Effektive und effiziente energetische Sanierung von Gebäuden und Gebäudebeständen - neue Ansätze und Methoden

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1 Effektive und effiziente energetische Sanierung von Gebäuden und Gebäudebeständen - neue Ansätze und Methoden Arno Schlüter, Professur für Architektur und Gebäudesysteme ITA / ETH Zürich

2 Wo wir stehen - IPCC Bericht 2014 In 2010 haben Gebäude 32% der globalen Endenergie und 19% aller Treibhausgase verursacht. Bei gleichbleibender Dynamik könnte sich dieser Anteil bis 2050 verdoppeln. Die umfassende Umsetzung bestehender Praktiken und der Einsatz bestehender Technologien könnte dies stoppen oder sogar den Verbrauch reduzieren bis Viele Massnahmen versprechen vielfältige Vorteile (z.b. ökonomische Perspektiven) Dennoch bestehen viele Barrieren für die zügige Umsetzung, z.b. geringe Markttransparenz, eingeschränkter Zugriff auf Kapital und Risikoscheue. Das Wissen und die Technologien sind vorhanden um Null-Energie und / oder Null-Emissionsgebäude zu bauen; und es gibt ein breites Spektrum politischer Massnahmen und diese Barrieren abzubauen. Durch die lange Lebensdauer der Gebäude besteht das Risiko des lock-in : Gebäude, die heute nicht dem Stand entsprechend saniert werden stehen für Jahrzehnte nicht mehr zur Verfügung Source: Key Findings from the Intergovernmental Panel on Climate Change Fifth Assessment Report. CISL (

3 Wo wir stehen - Sanierungen in der Schweiz Gebäude in der Schweiz werden für 50 bis 80, sogar bis 100 Jahre Nutzungsdauer geplant. In der Schweiz sind ca. 65% der Wohnbauten älter als 40 Jahre und ca. 40% älter als 60 Jahre. Der Gebäudebestand wird nur mit einer Rate von etwa 1% - 2% pro Jahr saniert Die Neubaurate beträgt etwa 1%. Die Ersatzrate (Abbruch und Neubau) ihrerseits liegt in der Schweiz deutlich unter 0.1% pro Jahr. Quelle: BFE Quelle: BFE, Energetische Erneuerungsraten im Gebäudebereich,.2014, Bern Die Gebäude der Zukunft sind die heutigen Gebäude!

4 Warum wird nicht saniert? - Hemmnisse Informationsprobleme in unterschiedlicher Intensität bei den verschiedenen Eigentümerschaftgruppen Informationskosten können den Informationsgewinn insgesamt übersteigen. Mangelnde Informationen führen damit zu Unsicherheit, die sich hemmend auswirkt. Mangelnde Rentabilität: Relativ geringe Energiekosten, eine häufig lange Amortisationsdauer und Lebenszyklus-Entscheidungen bestimmen die Rentabilität energetischer Investitionen. Umfangreiche Bauvorschriften und Bewilligungsverfahren erschweren energetische Sanierungen. Häufig müssen Kompromisse gemacht werden, z.b. zwischen Denkmalschutz und Energieeffizienz oder ästhetischen Überlegungen. Auszug aus: Wiencke, A., Meins, E. 2012: Praxisbeitrag. Energieforschung Stadt Zürich. Bericht Nr. 5, Forschungsprojekt FP-2.2.2

5 Warum wird nicht saniert? Die drei am meisten zutreffenden Gründe gegen eine Sanierung (Studie Stadt Zürich): Denkmalpflegerische Gründe Investitionskosten zu hoch Bautechnische Hindernisse Die drei am wenigsten zutreffenden Gründe gegen eine Sanierung (Studie Stadt Zürich): Fehlendes Wissen bez. Lösungen Investitionsmittel fehlen zu hohe Mietzinsausfälle Quelle: Energieforschung Zürich, Forschungsprojekt 2012

6 Unter der Voraussetzung, dass unsere zukünftigen Gebäude CO2-frei im Betrieb werden müssen: Wie erreichen wir effektive und kosteneffiziente Sanierungen, die optimal auf ein Gebäude zugeschnitten sind? Wie erreichen wir das nicht nur für ein Gebäude sondern für möglichst viele?

7 Effektive und kosteneffizente Sanierung grosser Bestände: Beispiel Zernez Arno Schlüter Philipp Geyer Sasha Cisar

8 Forschungsprojekt ETH Zürich - Gemeinde Zernez

9 Aufbau einer Gebäudedatenbank Gebäudedatenbank, Eingabe GIS Datenbank (Geo-referenziert)

10 Datenanalyse (Auszüge) Gebäude aus den 1870ern verbrauchen im Schnitt weniger Wärme als Gebäude aus den 2000ern Allerdings werden zumeist Öl- oder Elektroheizungen verwendet, daher grosser Anteil an CO2 Ausstoss Im Ort werden 11 verschiedene Kombinationen von Heizsystemen verwendet, am meisten Öl und Elektrowiderstandsheizungen (z.t. in Kombination mit Holzfeuerungen) Analyse zeigt grösstes Potential bei Wohn- und Geschäftshäusern sowie Mehrfamilienhäuser die mehrheitlich in den 1870er und 1970er Jahren erbaut wurden; die über eine Ölheizung verfügen die über 20 Jahre alt ist

11 Massnahmen und Massnahmenkombinationen

12 Einsparungspotentiale Potenziale zur Reduktion von Energieverbrauch und CO2 Emissionen und resultierende Kosten

13 Transformationsstrategien: Massnahmen, Kosten und Zeit

14 Aktionsplan Grafik: Sonntagszeitung

15 Beispiel optimale Sanierung eines denkmalgeschützen Gebäudes In Zusammenarbeit mit dem Institut für Denkmalpflege und Bauforschung (IDB), ETH Zürich ETH Zürich (Quelle Grafik: IDB)

16 Ziel: Zero Emissions -10 C -10 C 21 C 21 C Q v Q v 35 C E supply 1200 C 90 C Q t Ex Q t 15 C Zustand heute Zero Emissions

17 Low-Cost Wireless Sensor Network

18 Thermisches Gebäudemodell auf Basis von Sensortasten (Left) Experimental data of eight nights used for model estimation (Right) Data from four nights is used for model validation. The number in the parenthesis is the prediction accuracy. Contour plot of the supply temperature as a function of the retrofit measures heating system and envelope Quelle: Z. Nagy, D. Rossi, Ch. Hersberger, S.I. Domingo, C. Miller, and A. Schlueter Balancing Envelope and Heating System Parameters for Zero Emissions Retrofit using Building Sensor Data, Applied Energy

19 Bottom-up vs. top-down Konventioneller Prozess: 500 Sichtung des Gebäudes Kosteneffizientes und Individuelles Sanierungskonzept Abschätzen der konstruktiven Eigenschaften (z.b. U-Werte) Balancieren von Konstruktions- und Systemparameter Simulation nach Norm (z.b. SIA 380/1) Datenbasiertes, thermisches Gebäudemodell 0 Bezug Heizöl Messungen SIA 380/1 Sanierungskonzept Messungen relevanter Parameter mittels Sensoren Abschätzung des jährlichen Heizwärmebedarfes, Vergleich verschiedener Methoden (kwh/m2) Datenbasierter Prozess

20 Rebound and Prebound-Effekt: Studie an 3400 sanierten Gebäuden Bei normativ berechneten Energiebedarf Einsparung überschätzt (methodisch bedingt) Je schlechter der Zustand eines Gebäudes bzw. je höher der Energiebedarf, desto mehr achten die Bewohner auf den Heizwärmebedarf Realisierte Energieeinsparungen durch thermische Massnahmen bewegen sich im Bereich von 30%, nicht 70-80% wie oft in der verwendet; Grenzkosten, diese Werte zu erreichen können extrem hoch sein Kosten für die CO2 Einsparung bei Gebäuden können bis zu 10-fach höher sein wie für die Verbesserung der Infrastruktur für Strom- und Wärmeerzeugung Moderate thermische Sanierungen von Gebäude erreichen den grössten Hebel Quelle: Minna Sunikka-Blank & Ray Galvin (2012): Introducing the prebound effect: the gap between performance and actual energy consumption, Building Research & Information, 40:3,

21 Zusammenfassung und Ausblick Um schnellere Fortschritte in der Sanierung zu erreichen sollten Gebäuden mit grosser Wirkung und bei diesen die kostenoptimalen Maßnahmen identifiziert und gezielt saniert werden Für effektive, kosteneffiziente und dem Gebäude gerechte Sanierungen sind mehr und bessere Informationen notwendig: (kostengünstige) Messungen mittels Sensoren, Modelle und Datenbanken können dies erreichen Die hierbei gewonnen Daten könnten für den Aufbau einer umfassenden Gebäudedatenbank verwendet werden Dies kann die Kosten-Nutzen Bilanz verbessern, Risiken verringern und ermöglichen, Sanierungen besser auf ein Gebäude abzustimmen DÄMMUNG STANDARD Jedes Gebäude wird mit zusätzlich 12cm gedämmt % PHOTOVOLTAIK Stromproduktion auf 60% (Flachdach) bzw. 30% (Satteldach) der Dachfläche. +5.4% WÄRMEPUMPE -42%/-7% 32.9 Mio 0%/-16% 14 Mio Ersatz des bestehenden Heizsystems durch eine Wärmepumpe % -30%/-18% 16.1 Mio DÄMMUNG MINERGIE jedes Gebäude wird mit zusätzlich 22cm gedämmt -42.7% SOLARTHERMIE -57%/-10% 49.0 Mio Warmwasserproduktion auf 60% (Flachdach) bzw. 30% (Satteldach) der Dachfläche % -61.4% -9%/-7% 13.8 Mio WÄRMEPUMPE U/O FERNWÄRME Ersatz des bestehenden Heizsystems durch entweder Wärmepume oder Fernwärme. -13%/-23% 8.2 Mio Wärmepumpe Erdsonde Photovoltaik Solarthermie DÄMMUNG UND HEIZSYSTEM Kombination von drei Massnahmen -84.5% -83.6% -70%/-19% 92.8 Mio DÄMMUNG, SOLARTHERMIE WÄRMEPUMPE U/O FERNWÄRME Kombination von vier Massnahmen. Zernez Energia20: Wirkung von Sanierungsmassnahmen auf den Gebäudebestand (Grafik: Sasha Cisar) Fernwärme Dämmung -69%/-17% 81.7 Mio

22 Vielen Dank Arno Schlueter (ETH Spinoff)