Begleitendes Monitoring – Teil 1

Der Passivhausstandard, nach dem Kindergarten (Bild 1) konzipiert wurde, legt Werte für den Heizenergiebedarf ( 15 kWh/m²a) und Primärenergiebedarf ( 120 kWh/m²a) fest. Gleichzeitig besteht die gesetzliche Forderungder EnEV 2007 [1] (bzw. mit erhöhten Anforderungen EnEV 2009 [2]) bzw. der DIN V 18599 [3] für Nichtwohngebäude, in denen über einen Energieausweis ein Energiebedarf ausgewiesen werden muss.

Ein Passivhausnachweis auf der Grundlage von [4] wurde im Rahmen der Planung erstellt (Bild 2).

Diese ausgewiesenen Bedarfswerte sind theoretische Werte, die auf bestimmten und vorgegebenen Annahmen beruhen, Der tatsächliche Energieverbrauch ist eine Funktion der Nutzungsbedingungen des Gebäudes. Der Bedarf ist im Allgemeinen nicht gleich dem Verbrauch zu setzen, da dieser hauptsächlich durch die Nutzung geprägt wird.

Aufgabe des begleitenden Monitorings war es, sowohl einen Vergleich zwischen dem ermittelten Bedarf und dem tatsächlichen Verbrauch an Energie vorzunehmen als auch die raumklimatischen Bedingungen, d.h. Einhaltung der Raumlufttemperatur, der Raumluftfeuchte und der Raumluftqualität, durch eine kontinuierliche Messwerterfassung zu analysieren und zu bewerten.

Letzteres ist notwendig, da der Heizenergiebedarf bei den minimierten Transmissionswärmeverlusten vorrangig durch die Lüftungswärmeverluste geprägt wird. Diese sind abhängig vom personenabhängigen Mindestaußenluftvolumenstrom, der wiederum ein Funktion des nach DIN EN 13779 [5] bzw. DIN EN 15251 [6] und [7] einzuhaltendenCO₂-Konzentration im Raum von 1000 ppm ist.

Um nutzungsabhängige Einflüsse, wie z.B. Öffnen der Fenster, Ein- und Ausschalten der Beleuchtung, Anzahl der Personen  zu erfassen, wurde durch den Nutzer in vorbildlicher Weise täglich ein vorgegebenes Nutzerhandblatt (Bild 3) für die einzelnen Räume ausgefüllt. Diese waren u.a. Grundlage für die Auswertung und Bewertung der ermittelten Messergebnisse. Das Funktionsschema der RLT-Anlage und die wesentlichen Parametern sind Bild 4 zu entnehmen

Bewertung nach DIN V 18599 – Energiebedarf

Im Rahmen einer Diplomarbeit [8] wurde auf der Grundlage eines Berechnungsmoduls [9] nach DIN V 18599 der Energiebedarf (Heiz-, End- und Primärenergiebedarf) unter dem Aspekt eines Einzonenmodells (EMZ) bzw. Mehrzonenmodells (MZM) ermittelt und mit den Werten nach dem Passivhausstandard verglichen.

Es ergaben sich signifikante Unterschiede bei den theoretisch ermittelten Bedarfswerten. Die Ursachen sind vor allem in den z.T. unterschiedlichen Randbedingungen bzw. Eingangsgrößen (den Nutzungsprofile, dem Luftwechsel, den Vorgaben der EnEV (Referenzgebäude), der Zuordnung der Bezugsflächen u.a.m.) und Passivhaus-Projektierungs-Paket, zu sehen, obwohl die baulichen Randbedingungen und Kennwerte gleich angesetzt wurden.

Die Bedarfswerte sind theoretischer Natur und sollten einerseits als Orientierungswert bzw. Nachweiswert für Förderungen und andererseits zeigen, welche technischen und baulichen Möglichkeiten es gibt, den Energieverbrauch zu minieren.

Vergleich: Energiebedarf- Energieverbrauch

Neben der Beurteilung der raumklimatischen Situation wurden im letzten Quartal 2009 und im gesamten Jahr 2010 die Verbrauchsdaten von Gas und Strom analysiert und bewertet und mit den ermittelten theoretischen Bedarfswerten nach DIN V 18599 verglichen.

Neben den nutzerspezifischen Aspekten wurde  der Einfluss der Beleuchtung und der RLT-Anlage auf den Elektroenergieverbrauch untersucht.

Basis für die Auswertung waren sowohl die Daten, die am Lüftungsgerät, der Schaltzentrale und den in den Räumen angeordneten Datenloggern erfasst wurden und ein Berechnungsprogramm von [9] für die Ermittlung des Energiebedarfs nach DIN V 18599 für ein Einzonen- und Mehrzonenmodell (EZM und MZM).

a) Untersuchungen bis Ende 2009 nach [8]

Eine erste Auswertung des Strom- und Gasverbrauchs über die Zählerstände sowie ein Vergleich der monatlich ermittelten Werte mit den Bedarfsberechnungen vom Mehrzonenmodell (MZM) und vom Einzonenmodell (EZM) nach [8] zeigt Bild 5. Ein Vergleich mit dem Passivhaus-Projektierungs-Paket (PHPP) war nicht möglich.

Der Monate Oktober und Anfang November beinhalten kaum repräsentative Werte, da eine Reihe von Einflüssen (z.B. Verbrauch vor Nutzungsbeginn, eingeschränkte Nutzungen) nicht verifizierbar war. 

Als annähernd repräsentativ konnte der Zeitraum vom 11. November bis 14. Dezember 2009 angesehen werden. Dieser Zeitraum konnte näherungsweise mit den theoretische ermittelten Bedarfswerten nach DIN V 18599 mit dem PC-Programm [9] für den Monat November verglichen werden. Der Bedarf des Mehr- und Ein-Zonen-Modells ist in Bild 5 dem tatsächlichen Verbrauch gegenübergestellt.

Auffällig ist, dass der höhere Verbrauch auf den Elektroenergieverbrauch zurückzuführen ist. Bild 6 zeigt eine Darstellung als spezifische Werte. Hierbei ist zu beachten, dass es sich bei der Bezugsfläche um die nach EnEV 2002 [1] bzw. 2009 [2] handelt.  Diese ist nicht identisch sowohl mit der Bruttogeschoßfläche als auch Netto- oder Nutzfläche. Erkennbar ist dies auch schon bei genauerer Betrachtung der Werte von Bild 2.

Eine überschlägige Analyse des Stromverbrauches nach [8] (Bild 7) ergab, dass vor allem der nutzungsabhängige Verbrauch die Ursache für den erhöhten Elektroenergieverbrauch ist, d.h. Beleuchtung, Haushaltgeräte, technische Geräte u .a .m. sind. Diese können auch nur eingeschränkt in den Bedarfsermittlungen Berücksichtigung finden.

Ein Einsparpotential wäre nur im nutzungsbedingten Verbrauch möglich, da eine Verringerung des Elektroenergieverbrauchs entweder nur durch Reduzierung es Luftvolumenstromes oder Reduzierung der Betriebszeit der Ventilatoren zu einer negativen Beeinflussung des Raumklimas führen würde.

b) Untersuchungen im Jahr 2010  [10],[11]

Der Gasverbrauch

Der Gasverbrauch ist als Äquivalent zum Heizenergieverbrauch zu sehen. Einen Überblick zwischen den Bedarfs- und Verbrauchswerten für das Jahr 2010 und eine monatliche Aufschlüsselung zeigt Bild 8.

Es wird deutlich, dass keine signifikanten Unterschiede zwischen Bedarf und Verbrauch zu erkennen sind. Der Jahresverbrauch an Gas ist ca. 5000 kWh niedriger als der mittels MZM und EZM nach DIN 18599 errechnete Bedarf. Dies ist umso bemerkenswerter, da im Jahr 2010 sowohl zu Beginn des Jahres als auch am Ende des Jahres Abschnitte mit sehr kalter Witterung vorlagen.

Auch bei den Monatsdaten zeigt sich, dass der tatsächliche Verbrauch fast immer unterhalb des nach beiden Modellen errechneten theoretischen Bedarfs liegt. Die Ursache für die höheren Verbrauchswerte im Oktober und Dezember sind in den teilweise stark von den durchschnittlichen Wetterverhältnissen abweichenden Bedingungen zu suchen. So gab es im Oktober schon längere kältere Abschnitte mit sogar zum Teil Frost und die Verhältnisse im Dezember wichen erheblich von den langjährigen Wetterdaten ab.

Betrachtet man die Monate Juni bis August, in denen keine oder kaum Energie zum Heizen benötigt wird, so fällt der um ca. 600 kWh niedrigere tatsächliche Verbrauch auf. Hieraus kann man einen für den Kindergarten verringerten Bedarf für die Warmwasserbereitung ableiten. Andererseits lässt sich für die Berechnung feststellen, dass in den Monaten April bis September kaum Heizenergie angesetzt wird. Beim tatsächlichen Verbrauch ist aber ein deutlicherer Unterschied für die Monate April, Mai und September zur Nichtheizperiode erkennbar.

Die Differenzen zwischen Verbrauch und Bedarf können einerseits u.a. damit begründet werden, dass

unterschiedliche Nutzungszeiten vorliegen (den Nutzungsprofilen der Gruppenräume nach DIN V 18599 liegen Belegungszeiten von nur 7 h zu Grunde. Die reale Benutzung dieser Räume beträgt aber teilweise 9 bis 10 h),

die bei  der Berechnung angenommene Temperaturabsenkung im reduzierten Betrieb einer tägliche Betriebszeit von neun Stunden nicht vorgesehen wurde und

auch bei der Nichtnutzung des Kindergartens während des Jahreswechsels in den Gruppenräumen Temperaturen von 21 bis 22 °C vorlagen.

Trotz dieser genannten Unsicherheiten, kann davon ausgegangen werden, dass zwischen dem Verbrauch und dem prognostizierten Bedarf nach DIN V 18599 eine relativ gute Übereinstimmung besteht.

Der Elektroenergieverbrauch

Die Tabellen 1 und 2 zeigen den berechneten und tatsächlichen Verbrauch für das Jahr und die einzelnen Monate:

Der Unterschied zwischen MZM und EZM liegt am höheren Ansatz des Einzonenmodells für die Lüftung. Dieser liegt um 250 kWh/Monat höher, was einen um ca. 3000 kWh erhöhten Verbrauch im Jahr ergibt.

Die Unterschiede können u.a. damit begründet werden, dass bei der Berechnung des Bedarfs nach DIN V 18599 nur Werte für die Belüftung, die Beleuchtung sowie die Hilfsenergie für Heizung und Warmwasserbereitung berücksichtigt werden. Unabhängig von  den nutzungsabhängigen Geräten sowie dem Energieverbrauch für Lüftung, Heizungspumpe und Beleuchtung wirkte sich ein erfasster Energieverbrauch des Schaltschrankes mit ca. 250 kWh/Monat und von Geräten, die im Stand-by betrieben wurden, mit ca. 190 kWh/Monat verbrauchserhöhend aus.

Die Heizung benötigt Hilfsenergie für die Heizungspumpe. Diese ist mit einer Leistungsaufnahme von 22 W ausgewiesen. Für den Monatsverbrauch mit einer kompletten Betriebszeit würden sich damit ca. 16 kWh ergeben.

Für das Mehrzonenmodell werden bei der Berechnung des Bedarfs während der Wintermonate 40 bis 50 kWhund für die anderen Monate 20 bis 30 kWh angesetzt. Beim Einzonenmodell werden im Winter ebenfalls 40 bis 50 kWh berücksichtigt, jedoch in den Sommermonaten lediglich knapp 10 kWh. Da im Sommer nur das Trinkwasser erwärmt wird, läuft die Pumpe auch nicht den ganzen Tag. Somit liegt der Verbrauch für die Heizung stets unter dem ermittelten Bedarfswerten.

Der Elektroenergieverbrauch für die Lüftung wurde unter den folgenden Annahmen mit ca. 250 kWh/Monat ermittelt (Tabelle 3), da kein separater Zähler vorhanden war: Momentanverbrauchswert ca. 1,05 kW, tägliche Betriebszeit: 11 h, monatliche Nutzung: 22 Tage.

In den Sommermonaten ist durchgängig eine Nachtlüftung mit einer Betriebszeit von 4,5 h vorgesehen. Somit erhöht sich dieser Wert für diese Monate. Die vorliegende Nachlüftung kann als kaum sehr wirkungsvoll angesehen werden. (s. a. unter der Zwischenüberschrift „Raumlufttemperatur“).

Der Unterschied zwischen den Berechnungsmodellen erklärt sich in der Definition der Zonierungen. Während beim EZM der gesamte Kindergarten als Gruppenraum festgelegt wurde, erfolgte beim MZM eine Differenzierung der einzelnen Räume. Dies bewirkt auch einen geringeren Bedarf an Elektroenergie für die Lüftung, vor allem für die Nebenräume. Teilweise wird in diesen Räumen keine Lüftung vorgesehen.

Der im Vergleich zum Mehrzonenmodell höhere tatsächliche Verbrauch erklärt sich unter anderem in der längeren Betriebszeit der Lüftungsanlage. Im Nutzungsprofil nach DIN 18599 ist eine tägliche Laufzeit von 9 h hinterlegt, im Kindergarten beträgt sie 11 h. Außerdem sind auch nur 200 Nutzungstage vorgesehen, hier sind es etwa 250, da auch Sonderveranstaltungen stattfinden.

Der Verbrauch für die Beleuchtung wurde überschlägig an Hand der installierten Beleuchtung und eine über zwei Wochen im November ermittelte gemittelte Beleuchtungsdauer in den Gruppenräumen von ca. 40 bis 45 kWh/Monat ermittelt.

Durch Einschaltvorgänge könnte sich der Verbrauch noch erhöhend auswirken. Bei Mehrzonenmodell wird ein Bedarf für die Beleuchtung für die Gruppenräume ein Wert von rund 60 kWh/Monat angegeben.

Der Einfluss des Nutzerverhaltens (z. B. Nutzungszeiten)  als auch der hohe Tageslichtanteil der großen Fensterflächen können die Unterschiede erklären.

Der Gesamtverbrauch

Die Tabellen 4 und 5 sowie Bild 8 geben einen Überblick über den ermittelten Gesamtverbrauch und einen Vergleich mit den Bedarfswerten nach dem EZ- bzw. MZ-Modell nach DIN V 18599.