Kybernetische Sanierungskonzepte

Fragestellung

Ein interdisziplinäres Team der TU Kaiserslautern ging im Rahmen eines Forschungsprojektes der Frage nach, ob Sanierungen der Gebäudehülle, die den Fokus nicht primär auf die Reduzierung der Wärmeverluste, sondern vielmehr auf die Maximierung der möglichen Wärmegewinne legen, nachhaltig sein können. Architekten, Bauingenieure, Ökonomen und Soziologen erarbeiteten und bewerteten elf Sanierungskonzepte innerhalb von fünf Konzeptgruppen, denen gemein ist, dass über die Gebäudehülle solare Energie gesammelt und im Gebäude nutzbar gemacht wird. Die Konzeptgruppen reichen von Sanierungen ohne bis hin zu Sanierungen mit hohem Technikanteil. Untersucht wurden die Hülltypen Luftkollektor, Massivabsorber und Photovoltaik. Verglichen wurden die Energiebilanzen mit der einer Hüllsanierung gemäß EnEV 2014. Eine baualterstypische 1950er-Jahre-Siedlung der Gemeinnützigen Baugenossenschaft Speyer diente als Referenzsiedlung für die Untersuchungen.

Ausgangslage

Im Zuge energetischer Sanierungen wird der Fokus darauf gelegt, die Wärmeverluste zu minimieren. Die Gebäude werden gedämmt und abgedichtet, sowohl die Konduktions-, als auch die Konvektionsverluste werden dadurch begrenzt.

In den vergangenen Jahren wurden jedoch mehr und mehr Gebäude und Sanierungen realisiert, die sowohl durch die Konstruktion, als auch durch Gebäudetechnik, Umweltenergien, i.d.R. solare Wärmegewinne, über die Gebäudehülle einsammeln und nutzbar machen. Zur Gebäudehülle zählen alle der Außenluft zugewandten Flächen, also Fassaden und Dachflächen.

Reine Low-Tech-Häuser nutzen allein den Glashauseffekt, um Wärmegewinne über die Gebäudehülle zu generieren. Die generierte Warmluft überträgt die Gewinne konduktiv durch die Außenwand, oder wird konvektiv als Zuluft für eine Luftheizung genutzt [1].

Hybride Gebäude generieren passiv solare Gewinne durch einen Luftkollektor und führen diese aktiv dem Heizsystem zu. Gebaute Beispiele zeigen bspw. die Nutzung der Luftkollektorenergie mittels eines Wärmetauschers zur Erwärmung des Warmwassers [2,3], die Nutzung der Luftkollektorenergie durch ein Murokausten- / Hypokaustensystem [2] oder die Nutzung der Luftkollektorenergie als technisch regulierte Luftheizung [3].

Massivabsorber-Gebäude sammeln absorbierte Wärmeenergie in massiven, fluiddurchströmten Fassadenelementen [4]. Nutzbar wird die Energie durch den Einsatz von Wärmetauschern, Wärmepumpen und thermischen Speichern und Niedertemperatur-Flächenheizungen.

Häuser mit einer Hülle aus Photovoltaik-Modulen entstehen derzeit, ähnlich wie Massivabsorberhäuser, primär im Rahmen von geförderten Forschungsarbeiten [5]. Im Vordergrund steht bei PV-Gebäudehüllen die Maximierung des eigengenutzten Stromanteils bzw. die Minimierung der Einspeisung ins öffentliche Stromnetz. Der Speicherung des Solarstroms kommt eine Schlüsselrolle zu.

Auf dieser Grundlage wurde untersucht, in wie weit energetisches Aktivieren der Gebäudehülle bei vollem Bezug nachhaltig sein kann, in wie fern sich die energetische Bilanz des sanierten Hauses im Vergleich zu üblichen Sanierungsstrategien unterscheidet, wie ökonomisch und (resultierend) wie sozial verträglich die Sanierungsszenarien sind.

Methode

Die energetische Bewertung erfolgte mit Hilfe der thermisch-dynamischen Simulation (TRNSYS), die ökonomische Bewertung im Lebenszyklus-Ansatz gemäß gängiger Normen, die soziologische Bewertung basierte auf Mieterbefragungen.

Im Rahmen einer Übertragbarkeitsstudie wurde das Referenzgebäude und weitere 1950er-Jahre-Siedlungsgebäude typologisch verglichen. Es zeigt sich, dass sich die Gebäuderiegel typischer Weise aus baugleichen End- und Mitteltypen zusammensetzen (Bild 1).

Für die energetische Bewertung wurden End- und Mitteltypen simuliert und die Modelle in 30°-Schritten gedreht. Aus den Werten der End- und Mitteltypen können durch Addition Gebäuderiegel bewertet werden. Der modulare Aufbau gewährleistet die prinzipielle Übertragbarkeit auf baualtersgleiche Siedlungsgebäude (Bild 2).

Die energetische, ökonomische und soziologische Bewertung wurde exemplarisch für einen südorientierten Gebäuderiegel aus zwei End- und zwei Mitteltypen vorgenommen.

Konzeptentwicklung

Es wurden Konzepte entwickelt, bei denen jeweils Teile der Gebäudehüllfläche energetisch aktiviert werden. Um die Konzepte vergleichbar zu machen, wurden grundlegende energetische Sanierungsmaßnahmen angesetzt, die die energetischen Standards der nicht aktivierten Gebäudeteile definieren. Diese entsprechen dem sanierten Baubestand gemäß den Anforderungen nach EnEV 2014.

Die Konzeptgruppen I und II weisen eine Luftkollektorhülle, die -gruppen III und IV eine Massivabsorberfassade und die Gruppe V eine Photovoltaikhülle auf (Bild 3). 

Die Luftkollektoren der Konzeptgruppen I und II bestehen aus der Bestands-Außenwand oder dem Bestandsdach, einem Luftspalt sowie einer Polycarbonat-Mehrfachstegplatte. Luftkollektorkonstruktionen nutzen den Glashauseffekt: Licht trifft durch die transparente äußere Schicht hindurch auf die dahinterliegende opake Oberfläche, wird dort absorbiert und erwärmt die Luft des Luftspalts. Die Wärmeverluste der angrenzenden Räume an die Außenluft reduzieren sich auf Grund der erhöhten Temperatur im Luftspalt. Zeitweise dreht sich der Wärmefluss um: es sind Wärmegewinne für den angrenzenden Raum zu verzeichnen. In Zeiten, in denen sehr wenig oder keine Solarstrahlung zur Verfügung steht, wirkt die Luft im Spalt der Kollektoren als ruhende Luftschicht. Eine geringe Solarstrahlungsdichte bei Diffuslicht reicht aus, um nutzbare Temperaturen zu erzeugen.

Während der Kühlperiode werden im Dachfirst und an der Trauflinie angeordnete Lüftungsklappen genutzt, um die Konstruktion zu durchlüften.

In den Konzeptgruppen III und IV wird die Fassade des Hauses als Massivabsorber ausgebildet. Die Massivabsorber bestehen aus fluidgefüllten Rohregistern, die in einer dünnen massiven Schicht aus Beton eingebettet und auf einer Wärmedämmschicht aufgebracht sind. Um Wärmeenergie zu gewinnen, muss das Fluid im Rohrregister eine geringere Temperatur aufweisen, als die kombinierte Massivabsorbertemperatur aus Umgebungsluft und solarer Strahlung. Das Fluid der Rohregister erwärmt sich in Folge der höheren Umgebungstemperatur und der solaren Einstrahlung auf die massive Schicht. In den Konzeptgruppen III und IV wird die Wärmeenergie des Absorbers an die Gebäudetechnik übergeben.

Die Konzepte der Gruppe V generieren statt Wärme Strom über eine Photovoltaik-Gebäudehülle. Teile des Stroms werden direkt zur Raumwärme-Bereitstellung mittels Wärmepumpe genutzt, Teile ins öffentliche Netz eingespeist.

Der statische U-Wert der Luftkollektorkonstruktionen beträgt 0,42 W/(m² K), der der Massivabsorberfassade und der Photovoltaikfassade entsprechen dem U-Wert der gedämmten Außenwand gemäß EnEV-Sanierung mit weniger als 0,24 W/(m² K) (Bild 5).

Konzeptdarstellung

Das Konzept Ia benötigt keine zusätzliche Gebäudetechnik, die Außenwände werden als passiver Luftkollektor ausgebildet.

Auch das Konzept Ib kommt ohne zusätzliche Technik aus. Die Luftkollektorgebäudehülle aus dem Konzept Ia wird durch Kastenfenster ergänzt, die für sich genommen ähnlich wie ein Luftkollektor funktionieren. Kastenfenster bestehen aus zwei mit schmalem Luftzwischenraum parallelgeschalteten Fenstern. Sind beide Fenster geschlossen, weist das Kastenfenster einen sehr guten Wärmeschutz auf. Bereits mit zwei 2fach-verglasten Fenstern mit einem U_g-Wert von jeweils 1,24 W/(m² K) kann ein Kastenfenster mit einem U_w-Wert von 0,68 W/(m² K) gebildet werden. Kastenfenster können durch die Bedienung einen niedrigen U-Wert und einen hohen Gesamtenergiedurchlass gewährleisten.

Im Konzept Ic wird das Haus mit einer Luftkollektorhülle gänzlich umhüllt, die solar gewonnene Wärme wird der Haustechnik zugeführt. Als simpel konstruierte Alternative zu den Konzepten III und IV werden in der Putzschicht zwischen Luftschicht des Luftkollektors und der Bestandswand fluiddurchströmte Rohrmatten eingebettet. Zwei Effekte überlagern sich: die erwärmte Luft im Luftkollektor reduziert die Verluste der Wohnräume und erwärmt das Fluid in den Rohrmatten, deren Wärmeenergie dem Heizsystem zugeführt wird. Mittels Wärmetauscher, Wärmepumpe und Speicher mit Nacherwärmung wird die Energie auf den Heizkreislauf übertragen.

Im Konzept IIa wird die im Luftkollektor erwärmte Luft direkt als warme Zuluft für die Wohnräume genutzt. Die solar erwärmte Luft wird, wenn sie wärmer als die Heiztemperatur der Wohnräume ist, im Dachraum gesammelt und über Rohrleitungen, die in den bestehenden Kaminen integriert werden, in die Wohnungen eingebracht – brach liegende Kamine werden benötigt. Die Effizienz des Konzeptes ist auf Grund der hohen Nutzbarkeit der Kollektorenergie hoch. Das Konzept setzt eine temperaturgeführte mechanische Lüftung der Räume inklusive aller notwendigen Hygienemaßnahmen voraus.

Im Konzept IIb wird die solar erwärmte Luft des Luftkollektors der Gebäudetechnik und dem vorhandenen Heizsystem zugeführt. Die warme Luft steigt im Luftkollektor auf, wird im Bereich der Traufe über ein Rohrsystem angesaugt und über einen Wärmetauscher auf Wasser übertragen. Die Wassertemperatur wird mit Hilfe einer Wärmepumpe auf das vom bestehenden Heizsystem nutzbaren Temperaturbereich gehoben.

In Konzept IIIa wird die Südfassade als Massivabsorber ausgebildet. Die Wärmeenergie wird aus der Umgebung über Konvektion und Strahlung gewonnen und über die Rohrregister ins Gebäude befördert. Im Inneren des Gebäudes wird die gewonnene Wärme durch eine Sole-Wasser- Wärmepumpe auf das benötigte Temperaturniveau zur Sicherung des Heizwärmebedarfs angehoben. Die Effizienz der Wärmepumpe steigt mit sinkendem Temperaturhub. Das notwendige Temperaturniveau zur Sicherstellung des Heizwärmebedarfs ist stark von den Wärmeüberträgern abhängig. Bei Radiatoren kann von einer maximalen Vorlauftemperatur von 55 °C bis 70 °C ausgegangen werden.

Um Sperrzeiten auszugleichen und zyklisch überschüssige Wärmeenergie zu speichern, wird ein Pufferspeicher zwischen Wärmeerzeuger und Wärmeüberträger geschaltet. Eine Umwälzpumpe sorgt für die benötigte Umwälzung des Heizwassers zwischen Wasserspeicher und den Wärmeüberträgern. Im Konzept IIIb entspricht das energetische System dem in IIIa, die Wärmeübertragung an die Raumluft erfolgt über eine Flächenheizung. Bei Flächenheizungen ist eine Vorlauftemperatur von maximal 45 °C zu erwarten.

Das Konzept IV erweitert das bestehende Konzept III um eine PV-Anlage auf dem Dach. Die PV-Anlage dient vor allem der Deckung des Strombedarfs der Anlagentechnik. Die Überproduktion wird, gegen Vergütung (EEG), ins öffentliche Netz eingespeist. Die weiteren anlagentechnischen Bestandteile sind identisch zu denen aus Konzept III. Das Konzept IV ermöglichte einen höheren solaren Deckungsgrad im Vergleich zu Konzept III. Im Konzept IVa wird die Heizwärme mittels der bestehenden Radiatoren an die Raumluft übertragen. Im Konzept IVb wird die Heizwärme mittels einer Fußbodenheizung an die Raumluft übertragen.

Im Konzept V wird das Gebäude von einer Photovoltaik-Hülle umschlossen. Die Gebäudehülle erzeugt Strom statt wie in den vorhergehenden Konzepten Wärme. Der Strom wird zur Bereitstellung der Heizwärmeenergie verwendet, überschüssiger Strom wird ins öffentliche Netz eingespeist. Im Konzept Va wird die Heizwärme mittels der bestehenden Radiatoren an die Raumluft übertragen. Im Konzept IVb wird die Heizwärme mittels einer Fußbodenheizung an die Raumluft übertragen.

Vorstudien

In Vorstudien wurde untersucht, welche Teile der Gebäudehülle des End- und Mitteltyps abhängig von der Konstruktion der Gebäudehülle (EnEV-Standard, Luftkollektor, Massivabsorber, PV) und von der Ausrichtung der Gebäudehüllteile zur Sonnenbahn effizient aktivierbar sind. Architektonische Gesichtspunkte flossen in die Entscheidung, welche Hüllflächen exemplarisch aktiviert werden sollen, mit ein.

In den Luftkollektor-Konzepten, die rein über Konduktion Wärme an den Wohnraum liefern, sollten alle an die Wohnräume angrenzenden Teile der Gebäudehülle, also alle Fassadenflächen, als Kollektor ausgebildet werden. Die Betrachtung des dynamischen U-Wertes, der Gewinne und Verluste berücksichtigt, zeigte, dass der durchschnittliche U_dyn zwischen -0,56 (Gewinn) und 0,26 W/(m² K) (Verlust) liegt, allein der statische U-Wert, der die Gewinne nicht berücksichtigt, liegt bei 0,42 W/(m² K) (Tabelle 1).

In den Luftkollektorkonzepten, in denen zusätzlich Wärme an die TGA übergeben wird, leistet die Süddachfläche, die an den nicht ausgebauten Dachraum grenzt, einen entscheidenden Beitrag. In diesen Konzepten wurde die gesamte Gebäudehülle als Luftkollektor ausgebildet. Bei der Massivabsorberkonstruktion hat die Himmelsausrichtung einen Einfluss von max. 10 % auf die Effizienz des Konzeptes, die Südorientierung führt zu den besten Werten. Exemplarisch wurde die reine Südausrichtung der Fassade angesetzt. Die Süddachfläche wurde zur Anordnung ergänzender PV genutzt.

Im Konzept mit PV-Gebäudehülle wurde die gesamte Hülle mit Photovoltaik belegt.

Zur Auslegung der Wärmepumpen wurden die Heizlasten für den sanierten Zustand den Simulationen entnommen. Zur Gewährleistung der Mindest-Innenraumtemperatur von 20 °C werden 30 W/m² Energie benötigt. Bei einer Wohnfläche von 380 m² pro Mittel- oder Endtyp mit jeweils sechs Wohneinheiten ist der Wärmeerzeuger auf 11,4 kW auszulegen. Für alle Wärmepumpen-Konzepte wurde die nächstgrößere Wärmepumpe mit einer Leistung von 13 kW gewählt.

Das Volumen des Pufferspeichers wurde hinsichtlich der Jahresarbeitszahl optimiert. Für Mittel- und Endtyp stellt sich bei den Massivabsorberkonzepten ein Speichervolumen von 2 m³ am effizientesten heraus. Dieser Speicher wurde in allen Wärmepumpenkonzepten angesetzt.

Eine Studie zur benötigten Fläche des Massivabsorbers bezogen auf die Leistung der gewählten Wärmepumpe ergab ein Optimum bei etwa 90 m² thermisch aktivierter Fläche. Dies entspricht etwa 7 m² thermisch aktivierter Fläche pro kW Heizleistung der Wärmepumpe. Bei einer konstanten Eintrittstemperatur in den Massivabsorber und den angenommenen Wetterdaten aus TRY ist die Erwärmung über den Massivabsorber von dem Volumenstrom abhängig, der im vorliegenden Fall mit 2,8 m³/h angenommen wurde.

Bei einer Senkung des Volumenstroms kann thermisch aktivierte Fassadefläche eingespart werden. Welche Auswirkung diese Anpassung auf das Konzept hat, ist in weiteren Simulationen darzustellen. Im Vergleich zu einem System mit einer Außenluft-Wasser-Wärmepumpe ist das vorgestellte System um 20 % effizienter (Bilder 6 und 7).

Auszug aus den Forschungsergebnissen

1. Die einfachste solarenergiegewinnende Gebäudehülle, ein Luftkollektor, reduziert ohne Einsatz von zusätzlicher Gebäudetechnik den Heizwärmebedarf im Vergleich zum EnEV-Standard um 22 %, im Vergleich zum unsanierten Bestand um etwa die Hälfte.

2. Sanierungs-Erstkosten und Lebenszykluskosten des EnEV-Standards und des einfachsten Low-tech-Luftkollektor-Konzeptes sind vergleichbar, der EnEV-Standard wird in der Kalkulation als unwesentlich teurer bilanziert als der einfache Luftkollektor.

3. Mit rein passiven Strategien, also ohne zusätzliche Gebäudetechnik, kann der Heizwärmebedarf des EnEV-Standards um 39 % unterschritten werden (Konzept Luftkollektor mit Kastenfenster, Heizwärmebedarf 45,5 W/(m²K)). Das Konzept mit Kastenfenstern ist jedoch nutzerabhängig: nur wenn die Fenster richtig bedient werden, kann der bilanzierte Heizwärmebedarf erreicht werden.

4. Konzepte, in denen passiv der Heizwärmebedarf gesenkt wird (Luftkollektor), der wiederum durch aktive Komponenten gedeckt wird (Wärmepumpe), erzielen die besten Ergebnisse (vgl. Konzept Luftkollektor-Wärmepumpe: niedrigster Endenergiebedarf, niedrigster Primärenergiebedarf aller Konzepte).

5. Je mehr Gebäudetechnik ein Konzept benötigt, desto höher sind die Lebenszykluskosten und desto höher ist die Amortisationszeit.

6. Wärmepumpen weisen relativ hohe Investitionskosten auf, können jedoch durch verschiedene Förderprogramme bezuschusst werden. Sie weisen eine relativ geringe Lebensdauer bei gleichzeitig hohen Wartungs- und Instandhaltungskosten auf, so dass Konzepte mit Wärmepumpe generell höhere Kosten bezogen auf den Lebenszyklus des Hauses / der Sanierung bedeuten. Die meisten Wärmepumpenkonzepte amortisieren sich daher nicht, sind für den nicht-hochpreisigen Wohnungsbau ungeeignet. Ausnahme: das Konzept mit Luftkollektor und Wärmepumpe amortisiert sich nach neun Jahren.

7. Konzepte mit Wärmepumpe weisen den geringsten Endenergiebedarf auf, die Energiekosten hingegen sind mit denen der anderen Konzepte vergleichbar.

8. Einer der niedrigsten zu erzielenden Endenergiebedarfe beträgt in einem Konzept mit Massivabsorber und Photovoltaik 19,2 kWh/(m² a). Dieses Konzept weist gleichzeitig die höchsten Lebenszykluskosten auf und amortisiert sich nicht. Die Produktionskosten für den Massivabsorber sind aktuell noch zu hoch. Mit zunehmender Nachfrage dürfte das Produkt kosteneffizienter werden.

9. Mechanische Lüftungsanlagen weisen hohe Lebenszykluskosten auf, das Konzept mit Lüftungsanlage amortisiert sich nicht.

10. Der niedrigste Heizwärme- und Endenergiebedarf wird mit Luftkollektorhülle und Wärmepumpe erzielt.

11. Die Konzepte mit Luftheizung oder Fußbodenheizung bedingen bauliche Eingriffe innerhalb der Wohneinheiten, sind daher nur im unbewohnten Zustand der Wohneinheiten umsetzbar.

12. Die Mieter sind laut Befragung mit dem baualtersspezifischen Aussehen der Häuser zufrieden. Konzepte, die die Anmutung der Häuser erhalten, sind vorzuziehen. Baualterstypische bauliche Merkmale wie Dachüberstand und Fensterläden sollen erhalten bleiben (Bilder 8 bis 10).

13. Konzepte, die sich nicht amortisieren, führen zu elementaren Mietsteigerungen, die aus soziologischer Sicht nicht akzeptabel sind.

Fazit

Die Gemeinnützige Baugenossenschaft Speyer, die die Referenzsiedlung als Forschungsobjekt zur Verfügung stellte, diskutiert derzeit über die Möglichkeit der Ausführung einer der Konzepte. In Frage kommen primär Luftkollektorkonzepte, empfohlen wurde das Konzept IIb – Luftkollektor, Wärmetauscher, Wärmepumpe, Speicher (Bilder 8 bis 10).

Beispiele

[1] Wohn- und Atelierhaus Lang-Kröll, Gleißenberg, Florian Nagler Architekten, 2002 [2] Solarhaus Hehli vom Dach, Degersheim (CH), Hans Ruedi Stutz, Degersheim, 2003 [3] Altenteilhaus (Luftkollektorhaus) Uttenweiler, Bruno Mauer Architekt (FH), 2009 [4] Gewerbehalle mit Massivabsorber-Fassade. vgl. Forschungsprojekt „Solarwärmesystem   für die Beheizung von Industriehallen mit Massivabsorber und Saisonwärmespeicher“ der    Hochschule für angewandte Wissenschaft München, Prof. Dr. Christian Schweigler, Laufzeit: 1. Februar 2013 bis 31. Januar 2016, gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie  (BMWi) [5] Aktiv-Stadthaus Frankfurt der ABG Frankfurt Holding Wohnungsbau- und Beteiligungsgesellschaft mbH, Frankfurt am Main, Hegger Hegger Schleiff Architekten, Kassel, 2015