EVA – Forschungsprojekt zur Evaluierung von Energiekonzepten für Bürogebäude

Inspiziert

Wie funktionieren Bürogebäude in der Praxis? Inwiefern kann ihre Energieeffizienz auch nachträglich noch verbessert werden? Warum ist der thermische Komfort häufig mangelhaft? Diesen Fragen, Thema vieler Diskussionen in den vergangenen Jahren, wurde im Rahmen des Forschungsprojektes EVA nachgegangen. 19 Bürogebäude wurden hierzu genauer untersucht. Fazit: Eine Optimierung des Energieverbrauchs liegt vor allem in der Betriebsführung und im Nutzerverhalten.

Text: Stefan Plesser, Norbert Fisch

Bürogebäude sind seit den siebziger Jahren Teil von Diskussionen und intensiver wissenschaftlicher Untersuchungen. Themen dabei sind die Gesundheit am Arbeitsplatz, die Förderung von Produktivität und Leistungsfähigkeit, die ökologischen Qualitäten mit dem deutlichen Schwerpunkt der Energieeffizienz sowie die Veränderung der Arbeitswelt durch Informationstechnologie und zunehmende Mobilität. Exemplarisch für die Dringlichkeit der Untersuchung von Energieeffizienz und Nutzerkomfort ist die Diskussion einer der auffälligsten Entwicklungen bei Bürogebäuden in den letzten 15 Jahren: Weitgehend vollverglaste Fassaden wurden zum Markenzeichen von Bürogebäuden.
Über Gebäude wie das RWE-Hochhaus in Essen (1997, Ingenhoven Architekten) oder die Nord LB in Hannover (2002, Behnisch Behnisch & Partner) wurde sowohl in der Architekturfachpresse als auch in anderen Publikationen berichtet. Sie wurden unter anderem mit Kommentaren wie »ökologisches Hochhaus« [1] gelobt, als das »Maximum dessen, was derzeit im Büro- und Verwaltungsbau realisiert werden kann« [2] und als »wohltemperierte Architektur« [3] gefeiert. Parallel entstand eine kritische Gegenströmung, die argumentierte, dass vollverglaste, »solare« Bürogebäude weder energieeffizienter noch komfortabler seien als Gebäude mit einem geringeren Glasanteil. Karl Gertis [4] hat diese Diskussion mit dem speziellen Fokus auf Glas-Doppelfassaden bereits 1999 zusammengefasst und festgestellt, dass statt einer »erdrückenden Fülle qualitativ-beschreibender Arbeiten« die Notwendigkeit von »Messungen unter praktischen Bedingungen« bestehe.
Die Diskussion erreichte einen neuen, fachlich fragwürdigen Höhepunkt, als sie 2004 die Seiten eines bedeutenden deutschen Nachrichtenmagazin [5] erreichte. Unter dem Titel »Leben im Schwitzkasten« wurde der vermeintlich gescheiterte »Großversuch« verglaster Bürogebäude festgestellt, ohne dass sich der Autor dabei auf eine fundierte und umfassende Grundlage bezog. Er erklärte sogar, man sei auf der Suche nach Informationen auf eine »Mauer des Schweigens« gestoßen, und beklagte das Fehlen von aussagekräftigen Daten zum Betrieb dieser Gebäude. Der Artikel war typisch für die Diskussion über aktuelle Bürogebäude, indem er überwiegend anekdotenhaft »Erfahrungen« und »Meinungen« zitierte: Genau das hatte Gertis zuvor bemängelt. Die in dem Artikel genannten Zahlen erscheinen eher aus Zufallsmessungen entstanden zu sein als aus fundierten Messungen über einen längeren Zeitraum, sie ließen sich weder nachvollziehen noch beispielsweise Rückschlüsse auf das Nutzerverhalten zu. Diese pauschalisierende Architekturkritik erstaunt umso mehr, als Deutschland im internationalen Vergleich hinsichtlich der Energieeffizienz von Gebäuden eine führende Rolle einnimmt.
Für Produkte ist es üblich, nach einer Entwicklungsphase Prototypen zu bauen und diese unter Praxisbedingungen zu testen. Was bei Autos und Haushaltsgeräten Realität ist und eine vergleichsweise hohe Betriebssicherheit gewährleistet, ist bei Gebäuden unmöglich. Jedes Gebäude ist in weiten Teilen ein Einzelstück, an einem einmaligen Standort, mit einem Planungsteam, das oft nur für dieses eine Projekt zusammenarbeitet und ein individuelles Konzept entwickelt. Berichterstattung und Dokumentation enden meist mit der Fertigstellung – anschließend liegen selten gesicherte Kenntnisse über das tatsächliche Verhalten der Gebäude im Betrieb und damit während des größten Teils des Lebenszyklus vor. Das führt zu Unsicherheit über neue Technologien und hemmt zielgerichtete Entwicklungen. Architekten und Ingenieure, die kein fundiertes Feedback über die Funktion ihrer Gebäude in der Praxis erhalten, können für die nächsten Gebäude kaum auf entsprechende Erfahrungen zurückgreifen.
Das Projekt EVA
Mit dem Ziel, dieses Informationsdefizit zu reduzieren, hat das Institut für Gebäude- und Solartechnik (IGS, Braunschweig) in den Jahren 2003 bis 2007 gemeinsam mit Partnern [6] das Forschungsprojekt EVA (»EVAluierung von Energiekonzepten für Bürogebäude«) durchgeführt. Dabei wurden die Energieeffizienz, der tatsächliche Energieverbrauch und der Nutzerkomfort anhand von 19 Bürogebäuden während des Gebäudebetriebs untersucht. Dies geschah über eine Auswertung der Daten aus der Gebäudeautomationssoftware, Lang- und Kurzzeitmessungen des thermischen Komforts zu verschiedenen Tages- und Jahreszeiten sowie durch Nutzer-befragungen.
Die »Akquisition« viel allerdings schwer: Die Unternehmen zeigten zunächst wenig Begeisterung, ihre Gebäude auf den Prüfstand stellen zu lassen. Nach rund eineinhalb Jahren Vorbereitung stand jedoch eine Gruppe von Gebäuden zur Verfügung, die durchaus repräsentativ für aktuelle Bürobauten zu sehen ist. EVA wurde schließlich von den Unternehmen [7] sowie dem e.on-Fond/Berliner Energie-Fond unterstützt. Das Projekt ist Teil des Forschungsbereichs »EnOB – Energieoptimiertes Bauen« des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie, das das Projekt gefördert hat.
Das Projekt sollte feststellen, ob die zu untersuchenden und in den letzten zehn Jahren errichteten Bürobauten energieeffizienter und komfortabler sind als solche aus den sechziger oder siebziger Jahren, wie weit sie an den Standard von Demonstrationsgebäuden etwa aus dem ebenfalls im Rahmen von EnOB geförderten Programm »EnBau« (»Energiepotimiertes Bauen im Neubau«) heranreichen und sie als technisch-wirtschaftliche »Best-Prac- tice« angesehen werden können – oder ob sie im Gegenteil womöglich gescheiterte Experimente sind. Folgende Fragen sollten daher auf dieser Basis beantwortet werden:
  • Wie energieeffizient sind heutige Bürogebäude? Gemessen wurde hierbei der Primärenergiebedarf (bezogen auf die Nettogrundfläche) und mit Referenzwerten verglichen.
  • Wird ein guter thermischer Nutzerkomfort gewährleistet? Indikatoren hierfür waren beispielsweise die Raumtemperatur, der CO2-Gehalt, die Luftschichtung oder das Zugluftrisiko.
  • Besteht im Betrieb Optimierungspotenzial hinsichtlich Energieeffizienz und Nutzerkomfort und wie kann dies bei Bürogebäuden identifiziert werden?
  • Welche Erfahrungen können für zukünftige Planungen genutzt werden?
Den Fragenstellungen lag die Hypothese zugrunde, dass bei den meisten Gebäuden Optimierungspotenzial im Betrieb besteht.
Energieeffizienz
Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Effizienzverbesserung neuerer Bürogebäude gegenüber denen, die vor der Einführung der Wärmeschutz- und Energieeinsparverordnungen errichtet wurden (mit Jahresprimärenergiewerten von teilweise sogar über 800 KWh/m²a pro NGF): Die untersuchten Bürobauten sind im Vergleich zu anderen aus aktuellen Studien (vgl. Abb. 1 bzw. [8-11] ) etwas effizienter, in diesem Sinne jedenfalls keineswegs »Energiefresser«. Das derzeit energetisch und technisch Machbare, das zum Beispiel Demonstrationsgebäude wie das Energieforum Berlin aufzeigen (vgl. Abb. 2), wird jedoch insgesamt deutlich überschritten: Herkömmliche Verwaltungsbauten verbrauchen rund 50 % mehr Primärenergie als bisherige Demonstrationsgebäude.
Bei der Kälteversorgung wurde festgestellt, dass die den Witterungsbedingungen in Deutschland mögliche weitgehende Nutzung von direkter Kühlung über Rückkühlwerke oder die Kühlung von IT- Räumen mit Außenluft im Betrieb kaum genutzt wird. Hier scheint insbesondere die hydraulische und regelungstechnische Umsetzung sowie die Programmierung der Gebäudeautomation Probleme in der Umsetzung zu machen.
Die Beleuchtungssysteme wurden nach derzeitigem Stand der Technik als effizient bewertet. Weitere Verbesserungen können durch einen verstärkten Einsatz von Präsenz- und Tageslichtregelungen erreicht werden. Auf Einsparpotenziale weisen auch die Lüftungsanlagen hin, bei denen der Stromverbrauch zur Luftförderung durch eine Reduzierung der Betriebszeiten um teilweise mehr als 50 % gesenkt werden könnte.
Besonders auffallend war der Vergleich des nach DIN V 18 599 berechneten Energiebedarfs, also des Kennwertes, der üblicherweise in der Planungsphase berechnet wurde, und dem tatsächlichen Verbrauchskennwert: Der Verbrauch war im Mittel annähernd doppelt so hoch (Abb. 2)! Der Unterschied liegt zum einen daran, dass der Verbrauchskennwert die gesamte Ausstattung der Gebäude umfasst, wie etwa PCs und Küchenanlagen. Zum anderen können eine von der standardisierten Berechnung abweichende Nutzung oder eine mangelhafte Betriebsführung ebenfalls zu einem Mehrverbrauch führen. In jedem Fall ist das Optimierungspotenzial, das nach der Planung im Betrieb besteht, erheblich. ›
Nutzerkomfort
Hinsichtlich der normierten Anforderungen wurde ein weitgehend guter Nutzerkomfort festgestellt. Zugluftrisiko, Temperaturschichtungen oder Strahlungsasymmetrien traten so gut wie nie auf. Das wesentliche Problem, das durchgängig in Messungen und Befragungen festgestellt wurde, ist allerdings die sommerliche Überhitzung. In allen Räumen des Langzeit-Monitorings wurden Temperaturen über 26 °C festgestellt, im Mittel in 182 h/a während der Nutzungszeit.
Auffallend war, dass die Überhitzung nicht eindeutig von baulichen Aspekten wie dem Verglasungsanteil der Fassaden oder der Ausrichtung der Räume nach der Himmelsrichtung abhing (Abb. 3). Im Gegenteil: Die Untersuchungen wiesen darauf hin, dass im Wesentlichen das Nutzerverhalten selbst Einschränkungen des thermischen Komforts verursacht. Hier zeigten die Befragungen im Rahmen des Kurzzeit-Monitorings, dass die Nutzer die Fensterlüftung und den Sonnenschutz oft nicht im Sinne der Konzepte einsetzen. Offenbar ist das Bedürfnis, Fenster und Sonnenschutz im Sommer zu öffnen, stärker als die Überlegung, dass es im Raum bei geschlossenem Fenster etwas kühler bleibt. Dies wirkte sich bei Konzepten zur Kühlung mit niedrigen Leistungen wie der häufig eingesetzten Betonkernaktivierung dahingehend aus, dass einige Räume fast keine, andere rund 400 Überhitzungsstunden im Jahr während der Nutzungszeit aufwiesen. Gerade bei passiven Systemen wie der einer Bauteiltemperierung – Systeme also, die der Nutzer beispielsweise im Gegensatz zu einem Heizkörper nicht sieht, nicht anfassen kann oder von deren Vorhandensein er möglicherweise nicht einmal weiß – hängt der Erfolg des Klimakonzepts in starkem Maße vom richtigen Nutzerverhalten ab.
Bei rund 30 % aller Messungen im Winter lagen die Messwerte für die CO2-Konzentration über dem nach der neuen DIN EN 13 779 zulässigen Grenzwert von 1000 ppm (parts per million). Auffallend war, dass dabei der Unterschied der Anteile zwischen mechanisch (bei rund 27 % aller Messungen) und über Fenster belüfteten Räumen (bei 32 %) nur gering war. Zum einen bedeutet dies, dass die meisten Nutzer auch im Winter über die Fenster ausreichend lüften konnten. Zum anderen deutet die erhöhte CO2-Konzentration in mechanisch belüfteten Räumen auf disfunktionale Lüftungskonzepte hin. Aus energetischer Sicht ist in diesem Zusammenhang bedeutsam, dass in mechanisch belüfteten Räumen im Winter in fast gleichem Maße über die Fenster gelüftet wurde wie in Räumen ohne mechanische Lüftung. Dies ist zu berücksichtigen, wenn die Möglichkeit der Wärmerückgewinnung als Argument für den Bau einer Lüftungsanlage verwendet wird, denn auch dann wird über die Fenster gelüftet – ohne Wärmerückgewinnung.
FallBeispiel
Die Anzahl der untersuchten Gebäude reicht nicht aus, um statistische Aussagen zu Optimierungspotenzialen zu machen. Die Fallstudien zeigen aber, wo im Einzelnen Verbesserungsmöglichkeiten liegen und wie diese erschlossen werden können.
Das Beispiel der Hauptverwaltung der Braun GmbH (2000, Architekten Schneider+Schumacher, Frankfurt) verdeutlicht die Ergebnisse. Dort wurde mit dem durch eine Doppelfassade fast vollständig verglasten Baukörper, dem zentralen Atrium und der Bauteilheizung und -kühlung ein innovatives Energiekonzept umgesetzt. Im Betrieb zeigten sich jedoch einige Probleme, die sowohl die Energieeffizienz als auch den Nutzerkomfort beeinträchtigen. So wurde nach der Integration zusätzlicher Kühlkreise in die Kälteanlage die effizientere freie Kühlung nicht mehr genutzt. Die vorhandene Kältemaschine war für den Teillastfall überdimensioniert, so dass für einen stabilen Betrieb überschüssige Wärme abgeführt werden musste.
Als besonders problematisch erwiesen sich Fehler in der Regelungstechnik. Die Bauteiltemperierung kann als träges, langsam reagierendes System, bei dem Wasser in Matten aus dünnen Kunststoffrohren durch die Putzschicht unterhalb der Betondecken geleitet wird, nur mit Verzögerung vom Heiz- in den Kühlbetrieb wechseln. Die Regelung war jedoch ohne eine Hysterese, also einem Abstand zwischen den Einschaltzeitpunkten für den Heiz- und Kühlbetrieb programmiert worden. Dies hatte zur Folge, dass die Anlage im Frühling und Herbst täglich vom Heiz- in den Kühlbetrieb und zurück wechselte. So führte das eigentlich effiziente und komfortable System im Betrieb zu erhöhtem Energieverbrauch ohne Komfortverbesserung.
In Summe lagen die Optimierungspotenziale im Betrieb bei rund 20 % des Energieverbrauchs, wobei sich die für die Betriebsoptimierung notwendigen Investitionskosten innerhalb eines Jahres amortisieren. Gleichzeitig konnte der Nutzerkomfort verbessert werden. Besonders effizient, da nur mit sehr geringen Kosten verbunden, sind Maßnahmen in der Regelungstechnik: Hier können einfache Veränderungen von Soll- und Grenzwerten für den Anlagenbetrieb sofort für Kostensenkungen sorgen.
kontinuierliche Qualitätssicherung
Gebäude werden eine bessere Energieeffizienz nur durch ein höheres Qualitätsniveau in Planung, Errichtung und Betrieb erzielen. Voraussetzung hierfür ist zum einen, dass sich der Gedanke der »Integralen Planung« auch in der Vergabepraxis widerspiegelt. Eingespielte Teams aus Architekten und Energieplanern mit umfassenden Kompetenzen in den Bereichen Bauphysik, Anlagentechnik und Monitoring müssen die Regel werden. Von Projekt zu Projekt mehr oder weniger zufällig über den Preis ›
› zusammengewürfelte Planungsteams sind nicht die geeignete Lösung. Zum anderen müssen Planer und Bauherren sich der Verantwortung stellen, ihre Gebäude nach der Fertigstellung intensiv zu begleiten: mittels eines Monitorings, das zumindest die ersten zwei Betriebsjahre umfassen sollte. Sinnvoll kann in diesem Zusammenhang auch die Integration eines externen Partners zur Qualitätssicherung sein. Er hilft, die energetischen Ziele und Prüfmethoden am Projektbeginn eindeutig und nachvollziehbar zu definieren und begleitet das Projekt mit einer Qualitätssicherung bis in den Betrieb.
Im Rahmen des oben genannten Forschungsprogramms EnOB des Bundeswirtschaftsministeriums wird zu diesen Themen das neue Forschungsfeld »EnBop – Energetische Betriebsoptimierung« aufgebaut und durch das IGS koordiniert. Hierbei liegt der Schwerpunkt hauptsächlich auf der Optimierung der Energieeffizienz von Gebäuden im Betrieb, indem nicht nur neue Werkzeuge für die Betriebsanalyse und -optimierung entwickelt, sondern auch kontinuierlich neuartige Technologien, Systeme und Komponenten im Betrieb untersucht werden sollen. Ziel ist, das Effizienzpotenzial von Gebäuden im Betrieb vollständig auszunutzen. EnBop soll hierzu wichtige Grundlagen schaffen, damit gute Konzepte auch über den gesamten Lebenszyklus von Gebäuden effizient, wirtschaftlich und mit gutem Komfort funktionieren.
In der Regel gehen Bauherren immer noch davon aus, dass ein Gebäude »plug&play« funktioniert. Wenn wir die Energieeffizienz und den Nutzerkomfort von Gebäuden weiter steigern wollen, müssen zusätzliche Leistungen in Planung, Errichtung und Betrieb erbracht werden – ein Mehraufwand, der anerkannt und honoriert werden muss. •
  • Literaturhinweise und weitere Informationen: [1] Jacob, Werner, Out of Rosenheim, Deutsche Bauzeitschrift, Gütersloh, 11/2002 [2] Dassler, Friedrich, Vertikale Stadtlandschaft. In: Intelligente Architektur 35, S. 26–33, Leinfelden-Echterdingen, 2002 [3] Oswalt, Philipp (Hrsg.) und Susanne Rexroth, Wohltemperierte Architektur, Heidelberg, 1994 [4] Gertis, Karl, Sind neuere Fassadenentwicklungen bauphysikalisch sinnvoll? Teil 2: Glas-Doppelfassaden (GDF), Bauphysik 21, Heft 2, 1999 [5] Schulz, Matthias, Leben im Schwitzkasten (Life in the Headlock), Der Spiegel, Hamburg, 47/2004 [6] Plesser, Stefan, Norbert Fisch, u. a., Abschlussbericht EVA – Evaluierung von Energiekonzepten, Braunschweig, 2007 Ausführlichere und aktuelle Ergebnisse sollen in Kürze abrufbar sein unter: www.igs.bau.tu-bs.de EVA-Projektpartner: Universität Karlsruhe, fbta – Fachgebiet Bauphysik und Technischer Ausbau; Prof. K. Müller + Partner Consulting GmbH; Steinbeis-Transferzentrum Energie-, Gebäude- und Solartechnik, Stuttgart; hbr Architekten, Hamburg; DEZEM – Dezentrale Messtechnik, Berlin
  • [7] Die im Folgenden genannten Unternehmen haben mit ihren Gebäuden an EVA teilgenommen. Sie unterstützen das Projekt auch finanziell und durch das Engagement ihrer Mitarbeiter:
Nord LB Hannover, 2002 , Architekten: Behnisch, Behnisch & Partner, Eigentümer / Nutzer: Demuro, München / Nord LB
Nord LB Magdeburg, 2002, Architekten: Bolles + Wilson, Münster, Eigentümer / Nutzer: Nord LB
PricewaterhouseCoopers (PWC), Berlin, 1995, Architekten: k. A.
DZ Bank AG, Berlin, 2001, Architekten: Frank O. Gehry, USA, Eigentümer / Nutzer: Pariser Platz 3 Grundbesitz / DZ Bank
Siedlungswerk, Stuttgart, 1993, Architekten: Zinsmeister/Scheffler, Eigentümer / Nutzer: Siedlungswerk
Finanz IT, Hannover, 1999 , Architekten: Hascher Jehle, Berlin, Eigentümer / Nutzer: Finanz IT Hannover
Max-Planck-Institut, Dortmund, 1999, Architekten: Heinrich, Wörner, Vedder, Eigentümer / Nutzer: Max-Planck-Gesellschaft / Max-Planck-Institut
Atrium im Forum Autovision, Wolfsburg, 2001, Architekten: Koller + Heitmann, Wolfsburg, Eigentümer / Nutzer: Wolfsburg AG
Innovationscampus, Wolfsburg, 2001, Architekten: OM Architekten, Braunschweig, Eigentümer / Nutzer: Wolfsburg AG
SE-Zentrum, Wolfsburg, 2000, Architekten: Koller + Heitmann, Wolfsburg, Eigentümer / Nutzer: Wolfsburg AG
EnergieForum, Berlin, 2003, Architekten: BRT Architekten, Hamburg, Eigentümer / Nutzer: R+V Versicherung / diverse Mieter
Neubau Informatikzentrum, Braunschweig, 2001, Architekten: PSP, Braunschweig, Eigen-tümer / Nutzer: Land Niedersachsen / TU Braunschweig
Neumühlen 4, Hamburg, 2002, Architekten: BRT Architekten, Hamburg, Eigentümer / Nutzer: Rickmers Reederei
Deutscher Ring, Hamburg, 1999, Architekten: BHL Architekten, Hamburg, Eigentümer / Nutzer: Deutscher Ring
LBS Ost, Postdam, 1996, Architekten: PSP Pysall-Stahrenberg u. Partner, Eigentümer / Nutzer: Landesbausparkasse
Hauptverwaltung Braun GmbH, Kronberg/Taunus, 2000, Architekten: Schneider+ Schumacher, Berlin, Eigentümer / Nutzer: Braun GmbH
en.BS, Braunschweig, 1965, Sanierung 1994, Architekten: Opfermann, Eigentümer / Nutzer: Braunschweiger Versorgungs AG / en.BS
Allianz Treptowers (Riegel), Berlin, 1998, Architekten: ASP, Hamburg, Eigentümer / Nutzer: Allianz Grundstücks GmbH
LBS Nord, Hannover, 2001, Architekten: PSP Pysall-Stahrenberg u. Partner, Eigentümer / Nutzer: NILEG, Hannover / Landesbausparkasse
[8] Siegel, Carl, Rudolf Wonneberg u. a., Bau- und Betriebskosten von Büro- und Verwaltungsbauten, Bauverlag GmbH, Wiesbaden und Berlin, 1979 [9] Weber, Lukas, Urs-Peter Menti, Ivan Keller, Energieverbrauch in Bürogebäuden, Bundesamt für Energie, Bern, Mai 1999 [10] Therburg, Ingo, Energiecontrolling in Bürogebäuden, Energiereferat der Stadt Frankfurt, Frankfurt am Main, Juni 2002 [11] Voss, Karsten, Günter Löhnert, u. a., Bürogebäude mit Zukunft; TÜV-Verlag, Köln 2005
Müller, H.F.O, C. Nolte, T. Pasquay (Hrsg.), Klimagerechte Fassadentechnologie: II. Monitoring von Gebäuden mit Doppelfassaden, VDI-Fortschrittsberichte, Dortmund, 2002