Von der Simulation zum bewährten Energiekonzept
Von Anfang an gut aufgestellt! Für das Energetische Modellprojekt „Neubau eines Hörsaal- und Seminargebäudes“ für die Ostfalia-Hochschule am Standort Salzgitter wurden schon in der Auslobung einzuhaltende Grenzwerte für den Energiebedarf definiert. Im Rahmen der Entwicklung des Energiekonzeptes für das Gebäude wurden mit Hilfe von Simulationsverfahren verschiedene Anlagenvarianten untersucht.
Im Hinblick auf Energieverbrauch und Nachhaltigkeit stellte sich die Variante mit Nutzung geothermischer Energie zur regenerativen Heizung im Winter und Kühlung im Sommer als die mit Abstand günstigste Variante dar. Nach der Inbetriebnahme im Jahr 2013 wurde die Energieeffizienz mittels Monitoring den Prognosen gegenübergestellt und in ihrer Wirksamkeit überprüft. Das Resultat: Das Konzept ist nicht nur alltagstauglich, sondern überzeugt auch mit guten Werten.
Das Ziel: Ein Gebäude mit Niedrigstenergie-Standard
Die Bundesregierung hat sich mit dem verabschiedeten Energiekonzept 2050 hohe energie- und klimapolitische Ziele gesetzt. So wird neben dem Ausbau von erneuerbaren Energien eine Halbierung der benötigten Primärenergie bis 2050 angestrebt. Die Stromerzeugung soll dann zu 80 % aus regenerativen Energiequellen bezogen werden. Bedingt durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) und die novellierte Energieeinsparverordnung (EnEV) bestehen bei Baumaßnahmen im Hochschulsektor bereits heute hohe energetische Standards. Die Europäische Gebäuderichtlinie für energieeffiziente Gebäude (EPBD) weist dem öffentlichen Sektor bei der Verbesserung der Energieeffizienz darüber hinaus eine besondere Vorbildfunktion zu. Verlangt wird für Neubauten ab 2019 die Zugrundelegung von Niedrigstenergiegebäude-Standards.
Wie die gesetzlichen Vorgaben schon heute unterschritten werden können, zeigt die Ostfalia-Hochschule für angewandte Wissenschaften am Standort Salzgitter. Dort hat sich die Anzahl der Studierenden in den letzten sechs Jahren beinahe verdoppelt. Im Zuge der notwendig gewordenen Schaffung neuer Räumlichkeiten wurde der Neubau eines Hörsaal- und Seminargebäudes im Standard eines Niedrigstenergiegebäudes beschlossen. Auf rund 5490 m² Bruttogrundfläche sollten eine Bibliothek, Labore, Poolräume, ein modernes Videostudio für professionelle Aufnahmen, Hör- und Seminarsäle sowie Serverräume untergebracht werden. Gepaart mit klar definierten Zielen zur Energieeinsparung stellte die vielschichtige Nutzung des Gebäudes besondere Ansprüche an das Energiekonzept. So war klar, dass aufgrund der besonderen technischen Ausstattung der Poolräume hohe interne Wärmelasten zu erwarten waren, was die Notwendigkeit mit sich brachte, das Gebäude in den Sommermonaten zu kühlen.
Interdisziplinär ans Ziel
Der Neubau wurde im Rahmen des Programms „Energieeffiziente Hochschulprojekte“ des Landes Niedersachsen als Modellprojekt von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) gefördert und bereits während des VOF-Verfahrens von der Stiftung begleitet. Aufgrund der Komplexität der zu bewältigenden Aufgaben wurden von vornherein interdisziplinäre Teams ausgelobt. Das Generalplanungsunternehmen agn Niederberghaus & Partner GmbH konnte das Verfahren für sich entscheiden und erhielt im November 2008 den Zuschlag für die ganzheitliche Planung.
Bestandteil der Generalplanung war die Entwicklung des energetischen Konzepts. Auf Basis der schon in der Auslobung einzuhaltenden Grenzwerte wurden von agn zunächst die entsprechenden Energiebedarfswerte über eine Thermische Gebäudesimulation in der Planungsphase errechnet. Für die Modellierung von Gebäude- und Anlagentechnik wurden die spätere Belegung sowie das zu erwartende Nutzerverhalten berücksichtigt. Die Berechnung des Energiebedarfs des Gebäudes wurden entsprechend der Vorgaben der DIN V 18599 im Rahmen der EnEV-Berechnung durchgeführt. Zusätzlich wurde eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung nach VDI 2067 und eine CO2-Bilanzierung aufgestellt und das thermische Verhalten der Einzelräume untersucht.
Mit Hilfe geothermischer Energie die besten Ergebnisse
Das im Zuge des Variantenabgleichs eruierte Ergebnis mit Nutzung geothermischer Energie zur regenerativen Heizung im Winter und Kühlung im Sommer weist als wesentlichen Teil ein Erdluftregister aus Beton unter dem Gebäude auf. Eine zentrale Außenluftansaugung und eine im Gebäude befindliche Zuführung zu den Lüftungsanlagen gewährleisten bei der Nutzung im Winter eine Vorwärmung der Außenluft und im Sommer eine entsprechende Vorkühlung. Bei diesem System werden einerseits die geothermischen Energien genutzt, die aufgrund des konstanten Temperaturniveaus im Erdreich über den kompletten Jahreszyklus zur Verfügung stehen. Andererseits dient die Betonbaumasse als Energiespeicher. Den zweiten Teil des Konzepts bildet eine Erdsondenanlage mit einer Sole/Wasser-Wärmepumpe zum Heizen und Kühlen. In der Kombination mit einer Betonkernaktivierung ergibt sich für das Gebäude ein Optimum der geothermischen Nutzung.
Monitoring als Überprüfungstool
Nach der Inbetriebnahme im Jahr 2013 wurde die Energieeffizienz mittels Monitoring den Prognosen gegenübergestellt und in ihrer Wirksamkeit überprüft. Durchgeführt wurde das Monitoring von der Fakultät Versorgungstechnik, Institut für energieoptimierte Systeme (EOS), der Ostfalia-Hochschule für angewandte Wissenschaften. Das Resultat fiel positiv aus: Mit einem Jahres-Primärenergiebedarf von unter 90 kWh/(m²*a), das heißt Energieverbrauch pro Quadratmeter im Jahr, und einem Jahres-Endenergiebedarf für Heizung von unter 40 kWh/(m²*a) werden die Vorgaben der EnEV 2009 um über 30 % unterschritten. Die ab dem Jahr 2016 geltenden Anforderungen der EnEV werden ebenfalls noch unterschritten. Das heißt, der Energiestandard des Gebäudes geht über die Anforderungen für Neubauten deutlich hinaus.
„Insgesamt ergibt sich für die Übereinstimmung von Konzept und Betrieb sowie der Funktionalität von Gebäude und Technik in der Praxis ein positives und durch Messungen belegbares Ergebnis“, berichtet Professor Dr.-Ing. Lars Kühl, Inhaber der Professur für Regenerative Energiesysteme an der Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften und zuständiger Ansprechpartner für das Projekt. „Im Rahmen des Monitorings konnte nachgewiesen werden, dass das Konzept die Erwartungen sogar übertrifft: Vergleicht man die Ergebnisse mit den geltenden Kennwerten, liegt der Energieverbrauch für das neue Hörsaalgebäude deutlich unterhalb der erforderten Richtwerte.“
Projekt mit Modellcharakter
Das Projekt, das zwischenzeitlich das dena – Label „Good Practise Energieeffizienz“ erhalten hat, hat Modellcharakter, so Christof Hewing, Dipl.-Ing. Versorgungstechnik, Projektleiter im Bereich Technische Ausrüstung bei agn: „Auf der Basis simulierter Variantenuntersuchungen wird ein maßgeschneidertes Energiekonzept erstellt und dieses nach Inbetriebnahme über ein begleitendes Monitoring evaluiert. Bestehende Mängel aus der Umsetzungsphase werden identifiziert, Betriebsparameter werden angepasst und so der Planungserfolg über reale gemessene Verbrauchswerte dokumentiert. Das Prinzip - bestehend aus Energiekonzeptentwicklung, Simulation, Qualitätssicherung in der Bauphase und dem anschließenden Betriebsmonitoring – kann wie ein Baukastensystem auf andere Bauvorhaben in Neubau und Sanierung übertragen werden, und zwar nicht nur im Hochschulbereich, sondern zum Beispiel auch auf Krankenhäuser und andere öffentliche und nichtöffentliche Bauten. Besonders energieintensive Liegenschaften bringt das Modell somit von Anfang an auf einen effizienten und rentablen Weg.“ Zu bemerken bleibt, dass die Gesamtbaukosten trotz des erhöhten energetischen Standards im Rahmen der landesüblichen Kostenrichtwerte im Hochschulbau geblieben sind.
Das Energiekonzept im Überblick
Das energetische Konzept fordert neben einer perfekten Hülle regenerative Energien zum Heizen und Kühlen des Gebäudes. Im Winter erfolgt die Wärmeversorgung über eine Wärmepumpe (60 kW Heizleistung und 45 kW Kälteleistung im Umkehrbetrieb). Die 15 Erdsonden mit je 92 m Tiefe dienen im Sommer überwiegend zur passiven Kühlung des Gebäudes. Das Erdreich wird damit als Energiequelle für die Versorgung des Gebäudes genutzt. Das Wärmepumpensystem mit Pufferspeichern und Mehr-Schichten-Verteilern ist so konzipiert, dass bei bestimmten Lastfällen eine interne Wärmeverschiebung erfolgt. Der Wärmeentzug auf der Kaltseite (Kühlen z.B. Serverraum und Videostudio) wird gleichzeitig mit voller Wärmeabgabe zur Gebäudeheizung genutzt. Dabei wird der Wärmeentzug über die Erdwärmesonden geschont.
Die Spitzenlastdeckung wird wirtschaftlich sinnvoll über zwei Gas-Brennwert-Heizkessel (je 60 kW) und zwei Kompressions- Kältemaschinen (je 60 kW) mit hoher Effizienz ergänzt. Kessel und Kältemaschine decken mit wenigen Betriebsstunden die maximalen Heiz-und Kältelasten und sichern durch eine redundante Aggregatteilung den laufenden Betrieb auch im Störungsfall ab. Die Belüftung des Gebäudes erfolgt über mechanische Lüftungsanlagen mit hocheffizienter Wärmerückgewinnung. Die Außenluftansaugung der Lüftungsanlagen erfolgt zur thermischen Vorkonditionierung der Luft im Winter und Sommer über ein Beton Erdluftregister. Im Bedarfsfall kann über eine Klappensteuerung das Erdluftregister weggeschaltet werden. Die Außenluftansaugung erfolgt dann direkt über das Dach.
Durch diese Maßnahmen wird eine deutliche Reduzierung des End- und Primärenergieverbrauchs und die Anforderungen an ein Niedrigstenergiegebäude erreicht.
Interview mit Prof Dr.-Ing. Lars Kühl
Der Energiestandard des Hochschulgebäudes Ostfalia Salzgitter geht über die Kühl Anforderungen für Neubauten deutlich hinaus. Welche Messkonzepte bzw. Monitoringtools wurden bei der Erhebung der Daten eingesetzt?
Prof. Kühl: Zur Bestimmung der Systemeffizienz der eingesetzten Anlagentechnik bzw. der Bilanzierung des Betriebes wurden unter anderem Wärme- und Kältemengen, passive und aktive Energieströme ausgewählte Temperaturen, Volumenströme und Temperaturen von Lüftungsanlagen sowie der Strom- und Erdgasverbrauch gemessen.
Wie ist das Monitoring ausgefallen?
Prof. Kühl: Die bisher ausgewerteten Daten stammen aus dem ersten Betriebsjahr (2013), das heißt aus der Zeit der Einregulierungsphase. Zwar unterliegen in der Regel alle Neubauten in diesem Zeitraum Anpassungen von Regelparametern zur Betriebsoptimierung, dennoch sind größere Unstimmigkeiten in diesem Fall nicht aufgetreten. Die Messwerte zeichnen generell ein positives Bild vom Verhalten des Gebäudes im ersten Betriebsjahr. Auch die im Zuge der Planung durchgeführten qualitativen Aussagen zum Raumkomfort stimmen mit den Messungen und den Bewertungen der Nutzer nahezu überein.
Das heißt, die erwarteten Ergebnisse sind eingetreten?
Prof. Kühl: Insgesamt ergibt sich für die Übereinstimmung von Konzept und Betrieb sowie der Funktionalität von Gebäude und Technik in der Praxis ein positives und durch Messungen belegbares Ergebnis. Die Erwartungen erfüllt, wenn nicht sogar übertroffen hat die Funktion des Erdluftregisters. Die Luft wird damit im Sommer soweit vorgekühlt, dass der Einsatz der Kühlregister der Lüftungsanlagen nur selten erfolgen muss. Auch die Vorwärmung der Außenluft im Winter funktioniert sehr gut. Die Temperatur der Außenluft am Eintritt in die Lüftungsanlagen wird stets auf mindestens 5 °C und damit in den frostfreien Bereich angehoben.
Gibt es energetische Vergleiche zu anderen Hochschulbauten (Bestand oder Neubaumaßnahmen)? Wenn ja, wie fallen die Vergleiche aus?
Prof. Kühl: Im Falle des neuen Hörsaalgebäudes der Ostfalia ist ein direkter Vergleich durch die stark ausgeprägte funktionsbezogene Mischnutzung im Gebäude grundsätzlich schwierig. Vergleicht man die Monitoringergebnisse für die Heizenergie mit den seitens des BMVBS in der „Bekanntmachung der Regeln für Energieverbrauchskennwerte und der der Vergleichswerte im Gebäudebestand“ veröffentlichten Kennwerten, wird für Fachhochschulen für Gebäude nach EnEV 2007 ein Wert von ca. 100 kWh/(m²*a) und für Gebäude nach EnEV 2009 ein Wert von ca. 70 kWh/(m²*a) angegeben. In der VDI-Richtlinie 3807 wird für Gebäude der wissenschaftlichen Lehre und Forschung als Vergleich einen Mittelwert von 85 kWh/(m²*a) und ein Richtwert von 55 kWh/(m²*a) angegeben. Der Kennwert des Wärmeverbrauchs für das neue Hörsaalgebäude unterschreitet somit mit umgerechnet ca. 26 kWh/(m²*a) alle angegebenen Vergleichswerte deutlich.
Was spricht für oder gegen eine Verpflichtung der Benutzung von Simulationssoftware für zukünftige Planungen von Gebäuden?
Prof. Kühl: Um den steigenden Anforderungen an die Energieeffizienz von Gebäuden gerecht zu werden, sind auf die Nutzung abgestimmte Kombinationen von aktiven und passiven Maßnahmen umzusetzen. Die in diesem Zusammenhang zu erfüllende Anforderung der Integration regenerativer Energieträger führt in Kombination mit konventioneller Technik zu einer steigenden Komplexität des Gesamtsystems. Die simulative Abbildung der Systeme in der Planungsphase mit der Abstimmung der Leistungsgrößen, der Identifikation von Regelparametern und der Prognose von Verbrauchswerten gewinnt hierdurch an Bedeutung. Weiterhin kann durch Simulationen unterschiedlich genutzter Zonen der Nutzerkomfort bei unterschiedlichen Maßnahmen und Regelparametern prognostiziert werden.
Bei der Ostfalia wurde eine innovative Technik eingesetzt. Sehen Sie eine Chance, diese Technik auf andere Gebäude zu übertragen?
Prof. Kühl: Energieeffizienz und Komfort auf Basis regenerativer Energien sichern einen nachhaltigen und wirtschaftlichen Betrieb von Gebäuden. Über die Verlagerung des Fokus von den Investitions- auf die Betriebskosten ist der bauliche Mehraufwand und die steigende Komplexität innovativer Energiesysteme argumentierbar. Im neuen Hörsaalgebäude der Ostfalia ist beispielsweise eine Verschiebung von Wärme und Kälte innerhalb des Gebäudes möglich. Das heißt, dass vor allem in der Übergangszeit bei gleichzeitigem Auftreten von Kühl- und Heizlasten über die Wärmepumpe, mit dem Kältespeicher als Quelle, Heizenergie für andere Gebäudezonen bereitgestellt werden kann. So wird z.B. die in den Serverräumen anfallende Wärme entzogen, die in Vorlesungsräumen genutzt werden kann. Ein weiterer, möglicherweise übertagbarer Aspekt ist die thermische Konditionierung der Außenluft durch das Erdluftregister. Mit steigender Dichtheit der Gebäudehülle und höheren Anforderungen an die Luftqualität werden im Hochschulbereich, aber auch für Büro- und Verwaltungsgebäude zunehmend Lüftungsanlagen eingesetzt. Um hier jährlich Energiekosten zu sparen, ist zumindest die Prüfung einer solchen Maßnahme sinnvoll.
Der energetische Standard für Hochschulbauten ist die EnEV. In Salzgitter wurden viele Maßnahmen umgesetzt. Wie kann man den Standard in Salzgitter beschreiben?
Prof. Kühl: Letztendlich hat man sich bei der Planung auf eine Unterschreitung des Primärenergiebedarfes um 30% hinsichtlich der Vorgaben der EnEV 2009 festgelegt. Darüber hinaus weisen die zur Ausführung gebrachten Außenbauteile der Gebäudehülle Dämmeigenschaften auf, die die Vorgaben der EnEV 2009 nachweislich um mindestens 40 % unterschreiten. So ist dann auch ein Niedrigstenergiestandard mit einem Jahres-Endenergiebedarf für die Heizung von < 40 kWh/(m²*a) realisierbar. Die Fensterflächenanteile der Fassade wurden bewusst auf ein Mindestmaß beschränkt, um einerseits Wärmeverluste im Winter und andererseits, in Verbindung mit außenliegendem Sonnenschutz, solare Lasten im Sommer zu verringern. Speziell in diesem Projekt wurde darauf Wert gelegt, dass die Planungsaufgaben der Architektur, der Bauphysik und der Gebäudetechnik in einem integralen Prozess bearbeitet werden. In dem Fall des Hörsaalgebäudes Salzgitter erfolgt die Planung des Gebäudes aus einer Hand, wodurch sich kürzeste Wege für den integralen Planungsprozess ergeben. Die gelungene Abstimmung von Maßnahmen an Gebäudehülle und technischen Komponenten aufeinander bewirkt ein im gegebenen Kostenrahmen umzusetzendes und in der Praxis funktionierendes Gebäude. Anders ausgedrückt: Die Planung derartiger Projekte sollte durch ein Planungsteam erfolgen, in dem Bauherr, Nutzer, Architekt und Fachingenieur Maßnahmen im Hinblick auf die Energieeffizienz abstimmen und gemeinsam Festlegungen für die Umsetzung treffen, das heißt, die Planung von Hochbau und Technik sollte in einer Hand liegen.
