Sanierung von Bestandswohngebäuden

Gebäudesituation vor der Sanierung

Die drei im Folgenden betrachteten Wohnriegel in Karlsruhe wurden in den 1950er und 1960er Jahren erstellt. Eine Besonderheit ist, dass sie exakt gleich erbaut, geo­graphisch parallel ausgerich­tet und somit den gleichen äußer­lichen Einflüs­sen ausgesetzt sind.

Jeder Wohnblock besteht aus drei Gebäudeteilen mit jeweils zehn Wohneinheiten und separaten Eingängen. Die Abmessung eines Wohnriegels beträgt 51,63 m Länge bei einer Breite von 10,34 m. Das beheizte Gebäudevolumen umfasst pro Riegel 7212 m³ mit einer wärme­übertragenden Umfassungsfläche von 2747,35 m².

Bei den Fassaden handelt es sich um klassische Lochfassa­den mit relativ kleinen Fenster­öff­nungen. Die vorhandenen Balkone bilden Wärmebrücken über die komplette Höhe des Gebäudes. Das Kellergeschoss sowie das innen­liegende Treppenhaus sind unbeheizt. Die Erdgeschosswohnungen sind als Hochparterrewohnungen ausgeführt. Die Erschließung der Wohnungen erfolgt als Zweispänner zu beiden Seiten in zwei spiegelsymmetrisch ausgeführte Wohneinheiten mit jeweils 70,4 m² Wohnfläche. Die Gebäude sind in monolithischer Bauweise erstellt und verfügen über die bauzeitüblichen U-Werte. Im Laufe der Jahre wurden die Fenster größtenteils ausgetauscht und die Westfassade wurde mit einer 4 cm starken Dämmung versehen. Der Großteil der Wohnungen wird dezentral beheizt. Im Zuge der Versorgung der Gebäuderiegel mit Gas sind einige Mieter von den Kohleeinzelöfen auf eine Gasetagenheizung umgestiegen. Das Brauchwarmwasser für die Wohnungen wird durch Gasdurchlauferhitzer im Badezimmer zur Verfügung gestellt.

Sanierungsvarianten

Im Zuge der Überlegungen zur Auswahl der Sanierungsvarianten wurden statische Berechnungen durchgeführt, diese umfassen sowohl die Berechnungen zur Auslegung der Wärmeerzeuger inklusive der Heizflächen als auch die gesetzlich vorgeschriebenen Nachweise nach EnEV mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad. In enger Zusammenarbeit mit der Volkswohnung Karlsruhe, der Hochschule Karlsruhe (Prof. Wolfrum) und dem Ingenieurbüro Kemm wurden abschließend die sieben Sanierungsvarianten ausgewählt. Die Versionen beziehen sich sowohl auf die baukonstruktive als auch die anlagentechnische Seite. Um ein breites Spektrum von Sanierungsmaßnahmen umsetzen zu können, werden pro Riegel drei Sanierungsvarianten eingesetzt. Jede Variante wird jeweils auf zehn Wohnungen (ein Hauseingang) angewendet, so dass der Nutzereinfluss im statistischen Mittel der Mess- und Befragungsergebnisse deutlich verringert werden kann.

Die drei Wohnriegel wurden nacheinander saniert, wobei mit den Gebäuden des Riegels R1 begonnen wird. Die anlagentechnische sowie baukonstruktive Sanierung wird in Riegel R1 nach den Standardvorgaben der Volkswohnung Karlsruhe durchgeführt. Für den Bereich der Baukonstruktion umfasst die Standardsanierung die Dämmung der kompletten wärmeübertragenden Umfassungsfläche inklusive eines Austauschs der Fenster. Die Varianz in der Baukonstruktion besteht bei den drei Hauseingängen lediglich in der Güte des eingebauten Fensters, Standardkunststofffenster U_w = 1,3 W/(m²K) oder Passivhausfenster U_w = 0,8 W/(m²K). Die Außenwand erhält ein Wärmedämmverbundsystem mit 16 cm Dämmstoffdicke (λ = 0,035 W/(mK)) und erreicht somit einen rechnerischen U-Wert von 0,22 W/(m²K). Die oberste Geschoss­decke erzielt nach der Dämmmaßnahme einen U-Wert von 0,21 W/(m²K), und die Trenndecke zwischen Keller- und Erdgeschoss wird mit 7 cm Dämmung versehen (U = 0,31 W/(m²K)). Das Gebäude wird im Zuge der Sanierung an das neu erstellte Fernwärmenetz angeschlossen und die Räume über Plattenheizkörper mit Wärme versorgt. Die Bereitstellung des Trinkwarmwassers erfolgt zentral. Zur Sicherstellung des notwendigen Luftwechsels werden in den Eingängen des ersten Gebäuderiegels Fensterlüfter im Fensterrahmen installiert, die verbrauchte Luft wird zentral in Badezimmer und Küche abgeführt. Die Sanierung führt rechnerisch zu einer Reduzierung des Jahresheizwärmebedarfs um 80 % auf 38 kWh/m²_Nutzfläche (gemittelt über die drei Hauseingänge des ersten Riegels); vor der Sanierung liegen die Werte im Bereich von 194 kWh/m²_Nutzfläche.

Der zweite Gebäuderiegel wird ebenfalls mit einem Wärmedämmverbundsystem versehen. Hierbei kommen Dämmplatten mit einem λ von 0,022 W/(mK) zum Tragen, so dass sich für den gesamten Wandquerschnitt ein U-Wert von 0,11 W/(m²K) ergibt. Die restliche wärmeübertragende Umfassungsfläche wird wie im ersten Gebäuderiegel ausgeführt. Für die anlagentechnische Ausführung wird je Hauseingang eine eigene Variante ausgeführt. Die Heizungswärme wird auch hier über das Fernwärmenetz zur Verfügung gestellt, allerdings findet eine Varianz der Heizflächen (unterschiedliche Heizkörperhersteller bis hin zur Fußbodenheizung) statt. Das Trinkwarmwasser wird entweder dezentral über eine Frischwasserstation oder zentral mit einem Heizungspufferspeicher und Frischwassermodul bereitgestellt. Der notwendige Luftwechsel wird über unterschiedliche Arten von Fensterlüftern in Kombination mit zentraler Abluft oder dezentralen Lüftungsgeräten als Brüs­tungs­ele­mente mit Wärmerückgewinnung ermöglicht. Durch die Steigerung der Dämmqualität ist auch eine weitere Reduzierung des rechnerischen Jahresheizwärmebedarfs feststellbar. Gegenüber dem unsanierten Zustand ist eine Reduzierung um 84 % zu erwarten. Im Vergleich zu Standardsanierung ist hier eine weitere Reduzierung um 18 % erfolgt.

Der dritte Gebäuderiegel variiert gegenüber dem zweiten Riegel nicht in der Güte der Dämmung, sondern in der Ausführung. Für die Dämmung der Außenwand werden Vakuumisolationspaneele als Sandwichkonstruktion verwendet. Die übrigen Bauteile werden wie im zweiten sowie ersten Gebäuderiegel ausgeführt. Im Bereich der Anlagentechnik liegt die größte Varianz. Der erste Eingang erhält eine Wärmepumpe mit CO₂-Erdsonden und Fußbodenheizung. Das Trinkwarmwasser wird dezentral produziert. Den notwendigen Luftwechsel stellen dezentrale Lüftungsgeräte mit Wärmerückgewinnung pro Wohneinheit sicher. Die Wohnungen des zweiten Eingangs werden ebenfalls über zwei Wärmepumpen mit CO₂-Sonden versorgt. Die Beheizung sowie Lüftung der Wohnungen erfolgt über dezentrale Lüftungsgeräte in den Wohnungen mit entsprechendem Nachheizregister und Wärmerückgewinnung. Für den dritten Hauseingang kommt eine Luftwärmepumpe zum Einsatz, unterstützt wird diese durch eine Abluftwärmepumpe. Die Beheizung der Räume wird über zwei unterschiedliche Arten der Deckenheizung sichergestellt. Das Trinkwarmwasser wird wiederum dezentral als Frischwasserstation allerdings von einem anderen Hersteller zur Verfügung gestellt. Die Lüftung der Räume wird zentral vorgenommen, wobei die Abluft über die Wärmepumpe geführt wird. Die errechneten Einsparungen im Bereich des Jahresheizwärmebedarfs erreichen ähnliche Werte wie bei der Sanierung des zweiten Gebäuderiegels. Nämlich eine Verbesserung von 84 % gegenüber dem Ausgangszustand und 18 % gegenüber der Standardsanierung.

Messtechnik

Nach einer energetischen Sanie­rung werden häufig nicht die pro­gnostizierten Einsparungen erzielt. Die geringen Kenntnisse über den tatsächlichen Anlagennutzungsgrad stellen ein wesentliches Hemmnis bei der Konzeption von Maßnahmen zur Energieeffizienzverbesserung dar. Es empfiehlt sich ein Monitoring bzw. Messtechnik für die durchgeführten Effizienz­maßnahmen zu installieren. Durch die Analyse der Messdaten kön­nen Fehlfunktionen der Anlagentechnik, regelungstechnische Probleme sowie Auffälligkeiten im Nutzerverhalten aufgedeckt werden. Im vorliegenden Forschungsvorhaben wurden die Messgrößen so ausgewählt, dass der Ein­fluss der baukonstruktiven und anlagentechnischen Kompo­nenten auf den Energiebedarf und den Raumkomfort ermittelt werden kann.

Die Topologie für die Verschal­tung der einzelnen Mess- und Steue­rungssysteme hat Prof. Wolf­rum, Hochschule Karlsruhe, entwickelt und umgesetzt. Für die Abfrage der erfassten Daten aus den Messfühlern bzw. Messmodulen und Energiezählern kommen unterschiedliche Bussysteme zum Einsatz. Die Anzahl der Messpunkte richtet sich in den Hauseingängen nach der Besonderheit der energetischen Sanierung. Grundsätzlich gibt es Basismessungen in den Wohnungen, die immer gleich sind. Darüber hinaus gibt es Messstellen, die spezielle Größen wie Regelparameter, Volumenstrom etc. erfassen. Die Messintervalle schwanken je nach Messpunkt zwischen 1 und 15 min. So stehen pro Tag ca. 6 Mio. Datenpunkte zur Auswertung zur Verfügung, diese Daten werden auf einem Server als CSV-Datei abgelegt. Um eine derartig große Datenmenge effizient und dauerhaft speichern zu können, bedarf es einer Datenbank bzw. eines Datenbanksystems.

Genutztes Datenformat

HDF ist ein Datenformat zur effizienten und flexiblen Speicherung von Daten. Die Verzeichnisstruktur einer HDF5-Datei ähnelt der hierarchischen Struktur mit Gruppen und Untergruppen eines Dateisystems. Zur Übersichtlichkeit der gewonnenen Messdaten werden diese entsprechend den Gebäuden bzw. Hauseingängen und den jeweiligen Sanierungsvarianten unterteilt abgelegt. Raumspezifisch werden sämtliche gemessenen Daten und die in dem Raum installierten technischen Geräte aufgeführt, die Anzahl dieser Parameter variiert je nach Raum und Sanierungsvariante. Eine HDF5-Datenbank kann durch den HDF-Viewer einfach und schnell visualisiert werden. Für die Datenauswertung wurde am Institut das Auswertungstool „HDF-Tables-EBC“, das auf dem Programm HDF-Tables basiert, weiterentwickelt. Die Kombination der Bedienbarkeit der Programmierung mit Python und der hohen Geschwindigkeit von HDF5 machen sowohl die Entwicklung als auch die Programmausführung effektiv.

Dynamische Simulation

Die dynamische Gebäude- und Anlagensimulation wird mithilfe der frei verfügbaren Programmiersprache „Modelica“ durchgeführt. „Modelica“ arbeitet objektorientiert. Die Wiederverwendung der Komponenten, eine Vererbung von Eigenschaften und die Zusammenfassung von Funktionen zu größeren Einheiten sind möglich. Aufbauend auf der „Modelica Standard Bibliothek“ wurden am Institut eigene Bibliotheken zur gekoppelten Gebäude- und Anlagensimulation entwickelt.

Ein zentrales Merkmal zur Bewertung eines Gebäudes ist der spezifische (auf die Nutzfläche bezogene) Heizenergiebedarf. Diese Kenngröße ist als Ergebnis der Jahressimulation monatsweise in nebenstehender Abbildung rot dargestellt. Die Messwerte liegen in allen Monaten über den Berechnungswerten. Im Vergleich mit den statischen Berechnungen zeigt sich in allen Monaten stets ein geringfügig höherer Bedarf in der Berechnung mit der dynamischen Simulation. Die Heizperiode umfasst nach den Ergebnissen der dynamischen Simulation lediglich die Monate Oktober bis April. Für die statische Berechnung ist eine Heizperiode im Zeitraum von November bis März erkennbar. Es lässt sich ein 15 % geringerer Wert für die statische Berechnung gegenüber der Simulation feststellen. Die Verhältnismäßigkeit der Abweichung zwischen den beiden Berechnungsmethoden bleibt über das ganze Jahr nahezu konstant. Die Ergebnisse der statischen Berechnungen weichen um 72 % und die Ergebnisse der dynamischen Berechnung um 46 % gegenüber den Messwerten ab. Die Abweichungen zwischen den Berechnungsverfahren lassen sich durch die Verwendung unterschiedlicher Werteparameter erklären. Während für die internen Lasten in beiden Berechnungsfällen 5 W/m² und ein Luftwechsel von 0,6 h^-1 angesetzt werden, variieren die Werte z. B. für die Wärmebrücken und Wetterdaten. Die Differenz gegenüber der dynamischen Simulation fällt geringer aus als bei der statischen Berechnung, da teilweise eine Werteübernahme aus den Messdaten vorgenommen wird.

Fazit

Der Energieverbrauch von Gebäuden hängt von verschiedenen Einflussfaktoren ab. Ein Teil dieser Faktoren ist durch den Nutzer (Aktivitäten und Verhalten) beeinflussbar, ein anderer Teil hingegen hängt von den äußeren Begebenheiten (z. B. Klima), der technischen und baukonstruktiven Ausstattung sowie den Energiesystemen ab.

In dem vorliegenden Forschungsprojekt werden unterschiedliche Sanierungsvarianten messtechnisch und theoretisch untersucht sowie bewertet. Zur Erkennung typischer Probleme, die im Rahmen einer Sanierung entstehen können, werden entsprechende Indikatoren entwickelt. Zusätzlich werden Methoden aufgezeigt, um Verhalten beschreibbar und auswertbar zu machen.

Eine Auswertung der Messdaten zeigt, dass die theoretischen Einsparpotentiale nach der Sanierung nicht vollständig erschlossen werden können, es entsteht der „Reboundeffekt“. Dieser besagt, dass jede Wirkung Nachwirkungen mit sich bringt, die den ursprünglich positiven Effekt mindern oder gar in sein Gegenteil verkehren können. In Bezug auf den Reboundeffekt wird zwischen direktem und indirektem Rebound differenziert. Beim direkten Reboundeffekt wird das Niveau jener Energie­dienst­leis­tung, deren Effizienz verbessert wird, unmittelbar erhöht [2]. Indirekter Rebound liegt dann vor, wenn die Einsparungen zur Nachfrage anderer Waren genutzt werden, die wiederum einen Energiebedarf aufweisen [3].

In dem vorliegenden Projekt wird im Zuge der energetischen Sanierung von Einzelöfen, teilweise sogar raumweise, auf ein Zentralheizungssystem umgestiegen. Das neue Heizungssystem ist effizienter und alle Zimmer sind leichter und komfortabler zu heizen als vorher. Die Sanierung hat zudem eine Komfortsteigerung zur Folge. Die Vollbeheizung aller Räume, mögliche höhere Innenraumtemperaturen und automatische Temperaturregelungen können zu einem Mehrverbrauch gegenüber dem unsanierten Zustand führen. Der Vergleich zwischen dem gemessenen Energie­verbrauch und dem errechneten Energiebedarf für den sanierten Riegel R2 die Eingänge E1 bis E3 ist in obiger Abbildung zu sehen. Es sind hier nur die Wohnungen gegenübergestellt, die einen exakt gleichen Mietzeitraum aufweisen. Es ist eine große Varianz zwischen den einzelnen Wohnungen erkennbar. Pro Eingang wurde immer die gleiche Sanierung durchgeführt, dennoch sind hier Unterschiede von bis zu 140 % ablesbar. Überschreitungen der Bedarfswerte sind nicht grundsätzlich vorhanden, sondern auch Unterschreitungen gegenüber dem berechneten Bedarf ablesbar. Über alle Wohnungen des Gebäuderiegels R2 ist eine durchschnittliche Überschreitung von 40 % über der EnEV-Berechnung feststellbar. Durch die Analyse der vorliegenden Verbrauchswerte der jeweiligen Wohnungen mit den darin gemessenen Innenraumtemperaturen erschließt sich teilweise der hohe Verbrauch, denn die Innenraumtemperaturen belaufen sich in manchen Wohnungen auf durchschnittlich bis zu 24 °C.

Literatur

[1] BMVBS, Referat UI 34, Prognosen, Statistik und Sondererhebungen: Wohnen und Bauen in Zahlen 2010/2011, Bonn 2011 [2] Schriefl, E. (November, 2008). Steigender Energieverbrauch trotz verbesserter Energieeffi­zienz? Der „Rebound-Effekt“ und andere verbrauchstreibende Faktoren [3] Madlener, R., und Alcott, B. (2007). Energy Rebound an Economic Growth: A Review of the Main Issues and Research Needs. Italien [4] Abschlussbericht „Quartierskonzept Energieeffizientes Rintheim – wissenschaftliche Begleitung“, Förderkennzeichen 0327400G