Laborgebäude und Passivhausstandard

Primärenergie, Endenergie und Primärenergiefaktoren

Als Passivhäuser bezeichnet man Gebäude, in denen aufgrund be­son­ders effizienter Wärmedämmung allein durch Nachheizen oder Nachkühlen des Frischluft-Volumenstroms thermische Behag­lich­keit entsteht (Bild 1). Die aktive Nutzung einer klassischen Gebäudeheizung ist deshalb nicht notwendig. Um Gebäude hinsichtlich dieser Bedingung einschätzen zu können, wurde ein Standard definiert, der den Anspruch an Passivhäuser in konkrete Ziel- und Grenzwerte übersetzt und auch der Orientierung im täglichen Planungsgeschehen dient. Der Standard wurde aus dem Wohnungsbau abgeleitet und beschreibt für Gebäude in kühlgemäßigtem Klima z. B. einen Heizwärmebedarf von 15 kWh/(m²a) und einen maximalen Primärenergiebedarf von 120 kWh/(m²a).

Zur Erläuterung: Primärenergie ist in den natürlichen Energie­trägern oder -quellen gebunden. Um sie zu nutzen, zu speichern oder zu transportieren, muss sie in Sekundärenergie umgewandelt werden. Da mit der Umwandlung – z. B. in Heizwärme – unvermeidbar Energieverluste verbunden sind, ist die für den Verbraucher ver­fügbare Endenergie geringer als eine theoretische direkte Nut­zung der Primärenergie, die jedoch häufig nicht möglich oder sinnvoll ist.

Um die unterschiedlichen Arten von Primärenergie – mit ihren verschiedenen Eigenschaften in Versorgungssicherheit und Klimaschädlichkeit – vergleichbar zu machen, wurden den Ener­gie­trägern entsprechende Primärenergiefaktoren zugeordnet. Mit diesen Gewichtungsfaktoren wird der tatsächliche Bedarf an Ener­gie multipliziert, um so den Primärenergiebedarf – für Passiv­häu­ser bei maximal 120 kWh/(m²a) festgelegt – zu ermitteln.

Zum Vergleich: Nimmt man, wie oben, einen Heizwärmebedarf von 15 kWh/(m²a) an, so entsteht bei Versorgung durch Heizöl oder Erd- bzw. Flüssiggas – alle mit einem Primärenergiefaktor von 1,1 – ein Primärenergiebedarf von 16,5 kWh/(m²a). Holz wird ein Primärenergiefaktor von 0,2 zugeschrieben, der Primärenergiebedarf beträgt beim Heizen mit Holz also nur 3 kWh/(m²a). Die Nutzung von Strom (Primärenergiefaktor 2,6) erhöht den Primärenergiebedarf auf 39 kWh/(m²/a). Im günstigsten Fall wird der Heizwärmebedarf durch Fernwärme mit einem Primärener­gie­faktor von 0,0 gedeckt. Die maximal verfügbaren 120 kWh/(m²a) Primärenergiebedarf verbleiben dann vollständig für den technischen Betrieb des Gebäudes.

Bedarf ungleich höher

Im Gegensatz zu Wohnungsbauten tragen Laborgebäude hohe innere Lasten und verlangen im Betrieb hohe Luftwechsel. Typi­sche Kennzahlen sind innere Lasten von insgesamt 80 W/m² durch Geräte (55 W/m²), Beleuchtung (15 W/m²) und Personen (10 W/m²). Hinzu kommt ein Luftwechsel, der in der Regel bei ca. 25 (m³/m²/h) liegt.

Für eine installierte Beleuchtungsleistung von 15 W/m² ergibt sich bei 2500 Betriebsstunden pro Jahr ein Energiebedarf von 37,5 kWh/(m²a). Durch Strom bereitgestellt beträgt der Bedarf an Primärenergie – unter Berücksichtigung des genannten Primärenergiefaktors 2,6 – demnach 97,5 kWh/(m²a). Auch die mechanische Be- und Entlüftung erfordert die Energieversorgung durch Strom. Der Strombedarf für den geforderten Luftwechsel kann mit ca. 25 W/m² angegeben werden. Das führt bei ebenfalls 2500 Nutzungsstunden pro Jahr zu einem Stromverbrauch von 62,5 kWh/(m²a) und damit zu einem Primärenergiebedarf von 163 kWh/(m²a).

In der Summe sind also allein für die Beleuchtung und den Lufttransport 260,5 kWh/(m²a) Primärenergie anzusetzen. Unterstellt man weiterhin einen Bedarf von 38,5 kWh/(m²a) an elektrischer Endenergie (also 100 kWh/(m²a) Primärenergie) für Anwendungen wie die Versorgung elektronischer Geräte oder zur Kälteerzeugung, führt dies zu einem gesamten Primärenergiebedarf von 360,5 kWh/(m²a). Dieser Wert ist bereits dreimal so hoch wie der maximal zulässige Primärenergiebedarf nach Passivhausstandard, obwohl hierbei bereits angenommen wurde, dass der Heizwärmebedarf vollständig durch Fernwärme, und damit ohne jeglichen Primärenergieaufwand, gedeckt werden kann. In der Praxis geht man jedoch auch bei Passivhäusern von 20 kWh/(m²a) Primärenergiebedarf zur Deckung des Heizwärmebedarfs aus. Für eine realistischere Einschätzung und eine bessere Vergleichbarkeit soll dieser Wert auch hier angenommen werden. Der Primärenergiebedarf unseres fiktiven Laborgebäudes liegt damit bei 380,5 kWh/(m²a) (Bild 2).

Es zeigt sich: Aufgrund der Nutzungsart benötigen Laborgebäude ein Mindestmaß an Energie, das weit über dem Energiebedarf eines Passivhauses liegt. Der maximal zulässige Primärenergiebedarf von 120 kWh/(m²a) deckt lediglich den Bedarf für Heizung und Beleuchtung – als Labor wäre das Gebäude folglich nicht nutzbar.

Dämmung nach Passivhausstandard verspricht kaum Vorteile

Auch der Einfluss der Gebäudehülle auf den Heiz- und Kühl­ener­giebedarf von Laborgebäu­den ist stark abweichend von den Ergebnissen, die für Wohnungsbauten erzielt werden können. Thermi­sche Gebäudesimulationsrechnungen im Rahmen mehrerer konkreter Projektplanungen haben gezeigt, dass die Umsetzung des Passivhaus-Dämmstandards für Laborgebäude energetisch teilweise zwar durchaus sinnvoll, wirtschaftlich aber nicht zu rechtfertigen ist.

Durch die Verbesserung der Gebäudehülle vom üblichen EnEV-2009-Standard auf Passiv­hausniveau reduziert sich der Gesamtheizenergiebedarf um etwa 25 % und die benötigten Anschlussleistungen sinken: für die Wärmeerzeuger um 10 %, für die Kälteerzeuger um 1 %. Setzt man zusätzlich auf eine effiziente Wärmerückgewinnung (WRG) werden sogar 43 % des Gesamtheizenergiebedarfs eingespart. Die benötigte Anschlussleistung des Wärme­erzeu­gers reduziert sich um 28 % und die Anschlussleistung des Kälteerzeugers um 2 %.

Die finanziellen Aufwendungen, die notwendig sind, um die beschriebenen Einsparungen zu erzielen, relativieren die verbesserte Energieeffizienz aus wirtschaftlicher Sicht jedoch erheblich: Die Mehrkosten, die für eine Gebäudehülle nach Passivhausstandard anfallen, betragen ohne WRG bereits 40 €/m², inklusive WRG sogar 45 €/m². Die durch den geringeren Energieverbrauch entstehende Betriebskosteneinsparung beträgt jedoch nur 35 bzw. 64 Cent/(m² a). Eine Amortisation stellt sich mit WRG somit erst nach 70, ohne sogar erst nach 114 Jahren ein. Zeiträume, die den durchschnittlichen Lebenszyklus eines Laborgebäudes von 25 Jahren um ein Vielfaches übersteigen. Außerdem steigt der Gesamtkühlenergiebedarf in jedem Fall um 5 % (Tabelle 1).

Spezifische Planung ist unumgänglich

Ein echter Passivhausstandard, der alle Kriterien für herkömmliche Gebäude erfüllt, ist für ein Laborgebäude schon aufgrund des erhöhten Energiebedarfs also nicht realisierbar. Der planerische und investionsbezogene Mehraufwand ist außerdem, vor allem in Anbetracht des typischen Lebenszyklus eines Laborgebäudes, wirtschaftlich nicht zu rechtfertigen.

Um ein Laborgebäude energieeffizient zu gestalten, müssen gebäude- und vor allem nutzungsbezogene Individualitäten bedacht werden, die durch standardisierte Kriterien nicht abzubilden sind. Hier gilt es nach wie vor, projektbezogen alle Voraussetzungen und Möglichkeiten abzugleichen und hinsichtlich Energieeffizienz, Wirtschaftlichkeit, Funktionalität und Behaglichkeit in Einklang zu bringen.