Heizen und Kühlen in Bürogebäuden

Luft gegen Wasser: Systeme im Vergleich

Um einen objektiven Vergleich der HLK-Systeme zu ermöglichen, mussten die Gesamtsys­te­me mit allen Komponenten von der Wärme- bzw. Kälteversor­gung über deren Verteilung bis hin zur Übergabe an den Raum berücksichtigt werden. Die Heiz-/Kühl­zen­trale sowie alle An­lagenkomponenten wurden anhand der Heiz- und Kühllasten sowie der erforderlichen Luftwechselraten aus dem Simulationsmodell dimensioniert. Tabelle 1 zeigt eine Übersicht der Anlagenkonfigurationen in den einzelnen Varianten. So wurde zur Versorgung der Bauteil­akti­vierung eine Variante mit separater Bereitstellung von Heiz- und Kühlenergie über einen Brennwert-Heizkessel sowie eine Kältemaschine betrachtet. Eine weitere Variante arbeitet mit einer erdgekoppelten, reversierbaren Wärmepumpe, deren Sonden im Sommer für die passive Kühlung sowie eine Regeneration der Wärmequelle sorgen.

Die beiden luftgestützten Varianten arbeiten jeweils mit einer separaten Wärme- und Kälteversorgung. Bei den Varianten mit Ge­bläsekonvektoren, die an der Decke über den Fenstern installiert sind, wird der hygienisch erforderliche Außenluft-Volumenstrom über ein Zentralgerät mit Wärmerückgewinnung und Kühlung aufbereitet und bereitgestellt. Für die Varianten mit TAB-S wird der hygienisch erforderliche Luftwechsel ebenfalls über ein Zentralgerät mit WRG eingebracht. Das VVS-System arbeitet je nach interner Last als „Nur-Luft-System“ mit varia­blem Luftvolumenstrom, der zentral in einem kombinierten Zu- und Abluftgerät mit Entfeuch­tung aufbereitet und über ein Ka­nal­netz an die Räume übergeben wird. Die Abluft der innenliegen­den WC ist in allen Varianten an eine separate Lüf­tungs­anlage an­geschlossen.

Gesamtkostenermittlung

Die Lebenszykluskostenberechnung wurde für alle Varianten mit­hilfe der Kapitalwertmethode über einen Betrachtungszeitraum von 15 Jahren vorgenommen. Dabei werden alle Zahlungen im Betrachtungszeitraum unter Be­rück­sichtigung der jeweiligen Teuerung beispielsweise für Brenn­stoff auf den Anfangszeitraum diskontiert. Die wirtschaftlichs­te gebäudetechnische Lösung ist die mit dem geringsten Kapitalwert der Gesamtkosten über den Betrachtungszeitraum.

Aufgrund der unterschiedlichen Lebensdauer der verschiedenen Komponenten ergeben sich sowohl Ersatzinvestitionen als auch Rest­werte nach Ablauf des 15-jährigen Betrachtungszeitraums, die jeweils berücksichtigt wurden. So müssen in Anlehnung an die Nutzungszeiträume der VDI 2067 Ventilatoren und Pumpen nach etwa zehn Jahren mit den dann zu erwartenden Wieder­be­schaffungswerten ersetzt werden, während langlebige Kom­ponenten wie die thermische Bau­teilaktivierung oder die Erd­sonden den Betrachtungszeit­raum mit einem Restwert überdauern. In den Lebenszykluskosten finden gemäß EU-Verordnung 244:12 außerdem folgende Kos­tenarten Berücksichtigung:

Investitions- und Energiekosten im Überblick

Die Auswertung der Investitions­kosten zeigt Bild 2. Für die Bauteilaktivierung in Verbindung mit einem Gas-Brennwertkessel und einer Kältemaschine ergeben sich mit 271 €/m² insgesamt die geringsten Investitionskosten gefolgt vom VVS-System (292 €/m²) und den Gebläsekonvektoren (372 €/m²). Aufgrund der Erdsondenbohrungen liegen die Kosten für TAB-S mit Erdwärmepumpe mit 435 €/m² zunächst deutlich über den Investitionskosten der anderen Systeme. Dieses Bild kehrt sich bei Betrachtung der Energiekosten um, so dass die Energieverbrauchskosten inklusive Hilfsenergien für das TAB-S mit erdgekoppelter Wärmepumpe unter 3 €/m²a liegen, während das VVS-System Energiekosten von über 7 €/m²a erzeugt (Bild 3). Hier wirkt sich insbesondere die Nutzungsmöglichkeit freier Kühlung (ca. 70 % des Jahreskühlenergiebedarfs), aber auch die hohe Effizienz niedriger Systemtemperaturen im Heizbetrieb besonders positiv für die thermische Bauteilaktivierung aus.

Gesamtkostenauswertung

Die in Bild 4 dargestellten Gesamtkosten beziehen sich als Kapital­wert aller Aufwendungen aus einem Zeitraum von 15 Jahren und enthalten eine eher moderate mittlere Preissteigerung von 3 % pro Jahr für Gas und Strombezug. Für das TAB-S mit Gas-Brennwertkessel und einer separaten Kältemaschine ergeben sich die geringsten Gesamtkosten aller betrachteten Varianten. Auf etwa gleichem Kostenniveau folgen dann TAB-S mit erdgekop­pel­ter Wärmepumpe sowie das VVS-System. Liegen die jährlichen Teuerungsraten für Gas und Strom im Mittel höher als in dieser konservativen Berechnung angenommen, so ist das Gesamtsystem TAB-S mit Erdwärmepumpe wirtschaftlicher als ein VVS-System, wie die errechneten Energiekosten der Varianten zeigen.

Behaglichkeit im Vergleich

In der vorliegenden Studie wurden für die verschiedenen Anlagensysteme Kennwerte des Innenraumklimas näher untersucht und gegenübergestellt. Somit erfolgt neben einer Betrachtung der energetischen Effizienz und der Gesamtkosten verschiedener Anlagensysteme eine Bewertung der erreichbaren thermischen Behaglichkeit. Hierzu werden die innenraumklimatischen Kennwerte PMV und PPD genutzt. Der PMV-Index („predicted mean vote“) beschreibt die mittlere subjektive Klimabewertung der Raumnutzer. Der PPD-Index stellt den Prozentsatz der Raumnutzer dar, die mit den raumklimatischen Verhältnissen nicht zufrieden sind. Je weiter die Solltemperatur von 22 °C im Winter und 24,5 °C im Sommer abweicht, desto höher ist der Anteil an Unzufriedenen (Bild 5).

Der Vergleich der thermischen Behaglichkeit in dieser Studie zeigt, dass die Varianten mit Bauteilaktivierung unter den untersuchten Varianten am ehesten als thermisch behaglich (PMV = 0) zu erachten sind und somit die beste Einstufung erhalten. Der PMV liegt in einem südlich ausgerichteten Raum unter dem Dach bei TAB-S zu 49 % der Nutzungszeit in der Klasse A, der gleiche Raum mit einem VVS- oder Gebläsekonvektoren-System befindet sich 24 bis 42 % der Nutzungszeit in der Klasse A (Bild 6). Die Kühlung durch luftbasierte Systeme funktioniert im Wesentlichen durch Konvektion. Ohne gekühlte Strahlungsflächen werden größere Luftmengen und mehr Kühlenergie zur Erreichung dergleichen operativen Temperatur benötigt. Dies geht einher mit höheren Investitions- und Energiekosten. Zudem besteht das Risiko, dass sich die Anzahl unzufriedener Raumnutzer aufgrund von Zugluft oder Geräusch­entwicklung erhöht.

Fazit

Die Studie zeigt, dass wasserbasierte Heiz- und Kühlsysteme, kombiniert mit einer – auf den hygienischen Luftwechsel ausgelegten – Lüftungsanlage bezüglich des Energieverbrauchs und der thermischen Behaglichkeit ein Optimum darstellen. Durch die Installation einer thermischen Bauteilaktivierung befindet sich das – anhand des PMV bewertete – Raumklima bis zu 25 % länger in der Behaglichkeitsklasse A der ISO-Norm 7730 und wird somit hohen Anforderungen an das Raumklima gerecht. Zudem können die Gesamtkosten gegenüber konvektiven Systemen um 13 bis 28 % gesenkt werden und führen so zu einer kosteneffizienten Lösung.