Energieeffizienz in Shopping-Centern

Shopping-Center sind Handelsimmobilien, die durch eine Agglomeration von Einzelhandels- und Dienstleistungsbetrieben unter einheitlicher Verwaltung durch ein Center­management gekennzeichnet sind. Die Anzahl der Shopping-Center in Deutschland ist in den letzten Jahren stetig gestiegen. Nach einer Studie des EHI [2] stieg in den Jahren 1980 bis 2016 die Anzahl der Shopping-Center ab einer Mietfläche von 10.000 m² von 65 auf 476 Objekte. Damit hat sich in diesem Zeitraum die Gesamtfläche von 2,0 auf 15,4 Mio. m² erhöht [2].

Die Verteilung der Shopping-Center in Deutschland ist in Bild 1 aufgezeigt. Einerseits sind die Bundesländer je nach Verhältnis der Anzahl der Center pro Fläche des Bundeslandes in Rot mit verschiedener Intensität gekennzeichnet (links). Andererseits sind die Bundesländer je nach Verhältnis der Anzahl der Center pro Einwohnerzahl des Bundeslandes in Blau mit verschiedener Intensität eingefärbt (rechts). Es ist zu erkennen, dass generell die Shopping-Center-Dichte in den neuen Bundesländern höher ist als in den alten.

Vielfalt der TGA-Konzepte

In der Untersuchung des IEK wurden der Energieverbrauch und die TGA-Konzepte in 13 Shopping-Centern aus verschiedenen Regionen in Deutschland betrachtet. Dabei wurde festgestellt, dass die TGA-Konzepte der untersuchten Shopping-Center sehr vielfältig sind.

Häufig wird die Technische Gebäudeausrüstung (TGA) eines Shopping-Centers in der Bauphase geplant, bevor der endgültige Mietermix bekannt ist. Dennoch müssen in den Planungsgrund­la­gen die Luftmengen bzw. Kühl- und Heizlasten festgelegt werden. In Mietverträgen werden dann vordefinierte Luftmengen und Leis­tungen beschrieben. Das führt nicht selten dazu, dass aufgrund der hohen Kühllasten zusätzliche Anlagentechnik durch die Mieter nachgerüstet wird.

Prinzipiell bestehen die technischen Anlagen eines Shopping-Centers aus der Anlagentechnik im Verantwortungsbereich des Centermanagements sowie der Anlagentechnik im Verant­wor­tungsbereich der Mieter. Diese zwei Anteile variieren bei unter­schiedlichen Shopping-Centern je nach der Zuständigkeit der Versorgungsaufgaben. Welche Versorgungsaufgaben die Anlagentechnik im Allgemeinbereich des Centers übernimmt und welche Aufgaben in den Mieterbereichen den Mietern selbst überlassen werden, wird in der Planungsphase individuell durch den Betreiber bestimmt und in Mietverträgen beschrieben. Analog zur Aufteilung der Anlagentechnik teilt sich auch der Gesamt­energieverbrauch des Shopping-Centers in den Energieverbrauch im Verantwortungsbereich des Centermanagements (Allge­meinanteil) sowie den Energieverbrauch der Anlagentechnik der Mieter (Mieteranteil).

Soll das Betriebsverhalten und die Energieeffizienz eines Shopping-Centers nun analysiert und ggf. optimiert werden, kommt es häufig zu Ungenauigkeiten und Behinderungen, da das Centermanagement keinen Zugang zu der Anlagentechnik sowie dem Energieverbrauch im Mieterbereich hat. Diese Problematik kann sich verschärfen durch die komplexe organisatorische Struktur und Konstellation in Shopping-Centern (Eigentümer, Betreiber, Mieter, weitere Dienstleister). So entsteht ein grundsätzliches Problem bei der ganzheitlichen Erfassung, Bewertung und Optimierung der energetischen Strukturen im Shopping-Center-Bestand. Daher ist ein energetischer Vergleich einzelner Gebäude untereinander nur begrenzt durchführbar und die Definition von Vergleichswerten nur eingeschränkt möglich. In der Regel muss jedes Center separat und individuell betrachtet werden, um konkrete Aussagen zur Energieeffizienz treffen zu können.

Breite Streuung des Energieverbrauchs

Die 13 untersuchten Shopping-Center wurden zwischen 1964 und 2011 erbaut. Der Jahresendenergieverbrauch der Shopping-Center wurde durch den Betreiber oder den Eigentümer zur Verfügung gestellt. Aus einem Vergleich des witterungsbereinigten Jahreswärmeverbrauchs der Shopping-Center ist ersichtlich, dass die neueren Shopping-Center tendentiell einen niedrigeren Wärmeverbrauch als ältere Shopping-Center aufweisen. Der Wärme­verbrauch der Gebäude variiert zwischen 25 und 128 kWh/(m² a) und der All­gemeinstromverbrauch zwischen 25 und 89 kWh/(m² a). Der Mieter­stromverbrauch in den Shopping-Centern ist meistens dem Betreiber unbekannt. In Bezug auf den Allgemeinstromverbrauch spielt die Luftwechselrate in den Shopping-Centern eine entscheidende Rolle. Je höher die Luftwechselrate ist, desto höher ist tendentiell der Stromverbrauch des Shopping-Centers. Die breite Streuung des Energieverbrauchs weist auf ein großes Energieoptimierungspotential für diesen Gebäudetyp hin.

Energieverbrauchsstruktur im Center

Die Energieverbrauchsstruktur in zwei Shopping-Centern wurde mittels eines Energie- und Betriebsmonitorings im Detail analysiert. Beide Shopping-Center weisen ein innovatives Energieversorgungskonzept mit größtenteils zentraler Wärme- und Kälteerzeugung unter der Nutzung erneuerbarer Energie auf. Dabei werden die Energie­ströme und das thermische Verhalten der Anlagentechnik in den Gebäuden im tatsächlichen Betrieb erfasst.

In Bild 2 ist der thermische Energieverbrauch eines Centers beispielhaft dargestellt. Es fällt auf, dass ein ganzjähriger Kältebedarf besteht und der Wärmebedarf sich auf die Heizperiode beschränkt. Der ganz­jährige Kältebedarf resultiert aus den hohen inneren thermischen Las­ten. 

Durch die innenliegenden Mieterflächen, die keiner natürlichen Beleuchtung ausgesetzt sind, steigen die anfallenden Kühllasten durch das Kunstlicht. Diese werden ergänzt durch die große Personendichte. Im Sommer werden die Kühllasten im Gebäude u.a. durch die Wärmeeinträge der Solareinstrahlung durch das Glasdach eines Atriums gesteigert. Der durchschnittliche Jahreswärmeverbrauch des Beispielcenters beträgt ca. 46 kWh/(m² a) und der durchschnittliche Jah­res­kälteverbrauch ca. 47 kWh/(m² a).

Die Stromlastgänge des Beispielcenters für eine Winter­woche und eine Sommerwoche sind in Bild 3 dargestellt. Es wird zwischen der Übergabemessung, dem Mieteranteil und dem Allgemeinanteil diffe­renziert, wobei die Summe aus Mieter- und Allgemeinanteil die Übergabemessung ergibt. Es ist zu erkennen, dass die Lastprofile gleichmäßig einem regelmäßigen Tagesverlauf folgen. Dabei ist sowohl im Winter als auch im Sommer die Mieterstromlast des Centers tagesüber während der Öffnungs­zeit auf einem ähnlichen Niveau (ca. 1.000 kW). Eine Abhängigkeit von der Jahreszeit bzw. der Außentemperatur ist somit für den Mieteranteil nicht erkennbar.

Der Allgemeinanteil hingegen unterliegt erkennbaren jahreszeitlichen Unterschieden. Da die Kälteerzeugung im Center zum größten Teil über elektrische Energie aus dem Allgemeinanteil versorgt wird, weist der hohe Kältebedarf im Sommer aufgrund der Außenlufttemperatur einen hohen elektrischen Energie­bedarf auf. Bild 3 zeigt zudem, dass die Allgemeinstromlast des Centers tagesüber im Sommer nahezu doppelt so hoch ist wie diese im Winter.

Der durchschnittliche Gesamt­stromverbrauch im Beispielcenter liegt bei rund 207 kWh/(m² a) und setzt sich, wie in Bild 4 gezeigt, zusammen. Mit ca. 58 % entfällt der größte Anteil an Stromverbrauch auf den Mieter­stromverbrauch. Etwa 29 % gehen auf die HLKK-Anlagen zurück. Im Shopping-Center werden die hohen Kühllasten, bedingt durch den Einsatz der künstlichen Beleuchtung sowie die hohe Personendichte, überwiegend über die maschinelle Lüftung abgeführt.

Daraus ergeben sich Luftwechselraten, die deutlich über der Mindestluftwechselrate hinsichtlich der Hygieneanforderungen liegen. Infolgedessen entfallen ca. 20 % des Gesamtstromverbrauchs des Centers allein auf die maschinelle Lüftung. Da in diesem Center der Kältebedarf vorwiegend über die Grundwasserkühlung versorgt wird, fällt der Anteil an Stromverbrauch für Kühlung mit 7 % vergleichsweise gering aus.

Je nach energetischem Kon­zept können die Anteile der einzelnen Verbraucher in Shop­ping-Centern variieren.

Optimierungspotential des Anlagenbetriebs

Auf Basis der über die Gebäude­leittechnik aufgezeichneten Betriebsdaten der Anlagentechnik können die Anlageneffizienz sowie das Optimierungspotential des Anlagenbetriebs in den untersuchten Shopping-Centern ermittelt werden.

Ein Beispielcenter verfügt durch den Einsatz verschiede­ner Anlagentechniken über ein mehrstufiges System für die thermische Energieerzeugung. Der Wärmebedarf in den RLT-Anlagen zur Vorerwärmung der Außenluft wird überwiegend über die Wärmepumpen versorgt. Sofern mehr Wärmeleis­tung notwendig ist, wird Spitzenlastwärme aus dem Fernwärmenetz bezogen. Die Ergebnisse der Betriebsanalyse zeigen, dass die durch die Wärmepumpen erzeugte Wärme im Beispielcenter preislich günstiger als die Fernwärme ist, wenn die Arbeitszahl der Wärmepumpe mindestens 2,9 beträgt.

Eine signifikante Kostenersparnis kann allein durch eine Erhöhung der Betriebszeit der Wärmepumpen erreicht werden. Allerdings hat die Fernwärme vor Ort einen um den Faktor 16 kleineren Primärenergiefaktor als Strom, so dass der Primärenergieverbrauch der Wärmepumpen immerhin höher als der Primärenergieverbrauch des Fernwärmebezugs ist. Dies spricht wiederum gegen die Steigerung des Wärmeerzeugungsanteils mit den Wärmepumpen.

Im Kühlfall wird das Grundwasser durch die Brunnenanla­gen für die thermische Nutzung zur Gebäudekühlung bereitgestellt und deckt somit die Grundlast des Kältebedarfs im Center. 

Sollte diese Leistung nicht ausreichen, werden bei Außen­temperaturen unter 14 °C zwei Kältemaschinen im Betriebsmodus „freie Kühlung“ hinzugeschaltet, so dass der Kältekreislauf direkt über das Rückkühlwerk ohne Verdichtung gekühlt wird. 

Auf der nächsten Stufe werden zur Deckung eines erhöhten Kältebedarfs im Sommer zwei reversible Wärmepumpen eingesetzt. Zur Rückkühlung dieser wird ein Teil des Grundwasserrücklaufs genutzt. Spitzenlasten werden auf der letzten Stufe durch einen regulären Betrieb der zwei Kältemaschinen gedeckt. 

Die Betriebsanalyse zeigt, dass die Nutzung der freien Kühlung im Winter deutlich günstiger als die direkte thermische Grundwassernutzung ist. Eine Reduzierung der Kälteerzeugungskosten im Winter kann durch eine Erhöhung des Erzeugungsanteils durch die freie Kühlung verwirklicht werden. In den Sommermonaten, wenn die Nutzung der freien Kühlung wegen der hohen Außenlufttemperatur nicht möglich ist, weist die direkte thermische Grundwassernutzung eine deutlich bessere Erzeugungseffizienz als die Wärmepumpen und die Kältemaschinen auf. Die Implementierung einer bedarfsgerechten Regelung für die Grundwasserpumpen kann die Effizienz der direkten thermischen Grundwassernutzung weiterhin verbessern.

Einsatz von Luft-/Wasser-Systemen

In neun der insgesamt 13 untersuchten Shopping-Center werden Nur-Luft-Systeme eingesetzt. Die Außenluft wird zentral in den RLT-Anlagen konditioniert und über die Luftkanäle direkt zu den Shops befördert. Im Vergleich dazu wird bei Luft-/Wasser-Systemen die thermische Energie bis an die Luftdurchlässe teilweise oder komplett mit Wasser transportiert. Dabei wird mit örtlichen Kühlern und Erwärmern eine Nacherwärmung bzw. Nachkühlung vorgenommen, um die benötigten Zuluftkonditionen herzustellen. Da Luft eine deutlich geringere Wärmekapazität und Dichte als Wasser hat, lassen sich durch den Einsatz der Luft-/Wasser-Systeme in Shopping-Centern der Energiebedarf für den Transport des Wärmeträgers und der benötigte Installationsraum für das Luftkanalnetz reduzieren.

Bedarfsgerechte Luftvolumenstromregelung

Die RLT-Anlagen in zehn der 13 untersuchten Shopping-Centern weisen einen konstanten Zuluftvolumenstrom auf. Da die Shopping-Center lange Betriebszeiten der Gebäudetechnik erfordern und die Teillastzeiten einen großen Anteil an der Betriebszeit haben, ist eine bedarfsgerechte Volumenstromregelung für Shopping-Center besonders effektiv. Durch Reduzierung des Luftvolumenstroms kann sowohl der Stromverbrauch des Ventilators als auch der thermische Transport- oder Verteilverlust verringert werden. Bei Nur-Luft-Systemen ergibt sich der Mindestluftbedarf aus den Kühllasten. Werden die thermischen Lasten mit dem Medium Wasser abgeführt, stellt sich die Frage nach dem hygienischen Mindestluftwechsel für ein Shopping-Center. Allerdings müssen über die Außenluft die gesundheitsschädigenden Einflüsse für Beschäftigte und Kunden minimiert werden. Ferner soll die Ausbreitung von Gerüchen eingeschränkt werden.

Wartung der Messtechnik des Gebäudeautomations­systems

Shopping-Center verfügen über komplexe TGA-Systeme, die üblicherweise über ein Gebäudeautomationssystem geregelt und gesteuert werden. Um eine unnötige Anlagennutzung zu vermeiden und die Versorgungsqualität der Anlagentechnik zu ge­währ­leis­ten, haben die regelmäßige Wartung und Kalibrierung der Messtechnik des Gebäudeautomationssystems eine große Bedeutung. Die Untersuchungen zeigen, dass die Kalibrierung der Temperaturfühler in den RLT-Anlagen wesentlich zu einer Reduzierung des Kälteverbrauchs der RLT-Anlagen beitragen kann.

Fazit

Aufgrund des hohen Energiebedarfs sowie der zunehmenden Verbreitung von Shopping-Centern ist es erforderlich, nachhaltige Energiekonzepte für diesen Gebäudetyp zu entwickeln. In der Studie des IEK wird die Energieeffizienz der vorhandenen Shopping-Center in Deutschland analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass es ein erhebliches Optimierungspotential in diesem Gebäudetyp besteht. Die Erschließung des Energieoptimierungspotentials trägt nicht nur wesentlich zu den Klimaschutzzielen bei, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten zur Senkung der Energiekosten für die Nutzer und Eigentümer des Gebäudes.

Literatur

[1] Forschungsprojekt „EnmoduS: Energiedatengestützte Opti­mierung modular geplanter Shopping-Center“, gefördert durch Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (Fkz.: 03ET1502A) [2] EHI Retail Institute e.V. (Hrsg.): EHI Shopping-Center Report 2016, Köhl 2016