Auswirkung der Wärmespeicherfähigkeit: «Holz» versus «Beton» Optimaler Wärmeschutz mit Holzbau

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1 5. Europäischer Kongress für effizientes Bauen mit Holz 2 der Wärmespeicherfähigkeit: «Holz» versus I M. Ragonesi der Wärmespeicherfähigkeit: «Holz» versus Marco Ragonesi Ragonesi Strobel & Partner AG CH-Luzern

2 2 der Wärmespeicherfähigkeit: «Holz» versus I M. Ragonesi 5. Europäischer Kongress für effizientes Bauen mit Holz 2

3 5. Europäischer Kongress für effizientes Bauen mit Holz 2 der Wärmespeicherfähigkeit: «Holz» versus I M. Ragonesi 3 der Wärmespeicherfähigkeit: «Holz» versus. Erkenntnisse aus Untersuchung «Hegianwandweg»: Statische versus dynamische Betrachtung. Aus Element 29 «im Hochbau» werden die folgenden Aussagen gemacht: Die thermischen Prozesse am Gebäude verhalten sich zeitabhängig, d.h. instationär. Gängige stationäre Bilanzmodelle auf der Basis der U-Werte (Norm SIA 38/) sind deshalb nicht geeignet, Aussagen zu Heizlasten zu machen. Es sind deshalb dynamische Simulationsmodelle erforderlich. Die Vorteile des Massivbaus bezüglich energetischem Verhalten und Komfort lassen sich nur mit dynamischen Simulationsmodellen quantifizieren. Ist eine solch indirekte Diskreditierung der Holzbauweise gerechtfertigt? Am Beispiel eines Mehrfamilienhauses der Überbauung Hegianwandweg wird der Einfluss von differenten Bauweisen detailliert untersucht: Einfluss der Bauweise «leicht» (Aussenwände Holzrahmenbau), «mittel» (Massivholzbau) und «schwer» (Massivbau). Einfluss des Energiestandards von der Mindestanforderung «MuKEn» bis zum Standard. Beurteilung der Energieflüsse statonär, mit Berechnung gemäss Norm SIA 38/ und mittels dynamischer Simulation (Mehrzonenmodell mit IDA ICE). So wie es sein muss ist es auch: Das einfache stationäre Bilanzmodell SIA 38/ weist einen aus, der generell leicht höher ist, als der über die dynamische Simulation ermittelte. Der Vergleich der verschiedenen Bauweisen und Standards führt zu folgenden Erkenntnissen: Bei korrekter Zuordnung der Bauweise «leicht» bis «schwer» in SIA 38/ sind die rechnerisch ausgewiesenen Differenzen beim, unabhängig von der Bauweise, mit etwa 5% beim Standard «MuKEn» und etwa 3 % beim Standard identisch. Wenn man bei der dynamischen Simulation die Raumtemperatur von C nicht als unteren Schwellenwert sondern als Durchschnittswert definiert, kann die Abweichung zwischen 38/ und Simulation auch gegen % gehen. Vorteilhaft zeigt sich, wenn die mit «leicht» in SIA 38/ diskriminierte Holzbauweise mittels dynamischer Gebäudesimulation gerechnet wird und so die effektiv höher vorhandene zu einem um % kleineren führt. Es ist somit nicht der Fall, dass nur der «schwere Massivbau» in SIA 38/ falsch beurteilt wird und dessen Qualität bezüglich Wärmespeicherfähigkeit und Ausnutzung von solaren Gewinnen nur über die dynamische Gebäudesimulation korrekt gewürdigt werden kann. Auch die untersuchten Holzbaukonstruktionen weisen ihre Qualitäten bei differenzierter Betrachtung mittels dynamischer Gebäudesimulation auf! 2. In letzter Zeit wurde intensiv über den Sinn eines immer besser werdenden es nachgedacht. Ist dieser Weg bis hin zu auch dann gerechtfertigt, wenn eine immer effizientere Wärmeerzeugung zur Verfügung steht? Bezüglich die Kriterien «Kosten», «Primärenergie», «Treibhauseffekt CO 2» und «Umweltbelastung UBP» wird für eine Aussenwand in Holzrahmenbauweise aufgezeigt, wie dick die optimale Wärmedämmschicht ist. Dies abhängig von der Energieerzeugung mit Gas, Holzschnitzel oder Erdsonden-Wärmepumpe.

4 5. Europäischer Kongress für effizientes Bauen mit Holz 2 4 der Wärmespeicherfähigkeit: «Holz» versus der Wärmespeicherfähigkeit: «Holz» versus I M. Ragonesi Die kleinste Dicke ergibt sich bezüglich die Kosten, mit 6 cm bei Erdsonden-WP, gefolgt von 22 cm bei Holzschnitzelheizung und 28 cm bei Gasheizung. Die nicht monetären Kriterien führen zu Wärmedämmschichten von 32 cm Dicke und wesentlich mehr. Je effizienter die Energieerzeugung, desto weniger dick kann wärmegedämmt werden und je günstiger das Kapital, desto besser darf der sein. Wer aber zu wenig wärmedämmt macht sicher den grösseren Fehler als derjenige, der eine etwas zu dicke Wärmedämmschicht wählt! Wenn der Raumverlust durch dickere Wärmedämmschicht bzw. Wandkonstruktion berücksichtigt wird, resultiert garantiert nur der gesetzlich einzuhaltende Mindestwärmeschutz. In diesem Fall kann die schlanke Holzbauweise gegenüber anderen Wandkonstruktionen klare Vorteile ausspielen! 2. Internationales Forum Holzbau Beaune 2 Objektbeispiel: 2. Internationales Forum Holzbau Beaune 2 2 Objektbeispiel: 2. Internationales Forum Holzbau Beaune 2 3

5 5 der Wärmespeicherfähigkeit: «Holz» versus I M. Ragonesi 5. Europäischer Kongress für effizientes Bauen mit Holz 2 Objektbeispiel: Längsschnitt Nordwestfassade Südwestfassade Südostfassade Nordostfassade Objektbeispiel: Untergeschoss. bis 3. Obergeschoss 2. Internationales Forum Holzbau Beaune 2 5 Erdgeschoss Attikageschoss Objektbeispiel: 2. Internationales Forum Holzbau Beaune 2 6 Untergeschoss innerhalb der thermischen Gebäudehülle ausserhalb der thermischen Gebäudehülle

6 5. Europäischer Kongress für effizientes Bauen mit Holz 2 der Wärmespeicherfähigkeit: «Holz» versus I M. Ragonesi 6 Objektbeispiel: Erdgeschoss innerhalb der thermischen Gebäudehülle ausserhalb der thermischen Gebäudehülle Objektbeispiel: 2. Internationales Forum Holzbau Beaune 2 8 innerhalb der thermischen Gebäudehülle ausserhalb der thermischen Gebäudehülle Korrekte Beurteilung der Bauweise? : Statische Methode «Norm SIA 38/» Dynamische Methode Beispiel «Hegianwandweg»: Thermische Gebäudehülle svarianten Vergleich der Resultate 2. Internationales Forum Holzbau Beaune 2 9

7 7 der Wärmespeicherfähigkeit: «Holz» versus I M. Ragonesi 5. Europäischer Kongress für effizientes Bauen mit Holz 2 2. Internationales Forum Holzbau Beaune 2 Korrekte Beurteilung der Bauweise? Aus element 29: Die thermischen Prozesse am Gebäude verhalten sich naturgemäss zeitabhängig, d.h. instationär. Gängige stationäre Bilanzmodelle auf der Basis der U-Werte (Norm SIA 38/) sind deshalb nicht geeignet, Aussagen zu den Heizlasten zu machen. sind deshalb dynamische Simulationsmodelle erforderlich Vorteile der massiven Bauweise bezüglich Komfort und Nutzung solarer Energiegewinne sowie die Wirkung des Wärmespeicherverhaltens lassen sich nur mit dynamischen Modellen realitätsnah aufzeigen. Korrekte Beurteilung der Bauweise? Aus element 29: Referenzberechnung «Massivbau»: Der mittels dynamischer Berechnung ermittelte fällt um etwa % niedriger aus als nach Norm SIA 38/ ermittelt. Die dynamische Gebäudesimulation ermöglicht eine ralistische Einschätzung der erzielbaren Energiegewinne Vorteile des Massivbaus bezüglich energetischem Verhalten lassen sich somit quantifizieren. 2. Internationales Forum Holzbau Beaune 2 2. Internationales Forum Holzbau Beaune 2 2 Korrekte Beurteilung der Bauweise? Aus element 29: Referenzberechnung «Massivbau»: Der mittels dynamischer Berechnung ermittelte fällt um etwa % niedriger aus als nach Norm SIA 38/ ermittelt. Die dynamische Gebäudesimulation ermöglicht eine ralistische Einschätzung der erzielbaren Energiegewinne Vorteile des Massivbaus bezüglich energetischem Verhalten lassen sich somit quantifizieren. Diskreditierung der Holzbauweise

8 5. Europäischer Kongress für effizientes Bauen mit Holz 2 der Wärmespeicherfähigkeit: «Holz» versus I M. Ragonesi 8 Statische Methode «SIA 38/»: Bilanz über 2 Perioden Monatsmittelwerte konstante Raumtemperatur U-Werte g-werte Wärmebrücken Bauweise: z.b. «leicht» Q V Q IP Q IE Q S 3 Dynamische Bilanzierung: 28 Stundenmittelwerte (Klimabedingungen) Simulation über variable Zeitschritte 26 (< Sekunde bis max. Stunde) Baukonstruktion bzw. Materialien 24 (Baustoffkennwerte) g-werte 22 Wärmebrücken effektive Wärmespeicherfähigkeit 8 Temperaturen [ C] 32 6 Q Maximaltemperatur [ C] 26,5 26, 25,5 25, N S 24,5 Effizienz von unterschiedlichen «Ytong» (schwer) «Schwer» «Mittel» Aussenwände «Leicht» Fenster Flachdach über 4. OG Holzfenster mit 3-IV U g =,7 bzw.,6 W/m 2 K g = 47 % Glasrand Edelstahl bzw. Kunststoff Holzfenster mit 3-IV U g =,7 bzw.,6 W/m 2 K g = 47 % Glasrand Edelstahl bzw. Kunststoff Holzfenster mit 3-IV U g =,7 bzw.,6 W/m 2 K g = 47 % Glasrand Edelstahl bzw. Kunststoff Holzfenster mit 3-IV U g =,7 bzw.,6 W/m 2 K g = 47 % Glasrand Edelstahl bzw. Kunststoff Flachdach über 3. OG Baustoffe Mineralwollplatten XPS-Platten EPS-Platten Multipor Holzwerkstoffe Backstein Ytong P Stahlbeton Putzschichten Gipskartonplatten Gipsfaserplatten Putzträgerplatte Unterlagsboden Parkettboden Plattenboden Splitt 2. Internationales Forum Holzbau Beaune 2 5

9 rimäranforderung an thermische Gebäudehülle: Q h =,6 x Q h,li 5. Europäischer Kongress für effizientes Bauen mit Holz 2 9 der Wärmespeicherfähigkeit: «Holz» versus I M. Ragonesi Effizienz von unterschiedlichen Geschossdecken Boden über UG «Ytong» (schwer) «Schwer» «Mittel» 25 6 «Leicht» Innenwände und Wohnungstrennwände var var var. var. Baustoffe Mineralwollplatten Holzwerkstoffe Putzschichten Unterlagsboden XPS-Platten Backstein Gipskartonplatten Parkettboden EPS-Platten Ytong P Gipsfaserplatten Plattenboden Multipor Stahlbeton Putzträgerplatte Splitt Beurteilung Norm SIA 38/ & mit Gebäudesimulation MuKEn 4% MuKEn 4% MuKEn MuKEn 5% % Q h [MJ/m 2 a] % 3% 3% 3% Bauweise «Ytong» (schwer) Bauweise «schwer» Q h = Q h,li (MuKEn) gemäss Berechnung SIA 38/ Q h =,6 x Q h,li () gemäss Berechnung SIA 38/ Bauweise «mittel» Q h,eff mit Komfortlüftung/WRG (V th =,28) gemäss Berechnung SIA 38/() Q h basierend auf dynamischer Gebäudesimulation MuKEn mit Standardluftwechsel mit Komfortlüftung/WRG Grenzwert Q h,li (MuKEn) Bauweise «leicht» 2. Internationales Forum Holzbau Beaune 2 7 Beurteilung Norm SIA 38/ & mit Gebäudesimulation Bauweis: Q h [MJ/m 2 a] 5 7% 7 99 % 5% 4% «sehr leicht» «leicht» «mittel» «schwer» Q h = Q h,li (MuKEn; Berechnung SIA 38/; Bauweise «leicht») Q h (Berechnung SIA 38/; variable Definition der Bauweise «sehr leicht» bis «schwer») Q h basierend auf dynamischer Gebäudesimulation Internationales Forum Holzbau Beaune 2 8

10 5. Europäischer Kongress für effizientes Bauen mit Holz 2 der Wärmespeicherfähigkeit: «Holz» versus I M. Ragonesi Beurteilung mit Gebäudesimulation Raumtlufttemperaturen [ C] Juli 9. Juli. Juli 2. Juli 22. Juli 23. Juli Temperaturen Sommerwoche 24. Juli 25. Juli Solarstrahlung [W/m 2 ] Vergleich Raumlufttemperaturen: MuKEn MuKEn MuKEn MuKEn Aussentemperatur Strahlung Bauweise «leicht» Bauweise «mittel» Bauweise «Ytong» Bauweise «schwer» Beurteilung mit Gebäudesimulation Raumtlufttemperaturen [ C] Solarstrahlung [W/m 2 ] Vergleich Raumlufttemperaturen: Aussentemperatur Strahlung Bauweise «leicht» Bauweise «schwer» 8. Juli 9. Juli. Juli 2. Juli 22. Juli 23. Juli 24. Juli 25. Juli Temperaturen Sommerwoche 2. Internationales Forum Holzbau Beaune 2 2. Internationales Forum Holzbau Beaune 2 2 Beurteilung mit Gebäudesimulation Raumtlufttemperaturen [ C] Juli 9. Juli. Juli 2. Juli 22. Juli 23. Juli Temperaturen Sommerwoche 24. Juli 25. Juli Solarstrahlung [W/m 2 ] Vergleich Raumlufttemperaturen: Bauweise «leicht» mit Kühlung über Bodenheizung Aussentemperatur Strahlung Bauweise «schwer»

11 5. Europäischer Kongress für effizientes Bauen mit Holz 2 der Wärmespeicherfähigkeit: «Holz» versus I M. Ragonesi Beurteilung mit Gebäudesimulation Maximaltemperatur und Stunden über Temperatur-Grenzwerten Extremtemperatur Sommerwoche [ C] MuKEn h h h h Bauweise «schwer» MuKEn h h h h Bauweise «Ytong» MuKEn MuKEn h Bauweise «mittel» Bauweise «leicht» Stunden mit Übertemperatur [h] Maximaltemperatur Stunden über Grenzwert gemäss Norm SIA 38/ Stunden über 26 C 2. Internationales Forum Holzbau Beaune 2 22 Norm SIA 8: Bauschadenfreiheit und Behaglichkeit Kriterien: Behaglichkeit/Bauschäden Kosteneffizienz (Erstellung & Betrieb) Energieeffizienz (Primärenergie) CO 2 -Effizienz Umweltbelastung «UBP» Wo liegt das Optimum 2 2m Internationales Forum Holzbau Beaune 2 23 Entscheidender Faktor: Energieerzeugung Q IP Q V Q IE Q S Effizienz dank guter «Maschine»? Q T Q h Holz η =,75 Gas η =,9 Wärmepumpe JAZ = 3,9 (Traumwerte 5 oder?) 2. Internationales Forum Holzbau Beaune 2 24

12 5. Europäischer Kongress für effizientes Bauen mit Holz 2 der Wärmespeicherfähigkeit: «Holz» versus I M. Ragonesi 2 Kosten-Effizienz,4,35,3,25,,5,,9 Norm SIA 8 MuKEn Sanierung MuKEn Neubau MuKEn Neubau: ohne erneuerbare Energie Norm SIA 38/: Zielwert Neubau Kosten U-Wert Holzrahmenbau (λ D,res =,45 W/m K) Kosten: Anteil Holzbau (Steinwollplatte&Holzrahmen) Total Holzbau + Heizwärmeverbrauch bei Gasheizung bei Erdsonden-WP bei Holzschnitzel Optimum betreffend die Kosten, Dicke der Wärmedämmschicht [cm] 7,5 5, 2,5, 7,5 5, 2,5 Holzrahmen mit Brettschichtholz (CHF 25. /m 3 ) statt Duoholz C24 (CHF 5. /m 3) Kosten [CHF/m 2 a] Treibhausgase-Effizienz,4,35,3,25,,5,,9 Norm SIA 8 MuKEn Sanierung MuKEn Neubau MuKEn Neubau: ohne erneuerbare Energie Norm SIA 38/: Zielwert Neubau Treibhauseffekt U-Wert Holzrahmenbau (λd,res =,45 W/m K) Treibhauseffekt: Anteil Holzbau (Steinwollplatte&Holzrahmen) Total Holzbau + Heizwärmeverbrauch bei Gasheizung bei Erdsonden-WP bei Holzschnitzel Optimum betreffend die Treibhauseffekt Treibhauseffekt [kg CO 2-eq /m 2 a], Dicke der Wärmedämmschicht [cm] 52 Primärenergie-Effizienz,4,35,3,25,,5,,9 Norm SIA 8 MuKEn Sanierung MuKEn Neubau MuKEn Neubau: ohne erneuerbare Energie Norm SIA 38/: Zielwert Neubau Primärenergie U-Wert Holzrahmenbau (λ D,res =,45 W/m K) Primärenergie: Anteil Holzbau (Steinwollplatte&Holzrahmen) Total Holzbau + Heizwärmeverbrauch bei Gasheizung bei Erdsonden-WP bei Holzschnitzel Optimum betreffend die Primärenergie Primärenergie nicht erneuerbar [kwh/m 2 a], Dicke der Wärmedämmschicht [cm]

13 3 der Wärmespeicherfähigkeit: «Holz» versus I M. Ragonesi 5. Europäischer Kongress für effizientes Bauen mit Holz 2 Umweltbelastungs-Effizienz,4,35,3,25,,5,,9 Norm SIA 8 MuKEn Sanierung MuKEn Neubau MuKEn Neubau: ohne erneuerbare Energie Norm SIA 38/: Zielwert Neubau Umweltbelastung U-Wert Holzrahmenbau (λ D,res =,45 W/m K) Umweltbelastung: Anteil Holzbau (Steinwollplatte&Holzrahmen) Total Holzbau + Heizwärmeverbrauch bei Gasheizung bei Erdsonden-WP bei Holzschnitzel Optimum betreffend die Umweltbelastung Umweltbelastung [UBP/m 2 a] 2. Internationales Forum Holzbau Beaune 2 28, Dicke der Wärmedämmschicht [cm] Gesamtbetrachtung «Effizienz» 2. Internationales Forum Holzbau Beaune 2 29,4,35,3,25,,5,,9 Norm SIA 8 MuKEn Sanierung MuKEn Neubau MuKEn Neubau: ohne erneuerbare Energie Norm SIA 38/: Zielwert Neubau, Dicke der Wärmedämmschicht [cm] Optimale Dicken der Wärmedämmschicht Aussenwand «Holzrahmenbau» Gas : Kosten Holzschnitzel 2: Primärenergie Wärmepumpe 3: CO 2 4: UBP Schlussfolgerung 2. Internationales Forum Holzbau Beaune 2 3,4,35,3,25,,5,,9 Norm SIA 8 MuKEn Sanierung MuKEn Neubau MuKEn Neubau: ohne erneuerbare Energie Norm SIA 38/: Zielwert Neubau, Dicke der Wärmedämmschicht [cm] Optimale Dicken der Wärmedämmschicht Aussenwand «Holzrahmenbau» Gas : Kosten Holzschnitzel 2: Primärenergie Wärmepumpe 3: CO 2 4: UBP Wer zu wenig dämmt macht die grösseren Fehler als der, welcher zu viel dämmt!

14 5. Europäischer Kongress für effizientes Bauen mit Holz 2 der Wärmespeicherfähigkeit: «Holz» versus I M. Ragonesi 4 Schlussfolgerung 2 Je effizienter die Energieerzeugung, desto weniger dick kann wärmegedämmt werden: WP mit JAZ = 3,9: Kosteneffizient sind 6 cm 5: 4 cm : cm 2. Internationales Forum Holzbau Beaune 2 3 Je günstiger das Kapital, desto besser darf der sein: Kapitalzinssatz %: Kosteneffizient sind 24 cm 3 %: 6 cm 6 %: 2 cm Schlussfolgerung 3,4,35,3,25,,5,,9 «MINDESTWÄRMESCHUTZ» MuKEn Neubau «Raumverlust» Rechenbeispiel: Wohnung mit Nettowohnfläche 3 m 3 Miete 3. CHF/Monat m 2 Nettowohnfläche kostet 277. CHF/a Geschosshöhe = 3, m cm Mehrdicke der Wand «verursacht»,92 CHF/m 2 a Wirtschaftlichkeit einer dickeren Wärmedämmschicht gegeben bei welchen Nettowohnflächen-Kosten? nächst dickere WD möglich bei: 8 CHF/m 2 a (Gas) CHF/m 2 a (Holzschnitzel) CHF/m 2 a (Wärmepumpe) Fazit: Bei Raumverlust «Mindestwärmeschutz», Schlussfolgerung 3,4,35,3,25,,5,,9 Differenz: etwa 5 cm dickere Wand «Verlust» von etwa 4. CHF/m 2 a für verlorene Nettowohnfläche! «Raumverlust» Holzrahmenbau: U-Wert,2 W/m 2 K etwa 3 cm dicke Aussenwand Massivbauwand: U-Wert,2 W/m 2 K etwa 45 cm dicke Aussenwand,5