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

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1 2. Forum Holzbau Beaune Wärmespeicherfähigkeit und optimaler I M. Ragonesi der Wärmespeicherfähigkeit: «Holz» versus Comparaison de l inertie thermique bois/béton en été et hiver Marco Ragonesi Ragonesi Strobel & Partner AG CH-Luzern

2 2 Wärmespeicherfähigkeit und optimaler I M. Ragonesi 2. Forum Holzbau Beaune

3 2. Forum Holzbau Beaune Wärmespeicherfähigkeit und optimaler 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 3/) 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 bis zum Standard. Beurteilung der Energieflüsse statonär, mit Berechnung gemäss Norm SIA 3/ und mittels dynamischer Simulation (Mehrzonenmodell mit IDA ICE). So wie es sein muss ist es auch: Das einfache stationäre Bilanzmodell SIA 3/ 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 3/ sind die rechnerisch ausgewiesenen Differenzen beim, unabhängig von der Bauweise, mit etwa 5% beim Standard 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 3/ und Simulation auch gegen % gehen. Vorteilhaft zeigt sich, wenn die mit «leicht» in SIA 3/ 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 3/ 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 4 Wärmespeicherfähigkeit und optimaler I M. Ragonesi 2. Forum Holzbau Beaune Die kleinste Dicke ergibt sich bezüglich die Kosten, mit cm bei Erdsonden-WP, gefolgt von 22 cm bei Holzschnitzelheizung und 2 cm bei Gasheizung. Die nicht monetären Kriterien führen zu Wärmedämmschichten von 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!

5 2. Forum Holzbau Beaune Wärmespeicherfähigkeit und optimaler I M. Ragonesi der Wärmespeicherfähigkeit: «Holz» versus Objektbeispiel: 2 Objektbeispiel: 3 5

6 2. Forum Holzbau Beaune Wärmespeicherfähigkeit und optimaler I M. Ragonesi Objektbeispiel: Längsschnitt Nordwestfassade Südwestfassade Südostfassade Nordostfassade 4 Objektbeispiel: Untergeschoss. bis 3. Obergeschoss Erdgeschoss Attikageschoss 5 Objektbeispiel: Untergeschoss innerhalb der thermischen Gebäudehülle ausserhalb der thermischen Gebäudehülle

7 2. Forum Holzbau Beaune Wärmespeicherfähigkeit und optimaler I M. Ragonesi Objektbeispiel: Erdgeschoss 7 innerhalb der thermischen Gebäudehülle ausserhalb der thermischen Gebäudehülle Objektbeispiel: innerhalb der thermischen Gebäudehülle Korrekte Beurteilung der Bauweise? : Statische Methode «Norm SIA 3/» Dynamische Methode ausserhalb der thermischen Gebäudehülle 9 Beispiel «Hegianwandweg»: Thermische Gebäudehülle svarianten Vergleich der Resultate 7

8 Wärmespeicherfähigkeit und optimaler I M. Ragonesi 2. Forum Holzbau Beaune 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 3/) 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 3/ ermittelt. Die dynamische Gebäudesimulation ermöglicht eine ralistische Einschätzung der erzielbaren Energiegewinne Vorteile des Massivbaus bezüglich energetischem Verhalten lassen sich somit quantifizieren. Korrekte Beurteilung der Bauweise? Aus element 29: Referenzberechnung «Massivbau»: Der mittels dynamischer Berechnung ermittelte fällt um etwa % niedriger aus als nach Norm SIA 3/ ermittelt. Die dynamische Gebäudesimulation ermöglicht eine ralistische Einschätzung der erzielbaren Energiegewinne Vorteile des Massivbaus bezüglich energetischem Verhalten lassen sich somit quantifizieren. Diskreditierung der Holzbauweise

9 2. Forum Holzbau Beaune Wärmespeicherfähigkeit und optimaler I M. Ragonesi QIP QV QIE Statische Methode «SIA 3/»: Bilanz über Perioden Monatsmittelwerte konstante Raumtemperatur U-Werte g-werte Wärmebrücken Bauweise: z.b. «leicht» QS Qh QT 3 Dynamische Bilanzierung: Stundenmittelwerte (Klimabedingungen) Simulation über variable Zeitschritte (< Sekunde bis max. Stunde) Baukonstruktion bzw. Materialien (Baustoffkennwerte) g-werte Wärmebrücken effektive Wärmespeicherfähigkeit Temperaturen [ C] Maximaltemperatur [ C] 2,5 2, 25,5 25, N S Effizienz von unterschiedlichen «Ytong» (schwer) «Schwer» «Mittel» «Leicht» Aussenwände Fenster Holzfenster mit 3-IV U g =,7 bzw., W/m 2K g = 47 % Glasrand Edelstahl bzw. Kunststoff Holzfenster mit 3-IV U g =,7 bzw., W/m 2K g = 47 % Glasrand Edelstahl bzw. Kunststoff Flachdach über 4. OG Holzfenster mit 3-IV U g =,7 bzw., W/m 2K g = 47 % Glasrand Edelstahl bzw. Kunststoff Holzfenster mit 3-IV U g =,7 bzw., W/m 2K g = 47 % Glasrand Edelstahl bzw. Kunststoff 2 5 Mineralwollplatten XPS-Platten EPS-Platten Multipor Holzwerkstoffe Backstein Ytong P Stahlbeton 25 2 Flachdach über 3. OG Baustoffe 24, Putzschichten Gipskartonplatten Gipsfaserplatten Putzträgerplatte Unterlagsboden Parkettboden Plattenboden Splitt 9

10 2. Forum Holzbau Beaune Wärmespeicherfähigkeit und optimaler I M. Ragonesi Effizienz von unterschiedlichen «Ytong» (schwer) «Schwer» 2 25 Innenwände und Wohnungstrennwände var. Baustoffe 75 var. Mineralwollplatten XPS-Platten EPS-Platten Multipor 75 var. Putzschichten Gipskartonplatten Gipsfaserplatten Putzträgerplatte Holzwerkstoffe Backstein Ytong P Stahlbeton var. Unterlagsboden Parkettboden Plattenboden Splitt Beurteilung Norm SIA 3/ & mit Gebäudesimulation Q h [MJ/m 2a] 4% 4% 5% % % 3% 3% 3% Bauweise «Ytong» (schwer) Bauweise «schwer» Bauweise «mittel» Bauweise «leicht» Q h = Q h,li () gemäss Berechnung SIA 3/ Q h =, x Q h,li () gemäss Berechnung SIA 3/ Q h,eff mit Komfortlüftung/WRG (Vth =,2) gemäss Berechnung SIA 3/() Q h basierend auf dynamischer Gebäudesimulation mit Standardluftwechsel mit Komfortlüftung/WRG Grenzwert Q h,li () rimäranforderung an thermische Gebäudehülle: Q h =, x Q h,li 7 Beurteilung Norm SIA 3/ & mit Gebäudesimulation 5 7 7% 9 % 99 5% 4% «mittel» «schwer» Bauweis: Boden über UG «Leicht» 25 «Mittel» Geschossdecken Q h [MJ/m 2a] «sehr leicht» «leicht» Q h = Q h,li (; Berechnung SIA 3/; Bauweise «leicht») Q h (Berechnung SIA 3/; variable Definition der Bauweise «sehr leicht» bis «schwer») Q h basierend auf dynamischer Gebäudesimulation 95

11 2. Forum Holzbau Beaune Wärmespeicherfähigkeit und optimaler I M. Ragonesi Beurteilung mit Gebäudesimulation Vergleich Raumlufttemperaturen: Bauweise «leicht» Bauweise «mittel» Solarstrahlung [W/m 2] 24 Raumtlufttemperaturen [ C] Bauweise «Ytong» 24. Juli 25. Juli 23. Juli 2. Juli 22. Juli 9. Juli. Juli. Juli Bauweise «schwer» Aussentemperatur Strahlung Temperaturen Sommerwoche 9 Beurteilung mit Gebäudesimulation Juli 4 Vergleich Raumlufttemperaturen: Bauweise «leicht» Bauweise «schwer» Aussentemperatur Strahlung 25. Juli Juli. Juli 2. Juli 22. Juli. Juli 9. Juli Raumtlufttemperaturen [ C] Solarstrahlung [W/m 2] Temperaturen Sommerwoche Beurteilung mit Gebäudesimulation Temperaturen Sommerwoche 2 Bauweise «leicht» mit Kühlung über Bodenheizung Bauweise «schwer» Solarstrahlung [W/m 2] 24. Juli 25. Juli 23. Juli 2. Juli. Juli Juli Juli 9. Juli Raumtlufttemperaturen [ C] Vergleich Raumlufttemperaturen: Aussentemperatur Strahlung

12 2. Forum Holzbau Beaune Wärmespeicherfähigkeit und optimaler I M. Ragonesi Beurteilung mit Gebäudesimulation Maximaltemperatur und Stunden über Temperatur-Grenzwerten h h h h h h h h Bauweise «Ytong» Bauweise «schwer» h Bauweise «mittel» Bauweise «leicht» Stunden mit Übertemperatur [h] Extremtemperatur Sommerwoche [ C] Maximaltemperatur Stunden über Grenzwert gemäss Norm SIA 3/ Stunden über 2 C 22 Wo liegt das Optimum 2 2m Norm SIA : Bauschadenfreiheit und Behaglichkeit Kriterien: Behaglichkeit/Bauschäden Kosteneffizienz (Erstellung & Betrieb) Energieeffizienz (Primärenergie) CO2-Effizienz Umweltbelastung «UBP» 23 Entscheidender Faktor: Energieerzeugung QIP QV QIE QS Effizienz dank guter «Maschine»? Qh QT Holz η =,75 24 Gas η =,9 Wärmepumpe JAZ = 3,9 (Traumwerte 5 oder?)

13 2. Forum Holzbau Beaune Wärmespeicherfähigkeit und optimaler I M. Ragonesi Kosten-Effizienz,4 Kosten,35 Kosten: Anteil Holzbau (Steinwollplatte&Holzrahmen) Total Holzbau + Heizwärmeverbrauch bei Gasheizung bei Erdsonden-WP bei Holzschnitzel Optimum betreffend die Kosten,25 Sanierung,,5, 7,5 Neubau 5,,5 Neubau: ohne erneuerbare Energie,,9,5 7,5 5, U-Wert Holzrahmenbau (λd,res =,45 W/m K), 2,5 Norm SIA 3/: Zielwert Neubau Holzrahmen mit Brettschichtholz (CHF 25. /m3) statt Duoholz C24 (CHF 5. /m3) Treibhausgase-Effizienz,4 Norm SIA Treibhauseffekt,35 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,,25 Sanierung, 4 Neubau 4,5 Neubau: ohne erneuerbare Energie,,9 42 Treibhauseffekt [kg CO2-eq/m2 a] Norm SIA Kosten [CHF/m2 a] 2 Norm SIA 3/: Zielwert Neubau 52, Primärenergie-Effizienz,4 Norm SIA Primärenergie U-Wert Holzrahmenbau (λd,res =,45 W/m K) Primärenergie: Anteil Holzbau (Steinwollplatte&Holzrahmen) Total Holzbau + Heizwärmeverbrauch bei Gasheizung bei Erdsonden-WP bei Holzschnitzel Optimum betreffend die Primärenergie,,25 Sanierung, 4 3 Neubau: ohne erneuerbare Energie,, Neubau,5,5 7,35 Norm SIA 3/: Zielwert Neubau Primärenergie nicht erneuerbar [kwh/m2 a] 3

14 2. Forum Holzbau Beaune Wärmespeicherfähigkeit und optimaler I M. Ragonesi Umweltbelastungs-Effizienz,4 Norm SIA,35,25 4 Neubau 72 Neubau: ohne erneuerbare Energie,,9 Norm SIA 3/: Zielwert Neubau Gesamtbetrachtung «Effizienz»,4 Norm SIA Optimale Dicken der Wärmedämmschicht,35 Aussenwand «Holzrahmenbau» Gas : Kosten Holzschnitzel 2: Primärenergie Wärmepumpe 3: CO2 4: UBP,,25 Sanierung, Neubau,5 23 Neubau: ohne erneuerbare Energie,,9,5 4 Norm SIA 3/: Zielwert Neubau Schlussfolgerung,4 Norm SIA Optimale Dicken der Wärmedämmschicht,35 Aussenwand «Holzrahmenbau» Gas : Kosten Holzschnitzel 2: Primärenergie Wärmepumpe 3: CO2 4: UBP,,25 Sanierung, Neubau,5 23 Neubau: ohne erneuerbare Energie,,9,5 5,5 Sanierung,,5 Umweltbelastung: Anteil Holzbau (Steinwollplatte&Holzrahmen) Total Holzbau + Heizwärmeverbrauch bei Gasheizung bei Erdsonden-WP bei Holzschnitzel Optimum betreffend die Umweltbelastung, U-Wert Holzrahmenbau (λd,res =,45 W/m K) 7 Umweltbelastung Umweltbelastung [UBP/m2 a] 4 Wer zu wenig dämmt macht die grösseren Fehler als der, welcher zu viel dämmt! 4 Norm SIA 3/: Zielwert Neubau

15 2. Forum Holzbau Beaune Wärmespeicherfähigkeit und optimaler I M. Ragonesi Schlussfolgerung 2 Je effizienter die Energieerzeugung, desto weniger dick kann wärmegedämmt werden: WP mit JAZ = 3,9: Kosteneffizient sind cm 5: 4 cm : cm Je günstiger das Kapital, desto besser darf der sein: Kapitalzinssatz %: Kosteneffizient sind 24 cm 3 %: cm %: cm 3 Schlussfolgerung 3,4,25, nächst dickere WD möglich bei: CHF/m2 a (Gas) CHF/m2 a (Holzschnitzel) CHF/m2 a (Wärmepumpe) «MINDESTWÄRMESCHUTZ» Neubau,5 Fazit: Bei Raumverlust «Mindestwärmeschutz»,,9, Schlussfolgerung 3,4 «Raumverlust»,35,,25 Differenz: etwa 5 cm dickere Wand «Verlust» von etwa 4. CHF/m2 a für verlorene Nettowohnfläche!,,5 33 Holzrahmenbau: U-Wert,2 W/m2 K etwa cm dicke Aussenwand Massivbauwand: U-Wert,2 W/m2 K etwa 45 cm dicke Aussenwand,,9,5 Rechenbeispiel: Wohnung mit Nettowohnfläche m3 Miete 3. CHF/Monat m2 Nettowohnfläche kostet 277. CHF/a Geschosshöhe = 3, m cm Mehrdicke der Wand «verursacht»,92 CHF/m2 a Wirtschaftlichkeit einer dickeren Wärmedämmschicht gegeben bei welchen Nettowohnflächen-Kosten?, «Raumverlust»,