Fachtagung eco-bau. Graue Energie unter der Lupe. Graue Energie unter der Lupe. Relevanz Graue Energie. 1.Grundlagen. Inhalt

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1 Fachtagung eco-bau Graue Energie unter der Lupe Inhalt Graue Energie unter der Lupe 1. Grundlagen 2. Berechnung 3. Hinweise für die Planung Freitag, Praxisbeispiel 5. Übungen Stefan Gassmann, dipl. Architekt FH, Projektleiter aardeplan ag Folie 2 Relevanz Graue Energie 1.Grundlagen Anteil Graue Energie Vergleich mit Betriebsenergie und Mobilität SIA MB 2032 Graue Energie von Gebäuden MINERGIE-ECO Folie 3 Folie 4

2 Relevanz Graue Energie Definition Graue Energie Graue Energie in der Gesamtenergiebetrachtung: Graue Energie - Herstellung - Betrieb - Mobilität Beispiel Wohnen MFH: - Anforderung MuKEn - Erdsonde Wärmepumpe Gesamte Menge nicht erneuerbarer Primärenergie, die für alle vorgelagerten Prozesse, vom Rohstoffabbau über Herstellungs- und Verarbeitungsprozesse und für die Entsorgung, inkl. der dazu notwendigen Transporte und Hilfsmittel, erforderlich ist. Sie wird auch als kumulierter, nicht erneuerbarer Energieaufwand bezeichnet. Graue Treibhausgasemission Primärenergie nicht erneuerbar Treibhausgase Kumulierte Menge der Treibhausgase (CO2, Methan, Stickoxid und weitere klimawirksame Gase), die bei allen vorgelagerten Prozessen, vom Rohstoffabbau über Herstellungs- und Verarbeitungsprozesse und bei der Entsorgung, inkl. der dazu notwendigen Transporte und Hilfsmittel, emittiert wird. Quelle: SIA MB 2032 Folie 5 Folie 6 Systemgrenze Graue Energie Bilanzperimeter Graue Energie Summe Primärenergie für alle Bauteile Bilanzperimeter Der Bilanzperimeter umfasst das Energie für Gewinnung Rohstoffe Herstellung, Transport Rohstoffe Herstellung, Baumaterial/ Bauteil Systemgrenze Graue Energie Ersatzinvestitionen Abbruch Bauteil Transport, Entsorgung Bauteil gesamte Gebäude und die mit dem Gebäude verbundenen Aussenbauteile. Umbauten: Bei Umbauten wird nur die graue Energie der während dem Umbau zugeführten Bauteile berechnet. Bezugsgrösse ganzes Gebäude: Geschossfläche A GF gemäss SIA 416/1 Energieproduktionsanlagen: Energieproduktionsanlagen auf dem Grundstück, die an das Gebäude angeschlossen sind, werden in der Berechnung berücksichtigt. Folie 7 Folie 8

3 Berechnungsgrundlage SIA Merkblatt 2032 Berechnungsgrundlage SIA Merkblatt 2032 Zielsetzung Berechnung der Grauen Energie nach einheitlichen Grundsätzen Verwendung von vergleichbaren Datengrundlagen Reproduzierbare und vergleichbare Berechnungsergebnisse Einfache und planungsgerechte Berechnungsmethode für Planende (Vereinfachungen) Inhalte Definitionen Systemgrenze / Bilanzperimeter Datengrundlagen Berechnungsmethode Vereinfachungen Amortisationszeit Bauteile Sensibilisierung für das Thema und weitere Verbreitung solcher Berechnungen Folie 9 Folie 10 Amortisationszeit der Bauteile Vereinfachungen und Vernachlässigungen 60 - Konstruktion (Tragstruktur) (C) - Dachkonstruktion (C) Transporte auf die Baustelle Materialtransporte auf die Baustelle i. d. R. vernachlässigt - Aussenwandbekleidung (E) 40 - Abdichtung unter Terrain (E) - (Erdsonden für Wärmepumpen) (D) 30 - Gebäudetechnik (D) - Fenster (E) - Flachdachaufbau (F) - Ausbau (G) 20 - Wärmeerzeugung (D) Jahre Quelle: SIA MB 2032, Baustellenbetrieb Transporte, Maschinen, Heizung usw. vernachlässigt Baustellenabfälle und Verpackungen Verarbeitungsabfälle, Verpackungen vernachlässigt Schalungen entsprechend ihrer durchschnittlichen Anzahl Nutzungen berücksichtigt Berechnungen Aussenwände mit Aussenabmessungen Decken und innere Wände ohne Abzüge für Schächte, Treppen und Türen. Treppen, Innentüren vernachlässigt Lineare Elemente am Rand von Bauteilen vernachlässigt Folie 11 Folie 12

4 Vereinfachungen und Vernachlässigungen Vereinfachungen und Vernachlässigungen Gebäudestruktur I (ebkp-h) Elementgruppe berücksichtigt Elementgruppe vernachlässigt A Grundstück B Vorbereitung B6.2 Aushub, nicht kontaminiert Übrige C Konstruktion Gebäude C1 Fundament C2.1 (A) Aussenwand unter Terrain C2.1 (B) Aussenwand überterrain C3 Stützenkonstruktion C4.1 Decke C4.3 Balkon C4.4 Dachkonstruktion D Technik Gebäude D1 Elektroanlagen D5 Wärmeanlagen D7 Lufttechnische Anlagen D8 Wasseranlagen C5 Ergänzende Leistungen zu Konstruktion D2 Management-/Infosystem D3 Sicherheitssysteme D4 Brandschutz D6 Kälteanlage D9 Transportanlage Folie 13 Gebäudestruktur II (ebkp-h) Elementgruppe berücksichtigt Elementgruppe vernachlässigt E Aussenwandbekleidung Gebäude E1 Aussenwandbekleidung u. Terrain E1 Aussenwandbekleidung ü. Terrain E3 Aussenw.einbauten (Fenster, Tür, E3 (Sonnenschutz, Absturzsicherung) Tor) F Bedachung Gebäude F1 Dachhaut F2 Einbaute zu Dach (Ein-, Aufbaute) F2 (Absturzsicherung) G Ausbau G1 Trennwand G2 Bodenbelag G3 Wandbekleidung G4 Decken-, Dachbekleidung innen Weitere Elementgruppen G5 Fest eingebautes Mobiliar, Schutzeinrichtungen G6 Ergänzende Leistungen zum Ausbau H I J V W Y Z Nutzungsspezifische Anlagen Umgebung Ausstattung Planungskosten Nebenkosten Reserve, Teuerung MWST Folie Berechnung Berechnung Graue Energie Bauteil Definition Einheiten und Bezugsgrössen gemäss SIA MB 2032 Graue Energie Baumaterial Bezogen auf Masse Graue Energie Bauteil Bezogen auf Bauteilfläche und Amortisationszeit MJ/kg kwh/kg MJ/m 2 a kwh/m 2 a (Umrechnung: 1 kwh = 3.6 MJ) Folie 15 Folie 16

5 Berechnung Graue Energie Bauteil Berechnung Graue Energie Bauteil Grundlagen zur Berechnung der Grauen Energie: Ökobilanzdaten im Baubereich Herausgeber: KBOB, Eco-Bau, IPB Beispiel Berechnung der Grauen Energie einer Steinwolldämmplatte (pro m 2 Bauteilfläche und Jahr) Angaben Rohdichte: 32 kg/m 3 Graue Energie: 4.2 kwh/kg Volumen: 1.0 m * 1.0 m * 0.26 m = 0.26 m 3 /m 2 Amortisationszeit: 40 Jahre Schritt 1 Berechnung Masse pro Bauteilfläche (BTF) 0.26 m 3 /m 2 BTF * 32 kg/m 3 = 8.3 kg/m 2 Schritt 2 Berechnung Graue Energie pro Bauteilfläche 8.3 kg/m 2 * 4.2 kwh/kg = 34.8 kwh/m 2 Schritt 3 Berechnung Graue Energie pro Bauteilfläche und Jahr 34.8 kwh/m 2 / 40 Jahre = 0.9 kwh/m 2 a Folie 17 Folie 18 Berechnungsverfahren Berechnungsverfahren Vorstudie/Vorprojekt Bauprojekt Optimierung Konstruktionswahl Optimierung Volumetrie Nachweisinstrumente: Abschätzung mit Elementwerten nach Berechnungstabelle SIA MB 2032, Anhang D Optimierung mit Planungshilfsmittel: Rechenhilfe SIA Tool 2032 Rechenhilfe SIA Tool 2040 Folie 19 Folie 20

6 Berechnungsverfahren Berechnungsverfahren Vorgehen / Funktionsweise Nachweis Graue Energie mit Software/Tools Vorgehen / Funktionsweise Nachweis Graue Energie mit Software/Tools Bilanzgrenze definieren 1. Definieren Bilanzgrenze (Grundlage: SIA MB 2032) 2. Erstellung der Bauteile Gebäudehülle (Dämmperimeter) Erstellung Bauteile Gebäudehülle Systemnachweis SIA 380/1 3. Erstellung der Bauteile unbeheizte Zone Eingabe Flächen (AE, GF, Bauteile) 4. Zusammenstellen und Eingabe der Flächen (Bauteile, EBF, GF) 5. Berücksichtigung Innenbauteile und Gebäudetechnik Innenbauteile / Aushub detaillierte Berechnung Innenbauteile / Aushub einfache Berechnung ( MINERGIE-ECO, MINERGIE-A ) 6. Auswertung und Optimierung Gebäudetechnik detaillierte Berechnung Erstellung Bauteile Unbeheizte Zone Gebäudetechnik einfache Berechnung Endergebnis Folie 21 Folie 22 Fragestellungen zur grauen Energie 3. Hinweise für die Planung Strategische Planung Baudichte Kurze Wege für Erschliessung, gute Ausnützung Grundstück Umbau oder Ersatzneubau Unter Berücksichtigung von Betriebsenergie, Komfort, Nutzungsflexibilität und Wirtschaftlichkeit Vorstudie Volumetrie (Gebäudeform) Unterterrainbauten Einfluss der Ausnützungsziffer auf Kompaktheit Einfluss Kompaktheit auf Graue Energie und Betriebsenergie z.b. Für Parkgaragen, die nicht unter Gebäudevolumen angeordnet sind Projektierung Bauweise / Tragwerk Ausbau Gebäudehülle / Fenster Gebäudetechnik Folie 23 Massiv-, Leicht- oder Mischbauweise. Einfluss grosser Spannweiten und auskragender Bauteile z.b. Wahl von abgehängten Decken, Bodenbelägen, Materialisierung Trennwände und Oberflächen Massive vs. leichte Konstruktionen, Fensteranteil Rahmenmaterial, Verglasungstyp Wahl von Energieträgern, Heizungssystem, Lüftungskonzept Folie 24

7 Regeln im Entwurf Entwurfsprozess und graue Energie 1. Bauteilflächen minimieren 2. Konstruktion optimieren Hinweise Funktionen zusammenlegen (Funktion Treppe, Schallschutz, Erdbebenstatik, Brandschutz) Versuchen Schichten einzusparen (Holzbau) Edelrohbau WG 1 WG 2 aardeplan Setzung: - Minimierung Anteil von Unterterrainbauten Volumetrie: - Ständige Überprüfung Schlüsselfaktoren: (Tragstruktur, Hüllfläche, Grundrissorganisation) Fassaden: - Optimierung Fensteranteil Tragwerk: - Tragwerkkonzept in Holz umsetzbar Materialisierung: - Berücksichtigung im Entwurfsprozess Folie 25 Folie 26 Berücksichtigung Amortisationszeiten Struktur Gebäude Berücksichtigung der Amortisationszeit von Bauteilen Massnahmen: - Leitungsführung Lüftung in abgehängten Decken - Hinterlüftete Fassaden (Wichtig: Unterkonstruktion Holz) - Gute Zugänglichkeit für Installationen - Fensterauswechslung mit geringem Aufwand ermöglichen (Innenseitige Abdichtung) Auswirkungen: - Geringer Aufwand bei der Auswechslung von Bauteilen nach 30 Jahren. - Mehr Flexibilität bei Umnutzungen Volumetrie Geringer Anteil Gebäudehüllfläche EFH: MFH: Tragstruktur Leichtbau im Vorteil Leichtbau prüfenswert, evtl. Hybridlösung Klares Statikkonzept Kurze Spannweiten Leichtbau: + Geringere Fundation + Keine Wärmebrückenprobleme + Geringe Baufeuchte - Anforderungen Brand- und Schallschutz erfordert höheren Konstruktionsaufwand (>1 Nutzungseinheit) Folie 27 Folie 28

8 Verhältnis Bauteilfläche zu Energiebezugsfläche Verhältnis Bauteilfläche zu Energiebezugsfläche Bauteile mit grossem Spielraum und Einsparpotential MFH: Aussenwände (C 2.1, E 1) Zwischendecken (C 4.1, G 4) Dach (C 4.4, F 1.2) Bodenbelag (G 2.2) Bauteile mit grossem Spielraum und Einsparpotential EFH: Aussenwände (C 2.1, E 1) Zwischendecken (C 4.1, G 4) Dach (C 4.4, F 1.2) Fenster (E 3.1) Folie 29 Folie 30 Anteile Graue Energie Gebäude Potential Konstruktion Hauptanteile graue Energie (MFH Kirchrainweg) Decken/Terrassen ca. 18 % Innenwände ca. 15 % Gebäudetechnik ca. 27 % Fenster / Türen (E3 / F2) Haustechnik (D) Dach inkl. Aufbau (C4.4 / F1) Balkone (C4.3) Decke inkl. Belag (C4.1 / G2 / G4) Innenwände (C2.2 / C3 / G3)) Graue Energie kwh/m2btfa Trennwand mit Metallständern Trennwände nicht tragend Schallschutzanforderung Luftschall: 52 db 2.2 Trennwand mit Holzständern 2.70 Trennwand mit Kalksandstein Aussenwände über Terrain (C2.1 / E2 / G3) Aussenwände unter Terrain (C2.1 / E1) Aushub und Fundament (B6 / C1) Folie 31 Folie 32

9 Potential Konstruktion Potential Graue Energie Aussenwände Wohnungstrennwand (Erhöhte Anforderungen Schallschutz, Lebensdauer 60 Jahre) Holzständerwand tragend 2x 3 Lagen Gipskarton Kalksandstein Doppelschale 2x12 cm KS Betonwand d=28 cm Innenputz/Abrieb Betonwand Kalksandstein Gipskarton Holzkonstruktion Wärmedämmung MJ/m2 aardeplan Folie 33 Folie 34 Bauweise Potentiale Äussere Wandbekleidung Vergleich Holz- oder Massivbauweise Graue Energie in MJ/m 2 a aus der Erstellung beim Referenzobjekt Hegianwandweg (MFH). Potential: +/- 5% Gebäudehülle (Ansatzhebel) Materialisierung Fassade Fensteranteil Dämmmaterialien Unterkonstruktion Fassade Fenster Fensterrahmen ist entscheidend: -Holzrahmen -Holz-Metallrahmen -Metallrahmen -Kunststoffrahmen Quelle: Lignatec 25/2011 Folie 35 Folie 36

10 Potentiale Gebäudetechnik Vergleich Mauerwerke Allgemein: - Systemtrennung - Kurze Leitungsführungen Wärmepumpe (Erdsonde): MuKEn anstatt MINERGIE-P kwh/m 2 a Lüftung: Leitungen Metall statt PE kwh/m 2 a (D) kwh/m 2 a (C) Graue Energie kwh/m2btfa Backstein beidseitig verputzt Mauerwerke nicht tragend Schallschutzanforderung Luftschall: 52 db 2.7 Kalksandstein beidseitig verputzt 2.2 Zementstein beidseitig verputzt Elektroinstallationen: Hoher Installationsgrad kwh/m 2 a Folie 37 Folie 38 Vergleich Aussenwandbekleidungen Vergleich Dacheindeckungen Aussenwandbekleidungen hinterlüftet mit Unterkonstruktion 3 Dacheindeckungen (ohne Unterkonstruktion) Graue Energie kwh/m2btfa Graue Energie kwh/m2btfa Folie 39 Folie 40

11 Vergleich Aussenwanddämmstoffe Vergleich Bodenbeläge Aussenwanddämmstoffe ( Kompaktfassade mit U-Wert von 0.2 W/m2K) 6 Bodenbeläge kwh/m2btfa Graue Energie kwh/m2btfa Natursteinplatte CH geschliffen Keramikplatten PVC Parkettboden versiegelt 1.00 Linoleum Folie 41 Folie 42 Wärmedämmung Gebäudehülle: Wie viel dämmen? Primärenergiebedarf für Heizung versus Einsatz grauer Energie Erneuerung oder Ersatzneubau Vergleich Ersatzbau und Erneuerung (Primärenergie n. e.) Kompletter Neubau hat verglichen mit der Erneuerung einen grossen Input an grauer Energie zur Folge. Zielwert Primärenergie nicht erneuerbar SIA MB 2040: 122kW/m 2 Folie 43 Folie 44

12 Zusammenfassung Bei der Gesamtbetrachtung Treibhausgase hat die Graue Energie den grössten Anteil (Entscheidender Einfluss auf Erreichung Zielwerte SIA 2040 SIA Tool 2040 ist geeignet in der Phase Vorstudie / Vorprojekt. Nachweisinstrumente auf 4. Praxisbeispiel MFH Kirchrainweg Kriens MINERGIE-A-ECO Die Fläche eines Bauteils spielt bei der Gesamtbetrachtung der Grauen Energie häufig eine grössere Rolle als die Materialien Ab ca. 20 cm Dämmstärke wird die Graue Energie einer Dämmung grösser als die Ersparnis des Primärenergiebedarf n. e. durch die Dämmmassnahme Holzbauweise hat leichte Vorteile gegenüber Massivbauweise Folie 45 Ausgangslage Folie 46 Ausgangslage Folie 47 Folie 48

13 Aussenansicht Nutzung Folie 49 Folie 50 Konzept und Methode Primärenergie Berechnungsgrundlage SIA-Effizienzpfad Energie (SIA 2040) -> 2000-Watt-Gesellschaft Betrieb Primärenergie Netto gelieferte Energie Eigenproduktion Bilanzperimeter Erstellung und Betrieb Raumnutzung Bilanz der nicht erneuerbaren Primärenergie berechnet nach dem SIA-Effizienzpfad Energie (SIA 2040). Erstellung Baumaterial Mobilität Fortbewegung Bilanzperimeter Mobilität Planung und Zertifizierung Umwandlungsverluste Quelle: SIA-Effizienzpfad Energie Folie 51 Folie 52

14 Treibhausgas Eingangsgeschoss Die Grafik zeigt die Bilanz der Treibhausgasemissionen nach dem SIA-Effizienzpfad Energie. Massiv Fahrradeinstellhalle Boden Decke Wände Treppenhaus Folie 53 Folie 54 Eingangsgeschoss Wohngeschoss Holzkonstruktion Boden Decke Wände Balkone Massiv Treppenhaus Folie 55 Folie 56

15 Wohngeschoss Attikageschoss Holzkonstruktion Boden Decke Wände Balkone Folie 57 Folie 58 Schnitt Gebäudehülle Baugrube optimierter Aushub Folie 59 Folie 60

16 Nutzung regionaler Ressourcen Edelrohbau Folie 61 Folie 62 Edelrohbau Ergebnis Graue Energie Folie 63 Folie 64

17 Grenzwerte und Zielwerte graue Energie 5. Übungen Übersicht Grenzwerte/Zielwerte (Neubau, Nutzung Wohnen): SIA Effizienzpfad Energie Zielwert 110 MJ/m2 Zielwert Treibhausgase 8.5 kg/m2 Objektwert MFH Kirchrainweg: MJ/m2 MINERGIE-ECO Projektgrenzwert GW1 124 MJ/m2 GW2 172 MJ/m2 (MFH Kirchrainweg) MINERGIE-A Grenzwert 180 MJ/m2 Folie 65 Übung 1: Berechnung Graue Energie Bauteil Folie 66 Übung 1: Berechnung Graue Energie Bauteil Vergleich Dämmung Steinwolle in Ständerkonstruktion und als Kompaktfassade Berechnung von 1m2 Baustoff Vergleich Graue Energie Fassadendämmung Steinwolle in: - Ständerkonstruktion - Kompaktfassade Steinwolle in Ständerkonstruktion Angaben 1. Masse pro BTF 0.20 m3/m2btf * 38 kg/m3 = 7.6 kg/m2 Rohdichte Steinwolle für Ständerkonstruktion: 38 kg/m3 2. Graue Energie pro BTF 7.6 kg/m2 * 4.2 kwh/kg = 31.9 kwh/m2 Rohdichte Steinwolle für Kompaktfassade: 90 kg/m3 3. Graue Energie pro BTF und Jahr 31.9 kwh/m2 / 60 = 0.53 kwh/m2a Graue Energie: gemäss Liste Ökobilanzdaten im Baubereich: Steinwolle in Kompaktfassade Steinwolle: 4.2 kwh/kg Dämmstärke: 20 cm (für beide Konstruktionen) 1. Masse pro BTF 0.20 m3/m2btf * 90 kg/m3 = 18 kg/m2 Amortisationszeit Steinwolle in Ständerkonstruktion: 60 Jahre 2. Graue Energie pro BTF 18 kg/m2 * 4.2 kwh/kg = 75.6 kwh/m2 3. Graue Energie pro BTF und Jahr 75.6 kwh/m2 / 30 = 2.52 kwh/m2a Amortisationszeit Steinwolle als Kompaktfassade: 30 Jahre Folie 67 Folie 68

18 Übung 2: Berechnung Graue Energie Bauteil Übung 2: Berechnung Graue Energie Bauteil Vergleich Graue Energie - Betonwand - Brettstapelwand Vergleich Graue Energie - Betonwand - Brettstapelwand Betonwand Angaben Rohdichte Betonwand (C30/37): 2400 kg/m3 1. Masse pro BTF 0.14 m3/m2btf * 2400 kg/m3 = 336 kg/m2 2. Graue Energie pro BTF 336 kg/m2 * kwh/kg = kwh/m2 3. Graue Energie pro BTF und Jahr kwh/m2 / 60 = 4.32 kwh/m2a Rohdichte Brettstapelwand: 450 kg/m3 Graue Energie: gemäss Liste Ökobilanzdaten im Baubereich: Brettstapelwand Beton: kwh/kg, Holz: 3.49 kwh/kg Wandstärke: 14 cm (für beide Konstruktionen) Amortisationszeit: 60 Jahre 1. Masse pro BTF 0.14 m3/m2btf * 450 kg/m3 = 63 kg/m2 2. Graue Energie pro BTF 63 kg/m2 * 3.49 kwh/kg = kwh/m2 3. Graue Energie pro BTF und Jahr kwh/m2 / 60 = 3.66 kwh/m2a Folie 69 Folie 70 Allgemeines Vorgehen (mit LESOSAI) 5. LESOSAI Nachweisinstrument 1. Projekt öffnen Vorlagedatei Übung 3a_b_c öffnen Datei mit Doppelklick öffnen Folie 71 Folie 72

19 Allgemeines Vorgehen (mit LESOSAI) 2. Bauteilaufbau anpassen 2. Bauteilaufbau anpassen Definition der Bauteile im Depot Bauteilschichten hinzufügen Bauteile erstellen Depot öffnen 2. Bauteil zum Bearbeiten wählen Tragwerksschichten definieren 4. Schichten Löschen Bauteilaufbau öffnen 5. neue Schichten einfügen Folie 73 Folie Bauteilaufbau anpassen 2. Bauteilaufbau anpassen Schicht hinzufügen 6. Baustoff wählen In Projektansicht wechseln 8. Bauteil wählen 9. Graue Energie des Bauteils ablesen 9. Folie 75 Folie 76

20 3. Fenster hinzufügen 3. Fenster hinzufügen Fenster hinzufügen 2. Fensterdatenblatt für jedes Fenster ausfüllen Folie 77 Folie 79 Fenster vom Depot in Inventar Aussenwand ziehen In Projektansicht wechseln Bauteil (Fenster) wählen Graue Energie des Fensters ablesen Folie 78