Energie-Effizienz, Kosten und Komfort bei Gebäuden Implikationen für EVU

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1 BKW Alpine Workshop: "Switzerland 23? Energy self-sufficient! 21. und 22. September 26, Blausee (aktualisierte Version vom ) Energie-Effizienz, Kosten und Komfort bei Gebäuden Implikationen für EVU Martin JAKOB 1) (Vortrag) Prof. Eberhard JOCHEM, Andrea HONEGGER-OTT 1), Andreas BAUMGARTNER et al. 2) Urs-Peter MENTI, Iwan PLÜSS 3) 1) Centre for Energy Policy and Economics (CEPE), ETH Zürich 2) Amstein+Walthert, Zürich, 3) ZIG, HTA Luzern, Horw Die Autoren bedanken sich bei diversen Unternehmen für ihre Datenbeiträge und beim Forschungsprogramm Energiewirtschaftliche Grundlagen (EWG) des BFE, bei den Stromsparfonds des EWZ der Stadt Zürich und des Kantons BS sowie beim Service Cantonal de l Energie (ScanE) des Kantons Genf für die finanzielle Unterstützung Scope, Abgrenzung Energie-Effizienzmassnahmen der gebäudebezogenen Energie in Wirtschaftsbauten (Nicht-Wohngebäude) Grenzkosten bzw.kosten und Nutzen (inkl. begleitende Nutzen) Good and best Practice, Kostenstreuung, Sensitivitäten Neubau, Erneuerung => Gebäudehülle, =>Luftwechsel, =>Beleuchtung, =>Kühlung NICHT (bzw. nur als Parameter): Arbeitshilfen, Geräte Grundlagen und Handlungsempfehlungen für BFE-Energieperspektiven (Kostenkurven, Effizienzpotenziale) Investoren, Gebäudebesitzer, -betreiber, -verwalter, Planer

2 Methodisches Vorgehen Definition von Gebäudetypen Definition von Referenzfällen (gesetzliche Anforderung, typische Bauweise, typische Instandsetzung- und Erneuerung Definition von verschiedenen Massnahmen-Abfolgen Unterschiedliche Energieeffizienz-Levels (z.b. U- und g-wert, Lichttransmission, COP, Druckverluste, Nutzungsgrade) Gebäudesimulation (IDA-ICE), eine komplette Jahresperiode: Energienachfrage (Wärme, Strom), Auswirkung auf thermischen Komfort Erhebung von spezifischen Kosten (per m 2, kw, m 3 /h) für Fassadenwärmedämmungen, Verglasungen, Fenster, Lüftungen, Kühlungen, Beleuchtungen Jahreskostenbetrachtung (Kaptial-, Unterhalts- und Energiekosten) Gebäudetypen und Massnahmen Neubau und Gebäudebestand Lüftung mit / ohne Kühlung, nur Kühlung, weder Kühlung noch Lüftung Hohe und tiefe interne Lasten von Personen und Geräten (8+15=23 W/m 2, 5+5=1 W/m 2 ), Beleuchtung (Lampen, Leuchten und Vorschaltgeräte-Effizienz): 18 W/m 2, 15 W/m 2, 13.5 W/m 2, 11 W/m 2, 9 W/m 2 Präsenz- und/oder tageslichtbasierte Regelung, manuelles Ein-/Ausschalten Hohe, mittlere und geringe Glasanteile (8%, 5%, 35%, 25%, bez. Fassade) Kälte (hybride Rückkühler, alternative Kältemittel, versch. Temperaturlevel) Jahresarbeitszahl : 1.6, 2.2, 2.4, 2.5, 2.8, 4., 4.4, 5.5, 7. Lüftung: Regelung konstant, CO 2 -basiert Druckverluste 2225, 1375, 1175, 1, 8, 625 Pa, Wärmerückgewinnung: 45%, 65%, 8%, 9% U-Wert Fassaden 1. W/m 2 K,.3 W/m 2 K,.2 W/m 2 K,.15 W/m 2 K Fenster und Verglasungen: 16 verschiedene Typen, siehe Bericht

3 Elektrizität und Brennstoffe in Bürobauten MJ/m 2 a Neubau Gebäudebestand Standard Good practice Ausgangslage Erneuert von bis von bis von bis von bis Elektrizität Interne Lasten (Geräte) Beleuchtung Lüftung (Luftförderung) Kühlung Gesamt ohne WP (*) Heizen (WP) k.a. k.a Brennstoffe Lufterwärm. in Lüftungsanlagen Übriger Heizwärmebedarf Gesamt Brennstoffe (*) (*) Da nicht alle Kategorien bei allen Gebäuden vorkommen und sich jeweils nicht je alle Minimal- und je alle Maximalwerte kombinieren, entspricht der Gesamtwert nicht der Summe der jeweiligen Spalten Energetische Wirkung auf Elektrizitäts- und Brennstoff-EKZ 12 Verhältnis Brennstoffe zu Strom = 2 Delta Energiekennzahl 9 Verhältnis Brennstoffe zu Strom = 3 Quadrant Q4.2 Quadrant Q4.1 6 Quadrant Q4.1 3 Delta Energiekennzahl Brennstoffe MJ/m 2 a Q Quadrant Q3-9 m1 Fassadenwärmedämmung (geringerer U-Wert) m2 Wärmeschutz-Solarfenster (geringerer oder konstanter U-Wert, konstanter oder höherer g-wert) m3 Wärmeschutzfenster (geringerer oder konstanter U-Wert, geringerer g-wert 3 m4 Solargewinnfenster (höherer g-wert, U-Wert konstant oder leicht höher) m5 Beleuchtungseffizienzmassnahmen unterschiedlichen Typs 2 m7 Erhöhter thermischer WRG-Wirkungsgrad m8 Höherer Elektrizitätseffizienz bei Lüftung (z.b. gering. Druckverl.) od. Kühlung (z.b. höherer COP) 1 m9 Weniger Gebäudekühlung (z.b. nur Zuluftkühlung statt Kühlelemente, höhere Solltemperaturen) m1 Mehr Gebäudekühlung (z.b. zusätzlich Kühlelemente, tiefere Solltemperaturen) m11 Verstärkter Sonnenschutz (z.b. automatisierter Einsatz, geringerer g-wert) m12 Geringerer Sonnenschutz m13 Mehr Free-Cooling durch automatisierte Fensteröffnung -1 m14 Weniger Free-Cooling durch automatisierte Fensteröffnung m15 Höherer Wärmepumpenanteil bei der Wärmeerzeugung -2 m16 Zusätzliche Lüftung (mit Abluft-WP) m17 Zusätzliche Lüftung (inkl. WRG) -3 m18 Architektonische Massnahme: geringerer Glasanteil Quadrant Q2.2 Erneuerung Bürogebäude- Bestand

4 Elektrizität versus Brennstoffe Sehr erwünscht (Q3): Erneuerung Lüftung- oder Kühlung Unkritisch (Achsen): Wärmeschutz bei Fassade oder Fenster Elektrizitätseffizienz erhöht Wärmebedarf oder umgekehrt, aber Verhältnis ok (Q2.2 oder 4.1): Beleuchtungserneuerung, Wärmepumpen (JAZ>3) Kritisch hinterfragen (Q4.2): Lüftung zum alleinigen Zweck der Wärmerückgewinnung (nur bei hoher Effizienz ok, d.h. Q4.1) Mehrbedarf Brennstoffe und Elektrizität: zusätzliche Kühlung, erhöhter Sonnenschutz (bei Regelung nur nach Aussenkriterien), z.t. auch Fenster 5 4 Energie-Effizienzmassnahmen Wärme und Strom (Gebäudebestand) Elektrizitäts-EKZ MJ/m 2 a Erneuerung Lüftung und Kühlung: Netto Kostenreduktion Neue Fenster Wärmepumpe (JAZ=3) Hoch technisiertes Gebäude (Banken und Versicherungen) Low tech Gebäude (Schulen, einfaches Bürogebäude) Fassadenwärmedämmung, Beleuchtungserneuerung Wärmedämmung, Lüftung, Kühlung: Komfortverbesserung Brennstoff-EKZ MJ/m 2 a Source: Jakob et al 26

5 Thermische Komfortanforderung (Überhitzung) Oberer Grenzwert der Raumtemperatur ( C) Tagesmaximum der Aussentemperatur ( C) Anforderung: T>T Grenzwert weniger als 1 Stunden/Jahr Eventuell OK: T>T Grenzwert weniger als 2 Stunden/Jahr Brennstoff-EKZ und thermischer Diskomfort (Case 3: Existing Office Building, High Internal Load) No of hours with T>T limit (Südraum), Electrizitäts-EKZ (MJ/m 2 a) M3: Beleuchtungserneuerung, Noch bessere Fenster, Neuer Sonnenschutz M2: Neue Fenster M1: Fassadenwärmedämmung (*) Weitere Komfort- Massnahmen? ->Kühlung? M4: Sonnenschutzfenster, Regulierter Sonnenschutz M3 M4 M2 (*) Anzahl Stunden mit T>TGrenzwert EKZ Elektrizität Brennstoff-EKZ MJ/m 2 a M1 Source: Jakob et al 26

6 Brennstoff-EKZ und thermischer Diskomfort Anzahl Stunden mit T>T Grenzwert HiL, o. FLS, Kühlung 5 HiL, o. FLS, Kühlung 2 HiL, o. FLS, o. Kühlung HiL, FLS, Kühlung 4 HiL, FLS, Kühlung 2 HiL, FLS, o. Kühlung GiLs, o. FLS, Kühlung 5 GiLs, o. FLS, Kühlung 2 GiLs, o. FLS, o. Kühlung GiLs, FLS, Kühlung 3 GiLs, FLS, Kühlung 2 GiLs, FLS, o. Kühlung Andere Kombinationen Energiekennzahl Brennstoffe (MJ/m 2 a) HiL: Hohe interne Lasten GiL: geringe interne Lasten FLS: Fensterlüftungssystem Kühlung 5: Kühlung der Zuluft und Kühlelemente, Solltemperatur 23 C Kühlung 4: Kühlung der Zuluft und Kühlelemente, Solltemperatur 25 C (*) Kühlung 3: Nur Kühlelemente (Solltemperatur 25 C) Kühlung 2: Nur Kühlung der Zuluft (*) bei Kühlung 4 kann die Anzahl Stunden relativ hoch sein, der Diskomfort aber trotzdem gering, denn die Innentemperatur liegt nur.5 C oder weniger über dem Anforderungswert Source: Jakob et al 26 Zwischenfazit 1: Diskomfort (Überhitzung) Wärmeschutz unabdingbar für Energie-Effizienz und winterlichen Komfort Wärmeschutz erhöht Diskomfort (Überhitzung) v.a. bei Erneuerung des Gebäudebestand Zudem: steigende Komfortansprüche (gekühlte Verkehrsmittel) Herkules am Scheideweg Weniger Wärmeschutz? Holzweg! Auch ungedämmte Gebäude halten Komfortanforderungen nicht ein!

7 Integrale Betrachtung Guter winterlicher Wärmeschutz (Komfort, EE) Kompensatorische Massnahmen, also named Überhitzungsschutz: Beleuchtungserneuerung (präsenz- und tageslichtbasiert) =>ergonomische Verbesserung Reduktion übrige interne Lasten (Geräte, Computer) Komfortlüftung (Raumluft, CO 2 -Konzentration) Hocheffiziente aktive oder passive Kühlung Kühlung: Büchse der Pandora? Hohe Effizienz-Unterschiede bei Gebäudekühlung, Klimasensitivität beachten EKZ Elektrizität für Kühlung MJ/m 2 a 14 Hohe interne Lasten (Personen und Geräte) Geringe interne Lasten 12 1 Sensitivität wärmeres Klima 8 6 > Faktor Interne Lasten Beleuchtung und Geräte MJ/m 2 a

8 Kosten und Nutzen von energieeffizienter Gebäudekühlung Fazit für Büro-Raumkühlung Grundprinzip: Exergie-Effizienz (siehe Wellig et al. 26) Schweiz: Anteil Kühlbedarf bei Aussentemp. < Innentemp. hoch Geringe und variable Temperaturdifferenz (hohe bedarfsseitige Vorlauf-Temperatur, geringe Rückkühltemperatur) Regelung (zusammen mit Beleuchtung, Sonnenschutz, FC) Free-Cooling (FC): Fensterlüftung (Tag, Nacht), Erdsonden, Forcierte Nachtlüftung, Rückkühlung Investitionen: Nicht Mehr- sondern geringe Minderkosten Jahreskosten: Signifikant geringer Nutzen: Befriedigung der Komfortansprüche, Produktivität Elektrizitäts- und Brennstoff-EKZ, thermischer Diskomfort: Gesamtminimierung möglich EKZ Elektrizität MJ/m 2 a (Fallbeispiel Gebäudebestand) (Anz. Stunden>T limit ): <1 h >1 h and <=2 h >2 h and <=45 h >45 h and <=15 h 5 EkZ Brennstoffe MJ/m 2 a

9 Kosten und Nutzen von energieeffizienter Beleuchtung Beleuchtung: markanter Anteil interne Lasten: 3%-6% Elektrizitätsbedarf: 3%-6% Beleuchtungserneuerung 6% 3% Belegung und Beleuchtungs- Effizienz tief Belegung und Beleuchtungs- Effizienz hoch Reduktion installierte Leistung Tageslicht und präsenzbasierte Regelung Investitionen: Mehrkosten Jahrekosten: ungefähr konstant Mehrnutzen: beleuchtungsergonomische Nutzen thermischer Komfort, Energieeffizienz (Kostensicherheit) Interne Last W/m 2 Beleuchtung Geräte Personen Jahreskosten von Beleuchtungserneuerungen Annahmen: Realzins 3%, Strompreis 17 Rp/kWh Lebensdauer 1 Jahre (Instandsetzung, Sofortmassnahmen) bzw. 15 Jahre (Erneuerung E3 und E4) CHF/m 2 a I I1 S1 E1 E2 E3 E4 Ist-Zustand Leuchte reinigen Stromkosten Wartung und Lampenersatz Kapitalkosten (ohne Lampen) Installation Präsenzsteuerung Sofortmassnahme (EVG- Tageslichtsteuerung (Ein-/Aus) kompletter Leuchtenersatz Leuchteners. Tageslicht- + Präsenzregel. Vollaststunden Quelle:CEPE, Jakob et al 26

10 Jahreskosten und thermischer Diskomfort Jahreskosten (CHF/m 2 a) 9 HiL, o. FLS, Kühlung 5 HiL, o. FLS, Kühlung 2 8 HiL, o. FLS, o. Kühlung HiL, FLS, Kühlung 4 HiL, FLS, Kühlung 2 HiL, FLS, o. Kühlung 7 GiLs, o. FLS, Kühlung 5 GiLs, o. FLS, Kühlung 2 GiLs, o. FLS, o. Kühlung GiLs, FLS, Kühlung 3 6 GiLs, FLS, Kühlung 2 GiLs, FLS, o. Kühlung Andere Kombinationen Thermischer Diskomfort (Anz. Stunden T>T limit ) (Gebäudebestand) Geringe Jahreskosten bei hohem oder moderatem Diskomfort (geringe Technisierung) Höhere Jahreskosten bei Gebäuden mit Lüftung oder aktiver Kühlung HiL: Hohe interne Lasten GiL: geringe interne Lasten FLS: Fensterlüftungssystem Kühlung 5 und 4: Kühlung der Zuluft und Kühlelemente, Solltemperatur 23 C bzw. 25 C Kühlung 3: Nur Kühlelemente (Solltemperatur 25 C), Kühlung 2: Nur Kühlung der Zuluft (*) bei Kühlung 4 kann die Anzahl Stunden relativ hoch sein, der Diskomfort aber trotzdem gering, denn die Innentemperatur liegt nur geringfügig über dem Anforderungswert (und immer <26 C) Quelle:CEPE, Jakob et al 26 Zwischenfazit 2 Wirtschaftsbauten Wohngebäude Wärmeschutz kann Komfortprobleme (Überhitzung) verstärken Jahrekosten +/- konstant als Funktion der Energieeffizienz Jahreskosten eher eine Funktion des Komforts Grundsatzentscheide, Komfort und Co-Benefits (Produktivität) beeinflussen Kosten u. Nutzen weit stärker als Energie-Effizienz Investitionskosten-Fokussierung <-> Energieeffizienz Hohe Arbeitsteilung führt zu Investitionskostenminimierung Hohe Energie-Effizienzpotenziale, meist wirtschaftlich oder mit nur geringen Mehrkosten verbunden, jedoch auch Co-Benefits Effiziente Gebäudekühlung und nutzenorientierte Regelung bei Beleuchtung (inkl. TL), Lüftung u. Kühlung als künftige Themen

11 Kosten und Komfort inkl. Bewertung Produktivität Kapital- und Unterhalt Energiekosten Produktivitätsverlust (*) Referenz Fassadenwärmedämmung Neue Fenster Ref Ref M1 M1 M2 M2 Jahreskosten CHF/m 2 a Bürobestand, inkl. Fensteröffnung tagsüber Beleuchtungserneuerung, b. Fenster M3 M3 Erneuerung Sonnenschutz Sonnenschutzfenster M4 M4 Geregelter Sonnenschutz Anzahl Stunden mit T>T limit Assumptions: Fuel price=7 Rp/kWh, Electricity Price=17 Rp/kWh, 3% real interest rate (*) 1% of labour costs if T>T limit Implikationen für EVU Steigende Komfortbedürfnisse und ansprüche (Lüftung, Kühlung) Klassische Marktchancen Elektrizitätswirtschaft sind intakt, auch in 2 W Gesellschaft (siehe Referat Kenel, AWEL ZH), Substitutionseffekte, Strom hat Alleinstellungsmerkmal Zusätzliche Marktchancen für (lokale) EVU: Energiedienstleistungen Integrale Konzeption: Kosten, Komfort, Energie-Effizienz Kundennutzen: - Kostensicherheit (Investition, Jahreskosten) - Komfort (thermisch, beleuchtungsergonomisch) - Produktivität, Attraktivität als Arbeitgeber, Gebäudeinvestor Nutzen EVU: höherer Anteil an Wertschöpfungskette, Kundenbindung, Optimierung Stromangebot und -nachfrage

12 Further Reading Jakob, M., Baumgartner, A. Menti, U.P., Plüss, I., Jochem. E. Grenzkosten bei forcierten Energie-Effizienzmassnahmen und optimierter Gebäudetechnik bei Wirtschaftsbauten, CEPE, A+W, HTA Luzern i.a. Bundesamt für Energie (BFE) (ab Oktober 26) Tagungsband Status-Seminar Energie- und Umweltforschung im Bauwesen 26 ( Jakob, M., Baumgartner, A. Menti, U.P., Plüss, I., Jochem. E. Energie-Effizienz, Kosten und Komfort in Gebäuden des Dienstleistungssektors Beitrag zur RENEXPO-Tagung Neues Bauen nach der EnEV 26 : Energie-Effizienz, Kosten und Komfort bei Erneuerungen im Bürogebäudebestand