Energie optimiertes Bauen, Teilkonzept 3: Langzeitmonitoring des Neubauvorhabens Solar Info Center Freiburg Phase II, Monitoring/Betrieb

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1 Energie optimiertes Bauen, Teilkonzept 3: Langzeitmonitoring des Neubauvorhabens Solar Info Center Freiburg Phase II, Monitoring/Betrieb Abschlussbericht für das Projekt mit dem Projektträger Forschungszentrum Jülich GmbH für das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) Projektnehmer Institut für angewandte Forschung (IAF) Badstraße Offenburg Projektleiter: Prof. Dipl.-Ing. Elmar Bollin Projektmitarbeiter: Dipl.-Ing. Jesus da Costa Fernandes, MSc Dipl. Ing. Thomas Feldmann Offenburg, 5. August 2008

2 "Das diesem Bericht zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie unter dem Förderkennzeichen U gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor". EnOB-Förderprogramm des BMWi 2

3 ABSTRACT 6 ZUSAMMENFASSUNG 9 1 PROJEKTKURZBESCHREIBUNG Projektpartner Das Bauobjekt Bauherr Baubeschreibung Zusammenfassung der Gebäudekenndaten Energiekonzept des Solar Info Center Freiburg Überblick zu energierelevante Maßnahmen 21 2 DATENERFASSUNGS- UND KOMMUNIKATIONSSTRUKTUR Messkonzept Konvertierung der Rohdaten Datenbereitstellung für die Projektpartner Externe Messdaten Zählererfassung und händische Datenerhebung Erweiterte Kommunikationsstruktur Auswerteumgebung der Gebäudeautomation und ergänzende Messtechnik Funktionsbeschreibung Bedienungsanleitung Gebäudenutzung, -belegung und Flächenzuordnung 30 3 BETRIEBSANALYSEN IM RAHMEN DES MONITORING Komfort- und Nutzerzufriedenheit Nutzerbefragungen Raumluftqualitäts- und Komfortmessungen Versorgung mit Tageslicht und Sonnenschutz Versorgung mit Kunstlicht Lüftungskonzept Lüftungskonzept Bürobereiche Lüftungskonzept Sondernutzungsbereiche Teilklimatisierung mit Erdsonden Betriebsanalyse der Teilklimatisierung mit Erdsonden im großen Seminarraum 38 EnOB-Förderprogramm des BMWi 3

4 3.4 Warmwasserbereitung Nullemissionskonzept Wärmeversorgung Planerkonzept zu Beginn des Monitoring Auswirkungen des Energieeinsparcontracting auf den Brennstoffeinsatz Status und Bewertung zum Ende des Projekts CO 2 - neutrale Stromversorgung Gesamtstromverbrauch Haustechnik/Gebäudebetrieb 43 4 ENERGIEBILANZEN Wetter- und Klimamessdaten Energiebeiträge Primärenergiebilanz Analyse Strombedarf Stromverbrauch für Beleuchtung Stromverbrauch der Abluftanlagen Stromverbrauch der Rohrbegleitheizungen Wärmebedarf Fernwärmebezug Heizwärmeverbrauch Warmwasserbereitung Warmwasserbereitung Kerne mit vorwiegender Büronutzung Detailanalyse Kern AC Warmwasserbereitung Kern C mit Gastronomiebetrieb und Radlerduschen Energetische Bewertung der Warmwasserbereitung 54 5 OPTIMIERUNGEN WÄHREND DES MONITORINGPROJEKTS Optimierung beim Heizungsbetrieb Aufheizbetrieb / Abkühlbetrieb Frostschutzbetrieb Bürobereiche Frostschutzbetrieb Gastronomiebetrieb Abschalten der Heizung während der Warmwasserbereitung Temperaturen im Foyer Optimierungen beim Lüftungsbetrieb Taglüftung Nachtlüftung Optimierungen bei der Jalousiensteuerung 64 EnOB-Förderprogramm des BMWi 4

5 5.4 Optimierungen bei der Fußbodenkühlung im Foyer Optimierungen beim Betrieb des Seminarraums 67 6 KOSTEN Bauwerkskosten Mehrkosten Planungsbasis Energiekonzept Energiekosten Contractingkosten für Fernwärmebezug Betriebskosten SIC Projektkosten Monitoring und Optimierungsmaßnahmen 76 7 FAZIT AUS DEM MONITORING 78 8 VERWENDETE LITERATUR UND QUELLEN 79 9 VERÖFFENTLICHUNGEN ANHANG (TEILWEISE VERTRAULICH) 82 EnOB-Förderprogramm des BMWi 5

6 Abstract Energy Monitoring and Innovative Building Automation - Demonstrational Building: Solar Info Center Freiburg/Germany The research programme EnBau:MONITOR (within the framework programme EnOB, Energy Optimised Building Construction) supported by the German Ministry of Education and Research (BMBF) yields to the research on recently constructed non-residential buildings focussing on the potentials of reduction in energy demand implementing renewable energy systems. In the first phase of the programme new energy concepts are implemented for planning and construction of new buildings. The second phase is related to the validation of the energy concepts by performing a monitoring, showing optimisation potentials and fulfilling defined values for the maximum allowed heat consumption with 60 kwh/m²/a for space heating or the total primary energy consumption with 100 kwh/m²/a. A concomitant research evaluates the approximately 25 new buildings taking into account the specific building characters but working out common parameters for benchmarking. The EnBau:MONITOR project Long Term Monitoring of the New Building Solar Info Center (SIC) Freiburg started in June 2004 and terminated in January The main topics of the research work were the following energetic characteristics: Natural Climatisation with night ventilation. Cooling of a big seminar room and the lounge by borehole heat exchangers. Zone oriented switching and optimisation of the heating. Optimisation of the ventilation. Shading system. Analysis of power consumption and the total energy balance. Energy demand analysis. Elaboration of a Building Operation Manual. Short term room comfort measurements. Building automation as part of the optimisation process. The constructional phase of the SIC-Building ended in The project duration was planned to be three years with a data acquisition period of at least two years. In the mid of the year 2005 the building occupancy was about 73 % and raised up to 95 % at the end of the monitoring project. On about m² office, exposition and seminar areas, workshops, gastronomy and production already established as well as newly founded companies offer innovative products and services all around the development, distribution and introduction of renewable energies. After three years of monitoring there is a good availability of data given with a coverage of over 95 % from December 2004 to January The total number of data points collected via building automation is 1109 of which about 584 were stored at a 10-min-resolution, the others were stored in an event logfile. Additionally weather data of the Fraunhofer Institute ISE in Freiburg were supplied for analytic evaluation on climatic influences. Looking at the performance of the monitoring, in the first year smaller problems remained of the constructional phase and building control mismatches were solved. Further on additional sensors and counter meters for heat and power had to be integrated to the data acquisition network to get an adequate evaluation for the energy balance of the building. The monitoring activities were performed together with R&D works within the zafh.net. Modern communication paths and web services were introduced to improve building monitoring and optimisation of the energy performance. The realisation of an online-access to the host computer of the building automation via internet and an OPC-Server offered an ideal infrastructure for optimisation functions based on the intelligent dynamic Building Operation developed by the zafh.net group in Offenburg. A new operation strategy for the night ventilation was tested in Summer 2006 in one part of the building and succeeded in 38 % of reduced electric power for the ventilator of an air duct compared to a conventionally operated adjacent air duct. The success led to an EnOB-Förderprogramm des BMWi 6

7 application of the strategy for whole building. Once installed the additional costs for the weather forecast supported operation are given with the purchase of the forecast data. Figure 1: Analysed Zones for the optimization of the night ventilation. The evaluation of topics like shading units, operation of the space heating and ventilation, led to changes of parameters and thresholds for a better matching of processes like the start-up and shut-down of the heating. A special example is the improvement of the operation of the big seminar room Music. The manual operation led to a continuous operation of the ventilation in winter and summer. Very high energy consumption in power and heat was the result. Supplying additional information to the user and an improved control panel had immediate effects with a better performance. Unfortunately the comfort during ventilator operation was still not satisfying so that more optimization efforts had to be done. The solar supported warm water supply with five central warm water tanks and distribution to the single units could not be considered as recommendable. The evaluations of the monitoring data showed high circulation losses at low consumption rates. Warming up the water with small units close to the water outlets seems to be a more efficient solution for office buildings. The energy balance of the SIC building fulfilled already at the beginning the restrictions given by the EnOB programme. With the optimizations, energy specific benchmarks were reduced even with the parallel raising of occupancy. The emission-free heat supply concept succeeded in saves two times more than the values of planning. The specific energy for space heating is about 30 kwh/m²/a calculated with a reference surface of m². The CO 2 emission-free concept for the power supply did not fully succeed due to changes in operation conditions. First the wood chip power plant did not work properly to deliver the confirmed power, then the owner of the SIC building decided in 2006 to change the power supply structure from one single supplier (local utility) for the entire building to free choice of the power supplier for every leasable unit. The total power consumption of the building is about 600 MWh with a share of about 16 kwh/m²/a only for building operation i.e. lighting, ventilation, heating (electric power), elevators and other appliances. EnOB-Förderprogramm des BMWi 7

8 Figure 2 : Primary Energy Balance of the SIC within the EnOB research programme. The Solar Info Center can be considered as one of the best practiced demonstrational objects within the EnOB Programme. It can easily be taken as an example for the successful realisation of a new building being economically competitive and fulfilling strong energy efficiency criteria at the same time. Authors: Research Group NET (Sustainable Energy Technology) IAF - Institute of Applied Research University of Applied Sciences Badstr. 24, Offenburg, Germany Prof. Dipl. Ing. Elmar Bollin, Head of Research Group, Professor on Solar Technology, Building Automation Phone: Dipl. Ing. Jesus da Costa Fernandes, MSc Researcher Phone: Dipl. Ing. Thomas Feldmann, Researcher Phone: EnOB-Förderprogramm des BMWi 8

9 Zusammenfassung Beim vorliegenden EnBau-Forschungsvorhaben sollte im Rahmen des ENOB-Förderprogramm ein Langzeitmonitoring des Neubauvorhabens Solar Info Center Freiburg (SIC) mit folgenden Untersuchungsschwerpunkten durchgeführt werden: Natürliche Klimatisierung mit Nachtlüftung und Einzelanbindung der Büroflächen Erdsondenkühlung für Seminarraum und Foyer Zonenweise Abschaltung und Optimierung des Heizbetriebs Optimierung Lüftungsbetrieb Sonnenschutzanlagen Analyse Stromverbrauch / Gesamtenergiebilanz Bedarfsanalyse der Nutzer Erstellung einer Betriebsanleitung für das Gebäude Kurzzeitmessungen Gebäudeautomation Die gesamte Projektlaufzeit wurde auf drei Jahre angesetzt die Datenerfassung für das Monitoring sollte dabei mindestens 2 Jahre betragen. Die messtechnische Ausstattung des Gebäudes war für ein analytisches Monitoring im Sinne des Enbau:MONITOR-Konzepts nicht ausreichend vorbereitet. Die ursprünglich geplante Messanlage, die für Detailanalysen in mehreren Raumzonen geplant war, musste unter beachtlichem Zeitaufwand umkonfiguriert werden, damit ein Monitoring nach den Anforderungen des Förderprogramms überhaupt erst möglich war. Hierzu mussten insbesondere Wärme- und Stromzähler nachgerüstet werden, die die Möglichkeiten zur energetischen Bilanzierung des Gesamtgebäudes verzögerten. Die verbleibenden Mittel reichten lediglich für die Vermessung einiger weniger Zonen und Sonderfunktionen aus. Erschwerend kam dann im zweiten Monitoringjahr 2006 hinzu, dass der Eigentümer das Stromversorgungskonzept vollständig umgestellt hat. Dies führte zum Wegfall einiger wichtiger Sammelzähler und zu Mehraufwand für die Einzelerfassung. Weitere Verzögerungen traten bei der Umsetzung von Optimierungsmaßnahmen auf, die teilweise bis zum Abschluss des Projekts am nicht vollständig abgeschlossen und dokumentiert werden konnten. Bezüglich der Datenerfassung über die Gebäudeautomation liegt seit dem bis zum Projektende am eine nahezu geschlossene Datendecke vor. Bei der Bilanzierung ist zu berücksichtigen, das das Jahr 2005 die meisten Lücken enthält, da in diesem Jahr viele Nachrüstungen durch den Einbau zusätzlicher Zähler und Messtechnik erfolgten. Ungeachtet der nicht optimalen Monitoringbedingungen zeigte sich das Gebäude Solar Info Center in Freiburg als gut gelungenes Demonstrationsobjekt im Rahmen des bundesweiten ENOB-Förderprogramms. Es kann als ein sehr gelungenes Beispiel für die Verwirklichung wirtschaftlich konkurrenzfähiger und energieeffizienter Ansätze bei Neubauvorhaben eingestuft werden. Beim SIC-Gebäude handelt es sich um ein wirtschaftlich knapp kalkuliertes Investorenobjekt mit schlankem Gebäudetechnikkonzept und rationeller Energienutzung. Als Ziel wurde die Optimierung von Energiebedarf und Raumklima bei minimalen Mehrkosten für den Investor gesetzt. Auf ca m² - Büros, Ausstellungs- und Tagungsbereich, Werkstatt, Gastronomie und Produktion - engagieren sich etablierte und junge Unternehmen mit innovativen Produktund Serviceleistungen für die Weiterentwicklung und den wirtschaftlichen Einsatz von erneuerbaren Energien alles unter einem Dach. Hierbei stand das Neubauvorhaben vollständig auf dem Boden privatwirtschaftlicher Finanzierungs- und Ertragsbedingungen. Das Spektrum der Dienstleistungen reicht von der Bedienung von Privatkunden bis zur Planung und Realisierung von gewerblichen sowie öffentlichen Großprojekten. Der Bogen wird dabei gespannt von der Distribution des erprobten Stands der Technik im Bereich der erneuerbaren EnOB-Förderprogramm des BMWi 9

10 Energien über die Präsentation aktueller Spitzentechnologien bis hin zur Demonstration von Forschungsergebnissen sowie neuen Entwicklungsansätzen. Das bundesweite Förderprogramm Enbau:MONITOR (ENOB-Programm) dient der Erforschung von Nutzgebäuden bei welchen der Energiebedarf durch den Einsatz von Energien der passiven und aktiven Solarenergienutzung sowie weiterer erneuerbarer Energiequellen minimiert werden soll. In einer ersten Phase werden neue Energiekonzepte in Planung und Bau eines Gebäudes integriert. In einer zweiten Phase werden die in den Bau eingearbeiteten Konzepte durch ein Monitoring validiert, Optimierungsmaßnahmen aufgezeigt und die Einhaltung vorgegebener Grenzwerte überprüft. Allen bisherigen ca. 25 Demonstrationsgebäuden des Programms werden einheitliche, spezifische Grenzwerte für Energiekennzahlen wie Heizenergiebedarf und Primärenergieeinsatz zu Grunde gelegt. Mit der Nutzung der durch zusätzliche Messtechnik erweiterten Gebäudeautomation für die kontinuierliche Datenerfassung und der Realisierung des Onlinezugriffs auf den Leitrechner der Gebäudeautomation über das Internet wurde im Rahmen des Förderprogramms erstmals untersucht, in wie weit sich moderne Kommunikationswege und Webdienste für Monitoringaufgaben oder die Optimierung des Gebäudebetriebs nutzen lassen. Das SIC-Gebäude wurde Ende 2003 fertig gestellt und war mit Stand Mitte 2005 zu 73 % vermietet. Im ersten Jahr des Monitoring wurden gemeinsam mit der Solar Info Center GmbH (SIC GmbH) kleinere Bau- und Steuerungsmängel erkannt und beseitigt. Insbesondere beim Sonnenschutz, dem Heizbetrieb und der Lüftung wurden Optimierungen vorgenommen. Beispielsweise war es beim manuellen Betrieb der Lüftung im Seminarraum zu Fehlbedienungen gekommen, die zu einem erhöhten Stromverbrauch führten. Informieren des Betreibers und ein komfortableres Bedienelement schafften schnell Abhilfe. Im Rahmen des Monitoring wurden für den großen Seminarraum anschließend weitere Optimierungen geplant und umgesetzt. Kurz vor Fertigstellung des Gebäudes wurden Blower-Door-Messungen für einzelne Bereiche im 1. und im 2. OG durchgeführt. Diese ergaben bei 50 Pa Unterdruck einen Messwert von 1,1 1/h für das 1. OG und 0,81 1/h für das 2. OG bei einem geplanten Wert von 1,0 1/h. Da die Messungen vor Baufertigstellung vorgenommen wurden konnten Leckagen im 1. OG, die teilweise in partiell unverputzten Bereichen des Bauwerks lagen, behoben werden. Die Luftwechselraten wurden im Rahmen von Kurzzeitmessungen durch das Fraunhofer ISE in Freiburg überprüft. Raumtemperaturmessungen im Sommer 2004 zeigten, dass bei hohen Außentemperaturen die Raumtemperaturen unter der Außentemperatur liegen. Das Kühlkonzept mit Nachtluftkühlung im Sommer und geregelter Taglüftung gewährleistet dann einen guten thermischen Komfort, wenn die Nutzer auf die Umgebungsbedingungen reagieren. Wichtig ist hierbei die richtige Bedienung des Sonnenschutzes und nur dann ergänzend zur Lüftungsanlage - über die Fenster zu lüften, wenn die Außentemperatur unter der Raumtemperatur liegt. Ergebnisse von Nutzerbefragungen durch die TU Karlsruhe und Komfortmessungen des Fraunhofer ISE Freiburg belegen ein angenehmes Raumklima für die Arbeitsplätze insbesondere in den Bürozonen des Solar Info Center, die etwa 72 % der Nutzung ausmacht. Die Energiebilanzierung des SIC warf im Verlauf der Untersuchungen einige Fragen auf, da das Energiekonzept des SIC-Gebäude von einem emissionsfreien Ansatz für die Wärmeversorgung und von einem CO 2 -neutralen Ansatz für die Stromversorgung ausging. Der Ansatz für die Wärmeversorgung kann als übererfüllt bewertet werden, da die mit Hilfe eines Energieeinsparcontracting realisierte Erneuerung der Druckluftanlage im Heizkraftwerk des Uniklinikum Freiburg eine verbesserte Wärmerückgewinnung bewirkt und mehr Brennstoff einspart als prognostiziert wurde. Der Wärmebedarf des SIC-Gebäudes kann somit sehr gut mit dem über die Wärmerückgewinnung eingesparten Brennstoff gedeckt werden. Bei der Stromversorgung geht die Rechnung der Energieplaner nicht ganz auf. Der ursprüngliche Ansatz, den gesamten Strombedarf CO 2 -neutral bereitzustellen, konnte nicht verwirklicht werden. Zum Einen entfiel die Lieferung von CO 2 -freiem Strom aus einen Holzkraftwerk und zum Anderen der eingeplante lokale Energieversorger, der auch Betreiber EnOB-Förderprogramm des BMWi 10

11 der PV-Anlagen ist, als einziger Stromlieferant für das SIC-Gebäude. Die etwa 45 Mieteinheiten konnten seit Oktober 2006 ihren Stromanbieter frei wählen. Zum Ende des Monitoringprojekts lässt sich nur für den Stromanteil, der als Allgemeinstrom über die SIC GmbH abgerechnet wird, die CO 2 -Neutralität belegen. Der gewählte Stromanbieter liefert nur Strom aus Wasserkraftwerken. Der Anteil des Allgemeinstroms liegt bei % des Gesamtstromverbrauchs von etwa 600 MWh/a. Bei der solar unterstützten Warmwasserbereitung mit drei kleinen (300 Liter) und einem großen (1400 Liter + zusätzlich 500 Liter) Warmwasserspeicher zeigten sich Schwächen beim Konzept der zentralen Bereitung und Verteilung. Hohe Zirkulationsverluste führen eher zur Empfehlung für dezentrale Lösungen mit Warmwasserbereitungen an Ort und Stelle. Dies wird insbesondere durch die geringen Entnahmemengen in den Bürozonen begünstigt. Als Besonderheit im Rahmen der Arbeiten im bundesweiten Forschungsprogramm konnte die erfolgreich die Nutzung der Gebäudeautomation für das Monitoring von Gebäuden nachweisen. Mit Hilfe des bereitgestellten Budget für die Messanlage und durch einen großen Teil der für Optimierungsmaßnahmen bereitgestellten Eigenbeteiligung des Bauherrn, konnte die Gebäudeautomation mit zusätzlicher Messtechnik zur Energiebilanzierung und Detailanalyse ergänzt und softwareseitig angepasst werden. Dies führte zuletzt zu einem Zugriff auf 1109 Datenpunkte der Gebäudeautomation. Ein Teil dieser Datenpunkte (584 Datenpunkte) war in Tagesdateien in einer Auflösung von 10 Minuten über einen ftp-server verfügbar. Die anderen Datenpunkte wurden in einer Datei ereignisgesteuert überwacht. Ergänzt wurde die Datenerhebung über die Gebäudeautomation durch Wettermessdaten, die vom Fraunhofer ISE ebenfalls in einer 10-Minuten-Auflösung bereitgestellt wurden sowie durch die monatlichen bzw. wöchentlichen Zählerablesungen durch die SIC GmbH. Eine weitere Besonderheit des Langzeitmonitoring des SIC Freiburg ist die Erweiterung des Lüftungsbetriebs mit dem gelungenen Einsatz des an der Hochschule entwickelten Konzeptes einer intelligenten dynamischen Betriebsführung (idb) unter Nutzung von Expertenwissen, Simulationsrechnungen und Prognosen. Diese wurde bisher nur mit einem Laborsystem getestet. Die idb wurde für den Einsatz am SIC weiterentwickelt und leistete einen beachtlichen Beitrag bei der wetterprognose-gestützten Betriebsführung der sommerlichen Nachtlüftung. Im ersten Testbetrieb konnte in einem Teilbereich des SIC der Energiebedarf für die Dachventilatoren um 38 % gesenkt werden. Die Ergebnisse des Testbetriebs wurden ausgewertet und das System für den Betrieb im gesamten Gebäude angepasst. Die Mehrkosten des Betreibers für die Nutzung dieser Optimierung belaufen sich im SIC hauptsächlich auf den Bezug von Wetterdaten eines Wetterdienstes. Die Forschungsgruppe Nachhaltige Energietechnik der setzt die Entwicklung der Nutzung von Wetterprognosen bei der Betriebführung von Gebäuden fort und arbeitet im Projekt Simulationsgestützte Automation für die nachhaltige sommerliche Klimatisierung von Gebäuden, gefördert durch das BMBF im Förderprogramm KlimaZwei, bereits an der Weiterentwicklung unter anderem für der Bereich der Bauteilaktivierung. Die sommerliche Nachtkühlung mit zentralen Abluftsystemen wird bereits in Folgeprojekten wie Natürliche Gebäudeklimatisierung von Klassenzimmern, ein von der Stadt Offenburg und dem Badenova Innovationsfonds für Klima- und Wasserschutz getragenes Forschungsprojekt, konsequent genutzt. In Bezug auf die Fortschreibung des Verwertungsplans konnten somit gute Anschlussmöglichkeiten geschaffen werden. Die Forschungsarbeiten in Zusammenhang mit dem Monitoring des Solar Info Center Freiburg haben zu keinen Patentanmeldungen für Produkte oder Verfahren geführt Als Beteiligte des Monitoringvorhaben waren der Bauherr, die Provinzial-Leben-Baubetreuungs- GmbH (kurz: PLB) und der Eigentümer, die Oppenheim-Immobilien-Kapitalanlagegesellschaft mbh (OIK, heute: IVG Institutional Funds GmbH) von Beginn an Partner im Projekt. Während der Bauherr sich an Optimierungsmaßnahmen zur Verbesserung des Gebäudebetriebs in Höhe von ,- finanziell beteiligt, ist der Eigentümer, vertreten durch die Solar Info Center GmbH, vor Ort vertreten und wichtiger Partner in Bezug auf Gebäudebetrieb, Zugang zum Gebäude und zur Unterstützung bei Organisation und Durchführung von Messkampagnen EnOB-Förderprogramm des BMWi 11

12 sowie anderen Maßnahmen im Rahmen des Monitoring. Weitere Partner sind die Hochschule Offenburg, verantwortlich für Projektkoordination, Analysen und Optimierung und weitere Forschungseinrichtungen und Betriebe, die als Auftragsnehmer des Projektkoordinators Dienstleistungen im Rahmen der Forschungsarbeit zu erbringen hatten. Hierzu gehören das Fraunhofer ISE Freiburg (Querverbundforschung und Kurzzeitmessungen), die Solares Bauen GmbH (Energiekonzept, Datenbereitstellung, Analysen), die Solar Info Center GmbH (Gebäudezugang, - Betrieb und Datenerhebung) und die zafh.net-gruppe der HFT Stuttgart (Funktionsbeschreibung Gebäudeautomation und Betriebsanalyse Erdsonden). Bei den Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in Bezug auf die Gebäudeautomation war das Systemhaus H&S Energietechnik der wichtigste Kooperationspartner im Projekt. Zusätzlich waren im Verlauf des Projekts Forschungsmitarbeiter des Fachgebiets Bauphysik und Technischer Ausbau (fbta) der TU Karlsruhe und des Forschungs- und Lehrgebiets Bauphysik und Technische Gebäudeausrüstung (b+tga) der Bergischen Universität Wuppertal im Rahmen der Querverbundforschung involviert. Die weist als Projektkoordinator und Verfasser des Gesamtsabschlussberichts darauf hin, dass für Angaben und entnommene Daten aus Einzelberichten und Dokumenten der Projektbeteiligten und Auftragnehmer, ausschließlich die jeweiligen Verfasser verantwortlich sind. EnOB-Förderprogramm des BMWi 12

13 1 Projektkurzbeschreibung Beim Solar Info Center in Freiburg handelt es sich um ein wirtschaftlich knapp kalkuliertes Investorenobjekt mit schlankem Gebäudetechnikkonzept und rationeller Energienutzung. Als Ziel wurde die Optimierung von Energiebedarf und Raumklima bei minimalen Mehrkosten für den Investor gesetzt. Auf ca m² - Büros, Tagungsbereich, Verkaufsmarkt, Gastronomie und Produktion - engagieren sich etablierte und junge Unternehmen mit innovativen Produkt- und Serviceleistungen für die Weiterentwicklung und den wirtschaftlichen Einsatz von erneuerbaren Energien alles unter einem Dach. Hierbei steht das Projekt vollständig auf dem Boden privatwirtschaftlicher Finanzierungs- und Ertragsbedingungen. Das Spektrum der Dienstleistungen reicht von der Bedienung von Privatkunden bis zur Planung und Realisierung von gewerblichen sowie öffentlichen Großprojekten. Der Bogen wird dabei gespannt von der Distribution des erprobten Stands der Technik im Bereich der erneuerbaren Energien über die Präsentation aktueller Spitzentechnologien bis hin zur Demonstration von Forschungsergebnissen sowie neuen Entwicklungsansätzen. Das bundesweite Förderprogramm SolarBau:MONITOR dient der Erforschung von Nutzgebäuden bei welchen der Energiebedarf durch den Einsatz von Energien der passiven und aktiven Solarenergienutzung sowie weiterer erneuerbarer Energiequellen minimiert werden soll. In einer ersten Phase werden neue Energiekonzepte in Planung und Bau eines Gebäudes integriert. In einer zweiten Phase werden die in den Bau eingearbeiteten Konzepte durch ein Monitoring validiert, Optimierungsmaßnahmen aufgezeigt und die Einhaltung vorgegebener Grenzwerte überprüft. Allen bisherigen 23 Demonstrationsgebäuden des Programms werden einheitliche, spezifische Grenzwerte für Energiekennzahlen wie Heizenergiebedarf und Primärenergieeinsatz zu Grunde gelegt. Bild 1: Solar Info Center Gebäude in Freiburg 1.1 Projektpartner Als Beteiligte des Monitoringvorhaben sind der Bauherr, die Provinzial-Leben- Baubetreuungs-GmbH (kurz: PLB, siehe auch Abschnitt 1.2.1) und der Eigentümer, die Oppenheim-Immobilien-Kapitalanlagegesellschaft mbh (OIK, heute: IVG Institutional Funds GmbH) von Beginn an Partner im Projekt. Während der Bauherr sich an Optimierungsmaßnahmen zur Verbesserung des Gebäudebetriebs in Höhe von ,- finanziell beteiligt, ist der Eigentümer, vertreten durch die Solar Info Center GmbH, vor Ort vertreten und wichtiger Partner in Bezug auf Zugang zum Gebäude und zur Unterstützung bei Organisation und Durchführung von Messkampagnen sowie anderen Maßnahmen im Rahmen des Monitoring. Weitere Partner sind die Hochschule Offenburg als Projektkoordinator und weitere Forschungseinrichtungen und Betriebe, die EnOB-Förderprogramm des BMWi 13

14 als Auftragsnehmer des Projektkoordinators Dienstleistungen im Rahmen der Forschungsarbeit erbringen. Zusätzlich waren im Verlauf des Projekts einzelne Forschungsgruppen der Technischen Universität Karlsruhe und der Bergischen Universität Wuppertal im Rahmen der Querverbundforschung im bundesweiten SolarBau:MONITOR-Programm mit Aufgaben involviert. Bauherr Provinzial-Leben-Baubetreuungs-GmbH Herr Heinz-Willi Sieben Provinzialplatz Düsseldorf Tel: 0211 / Projektkoordination, Analysen und Betriebsoptimierung Herr Prof. Dipl.-Ing. Elmar Bollin Badstr Offenburg Tel: Energiekonzept, Datenbereitstellung und -Analyse solares bauen GmbH Herr Martin Ufheil Emmy-Noether-Str Freiburg Tel: Forschungsinstitut, Begleitforschung und Kurzzeitmessungen Fraunhofer ISE Herr Sebastian Herkel Heidenhofstraße Freiburg T: Funktionsbeschreibung Gebäudeautomation und Betriebsanalyse Erdsonden zafh.net Gruppe Stuttgart Frau Prof. Dr. Ursula Eicker Hochschule für Technik Stuttgart Schellingstr. 24 Tel Stuttgart Gebäudebetrieb (im Auftrag der OIK GmbH bzw. IVG GmbH) Solar Info Center GmbH Prof. Aux. UCLV Rolf Buschmann Emmy-Noether-Str Freiburg Tel EnOB-Förderprogramm des BMWi 14

15 1.2 Das Bauobjekt Bauherr Der Bauherr ist ein Spezialfonds der PROVINZIAL Rheinland Lebensversicherung AG, die Oppenheim Immobilien-Kapitalanlagegesellschaft mbh (seit 2007 Institutional Funds GmbH) in Wiesbaden. Generalübernehmer ist die Provinzial-Leben-Baubetreuungs GmbH, die den Bau des Gebäudes betreut hat. Der Bauherr ist nicht selbst Nutzer des Gebäudes, sondern betrachtet das Objekt maßgeblich unter dem Gesichtspunkt der Geldanlage. Dieser Punkt hat dazu geführt, dass alle innovativen Elemente des Projekts unter strengen Kosten-Nutzen- Abwägungen optimiert wurden Baubeschreibung Die Idee des Solar Info Centers ist es, unterschiedliche Branchen wie Architekten, Haustechnikplaner, Energieberater, Ingenieurbüros, Finanzdienstleister und Unternehmensberater unter einem Dach zu vereinen und damit den Interessenten - vom Unternehmen bis zum privaten Bauherrn - schnellen und effizienten Zugang zu geeigneten Experten zu verschaffen. Das Solar Info Center steht im Norden Freiburgs in direkter Nachbarschaft zur Neuen Messe, der 11. Fakultät der Universität Freiburg und des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme. Der 6-geschossige Bau besitzt einen U-förmigen Grundriss, der sich nach Südwesten hin öffnet und einen begrünten Innenhof umschließt. Das SIC ist in Stahlbetonskelettbauweise errichtet. Der U-förmige Baukörper hat fünf Obergeschosse und wird über vier Treppenhäuser erschlossen. Das Gebäude ist vollständig unterkellert. Im Untergeschoss befinden sich Technik und Lagerräume sowie die Tiefgarage. Die Tiefgarage mit dem gesamten Kellergeschoß liegt außerhalb der thermischen Hülle. Im Erdgeschoss befinden sich eine Produktionshalle und eine Werkstatt (ursprünglich für Verbrauchermärkte geplante Flächen) und einen Gastronomiebetrieb. Der Eingangsbereich ist großzügig gestaltet und bietet Platz für Ausstellungen und Exponate. Im 1. bis 5. OG sind Büroflächen untergebracht, wobei sich im 1.OG mehrere Konferenzräume und ein großer Seminarraum für bis zu 170 Personen befinden. Aufgrund seiner Größe und Kompaktheit erreicht der Bau ein niedriges A/V-Verhältnis von 0,29. Der nördliche und westliche Flügel des Gebäudes sind 6-geschossig, während der Ostflügel lediglich bis zum 3.OG reicht. Abbildung 1-1: Schnitt des SIC EnOB-Förderprogramm des BMWi 15

16 N Abbildung 1-2: Erdgeschoss-Grundriss des Solar Info Center Freiburg N Abbildung 1-3: Grundriss des 1.OG des Solar Info Center Freiburg Im Rahmen des Energiekonzeptes wurden Wärmeschutz, Tageslichtversorgung und Raumklima mit Hilfe von Simulationsrechnungen optimiert. Das Ergebnis ist eine Fassade mit einem Fensteranteil von rund 45 %, der in Form von Fensterbändern realisiert wurde. Lediglich im EG, in den Sonderbereichen (Foyer, Gastronomiebetrieb Produktion und Ausstellungsflächen) finden sich höhere Glasanteile. EnOB-Förderprogramm des BMWi 16

17 Alle Dächer des Gebäudes sind Umkehrdächer, die mit einer außenseitigen Dämmung als Warmdächer ausgebildet sind. Die Fassaden sind entweder mit einem Wärmedämmverbundsystem versehen, oder als Pfosten-Riegelfassaden mit Holz-Alu- Fenstern konstruiert. Das anfallende Regenwasser wird vollständig auf dem Gelände versickert. Die Versickerung erfolgt in Mulden-/Rigolenkombination auf den Freiflächen um das Gebäude. Die Tiefgaragendecke ist als Innenhoffläche begrünt, das dort anfallende Regenwasser wird zur Versickerung in zwei mit Kies gefüllte Rigolen unterhalb des Tiefgaragenbodens geleitet Zusammenfassung der Gebäudekenndaten Beim Solar Info Center Gebäude handelt es sich um ein wirtschaftlich knapp kalkuliertes Investorenobjekt mit einem schlanken Gebäudetechnikkonzept und rationeller Energienutzung. Die Gebäudekenndaten lassen sich wie in Abbildung 1-4 für das Projektporträt (Anhang [1]) im Rahmen der Dokumentation für Bauobjekte des SolarBau:MONITOR-Programm zusammenfassen. Abbildung 1-4: Tabellarische Übersicht zum SIC Freiburg aus dem Projektporträt, Anhang [1] EnOB-Förderprogramm des BMWi 17

18 Nutzung Das Gebäude kann aufgrund des Überwiegens von Bürobereichen (ca. 72 %) als Büro- und Verwaltungsgebäude mit mehreren Sondernutzungsbereichen eingestuft werden. Die Hauptnutzfläche beträgt m² nach Umstrukturierung der Nutzungsflächen (zum Teil wurden als Einzelbüros geplante Flächen und die zugehörigen Flurbereiche in Mietbereiche für Großraumbüros zusammengefasst). Die Nutzung kann nach Fertigstellung wie in Tabelle 1-1 zusammengestellt, aufgeschlüsselt werden: Tabelle 1-1: Nutzungszusammensetzung im SIC Freiburg Nutzart Netto-Flächenanteil in % Brutto-Flächenanteil in % Büroflächen 71,6 73 Produktion + Werkstatt 16,7 15,6 Gastronomie 2,7 2,5 Ausstellung 2,1 2,2 Seminar-/Tagungsräume 5,4 5,3 Lager-/Serverräume 1,3 1,6 Gesamtflächen 11705,1 m² 13186,22 m² Nutzungszeiten Das Gebäude wird typischerweise montags bis freitags im Zeitraum von 6:45 Uhr bis 20:00 Uhr genutzt. Dies resultiert aus der Tatsache, dass etwa 45 Mietbereiche identifiziert werden können. Die Firmen, Ingenieur- und Architekturbüros und Einrichtungen haben unterschiedliche Arbeitszeiten, die einen breiten Nutzungskorridor für die individuelle Arbeitszeitgestaltung fordern. Veranstaltungen in den Seminarräumen können zeitweise den angegebenen Nutzungszeitraum überschreiten. Anzahl der Nutzer Die Anzahl der Nutzer wurde für die Planung mit 400 Personen berücksichtigt. Im Verlauf des Monitoring nahm der Vermietungsstand von anfangs ca. 75 % auf etwa 95 % (2007) zu. Fertigstellung und Belegungsstand Das Gebäude wurde im Jahr 2003 mit einem Vermietungsstand von ca. 60 % in Betrieb genommen. Baukörper Das 6-geschossige U-förmige Gebäude verfügt über ein Untergeschoss mit Tiefgarage und Kellerräumen sowie drei bis fünf Obergeschosse und öffnet sich mit seinem Innenhof nach Südosten. Die mittlere Geschosshöhe (BRI/BGF) beträgt ca. 3,9 m bei einem A/V-Verhältnis von 0,29 1/m. Diese Daten können aus den folgenden geometrischen Gebäudedaten gewonnen werden. Flächen und Volumina nach DIN 277 Bruttorauminhalt (BRI) m³ Bruttogrundfläche (BGF) m² Nettogrundfläche (NGF) m² Hauptnutzfläche (HNF) 8788 m² ( m², nach Fertigstellung) EnOB-Förderprogramm des BMWi 18

19 Bauwerkskosten nach DIN 276 Bereits in der Planungsphase wurde bei der Umsetzung des SIC Gebäudes stark auf die Wirtschaftlichkeitsanforderungen des Bauherrn geschaut. Das ursprüngliche Energiekonzept aus dem Jahr 2001 wurde auf Grund des Kostendrucks noch einmal überarbeitet und in einigen Punkten geändert. Es ergab sich zum Antragsjahr der Stand entsprechend der Kostengliederung nach DIN 276, der in Tabelle 6-1: Kostengliederung nach DIN 276, Planungsbasis/Ausgangskenndaten des Kapitel 6 aufgeführt ist. 1.3 Energiekonzept des Solar Info Center Freiburg Aus dem Ansatz der integralen Planung, der Existenz eines Anschlusses an ein Fernwärmenetz sowie dem Druck eines konventionell wirtschaftlichen Kostenrahmens gestaltet sich die Energieversorgung des Solar Info Center Freiburg wie folgt: Der Strom sollte über ein Holz-Blockheizkraftwerk aus erneuerbaren Energien CO 2 - neutral gewonnen werden. Da dies konnte nicht realisiert werden konnte, wurde letztendlich für alle Mieter als 100% - CO 2 -neutral und aus erneuerbaren Energien stammend zertifizierter Strom vom lokalen Energieversorgungsunternehmen badenova AG & Co KG geliefert. Zusätzlich wird Solarstrom über einen PV-Generator auf dem Dach des Gebäudes und einen PV-Generator an der Südseite als integrierte Fassadenanlage gewonnen. Zahlreiche Stromsparmaßnahmen verringern den Gesamtstrombedarf auf etwa 10 W/m². Abbildung 1-5: Energiekonzept SIC Freiburg, Quelle: triolog Gmbh Freiburg Eine Liefervereinbarung (Energieeinsparcontracting) mit dem Universitätsklinikum Freiburg führte zum Einbau einer Wärmerückgewinnung (WRG) im Heizkraftwerk, das das SIC Freiburg mit Fernwärme versorgt. Brennstoffeinsparungen sowie der erreichte höhere Wirkungsgrad erzielen Verringerungen bei den CO 2 -Emissionen. Die Energie aus der Wärmerückgewinnung soll vollständig den berechneten Fernwärmebedarf des sic Freiburg decken. Der Anschlusswert der Fernwärmeversorgung liegt bei 450 kw. EnOB-Förderprogramm des BMWi 19

20 Zur Erwärmung des Warmwassers sind 4 Solarkollektoren mit je einem Warmwasserspeicher eingebaut. Der Heizwärmebedarf nach ENEV 2002 liegt bei 32,1 kwh/m²*a und lässt sich mit dem angewandten Konzept der Wärmerückgewinnung emissionsfrei decken. Tabelle 1-2: Kennwerte der Energieversorgung Strom Wärme Kälte Fläche in m² kw kw kw Fernwärme 450 Kollektoranlage 34 Solarstromanlage Dach Solarstromanlage Fassade 6,8 82 Erdsonde 20 Spez. Leistung W/m² NGF 4,1 34 PV-Generatoren Netzstrom Strom Erdwärmesonden Kälte Fernwärme Wärme Solarkollektoren Abbildung1-6: Schematische Darstellung der Energieversorgung des SIC Freiburg Durch die intelligente Fensteranordnung wird Tageslicht optimal genutzt und durch steuerbare, außen liegende Jalousien eine Überhitzung vermieden. Im Sommer strömt kühle Nachtluft durch Zuluftelemente in der Außenfassade in die Räume. Der große Seminarraum wird zusätzlich über Erdkühle aus bis zu 80 m Tiefe klimatisiert. Im Winter wird nach dem gleichen Prinzip die kalte Außenluft vorgewärmt und so das Temperaturniveau der Erdmassen um die Erdsonden ausgeglichen. EnOB-Förderprogramm des BMWi 20

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