Von der EnEV 2009 zu Minergie-P 2009

Die thermische Behaglichkeit umfasst Begriffe wie:

Gemäß dem Mollier h,x-Diagramm kann man den Raumkomfort ohne Berücksichtigung der Raumluftgeschwindigkeiten und der Oberflächentemperaturen gemäß Bild 1 definieren.

Setzt man voraus, dass die Raumluftgeschwindigkeiten bei ca. 0,1 m/s liegen und die Raumumschließungsflächen im Winter nicht mehr als 3 K unter den Raumtemperaturen bzw. im Sommer nicht mehr als 3 K über den Raumtemperaturen liegen, so hat die Komfortdarstellung gemäß Bild 1 ihre Berechtigung.

Nach den Erkenntnissen des bekannten Ergonomen Professor Grandjean ergibt sich ein hohes Maß thermischer Behaglichkeit unter den in Bild 2 beschriebenen Grenzbedingungen dann, wenn die mittleren Strahlungstemperaturen zu den Raumtemperaturen eingehalten werden. Dieses Bild zeigt auf, in welch kleinen Bandbreiten Oberflächentemperaturen zu halten sind, um zu einem optimalen Effekt zu kommen. Da auch Fensterelemente im Bereich der Raumumschließungsflächen liegen, kann man schon erahnen, welche Bedeutung die Öffnungen im Raum haben, die zum Lichteintrag führen.

Zu geringen oder zu hohen Strahlungstemperaturen der Raumumschließungsflächen kann dadurch entgegengewirkt werden, dass Räume im Sommer während der Nacht möglichst vorgekühlt und im Winter zumindest auf Raumtemperatur gehalten werden. Bild 3 zeigt Raumtemperaturen eines Testraums nach einer 5-tägigen sommerlichen Schönwetterperiode, wobei der Raum gemäß Variante 2 als leicht speichernder Raum (geringe Speichermassen) und Räume gemäß Variante 5 als schwer speichernde Räume festzustellen sind.

Die oft ins Feld geführte Nachtauskühlung von Räumen durch gezieltes Durchlüften mit kühler Außenluft ist – wie sich in den letzten Jahren herausgestellt hat – nicht so effektiv wie gewünscht. Insofern ist man mehr und mehr dazu übergangen, entsprechende Räume während der Nacht mit Kühlwasser (z. B. Bauteilkühlung) auf eine untere Raumtemperatur von ca. +20 °C abzukühlen, um in den Morgenstunden einen kühlen Raum und somit subjektiv empfunden sauerstoffreichen Raum vorzufinden.

Neben den Aspekten der thermischen Behaglichkeit sind die Ansprüche an die Raumhygiene in jedem Fall zu erfüllen. Ansprüche an die Raumhygiene ergeben sich daraus, dass ein Raum möglichst staubfrei, geruchsfrei und CO₂-arm sein sollte. Das im Bild 4 gezeigte Pettenkofer-Diagramm zeigt die Zusammenhänge zwischen notwendigen Außenluftraten bei verschiedenen Tätigkeiten und einem einzuhaltenden CO₂-Grenzwert. Bei Bürogebäuden sollte die CO₂-Konzentration in der Luft < 0,1 Vol.-% sein. Aus den Zusammenhängen zwischen CO₂-Konzentration und Tätigkeit lässt sich auf einfache Weise die notwendige Außenluftrate/Person (m³/h) feststellen, um den maximalen CO₂-Pegel von 0,1 Vol.-% nicht zu überschreiten.

Beschreibt man ein in sich behaglichen Raum, so müssen sämtliche Ansprüche an thermische, hygienische und visuelle Behaglichkeit erfüllt sein. Dabei spielt das Öffnungselement zum Außenraum – Fenster – die wesentliche Rolle. Bild 5 zeigt einen Übersichts- und Ablaufplan zur Erreichung einer hohen Gesamtbehaglichkeit und beschreibt mit welchen Maß­nahmen im Fassadenbereich so­wie technischen Einrichtungen die Behaglichkeitsansprüche erfüllt werden.

Wie die Darstellung ausweist, ist die Einhaltung der Behaglichkeitsansprüche insgesamt ein relativ komplexes Thema.

Erhöhung

des Tageslichteintrags

Vor annährend 40 Jahren hat sich Prof. Christian Bartenbach (Innsbruck/Aldrans), zum Teil unterstützt vom Berichtsverfasser mit der Erhöhung des Tageslichteintrags durch verschiedene Maßnahmen intensiv beschäftigt.

Im energetischen Sinne bedeutet einerseits Tageslichteintrag eine Verringerung der Brennstunden der Beleuchtung bei gleichzeitig besseren Lichtverhältnissen, jedoch andererseits auch eine Erhöhung der von außen eintretenden Energie (Lichtenergie = Wärmeenergie).

Das Institut für Licht- und Bau­technik, Fachhochschule Köln (überarbeitet durch Infor­ma­tions­dienst Bine, Oktober 2000) hat eine Darstellung der verschiedensten Möglichkeiten der Erhöhung des Tageslichtein­trags erarbeitet.

Die verschiedenen Möglich­keiten im Fassadenbereich umfassen:

Die Darstellung des Instituts für Licht- und Bautechnik (Bild 6) gibt einen hervorragenden Über­blick über die verschiedensten Möglichkeiten der Erhöhung des Tageslichteintrags und damit Re­du­zierung der künstlichen Be­lichtung, weist jedoch leider nicht aus, welche zusätzlichen Kühl­lasten hierdurch entstehen.

Umgelenktes Tageslicht be­deutet umgelenkte Strahlungs­energie, die letztendlich im Raum als Wärmeenergie wirksam wird. Um einen Raum auf eine bestimmte Temperatur zu halten, muss der Energiehaushalt des Raumes ausgeglichen sein, d.h. zugestrahlte Energie muss entweder in den Raumumschließungsflächen gespeichert oder aber aktiv durch Techniksysteme kompensiert werden. Die Vor- und Nachteile der einzelnen Systeme sind in den Tabellenstrukturen gut beschrieben wobei insbesondere dem Lichttransport durch Light-Pipes oder Lichtleiter besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden sollte. Die Verbesserung des Lichteintrags über Seitenfenster bewegt sich im Regelfall im marginalen Bereich wenn man feststellt, dass durch Lichtumlenkungen in z. B. 5 m Tiefe im Regelfall nur eine Anhebung der Helligkeit von 2 auf 4 % entsteht.

Bild 7 zeigt beispielhaft das Tageslicht-Spot-Element der Firma Durlum zum Eintrag von Strahlungsenergie in geschlossene Räume.

Das gesamte System besteht von außen nach innen aus verschiedenen Komponenten, die Tageslicht sammeln, transportieren und letztendlich verteilen:

Da Light-Pipes im Regelfall eher als schwierig zu integrieren­des Bauelement verstanden werden, haben sie sich nicht im großen Umfange durchsetzen können.

Sie eingetragenen Lichtmengen sind je nach Wetterlage eher als bescheiden zu bezeichnen. Bekanntermaßen beträgt die Außenbeleuchtungsstärke bei klarem Himmel bis 100 000 Lux und bei bewölktem Himmeln ca. 10 000 bis max. 15 000 Lux. Die hieraus resultierende Beleuchtungsstärke großflächig bezogen auf einen Raum (bei z. B. 10 m², Kanallänge 5 m, Dachneigung 35 °) liegt je nach Dachausrichtung und Wetterlage 0 bis 38 Lux (Light-Pipedurchmesser ca. 35 cm).

Das Problem jeder Lichtlenkung liegt im Bereich der Umlen­kung und der daraus resultierenden Verluste an den inneren Ober­flächen. Dies gilt auch für Lichtleiter aus Glasfasern, die je Meter ca. 4,5 % des eingetragenen Lichtes verlieren. Bild 8 zeigt das Prinzip des Systems sowie die Abnahme des eingetragenen Lichtstroms (Lumen). Lichtleiter wurden bereits durch Ch. Bartenbach mit großen Durchmessern vor ca. 35 Jahren bei einigen Bauvorhaben eingesetzt, konnten sich jedoch aus preislichen Gründen nicht endgültig etablieren. Im Verlaufe der Jahre hat die Entwicklung der Lichtleitertechnik diesem System zumindest zum Teil Auftrieb gegeben, jedoch die relativ hohen Investitionskosten dürften ein nicht unerhebliches Hindernis in der Verbreitung dieser Systemtechnik sein.

Selbstverständlich wurden u.a. in den letzten 30 Jahren vermehrt Anstrengungen unternommen, verbesserte Jalousienstrukturen zu entwickeln, die unter flachen Sonnenhöhenwinkeln Licht von außen nach innen eintreten lassen und bei hohen Sonnenhöhenwinkeln das Licht nach außen reflektieren. Bild 9 zeigt das Prinzip der Köster-Lamelle, das sich bedingt im Markt durchsetzen konnte.

Die Firma Glastec, Rosenheim bietet u.a. ein Isolierglas zur Tageslichtlenkung mit Umlenklamellen an, die in einem Scheibenzwischenraum eingebettet sind. Die Umlenklamellen werden motorisch betrieben, da sie die Ansprüche an Tageslichteintrag, Sonnenschutz und Blendschutz erfüllen müssen.

In der lichttechnisch optima­len Lamellengrundstellung wird aus dem Außenbereich diffuses Tageslicht in den Raum einge­lenkt und über eine helle Deckenstruktur diffus zerstreut. Infolge des Eintrags diffusen Lichtes entsteht keine Blendwir­kung durch zu hohe Umgebungsleuchtdichten. Motorisch geregelt werden die zwischen den Scheiben liegenden Lamellen, so eingestellt, dass sie auch als Sonnenschutz dienen. Für das System ist neben einem noch pas­sablen U-Wert von 1,1 bis 1,2 ein g-Wert (Gesamtenergiedurchlassgrad) ohne Sonnenschutz mit ca. 0,49 bis 0,59 bzw. mit Son­nenschutzfunktion von 0,15 (15 % der außen anstehenden Energie wird eingetragen).

Gleichzeitig beträgt die Lichttransmission zwischen 0,69 und 0,78 bzw. bei Sonnenschutzfunktion lediglich 0,15.

Vergleicht man diese Werte mit z. B. Wärmeschutzisolierverglasungen (U-Wert 0,7) und außen lie­gendem Sonnenschutz, so ist die Lichttransmission ohne Son­nen­schutz zwar um ca. 15 % höher jedoch bei geschlossenem Son­nen­schutz gleichermaßen schwach wie bei konventionellen Sys­temen.

Energieeinsparung Beleuchtungssysteme

Beispielhaft in Bild 10 sind unter gleichen Voraussetzungen für einen Raum verschiedene Be­leuchtungsstrukturen dargestellt, um im Ar­beits­platzbereich eine Be­leuchtungsstärke um ca. 500 Lux zu er­reichen. Wie die Dar­stel­lun­gen zeigen, nimmt die An­schluss­leistung dann deutlich ab, wenn gezielt der Lichtstrom auf den Arbeits­platzbereich gelenkt wird.

Insofern lässt sich logischerwei­se feststellen, dass bei gleicher Be­leuchtungsstärke die An­schluss­leistung mehr und mehr abnimmt, je direkter der Arbeits­platz (Infeld) beleuchtet wird.

Die Bedeutung der Anschlussleistung der Beleuchtung im Ge­samt­energieverbrauch ist von nicht zu unterschätzender Be­deutung wie noch zu zeigen ist.

EnEV 2009

Die Energieeinsparverordnung 2009 beschreibt in Ta­bel­len­struk­turen (Tabelle 1) welche Wär­me­durch­gangs­koeffi­zien­ten (U-Werte), Gesamtenergie­durch­lassgrade (g-Werte) und Lichttransmissionsgrade (Τ-Wert) der Verglasung zumindest nicht überschritten werden sollen/dürfen. In Tabelle 1 sind verschiedene For­men von Tageslichteintrags­ele­menten ausgewiesen und zeigen die jedem Fachmann bekannten typischen Merkmale zwischen U-Wert, g-Wert und T-Wert.

Im Regelfall lässt sich feststel­len, dass mit kleiner werdendem U-Wert gleichzeitig auch der g-Wert sinkt und somit auch der Lichttransmissionsgrad. Dies hängt im Regelfall damit zusammen, dass Wärmeschutzisolierverglasungen, d.h. Gläser mit geringem U-Wert, Low-Coating-Beschichtungen besitzen, die den Strah­lungs­energieaustrag aus dem Raum verringern aber gleichzeitig auch den Gesamtenergiedurchlassgrad verkleinern. Mit dieser Verkleinerung einher geht selbstverständlich auch im Regelfall die Verkleinerung des Lichttransmissionsgrades. Die in Tabelle 1 dargestellten Rahmenbedingungen bei Planung zukünftiger Gebäude gelten für den Zeitraum 2009 bis 2012 und es ist davon auszugehen, dass ab 2012 alle Richtwerte (U, g, T) um ca. 30 % verringert werden.

Plant man ein so genanntes „Nachhaltiges“ Gebäude, so müssen zumindest die Referenzdaten der EnEV 2009 eingehalten werden, d.h. zum Nachweis wird einerseits ein zu planendes Gebäude mit den Referenzdaten berechnet und gegenübergestellt dem Gebäude mit den techni­schen Kenndaten, die man für das entsprechende Objekt wählt oder gezielt einsetzt. Ein entsprechender Vergleich ist nachfolgend dargestellt und weist aus, dass um ein wirklich „Nachhaltiges“ Gebäude zu planen deutlich größere Anstrengungen unternommen werden müssen, um Energiegewinne und Verluste je nach Jahreszeit deutlich zu verringern.

Minergie-P Anforderungen gemäß Norm SIA 380/1: 2009

Die schweizerischen Regeln nach Minergie, Minergie-P und Minergie-P ECO sollte ein Planer heute als Mindestanforderungen verstehen, auch wenn bei der Erreichung der Zielwerte für Bürogebäude manchmal nicht unerhebliche Probleme auftreten. Tabelle 2 zeigt einerseits die Anforderungen an den Wärmeenergiebedarf (15 kWh/m² Energiebezugsfläche a) und andererseits Zielwerte (elektrische Energiekennzahlen) für Elektroverbraucher in Bürogebäuden.

Vergleicht man die elektrischen Energiekennzahlen untereinander, so nimmt die Beleuchtung einen deutlichen Stellenwert ein und ist neben den „Arbeitshilfen“ (im Regelfall PC-Einrichtungen) von hoher Wichtigkeit. Analysiert man jedoch z. B. einen elektrischen Energiebedarf für Beleuchtung mit 5,5 kWh/m²a, so lässt sich leicht ableiten, dass die Anschlussleistung der Beleuchtung lediglich 4 W/m² betragen soll. Dieser Wert ist extrem niedrig und praktisch nur durch LED-Systeme zu erreichen. Selbst der elektrische Energieverbrauch von 9,7 kWh/m²a bedeutet lediglich ca. 7,2 W/m².

Geht man davon aus, dass sich die m²-Angaben auf Bruttogeschossflächen beziehen, so kann die elektrische Anschlussleistung um ca. 25 bis 30 % höher liegen, was zum momentanen Zeitpunkt mit dem bekannten Lichtsystemen eher realistisch ist.

Generell lässt sich feststellen, dass ca. 55 % der gesamten Energiekosten auf die elektrische Energie entfallen. Dies ist umso bedeutender, macht man sich bewusst, dass der Primärenergiefaktor (Multiplikator x Endenergie) bei der heutigen Stromversorgung in Deutschland bei ca. 2,6 bis 2,7 liegt, in der Schweiz bei ca. 2,0 und in Frankreich bei 2,9 bis 3,3. Die Primärenergiefaktoren hängen letztendlich ab von der Art des erzeugten Stroms. Elektrische Energie, die ausschließlich durch Erneuerbare Energieträger gewonnen wird (Solarstrom, Wasserkraft, Windenergie) hat einen Primärenergiefaktor von 0 (Ökostrom).

Elektrische Energie, erzeugt durch fossile Brennstoffe oder Uran haben entsprechend hohe Primär-Energiefaktoren. Hierbei spielt zudem eine Rolle, in welcher Form fossile Brennstoffe zur Erzeugung elektrischer und u.U. gleichzeitiger Wärmeenergie eingesetzt werden (z. B. Kraftwärmekopplung).

Von der EnEV zu Minergie und Minergie-P und kleiner

Bevor der Weg aufgezeigt wird, den man beschreiten muss um ein wirklich ökologisch richtig orientiertes Gebäude zu planen, soll noch hinsichtlich einiger Begriffe ein Hinweis gegeben werden.

Die in Tabelle 4 dargestellten Werte Nutzenergiebedarf beziehen sich auf die tatsächlichen Verbräuche innerhalb von Räumen (Wärmeverbrauch im Raum, elektrischer Energiebedarf zur Beleuchtung eines Raumes vor Ort, Energiebedarf zur Kühlung eines Raums usw.).

Der Endenergiebedarf beschreibt einerseits die Verluste von der energieerzeugenden Quelle zum Verbraucher sowie die Art der Energieerzeugung, z. B. die Art der Beheizung (Heizkessel, BHKW-Abwärme, Wärmepumpe usw.). Der Primärenergiebedarf beschreibt letztendlich die Wirkkette zwischen Endenergiebedarf und primär eingesetztem Brennstoff bzw. Energieträger, somit die Art, wie die Energie bereit gestellt wird (fossil, Erneuerbare Energie usw.). Wie die Tabellenstruktur 4 ausweist, ist der Unterschied zwischen Referenzgebäude und erstem Schritt (Gebäudeergebnisse unter verbesserten bautechnischen Bedingungen) im Bereich Nutzenergiebedarf noch nicht so bedeutend. Jedoch zeigt sich eine deutliche Differenz beim Endenergiebedarf durch den Einsatz möglichst vieler natürlicher Ressourcen.

Durch den Einsatz von Solarenergie am Gebäude (3. Schritt der Planung) lässt sich der Endenergiebedarf bereits beträchtlich senken, gleichermaßen auch der Primärenergiebedarf. Die in der dritten Spalte von Tabelle 4 aufgeführten Werte liegen im Bereich dessen, was per Minergie-P gefordert wird. Wobei hier anzumerken ist, dass gemäß der Berechnung nach DGNB (Deutschland) gegenüber Minergie-P (Schweiz) nicht sämtliche elektrischen Energieverbraucher berücksichtigt werden.