4.5 Variation wichtiger Gebäudeparameter
4.5.2 Höhe der internen Wärmequellen
Der Primärenergiebedarf und der Raumkomfort wird durch die internen Wärmequellen, d. h.
Abwärme von Personen, Beleuchtung und Arbeitshilfen, maßgeblich beeinflusst. Die internen Wärmequellen schwanken in der Praxis stark. Dies ist zum einen in den unterschiedlichen Nutzungsanforderungen, zum anderen in der unterschiedlichen Effizienz der eingesetzten Technik begründet. Schwankungen treten dabei nicht nur bei der Erstausstattung sondern auch im Laufe der Nutzungsphase des Gebäudes auf. Durch neue technische Entwicklungen (z. B.
LCD-Monitore) oder durch Mieterwechsel kann sich die Höhe der internen Wärmequellen im Lebenszyklus eines Gebäudes verändern. Während bei selbst genutzten Gebäuden der Investor die Ausstattung mit Bürogeräten bestimmen kann, hat er bei vermieteten Gebäuden in der Regel keinen Einfluss auf die vom Mieter eingesetzten elektrischen Geräte.
In diesem Abschnitt wird untersucht, wie der Primärenergiebedarf des Gebäudes und insbesondere der Raumkomfort durch die Höhe der internen Wärmequellen beeinflusst wird.
Hierzu wird die Simulationsvariante „Passiv-Bürogebäude“ mit unterschiedlichen internen Wärmequellen ausgestattet. Neben dem „Standard-Bürogebäude“ (siehe Abschnitt 4.1.2) wird ein Niedrigenergiestandard für die internen Wärmequellen definiert. Dieser entspricht dem des Niedrigenergie-Bürogebäudes aus [Knissel 1999]. In Tab. 4-13 sind die in den Büros auftretenden maximalen Leistungen und die jährlichen Vollbetriebsstunden für Beleuchtung, Arbeitshilfen und Personen zusammenfassend dargestellt. Die Beschreibung der diesen Zahlen zugrunde liegenden technischen Systeme ist im Anhang A8 sowie in [Knissel 1999] zu finden.
(Maximale Leistung | Vollbetriebsstunden)
Beleuchtung Arbeitshilfe Personen gesamt
Variante entspricht W/m²HNF h/a W/m²HNF h/a W/m²HNF h/a W/m²HNF h/a
niedrig Passiv-BG 6,2 740 2,6 1155 5,7 2200 14,4 1380
mittel Niedrigen.-BG 12,5 1375 8,8 1155 5,7 2200 26,9 1480
hoch Standard-BG 27,1 1650 14,5 1155 5,7 2200 47,3 1560
Tab. 4-13: Maximale Leistung und Vollbetriebsstunden der internen Wärmequellen in den Büros
Den Fluren und Nebenräumen wird nur Abwärme über die Beleuchtungsanlage zugeführt. Die in den Simulationsrechnungen angesetzten Werte sind in Tab. 4-14 dokumentiert.
(Maximale Leistung | Vollbetriebsstunden)
Flur Nebenräume
Variante entspricht W/m²HNF h/a W/m²HNF h/a
niedrig Passiv-BG 1,7 2750 1,7 740
mittel Niedrigenergie-BG 3 2750 3 1375
hoch Standard-BG 7,3 2750 7,3 1650
Tab. 4-14: Maximale Leistung und Vollbetriebsstunden der Beleuchtungs-anlage in Flur und Nebenräumen
Abb. 4-14 zeigt Raumkomfort und Primärenergiekennwert für die untersuchten Simulations-varianten.
67%
14% 18%
29%
4%
86% 81%
0% 1%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
niedrig 14,4 W/m²
mittel 26,9 W/m²
hoch 47,3 W/m²
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Primärenergiekennwert in kWh/(m²BGFa)
Primärenergiekennwert Komfortbereich Übergangsbereich unkomfortabler Bereich
Häufigkeit während der Nutzungszeit
Abb. 4-14: Einfluss der internen Wärmequellen auf Raumkomfort und Primärenergie-kennwert im „Passiv-Bürogebäude“ (Definition der Behaglichkeitsbereiche ent-sprechend Abb. 4-9) [Abb V-intLast.xls]
Eine Erhöhung der internen Wärmequellen führt zu einer Verschlechterung des Raumkomforts in den Büros sowie zu einem deutlichen Anstieg des Primärenergiebedarfs.
Während unkomfortable Zustände in den Büros bei den bisher angenommen „niedrigen“
internen Wärmequellen von 14,4 W/(m²HNF) unter 0,5 % der Nutzungszeit liegen, steigen diese bei „hohen“ internen Wärmequellen bis auf 4 % an. Zustände aus dem Übergangsbereich treten mit 29 % bei „hohen“ internen Wärmequellen etwa doppelt so häufig auf wie bei
„niedrigen“. Dies verdeutlicht, dass die internen Wärmequellen einen wesentlichen Einfluss auf den Raumkomfort haben. Entscheidend für die Verschlechterung ist dabei die Zunahme von Situationen mit zu geringen Werten der relativen Feuchte im Winter. Der Anstieg der relativen Feuchte ergibt sich aufgrund des höheren Niveaus der Raumtemperatur, das sich bei zunehmenden internen Wärmequellen einstellt. Überhitzungen nehmen in den Büros ebenfalls zu. Die Häufigkeit von Temperaturen über 26°C zeigt Tab. 4-15.
Höhe der internen Wärmequellen
niedrig 14,4 W/(m²HNF)
mittel 26,9 W/(m²HNF)
hoch 47,3 W/(m²HNF)
Häufigkeit 0% 1 % 8 %
Tab. 4-15: Stundenhäufigkeit von Temperaturen über 26°C während der Nutzungszeit in den Südbüros des „Passiv-Bürogebäudes“
unter 0,5 % liegt, treten diese bei „mittleren“ internen Wärmequellen bei 1 %, bei „hohen“
internen Wärmequellen an 8 % der Nutzungsstunden auf.
Ob der Komfort bei „hohen“ internen Wärmequellen ausreichend ist, ist letzten Endes eine individuelle Entscheidung des Bauherren. Die DIN 4108 Teil 2 gibt hierzu Hinweise. Sie gilt allerdings nur für Gebäude ohne RLT-Anlage. Selbstverständlich kann jeder Bauherr darauf bestehen, dass abweichend von DIN 1946 Blatt 2 nur diese Norm berücksichtigt werden soll.
Die DIN 4108 Teil 2 erlaubt die Überschreitung einer Grenztemperatur an 10 % der Nutzungsstunden. Die Grenztemperatur liegt dabei abhängig von der Klimazone zwischen 25°C und 27°C.
Das bei der Simulation verwendete Testreferenzjahr 6 (Frankfurt a. M.) fällt in die Klimazone sommerheiß mit der Grenztemperatur von 27°C. Nach Tab. 4-15 wird selbst eine Grenz-temperatur von 26°C nur an 8 % der Nutzungszeit überschritten. Die Anforderungen der DIN 4108 Teil 2 wären damit auch bei der Variante „hoch“ erfüllt.
Zu bedenken ist dabei, dass die Simulationsvarianten bereits eine Reihe von Konstruktions-merkmalen aufweisen, die sich positiv auf das sommerliche Temperaturverhalten auswirken:
· gute Tageslichtnutzung
· hohe thermisch aktive Speichermasse
· Möglichkeiten zur freien Lüftung und Nachtlüftung in den Büros mit bis zu 3-fachem Luftwechsel
· Erdreichwärmetauscher zur Vorkühlung der Zuluft bei freier Lüftung.
Ohne diese Konstruktionsmerkmale wären die sommerlichen Temperaturen deutlich höher und der Komfort zumindest bei der Variante „hoch“ nicht gegeben.
Einfluss haben die internen Wärmequellen aber auch auf den Primärenergiekennwert. Zur detaillierteren Diskussion ist in Abb. 4-15 die Entwicklung der Teilenergiekennwerte dargestellt.
17.8 14.1 11.0
6.1 6.1 6.1
17.6 20.0
31.0
81.7
4.5
16.7
26.8
8.8
8.8
2.4
3.4
6.6
18.5 10.0
8.8
0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 140.0 160.0 180.0
niedrig 14,4 W/(m²HNF)
mittel 26,9 W/(m²HNF)
hoch 47,3 W/(m²HNF)
Primärenergiekennwert in kWh/(m²BGFa) Konditionierung pKO
Außenluftförderung pAL Arbeitshilfen pAH
Beleuchtung pBL
Diverse Technik pDT Warmwasser pWW Heizung pH
Abb. 4-15: Primärenergiekennwerte des „Passiv-Bürogebäudes“ bei unterschiedlichen internen Wärmequellen
Es zeigt sich ein deutlicher Anstieg des gesamten Primärenergiekennwertes des Gebäudes.
Während er bei „niedrigen“ internen Wärmequellen bei 67 kWh/(m²BGFa) liegt, steigt er bei der Simulationsvariante „mittel“ auf 98 kWh/(m²BGFa), bei „hohen“ internen Wärmequellen auf 161 kWh/(m²BGFa) an. Die Höhe der Teilenergiekennwerte zeigt, dass hier eine Fehloptimierung bei der Planung vorliegt. Bei der Variante mit „hohen“ internen Wärmequellen wäre es sinnvoller gewesen, die verfügbaren Finanzmittel in eine effizientere Beleuchtungsanlage zu investieren als z. B. in den hohen Wärmeschutz.
Auch wird deutlich, dass eine Kompensation des hohen Stromverbrauchs über den abnehmenden Primärenergiebedarf für die Beheizung nicht möglich ist. So sinkt der Primär-energiekennwert Heizung beim Vergleich der Simulationsvarianten „niedrig“ und „hoch“ zwar um 6,8 kWh/(m²BGFa) der Primärenergiekennwert für Beleuchtung und Arbeitshilfen steigt aber um 94 kWh/(m²BGFa) an.
Ein geringer Anstieg ist beim Primärenergiekennwert Konditionierung zu verzeichnen. Aufgrund der höheren Raumtemperaturen steigt der Aufwand für die freie Lüftung und Nachtkühlung und damit der Stromverbrauch der Ventilatoren.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die Reduktion der internen Wärmequellen eine Schlüsselrolle bei der Umsetzung von energieeffizienten Gebäudekonzepten spielen. Der verminderte Wärmeeintrag hat mehrere positiven Auswirkungen:
·
verzichtet werden kann. Erforderlich ist die Einbindung in ein entsprechendes Gebäude-konzept mit möglichst geringen solaren Wärmegewinnen, einer möglichst hohen aktiven Speicherkapazität und Möglichkeiten zur freien Kühlung sowie Nachtlüftung.
· Er führt dazu, dass im Winter die Temperaturen seltener über den Sollwert von z. B. 22°C ansteigen. Damit ergeben sich höhere Werten der relativen Feuchte im Winter. Dies erleichtert den Verzicht auf eine aktive Befeuchtung.
· Er ermöglicht einen hohen Wärmeschutz der Gebäudehülle, ohne dass die Raum-temperaturen im Sommer wesentlich ansteigen (siehe auch Abschnitt 5.1.2).
· Die effiziente Beleuchtungsanlage und entsprechende Arbeitshilfen führen selbst zu einem geringen Stromverbrauch und damit reduziertem Primärenergiebedarf.
Ein sinnvolles Gebäudekonzept setzt also die Optimierung dieses Bereiches voraus.
Insbesondere bei der Beleuchtung besteht in der Planung ein großer Gestaltungsspielraum. Bei einer guten Tageslichtnutzung und einem effizienten Beleuchtungssystem ist ein möglicher-weise nicht vermeidbarer Anstieg im Bereich der Arbeitshilfen ohne größere Komfortver-schlechterung zu verkraften („mittel“). Deutlich schlechter wird der Raumkomfort, wenn neben den ineffizienten Arbeitshilfen auch ein ineffizientes Beleuchtungssystem realisiert wird („hoch“;
entspricht Definition „Standard-Bürogebäude“) oder eine schlechte Nutzung des Tageslichtes vorliegt.