Auf Sparflamme

Die energetischen und klimatischen Anforderungen an Industrie- und Gewerbebauten sind in einem viel höheren Maße Veränderungen unterworfen als dies beispielsweise bei Wohn- oder Verwaltungsgebäuden der Fall ist. Nutzungsänderungen und Umstrukturierung von Produktionsprozessen fordern oft eine Anpassung der Umgebungsbedingungen bezogen auf Temperatur, Belichtung und Luftfeuchtigkeit. Die multifunktionale »Black Box«, künstlich beleuchtet und klimatisiert, kann zwar allen Nutzungen angepasst werden, ist jedoch technisch aufwändig. Eine Anpassung des Energiehaushaltes auf bestimmte Nutzungsbedingungen kann hingegen die Flexibilität beeinträchtigen: Ist beispielsweise für handwerkliches Arbeiten eine natürliche Belichtung der Produktion förderlich und damit auch eine direkte Sonnenenergienutzung sinnvoll, kann ein großzügiger Tageslichteintrag bei wärmeerzeugenden Prozessen wie in Druckereien (eine große Druckmaschine produziert bis zu 30 KW Abwärme) im Sommer zu einem hohen Kühlbedarf führen und damit das ehemals energiesparende Gebäude zur Energieschleuder werden lassen.

Zukünftige Anforderungen an Gewerbebauten – EnEV In der als Vorabzug des Referentenentwurfs vorliegenden Neufassung der Verordnung über den energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden (EnEV) wird grundsätzlich zwischen Wohngebäuden und Nicht-Wohngebäuden unterschieden [1]. Damit wird unter anderem der Stellenwert des bisher vernachlässigten Kühlenergiebedarfs bei Nicht-Wohngebäuden berücksichtigt. Die Nicht-Wohngebäude werden in Gebäude mit Raumsolltemperaturen größer 19°C mit weniger beziehungsweise mehr als 30 % Fensteranteil und Gebäude mit einer Raumsolltemperatur von 12 °C bis 19 °C unterschieden. Ausgenommen von der Verordnung sind dabei immer noch Gebäude, die weniger als vier Monate im Jahr beheizt oder zwei Monate gekühlt werden oder eine Innentemperatur von weniger als 12 °C benötigen sowie Gebäude für Pflanzen- und Tierzucht. Es werden die gleichen Höchstwerte für den Transmissionswärmekoeffizienten beibehalten, weswegen keine gesetzlich verordnete Verbesserung der Standards zu erwarten ist. Neu ist in dieser Fassung der EnEV aber die Forderung nach einer Ausweisung des Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Beleuchtung, Warmwasserbereitung und Lüftung auch für Gewerbebauten mit Raumsolltemperaturen unter 19 °C. Der Gesamtenergieverbrauch soll dabei anstatt über Maximalwerte durch ein »Referenzgebäudeverfahren« begrenzt werden, bei dem jede Gebäudekategorie einen spezifischen Verbrauchs-Höchstwert zugewiesen bekommt. Zusätzlich wird im Energiepass ein grafischer Vergleich des Verbrauchs zum Durchschnittswert der Gebäudekategorie angestellt. Dadurch erhalten die Bauten mit günstigen Unterhaltskosten in energetischer Hinsicht einen Marktvorteil (Bild 2). Allein die Empfehlung, bei einem Neubau von Nicht-Wohngebäuden mit mehr als 1 000 m² Netto-Grundrissfläche die technische, ökologische und wirtschaft- liche Einsetzbarkeit von alternativen Energieversorgungssystemen unter Nutzung erneuerbarer Energien, Kraft-Wärme-Kopplung, Fern- und Blockheizung/-Kühlung oder Wärmepumpen vor Baube-ginn zu prüfen, wird im Bereich des ökonomiebestimmten Gewerbebaus voraussichtlich allerdings nur kaum Auswirkungen haben.

Optimierung durch Simulation von Gesamtsystemen Eine Bewertung der Eignung von bestimmten Anlagenkomponenten wie beispielsweise Solarkollektoren kann nicht losgelöst vom Gesamtsystem betrachtet werden. Verschiedene Faktoren wie Nutzung, Sonneneinstrahlung, Lichteinstrahlung und Speichermassen beeinflussen und ergänzen sich gegenseitig. Hierdurch können Synergieeffekte entstehen, wodurch das Gesamtkonzept effizienter als die Summe seiner Komponenten wird. Simulationssoftware für Anlagentechnik, Energiehaushalt, Tageslichtnutzung und Luftströmungen bewirkt seit einigen Jahren eine näherungsweise Vorhersage der Auswirkung einzelner Systemkomponenten wie Hülle, Sonnenschutz und Speichermassen auf das gesamtenergetische Verhalten von Gebäuden im Planungsprozess [2]. Der Ersatz des rein empirischen Vorgehens durch ein nummerisches Verfahren ermöglicht es, Sicherheitszuschläge zu minimieren und so geringer dimensionierte Versorgungsanlagen einzusetzen. Eine realistische Simulation erfordert aber hohes bauphysikalisches und technisches Verständnis; eine Vereinfachung von Bedienbarkeit und Datenschnittstellen wird möglicherweise diese bisher in der Regel von Energietechnikern bedienten komplexen Programme für Architekten interessant machen.

Maßnahmen für die Optimierung des Energieverbrauchs Als Bestandteile eines gesamtheitlichen Energiekonzepts werden passive von aktiven Maßnahmen unterschieden: Passive Maßnahmen sind durch den Entwurf und die Konstruktion bedingt und können dadurch Energieeinsparungen ermöglichen, aktive Maßnahmen wiederum benötigen immer Technik und Leitungsführung zur Energiegewinnung.

Unabhängig von der Energiequelle hat die Art der Energieübertragung auf den Raum Einfluss auf die Effizienz. Fußbodenheizsysteme oder feststehende Heizkörper können beispielsweise bei veränderter Aufstellung von Maschinen und Mobiliar durch Verdeckung ihre Wirkung einbüßen. Deckenstrahlflächen wiederum bewirken eine gleichmäßige Verteilung von Wärme und Kälte bei einer flexiblen Nutzung, sind aber bei hohen Räumen in der Wirkung begrenzt und führen in niedrigen Räumen bei den Beschäftigten zu einer Temperaturasymmetrie im Körper. Die Wärme- und Kälteversorgung über Lüftungsanlagen in Verbindung mit Wärmerückgewinnungsanlagen hat Grenzen in der Leistung und ist deswegen für Niedrigenergiekonzepte sowie bei hohem Anteil an Prozesswärme sinnvoll. Die thermische Aktivierung von Betonbauteilen sowohl der Decken als auch Böden durch Integration wasserführender Leitungssysteme mit niedrigen Vorlauftemperaturen, wie sie etwa im Verwaltungsbau seit einigen Jahren angewendet wird, stellt eine sinnvolle Alternative vor allem im Zusammenhang mit der Nutzung von Umweltenergie beispielsweise durch Erdwärmesonden oder Grundwasserbrunnen dar.

Passive Maßnahmen zur Energiegewinnung

Der Entwurf bestimmt einen wesentlichen Teil des energetischen Verhaltens eines Gebäudes. Außen liegende Tragwerke können bei weitspannenden Konstruktionen die Deckenhöhe und damit das zu beheizende Volumen minimieren. Zonen niedriger Temperatur wie Produktionshallen können als Kältepuffer für Büroräume höherer Temperaturen dienen [3]. Von großer Bedeutung gerade bei voll- klimatisierten Produktionsstätten ist die Luftdichtigkeit. Diese ist laut EnEV bei Einsatz raumlufttechnischer Anlagen bei einer Druckdifferenz von 50 Pa zwar auf 1,5 / h begrenzt (im Vergleich dazu bei einem Passivhaus auf 0,6/h), bei einer Halle mit 1 000 m² Grund- fläche und 6 m Höhe würde dies aber immerhin einen Luftwechsel von 9 000 m³ bedeuten, was dem Volumen von 15 bis 20 Einfamilienhäusern entspricht und bei einer durchschnittlichen Mitarbeiterzahl und Luftbelastung in jedem Fall zu großzügig wäre.

Als Beispiel für die einfache Umsetzung einer hochgedämmten luftdichten Hülle kann das Produktionsgebäude einer Firma in Braunschweig dienen, dessen Holztafelelemente lediglich mit Hilfe von vorkomprimierten Schaumstoffbändern in den Fugen abgedichtet wurden (Bilder 3 und 4). Bei einer Differenzdruckprüfung wurden hier Undichtigkeiten in einer Größenordnung von nur 0,22 /h gemessen, wobei der durchschnittlich vorgesehene Gesamtluftwechsel der Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung auf 0,35 /h eingestellt wurde.

Die Ausrichtung des Gebäudes zur Sonne und Hauptwindrichtung spielt ebenfalls eine große Rolle bei Energiekonzepten, die eine direkte Sonnenenergienutzung und eine natürliche Be- und Entlüftung ermöglichen sollen. Bei Gewerbebauten wird in der Regel eine Südausrichtung von Verglasungen vermieden, da diese sowohl Produktions- als auch Lagernutzungen beeinträchtigt. Will man allerdings nicht auf den Energieeintrag von Süden verzichten, wie dies etwa bei einem Büro- und Produktionsgebäude in Meiningen der Fall war, gibt es immer noch andere konzeptionelle Lösungen: Hier wurde beispielsweise der Lichteinfall von Süden nur in einem flachen Winkel direkt in das Gebäude geführt und dann über Reflektoren diffus in den Raum gestreut (Bild 5). So minimiert sich der Aufwand für Kunstlicht, was angesichts der primärenergetischen Bewertung von Strom (in der EnEV mit dem dreifachen Primärenenergiefaktor von Gas oder Öl zu berücksichtigen) aus ökologischer Sicht sinnvoll erscheint und gleichzeitig eine ange-nehmere Arbeitssituation erzeugt.

Gewerbenutzungen, die einer konstanten Temperatur bedürfen, können durch Speichermassen unterstützt werden, die das Auf- heizen der Räume verhindern und im Zusammenhang mit einer gezielten Nachtlüftung eine Phasenverschiebung bewirken und so den Kühlbedarf im Sommer verringern. Ein Beispiel stellt das zum größten Teil oberirdische Produktions- und Lagergebäude für Wein im französischen Nizas dar: Aus monolithischem, 65 cm dicken, heimischen Kalkstein mit Kalkmörtel vermauert, nutzt es das speicherfähige Volumen für die wärme- und zugluftempfindlichen Herstellungsprozesse der edlen Tropfen und ersparte aufwändige Felsarbeiten für einen komplett unterirdischen Gebäudekomplex (Bild 6).

Aktive Maßnahmen zur Energiegewinnung

Neben den durch eine Subventionierung von 50 Cent / KW gerade bei großen Flächen zur Zeit noch rentablen Photovoltaikanlagen besteht die Möglichkeit, Sonnenenergie durch Vakuum-Röhren- Kollektoren mit bis zu 130 °C hohen Betriebstemperaturen zu gewinnen. Die hohen Temperaturen ermöglichen sowohl eine Verwendung zur Trinkwassererwärmung als auch ergänzend zur Beheizung oder als Prozesswärme in der Produktion.

Umgekehrt entsteht bei vielen Produktionsvorgängen Wärme, die normalerweise in Rückkühlanlagen oder Rückkühlbecken an die Umwelt abgegeben wird. Diese kann für die Heizung, bei hohem Temperaturniveau aber auch mit Hilfe einer Absorptionskältemaschine für die Kühlung verwendet werden. Ebenso kann die Abwärme aus dem Produktionsprozess als »aktive Wärmedämmung« dienen und somit eine Alternative zu der Perimeterdämmung unter Bodenplatten darstellen: Die Prozesswärme wird in Leitungssystemen unter die Bodenplatte geführt und im Kiesbett im Erdreich gespeichert (Bild 7). Kritisch wird hierbei jedoch die für die Funktionsfähigkeit des Systems bestehende Notwendigkeit von energieintensiven Produktionsprozessen gesehen – und die damit verbundenen schlechten Umnutzungschancen.

Projektbeispiel Umnutzung Kraftwerk Sowohl die Übertragung der Wärme der Abluft durch Wärmerückgewinnungsanlagen auf die Zuluft als auch die Luftvorwärmung über mehrschichtige Fassaden, die als Luftkollektor ausgebildet sind, können zu einer Minimierung des Lüftungswärmebedarfs beitragen. Die Studentenarbeit »Rummelsburg – Umnutzung eines Kraftwerks« beispielsweise befasste sich mit diesem Thema: Ein Industriebau der Jahrhundertwende (Bild 8), der zu den vielen im Industriegürtel Berlins gelegenen denkmalgeschützten Gebäuden gehört, sollte energetisch optimiert werden. Der Gebäudekomplex in Klinkerbauweise mit Verwaltungstrakt und einer Turbinenhalle umfasst ein Volumen von mehr als 25 000 m³. Als hilfreich für eine ökologische Klimatisierung wurden hierbei die alten Wasserkanäle angesehen, die Wasser unterirdisch von der Spree über mehrere hundert Meter zum Gebäude führen. Diese können als Quelle für den sommerlichen Kühlbedarf des mit großen Oberlichtern ausgestatteten Gebäudes oder als kostengünstiger Wärmespeicher genutzt werden. Zur Ergänzung des Heizsystems wurde eine zweite Haut aus Einfachglas vor die aus Sicht der Denkmalpflege zweitrangigen Flächen der südlichen Dachverglasungs- und Brandwandflächen vorgesehen, wobei der Zwischenraum als kombinierter Luft- und Wasserkollektor dient. Ein Solarkollektor erzeugt warmes Wasser, das über einen Wärmetauscher den Vorlauf einer Fußbodenheizung versorgt, während der Luftkollektor zusammen mit einer Wärmerückgewinnungsanlage der Vorwärmung der Frischluft dient. Im Zusammenhang mit den Speichermassen des Gebäudes, die auch Wärme bis in die Abendstunden speichern, ermöglicht dieses System für gewerbliche Nutzungen mit niedrigen Temperaturanforderungen eine Grundklimatisierung des riesigen Raumvolumens.

Projektbeispiel Neubau Druckerei Wie in Passivhäusern häufig angewendet, können unterirdische Thermokanäle für die saisonabhängige Vorwärmung beziehungsweise Vorkühlung der Zuluft verwendet werden, wobei je nach Temperaturdifferenz, Kanallänge und Bodenbeschaffenheit eine Temperaturerhöhung von 3 bis 5°C erreicht werden kann [4]. Besonders hohe Ansprüche an konstante Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit haben Druckereibetriebe. Die für den Druckvorgang notwendige konstante Raumlufttemperatur von 22 °C und gleichzeitig eine phasenweise Wärmeerzeugung der Druckmaschinen machen in der Regel eine Vollklimatisierung mit Be- und Entfeuchtung notwendig. Diesen hohen Anforderungen begegnet das 2003 fertig gestellte Druckereigebäude der Firma Wenin in Dornbirn (Bild 10 ) mit einem nutzungsangepassten Energieversorgungskonzept: Hauptbestandteil ist dabei eine statisch notwendige Bohrpfahlgründung, die mit Wasserleitungen durchzogen ist, um Energie an das Erdreich abzugeben beziehungsweise diesem entnehmen zu können. Die Abwärme der Druckmaschinen wird im Sommer ins Erdreich geführt und im Winter wieder aufgenommen (Bild 11). Die unter dem Fundament liegende Erde wirkt hierdurch wie ein großer Pendelspeicher, der über die Bohrpfähle eine durchschnittliche Dauerleistung von 18 KW liefert. Ein großer Teil der benötigten Kühlenergie (ca. 65 000 KWh) wird hierdurch eingespart. Die Temperatur der Erde pendelt sich bei etwa 20 °C im Jahresdurchschnitt ein, wodurch sich ein Niedertemperatursystem für Heizung und Kühlung anbot. Folglich wurde eine Betonkernaktivierung der Decken- und Bodenflächen vorgesehen, die sowohl der Heizung als auch der Kühlung dient. Zusätzlich dienen die Erdpfähle für die Vorkühlung beziehungsweise Vorwärmung der Frischluft für Büro- und Produktionsräume. Dieses System funktioniert mit einem geringen Anteil von Strom für Wasserpumpen und bewirkt durch die automatisierte Nachtlüftung und Speichermassenwirkung der Betonbauteile eine kostengünstige Minimierung der Kühl- und Heizlasten.

Fazit Zukünftig wird auch bei Industrie- und Gewerbebauten die Nachhaltigkeit hinsichtlich ihrer Gesamtenergiebilanz für Bauherren und Käufer ausschlaggebend sein. Für eine effiziente Energieversorgung ist bei der Planung besonderer Wert auf synergieerzeugende Gesamtkonzeptionen und die Verhältnismäßigkeit der eingesetzten Technologien im Hinblick auf die Wertigkeit der Nutzung zu legen. Wie bei Bürogebäuden ist bei Industrie- und Gewerbebauten mit hohen internen Wärmelasten der Heizenergieverbrauch im Vergleich zu der für die Kühlung benötigten Energie marginal. Des- wegen werden sich die Planer nicht nur mit Energieeinsparungen durch effiziente Heizsysteme und Verbesserung der Gebäudehüllen, sondern auch mit Technologien für ökologische Kühlsysteme beschäftigen müssen. R. H.

Literaturhinweise: [1] Referentenentwurf EnEV 2006, Vorabzug April 2006 (Quelle:www.energieverbraucher.de) [2] Auswahl Simulationssoftware (im Internet teilweise als Probelizenz kostenfrei erhältlich): Energie: Transys, Tas, Licht: Rayfront, Retrolux, Strömung: Fluent [3] Adam, Jürgen, Katharina Hausmann und Frank Jüttner, Entwurfsatlas Industriebau, Birkhäuser Verlag, 2004 [4] Schutz, Peter, Ökologische Gebäudeausrüstung, Springer Verlag, 2003