrkosten kön-nen den erzielbaren Einsparungen an Heizenergie gegen-über gestellt werden.
Das Bauinformationszentrum Deutscher Architekten-kammer stellt umfassende Informationen und Daten zur Kostenplanung von Bauprojekten zur Verfügung [9]. Diese Datenbank basiert auf abgerechneten Bauprojekten und wird ständig erweitert und aktualisiert. In Tabelle 3 sind die für eine Wärmedämmmaßnahme an der Fassade mit wärmedämmverbundsystem-relevanten Kostenstellen zu-sammengefasst. Dabei wurden die Kennwerte aus den Jah-ren 2007, 2010 und 2014 entnommen. Man kann feststel-len, dass die Kosten für die Wärmedämmung im Jahre 2010 gestiegen, jedoch seit dem stabil sind. Ebenfalls stabil sind im Betrachtungszeitraum die Preise für den Außen-putz. Für die Beschichtung der Fassade mit einer Disper-sions-Silikatfarbe sind die Kosten sogar stark gesunken.
In diesem Zusammenhang wird auf eine Studie [10] verwiesen, in welcher die Entwicklung der Baukosten seit 1990 im Zusammenhang mit den gestiegenen energeti-schen Anforderungen untersucht wurde. Diese Studie kommt zu dem Ergebnis, dass die Investitionskosten für Neubauten seit 1990 preisbereinigt nahezu konstant geblie-ben sind. Für Außenwände aus Kalksandstein mit Wärme-dämmverbundsystem wurde beispielsweise im Rahmen dieser Studie festgestellt: „Preisbereinigt sind die Investi-tionskosten für gleiche energetische Qualität kontinuierlich gesunken. Der Eigentümer bekommt heute einen höheren Wärmeschutz fürs gleiche Geld als noch vor 10 oder 20 Jah-ren.“ Zusammenfassend kann man festhalten, dass die Bau-
Tabelle 2. Lebens- bzw. Nutzungsdauer von Dämmmaß-nahmen an bestimmten Bauteilen nach [8] und eigenen AbschätzungenTable 2. Lifetime/useful life of insulation applied to specifi c structural elements, after [8] and own assessment, in years
BauteilLebensdauer [a]
Bereich Durchschnitt
Wärmedämmung (im Flach-dach/Warmdach)
30–60 45
Dämmung im Steildach 40–60 50
Dämmung im Umkehrdach 40–60 50
Dämmung in Decken, Fußboden
30–100 65
Dämmung in Außenwand hinter Bekleidung
30–60 45
Wärmedämmverbundsystem 30–50 40
Kerndämmung 30–60 45
Dämmung unter der tragen-den Gründungsplatte
50–100 75
Perimeterdämmung 30–100 65
Dämmung für die Technische Gebäudeausrüstung
5–25 15
3 Mehrkosten bei Heizenergieeinsparung
Energiesparende Maßnahmen kosten Geld. Kosten wer-den zum Hindernis für eine energetische Sanierung, wenn den Eigentümern oder Investoren der fi nanzielle Einsatz nicht wirtschaftlich schlüssig erscheint. Die entscheidende Frage bei allen energiesparenden Maßnahmen lautet, ob sich die im Moment der Sanierung aufzubringenden Mehr-kosten durch eine Reduzierung der Brennstoff kosten im Laufe des Nutzungszeitraumes des Gebäudes wieder ein-spielen lassen.
Wie bei Wirtschaftlichkeitsberechnungen allgemein, so sind auch hier die zu berücksichtigenden Kostengruppen zu defi nieren. Diese bilden die Grundlage für die Berech-
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5Bauphysik 38 (2016), Heft 1
geben (z. B. G20/15). Dies bedeutet 20 °C Raumlufttempe-ratur, 15 °C Heizgrenztemperatur. Die Gradtagzahl kann durch Multiplikation mit dem Wärmestrom zur Abschät-zung des Transmissionswärmeverlustes eines Gebäudes verwendet werden. Solare und innere Wärmegewinne sind separat zu berücksichtigen, wenn der Heizwärmebedarf berechnet wird.
Im Folgenden werden die zu erwartenden Heizener-gieeinsparungen im Vergleich zum unsanierten Zustand (U = 1,4 W/(m2K)) in Abhängigkeit des nach Sanierung erzielten U-Wertes ermittelt. Um die klimatischen Unter-schiede innerhalb Deutschlands und deren Einfl uss auf das Einsparpotential darzustellen, werden die Berechnungen mit den in Tabelle 4 dargestellten Gradtagzahlen durch-geführt. Zudem wird als Vergleich eine Variante mit dem Heizperiodenverfahren berechnet. Dieses ist defi niert mit
kosten im Zuge der gestiegenen energetischen Anforderun-gen nicht angestiegen sind. Der Vorwurf, dass mit steigen-den Anforderungen an die Energieeffi zienz das Bauen immer teurer und irgendwann unbezahlbar wird, ist damit widerlegt.
3.2 Ermittlung der Heizenergieeinsparungen
Die zu erwartenden Heizenergie- und somit Kosteneinspa-rungen durch eine Sanierungsmaßnahme können über-schlägig mit Hilfe der Gradtagzahl ermittelt werden. Die jährliche Gradtagzahl wird durch Aufsummierung der Tem-peraturdiff erenzen zwischen Außen- und Raumlufttempe-ratur ermittelt und daher in der Einheit [Kd] angegeben. Dabei werden jedoch nur die Tage berücksichtigt, an denen das Tagesmittel der Außenlufttemperatur unter der Heiz-grenztemperatur liegt. Die Heizgrenztemperatur wird dabei abhängig vom energetischen Zustand des Gebäudes ge-wählt. Bei einem energetisch guten Gebäude (z. B. Passiv-haus) wird eine Heizgrenztemperatur von ca. 10 °C ange-nommen. Das bedeutet, dass erst ab einer mittleren Tages-temperatur der Außenluft von unter 10 °C geheizt werden muss. Bei einem unsanierten Bestandsgebäude liegt die Heizgrenztemperatur bei 15 °C. Um die spezifi schen klima-tischen Bedingungen einer Region zu berücksichtigen, gibt es regional unterschiedliche Kennwerte für die Gradtag-zahl. Des Weiteren muss eine Annahme für die Raumluft-temperatur getroff en werden. Raumlufttemperatur und Heizgrenztemperatur werden mit der Gradtagzahl ange-
Tabelle 3. Vergleich der Entwicklung der Bruttopreise unterschiedlicher Positionen für die Sanierung einer Außenwand mit einem Wärmedämmverbundsystem (WDVS) nach EnEV; die Bruttokostenangaben stammen aus [9]Table 3. Comparison of developments in gross prices for various items used to renovate an external wall with an external thermal insulation composite system (ETICS) in accordance with EnEV; gross cost fi gures from [9]
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6 Bauphysik 38 (2016), Heft 1
miteinander kombinieren. Da es hier aber darauf ankommt, die zentralen Unterschiede der einzelnen Methoden aufzu-zeigen, werden diese Kalkulationsspielarten nicht betrach-tet.
Bereits im Jahr 1976 wurden in der Arbeit von Werner und Gertis [11] die Kalkulationsmethoden für die Wirt-schaftlichkeit von Energiesparnahmen detailliert vorge-stellt. Fünf Methoden erwiesen sich als besonders wichtig, nämlich: – Statische Amortisation (einfache Tilgung) – Dynamische Amortisation ohne Energiepreisverände-
rung – Dynamische Amortisation mit Energiepreisveränderung – Kapitalwert und Annuität – Interner Zinsfuß
Die einzelnen Methoden gehen von unterschiedlichen Denkweisen des Investors aus. Hierbei ist es relativ schwie-rig, sich auf eine bestimmte Methode zu einigen, weil sich bei Investoren unterschiedliche Denkansätze eingebürgert haben und auch erfolgreich praktiziert wurden. Im öff ent-lichen bzw. öff entlich geförderten Wohnungsbau sind über Jahre hinweg zudem verschiedene Abschreibungsmodelle eingeführt und wieder geändert worden, deren Auswirkun-gen sich in Zeitreihen niederschlagen. Die Investor-Ent-scheidung für eine bestimmte Kalkulationsmethode hängt somit auch von der steuerlichen Behandlung seines Ver-mögens ab und wird deshalb von Steuerberatern mitbeein-fl usst. Diese vielfältigen, z. T. sehr subtilen Einfl ussfaktoren sind ein wesentlicher Grund dafür, dass die Wirtschaftlich-keit von Wärmedämm-Maßnahmen manchmal schwankt und deshalb kontrovers gesehen wird.
4.1.1 Statische Amortisation (vgl. [11])
Mit der statischen Amortisationsrechnung bestimmt man den Zeitpunkt, an dem erstmals die Summe der Einnah-men die Summe der Ausgaben übersteigt. Sie ist eine Über-schlagsmethode und kann schnelle Abschätzungen liefern. Es wird dabei allerdings die zeitliche Struktur der Einnah-men und Ausgaben und somit der Cash-Flow vernachläs-sigt. Vorteilhaft ist diejenige Investition, welche die geringste Amortisationszeit nA aufweisen kann:
Die Amortisationszeit nA kann auch als sog. Mehrkosten-Nutzen-Verhältnis MNV ausgedrückt werden:
MNVMehrkosten energetische Maßnahme[€/m ]
Heizenergieeinsparung [kWh/m a]€
[kWh/a]
2
2=
Hierunter versteht man das Verhältnis der Mehrkosten in-folge eines verbesserten Wärmeschutzes (energiebedingte Mehrkosten) zur jährlichen Heizenergieeinsparung. Das MNV beschreibt also die energiebedingten Kosten pro jähr-
einer Innentemperatur von 19 °C sowie einer Heizgrenz-temperatur von 10 °C (G19/10; das entspricht 2 900 Kd).
In Bild 4 sind die Ergebnisse dieser Berechnung dar-gestellt. Die Bandbreite der Heizenergieeinsparungen liegt bei der Sanierung einer Außenwand (U = 1,4 W/(m2K)) auf EnEV-Niveau (U = 0,24 W/(m2K)) zwischen ca. 80 und 170 kWh/m2. Die Relevanz bei der Auswahl der Berech-nungsmethode bzw. der Wahl der Gradtagzahl für die Ab-schätzung von Energieeinsparungen wird dabei deutlich. Man erkennt aus Bild 4, in welchem Maß die Heizenergie-einsparung zunimmt, je besser, d. h. je kleiner der U-Wert aufgrund der Sanierung wird. Um die klimabedingten Un-terschiede (Schwankung Min.-Max. in Bild 4) nicht zu stark zu betonen, wird für die folgenden Berechnungen das Heiz-periodenverfahren zugrunde gelegt.
4 Ermittlung der Wirtschaftlichkeit energiesparender Maßnahmen
4.1 Grundlagen
Prinzipiell können die Methoden zur Wirtschaftlichkeitsbe-trachtung in statische und dynamische Verfahren aufgeteilt werden. Statische Methoden sind dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor „Zeit“ bei der Bewertung nicht berücksich-tigt wird. Dagegen werden bei den dynamischen Methoden die Veränderungen von Zinsen und Zinseszinsen über den Betrachtungszeitraum mit eingerechnet. Auf der Basis der grundlegenden Arbeiten von Werner und Gertis [11] bis [14] werden im Folgenden die wichtigsten Kalkulationsmetho-den jeweils bei jährlich konstanten bzw. zeitlich sich än-dernden Betriebskosten unter Zugrundelegung einer kon-stanten Energiepreissteigerung dargestellt. Natürlich lassen sich die verschiedenen Kalkulationsmethoden noch weiter variieren. Man könnte auch zeitlich veränderliche Fakto-ren (wie z. B. unterschiedliche Lebensdauern mancher Bau-teile) berücksichtigen oder die verschiedenen Methoden
Bild 4. Heizenergieeinsparungen in Abhängigkeit des erziel-ten U-Wertes. Annahme: U-Wert im Bestand = 1,4 W/(m2K)Fig. 4. Savings in heating energy as a function of the U value achieved. This assumes: U value in existing housing stock = 1.4 W/(m2K)
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7Bauphysik 38 (2016), Heft 1
Um mit dieser Methode die Amortisationszeit zu be-rechnen, werden die Kapitalwerte aller Zahlungen für eine Investition durch Diskontierung (Abzinsung) zu einem be-stimmten Zeitpunkt ermittelt und gegengerechnet:
n
ln 1
1 Kk
(q )
lnqA =
− − γ
γ
mit nA Amortisationszeit K Investitionk jährliche Rückfl üsse bzw. jährliche Einsparungeni jährlicher Zinssatzj jährliche Energiepreissteigerungq 1 + iγ 1 + j
Dabei werden alle anfallenden Zahlungen einer Inves-tition unter Berücksichtigung der Verzinsung auf mittlere Jahreskosten über den Betrachtungszeitraum umgelegt. Als weiteren Schritt kann der annuitätische Gewinn ermittelt werden, indem man die annuitätischen Erlöse, beispiels-weise durch Heizkosteneinsparungen, von den annuitäti-schen Kosten subtrahiert.
4.1.5 Interner Zinsfuß (vgl. [11])
Als andere Weiterführung der Kapitalwertmethode kann die Methode des internen Zinsfußes verstanden werden. Es wird derjenige Zinsfuß ermittelt, für den der Kapital-wert gleich Null wird:
q 1Kk
q · 1Kk
0in 1
in n− γ +
+ γ
=+
mit nA Amortisationszeit K Investitionk jährliche Rückfl üsse bzw. jährliche Einsparungeni jährlicher Zinssatzj jährliche Energiepreissteigerungq 1 + iγ 1 + jqi interner Zinsfuß
Die Lösung dieser Gleichung muss iterativ vorgenommen werden. Hierbei wird durch Ermittlung der eff ektiven Ver-zinsung einer Investition eine Aussage zur tatsächlichen Rendite gemacht. Ist der ermittelte interne Zinsfuß größer als der Kapitalzinsfuß, kann die Investition als wirtschaft-lich gegenüber einer Anlage bewertet werden.
4.1.6 Gewählte Kalkulationsmethode
In Bild 5 wurden die errechneten Amortisationszeiten für die Kalkulationsmethoden I bis V in Abhängigkeit des Mehrkosten-Nutzungs-Verhältnisses (MNV) dargestellt.
lich eingesparter kWh Heizenergie. Demnach gilt: Je klei-ner das MNV, desto eff ektiver bzw. wirtschaftlicher ist eine Dämmmaßnahme!
4.1.2 Dynamische Amortisation ohne Energiepreissteigerung (vgl. [11])
Ähnlich wie in Methode I wird bei der dynamischen Amor-tisationsrechnung der Zeitpunkt bestimmt, bei dem die Summe der Einnahmen die Summe der Ausgaben über-steigt. Bei dieser Methode werden die zeitlich veränderli-chen Zinsaufwendungen der Ausgaben bzw. die Zinserträge der Einnahmen mitberücksichtigt:
n1 i
2
1Kk
i2
A =+
−
mitnA Amortisationszeit K Investitionk jährliche Rückfl üsse bzw. jährliche Einsparungeni jährlicher Zinssatz
Hierbei wird der Endwert einer Investition durch Aufzin-sung der anfallenden Zinsen ermittelt. Der Endwert gibt den tatsächlichen Wert einer Zahlung am Ende der Be-trachtungsperiode an.
4.1.3 Dynamische Amortisation mit Energiepreissteigerung (vgl. [11])
Methode III basiert auf den zeitveränderlichen Ansätzen der Methode II. Zudem wird dabei noch die jährliche Energiepreissteigerung berücksichtigt. Diese wirkt sich auf die Einnahmen bzw. auf die Heizkosteneinsparungen der jeweils betrachteten Sanierungsmaßnahme aus:
Kk
n 1
2· i 1
(1 j) 1j
0AnA
++
− + − =
mit nA Amortisationszeit K Investitionk jährliche Rückfl üsse bzw. jährliche Einsparungeni jährlicher Zinssatzj jährliche Energiepreissteigerung
4.1.4 Kapitalwert und Annuität (vgl. [11])
Zur Ermittlung des Kapitalwertes werden alle Ein- und Aus-zahlungen innerhalb des Betrachtungszeitraums unter Be-rücksichtigung der Verzinsung betrachtet und der anfängli-chen Investition gegengerechnet. Mit dieser Methode kann beurteilt werden, ob und nach wie vielen Jahren eine Inves-tition wirtschaftlich vorteilhafter ist gegenüber einer Anlage mit jeweiligem Zinsfuß. Vergleichend mit den Methoden II und III wird bei der Kapitalwertmethode nicht der End-wert, sondern der Barwert einer Investition beurteilt.
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einen schwach degressiven Verlauf. Die Methode IV ist zusätzlich noch relativ stark vom Realzins beeinfl usst. Auf-fallend ist, dass sich bis zu einem MNV von ca. 0,5 die er-rechneten Amortisationszeiten nach allen fünf Methoden nicht wesentlich voneinander unterscheiden.
4.2 Einfl uss der Kalkulationsparameter auf die Wirtschaftlichkeit
4.2.1 Einfl uss des Energiepreises
In den folgenden Darstellungen werden die Methode IV (Kapitalwertmethode und Annuitätenmethode) bzw. die Methode V (interner Zinsfuß) angewendet, weil sie den Denkweisen moderner Investoren am nächsten kommen. In Bild 6 ist der Einfl uss der Energiepreissteigerung und des zum Zeitpunkt der Investition vorhandenen Energiepreises
Die zugrunde gelegten Annahmen für dieses Beispiel sind ein aktueller Energiepreis von 0,08 €/kWh, eine jährliche Energiepreissteigerung von 5 % sowie ein kalkulatorischer Realzins von 1, 3 und 5 %.
Bei größer werdendem MNV steigen die errechneten Amortisationszeiten an. Die Veränderung des Realzinses hat keinen Einfl uss auf das Ergebnis bei Methode I (stati-sche Amortisation). Während nach Methode I diese Zu-nahme stetig linear erfolgt, führt die Methode II zu einem progressiven Verlauf, dessen Abhängigkeit stark vom ange-nommenen Realzins beeinfl usst wird. Die Amortisations-zeiten bei Methode II steigen bei ungünstigem MNV und höherem Realzins an. Der Grund hierfür liegt in der Ver-nachlässigung der Energiepreissteigerung, welche sich ge-nerell positiv auf die Amortisationszeit auswirkt. Die Me-thoden III, IV und V sind abhängig vom MNV und zeigen
Bild 6. Verlauf der Amortisationszeit in Abhängigkeit des Energiepreises in €/kWh und der Energiepreissteigerung für verschieden hohe Investitionen; Annahme: U-Wert Bestand 1,4 W/(m2K), U-Wert nach Sanierung 0,24 W/(m2K)Fig. 6. Amortisation period over time as a function of energy price in €/kWh and rise in energy prices for various levels of investment; assumptions: U value of existing housing stock 1.4 W/(m2K), U value after renovation 0.24 W/(m2K)
Bild 5. Mit verschiedenen Methoden berechnete Amortisationszeit in Abhängigkeit des Mehrkosten-Nutzungs-Verhältnisses (MNV); zugrunde gelegte Annahmen für dieses Beispiel: Energiepreis 0,08 €/kWh, jährliche Energiepreissteigerung 5 % sowie kalkulatorischer Realzins 1, 3 und 5 %Fig. 5. Amortisation period, calculated using various methods, as a function of the additional cost to benefi t ratio; assump-tions on which this example is based: energy price 0.08 €/kWh, annual energy price rise 5 %, real interest rate levels used for calculation 1, 3 and 5 %
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9Bauphysik 38 (2016), Heft 1
tung (oben) sowie bei ausschließlicher Berücksichtigung der energiebedingten Mehrkosten (unten). Es lässt sich feststel-len, dass Mehrkosten für die Wärmedämmung ab einer Nut-zungsdauer von ca. 5 Jahren eine positive Rentabilität auf-weisen. Ab einer Nutzungsdauer von 15 bis 20 Jahren ver-stetigt sich der interne Zinssatz. Bei Vollkostenbetrachtung erzielt man unter den derzeitigen Rand bedingungen ab ca. 10 bis 15 Jahren eine positive Rendite. Mineralwoll-Dämm-systeme sind etwas teurer als Hartschaum-Dämmungen; dies wirkt sich auf den internen Zinssatz aus.
4.2.3 Einfl uss von Dämmstoffdicke und U-Wert
In Bild 9 sind die Kapitalkosten der Sanierungsmaßnahme pro eingesparter kWh dargestellt. Dabei werden die Voll-kosten einer nachträglichen Dämmung der Fassade mit einem Wärmedämmverbundsystem in Abhängigkeit der Dämmstoff dicke betrachtet. Es werden die Varianten Mine-ralwolle (MW) und Hartschaum (EPS) unterschieden. Man kann erkennen, dass bei einer Dämmstoff dicke von ca. 8 bis 15 cm bei beiden Dämmmaterialien die geringsten Kos-ten im Verhältnis zu den erzielten Einsparungen erreicht werden können.
Des Weiteren wird der annuitätische Gewinn als mitt-lere Diff erenz der Kosten und Einsparungen über den ge-samten Nutzungszeitraum betrachtet. Dieser gibt den jähr-lich zu erwartenden Gewinn an, welcher durch eine be-stimmte Maßnahme erzielt werden kann. In Bild 10 ist dieser in Abhängigkeit der Dämmstoff dicke sowie des er zielten U-Werts nach Sanierung pro Quadratmeter Fassade dargestellt. Ähnlich wie in Bild 9 kann auch hier ein wirt-schaftliches Optimum bei einer Dämmstoff dicke von ca. 8 bis 15 cm erkannt werden.
Bild 11 zeigt den Verlauf und die Bandbreite des MNV einer Fassadendämmung bei einem Wärmedämm-verbundsystem mit Mineralwolle oder Hartschaum (EPS). Die Bandbreite ergibt sich dabei aus den in der späteren Tabelle 8 aufgeführten Preisspannen der Sanierungsmaß-nahme. Bei den üblicherweise geringeren Investitions-kosten einer EPS-Dämmung ist das erzielte MNV generell etwas niedriger.
In Bild 12 ist der Verlauf des MNV für die beiden Sa-nierungsvarianten in Abhängigkeit des erzielten U-Wertes nach Sanierung dargestellt. Beide steigen ab einem U-Wert
auf die Amortisationszeit dargestellt. Dabei wurden drei unterschiedliche Investitionen für eine Dämmmaßnahme untersucht, welche drei verschiedenen MNV entsprechen. Aus den Diagrammen ist der Einfl uss der Ener giepreis-steigerung auf die Amortisationszeit deutlich zu erkennen. Außerdem kann man feststellen, dass mit höheren Aus-gangsenergiepreisen der Einfl uss der Energiepreissteige-rung abnimmt. Umgekehrt sind bei niedrigen Ausgangs-energiepreisen deutliche Unterschiede bei den Amortisa-tionszeiten in Abhängigkeit der Energiepreissteigerung zu erkennen. Mit steigendem MNV, also mit hohen Investi-tionskosten für eine Maßnahme, ist ein höherer Einfl uss der Energiepreissteigerung festzustellen als bei niedrigerem MNV bzw. niedrigeren Investitionskosten. Bei einem MNV von beispielsweise 0,3 €/kWh/a und einem aktuellen Ener-giepreis von 0,08 €/kWh hat die Energiepreis steigerung kaum Einfl uss auf die errechnete Amortisationszeit. Bei einem hohen MNV von 0,9 €/kWh/a und gleichem aktuel-len Energiepreis verringert eine Energiepreissteigerung von jährlich 7,5 % die Amortisationszeit um ca. die Hälfte im Vergleich zu der Berechnung ohne Preissteigerung.
4.2.2 Einfl uss der Nutzungsdauer
Neben dem MNV und dem aktuellen Energiepreis hat auch die Nutzungsdauer einen Einfl uss auf die Wirtschaftlichkeit einer Sanierungsmaßnahme. Je größer die Nutzungsdauer einer Maßnahme, umso länger können die erzielten Ein-sparungen zur Deckung der Investition verwendet bzw. jährliche Renditen erzielt werden. Um den Einfl uss der Nutzungsdauer bewerten zu können, wird im Folgenden die Methode des internen Zinssatzes verwendet.
In Bild 7 ist der Verlauf des internen Zinssatzes in Ab-hängigkeit des MNV und der Nutzungsdauer ohne und mit Berücksichtigung der Energiepreissteigerung dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass mit steigendem MNV bzw. stei-gender Investition der Einfl uss der Nutzungsdauer zu-nimmt. Ab einem MNV von 0,5 €/kWh/a besitzt die Nut-zungsdauer keinen nennenswerten Einfl uss mehr auf den internen Zinssatz.
In Bild 8 ist die Rentabilität der Sanierungsmaßnahme in Abhängigkeit von der Nutzungsdauer der durchgeführten Sanierung sowie des gewählten Dämmstoff es dargestellt. Abgebildet ist der interne Zinssatz bei Vollkostenbetrach-
Bild 7. Resultierender interner Zinssatz in Abhängigkeit der Nutzungsdauer und des MNV; zugrunde gelegte Annahmen für dieses Beispiel: Realzins von 1 % sowie Energie-preis von 0,08 €/kWhFig. 7. Resulting internal rate of return as a function of useful life and additional cost to benefi t ratio; assumptions on which this ex-ample is based: real interest rate level 1 %, energy price 0.08 €/kWh
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4.2.4 Einfl uss des Standortes
Weiterführend soll der Einfl uss des Standortes bzw. der ver-schiedenen Außenklimabedingungen (wie bereits in Tabelle 4 dargestellt) auf den annuitätischen Gewinn unter-sucht werden. In Bild 4 wurde der Einfl uss der verschiede-nen klimatischen Randbedingungen auf die Heizenergie-einsparung erläutert. Basierend auf diesen Berechnungs-
von ca. 0,3 W/(m2K) relativ stark an. Vergleicht man die ermittelten MNV-Werte der beiden Sanierungsmaßnah-men für einen erzielten U-Wert nach Sanierung auf EnEV-Niveau (U = 0,24 W/(m2K)), so erhält man folgende Ergeb-nisse:
EPS: Min: 0,36; Max: 0,52MW: Min: 0,42; Max: 0,60
Bild 8. Resultierender Bereich des in-ternen Zinssatzes in Abhängigkeit der Nutzungsdauer für nachträgliche Fas-sadendämmung mit EPS-Hartschaum und Mineralwolle; Annahme: U-Wert Bestand 1,4 W/(m2K), U-Wert nach Sanierung 0,24 W/(m2K)Fig. 8. Resulting range of internal in-terest rates as a function of useful life for retrofi tted façade insulation using expanded polystyrene (EPS) and min-eral wool; assumptions: U value of ex-isting housing stock 1.4 W/(m2K), U value after renovation 0.24 W/(m2K)
Bild 9. Bereich der Kapitalkosten pro eingesparter kWh für nachträgliche Dämmung einer Außenwand mit Wärme-dämmverbundsystemen aus Mineralwolle und Hartschaum (EPS) in Abhängigkeit der Dämmstoff dicke; U-Wert Bestand 1,4 W/(m2K), U-Wert nach Sanierung 0,24 W/(m2K); schraf-fi erter Bereich: Investitionskosten-SchwankungFig. 9. Range of capital costs per kWh saved using insula-tion retrofi tted to an external wall with an exterior insula-tion and fi nishing system (EIFS) with mineral wool and expanded polystyrene (EPS), as a function of insulation thickness; U value of existing housing stock 1.4 W/(m2K), U value after renovation 0.24 W/(m2K); hatched area: variation in investment costs
Bild 10. Annuitätischer Gewinn für nachträgliche Däm-mung einer Außenwand mit Wärmedämmverbundsystem aus Mineralwolle und aus Hartschaum (EPS) in Abhängig-keit der Dämmstoff dicke und des erzielten U-Werts nach Sa-nierung; schraffi erter Bereich: Investitionskosten-Schwan-kungFig. 10. Annuity profi t for insulation retrofi tted to an exter-nal wall with an exterior insulation and fi nishing system (EIFS) using mineral wool and expanded polystyrene (EPS), as a function of insulation thickness and U value achieved after renovation; hatched area: variation in investment costs
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4.3 Sensitivitätsanalyse
Wenn eine Aussage von sehr vielen – z. T. auch zu einan-der gegensätzlichen – Parametern abhängt, ist eine Sensi-tivitätsanalyse hilfreich, die aufzeigt, wie empfi ndlich die Aussage auf eine Parametervariation reagiert. Wie bisher dargelegt, spielt bei Wirtschaftlichkeits-Aussagen eine Viel-zahl von Einfl ussparametern eine Rolle, nämlich: – Art der Kostenbetrachtung (Vollkosten oder energiebe-
dingte Kosten) – Art der Kalkulationsmethode – zugrunde gelegter Energiepreis und seine künftige Ent-
wicklung (zeitliche Veränderung) – Nutzungsdauer (oder Lebensdauer) des Gebäudes bzw.
seiner Bauteile und deren energetische Qualität – klimatische Randbedingungen am Gebäudestandort – Entwicklung der Finanzmärkte – monetäre Denkweise des Investors und dessen steuer-
liche Einbettung in den Finanzmarkt.
Die Frage der Wirtschaftlichkeit der Energieeffi zienzmaß-nahme wird in dieser Studie ausschließlich einzelwirt-schaftlich, also aus Sicht eines Investors behandelt. Im Fol-genden wird der Einfl uss der verschiedenen Einfl usspara-meter auf die Amortisation untersucht. Die Berechnungen in diesem Abschnitt basieren auf dem später beschriebenen Sanierungsbeispiel (Sanierung einer Außenwand entspre-chend EnEV. Der Ausgangs-U-Wert dieser Außenwand be-trägt 1,4 W/(m2K)).
4.3.1 Differentielle Sensitivitätsanalyse
Zunächst soll mit Hilfe einer diff erentiellen Sensitivitäts-analyse der Einfl uss der verschiedenen Parameter auf die
grundlagen soll der Standorteinfl uss auf den annuitätischen Gewinn dargestellt werden. In Bild 13 ist die Bandbreite des annuitätischen Gewinns durch Ansetzen der Minimal- und Maximal-Klimata sowie des langjährigen Mittels für Deutsch-land mit Hilfe des Heizperiodenverfahrens in Abhängigkeit der Dämmstoff dicke veranschaulicht. Wie bei den Unter-suchungen zuvor, liegt das Optimum für alle untersuchten klimatischen Randbedingungen bei ca. 10 bis 15 cm.
Bild 11. Mehrkosten-Nutzungs-Verhältnis (MNV) für ein WDVS mit Mineralwolle- bzw. EPS-Dämmung in Abhängig-keit der Dämmstoff dicke; U-Wert Bestand 1,4 W/(m2K), U-Wert nach Sanierung 0,24 W/(m2K)Fig. 11. Ratio of additional costs to benefi t for an exterior insulation and fi nishing system (EIFS) using mineral wool or expanded polystyrene (EPS), as a function of insulation thickness; U value of existing housing stock 1.4 W/(m2K), U value after renovation 0.24 W/(m2K)
Bild 12. Mehrkosten-Nutzen-Verhältnis (MNV) für ein WDVS mit Mineralwoll- bzw. EPS-Dämmung in Abhängig-keit des erzielten U-Wertes; U-Wert Bestand 1,4 W/(m2K), U-Wert nach Sanierung 0,24 W/(m2K)Fig. 12. Ratio of additional costs to benefi t for an EIFS using mineral wool or EPS insulation, as a function of the U value achieved; U value of existing housing stock 1.4 W/(m2K), U value after renovation 0.24 W/(m2K)
Bild 13. Einfl uss des Außenklimas auf den annuitätischen Gewinn für die nachträgliche Dämmung einer Außenwand mit WDVS in Abhängigkeit der Dämmstoff dicke; U-Wert Be-stand 1,4 W/(m2K), U-Wert nach Sanierung 0,24 W/(m2K)Fig. 13. The infl uence of external climate on the annuity profi t for insulation retrofi tted to an external wall using an EIFS, as a function of insulation thickness; U value of exist-ing housing stock 1.4 W/(m2K), U value after renovation 0.24 W/(m2K)
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Bereich der Ergebnisspanne. Diese Parameter sollten dem-nach besonders gewissenhaft gewählt werden, um ein rea-listisches Ergebnis zu erhalten.
4.3.2 Monte-Carlo-Analyse
Die bisher behandelten Ansätze erlauben es grundsätzlich, sich ein Bild von Art und Umfang der damit verbundenen Unsicherheiten zu machen. Aufschluss darüber, mit welcher Wahrscheinlichkeit die untersuchten Parameterveränderun-gen auftreten können, liefert eine solche Sensitivitätsana-lyse hingegen nicht. Auch bleibt off en, welche Konsequen-zen aus der Sensitivität im Hinblick auf die Wirtschaftlich-keitsbewertung bei energetischen Sanierungsmaßnahmen zu ziehen sind.
Abhilfe können stochastische Simulationsverfahren lie-fern. Diese Technik wird Monte-Carlo-Analyse (MCA) oder wahrscheinlichkeitsgestützte Analyse genannt. Hierbei wer-den mögliche Kombinationen der unsicheren Parameter-werte durch künstliche Zufallsexperimente generiert. Die Zuverlässigkeit der Analyse steigt mit der Anzahl der wieder-holten Berechnungsläufe. Um den Einfl uss auf die Amortisa-tionszeit unter Berücksichtigung der in Tabelle 5 aufgeführ-ten Parameter und ihre Bandbreite zu beachten, wurde eine Monte-Carlo-Simulation für die Amortisationszeit in Abhän-gigkeit der Investitionskosten durchgeführt. Die Simulation wurde dabei mehrere tausend Male wiederholt, wobei bei jeder Simulation der Kennwert jedes Parameters zufällig aus der zuvor defi nierten Bandbreite gewählt wurde.
Als Ergebnis erhält man wiederum eine gewisse Band-breite, dargestellt in Bild 15, welche durch Anwenden eines Konfi denzintervalls von 95 % ermittelt wurde. Das bedeu-tet, dass 95 % aller Simulationsergebnisse innerhalb dieser
Amortisationszeit einer Dämmmaßnahme untersucht wer-den. Dies soll aufzeigen, wie empfi ndlich das Ergebnis einer auf der Basis quasi sicherer Daten aufgestellten Wirtschaft-lichkeitsberechnung reagiert, wenn einzelne Eingabedaten variiert werden. In Tabelle 5 sind die Einfl ussparameter mit den untersuchten Minimal- und Maximalwerten angege-ben.
Bild 14 zeigt die Auswirkung der Minimal- und Maxi-malwerte der einzelnen Parameter auf die Amortisations-zeit in Abhängigkeit des MNV. Die blaue Kurve stellt dabei jeweils das Ergebnis mit dem Mittelwert aller Parameter dar.
Bei den einzelnen Verläufen wurde jeweils nur der betrachtete Parameter geändert, für die anderen wurden die festgelegten Mittelwerte angesetzt. Dabei ist zu erken-nen, dass vor allem der Realzins und die Energiepreisstei-gerung einen großen Einfl uss auf die Amortisationszeit einer Investition ausüben. Außerdem liegt bei diesen Para-metern der angesetzte Mittelwert im unteren bzw. oberen
Bild 14. Einfl uss des Mehrkosten-Nutzen-Verhältnisses (In-vestitionskosten) auf die Amortisationszeit unter Berück-sichtigung der Schwankungsbandbreiten von verschiedenen Parametern in Abhängigkeit des MNVFig. 14. The infl uence of the additional cost to benefi t ratio (investment costs) on the amortisation period, considering the range of variation in various parameters depending on that ratio
Bild 15. Einfl uss des Mehrkosten-Nutzen-Verhältnisses (In-vestitionskosten) auf die Amortisationszeit mit Angabe des Konfi denzintervalls der Monte-Carlo-Analyse und Darstel-lung des Worst- bzw. Best-Case-Szenarios in Abhängigkeit der Investitionskosten in €/m2; die mittlere Amortisations-zeit ist als orangefarbene durchgezogene Linie gekennzeich-netFig. 15. The infl uence of the ratio of additional costs to ben-efi t (investment costs) on the amortisation period, stating the confi dence interval for the Monte Carlo analysis and showing the best- and worst-case scenarios as a function of investment cost in €/m2; the mean amortisation period is shown as a continuous orange line
Tabelle 5. Untersuchte Bandbreite verschiedener Einfl uss-parameter für die SensitivitätsanalyseTable 5. Tested range for various parameters infl uencing the sensitivity analysis
Einfl ussparameter Einheit Min. Mittel Max.
Jährliche Heizenergie-einsparung durch Dämmung des Bauteils
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13Bauphysik 38 (2016), Heft 1
4.4 Anwendungsbeispiel
Da eine Aussage zur Wirtschaftlichkeit einer bestimmten Dämmmaßnahme von vielen Einfl ussparametern abhängig ist, wird eine Verallgemeinerung äußerst schwierig. Des-halb ist bei der Wahl der Parameter und Randbedingungen darauf zu achten, dass diese möglichst repräsentativ für den Gebäudebestand in Deutschland sind. Als Beispiel für eine Gesamtsanierung der Gebäudehülle soll ein typisches Einfamilienhaus aus der Gebäudealtersklasse 1968 bis 1979 dienen, dessen energetischer Zustand dem vor der
Bandbreite liegen. Off ensichtliche Ausreißer werden aus-geschlossen. Außerdem wurde der Einfl uss der Investitions-kosten auf die Amortisationszeit unter bei den in Tabelle 5 beschriebenen Minimalwerten als Worst-Case-Szenario er-mittelt und dargestellt. Dieses Szenario verläuft deutlich steiler, was darauf zurückzuführen ist, dass durch die zu-fällige Auswahl aus der Parameterbandbreite bei der Monte-Carlo-Simulation die gleichzeitige Auswahl aller Worst-Case-Fälle relativ unwahrscheinlich ist. Im Gegenzug dazu wurde durch Ansetzen aller Maximalwerte ein Best-Case-Szenario modelliert, dessen Verlauf deutlich unterhalb des Konfi denzintervalls der Monte-Carlo-Analyse liegt. Die Ver-teilung der relativen Häufi gkeit ist für ein MNV von 0,25 bis 1,5 €/kWh/a in Bild 16 dargestellt.
Für eine Außenwand-Dämmung mit Wärmedämmver-bundsystem ergibt sich der in Tabelle 6 illustrierte 95 %-Wahr-scheinlichkeitsbereich der möglichen Amortisationszeit. Der Mittelwert ist zum Vergleich mitangegeben. Man ersieht aus Tabelle 6, dass die Amortisationszeiten von ca. 2 bis 7 Jahren schwanken können. Die maximale Amortisationszeit von 7,2 Jahren ist mit Investitionskosten von 150,– €/m2 verbun-den.
Die Monte-Carlo-Berechnung weiterer Fälle erbrachte die in Tabelle 7 ausgewiesenen Minimal- und Maximalwerte sowie die jeweiligen Mittelwerte, die über die in Tabelle 6 aufgeführten Werte hinausgehen. Aus den weit gefächerten Wertebereichen folgt, dass Aussagen über Amortisations-zeiträume wegen der unsicheren Parameterentwicklungen nicht pauschal getätigt und verbreitet werden dürfen. Mit derartigen Aussagen müssen vielmehr immer auch die Kal-kulationsparameter genannt werden, auf denen die Aussa-gen beruhen. Es muss akzeptiert werden, dass die Kalkula-tionsparameter grundsätzlich mit Unsicherheiten behaftet sind.
Bild 16. Relative Verteilung der errechneten Amortisationszeit für verschiedene MNVFig. 16. Relative distribution of the amortisation periods calculated for various additional cost to benefi t ratios
Tabelle 6. Errechnetes Mehr-Kosten-Nutzungsverhältnis und resultierende Amortisationszeiten in Abhängigkeit der Inves-titionskosten bei Annahme eines energiebedingten Kosten-anteils von 30 % auf Basis der Ergebnisse aus Bild 13; be-trachtet wird eine Sanierung ausgehend von einem U-Wert von 1,4 W/(m2K) auf die derzeit von der EnEV geforderten 0,24 W/(m2K)Table 6. Ratio of additional costs to benefi t as calculated, and resulting amortisation periods, according to investment cost – assuming energy-related costs make up 30 % – on the basis of results in Fig. 13; the calculations are based on ren-ovation measures that improve the U value from 1.4 W/m2K to the 0.24 W/m2K stipulated by EnEV
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14 Bauphysik 38 (2016), Heft 1
500 abgerechneten Sanierungen von Wohngebäuden er-mittelt. Dabei war, neben den Dämmmaßnahmen an der opaken Gebäudehülle, auch der Ersatz der Gebäudetech-nik zu betrachten. Zur Auswertung wurden durch Regres-sionsanalyse verschiedene Kostenfunktionen entwickelt, mit denen die zu erwartenden Vollkosten sowie die ener-giebedingten Mehrkosten einer Sanierungsmaßnahme bei verschiedenen Dämmdicken ermittelt werden können. Die energiebedingten Mehrkosten sind dabei der Anteil an den Vollkosten, welcher ausschließlich auf die Dämmmaß-nahme zurückzuführen ist. Darin enthalten sind z. B. das Dämmmaterial sowie der Arbeitsaufwand zum Anbringen der Dämmung. In dieser Studie wurde eine statistische Auswertung für die nachträgliche Dämmung einer Außen-wand mit einem Wärmedämmverbundsystem mit Polysty-rol-Hartschaum (Basis: n = 205 Kostenfeststellungen) und Mineralfaser (Basis: n = 33 Kostenfeststellungen) durchge-führt.
In Bild 17 sind die spezifi schen Bruttokosten in Ab-hängigkeit der Dämmstoff dicke für ein Wärmedämmver-bundsystem mit einer Dämmung aus expandiertem Poly-styrol (EPS) bzw. alternativ mit Dämmung aus Mineral-wolle aufgetragen. Dabei kann man erkennen, dass der „Sockel“ der ohnehin erforderlichen Maßnahmen im Fall einer Sanierung bei ca. 70 €/m2 liegt. Die energiebeding-ten Mehrkosten durch den Dämmstoff und die dadurch erforderlichen Nebenkosten steigen mit der Dämmstoff -dicke an.
In Tabelle 8 sind die Brutto-Vollkosten der Maßnah-men in [€/m2] für ein geklebtes und ggf. gedübeltes Wärme-dämmverbundsystem mit einem U-Wert von 0,24 W/(m2K) dargestellt. Erfasst sind alle spezifi schen Vollkosten für das Wärmedämmverbundsystem mit allen Systemkomponen-ten sowie alle relevanten Nebenkosten, wie z. B. der Bau-stelleneinrichtung, der Kosten für die Demontage und Montage neuer Außenfensterbänke usw. Nicht enthalten sind hingegen die Kosten für das Gerüst.
Basierend auf den Kostenentwicklungen aus Bild 17 und den Kostenbandbreiten aus Tabelle 8, lassen sich die
Wärmeschutzverordnung 1977 entspricht. Als Sanierungs-varianten soll ein Sanierungsniveau gemäß den Anforde-rungen der EnEV 2014 sowie eine etwas ambitioniertere Variante (Standard eines Niedrigenergiehauses) erreicht werden. Die notwendigen Dämmstoff dicken und die kor-respondierenden Kosten für die betrachteten Sanierungs-varianten werden unter Annahme einer Wärmeleitfähig-keit von λ = 0,035 W/(mK) ermittelt.
Die Angaben für Kosten der energetischen Sanierung sind nicht eindeutig und unterscheiden sich in den ver-schiedenen vorliegenden Studien. Exakte Kostenangaben können sich immer nur auf ein konkretes Gebäude bezie-hen. Nachfolgend werden zwei mögliche Methoden zur Kostenschätzung der Sanierungsmaßnahmen kurz darge-stellt. Im Rahmen einer Studie [4] wurden repräsentative Kosten für Sanierungsmaßnahmen im Gebäudebestand auf Basis gewerksbezogener Kostenfeststellungen von über
Mehrkosten-Nutzen-
Verhältnis [€/kWh/a]
Amortisationszeit [a]
MittelwertSchwankungsbereich
Minimum Maximum
0,25 2,0 1,7 3,5
0,50 4,1 3,2 6,9
0,75 6,0 4,5 9,8
1,00 7,9 5,6 12,5
1,25 9,6 6,9 15,1
1,50 11,2 8,2 17,6
1,75 12,7 9,5 20,0
2,00 14,3 10,4 22,5
2,25 15,7 11,5 25,0
2,50 12,4 17,1 27,4
Tabelle 7. Mittelwert und Schwankungsbereich der Amorti-sationszeit mit 95 % EintrittswahrscheinlichkeitTable 7. Mean and range of vari ation for amortisation peri-ods with 95 % probability
Bild 17. Aufteilung der spezifi schen Bruttokosten für ein WDVS mit Mine-ralwolle- bzw. EPS-Dämmung in Ab-hängigkeit der Dämmstoff dicke nach [4]Fig. 17. Distribution of specifi c gross costs for an EIFS using mineral wool or EPS, as a function of insulation thickness, according to [4]
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15Bauphysik 38 (2016), Heft 1
liegt der Anteil der energiebedingten Mehrkosten bei ca. 30 bis 40 %.
Bild 19 zeigt den Verlauf der Gesamt- sowie der ener-giebedingten Kosten einer nachträglichen Fassadendäm-mung auf EnEV-Niveau in Abhängigkeit des U-Werts des bestehenden Bauteils. Mit zunehmendem Wärmeschutz der bestehenden Außenwand nehmen die Gesamtkosten deutlich zu. Hier dominieren die Sowieso-Kosten. Bei ei-nem Ausgangs-U-Wert von 0,8 bis 1,2 W/(m2K) liegen die Gesamtkosten bei ca. 2 bis 3 €/kWh. Bei einem Ausgangs-wert von 0,4 W/(m2K) steigen die Kosten auf fast 10 €/kWh an. Die rein energiebedingten Mehrkosten bei einer typi-schen Außenwand im Bestand (U-Wert zwischen 0,8 und 1,2 W/(m2K)) betragen bei Sanierung nach EnEV Anforde-rungen in etwa 0,3 bis 0,6 €/kWh.
In Bild 20 sind die prozentualen Anteile der Wärme-verluste der einzelnen Bauteile durch Transmission sowie der Wärmebrückenanteil und die Lüftungswärmeverluste am Gesamt-Wärmeverlust dargestellt. Der Anteil der Lüf-tungswärmeverluste nimmt bei beiden Sanierungsvarian-ten zu, weil die Transmissionsverluste durch die Sanierung zurückgehen. In Tabelle 9 sind die Eingangsdaten und die Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsberechnung zusammen-gefasst. Man ersieht aus Tabelle 9, dass die Daten zwar in gewissen Bereichen schwanken, aber doch einige Kernaus-sagen zulassen. Die Amortisationszeit beträgt im ungüns-tigsten Fall 12 Jahre; evtl. amortisiert sich die Gesamtmaß-
relativen Anteile der energiebedingten Mehrkosten an den Gesamtkosten ableiten. In Bild 18 sind diese in Abhängig-keit der Dämmstoff dicke sowie des U-Wertes nach Sanie-rung der Konstruktion dargestellt. Im normal üblichen Dämmbereich zwischen 10 und 20 cm bzw. bei einem an-zustrebenden U-Wert nach Sanierung von 0,24 W/(m2K)
Bild 18. Anteil der energiebedingten Kosten für ein WDVS mit Mineral-wolle- bzw. EPS-Dämmung in Abhän-gigkeit der Dämmstoff dicke (links) bzw. des U-Werts (rechts)Fig. 18. Share of energy-related costs as a function of insulation thickness (left), or U value (right), for an ETICS using mineral wool or EPS
Tabelle 8. Baupreise einer nachträglichen Dämmung der Außenwand mit Wärmedämmverbundsystem, geklebt und gedübelt, U-Wert ca. 0,24 W/(m2K) auf Basis der Daten von [4]Table 8. Prices for retrofi tting insulation to an external wall using an external thermal insulation composite system (ETICS), attached with adhesive and rawl plugs, approx. U value 0.24 W/m2K based on data from [4]
Wärmedämmverbundsystem (WDVS)Kosten [€/m2]
von bis
WDVS aus Polystyrol-Hartschaum-Platten, geklebt, mit mineralischem Oberputz. Ar-mierungsschicht mit Glasfasergewebe aus-führen. EPS, WLG 035, WAP, B1, 140 mm
90 150
WDVS aus Mineralwolleplatten, geklebt, mit mineralischem Oberputz. Glasfasergewebe in mineralischen Armierungsputz einarbei-ten und Oberfl äche planspachteln. MW, WLG 040, WAP-zh, A1, 160 mm
100 160
Bild 19. Verlauf der Gesamt- sowie der energiebedingten Kosten pro einge-sparter Energie einer nachträglichen Fassadendämmung in Abhängigkeit des U-Werts des bestehenden Bauteils; saniert wird entsprechend den Anfor-derungen der EnEVFig. 19. Development of overall and energy-related costs per unit of energy saved using retrofi tted façade insula-tion as a function of the U value for the existing building element; renova-tion in accordance with EnEV require-ments (German Federal Energy Saving Ordinance)
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16 Bauphysik 38 (2016), Heft 1
5 Zusammenfassung
Die Wirtschaftlichkeit von energiesparenden Wärme-schutzmaßnahmen wird heutzutage heftig, z. T. auch kon-trovers diskutiert. Zunehmend negative Berichte in den Medien schüren immer wieder Zweifel am wirtschaftlichen Sinn von Wärmedämm-Maßnahmen. Häufi g liegen solchen Äußerungen, „Pseudokalkulationsmethoden“ zugrunde. Das heißt, die Berechnungsmethoden sind ungenau, un-vollständig oder nur überschlägig. Allerdings muss man eingestehen, dass einfache Ansätze manchmal nicht zu um-gehen sind, wenn genaue Kostenrelationen und Zusam-menhänge fehlen oder mit einem vernünftigen Aufwand nicht gewonnen werden können. Wichtig sind in diesem Fall eine off ene Darlegung der getroff enen Vereinfachun-gen und eine kritische Diskussion der sich daraus ergeben-den Konsequenzen.
Die vorliegende Studie zeigt den starken Einfl uss ver-schiedener Kenngrößen auf die Bewertung der Wirtschaft-lichkeit und Rentabilität einer Sanierungsmaßnahme, z. B. einer nachträglichen Dämmung der Außenwand. Will man eine allgemeine Aussage machen, müssen vielfältige Para-meter beachtet werden. Zum einen sind die Kalkulations-parameter und die Randbedingungen zur Ermittlung des energetischen Einsparpotentials, wie U-Wert im Bestand, Außen- und Innenklima und auch der energetische Zustand der anderen Bauteile entscheidend. Zum anderen braucht man die fi nanziellen Randbedingungen, wie tatsächliche Sanierungskosten, Kreditkosten- und Laufzeiten sowie die beabsichtigte Nutzungsdauer. Neben diesen projektspezifi -schen Angaben sind zudem zeitveränderliche Parameter wie Energiepreis- und Energiepreissteigerung sowie Realzinsent-wicklung wichtig. All diese Parameter sind notwendig, um eine Aussage über die Wirtschaftlichkeitsbewertung treff en zu können. Diese zu verallgemeinern, um dann allgemein-gültige Aussagen über die Wirtschaftlichkeit von Dämm-maßnahmen zu treff en, ist äußerst schwierig und eigentlich
nahme aber schon nach 4 Jahren. Die Sanierungskosten bewegen sich zwischen € 37 000,– und € 79 000,–. Wenn-gleich somit – im Verhältnis zur Lebensdauer von Gebäu-den – relativ rasche Amortisationen erreicht werden, so kann der Investitionsmittel-Einsatz doch beträchtlich sein; ca. € 80 000,– nimmt man nämlich für eine Einfamilien-haus-Sanierung nicht so „leichtfertig“ in die Hand.
Bild 20. Prozentuale Anteile der Wärmeverluste der einzel-nen Bauteile und der Lüftungswärmeverluste am Gesamt-Wärmeverlust für ein unsaniertes bzw. saniertes Einfami-lienhaus der Gebäudealtersklasse 1968 bis 1979Fig. 20. Percentages of total heat loss due to individual building elements and ventilation, for an unrenovated and a renovated detached house built between 1968 and 1979
Tabelle 9. Eingangsdaten und Berechnungsergebnisse für die beispielhafte Sanierung eines Einfamilienhauses der Gebäude-altersklasse 1968 bis 1979Table 9. Model input data and calculation results for the renovation of a typical detached house built between 1968 and 1979
Ermittelte Größen Art der Sanierung MittelwertSchwankungsbereich
von bis
Jährlicher Heizwärmebedarf Qh [kWh/a]
Nur Instandsetzung 33.400 29.690 37.100
Nach Energieeinsparverordnung 6.280 5.190 7.370
Nach Niedrigenergiehaus 3.700 2.870 4.500
Sanierungskosten [€]
Nur Instandsetzung 41.000 37.000 48.930
Nach Energieeinsparverordnung 60.000 54.800 70.380
A. Holm/K. Gertis/C. Maderspacher/C. Sprengard · Kritische Überlegungen zur Wirtschaftlichkeit von energiesparenden Wärmeschutzmaßnahmen
17Bauphysik 38 (2016), Heft 1
Wirtschaftlichkeit von Wärmeschutzmaßnahmen, so zei-gen sich folgende Ergebnisse: – Die Amortisationszeit wird umso kürzer, je höher der
Energiepreis und je kräftiger dessen Steigerung im Sa-nierungszeitraum sind. Ein Ein-Generationen-Zeitraum von 30 Jahren gilt als sinnvolles Sanierungsintervall. Dies erfordert aber eine jährliche Sanierungsrate von 3 %. Die von der Bundesregierung angestrebte 2 %-Rate reicht nicht aus.
– Maximalen annuitätischen Gewinn erbringen bei Sanie-rungen folgende Dämmstoff dicken (Durchschnittswerte):Außenwand: 10 bis 15 cmDach: 20 bis 30 cmKellerdecken: 5 bis 10 cm
– Die Investitionskosten (bzw. das Mehrkosten-Nutzen-Verhältnis) sind bei mineralischen Faserdämmstoff en geringfügig höher als bei organischen Hartschäumen (EPS). Im Mittel liegt die Kostengrößenordnung geringer Dämmstoff dicken bei ca. 0,3 €/kWh/a; dickere Dämm-stoff pakete kosten ca. 0,8 €/kWh/a.
– Die Auswirkung lokaler Klimaunterschiede an verschie-denen Standorten in Deutschland ist – im Verhältnis zu anderen Ländern – relativ gering. In kalten Klimazonen mit hohen Gradtagszahlen sollten die oben genannten Durchschnittswerte der Dämmstoff dicken etwas erhöht werden.
Weil die Wirtschaftlichkeitsergebnisse von sehr vielen – z. T. gegensätzlichen – Kalkulationsparametern abhängen und letztere sich im Laufe der Nutzungszeit auch noch zeitlich verändern, ist eine Sensitivitätsanalyse angebracht, die auf-zeigt, wie empfi ndlich die Wirtschaftlichkeitsaussage auf eine Parameterveränderung reagiert. Eine diff erenzielle Analyse liefert zwar die Aussagen-Schwankungsbreite, nicht aber die Wahrscheinlichkeit, mit welcher die gewähl-ten Parameter eintreten. Um die Eintretens-Wahrschein-lichkeit miteinzubeziehen, müssen stochastische Simula-tionen (z. B. per Monte-Carlo-Analyse) eingesetzt werden. Diese zeigen in künstlichen Zufallsexperimenten auf, wel-che Aussagen unsichere Parameter-Kombinationen generie-ren. Die Zuverlässigkeit der Aussage steigt mit der Anzahl der wiederholten Berechnungsläufe. In der vorliegenden Studie wurden mehrere tausend Rechenlaufwiederholun-gen absolviert. In 95 %-Konfi denzintervallen zusammen-gefasst, ergaben sich hierbei für Sanierungen mit Wärme-schutzmaßnahmen Amortisationszeiten zwischen 2 und 30 Jahren. Der hohe Wert von 30 Jahren entspricht einer Ein-Ge nerationenzeit. Im Kern ist festzustellen, dass unter diesen Bedingungen eine wärmeschutztechnische Sanie-rung des Altbaubestandes möglich ist, wenn die jährliche Sanierungsrate auf 3 % anwächst. Geschieht dies nicht, bleibt die Altbausanierung – und mit ihr ein Großteil der Energiewende – auf der Strecke.
Literatur
[1] Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, Bundes-ministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Energiekonzept für eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung. Berlin (2010).
[2] Bigalke, U. et al.: Der dena-Gebäudereport. Statistiken und Analysen zur Energieeffi zienz im Gebäudebestand. Berlin (2012).
unzulässig. Das bedeutet, dass Aussagen zur Wirtschaftlich-keit und zur Sinnhaftigkeit einer energetischen Sanierungs-maßnahme nur dann ausreichend genau gegeben werden können, wenn die Eingabedaten auch genau bekannt sind.
Von den z. Z. 18,2 Mio. Wohngebäuden in Deutsch-land sind bei knapp 9 Mio. noch keine oder nur gering fügige Verbesserungen des Wärmeschutzes vorgenommen wor-den. Dies bedeutet, dass praktisch jeder zweite Altbau über einen unzureichenden Wärmeschutz verfügt. Bei Beibehal-tung der derzeitigen jährlichen Sanierungsrate von weniger als 1 % (genau: ca. 0,9 %) bräuchte man also über 100 Jahre, um den noch vorhandenen Altbaubestand zu sanieren. Dies erscheint grotesk. Man kann vielmehr von jeder Generation (Generation-Aktivzeit = 30 Jahre) eine einmalige Sanierung abfordern. Dies bedeutet aber, dass die jährliche Sanierungs-rate auf mindestens 3 % anwachsen muss.
Für Wirtschaftlichkeitsberechnungen wird eine Reihe von (zeitabhängigen) Kalkulationsparametern benötigt, wie z. B. die Entwicklung des Energiepreises und des Real-zinses sowie die angestrebte Nutzungsdauer. Ferner sind Angaben zu den Baukosten und speziell zu den energiebe-dingten Kosten erforderlich. Diese Kalkulationsparameter werden in der vorliegenden Studie bereitgestellt. Die Ener-giepreise sind in der Vergangenheit zunächst heftig gestie-gen, in letzter Zeit aber wieder gefallen. Sie unterliegen im Laufe einer 30-jährigen Nutzungsdauer vermutlich großen Veränderungen. Auch der Realzins (d. h. die Umlaufren-dite) weist große Zeit-Veränderungen auf. In letzter Zeit ist er sogar negativ geworden, was bedeutet, dass man keinen Ertrag einfährt, wenn man sein Geld auf die Bank bringt; evtl. muss man dafür sogar Zins zahlen.
In Bezug auf die Kosten einer Sanierung ist zu unter-scheiden zwischen den sog. „Sowieso-Kosten“ und den energiebedingten Kosten. Wenn eine Maßnahme sowieso ansteht, etwa wenn die Fassade abbröckelt oder ein Dach undicht geworden ist etc., sollte zusammen mit der So-wieso-Sanierung auch der Wärmeschutz verbessert werden. Die Kopplung beider sollte für jeden Investor selbstver-ständlich sein, wenngleich Investorenentscheidungen oft-mals verschiedenen Wirtschaftlichkeitskalkulationsmodel-len entspringen. Je nach monetärer Präferenz stehen einem Investor fünf Kalkulationsmethoden zur Verfügung, näm-lich: – Statische Amortisation – Dynamische Amortisation ohne Energiepreisverände-
rung – Dynamische Amortisation mit Energiepreisveränderung – Kapitalwert und Annuität – Interner Zinsfuß
Amortisationsfragen spielen auch bei Maklern eine Rolle, wenn sie Käufe oder Vermietungen vermitteln; sie sollten – zumindest bei längerfristig denkenden Kunden – mit der Wirtschaftlichkeit von Wärmeschutzmaßnahmen werben.
Um zu eindeutigen Aussagen zu gelangen und – unter sonst gleichen Prämissen – divergierende Ergebnisse zu ver-meiden, muss man sich auf eine bestimmte Kalkulations-methode einigen, wobei zeitweilig evtl. auch staatliche För-derungen und steuerliche Abschreibungen hereinspielen. Dabei werden meist – wie auch in der vorliegenden Arbeit – die Kapitalwert- und die interne Zinssatz-Methode favori-siert. Überprüft man mit diesen Kalkulationsmethoden die
A. Holm/K. Gertis/C. Maderspacher/C. Sprengard · Kritische Überlegungen zur Wirtschaftlichkeit von energiesparenden Wärmeschutzmaßnahmen
[12] Werner, H., Gertis, K.: Wirtschaftlich optimaler Wärme-schutz von Einfamilienhäusern. Kritische Gedanken zu Opti-mierungsrechnungen. Ges.-Ing. (1976), H. 1/2, S. 27–31; H. 5, S. 97–103.
[13] Gertis, K.: Was bedeutet wirtschaftlich optimaler Wärme-schutz? WKSB 22 (1977), H. 4, S. 1–4.
[14] Gertis, K.: Kosten für die Verbesserung des Wärmeschutzes von Gebäuden. Kosten-Nutzen Analysen. BW 32 (1978), H. 31, S. 1238–1240.
Autoren dieses Beitrages:Prof. Dr.-Ing. Andreas HolmLeiter des Forschungsinstituts für Wärmeschutz e. V. München (FIW München)Professor für Bauphysik, Hochschule für angewandte Wissenschaften München
o. Prof. (em.) Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. mult. Dr. E.h. mult. Karl GertisLehrstuhl für Bauphysik, Universität Stuttgart, 2007 Emeritierung.Bis 2003 Direktor des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik.Holzkirchen
Dipl.-Ing. (FH) Christine MaderspacherDipl.-Ing. Christoph SprengradBeide: Forschungsinstitut für Wärmeschutz e. V. MünchenLochhamer Schlag 4, 82166 Gräfelfi ng
[3] Diefenbach, N. et al.: Datenbasis Gebäudebestand. Daten-erhebung zur energetischen Qualität und zu den Modernisie-rungstrends im deutschen Wohngebäudebestand. IWU Darm-stadt (2010).
[4] Hinz, E.: Kosten energierelevanter Bau- und Anlagenteile bei der energetischen Modernisierung von Wohngebäuden. BMVBS-Publikation (2012), Nr. 7.
[5] Loga, T. et al.: Deutsche Wohngebäudetypologie. Beispiel-hafte Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffi zienz von typischen Wohngebäuden. IWU Darmstadt (2011).
[6] Bundesministerium für Wirtschaft und Energie: Zahlen und Fakten. Energiedaten. Nationale und internationale Entwick-lung. Berlin (2014).
[7] Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung: Wohnen und Bauen in Zahlen 2011/2012. Bonn (2012).
[8] Sedlbauer, K., Wetzel, C.: Energetische, ökologische und ökonomische Bewertung einer Fassadendämmung im Be-stand. In: Fouad, N. A. (Hrsg.): Bauphysik-Kalender 2011, S. 56–68. Berlin: Ernst und Sohn, 2011.
[9] Deutsche Architektenkammer, Bauinformationszentrum: Da-ten zur Kostenplanung von Bauprojekten. Datenbank (2014).
[10] Manteuff el, V.: Preisentwicklung Gebäudeenergieeffi zienz. Initialstudie. Deutsche Unternehmensinitiative Energieeffi -zienz e.V. (2014).
[11] Werner, H., Gertis, K.: Zur Wahl von Kalkulationsmethoden bei der Ermittlung der Wirtschaftlichkeit von Energiesparmaß-nahmen. Baumasch. u. Bautechnik 26 (1976), H. 2, S. 65–72.
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Ernst & SohnVerlag für Architektur und technischeWissenschaften GmbH & Co. KG
Auf der Suche nach dem GleichgewichtWas wissen Bauingenieure heute über die Herkunft der Baustatik? Wann und welcherart setzte das statische Rechnen im Entwurfsprozess ein? Wir wissen viel über die Hervorbrin-gung und Entfaltung von Bauformen, während die Phasen der Entwicklung von Berechnungsmethoden und -verfahren für die Mehrheit der Bauingenieure unbekannt sind. Das vorlie-gende Buch zeichnet die Entstehung von Statik und Festig-keitslehre als die Entwicklung vom geometrischen Denken der Renaissance über die klassische Mechanik bis hin zur moder-nen Strukturmechanik nach.
Auswirkung von Wärmeverschiebungsvorgängen in energieeffizient sanierten Bestandswohngebäuden
Tanja OsterhageDavide CalìDirk MüllerRouven Voß
In den letzten Jahren wurden die Anforderungen der EnEV seitens des Gesetzgebers an die thermische Gebäudehülle bei Sanierun-gen und Neubauten strenger. Die dadurch sinkenden Transmis-sionswärmeverluste nach außen führen zu einer zunehmenden Bedeutung der Wärmeverschiebungen innerhalb des Gebäudes.Die Bestimmung der hier vorgestellten Wärmetransmissionen er-folgt am Beispiel eines vom BMWi geförderten Forschungsvorha-bens, bei dem drei Wohngebäuderiegel mit 90 Wohneinheiten aus den 1950/60er Jahren unterschiedlich saniert wurden. Ein hoch-auflösendes Monitoring ermöglicht eine detaillierte Analyse der Effizienz der sanierten Gebäude sowie deren Anlagentechnik und bildet die Grundlage für die Simulationsmodelle.Die Simulationsergebnisse zur detaillierten Betrachtung der Wärmetransmission in Mehrfamilienhäusern geben Aufschluss darüber, dass die Wärmegewinne durch angrenzende Wohnun-gen die Verluste durch Transmission über die wärmeübertra-gende Umfassungsfläche teilweise oder sogar vollständig kom-pensieren können.
Effect of heat displacement in energy efficient residential build-ings. During the last years, the requirements of the German Build-ings Energy Saving Ordinance “EnEV” became more strict for both new and refurbished buildings. The decreasing transmission losses to the outside lead to an increasing importance of heat displacements between different dwellings within the building.Within a field test project, financed by the Federal Ministery for Economic Affairs and Energy (BMWi), the heat transmissions between dwellings of two buildings were quantified. Three residential buildings with each 30 apartments, built in the fifties, were differently refurbished. A high-resolution monitoring allows a detailed analysis of the efficiency of the buildings and their HVAC system, and provides the basis for the simulation models.As the results from the simulation of the heat transmission in the buildings show, some apartments can partially or even com-pletely compensate the transmission losses over the building en-velope through the heat gains received from neighboring apart-ments. For other apartments, losses to the neighbors represent a consistent part of the total heat losses.
1 Einleitung
Seit der EnEV 2006 ist bei Errichtung, Änderung oder Er-weiterung von Gebäuden ein Energieausweis auszustellen. Der Energieausweis dient der energetischen Bewertung von Gebäuden und ermöglicht somit den Vergleich unter-schiedlicher Gebäude [1].
Die Einhaltung von maximalen Transmissionswärme-verlusten über die wärmeübertragende Umfassungsfläche ist ein Bestandteil der Berechnungen. Auf Basis von Vor-gaben der Normung, z. B. Raum- sowie Außentemperatu-ren, werden die zu erwartenden Transmissionswärmever-luste berechnet. Jüngste Veröffentlichungen [2] zeigen, dass zwischen dem Energiebedarf und -verbrauch große Diffe-renzen auftreten können. Dies legt die Vermutung nahe, dass die gewählten Standardrandbedingungen der Nor-mung, z. B. Innenraumtemperatur und stündlicher Luft-wechsel, die Realität nicht ausreichend abbilden.
Dieser Artikel befasst sich mit der Frage, ob die Wärme-verluste bzw. -gewinne zu benachbarten Wohneinheiten einen signifikanten Einfluss auf den tatsächlichen Heiz-wärmeverbrauch der jeweils bilanzierten Wohnung haben.
2 Gebäudebeschreibung und Sanierungsvarianten
Wie die meisten Gebäude der Baualtersklasse der 1950/60er Jahre standen die drei geometrisch gleich ausgerichteten Gebäuderiegel des Feldversuches aufgrund der maroden Anlagentechnik und dem Instandhaltungsrückstau zur Sa-nierung an. Die Gebäuderiegel sind parallel zueinander erstellt, wobei jeder Riegel über drei Eingänge mit jeweils zehn Wohnungen verfügt.
Zwischen 2008 und 2010 wurden die Demonstrations-gebäude saniert. Die Sanierungsvarianten wurden in enger Zusammenarbeit mit der Wohnungsbaugesellschaft erarbei-tet und umgesetzt. Gemeinsames Ziel war es, verschiedene technische Systemkomponenten als auch baukonstruktive Neuheiten in Kombination zueinander zu setzen. Letztend-lich sind somit sieben verschiedene Sanierungsvarianten entstanden. Eine durchgehende Variante für Riegel R1 und jeweils drei Varianten (eine pro Eingang) für die Riegel R2 und R3. Durch diese Varianz können unterschiedliche Sa-nierungsvarianten miteinander in Vergleich gesetzt und Empfehlungen für die Umsetzung bei zukünftigen Sanierun-gen von Gebäuden dieser Baualtersklasse getroffen werden.
Riegel R1 wurde nach den Vorgaben bzw. dem Stan-dard der Wohnungsbaugesellschaft saniert. Riegel R2 wurde als „3-Liter-Haus“ ertüchtigt, dies bedeutet einen rechnerischen Energiebedarf von 30 kWh/(m2a) [3]. Der dritte Riegel (R3) wurde als Experimentiergebäude ausge-führt (Bild 1).
Riegel R1 und R2 wurden an das neu ausgebaute Fern-wärmenetz angeschlossen. Riegel R3 hingegen wird durch
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20 Bauphysik 38 (2016), Heft 1
Speicherung sowie Verteilung sowohl für das Trinkwarm-wasser (TWW) als auch die Heizung (HE) gemessen. In jedem Raum einer Wohnung von Riegel R2 und R3 werden die Daten zur Temperatur, relativen Feuchte, CO2-Konzen-tration, flüchtige organische Verbindungen (VOC), Tages-lichtanteil sowie der Fensteröffnungsposition (geschlossen/geöffnet) über eine Raummesseinheit (RME) aufgezeich-net. Detaillierte Informationen über das Monitoringsystem sind in [7] zu finden. Mit dem Monitoring wurde nach Be-endigung der Baumaßnahmen im Jahr 2009 begonnen. Für die meisten Messpunkte liegt ein Zeitschritt von 60 s vor. Die Daten werden in einer HDF5-Datei gespeichert und mithilfe einer eigens dafür entwickelten Plattform auf Basis der Freeware Python-Software „ViTables“ ausgewertet.
4 Analyse der Wärmeverschiebung innerhalb eines hoch-wärmegedämmten Gebäudes und über die thermische Gebäudehülle
Die EnEV-Anforderungen an den Wärmeschutz und den Primärenergiebedarf werden mit dem Ziel, den klimaneu-tralen Gebäudebestand erreichen zu können, mit jeder Novellierung strenger. Momentan bedeutet dies im Falle einer Sanierung der Außenwand die Einhaltung eines U-Wertes von 0,24 W/(m2K). Klar definiertes Ziel durch die steigenden Anforderungen ist eine deutliche Reduzierung der Transmissionswärmeverluste über die Außenwand. Die Forderungen der EnEV beziehen sich in erster Linie auf die Bauteile der wärmeübertragenden Umfassungsflä-che. Das führt dazu, dass z. B. Wohnungstrennwände und innenliegende Treppenhauswände nicht nachträglich ge-dämmt werden müssen.
4.1 Dynamische Modellierung mit Modelica
Für die Untersuchung der Wärmeverschiebung innerhalb des Gebäudes sowie über die wärmeübertragende Umfas-
unterschiedliche Wärmepumpensysteme (WP) versorgt. Je nach Sanierungsvariante sind pro Eingang Heizkörper (HK), Deckenheizung (DH), Fußbodenheizung (FBH) oder eine Luftheizung (LH) zur Wärmeübergabe im Raum installiert worden. Alle Heizsysteme wurden als Niedertem-peratursysteme installiert. Das Trinkwarmwasser (TWW) wird durch Frischwasser-Stationen (zentral oder dezentral, je nach Sanierungsvariante) erzeugt. Die Frischwassersta-tionen erzeugen das Trinkwarmwasser bei Bedarf durch Erhitzen von Frischwasser. Die sieben unterschiedlichen Sanierungsvarianten sind schematisch in Tabelle 1 darge-stellt. Ausführliche Informationen sind in [4] bis [6] nach-zulesen.
3 Messtechnik
Um die Effizienz der Sanierungsmaßnahmen bewerten zu können, wurde ein hochauflösendes Monitoringsystem ge-meinsam mit der Fachhochschule Karlsruhe entwickelt und installiert. Es werden die Energieflüsse der Erzeugung,
Bild 1. Lageplan der drei sanierten GebäuderiegelFig. 1. Map of the three renovated blocks
Dämmung U-Wert Fenster TGA TWW
R1 14 cm 0,035 W/(mK) 1,3 W/(m2K) FW, HK, AB zentral
R2.E1, 720 m2
10 Wohnungen16 cm 0,021 W/(mK) 1,3 W/(m2K) FW, HK, dez. Lüftungsgeräte WRG dezentral pro Wohnung
R2.E2, 720 m2
10 Wohnungen16 cm 0,021 W/(mK) 0,8 W/(m2K) FW, HK, AB zentral
R2.E3, 720 m2
10 Wohnungen16 cm 0,021 W/(mK) 1,3 W/(m2K) FW, FBH, AB zentral
R3.E1, 720 m2
10 Wohnungen
4 cm 0,008 W/(mK)0,8 W/(m2K)
CO2-Sonde WP, FBH,dez. Lüftung WRG
dezentral pro Wohnung4 cm 0,021 W/(mK)
R3.E2, 720 m2
10 Wohnungen
4 cm 0,008 W/(mK)0,8 W/(m2K)
CO2-Sonde WP, zentr. Lüftung WRG, Lufth.
dezentral pro Wohnung4 cm 0,021 W/(mK)
R3.E3, 720 m2
10 Wohnungen
4 cm 0,008 W/(mK)1,3 W/(m2K) Luft-WP, Abluft WRG, Deckenheizung dezentral pro Wohnung
4 cm 0,021 W/(mK)
Tabelle 1. Gegenüberstellung der SanierungsvariantenTable 1. Description of each retrofit layout
FW = Fernwärme; HK = Heizkörper; AB = Zwangslüftung in Kombination mit zentr. Abluft; FBH = Fußbodenheizung; WRG = Wärmerückgewinnung
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Die unbeheizten Bereiche Keller und Treppenhaus sind nicht Bestandteil des Simulationsmodells. Zur Be-rücksichtigung der thermischen Begebenheit werden die Wände und Decken zu diesen Bereichen auf der vom Wohnraum abgewandten Seite mit einer konstanten Tem-peratur beaufschlagt. Für das Treppenhaus wird eine kon-stante Temperatur angesetzt, da sich dort ein Heizkörper befindet. Für die Luftwechselrate der Räume einer Woh-nung wird ein Wert von 0,55 h–1 (Mindestluftwechselrate nach DIN V 4701-10) verwendet. In diesen Wert finden der Luftaustausch durch Infiltration, freie und maschinelle Lüftung Berücksichtigung.
Die gemessene Innentemperatur jedes Raumes ist im Modell als Eingangsgröße vorgesehen. Die dadurch entste-henden Wärmeübertragungsmechanismen Strahlung und Konvektion an der Wandinnenseite werden durch das ver-wendete Raumwandmodell berücksichtigt. Über Wärme-leitung erfolgt der Wärmeaustausch zwischen den einzel-nen Wandschichten. Der Wärmeverlust über die Fenster-flächen erfolgt in Form von Konvektion zwischen Raumluft und Fensterfläche sowie durch Wärmeleitung innerhalb des Fensters nach außen.
Die Messdaten für die Simulationen stammen aus der Heizperiode 2012/2013. Die Simulationen sollen Auf-schluss über die Wärmeverschiebungen aufgrund des unter-schiedlichen Heizverhaltens der Bewohner geben, daher wird nur der Zeitraum zwischen 1. Oktober und 30. April betrachtet. Im Folgenden wird die Transmission innerhalb des Gebäudes als Wärmeverschiebung bezeichnet.
4.2 Transmissionswärmeverlust über die Gebäudehülle
Bild 3 zeigt den Vergleich der Wärmeverluste von Fenster- und Außenwandflächen für Riegel 2 bezogen auf die Flä-che der jeweiligen Wohnung. Der Anteil der Verluste über die Fensterflächen (UW 1,3 W/(m2K) für R2.E1 und R2.E3;
sungsfläche von Riegel R2 und R3 ist die Modellierungs-sprache Modelica für die dynamische Simulation einge-setzt worden.
Das thermische Verhalten der Räume wird durch die Modellierung der raumumfassenden Wände, der Innen-wände sowie der Raumluft abgebildet. Das Wohnungsmo-dell setzt sich wiederum aus den verschieden parametrier-ten Instanzen des Wohnraummodells zusammen. Die Wohnungsmodelle bilden die Basis des Gebäudemodells, wie in Bild 2 gezeigt. Die äußeren Randbedingungen auf das Gebäude werden durch ein Wettermodell, basierend auf den Messdaten der lokalen Wetterstation, in den Simu-lationen berücksichtigt.
Bild 2. Modell eines Raumes in DymolaFig. 2. Model of a room in Dymola
Bild 3. Vergleich der Wärmeverluste von Fenster- und Wandfläche für Riegel R2Fig. 3. Comparison of the heat losses of window and wall surface for block B2
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UW 0,7 W/(m2K) für R2.E2) ist in allen Fällen höher als über die Außenwandflächen (U = 0,11 W/(m2K)). Weiter-hin ist ablesbar, dass die Wohnungen im vierten Oberge-schoss im Vergleich zu den übrigen Wohnungen eines Ein-gangs einen höheren Transmissionswärmeverlust über die Außenflächen aufweisen. Dies liegt darin begründet, dass die oberste Geschossdecke gedämmt wurde und im nicht ausgebauten Dachraum daher annähernd Außentempera-turen herrschen.
Für die Auswertung der Ergebnisse von Bild 3 ist Ta-belle 2 zu berücksichtigen. Tabelle 2 stellt den Fenster- und Wandflächenanteil der unterschiedlichen Wohnun-gen in Bezug auf die gesamte wärmeübertragende Umfas-sungsfläche der einzelnen Wohnungen gegenüber. Unter Berücksichtigung der Eingabeparameter der Simulation lassen sich vier unterschiedliche Wohnungstypen differen-zieren.
Die Wohnungen in den Randbereichen eines Riegels verfügen über einen höheren Außenflächenanteil als die innenliegenden Wohnungen, während die Fensterflächen für alle Wohnungen identisch sind. Aus diesem Sachverhalt resultieren die höheren Wärmeverluste über die Außen-wandflächen.
4.3 Wärmeverschiebung innerhalb der Gebäudehülle
Aufgrund vorhandener Temperaturdifferenzen zwischen zwei benachbarten Wohnungen oder zwischen Wohnung und Treppenhaus können Wärmeverschiebungen inner-halb der thermischen Hülle eines Gebäudes auftreten. Bild 4 zeigt die Wärmeverschiebungen zwischen den ein-zelnen Wohnungen in Riegel R3 für den Betrachtungszeit-raum Heizperiode 2013 (Januar bis April und September bis Dezember). Jedes farbige Rechteck repräsentiert eine Wohnung des Riegels R3. Sechs Wohnungen pro Geschoss (zwei pro Eingang) über fünf Geschosse. Die Farbwahl einer jeden Wohnung gibt die durchschnittliche gemessene Wohnrauminnentemperatur während der Heizperiode wieder. Dabei steht die Farbe rot für hohe, gelb für mittlere und blau für geringe durchschnittliche Wohnungsinnen-temperaturen. Die Pfeile geben die Richtung und Höhe der Wärmemenge in kWh pro Quadratmeter Nutzfläche an.
Aufgrund der größeren Übertragungsfläche sind die transmittierten Wärmeströme zwischen den Etagen bei an-nähernd gleicher Temperaturdifferenz größer als die zweier benachbarter Wohnungen einer Etage. Es ist weiterhin feststellbar, dass Wohnungen vorhanden sind, von denen ausschließlich Wärme an die benachbarten Wohnungen abgegeben wird. Auf der anderen Seite gibt es Wohnungen, die ausschließlich Wärme von den benachbarten Wohnun-gen aufnehmen.
In Bild 4 sind die Wärmeverluste zum Treppenhaus und nach außen nicht dargestellt. Ein Blick in die Messda-ten gibt darüber Aufschluss, dass die Temperaturen in den Wohnräumen höher sind als die angesetzte Treppenhaus-temperatur, somit entsteht kein Wärmegewinn innerhalb der Wohnungen durch das Treppenhaus.
Bild 4. Wärmeverschiebungen (q in kWh/m2 WF) zwischen den einzelnen Wohnungen in Riegel R3 für den Betrachtungs-zeitraum Heizperiode (Januar bis April und September bis Dezember) 2013Fig. 4. Heat shifts (q in kWh/m2 WF) between the apartments in block B3 for the heating period (January to April and September to December) 2013
Bauteil Fensterfläche Wandfläche
Wohnung Randbereich 15 % 85 %
innenliegende Wohnung 26 % 74 %
innenliegende DG-Wohnung 9 % 91 %
DG-Wohnung Randbereich 7 % 93 %
Tabelle 2. Fenster- und Wandflächenanteil der WohnungenTable 2. Window and wall area proportion of apartments
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Wärmegewinne durch die Nachbarwohnungen. Bei ande-ren Wohnungen hingegen kann der Anteil der Wärmever-luste durch Wärmeverschiebung zu den Nachbarwohnun-gen bis zu 50 % an den Gesamtverlusten betragen.
Für hochwärmegedämmte Gebäude bedeutet dies, dass die Lage der Wohnung sowie das Heizverhalten der benachbarten Wohnungen und die damit einhergehende Wärmeverschiebung innerhalb der gedämmten Hülle einen signifikanten Einfluss auf den Wärmeverbrauch der jewei-ligen Wohnung haben.
5 Fazit
Die hier auf der Grundlage von Messdaten erstellten Simu-lationen und deren Analyse verdeutlichen die entstehen-den Transmissionsvorgänge in einem größeren sanierten Wohngebäuderiegel.
Die hier gewonnenen Erkenntnisse geben Aufschluss darüber, dass der Wärmeverbrauch einer einzelnen Woh-nung eines größeren Mehrfamilienhauses von der Lage der Wohnung im Gebäude und unter anderem vom Heizverhal-ten der benachbarten Wohnungen abhängt. Die Wohnun-gen im Randbereich weisen aufgrund der größeren wärme-übertragenden Umfassungsfläche einen höheren Wärme-verlust nach außen auf als die anderen Wohnungen. Eine Aussage darüber, ob die Wärmegewinne durch die benach-barte Wohnungen grundsätzlich positiv zu betrachten sind oder eher zu erhöhten Lüftungsverlusten führen, kann hier nicht abschließend getroffen werden. Hierzu sind weiterge-hende Untersuchungen zum zeitlichen Verlauf der Wärme-verschiebungen durchzuführen.
Die Heizkostenverordnung [8] bildet für Gebäude-eigentümer, Hausverwalter, Mieter und Wohnungseigen-tümer die rechtliche Grundlage und das Regelwerk zur Durchführung der jährlichen Wärmekostenabrechnung. Der Verteilschlüssel für Grund- und Verbrauchskosten kann unterschiedlich sein. Mindestens 50 % und höchstens 70 % der Kosten des Betriebs der zentralen Heizungsanlage sind nach den erfassten Wärmeverbrauch des Nutzers zu vertei-len. Nach §§ 315 ff BGB steht dem Gebäudeeigentümer frei; für welche Variante er sich entscheidet. Vor dem Hin-tergrund der hier gewonnenen Erkenntnisse sei die Frage
4.4 Vergleich der Wärmeverschiebungen innerhalb der ther-mischen Hülle gegenüber dem Wärmeverlust nach außen
In Bild 5 sind die Wärmeverschiebungen in kWh für jede Wohnung des Riegels R3 bezogen auf die Wohnfläche bei-spielhaft für eine Heizperiode gegenüber gestellt. Auf der X-Achse sind die einzelnen Wohnungen des Riegels R3 aufgetragen. Der y-Achse sind die Angaben zur Wärme-menge in kWh/m2 zu entnehmen. Negative Werte stehen für die Verluste (Treppenhaus, Gebäudehülle, Nachbar-wohnung) und positive Werte für Gewinne (von der Nach-barwohnung). Die orangefarbenen Säulen geben den An-teil für Transmission über die wärmeübertragenden Au-ßenbauteile, die grauen Säulen stellen die Verluste zum Treppenhaus dar und die ockerfarbenen Säulen geben die Wärmeverschiebung zum Treppenhaus wieder.
Während des hier dargestellten Betrachtungszeitrau-mes entstehen über die wärmeübertragende Umfassungs-fläche (Außenflächen und Treppenhaus) für alle Wohnun-gen Wärmeverluste. Für die Wohnungen im Erd- und Dachgeschoss ist im Vergleich zu den anderen Wohnungen ein erhöhter Gesamtwärmeverlust erkennbar. Grund hier-für ist die Lage der Wohnungen im Riegel (Randbereiche) und die damit einhergehende vergrößerte wärmeübertra-gende Umfassungsfläche.
Die sich ergebenden Wärmeverschiebungen über die Wohnungstrennbauteile fallen sehr unterschiedlich aus. Einige Wohnungen profitieren deutlich von der angrenzen-den Wohnung und dem dort vorherrschenden Heizverhal-ten, andere Wohnungen hingegen haben hohe Verluste zum Nachbarn zu beklagen. Bild 5 ist auch zu entnehmen, dass sich nicht für jede Wohnung eine Wärmeverschiebung zu den Nachbarwohnungen ergibt oder diese vernachläs-sigbar gering ausfällt. Aufgrund der vorherrschenden Tem-peratur im Treppenhaus ist für alle angrenzenden Woh-nungen ein Wärmeverlust feststellbar. Je nach Lage der Wohnung ist dieser Wärmeverlust ähnlich ausgeprägt wie der Verlust über die Außenwände.
Die detaillierte Betrachtung der Wärmeverluste pro Wohnung im Riegel R3 zeigt, dass dort Wohnungen vor-handen sind, deren Wärmeverluste über die wärmeübertra-gende Umfassungsfläche annähernd so groß sind wie die
Bild 5. Vergleich der Wärme-transmission je Wohnung bezo-gen auf die jeweilige Wohnfläche für Riegel R3Fig. 5. Comparison of the heat transfer per apartment based on the respective floor space for block B3
[7] Wolfrum, K., Bloch, A.: Messsystem für vielkanaliges Moni-toring von Energieströmen und Raumklimadaten in energe-tisch sanierten Wohngebäuden in Karlsruhe Rintheim. For-schung aktuell 2012, S. 18–20, Hochschule Karlsruhe – Tech-nik und Wirtschaft.
[8] BBR, Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung: Verord-nung über Heizkostenabrechnung in der Fassung der Be-kanntmachung vom 5. Oktober 2009 BGBl. I S. 3250: Heiz-kostenverordnung.
[9] Osterhage, T., Calì, D., Streblow, R., Müller, D.: Ergebnisse einer energetischen Sanierung: Abweichung zwischen Ener-giebedarf und Verbrauch – ist nur der Nutzer Schuld? Bauphy-sik 37 (2015), H. 2, S. 100–104. DOI: 10.1002/bapi.201510012
Autoren dieses Beitrages:Dipl.-Ing. Tanja Osterhage Calì Davide, M.Sc.Prof. Dr.-Ing. Dirk MüllerRouven Voß, B.Sc.RWTH Aachen UniversityE.ON Energy Research CenterLehrstuhl für Gebäude- und RaumklimatechnikMathieustraße 10, 52074 Aachen
erlaubt, ob die heute gültige Heizkostenverordnung in Be-zug auf hochwärmegedämmte Mehrfami lienhäuser alle re-levanten Wärmeströme berücksichtigt.
Danksagung
Die Autoren danken dem BMWi (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie), Förderkennzeichen 03ET1105A, und E.ON New Build and Technology GmbH für die finan-zielle Unterstützung.
Literatur
[1] Weglage, A.: (Hrsg.): Energieausweis: Das große Kompen-dium; Grundlagen – Erstellung – Haftung. 3. Aufl. Wiesbaden: Vieweg + Teubner, 2010.
[2] Bednar, T., Korjenic, A.: Bundesministerium für Verkehr, In-novation und Technologie (Hrsg.): IEA Energie in Gebäuden und Kommunen Annex 53: Gesamtenergieverbrauch in Ge-bäuden: Analysen und Bewertungsmethoden. Wien, 2013
[3] Weyand, N., Heinrich, H., Dahlem, K.-H.: „3-Liter-Haus“ im Bestand – Messkonzept und Messergebnisse von 3 Heizperio-den. Bauphysik 29 (2007), H. 3, S. 213–220. DOI 10.1002/bapi.200710030
[4] Calì, D., Osterhage, T., Müller, D.: Field study of different retrofit solutions for residential housing. Clima (2010).
[5] Calì, D., Osterhage, T., Müller, D.: Retrofit Solutions for Res-idential Buildings. International Journal of Sustainable Build-ing Technology and Urban Development 2 (2011), pp. 131–136.
Aktuell
11. GRE-Kongress Bausteine für die Energiewende
Die Politik hatte die „Energiewende“ eingeläutet. Doch wie haben sich dieser Prozess und seine Dynamik entwickelt?
staltung durch aktuelle Einschätzungen aus dem Bundesbauministerium und nicht zuletzt geht es um die Frage: Wie entwickelt sich die EnEV?
Dies alles zeigt und diskutiert der 11. GRE-Kongress „Bausteine für die Energiewende“ am 17. und 18. März 2016 in der Orangerie in Kassel. Es wer-den 16 ausgewiesene Experten aus Poli-tik, Forschung und Wirtschaft in Vorträ-gen und Diskussionen Rede und Ant-wort stehen. Die Veranstaltung wird mit 12 Unterrichtseinheiten bei der Energie-effizienz-Expertenliste (Wohngebäude) für Förderprogramme des Bundes ange-rechnet.
Weitere Informationen und vollständi-ges Tagungsprogramm:Wilburg KleffGRE e.V., GeschäftsführungTel. +49(0)1575/514 [email protected]
Dieser Kongress beleuchtet die Fort-schritte und Hemmnisse. Es wird ge-zeigt, was sich bewährt hat und disku-tiert, wo die entscheidenden, realen He-bel zur Umsetzung liegen. Welche Rolle spielt der Gebäudebereich in diesem Veränderungsprozess? Wie sind die Qualität des Gebäudebestands und der Stand der Gebäudesanierung? Können die Ansätze der Quartierssanierung, des nachhaltigen Bauens und des Effizienz-haus Plus-Konzepts einen wichtigen Bei-trag leisten? Wie steht es um Energieeffi-zienz im Denkmalschutz? Die Relevanz von Themen wie Qualitätssicherung, Dokumentation und Gebäudeenergie-ausweis wird beleuchtet. Außerdem wer-den Grundfragen der Wärmewende und die Bedeutung technischer Konzepte und Vor-haben, wie Lüftungskonzepte, Fensteraustausch, Wärmebrückenbe-rücksichtigung, Feuchteschutz von Bau-teilen sowie temporärer Wärmeschutz diskutiert. Abgerundet wird die Veran-
Principles of the four-point thermographic measurement of the surface temperature and emissivity of glossy materials
Filip Cmiel Jaroslav SolarPetr Alexa
The emissivity and surface temperature of glossy materials are measured in IR thermography by covering the surface with a ma-terial with the known emissivity. The quantities can be, however, determined without using materials with the known emissivity. IR radiation is refl ected from the measured glossy surface and a thermographer detects such refl ection.This paper discusses the measurement of the surface tempera-ture and emissivity of glossy materials which are used in external structures of the buildings – for instance, windows, light external walls or tiles. A four-point method is proposed for a more accu-rate determination of the surface temperature and emissivity of glossy materials. Results of successful laboratory and fi eld tests of the method are presented.
Prinzipien der Vier-Punkt-Thermografi e-Messmethode für die Oberfl ächentemperatur und den Emissionsgrad glänzender Werkstoffe. Zur Messung des Emissionsgrads und der Oberfl ä-chentemperatur glänzender Werkstoffe mit der Infrarot-Tempera-turmessmethode wird die Oberfl äche mit einem Material abge-deckt, dessen Emissionsgrad bekannt ist. Die Größen lassen sich jedoch auch ohne Verwendung von Materialien mit bekanntem Emissionsgrad ermitteln. Die glänzende Oberfl äche des Mess-objekts refl ektiert IR-Strahlung, und eine Wärmebildkamera er-fasst die refl ektierte Strahlung.Der vorliegende Aufsatz beschreibt die Messung der Oberfl ä-chentemperatur und des Emissionsgrads glänzender Werkstoffe für die Außenhaut von Gebäuden, beispielsweise Fenster, Leicht-baufassaden oder Fliesen. Für die präzisere Ermittlung der Ober-fl ächentemperatur und des Emissionsgrads glänzender Werk-stoffe wird eine Vier-Punkt-Methode vorgeschlagen. Es werden die Ergebnisse erfolgreicher Laborversuche und Feldversuche mit dieser Methode präsentiert.
1 Introduction
It is rather complicated to determine surface temperatures of glossy materials (such as polished metals) by means of infrared thermography. The reason is that the emissivity of glossy materials is typically very low. For instance, the emis-sivity of glossy metal materials ranges between 0.02 and 0.50, and the emmissivity of glossy glass materials ranges between 0.67 and 0.97. Because the intensity of radiation of a metal material depends on surface treatment and on tem-perature, the values of the emissivity in tables are for infor-mation only. It is also very complicated to use a comparison method in order to determine the emissivity of glossy sur-
faces in the fi eld. In that case, the surface which is being measured is coated with a material with the known emissiv-ity (such as adhesive tapes or special can sprays).The ther-mogram of the surface refl ects the IR radiation of the sur-rounding objects. This issue also occurs if the emissivity should be determined using a contact thermometer as de-scribed in [1]. The problem can be solved using the four-point method which is described below.
2 The four-point method
The four-point method can be used for thermographic de-termination of the surface temperature and emissivity of glossy materials. This method uses refl ection of objects on the glossy material. First, a termographic picture is taken of a sky and objects in the surrounding. Then, four reference points with diff erent temperatures are chosen in the ther-mographic system and the apparent refl ect temperature of those four points is determined using the direct method [1].Then, a temperature reading is taken of a glossy surface. The focus of the thermocamera is adjusted in order to cor-respond to the mirror-image of surrounding shown in the thermogram. Four corresponding mirrored reference points are chosen in the thermogram. Then, the surface tempera-ture is simulated in each reference point, depending on the surface emissivity and the measured apparent temperatures at the four points and their mirror images. The surface tem-peratures which are identifi ed by the thermographic system as identical or as those within the required accuracy are the fi nal surface temperatures of the glossy material. The emis-sivity of the glossy surface corresponds to the fi nal surface temperature.
This method can be used only if the system is able to adjust the focus of the IR unit on the measured surface. This means, the glossy surface should be smooth and glossy enough (for instance, glass or any polished metal sheet).Otherwise, the thermographer is not able to adjust and measure certain points with reasonable focus which results in inaccurate measurement of the surface emissivity. There must be also the same emissivity and surface temperature in the area of the glossy surface where the four points were selected.
When using a thermographer for determination of the surface temperature and emissivity of glossy materials, a situation may occur when it is impossible to choose suitable reference points with diff erent temperatures in the thermo-
F. Cmiel/J. Solar/P. Alexa · Principles of the four-point thermographic measurement of the surface temperature and emissivity of glossy materials
26 Bauphysik 38 (2016), Heft 1
based on the Stefan-Boltzmann law [2] for intensity of ra-diation M [W/m2]:
M = εσT4, (1)
where σ is the Stefan-Boltzmann constant and emissivity ε expresses the ratio of intensity of radiation of a measured object to the intensity of radiation of an absolutely black body with the same temperature, T [K].
The emissivity can be determined using the formula below which is derived from the Stefan-Boltzmann law and which considers refl ection of radiation from an external source of heat or from surrounding objects:
M = σTz4 = εσT4 + σ(1 – ε)T0
4, (2)
where ε is the emissivity of the material surface, T0 [K] = t0 [°C] + 273,15, is the apparently refl ected temperature de-termined at the four reference points on an external source of heat or on surrounding objects, Tz [K] = tz [°C] + 273,15 is the apparent temperature at the four corresponding mir-rored reference points on the surface of the glossy material determined in the thermogram of the measured surface, and T [K] = t [°C] + 273,15 is the surface temperature of the measured glossy material. Having modifi ed the equation, one obtains the equation for calculation of the surface tem-perature t [°C] as a function of the surface emissivity ε:
(3)t(t 273,15) (t 273,15) (1 )
273,15z4
04
4=+ − + − ε
ε−
The obtained curves t = f(ε) for the four chosen reference points should intersect in one point, thus determining the glossy surface temperature t and emissivity ε.
2.2 Laboratory test
The external source of heat heated up the four points to four diff erent temperatures (see Fig. 2). In accordance with the international standard [1] the emissivity of 1 was set in the termographer’s camera (FLIR SC 640). Then, a thermo-gram was taken of an external source of heat (see Fig. 2). Following apparent surface temperatures were read in four
graphic picture of the sky and objects (for instance, because there are not any trees or buildings on the site). In that case, it is possible to use a special external source of heat (Fig. 1) which will heat four points up to four diff erent tempera-tures. In order to obtain more accurate results, it is advisa-ble to adjust two sources of heat to a higher surface temper-ature and two sources of heat to a lower surface tempera-ture than the estimated temperature of the measured object. This has been proved in a laboratory test of a polished sheet made from stainless steel.
The front plate in the external source of heat is 35 cm × 35 cm. It is fi tted with three water-cooled Peltier elements which can optimally heat up or cool down 3 areas in the plate. The surface of the plate is sprayed with the paint the emissivity of which is known: 0.95. There is also a grid with 5 cm × 5 cm cells.
A successful fi eld test of the four-point method was then performed at the Faculty of Civil Engineering campus at Ostrava, Czech Republic, without any external source of heat.
2.1 Theory
Calculation of the surface temperature and emissivity by means of four points and an external source of heat is
Fig. 1. External source of heatBild 1. Externe Wärmequelle
Fig. 2. Thermogram with four reference points for the refl ected temperature on the external source of heat (laboratory test)Bild 2. Wärmebild mit vier Referenz-punkten für die refl ektierte Temperatur auf der externen Wärmequelle (Labor-versuch)
F. Cmiel/J. Solar/P. Alexa · Principles of the four-point thermographic measurement of the surface temperature and emissivity of glossy materials
27Bauphysik 38 (2016), Heft 1
temperatures were measured in the mirrored four points: Sp1 = + 41.7 °C, Sp2 = +33.5 °C, Sp3 = +17.7 °C, and Sp4 = +20.6 °C. Table 1 lists the conditions existing during the measurement.
The measured values were used in (3) for diff erent values of emissivity in order to calculate real values of the surface temperature for the measured glossy material (see Table 2). The values in Table 2 were used to create the tem-perature chart (see Fig. 4) for each point separately with diff erent emissivities. In cross-sections of the curves, there is the real value of the surface temperature and, in turn, the real value of the emissivity of the material.
points: Sp1 = + 43.5 °C, Sp2 = +34.5 °C, Sp3 = +16.9 °C, and Sp4 = +20.2 °C.
Then, a thermogram (Fig. 3) was taken of a glossy sur-face (on a stainless steel sheet). Following apparent surface
Fig. 3. Thermogram with four reference points for the refl ected temperature on a glossy material (laboratory test)Bild 3. Wärmebild mit vier Referenz-punkten für die refl ektierte Temperatur auf einem glänzenden Werkstoff (La-borversuch)
Table 1. Boundary conditions of the laboratory measurementTabelle 1. Grenzbedingungen für den Laborversuch
Surface tempera-ture tcont [°C]
Athmospheric tem-perature tair [°C]
Relative humidity ϕ [%]
23.8 23.9 29.7
Table 2. The measured surface temperature vs. the refl ected temperature and surface emissivity (0.07–0.15) for the laboratory testTabelle 2. Gemessene Oberfl ächentemperatur i. Vgl. zur refl ektierten Temperatur und Emissionsgrad der Oberfl äche (0,07–0,15) für den Laborversuch
Fig. 4. The measured surface tempera-ture vs. the refl ected temperature and surface emissivity (laboratory test)Bild 4. Die gemessene Oberfl ächen-temperatur i. Vgl. zur refl ektierten Tem-peratur und Emissionsgrad der Ober-fl äche (Laborversuch)
F. Cmiel/J. Solar/P. Alexa · Principles of the four-point thermographic measurement of the surface temperature and emissivity of glossy materials
28 Bauphysik 38 (2016), Heft 1
It follows from the measurement that to with ε4 = 0.10 the surface temperatures measured by the thermocamera and the four-point method are almost compliant, the arith-metic average being tir = +24.2 °C (see Table 2 and Fig. 4). The surface temperatures were measured using a contact thermo-couple ALMEMO 2390-8 and gave an average tem-perature tcont = +23.8 °C which proved correctness of the thermographic measurement. The obtained emissivity ε4 = 0.10 corresponds to the emissivity ε = 0.10 which was meas-ured in a laboratory temperature bath at 60 °C using the same thermocamera.
2.3 Field test
Four reference points of diff erent temperatures have been chosen in the surroundings of the measured glossy surface (see Fig. 5). In accordance with the international standard [1] the emissivity of 1 was set in the thermographer’s cam-era (FLIR SC 640).Then, a thermogram was taken of the surrounding objects (see Fig. 5). Following apparent sur-face temperatures were read in four points: Sp1 = +13.5 °C, Sp2 = +17.5 °C, Sp3 = +27.4 °C, and Sp4 = –26.6 °C.
Then, a thermogram (Fig. 6) was taken of a glossy sur-face (a window of the main building of the Faculty of Civil Engineering in Ostrava). Following apparent surface tem-
peratures were measured in the mirrored four points: Sp1 = + 6.3 °C, Sp2 = + 6.9 °C, Sp3 = + 8.5 °C, and Sp4 = +1.3 °C. Table 3 lists the conditions existing during the measurement.
The measured values were used in (3) for diff erent values of emissivity in order to calculate real values of the surface temperature for the measured glossy material (see Table 4). The values in Table 4 were used to create again the temperature chart (see Fig. 7) for each point separately with diff erent emissivities. In cross-sections of the curves, there is the real value of the surface temperature and, in turn, the real value of the emissivity of the material.
It follows from the measurement that to with ε4 = 0.86 the surface temperatures measured by the thermocamera and the four-point method are almost compliant, the arith-metic average being tir = +5.1 °C (see Table 4 and Fig. 7). The surface temperatures were measured using a contact thermo-couple ALMEMO 2390-8 and gave an average tem-
Fig. 5. Thermogram with four reference points for the refl ected temperature on the surrounding objects (fi eld test)Bild 5. Wärmebild mit vier Referenz-punkten für die refl ektierte Temperatur an Objekten in der Umgebung (Feld-versuch)
Table 3. Boundary conditions of the fi eld measurementTabelle 3. Grenzbedingungen für den Feldversuch
Surface tempera-ture tcont [°C]
Athmospheric tem-perature tair [°C]
Relative humidity ϕ [%]
4.8 4.0 57.0
Fig. 6. Thermogram with four reference points for the refl ected temperature on a glossy material (fi eld test)Bild 6. Wärmebild mit vier Referenz-punkten für die refl ektierte Temperatur an einem glänzenden Werkstoff (Feld-versuch)
Both:Technical University of Ostr avaFaculty of Civil EngineeringL. Podéšte 1875/17, 708 33 OstravaCzech Republic
Univ. Doz. Dr. Petr Alexa [email protected] University of OstravaInstitute of Physics and Institute of Clean Technologies17. listopadu 15, 708 33 OstravaCzech Republic
perature tcont = + 4.8 °C which proved correctness of the thermographic measurement.
3 Summary
In thermographic measurements within diagnostics of ex-ternal walls of buildings and structures, it is rather compli-cated to use a comparison method in order to determine the emissivity of glossy surfaces in the fi eld. In that case, the surface which is being measured is coated with a ma-terial with the known emissivity (such as adhesive tapes or special can sprays). The reason is that the thermogram of the measured surface refl ects the IR radiation of surround-ing objects. This can be solved by the four-point method which is described above. Results have been proved by a laboratory and a fi eld test.
Acknowledgement
The work was supported by the Conceptual Development of Science, Research and Innovation Project for the year 2014, assigned to VSB-TU Ostrava by Ministry of Educa-tion, Youth and Sports of the Czech Republic, and by the National Programme for Sustainability I (2013-2020), fi -nanced by the state budget of the Czech Republic, identifi -cation code: LO1406.
Fig. 7. The measured surface tempera-ture vs. the refl ected temperature and surface emissivity (fi eld test)Bild 7. Gemessene Oberfl ächentempe-ratur i. Vgl. zur refl ektierten Temperatur und Emissionsgrad der Oberfl äche (Feldversuch)
Table 4. The measured surface temperature vs. the refl ected temperature and surface emissivity (0.83–0.92) for the fi eld testTabelle 4. Gemessene Oberfl ächentemperatur i. Vgl. zur refl ektierten Temperatur und Emissionsgrad der Oberfl äche (0,83–0,92) für den Feldversuch
Modellierung von Unschärfe in Ökobilanzen von Bauwerken
Benjamin Ströbele
Die ökologische Dimension der Nachhaltigkeitsbewertung von Bauwerken umfasst verschiedene Umweltproblemfelder. Ein An-satz ist die Beschreibung und Bewertung der Ressourceninan-spruchnahme und von unerwünschten Wirkungen auf die Umwelt auf Basis einer Analyse lebenszyklusbezogener Energie- und Stoffströme. Mit der Ökobilanz besteht eine entsprechende me-thodische Grundlage zur Quantifizierung der Umweltwirkungen. Diese Methode kann bereits in der Entwurfsphase von Bauwer-ken eingesetzt werden. In frühen Phasen der Planung besteht je-doch eine unsichere Datengrundlage in vielerlei Hinsicht. Es wer-den unterschiedliche Formen der Unschärfe in Ökobilanzen von Bauwerken dargestellt und das Problem einer fehlenden Einbe-ziehung in Ökobilanzen aufgegriffen. Als ein möglicher Lösungs-ansatz wird die Integration von Fuzzy-Sets für die Ökobilanzierung von Bauwerken vorgestellt.
Modeling of fuzziness in life cycle assessment LCA of buildings. The environmental dimension of sustainability assessment of buildings covers several environmental problem areas. One approach is the description and assessment of resources con-sumption and of adverse effects on the environment based on an analysis of lifecycle-related energy and material flows. LCA is an appropriate methodological basis for quantifying the environmen-tal effects. This method can be used in the design phase of build-ings already. In early stages of planning, however, the database is uncertain in many respects. Various forms of fuzziness in LCA of buildings will be outlined and the problem of lacking involvement in LCA will be addressed. As a possible solution, integration of fuzzy sets into the lifecycle assessment of buildings will be pre-sented.
1 Zielsetzung
Ein grundlegender Ansatz zur Förderung einer nachhalti-gen Entwicklung von Bauwerken liegt darin, dass die Sys-teme zur Nachhaltigkeitsbewertung (NaWoh, DGNB, BNB) bereits in frühen Planungsphasen einbezogen wer-den. Innerhalb der ökologischen Dimension der Nachhal-tigkeitsbewertung werden Grenzwerte für die potentiellen Umweltwirkungen vorgegeben. Diese Grenzwerte bezie-hen sich auf ausgewählte Phasen im Lebenszyklus eines Bauwerks und eine Nachweisführung zur Einhaltung er-folgt über die Methode der Ökobilanz.
Soll bereits in der Entwurfsphase eine Ökobilanz er-stellt werden, um beispielsweise den Einfluss der Kubatur auf die Umweltwirkungen darzustellen, ist dies jedoch mit
einer gewissen Impräzision, Unsicherheit und Vagheit in Bezug auf die Daten, verbunden. Neben der Darstellung einer solchen Unschärfe innerhalb der Ökobilanz im Le-benszyklus eines Bauwerks, besteht die Zielsetzung dieses Beitrages in der Findung einer geeigneten mathematischen Modellierung auf der Grundlage der Fuzzy-Set-Theorie. Dadurch soll die Glaubwürdigkeit einer Ökobilanz erhöht und das Bestreben, die Ökobilanz bzw. die Systeme zur Nachhaltigkeitsbewertung als Hilfsmittel in die Planungs-phase von Bauwerken zu integrieren, unterstützt werden.
2 Ökobilanz
Mit Systemen zur Nachhaltigkeitsbewertung wurde der Begriff der Nachhaltigkeit für den Baubereich übersetzt und eine Grundlage hin zu einer nachhaltigen Entwick-lung geschaffen [1]. Hierfür müssen diese Systeme jedoch bereits in einer frühen Planungsphase von Bauwerken ein-bezogen werden. Es bestehen die drei Dimensionen Öko-nomie, Ökologie und Soziokulturelles. Nach der Festle-gung von Schutzgütern und dem Ableiten zugehöriger Schutzziele wurden Indikatoren definiert. Innerhalb der ökologischen Dimension wird eine Quantifizierung von Umweltwirkungen zum jeweiligen Bauwerk gefordert und es werden entsprechende Grenzwerte festgelegt.
Mit der Ökobilanz besteht eine Methode zur Quanti-fizierung von Umweltwirkungen für einzelne Umweltpro-blemfelder, welche in der zugehörigen Normung [2] und [3] als Wirkungskategorien benannt werden. Nach der Festle-gung der Betrachtungseinheit (z. B. Bauwerk, Bauelement, Bauprodukt oder Baustoff) und des Untersuchungsrah-mens sowie einer Modellierung der Prozesse erfolgt die Sachbilanz. In ihr werden alle Elementarflüsse als Stoffe und Energien aufgelistet, welche ohne weitere Behandlung von Menschen entweder aus der Umwelt entnommen oder an sie abgegeben werden. Anschließend werden diese Stoffe im Zuge einer Klassifizierung den Wirkungskatego-rien zugeordnet. Die Stoffe haben einen unterschiedlichen Einfluss auf die jeweilige Wirkungskategorie. Mit Charak-terisierungsfaktoren erfolgt eine Gewichtung der Stoffe in Abhängigkeit zu einem bestimmten Referenzstoff. Als Er-gebnis einer anschließenden Aggregation resultiert ein In-dikator für jede Wirkungskategorie (Bild 1). Die Ökobi-lanz stellt einen „Midpoint“-Ansatz dar. Es werden poten-tielle Umweltwirkungen ohne räumlichen und zeitlichen Bezug dargestellt, ohne einen möglichen Schaden an den
B. Ströbele · Modellierung von Unschärfe in Ökobilanzen von Bauwerken
31Bauphysik 38 (2016), Heft 1
Lebenszyklus, den Daten zur Sachbilanz und den Fakto-ren für die Wirkungsabschätzung.
Ein Grund für die Unschärfe zur Menge an Bauele-menten besteht darin, dass in der Entwurfsphase noch keine statischen Berechnungen durchgeführt wurden. In Bezug auf die Nutzungsphase besteht die Unschärfe zur Menge an Bauelementen durch die Wahrscheinlichkeit einer Umnutzung des Bauwerks und einer damit verbun-denen Veränderung bestehender Innenbauteile, wie abge-hängte Decken oder Innenwände. Darüber hinaus fehlt für die Nutzungsphase eine Bilanzierung des Energiebedarfs und es kann lediglich eine grundlegende Zielsetzung in Bezug auf das Erreichen eines energetischen Standards formuliert werden. Hierfür muss eine bestimmte Dämm-stoffdicke an die Außenwand angebracht werden. Die ge-wählte Dicke sowie die genaue Auswahl nach Art und Hersteller sind in der Entwurfsphase aber noch nicht be-kannt.
Steht die Festlegung zum Hersteller der benötigten Bauprodukte noch aus, können aus der Ökobau.dat-Da-tenbank generische Datensätze entnommen werden. Sol-che Datensätze repräsentieren eine Bauproduktgruppe. In diesem Fall bestehen auch die Angaben zum Transport nach Art und Strecke sowie zur Instandhaltung nur un-scharf. Darüber hinaus können nur Spannweiten für be-stimmte bauphysikalische Kennwerte angegeben werden. Als Beispiel sei die Rohdichte genannt. Für die Phase der Wirkungsabschätzung und der Anwendung der Charakte-
Schutzgütern menschliche Gesundheit, Qualität des Öko-systems und Ressourcen zu quantifizieren.
Für Bauprodukte sind in der Ökobau.dat als Daten-bank bereits Ergebnisse zu Ökobilanzen enthalten. Diese Datenbank umfasst sowohl generische als auch firmenspe-zifische Datensätze. Die enthaltenen Umweltwirkungen zu Bauprodukten werden zunächst an Bauelemente (z. B. eine Außenwand) und anschließend an das Bauwerk wei-tergegeben.
Wird der gesamte Lebenszyklus eines Bauwerks be-trachtet, kann verhindert werden, dass Umweltwirkungen von einer Lebenszyklusphase in eine andere Phase „ver-schoben“ werden. In [4] werden einzelne Informationsmo-dule innerhalb der Lebenszyklusphasen eines Bauwerks dargestellt (Bild 2).
3 Unschärfe in Ökobilanzen
Die grundsätzliche Schwierigkeit bei der Erstellung einer Ökobilanz in der Entwurfsphase eines Bauwerks liegt da-rin, den gesamten Lebenszyklus geeignet abbilden zu kön-nen. Einen Überblick mit der damit verbundenen zu be-rücksichtigenden Unschärfe als Überbegriff für Impräzi-sion, Unsicherheit und Vagheit (s. Abschnitt 4), bietet Tabelle 1. Methodische „Spielräume“ zur Ökobilanz z. B. in Bezug auf die Allokationsregeln oder die Betrachtungs-dauer werden nicht aufgeführt. Die Unschärfe in der Ent-wurfsphase eines Bauwerks bezieht sich auf die Phasen im
Bild 1. Phasen einer ÖkobilanzFig. 1. Phases of life cycle assessment LCA
Bild 2. Informations-module zu den Lebens-zyklusphasen eines Bau-werks [4]Fig. 2. Information mo-dules for the life cycle phases of a building [4]
B. Ströbele · Modellierung von Unschärfe in Ökobilanzen von Bauwerken
32 Bauphysik 38 (2016), Heft 1
kategorie globale Erwärmung werden beispielsweise unter-schiedliche Zeithorizonte angesetzt. Daraus resultieren Intervalle in Bezug auf die Charakterisierungsfaktoren, welche exemplarisch in Tabelle 3 aufgelistet werden.
4 Unschärfe
In [7] wird zwischen den Begriffen Impräzision, Unsicher-heit und Vagheit unterschieden. Impräzision entsteht da-durch, dass eine Messung oder Beobachtung des Inputs und Outputs eines Prozesses nicht beliebig genau erfolgen kann. Falls der Prozess zufällig ausgewählt wird, sind die Prozessdaten nicht nur impräzise, sondern auch unsicher. Vagheit ist eng mit der unscharfen menschlichen Aus-drucksform verbunden. Sie besteht beispielsweise in der
risierungsfaktoren werden oft Angaben in kg benötigt. Ta-belle 2 verdeutlicht die Spannweite bei der Rohdichte von Mineralwolle.
Wissenschaftler entdecken immer wieder neue Ursa-che-Wirkungsbeziehung der Umwelt und somit auch Stoffe mit einem Einfluss auf ein Umweltproblemfeld. Anderer-seits können auch einer Wirkungskategorie zugeordnete Stoffe nachträglich als solche mit geringem oder keinem Einfluss klassifiziert werden. Aus diesem Grund beruht die Unschärfe zur Wirkungsabschätzung zunächst in der Klas-sifizierung der einzelnen Stoffe zu den Wirkungskatego-rien. Die zweite Ursache für eine Unschärfe liegt in der Charakterisierung, der Bezugnahme zur Referenzsubstanz. Die Charakterisierungsfaktoren entstammen Modellen mit Parametern zu spezifischen Szenarien. Für die Wirkungs-
Tabelle 1. Unschärfe in der Entwurfsphase von BauwerkenTable 1. Fuzziness in the design phase of buildings
Unschärfe mögliche Gründe Phase der Ökobilanz
Menge Bauelemente pro Bauwerk
fehlende Statik für die Errichtung des Bauwerks, mögliche Umnutzung des Bauwerks in der Nut-zungsphase
Sachbilanz
Menge Bauprodukte pro Bauelement
fehlende energetische Bilanzierung für die Er-richtung des Bauwerks
Sachbilanz
Rohdichte (oder andere bauphysikalische Eigenschaften) Hersteller nicht festgelegt, Messung Sachbilanz
technische Lebensdauer Hersteller nicht festgelegt, Expertenschätzung Sachbilanz
Zyklen für Instandsetzung, Wartung und Reinigung Hersteller nicht festgelegt,Expertenschätzung
Sachbilanz
Menge Betriebsstoffepro Bauwerk und Betrachtungsdauer
mögliche Umnutzung des Bauwerks, Verhalten des Nutzers
Sachbilanz
Menge Emissionen und Abfälle pro Baustoff
Messung, Expertenschätzung Sachbilanz
Transportwege Hersteller nicht bekannt Sachbilanz
Menge Referenzstoffpro emittierter Stoff
Charakterisierungsfaktoren Wirkungsabschätzung
Menge Umweltwirkungen pro Bauwerk
Klassifzierung Wirkungsabschätzung
Mineralwolle scharfe Zahl für ρ [kg/m3] Intervall für ρ [kg/m3] Intervall für ρ in Relation zur scharfen Zahl für ρ [–]
Glaswolle 86,5 20 … 153 23 % … 178 %
Steinwolle 111 22 … 200 18 % … 180 %
Schlackenwolle 150 80 … 220 53 % … 147 %
Tabelle 2. Intervalle zur Rohdichte ρ von Mineralwolle [5]Table 2. Interval to the density of mineral wool [5]
Stoff scharfe Zahl für den CF [kg CO2] Intervall für den CF [kg CO2] Intervall für den CF in Relation zur schar-fen Zahl für den CF [–]
H1301 (Halon) 4900 2300 … 5600 48 % … 114 %
CFC-11 3400 1400 … 4500 41 % … 132 %
CFC-14 > 4500 3500 … > 5300 78 % … 118 %
N2O 270 170 … 270 63 % … 100 %
CH4 11 4 … 35 36 % … 318 %
Tabelle 3. Intervalle zu Charakterisierungsfaktoren CF [6]Table 3. Interval to characterization factors CF [6]
B. Ströbele · Modellierung von Unschärfe in Ökobilanzen von Bauwerken
33Bauphysik 38 (2016), Heft 1
Form, dass die Emissionsmenge aus dem Prozess als „sehr hoch“ beschrieben wird.
Unsicherheiten werden in der Regel mit Wahrschein-lichkeitsverteilungen dargestellt und mit statistischen Me-thoden modelliert. Ein grundlegender Unterschied zwi-schen der Wahrscheinlichkeitstheorie und der Fuzzy-Set-Theorie besteht darin, dass bei den Fuzzy-Sets keine Begrenzungen der Fläche gemacht werden. Dies steht im Gegensatz zu den Wahrscheinlichkeitsverteilungen, für welche die Summe der Wahrscheinlichkeiten immer gleich 1 ist. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass die Wahrscheinlichkeitsdichte für die Summe aus zwei wahrscheinlichkeitstheoretischen Zufallsgrößen über ein Faltungsintegral und die Summe aus zwei Fuzzy-Zahlen (unscharfe Zahlen) mit dem Erweiterungsprinzip zu be-stimmen ist. Eine weiterführende Diskussion über die Un-terschiede der beiden Theorien findet sich in [8] und [9]. Ein Ansatz für die Transformation von Fuzzy-Sets zu Wahrscheinlichkeitsverteilungen findet sich in [10].
Ein Vorteil der Fuzzy-Set-Theorie liegt nach [7] darin, dass eine einheitliche Behandlung von Unsicherheit, Im-präzision und Vagheit erlaubt wird (Bild 3). Darüber hin-aus sind für die Darstellung von Unsicherheiten mit Fuzzy-Sets im Gegensatz zur Wahrscheinlichkeitstheorie wenige Annahmen über die Daten notwendig und in Relation zu den Intervallen ist eine detaillierte Darstellung von Imprä-zision möglich.
5 Fuzzy-Sets
Die Arithmetik der Fuzzy-Set-Theorie basiert auf dem Er-weiterungsprinzip nach [12]. Mit diesem Erweiterungs-prinzip können arithmetische Operationen auf unscharfe Zahlen und Intervalle erweitert werden. Ein Fuzzy-Inter-vall oder eine Fuzzy-Zahl stellen spezielle Fuzzy-Mengen dar. Eine normalisierte, konvexe Fuzzy-Menge, deren Zu-gehörigkeitsfunktion μ(x) stückweise stetig ist, wird als Fuzzy-Intervall definiert [13]. Der Unterschied zur Fuzzy-Zahl besteht darin, dass im Gegensatz zum Fuzzy-Inter-vall nur ein Gipfelpunkt mit dem Zugehörigkeitsgrad gleich 1 besteht. Auf der Grundlage der LR-Repräsenta-tion nach [14] wurden die erweiterten arithmetischen Operationen aufgestellt. Eine Fuzzy-Zahl M vom Typ L-R nach [14]
M m, ,LR LR( )= α β (1)
wird beschrieben durch den Gipfelwert m sowie α als linke Spannweite und β als rechte Spannweite. Mit der Zugehö-rigkeitsfunktion
(2)xL m x für x m, 0
R x m für x m, 0M ( )µ =
−α
≤ α >
−β
≥ β >
besteht die L-R-Repräsentation nach [14] und die Fuzzy-Zahl ist mit den Referenzfunktionen L (für die linke Spannweite) und R (für die rechte Spannweite) vom Typ L-R. Die Addition und Subtraktion von zwei Fuzzy-Zahlen MLR und NLR ist mit den Formeln
(3)M N m, , n, ,
m n, ,LR LR LR LR
LR
( ) ( )( )
⊕ = α β ⊕ γ δ
= + α + γ β + δ
und
(4)M N m, , n, ,
m n, ,LR LR LR LR
LR
( ) ( )( )
= α β γ δ
= − α + γ β + δ
möglich [14]. Eine Fuzzy-Zahl heißt nach [14] positiv, falls für die Zugehörigkeitsfunktion
x 0, x 0M ( )µ = ∀ < (5)
gilt und negativ, falls
x 0, x 0M ( )µ = ∀ > (6)
gilt. Diese Unterscheidung ist für die Multiplikation zweier Fuzzy-Zahlen notwendig. In [15] wird anschaulich darge-stellt, dass daraus im Allgemeinen keine Fuzzy-Zahl (eine Dreiecks-Form) mehr resultiert. Um dem Bestreben nach-zukommen, dass weiter einfache Rechenoperationen ange-wendet werden können, bestehen mit
M N m, , n, ,
mn,m n ,m n für M 0 N 0
LR LR LR LR
LR LR LR
( ) ( )( )
≈ α β γ δ
≈ γ + α δ + β > ∧ >
(7)
M N mn, n m , n m
für M 0 N 0
LR LR LR
LR LR
( )≈ − β − δ − α − γ
< ∧ < (8)
M N mn,n m ,n m
für M 0 N 0
LR LR LR
LR LR
( )≈ α − δ β − γ
< ∧ > (9)
und
M N mn,m n ,m n
für M 0 N 0
LR LR LR
LR LR
( )≈ γ − β δ − α
> ∧ < (10)
Näherungsformeln [14]. Nachfolgend sollen lediglich Fuzzy-Zahlen mit einem Gipfelwert zur Anwendung kommen. Weitere Operationen für Fuzzy-Zahlen und für Fuzzy-Inter-valle als besondere Form einer Fuzzy-Zahl mit zwei Gipfel-werten finden sich in [14] und [13].
Bild 3. Mathematische Modellierungsmethoden zu unschar-fen Daten [11]Fig. 3. Mathematical modeling methods for fuzzy data [11]
B. Ströbele · Modellierung von Unschärfe in Ökobilanzen von Bauwerken
34 Bauphysik 38 (2016), Heft 1
finitionen für die Multiplikation. Eine Vorgehensweise für den speziellen Fall, dass keine eindeutige Zuordnung nach den Formeln (5) und (6) besteht, fehlt jedoch. Aus diesem Grund wurde für die Berechnungen in Tabelle 4 einheitlich Formel (7) verwendet. Zum anderen nimmt die Unschärfe im Zuge der Berechnungen sehr stark zu. Ein Versuch, die-sem Problem zu begegnen wird in Tabelle 5 gezeigt. Für den Fall, dass die Spannweiten im Vergleich zu den Gipfel-werten nicht klein sind, wird die Näherungsformel
(11)
M N m, , n, ,
mn,m n ,m n
für M 0 N 0
LR LR LR LR
LR
LR LR
( ) ( )( )
≈ α β γ δ
≈ γ + α − αγ δ + β − βδ
> ∧ >
verwendet [14]. Dadurch resultieren keine Spannweiten im negativen Bereich.
In Tabellen 4 und 5 werden beispielhaft die Umwelt-wirkungen in Verbindung mit der Bereitstellung von Stein-wolle ermittelt. Dies erfolgt durch Multiplikation der ein-zelnen Fuzzy-Zahlen. Für die Umweltwirkungen eines Bauwerks müssen weitere Bauelemente, Bauprodukte und Baustoffe berücksichtigt werden und deren Umweltwir-kungen als Fuzzy-Zahlen nach Formel (3) addiert werden.
Eine Zielsetzung in Verbindung mit der Quantifizie-rung von Umweltwirkungen bereits in der Entwurfsphase kann entweder der Vergleich zweier Entwurfsvarianten oder das Erreichen einer Bewertungsstufe zur ökologi-schen Qualität sein. Nach dem System zur Nachhaltig-keitsbewertung „Nachhaltiger Wohnungsbau“ (NaWoh) dürfen beispielsweise 12 kg CO2-Äqu./(m2
NGF · a) nicht überschritten werden.
Für den Vergleich zweier Entwurfsvarianten A und B (Bild 5) müssen zwei unscharfe Zahlen verglichen werden. Neben der Gegenüberstellung bestehender Methoden zum
6 Fuzzy-Sets innerhalb der Ökobilanz
Die Unschärfe in Ökobilanzen kann in der Form von Fuzzy-Zahlen dargestellt werden. Die erste Fuzzy-Zahl in Bild 4 beschreibt die Menge „ungefähr 200 m2 Außenwand pro 1 Bauwerk“. Der Gipfelwert stellt den „typischen“ Wert dar, die Spannweiten links und rechts sollen alle möglichen Werte umfassen. Zu diesen Werten innerhalb der Spann-weiten wird ein Zugehörigkeitsgrad zugewiesen. Beispiels-weise gehört der Wert von 195 zu 0,5 zur Menge „ungefähr 200 m2 Außenwand pro 1 Bauwerk“. Die nächste Un-schärfe besteht mit den bauphysikalischen Eigenschaften der Bauprodukte. Da in der Entwurfsphase noch keine her-stellerspezifische Auswahl zu Bauprodukten wie der Mine-ralwolle getroffen wird, kann auch für die Rohdichte nur ein unscharfer Wert angesetzt werden. Als nächstes muss eine Annahme über die Lebensdauer getroffen werden. Für Steinwolle wird beispielsweise nach [16] eine Lebensdauer von 20 Jahren angesetzt und nach [17] eine Nutzungsdauer von ≥ 50 Jahren. Bei einer Betrachtungsdauer für die Öko-bilanzierung von Bauwerken von 50 Jahren ist somit unge-fähr ein Austausch der Steinwolle erforderlich. Falls der Hersteller bzw. das genaue Produkt noch nicht feststeht, ist auch der Output des Herstellungsprozesses in der Form von Emissionen unscharf. Nach [16] sind mit der Herstel-lung von 1 kg Steinwolle 0,0008 kg Methan verbunden. Dieser Wert kann mit einer Spannweite versehen werden. Abseits der Sachbilanz besteht in der Phase der Wirkungs-abschätzung eine Unschärfe in Bezug auf die Charakterisie-rungsfaktoren (CFs). Auch hierfür können Spannweiten angegeben werden.
Die Ergebnisse nach Tabelle 4 sind schwer zu interpre-tieren, da eine Spannweite in den negativen Bereich in die-sem Fall keinen Sinn macht. Das Beispiel verdeutlicht zwei allgemeine Probleme bei der Modellierung von Unschärfe mit Fuzzy-Zahlen. Zum einen in der Form alternativer De-
Bild 4. Fuzzy-Zahlen zur Unschärfe in der ÖkobilanzFig. 4. Fuzzy numbers to fuzziness in the LCA
B. Ströbele · Modellierung von Unschärfe in Ökobilanzen von Bauwerken
35Bauphysik 38 (2016), Heft 1
zur Behauptung „Fuzzy-Zahl A ist größer als Fuzzy-Zahl B“ berechnet werden. Für die Anzahl von Zugehörigkeits-graden NOPL von p = 0 bis NOPL-1 werden die zugehöri-gen Konfidenzintervalle Ap und Bp (bzw. die Längen) ver-glichen und mit
(13)a b
b b a aAp Bp2p 1p
2p 1p 2p 1p
α =−
− + −>
der Grad ermittelt, dass Ap größer ist als Bp ist.Liegt die Spannweite der gewählten Entwurfsvariante
über dem Grenzwert von 12 kg CO2-Äqu./(m2NGF · a)
(Bild 6), besteht die Möglichkeit, diesen nach Errichtung des Bauwerks nicht einzuhalten. Erst nach der Entwurfs-phase mit vorschreitendem Planungsprozess zum Bauwerk kann die Unschärfe der Daten reduziert werden. Sie ver-ringert sich mit dem Informationszuwachs. Nach der Nut-zungsphase in der Phase der Entsorgung ist ein Maximum an Informationen gegeben. Dennoch besteht weiter Un-schärfe in der Form von Impräzision von gemessenen oder aus Expertenschätzungen stammenden Prozessdaten (s. Abschnitt 4). Für den Bedarf an Bauelementen im Lebens-zyklus, welcher in Abhängigkeit zur technischen Lebens-dauer steht, kann jedoch der Anspruch bestehen, eine scharfe Zahl anzusetzen. Eine Multiplikation von Fuzzy-Zahlen mit einer scharfen Zahl λ∈ℜ ist mit den Formeln
Vergleich zweier Fuzzy-Zahlen wird in [18] eine neue Me-thode vorgestellt. Mit ihr soll der Wahrheitsgrad
(12)
· Länge Ap · Länge Bp
Länge Ap · Länge BpA B
Ap Bpp 0
NOPL 1
p 1
NOPL 1
∑
∑
( ) ( )
( ) ( )α =
α
>
>=
−
=
−
Tabelle 4. Fuzzy-Zahlen zur Bestimmung der ungefähren Menge an kg CO2-Äquivalenten für die Bereitstellung von Stein-wolle pro 1 Bauwerk und pro 50 Jahre Teil 1Table 4. Fuzzy numbers to determine the approximate amount of CO2 equivalents for the provision of rock wool per 1 building and per 50 years part 1
Fuzzy-Zahl A B A B C
Gipfelwert 200 0,12 24 111
linke Spannweite 10 0,02 5 89
rechte Spannweite 10 0,02 5 89
Zuordnung positiv positiv positiv positiv
ungefähr 200 m2 Außenwandpro 1 Bauwerk
0,12 m3 Steinwollepro 1 m2 Außenwand
24 m3 Steinwollepro 1 Bauwerk
111 kg Steinwollepro 1 m3 Steinwolle
Fuzzy-Zahl (A B) C D ((A B) C) D E
Gipfelwert 2664 2 5328 0,0008
linke Spannweite 2713 1 8090 0,00005
rechte Spannweite 2713 1 8090 0,00005
Zuordnung nicht eindeutig positiv nicht eindeutig positiv
ungefähr 2664 kg Steinwollepro 1 Bauwerk
2-facher Bedarfpro 50 Jahre
5328 kg Steinwollepro 1 Bauwerk undpro 50 Jahre
0,0008 kg CH4pro 1kg Steinwolle
Fuzzy-Zahl (((A B) C) D) E F ((((A B) C) D) E) F
Gipfelwert 4 11 47
linke Spannweite 7 7 104
rechte Spannweite 7 24 176
Zuordnung nicht eindeutig positiv nicht eindeutig
ungefähr 4 kg CH4pro 1 Bauwerk undpro 50 Jahre
11 kg CO2-Äqu.pro 1 kg CH4
47 kg CO2-Äqu.pro 1 Bauwerk undpro 50 Jahre
Bild 5. Vergleich der ungefähren Umweltwirkungen zweier Entwurfsvarianten A und B Fig. 5. Comparison of approximate environmental effects of two design variants A and B
B. Ströbele · Modellierung von Unschärfe in Ökobilanzen von Bauwerken
36 Bauphysik 38 (2016), Heft 1
M m, , m, , für 0LR LR LR ( ) ( )λ = λ α β = λ λα λβ λ >
(14)
und
M m, , m, , für 0LR LR LR ( ) ( )λ = λ α β = λ −λβ −λα λ <
(15)
möglich.
7 Zusammenfassung und Ausblick
Um eine nachhaltige Entwicklung von Bauwerken zu ver-folgen, müssen die Systeme zur Nachhaltigkeitsbewertung als Hilfsmittel in den Planungsprozess einbezogen werden. Wird eine für die ökologische Dimension notwendige Öko-bilanz bereits in der Entwurfsphase eines Bauwerks erstellt, sind die Ergebnisse mit einer gewissen Unschärfe verbun-den. Dies beruht auf einer impräzisen und/oder unsicheren Datengrundlage für die Sachbilanz und die Wirkungsab-schätzung. Mathematisch kann eine solche Unschärfe durch Fuzzy-Zahlen modelliert werden. Es wird eine Spannweite zu den potentiellen Umweltwirkungen angegeben. Falls die Spannweite über dem Grenzwert liegt, besteht die Möglich-keit, die Forderungen der Bewertungssysteme nicht einzu-halten. Ein Informationszuwachs zu den Sachbilanzdaten zur Reduzierung der Unschärfe wird erforderlich.
Tabelle 5. Fuzzy-Zahlen zur Bestimmung der ungefähren Menge an kg CO2-Äquivalenten für die Bereitstellung von Stein-wolle pro 1 Bauwerk und pro 50 Jahre Teil 2Table 5. Fuzzy numbers to determine the approximate amount of CO2 equivalents for the provision of rock wool per 1 building and per 50 years part 2
Fuzzy-Zahl A B A B C
Gipfelwert 200 0,12 24 111
linke Spannweite 10 0,02 5 89
rechte Spannweite 10 0,02 5 89
Zuordnung positiv positiv positiv positiv
ungefähr 200 m2 Außenwandpro 1 Bauwerk
0,12 m3 Steinwollepro 1 m2 Außenwand
24 m3 Steinwollepro 1 Bauwerk
111 kg Steinwollepro 1 m3 Steinwolle
Fuzzy-Zahl (A B) C D ((A B) C) D E
Gipfelwert 2664 2 5328 0,0008
linke Spannweite 2250 1 4914 0,00005
rechte Spannweite 2250 1 4914 0,00005
Zuordnung positiv positiv positiv positiv
ungefähr 2664 kg Steinwollepro 1 Bauwerk
2-facher Bedarfpro 50 Jahre
5328 kg Steinwollepro 1 Bauwerk undpro 50 Jahre
0,0008 kg CH4pro 1kg Steinwolle
Fuzzy-Zahl (((A B) C) D) E F ((((A B) C) D) E) F
Gipfelwert 4 11 47
linke Spannweite 4 7 46
rechte Spannweite 4 24 51
Zuordnung positiv positiv positiv
ungefähr 4 kg CH4 pro 1 Bauwerk undpro 50 Jahre
11 kg CO2-Äqu.pro 1 kg CH4
47 kg CO2-Äqu.pro 1 Bauwerk undpro 50 Jahre
Bild 6. Reduzierung der Unschärfe mit steigendem Informa-tionszuwachsFig. 6. Reducing fuzziness with increasing information
B. Ströbele · Modellierung von Unschärfe in Ökobilanzen von Bauwerken
37Bauphysik 38 (2016), Heft 1
[8] Ros, M.: Unsicherheit und Fuzziness in ökologischen Bewer-tungen – Orientierungen zu einer robusten Praxis der Ökobi-anzierung. Dissertation. ETH Zürich 1998, ETH Nr. 12726.
[9] Hauke, W.: Fuzzy-Modelle in der Unternehmensplanung. Berlin Heidelberg: Springer 1998.
[10] Klir, G. J., Harmanec, D.: On some bridges to possibility theory. In: De Cooman, G. et al. [Hrsg.]: Foundations and Ap-plications of Possibility Theory. World Scientific Publishing Singapore. pp. 3–19. 1995.
[11] Bushi, L.: Dynamische Ökobilanz nach ISO 14040ff. für eine umweltökonomische Bewertung von Produkten auf Ba-sis der Fuzzy-Set-Theorie. Aachen: Shaker Verlag 2004.
[12] Zadeh, L. A.: Fuzzy Sets. In: Yager, R. R. et al. [Hrsg.]: Fuzzy-Sets and Applications – Selected papers by Zadeh. New York: John Wiley & Sons, pp. 29–51. 1989.
[13] Biewer, B.: Fuzzy-Methoden – Praxisrelevante Rechenmo-delle und Fuzzy-Programmiersprachen. Berlin Heidelberg New York: Springer 1997.
[14] Dubois, D., Prade, H.: Fuzzy Sets and Systems – Theory and Applications. In: Ames, W. F. [Hrsg.]: Mathematics in Sci-ence and Engineering Vol. 144. ACADEMIC PRESS, INC. San Diego New York Boston London Sydney Tokyo Toronto. S. iii–xvii, 1–393. 1980.
[15] Böhme, G.: Fuzzy-Logik – Einführung in die algebraischen und logischen Grundlagen. Berlin Heidelberg: Springer 1993.
[16] Internationales Institut für Nachhaltigkeitsanalysen und -strategien (IINAS) [Hrsg.]: Globales Emissions-Modell integ-rierter Systeme (GMEIS). 2015. URL: http://www.iinas.org/gemis-de.html.
[17] Bundesministerium für Umweltschutz, Bau und Reaktorsi-cherheit (BMUB) [Hrsg.]: Nutzungsdauern von Bauteilen. 2011. URL: http://www.nachhaltigesbauen.de/baustoff-und-gebaeudedaten.html.
[18] Dorohonceanu, B., Marin, B.: A Simple Method for Com-paring Fuzzy Numbers. Citeseer. 2002. URL: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.17.9044&rep=rep1&type=pdf.
Autor dieses Beitrages:Dipl.-Ing. (FH) M.Eng. Benjamin StröbeleKarlsruher Institut für Technologie (KIT)Lehrstuhl Ökonomie und Ökologie des WohnungsbausKaiserstraße 1276131 Karlsruhe
Mit der Einbeziehung der Fuzzy-Set-Theorie in die Methode der Ökobilanz kann deren Glaubwürdigkeit er-höht werden und dem Bestreben, die Ökobilanz und allge-mein die Systeme zur Nachhaltigkeitsbewertung in den Planungsprozess von Bauwerken einzubinden, förderlich sein. Die Voraussetzung liegt jedoch in der Auseinander-setzung mit den Problemen bei der Modellierung von Un-schärfe mit Fuzzy-Sets. Zum einen in der Form alternativer Definitionen für die Multiplikation und zum anderen, dass die Unschärfe im Zuge der Berechnungen sehr stark zu-nehmen kann.
Danksagung
In Bezug auf intensive Diskussionen und das gemeinsame strukturelle Aufbereiten möglicher Unsicherheiten im Le-benszyklus von Bauwerken gilt ein besonderer Dank an Herrn Prof. Dr. Thomas Lützkendorf. Für wertvolle Hin-weise zur Fuzzy-Set-Theorie sei Herrn Dr. Benno Biewer gedankt.
Literatur
[1] Bundesministerium für Umweltschutz, Bau und Reaktorsi-cherheit (BMUB) [Hrsg.]: Leitfaden Nachhaltiges Bauen. 2014. URL: http://www.nachhaltigesbauen.de/fileadmin/pdf/Leitfaden_ 2013/Leitfaden_Nachhaltiges_Bauen_300DPI_ 141117.pdf.
[2] DIN EN ISO 14040:2009-11: Umweltmanagement – Ökobi-lanz – Grundsätze und Rahmenbedingungen.
[3] DIN EN ISO 14044:2006-10: Umweltmanagement – Ökobi-lanz – Anforderungen und Anleitungen.
[4] DIN EN 15804:2014-07: Nachhaltigkeit von Bauwerken – Umweltproduktdeklarationen –Grundregeln für die Produkt-kategorie Bauprodukte.
[6] Heijungs, R., Guinée, J. B., Huppes, G., Lankreijer, R. M., Udo de Haes, H. A., Wegener Sleeswijk, A., Ansems, A. M. M., Eggels, P. G.: Environmental Life Cycle Assessment of Pro-ducts – Guide. Centrum voor Milieukunde. Leiden. 1992.
[7] Kruse, R., Gebhardt, J., Klawonn, F.: Fuzzy-Systeme. Stutt-gart: B. G. Teubner 1995.
Aktuell
Förderpreis des Deutschen Stahl-baues 2016 und DASt-Forschungspreis ausgelobt
bauforumstahl e. V. lobt für Studierende wieder den alle zwei Jahre verliehenen Förderpreis des Deutschen Stahlbaues aus. Erstmals wird auch gemeinsam mit dem Deutschen Ausschuss für Stahlbau zusätzlich der DASt-Forschungspreis vergeben. Die Preise sind mit insgesamt 8.000 EURO dotierte. Einreichungs-termin ist der 11. April 2016. Die Teil-nahmeabsicht ist bis 21. März 2016 an-zuzeigen.
Der Förderpreis prämiert fortschritt-liche und zukunftsweisende Lösungen
ergebnissen vom Preis und Ingenieur- preis des Deutschen Stahlbaues in einer Wanderausstellung zu sehen, die vor al-lem an Hochschulen gezeigt wird. Die Preisverleihung erfolgt auf dem Tag der Stahl.Architektur am 7. Oktober 2016 im Rahmen des Deutschen Stahlbau-tages in Würzburg.
Weitere Informationen:www.bauforumstahl.de/foerderpreis-des-deutschen-stahlbaues; E-Mail: [email protected]. +49(0)211/6707-828/815
und Entwürfe mit Stahlkonstruktionen im Hoch- und Brückenbau, die seit 2013 an Hochschulen erarbeitet wurden. Der neue DASt-Forschungspreis legt einen verstärkten Fokus auf Forschungsbei-träge der Studierenden zum Bauen mit Stahl. Bewerben können sich Studie-rende der Architektur und des Bauinge-nieurwesens an deutschen Universitä-ten, Hoch- und Fachhochschulen sowie deutsche Staatsangehörige, die an einer ausländischen Einrichtung studieren.
Die Wettbewerbsergebnisse werden veröffentlicht und online verbreitet so-wie in einer Dokumentation zusammen-gestellt. Die besten Arbeiten sind außer-dem gemeinsam mit den Wettbewerbs-
Möglichkeiten und Grenzen von großen Nullenergiegebäuden
Monika HallAchim Geissler
Nullenergiegebäude haben üblicher Weise zwei bis vier Stock-werke. Daher interessiert die Frage, ob auch große Gebäude, d. h. Gebäude bis zu 40 Stockwerken, mit langgestrecktem bzw. quadratischem Grundriss genügend Fläche für Photovoltaik zur Verfügung stellen können, so dass eine Nullbilanz für die ge-samte Gebäudetechnik (HWLK-Nullbilanz „Nullwärmeenergie-gebäude“) oder den Gesamtenergiebedarf des Gebäudes (GEB-Nullbilanz „Nullenergiegebäude“) im Jahr erreicht werden kann. Auf der Grundlage von Simulationen anhand von vier Ba-sismodellen, je zwei Mehrfamilienhäuser und Verwaltungsbau-ten, werden die Auswirkungen verschiedener Parameter auf die Nullbilanz analysiert. Ausgangspunkt ist jeweils eine sehr gute Gebäudehülle, eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewin-nung und die Klima station Bern-Liebefeld, Schweiz (mittleres Klima). Die Hauptergebnisse können wie folgt zusammengefasst wer-den:– Die HWLK-Nullbilanz kann bis auf eine Ausnahme für alle Va-
rianten bis zu 40 Stockwerken erreicht werden.– Um auch bei sehr gut gedämmten Gebäuden eine GEB-Null-
bilanz zu erreichen, sind die vier wichtigsten Parameter – die Effizienz von Geräten und Beleuchtung, – die Art des Wärmeerzeugers, – die tatsächlich verfügbare PV-Fläche – sowie der effektive Systemwirkungsgrad der gesamten
PV-Installation. Die untersuchten Varianten zeigen, dass schon heute große Mehr-familienhäuser und Verwaltungsbauten trotz Verschattung nicht nur als Nullwärmeenergiegebäude bis zu 40 Stockwerken reali-siert werden können, sondern sogar als Nullenergiegebäude. Dabei muss das Augenmerk bei der Planung auf einem geringen Bedarf für Geräte und Beleuchtung und einem hohen PV-Ertrag liegen. Dies gilt insbesondere für Verwaltungsbauten.
The feasibility of large net zero energy buildings. A typical net zero energy buildings has two up to four stories. The question ap-pears if large buildings of up to 40 levels could achieve a net zero balance for HVAC only and/or achieving net zero energy building status. The analysis is based on the simulation of two multifamily dwellings and two office buildings, one each with a square and a stretched footprint. The four basic models are well insulated, equipped with a mechanical ventilation system including heat re-covery and allocated with the climate of Bern-Liebefeld (average climate). A wide range of parameters is investigated in regard to their impact on the zero energy balance.The main results can be summarized as follows:– The net zero balance for HVAC only can be achieved for up to
40 levels for all variants studied but one
– The four main parameters in regard to achieving a net zero en-ergy balance are
– efficient electric devices and lighting, – the type of heating system, – the actually available area for PV and – the overall efficiency of the PV-system.The results show that a net zero balance can be achieved for large multifamily dwellings and office build-ings of up to 40 levels. To this end, however, electronic devices, lighting and PV systems with a very high efficiency are necessary. This is true particularly for office buildings.
1 Einführung1.1 Hintergründe
Standards, wie Minergie-A, Nullenergie- und Plusenergie-gebäude, fordern für unterschiedliche Bilanzgrenzen eine Netto-Nulljahresbilanz. Für Einfamilienhäuser und kleine Mehrfamiliengebäude reicht in der Regel der Platz für eine entsprechend große Photovoltaikanlage auf dem Dach aus, um in der Jahresbetrachtung den Energiebedarf oder mehr durch den PV-Ertrag zu decken. Üblicherweise sind Ge-bäude mit einer Netto-Nulljahresbilanz ca. zwei bis vier Stockwerke hoch. Bei höheren Gebäuden wird das Verhält-nis von Dachfläche zur Wohn-/Nutzfläche immer kleiner, so dass die Dachfläche nicht mehr ausreicht, um entspre-chend große Anlagen zur Energiewandlung aus erneuerba-ren Quellen (Photovoltaik/Solarthermie) zu installieren. In diesem Fall müssen Fassadenflächen mit einbezogen wer-den. Einige größere Gebäude wurden schon vollflächig mit Photovoltaikfassaden ausgestattet und können z. T. die Plus energiebilanz (GEB-Nullbilanz: > 100 %) erreichen (Bilder 1 bis 3).
Die Energieeffizienz der Geräte, der Dämmstandard, die Belegungsdichte, die Anzahl Geschosse, die nutzbare Fassaden-/Dachfläche, die Kompaktheit, die Ausrichtung und die Beschattungssituation sind wesentliche Parameter, die den Netto-Energiebedarf einerseits und den möglichen Ertrag aus erneuerbaren Quellen andererseits beeinflussen.
In vorliegendem Beitrag werden Grenzen und Mög-lichkeiten sowie sinnvolle Kombinationen der genannten Parameter auf der Grundlage von Parameterstudien vorge-stellt. Es wird dabei sowohl die Bilanzgrenze „Nullwärme-energiegebäude“ (HWLK-Nullbilanz) als auch das „Null-energiegebäude“ (GEB-Nullbilanz) betrachtet (Bild 4).
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M. Hall/A. Geissler · Möglichkeiten und Grenzen von großen Nullenergiegebäuden
39Bauphysik 38 (2016), Heft 1
– Variante 2: quadratisches Mehrfamilienhaus mit vier Wohnungen pro Stockwerk
Bei diesen vier Basisvarianten (fett) werden folgende Para-meter variiert: – Klimastation (Bern, Davos, Lugano) – Heizwärmebedarf (60 % (Minergie-P) bzw. 110 % der
Neubauanforderung bei 4 Stockwerken)
1.2 Methodik
Zur Erarbeitung der Grenzen und Möglichkeiten werden verschiedene Gebäudegeometrien und -größen sowie un-terschiedliche Parameterkombinationen herangezogen. Die Parameterstudie wird für die Typen Mehrfamilienhaus und Verwaltungsbau an je zwei typischen Basismodellen durchgeführt (Bild 5): – Variante 1: langgestrecktes Mehrfamilienhaus mit sechs
Wohnungen pro Stockwerk
Bild 1. Sanierte Mehrfamilienhäuser mit GEB-Nullbilanz (%); von links: in Chiasso (114 %), Romanshorn (107 %) und Zürich (Quellen: [1], [22])Fig. 1. Retrofit of multi-family buildings with PV gain greater than total energy use (%); from left: in Chiasso (114 %), Romanshorn (107 %) und Zürich (Sources: [1], [22])
Bild 2. Neubau Aktiv-Stadthaus in Wien (GEB > 100 %), Sanierung des Verwaltungsbaus Flumroc, Flums (GEB 115 %), Anbau Bracher+Schaub AG, Ormalingen (GEB 96 %) (Quellen: ABG Frankfurt Holding, Solarpreis [1])Fig. 2. New building Aktiv-Stadthaus in Wien (GEB > 100 %), Retrofit office building Flumroc, Flums (GEB 115 %), extension Bracher+Schaub AG, Ormalingen (GEB 96 %) (Sources: ABG Frankfurt Holding, Solarpreis [1])
Bild 3. Sanierung TU Wien, Campusgebäude am Getreidemarkt; Planung: Neubau Bürogebäude und Hotel Grosspeter Tower Basel; Planung: Neubau Amt für Umwelt und Energie Basel (Quellen: TU Wien, Burckhardt+Partner AG, Hochbauamt Basel)Fig. 3. Retrofit TU Vienna, Campusgebäude am Getreidemarkt; Design stage: new office building and hotel Grosspeter Tower Basel; Design stage: new office building Amt für Umwelt und Energie Basel (Sources: TU Vienna, Burckhardt+Partner AG, Building department Basel)
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M. Hall/A. Geissler · Möglichkeiten und Grenzen von großen Nullenergiegebäuden
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fCH Schweizer nationale Gewichtungsfaktoren der Energieträger (Erdgas 1, Fernwärme 0.6, Strom 2 [4])
ECH Energieträger mit Schweizer nationalen Ge-wichtungsfaktoren gewichtet
Ehwlk Grenzwert des gewichteten Endenergiebe-darfs für HWLK nach MuKEn [5], gewichtet mit Schweizer nationalen Gewichtungsfakto-ren, Wohnen: Ehwlk = 35 kWhECH/(m2 a)
EE EndenergiebedarfHH/HS Haushalt, HaushaltsstromηPV Systemwirkungsgrad der Photovoltaikanlage:
Alle Gebäude haben einen rechteckigen Grundriss und weisen ein Flachdach auf. In Tabellen 1 und 2 sind die Ba-sisdaten für die Geometrie sowie die energetischen Eigen-schaften der Bauteile zusammengestellt. Die energetischen Daten sind so gewählt, dass die verschatteten vierstöckigen Basisvarianten der langestreckten Gebäude (V1, V3) die Primäranforderungen des Minergie-P-Standards, d. h. 60 % der Neubauanforderung an den normativen Heizwärmebe-darf, erfüllen. Die quadratischen Gebäude (V2, V4) weisen einen etwas geringeren Heizwärmebedarf auf.
Es wird davon ausgegangen, dass die Fassade des Ver-waltungsbaus nicht raumhoch verglast ist, sondern ein
– Verteil- und Speicherverluste von Heizung/Warmwasser (10 %/40 %, 50 %/60 %)
– Energiebedarf für Geräte und Beleuchtung (hoher/niedriger Bedarf)
– Abstand und Höhe der Nachbargebäude (nah/mittel/fern, hoch/tief)
– Ausrichtung des Gebäudes (nur langgestreckte Ge-bäude: Süd/Nord, Ost/West)
– Eigenverschattung durch 2 m tiefe, vorgelagerte Bal-kone (nur Wohnen)
– Größe der nutzbaren PV-Flächen (nur Wohnen, Südfas-sade: komplett, nur Brüstung) und
– Systemwirkungsgrad der Photovoltaikanlage (14 %, 22 %).
Es wird davon ausgegangen, dass immer die gesamten möglichen Flächen auf dem Dach und den opaken Berei-chen der Fassaden mit PV-Modulen belegt sind.
AbkürzungenHWLK Heizung, Warmwasser, Lüftung und Klimati-
sierung (Der Begriff HWLK wird verwendet, auch wenn in vorliegender Untersuchung die Klimatisierung nicht berücksichtigt wird)
HWLK- Die Jahressumme des PV-Ertrags muss höher Nullbilanz sein als der Jahresbedarf für HWLKGEB Gesamtenergiebedarf: HWLK, Haushalts-
strom, Geräte, Beleuchtung, LiftGEB- Die Jahressumme des PV-Ertrags muss höher Nullbilanz sein als der Jahresbedarf für GEBHB hoher Gesamtenergiebedarf: Wohnen – Effizi-
enzklasse C [2] für Haushaltsstrom, Lift und Lüftungsanlage, Belegungsdichte 2.23
Bild 4. Umfang von verschiedenen NullenergiestandardsFig. 4. Scope of different net zero energy building standards
Bild 5. Schematische Darstellung der Fassadenansichten der vier betrachteten VariantenFig. 5. Façade layout for the four basic building variants
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durchgängiges Fensterband und einen Brüstungsbereich aufweist (V3, V4 in Bild 5). Damit können PV-Module im Bereich der Fensterbrüstung/Geschossdecke platziert wer-den. Dieser Bereich ist 1,4 m hoch und geht pro Stockwerk über den vollen Umfang des Gebäudes. Bei einer üblichen Geschosshöhe von 3,3 m ist das Fensterband damit 1,9 m hoch, dies entspricht einem Fensterflächenanteil der Fas-sade von knapp 58 %. Viele Verwaltungsbauten sind höher verglast. Es ist jedoch klar, dass ein hohes Gebäude mit einer geschosshohen Verglasung ohne Einbezug anderer Maßnahmen nicht genügend Fläche für PV zur Verfügung stellen kann, um eine Nullbilanz zu erzielen. Aus diesem Grund wird eine Fassade mit Brüstung und Fensterbän-dern gewählt.
2.2 Klimadaten
Die Auswertungen basieren hauptsächlich auf den Daten der Klimastation Bern-Liebefeld – kurz „Bern“ (mittleres Klima, mittlere Einstrahlung). Einzelne Ergebnisse werden vergleichend für die Klimastationen Lugano (warmes Klima, mittlere Einstrahlung) und Davos (kaltes Klima, hohe Einstrahlung mit Berücksichtigung des Horizonts) dargestellt. Für die Berechnung des Heizwärmebedarfs nach SIA 380/1:2009 beruhen die Klimadaten auf dem Merkblatt SIA 2028 [6]. Die Strahlungsdaten zur Berech-nung des PV-Ertrags werden aus dem Programm Meteo-norm 6.1, mit der Einstellung „Standard“, entnommen.
2.3 Bedarf
BerechnungsgrundlageDie Berechnung des Heizwärmebedarfs erfolgt nach SIA 380/1:2009. Für den Warmwasserbedarf werden die Standardwerte aus SIA 380/1:2009 verwendet: Mehrfami-lienhaus: 75 MJ/(m2 a), Verwaltung 25 MJ/(m2 a). Tabelle 3 zeigt die verwendeten Nutzungsgrade und Jahresarbeits-zahlen der Wärmeerzeuger. Für die Verteilung und Spei-cherung werden folgende Verluste angenommen: Heizung: 10 %, Warmwasser 40 % [7].
WohnenDie Komfortlüftung wird bei der Berechnung des Heiz-wärmebedarfs durch den reduzierten flächenbezogene Außenluftvolumenstrom von 0,3 m3/(m2 h) berücksich-tigt.
Die Modellierung der Wohnungsgröße und -belegung beruht auf Schweizer Durchschnittswerten. Die durch-schnittliche Netto-Wohnfläche wird auf 87 m2 für die Mehr-familienhäuser festgelegt [2], [8]. Dazu wird ein Anteil des Treppenhauses addiert. Mit diesen Annahmen betragen die Brutto-Flächen je Wohnung inklusive Anteil Treppenhaus/
Tabelle 1. Daten der Gebäudegeometrie für die Varianten 1 bis 4Table 1. Geometry data for all variants V1 to V4
Parameter MFH (V1/V2) Verwaltung (V3/V4)
Gebäudetiefe [m] 11,5/21,8 11,5/21,8
Gebäudebreite [m] 63,7/21,8 63,7/21,8
Etagenhöhe [m] 2,85 3,3
Netto-Wohnungsfläche [m2] 87 –
Anzahl Wohnungen pro Geschoss
6/4 –
Betrachtete Anzahl Geschosse
2 … 40 2 … 40
Energiebezugsfläche pro Geschoss [m2]
684/441 732/473
Fensteranteil N [%] 21/24 58
Fensteranteil S [%] 35/24 58
Fensteranteil O/W [%] 7/24 58
Standardfenster [m2] 1,6 × 1,3 Fensterband
Anzahl pro Etage O/W: je 1/4 –
N: 18/4 –
S: 12/4 –
Balkontüren [m2] 3 × 2,1 –
Anzahl pro Etage S: 6 /N/S/O/W: je 1
–
Tabelle 2. Energetische Daten der Basisvarianten und die zusätzlich untersuchte Variante „Heizwärme 110 %“Table 2. Energy data for basis variations and an additional lower insulation level as a variation
Parameter Basis Variante „Heizwärme 110 %“
Uopakt [W/(m2 K)] 0,20* 0,48**
UFenster [W/(m2 K)] 0,90 1,4
g-Wert [–] 0,50 0,60
Glasanteil Fenster [–] 0,80
Reduktionsfaktor für EG zu unbeheizten Kellergeschoss [–] 0,73
Tabelle 3. Nutzungsgrad/JAZTable 3. Efficiency of heating systems
Wärmeerzeuger Nutzungsgrad/JAZ
HZ WW
Gasfeuerung, kondensierend* 0,95 0,92
Fernwärme (CH-Durchschnitt) [7] 0,98 1,0
Wärmepumpe, Erdwärme [7] 4,3 2,8
* Minergie: NachweisVers2015P.xlsx, gültig bis 31. 12. 2015
Tabelle 4. Hoher und niedriger Bedarf für Haushaltsstrom, Lift und Lüftung pro EnergiebezugsflächeTable 4. High and low electricity demand for dwellings, lift and mechanical ventilation per heated floor area
Langgest. MFH [kWh/(m2 a)]
Quadrat. MFH [kWh/(m2 a)]
Bedarf niedrig hoch niedrig hoch
Strom pro HH 15,3 24,5 15,8 25,3
Lift 0,35 0,88 0,36 0,90
Lüftung 2,2 3,1 2,3 3,4
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– Variante 1 und 3: 6 Stockwerke – Variante 2 und 4: 6 (langgestrecktes Geb.) und 10 (qua-
dratisches Geb.) Stockwerke
Die gewählten Abstände der Basisvarianten 1 und 3 bzw. 2 und 4 sind in Bild 6 dargestellt.
VerschattungsfaktorenDie Höhe und der Abstand der Nachbargebäude spiegeln sich in den Verschattungsfaktoren für die Horizontver-schattung wider. Die Faktoren werden pro Stockwerk, pro Fassade und für das Dach mit ESP-r [16] bestimmt und bei der Bestimmung des Heizwärmebedarfs (solare Gewinne) und für den PV-Ertrag verwendet.
Die Auswirkung durch unterschiedliche Abstände der Nachbargebäude auf den PV-Ertrag für Variante 1 ist in Bild 7 dargestellt. Die erste Zahl gibt den Abstand der Ge-bäude vor Kopf (Ost/West) und die zweite Zahl den Ab-stand der Gebäude, die parallel stehen (Nord/Süd) an. Je höher das betrachtete Gebäude und je größer die Abstände zu den Nachbargebäuden werden, desto geringer ist erwar-tungsgemäß der Einfluss der Verschattung von niedrigeren Nachbargebäuden.
Der Einfluss auf den PV-Ertrag durch die Verschat-tung, die sich durch unterschiedlich hohe Nachbargebäude der Variante 2 ergibt, ist in Bild 8 dargestellt. Es werden die Höhen der quadratischen Nachbargebäude variiert, da Hochhäuser oft aus einem Ensemble aus drei Gebäuden bestehen. Der Sprung in der Verschattung zwischen dem
Lift 114 m2 (V1) bzw. 110 m2 (V2). Diese Flächen bilden die Grundlage zur Berechnung der Energiebezugsfläche (Faktor 1.2).
Es werden zwei Wohnungsbelegungen betrachtet: als durchschnittliche Wohnungsbelegung in der Schweiz im Jahr 2005 der Wert 2.23 und für das Jahr 2030 eine städti-sche Belegungsdichte von 1.78 [9].
Der Stromverbrauch pro Haushalt wird nach [2] be-stimmt. Es werden die Effizienzklasse C mit der Belegungs-dichte 2.23 (HB) als höchster Wert sowie die Effizienz-klasse A mit der Belegungsdichte 1.78 (TB) als geringster Wert für den Haushaltsstrom verwendet. Der Bedarf für Lift und Lüftung wird entsprechend der verwendeten Effi-zienzklasse übernommen. In Tabelle 4 sind die resultieren-den Zahlenwerte gegeben. Diese entsprechen einem Haus-haltsstrombedarf inkl. Lift pro Wohnung von 2886 kWh/a bzw. 1782 kWh/a. Diese Werte liegen in einem Bereich, wie sie in der Literatur zu finden sind [3], [10], [11], [12].
VerwaltungDer minimale und maximale Strombedarf für Geräte und Beleuchtung wird nach Merkblatt SIA 2024 [3] „Einzel-, Gruppenbüro“ bestimmt (Tabelle 5). Diese Werte entspre-chen in etwa den Werten aus der Literatur [13], [14].
PV-ErtragAusgehend von einem heutigen Modulwirkungsgrad von 18 % bzw. einem zukünftig möglichen von 28 %, werden PV-Gesamtsystemwirkungsgrade von 14 % bzw. 22 % be-trachtet. Es wird davon ausgegangen, dass in der Fassade die gesamte Fläche genutzt wird, die abzüglich der Fenster-flächen und einem konstruktiv nicht nutzbaren Anteil von 8 % zur Verfügung steht. Die Fassade wird ab dem ersten Stockwerk mit PV belegt. Es wird angenommen, dass sich das unbeheizte Kellergeschoss mit Eingangsbereich halb im Erdreich befindet und die Gebäude damit kein eigentli-ches Erdgeschoss aufweisen. Auf dem Dach wird die PV-Anlage mit einer Neigung von 10° in Ost- und Westrich-tung aufgeständert. Diese Anordnung ergibt einen höheren Ertrag als eine südliche Aufständerung mit einem Nei-gungsgrad von 30° [15].
Verschattung durch NachbargebäudeFür die Verschattung wird angenommen, dass das betrach-tete Gebäude in alle vier Himmelsrichtungen von Nach-bargebäuden umgeben ist. Die Anzahl von sechs Stockwer-ken für die Nachbargebäude wird gewählt, weil dies ty-pisch ist für Mehrfamilienhäuser und Verwaltungsbauten.
Tabelle 5. Strombedarf für Verwaltungsbauten; Werte für Einzel- und Gruppenbüro aus [3]Table 5. Electricity demand of office buildings; data for single and open offices [3]
Strombedarf [kWh/(m2 a)]
niedrig hoch
Beleuchtung 7 24
Betriebseinrichtungen 5 25
Lüftung (ohne Klimatisierung) 1 3
Total 13 52
Bild 6. Verschattungssituation für die Basisvariante, Ab-stände und Lage der Nachbargebäude zum betrachteten Gebäude (links V1, V3, rechts V2, V4)Fig. 6. Shading situation for basis variants, distance and location of neighboring buildings (left V1, V3, right V2, V4)
Bild 7. Variante 1: Verhältnis des PV-Ertrags verschattet/un-verschattet durch Nachbargebäude in Abhängigkeit von der Anzahl der Stockwerke und dem Abstand der Nachbarge-bäudeFig. 7. Variation 1: ratio of shaded/unshaded PV generation depending on the number of levels for different distances of the neighboring buildings
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3.2 Parameterstudie
Die Basisvariante für alle Varianten weist folgende Merk-male auf: – Systemwirkungsgrad der PV-Anlage von 14 %, – Klimastation Bern-Liebefeld, – Orientierung der Hauptfassade nach Süden (V1, V3), – Verteil- und Speicherverluste von Heizung/Warmwasser
10 %/40 %, – Heizwärmebedarf erreicht den Minergie-P-Standard
(60 % Neubauanforderung) bei 4 Stockwerken.
Für die Varianten wird immer ein Parameter gegenüber der Basisvariante geändert. Die einzelnen Varianten sind in Tabelle 6 beschrieben.
In diesem Beitrag wird an einem Beispiel gezeigt, wie sich die Parameter auswirken. Alle weiteren Resultate kön-nen [17] entnommen werden.
Welche Flächen mit welchem Anteil PV-Module be-legt werden müssen, um die verschiedenen Nullbilanzen zu erreichen, zeigt Bild 10 für Variante 1. Je nach Anzahl Stockwerke, Wärmeerzeuger und Effizienz werden unter-schiedliche PV-Flächen zur Erreichung der Nullbilanz be-nötigt. Diese können unterschiedlich kombiniert werden. Bild 10 zeigt mögliche Kombinationen.
Beispiel:Ein Gebäude in Bern mit 10 Stockwerken, ηPV = 14 % und einer Gasfeuerung kann für einen hohen Strombedarf die HWLK-Nullbilanz erreichen (schwarze, durchgezogene
6. und 7. Stockwerk ist mit dem Wegfall der Verschattung der 6-stöckigen Nachbargebäude zu erklären.
BilanzierungEs werden die HWLK- und die GEB-Nullbilanz unter-sucht. Alle Auswertungen basieren auf einer Gewichtung mit den Schweizer nationalen Gewichtungsfaktoren fCH. Für den Elektrizitätsbedarf und den PV-Ertrag wird der-selbe Strom-Gewichtungsfaktor verwendet (symmetrische Faktoren). Die Ergebnisse werden auf die Energiebezugs-fläche bezogen. Zur Information sind bei den Varianten jeweils die Grenzwerte des gewichteten Energiebedarfs nach MuKEn 2014 dargestellt [5].
3 Auswertung3.1 PV-Ertrag
Die Anteile des PV-Ertrags von Dach und Fassade am ge-samten PV-Ertrag für alle 4 Varianten ist in Bild 9 abgebil-det. Deutlich ist zu erkennen, wie der PV-Ertragsanteil vom Dach mit zunehmender Anzahl an Stockwerken stark abnimmt. Dabei ist der Verlauf hauptsächlich von der Flä-che abhängig, die an den Fassaden für PV zur Verfügung steht. Die Form des Gebäudes spielt eine untergeordnete Rolle. Während bei dem Mehrfamilienhaus ca. 57 % der Fassade für PV genutzt werden kann, sind es bei der Ver-waltung nur rund 42 %. Damit ist bei dem Verwaltungsbau der Anteil des PV-Ertrags vom Dach am Gesamtertrag hö-her, als bei dem Mehrfamilienhaus.
Bild 8. Verhältnis des PV-Ertrags verschattet zu unverschat-tet für Variante 2; die Höhe der quadratischen Nachbar-gebäude wird variiertFig. 8. Variation 2: ratio of shaded/unshaded PV generation depending on the height of the square neighboring buildings
Bild 9. Anteile des PV-Ertrags von Dach und Fassade am gesamten PV-Ertrag für alle 4 VariantenFig. 9. Share of roof PV generation to total generation for all variants
Tabelle 6. Zusammenfassung aller VariantenTable 6. Summary of all variants
Variante Kurzbegriff
1 2 3 4 „Basisvariante“
1a 2a 3a 4a „ηPV = 0,22“
1b 2b 3b 4b Klima „Lugano“
1c 2c 3c 4c Klima „Davos“
1d 2d „Brüstung Süd“PV nur im Brüstungsbereich an Süd-fassade (V1), bzw.PV nur im Brüstungsbereich auf allen Fassaden (V2), (1 m hoch)
1e 2e 3d 4d Heizwärmebedarf „Heizwärme 110 %“, Tabelle 1
1f 3e Ausrichtung der Hauptfassade nach Ost
1g 3e Ausrichtung der Hauptfassade nach West
1h 2h 3f 4e „Verteilverluste“Heizung 50 %, Warmwasser 60 %
1i 3g „Nachbar nah“15/15 m
1j 3h „Nachbar fern“30/46 m
1k 2i 2 m tiefer vorgesetzter „Balkon“
2f „15 St“ Nachbar 15 Stockwerke hoch
2g „20 St“ Nachbar 20 Stockwerke hoch
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Die Pfeile zeigen jeweils die maximale Anzahl an Stockwerken an, für die eine GEB-Nullbilanz erreicht wer-den kann. Mit Fernwärme bzw. Wärmepumpe kann die GEB-Bilanz bei einem hohen Bedarf noch mit 15 bzw. neun Stockwerken erreicht werden.
Der Grenzwert für die gewichtete HWLK-Endenergie nach MuKEn 2014 wird mit einer Gasfeuerung nicht ein-gehalten (gestrichelte schwarze „TB, HWLK“-Linie liegt über der roten Linie), jedoch mit Fernwärme und einer Wärmepumpe ab ca. 4 Stockwerken.
Wird der Systemwirkungsgrad der PV-Anlage von 14 % auf 22 % erhöht, ist bei gleichem HWLK-Bedarf mit einem höheren Haushaltsstrom die GEB-Nullbilanz er-reichbar. Den Zusammenhang zeigt Bild 11.
Grundsätzlich kann bei sechs Stockwerken der Be-darf für Haushaltsstrom inkl. Lift etwas höher sein als bei 40 Stockwerken. Dies liegt am Anteil des PV-Ertrags vom Dach zum Gesamtertrag, der mit zunehmender Anzahl an Stockwerken immer geringer wird.
Überblick über die VariantenIn Bild 12 ist die mögliche Anzahl der Stockwerke mit einer GEB-Nullbilanz für alle betrachteten Parameter der
Linie, „HB, HWLK“), wenn das komplette Dach und die komplette Südfassade mit PV belegt sind (roter Kreis). Eine GEB-Nullbilanz kann bei einem niedrigen Haushalts-strombedarf von 16 kWhEE/(m2 a) (TB, GEB, hellgrau ge-strichelt) erreicht werden, wenn neben Dach, Süd-, Nord und Ostfassade noch ein Teil der Westfassade für PV ge-nutzt wird (blauer Kreis). Mit einem hohen Haushalts-strombedarf (25 kWhEE/(m2 a) kann keine GEB-Nullbi-lanz erreicht werden (durchgezogene graue Linie liegt oberhalb des insgesamt möglichen PV-Ertrags).
Bild 10. Variante 1 „Basisvariante“: gewichtete Endenergie von Bedarf und PV-Ertrag unter Berücksichtigung der Ver-schattung in Abhängigkeit von der Anzahl der StockwerkeFig. 10. Variation 1 “basis variation”: weighted final energy for energy load and PV generation with shading de-pending on the number of floors
Bild 11. Zusammenhang zwischen dem Bedarf für Haus-haltsstrom/Lift und dem Systemwirkungsgrad der PV-An-lage, um die GEB-Nullbilanz für Variante 1 inkl. Verschat-tung zu erreichen (oben/unten: 6/40 Stockwerke, HWLK Bedarf für Gas/FW/WP: 50/46/17 kWhEE/(m2 a), 6 Stock-werke bzw. 45/42/17 kWhEE/(m2 a), 40 St.)Fig. 11. Context of energy load for lighting, devices and lifts for GEB-zero balance of variation 1 (top/bottom 6/40 floors, HAVC load for gas/distric heating/heat pump: 50/46/17 kWhEE/(m2 a), 6 floors or 45/42/17 kWhEE/(m2 a), 40 floors)
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– Mit einer Gasfeuerung ist eine GEB-Nullbilanz für meh-rere Paramter nicht bis 40 Stockwerke zu erreichen.
– Ist der Gesamtenergiebedarf hoch, ist die GEB-Null-bilanz für Gebäude mit 40 Stockwerken für alle Wärme-erzeuger nur mit einem Systemwirkungsgrad der PV-Anlage von 22 % und für den Standort Davos möglich. Für Fernwärme sind 40 Stockwerke auch in Lugano bzw. mit Ost/West-Ausrichtung möglich.
Variante 2 zeigt recht ähnliche Resultate (s. [17]). Insge-samt zeigt Variante 1 jedoch ein leicht höheres Potential für eine GEB-Nullbilanz als Variante 2. Das größere Ver-hältnis von Fassadenfläche zu Energiebezugsfläche von Variante 1 macht dies möglich.
Bei beiden Varianten schneidet die Fernwärme am besten ab. Dies liegt hauptsächlich an der geringen Jahres-arbeitszahl der Wärmepumpe für Warmwasser. Dadurch ist der HWLK-Endenergiebedarf für die Wärmepumpe im Mittel um 10 % höher als bei Fernwärme. Obwohl die Dif-ferenz nicht groß ist, führt die mit zunehmender Anzahl an Stockwerken abflachende PV-Ertragskurve dazu, dass die GEB-Nullbilanz mit einer Wärmepumpe gerade nicht mehr möglich ist.
Für Variante 3 zeigt Bild 13 eine Zusammenfassung der Resultate. Die HWLK-Bilanz ist wiederum nicht darge-
Variante 1 zusammengefasst. Die HWLK-Bilanz wird nicht dargestellt, da sie für alle Varianten bis zu 40 Stockwerken erreicht wird. Hierzu ist in vielen Fällen nur die Belegung des Dachs und der Südfassade mit PV notwendig. Fol-gende Aussagen für langgestreckte Mehrfamilienhäuser können Bild 12 entnommen werden: – Hat das Gebäude einen tiefen Gesamtenergiebedarf,
kann bei den meisten Varianten die GEB-Nullbilanz mit bis zu 40 Stockwerken erreicht werden.
– Ist die Südfassade nur teilweise für PV nutzbar (Variante „Brüstung Süd“), ist die GEB-Nullbilanz auch mit nied-rigem Bedarf für keinen Wärmeerzeuger bis 40 Stock-werke möglich.
Bild 12. Anzahl Stockwerke, für die eine GEB-Nullbilanz erreicht werden kann; dargestellt sind die Ergebnisse für langgestreckte Mehrfamilienhäuser (Variante 1). Die Bilan-zen sind mit nationalen Gewichtungsfaktoren bewertet (niedriger/hoher (HS+Lift) Bedarf: 16/25 kWhEE/(m2 a))Fig. 12. Number of floors for which a GEB zero balance can be achieved for multifamily dwellings (Variant 1). Balances are weighted with Swiss national weighting factors (low/high load for domestic electricity/lift 16/25 kWhEE/(m2 a))
Bild 13. Anzahl Stockwerke, für die eine GEB-Nullbilanz erreicht werden kann; dargestellt sind die Ergebnisse für langgestreckte Verwaltungsbauten (Variante 3, mittlerer/ho-her (Strom-)Bedarf: 30/49 kWhEE/(m2 a))Fig. 13. Number of floors for which a GEB zero balance can be achieved for office buildings (variant 2, mid/high load for lighting and devices: 30/49 kWhEE/(m2 a))
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– Ost-West-Ausrichtung für langgestreckte Gebäude gegen-über Süd-Nord Ausrichtung bevorzugen, falls möglich.
4 Praxisbeispiele
Drei modernisierte Mehrfamilienhäuser in Zürich (17 Stock-werke), Romanshorn (6 Stockwerke) und Chiasso (8 Stock-werke) mit PV-Fassade werden mit den untersuchten Va-rianten verglichen. Die Mehrfamilienhäuser in Romanshorn und Chiasso verfügen neben der fassadenintegrierten PV-Anlage zusätzlich über eine PV-Anlage sowie thermische Solarkollektoren auf dem Dach.
Bild 14 zeigt den PV-Ertrag bzw. die PV-Fläche bezo-gen auf die Energiebezugsfläche für die vier untersuchten Basisvarianten und die drei Beispielgebäude. Die drei Bei-spielgebäude entsprechen in etwa dem Grundriss von Va-riante 2 (MFH, quadr., rote Linie).
Der PV-Ertrag pro PV-Fläche ist bei dem MFH Zürich um 67 % geringer als beim MFH Romanshorn und um 33 % geringer als bei dem MFH in Chiasso. Hinsichtlich des Strahlungsangebotes sind alle drei Standorte sehr ähn-lich, wobei die Strahlungswerte in Chiasso auf senkrechte Flächen ca. 10 % höher sind als in Romanshorn und Zü-rich. Die Verschattung der Gebäude durch umliegende Nachbargebäude ist nicht bekannt und schwer abzuschät-zen. Aufgrund der Lage scheint aber für das MFH Chiasso die Verschattung gegenüber MFH Romanshorn und MFH Zürich am größten zu sein.
stellt, da sie auch hier in allen Fällen bis zu 40 Stockwerke erreicht wird. Auch die GEB-Bilanz mit niedrigem Gesam-tenergiebedarf wird nicht dargestellt. Sie kann bis auf die Varianten „Heizwärme 110 %“ und „Verteilverluste“ mit einer Gasfeuerung für alle Varianten mit 40 Stockwerken erzielt werden. Um den Einfluss der Parameter zu verdeut-lichen, wird anstatt des niedrigen ein mittlerer Gesamt-energiebedarf von 30 kWhEE/(m2 a) für Geräte/Beleuch-tung und 2 kWhEE/(m2 a) für die Lüftung abgebildet. Fol-gende Aussagen für langgestreckte Verwaltungsbauten können Bild 13 entnommen werden: – Die GEB-Nullbilanz kann mit mittlerem Gesamtener-
giebedarf für alle Varianten nur mit einem PV-System-wirkungsgrad von 22 % bis 40 Stockwerke erreicht wer-den.
– Ohne Verschattung durch umliegende Gebäude ist die GEB-Nullbilanz mit Fernwärme und Wärmepumpe auch für den Standort Davos bis 40 Stockwerke möglich.
– Bei allen anderen Parametern reduziert sich die Anzahl der Stockwerke, für die mit mittlerem Bedarf eine GEB-Nullbilanz möglich ist, deutlich.
– Bei einem hohen Gesamtenergiebedarf ist die GEB-Nullbilanz nicht oder nur für sehr wenige Stockwerke möglich.
Variante 4 zeigt ähnliche Ergebnisse wie Variante 3 (s. [17]). Aus den erzielten Resultaten kann der relative Einfluss der betrachteten Parameter auf die Erreichbarkeit von GEB-Nullbilanzen abgeleitet und wie folgt zusammen-gefasst werden:hoch – Energieeffizienz von Geräten und Beleuchtung – Wärmeerzeuger – Heizwärmebedarf – Solarstrahlung am Standort – Größe und Systemwirkungsgrad der PV-Anlage – Verteil- und Speicherverluste für Heizung/Warmwasser
mittel – Außentemperatur – Verschattung durch Nachbargebäude nah/fern – Verschattung durch Nachbargebäude hoch/niedrig
niedrig – Ost-West-Ausrichtung (langgestreckter) Gebäude statt
Süd-Nord – vorgelagerte Balkone – Grundriss der Gebäude
Damit ergeben sich folgende Prioritäten bei der Planung mit dem Ziel, eine GEB-Nullbilanz mit einer PV-Anlage zu erreichen:1. Priorität – niedriger Heizwärmebedarf – tiefer Bedarf von Haushaltsstrom/Lift – Wärmeerzeuger: Fernwärme oder Wärmepumpe – große PV-Flächen an allen Fassaden mit einem hohen
PV-Systemwirkungsgrad – niedrige Verteil- und Speicherverluste für Heizung und
Warmwasser2. Priorität – Verschattung durch Nachbargebäude minimieren (meist
nicht oder kaum beeinflussbar) – Vermeidung von vorgelagerten Balkonen
Bild 14. PV-Ertrag bzw. PV-Fläche pro Energiebezugsfläche; Vergleich der vier Varianten und der drei BeispielgebäudeFig. 14. PV generation and area per heated floor area; com-parison of the four variants and the three example buildings
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diese erhöht jedoch den PV-Ertrag bzw. die PV-Fläche pro Energiebezugsfläche. Auf dem Dach sind auch bei diesem Gebäude zusätzlich thermische Solarkollektoren instal-liert. Da verschiedene PV-Module zum Einsatz kommen, wird der mittlere Modulwirkungsgrad auf ca. 14 % ge-schätzt. Damit liegt er unterhalb des Modulwirkungsgrads von den Beispielvarianten, was den PV-Ertrag pro EBF vermindert. Auch dieses Gebäude hat einen niedrigen Ge-samtenergiebedarf (GEB = 46 kWhEE/(m2 a)) [1].
Das MFH Chiasso entspricht sehr gut der Variante 2b „quadratischer Grundriss, Klimastation Lugano“, mit dem verschatteten Fall „Wärmepumpe mit acht Stockwerken und einem tiefen Gesamtenergiebedarf“ (Bild 17).
Der Vergleich der Beispielgebäude mit der Basisvari-ante 2 bzw. Variante 2b zeigt, dass die Grundannahmen für die Variantenstudie gut getroffen und die Ergebnisse auf reale Gebäude übertragbar sind. Weiter bestätigen die Beispielgebäude, dass eine hohe Effizienz (niedriger Be-darf), eine große PV-Fläche und ein hoher PV-Systemwir-kungsgrad wichtig sind. Damit unterstreichen die realisier-ten Gebäude die Aussagen, die durch die vorgängige Va-riantenstudie erarbeitet wurden.
5 Eigendeckungsrate
Bei Gebäuden mit PV-Anlagen ist die Eigendeckungsrate ein wichtiges Thema. Diese gibt an, welcher Anteil des Ge-samtbedarfs zeitgleich von dem PV-Ertrag gedeckt werden kann. An einem Beispiel für Variante 1 mit Wärmepumpe und für ein Gebäude mit 13 Stockwerken soll die Eigen-
Obwohl bei dem MFH Zürich fast die komplette Fas-sade ab dem 1. Obergeschoss mit PV-Modulen belegt ist, könnten noch mehr Flächen genutzt werden: die Balkon-brüstungen und das Dach. Zusätzlich ist die Fassadenflä-che nicht komplett genutzt, da die Abstände zwischen den Modulen recht groß sind. Im Verhältnis zu den anderen beiden Gebäuden ist der PV-Ertrag bezogen auf die Ener-giebezugsfläche deutlich geringer. Es werden Solarmodule vom Typ Sharp NA-F128 (G5) mit einem Modulwirkungs-grad von 9 % verwendet [18], [19]. Der Gesamtenergiebe-darf beträgt 61 kWhEE/(m2 a) [20].
Das MFH Zürich mit Pelletfeuerung kann am ehesten mit der Basisvariante 2 „Klimastation Bern, Gasfeuerung, 17 Stockwerke, verschattet und einem niedrigen Gesamt-energiebedarf“ verglichen werden. Zu berücksichtigen sind der Modulwirkungsgrad, der nur halb so hoch ist wie bei der Basisvariante, und die geringere Flächenbelegung mit PV als bei der Basisvariante. Der Fensteranteil bei dem realen Gebäude in Zürich erscheint etwas höher als bei der Basisvariante. Werden diese Randbedingungen berück-sichtigt, ist die große Differenz des PV-Ertrags von Zürich und der Basisvariante 2 zu erklären (Bild 15).
Das MFH Romanshorn hat einen L-förmigen Grund-riss und ist an den beiden Stirnseiten an Nachbargebäude angebaut. Nur die der Straße zugewandte Süd- bzw. West-fassade sind ab dem ersten Obergeschoss mit PV belegt. Weitere PV-Module befinden sich an den Balkonbrüstun-gen und auf dem Dach. Auf dem Dach sind zusätzlich ther-mische Solarkollektoren montiert. An der Fassade wäre zwischen den Fenstern noch Platz für weitere PV-Module. Diese Flächen zu nutzen ist jedoch infolge des sehr niedri-gen Gesamtenergiebedarfs des Gebäudes von 36 kWhEE/(m2 a) [1] nicht notwendig, um die GEB-Nullbilanz zu er-reichen. Es werden PV-Module mit einem Wirkungsgrad von 18 % verwendet.
Das MFH Romanshorn ist grob mit der Basisvari-ante 2 „Klimastation Bern, Wärmepumpe, sechs Stock-werke und einem niedrigen Gesamtenergiebedarf“ zu ver-gleichen (Bild 16). Unter Berücksichtigung der o. g. Rand-bedingungen ist die Differenz des PV-Ertrags zwischen MFH Romanshorn und Variante 2 als realistisch einzu-schätzen.
Bei dem MFH Chiasso ist neben dem Dach, den Fas-saden (ab 1. OG) und Balkonbrüstungen auch das Dach der Garagen mit PV belegt. Die aufgeständerte PV-Fläche auf dem Garagendach (5 Einzelgaragen) ist nicht bekannt,
Bild 15. Einordnung des MFH Zürich zur Basisvariante 2Fig. 15. Comparison MFH Zürich and basic variant 2
Bild 16. Einordnung des MFH Romanshorn zu Variante 2Fig. 16. Comparison MFH Romanshorn and basic variant 2
Bild 17. Einordnung des MFH Chiasso zu Variante 2bFig. 17. Comparison MFH Chiasso and basic variant 2b
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einen optimierten Zeitplan für die Wärmepumpe deutlich gesteigert werden kann (s. z. B. auch [21]).
6 Planungshinweise
Aus den Untersuchungen an den vier Basisvarianten las-sen sich einige Planungshinweise für Gebäude, die eine HWLK- bzw. GEB-Nullbilanz erzielen sollen, ableiten: – Um genügend PV-Fläche zur Verfügung zu stellen, sind
keine hochverglasten Gebäude möglich. – Ein niedriger Heizwärmebedarf ist wichtig; d. h. 3-fach-
verglaste Fenster und sehr gute U-Werte für opake Bau-teile.
– Einen sehr großen Einfluss auf die GEB-Nullbilanz hat die Effizienz von Geräten und Beleuchtung. Daher ist ein sehr geringer Bedarf für Geräte und Beleuchtung wichtig.
– Mit einem hohen PV-Systemwirkungsgrad kann z. T. ein hoher Bedarf kompensiert werden.
– Geringe Verteil- und Speicherverluste für Heizung und Warmwasser reduzieren den Bedarf.
– Der Einfluss des Grundrisses spielt bei den untersuch-ten Gebäuden eine untergeordnete Rolle.
– Wenn möglich, sollte ein möglichst großer Abstand zu Nachbargebäuden gewählt werden, um die Verschat-tung gering zu halten.
– Die Verschattung der Fassade durch vorgelagerte Bal-kone kann durch zusätzliche PV-Module an der Balkon-brüstung kompensiert werden.
– Bei den heutigen nationalen Gewichtungsfaktoren soll-ten Nullenergiegebäude mit Fernwärme oder einer Erd-sonden-Wärmepumpe realisiert werden. Mit der ver-mehrten Nutzung von Biogas bzw. Power-to-Gas-Anla-gen könnte in Zukunft auch eine Gasfeuerung interessant werden.
– Die HWLK-Nullbilanz kann in vielen Fällen durch den PV-Ertrag vom Dach und Teilen der Südfassade gedeckt werden. In diesen Fällen ist es auch möglich, eine an-dere Kombination zu wählen: z. B. nur die obersten Stockwerke mit PV-Modulen belegen, dafür aber auf allen Fassaden. Hierbei bleibt allerdings zu berücksich-tigen, dass nicht belegte Flächen für den PV-Ertrag weg-fallen – auch wenn das betrachtete Gebäude selbst be-reits den eigenen Bedarf decken kann, ist im Sinne der Energiewende eventuell die Ausweiterung auf eine Be-trachtung des Quartiers insgesamt sinnvoll.
7 Zusammenfassung
Die umfangreichen Parameteruntersuchungen zeigen, dass auch große Gebäude die HWLK- bzw. die GEB-Nullbilanz erreichen können. Der Einfluss verschiedener Parameter auf die Erreichbarkeit von Nullbilanzen wird dargestellt. Diese Kenntnisse sollen Planern dabei helfen, Nullenergie-gebäude zu realisieren. Zwar können im Planungsprozess nicht alle hier untersuchten Parameter beeinflusst werden, jedoch kann das Bewusstsein für die Möglichkeiten und Grenzen einzelner Parameter gestärkt werden.
Die getroffenen Basisannahmen sind ambitioniert, aber nicht unrealistisch, wie der Vergleich mit realisierten Mehrfamilienhäusern in Zürich, Romanshorn und Chiasso zeigt.
deckungsrate betrachtet werden. Es werden 13 Stock-werke gewählt, weil hier der Anteil des PV-Ertrages des Dachs am Gesamtertrag bereits relativ gering ist. Da das Gebäude mit sechsstöckigen Nachbargebäuden umgeben ist, wird vom Dach aus ausgehend die Fassade stockwerks-weise von oben nach unten mit PV belegt, damit zuerst die unverschatteten Flächen genutzt werden. Es wird unter-sucht, wie sich die sukzessive zunehmende PV-Fläche je-weils auf die HWLK- und GEB-Nullbilanz sowie auf die Eigendeckungsrate auswirkt (Bild 18).
Für Variante 1 mit 13 Stockwerken und einem sehr gutem Wärmeschutz und hohem Bedarf brauchen nur das Dach und die obersten vier Stockwerke mit PV belegt zu werden, um die HWLK-Nullbilanz zu erreichen. Die GEB-Nullbilanz kann auch bei einer kompletten Belegung aller 13 Stockwerke nicht erfüllt werden.
Ausgehend von einer PV-Anlage auf dem Dach steigt die Eigendeckungsrate mit zunehmender Fassadenbele-gung der Stockwerke von ca. 17 % auf 28–40 % an. Dabei ist entscheidend, wann die Wärmepumpe zum Betrieb frei-gegeben ist. Wird die Wärmepumpe am Tag zwischen 6 und 19 Uhr, also überwiegend zeitgleich mit dem PV-Er-trag, betrieben, ergibt sich eine höhere Eigendeckungsrate, als wenn die Wärmepumpe nur in den Nachtstunden be-trieben wird (derzeit i. d. R. noch günstigerer Stromtarif). Reicht der PV-Ertrag nur für die HWLK-Nullbilanz (PV auf Dach und obersten vier Etagen), ergibt sich eine Eigende-ckungsrate für den Gesamtenergiebedarf von ca. 25 % bzw. 32 % je nach Laufzeitfenster für die Wärmepumpe. Die Resultate zeigen, dass die Eigendeckungsrate durch
Bild 18. Gewichtete Endenergie und Eigendeckungsrate infolge stockwerksweiser Flächenbelegung mit PV (Basis: Variante 1 mit hohem Bedarf und Wärmepumpe, Klimasta-tion Bern). Die Berechnung beruht auf folgenden Lastprofi-len: Warmwasser: MFH Katalog Nr. 6 (Polysun), Haushalts-strom: MFH 5 Haushalte (Polysun) und für Lüftung: 2-Stu-fen-Modell [3]Fig. 18. Weighted energy and self-consumption rate due to PV configuration floor by floor (basis variant 1 with high load and heat pump, climat Bern). The calculations are based on load profiles for hot water: multifamily building no. 6 (Polysun), lighting/devices: multifamily building 5 households (Polysun), ventilation: 2-step model [3]
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den“ erarbeitet, welches das Bundesamt für Energie BFE (Schweiz) unter dem Kennzeichen SI/500950-01 gefördert hat.
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physik, Stuttgart, 2014. www.bmub.bund.de[13] Knisssel, J.: Energieeffiziente Büro- und Verwaltungsge-
bäude. Institut Wohnen und Umwelt, Darmstadt, 1999.[14] Aiulfi, D., Maschio, I., Dellsperer, V., Brunet, L., Primas, A.,
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[21] Hall, M., Geissler, A.: Einfluss der Wärmespeicherfähigkeit auf die energetische Flexibilität von Gebäuden. Bauphysik, 37 (2015), H. 2, S. 115–123.
[22] European Photovoltaic Solar Energy Conference and Ex-hibition (EU PVSEC): Proceedings. www.eupvsec-proceed-ings.com.
Autoren dieses Beitrages:Dr.-Ing. Monika Hallwissenschaftliche Mitarbeiterin Prof. Dr.-Ing. Achim GeisslerLeiter Gruppe BauFachhochschule Nordwestschweiz, Institut Energie am BauSt. Jakobs Strasse 84, CH-4132 Muttenz
Die Ergebnisse der Studie können wie folgt zusam-mengefasst werden: – Die HWLK-Nullbilanz kann bis auf eine Ausnahme für
alle untersuchten Varianten für Gebäude mit bis zu 40 Stockwerken erreicht werden. In der Regel ist hierzu nur Photovoltaik auf dem Dach, der Südfassade und ggf. noch in Teilbereichen an einer weiteren Fassade notwendig.
– Ausgehend von einem niedrigen Heizwärmebedarf ist der Haushaltsstrombedarf bzw. die Effizienz von Gerä-ten und Beleuchtung in Kombination mit der Höhe des erzielbaren PV-Ertrags entscheidend dafür, ob eine GEB-Nullbilanz eingehalten werden kann.
– Ein weiterer wichtiger Parameter ist der Wärmeerzeuger. Mit den aktuell gültigen nationalen Gewichtungsfakto-ren und typischen Nutzungsgraden/Jahresarbeitszahlen kann die GEB-Nullbilanz für die größte Anzahl an Stockwerken mit Fernwärme erreicht werden. Bei einer Erdsonden-Wärmepumpe führt die Kombination aus niedriger Jahresarbeitszahl für Warmwasser und einem hohen Warmwasserbedarf bei Wohngebäuden zu einer ungünstigeren Bilanz. Im Vergleich zu Fernwärme und Wärmepumpe ist die mögliche Anzahl an Stockwerken, für die eine GEB-Nullbilanz mit einer Gasfeuerung er-zielt werden kann, deutlich geringer.
– Je höher das Gebäude ist, desto geringer ist erwartungs-gemäß der Einfluss durch die Verschattung durch tiefere Nachbargebäude.
– Die Kompaktheit des Gebäudes spielt eine untergeord-nete Rolle.
– Mit zunehmender Anzahl an Stockwerken sinkt der An-teil des PV-Ertrags vom Dach gegenüber dem PV-Ge-samtertrag. Dies hat zur Folge, dass– die Ertragskurve mit zunehmender Anzahl an Stock-
werken abflacht und die Erreichbarkeit der Nullbi-lanz sensibler auf kleine Änderungen im Bedarf bzw. im PV-Ertrag wird. Die Anzahl Stockwerke, für die eine Nullbilanz erreichbar ist, wird dadurch stark be-einflusst.
– höhere Gebäude effizienter betrieben werden müssen, als niedrige.
– bei niedrigen Gebäuden der PV-Ertrag vom Dach re-levant ist. Bei hohen Gebäuden spielt er eher eine untergeordnete Rolle und die Fassaden bringen den größten Anteil. Dies hat zur Folge, dass bei sehr ho-hen Gebäuden der PV-Ertrag eines Stockwerks unge-fähr dem Bedarf eines Stockwerks entsprechen muss, um eine GEB-Nullbilanz zu erreichen.
Ohne eine gute Planung, einen sehr effizienten Betrieb und große PV-Flächen mit hohem PV-Systemwirkungsgrad wird die Realisierung von großen Nullenergiegebäuden schwierig. Dagegen ist die Realisierung von Nullwärme-energiegebäuden, d. h. die Erfüllung der HWLK-Nullbilanz wie sie auch durch die MuKEn auf Grundlage der EPBD angestrebt bzw. von Minergie-A verlangt wird, für große Gebäude nicht unrealistisch. Künftige Fortschritte in der PV-Technik vereinfachen das Erreichen einer „Null“.
Danksagung
Die vorgestellten Ergebnisse wurden im Rahmen des Pro-jekts „Möglichkeiten und Grenzen von Nullenergiegebäu-
Ein ureigenes Ziel der Bauphysik besteht im Errichten von Gebäu-den, deren Raumklima auch ohne zusätzliche Gerätetechnik weit-gehend heutigen Behaglichkeitsmaßstäben für Wohnungen und Anforderungen öffentlich genutzter Gebäude entspricht. Einen Beitrag hierzu liefern u. a. hygroskopisch wirksame Raumbegren-zungsfl ächen mit gezielt modifi zierten hygrischen Kennwerten.
Passive measures for hygric indoor climate regulation. One of the primary objectives in building physics is to construct buildings with indoor air conditions that meet current standards of comfort for residential and public buildings, wherever possible without any additional air conditioning technology. Using ‘hygroscopic’ surfaces with specifi cally modifi ed hygric values as room bound-aries can help achieve this objective.
1 Einführung
In der Wissenschaftsgeschichte wiederholen sich verschie-dene Themenbereiche, allerdings in der Regel auf einem höheren technologischen Niveau; so auch bei der Beeinfl us-sung der hygrischen Komponenten des Raumklimas durch die Raumbegrenzungsfl ächen. Bereits in den 1970igern ha-ben sich Schüle und Jenisch in Stuttgart und fast zeitgleich die Bauklimatiker um Prof. Petzold in Dresden mit dem hygrothermischen Wechselspiel an inneren Raumoberfl ä-chen befasst [1]. Dabei standen häufi g maximale Feuchte-belastungen in Küchen und Bädern und deren Begrenzung durch Innenputze im Vordergrund. Arbeiten in Skandina-vien, insbesondere in Schweden und Finnland, betrachten die Luftfeuchten auch in öff entlichen Räumen als Zielgröße. Da es sich dabei häufi g um Museen, Archive oder Depots handelt, müssen restriktivere Vorgaben eingehalten werden. Das betriff t sowohl die Absolutwerte als auch deren Schwan-kungen und zeitliche Gradienten über längere Perioden. In DIN ISO 11799 [2] lauten die Forderungen für Papiere bzgl. der maximalen relativen Luftfeuchte (50 ± 3) % rel. F., was unter Beachtung fi nanzieller Gegebenheiten bereits eine messtechnische Herausforderung darstellt .Neben dem Vor-teil geringerer Luftbewegungen bei passiver Klimatisierung mittels direktem Materialeinfl uss darf auch die insgesamt bessere Energiebilanz benannt werden.
2 Grundlagen
Eine Darstellung der hygrischen Vorgänge an hygrosko-pisch aktiven Materialoberfl ächen soll die benutzten Kenn-
größen und deren Wirkung auf die Raumluftfeuchte mittels analytischer Lösungen kurz beleuchten. Eine klassische Beschreibung der hygrischen Eigenschaften erfolgt in der Regel mittels der sog. Sorptionsisothermen. Allerdings be-schreiben sowohl der Sorptions- als auch der Desorptions-verlauf die auf- und abgebbaren Feuchtemengen in Abhän-gigkeit der relativen Luftfeuchte nur im Gleichgewichtszu-stand mit der Umgebung. Für die Auf- und Abgabeprozesse im Wohnbereich wird vor allem der Gradient im mittleren Raumluftfeuchtebereich zwischen 40 % rel. F. und 70 % rel. F. entscheidend wirksam. Der häufi g steile Anstieg im Bereich > 80 % rel. F. bleibt wenig interessant. Sehr wichtig sind Hystereseerscheinungen, die den Einsatz praktisch in Frage stellen können, da die Wirksamkeit des Oberfl ächen-speichers nahezu dauerhaft trägheitslos sein sollte. Die un-längst mit großem Aufwand propagierte Substanz „Upsa-lite“ dient hier leider als negatives Beispiel. Die mehrfach geäußerte Bitte, eine geringe Menge für Untersuchungszwe-cke zur Verfügung zu stellen, blieb bislang unbeantwortet. So muss auf Literaturangaben zurückgegriff en werden und die sind weniger erfreulich. Es wird ersichtlich, dass nach einer off ensichtlich sehr günstigen Abspeicherung die erfor-derliche Entspeicherung erst bei niedrigeren, unter übli-chen Nutzerbedingungen kaum vorhandenen Werten der relativen Raumluftfeuchte eintritt. Hier wäre allenfalls an Flächenheizungen mit alternierendem Heizbetrieb zu den-ken. Einer Aufl adung ohne aktive Heizung folgt die Ent-speicherung während der Heizungsphase.
Für das dynamische Geschehen spielt die sog. Sprung-funktion eine entscheidende Rolle. Sie liefert für sprung-förmige Änderungen der Umgebungsfeuchte ϕ Aussagen über die damit veränderbaren Feuchtemengen einer Probe. Hierbei kommt indirekt auch der Widerstand gegenüber dem diff usiven Transport innerhalb des Materials ins Spiel. Die analytische Lösung für die in der Zeit t pro Flächen-einheit ausgetauschten Feuchtmassen m(t)/A lautet [3]
Die Größe aD kann man analog der Temperaturleitfähig-keit als Maß für die Signalgeschwindigkeit der diff usiven Feuchtefeldausbreitung innerhalb des Materials betrach-ten. Die sich ergebenden Zahlenwerte liegen bei Baustof-fen um Größenordnungen niedriger als die Kennwerte für die sich ausbreitenden Temperatursignale. Daraus ergeben sich im Vergleich zu thermischen Prozessen wesentlich längere Einstellzeiten für das Feuchtegleichgewicht bei Veränderung der Umgebungsbedingungen [4]. Tendiert der Stoff übergangswiderstand bei ausreichender Luftumspü-lung gegen null, erhält man zur Bestimmung der ausge-tauschten Feuchtemengen für die Zeitperiode von 12 h bei 20 °C und einem Feuchtesprung von 50 %/80 % die ein-fache Näherung
(2)m(t)
Aconst ·
wconst 1,4 kg/mh 2=
µ≈
Das liefert für übliche Wandbildner bis etwa 100 g/m2 ak-tiver Fläche, was in Anbetracht der geringen Feuchtein-halte von Raumluft recht viel bedeuten kann. Sehr deutlich erkennbar werden die im Widerpart miteinander stehen-den Größen sorptive Anlagerung und diff usiver Transport-widerstand. Es nützt somit wenig, wenn man allein die Gleichgewichtsaussagen der Sorptionsisotherme betrach-tet und nicht das Eindringvermögen des Wasserdampfes in die Strukturen beachtet. Für die austauschbaren Feuchte-mengen spielt die praktisch verfügbare Zeitdauer eine ent-scheidende Rolle. Während im Fall der üblichen Wohn-raumnutzung die halbtägige Periode von 12 h die Spei-cher- bzw. Entspeichermengen bestimmt, sollte man bei Archiv- und Depotbauten den halbjährlichen Austausch-prozess zwischen den angelagerten und austrocknenden Feuchtmengen betrachten.
3 Messungen und laborative Untersuchungen3.1 Messstand
Im Zusammenhang mit der Validierung von Softwareent-wicklung und raumklimatischen Fragestellungen in Ar-chivgebäuden stehen zwei Versuchsstände zur Verfügung (Bilder 1 und 2). Eine klarsichtige Glasvitrine des Museums-wesens erlaubt neben der ständigen Einblicknahme die
Bild 1. Glasvitrine als VersuchszelleFig. 1. Glass cabinet used as a test cell
Bild 2. Klimaprüfkammer zur Untersuchung sorptiver Eigen schaften von Raumbegrenzungsfl ächen: Außen- und InnenansichtFig. 2. Climate test chamber to investigate the sorptive prop-erties of room boundary surfaces: internal/external view
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52 Bauphysik 38 (2016), Heft 1
kontinuierliche wägetechnische Bestimmung sorptiv ge-bundener Luftfeuchtemengen an endlichen Proben bei de-fi niertem Luftwechsel mit konditionierter Zuluft über eine externe Zuführung aus dem Raumvolumen eines Klima-schrankes. Das bietet den Vorteil feindosierter Zuluftmen-gen in den relativ kleinen Versuchsraum der Vitrine [5]. In einer Doppelprüfkammer laufen Untersuchungen zu Flä-chenheizungen hinsichtlich der Wirksamkeit ihrer hygros-kopischen Eigenschaft. Zusätzlich erlaubt die Kammer eine Möglichkeit isothermer Messungen mit der darin eingestell-ten Glasvitrine, da quantitativ zu bestimmende sorptive An-lagerungen unterschiedliche, aber konstante relative Luft-feuchten über längere Zeiträume erfordern.
3.2 SPS11-10µ-Anlage
Bislang sind die Messungen sorptiver Kenngrößen recht auf-wändig und erfordern hohe Sorgfalt bei deren Ausführung. Die klassische Bestimmung der Sorptionsisotherme mittels Exsikkatoren erzwingt die wiederholte Entnahme der Pro-benaus dem defi nierten Milieu. Das verlängert zum einen die Einstellvorgänge und kann vornehmlich bei kleineren Proben die Messergebnisse unzulässig verfälschen. Eine Al-ternative besteht im Einsatz von automatischen Messein-richtungen [6], die ursächlich für die Pharmaindustrie ent-wickelt worden sind und daher auch für Kleinstproben eine hohe Wägeempfi ndlichkeit besitzen (Bilder 3 und 4). Die Proben befi nden sich in einem abgeschlossenen, konditio-nierbaren Raum auf einem karussellartigen, schrittweise bewegten Probeteller, der jede Einzelprobe nach kurzzeiti-gem Stillstand nacheinander auf einer hochempfi ndlichen Waage absetzt. Der Vorgang läuft so lange, bis das einstell-bare Abbruchkriterium als Diff erenzmasse zwischen 2 Mas-sebestimmungen erreicht worden ist.
3.3 Messwerte hygrischer Materialeigenschaften
Alle nachfolgenden Messergebnisse sind mit Hilfe der vor-stehend beschriebenen Anlage ermittelt worden. Deutlich wird bei der Auswertung der Messungen die teilweise sehr lange Einstelldauer für quaistationäre Zustände. Diese sind aber neben den absolut ausgetauschten Feuchtemengen pro Flächeneinheit ausschlaggebend für eine Langzeitwir-kung auf die Dämpfung der Raumfeuchteschwankungen. Die Bilder 5 bis 8 demonstrieren nachdrücklich das dyna-mische Verhalten der Stoff e.
Untersuchungen zu AdditivenNeben den natürlichen Baustoff en und üblichen techni-schen Produkten spielen spezifi sche Additive in den Her-stellungsrezepturen eine bedeutsame Rolle. Im Bild 9 wer-den die Wirkungen zweier unterschiedlicher Additive mit den Bezeichnungen yy und zz hinsichtlich ihrer Reaktion
Bild 4. Beispiel für die Bestückung des wechselbaren Pro-bentellersFig.4. Example of how to fi ll a removable sample tray
Bild 5. Verlauf der Sorptions-Desorptions-Isotherme für eine nichtzementgebundene HolzbauplatteFig. 5. Sorption/desorption isotherm over time for a non- cement-bonded wooden construction panel
H. Stopp/W. Schmidt/P. Strangfeld · Passive hygrische Klimatisierung
53Bauphysik 38 (2016), Heft 1
mit rel. Luftfeuchten bei verschiedenen Schichthöhen zu-nächst als Rohgranulat bzw. in pulvriger Konsistenz mitei-nander verglichen. Die Materialfeuchteänderung bei einem Sprung der rel. Luftfeuchten nach 12 h zwischen 60 % und 80 % und zurück erfolgt in der Angabe Feuchtmasse pro
Flächeneinheit. Sie dokumentiert den direkten Bezug auf die Veränderung der Feuchtmasse im Raum. Ein Bezug der Feuchteänderung auf die Trockenmasse täuscht bei gerin-gen Materialdichten hohe Werteschwankungen vor.
Das Additiv zz als Rohgranulat mit einer Schütthöhe von 3 mm ist in der Lage, innerhalb von 12 Stunden 102 g Feuchtigkeit pro m2 aufzunehmen und auch wieder abzu-geben. Das Additiv yy 660 der Schütthöhe 3 mm erreicht bei gleichem Zeit- und Flächenbezug 191 g Feuchteände-rung.
Das Rohprodukt des Additivs zz liegt als Granulat in einer Korngröße 1–6 mm vor und kann durch Pulverisie-rung und Verarbeitung über einen mörtelähnlichen Rohstoff in einen Probekörper mit planen Oberfl ächen um gesetzt werden. Die Schüttdichte des Rohgranulates mit 750 kg/m3 wird durch die Bearbeitung zu einem festen Versuchskörper auf 1900 kg/m3 erhöht. Der messbare Erfolg dieser Produkt-fi ndung schlägt sich in ein innerhalb von 12 Stunden maxi-males Speicher- und Entspeicherpotenzial von 230 g Feuch-tigkeit bei einer Bezugsfl äche von 1 m2 nieder.
4 Praxisbeispiel
Bei der Auswahl von Praxisbeispielen wird auf ein Archiv zurückgegriff en. Das hat den Vorteil kaum veränderter Nutzungsbedingungen über einen längeren Zeitraum und zudem straff e Vorgaben bzgl. der Raumklimaparameter, die an mehreren Stellen ohne größere Störungen gemessen werden können. Außerdem lassen sich die in den Raum-begrenzungsfl ächen wechselnden Feuchtmassen wägetech-nisch vor Ort direkt bestimmen. Dem gegenüber stehen die Nachteile einer üblicheweise fensterlosen Hüllkonstruk-
Bild 7. Sorptionsverhalten einer Blähtonprobe mit Salzkon-ditionierung mittels Kaliumcarbonat-Dihydrat über einen längeren Zeitraum periodischer Feuchtsprünge zwischen 40 % und 60 % rel. F.Fig. 7. Sorption behaviour of an expanded clay sample, with salt conditioning using potassium carbonate dihydrate, over a long timescale; periodic moisture peaks of between 40 % and 60 % relative humidity
Bild 6. Messprotokoll für die Aufnahme der Sorptions-Desorptions-Isotherme aus Bild 5Fig. 6. Measurement report on the sorption/desorption isotherm from Fig. 5
H. Stopp/W. Schmidt/P. Strangfeld · Passive hygrische Klimatisierung
54 Bauphysik 38 (2016), Heft 1
rel. F. vorgegeben. Unter der Voraussetzung einer Wand-konstruktion aus Schwerbeton mit 300 mm Miwo-Außen-dämmung und hinterlüfteter Vorhangfassade sowie innen zweifach mit Abstand vorgesetzter Holzbauplatten an den Wänden und einfach abgehängt an den Decken ergeben sich die in den Bildern 14 und 15 dargestellten Verläufe der relativen Luftfeuchten.
Dabei wird allerdings für die mathematisch-physikali-schen Grundlagen des gekoppelten Wärme-Feuchtetrans-ports und die Modellierung der benutzten Software DEL-PHIN eine räumlich homogene Verteilung aller Zustands-größen der Raumluft vorausgesetzt. In einem eingerichteten Archivraum mit erzwungener Luftzuführung kann das nur näherungsweise der Fall sein. Aussagen über die sich ein-stellenden Luftströmungen mittels numerischer Simulation über FLUENT liefern die Bilder 16 und 17.
Um die Luftführung an den Bauplatten zu verbessern und die Strömungsgeschwindigkeiten lokal zu erhöhen, werden die in der Raumzelle (Bild 2) durchgeführten Ex-perimente ebenfalls mittels numerischer Simulation nach-gestellt und die optimale Wahl der Luftauslässe sowie die Anordnung von Luftleitplatten untersucht. Im Bild 17 be-fi nden sich letztere vor den Auslässen auf der Höhe des in
tion und einer im Verlaufe der Zeit nicht kontrollierbaren Erhöhung der hygroskopischen Speicherung infolge einer Zuführung von Archivgut.
4.1 Objektdarstellung
Die Bilder 10 bis 13 zeigen Ausschnitte vom Beginn der Planungsphase eines Neubaus für das Landeshauptarchiv Magdeburg LHA bis zu dessen Einweihungszeitraum im Frühjahr 2011. Der Kubus des Neubaus mit einer Grundfl ä-che von etwa 5000 m2 umfasst 5 Ebenen. Er ist über einen geschlossenen Gang mit dem ziegelsichtigen Altbau ver-bunden.
4.2 Numerische Simulation
Als kostengünstige Methode zur Beurteilung der Einfl uss-nahme verschiedener Parameter auf das Raumklima eines Gebäudes setzt sich während der Planungsphase die nume-rische Simulation mehr und mehr durch. Im vorliegenden Fall geht es um die Wirkung des Schichtaufbaus der Raum-begrenzungsfl ächen auf die Raumluftfeuchte und deren Schwankungen. Sie wird lt. Normung mit max.(50 ± 3) %
Bild 8. Auf- und Entladeprozess im 12-h-Intervall der 40 %/60 % rel. Feuchte-Schwankungen bei einer Temperatur von 15 °C für die salzkonditionierte Blätonprobe, s. Bild 5Fig. 8. Sorption/desorption process at 12-hour intervals with 40 %/60 % variations in relative humidity at a temperature of 15 °C for the salt-conditioned expanded clay sample, cf. Fig. 5
Bild 9. Vergleich der Wirkung von zwei Additiven bei unterschiedlicher Kon-sistenz und Füllhöhe in den ProbenFig. 9. Comparing the eff ect of two ad-ditives in samples of diff ering consist-encies and fi ll levels
H. Stopp/W. Schmidt/P. Strangfeld · Passive hygrische Klimatisierung
55Bauphysik 38 (2016), Heft 1
Deckennähe befi ndlichen Luftschachtes. Die erzwungene Strömung der Luft direkt auf die Bauplatte bewirkt eine höhere Luftgeschwindigkeit und damit einen intensiveren Stoff übergang. Die Simulationen mit unterschiedlichen Turbulenzmodellen liefert keine nennenswerten Abwei-chungen.
4.3 Messeinrichtungen
Bild 18 zeigt die Anordnung der Räume 22 und 24 im 2. OG, in dem zwei diagonal gegenüberliegende Archive für Langzeitmessungen verfügbar sind.
Die Anbringung der Wandverkleidung aus Holzfaser-platten und deren Revisionsplatten aus dem gleichen Mate-rial muss derart erfolgen, dass eine regelmäßige Entnahme ohne Materialverlust zur Bestimmung der Massenänderung durch Feuchteaufnahme bzw. Abgabe möglich wird (Bil-der 19 und 24). Die Bilder 20 und 21 beschreiben die Un-terbringung der Sensoren im Detail.
Bild 10. Landeshauptarchiv LHA Magdeburg, im Vordergrund der weiterhin genutzte Altbau (Verwaltung und Sonderauf-gaben)Fig. 10. Landeshauptarchiv LHA Magdeburg. The existing building in the foreground is still in use (for administration and specifi c tasks)
Bild 11. LHA Magdeburg, Neubau mit Verbindungsgang zum Altbau kurz vor der Fertigstellung im Frühjahr 2011Fig. 11. LHA Magdeburg, new building with connecting walkway to old building, shortly before completion in spring 2011
Bild 12. Luftführung mit Auslass vor Wand- und Decken-verkleidungFig. 12. Air duct with outlet fi tted on top of interior wall and ceiling cladding
Bild 13. Rollregale mit Handkurbel betrieb zur Abstandsver-änderung bei der DokumentenentnahmeFig. 13. Rolling stacks with rotary handle to adjust the dis-tance between units for removing documents
H. Stopp/W. Schmidt/P. Strangfeld · Passive hygrische Klimatisierung
56 Bauphysik 38 (2016), Heft 1
Bild 14. Verlauf der rel. Luftfeuchtig-keit in einem Magazin eines Archiv-gebäudes in Abhängigkeit der Wand-materialien; Volumen 2400 m3; Raum-temperatur 17 ± 1 °C; Luftwechselrate xi > xa: 0,02 h–1 und xi < xa: 0,2 h–1; Außenwandfl äche pro Etage 300 m2; Fußboden- und Deckenfl äche 1100 m2
Fig. 14. Development of relative hu-midity in stacks at an archive building, in relation to the wall materials; vol-ume 2400 m3; room temperature 17 ± 1 °C; air change rate xi > xa: 0.02 h–1 and xi < xa: 0.2 h–1; external wall area per storey 300 m2; fl oor and ceiling area 1100 m2
Bild 15. Einfl uss der Wasserdampfdif-fusionswiderstandszahl der unmittel-baren Raumumschließungsfl ächen auf die rel. Luftfeuchte des Raumes (Para-meter s. Bild 14)Fig. 15. The infl uence of the resistance to water vapour diff usion in the sur-faces immediately enclosing the room on relative humidity in that room (for parameters, see Fig. 14)
Bild 16. Berechnete Geschwindigkeitsverteilungen (Isota-chen, zeitlich gemittelt) in m/s für die beiden senkrechten Ebenen der zwei Eintrittsöff nungen unterhalb der Decke im Segment eines Archivraumes mit gefüllten Archivregalen (erzwungene Konvektion); Turbulenzmodell LESFig. 16. Velocity distribution calculated (as isotachs over time) in m/s for both vertical levels of the two inlets under the ceiling in the segment of an archive room with shelves full of archive material (forced convection); LES turbulence model
Bild 17. Geschwindigkeitsverteilung in der Raumzelle mit einer in Deckennähe vor dem Luftschacht angebrachten LuftleitplatteFig. 17. Velocity distribution in the room cell with an air direction plate fi tted in front of the ventilation shaft, close to the ceiling
H. Stopp/W. Schmidt/P. Strangfeld · Passive hygrische Klimatisierung
57Bauphysik 38 (2016), Heft 1
Bild 19. Anordnung der Revisionsplatten im Schnitt und in der Ansicht in der vorgesetzten Wandverkleidung aus Holzbau-plattenFig. 19. Section view and elevation of access panels and the wooden construction panels applied as wall cladding
Bild 18. Messbereiche II und III im LHA Magdeburg (in den Räumen 22 und 24)Fig. 18. Measuring Areas II and III at LHA Magdeburg (in Rooms 22 and 24)
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58 Bauphysik 38 (2016), Heft 1
Die Vorbereitung für den Einbau der Sensoren und die Durchführung erfolgen mit hoher Sorgfalt. Eine speziell angefertigte Halterung für die defi nierte Ausrichtung von Sensoren wird aus den Bildern 22 und 23 ersichtlich.
Bild 24 repräsentiert die Wandsituation mit der vor-gesetzten Wandverkleidung bei der Entnahme beider Revi-sionsverschlüsse, die gleichzeitig der gravimetrischen Be-stimmung angelagerter bzw. abgegebener Feuchtemengen dienen.
Größere Probleme gibt es bei der Erfassung der wasser-seitigen Wärmeeinträge. Innerhalb beider Magazinräume sollte ein BUS-fähiges Wärmemengenmesssystem der Firma ISTA installiert und vernetzt werden. Durch Bedenken des Nutzers einschl. der zuständigen Behörde hinsichtlich mög-licher Gefährdungen des Archivgutes durch Feuchteein-träge bei einer möglichen Undichtigkeit von Anschlussver-bindungen wurde ein Einbau der Technik in den Magazin-räumen abgelehnt und es musste kurzfristig eine zweite Variante (Bilder 25, 26) erarbeitet werden.
Der Einbau der Messtechnik erfolgt im Heizkreisver-teilerschrank (Bild 26) im Flurbereich des 2. OG. Durch den minimierten Raum im Verteiler kann das von der Firma ISTA geplante BUS-System nicht zum Einsatz kommen. Stattdessen werden von der Firma AHLBORN zwei Durchfl usszähler mit integrierten Temperaturfühlern in den Heizungsrückläufen und zwei Messverschraubungen mit Temperaturfühlern in den Vorläufen installiert. Zur Datenaufzeichnung wird ein Datenlogger vom TYP AL-MEMO 2890-9 im selben Verteiler untergebracht. Die 12-V-Spannungsversorgung des Ahlborn-Datenloggers wird aus der 24-Volt-Steuerspannung der einzelnen Heizkreisstell-motore über ein entsprechendes Netzteil realisiert
Bild 20. Ist-Situation zur Verteilung der Sensorik im Mess-bereich III des Raumes 24Fig. 20. Current distribution of sensor technology in Measur-ing Area III, Room 24
Bild 21. Ist-Situation zur Verteilung der Sensorik im Mess-bereich II des Raumes 22Fig. 21. Current distribution of sensor technology in Measur-ing Area II, Room 22
Bild 22. Halterung für den lagegerechten Einbau von Senso-renFig. 22. Bracket for the correct positioning of built-in sen-sors
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59Bauphysik 38 (2016), Heft 1
Die Untersuchungen zum gezielten Einfl uss von Ar-chivgutbehältnissen (Bild 27) auf die Hygrothermie ihrer Inhalte sind noch nicht abgeschlossen und werden fortge-setzt.
Bild 23. Präparierte und installierte Messtechnik zur Unter-stützung einer optimierten LüftungssteuerungFig. 23. Measurement technology prepared and installed to support optimal ventilation control
Bild 24. Messstelle zur gravimetrischen Bestimmung der sorptiv angelagerten FeuchtemengenFig. 24. Monitoring station to determine gravimetrically the moisture sorption volume
Bild 27. Archivgutbehälter unterschiedlicher Ausführung und Beschickung einschl. ReferenzbehältnisseFig. 27. Containers for archive material in various designs and full to diff erent levels, including reference contents
H. Stopp/W. Schmidt/P. Strangfeld · Passive hygrische Klimatisierung
60 Bauphysik 38 (2016), Heft 1
und bestätigen den vorliegenden positiven Trend mit der feuchtepuff ernden Wirkung hygroskopisch aktiver Hüllfl ä-chen. Eine Übertragung der Erkenntnisse auf weitere Pro-jekte befi ndet sich in der Vorbereitungsphase, wozu u. a. auch eine Clusterbildung innerhalb der BTU Cottbus-Senf-tenberg zur Thematik „Dauerhaft schadensfreie Sanierung, Revitalisierung und Umnutzung mitteleuropäische Be-standsbauten“ beitragen wird mit einer Übertragung der Erkenntnisse auf Neubauten und andere Klimazonen. Ein interessantes Einsatzgebiet ergibt sich bei der künftigen Nutzung des Raumvolumens der Pontons Schwimmender Bauten. Neben einer sicheren Gewährleistung des erforder-lichen Auftriebs sollen die Volumina auch einer Wohnnut-zung und Speicherfunktion mit defi niertem Raumklima zugeführt werden.
4.4 Messergebnisse und Ausblick
Die Bilder 28 bis 31 präsentieren den Verlauf der Raumluft-temperaturen und relativen Luftfeuchten seit dem Beginn der Aufzeichnungen im Jahre 2011. Es handelt sich hierbei um tägliche Durchschnittswerte, um zum einen die Daten-menge zu begrenzen und zudem den Trend optisch besser darstellen zu können. Erkennbar werden die der adminis-trativen Vorgabe sich zunehmend annähernden Messwerte, s. Abschnitt 1. Die Betreuung der Messanlagen erfolgt seit der Errichtung des LHA Magdeburg fachlich einvernehm-lich in Abstimmung mit Herrn Dr. Heiden, dem hierfür nachdrücklich gedankt sei, genauso wie der Vertretung des verantwortlichen Landesbauamtes und dem BMWi für die fi nanzielle Unterstützung. Die Arbeiten werden fortgesetzt
Bild 28. Raum 22, Temperaturverlauf der Tagesmittel der Raumluft im Mess-bereich IIFig. 28. Room 22, daily mean indoor air temperature over time in Measuring Area II
Bild 29. Raum 22, Verlauf der Tages-mittel der relativen Luftfeuchtigkeit der Raumluft im Messbereich IIFig. 29. Room 22, daily mean relative humidity over time in Measuring Area II
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61Bauphysik 38 (2016), Heft 1
[4] Häupl, P.: Bauphysik-Kalender Klima – Wärme – Feuchte – Schall. Berlin: Ernst & Sohn 2008
[5] Strangfeld, P., Stopp, H.: F/E-Bericht: Passive Klimatisierung zur Langzeitaufbewahrung von Archivgut. TIB Hannover, Juni 2014.
[6] Sorptionsprüfsystem SPS für Wasserdampf, SPS11-10 An-lage, [email protected]
Autoren des Beitrages:Prof Dr. sc. techn. Horst StoppDr.-Ing. Wolfgang SchmidtDr.-Ing. Peter Strangfeld
Alle:Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg,Fakultät 8, Fachgebiet BauphysikLipezker Straße 4703048 Cottbus
Danksagung
Das Projekt erfuhr eine fi nanzielle Unterstützung durch das BMWi und wurde organisatorisch-fachlich gut betreut durch den Projektträger PTJ/EnOB.
Literatur
[1] Jenisch, R.: Berechnung der Feuchtigkeitskondensation und die Austrocknung, abhängig vom Außenklima. Gesundheits-ingenieur, Teil 1: H. 9 (1971) und Teil 2: H. 10 (1971).
[2] DIN ISO 11 799 Information und Dokumentation – Anfor-derungen an die Aufbewahrung von Archiv- und Bibliotheks-gut.
[3] Stopp, H., Strangfeld, P., Toepel, T.: Hygrothermische Wirkun-gen von Raum- und Außenoberfl ächen. Bauphysik 30 (2008), H. 1, S. 1–14. DOI: 10.1002/bapi.200810001
Bild 30. Raum 24, Temperaturverlauf der Tagesmittel der Raumluft im Mess-bereich IIIFig. 30. Room 24, daily mean indoor air temperature over time in Measuring Area III
Bild 31. Raum 24, Verlauf der Tages-mittel der relativen Luftfeuchtigkeit der Raumluft im Messbereich IIIFig. 31. Room 24, daily mean relative humidity over time in Measuring Area III
Multifunktionale Betondecken: ein neues Konzept für die UmsetzungThomas Friedrich
Optimierung von Decken im Hochbau aus statischer Sicht
Zuerst ein Blick zurück auf die Anfänge des Stahlbetons und der damit erstellten Hochbaudecken. Im Jahre 1895 entwickelte F. Hennebique erstmalig eine Unterzugsdecke bestehend aus Haupt- und Nebenunterzügen und einer dünnen Platte (Bild 1). Diese Konstruktion lehnte sich noch sehr stark an die Bauweise des Stahlbaus an, indem die einachsig gespannten Stahlträger aufeinander gelegt wurden. Die wahren Fähigkeiten des Stahlbetons zeigten sich bereits 15 Jahre später mit der Vorstellung der Pilzkopf-decke von R. Maillart. Stahlbetonplatten können die Ein-wirkungen auf sehr effiziente Weise zweiachsig abtragen. Gegenüber der Unterzugsdecke wird bei der Flachdecke jedoch mehr Material verbraucht. Heute, ca. 130 Jahre spä-ter, baut man bei weitgespannten Decken immer noch mit Unterzügen, um Material einzusparen. Für kleine Spann-weiten wird die Flachdecke bevorzugt, da die Deckendicke relativ gering ausfällt. Hochbaudecken werden auch heute noch ausschließlich im Hinblick auf die Kosten von Mate-rial und Lohn optimiert. Waren in den Anfängen des Stahl-betons die Materialkosten entscheidend, bestimmt heute der Lohnanteil die Gesamtkosten.
Neue Zielsetzung: nachhaltig, energieeffizient und behaglich
Heutzutage bestimmen ganz andere Einflussfaktoren die Konstruktion der Hochbaudecken. Nachhaltigkeit, Ener-gieeffizienz und die höchste Behaglichkeit für den Benut-zer bestimmen sowohl die Konstruktion an sich als auch den Herstellprozess (Bild 2). Damit haben die bisherigen Optimierungen ausgedient, die sich alleine nur auf die sta-tischen Aufgaben beschränken. Vielmehr ist der gesamte Deckenaufbau der Hochbaudecke (tragende Decke, deren Aufbau und die Unterdecken) zu betrachten, was zwangs-läufig auch die anderen Gewerke (exklusive dem Rohbau) betrifft. Das wiederum führt dazu, nicht mehr länger die einzelnen Funktionen getrennt und als additive Ergänzun-gen zu betrachten, sondern über deren funktionale Integ-ration nachzudenken. Die einzelnen Kriterien der neuen Zielvorgabe bedingen Überlegungen und Anstrengungen für die Entwicklung einer neuen Konstruktion, die die ver-schiedenen Funktionen integral erfasst. Im Detail führen die neuen Zielbegriffe zu den nachstehenden Forderun-gen.
Nachhaltigkeit bedeutet: – geringerer Materialverbrauch und damit Einsparung
von Ressourcen, – weitgespannte Deckenelemente, um die Raumgestal-
tung jederzeit flexibel den entsprechenden Anforderun-gen an die Nutzung anpassen zu können.
Energieeffizienz bedeutet: – eine kompakte Bauweise, um Gebäudevolumen einzu-
sparen, – passive und aktive Nutzung des Konstruktionswerk-
stoffs als Energiespeicher, – Verteilung der thermischen Energie über große zusam-
menhängende und frei zugängliche Flächen (Decken, Wand)
– Niedrigtemperaturverteilung im Heiz- und Kühlfall, – Energieerzeugung bzw. -verteilung über wassergeführte
Systeme anstelle der luftgeführten Anlagen, da Wasser die Energie effizienter transportiert und verteilt,
– wenn möglich, die Nutzung von erneuerbaren Energien als Energiequelle mit Vorzug auf die Erdwärme, da diese ganzjährig und vom Wetter unabhängig zur Verfügung steht.
Behaglichkeit für den Nutzer bedeutet: – gleichmäßige und angenehme Temperaturverteilung im
Raum, weg von der temperierten Luft einer klassischen Klimaanlage oder punktförmigen Heizkörpern,
Bild 1. Klassische Betondeckenkonstruktion mit Unter-zügen aus den Anfängen des Stahlbetonbaus (Bauweise F. Hennebique, 1895)
Th. Friedrich · Multifunktionale Betondecken: ein neues Konzept für die Umsetzung
63Bauphysik 38 (2016), Heft 1
Konvektion [1] erzeugt ein angenehmes Wohlfühlklima mit geringsten Luftgeschwindigkeiten ohne größere Staubauf-wirbelung. Angenehm temperierte Oberflächen der Räume erlauben eine Reduktion der Raumlufttemperatur und füh-ren zu einer weiteren Reduktion des Energieverbrauchs.
Allerdings wurde dieser Ansatz nicht in voller Konse-quenz zu Ende gebracht. An der bestehenden Konstruk-tion, der tragenden und massiven Vollbetonplatte, wurde nichts verändert. Die wasserführenden Rohrleitungen, ein-gebettet innerhalb des Vollquerschnitts, liefern nur eine begrenzte thermische Leistung aufgrund der hohen Beton-masse. Mit dieser Energie kann nur die thermische Grund-last des Gebäudes abgedeckt werden. Der systembedingte Entfall der abgehängten Decke zwingt zur Verlegung der dort bislang angeordneten Leitungen an eine andere Stelle des Querschnitts. Dies betrifft hauptsächlich die Lüftung, die aufgrund der Zwangslüftung heutzutage in jedem Neu-bau erforderlich wird. Bei dem Einbau einer Bauteilakti-vierung verbleiben nur wenige Optionen für den Einbau innerhalb der Deckenkonstruktion. Das führt vermehrt dazu, heutzutage alle Leitungen innerhalb des tragenden Deckenquerschnitts anzuordnen. Der i. d. R. ohne Schub-bewehrung ausgeführte Vollquerschnitt der Flachdecken wird durch die eingelegten Rohrleitungen geschwächt und der Querkraftwiderstand erheblich reduziert [2]. Deshalb ist die Lage der Leitungen innerhalb des Vollquerschnitts präzise zu planen und zu koordinieren. Der Nachweis des Querkraftwiderstandes ist mit der Querschnittschwächung durch den Leitungsquerschnitt zu erbringen und allenfalls eine ergänzende Bügelbewehrung anzuordnen oder lei-tungsfreie Zonen vorzusehen.
Die Vorgaben aus der Planung müssen in der Ausfüh-rung überwacht werden, was bei der Vielzahl der Elemente und deren Verlauf nicht immer so einfach umsetzbar ist.
Mit der Ausführung als massiver Vollquerschnitt wird schlussendlich noch immer viel Material verwendet, wes-halb auch dort der Hebel für eine Neuentwicklung ange-setzt werden muss, um bereits bei der Herstellung Primär-energie einzusparen.
– die thermische Behaglichkeit erfolgt über Strahlung an-stelle Konvektion,
– geringe Luftgeschwindigkeiten dank Energieübertra-gung über Strahlung,
– ausreichende Beleuchtung am Arbeitsplatz, – hoher akustischer Komfort mit den entsprechenden
Maßnahmen um den Schallpegel zu reduzieren.
Erste Ansätze für eine integrale Konstruktion
Bereits mit den erneuten Versuchen, ab ca. 1980 eine ther-mische Bauteilaktivierung innerhalb des Betonvollquer-schnitts zu integrieren, wurden die ersten Ansätze für die multifunktionale Nutzung von tragenden Betonbauteilen angedacht (Bild 3). Die ergänzende Nutzung des Beton-querschnitts als passiver und aktiver Energiespeicher er-möglicht Energieeinsparungen während der Betriebszeit des Gebäudes. Die großen freien Flächen von Decke und Wand erlauben eine Energieverteilung auf Niedrigtempe-raturniveau. Zudem wird durch die angepasste Oberflä-chentemperatur eine hohe thermische Behaglichkeit er-zeugt. Die Energieübertragung über Strahlung anstelle von
Vergangenheit bis 2005 Zukünftige Entwicklung ab 2005
Th. Friedrich · Multifunktionale Betondecken: ein neues Konzept für die Umsetzung
64 Bauphysik 38 (2016), Heft 1
Integrale Funktionsausnutzung durch Integration der Kompo-nenten der Haustechnik innerhalb des Deckenquerschnitts
Mit dem Sandwichquerschnitt stehen erstmalig für die ge-ordnete Montage der Leitungen drei individuelle Ebenen zur Verfügung [3]. Jede der drei Ebenen kann für eine ge-zielte Anordnung von ausgewählten Leitungen genutzt werden. Die untere Schale wird mit den wassergeführten Rohrleitungen thermisch aktiviert (Bild 5). Gegenüber der klassischen Betonkernaktivierung ermöglichen die geringe Betonmasse, die Isolierung durch den Deckenhohlraum und die oberflächennahe Anordnung der Rohre eine deut-lich höhere thermische Leistung sowie eine sehr schnelle Reaktionszeit. Diese Leistungsverbesserung erlaubt die al-leinige Raumklimatisierung über die Decke ohne jegliche Zusatzgeräte wie Heizkörper oder Deckensegel. Die schnelle Reaktionszeit in Verbindung mit den auf das Aus-bauraster abgestimmten Plattenbreiten und deren Rohrre-gister macht nun erst die Einzelraumregelung möglich. Die nachteilige Wirkung der glatten Betondecke auf die Raum-akustik wird durch spezielle streifenförmige Absorber neu-tralisiert. Dank der schlanken Geometrie der Absorber können diese ebenfalls in der unteren Schale deckenbün-dig integriert werden. Leerrohre für Elektroleitungen zur Versorgung von abgehängten Gerätschaften finden eben-
Neuentwicklung einer Deckenkonstruktion mit Sandwichquerschnitt
Will man zukünftig die vorgenannten Anforderungen erfül-len, die thermische Leistung sowie die Qualität beim Lei-tungseinbau verbessern und die Risiken bei der Tragfähig-keit verringern, so braucht es ein ganzheitliches Konzept [3]. Dazu muss der Querschnitt angepasst werden. Die fol-gerichtige Entwicklung führt zu einem Sandwichquer-schnitt (Bild 4) in Beton, der von seiner Wirkung her mit den Leichtbaukonstruktionen zu vergleichen ist. Die beiden dünnen am äußeren Rand des Querschnitts angeordneten Schalen liefern nahezu den gleichen Biegewiderstand wie ein Vollquerschnitt. Der Schubwiderstand wird durch die wenigen diskreten Rippen gestellt. Diese sind so oder so notwendig, um die beiden Schalen kraftschlüssig miteinan-der zu verbinden. Durch die Reduktion des Querschnitts auf die beiden dünnen Schalen und auf wenige Rippen wird Material und folglich auch Gewicht eingespart. Die Material-einsparungen betragen je nach Spannweite und Decken-dicke zwischen 30 % und 55 %. Damit werden bereits bei der Herstellung Energie und Ressourcen eingespart und folglich weniger Primärenergie aufgewendet. Die Reduktion des Gewichts und die nahezu gleich große Steifigkeit macht es möglich, mit dem schlanken Querschnitt große Spann-weiten stützenfrei zu überbrücken. In Verbindung mit einer vorgespannten Bewehrung, die zudem auch wegen des ge-ringeren Eigengewichts geringer ausfällt, werden große Spannweiten bei geringen Durchbiegungen hergestellt.
Große stützenfreie Räume erlauben eine sehr flexible Nutzung, indem die inneren Räumlichkeiten beliebig durch leichte Trennwände angepasst und verändert wer-den können. Diese hohe Flexibilität sichert dem Gebäude eine hohe Nachhaltigkeit.
Die weitgehend einachsige Tragwirkung der Platten mit Sandwichquerschnitt wird bei deren Verwendung zur Herstellung von Flachdecken wie bei der Slim-Floor-De-cke durch deckenbündige von Stütze zu Stütze spannende Unterzüge kompensiert. Allerdings braucht es dazu keine Stahl- bzw. Stahlverbundträger, denn ein vorgespannter Betonträger erfüllt den gleichen Zweck. Die Schalung und die Schubbewehrung für den deckengleichen Unterzug werden mit der unteren Schale des Sandwichquerschnitts bereits mitgeliefert.
Obere Platte
Heizleitung
Akustikabsorber
Monolitzen
Elementplatte
Bild 4. Aufbau des Sandwichquerschnitts
Bild 5. Einbau der Haustechnik-Komponenten im Fertigteil-werk
Th. Friedrich · Multifunktionale Betondecken: ein neues Konzept für die Umsetzung
65Bauphysik 38 (2016), Heft 1
falls Platz in der unteren Schale. Entsprechend ist die Ab-messung der unteren Schale zu wählen.
Die mittlere Ebene, der Deckenhohlraum, steht für die vollständige Integration der Lüftungsleitungen (Bild 6), der Elektrotrassen, der Zuleitungen für die Heizverteiler und für die Sprinklerleitungen zur freien Verfügung. Die Rip-pen müssen dann allerdings Öffnungen in regelmäßigem Abstand für die Durchführung der Leitungen aufweisen.
Schlussendlich kann die obere Ebene für die Anord-nung von weiteren Leitungen wie Elektroleerrohre oder auch von wassergeführten Rohrregistern für eine mögliche Fußbodenheizung genutzt werden. In der Regel enthält die obere Ebene die Aussparungen für den Zugriff auf den Deckenhohlraum zur Revision der Leitungen.
Herstellung des Sandwichquerschnitts mit vorgefertigten Deckenplatten
Der Hohlraum des Sandwichquerschnitts kann nur be-dingt in Ortbeton erstellt werden. Deshalb bietet sich der Vorfabrikation eine einmalige Chance, die jeweiligen De-ckenelemente und deren Sandwichquerschnitt aus einzel-nen vorgefertigten Bauteilen herzustellen und auf der Bau-stelle zusammen zu setzen. Die untere Schale und die we-nigen zugehörigen Rippen werden im Fertigteilwerk als eine Einheit hergestellt (Bild 7). Die vorgesehenen Bauteile der Haustechnik für die untere Schale und die Anschlüsse
für die restlichen Haustechnik-Leitungen werden bereits im Werk montiert. Sobald diese Einheit auf der Baustelle verlegt ist, können die Leitungen über die Plattenfugen hinweg zu einem durchgehenden Strang verbunden wer-den. Der gesamte Deckenhohlraum steht für die geordnete Leitungsführung zur Verfügung.
Die Rippen müssen bereits die Öffnungen für die Lei-tungsquerung aufweisen (Bild 8). Die Beanspruchungen um die Aussparungen herum können nur mit einer speziellen Form der Bewehrung aufgenommen werden. Je nach Größe der erforderlichen Aussparung reicht bereits speziell gebo-gener Bewehrungsstahl aus. Alternativ liefert ein Stahlblech innerhalb des Betonstegs als Verbundkonstruktion den ge-forderten Widerstand [4]. Dank der Herstellung im Werk kann eine präzise Fertigung und Ausführung der Beweh-rung bzw. der Verbundelemente gewährleistet werden. Eine parabel- bzw. trapezförmige Kabelgeometrie mit einer nach-träglich aufzubringenden Vorspannung (Vorspannung mit oder ohne Verbund) trägt darüber hinaus zum Querkraft-widerstand bei. Damit entlastet die Wirkung aus Vorspan-nung zusätzliche die Beanspruchungen um die Öffnungen.
Sobald alle Leitungen verbunden, verlängert bzw. er-gänzt wurden, kann die obere Schale eingebaut werden. Als eigenständige selbsttragende Platteneinheit wird diese auf die Rippen gesetzt (Bild 9). Die statischen Anschluss-details erlauben eine schubfeste Verbindung der oberen Platte mit der unteren Einheit, so dass der derart entstan-
Bild 6. Einbau der großformatigen Lüf-tungsleitungen in-nerhalb des Decken-hohlraums
Bild 7. Montage der unteren Platte als Voraussetzung für den Sandwichquerschnitt
Bild 8. Abschluss der Montage aller Leitungen für die Haustechnik innerhalb des Deckenhohlraums
Bild 9. Ergänzung des Sandwichquerschnitts mit der Montage der oberen Platte
Th. Friedrich · Multifunktionale Betondecken: ein neues Konzept für die Umsetzung
66 Bauphysik 38 (2016), Heft 1
ben gerecht werden. Die Entwicklung hat über Jahre zu dem heute verfügbaren Produkt Ceiltec® geführt (Bild 12).
Literatur
[1] Friedrich, Th., Kornadt, O., Kurz, W., Schnell, J.: Entwick-lung eines weitgespannten Sandwichdeckensystems mit inte-grierter Haustechnik in Verbundbauweise. Beton- und Stahl-betonbau 109 (2014), H. 1, S. 678–688. DOI: 10.1002/best.201400053
[2] Schnell, J., Thiele, K.: Bemessung von Stahlbetondecken ohne Querkraftbewehrung mit integrierten Leitungsführun-gen. DIBt Mittteilungen 4/2011.
[3] Friedrich, Th.: Multifunktionale Betondecken, Kapitel V. In: Bergmeister, K., Fingerloos, F., Wörner, J.-D. (Hrsg.): Beton-Kalender 2016. Berlin: Ernst & Sohn 2015.
[4] Abramski, M., Friedrich, Th., Kurz, W., Schnell, J.: Tragwir-kung von Betondübeln für Sandwich-Verbunddecken mit gro-ßen Stegöffnungen. Stahlbau 79 (2010), H. 4, S. 248–258. DOI: 10.1002/stab.201001322
[5] Pafferott, J., Kalz, D., Königsdorff, R.: Bauteilaktivierung: Einsatz – Praxiserfahrung – Anforderungen. Stuttgart: Fraun-hofer IRB Verlag 2015.
Autor dieses Beitrages:Dipl.-Ing. Thomas FriedrichINNOGRATION GmbHCusanusstraße 23, 54470 Bernkastel-Kues
dene Sandwichquerschnitt zu einer tragfähigen Einheit wird. Die derart erzeugte Einheit des Querschnitts be-stimmt die Tragfähigkeit und die Gebrauchsfähigkeit der gesamten Platteneinheit.
Integrale Planung mit Sandwichquerschnitt
Mit der Verbreitung der Bauteilaktivierung ist die Pla-nungspraxis erstmalig zu der „integralen Planung“ überge-gangen, indem das Zusammenspiel (Bild 10) zwischen Architektur, Bauphysik und Anlagentechnik [5] bedarfsge-recht abgestimmt wird. Ziel muss es sein, mit der Planung und der passenden Umsetzung die zeitgemäßen Kriterien der Nachhaltigkeit, der Energieeffizienz und der Behag-lichkeit des Benutzers zu erfüllen.
Um den integralen Planungsprozess zu optimieren und die Zusammenarbeit der Planungsverantwortlichen zu erleichtern, braucht es neue an die aktuellen Kriterien an-gepasste Bauprodukte sowie neue zugehörige Baupro-zesse. Das neu entwickelte Produkt der Fertigteildecke mit Sandwichquerschnitt (Bild 11) unterstützt die integrale Planung und auch den passenden Ausführungsprozess.
Mit dem neuen Konzept für Deckenplatten mit Sand-wichquerschnitt ist eine neue Generation von Beton-decken entstanden, die als multifunktionale Betondecken [3] den heutigen Anforderungen an die vielfältigen Aufga-
Bild 11. Zukünftige Hochbaudecken: weitgespannt, geringer Materialverbrauch, integrierte Leitungen zum Kühlen/Hei-zen, integrierte Leitungen der Haustechnik
Bild 12. Deckenuntersicht mit Blick auf alle deckeninteg-rierte Bauteile: Kühlen/Heizen, Akustik, LED-Beleuchtung, Versorgungsleitung Elektro
Bild 10. Aspekte der integ-ralen Planung für multi-funktionale Betondecken
Vorbeugender Brandschutz bedeutet die Gesamt-bewertung der baulichen, anlagentechnischen und organisatorischen Maßnahmen unter Berücksichti-gung der nutzungsbedingten Gefährdungspotentia-le und Schutzziele. Aktueller Überblick und Hinter-grundwissen zum Regelwerk aus erster Hand.
Der Mauerwerk-Kalender 2016 befasst sich schwer-punktmäßig mit den Themen Baustoffe, Sanierung und Eurocode-Praxis. Daneben werden in aktuellen Beiträgen u. a. Fragestellungen der Schubbemessung und der Zuverlässigkeitsanalyse erörtert.
Preisträger des DGNB-Preises „Nachhaltiges Bauen“ 2015
Ein generalsaniertes Wohnhochhaus im Schwarzwald erhielt den DGNB-Preis „Nachhaltiges Bauen“. Die Stiftung Deutscher Nachhaltigkeitspreis e. V. und die Deutsche Gesellschaft für Nachhalti-ges Bauen DGNB e. V. verliehen die Auszeichnung am 27. November 2015 in Düsseldorf im Rahmen des 8. Deut-schen Nachhaltigkeitstages. Überreicht wurde der Preis von Bundesumwelt-ministerin Dr. Barbara Hendricks.
Preisträger: Generalsanierung und Aufstockung Wohnhochhaus in Pforz-heim
Aus der Begründung der JuryDas Projekt „Generalsanierung und Auf-stockung Wohnhochhaus in Pforzheim“ adressiert ein verbreitetes Problem des Gebäudebestands aus der Nachkriegs-zeit: den Umgang mit sanierungsbedürf-tigen Altbauten. Für das in den 1070er-Jahren erbaute Wohnhochhaus in zen-traler Lage Pforzheims wurde unter dem Primat der „ästhetischen Nachhaltig-keit“ ein interdisziplinäres General-sanierungskonzept erarbeitet.
Die energetische Sanierung geht ein-her mit der Erneuerung des haustechni-schen Konzepts, einschließlich der Ver-wendung regenerativer Energien, aber auch dem Thema der Nachverdichtung, der Verbesserung der Wohn- und der ästhetischen Qualität. So ist beispiels-weise ein Absorber, der Heizwärme und Brauchwassererwärmung erzeugt, nicht sichtbar in die Fassade integriert. Photo-voltaikmodule und eine Kleinwindkraft-anlage auf dem Dach erzeugen erneuer-baren Strom aus eigenen regenerativen Quellen. Durch die Verwendung recyc-lingfähiger Baustoffe und den Verzicht
auf Verbundkonstruktionen konnte bei der Generalsanierung und Aufstockung des Wohnhochhauses die eingesetzte graue Energie reduziert werden.
Die Aufstockung ermöglicht die Inte-gration einer anderen Wohnungstypolo-gie in den Gebäudebestand mit offenen Grundrissen und großen Terrassen. Zu-dem kann jede der bestehenden Woh-nungen durch die Umwandlung der klei-nen vorgehängten Balkone zu großen Loggien einen Zugewinn an Wohnquali-tät verzeichnen. Aufgrund der exponier-ten Stelle in der Stadt, gegenüber des Hauptbahnhofs von Pforzheim, wird das Wohnhochhaus, das bereits als Mo-dellprojekt bei mehreren Förderpro-grammen aufgenommen wurde, Bot-schafter in einer öffentlichkeitswirksa-men Kommunikation für klimaneutrales Bauen und Sanieren. Überzeugend ist auch die nur moderate Anpassung der Mieten, denen gegenüber etwa 10 % der ursprünglichen Energiekosten bei erheb-lich gesteigertem Wohnkomfort stehen.
Das Projekt „Generalsanierung und Aufstockung Wohnhochhaus“ zeigt in unaufgeregter, fast selbstverständlicher Weise den Umgang mit einem Wohn-hochhaus, das den Anforderungen an zeitgemäßes Wohnen nicht mehr ent-spricht, aber gerade als kompaktes in-nerstädtisches Wohngebäude mit hoher Dichte an Wohnungen der Zersiedlung und Belastung aus Pendlerverkehr ent-gegenwirkt. Die Jury wählt das Wohn-hochhaus auf Platz 1 des DGNB Preis „Nachhaltiges Bauen“ aufgrund des aus-gezeichneten und beispielhaften Bei-trags zur nachhaltigen Stadtentwicklung und Erneuerung.
Sonderpreis für CUBITY energy-plus and modular future student living, Versailles und Frankfurt am Main
Aus der Begründung der JuryCUBITY ist das erste Studentenwohn-heim im Plusenergiestandard. Es wurde auf einer Grundfläche von 15 × 15 m
von Studierenden der TU Darmstadt als experimentelles Modell für temporäres Wohnen entwickelt. Überzeugend sind das äußerst innovative Raumkonzept, die Modularität, die örtliche Flexibilität und die interdisziplinäre Zielsetzung sozialer und energetischer Suffizienz. Dadurch bietet CUBITY Adaptions-potenziale für weitere Nutzungsformen und somit andere gesellschaftliche An-forderungen wie Flüchtlingswohnen oder Wohnen im Alter.
Die konzeptionelle Idee von CUBITY folgt dem Haus-im-Haus-Prinzip. In einer von einer transluzenten Hülle umschlos-senen Halle gruppieren sich sechs zwei-geschossige Wohnkuben um einen zen-tralen Platz, dem „Marktplatz“. Jeder Studierende bewohnt einen privaten, in seiner Fläche bis auf das Minimum re-duzierten Cube, der dem Leitmotiv des raum- und flächenoptimierten Wohnens gerecht wird. Dieses stellt den wachsen-den Wohnflächenbedarf pro Person in Deutschland (derzeit 45 m2) in Frage und verfolgt stattdessen den Ansatz der Selbstbegrenzung – zum einen räumlich, durch die Reduzierung der privaten Wohnfläche, zum anderen thermisch, durch eine intelligente klimatische Zo-nierung in unterschiedliche Behaglich-keitsbereiche. Damit schafft CUBITY eine neue Wohnform für Studierende mit unterschiedlichen Aufenthaltsqualitäten hinsichtlich thermischem Komfort, Licht sowie Akustik. Eine Zonierung (Puffer-zone) ist integraler Bestandteil des Nut-zungs- sowie des architektonischen Kon-zepts und macht die unterschiedlichen Qualitäten erfahrbar.
Großzügige Gemeinschaftsflächen setzen auf Interaktion, Kommunikation und soziale Integration, um der wach-senden Anonymität konventioneller stu-dentischer Wohnhäuser entgegenzuwir-ken. Die modulare Bauweise gewährleis-tet die Sicherstellung eines nachhaltigen Lebenszyklus. Die aus größtenteils nach-wachsenden Materialien gefertigten Bau-elemente können unkompliziert rück-
Bild 2. CUBITY, Versailles/Frankfurt a. Main (Bildquelle: Thomas Ott)
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Aktuell
gebaut und umgenutzt werden. Niedrige Bau- und Betriebskosten erfüllen darü-ber hinaus die ganzheitlich angelegte Wirtschaftlichkeitsstrategie. Im städte-baulichen Kontext vermag CUBITY Frei-räume oder städtische Brachen durch Zwischennutzung temporär zu nutzen und so ökonomisch flexible Wohnlösun-gen zu entwickeln.
Lobenswert ist nicht nur die erfolgrei-che Verbindung von hochwertiger Wohn-qualität auf kleinem Raum für möglichst viele Menschen. Überzeugt hat CUBITY auch in seiner Entwicklung, der Verbin-dung von Forschung und Wohnraum. Die Jury würdigt den innovativen Beitrag zur Baukultur der Nachhaltigkeit des Projekts CUBITY mit der Wahl unter die Top 3 des DGNB Preises „Nachhaltiges Bauen“.
Sonderpreis für Energiebunker, Ham-burg-Wilhelmsburg
Aus der Begründung der JuryDer Energiebunker in Hamburg-Wil-helmsburg ist ein ehemaliger Flakbunker aus dem zweiten Weltkrieg, der erfolg-reich zu einem nachhaltigen Energie-speicher umfunktioniert wurde. Das Ge-bäude steht inmitten eines ca. 1,2 km2 großen Stadt- und Wohngebietes und ist damit direkt an die zu versorgende In-frastruktur angebunden. Der Energie-bunker ist ein Projekt der Internationa-len Bauausstellung IBA Hamburg.
Die deutlich sichtbare 2.000 m2 große Solare Hülle auf dem Dach (1.350 m2 Solarthermie) und an der Südseite der Fassade (670 m2 Photovoltaik) sowie die leicht zugängliche und einfach zu be-sichtigende Technik des 2.000 m3 Was-ser fassenden Energiespeichers im Inne-ren machen wesentliche Teile der Ener-giewende sichtbar. Damit versorgt der Energiebunker im Endausbau der An-lagentechnik rund 3.000 Haushalte im Quartier mit bis zu 85 % regenerativ er-zeugter Wärme und ca. 1.000 Haushalte mit Strom. Dabei ist der Speicher ein
Vorreiterprojekt dezentraler Energiever-sorgung: Er wird durch die Wärme eines biomethanbefeuerten Blockheizkraft-werks, einer Holzfeuerungsanlage, einer solarthermischen Anlage sowie aus der Abwärme eines Industriebetriebs ge-speist.
Der Energiebunker genießt eine hohe Akzeptanz unter den Quartiersbewoh-nern, nicht zuletzt da sie umfassend in die Planungs- und Bauphase mit einbe-zogen wurden. Das Bauwerk bietet ne-ben der „begehbaren“ Energiezentrale mit einem Roof-Top-Café und einer Aus-sichtsplattform weitere Mehrwerte für Einheimische und Touristen. So ist der Energiebunker zu einem hochfrequen-tierten Anziehungspunkt im Stadtteil Wilhelmsburg geworden. Auch in der Architektur überzeugt die umgebaute Kriegsruine als Mahnmal und Kultur-denkmal. Der respektvolle Umgang mit der Gebäudestruktur macht sich unter anderem durch die filigran konstruierte solare Hülle im nötigen Abstand zur Ge-bäudekontur erkennbar.
Der Energiebunker zeigt eindrucks-voll, wie Infrastruktur einen städtebau-lichen Mehrwert und Identifikation schaffen kann. Damit leistet das Bau-werk einen herausragenden Beitrag zur nachhaltigen Quartiersentwicklung. Die Jury lobt die Umprägung eines Mahn-mals zu einer Großskulptur im Park, die intelligente Nutzung regenerativer Ener-gien sowie die innovative Veranschau-lichung der Energiewende und würdigt das Projekt „Energiebunker“ mit der Wahl unter die Top 3 des DGNB Preises „Nachhaltiges Bauen“.
Weitere Informationen:www.nachhaltigkeitspreis.de
Deutscher Nachhaltigkeitspreis Forschung 2015 an TU Dresden für Verbundbeton C3
Das Konsortium C3 Carbon Concrete Composite der TU Dresden ist für sei-nen neuartigen Verbundbeton mit dem Deutschen Nachhaltigkeitspreis For-schung 2015 ausgezeichnet worden. Der Preis wurde am 27.11.2015 im Rahmen des 8. Deutschen Nachhaltigkeitstages in Düsseldorf übergeben.
Mit Carbonbeton lässt sich im Bau bis zur Hälfte der Energie und Roh-stoffe, die für konventionellen Bau be-nötigt werden, einsparen. Der Nachhal-tigkeitspreis wird helfen, den neuen Werkstoff aus dem Labor auf die Bau-stelle zu bringen. Das ist das richtige Signal im Wissenschaftsjahr 2015 – Zu-kunftsstadt. Das ausgezeichnete Konsor-tium C3 arbeitet mit 130 Partnern aus Forschung, Unternehmen und Verbän-den an der Entwicklung und Einführung
des neuen Verbundwerkstoffs Carbon-beton. Er besteht aus Carbonfasern und Hochleistungsbeton, spart bis zu 50 % Material und somit Ressourcen, Emissi-onen, Kosten und Energie ein. Dank sei-ner Flexibilität und Langlebigkeit hat C³ das Potential, herkömmlichen Stahlbe-ton abzulösen. Das Konsortium bindet alle Akteure der Produktentwicklung ein und strebt an, in zehn Jahren bis zu 20 % des bundesweiten Betonbedarfs zu decken. Heute wird im Bausektor fast die Hälfte aller weltweit verarbeiteten Rohstoffe verbraucht, er verursacht rund ein Drittel des Energieverbrauchs und CO2-Emissionen. Die Erforschung und Etablierung des neuen Werkstoffs bietet jetzt eine Chance, die hohe Belas-tung zu senken ohne Abstriche am Le-bens- und Qualitätsstandard.
Der Preisträger wurde in Koopera-tion mit dem Fernsehsender 3sat „nano“ in einem Public Voting ermittelt. Zur Wahl standen drei Finalisten, die von der Expertenjury unter Vorsitz des Ge-neralsekretärs des Rates für Nachhaltige Entwicklung, Prof. Dr. Günther Bach-mann, aus 87 Bewerbungen ausgewählt worden waren.
Weitere Informationen:www.forschungspreis.dewww.bauen-neu-denken.de
Bauaufsichtliche Zulassung für ein reaktives Brandschutzsystem (RBS) für Zugglieder aus Stahl
Im November 2015 erteilte das Deut-sche Institut für Bautechnik (DIBt) die erste bauaufsichtliche Zulassung für ein reaktives Brandschutzsystem (RBS) für Zugglieder aus Stahl. Grundlage hierfür sind die Forschungsergebnisse der Bun-desanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM).
Zugglieder sind filigrane Bauteile, die überwiegend zur Stabilisierung von Tragwerken sowohl in Neubauten als auch bei der Altbausanierung eingesetzt werden. Um diese Konstruktionen vor Brandeinwirkung zu schützen, werden immer häufiger reaktive Beschichtungs-systeme genutzt. Deren großer Vorteil ist, dass durch die relativ geringen Be-schichtungsdicken das architektonische Erscheinungsbild der Konstruktionen erhalten bleibt. Im Falle eines Brandes schäumt das reaktive System auf und bildet eine wärmedämmende Schutz-schicht um das Stahlbauteil. Die Erwär-mung des Stahls verlangsamt sich, die mit steigender Temperatur einsetzende Festigkeitsabnahme des Stahls wird ver-zögert und die Tragfähigkeit des Bau-teils bleibt länger erhalten.
Allerdings fehlten für allgemeine bau-aufsichtliche Zulassungen bislang ausrei-
Bild 3. Energiebunker, Hamburg-Wil-helmsburg (Bildquelle: Frieder Blickle für ERCO)
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69Bauphysik 38 (2016), Heft 1
Weitere Informationen:www.bmub.bund.de
Auftakt von CEN/TC 442 Building Information Modelling (BIM)
Am 16. September 2015 trafen sich am Hauptsitz des Europäischen Komitees für Normung (CEN – Comité Européen de Normalisation) in Brüssel etwa vier-zig Delegierte der nationalen Normungs-organisationen aus ganz Europa zur Auftaktsitzung des Technischen Komi-tees TC 442 „Building Information Mo-deling (BIM)“. Mit dabei waren auch zwei Vorstandsmitglieder von building-SMART.
CEN ist eine der drei großen Nor-mungsorganisationen in Europa und zu-ständig für alle technischen Bereich mit Ausnahme von Elektrotechnik und Tele-kommunikationstechnik. Bis zur Norm-Reife werden die technischen Details zu einzelnen Themen in einem so genann-ten „Technical Committee“ (kurz: TC) erarbeitet. Die aus dem CEN-Normungs-verfahren hervorgehenden Normen müs-sen dann in nationale Normen überführt werden, normalerweise indem sie ein-fach nur in nationale Regelwerke gespie-gelt werden – in Deutschland bspw. in das DIN-Normenwerk.
Der vom DIN Arbeitsausschuss BIM (DIN-005-01-39AA BIM) ernannten vier-köpfigen Delegation aus Deutschland ge-hörten auch zwei Vorstandsmitglieder des deutschsprachigen building SMART an. Als Delegationsleiter Dr.-Ing. Tho-mas Liebich, gleichzeitig Obmann des DIN-Arbeitsausschuss BIM, und Prof. Rasso Steinmann, der den VDI Koordi-nierungskreis BIM im DIN vertritt. Bei dem Kick-Off wurden erste Eckpunkte für das weitere Vorgehen verabredet. Dazu gehören die Übernahme bestehen-der ISO Normen, wie ISO 16739 „IFC“, sowie die Gründung von vier Arbeits-gruppen („Working Group“, kurz: WG), deren Sekretariate von vier verschiede-nen Ländern gestellt werden: – CEN/TC 442/WG 1 Strategy and
Planning (UK), – CEN/TC 442/WG 2 Exchange infor-
mation (D), – CEN/TC 442/WG 3 Information
Delivery Specification (A), – CEN/TC 442/WG 4 Support Data
Dictionaries (F).
Deutschland hat den Zuschlag für die Federführung und damit für das Sekre-tariat für die Arbeitsgruppe 2 „Informa-tionsaustausch“ erhalten. Das beim DIN einzurichtende Sekretariat wird aller Voraussicht nach durch die neuenpla-nen-bauen 4.0 GmbH direkt unterstützt. Die Gesamtkoordination des TC 442 übernimmt Norwegen.
chende Kenntnisse über das Verhalten dieser Brandschutzsysteme, die auf Stahlzuggliedern mit Vollprofil Verwen-dung finden sollten. Daher untersuchten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaft-ler der BAM aus dem Fachbereich 7.3 Brandingenieurwesen die mechanischen Hochtemperatureigenschaften des ein-gesetzten Stahls, führten Brandversuche an Stahlzuggliedern mit reaktiver Brand-schutzbeschichtung im Realmaßstab so-wie numerische Berechnungen mittels der Finite-Elemente-Methode durch. Ge-fördert wurde dieses Forschungsprojekt über drei Jahre durch das DIBt.
Der Einfluss verschiedener Parameter, wie beispielsweise Profilgeometrie, Tro-ckenschichtdicke der reaktiven Brand-schutzbeschichtung sowie Höhe der Zug-beanspruchung, wurden untersucht. Ins-besondere kreisrunde Stahlbauteile mit kleinem Durchmesser standen im Fokus der Forschung. Ziel war es, Zulassungs-grundsätze und Leitlinien zu erstellen, um reaktive Brandschutzsysteme auf Vollkreisquerschnitten unter Zugbean-spruchung beurteilen zu können. Ferner wurden Bewertungskriterien entwickelt, die es ermöglichen Stahlzugglieder mit reaktiver Brandschutzbeschichtung in entsprechende Feuerwiderstandsklassen einzuordnen.
Reaktive Brandschutzsysteme unter-scheiden sich hinsichtlich der erforder-lichen Trockenschichtdicke, Höhe und Struktur der Aufschäumung, thermi-schen Schutzwirkung sowie Rissbildung und Rissheilungsvermögen. Deshalb ist eine produktbezogene Prüfung in Form von Brandversuchen unverzichtbar. An-hand der Brandversuche werden das Aufschäum- und Rissverhalten sowie die thermische Schutzwirkung des verwen-deten reaktiven Brandschutzsystems un-tersucht und Versagensmechanismen identifiziert.
Die in der BAM erarbeiteten Metho-den dienen als Grundlage für allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen des DIBt. Als weltweit erstes Produkt wurde das reaktive Brandschutzsystem „HENSO-THERM® 420 KS“ der Firma Rudolf Hensel GmbH nach dem neuen Verfah-ren geprüft und bewertet. Die nun vor-liegende allgemeine bauaufsichtliche Zulassung erhöht die Sicherheit im Brandfall – Sicherheit macht Märkte.
Weitere Informationen:Dr.-Ing. Sascha HothanAbt. 7 BauwerkssicherheitBundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)Unter den Eichen 8712205 BerlinTel. +49(0)30/8104-1003E-Mail: [email protected] www.bam.de
Aktuell / Technische Regelsetzung
Technische Regelsetzung
EnEV: Anhebung der Anforderungen an Neubauten zum 1. Januar 2016 und befristet geltende Änderungen
Die letzte Novelle der Energieeinspar-verordnung (EnEV), die am 1. Mai 2014 in Kraft getreten ist, enthält unter ande-rem eine Anhebung der Neubauanforde-rungen, die zum 1. Januar 2016 wirksam geworden ist: Der erlaubte Jahres-Pri-märenergiebedarf für Neubauten wird um durchschnittlich 25 % und der Wert für die Mindestwärmedämmung der Ge-bäudehülle um durchschnittlich 20 % gesenkt. Die Anforderungen an die ener-getischen Anforderungen an Neubauten sind somit seit dem 1. Januar 2016 ent-sprechend strenger.
Befristet geltende Änderungen der EnEV im Hinblick auf die Unterbrin-gung von Flüchtlingen Wegen der aktuellen Herausforderungen bei der Unterbringung von Flüchtlingen haben Bund und Länder ein Maßnah-menpaket beschlossen, um bestehende Hemmnisse zu beseitigen.
Eine entsprechende Verordnung, die am 28. Oktober 2015 in Kraft getreten ist, sieht einige – befristet bis Ende 2018 geltende – Ergänzungen in der EnEV vor. Diese enthält in einem neu eingefüg-ten § 25a EnEV bestimmte Erleichterun-gen bei den Anforderungen an Aufnah-meeinrichtungen und Gemeinschaftsun-terkünfte im Sinne des Asylgesetzes. Die Änderungen sollen die Unterbringung von Flüchtlingen in zu errichtenden pro-visorischen Gebäuden sowie die Um-rüstung von bestehenden Gebäuden in Aufnahmeeinrichtungen und Gemein-schaftsunterkünfte vereinfachen und be-schleunigen. So gilt beispielsweise für die Errichtung von Containerbauten mit einer maximalen Standzeit von fünf Jah-ren eine Freistellung von den Vorgaben der EnEV. Für bestehende Gebäude, die der Flüchtlingsunterbringung dienen, gibt es Erleichterungen bei den Dämm-pflichten.
Die Zweite Verordnung zur Änderung der Energieeinsparverordnung wurde am 21. November 2013 im Bundes-gesetzblatt verkündet und ist am 1. Mai 2014 in Kraft getreten. Anlässe für die Novellierung waren die Umsetzung der neu gefassten EU-Richtlinie über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden (2010/31/EU) sowie der Kabinettbe-schlüsse zum Energiekonzept und zur Energiewende vom September 2010 be-ziehungsweise Juni 2011, soweit sie das Energieeinsparrecht für Gebäude betref-fen.
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70 Bauphysik 38 (2016), Heft 1
Veranstaltungen
Thema Termin/Ort Informationen/Anmeldung
60. Betontage – Potenziale der Betonbauteile und Betonfertigteile von morgen
WISSENSWERTES ZUM BAU-ARBEITSMARKT IN ABU DHABIIM ÜBERBLICK:
– erforderliche PapiereDeutsche Staatsangehörige erhaltenein ‚visa on arrival‘ für 30 Tage bei derEinreise. Für eine Anstellung vor Ort isteine Arbeitserlaubnis und Aufenthalts-genehmigung erforderlich. Dafür sindu.a. ein mindestens sechs Monategültiger Reisepass, ein Gesundheitstestvor Ort sowie Originale inkl. beglau -bigter Kopien der Ausbildungsab -schlüsse notwendig.
– praktische Hinweise für Einreiseund AlltagAls Tourist kann man jederzeit für30 Tage einreisen. Eine Aufenthalts -genehmigung für einen längerenZeitraum ist nur mit einem gültigenArbeitsvertrag vor Ort möglich.Wasser sollte man auf keinen Fall ausder Leitung trinken, ansonsten ist dieVerpflegung unkompliziert, weil fürjeden Geschmack etwas dabei ist.Öffentlicher Nahverkehr ist wenigvorhanden, dafür sind Taxis preiswertund überall zu finden.Wichtig: Die Arbeitswoche geht vonSonntag bis Donnerstag.
Arbeiten in …Abu Dhabi – VAE
Fünf Fragen an Dipl.-Ing. Architektin Sabine Steinert, Bereichsleiterin Gebäude International,OBERMEYER Planen + Beraten GmbH
1. Die Planung für das 700-Betten-Krankenhaus begann 2007.Wie plant man ohne den hierzulande gewohntenKrankenhausrahmenplan?Im Gegensatz zu Deutschland/Europa erhält man hier vor Ort sehr oft nurwenige Vorgaben vom Bauherrn. Vielmehr ist eine Beratung bereits insehr frühen Phasen der Projekt-Konzeption basierend auf ‚internationalbest practice‘ gefragt.Dementsprechend begann auch unser Projekt für das Al Ain Hospital miteiner der Planung vorangestellten Projektstudie. Dabei wurden basierendauf den lokalen Gegebenheiten (Bevölkerungsstruktur, Einzugsbereich,Krankheitsbilder) und internationalen Vergleichswerten, die medizinischeAusrichtung, die Bettenanzahl, die notwendige Ausstattung etc. fest -gelegt. Parallel wurde mit ersten Studien zur räumlichen Konzeptionbegonnen, wobei großer Wert auf Flexibilität und Erweiterbarkeit gelegtwurde, um trotz weniger Vorgaben eine gewisse Planungssicherheit zuerhalten und zukünftige Entwicklungen und Änderungen leichterintegrieren zu können.
2. Warum spielt seit Neuestem die Reha in Abu Dhabi eine Rolle?In der traditionellen Beduinengesellschaft in den Vereinigten ArabischenEmiraten lag ein starker Fokus auf der Familie. Alte und Kranke wurdendurch Angehörige gepflegt, was auch in den letzten Jahren noch immerfunktioniert hat. Durch die zunehmende Veränderung der Gesellschaft(geringere Geburtenraten, zunehmende Lebenserwartung) bricht dastraditionelle Familiengefüge immer mehr auf. Somit wird eine außer -familiäre Organisation der Rehabilitation nach einer schweren Krankheitnotwendig. Als eines der ersten Projekte dieser Art in den VereinigtenArabischen Emiraten konnten wir eine integrierte Reha am Al AinHospital umsetzen.
3. Welche Besonderheiten waren in der Konzeptionsphase zubeachten?Wie immer beim Planen im Ausland muss man sich zu Beginn mit denörtlichen Gegebenheiten auseinandersetzen. Dazu gehören neben zumeistbekannten klimatischen und städtebaulichen Aspekten vor allem auchlokale gesellschaftliche Besonderheiten.Da die Familie einen hohen Stellenwert einnimmt, kommen z. B. diemeisten Patienten mit sehr viel Begleitung. Dementsprechend werdenviele große Wartezonen und größere Untersuchungs- und Behandlungs-räume benötigt. Besuch wird traditionell in separaten Räumen, soge -nannten „Majlis“ empfangen. Weitere zusätzliche Flächen werdenfür Gebetsräume benötigt und wie bei Großprojekten üblich, war auch
eine Moschee zu integrieren. Die Religion spielt sogar bei der Anlageder Toiletten eine Rolle. Sie dürfen nicht nach Mekka ausgerichtetsein.
Dipl.-Ing. Architektin Sabine Steinert,Bereichsleiterin Gebäude International,
OBERMEYER Planen + Beraten GmbH
Aufwendige Wasserhaltung in der Wüste
Krankenhaus Al Ain: Visualisierung Patienten -zimmer für Frauen
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Arbeiten in …Abu Dhabi – VAE
Ein ganz entscheidender Unterschied ist jedoch die Geschlechter -trennung, die von separaten Wartezonen und Aufenthaltsräumen für dasPersonal bis zu einer kompletten Duplizierung von Funktionen (z. B. bei derPhysiotherapie) reicht. Diese Anforderungen sind uns bereits aus derPlanung verschiedener Bildungseinrichtungen bekannt, bei denen häufignahezu der gesamte Campus dupliziert und auch physisch durch Mauerngetrennt wird.
4. Wieso konnte Wasser bei der Gründung eines Bauwerks in derWüste zum Thema werden und wie begegneten Sie dem?Der Standort unseres Projekts, Al Ain, liegt mitten in der Wüste, istjedoch eine Oasenstadt. Daher gibt es schon in geringer Tiefe Grund- undSchichtenwasser, was eine relativ aufwendige Wasserhaltung währenddes Aushubs erforderte. Entsprechend ist die Bodenplatte 1,50 m dick umgenügend Masse gegen den Auftrieb vor allem während der Bauzeit zugewährleisten. Die Gründung ist als Schwarze Wanne ausgeführt, da essich vor Ort als sehr schwierig erwies, die Betonqualität für eine WeißeWanne zu erhalten.
5. Das Projekt war für Obermeyer ein BIM-Pilotprojekt. WelcheRolle hat es im Rückblick gespielt?Die Planung des Al Ain Hospital Projekts war von Anfang an mit einemsehr hohen Zeitdruck verbunden. Um ein Projekt dieser Größe – ca.330.000 m2/6.000 Räume/9.000 Türen – über alle Disziplinen konsistentund mit möglichst geringem Risiko umsetzen zu können, hatte sich unserUnternehmen für eine Planung mit BIM entschieden. Hierzu wurde gezieltentsprechende BIM- und Auslandserfahrung ‚importiert‘, indem wirzusätzliche Mitarbeiter aus dem Ausland geholt haben. Obwohl es fürunser Team damals nicht einfach war, neben einem sowieso schonkomplexen Großprojekt in einer fremden Sprache und in einem fremdenLand auch noch eine neue Software zu nutzen, hat sich diese Entschei-dung am Ende für unser Unternehmen ausgezahlt. Ohne BIM wären wirmit der Menge der Daten und der notwendigen Dokumente nicht in dergeforderten Zeit fertig geworden. Große Teile unserer BIM-Erfahrung, diewir jetzt in neue Projekte einbringen können, haben wir an diesem Projektentwickelt. Das wurde 2010 auch mit einem entsprechenden BIM-Awardgewürdigt.Und auch wenn die Mitarbeiter damals viel über BIM und die damitverbundenen neuen Prozesse und Programme geflucht haben, keinermöchte heute zur konventionellen 2D-Planung zurückkehren.
AUF EIN WORTBevor wir mit dem Bau unseres Projekts in Al Ain begonnen haben, hattenwir viele Bedenken, dass die Umsetzung sehr chaotisch verlaufen würde unddass es am Ende schwierig sein würde, das gewünschte Ergebnis zuerreichen. Doch das genaue Gegenteil ist der Fall. Ich habe selten eine derartdurchorganisierte Baustelle gesehen. Unser Bauleitungsteam ist verglichenmit Deutschland mit 90 Mitarbeitern sehr groß und für jedes erdenklicheThema gibt es Formulare und Prozeduren, die zu unserem Erstaunen auchwirklich befolgt werden. Jeder, der auf die Baustelle will (auch jeder Gast),erhält eine komplette Schutzausrüstung, zu der auch Sonnenbrille undHandschuhe gehören. Das Betreten der Baustelle selbst ist für die Arbeiternur mit Fingerabdruck und allgemein für jeden nur nach einer umfassenden(und halbjährlich zu wiederholenden) Sicherheitsschulung möglich, die nebenEnglisch und Arabisch u. a. in zehn verschiedenen indischen Sprachenabgehalten wird. Ohne diese Regeln zu befolgen, kommt man nicht auf dieBaustelle, egal wie wichtig man ist – das musste einmal selbst unsereGeschäftsführung erfahren.
– offene Stellen in welchen BereichenPrinzipiell werden von vielen internationalenFirmen immer Architekten und Ingenieuregesucht, um vor Ort Projekte sowohl zu planenals auch in der Ausführung zu betreuen. DesWeiteren sind auch immer Spezialisten mitbesonderen Fachkenntnissen als Beratergefragt.
– GehälterDie Gehälter sind im Durchschnitt höher als inDeutschland, vor allem wenn man beiinternationalen Unternehmen angestellt ist.Generell sind Europäer als ‚ausländischeSpezialisten‘ zumeist sehr gut bezahlt.
– SteuernBisher keine. Es gibt aber erste Überlegungendies in Zukunft zu ändern.
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Arbeiten in …Abu Dhabi – VAE
Ein ganz entscheidender Unterschied ist jedoch die Geschlechter -trennung, die von separaten Wartezonen und Aufenthaltsräumen für dasPersonal bis zu einer kompletten Duplizierung von Funktionen (z. B. bei derPhysiotherapie) reicht. Diese Anforderungen sind uns bereits aus derPlanung verschiedener Bildungseinrichtungen bekannt, bei denen häufignahezu der gesamte Campus dupliziert und auch physisch durch Mauerngetrennt wird.
4. Wieso konnte Wasser bei der Gründung eines Bauwerks in derWüste zum Thema werden und wie begegneten Sie dem?Der Standort unseres Projekts, Al Ain, liegt mitten in der Wüste, istjedoch eine Oasenstadt. Daher gibt es schon in geringer Tiefe Grund- undSchichtenwasser, was eine relativ aufwendige Wasserhaltung währenddes Aushubs erforderte. Entsprechend ist die Bodenplatte 1,50 m dick umgenügend Masse gegen den Auftrieb vor allem während der Bauzeit zugewährleisten. Die Gründung ist als Schwarze Wanne ausgeführt, da essich vor Ort als sehr schwierig erwies, die Betonqualität für eine WeißeWanne zu erhalten.
5. Das Projekt war für Obermeyer ein BIM-Pilotprojekt. WelcheRolle hat es im Rückblick gespielt?Die Planung des Al Ain Hospital Projekts war von Anfang an mit einemsehr hohen Zeitdruck verbunden. Um ein Projekt dieser Größe – ca.330.000 m2/6.000 Räume/9.000 Türen – über alle Disziplinen konsistentund mit möglichst geringem Risiko umsetzen zu können, hatte sich unserUnternehmen für eine Planung mit BIM entschieden. Hierzu wurde gezieltentsprechende BIM- und Auslandserfahrung ‚importiert‘, indem wirzusätzliche Mitarbeiter aus dem Ausland geholt haben. Obwohl es fürunser Team damals nicht einfach war, neben einem sowieso schonkomplexen Großprojekt in einer fremden Sprache und in einem fremdenLand auch noch eine neue Software zu nutzen, hat sich diese Entschei-dung am Ende für unser Unternehmen ausgezahlt. Ohne BIM wären wirmit der Menge der Daten und der notwendigen Dokumente nicht in dergeforderten Zeit fertig geworden. Große Teile unserer BIM-Erfahrung, diewir jetzt in neue Projekte einbringen können, haben wir an diesem Projektentwickelt. Das wurde 2010 auch mit einem entsprechenden BIM-Awardgewürdigt.Und auch wenn die Mitarbeiter damals viel über BIM und die damitverbundenen neuen Prozesse und Programme geflucht haben, keinermöchte heute zur konventionellen 2D-Planung zurückkehren.
AUF EIN WORTBevor wir mit dem Bau unseres Projekts in Al Ain begonnen haben, hattenwir viele Bedenken, dass die Umsetzung sehr chaotisch verlaufen würde unddass es am Ende schwierig sein würde, das gewünschte Ergebnis zuerreichen. Doch das genaue Gegenteil ist der Fall. Ich habe selten eine derartdurchorganisierte Baustelle gesehen. Unser Bauleitungsteam ist verglichenmit Deutschland mit 90 Mitarbeitern sehr groß und für jedes erdenklicheThema gibt es Formulare und Prozeduren, die zu unserem Erstaunen auchwirklich befolgt werden. Jeder, der auf die Baustelle will (auch jeder Gast),erhält eine komplette Schutzausrüstung, zu der auch Sonnenbrille undHandschuhe gehören. Das Betreten der Baustelle selbst ist für die Arbeiternur mit Fingerabdruck und allgemein für jeden nur nach einer umfassenden(und halbjährlich zu wiederholenden) Sicherheitsschulung möglich, die nebenEnglisch und Arabisch u. a. in zehn verschiedenen indischen Sprachenabgehalten wird. Ohne diese Regeln zu befolgen, kommt man nicht auf dieBaustelle, egal wie wichtig man ist – das musste einmal selbst unsereGeschäftsführung erfahren.
– offene Stellen in welchen BereichenPrinzipiell werden von vielen internationalenFirmen immer Architekten und Ingenieuregesucht, um vor Ort Projekte sowohl zu planenals auch in der Ausführung zu betreuen. DesWeiteren sind auch immer Spezialisten mitbesonderen Fachkenntnissen als Beratergefragt.
– GehälterDie Gehälter sind im Durchschnitt höher als inDeutschland, vor allem wenn man beiinternationalen Unternehmen angestellt ist.Generell sind Europäer als ‚ausländischeSpezialisten‘ zumeist sehr gut bezahlt.
– SteuernBisher keine. Es gibt aber erste Überlegungendies in Zukunft zu ändern.
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Lehren und Forschen an einer dynamischen Hochschule für angewandte Wissenschaften!
Wir suchen Persönlichkeiten, die auf der Grundlage einer über- durchschnittlichen Promotion ihre umfassenden praktischen Erfah-
rungen aus ihrer beruflichen Position in die Lehre und Forschung an unserer Hochschule einbringen wollen. Praxisnähe, inter-
disziplinäre Ausbildung, internationale Ausrichtung und regionale Einbindung prägen unser Profil. Exzellente Qualität von Lehre und
Forschung ist unser Anspruch.Im Fachbereich 1: Architektur Bauingenieurwesen Geomatik ist je eine
Professur (Bes. Gr. W 2 HBesG) für folgende Fachgebiete zu besetzen:
Professur für das Fachgebiet „Baustoffkunde“ (Kennziffer 10/2016)
Gesucht wird eine promovierte Persönlichkeit mit einem Hochschul-Abschluss im Bereich Bauingenieurwesen. Die Befähigung zur wissen-
schaftlichen Arbeit sowie pädagogische Eignung werden voraus-gesetzt. Die/Der Stelleninhaber/-in soll Lehrveranstaltungen in allen Bachelor- und Masterstudiengängen des Fachbereichs 1 übernehmen. Der Schwerpunkt liegt im Bereich des Bachelor „Bauingenieurwesen“
und im Master „Zukunftssicher Bauen“.Von den Bewerberinnen und Bewerbern werden vertiefte Fach-
kenntnisse und Berufserfahrung in verschiedenen Bereichen der Baustoffkunde erwartet. Hier sind fundierte Kenntnisse der Grund-
lagen, Materialprüfung und Modellierung erforderlich. Darüber hinaus sind Kenntnisse im Bereich des nachhaltigen Bauens erwünscht.
Professur für das Fachgebiet „Immobilienbewertung“ (Kennziffer 11/2016)
Gesucht wird eine promovierte Persönlichkeit mit einem Hochschul-Abschluss in den Bereichen der Geodäsie/Architektur/Bauingenieur- wesen oder einem vergleichbaren Abschluss. Die Befähigung zur wissen-
schaftlichen Arbeit sowie pädagogische Eignung werden vorausge-setzt. Die/Der Stelleninhaber/-in soll Lehrveranstaltungen in allen
Bachelor- und Masterstudiengängen des Fachbereichs 1 Architektur-Bauingenieurwesen-Geomatik übernehmen. Der Schwerpunkt liegt
in der Lehreinheit Geoinformation und Kommunaltechnik.Von den Bewerberinnen und Bewerbern werden vertiefte Fach-
kenntnisse und Berufserfahrung in der Immobilienbewertung des bebauten und unbebauten Grundstücks und von baulichen Anlagen
erwartet. Kenntnisse über den Einfluss der Stadt- und Landent-wicklung auf die Immobilienwerte werden ebenso erwartet wie die Kenntnisse hinsichtlich des Einflusses der Immobilienbewirt-
schaftung auf die Immobilienwertentwicklung. Erfahrungen in der internationalen Immobilienbewertung sind von Vorteil.
Wir erwarten von unseren Professorinnen und Professoren: Hohe Präsenz an der Hochschule und intensive Betreuung der
Studierenden; Beteiligung an der Grundlagenausbildung, d. h. die Vertretung des jeweiligen Fachgebiets in einführender Form in allen
Studiengängen des Fachbereiches; Befähigung und Neigung zur Forschung und Einwerbung von Drittmitteln; Gender- und Diversity-kompetenz; Beteiligung an den internationalen Aktivitäten der Hoch-schule, einschließlich Lehre in englischer Sprache; Mitwirkung im inter-
disziplinären Studium generale; Beiträge zum Angebot der Hochschule in Weiterbildung und lebensbegleitendem Lernen; Übernahme von
Verantwortung im Rahmen der akademischen Selbstverwaltung; kontinuierliche Weiterbildung in Fachwissenschaft und Hochschul-didaktik; Bereitschaft zur standortübergreifenden Kooperation mit
anderen Hochschulen der Region; Engagement und Initiative im Rahmen eines leistungsorientierten Entgelts.
Die Frankfurt University of Applied Sciences tritt für die Erhöhung des Beschäftigungsanteils von Frauen ein und fordert daher nachdrücklich
Frauen zur Bewerbung auf. Menschen mit Behinderungen werden im Rahmen der geltenden Bestimmungen bevorzugt berücksichtigt.
Es gelten die Einstellungsvoraussetzungen der §§ 61 und 62 des Hessischen Hochschulgesetzes. Die Stelle steht unbefristet zur Verfügung.
Bei der ersten Berufung in ein Professorenamt erfolgt die Beschäfti-gung zunächst in einem Beamtenverhältnis auf Probe bzw. in einem
unbefristeten Beschäftigungsverhältnis mit einer 3-jährigen Probezeit. Weitere Dienstaufgaben und Voraussetzungen ergeben sich aus §§ 61-
63, 68 und 69 des Hessischen Hochschulgesetzes vom 14.12.2009 (GVBl. I S. 666) in der neuesten Fassung, zuletzt geändert durch Gesetz
vom 28.09.2014 (GVBl. I S. 221) - einzusehen unter www.hmwk.hessen.de.Bewerbungen mit den üblichen aussagefähigen Unterlagen (inkl.
Publikationsverzeichnis, Projekte, Darstellung bisheriger Lehr- und Forschungstätigkeit) werden auf dem Postweg bis 15.03.2016 unter
Angabe der Kennziffer erbeten an denPräsidenten der Frankfurt University of Applied Sciences Abteilung Personal, Nibelungenplatz 1, 60318 Frankfurt.
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Wissen durch Praxis stärkt
Die Frankfurt University of Applied Sciences (FRA-UAS) - mit über 13.000 Studierenden und über 900 Mitarbeitenden in Lehre, Forschung und zentralen Serviceeinheiten - liegt gut
erreichbar mitten im Zentrum der MetropolregionFrankfurt-Rhein-Main.
Für unseren Fachbereich 1: Architektur Bauingenieurwesen Geomatik in der Lehreinheit Bauingenieurwesen suchen wir
zum nächstmöglichen Zeitpunkt - unbefristet - eine/einen
Technische Angestellte/ Technischen Angestellten
im Labor für Baustoffe und Bauwerkserhaltung und Bauphysik
Ihre Aufgaben: Das Aufgabengebiet umfasst die Mitarbeit im Fachgebiet für
Baustoffe, Bauphysik und Bauwerkserhaltung. Es handelt sich um eine Kombination aus Tätigkeiten in der Materialprü-fung und in der Lehre. Zu den Aufgaben in der Material- und Bauwerksprüfung gehören unter anderem die eigenständige
Entwicklung von Versuchsprogrammen für anspruchsvolle Prüfaufgaben, die selbstständige Erarbeitung von Prüfanwei-
sungen für Prüf- und Messaufgaben, die eigenverantwortliche Betreuung und Durchführung von Drittmittelprojekten sowie
die technische Organisation des Laborbetriebs. Im Rahmen der Lehre wird die didaktische Aufarbeitung wissenschaftlicher
Literatur, die eigenständige Ausarbeitung und Durchführung von Laborvorführungen und die fachliche Betreuung der
Studierenden bei Praktika, Projekten und Abschlussarbeiten gefordert. Darüber hinaus erwarten wir Ihre Mitarbeit in den
Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten des Labors.
Ihr Profil: Hochschulabschluss im Bereich Bauingenieurwesen oderverwandten Fachrichtungen (Bachelor oder FH-Diplom);
Vertiefte Kenntnisse im Bereich der Grundlagen des Fachge-biets sowie der Materialprüfung und Messtechnik; Kenntnisse
im Umgang und der Anwendung von Normen und anerkannten Regeln der Technik; Fähigkeit, eigenständig Versuchsprogramme
auch abweichend von der Norm zu entwickeln; Erfahrung im Umgang mit der Erstellung von Steuerungsanweisungen für
Prüfmaschinen; Bereitschaft, sich schnell und eigenständig in neue Messtechniken und -methoden einzuarbeiten; didaktische und ingenieurpädagogische Kenntnisse und Fähigkeiten. Darüber
hinaus erwarten wir sicheres Auftreten, selbstständiges und eigenverantwortliches Arbeiten, Einsatzbereitschaft,
Teamfähigkeit, Flexibilität, ausgeprägte Bereitschaft zur fachbezogenen Weiterbildung sowie gute Englischkenntnisse.
Die Vergütung erfolgt je nach Qualifikation bis Entgeltgruppe 11 TV-Hessen.
Die Frankfurt University of Applied Sciences tritt für dieErhöhung des Beschäftigungsanteils von Frauen ein und fordert daher nachdrücklich Frauen zur Bewerbung auf. Menschen mit Behinderung werden im Rahmen der geltenden Bestimmungen
bevorzugt berücksichtigt. An der FRA-UAS besteht grundsätzlich die Möglichkeit zur Teilzeitbeschäftigung. Als Trägerin des
Zertifikats „Familiengerechte Hochschule“ berücksichtigt die Hochschule ihre individuelle familiäre Situation bei der
Gestaltung Ihrer Arbeitszeit.
Bewerbungen mit den üblichen aussagefähigen Unterlagen (bitte nur in Kopie und nicht in Mappen, da diese nicht
zurückgesandt, sondern nach Abschluss des Verfahrens vernichtet werden) sind bis zum 15.03.2016 unter Angabe der
Kennziffer auf dem Postweg erbeten an die
Abteilung Personalder Frankfurt University of Applied Sciences,
Nibelungenplatz 1, 60318 Frankfurt.
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Die Zeitschrift „Bauphysik“ veröffentlicht Beiträge aus den Bereichen Wärme, Feuchte, Schall, Brand, Stadtklima sowie energiesparendes Bauen und Raumklima mit besonderem Bezug auf die bauphysikalischen Grundlagen, auf innovative Lösungen bei Berechnung, Konstruktion und Ausfüh-rung und damit im Zusammenhang stehende Fragestellungen.
Verlag:Wilhelm Ernst & Sohn – Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG Rotherstraße 21, D-10245 BerlinTel. +49(0)30/47031-200, Fax +49(0)30/47031-270, [email protected], www.ernst-und-sohn.de
Amtsgericht Charlottenburg HRA 33115BPersönlich haftender Gesellschafter: Wiley Fachverlag GmbH, WeinheimAmtsgericht Mannheim: HRB 432736Geschäftsführerin: Franka StürmerSteuernummer: 47013/01644, Umsatzststeueridentifikationsnummer: DE 813496225
Wissenschaftlicher Beirat:Prof. Dr.-Ing. Heinz-Martin Fischer, HFT StuttgartUniv.-Prof. Dr.-Ing. Nabil A. Fouad, Leibniz Universität Hannover, HannoverUniv.-Prof. em. Dr.-Ing. habil Dr. h. c. mult. Dr. E. h. mult. Karl Gertis, HolzkirchenProf. Dr.-Ing. Hans-Gerd Meyer, BerlinUniv.-Prof. Dipl.-Ing. Andreas Wagner, KIT Karlsruhe
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Aktuelle Bezugspreise:Die Zeitschrift „Bauphysik“ erscheint mit 6 Ausgaben pro Jahr. Neben „Bauphysik print“ steht „Bau-physik online“ im PDF-Format über den Online-Dienst Wiley Online Library im Abonnement zur Ver-fügung.
Alle Preise sind Nettopreise. Das Abonnement gilt zunächst für ein Jahr. Es kann jederzeit mit einer Frist von drei Monaten zum Ablauf des Bezugsjahresendes schriftlich gekündigt werden. Das Abon- nement verlängert sich um ein weiteres Bezugsjahr ohne weitere schriftliche Mitteilung. Spezielle Angebote und Probeheftanforderungen unter: www.ernst-und-sohn.de
Die Preise sind gültig bis 31. August 2016. Irrtum und Änderungen vorbehalten.
Bei Änderung der Anschrift eines Abonnenten sendet die Post die Lieferung nach und informiert den Verlag über die neue Anschrift. Wir weisen auf das dagegen bestehende Widerspruchsrecht hin. Wenn der Bezieher nicht innerhalb von 2 Monaten widersprochen hat, wird Einverständnis mit die ser Vorgehensweise vorausgesetzt.Bauphysik, ISSN 0171-5445, is published bimonthly. US mailing agent: SPP, PO Box 437, Emigsville, PA 17318. Pe ri od i cals post age paid at Emigsville PA. Postmaster: Send all address changes to Bauphysik, John Wiley & Sons Inc., C/O The Sheridan Press, PO Box 465, Hanover, PA 17331.
Satz: LVD I BlackArt, BerlinDruck: ColorDruck solutions
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Ernst & Sohn senkt die Preise für ausgewählte englische Bücher. Eine Auswahl der Titel ist abgebildet, eine komplette Übersicht fi nden Sie auf der Website von Ernst & Sohn. Es wird 20 % Rabatt auf den Ladenpreis gewährt, der Rabatt wird für Bestellungen bis 30. Juni 2016 eingehend berücksichtigt, Bestellcode bitte angeben.
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Dietmar Mähner, Jacob Lengers, Carina Brand„Energieklinker“ – System zur Nutzung solarer Wärmeenergie in KlinkerfassadenEs wird ein Forschungsvorhaben vorgestellt, welches das Ziel verfolgte ein System zu entwickeln, mit dessen Hilfe die solare Strahlung auf Klinkerfassaden für Heizzwecke nutzbar gemacht werden kann. Das System wurde an klein- und großformatigen Versuchsaufbauten unter realen Wetterbedingungen getestet. Neben der messtechnischen Bestimmung des Entzugspotenzials wurden weiterhin die für die technische Umsetzung wichtigen Fragestellungen bearbeitet. Ein besonderer Fokus lag bei der Entwicklung von praxistauglichen Einbaumethoden unter Verwendung von etablierten und genormten Bauprodukten.Nach ersten Erkenntnissen scheint die Nutzung dieser Energie mithilfe von Wärmepumpen technisch möglich.
Johann Schwaller, Paul Wegerer, Thomas BednarModifikation des Glaser-Verfahrens zur Berücksich-tigung solarer Strahlung und konvektiver Feuchte-einträgeIn der Literatur zeigte sich, dass ein Hauptproblem bei der Anwendung des Glaser-Verfahrens darin besteht, dass das Bauteilverhalten aufgrund der vereinfachten in die Berech-nung eingehenden Klima- und Konstruktionsrandbedingun-gen teilweise nicht richtig wiedergegeben werden kann, z. B. bei Außenwänden mit kapillaraktiven Innendämm-
systemen, Flachdächern in Holzbauweise. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die im Glaser-Verfahren nicht erfassten klimatischen Einflüsse bzw. Feuchteeintrags-quellen über eine Veränderung der eingehenden Klima-parameter (Temperatur und relative Luftfeuchte) zu berück-sichtigen. So war es in DIN 4108-3:2001 beispielsweise möglich, bei Dachkonstruktionen aufgrund der solaren Ein-strahlung von einer erhöhten Oberflächentemperatur aus-zugehen. Es wird ein alternativer Ansatz verfolgt. Dabei wird das Glaser-Verfahren durch eine Erweiterung der Wärme- und Feuchtestromgleichungen modifiziert.
Alina Schoof, Azra KorjenicÖkologische und ökonomische Gebäudebewertung für ein Einfamilienhaus in VariantenDer Beitrag beschäftigt sich mit den ökologischen und ökonomischen Sachverhalten bei der Errichtung, der In-standhaltung und dem Abbruch eines EFH über einen Le-benszyklus von 100 Jahren. Dazu wurde eine ökologische Bilanzierung und ökonomische Kalkulation unterschied-licher Bauweisen vorgenommen: Massivbauweise und Holzleichtbauweise. Im Rahmen der Untersuchung wurde ein reales Einfamilienhaus in zwei Ausführungen ökolo-gisch und ökonomisch analysiert und bewertet. Die Ergeb-nisse zeigen deutlich, dass die Darstellung der Ergebnisse bzw. die Wahl der physikalischen Einheit Vorteile bzw. Nachteile für eine bestimmte Bauweise verschaffen kann.
Michael GrafeDie Verbrauchsstrukturanalyse – ein einfaches und schnelles Verfahren zur energetischen Bewertung bestehender NichtwohngebäudeÜber den Energiebedarf und -verbrauch von Nichtwohnge-bäuden im Bestand ist wenig bekannt. Die Erhebung die-ser gebäudebezogenen Energiekennwerte gestaltet sich zudem aufwändig, was eine vollständige Erhebung ganzer Gebäudebestände erschwert. Zur Einordnung des energeti-schen Zustandes eines Gebäudes im Vergleich mit anderen Nichtwohngebäuden eines Portfolios und die Ermittlung von gebäudeindividuellen Einsparpotentialen liegen bisher keine geeigneten Benchmarks vor. Das hier vorgestellte Verfahren setzt genau an diesen Punkten an.
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Beton-Kalender 2012 – 2016
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Dieser Beton-Kalender vereinigt Beiträge zu den klas-sischen Kerngebieten des konstruktiven Ingenieur-baus mit Beton, wie z. B. Fertigteile, Elementdecken, multifunktionale Decken, wirtschaftliches Bewehren für den Hochbau, sowie Behälterbau für Industrie und Landwirtschaft. Außerdem: Energiespeicher, Brandschutz.
