in Bonn
Energiekonzept Bundesstadt Bonn
Ingenieurbüro PGH
Becker-Huke-Hoffmann GmbH
Stand: 06.11.2019
Seite 2 von 13 Ausgangssituation
Die Landmarken AG, Aachen hat die Liegenschaft Godesberger Allee 171/Dreizehnmorgenweg 38 im Ortsteil Friesdorf erworben. Auf dem Grundstück befinden sich derzeit mehrere 3 - 8 – geschossige Bürogebäude aus den 1960-iger Jahren, die hinsichtlich ihrer Architektur und Funktionalität nicht mehr den heutigen Anforderungen von Büronutzern entsprechen und einen hohen Sanierungsbedarf aufweisen.
Die Gebäude sind durch eine dreigeschossige Tiefgarage unterbaut, die über drei Zufahrten von der Godesberger Allee und dem Dreizehnmorgenweg erschlossen sind.
Vor dem Hintergrund der anhaltend hohen Nachfrage nach attraktiven Bürostandorten in Bonn und des Investitionsstaus im Gebäudebestand, plant die Eigentümerin die Entwicklung eines neuen Bürokomplexes mit rd. 17.500 m² Geschossfläche (oberirdisch) auf dem Grundstück.
Im März 2018 wurde in Kooperation mit der Stadt Bonn ein städtebaulicher und hochbaulicher Realisierungswettbewerb ausgelobt, der im Juli 2018 mit der Jurysitzung seinen Abschluss fand. Der prämierte Siegerentwurf des Architekturbüros caspar.schmitzmorkramer aus Köln soll die Grundlage für einen vorhabenbezogenen Bebauungsplan darstellen.
Der KfW-Effizienzhaus 55-Standard bezogen auf die Anforderungen der EnEV 2014 (2016) sind verpflichtend festgeschrieben. Das konkrete Energiekonzept ist auf die gesetzlichen Vorgaben und Förderprogramme zum Zeitpunkt des Bauantrages ausgerichtet.
Das Ingenieurbüro PGH GmbH aus Dormagen wurde beauftragt das Energiekonzept für die ge- plante neue Bebauung zu erstellen. Dabei soll im ersten Schritt ermittelt werden, welche baulichen Anforderungen der Büroneubau erfüllen muss, um einen KfW-Effizienzhaus 55-Standard zu gewährleisten.
Des Weiteren sollen Alternativen und ergänzende Potenziale aufgezeigt werden, um eine CO2
Einsparung zu erzielen.
Rahmenbedingungen Energiekonzept
Die Stadt Bonn hat vor dem Hintergrund des Klimaschutzes ehrgeizige Ziele zur Minderung der CO2 – Emissionen formuliert. Da ein großer Anteil der Emissionen im Gebäudebereich verursacht wird, sollen durch besonders energieeffiziente Neubauten CO2 – Emissionen vermindert und somit ein Beitrag zum Klimaschutz geleistet werden.
Gemäß Ratsbeschluss „Energieeffizienzstandards im Neubau“ vom 22.10.2015 ist dabei derzeit mindestens der KfW-Effizienzhaus 55-Standard bezogen auf die EnEV 2014 (zweite Verordnung zur Änderung der Energieeinsparverordnung vom 18. November 2013) einzuhalten. In diesem Zusammenhang wird auf die EU-Gebäuderichtlinie 2010/31/EU verwiesen.
Im Zuge der Planaufstellung ist gemäß Beschluss des Hauptausschusses vom 14.11.1995 ein Energiekonzept zu erstellen, aus dem die Art der Energieversorgung und die Energieeffizienz der Gebäude hervorgeht.
Übersichtsplan vorhandene Bebauung
Schäg-Luftbild vorhandene Bebauung
Seite 4 von 13 Aufgabenstellung
Um zu gewährleisten, dass das Neubauvorhaben einen KfW 55 Standard erreicht, ist zu ermitteln, welche Voraussetzungen, neben dem Anschluss des Gebäudekomplexes an das Fernwärmenetz, für den Neubau zu erfüllen sind. - Um darüber hinaus Potenziale für Energie- und CO2 Einsparungen zu erkennen, wird die Leistungsfähigkeit einer Photovoltaikanlage auf dem Dach betrachtet.
Im Einzelnen werden hierbei die folgenden Arbeitsschritte für die Potenzialanalyse zur CO2-Minderung durchgeführt:
Ermittlung der verfügbaren Dachflächen für eine PV-Nutzung
Ermittlung des Ertrags aus den PV-Anlagen
Ermittlung der CO2 Minderung über das Jahr bei Nutzung einer PV-Anlage
Energiekonzept
Um die Anforderungen für den Neubau nach dem KfW-55 Effizienzhausstandard zu erfüllen, werden im Rahmen dieser Studie die nachfolgenden Aspekte betrachtet :
Referenzgebäudes nach EnEV 2014/16
Energetische Anforderungen nach KfW-55 Effizienzhausstandard
Wärmeschutztechnische Dimensionierung der Hauptbauelemente der thermischen Gebäu- dehülle.
Die Liegenschaft mit Ihren vorhandenen Gebäuden ist an das Fernwärmenetz der BonnNetz angeschlossen.
Die Fernwärmebereitstellung des Grundversorgers, Stadtwerke BonnNetz erfolgt zu über 50% aus regenerativ erzeugter Wärme sowie aus Kraft-Wärme-Kopplung.
Der Primärenergiefaktor beträgt 0,0.
Bezüglich der spezifischen CO2-Emissionen liegt der Wert für die Fernwärme rund 50 Prozent unter dem für Erdgas. Somit stellt die Fernwärmeversorgung in der Bundesstadt Bonn eine sehr effiziente Art der Heizwärmeversorgung dar. Der Bauherr hat die Absicht, das Bauvorhaben für den Büroneubau auch zukünftig an das Fernwärmenetz anzuschließen.
Anforderungen durch den KfW-55 Effizienzhausstandard
Um den individuellen Energiebedarf eines Gebäudes, nach EnEV 2014/16 und somit nach dem KfW- 55 Effizienzhausstandard bewerten zu können, wird ein fiktives Haus als numerisches Modell (Referenzgebäude) erstellt. Das Referenzgebäude entspricht bezüglich Form, Ausrichtung, Gebäudenutzfläche, Heizung etc. dem geplanten Gebäude.
Die Anforderungen der EnEV an neu zu errichtende Nichtwohngebäude werden, wie auch in der EnEV 2009, über das Referenzgebäudeverfahren formuliert. Hierbei wird für das neu zu errichtende Gebäude – mit seiner vorgesehenen, tatsächlichen Geometrie und Ausrichtung mit einer vorgegebenen Referenzausführung des baulichen Wärmeschutzes und sonstigen Kennwerten der Gebäudehülle sowie einer Referenzanlagentechnik – der Jahres-Primärenergiebedarf - ermittelt und als Maximalwert für das tatsächlich zu errichtende Gebäude definiert. Dieser maximal zulässige Jahres-Primärenergiebedarf ist mit der tatsächlichen Gebäudeausführung einzuhalten.
Zur Referenzausführung zählen:
der Wärmeschutz der Gebäudehülle mit ergänzenden thermischen Kennwerten
die Anlagentechnik für Heizung, Kühlung, Warmwasserbereitung, Raumlufttechnik und Beleuchtung.
Neben der Vorgabe der Referenzwerte für die Ausführung der Gebäudehülle und der Anlagentechnik sind bei den Gebäuden folgende Annahmen getroffen:
Quelle: EnergieAgentur NRW
Die Anforderungen der KfW für die verschiedenen Standards (70, 55, 40, 40Plus), bezogen auf die zurzeit noch gültigen Referenzwerte der Energieeinsparverordnung 2014/16, für den Jahres- primärenergiebedarf und den Transmissionswärmeverlust getrennt nach Wohngebäuden und Nichtwohngebäuden, sind in der nachfolgenden Tabelle beschrieben.
Anforderungen an den Neubau
Quelle: KfW
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Wie und in welcher Richtung sich diese Anforderungen weiterentwickeln werden, wird das zu- künftige Gebäudeenergiegesetz (GEG) zeigen.
Mit dem GEG werden die Energieeinsparvorgaben für Gebäude strukturell neu konzipiert und vereinheitlicht. Es führt das Energieeinsparungsgesetz (EnEG), die Energieeinsparverordnung (EnEV) und das Gesetz zur Förderung Erneuerbarer Energien im Wärmebereich (Erneuerbare- Energien- Wärmegesetz, EEWärmeG), in einem neuen Gesetz, dem Gesetz zur Einsparung von Energie und zur Nutzung Erneuerbarer Energien zur Wärme- und Kälteerzeugung in Gebäuden (Gebäudeenergiegesetz – GEG), zusammen.
Mit dem Primärenergiefaktor der Fernwärme von 0,0 in Bonn ist die erste Anforderung des KfW-55 Effi- zienzhausstandards hinsichtlich Primärenergiebedarf stets eingehalten.
Um die zweite Anforderung, den Transmissionswärmeverlust (HT`) von max. mittlerer U-Werte einzuhalten, sind die nachfolgend aufgelisteten Mindest-U-Werte für die Hauptbauelemente der thermischen Gebäudehülle als Orientierungswerte vorgesehen.
Außenwand : U ≤ 0,20 W/m²K
Außenwand Keller : U ≤ 0,24 W/m²K Außenfenster : UW ≤ 0,90 W/m²K
Außentüre : U ≤ 1,20 W/m²K
Dach : U ≤ 0,14 W/m²K
Dach gg. unbeh. Bereiche : U ≤ 0,23 W/m²K
Boden gg. TG : U ≤ 0,18 W/m²K
Boden gg. Erdreich : U ≤ 0,23 W/m²K
Potenzialanalyse Photovoltaik
Um das CO2-Einsparpotenzial während der frühen städtebaulichen Planung zu bewerten, wurde im Rahmen der Konzepterstellung die zukünftige Bebauung hinsichtlich Energieeffizienz und CO2- Emissionen wie folgt analysiert und bewertet.
Ermittlung der möglichen Aufstellflächen für die PV-Anlage auf dem Dach
Berechnung der solaren Ernte
Ermittlung des Strombedarfs der zukünftigen Mieter der Büros
Ermittlung der Einsparung bei den CO2-Emissionen durch Installation einer PV – Anlage Ermittlung der verfügbaren Dachflächen
Für die Spezifizierung der PV-Anlage und Abstimmung der Aufstellfläche, als Basis für die Po- tentialanalyse werden die Planunterlagen aus dem Wettbewerbsergebnis der Architekten caspar.schmitzmorkramer aus Köln verwendet.
In dieser Betrachtung wird die Potenzialanalyse für die Gebäude BK I und BK II unter Einbeziehung von möglichen technischen Einrichtungen auf den Dächern und möglichen Verschattungs- problemen durchgeführt.
Lageplan Gebäude BK I und BK II
Für die Ermittlung der PV-Dachflächenpotenziale der Gebäude BK I und BK II werden die Dachflächen schematisch mit technischen Einrichtungen wie Aufzugsüberfahrten, Wartungswegen, Lüftungsanlagen und Rauch- und Wärmeabzugsanlagen dargestellt.
Dabei werden wiederum die Minderungen bei der Aufstellung der PV-Anlagen berücksichtigt.
Weiterhin werden die PV-Flächen unter Rücksichtnahme der gestalterischen Aspekte mit einem Mindestabstand von ca. 1,5 m zum Dachabschluss platziert.
Daraus ergeben sich für das Bauvorhaben die folgenden potenziellen PV-Dachaufstell- flächenflächen.
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Dachaufsicht Gebäude BK I und BK II
Dachfläche BK I ca. 82 m²
Minderung Gestellaufstellung : 40%
Potenzielle Dachfläche : ca. 50 m²
Dachfläche BK II ca. 250 m²
Minderung Gestellaufstellung : 40%
Potenzielle Dachfläche : ca. 150 m²
Formel für den Stromverbrauch
Der Bund der Energieverbraucher hat eine Formel für den Stromverbrauch entwickelt, die eine Abschätzung des künftigen Verbrauchs erlaubt.
Energiekennzahl [KEl]
Stromverbrauch in kWh
KEl = --- = kWh/m² (pro Jahr) Bürofläche in m²
1.027.780 kWh
KEl = --- = 59 kWh/m² a 17.420 m²
Bonner Strommix
Eine Studie der Klimaschutzagentur „Klima ohne Grenze“ zeigt, dass der Grundversorger der Stadt Bonn, im Vergleich zu den 20 größten Städten der Bundesrepublik, auf Platz eins liegt. Bonn erreicht mit seinem Strommix niedrige CO2-Werte (123g CO2 pro kWh). Im Gegensatz zum Strom-Mix Deutschland mit 538 g CO2 / kWh ist die Reduktion rd. 4mal geringer.
Quelle: klimaohnegrenze.de
CO2-Bilanz Gesamtstromlieferung der Grundversorger in den 20 größten Städten
Seite 10 von 13 Modulart
Es gibt zwei verschiedene Modultypen in der Photovoltaik. Der eine besteht aus monokristallinem und der andere aus polykristallinem Silizium. Photovoltaik-Module aus polykristallinem Silizium werden für größere Dachflächen bevorzugt und hier betrachtet.
Module Dimensionen
Die Abmessungen der PV-Module können flexibel gewählt werden. Jedoch gibt es Standards wie z.B. 1,66 m x 0,99 m mit 250-300 Wattpeak Leistung oder 1,58 m x 0,81 m mit 170-190 Wattpeak Leistung. Die Studie wird auf der Basis der Standardgröße 1,66 m x 0,99 m durchgeführt, die in einem Winkel von 30° aufgestellt werden.
Dachausrichtung
Die ideale Dachausrichtung zeigt nach Süden (von Südost bis Südwest). Die Gebäude stehen mit einer Abweichung von 40 Grad zu der optimalen Dachausrichtung nach Südwest.
Solarmodulleistung
Im Rahmen dieser Studie wurde mit einer Modulleistung von 280 Wattpeak gerechnet.
Beispiel eines PV-Systems auf Gründächern
Das nachfolgende Bild zeigt exemplarisch eine PV-Installation mit Montagesystem auf einem Gründach (Projekt des Wohnhauses „Smart ist grün“, Hamburg).
Beispiel : Dachbegrünung mit Photovoltaikanlage
Ergebnisse Potenzialanalyse PV
PV-Dachflächenpotenziale und Ertrag
Die Verschattung von Gebäuden durch Nachbargebäude kann die solaren Energiegewinne deut- lich verschlechtern. Auf Grund einer aktuell noch nicht vorliegenden Verschattungssimulation wird hier der Ertrag auf Basis des Solar-Dachkatasters der Bundesstadt Bonn abgeschätzt.
Lageplan mit aktueller Bebauung Quelle : Solar-Dachkataster Stadt Bonn
Solar-Dachkataster Stadt Bonn
Der Lageplan zeigt die nutzbare Gesamtdachfläche der vorhandenen Bebauung. Bei Flach- dächern ist eine Aufständerung Richtung Süden und ein damit verbundener Nutzungsgrad der Fläche von 40 Prozent bereits eingerechnet. Um eine gegenseitige Verschattung der Module bei einer Aufständerung nach Süden zu verhindern, müssen die Modulreihen mit einem gewissen Abstand zueinander montiert werden. Die für die Module nutzbare Fläche verringert sich dadurch auf etwa 40 Prozent der gesamten geeigneten Fläche.
Installierbare Gesamtleistung
Die mögliche Gesamtleistung für Photovoltaikinstallationen auf den Gebäuden BK I und BK II ergeben sich aus den Daten des Solar-Dachkatasters der Stadt Bonn für das Baugrundstück ohne
Seite 12 von 13 Berücksichtigung etwaiger künftige Bebauungen in der Nachbarschaft.
Der angegebene Wert in Kilowattstunde pro Jahr und m² Dachfläche [kWh/a m²] gibt die maximale Leistungsabgabe unter Standard-Testbedingungen an. Bei optimalen Bedingungen kann die reale Einstrahlung sich ändern, in den meisten Betriebsfällen ist diese niedriger.
Aus den Daten des Solar-Dachkatasters ergeben sich bei einer Dachausrichtung West-Süd-West folgende mögliche Werte :
Stromertrag : ca. 120-130 kWh/a m² Mittelwert : 125 kWh/a m²
Leistung : ca. 0,12-0,15 Wp/m² Mittelwert : 0,14 Wp/m²
Gesamtstromertrag
Der Gesamtstromertrag ist die mögliche abgegebene Energiemenge einer Photovoltaikinstallation für die gesamte PV-Anlage in Kilowattstunden pro Jahr. Setzt man den Jahresertrag in Bezug zur installierten Leistung, ist über den so errechneten spezifischen Ertrag eine Beurteilung der Leistungsfähigkeit der Anlage möglich.
Zur Verfügung stehende Dachfläche : 200 m²
Gesamtstromertrag pro Jahr : 200 m² x 125 kWh / m² a = 25.000 kWh/a
Installierbare Leistung
Die mögliche Gesamtleistung in W p für das gesamte Gebäude in Kilowatt P.
Zur Verfügung stehende Dachfläche : 200 m²
Gesamtstromertrag pro Jahr : 200 m² x 0,14 kWp / m² a = 28 kWP
Gesamt-CO2-Einsparung
Die theoretische Minderung der CO2-Emissionen durch die Produktion von Solarstrom gegenüber dem aus dem Netz bezogenen Strom für das Gesamtgebäude beträgt :
Gesamtstromertrag pro Jahr aus PV : 25.000 kWh/a
Gesamt-CO2-Einsparung : 25.000 kWh/a x 0,123 kg / kWh = 3.075 kg/a
Bei den in diese Studie dargestellten Flächen für Photovoltaikanlagen handelt es sich lediglich um eine Annahme von Flächen, auf denen nach derzeitigem Kenntnisstand Photovoltaikanlagen bautechnisch sinnvoll einzusetzen wären. Die tatsächlich möglichen Flächen ergeben sich nach Abschluss der TGA- und Architekturplanung und den Vorgaben des SiGe-Koordinators zu Sicherungseinrichtungen auf den Dachflächen.
Für den Standort des Büroneubaus in Bonn hat eine überschlägige Berechnung mit den solaren Strahlungsdaten des Solar-Dachkatasters einen voraussichtlichen Ertrag von 25.000 kWh/a ergeben. Zusätzlich wird von einer Volllaststundenanzahl von 976 h/a ausgegangen, was bedeutet, dass eine Jahresleistung von rd. 25 kW erzielt werden könnte.
Fazit / Empfehlung
Für den Neubau des Bürokomplexes kann hinsichtlich der CO2 Einsparung und des Technikkonzeptes mit Darstellung der zukünftigen Heizenergieversorgung folgendes Fazit gezogen werden:
Fernwärme :
Aufgrund der vorhandenen Anbindung an das Fernwärmenetz der BonnNetz, mit einem Primärenergiekennwert von 0,0 kann mit dem geplanten KfW-55 Effizienzhausstandard ein sehr energiesparender Büroneubau realisiert werden. Zudem wird mit der Fernwärme als Heizenergie das EEWärmeGesetz zu 100% erfüllt.
Das Heizkraftwerk Nord in Bonn nutzt die Abwärme der benachbarten Müllverbrennungsanlage zur Erzeugung von Strom und Fernwärme und erreicht einen Wirkungsgrad mit Bezug auf den eingesetzten Brennstoff von rund 90 Prozent. Die Befeuerung der Anlage erfolgt mit ohnehin zu entsorgendem Restmüll, der einen entsprechenden Anteil an Erdgas als Brennstoff einspart.
Daher kann der Müll als „regenerative Energiequelle“ angesehen werden. Dies bedeutet zudem keinen zusätzlichen CO2-Ausstoß.
Photovoltaik-Anlage
Der Einsatz von weiteren regenerativen Energiequellen wurde durch die Potenzialanalyse der Stromerzeugung mit einer Photovoltaik-Anlage (PV) untersucht.
Der aus der Installation einer PV Anlage auf den Gebäuden BK I und BKII resultierende Energieertrag in Form von Strom beläuft sich auf ca. 25.000 kWh/a. Dies führt zu einer möglichen Einsparung beim Strombedarf von rd. 2,4 %.
Die CO2 Emissionen könnten hierdurch um ca. 2,4 % reduziert werden, was bei der Betrachtung der Emission pro kWh im Energiemix des Bonners Grundversorgers eine Einsparung von ca. 3 to CO2 pro Jahr ergibt.
Die Installation einer PV Anlage hat nur Einfluss auf den Primärenergiekennwert, wenn der damit erzeugte Strom vor Ort genutzt wird. Dies ist jedoch Aufgrund der vergleichsweise geringen erzeugten PV-Leistung nicht geplant.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass mit dem geplanten KfW-55 Effizienzhausstandard und der Nutzung der umweltfreundlichen Fernwärme, durch den Büroneubau die CO2 Emissionen im Quartier gesenkt werden.
Zur Nutzung von PV-Anlagen ist zu erwähnen, dass keine finale Aussage zur tatsächlichen CO2- Einsparung getroffen werden kann, solange nicht die TGA- und Architekturplanungen abgeschlossen sind, da sich aufgrund dieser Planungen die Dachflächen für PV-Anlagen noch verändern können. Weiterhin müssen die Vorgaben des SiGe-Koordinators zu Sicherungseinrichtungen auf den Dachflächen berücksichtigt werden, die zum derzeitigen Planungsstand nicht vorliegen.
Letztendlich wird der Bauherr die Dächer des Neubaukomplexes in der Art statisch bemessen, dass die zusätzlichen Lasten einer handelsüblichen Photovoltaikanlage auch nach Fertigstellung des Neubaus vom Gebäude getragen werden können und eine Nachrüstung erfolgen kann.
