Typologische Kenngrößen von Nichtwohngebäuden im Bestand

Transkript

1 Typologische Kenngrößen von Nichtwohngebäuden im Bestand Querschnittsanalyse der TEK-Datenbank Michael Hörner Institut Wohnen und Umwelt GmbH, Darmstadt September 2015 Ein Fachmann erkennt die energetischen Schwachstellen eines Gebäudes oft schnell, es ist aber auch für ihn nicht so einfach, zu quantifizieren, wieviel Energie verloren geht und was das kostet. Die Verbrauchsausweise nach der Energieeinsparverordnung (EnEV) können zwar Ausreißer innerhalb einer Gebäudekategorie identifizieren, die Ursachen hierfür bleiben jedoch unklar. Und aus den Kennwerten ein Einsparpotenzial abzuleiten, das wäre kühn. Eine genauere Gebäudeanalyse nach DIN V erfordert jedoch umfangreiche Analysen und detaillierte Daten. Dies gilt besonders für Nichtwohngebäude im Bestand, da hier die notwendigen Informationen nur selten komplett vorliegen. Eine weitere Schwierigkeit: Weil die Analyse nach DIN V den nutzungsspezifischen Stromverbrauch nicht berücksichtigt, ist ein Abgleich zwischen berechnetem Bedarf und gemessenem Verbrauch kaum möglich. Außerdem ist der hierfür notwendige Zeitaufwand enorm hoch. Deshalb haben Wissenschaftler des Instituts Wohnen und Umwelt (IWU) in Darmstadt gemeinsam mit anderen Fachleuten aus Wissenschaft und Praxis im Forschungsprojekt Teilenergiekennwerte von Nichtwohngebäuden eine Methodik zur energetischen Analyse von Nichtwohngebäuden im Bestand entwickelt. Diese wurde in der Software TEK-Tool umgesetzt und in einem Feldtest erprobt. Das TEK-Tool rechnet in Anlehnung an das Monatsbilanzverfahren der DIN V 18599, nutzt als Rechenkern jedoch die vereinfachte Mehrzonen-Nutzenergiebilanz von EnerCalC, einer im Rahmen eines gesonderten Forschungsprojekts entwickelten Software. Es berücksichtigt zusätzlich den nutzungsspezifischen Strombedarf. Zusammen mit weiteren Vereinfachungen, z. B. zur Abbildung der technischen Anlagen, wird es möglich, den Energiebedarf von Nichtwohngebäuden mit vertretbarem Aufwand zu bilanzieren. Die Software soll Energieberater dabei unterstützen, den Ist-Verbrauch zu verstehen, Teilverbräuche zu bewerten, Schwachstellen zu erkennen und Einsparpotenziale zu berechnen. Dazu werden spezifische Kenngrößen gebildet, z. B. Energiekennwerte, Nutzungsgrade oder geometrische Kenngrößen, um verschiedene energierelevante Eigenschaften der Gebäude zu quantifizieren und mit Referenzwerten vergleichen zu können. Der Gesamtenergiebedarf wird aus Teilenergiebedarfen, differenziert nach technischen Gewerken wie Heizung, Lüftung oder Beleuchtung und Zonen, berechnet. Daraus ergeben sich die sogenannten Teilenergiekennwerte (TEKs). Die objektspezifisch berechneten TEKs des Ist-Zustands (Ist-TEKs) werden mittels des ebenso differenzierten Systems der vordefinierten Referenz- Teilenergiekennwerte (Ref-TEKs) in eine von fünf Energieaufwandsklassen ( sehr gering bis sehr hoch ) eingestuft. So lassen sich der Energieaufwand, energetische Schwachstellen und das mögliche Einsparpotenzial unter Berücksichtigung der konkreten Nutzung und der baulichen Gegebenheiten schnell bewerten. Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 1 von 22

2 1. Grundlagen Schätzungsweise ein Siebtel der gesamten CO 2 -Emissionen Deutschlands sollen auf die Beheizung, Warmwassererzeugung, Klimatisierung und Beleuchtung von Nichtwohngebäuden entfallen. Genauere Zahlen über den tatsächlichen energetischen Zustand von Bestandsgebäuden fehlen jedoch. Um diese Informationsdefizite zu reduzieren, wurden im Rahmen der Energieforschung die energetischen Eigenschaften von Nichtwohngebäuden im Bestand detaillierter untersucht. Im Projekt Teilenergiekennwerte von Nichtwohngebäuden (TEK) 1 wurde dazu eine Methodik zur vereinfachten, energetischen Bilanzierung von Nichtwohngebäuden im Bestand erarbeitet und das TEK-Tool als ein Werkzeug für die Energieberatung entwickelt. Die zugrundeliegende Methodik von TEK übernimmt den Ansatz der DIN V mit einer monatsweisen Berechnung und einer Mehrzonen-Nutzenergiebilanz zur Abbildung unterschiedlicher Nutzungen in einem Gebäude. Die TEK-Methodik arbeitet jedoch wegen der bei Bestandsgebäuden oft spärlichen Datenlage mit Vereinfachungen und insbesondere in der Anlagentechnik mit Angaben, die vor Ort erhoben werden können, z.b. auf Typenschildern von raumlufttechnischen Anlagen. Die Eingabedaten der Gebäudehülle können objektspezifisch detailliert oder, wie oben bereits erwähnt, vereinfacht erfasst werden, wenn es schnell gehen soll. Die sonst sehr aufwendige Aufteilung der Gebäudehüllfläche auf die Nutzungszonen erfolgt automatisiert. Nutzungsparameter können für alle Zonen als Standardwerte oder objektspezifisch eingegeben werden. Zusammen mit weiteren Vereinfachungen im Berechnungsalgorithmus kann die Menge der Eingabedaten so deutlich reduziert und die Gebäudeanalyse erheblich beschleunigt werden. Fachleute können die Analyse bei guter Datenlage in etwa zwei bis drei Arbeitstagen durchführen. Außerdem erweitert TEK den Bilanzraum auf den nutzerspezifischen Energiebedarf wie Arbeitshilfen, Geräte, Aufzüge etc., um den berechneten Bedarf besser mit dem gemessenen Verbrauch vergleichen zu können. Das TEK-Tool wurde in einem Feldtest umfangreich getestet. So entstand die TEK-Datenbank, eine in Deutschland einzigartige Sammlung von 93 Datensätzen von Nichtwohngebäuden im Bestand unterschiedlichen Typs. Alle erfassten Gebäude sind mit detaillierten Angaben zur wärmetechnischen Beschaffenheit der Gebäudehülle, zur Effizienz der Anlagentechnik und zum Nutzerverhalten sowie zum gemessenen Energieverbrauch dokumentiert. In einer Querschnittsanalyse 2 der TEK-Datenbank wurden typische, geometrische und energetische Kenngrößen von Nichtwohngebäuden im Bestand ermittelt und, soweit möglich, statistisch ausgewertet. Ausgewählte Ergebnisse dieser Querschnittsanalyse sind in diesem Beitrag zusammengefasst. Dabei wurden Kenngrößen zur Hüllflächenexposition und Energiekennwerte abgeleitet, und zwar sowohl für das gesamte Gebäude (vgl. Kapitel 2) als auch für einzelne Nutzungszonen (vgl. Kapitel 3). Sie sind für weitere Vereinfachungen des Berechnungsverfahrens nützlich und liefern interessante Vergleichswerte für die Qualitätssicherung der Berechnungen. Von besonderem Interesse sind die Untersuchungen der Differenzen von berechnetem Energiebedarf und gemessenem Energieverbrauch (vgl. Kapitel 4). Daraus abgeleitete Schätzfunktionen ermöglichen eine realistischere Einschätzung von Einsparpotenzialen (vgl. Kapitel 5). Modernisierungsvarianten und Einsparpotenziale waren ebenfalls Gegenstand der Feldphase des 1 Das Projekt Teilenergiekennwerte von Nichtwohngebäuden (TEK) wird im Forschungsschwerpunkt Energieoptimiertes Bauen (ENOB) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert (Förderkennzeichen: J). Download TEK-Tool. 2 Hörner, Michael; Bagherian, Behrooz; Jedek, Christoph: Teilenergiekennwerte von Nichtwohngebäuden - Querschnittsanalyse der Ergebnisse der Feldphase, Darmstadt: IWU, 2014 (ISBN ) Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 2 von 22

3 TEK-Projekts, sie wurden in einem Folgeprojekt zu einem ersten Ansatz einer Gebäudetypologie für Nichtwohngebäude 3 weiterentwickelt (vgl. Kapitel 6). 2. Gebäudekenngrößen In der Energieberatung arbeitet man, ähnlich wie in der Betriebswirtschaft, gerne mit Kenngrößen, welche bestimmte Eigenschaften, z. B. von Gebäuden, quantifizieren. Dies macht Sinn, um sie besser miteinander oder mit einem allgemein anerkannten Zielwert vergleichen zu können. Energiekennwerte sind ein weit verbreitetes Mittel, um die energetische Qualität eines Gebäudes und seiner Nutzung ohne großen Aufwand zu bewerten. Dabei ist ein einzelner Kennwert meist nicht ausreichend, um die Komplexität aus Nutzung, Größe, Baualter und Geometrie eines Gebäudes in ihrem Einfluss auf den Energiekennwert zu erfassen. In diesem Kapitel sind Verteilungen bzw. Mittelwerte und Bandbreiten verschiedener gebäudebezogener Kenngrößen angegeben, die energetisch wichtige Eigenschaften der Gebäude in der TEK-Datenbank quantifizieren und zum Verständnis der Häufigkeitsverteilung der Energiekennwerte notwendig sind. Allgemeine Eigenschaften der ausgewählten Gebäude In dem Projekt wurden vorwiegend Bestandsgebäude ab einer Größe von etwa m² NGF zur Analyse ausgewählt. Es handelt sich überwiegend um Gebäude, an denen zum Zeitpunkt der Datenaufnahme keine größeren Modernisierungen vorgenommen worden waren. Die Gebäude sollten aus sechs grundlegenden Gebäudekategorien stammen und einen höheren Technisierungsgrad aufweisen, also in nennenswertem Umfang mit raumlufttechnischen Anlagen ausgestattet sein. Tabelle 1 zeigt die Häufigkeitsverteilungen der untersuchten Gebäude nach Baualter, nach Flächen und nach Gebäudekategorien geordnet. Baualtersklasse Häufigkeit Nettogrundfläche Häufigkeit Gebäudekategorie Häufigkeit vor bis m² 4 Büro/Verwaltung bis m² 36 Handel bis Hochschule bis Hotel > m² 4 Bildung/Sport 15 / 1 Nach Veranstaltung 16 Tab. 1 Verteilung der Baualtersklassen, der Nettogrundflächen und der Gebäudekategorie der 93 Gebäude in der TEK- Datenbank Energiekennwerte Mit dem TEK-Tool wurde für jedes Gebäude dessen Endenergiebedarf für Brennstoff/Fernwärme und elektrische Energie berechnet. Die Häufigkeitsverteilung der auf die Energiebezugsfläche 4 (EBF) bezogenen jährlichen Endenergiebedarfe der Gebäude ist in Abbildung 1 aufgetragen. Sie sind in der Berechnungseinstellung OBJ-OBJ berechnet, also mit objektspezifischen Nutzungsrandbedingungen und einer detaillierten, objektspezifischen Ermittlung der Gebäudehüllflächen, Bauteilkennwerte und 3 Stein, Britta; Hörner, Michael; Jedek, Christoph, Maximilian Ihrig: Typologie-gestützte Kennwerte für die energetische Bewertung bestehender Nichtwohngebäude, Darmstadt: IWU, 2015 (ISBN ) 4 Die Energiebezugsfläche ist in TEK wie in der EnEV als die beheizte oder gekühlte Nettogrundfläche (NGF) definiert. Unter der NGF versteht man die Summe der nutzbaren Grundflächen eines Gebäudes. Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 3 von 22

4 Beleuchtungstechnik. Die Mittelwerte, über alle Gebäude in der TEK-Datenbank gerechnet, liegen sowohl für Brennstoff/Fernwärme mit 147 kwh/m² EBF a als auch für elektrische Energie mit 66 kwh/m² EBF a recht hoch. Angesichts der oben beschriebenen Gebäudeauswahl (vgl. Tabelle 1) überrascht dieses Ergebnis nicht. Die Verteilung spiegelt die energetischen Eigenschaften von überwiegend (noch) nicht modernisierten Gebäuden mit höherer Technisierung wider und zeigt, welche Bandbreite von Energiekennwerten für diese Gebäudebestände erwartet werden können. 30 Brennstoff/Fernwärme Elektrische Energie Häufigkeit und größer 5 4 Klasse des Endenergie Bedarfs [kwh/m² EBF a] Abb. 1 Verteilung der flächenspezifischen Kennwerte des Endenergiebedarfs für Brennstoff/Fernwärme und elektrische Energie, berechnet mit objektspezifischen Randbedingungen (OBJ-OBJ), für die Gebäude in der TEK-DB Quelle: IWU-eigene Darstellung Generell dienen Energiekennwerte der schnellen Einschätzung der Gebäudeenergieeffizienz, weshalb die TEK-Methodik konsequent Ist-Teilenergiekennwerte (Ist-TEKs) zur Beschreibung des Ist-Zustands generiert und Vergleichskennwerte nutzt, die für den Energiebedarf auf Zonenebene in fünf Energieaufwandsklassen definiert sind, sogenannte Referenz-Teilenergiekennwerte (Ref-TEKs). Für ein konkretes Gebäude ist die Zonenaufteilung bekannt und REF-TEKs können auch auf Gebäudeebene berechnet werden. In TEK wird damit eine Bewertung der Gewerke und des gesamten Gebäudes wie in Abbildung 2 vorgenommen. Das Gebäude in dieser Abbildung hat offensichtlich eine sehr relevante Schwachstelle beim Heizenergiebedarf. Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 4 von 22

5 Abb. 2 Primärenergiekennwerte und Bewertung der Ist-Teilenergiekennwerte der Gewerke mit Energieaufwandsklassen, die auf der Basis von Referenz-Teilenergiekennwerten definiert sind. Größe der Blasen symbolisiert Höhe des Primärenergiekennwerts. Geometrische Kenngröße Die Hüllflächenexposition von Gebäuden beeinflusst deren Heizwärmebedarf maßgeblich. Für die 93 Gebäude aus der TEK-DB wurden die in Tabelle 2 gezeigten, gebäudebezogenen Hüllflächen-Kenngrößen erhoben. Sie können Hinweise auf energetische Schwachstellen geben, wie beispielsweise ein zu hoher Fensterflächenanteil nach Norden oder ein ungünstiges A/V-Verhältnis. Kenngrößen dieser Art können auch zur Qualitätssicherung genutzt werden, um z. B. die Angaben zur Geometrie von Gebäuden in Energieausweisen einer automatisierten Plausibilitätskontrolle zu unterziehen. So geben ungewöhnliche Werte spezifische Dach-, Wand- oder Fensterflächen oder das Verhältnis A/V schnell Hinweise auf mögliche Fehler in der Erfassung der Hüllflächen. Auch wenn dies keine repräsentative Stichprobe aus dem Bestand von Nichtwohngebäuden darstellt, so ist doch zu vermuten, dass sich hier keine systematische Verzerrung ergibt wie bei den Gebäudeenergiekennwerten. Die Gebäudegeometrie folgt den üblichen Entwurfsgrundsätzen der Architektur für die unterschiedlichen Gebäudekategorien und ist zunächst vom Energiestandard weitgehend unabhängig. Allerdings muss auf die geringe Fallzahl pro Gebäudekategorie hingewiesen werden, weshalb statistische Kennzahlen wie Mittelwerte und Standardabweichungen mit Vorsicht zu benutzen sind. Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 5 von 22

6 Hüllflächenexposition Anzahl Gebäude Geschosse Mittlerer Fensterflächenanteil (NSOW) an der Fassade [%] Verhältnis A/V [1/m] spezifische Kellerdeckenfläche [m² BTF / m² NGF ] spezifische Dachfläche [m² BTF / m² NGF ] spezifische Wandfläche [m² BTF / m² NGF ] spezifische Fensterfläche N [m² BTF / m² NGF ] spezifische Fensterfläche SOW [m² BTF / m² NGF ] Gebäudekategorie n Mittel Mittel Stdabw. Mittel Stdabw. Mittel Stdabw. Mittel Stdabw. Mittel Stdabw. Mittel Stdabw. Mittel Stdabw. Ämter, Verwaltungsgebäude 5 35% 16% 0,34 0,05 0,31 0,09 0,34 0,13 0,43 0,13 0,06 0,02 0,17 0,08 Banken 1 29% 0,25 0,23 0,23 0,39 0,04 0,11 Bürogebäude (auch mit Publ.-verkehr) 12 33% 10% 0,30 0,10 0,30 0,16 0,30 0,16 0,44 0,14 0,06 0,03 0,14 0,04 Gerichtsgebäude 3 23% 4% 0,35 0,01 0,34 0,10 0,35 0,09 0,64 0,13 0,07 0,02 0,12 0,02 Polizei; Feuerwehr; THW 2 17% 1% 0,45 0,01 0,35 0,07 0,37 0,04 0,83 0,04 0,03 0,01 0,14 0,01 Büro, Dienstleistungen 23 5,17 31% 11% 0,33 0,09 0,31 0,13 0,32 0,13 0,49 0,17 0,06 0,03 0,15 0,05 Einkaufszentren 6 19% 12% 0,30 0,05 0,90 0,23 0,86 0,25 0,31 0,05 0,02 0,01 0,06 0,04 Großhandel 1 6% 0,27 0,90 0,80 0,45 0,02 0,01 Kauf- und Warenhäuser 4 21% 14% 0,17 0,01 0,24 0,04 0,24 0,04 0,23 0,07 0,01 0,01 0,05 0,03 Handel 11 2,37 19% 12% 0,25 0,07 0,66 0,37 0,63 0,35 0,29 0,08 0,01 0,01 0,05 0,04 Fachhochschulen 1 44% 0,48 0,61 0,60 0,43 0,15 0,18 Hörsaalgebäude 5 24% 14% 0,40 0,14 0,81 0,43 0,84 0,39 0,72 0,30 0,03 0,04 0,18 0,09 Institutsgebäude für Lehre und Forschung 12 28% 9% 0,28 0,07 0,29 0,12 0,32 0,14 0,46 0,11 0,04 0,04 0,13 0,05 Versuchshallen mit Werkstatt 1 27% 0,34 0,40 0,40 0,49 0,01 0,17 Hochschulen 19 3,44 28% 11% 0,33 0,11 0,45 0,32 0,47 0,32 0,53 0,20 0,05 0,04 0,15 0,06 Ferien- und Schullandheime 1 23% 0,35 0,77 0,66 0,50 0,05 0,10 Hotels 7 26% 9% 0,27 0,06 0,22 0,13 0,23 0,12 0,44 0,12 0,03 0,02 0,12 0,07 Hotels, Beherbergungsgebäude 8 6,80 25% 8% 0,28 0,06 0,29 0,23 0,28 0,19 0,45 0,11 0,03 0,02 0,12 0,07 Berufsschulen 5 31% 7% 0,31 0,06 0,32 0,06 0,34 0,04 0,55 0,21 0,05 0,03 0,18 0,06 Grund-, Haupt-, Realschulen, 8 29% 5% 0,40 0,13 0,58 0,25 0,58 0,24 0,54 0,20 0,04 0,01 0,17 0,06 Gymnasium Kindertagesstätte 2 29% 6% 0,61 0,22 0,82 0,40 0,86 0,34 0,61 0,04 0,08 0,00 0,17 0,05 Sporthallen 1 20% 0,44 0,90 0,76 1,04 0,18 0,08 Schulen, Kindertagestätten 15 2,62 30% 5% 0,40 0,15 0,52 0,27 0,54 0,26 0,55 0,18 0,05 0,02 0,17 0,05 Büchereien 3 29% 17% 0,24 0,04 0,26 0,07 0,28 0,07 0,28 0,03 0,02 0,02 0,10 0,08 Freizeitzentren, Gemeinde-, 3 18% 8% 0,39 0,16 0,58 0,10 0,74 0,14 0,49 0,14 0,03 0,03 0,09 0,05 Bürgerhäuser Museen, Ausstellungsgebäude 8 22% 11% 0,30 0,08 0,39 0,10 0,43 0,30 0,71 0,27 0,08 0,07 0,12 0,05 Stadthallen / Saalbauten 2 18% 8% 0,32 0,06 0,55 0,05 0,54 0,14 0,65 0,05 0,04 0,02 0,12 0,07 Veranstaltungsgebäude 16 3,3 22% 11% 0,31 0,10 0,42 0,14 0,48 0,26 0,58 0,26 0,05 0,06 0,11 0,05 Alle Gebäude (gemittelt) 93 3,87 26% 10% 0,32 0,12 0,44 0,29 0,45 0,29 0,50 0,22 0,05 0,04 0,13 0,07 Tab. 2 Spezifische geometrische Kenndaten der Gebäudehülle nach Gebäudekategorien differenziert, Berechnungseinstellung objektspezifisch. Quelle: TEK-Datenbank, IWU. Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 6 von 22

7 3. Zonenkenngrößen Nichtwohngebäude werden für eine Energiebilanz üblicherweise in Zonen aufgeteilt, weil sich in den Gebäuden meist Räume mit sehr unterschiedlichen Nutzungen, technischer Ausrüstung und inneren Lasten befinden. Maßgeblich für die Aufteilung ist die DIN V und für die Nutzungsprofile DIN V Eine Zone fasst den Grundflächenanteil bzw. Bereich eines Gebäudes zusammen, der durch gleiche Nutzungsrandbedingungen gekennzeichnet ist und keine relevanten Unterschiede hinsichtlich der Arten der Konditionierung und anderer Zonenkriterien aufweist. Das TEK-Tool übernimmt dieses Verfahren. Teilenergiekennwerte Für jede Zone und jedes Gewerk (z. B. Heizung oder Beleuchtung) werden, wie bereits erwähnt, Ist-TEKs berechnet, also Teilenergiekennwerte im Ist-Zustand. Vergleichswerte, Ref-TEKs, sind gebäudeunabhängig für alle Nutzungsprofile der DIN V vordefiniert. Sie spannen fünf Energieaufwandsklassen auf, nach denen die Ist-TEKs bewertet werden: sehr gering, gering, mittel, hoch und sehr hoch. So können energetische Schwachstellen des Gebäudes schnell erkannt und wie in den Tabellen 3 und 4 kenntlich gemacht werden. 3.1 Heizung Nr. und Name Std.-nutzung Fläche Nutz.- Ist-Wert Zone (Endenergie) Vergleichsw ert - gering m² einheit TEK-Bew ert. kwh/(m²a) W/m² h/a kwh/(m²a) W/m² h/a 1) Einzelbüro Nord 01 Einzelbüro Hoch 258,3 110,0 2346,8 48,5 99, ) Saal-Vorraum 04 Sitzung 39 2 Hoch 272,1 453,6 600,0 82,1 283, ) Einzelbüro Süd 01 Einzelbüro Sehr hoch 295,8 171,8 1721,5 48,5 99, ) Verkehrsflächen 19 Verkehrsflä Gering 50,1 28,2 1778,0 52,2 23, ) Foyer 19 Verkehrsflä 87 1 Hoch 197,2 95,2 2070,6 52,2 23, ) WC, Sanitär 16 WC, Sanitär 76 1 Hoch 422,9 176,5 2395,9 119,2 273, ) Lager / Technik / Archiv 20 Lager, Tech ) Saal 04 Sitzung Hoch 253,6 435,2 582,7 82,1 283, ) Serverraum 21 Rechenzen 5 3 Gering 22,0 74,3 296,1 23,4 53, ) Nebenflächen 18 Nebenfläch 15 1 Hoch 211,3 83,7 2525,7 54,3 25, Tab. 3 Schwachstellenanalyse mit Teilenergiekennwerten auf Zonenebene am Beispiel des Gewerks Heizung. Quelle: TEK-Tool, IWU. 3.2 Beleuchtung Nr. und Name Std.-nutzung Fläche Nr. Beleuch- Ist-Wert Zone (Endenergie) Vergleichsw ert - gering m² tungsanlage TEK-Bew ert. kwh/(m²a) W/m² h/a kwh/(m²a) W/m² h/a 1) Einzelbüro Nord 01 Einzelbüro Gering 17,7 12,4 1428,4 20,0 17, ) Saal-Vorraum 04 Sitzung 39 7 Sehr gering 0,3 5,8 59,4 1,8 15, ) Einzelbüro Süd 01 Einzelbüro Gering 18,0 12,4 1457,0 20,0 17, ) Verkehrsflächen 19 Verkehrsflä Hoch 15,9 8,8 1800,0 2,4 4, ) Foyer 19 Verkehrsflä 87 5 Mittel 8,5 14,2 598,0 2,6 4, ) WC, Sanitär 16 WC, Sanitär 76 6 Mittel 18,5 14,9 1246,4 3,5 9, ) Lager / Technik / Archiv 20 Lager, Tech Hoch 3,6 6,1 593,6 1,3 3, ) Saal 04 Sitzung Gering 0,7 9,4 71,0 0,7 15,6 43 9) Serverraum 21 Rechenzen 5 3 Sehr gering 19,9 6,1 3276,0 29,2 14, ) Nebenflächen 18 Nebenfläch 15 3 Hoch 1,9 6,1 308,2 1,1 3,0 365 Tab. 4 Schwachstellenanalyse mit Teilenergiekennwerten auf Zonenebene am Beispiel des Gewerks Beleuchtung. Quelle: TEK-Tool, IWU. Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 7 von 22

8 Aus dem Vergleich mit dem Wert für die Energieaufwandsklasse gering in den rechten Spalten dieser Tabellen kann außerdem ein überschlägiges Einsparpotenzial abgeleitet werden, wenn die Eigenschaften der entsprechenden Zone und der zugehörigen technischen Anlage auf den Standard des Referenzgebäudes der EnEV 2009 gebracht würden. Ob dieses Potenzial zu heben ist und an welchen Umständen eine solche Modernisierung eventuell scheitern könnte, kann so natürlich nicht beurteilt werden. Deshalb heißt es strategisches Einsparpotenzial. In der Querschnittsanalyse wurde auch überprüft, ob die Ref-TEKs in den fünf Energieaufwandsklassen und die dahinter liegenden Annahmen gut gewählt sind, also ob die Ist-TEKs plausibel bewertet werden können. Für die Nutzung Büro (Nutzungsprofile Einzel- und Gruppenbüro) sind in Abbildung 3 beispielhaft die Häufigkeitsverteilungen der objektspezifisch ermittelten Ist-TEKs für Heizung, Warmwasser und Beleuchtung bezüglich der in TEK vordefinierten fünf Energieaufwandsklassen dargestellt. Für das Gewerk Heizung ergibt sich eine nachvollziehbare Verteilung und damit auch eine plausible Bewertung, wie man sie für meist noch nicht modernisierte - Bestandsgebäude erwarten würde: Die meisten, zonenbezogenen Ist-TEKs für Heizung liegen in den Energieaufwandsklassen Mittel und Hoch. Die Ist-TEKs für Warmwasser liegen dagegen überwiegend in der Energieaufwandsklasse Sehr gering. Dies zeigt sich auch bei den anderen Nutzungsprofilen. Es wird vermutet, dass die Standardnutzungsparameter der Vornorm DIN V für den Warmwasserbedarf in Nichtwohngebäuden unrealistisch hoch angesetzt sind und zu überhöhten Ref-TEKs führen. Die Bewertungen fallen dadurch zu gut aus. Bei der Beleuchtung in den Bürozonen liegen die meisten Ist-TEKs in den Aufwandsklassen Mittel bis Sehr gering, also in den effizienteren Klassen. In anderen Nutzungsprofilen zeigen sich jedoch auch ganz andere Verteilungen. Vermutlich ist die tendenziell gute Bewertung der Beleuchtung im Nutzungsprofil Büro darauf zurück zu führen, dass in Bestandsgebäuden die Beleuchtungsanlagen insbesondere in den Bürozonen aus ergonomischen Gründen (Bildschirmarbeitsplätze) bereits erneuert wurden und deshalb mehrheitlich positiv bewertet werden. Spezifische Bauteilflächen In die Ref-TEKs gehen auch zonenbezogene Annahmen zu typischen Hüllflächenexpositionen ein, in Abbildung 3 durch die roten Fähnchen markiert. Zur Berechnung des Ref-TEKs für Heizung in einer Einzelbürozone wird beispielsweise ein Anteil von 0,3 m² Außenwandfläche (Bruttobezug) pro m² Zonenfläche (Nettobezug) angenommen. Auch diese Annahmen wurden an den Gebäudedaten überprüft. Der einer Zone zugeordnete Anteil der jeweiligen Bauteilhüllfläche wird im TEK-Tool in der Regel vereinfacht berechnet. Das TEK-Tool nutzt dazu einen automatischen Verteilalgorithmus auf Basis der Zonenfläche. Bei genauerer Kenntnis der Lage der Zone im Gebäude kann dieser Anteil als Option aber auch manuell zugewiesen werden. Deshalb sind in Abbildung 4 jeweils beide Kennwerte manuell ermittelte und automatisch generierte angegeben. Die manuell ermittelten Werte bilden dabei die Situation im Gebäude am genauesten ab. Leider ist deren Anzahl jedoch vergleichsweise gering, da die Ermittlung der Werte sehr aufwändig ist. Typische Bandbreiten der spezifischen Bauteilflächen lassen sich auf Zonenebene nur schwer identifizieren. Zu gering ist die Anzahl der Fälle in der Stichprobe und zu unterschiedlich sind die Lage im Gebäude und der Zuschnitt der betrachteten Zonen. Die zonenbezogene Annahmen zu typischen Hüllflächenexpositionen in den Ref-TEKs lassen sich aus den Häufigkeitsverteilungen aber weder bestätigen noch widerlegen. Eine weitergehende Untersuchung ist dazu notwendig. Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 8 von 22

9 a) Büro Heizung b) Büro Warmwasser c) Büro Beleuchtung Anzahl Häufigkeit spez. Endenergiebedarf Heizung (Zone Büro, objektspezifisch) Anzahl Häufigkeit spez. Endenergiebedarf Warmwasser (Zone Büro, objektspezifisch) Anzahl Häufigkeit spez. Endenergiebedarf Beleuchtung (Zone Einzel und Gruppenbüro, objektspezifisch, korrigiert) Sehr gering ( 30 kwh/m²a) 15 Gering (30 < x 73 kwh/m²a) Mittel ( 73 < x 135 kwh/m²a) Energieaufwandsklasse Hoch (135 < x 234 kwh/ma) 17 Sehr hoch (> 234 kwh/m²a) Sehr gering ( 10 kwh/m²a) 14 Gering (10 < x 14 kwh/m²a) Mittel ( 14 < x 19 kwh/m²a) Energieaufwandsklasse Hoch (19 < x 23 kwh/ma) Sehr hoch (> 23 kwh/m²a) Sehr gering ( 12 kwh/m²a) Gering (12 < x 20 kwh/m²a) Mittel ( 20 < x 36 kwh/m²a) Energieaufwandsklasse 5 5 Hoch (36 < x 60 kwh/ma) Sehr hoch (> 60 kwh/m²a) Abb. 3 Zonenbezogene Teilenergiekennwerte des spezifischen Endenergiebedarfs für Heizung (a), Warmwasser (b)und Beleuchtung (c) der 93 Gebäude im Ist-Zustand (Ist- TEKs) aufgetragen als Häufigkeitsverteilung über die Energieaufwandsklassen (Ref-TEKs) für die Nutzung Büro Quelle: IWU-eigene Darstellung Einzelbüro Dach Einzelbüro Außenwand Einzelbüro Kellerdecke Abb. 4 Spezifische Bauteilflächen für 70 Einzelbürozonen in den 93 Gebäuden der TEK-DB, jeweils automatisch bzw. manuell ermittelt Quelle: IWU-eigene Darstellung Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 9 von 22

10 Zonenflächen Am Beispiel der Gebäudekategorie Büro und Dienstleistungen, die mit 23 untersuchten Gebäuden die größte Klasse darstellt, wurden die durchschnittlichen Flächenanteile häufig vorkommender Nutzungszonen bestimmt. Die Fläche eines virtuellen Durchschnittsgebäudes dieser Kategorie besteht demnach mit einem Flächenanteil von ca. 26% aus der Nutzung "Einzelbüro", zu rund 22% aus "Verkehrsflächen", zu 15% aus "Gruppenbüro", zu 14% aus "Lager und Technik" etc. (siehe Abbildung 5). Großraumbüro; 3,2% Parkhaus; 2,7% Schalterhalle; 1,3% Kantine; 1,0% WC, Sanitär; 3,5% Nebenflächen; 4,0% Sitzung; 4,9% Einzelbüro; 26,4% Lager, Technik; 13,6% Verkehrsfläche; 21,7% Gruppenbüro; 14,8% Abb. 5 Durchschnittliche Flächenanteile in Prozent für die häufigsten Nutzungszonen in der Kategorie Bürogebäude Ergebnisse der Feldphase wie diese können in einem vereinfachten Rechenverfahren genutzt werden. Die Zonierung mit aufwändigen Flächenermittlungen schlägt wie die manuelle Hüllflächenerfassung mit knapp einem Viertel der Bearbeitungszeit zu Buche. Es wäre vorstellbar, diese zunächst durch solche statistischen Mittelwerte zu ersetzen. Zusammen mit der schon in TEK realisierten automatischen Aufteilung der Gebäudehüllflächen auf die Zonen lässt sich der Aufwand für die Abbildung der Gebäudegeometrie im Rahmen von Gebäudeanalysen dadurch stark reduzieren. Zusammen mit den in TEK tabellierten Referenz-Teilenergiekennwerten der Nutzungsprofile lassen sich mit diesen durchschnittlichen Flächenanteilen auch Benchmarks zur Klassifizierung des mit TEK berechneten Endenergiebedarfs auf Gebäudeebene definieren (vgl. Tabelle 5). Solche berechneten Bedarfsbenchmarks haben Vorteile gegenüber den weit verbreiteten Benchmarks auf der Grundlage gemessener Verbräuche: Sie sind mit einem eindeutigen Satz von Parametern verknüpft, die die Effizienz des Gebäudes beschreiben, also typische U-Werte der Gebäudehülle, Nutzungsgrade von Anlagen, Komfortparametern der Nutzer etc. Sie können zur Hochrechnung von Endenergiebedarfen in Szenarien über größere Gebäudebestände mit Hilfe von Typologien genutzt werden. Um diese auch gebäudeunabhängig als Vergleichswerte auf Gebäudeebene definieren zu können, müssten mehr belastbare Daten zu durchschnittlichen Zonenflächenanteilen pro Gebäudekategorie zur Verfügung stehen. Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 10 von 22

11 Büro und Dienstleistung Referenz Teilenergiekennwerte [kwh/m² EBF a] Heizung Nutzungszone Flächenanteil Sehr hoch Hoch Mittel Gering Sehr gering Einzelbüro 26,4% 290,2 159,5 101,7 40,9 19,4 Verkehrsfläche 21,7% 225,5 144,7 93,8 44,0 24,5 Gruppenbüro 14,8% 293,4 165,0 103,3 41,7 19,8 Lager, Technik 13,6% 283,2 189,3 118,7 54,8 31,3 Sitzung 4,9% 549,7 242,5 165,4 69,1 19,6 Nebenflächen 4,0% 243,8 157,6 100,4 45,7 25,5 WC, Sanitär 3,5% 586,6 260,3 194,6 100,4 44,4 Großraumbüro 3,2% 324,4 171,9 108,3 40,9 17,6 Parkhaus 2,7% 222,0 71,7 45,5 23,1 10,3 Schalterhalle 1,3% 298,7 187,7 115,1 46,5 22,9 Kantine 1,0% 493,3 225,1 128,2 48,2 15,3 Gebäude 97,1% 289,9 163,1 105,0 45,7 22,5 Tab. 5 Referenz-Teilenergiekennwerte und mittlere Flächenanteile der Nutzungszonen für die Gebäudekategorie Büro hochgerechnet auf Gebäudeebene als Benchmarks zur Bewertung, beispielhaft am Gewerk Heizung für alle Zonen mit Flächenanteil 1%. 4. Verbrauch und Bedarf Ein wichtiges Ziel im TEK-Verfahren ist es, den berechneten Bedarf und den gemessenen Verbrauch abzugleichen insbesondere für die glaubwürdige Berechnung von Einsparpotenzialen und der Wirtschaftlichkeit von Modernisierungsmaßnahmen. Im TEK-Tool wird immer der Verbrauch erfasst und dem berechneten Bedarf gegenüber gestellt. Damit die Bilanzgrenzen übereinstimmen, werden die nutzungsspezifischen Stromverbräuche in die Analyse einbezogen. Auch die Nutzungsrandbedingungen wie Nutzungszeiten, Raumtemperaturen oder interne Wärmequellen müssen dazu objektspezifisch abgebildet werden. Aber selbst dann gelingt der Bedarfs-Verbrauchs-Abgleich nicht immer. So ist es beispielsweise sehr schwer, den tatsächlichen Luftwechsel bei Fensterlüftung oder den Einfluss von Wärmebrücken bei Bestandsgebäuden abzuschätzen. Abweichungen von ±20 Prozent zwischen berechnetem Bedarf und gemessenem Verbrauch sind deshalb bei solchen statischen Bilanzierungsverfahren als normal anzusehen. Für 91 Gebäude in der TEK-Datenbank wurden der Endenergiebedarf in den verschiedenen Berechnungseinstellungen 5 und die Verbräuche von Brennstoff/Fernwärme und elektrischer Energie ermittelt. In der Querschnittsanalyse wurde für die TEK-Methode die bekannte Tatsache näher untersucht, dass berechnete Energiebedarfe und gemessene Energieverbräuche durchaus beträchtlich voneinander abweichen können. Ausgewählte Ergebnisse hinsichtlich des Verhältnisses von Bedarf und Verbrauch, f B/V, für die Berechnungseinstellung OBJ-OBJ sind in Abbildungen 6 und 7 dargestellt. Für Brennstoff/Fernwärme liegt der Mittelwert der dargestellten Häufigkeitsverteilung bei f B/V,fu = 1,16 ± 0,42 (Mittelwert µ und Stichproben-Standardabweichung σ), für elektrische Energie bei f B/V,el = 1,10 ± 0,31. Darin enthalten sind allerdings auch offensichtlich unplausible Ausreiser, für die trotz Qualitätssicherung der Berechnungen kein nachvollziehbarer Grund angegeben werden kann. Es bleibt als letzte Vermutung, dass die 5 Im Folgenden werden nur Ergebnisse in den Berechnungseinstellungen DIN-H-BT-vereinfacht (mit Standardnutzungsparametern nach DIN V und vereinfacht ermittelten Gebäude- und Anlagenparametern) und OBJ-OBJ (mit objektspezifischen Nutzungsparametern und objektspezifisch ermittelten Gebäude- und Anlagenparametern) dargestellt. Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 11 von 22

12 Verbrauchsangaben fehlerhaft sind. Bereinigt man die Datenbank um diese Ausreiser z. B. bei Brennstoff/Fernwärme, dann liegt der Mittelwert bei f B/V,fu = 1,11 ± 0,28. Das kann man so interpretieren: In einem Portfolio mit vielen Gebäuden überschätzen die mit dem TEK-Tool berechneten Brennstoff-Bedarfswerte bei objektspezifisch erhobenen Eingabedaten im Mittel die gemessenen Verbrauchswerte um 11%. Oder für ein einzelnes Gebäude formuliert: Berechnet der Architekt mit dem TEK-Tool den Brennstoffbedarf B für ein einzelnes Gebäude, z.b. im Rahmen einer Sanierungsplanung, dann wird der zukünftige Verbrauch V mit einer Wahrscheinlichkeit von 68% im Intervall 0,72 B V 1,20 B 6 liegen 7. Dass Berechnungen des Bedarfs vom gemessenen Verbrauch abweichen, dafür gibt es viele, nachvollziehbare Gründe: Abweichungen durch das mathematische Modell eines quasi-stationären Monats- Berechnungsverfahrens selbst, Ungenauigkeiten in der Bestimmung wärmetechnischer Parameter, wie U- Werte, Infiltrationsluftwechsel oder Ausnutzungsgrade, Unregelmäßigkeiten oder Fehler beim Betrieb der gebäudetechnischen Anlagen und natürlich die Parameter der Nutzung, wie Raumtemperaturen, Lüftungsverhalten oder Nutzungszeiten. Angesichts dessen sind die mittleren Abweichungen zwischen Bedarf und Verbrauch im TEK-Modell relativ gering. 25 Verteilung der B/V fu Verhältnisse mit TEK Obj Obj Häufigkeit in der Stichprobe σ µ +σ 0 Bereiche des B/V Verhältnisses Abb. 6 Häufigkeitsverteilung des Verhältnisses von Bedarf zu Verbrauch f B/V,fu für Brennstoff/Fernwärme für die untersuchten TEK-Einstellungs-Varianten (unkorrigierte Datenbasis, objektspezifische Berechnungseinstellungen) Quelle: IWU-eigene Darstellung 6 Genauer ausgedrückt: 1/(1,11 + 0,28) B = 0,72 B V 1,20 B = 1/(1,11 0,28) B 7 Dabei ist plausiblerweise unterstellt, dass die f B/V,fu normalverteilt sind mit einem Mittelwert µ = 1,11 und einer Standardabweichung σ = 0,28. Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 12 von 22

13 25 Verteilung der B/V el Verhältnisse mit TEK Obj Obj Häufigkeit in der Stichprobe σ µ +σ Bereiche des B/V Verhältnisses Abb. 7 Häufigkeitsverteilung des Verhältnisses von Bedarf zu Verbrauch f B/V,el für elektrische Energie für die untersuchten TEK-Einstellungs-Varianten (unkorrigierte Datenbasis, objektspezifische Berechnungseinstellungen) Quelle: IWU-eigene Darstellung Auch wenn die genauen Verhältnisse von Bedarf und Verbrauch abhängig vom Berechnungswerkzeug sind, so ist das Problem doch grundsätzlicher Natur. Zur Einschätzung des Ist-Zustands mag der gemessene Verbrauch als die objektivere Größe erscheinen, für die Prognose eines zukünftigen Zustands z.b. nach einer energetischen Modernisierung kann aber nur der rechnerische Bedarf herangezogen werden. Deshalb ist es wichtig, zu verstehen, wie sich der mit einer Berechnungsmethode ermittelte Bedarf zum Verbrauch verhält. Mit statistischen Methoden lassen sich aus den 91 Datensätzen der TEK-DB einige Erkenntnisse ableiten. 5. Schätzung des Verbrauchs auf Basis des Bedarfs In Abbildung 8 ist der gemessene Verbrauch an Endenergie Wärme der Gebäude in der TEK-DB über dem berechneten Bedarf aufgetragen. Dieser wurde in der Berechnungseinstellung des TEK-Tools ermittelt, die mit vereinfachten Algorithmen und Standard-Nutzungsrandbedingungen rechnet (Kurz: DIN-H-BTvereinfacht). Ein ideales Berechnungsverfahren würde für alle Gebäude Bedarfswerte liefern, die gleich dem Verbrauch sind, alle Datenpunkte in der Abbildung würden auf der Linie liegen, auf der Bedarf und Verbrauch übereinstimmen, der Winkelhalbierenden. TEK ist aber ein reales und - insbesondere in der hier betrachteten Berechnungseinstellung - vereinfachtes Verfahren, wie andere auch, z.b. das für den Energieausweis nach DIN V Die Trendgeraden, die aus den Ergebnissen realer, vereinfachter Berechnungsverfahren resultieren, liegen jedoch flacher als die Winkelhalbierende und zeigen einen nicht verschwindenden Achsenabschnitt auf der y-achse. Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 13 von 22

14 q, v fuel q kwh 50 q 2 b, tot, f, m a nach Sanierung nach Sanierung v, tot, f, fuel fuel kwh 0 m² a vorsanierung kwh vorsanierung kwh qv, tot, f, fuel 200 q 2 b, tot, f, fuel m a m a q, b fuel Abb. 8 Darstellung des Verbrauchs über dem Bedarf der Gebäude aus der TEK-Datenbank für Endenergie Wärme in der Berechnungseinstellung DIN-H-BT-vereinfacht, also mit Standard-Nutzungsrandbedingungen und vereinfachter Aufnahme von Gebäudehülle und Anlagentechnik. q berechneter Endenergiebedarf Brennstoff/Fernwärme vor/nach Modernisierung b, tot, f, fuel q gemessener Endenergieverbrauch Brennstoff/Fernwärme vor/nach Modernisierung v, tot, f, fuel berechnetes Energieeinsparpotenzial q b, fuel q v, gemessene Energieeinsparung fuel Quelle: IWU-eigene Darstellung Allerdings kann man die Diskrepanzen zwischen Bedarf und Verbrauch durch detaillierte Erfassung der tatsächlichen Nutzungsbedingungen und technischen Daten eines Gebäudes deutlich verringern. Es ist nur sehr zeitaufwändig und es stellt sich die Frage, ob es nicht auch andere Wege gibt, den mutmaßlichen Verbrauch eines Gebäudes zu ermitteln. Die für Endenergie Wärme typische Tendenz wurde auch schon bei Auswertungen von Daten aus Wohngebäuden beobachtet: Bei älteren, noch nicht energetisch modernisierten Gebäuden ist der gemessene Verbrauch niedriger als der berechnete Bedarf. Bei modernen, auf hohem Effizienzniveau errichteten oder bereits energetisch modernisierten Gebäuden beobachtet man eher das umgekehrte Ergebnis, der Verbrauch ist höher als der Bedarf. Konstruieren wir ein zur Erläuterung etwas überspitztes Beispiel entlang der Trendgeraden in Abbildung 8. Ein Gebäude mit einem vereinfacht berechneten Energiebedarf von Null also vielleicht ein Gebäude, das Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 14 von 22

15 im Rahmen einer ambitionierten Modernisierung zum Niedrigstenergiegebäude saniert wurde kann einen beträchtlichen, von null verschiedenen Verbrauch von ca. 50 kwh/m²a aufweisen (grüne Kennzeichnung). Viele Gründe können dabei eine Rolle spielen, neben schlichten Mängeln in der Betriebsführung der technischen Anlagen und systematischen Fehlern durch Vereinfachung im Rechenverfahren spielen erfahrungsgemäß vom Standard abweichendes Nutzungsverhalten eine wichtige Rolle. Andererseits ergab sich vielleicht für das gleiche Gebäude vor der Modernisierung ein rechnerischer Bedarf von 300 kwh/m²a, aber ein gemessener Verbrauch von nur 200 kwh/m²a (rote Kennzeichnung). Daraus können sich zu hohe rechnerische Energieeinsparpotenziale bei einer Modernisierung ergeben, im Beispiel von 300 kwh/m²a, während Einsparungen beim Verbrauch von nur 150 kwh/m²a gemessen werden können. Das wird mit Recht kritisiert. Denn es kann zu Fehlentscheidungen führen, wenn z.b. Entscheidungen über Modernisierungsmaßnahmen davon abhängig sind. Eine Möglichkeit, mit dieser Diskrepanz umzugehen, ist die Ableitung von Schätzgleichungen für den mutmaßlichen Verbrauch durch eine erweiterte, statistische Analyse mit der Methode der multiplen linearen Regression unter Berücksichtigung mehrerer unabhängiger Variablen (Regressoren), die das Verhältnis von Bedarf und Verbrauch maßgeblich beeinflussen. Das sind hauptsächlich Nutzungsparameter wie Raumtemperaturen, Fensterluftwechsel, interne Lasten und Nutzungszeiten. qˆ v, tot, f b 0 b q 1 b, tot, f n i 2 b x i i mit ˆ Schätzwert des spezifischen Endenergieverbrauchs in kwh/(m²a) q v, tot, f b geschätzte Regressionskoeffizienten der Regressionsgeraden ( i 0,1,..., n i q b tot, f i, spezifischer Endenergiebedarf (Regressor) in kwh/(m²a) x weitere Regressoren ( i 2,..., n ), z.b. Nutzungsparameter ) Damit kann eine Schätzfunktion f V/B abgeleitet werden, deren Werte angewendet auf den berechneten Endenergiebedarf für verschiedene Kombinationen der signifikanten Nutzungsparameter einen Schätzwert des Verbrauches liefern ˆ q v, tot, f, fuel fv / B qb, tot, f, fuel, Std mit q b tot, f, fuel, Std, = spezifischer Endenergiebedarf Brennstoff/Fernwärme in kwh/(m²a), vereinfacht berechnet mit Standard-Nutzungsparametern. Es ergibt sich typischerweise eine Hyperbelfunktion der Art f V / B q b1 1 b, tot, f, fuel, Std f Nutz mit dem Nutzungsfaktor f Nutz, der die vom Standard abweichende Nutzung parametriert. Abbildung 9 zeigt die Korrekturfunktion f V/B in Abhängigkeit des Bedarfs und einiger Ausprägungen der Nutzungsparameter. Sehr deutlich wird die Abhängigkeit der Schätzfunktion vom Bedarf. Ineffiziente Gebäude (hoher Bedarf) werden mit Faktoren kleiner 1 korrigiert, hocheffiziente Gebäude (niedriger Bedarf) mit Faktoren um 1 oder größer. Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 15 von 22

16 Abb. 9 Funktion zur Schätzung des Verbrauchs aufgrund einer Berechnung des Bedarfs mit dem TEK-Tool in der Berechnungseinstellung DIN-H-BT-vereinfacht, einem Anteil Fenster-belüfteter Fläche von 90% und unterschiedlichen Abweichungen der Nutzungsparameter vom Standard (1.Q: keine Abweichung, Mittel: Mittelwert der Abweichungen, 4.Q: 4. Quartil der Abweichungen) Quelle: IWU-eigene Darstellung Da es sich um eine statistische Analyse handelt, beschränkt sich die Aussage allerdings auf eine Wahrscheinlichkeitsangabe: Mit einer Wahrscheinlichkeit von 68% liegt der gemessene Verbrauch in der Spanne des geschätzten Standardfehlers um den geschätzten Verbrauch. Je nach Parameterkombination wird ein Standardfehler von ca. ±30% geschätzt. Der Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass Ergebnisse mit deutlich geringerem Zeitaufwand als bei einer objektspezifisch detaillierten Bedarfsberechnung erreicht werden können. Mit dieser Regressionsgleichung können fast 60% der Abweichung des Verbrauchs vom Bedarf erklärt werden. Im Mittel über viele Gebäude werden die Aussagen zu energetischen Kennwerten und möglichen Einsparpotenzialen damit deutlich besser. Betrachtet man ein einzelnes Gebäude, können aber immer noch beträchtliche Abweichungen auftreten, so funktioniert eben Statistik. Die Methode eignet sich deshalb besonders gut für Analysen in ganzen Gebäudebeständen, in denen mit Kurzberechnungsverfahren Modernisierungsszenarien berechnet und realistische Einsparpotenziale bestimmt werden sollen. Die Situation ließe sich dadurch verbessern, dass durch höhere Fallzahlen in der TEK-Datenbank weitere Variablen in die Regressionsanalyse einbezogen werden könnten. Zum anderen würden genauere Kenntnisse der einzelnen Fehlerarten und ihres Einflusses auf das Bedarfs-Verbrauchs-Verhältnis helfen, die Schätzung des Verbrauchs verlässlicher zu machen bzw. die Bandbreite des Standardfehlers kleiner zu machen. Daran wird gearbeitet. Für elektrische Endenergie liefert das TEK-Modell anders als bei Brennstoff/Fernwärme eine deutlich bessere Übereinstimmung von Bedarf und Verbrauch. Der mit Standard-Nutzungsparametern berechnete Bedarf an elektrischer Energie erklärt bereits 88% der Streuung der Punktwolke im Verbrauchs-Bedarfs-Diagramm, die Trendgerade liegt nahe bei der Winkelhalbierenden. Offensichtlich führt die Erweiterung des Bilanzraums in TEK, die auch den nutzerspezifischen Bedarf an elektrischer Energie mit einbezieht, im Mittel über viele Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 16 von 22

17 Gebäude zu einer guten Übereinstimmung von Bedarf und Verbrauch. Für ein konkretes, einzelnes Gebäude kann die Abweichung aber, wie beim Brennstoffverbrauch, dennoch groß sein. 6. Modernisierung Im TEK-Tool wird eine automatische Schwachstellenanalyse des Ist-Zustands eines Gebäudes durchgeführt, vgl. Tabellen 3 und 4. Auf Zonenebene werden die Ist-Kennwerte, die Ist-TEKs, mit Hilfe der Energieaufwandsklassen und der Ref-TEKs bewertet und farblich markiert. Daneben sind die Ref-TEKs der Energieaufwandsklasse Gering als Vergleichswert angegeben. Aus diesem Vergleich lässt sich ein strategisches Einsparpotenzial abschätzen. Es stellt sich dann die Frage: Ist das strategische Einsparpotenzial technisch umsetzbar und was kosten die dazu erforderlichen Maßnahmen? In der TEK-Feldphase wurden deshalb zu jedem Gebäude Modernisierungsvarianten mit Einsparpotenzial, Kosten und Wirtschaftlichkeit berechnet. Im Folgeprojekt einer Nichtwohngebäude-Typologie 3 wurden diese Ansätze systematisch aufbereitet, zunächst für die Kategorie der Parlaments-, Gerichts- und Verwaltungsgebäude (Bauwerkszuordnung 1000). Gebäudetypologien werden in der Initialberatung von Gebäudeeigentümern, bei der energetischen Bewertung von Gebäuden oder in der Portfolioanalyse von Gebäudebeständen verwendet. In einer Typologie werden Gebäude anhand von Merkmalen wie Gebäudekategorie, Größe, Baualter etc. in Klassen zusammengefasst und deren Charakteristika durch Beispielgebäude veranschaulicht. Dazu dienen Übersichtsblätter zu den Beispielgebäuden (vgl. Abbildung 11) mit den wichtigsten Gebäudedaten, Angaben zu Bauteilkonstruktionen und Anlagentechnik sowie mit dem TEK-Tool bestimmte Effizienzkenngrößen und Teilenergiekennwerten. Für 10 Beispielgebäude wurde der Energiebedarf im Ist-Zustand und nach Durchführung von energetischen Modernisierungen in zwei Varianten ermittelt. Im Effizienzniveau Standard, werden die Anforderungen an die Wärmedurchgangskoeffizienten von Außenbauteilen bei Sanierungen gemäß Anlage 3, Tabelle 1 der EnEV 2009 / EnEV 2014 eingehalten. Im Effizienzniveau Zukunft, das sich an den Eigenschaften passivhaustauglicher Komponenten orientiert, werden die um 50% verminderten Höchstwerte der Wärmedurchgangskoeffizienten der wärmeübertragenden Umfassungsfläche gemäß Anlage 2, Tabelle 2 der EnEV 2009 / EnEV 2014 für neu zu errichtende Gebäude unterschritten werden 8. Abbildung 10 zeigt die Kennwerte des Endenergiebedarfs der 10 Beispielgebäude in allen Varianten, berechnet mit dem TEK-Tool. Neben der Betrachtung von Maßnahmen zur Sanierung der Hüllfläche und der Erneuerung der Wärmeversorgung sind auch Raumlufttechnik und Beleuchtung in die Betrachtung mit einbezogen. Typischerweise ergeben sich in der Variante Standard Einsparungen beim Heizwärmebedarf um Faktoren von zwei bis vier und in der Variante Zukunft um Faktoren von fünf bis zehn! Bei elektrischer Energie lassen sich Einsparungen von ca. 30% in Standard und bis zu 50% in Zukunft darstellen. Die Energiebilanz mit TEK umfasst auch Stromverbraucher außerhalb des Bilanzrahmens der EnEV, wie etwa Arbeitshilfen, Aufzüge, etc. Dieser Anteil ist beim Vergleich von Strombedarf und -verbrauch nicht vernachlässigbar und hat beträchtliche Anteile an den Verbrauchskosten und den CO 2 -Emissionen. 8 Dies gilt für Gebäude ohne Anforderungen aus dem Denkmalschutz und entspricht den Anforderungen der Richtlinie energieeffizientes Bauen und Sanieren des Landes Hessen nach 9 Abs. 3 des Hessischen Energiegesetzes. Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 17 von 22

18 Jährlicher Endenergiebedarf (Brennwert) nach Energieträgern Endenergiebedarf [kwh/(m²a)] Arbeitenhilfen, Zentrale Dienste, Aufzüge Strom Bilanzrahmen EnEV Strom Bilanzrahmen EnEV Brennstoff Ausgangsz. Standard Zukunft Ausgangsz. Standard Zukunft Ausgangsz. Standard Zukunft Ausgangsz. Standard Zukunft Ausgangsz. Standard Zukunft Ausgangsz. Standard Zukunft Ausgangsz. Standard Zukunft Ausgangsz. Standard Zukunft Ausgangsz. Standard Zukunft Ausgangsz. Standard Zukunft Gericht 1881 Amt 1908 Polizei 1935 Polizei 1938 Amt 1962 Amt 1965 Amt 1966 Gericht 1982 Amt 1988 Gericht 2003 Abb. 10 Rechnerischer Endenergiebedarf der 10 öffentlichen Verwaltungsgebäuden für den Ist-Zustand (Ist) und die Modernisierungsvarianten Standard (EnEV 2009 / 2014) und Zukunft (EnEV-50%) Quelle: IWU-eigene Darstellung Gemeinsam mit einem externen Architekturbüro wurden zudem Kosten anhand von Kurzleistungsverzeichnisse für die dargestellten Maßnahmen ermittelt (siehe gesonderter Anlagenband 9 ) und als Kostenkennwerte zusammengefasst. In Tabelle 6 sind die auf Bauteil-Kenngrößen bezogen Kosten für die beiden Modernisierungsvarianten am Beispielgebäude 5 dargestellt. Dabei ist jeweils nach Instandhaltungsanteil und energiebedingten Mehrkosten unterschieden. Anwender der Typologie können so neben den Einsparpotenzialen bei Energie, CO 2 -Emissionen und Verbrauchskosten auch die notwendigen Investitionen für die energetischen Modernisierungen schnell und überschlägig ermitteln. 9 Jedek, Christoph; Hörner, Michael; Stein, Britta: Kosten für Modernisierungsmaßnahmen von zehn Nichtwohngebäude aus dem Bestand des Hessischen Immobilienmanagement, Darmstadt: IWU, 2015 (ISBN ) Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 18 von 22

19 Investitionskosten (ohne Mwst.) "Standard" Einheit Energiebedingte Modernisierung Instandhaltung Eventualpositionen Gesamt KG 300 Gebäude KG 400 Technik 334 Außentüren und -fenster /m² Fenster - 300,00 10,00 310, Eingangsanlage /m² Eingangsanlage - 935,00-935, Sonnenschutz /m² Fenster - 96,00 85,00 181, Gerüste /m² Fassade - 16,00-16, Außenwandbekleidungen (außen) /m² Au ß en wan d 85,00 44,00-129, Dachbeläge /m² Dach 52,00 71,00-123, Dämmung Kellerdecke /m² Kellerdecke 45,00-33,00 79, /m³/h Luft Investitionskosten (ohne Mwst.) "Zukunft" Einheit Energiebedingte Modernisierung Instandhaltung Eventualpositionen Gesamt KG 300 Gebäude KG 400 Technik 334 Außentüren und -fenster /m² Fenster 188,00 328,00 10,00 526, Eingangsanlage /m² Eingangsanlage 300,00 935, , Sonnenschutz /m² Fenster 45,00 96,00 54,00 195, Gerüste /m² Fassade 2,00 16,00-18, Außenwandbekleidungen (außen) /m² Au ß en wan d 103,00 44,00-147, Dachbeläge /m² Dach 66,00 71,00-137, Dämmung Kellerdecke /m² Kellerdecke 48,00-33,00 82, Lüftungsanlagen 59,00-13,00 72,00 Lüftungszentrale 20, ,00 /m³/h Luft Leitungen 30, ,00 begleitende Maßnahmen 8,00-13,00 21, Tab. 6 Spezifische Kostenkennwerte der Modernisierungsvarianten Standard und Zukunft (Gebäude 5) bezogen auf die Bauteilkenngrößen Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 19 von 22

20 Nichtwohngebäude im Bestand eine Querschnittsanalyse Abb. 11 Gebäudedatenblatt zu einem der 10 Beispielgebäude aus der Typologie der Nichtwohngebäude (Bauwerkszuordnung 1000) Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 20 von 22

21 7. Zusammenfassung und Fazit Eine Kenngröße, also ein Produkt aus Zahl und Einheit, dient zur Quantifizierung und in der vergleichenden Analyse zur Bewertung. Benchmarking nennt man das auch und im TEK-Tool wird es zu Vergleichen des Ist- Zustands eines Gebäudes mit dem Soll-Zustand genutzt. Hauptsächlich geschieht dies mit den Teilenergiekennwerten, kurz TEKs genannt. Aber auch geometrische Kenngrößen wie das A/V-Verhältnis, Flächenkenngrößen zur Beschreibung der objektspezifischen Hüllflächenexposition oder statistische Kenngrößen wie der Standardfehler der Verbrauchsschätzung dienen diesem Zweck. TEK nutzt Kenngrößen auf Gebäudeebene und auf Zonenebene. Kennwerte des Energiebedarfs werden in TEK für die schnelle Bewertung des energetischen Standards von Gebäuden verwendet, geometrische Kenngrößen der Hüllflächenexposition machen energetische Schwachstellen oder im Rahmen einer Qualitätssicherung Fehler in der Erfassung - der Gebäudegeometrie schnell deutlich. Auf Zonenebene werden Kennwerte zur Identifikation von Schwachstellen in den einzelnen Gewerken verwendet. Daraus kann ein strategisches Einsparpotenzial schnell abgeschätzt werden. In der Feldphase des Projekts entstand eine bundesweit einmalige Datenbank mit geometrischen, energetischen und Nutzungsdaten von Nichtwohngebäuden im Bestand. Die statistische Auswertung dieser Daten liefert wertvolle Hinweise zu Möglichkeiten und Grenzen eines Abgleichs von Verbrauch und Bedarf. Ein Verfahren wurde aufgezeigt, wie ausgehend von einer vereinfachten Berechnung des Bedarfs und mit geringem Aufwand zumindest eine Wahrscheinlichkeitsaussage zum tatsächlichen Verbrauch gemacht werden kann. Bei vielen Gebäuden, beispielsweise in einem Quartier, lassen sich daraus durchaus brauchbare Prognosen zum Energieverbrauch in Szenarienrechnungen ableiten. In TEK wurden auch Varianten zur energetischen Modernisierung mit Einsparpotenzial, Kosten und Wirtschaftlichkeit berechnet. Daraus sind in einem Folgeprojekt erste Ansätze einer Typologie von Nichtwohngebäuden entstanden. Wichtige zusätzliche Kenngrößen wurden darin ermittelt, unter anderem Kostenkennwerte für die energetische Modernisierung mit einer durchgängigen Unterscheidung von energiebedingten Mehrkosten und Instandhaltungskosten. TEK birgt also eine ganze Menge an Informationen zur Bestandsaufnahme und energetischen Modernisierung von Nichtwohngebäuden im Bestand. Eine schnelle Analyse, der Abgleich von Bedarf und Verbrauch und Kostenkennwerte der energetischen Modernisierung machen das TEK-Tool und die zugehörigen Publikationen zu einem attraktiven Instrument der Energieberatung in Gebäuden und Quartieren bzw. Gebäudeportfolios. Quelle: Michael Hörner, IWU, Darmstadt Seite 21 von 22