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Auswirkungen des Reboundeffekts bei der Sanierung von Bestandsgebäuden

EnEff:Stadt - Forschung für die energieeffiziente Stadt

Vergleich zwischen dem gemessenen Energieverbrauch und dem errechneten Energiebedarf für den sanierten Riegel R2 und die Hauseingänge E1 bis E3: Es ist eine große Varianz zwischen den einzelnen Wohnungen erkennbar. Pro Eingang wurde immer die gleiche Sanierung durchgeführt, dennoch sind Unterschiede von bis zu 140% ablesbar. Über alle Wohnungen des Gebäuderiegels R3 und die entsprechenden Sanierungsvarianten ist eine durchschnittliche Überschreitung von 40% über der kalkulierten EnEV-Berechnung feststellbar.

© RWTH Aachen, E.ON ERC

Siedlungssteckbrief

Projektstatus Projektstatus: Phase 3Realisierung
Standort der Kommune Stadt Karlsruhe, 76137 Karlsruhe, Baden-Württemberg
Kommune in Zahlen Quartier Rintheimer Feld: Fläche: 0,25 km²; ca. 2.500 Einwohner
Träger Volkswohnung GmbH
Siedlungstyp Rand- oder Blockbebauung in Citynähe, speziell Gebäuderiegel
Nutzungstyp Wohnen
Sanierte Wohnungen 90
Überbaute Fläche pro Riegel 534 m²
Beheiztes Gebäudevolumen 7.212 m³
Wohnungsgröße ca. 70 m²
Altersstruktur 1958-1968
Bau- und Sanierungszustand neu saniert, EnEV 2009 Standard
Heizungssysteme zentrale Versorgung, verschiedene Erzeuger
Eigentumsverhältnisse Vermietung durch kommunale Wohnungsbaugesellschaft
Projektthemen

Projektbeschreibung

Das Phänomen des verringerten Einsparpotenzials wird schon seit längerem unter dem Begriff "Reboundeffekt" diskutiert. Grund hierfür ist zumeist eine Steigerung des Energiedienstleistungskonsums seitens der Nutzer. Eine detaillierte quantitative Analyse des Reboundeffektes ist in bisherigen Untersuchungen auf Grund mangelhafter Datengrundlagen ausgeblieben.

Das Forschungsprojekt nutzt die bereits vorhandene umfangreiche Messtechnik sowie die Simulationsmodelle der Gebäude, um diese Lücke zu schließen. Die Messwerte werden durch Gespräche mit den Mietern und Fragebogenuntersuchungen ergänzt. Durch die detaillierte Betrachtung der Effizienz der Systeme und der Handlungsweise der Mieter soll der Reboundeffekt in ökonomische, strukturelle und technische Effekte gegliedert werden - wobei strukturelle Effekte durch Änderungen des Heizsystems oder Ausweitung der Wohnnutzflächen entstehen können und technische Effekte durch suboptimale Anpassung des Heizsystems an die veränderten Gebäudeparameter bedingt sind.

Ausgangssituation, Durchführung

Die drei zur Sanierung anstehenden Wohnblöcke in Karlsruhe-Rintheim wurden in den 1950er-Jahren fertiggestellt. Jeder Riegel besteht aus drei Gebäudeteilen mit jeweils 10 Wohneinheiten und separaten Zugängen. Die Außenabmessung eines Wohnblocks beträgt 51,63 m Länge bei einer Breite von 10,34 m, dies führt zu einem A/V-Verhältnis von 0,48. Der erste Gebäudeblock dient als Vergleichsgebäude, da hier die Standardsanierung der Volkswohnung Karlsruhe umgesetzt wurde.

In den zwei weiteren Gebäuderiegeln kommt eine unterschiedliche Kombination aus bauphysikalischen (Variation in den U-Werten der wärmeübertragenden Umfassungsfläche) und anlagentechnischen Komponenten (Heizungs-, Lüftungs- und Trinkwasserinstallation) zur Anwendung. Zur Überprüfung der prognostizierten Energieeinsparungen wurde in allen Wohnungen ein umfangreiches Messprogramm installiert.

Projektphasen
  • Weitergehende Datenerfassung und –Analyse zur Separierung von strukturellen und technischen Effekte
  • Technische Befragung sowie Informationsveranstaltungen mit Wissensvermittlung
  • Analyse der strukturellen und technischen Effekte des Rebound
  • Gegenüberstellung des Nutzerverhalten und Nutzungsprofile nach DIN
  • Spezifische Nutzerprofile für dynamische Modelle.
 
Nutzbare Ergebnisse aus dem Vorhaben „ Integrales Quartiers-Energiekonzept Karlsruhe Rintheim – wissenschaftliche Begleitung“

Statische Berechnungen

Im Zuge der statischen Berechnungen wurden die Berechnungen für die Heizlast und EnEV durchgeführt. Die Heizlast wurde für die unterschiedlichen Fälle raum- und gebäudeweise ermittelt. Die Ergebnisse wurden mit dem Ingenieurbüro KW2-Ingenieure abgeglichen und für die Ausschreibung und Auslegung der technischen Anlagen verwendet. Die von der Volkswohnung gewünschte erhöhte Innentemperatur führt zu größeren Heizflächen und größerer Leistung der Wärmeerzeuger.

Für die vorliegenden Gebäude wurden sämtliche Wärmebrücken analysiert. Der sich ergebende längen- oder punktbezogene Wärmebrückenverlustkoeffizient wurde für die vorhandenen Wärmebrücken mit dem FEM-Programm „Therm“ berechnet und in einem Wärmebrückenkatalog zusammengestellt. Mittels der dargestellten Wärmebrücken und einem entsprechenden Nachweis der Gleichwertigkeit besteht die Möglichkeit bei anstehenden EnEV-Berechnungen für Sanierungen an Gebäuden aus der Baualtersklasse der 1950/60er Jahre auf die ermittelten Werte zurückzugreifen ohne auf die normativen Werte angewiesen zu sein. Die Berechnungen und die Gegenüberstellung mit den pauschalen Wärmebrückenfaktoren haben gezeigt, dass sich im Gebäudebestand der Wärmebrückenverlust bei einem detaillierten Nachweis in diesem Fall reduziert. Bei den beiden Sanierungsalternativen wirkt sich eine detaillierte Berechnung des Wärmebrückenverlustkoeffizienten eher negativ auf das Endergebnis aus.

Die EnEV 2007 lässt zwei verschiedene Nachweisverfahren zu. Zum einen das vereinfachte Heizperiodenbilanzverfahren und zum anderen das Monatsbilanzverfahren. Die Energieeinsparverordnung fordert die Unterschreitung eines Maximalwertes für den Jahres-Primärenergiebedarf QP (Hauptforderung) und den Transmissionswärmeverlust HT` (Nebenforderung). Das Nachweisverfahren lässt eine Varianz in der Berechnungstiefe der einzelnen Parameter wie z. B. Temperaturkorrekturfaktor, Anlagenaufwandszahl zu. Sämtliche Berechnungen für den Transmissionswärmeverlust und Primärenergiebedarf wurden sowohl mit den normativen als auch detailliert ermittelten Werten durchgeführt. Es hat sich gezeigt, dass die Anforderungen für den Transmissionswärmeverlust und den Primärenergiebedarf für jede Sanierungs- und Berechnungsvariante immer eingehalten bzw. deutlich unterschritten werden. Es muss hierbei
berücksichtigt werden, dass die ausführlichen Berechnungsverfahren deutlich mehr Zeit in Anspruch nehmen.

Dynamische Simulationen

Die dynamische Gebäude- und Anlagensimulation wurde mit Hilfe der frei verfügbaren Programmiersprache Modelica durchgeführt. Die objektorientierte Programmiersprache lässt es zu, die einzelnen Modelle einer Gesamtsimulation so ineinander zu schachteln, dass eine strukturierte Hierarchie entsteht. Ein Gesamtgebäudemodell besteht aus einer großen Anzahl unterschiedlich komplexer Teilmodelle. Im Zuge der Projektbearbeitung wurden die Teilbereiche Wetter, Gebäude, Heizungs- (Erzeugung, Speicherung, Verteilung, Übergabe, Kontrollstrategie) sowie Lüftungstechnik genauer betrachtet. Um die Gebäude dieses Forschungsvorhabens simulieren zu können, wurden die vorhandenen Bibliotheken mit verschiedenen Modellen ergänzt. Im Bereich der technischen Gebäudeausrüstung sind Modelle für ein dezentrales Lüftungsgerät mit WRG, eine Abluft Wärmepumpe, eine Solaranlage, ein Wandmodell mit PCM, sowie verschiedene Modelle einer Fußbodenheizung entwickelt und wo möglich mit Hilfe der vorhandenen Messdaten validiert worden. Die Effekte, die durch die messtechnische Analyse festgestellt wurden, konnten auch durch die Simulationen nachgewiesen wer-den, so z. B. dass die Anhebung der Innenraumtemperatur um 2 K in einer Wohnung zu einer Erhöhung des entsprechenden Energiebedarfs von 200% führt.

Messtechnik

In den Gebäuden wurde eine umfangreiche Messtechnik installiert, um die Effizienz der Anlagentechnik und das Nutzerverhalten analysieren zu können. 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 Punkte wie Regelparameter, Volumenstrom etc. erfassen. Die Messintervalle schwanken je nach Messpunkt zwischen fünfzehn und einer Minute. So stehen pro Tag ca. sechs Millionendatenpunkte zur Auswertung zur Verfügung. Die anfallenden Daten werden in einer HDF5-Datenbank gespeichert und durch den HDF-Viewer einfach und schnell visualisiert.

Um die Daten schnell und effizient auswerten zu können, ist am Institut das Auswertungstool “HDF-Tables-EBC“, welches auf dem Programm Python-HDF-Tables basiert, weiterentwickelt worden. Das Werkzeug "HDF-Tables-EBC" verfügt neben den standardmäßigen Funktionen der "HDF-Tables" über die Möglichkeiten die Daten aus Feldversuchen und Simulationen per Mausklick zu visualisieren und auswerten zu können. Zum jetzigen Zeitpunkt wurden 15 verschiedene Funktionen in "HDF-Tables-EBC" implementiert.

Innovative Komponenten

Innovative und neue Komponenten der Gebäudetechnik verfolgen das Ziel der energetischen Optimierung. Um Rückschlüsse zwischen dem tatsächlichen Verbrauch und der erwarteten Einsparung ziehen zu können, werden einige Komponenten (dezentrales Lüftungsgerät und Heizkörpervarianten) zusätzlich im Labor getestet, um so eine Basis für die Bewertung zur Verfügung stellen zu können.

Das dezentrale Lüftungsgerät der Fa. Schüco ist mit einem Multigassensor ausgestattet, der im Automatikmodus des Geräts die Außenluftrate in drei Stufen steuert. Die Funktion des Sensors und die Auswirkungen der Schaltschwellen werden im Rahmen des Versuchs analysiert. Die
Untersuchung der VentoTherm Lüftungsgeräte ergibt, dass die IAQ-Sensoren (IAQ steht für Indoor Air Quality) eine gute Korrelation zu den mit einem externen Gerät gemessenen CO2-Konzentrationen der Raumluft aufweisen. Die IAQ-Sensoren reagieren damit ausreichend genau auf die Emissionen von Personen. Die Messungen in der Laborsituation Badezimmer zeigen, dass ein wesentlicher Einfluss der Feuchte auf das IAQ-Sensorsignal nicht nachgewiesen werden kann. Die Steuerung der Lüftungsrate kann somit getrennt nach Verunreinigungs- und Feuchtezustand erfolgen.

In der Produktbroschüre der Fa. Kermi wird der Heizkörper ThermX2 als „Energiespar-Heizkörper“ bezeichnet. Im Zuge des Laborversuchs wird untersucht, ob sich eine serielle, gleichmäßige Durchströmung feststellen lässt und welche Strömung sich im Raum und am Heizkörper ausbildet. Beim Aufheizvorgang ist deutlich zu erkennen, dass die vordere Heizkörperplatte gleichmäßig horizontal durchströmt wird. Dieses Durchströmungsverhalten ändert sich über den gesamten Aufheizvorgang nicht. Selbst an den Randbereichen oder Ventilanschlüssen sind keine Abweichungen erkennbar. Erst bei vollständiger Durchströmung der vorderen Heizkörperplatte wird die hintere Platte aufgeheizt. Durch eine schnelle Anhebung der Strahlungstemperatur im Raum kann es durch eine Absenkung der Lufttemperatur bei konstant empfundener Temperatur zu einer Einsparung kommen.

Exergie

Im Wohnungsbau wird trotz einer energetischen Sanierung Energie für die Beheizung und die Erzeugung von Trinkwarmwasser benötigt. Zur Sicherstellung des Bedarfs sind lediglich Systemtemperaturen nahe der Umgebungs- bzw. Raumtemperatur notwendig, d. h. mit geringem Exergiegehalt. Natürliche Wärmesenken und -quellen sind meist nur in Kombination mit thermischen Speichern nutzbar. Die sensible Wärmespeicherung, insbesondere in Form von Wasserspeichern, ist wahrscheinlich die am weitesten verbreitete Art thermischer Speicher. Ein möglicher Optimierungsansatz für den Wasser-speicher besteht darin, durch passende Regelungskonzepte eine gute Temperaturverteilung im Speicher aufzubauen.

Um die exergetischen Verluste reduzieren zu können, wird ein alternatives Controller-Konzept vorgeschlagen, in dem die Temperatur im Speicher an die Außentemperatur angepasst wird. In der repräsentativen Simulationsphase von Anfang Januar bis Ende März kann durch dieses Konzept eine Primärenergieeinsparung von 3,4 % erreicht werden.
Für die Kombination der eingebauten Abwärme- und Luftwärmepumpe wurde ein exergetisch optimiertes Verschaltungskonzept untersucht. Die Simulationen zeigen seitens der Luftwärmepumpe eine Einsparung des Bedarfs an elektrischer Energie von 26,3%. Dem steht für die Abluftwärmepumpe ein geringer Mehrbedarf von 2,1% gegenüber.

Erstes Fazit

Eine Auswertung der Messdaten zeigt, dass die theoretischen Einsparpotenziale nach der Sanierung nicht vollständig erschlossen werden können; es entsteht der so genannte „Rebound-Effekt“. Dieser besagt, dass jede Wirkung Nach-Wirkungen mit sich bringt, die den ursprünglich positiven Effekt mindern oder gar in sein Gegenteil verkehren kann. Durch die Analyse der vorliegenden Verbräuche der jeweiligen Wohnungen mit den darin gemessenen Innenraumtemperaturen erschließt sich teilweise der hohe Verbrauch, denn die Innenraumtemperaturen belaufen sich in manchen Räumen auf bis zu 24 °C. Dieser Umstand ist beispielsweise ein Grund für die Diskrepanz zwischen dem berechneten Bedarf und tatsächlichem Energieverbrauch.

Eine Steigerung der Energieeffizienz im Gebäudesektor führt nicht notwendigerweise zur Minderung des Gesamt-Energieverbrauchs und ist damit nur bedingt als Instrument der Energie- und Umweltpolitik geeignet. Ergänzende Maßnahmen sind notwendig. Eine Reduzierung der theoretisch zu erwartenden Energieeinsparung durch die Performanz-Lücke und den Rebound-Effekt muss in Zukunft bei der Planung der baukonstruktiven und anlagentechnischen Komponenten Berücksichtigung finden. Die Auswirkungen auf energiepolitische Ziele müssen hinterfragt und Szenarien für die Umsetzung geschaffen werden.

  • Zu diesem Projekt gibt es das BINE-Projektinfo 02/2015 "Nutzerverhalten bei Sanierungen berücksichtigen"