K. Siraki. Bewertung von Wohngebäuden unter Lebenszyklusaspekten LEE 17. Schriftenreihe des Lehrstuhls für Energiesysteme und Energiewirtschaft

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1 K. Siraki Bewertung von Wohngebäuden unter Lebenszyklusaspekten LEE 17 Schriftenreihe des Lehrstuhls für Energiesysteme und Energiewirtschaft

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3 Bewertung von Wohngebäuden unter Lebenszyklusaspekten Dissertation zur Erlangung des Grades Doktor-Ingenieurin der Fakultät für Maschinenbau der Ruhr-Universität Bochum von Klara Siraki aus Kikinda, Jugoslawien (heutiges Serbien) Bochum 2007

4 2 Inhaltsverzeichnis Dissertation eingereicht am: Tag der mündlichen Prüfung: Erster Referent: Zweiter Referent: Prof. Dr.-Ing. H.-J. Wagner Prof. Dr.-Ing. F.-D. Heidt 2007 Selbstverlag des Lehrstuhls für Energiesysteme und Energiewirtschaft, Ruhr-Universität Bochum, Bochum ISBN Diese Publikation wurde gefördert vom Institut für Energie-, System-, Material- und Umwelttechnik e.v. (EMU), Bochum.

5 Kurzfassung Kurzfassung Der hohe Endenergiebedarf für die Bereitstellung von Raumwärme hat in Deutschland dazu geführt, dass durch Einführung verschärfter gesetzlicher Vorschriften der Heizwärmebedarf bei Neubauten deutlich gesenkt werden konnte. Die Senkung des Heizwärmebedarfs geht mit niedrigerem Primärenergiebedarf und niedrigeren Brennstoffkosten während der Nutzung des Gebäudes einher. Gleichzeitig verursachen gut gedämmte Gebäudehüllen einen erhöhten Primärenergieeinsatz und höhere Investitionskosten bei der Erstellung der Gebäude, bedingt durch den erhöhten Dämmstoffeinsatz. Hieraus ergibt sich, dass für einen genaueren ökologischen und ökonomischen Vergleich von Gebäuden eine ganzheitliche Betrachtung aller Lebenszyklusphasen von der Herstellung über die Nutzung bis zur Entsorgung notwendig ist. Dieser Notwendigkeit wird in vorliegender Untersuchung nachgegangen. Am Beispiel einer ausgewählten Gebäudegeometrie erfolgt zunächst die Bestimmung aller im Lebenszyklus des Gebäudes entstehenden Primärenergieaufwendungen, CO 2 -Emissionen und Kosten. Dabei werden Gebäudekonzepte mit unterschiedlichen energetischen Qualitäten (sog. Energieklassen) unter Berücksichtigung einer Vielzahl von Bauausführungsvarianten, Wärmeerzeugersystemen und innovativen Techniken betrachtet. Für den Vergleich unterschiedlicher Gebäudeausführungen erfolgt eine Bewertung mittels Kosten-Umweltbelastungs-Diagrammen, wobei die Umweltbelastung eine gewichtete Kennzahl aus dem verursachten Primärenergieverbrauch und den damit verbundenen CO 2 -Emissionen darstellt. Diese Bewertung erlaubt die Identifizierung von Wohngebäuden, die sowohl aus ökologischem als auch ökonomischem Aspekt optimale Lösungen darstellen. Aus der Bewertung ergibt sich nahezu für jede Gebäudeenergieklasse ein Optimum, welches die günstigste Kombination aus Materialeintrag in die Gebäudehülle (Herstellung), Brennstoffverbrauch in der Nutzungsphase und der Entsorgung des Gebäudes darstellt. Bei Gebäuden mit höheren Heizwärmeverlusten werden optimale Varianten durch den Einsatz von Wärmepumpenund Holzpelletkesselsystemen erreicht. Dabei fallen hohe Investitionskosten der Anlagentechnik nicht so sehr ins Gewicht, da die Brennstoffkosteneinsparungen in der Nutzungsphase überwiegen. Für sehr gut gedämmte Gebäude dagegen eignen sich diese Systeme nicht. Die hohen Investitionskosten werden den Brennstoffkosteneinsparungen nicht gerecht. Bei diesen Gebäuden steht eher die Auswahl der Baummaterialien im Vordergrund. Die günstigste Lösung über alle Energieklassen stellt das Passivhaus dar. Das Gebäude weist einen extrem niedrigen Primärenergieverbrauch und somit niedrige Verbrauchskosten insbesondere durch den Einsatz von Lüftungskompaktgeräten auf...

6 Abstract Abstract The high demand of final energy for the supply of residential space heating led to more strigent building codes in Germany which limit the thermal heat demand for new buildings. A decrease of thermal heat demand means a lower final energy demand and consequently lower fuel costs during the building s utilisation phase and is obtained by a better insulation of the building shell. On the other side, an improved insulation standard requires a higher input of primary energy and investment costs during the construction phase of the building, due to higher input of insulation material. The fact that a decrease of energy demand and fuel costs during the utilization phase on the one side faces an increase of energy demand as well as investment costs on the other side reveals that a more accurate comparison of buildings under energy and economical aspects requires a holistic view of all life cycle phases, which includes production, operation and disposal. This thesis presents an approach considering this requirement. Based on a special building geometry as example, the primary energy demand, carbon dioxide emissions as well as costs, which arise during the life cycle are being evaluted. Considering various building concepts with different energy performances (so-called energy classes), configurations and heating systems are evaluated and compared in consideration of their costs and environmental impact. The evaluation of different building variants is done by so-called costs-environment-impact-diagrams, whereas the environmental impact represents a figure built up by the primary energy demand and the corresponding carbon dioxide emissions. Buildings, representing an optimal solution for ecological as well as economical purposes, can be found in the lower left quadrant. Based on this evaluation, an optimal solution for almost all building variants can be identified, which result from the most advantageous combinations of material input into the building shell (production), fuel consumption during utilisation and disposal of the building. For buildings with a high thermal heat loss, optimal results can be obtained by the application of heat pumps and wood pellet boilers. The high investment costs for this system are of minor relevance, as fuel savings during the utilisation phase prevail. For buildings of high insulation standard, these systems are not applicable, because the fuel savings cannot outweigh the high investment costs. For these building variants, the choice of insulation materials is of higher importance. The passive house represents the most advantageous solution for all energy classes. This building variant has an extremely low primary energy demand and consequently low operation costs particularly due to the application of compact ventilation appliances.

7 Inhaltsverzeichnis i Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis...i Abbildungsverzeichnis...iv Tabellenverzeichnis...vii Tabellenverzeichnis Anhang...ix Abkürzungsverzeichnis...xi 1 Einleitung Problemstellung und Vorarbeiten Zielsetzung der Arbeit Aufbau der Arbeit Untersuchungsrahmen und Bilanzierungsmethodik Untersuchungsrahmen Das System Wohngebäude Lebenszyklus von Gebäuden und Bilanzgrenzen Allgemein Annahmen, Einschränkungen und Bilanzgrenzen Bilanzierung des Kumulierten Energieaufwands und der damit verbundenen CO 2 - Emissionen Methodik Vorgehensweise der Bilanzierung und Datenherkunft Lebenszykluskostenanalyse Bilanzierungsmethode Methodik der Kostenerfassung und Aufteilung auf die Lebenszyklusphasen Methodik der Kostenberechnung Vorgehensweise der Bilanzierung und Datenherkunft Ökoeffizienz Methodik...24

8 ii Inhaltsverzeichnis Anwendung auf Gebäude Beschreibung des untdrsuchten Systems Charakterisierung und Komponenten der Gebäudehülle Charakterisierung der Gebäudehülle durch U-Werte Beschreibung der Bauteile und Baumaterialien der Gebäudehülle Charakterisierung der technischen Anlagen Erstellung einer Gebäudevariantenmatrix Energieklassen der Gebäudehülle Ausführungsvarianten der Gebäudehülle in Abhängigkeit der Energieklasse Betrachtete Varianten der Anlagentechnik Gebäudevariantenmatrix Ermittlung der Material- und Betriebsenergiemengen der betrachteten Gebäudevarianten Ermittlung und Darstellung von Materialgerüsten ausgewählter Gebäudehüllevarianten Vorgehensweise bei der Materialmengenermittlung Gesamtmaterialmengen ausgewählter Gebäudehüllevarianten im Vergleich Gesamtmassen und Nutzungsdauer der betrachteten technischen Anlagen Bilanzierte Betriebsenergiemengen der Gebäudevarianten Berechnungsergebnisse aus den Lebenszyklusanalysen Ergebnisse der Lebenszyklusanalysen hinsichtlich Primärenergie und CO 2 - Emissionen Kumulierter Energieaufwand und CO 2 -Emissionen ausgewählter Gebäudehüllevarianten Kumulierter Energieaufwand und CO 2 -Emissionen ausgewählter Anlagenvarianten in Abhängigkeit der Energieklasse Ergebnisse der Lebenszykluskostenanalyse Lebenszykluskosten von Gebäudehüllen Lebenszykluskosten der Anlagentechnik Zusammenfassung der Lebenszyklusbetrachtungen Sensitivitätsanalyse der einzelnen Lebenszyklusbetrachtungen...104

9 Inhaltsverzeichnis iii 6 Bewertung und Vergleich der Gebäudevarianten sowie Schlussfolgerungen Bewertung der Gebäudevarianten mit Kosten-Umweltbelastungs-Diagrammen Schlussfolgerungerungen Sensitivitätsanalyse der Kosten-Umweltbelastungsuntersuchungen Zusammenfassung Ergebnisse Ausblick Glossar Literaturverzeichnis Anhang

10 iv Abbildungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Abbildung 2.1: Geometrie und Flächendaten der Referenzgebäudehülle...6 Abbildung 2.2: Betrachtete Gebäudelebensphasen und deren Inhalte...8 Abbildung 2.3: Darstellung der Wärmebilanz des Gebäudes...14 Abbildung 2.4: Schematische Darstellung eine Kosten-Umweltbelastungs-Diagramms...26 Abbildung 3.1: Schematische Darstellung einer einschaligen Außenwand...29 Abbildung 3.2: Energiebilanz eines Fensters und ihre Kenngrößen /RWE 2004/...35 Abbildung 3.3: Zusammenhang zwischen Ug-Wert, Beschichtung und Scheibenzwischenraum (Emissionsgrad der Beschichtung ε = 0,05) /RWE 2004/ Abbildung 3.4: Beispielhafte Darstellung der Gebäudesystemtechnik - Zusammenwirken von Busleitung und Stromversorgung /RWE 2004/...41 Abbildung 3.5: Vorgehensweise bei der Erstellung der Gebäudevariantenmatrix...52 Abbildung 4.1: Gesamtmenge der verbauten Materialien in kg für verschiedene Gebäudehülleausführungen sowie Gebäudehülle Energieklassen...58 Abbildung 4.2: Menge der in der Gebäudehülle verbauten Materialien aufgeteilt auf die einzelnen Bauteile für verschiedene Mauerwerkstypen und Dämmstoffe am Beispiel der Energieklasse D Abbildung 4.3: Bodenplattengrößen in m² abhängig vom Mauerwerkssteinformat, Energieklasse der Gebäudehülle sowie Dämmstoffart...61 Abbildung 4.4: Brennstoff- und Hilfsstrombedarf der Gebäudevarianten mit Fensterlüftung (ohne Lüftungsanlage) und unterschiedlichen Energieklassen sowie Wärmeerzeugungssystemen...69 Abbildung 4.5: Vergleich des Betriebsenergiebedarfs von Gebäudevarianten mit unterschiedlichen Energieklassen, Wärmeerzeugersystemen sowie Lüftungsarten...71 Abbildung 4.6: Vergleich des Betriebsenergiebedarfs von Gebäudevarianten mit unterschiedlichen Regelungskonzepten für Heizungsregelung am Beispiel vom Brennwertgerät...72 Abbildung 4.7: Vergleich des Betriebsenergiebedarfs von Gebäudevarianten mit unterschiedlichen Regelungskonzepten für Heizungs- und Lüftungsregelung am Beispiel vom Brennwertgerät...73 Abbildung 4.8: Vergleich des Betriebsenergiebedarfs von Gebäudevarianten mit Passivhausstandard (Gebäudeenergieklasse D5 und Raumwärmebereitstellung über die Lüftungsanlage)...74

11 Abbildungsverzeichnis v Abbildung 5.1: Minimaler und maximaler Gesamt-KEA der Gebäudehüllen der Energieklassen D1 bis D Abbildung 5.2: Aufteilung des KEA H auf die Baustoffe und Baustellenprozesse für ausgewählte Varianten der Energieklassen D1 und D Abbildung 5.3: Gesamt-KEA der Gebäudehüllen für die Energieklassen D1, D3 und D Abbildung 5.4: Minimale und maximale CO 2 -Emissionen verursacht durch die Gebäudehüllen der Energieklassen D1 bis D Abbildung 5.5: Gesamt-CO 2 -Emissionen der Gebäudehüllen für die Energieklassen D1, D3 und D Abbildung 5.6: Gesamt-KEA von Wärmeversorgungsvarianten der Energieklassen D1, D3 und D5 im Vergleich...86 Abbildung 5.7: Gesamt-KEA der Wärmeversorgungsvarianten des Passivhauses im Vergleich zu den Energieklasse D1 und D Abbildung 5.8: Gesamt-CO 2 -Emissionen von Wärmeversorgungsvarianten der Energieklassen D1, D3 und D5 im Vergleich...89 Abbildung 5.9: Gesamt-CO 2 -Emissionen der Wärmeversorgungsvarianten des Passivhauses im Vergleich zu den Energieklassen D1 und D Abbildung 5.10: Lebenszykluskosten von Gebäudehüllen der Energieklassen D1, D3 und D Abbildung 5.11: Aufteilung der Investitionskosten auf die Bauteile der Gebäudehülle...93 Abbildung 5.12: Lebenszykluskosten von Wärmeversorgungsvarianten der Energieklassen D1, D3 und D5 im Vergleich...95 Abbildung 5.13: Investitionskosten der Anlagensysteme im Vergleich...96 Abbildung 5.14: Lebenszykluskosten von Passivhaus-Wärmeversorgungsvarianten im Vergleich zu den Energieklassen D1 und D Abbildung 5.15: Bandbreiten und arithmetischen Mittelwerte der verursachten Kumulierten Energieaufwendungen im gesamten Lebenszyklus der betrachteten Gebäudeenergieklassen Abbildung 5.16: Bandbreite und Mittelwerte der verursachten CO 2 -Emissionen im gesamten Lebenszyklus der betrachteten Gebäudeenergieklassen Abbildung 5.17: Bandbreite und Mittelwerte der entstehenden Kosten im gesamten Lebenszyklus der betrachteten Gebäudeenergieklassen Abbildung 5.18: Einfluss von Unsicherheiten der verwendeten KEA-Datensätze auf den Gesamtlebenszyklus Abbildung 5.19: Einfluss von Unsicherheiten des Kalkulationszinssatzes sowie der

12 vi Abbildungsverzeichnis Abbildung 6.1: Abbildung 6.2: Abbildung 6.3: Abbildung 6.4: Abbildung 6.5: Abbildung 6.6: Abbildung 6.7: Energiepreissteigerungen auf die Lebenszykluskosten Kosten-Umweltbelastungs-Diagramm der Energieklasse D Kosten-Umweltbelastungs-Diagramm der Energieklasse D Kosten-Umweltbelastungs-Diagramm der Energieklasse D Kosten-Umweltbelastungs-Diagramm der Energieklasse D Kosten-Umweltbelastungs-Diagramm der Energieklasse D Kosten-Umweltbelastungs-Diagramm des Passivhauses Auswirkungen einer jährlichen Energiepreissteigerungsrate von 5 % auf die Bewertungen mit Kosten-Umweltbelastungs-Diagrammen...125

13 Tabellenverzeichnis vii Tabellenverzeichnis Tabelle 2.1: Phasen im Gebäudelebenszyklus /HERZOG 2005/...7 Tabelle 2.2: Kostengruppen nach DIN Tabelle 2.3: Einteilung der Lebenszykluskosten von Gebäuden...18 Tabelle 2.4: Verfahren der Investitionsrechnung...19 Tabelle 2.5: Kalkulationszinssatz und Preissteigerungen als Basis für die Kapitalwertberechnung...21 Tabelle 2.6: Aufteilung und Abgrenzung der betrachteten Kosten...22 Tabelle 3.1: Materialeigenschaften der bilanzierten Außenwandbestandteile ohne Dämmstoff (bezogen auf 1 m² Außenwand)...30 Tabelle 3.2: Materialeigenschaften der bilanzierten Dämmstoffe...32 Tabelle 3.3: Materialzusammensetzung und Materialeigenschaften der Bodenplatte ohne Dämmstoff (bezogen auf 1 m² Bodenplatte)...33 Tabelle 3.4: Materialzusammensetzung und Materialeigenschaften der Geschoßdecken (bezogen auf 1 m² Bauteilfläche)...33 Tabelle 3.5: Materialzusammensetzung und Materialeigenschaften der Dachkonstruktion ohne Dämmstoff (bezogen auf 1 m² Dachfläche)...34 Tabelle 3.6: Eigenschaften der untersuchten Fensterkonstruktionen...36 Tabelle 3.7: Übersicht der betrachteten Anlagentechnik für Raumwärme- und Warmwasserbereitstellung...37 Tabelle 3.8: Übersicht der Anlagenkombinationen für das Passivhaus...40 Tabelle 3.9: Komponenten des EIB-Systems für die betrachteten Regelungskonzepte (R1, R2, R3)...44 Tabelle 3.10: Betrachtete Energieklassen der Gebäudehülle und die Wärmedurchgangskoeffizienten ihrer Bauteile...46 Tabelle 3.11: Gebäudehüllekombinationen zwischen Energieklasse, Mauerwerkstyp und Dämmstoff...48 Tabelle 3.12: Wärmeversorgungsvarianten in Abhängigkeit der Energieklasse...49 Tabelle 3.13: Gebäudevarianten durch Kombination der Energieklasse der Gebäudehülle mit der Anlagentechnik eines Passivhauses...51 Tabelle 4.1: Ermittlung der Gesamtmaterialmengen am Beispiel einer Porenbetonsteinaußenwand der Energieklassen D1 und D5 mit verschiedenen Dämmstoffen gedämmt...54 Tabelle 4.2: Ermittlung der Gesamtmaterialmengen am Beispiel einer Bodenplatte für ein Gebäude mit Porenbetonsteinaußenwand mit 30cm Mauersteinen und

14 viii Tabellenverzeichnis der Energieklassen D1 und D5 mit verschiedenen Dämmstoffen gedämmt...55 Tabelle 4.3: Ermittlung der Gesamtmaterialmengen für die Dachkonstruktion am Beispiel zweier Energieklassen...57 Tabelle 4.4: Gesamtmasse und Nutzungsdauern der Anlagensysteme zur Raumwärmeund Warmwasserversorgung...64 Tabelle 4.5: Gesamtmasse und Nutzungsdauer der betrachteten Wärmeverteil- und Wärmeübergabesysteme...66 Tabelle 4.6: Gesamtmasse und Nutzungsdauer der betrachteten Lüftungssysteme...66 Tabelle 4.7: Gesamtmassen der Gebäudesystemtechnik in Abhängigkeit des Regelungskonzeptes...67

15 Tabellenverzeichnis Anhang ix Tabellenverzeichnis Anhang Tabelle A 1: Spezifischen KEA-Werte und CO 2 -Emissionen von Baustoffen Tabelle A 2: Spezifischen KEA-Werte und CO 2 -Emissionen von Dämmstoffen Tabelle A 3: Spezifische KEA-Werte und CO 2 -Emissionen von Transport-, Baustellen und Entsorgungsprozessen Tabelle A 4: Bereitstellungsfaktoren und CO 2 -Emissionen von Energieträgern Tabelle A 5: Spezifischen KEA-Werte und CO 2 -Emissionen von unterschiedlichen Fensterkonstruktionen Tabelle A 6: KEA-Werte und CO 2 -Emissionen der betrachteten Wärmeerzeugungssysteme Tabelle A 7: KEA-Werte und CO 2 -Emissionen der betrachteten Wärmeverteil- und Wärmeübergabesysteme Tabelle A 8: KEA-Werte und CO 2 -Emissionen der betrachteten Lüftungssysteme Tabelle A 9: KEA-Werte und CO 2 -Emissionen der betrachteten Solar- und Speichersysteme Tabelle A 10: KEA-Werte und CO 2 -Emissionen der Gebäudesystemkomponenten Tabelle B 1: Massenbilanz der Außenwände aus Kalksandstein Tabelle B 2: Massenbilanz der Außenwände aus Porenbetonstein Tabelle B 3: Massenbilanz der Dachkonstruktionen Tabelle B 4: Massenbilanz der Bodenplatten Tabelle B 5: Massenbilanz der Geschoßdecken und der Innenwände Tabelle B 6: Gesamtflächen der Bodenplatten in Abhängigkeit der Außenwandtypen Tabelle B 7: Bilanz des Erdaushubes in Abhängigkeit der Außenwandtypen Tabelle B 8: Betonmengen für die Bodenplatte in Abhängigkeit der Außenwandtypen Tabelle C 1: Investitionskosten der Gebäudehüllen in T Tabelle C 2: Nutzungskosten der Gebäudehüllen in T Tabelle C 3: Entsorgungskosten der Gebäudehüllen in T Tabelle C 4. Investitionskosten der Anlagentechnik in T Tabelle C 5. Ersatzkosten der Anlagentechnik in T Tabelle C 6: Brennstoffkosten der Anlagentechnik in T Tabelle C 7: Hilfsstromkosten der Anlagentechnik in T Tabelle C 8: Betriebskosten der Anlagentechnik in T Tabelle C 9: Entsorgungskosten der Anlagentechnik in T...162

16 x Tabellenverzeichnis Anhang Tabelle D 1: Gesamt-KEA (Herstellung, Nutzung, Entsorgung) der Gebäudehüllen Tabelle D 2: Gesamt-CO 2 -Emissionen (Herstellung, Nutzung, Entsorgung) der Gebäudehüllen Tabelle D 3: KEA-Gesamt (Herstellung, Nutzung, Entsorgung) der Anlagentechnik Tabelle D 4: Gesamt-CO 2 -Emissionen (Herstellung, Nutzung, Entsorgung) der Anlagentechnik Tabelle D 5: KEA-Gesamt (Herstellung, Nutzung, Entsorgung) der Anlagentechnik des Passivhauses Tabelle D 6: CO 2 -Emissionen (Herstellung, Nutzung, Entsorgung) der Anlagentechnik des Passivhauses...167

17 Abkürzungsverzeichnis xi Abkürzungsverzeichnis Abkürzung Bezeichnung 1a Gas-Brennwertgerät 1b Gas-Niedertemperaturkessel 1c Holzpelletkessel 1d Wärmepumpe 2 Gas-Brennwertgerät mit Solaranlage zur Warmwasserbereitstellung 3 Gas-Brennwertgerät mit Solaranlage zur Heizungsunterstützung A Wärmeversorgungsvariante für das Passivhaus a t B BASF BCSD BKI BMWi C CO 2 d D1 bis D5 DC Auszahlungen zum Zeitpunkt t Wärmeversorgungsvariante für das Passivhaus Badische Anilin- & Soda-Fabrik AG Business Council for Sustainable Development Baukosteninformationszentrum Deutscher Architektenkammern Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie Wärmeversorgungsvariante für das Passivhaus Kohlendioxid Dicke des Baumaterials Energieklassen der Gebäudehülle Gleichstrom (direct current) DIN Deutsches Institut für Normung e. V. EIB European Installation Bus EnEV Energieeinsparverordnung EPS Expandiertes Polystyrol e t F1 bis F5 FH FL GEFMA g-wert h e h i HK i Einzahlungen zum Zeitpunkt t Energieklassen der Fenster Fußbodenheizung (Flächenheizung) Flachsdämmplatten German Facility Management Association Energiedurchlassgrad Wärmeübertragung vom Bauteil auf die Außenluft Wärmeübertragung von der Innenluft auf den Bauteil Heizkörpersystem Kalkulationszinssatz

18 xii Abkürzungsverzeichnis ISO International Organisation for Standardisation KEA Kumulierter Energieaufwand KEA E Kumulierter Energieaufwand der Entsorgung KEA H Kumulierter Energieaufwand der Herstellung KEA N Kumulierter Energieaufwand der Nutzung KG Kostengruppen nach DIN 276 (1993) und DIN (1999) KO Korkfaserplatten KS Kalksandstein KW Kapitalwert LCA Life cycle assessment MF Mineralfaserplatten ÖNORM Österreichische Normungsinstitut P Proportional PBS Porenbetonstein PE Polyethylen PH Passivhaus PI Proportional-Integral PS Polystyrolplatten PU Polyurethan-Hartschaumplatten PVC Polyvinylchlorid Q h,b Heizwärmebedarf Q sink Wärmesenken Q source Wärmequellen Nutzenergiebedarf für Trinkwasser Q w,b Q. Infiltration Q. Transmission Q. Lüftung. Q int ern Q. Solar R1 bis R3 SW t U-Wert U W -Wert V Infiltrationswärmeverluste Transmissionsverluste Lüftungsverluste Interne Wärmegewinne Solare Wärmegewinne Regelungskonzepte mit Gebäudesystemtechnik Schafwolldämmplatten Zeit Wärmedurchgangskoeffizient Wärmedurchgangskoeffizient von Fensterkonstruktionen Vornorm

19 Abkürzungsverzeichnis xiii VDI VIP VoFi WBCSD WICE WRG WSVO YCYM Z ZF η λ ε Verein Deutscher Ingenieure Vakuum-Isolations-Paneel Vollständiger Finanzplan World Business Council for Sustainable Development World Industry Council for the Environment Wärmerückgewinnung Wärmeschutzverordnung Typenkurzzeichen für Busleitung Zahlungen Zellulosefaserdämmplatten Ausnutzungsgrad der Wärmequellen Wärmeleitfähigkeit Langwelliger Emissionsgrad einer Oberfläche

20 xiv

21 Einleitung 1 1 Einleitung 1.1 Problemstellung und Vorarbeiten Im Gebäudebereich liegt ein großes Potential zur Energieeinsparung und somit zur Reduktion des Ressourcenverbrauchs sowie der CO 2 -Emissionen. So betrug 2005 der Endenergieverbrauch in Deutschland 317,3 Mio. t SKE. Rund 30 % davon entfallen auf die Haushalte. Der Endenergieverbrauch in den Haushalten setzt sich wiederum zu knapp 74 % aus der Erzeugung von Raumwärme zusammen, 12 % entfallen auf Warmwasserbereitung, 4 % auf sonstige Prozesswärme, 8 % auf mechanische Energie und ca. 2 % auf Beleuchtung /VDEW 2007/. Es zeigt sich deutlich, dass die Bereitstellung von Raumwärme den größten Beitrag zum Energieverbrauch in Wohngebäuden leistet und für diesen Bereich somit das größte Einsparpotential an Primärenergie und CO 2 -Emissionen darstellt. Durch die verschiedenen immer weiter verschärften Verordnungen wurde der Wärmebedarf neuer Gebäude in den letzten Jahren erheblich verringert. Die bis 2002 geltende Wärmeschutzverordnung (WSVO) schrieb für Neubauten einen Heizwärmebedarf von maximal 100 kwh/(m²a) vor /WSVO 1994/. Diese Verordnung wurde von der Energieeinsparverordnung (EnEV) abgelöst und ist, in Form einer 2. Novelle, heute noch gültig. Im Gegensatz zur Wärmeschutzverordnung 95 fordert die aktuelle Fassung der EnEV eine Begrenzung des für den Heizwärme und Warmwasser benötigten Primärenergiebedarfs in Abhängigkeit der Gebäudegeometrie /ENEV 2004/. Dabei wird erstmalig neben der Gebäudehülle auch die Bewertung der Anlagentechnik mit einbezogen. Es werden also nicht nur der Heizwärmebedarf des Gebäudes bilanziert, sondern auch die Verluste der Anlagentechnik mitberücksichtigt. Dies bietet die Möglichkeit, eine schlechte Dämmung mit einer effizienter Wärmebereitstellung auszugleichen und umgekehrt. Die primärenergetische Bewertung der EnEV berücksichtigt jedoch nur die zur Beheizung und Warmwasserbreitstellung benötigten Energieträger, zieht also nur die Nutzungsphase des Gebäudes mit ein. Der Ressourcenverbrauch und die damit verbundene CO 2 -Emissionen, die durch die Erstellung und Entsorgung des Gebäudes verursacht werden, gehen nicht in die Bewertung ein. Diese Umweltauswirkungen können jedoch insbesondere dann sehr hoch ausfallen, wenn das Gebäude die Primärenergieanforderungen nach /ENEV 2004/ durch eine bessere Dämmung erfüllen soll. Hierdurch werden deutlich höhere Baustoffmengen verbaut, was den Primärenergieeintrag in die Gebäudehülle erhöht. Daher besteht hier die Notwendigkeit zur Berücksichtigung dieser Größen. Hinzu kommt, dass aus Kostengesichtspunkten, für den Nutzer des Gebäudes in erster Linie die Investitionskosten von Bedeutung sind. Die in der Nutzungsphase entstehenden Kosten, vorwiegend durch den Brennstoffeinsatz verursacht, finden bei der Planung kaum Berücksichtigung.

22 2 Einleitung Nach gängiger Praxis erhalten meist die jeweils kostengünstigsten Erstellungsvarianten bei der Gebäudeplanung die Zustimmung des Bauherrn. Grund dafür ist oftmals die unzureichende Kenntnis über die Wertung und Quantifizierung ergänzender Entscheidungskriterien, wie z.b. die Betriebs-, Instandhaltungs- und Abbruchkosten (Folgekosten). Betrachtet man jedoch die Kosten eines Gebäudes über den gesamten Lebenszyklus genauer, so wird deutlich, dass ein erheblicher Anteil der Gesamtkosten nach der Erstellung anfällt. Entscheidungen, die primär auf Basis der Erstkosten (Planungs- und Errichtungskosten) getroffen werden, sind folglich nicht immer optimal. Im Wohngebäudebereich wurden bisher nur wenige ganzheitliche Untersuchungen im Sinne einer Lebenszyklusanalyse durchgeführt. Einzelfalluntersuchungen beleuchten nur ausgewählte, im Lebenszyklus der Gebäude relevante Aspekte. So analysieren /WAGNER 2002/, /FFE 1999 A/, /HELLWIG 1997/, /SIRAKI 2007/ den Einfluss der Herstellung, Nutzung und Entsorgung auf den Gesamtlebenszyklus von Wohngebäuden aus primärenergetischer Sicht. Andere Studien /HERZOG 2005/, /RIEGEL 2004/, /FRANZCEK 1997/ fokussieren den Untersuchungsschwerpunkt auf die Analyse der verursachten Kosten im Gesamtlebenszyklus von Gebäuden und Produkten. Hierbei handelt es sich im wesentlichem um Betrachtungen hinsichtlich Methodik sowie Modellierung der Lebenszykluskosten. Derzeit liegen jedoch wenig systematische Untersuchungen vor, die den gleichzeitigen Einfluss von sowohl Umweltaspekten als auch Kostenaspekten auf den Lebenszyklus von Wohngebäuden analysieren. Vorliegende Untersuchung knüpft an die Erkenntnisse der oben genannten Arbeiten an und verbindet ökologische Betrachtungsweisen mit wirtschaftlichen Aspekten im Gesamtlebenszyklus eines Gebäudes. Am Beispiel von ausgewählten Gebäudetypen wird dieser ganzheitliche Ansatz angewendet und eine systematische Analyse und Bewertung durchgeführt. 1.2 Zielsetzung der Arbeit Der Schwerpunkt der vorliegenden Untersuchung liegt auf der Bewertung und dem Vergleich von Wohngebäuden unter ganzheitlichen Aspekten. Ziel dabei ist die Identifikation von optimalen Gebäudevarianten, die sowohl aus Umweltaspekten als auch unter Kostengesichtspunkten bestmögliche Lösungen darstellen. Hierfür wird durch Festlegung der Gebäudelebensdauer, des Gebäudetyps und einer Reihe von Gebäudeenergieklassen die Untersuchungsgrundlage geschaffen. Die Energieklassen beschreiben die energetische Güte der Gebäudehülle und werden als Maß für die Heizwärmeverluste in der Nutzungsphase des Gebäudes herangezogen. Sie bilden die Ausgangsbasis für die Erstellung einer Vielzahl an Ausführungsvarianten der Gebäude. Diese entstehen durch die Kombination verschiedener Baustoffe, die zur Erstellung der Gebäudehülle verwendet werden mit unterschied-

23 Einleitung 3 lichen Wärmeversorgungsvarianten, die zur Raumwärme- und Warmwasserbereitstellung sowie zur Belüftung des Gebäudes dienen. Neben den konventionellen Versorgungsvarianten wird auch die mittels Gebäudesystemtechnik optimierte Wärmeversorgung untersucht. Bei der Analyse wird mit den festgelegten Energieklassen eine große Bandbreite von Gebäuden analysiert, die sowohl bestehende energetische Anforderungen für Neubauten nach /ENEV 2004/ erfüllen als auch innovative Gebäudekonzepte darstellen, z.b. das Passivhaus oder die Vernetzung der Gebäudewärmeversorgung durch Einsatz der Gebäudesystemtechnik. Alle Gebäudevarianten werden unter ganzheitlichen Aspekten bewertet. Dies beinhaltet die Bilanzierung aller im gesamten Lebenszyklus der Gebäudevarianten entstehenden Primärenergieaufwendungen, CO 2 -Emissionen sowie Kosten. Um zu einer gleichwertigen Berücksichtigung der drei Aspekte zu gelangen, werden die Gebäudevarianten durch Anwendung einer Ökoeffizienzmethode bewertet. Hierdurch werden sowohl ökologische als auch ökonomische Aspekte gleichzeitig berücksichtigt. 1.3 Aufbau der Arbeit Grundlage für die vorliegende Untersuchung stellen die methodischen Vorgehensweisen dar, die auf nationalen und internationalen Regelwerken basieren und im zweiten Kapitel beschrieben werden. Darüber hinaus werden ergänzende und abweichende methodische Verfahren in diesem Kapitel erläutert, deren Anwendung zur Erreichung definierter Zielsetzungen der Untersuchung dienten. Die Definition des Untersuchungsrahmens erfolgt ebenfalls im zweiten Kapitel. Im dritten Kapitel werden alle Einzelkomponenten des Gebäudes detailliert beschrieben. Diese teilen sich auf die Komponenten der Gebäudehülle und Komponenten der Anlagentechnik zur Gebäudebeheizung und Warmwasserbereitstellung. Am Ende des dritten Kapitels wird die Vorgehensweise der Erstellung von Gebäudevarianten dargestellt, wodurch die bilanzierten Ausführungsvarianten gebildet werden. Für die Ausführungsvarianten der Gebäude wird im vierten Kapitel die Erstellung der Massenund Betriebsenergiebilanzen vorgenommen. Hierbei liegen unterschiedliche Vorgehensweisen für die Gebäudehülle und für die Anlagentechnik zugrunde, die getrennt im vierten Kapitel erläutert werden. Die ermittelten Massen- und Betriebsenergiebilanzen umfassen alle für die Herstellung, Nutzung und Entsorgung der Gebäude relevanten Material- und Energiemengen. Die Ergebnisse der Lebenszyklusanalysen hinsichtlich Primärenergie, CO 2 -Emissionen sowie Kosten werden im Kapitel fünf dargestellt. Ausgangsbasis für die Erstellung der Lebenszyklusanalysen dienen die Ergebnisse des vierten Kapitels unter Anwendung der im Kapitel zwei beschriebenen Methodik.

24 4 Einleitung Die Zusammenführung der erlangten Ergebnisse der Lebenszyklusanalysen erfolgt im Kapitel sechs. Hier werden die optimalen Gebäudevarianten jeder Energieklasse mittels des im zweiten Kapitel beschriebenen Analyseverfahrens identifiziert, die aus sowohl ökologischer als auch ökonomischer Sicht gute Lösungen darstellen. Mit einer Zusammenfassung der gewonnenen Erkenntnisse und einer Empfehlung weiterführender Untersuchungsansätze wird die vorliegende Arbeit mit Kapitel 7 abgeschlossen.

25 Untersuchungsrahmen und Bilanzierungsmethodik 5 2 Untersuchungsrahmen und Bilanzierungsmethodik Ganzheitliche und integrale Betrachtungen von Produkten, Produktionsprozessen oder Dienstleistungen können eine Vielzahl von Aspekten beinhalten. Unabhängig davon, ob Umweltaspekte oder Kostenaspekte im Vordergrund stehen, erfordert die ganzheitliche Betrachtung, dass alle Lebensphasen (also der gesamte Lebenszyklus) des Betrachtungsgegenstandes mit einbezogen werden. Für eine belastbare Interpretation der Bilanzierungsergebnisse ist die genaue Definition des Untersuchungsrahmens sowie der getroffenen Annahmen, Festlegungen und Einschränkungen erforderlich. Im folgenden Kapitel erfolgt die Eingrenzung des Untersuchungsrahmens mit anschließender Erläuterung der verwendeten Methodik zur ökologischen und ökonomischen Bilanzierung. 2.1 Untersuchungsrahmen Da in der Praxis Wohngebäude in sehr unterschiedlichen Bauausführungen erstellt werden, soll im Folgenden zunächst der Typ des hier untersuchten Gebäudes beschrieben werden. Anschließend werden die zeitlichen und physikalischen Bilanzgrenzen, die bei der Analyse zugrunde liegen, erläutert Das System Wohngebäude Schwerpunkt der Betrachtung ist ein systemanalytischer Vergleich von Wohngebäuden gleicher Geometrien aber mit unterschiedlichen energetischen Gebäudestandards hinsichtlich Umweltbelastungen und Kosten während des Lebenszyklus. Die Analyse erfolgt am Beispiel eines zweigeschossigen, freistehenden Einfamilienhauses ohne Keller mit einem nicht ausgebauten Dachgeschoss. Das System Wohngebäude wird für weitere Betrachtungen in die Untersysteme Gebäudehülle und technische Anlagen unterteilt. Die Gebäudehülle lässt sich weiter in ihre Bauteile Dach, Außenwände, Geschoßdecken, Fenster, Innenwände sowie Bodenplatte aufteilen. Die technischen Anlagen beinhalten alle wichtigen Systeme zur Raumwärme- und Warmwasserversorgung, Lüftungssysteme sowie die Gebäudesystemtechnik zur intelligenten Regelung der Wärmeversorgung und Belüftung. Um die Ergebnisse vergleichbar darzustellen, wird für alle betrachteten Gebäude eine einheitliche Geometrie und Ausrichtung gewählt, wodurch die Grunddaten des Einfamilienhauses unabhängig von den betrachteten Baukonzepten unverändert bleiben. In Abbildung 2.1 ist die Geometrie der betrachteten Gebäude dargestellt sowie wichtige Gebäudedaten für die Charakterisierung und weitere Betrachtungen zusammengestellt.

26 6 Untersuchungsrahmen und Bilanzierungsmethodik 4,27 m 2,45 m 35 8,6 m 2,7 m 2,7 m Einfamilienhaus Einheit Menge Wohnfläche [m 2 ] 120 Innenvolumen [m 3 ] 325 Flächen: Innenwände [m 2 ] 90 Dachfläche [m 2 ] 79 Fenster (Gesamt) [m 2 ] 31 Fenster (West) [m 2 ] 1 Fenster (Süd) [m 2 ] 24 Fenster (Ost) [m 2 ] 1 Fenster (Nord) [m 2 ] 5 7,0 m Abbildung 2.1: Geometrie und Flächendaten der Referenzgebäudehülle Bei den in Abbildung 2.1 dargestellten Gebäudemaßen handelt es sich um Innenmaße, die für alle Gebäudevarianten gleich sind. Abhängig vom betrachteten Baukonzept variieren die Außenwandstärken (Mauerwerk mit Dämmstoff) und somit auch die Außenwandflächen, sowie die Gesamtfläche der Bodenplatte. Sie sind daher hier nicht dargestellt. Die in Abbildung 2.1 dargestellten Flächen für die Innenwände, Dachfläche sowie Fensterflächen und Fensterausrichtung bleiben für alle betrachteten Gebäudevarianten gleich. Eine hohe passive Solarenergienutzung soll dadurch realisiert werden, indem die größte Fensterfläche (24 m²) auf der Südfassade angenommen wird. Als Systemgrenze werden in der vorliegenden Untersuchung die Außenflächen der Gebäudehülle gewählt. Die funktionelle Einheit, auf die sich alle Berechnungsergebnisse beziehen, stellt das Gesamtgebäude einschließlich der Gebäudehülle und der technischen Anlagen dar Lebenszyklus von Gebäuden und Bilanzgrenzen Allgemein Der Lebenszyklus eines Gebäudes ist durch unterschiedliche Entwicklungsabschnitte gekennzeichnet. Die in internationalen Normen und Standards verwendete Gliederung und Strukturierung des Lebenszyklus in die einzelnen Lebensphasen zeigt Tabelle 2.1.

27 Untersuchungsrahmen und Bilanzierungsmethodik 7 Tabelle 2.1: Phasen im Gebäudelebenszyklus /HERZOG 2005/ Quelle Phasen in Gebäudelebenszyklus /ISO / Acquisition Use & Maintenance /GEFMA / /ÖNORM A / Projektidee Planung Renewal & Adoption Konzeption Projektentwicklung Errichtung Errichtung Betrieb & Nutzung Umbau & Sanierung Nutzung Leerstand Disposal Verwertung Abriss / Entsorgung Dabei ist je nach Literaturquelle eine unterschiedliche Detaillierungstiefe feststellbar. Vereinfacht kann jedoch der Lebenszyklus eines Gebäudes in die Phasen Erstellung, Nutzung und Entsorgung unterteilt werden. Die Zeitspanne von der ersten Projektidee über die Planung und die Herstellung des Gebäudes bis zur Übergabe an den Nutzer stellt die Phase der Gebäudeerstellung dar. Die Herstellung umfasst die gegenständliche Errichtung eines Objekts /HERZOG 2005/. Die Nutzungsphase oder Betriebsphase des Gebäudes umfasst den Zeitraum vom Beginn der Nutzbarkeit bis hin zur Beseitigung und beinhaltet die Versorgung des Gebäudes mit Wasser, Strom und Brennstoffenergie sowie die Erhaltung der Funktionsfähigkeit der Baukonstruktion und der technischen Anlagen durch Instandhaltungsmaßnahmen (Unterhaltungsleistungen, Wartung, Instandsetzung, Inspektion und Verbesserung). Am Ende der Lebensdauer eines Gebäudes erfolgt die Gebäudebeseitigung durch Abbruch bzw. Rückbau. Nach /FFE 1999 A/ kann die Beseitigung von baulichen und technischen Anlagen teilweise (Teilabbruch), vollständig (Totalabbruch) oder als vollständig kontrollierter Rückbau durchgeführt werden. Beim Totalabbruch wird das gesamte Gebäude zerstört und alle Baurestmassen werden auf der Deponie endgelagert. Beim Teilabbruch, auch teilweiser kontrollierter Rückbau genannt, werden vor dem Abbruch des Gebäudes gut verwertbare Bauteile und Baustoffe demontiert und einer Verwertung zugeführt. Der Rest des Gebäudes wird auf der Deponie entsorgt. Beim vollständig kontrollierten Rückbau werden alle Baustoffe und Bauteile einer Sekundärrohstoffgewinnung zugeführt Annahmen, Einschränkungen und Bilanzgrenzen Im Rahmen der vorliegenden Untersuchung wird eine kalkulatorische Lebensdauer von 50 Jahren für die Gebäude festgelegt. Innerhalb dieser Lebensdauer werden alle drei Phasen des Lebenszyklus betrachtet. Während sich die Herstellungsphase und die Entsorgungsphase über einen sehr kurzen Zeitraum (einige wenige Monate) erstrecken, dehnt sich die Nutzungsphase über den restlichen Zeitraum aus.

28 8 Untersuchungsrahmen und Bilanzierungsmethodik Herstellungsphase Nutzungsphase Entsorgungsphase Errichtung der Gebäudehülle und der technischen Anlagen Betriebsenergieverbrauch, Wartungsaufwand für technische Anlagen, Instandhaltungsmaßnahmen der Gebäudehülle und der technischen Anlagen Abbruch des Gebäudes Abbildung 2.2: Betrachtete Gebäudelebensphasen und deren Inhalte In Anlehnung an die obigen Ausführungen zeigt Abbildung 2.2 modellhaft den Lebenszyklus des hier bilanzierten Gebäudes. In den durchgeführten Bilanzierungen der Umweltauswirkungen und Kosten wird jede Lebensphase als ein eigenständiges Modul innerhalb der Systemgrenze (Flächen der Außenbauteile der Gebäudehülle) betrachtet. Für jede dieser Phasen werden alle die Systemgrenze überschreitenden Material-, Energie- und Kostenaufwendungen erfasst und quantifiziert. Herstellungsphase In der Herstellungsphase sind die Errichtung der Gebäudehülle sowie der technischen Anlagen berücksichtigt. Folgende Aufwendungen werden aus Umwelt- und Kostenaspekten für relevant gehalten und mitbilanziert: Herstellungsaufwand und Verarbeitung aller Baustoffe und Bauteile bis hin zur Gewinnung ihrer Rohstoffe (Vorketten). Transportaufwendungen der Baustoffe- und Bauprodukte zur Baustelle. Herstellungsaufwand und Verarbeitung aller betrachteten technischen Anlagen bis hin zur Gewinnung der hierfür notwendigen Rohstoffe (Vorketten). Transportaufwendungen der technischen Anlagen zur Baustelle und ihre Montage. Prozessaufwand für den Erdaushub zur Erstellung der Baugrube und Abtransport des Erdaushubs. Prozessaufwand für Betonierarbeiten. Aufwendungen zur Errichtung des Gebäudes durch zusammenführen der Baustoffe, Bauteile und technischen Anlagen zum Gesamtsystem. Vorketten der in den Prozessen eingesetzten Energieträger. Aufgrund der identischen Geometrie der betrachteten Gebäude wird davon ausgegangen, dass der Aufwand für die Planung bei allen Gebäuden gleich hoch ausfällt, somit werden die Phasen Projektidee und Projektentwicklung nicht berücksichtigt.

29 Untersuchungsrahmen und Bilanzierungsmethodik 9 Nutzungsphase In der Nutzungsphase werden neben der Betriebsenergie die Aufwendungen für Instandhaltung und Wartung der Gebäudehülle sowie der technischen Anlagen berücksichtigt. Dominiert wird diese Lebenszyklusphase durch den Betriebsenergiebedarf. In der vorliegenden Untersuchung werden ausschließlich die Betriebsenergien zur Deckung des Heizwärmebedarfs, zur Bereitstellung von Warmwasser, zur kontrollierten Belüftung des Gebäudes über Lüftungsanlagen sowie als Antriebsenergie der Gebäudesystemtechnik berücksichtigt. Die benötigte Betriebsenergie ist abhängig von der Art der installierten technischen Anlage und wird als Summe der eingesetzten fossilen und regenerativen Brennstoffe, Strom sowie Hilfsenergie 1 bestimmt. Nicht bilanziert werden der Energieverbrauch für Haushaltstrom und Beleuchtung sowie Kühlung der Gebäude. Die Aufwendungen für die Instandhaltung und Wartung beinhalten den Ersatz von technischen Anlagen und der Fenster nach Ablauf ihrer rechnerischen Nutzungsdauer. Der Ersatzzeitpunkt ergibt sich aus der mittleren Lebensdauer der einzelnen Komponenten der technischen Anlagen. Die Lebensdauern von technischen Anlagenkomponenten werden in der VDI-Richtlinie Blatt 1 /VDI / festgelegt und liegen je nach Komponente in der Regel zwischen 20 und 40 Jahren. Wird die Gesamtlebensdauer des Gebäudes (50 Jahren) durch die Lebensdauer der technischen Komponenten geteilt, so ergibt sich die Ersatzhäufigkeit der Komponenten im Bilanzierungszeitraum. In den Aufwendungen für die Instandhaltung und Wartung sind der Herstellungsaufwand und Transport der Ersatzanlagen und Bauteile sowie der Entsorgungsaufwand und Transport der zu entsorgenden alten Anlagen und Bauteile enthalten. Weitere Modernisierungsmaßnahmen am Gebäude, wie beispielsweise Fassadenerneuerung, Schönheitsreparaturen, energetische Sanierungsmaßnahmen an Dach, Außenwand und Boden sowie Umbau-, Umnutzungsmaßnahmen des Gebäudes werden nicht berücksichtigt. Entsorgungsphase Für den Abbruch des Gebäudes am Ende der Lebensdauer wird ein teilweise kontrollierter Rückbau angenommen und bilanziert. Als verwertbare Komponenten werden ausschließlich die technischen Anlagensysteme angesehen, da ihre Zusammensetzung überwiegend auf Stahl, Aluminium und Kupfer basiert. Für diese Materialien bestehen bereits heute technisch ausgereifte Recyclingsprozesse und sie werden in großen Mengen verwertet. Die gesamte Gebäudehülle wird 1 Dies schließt die Antriebsenergie für Pumpen, Ventilatoren, Regelung, Elektronik ein, die in Zusammenhang mit der Wärmebereitstellung für Warmwasser- und Raumwärme den Betrieb der technischen Anlagen gewährleistet.

30 10 Untersuchungsrahmen und Bilanzierungsmethodik als nicht verwertbar bilanziert und nach dem Abbruch als Bauschutt der Deponie zugeführt. Folgende Aufwendungen werden für die Entsorgungsphase berücksichtigt und mitbilanziert: Transportprozesse zur Deponie und Verwertungsanlage. Prozessaufwendungen für den Abriss der Gebäudehülle mit Baggerfahrzeugen. Anteilige Prozessaufwendungen für Herstellung und Betrieb der Deponie. Ermittlung von Energiegutschriften der verwerteten Materialien. Vorketten der in den Prozessen eingesetzten Energieträger. 2.2 Bilanzierung des Kumulierten Energieaufwands und der damit verbundenen CO 2 -Emissionen Für die Analyse von Umweltauswirkungen eines Produktes oder Produktionsprozesses steht die Methodik der Ökobilanz (Life cycle assesment = LCA) als derzeit umfassendstes Bilanzierungsinstrument zur Verfügung. Mit Hilfe der Ökobilanz lassen sich potenzielle Umweltwirkungen (z.b. Nutzung von Ressourcen und die Umweltauswirkungen durch Emissionen) im Verlauf des Lebensweges eines Produktes von der Rohstoffgewinnung über Produktion, Anwendung, Abfallbehandlung, Recycling bis zur endgültigen Beseitigung (d. h. von der Wiege bis zur Bahre ) quantifizieren /DIN EN ISO /. Für die Erstellung von Ökobilanzen sind die Anforderungen in ISO detailliert dargestellt. Sie sind laut /GLATZEL 1995/ ein komplexes und anspruchsvolles Instrument zur Bilanzierung der vielfältigen Umweltauswirkungen auf dem Lebensweg von Produkten oder Dienstleistungen. Nach / SCHAEFER 1995/ stellt der Kumulierte Energieaufwand neben anderen Zahlenwerten einen wichtigen Kennwert bei der Ökobilanz für eine ökologische Wertung von Systemen dar und wird in vorliegender Untersuchung zur ökologischen Bewertung des betrachteten Systems herangezogen Methodik Die Bilanzierungsmethodik des Kumulierten Energieaufwands ist in der VDI-Richtlinie 4600 Methodik des Kumulierten Energieaufwandes festgelegt /VDI /. Der nach dieser Richtlinie berechnete Kumulierte Energieaufwand, im Folgenden als KEA abgekürzt, ist als die Gesamtheit des primärenergetisch bewerteten Aufwands zu verstehen, der bei der Herstellung (KEA H ), Nutzung (KEA N ) und Entsorgung (KEA E ) des betrachteten Produktes entsteht und nach Gleichung 1. quantifiziert wird /VDI /. KEA = KEA H + KEA N + KEA E Gl. 1.

31 Untersuchungsrahmen und Bilanzierungsmethodik 11 KEA H ist die Summe der primärenergetisch bewerteten Energieaufwendungen, die sich bei der Herstellung eines Gegenstands oder bei einer Dienstleistung ergeben. Die Summe schließt Gewinnung, Transport, Verarbeitung, Herstellung und Entsorgung der Fertigungs-, Hilfs- und Betriebsstoffe des betrachteten Gegenstands ein. KEA N ist die Summe der primärenergetisch bewerteten Energieaufwendungen, die beim Betrieb oder der Nutzung eines Gegenstandes auftreten. Die Summe beinhaltet den Betriebsenergieverbrauch, den Kumulierten Energieaufwand für die Herstellung und Entsorgung von Ersatzteilen, von Hilfs- und Betriebsstoffen sowie von Betriebsmitteln, die für Betrieb und Wartung erforderlich sind. KEA E ist die Summe der primärenergetisch bewerteten Energieaufwendungen, die sich bei der Entsorgung eines Gegenstandes, d.h. bei dem endgültigen Ausschleusen des Gegenstandes aus dem Nutzungskreislauf, ergeben. Die Teilsummen KEA H, KEA N und KEA E beinhalten sowohl den Kumulierten Prozessenergieverbrauch als auch den Kumulierten Nichtenergetischen Aufwand. Der Kumulierte Prozessenergieverbrauch stellt den über Bereitstellungsnutzungsgrade primärenergetisch bewerteten Endenergieträgerverbrauch für Wärme, Strom, Brennstoffe und sonstige Nutzenergien dar. Der Kumulierte Nichtenergetische Aufwand beinhaltet den stoffgebundenen Energieinhalt von Einsatzstoffen, der ebenfalls primärenergetisch bewertet wird. Bereitstellungsnutzungsgrade von Energieträgern beschreiben das Verhältnis des Energieinhalts des Energieträgers am Einsatzort zu seinem Kumulierten Energieaufwand. Sie ist eine Größe, die die Aufwendungen, welche notwendig sind, um einen Primärenergieträger über alle Stufen der Bereitstellungskette von der Exploration über Förderung, Transport, Aufbereitung, Umwandlung, Speicherung und Verteilung in Endenergie umzuwandeln, beschreibt. Analog zur Bilanzierung des Kumulierten Energieaufwands werden in vorliegender Arbeit die CO 2 -Emissionen ermittelt, die durch Stoff- und Energieaufwendungen verursacht werden und somit an diese gekoppelt sind. Erfasst werden sowohl die energie- und prozessbedingten Emissionen als auch die durch Herstellung von Baustoffen und Bauteilen verursachten Emissionen. Zur Bilanzierung können die energetische Input-Output-Analyse, die Prozesskettenanalyse und eine vereinfachte Methode der Prozesskettenanalyse, die Materialbilanzanalyse, herangezogen werden. Die Input-Output-Analyse basiert auf einer energetischen Input-Output-Rechnung, bei der es sich um eine wirtschaftswissenschaftliche Methode handelt, die ursprünglich als Verflechtungsanalyse der Volkswirtschaft entwickelt wurde. Durch eine Verknüpfung der Input-Output- Tabellen mit den Energietabellen des statistischen Bundesamtes wird Produkten verschiedener Wirtschaftssektoren ein bestimmter Energieaufwand zugeordnet. Dadurch lassen sich Primär-

32 12 Untersuchungsrahmen und Bilanzierungsmethodik energieaufwandkoeffizienten ermitteln, die mit dem Ab-Werk-Preis des Produkts multipliziert den KEA ergeben. Nachteil dieser Methode ist die geringe Genauigkeit und ein hoher Aggregationsgrad /VDI /. Bei der Prozesskettenanalyse wird der Produktionsweg eines Produktes entsprechend dem Produktionsvorgang in einzelne Prozesse untergliedert und untersucht. Für jeden Einzelprozess wird eine Energie-, Material- sowie Emissionsbilanz erstellt, wobei für jeden Energie- und Materialstrom die Vorkette bis zur Rohstoffgewinnung zurückverfolgt und durch spezifischen Stoff- und Energieträgerdaten primärenergetisch bewertet wird. So lässt sich der KEA und die damit verbundenen Emissionen auf verschiedenen Ebenen wie beispielsweise auf Baugruppen-, Bauteileoder Halbzeugebene für ein Produkt bestimmen, wodurch eine genaue Bewertung mit der Prozesskettenanalyse erreichbar ist /VDI /. Eine Reduzierung des Analyseaufwandes und der Datenmenge wird durch die Materialbilanzanalyse erreicht /WAGNER 1997/. In diesem Verfahren werden die in das Produkt einfließenden Basismaterialien nach der Menge aufgeschlüsselt und mit spezifischen Energieaufwendungen KEA (z.b. in kwh/kg) und den spezifischen CO 2 -Emissionen (z.b. in t CO 2 /kg) der einzelnen Materialien multipliziert. Diese spezifischen Energieaufwendungen stammen meist aus zuvor erstellten Prozesskettenanalysen Vorgehensweise der Bilanzierung und Datenherkunft Die vorliegende Untersuchung bedient sich der Materialbilanzanalyse und wird für jede in Kapitel beschriebene Lebenszyklusphase zur Bestimmung des Kumulierten Energieaufwands und der damit verbundenen CO 2 -Emissionen angewendet. In den folgenden Abschnitten werden die Vorgehensweise der Bilanzierung und die verwendete Datenbasis beschrieben. Herstellungsphase Die Berechnung der primärenergetischen Herstellungsaufwendungen erfolgt anhand der Materialbilanzanalyse. Ausgehend vom Endprodukt, also dem Gebäude, werden alle Massen [kg Material ] der verwendeten Baumaterialien sowie Materialien zur Herstellung der technischen Anlagen mit ihren spezifischen KEA-Werten [MJ/kg Material ] und spezifischen CO 2 -Emissionswerten [t/kg Material ] multipliziert. Bei der Ermittlung der Materialmengen für die betrachteten Gebäudekomponenten sowie für den größten Teil der Anlagentechnik wird auf die Datenbasis bereits durchgeführter Untersuchungen zurückgegriffen, /WAGNER 2002/, /WAGNER 2005/, /FFE 1999 A/, /LOVRIĆ 2001/, /DULLE 2001/.