Ökonomisch-ökologisches Gebäudelebenszyklusmodell. Economic-environmental model for the building life cycle

Transkript

1 Ökonomisch-ökologisches Gebäudelebenszyklusmodell Dipl.-Ing. Dr. Helmut Floegl, Donau-Universität Krems, Department für Bauen und Umwelt, Dipl.-Ing. Christina Ipser, Donau-Universität Krems, Department für Bauen und Umwelt Economic-environmental model for the building life cycle The authors developed the integrated economic-environmental building life cycle model LEKOECOS. This model combines the two essentially different goals of sustainability, namely the goal of economic sustainability, (i.e. the long-term affordability) with the goal of the environmental sustainability, (i.e. the life cycle calculation of resources). The developed model unifies the different structure and system architecture of the life cycle cost model LEKOS of the Danube-University Krems and the environmental tool ECOSOFT of IBO. LEKOECOS allows to calculate life cycle costs [ ] and the consumption of environmental resources [kg CO 2 -equiv] at the level of elements and services along the whole life cycle. Life cycle costs, life cycle assessment of buildings, life cycle calculation model 1. Lebenszykluskostenberechnungen als Basis für ökonomisch-ökologische Betrachtungen 1.1 Struktur der Lebenszykluskosten Die Lebenszykluskosten-Analyse (engl.: Life Cycle Cost Analysis LCCA) ist ein Sammelbegriff für eine Betrachtung aller akkumulierter Kosten eines Gebäudes von der Planung über die Errichtung, den Betrieb mit Berücksichtigung größerer Instandsetzungen bis hin zum Abbruch und der Entsorgung. Lebenszykluskosten sind aus betriebswirtschaftlicher Sicht eine Kostenflussbetrachtung aus der Perspektive der Eigennutzung. Da die Kosten zu unterschiedlichen Zeitpunkten im gesamten Lebenszyklus entstehen, wird gerne mit den Barwerten der Kosten gerechnet. Die internationale Grundlage in der Standardisierung von Lebenszykluskosten ist die ISO Sie legt eine allgemeine, für Lebenszykluskosten-Berechnungen nicht wirklich ausreichende Struktur für Kostengruppen von Lebenszykluskosten fest. Die Norm unterteilt die Lebenszykluskosten in 4 Hauptkostengruppen, Construction (entspricht den Errichtungskosten) Operation und Maintenance (entspricht den 1 ISO : Buildings and constructed assets Service life planning, Part 5, Life-Cycle Costing, 2008

2 Nutzungskosten) und End-of-life (entspricht den Objektbeseitigungs- und Abbruchskosten) und unterteilt diese Hauptgruppen in 5-9 Untergruppen. Eine fundierte Basis für Lebenszykluskostenberechnungen war erst die neue ÖNORM B Bauprojekt- und Objektmanagement - Teil 2: Objekt-Folgekosten 2. Mit Hilfe der ÖNORM B bzw. der DIN und der ÖNORM B lassen sich Lebenszykluskosten in Kostenbereiche und Kostenelemente bzw. in zwei Kostengruppenebenen untergliedern. Die mit der B vergleichbare DIN legt Kostengruppen für die Nutzungskosten im Hochbau fest, allerdings eignet sich diese Struktur nicht für die betriebswirtschaftliche Darstellung als Kostenflussberechnung. 1.2 Grundlagen für die Methode der Berechung Eine betriebswirtschaftlich korrekte Standardisierung der Berechnungsmethode für Lebenszykluskosten erfolgte durch die ÖNORM B Nach dieser Norm gilt, dass Lebenszykluskosten, diejenigen Kosten im gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes sind, die für einen Eigennutzer anfallen. Diese Kosten sollen grundsätzlich in einer Geldflussbetrachtung (Cash-Flow) dargestellt werden. Weiters ist eine Darstellung der Barwerte (Discounted Cash-Flow) möglich. Eine dritte Methode betrachtet die Errechnung zukünftiger Kosten aus Sicht der Erfolgsrechnung. Diese Betrachtung kennt keine Errichtungskosten, sondern lediglich die jährlichen Abschreibungen über den gewählten Abschreibungszeitraum und berücksichtigt Kapitalkosten, d.h. Finanzierungskosten und Zinsen. In allen Normen zu Lebenszykluskosten werden Erlöse (z.b. Strom aus Photovoltaik oder aus dem Verkauf von Wertstoffen beim Abbruch) als negative Kosten betrachtet. Nach Pelzeter 7 sollten in einer Lebenszyklusbetrachtung auch die Erlöse zu den Kosten betrachtet werden. Sie bezeichnet diese Betrachtung als Analyse des Lebenszykluserfolgs 8. Dabei sind natürlich die Erlöse aus der Gebäudenutzung vom Kerngeschäft der Nutzung abzugrenzen, wie auch die korrespondierenden Kosten aus dem Kerngeschäft nicht Teil der Lebenszykluskosten sind. 2 ÖNORM B : Bauprojekt- und Objektmanagement - Teil 2: Objekt-Folgekosten, Austrian Standards Institute, ÖNORM B : Bauprojekt und Objektmanagement - Teil 1: Objekterrichtung, Austrian Standards Institute, DIN 276-1: , Kosten im Bauwesen Teil 1: Hochbau, Deutsches Institut für Normung, DIN 18960: Nutzungskosten im Hochbau, DIN Deutsches Institut für Normung, ÖNORM B : Bauprojekt- und Objektmanagement - Teil 4: Berechnung von Lebenszykluskosten, Austrian Standards Institute Pelzeter, A.: Lebenszykluskosten von Immobilien, Hrsg: Schulte K.-W., Bone-Winkel S., Verlagsgesellschaft Rudolf Müller, Köln, ISBN , CRB und IFMA Schweiz: Lebenszykluskosten-Ermittlung von Immobilien. Teil 1: Modell, Teil 2: Tool. Herausgeber: IFMA Schweiz, vdf Hochschulverlag AG an der ETH Zürich 2011

3 2. Ökobilanzierung für Gebäude im Lebenszyklus Bei der Ökobilanzierung handelt es sich um eine Bestimmung der stoffflussverbundenen Umweltwirkungen im Verlauf des Lebensweges von Produkten und Dienstleistungen. Die Methode wurde durch Arbeiten von SETAC 9, CML 10, Nordic Guidelines on Life Cycle Assessment 11 entwickelt und schließlich in den Normen ISO und standardisiert. Nach ISO ist Life Cycle Assessment definiert als Zusammenstellung und Beurteilung der Input- und Outputflüsse und der potenziellen Umweltwirkungen eines Produktsystems (Ware oder Dienstleistung) im Verlauf seines Lebensweges. Der gesamte Lebensweg umfasst die Rohstoffgewinnung und -erzeugung, die Energieerzeugung und Materialherstellung bis hin zur Anwendung, Abfallbehandlung und endgültigen Beseitigung (ISO 14040). Bei der Erstellung einer Ökobilanz ist die Definition der funktionalen Einheit, die Gegenstand des Vergleichs ist das zentrale Element. In der Sachbilanz werden alle Input- und Outputposten aufgelistet, wobei jeder einzelne Sachbilanzposten mit verschiedenen Umweltproblemen in einem Wirkungsverhältnis stehen kann. Im Gebäudebereich können Ökobilanzen auf verschiedenen Ebenen eingesetzt werden. Sie dienen einerseits zur Identifizierung von umweltrelevanten Prozessen oder Phasen, zum Vergleich von Baustoffen und Energiebereitstellungsoptionen für die Entscheidungsfindung in der Planung, oder aber zur Bewertung des gesamten Gebäudes von der Herstellung bis zum Rückbau inklusive aller vorgelagerter Prozesse. 3. Das Projekt LEKOECOS Ökonomie und Ökologie in einem Modell 3.1 Die Ausgangssituation Das Ziel des FFG-finanzierten Projekts LEKOECOS 12 war es, ein einfach anzuwendendes Werkzeug zur Ermittlung der lebenszyklischen Ressourcenverbräuche von Gebäuden zu schaffen. Dieses Programm, das kostenlos zur Verfügung steht, ist in der Gebäudeplanung einsetzbar. 13 Es enthält ein neues Gebäudelebenszyklusmodell, das auf dem FFG-geförderten Lebenszykluskostenmodell LEKOS der Donau-Universität 14 und dem ökologischen Materialbewertungstool ECOSOFT des Österreichischen Instituts für Bauen und Ökologie (IBO) aufbaut. Je früher im Lebenszyklus ein strategisches Ressourcenmanagement erfolgt, desto effektiver ist es. Das resultierende LEKOECOS 9 Consoli et al. 1993, zitiert in Geissler Susanne: Immobilienbewertung als Instrument zur Forcierung der nachhaltigen Nutzung erneuerbarer Ressourcen (Schwerpunkt Energie) im Hochbau. Wien: Schriftenreihe des Departments Nr. 13 August Department für Bautechnik + Naturgefahren, Universität für Bodenkultur, Heijungs et al. 1992, zitiert in Geissler Lindfors et al. 1995, zitiert in Geissler Ipser, C., Floegl, H., Mötzl, H., Huemer-Kals, V., Radosch, U., Geissler, S.: Kombiniertes ökonomischökologisches Gebäudelebenszyklusmodell FFG-gefördertes Forschungsprojekt, 2014, [ Zugriff am [ Zugriff am Floegl, H. ( ) Berechnung von Lebenszykluskosten von Immobilien, Forschungsprojekt Nachhaltig massiv des Fachverbands der Stein- und keramischen Industrie der österreichischen Wirtschaftskammer, 2009

4 Gebäudelebenszyklusmodell ermöglicht die ökonomische und ökologische Optimierung bereits in der frühen Planungsphase, zu einem Zeitpunkt also, zu dem grundlegende Entscheidungen getroffen werden und noch viele Änderungsmöglichkeiten bestehen ECOSOFT ökologische Bewertung von Gebäuden Das Programm ECOSOFT wurde vom IBO entwickelt und dient zur ökologischen Bewertung von Baukonstruktionen und haustechnischen Komponenten im Bereich Neubau und Sanierung von Gebäuden. Die Grundlage der Berechnungen bildet die IBO Richtwerte-Tabelle mit ökologischen Kenndaten zu über 500 Materialien. Sie wird standardmäßig mit dem Programm mitgeliefert, es können jedoch auch andere Datensätze in das Programm eingespielt werden. Folgende ökologische Kennwerte können berechnet werden: Treibhauspotential (GWP), Versauerungspotential (AP), Bedarf an erneuerbarer und nicht erneuerbarer Energie (PEI e, PEI ne), Bildung von Photooxidantien (POCP), Eutrophierung (EP), OI3 Index (Kennzahl aus GWP, AP, PEI), Entsorgungsindikator (EI). Die Berechnungsergebnisse werden in Form eines Gebäude- Ökologieausweises übersichtlich dargestellt. Der Ermittlung dieser ökologischen Kennwerte beruht auf der genormten Methode der Ökobilanzierung (Life Cycle Assessment). Dabei werden die Umweltwirkungen von Produkten, Dienstleistungen oder Prozessen systematisch über bestimmte Lebensphasen oder über den gesamten Lebensweg ermittelt LEKOS - Lebenszykluskostenberechnung LEKOS, das Lebenszykluskostenprognosemodell für Gebäude der Donau-Universität Krems, entstand im Forschungsprojekt Lebenszykluskosten von Gebäuden. Seit 2009 wurden mit LEKOS für unterschiedliche neu errichtete und generalsanierte Wohngebäude, Bürogebäude und Geschäftszentren umfassende Analysen und Parameterstudien durchgeführt. Es wurden Lebenszykluskostenkennwerte ermittelt und daraus Planungsempfehlungen für optimierte Folgekosten generiert. 3.2 Das neue ökonomisch-ökologische Lebenszyklusmodell LEKOECOS Die Zusammenführung der unterschiedlichen Betrachtungsweisen Eine wesentliche Herausforderung des LEKOECOS-Projekts war die konsistente Zusammenführung unterschiedlicher Betrachtungsweisen. Die Lebenszykluskosten umfassen die Errichtungskosten, die Nutzungskosten und die Abbruchs- und Entsorgungskosten. Die relevanten Betrachtungsphasen sind die Planung- und Errichtungsphase sowie die Betriebs- und Nutzungsphase. Für die Bewertung der ökologischen Nachhaltigkeit von Gebäuden wird häufig jene Phase vor der Planung und Errichtung betrachtet, in der die Baustoffe und Bauteile des Gebäudes produziert werden. Aus ökologischer Sicht sind neben den übrigen Lebenszyklusphasen außerdem auch Prozesse interessant, die nach Abbruch und Entsorgung des Gebäudes stattfinden, wenn Materialien und Bauteile wiederverwendet oder rückgewonnen werden. Betrachtet man nur die Herstellung der Materialien und Baustoffe

5 von der Rohstoffgewinnung bis zur Auslieferung am Werkstor, so spricht man von einer Cradle-to-Gate-Betrachtung, während eine Ausweitung über die Planungs-, Errichtungsund Nutzungsphase bis hin zum Abbruch einer Cradle-to-Grave-Betrachtung entspricht. Schließt man den ökologischen Zyklus durch Rückgewinnung und Wieder- oder Weiterverwertung der Baurestmassen, dann spricht man von Cradle-to-Cradle Das Konzept für das Modell LEKOECOS Den unterschiedlichen Sichtweisen der Ökonomie und Ökologie entsprechend, unterscheiden sich auch die Berechnungsmodelle LEKOS und ECOSOFT grundlegend in Bezug auf ihre Datenstruktur und die verwendeten Detailniveaus. Während die Lebenszykluskostenanalyse auf einem "durch die Kostenbrille betrachteten" aggregierten Niveau erfolgt, arbeitet ECOSOFT auf der detaillierten Ebene von Elementen (Baukonstruktionen, Bauteile und Haustechnik). Eine Analyse der Basismodelle zeigte, dass das Lebenszykluskostenprogramm LEKOS nicht nur eine wesentlich komplexere Modellstruktur aufweist als das Programm ECOSOFT, sondern auch eine umfassende Betrachtung des gesamten Gebäudelebenszyklus ermöglicht. Daher wurde die Entscheidung getroffen, das LEKOECOS-Modell auf der bestehenden Modellstruktur des Lebenszykluskostenprogramms LEKOS aufzubauen und die ökologische Betrachtung mit Hilfe von Modellteilen des ECOSOFT Modells zu ergänzen. Bild 1: Kosten und Ressourcen im Gebäudelebenszyklus Bild 1 stellt die im Modell LEKOECOS erfassten Kosten und Umweltwirkungen über den gesamten Lebenszyklus schematisch dar. Die farbliche Markierung zeigt an welche bestehenden Teile der Basismodelle adaptiert und verwendet werden können, und welche Modellerweiterungen erforderlich sind. Während mit dem Lebenszykluskostenmodell LEKOS (blau) der gesamte Gebäudelebenszyklus gut abgedeckt werden kann, eignet sich das Programm ECOSOFT (grün) vor allem für die ökologische Bewertung der in Rohbau, Ausbau und in der Haustechnik enthaltenen Baustoffe und Bauteile.

6 Daher werden Modellteile ergänzt, die eine ökologische Bewertung der Lebenszyklusphasen Planung und Errichtung, Betrieb und Nutzung, sowie Abbruch und Entsorgung bzw. Recycling ermöglichen. 3.3 Der Grundelemente-Katalog Die Eingliederung von ECOSOFT in die Systematik der Kostengliederung hatte zur Folge, dass die in der Ökobilanzierung übliche Gliederung nach Bauteilen großteils aufgehoben werden musste, da die einzelnen Bauteilschichten unterschiedlichen Kostenpositionen zugeordnet werden mussten. Für die Haustechnik war die Zusammenführung besonders schwierig. Eine Heizanlage ( Wärmeversorgungsanlage ) wird gemäß ÖNORM B Bauwerk Technik in folgende Kategorien gegliedert: E3.C Wärmeversorgungsanlagen E3.C.01 Wärmeerzeugungsanlagen E3.C.02 Wärmeverteilnetze E3.C.03 Raumheizflächen E3.C.S Sonstige Wärmeversorgungsanlagen Biomassefeuerungen werden beispielsweise zu E3.C.01 Wärmeerzeugungsanlagen zugeordnet, während Leitungen und Heizkörper den weiteren Kategorien Wärmeverteilnetze und Raumheizflächen zugeordnet werden. Wollte man der Struktur der Kostensystematik von LEKOS entsprechen, so hätte man von der einfachen Eingabesystematik auf der Basis von Energieverbrauchsprofilen abgehen und einen höheren Komplexitätsgrad in Kauf nehmen müssen. Wirkungskategorie in GWP PEI ne PEI ern Einheit / MJ erzeugter Energie kg CO 2 eq MJ eq MJ eq Erdgas, in Heizkessel modulierend < 100kW 0,0725 1,1707 0,0040 Kessel und Wärmeverteilung (Herstellung und Entsorgung) 0,0003 0,0038 0,0003 Gas konventionell (Erdgas, in Heizkessel modulierend <100kW inkl. Kessel und Wärmeverteilung) 0,0727 1,1745 0,0044 Bild 2 :Beispielhafte Darstellung der Ökokennzahlen für die Wärmebereitstellung. Der Datensatz Gas konventionell in LEKOECOS enthält die Umweltwirkungen aus der Herstellung des Kessels und der Wärmeverteilung ebenso wie aus dem Betrieb des Kessels Da sich die Ökokennzahlen für Wärmeerzeugungsanlagen unterschiedlicher Leistungen auf den Lebenszyklus bezogen im Vergleich zu anderen Bauteilen wie Decken nur geringfügig unterscheiden, wurden die Arbeiten auf diesem Detailniveau nicht mehr weiterverfolgt. Stattdessen wurden die in der Basisdatenbank ecoinvent berechneten durchschnittlichen Anlagen direkt in die Betriebsenergiemodule eingerechnet. (Bild 2)

7 3.4 Das Modell Da in der frühen Planungsphase typischerweise kaum genaue Daten zur Gebäudequalität vorhanden sind, wurden die notwendigen Eingabewerte pauschal in 3 Gebäudeklassen, nämlich niedrige, mittlere und hohe Gebäudequalität zusammengeführt. Diesen Qualitäten sind verschiedene Gebäudekonzepte und Kosten zugeordnet, die bei Auswahl einer Qualität aktiviert werden. Das ermöglicht die Anwendung der Tools ohne viel Detailwissen. Die Grundidee des Modells zur Abschätzung der betriebsbezogenen Umweltwirkungen im LEKOECOS-Modell besteht darin, vorgefertigte Energie-Szenarien zu definieren, welche mit hinterlegten Energieverbrauchswerten verknüpft sind. Damit wird das einfach anzuwendende Konzept von LEKOS beibehalten und gleichzeitig die Ausgabe detaillierter ökologischer Kennzahlen ermöglicht. Für weitere Details sei auf das Handbuch 15 und auf den Ergebnisbericht verwiesen. 4. Lebenszykluskosten und Umweltwirkungen für das Bürogebäude Aspern IQ 4.1 Das Gebäude Aspern IQ Bild 3: Bürogebäude AspernIQ, Quelle: Kurt Kuball Das im Rahmen des BMVIT-Forschungsprogramms "Haus der Zukunft" geförderte Bürogebäude Aspern IQ steht für die Umsetzung neuester bautechnischer Möglichkeiten. Als Plusenergie-Immobilie erzeugt das Gebäude mit seiner m² großen Photovoltaikanlage (140 kwp) im Jahresschnitt mehr Energie als es verbraucht. Zugleich bietet das Gebäude einen hohen Nutzerkomfort und erfüllt höchste Anforderungen an Nachhaltigkeit. Es wurde in Stahlbetonbauweise mit Ökobeton errichtet, der 80 Prozent weniger Kohlendioxid-Emissionen verursacht und ist völlig PVC frei. 15 Handbuch Kombiniertes ökonomisch-ökologisches Gebäudelebenszyklusmodell [ Zugriff: am

8 4.2 Die Ergebnisse Der Vergleich der Kosten und Umweltwirkungen aus der Errichtung mit den Kosten und Umweltwirkungen aus Nutzung und Betrieb ergibt, dass die Errichtungskosten des Bürogebäudes [E0-E9], gemessen in EUR, kg CO 2 eq. (GWP 100) oder MJ (PEI n.e.), immer unter 50 % der Gesamtkosten bzw. der gesamten Umweltwirkungen über den betrachteten Gebäudelebenszyklus von 36 Jahren liegen (vgl. Bild 4). Bild 4: Aspern IQ Bürogebäude, Gegenüberstellung der Kosten und Umweltwirkungen aus Errichtung [E1-E9] und Nutzung und Betrieb [F1-F9] (inkl. Abbruch und Entsorgung) über den Gebäudelebenszyklus von 36 Jahren, Quelle: LEKOECOS für Berechnung und Erstellung auf Basis von zur Verfügung gestellten Daten eines Bürogebäudes. Gemessen in EUR, verursachen Reinigung und Pflege [F4] sowie Gebäudedienste [F6] und Instandsetzung, Umbau [F7] bei der Berechnung des Bürogebäudes die höchsten Folgekosten. Verwaltung [F1], Sicherheit [F5] und Objektbeseitigung, Abbruch [F9] bewirken demgegenüber relativ niedrige Folgekosten. (vgl. Bild 5) Während der Nutzung und des Betriebs ist die Ver- und Entsorgung des Niedrigst- Energie-Bürogebäudes mit Abstand sowohl für die höchsten CO 2 -Emissionen als auch für den höchsten Primärenergieinput verantwortlich (vgl. Bild 6 und Bild 7). Die Umweltwirkungen aus der Hauptgruppe Ver- und Entsorgung reichen beinahe an die Umweltwirkungen aus der Errichtung des Gebäudes heran.

9 Bild 5: Aspern IQ Bürogebäude Summe Errichtungskosten [E1-E9] und Folgekosten getrennt nach Hauptkostengruppen [F1-F9], Quelle: LEKOECOS für Berechnung und Erstellung auf Basis von zur Verfügung gestellten Daten eines Bürogebäudes Bild 6: Aspern IQ Bürogebäude Treibhausgasemissionen (GWP 100) Summe Errichtung [E1-E9] und getrennt nach Folgekostengruppen [F1-F9], Quelle: LEKOECOS für Berechnung und Erstellung auf Basis von zur Verfügung gestellten Daten eines Bürogebäudes

10 Bild 7:Aspern IQ Bürogebäude Primärenergie nicht erneuerbar (PEI n.e.) Summe Errichtung [E1-E9] und getrennt nach Folgekostengruppen [F1-F9], Quelle: LEKOECOS für Berechnung und Erstellung auf Basis von zur Verfügung gestellten Daten eines Bürogebäudes 5. Schlussfolgerungen A: Die Gebäudefolgekosten betragen ein Vielfaches der Errichtungskosten In zahlreichen Forschungsprojekten, die sich mit einer lebenszyklischen Betrachtung von Gebäuden beschäftigt haben, stellte sich heraus, dass für einen Betrachtungszeitraum von ca. 40 Jahren die Folgekosten für Bürogebäude das Drei- bis Sechsfache 16 der Errichtungskosten betragen. Beim Bürogebäude Aspern IQ zeigte sich bei einem Zeitraum von 36 Jahren ein Verhältnis Errichtungskosten zu Folgekosten von ca. 1:3. B: Die Errichtung verursacht nur einen Teil der lebenszyklischen Umweltwirkungen von Gebäuden Die Umweltwirkungen aus der Errichtung sind beim Aspern IQ kleiner als 50 % der der gesamten lebenszyklischen Umweltwirkungen (Betrachtungszeitraum von 36 Jahren) C: Erste Nachhaltigkeits-Validierung neuer Gebäude bereits in der Planung LEKOECOS bietet eine erste Validierung über die Erreichung ökonomischer und ökologischer Nachhaltigkeitsziele für neue Fassaden und Haustechnikkonzepte bereits zum frühestmöglichen Zeitpunkt ihres Einsatzes in konkreten Projekten. 16 Floegl, H.: Berechnung von Lebenszykluskosten von Immobilien, Forschungsprojekt Nachhaltig massiv des Fachverbands der Stein- und keramischen Industrie der Wirtschaftskammer Österreich,