Energie und Ökonomie in der Sanierung - das Studentenwohnheim Neue Burse, Wuppertal

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1 Energie und Ökonomie in der Sanierung - das Studentenwohnheim Neue Burse, Wuppertal Dipl.-Ing. Peter Engelmann, M. Sc. Arch. Dipl.-Ing. Miriam Kramp, Bergische Universität Wuppertal, Fachbereich Architektur, Design, Kunst, Lehrstuhl für Bauphysik und TGA Prof. Dr.-Ing. Karsten Voss, Pauluskirchstr. 7, Wuppertal 1 Objektbeschreibung Das Studentenwohnheim Burse" besteht aus zwei Gebäudeteilen mit insgesamt 627 Wohneinheiten und liegt in unmittelbarer Nähe zur Universität. Nach umfangreicher Sanierung der 1977 errichteten Gebäude, wurde 21 bei der Fertigstellung des ersten Bauabschnitts (1. BA) das Verbrauchsniveau eines Niedrigenergiehauses angestrebt. Beim 23 fertig gestellten zweiten Bauabschnitt (2. BA) wurde der Wärmeschutz wesentlich verbessert und eine zentrale Lüftungsanlage realisiert. Dieser Teil der "Neuen Burse" ist derzeit das größte Wohnhaus Deutschlands, das in Anlehnung an das Passivhaus-Konzept im Bestand realisiert wurde. Eine wissenschaftliche Untersuchung der Sanierung wird im Rahmen des Förderkonzepts Energieoptimiertes Bauen, Teilbereich EnSan mit Mitteln des BMWI über den Projektträger Jülich gefördert. Abbildung 1 Wohnheim vor und nach der Sanierung [ACMS/Riehle]. Der strategische Ablauf der Sanierungsmaßnahme war für beide Bauabschnitte identisch. Die Abfolge der Maßnahmen lässt sich grob in drei Schritten darstellen: 1. Rückbau der Fassadenplatten, 2. Erweiterung der Gebäudeflügel um jeweils ca. 2 Meter mittels Ortbeton, 3. Rückbau der Erschließungskerne und Herstellung neuer Treppenhäuser Die Wärmeversorgung der Neuen Burse erfolgt über Fernwärme. Im 1. BA werden die Apartments über Heizkörper beheizt, die Lüftung erfolgt hauptsächlich über Fensterlüftung. Zusätzlich gibt es bedarfsgesteuerten Abluftventilatoren im Zimmer sowie in den innen liegenden Bädern. Im 2. BA ist sind flügelweise zentrale Zu- und Abluftanlagen mit Wärmerückgewinnung installiert, die Zufuhr von Heizwärme erfolgt hauptsächlich über Luftheizregister in den Lüftungsanlagen. Neben dieser zentralen Versorgung sind in den Badezimmern sowie den giebelseitigen Zimmern Heizkörper installiert.

2 2 Energieverbrauch Im Rahmen des Monitoring werden die Sanierungsmaßnahmen unter verschiedenen Gesichtspunkten (Energie, Ökonomie, Nutzerzufriedenheit) untersucht. Auswertung und Vergleich des Energieverbrauchs ist vor allem vor dem Hintergrund nahezu identischer Baukörper und gleicher klimatischer Randbedingungen interessant. 2.1 Energieverbrauch im Jahr 25 Trotz der im 2. BA noch nicht vollständig zufrieden stellenden Ergebnisse zeigen die Verbrauchsdaten für 25, dass im Zuge der Sanierung des Wohnheims der Energieverbrauch für Wärme (Heizung und Trinkwassererwärmung) fast um den Faktor 3 verringert werden konnte (Abbildung 2). Auswertungen des gemessenen Energieverbrauchs haben gezeigt, dass für den ersten Bauabschnitt (1. BA) die energetische Zielsetzung der Sanierung in Bezug auf den Heizwärmeverbrauch eingehalten wurde. Das im weiter verbesserten Wärmeschutz liegende Einsparpotential durch den Einsatz passivhaustauglicher Komponenten im zweiten Gebäude (2. BA) wurde jedoch noch nicht voll ausgenutzt. Auffällig ist der hohe spezifische Wärmeverbrauch zur Warmwasserbereitung. Dieser ist vor allem nutzungsbedingt, etwa durch die hohe Belegungsdichte: durch die Nutzung als Wohnheim ist das Verhältnis von Wohnfläche zu Personen mit 23 m²/pers. deutlich geringer als im Bundesdurchschnitt (43 m²/pers.). kwh m²a Altbau 1. BA 2. BA 2. BA optimiert elektr. Hilfsenergie Lüftung [kwh/m²a] elektr. Hilfsenergie Pumpen [kwh/m²a] Warmwasserbereitung [kwh/m²a] Heizwärme [kwh/m²a] Abbildung 2 Vergleich der Primärenergiekennzahlen vor der Sanierung mit den beiden Bauabschnitten im Kalenderjahr 25. Bezugsfläche ist die Nettogeschossfläche (NGF, Altbau: m², 1.BA: 842 m², 2.BA: 8597 m²). Die Wärmeversorgung erfolgt über Fernwärme aus Kraft-Wärme-Kopplung, (PE- Faktor,7). Der Stromverbrauch der Lüftung im 1. BA wurde aus der Leistung der Einzellüfter sowie gemessener mittlerer Laufzeiten bestimmt, im 2. BA über Stromzähler ermittelt. Der gemessene Heizwärmeverbrauch des 2. BA ist aufgrund regelungstechnischer Probleme erhöht, das Optimierungsziel ist rechts daneben dargestellt.

3 2.3 Analyse des Heizwärmeverbrauchs Vor allem die unterschiedlichen Lüftungskonzepte der Gebäude haben entscheidenen Einfluss auf den Heizwärmeverbrauch. Wie eingangs erwähnt, konnte das im verbesserten Wärmeschutz liegende Potential in Bezug auf geringeren Heizwärmeverbrauch im 2. BA nicht genutzt werden. Die Gründe hierfür liegen zum großen Teil in den RLT Anlagen begründet. Hinweise auf die Gründe des erhöhten Heizwärmeverbrauchs liefert ein Vergleich der Heizkennlinien der beiden Gebäude (Abbildung 3). W/m² Heizleistung 1. BA [W/m²] Heizleistung 2. BA [W/m²] theoret. Kennlinie 1. BA theoret. Kennlinie 2. BA C W/m² Heizleistung 1. BA [W/m²] Kennlinie 1. BA Ti=2 C Kennlinie 1. BA Ti=23 C Heizleistung 2. BA [W/m²] Kennlinie 2. BA Ti=2 C Kennlinie 2. BA Ti=22 C C Abbildung 3 Heizkennlinien (Tagesmittelwerte) der beiden Bauabschnitte sowie theoretische Kennlinien als lineare Auftragung von Q H ohne solare und innere Quellen, bezogen auf T i=2 C. Messungen haben mittlere Raumtemperaturen von 23 C (1. BA), bzw. 22 C (2.BA) ergeben, die Kennlinie verschiebt sich entsprechend parallel nach oben (rechtes Bild). Auffallend sind die große Abweichungen der Kennlinie von den Messwerten im 1.BA sowie Wärmeeinträge bei hohen Außentemperaturen im 2. BA. Der geringe Heizwärmeverbrauch trotz erhöhter Raumtemperaturen im 1. BA lässt sich auf verringerte Lüftungswärmeverluste durch geringe Luftwechsel zurückführen. Aus detaillierter Analyse des Heizwärmeverbrauchs sowie CO2 Messungen in den Apartments konnte ein mittlerer Luftwechsel von ca.,2 1/h ermittelt werden. Der geringe Heizwärmeverbrauch geht so zu Lasten der Raumluftqualität. Ein Umstellen der Lüftung auf eine dauerhafte Abluft könnte Mindestluftwechsel sicherstellen, erhöht jedoch den Heizwärmeverbrauch sowie den Verbrauch an Hilfsenergie für die Lüftung. ppm : 15: 21: 3: Fenster offen ppm : 19: 1: 7: Abbildung 4 CO 2 Konzentration über 24h in einem Apartment des 1.BA (links) sowie des 2.BA (rechts). Im 1. BA ist die Grenze von 1ppm bei Anwesenheit einer Person schnell erreicht und wird anhaltend überschritten. Unkritische Werte stellen nur bei Öffnung des Fensters, also dauerhaftem Luftaustausch ein. Durch kontinuierlichen Luftwechsel im 2.BA werden dauerhaft niedrige CO 2 Konzentrationen sichergestellt.

4 Die Problematik unzureichender Luftwechsel zeichnete sich bereits kurz nach der Fertigstellung des 1. BA ab und war ein Grund, bei der Sanierung des 2. BA eine dauerhafte maschinelle Lüftung einzusetzen. Durch Einsatz einer Wärmerückgewinnung und verbesserten Wärmeschutz konnte in der Planung das Erreichen des Passivhaus- Verbrauchsniveaus nachgewiesen werden, aufgrund wirtschaftlicher und gebäudespezifischer Gegebenheiten mussten in der Ausführung jedoch Abstriche bei der Wärmerückgewinnung gemacht werden. Mit der ausgeführten Anlage ergibt sich für den 2. BA ein Heizwärmebedarf von 3 kwh/m²a. Der höhere gemessene Verbrauch ist nur begrenzt auf höhere Raumtemperaturen (aus Langzeitmessungen während der Heizperiode im Mittel 22 C) oder Fehlverhalten der Nutzer (z.b. nachts offen stehende Fenster) zurückzuführen. Regelungstechnische Probleme führten bis Mitte 25 zu überhöhten Leistungsabgaben der Badheizkörper, Verluste bei der Wärmebereitstellung im RLT Heizkreis führten zu ganzjährigen Wärmeeinträgen, unabhängig von der Außentemperatur. Die Fehlerquellen konnten im Rahmen des Messprojekts identifiziert und quantifiziert werden, durch gezielte Maßnahmen ist eine optimierte Betriebsweise zu erreichen. 3 Ökonomie Im Zweifelsfall geht trotz intensiver Beratung eine Investitionsentscheidung fast immer zu lasten der Qualität. Dieses Phänomen zeigt, welch hohen Stellenwert monetäre Entscheidungsfaktoren gegenüber nicht-monetären besitzen. Sinnvolle Maßnahmen, die dem Bauherrn als unrentabel erscheinen und nicht zwangsläufig in seinem Interessensbereich liegen, werden in der Praxis zu häufig abgelehnt. Eine durchgeführte Developer-Rechung konnte im falle der Wohnheimsanierung aufzeigen, dass die vorgenommene Maßnahme rein monetär betrachtet nicht rentabel war. Nicht-monetäre Beurteilungen (Nutzwertanalysen) verdeutlichten wiederum die relative Vorteilhaftigkeit der Entscheidung, die Gebäude weiterhin als Wohnheim zu betreiben. Da das HSW bisher nicht Rendite-orientiert kalkulieren muss (keine Gewinnerwirtschaftung), waren die Zielsetzungen und Entscheidungsgrundlagen der Baumaßnahme nicht-monetärer Art. Durch die Bereitstellung von Fördermitteln des Landes konnte die Sanierungsmaßnahme letztendlich finanziert und durchgeführt werden. Der repräsentative Wert der Gebäude ist im Hinblick auf die zukünftige sinkende Entwicklung der Studierendenzahlen sowie sinkender Nachfrage auf dem Wohnungsmarkt nicht zu unterschätzen. 3.2 Investitionen Eine Analyse und Bewertung der getätigten Investitionen wurde anhand der DIN 276 (Fassung Juni 1993) vorgenommen, da diese Methode der Kostenerfassung eine Grundlage zur Vergleichbarkeit (hier: Baukostenindex) gewährleistet. Die Angaben zu Kostenaufstellungen des HSW wurden hinsichtlich dieser Kostengliederung aufbereitet [Kramp 25]. Zur besseren Übersicht wurde auf eine Verteilung der Kosten auf die 2. und 3. Ebene der Kostengliederung verzichtet.

5 Abbildung 5 Kostenkennwerte des BKI spiegeln das durchschnittliche Baukostenniveau der BRD für die jeweilige Kategorie von Gebäudearten wieder. Das Wohnheim Neue Burse findet sich in der Gebäudeart Wohnheime, Internate wieder eine Differenzierung nach Gebäudestandards oder Neubau / Sanierung ist nicht vorgesehen. Die angegebenen Vergleichswerte beziehen sich auf Bruttokosten der Kostengruppen 3 und 4 des 1. Quartals 25. Da die Sanierung des Wohnheims noch unter den Werten des Streubereichs ( von, mittel, bis ) der BKI-Werte für die Kostengruppe 3 liegt, zeigt sich hier die Vorteilhaftigkeit der Sanierungsmaßnahme, und die damit verbundenen Einsparungen in dieser Kostengruppe [HSW und BKI 25]. Abbildung 6 Anhand der Grafik wird deutlich, zu welchem Zeitpunkt sich die getätigten Investitionen (KG 3, 4, 7) unter den angenommenen Kalkulations-Bedingungen amortisieren würden - der Schnittpunkt der Kurven mit der Zeitachse. Um die ökonomische Sonderstellung des HSW zu verdeutlichen, ist beispielhaft die Amortisation bei einer Gewinnerwirtschaftung von 6% eingetragen. In diesem Fall würden sich die Investitionen eher amortisieren, zudem weitet sich die Spanne der relativen Vorteilhaftigkeit des 2. BA mit Gewinnerwirtschaftung um 5. aus. Werden beide Kurven auf einen zeitlichen Bezugszeitpunkt gesetzt, ergibt sich ein besserer Vergleich des Zeitraums der Amortisation. Der steilere Kurvenverlauf des 2. BA zeigt die relative Vorteilhaftigkeit gegenüber dem 2. BA.

6 Um einzelwirtschaftliche Aussagen im Falle der Burse machen zu können, müssen den Aufwendungen (Nutzungskosten) Erträge (hier: Mieteinnahmen) gegenübergestellt werden. Diese Aufrechnung führt bei jährlicher Betrachtung zu Salden. Da die nutzungsspezifischen Erträge des Wohnheims die reinen Mietennahmen sind, werden keine Reinerträge erwirtschaftet. Stellt man nun diese jährlichen Salden in eine definierte zeitliche Abfolge von 25 Jahren Restnutzungsdauer, ergibt sich für die Burse (je Bauabschnitt) eine spezifische Kostenentwicklung. Die Instandsetzungen wurden auf der Grundlage veröffentlichter Werte und Herstellerangaben zur technischen Nutzungsdauer prognostiziert [Waterstrad]. Die Brechungen basieren auf einer Preissteigerungsrate von 2%, potentielle Energiepreisentwicklungen sind nach Auffassung der Autoren nur vage abzuschätzen und wurden nicht berücksichtigt. 4 Ausblick Die Untersuchung der Sanierungsmaßnahmen am Beispiel des Wohnheims Neue Burse zeigt, dass die Verwendung von Passivhauskomponenten bei der Sanierung großer Wohnkomplexe wirtschaftlich darstellbar ist, in der Planung und Ausführung aber hohe Anforderungen an die Beteiligten stellt. Der erhöhte Verbrauch des 2.BA in den ersten Betriebsjahren zeigt die Relevanz einer kontinuierlichen Kommunikation und Zielüberprüfung während der gesamten Planungsphase bis zur Inbetriebnahme sowie darüber hinaus die Information und Einbeziehung der Nutzer. Die festgestellten Fehler, die einen optimalen Betrieb verhinderten, konnten identifiziert und Korrekturen vorgenommen werden. Nutzerbefragungen und Messungen zeigen, dass der erhöhte Wärmeschutz und die kontrollierte Lüftung im Passivhaus einen Zugewinn an Komfort und Nutzerzufriedenheit mit sich bringen. [ACMS] ArchitekturContor Müller Schlüter, Hofaue Wuppertal [Riehle] Tomas Rhiele, Architekturfotograf, Eifelstraße Köln [Kramp 25] M.Sc. Arch Dipl.-Ing. Miriam Kramp, Energie und Ökonomie in Sanierungsmaßnahmen an Studentenwohnheimen am Beispiel Neue Burse, S. 39 (25) [HSW] Hochschul-Sozialwerk Wuppertal, Max-Horkheimer-Str Wuppertal [BKI 25] [Waterstrad] Baukosteninformationszentrum Deutscher Architektenkammern, Statistische Kostenkennwerte für Gebäude (1), S. 432 (25) Waterstrad, Rudolf, Seydel, Bernd, Stuhlinger, Peter, Bauträger Handbuch, S. 7 (1997)