Klimaneutrale Gebäude – Internationale Konzepte, Umsetzungsstrategien und Bewertungsverfahren für Null- und Plusenergiegebäude

Dr.-Ing. M.Sc.Arch. Musall, Eike

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Der Gebäudesektor hat sowohl in Deutschland als auch in den übrigen Industrienationen einen entscheidenden Anteil am Gesamtenergieverbrauch und Klimagasausstoß. Seine energetische Verbesserung nimmt daher im Zuge des anstehenden Klimawandels und der Verknappung der (Energie-)Ressourcen eine entscheidende Rolle ein. Abgesteckte Ziele geben für die Baubranche - isoliert betrachtet - Einsparungen bei den CO2-Gesamtemissionen in Höhe von rund 90 % in den nächsten vier Dekaden vor. Die Europäische Union fordert hierzu für Neubauten ab 2019 (öffentlich) bzw. 2020 (privat) einen national zu definierenden Standard des Niedrigstenergiegebäudes. In Deutschland ist im Rahmen der Energiewende zudem das Ziel des Klimaneutralen Gebäudebestands bis 2050 formuliert. Aufbauend auf der Motivation Energie(-kosten), Klimagasemissionen und/oder den Ressourcenverbrauch zu verringern, entstehen weltweit bereits seit vielen Jahren Gebäude mit dem Anspruch an eine ausgeglichene Energiebilanz - sog. Nullenergiegebäude. Diese weisen die - laut der von der EU vorgegebenen „Directive on the Energy Performance of Buildings (EPBD)“ - zwei entscheidenden Faktoren einer sehr hohen Gesamtenergieeffizienz und einer Deckung des fast bei null liegenden Energiebedarfs durch Energie aus erneuerbaren Quellen auf. Somit wird also ein über die bisherigen Anforderungen von Immobilien hinausgehender, energetischer Anspruch sowie die Übernahme ebensolcher Verantwortung für Gebäude formuliert. Die Umsetzung dieser Ziele und Gebäudekonzepte, ihr Einfluss auf die Gebäudegestaltung sowie die mögliche Kompensation werden durch die Architekturschaffenden weitreichend diskutiert und im Zuge dieser Arbeit analysiert. Ziel und Inhalt der vorliegenden Arbeit werden durch vier - teils aufeinander aufbauende - Kernaspekte bestimmt. Zu Beginn wird das Szenario des Klimaneutralen Gebäudebestands dahingehend eingeordnet, dass energetische Alternativen außerhalb des Gebäudesektors skizziert und damit die Wichtigkeit und Verantwortung des Gebäudesektors für das Erreichen der formulierten (Klimaschutz-)Ziele dargestellt werden. Es zeigt sich, dass die Deckung des gesamten gebäudeinduzierten Energieverbrauchs in Deutschland nicht durch die externe Nutzung erneuerbarer Energien außerhalb des Gebäudesektors kompensiert werden kann. Für Gebäude bietet sich die Möglichkeit, ihren Energiebedarf durch eigene lokale Erträge zu decken. Da sich eine Analogie zwischen den beiden Größen auf Grund des heizungsdominierten Klimas bzw. Energiebedarfs in Mitteleuropa selten ergibt, und deren Herbeiführung in technischen Sonderlösungen mit großem Speicheraufwand mündet, eignet sich hierzu die Energiebilanz im Zuge eines Jahres - die sog. Netto-Nullenergiebilanz. Der zweite Kernaspekt beinhaltet die möglichen methodischen Festlegungen innerhalb einer solchen Energiebilanz. Da zum Zeitpunkt des Verfassens der Arbeit kein einheitliches (normatives) Verständnis des Nullenergiegebäudes etabliert ist, aber bereits etwa 80 solcher Definitionen aus der Gebäudepraxis sowie weitere wissenschaftlich diskutierte Ansätze bekannt sind, werden verschiedene Optionen zu unterschiedlichen Festlegungen und deren Auswirkungen auf die Architektur bzw. die Umsetzbarkeit an Gebäuden untersucht. Hier sind vor allem Indikatoren und Bewertungsverfahren, Bilanzgrenze und rahmen sowie mögliche Quantifizierungsgrößen zu nennen. Gegenüber der theoretischen Analyse der Methodik bilden die in der Praxis genutzten Umsetzungsstrategien und -maßnahmen auf dem Weg zu Nullenergiegebäuden und deren Querschnitt sowie ein Vergleich mit normativen Anforderungen bzw. der üblichen Baupraxis den dritten Kernaspekt. Hier lassen sich Trends für die typische und typologiespezifische Umsetzung von Nullenergiegebäuden darstellen und Empfehlungen für das zukünftige Bauen ablesen. Der vierte Kernaspekt beschreibt, inwiefern die Architektur von Nullenergiegebäuden durch das energetische Konzept beeinflusst bzw. gegenüber herkömmlichen Gebäuden gestalterisch und formal verändert wird. Hierüber und durch die Gegenüberstellung mit den Gegebenheiten des deutschen Gebäudebestands lässt sich das Potenzial des Klimaneutralen Gebäudebestands in Deutschland sowie die Frage einer neuen Architekturepoche diskutieren. Die zentralen Erkenntnisse der Arbeit lassen sich auf die Kernaspekte aufteilen. Allem voran steht die Erkenntnis, dass Nullenergiegebäude möglich sind, jedoch im Gegensatz zu üblichen Gebäuden bestimmte, sowie im Falle von Sanierungen weitreichende Voraussetzungen (z.B. Lage, Dichte oder Baustandard) erfordern bzw. mindestens formale Konsequenzen (bspw. Kompaktheit oder Dachform) nach sich ziehen. Darüber hinaus kann festgehalten werden, dass der auszumachende Anstieg der Wohnfläche pro Person sowohl ein Hindernis als auch Wegbereiter für den Ausgleich der Energiebilanz und damit das Ziel eines Klimaneutralen Gebäudebestands darstellt. Sofern der gesteigerte Flächenbedarf in urbanen Stadtquartieren oder tendenziell effizienten, weil dichten (Mehrfamilien-)Häusern gedeckt wird, verringern sich die Potenziale für den Ausgleich der Energiebilanz dieser Gebäude. Mündet er in kleinen Wohngebäuden, steigt zwar der Flächenverbrauch weiter, aber parallel auch das Verhältnis zwischen Nutz- und über Solaranlagen nutzbarer Dachfläche. Ein gesteigertes Pendleraufkommen zehrt allerdings die Einsparungen dieser Gebäude auf, was stellvertretend für die generellen Anstrengungen im Zuge der Energiewende steht. Es gilt Energiebedarfe ganzheitlich und absolut zu betrachten (Suffizienz), zu verringern (Effizienz) sowie durch erneuerbare Energie zu decken (Konsistenz). Im Bereich der Methodik erweist sich die Fortführung der tlw. bereits eingeführten asymmetrischen und nicht-statischen Gewichtung von Primärenergiebedarfen und -erträgen bzw. den damit verbundenen CO2-Emissionen als architektonisch schwerlich umsetzbar. Sofern die Gutschriften gegenüber den Energiebedarfen durch die Verwendung dieser Indikatoren stark abgewertet werden, steigen die benötigten Erzeugungskapazitäten so massiv an, dass diese weder auf den Gebäuden installiert noch ausgeglichene Energiebilanzen erreicht werden können. Der Einfluss auf die Indikatoren bzw. Umrechnungsfaktoren aus Politik und der sich wandelnden Energieinfrastruktur verzerrt die Gebäudebewertung, so dass die Berechnung weiterer Quantifizierungsgrößen vorgeschlagen wird. Hierüber kann die energetische Verknüpfung der Nullenergiegebäude mit der Infrastruktur und deren Umgang mit saisonalen Lastunterschieden beschrieben werden. Es zeigt sich, dass eine Harmonisierung von Energiebedarf und -ertrag (hohe Raten bei der Eigenbedarfsdeckung und -ertragsnutzung) mit teils mäßig vergrößerten Solarstromanlagen zu realisieren ist, während netzreaktive Anpassungen hinsichtlich zeitvariabler Ertragsüberschüsse auf Gebäudeebene durch vergrößerte Solarstromkapazitäten erneut kaum umsetzbar sind. Eine Lastgangadaption lässt sich vielmehr durch den Einsatz der Kraft-Wärme-Kopplung und/oder kleine Batteriespeicher ohne formale Eingriffe realisieren, wobei die KWK auch auf saisonaler Ebene Vorteile erbringt. Anforderungen an einen bestimmten Anteil an erneuerbaren Energieträgern können entfallen, da Nullenergiegebäude hier ohnehin sehr hohe Anteile erreichen. Die Hinzunahme der nutzungsspezifische Verbraucher in die Bilanzgrenze (sie machen ca. 60 % des Gesamtprimärenergieverbrauchs aus) verdoppelt die nötigen Ertragskapazitäten bei Nullenergiegebäuden gegenüber solchen, die allein die Verbräuche der bisher gängigen Normung ausgleichen. Dennoch findet dies sowohl in der Theorie als auch in der Praxis überwiegend Anwendung. Dies gilt nicht für die Hinzunahme der Grauen Energie. Zwar erscheint deren bilanzieller Ausgleich unter ökologischen Gesichtspunkten als konsequent, und nimmt sie bei Nullenergiegebäuden gegenüber sonstigen Gebäuden nicht zu, doch führt ihr Ausgleich zu einem weiteren Anstieg der nötigen Erträge und damit zu Schwierigkeiten in der Umsetzung. Hier gilt allerdings, dass der Aufwand der Grauen Energie durch den Zusammenhang mit der Quote an erneuerbaren Energieträgern in der Energieinfrastruktur zukünftig sinkt, und eine Kompensation einfacher wird. Die Erweiterung der Bilanzgrenze um die (Elektro-)Mobilität führt ebenfalls zu größeren Erzeugungskapazitäten, während die Nutzung von Elektroautos als reiner Speicherersatz Einspeisespitzen verringert und eine Entlastung des Stromnetzes ermöglicht. Der Querschnitt bekannter Nullenergiegebäude zeigt typische und typologiespezifische Umsetzungsstrategien auf. Neben einer Dominanz von Solarstromanlagen, die durchgehend Verwendung finden, sind die übrigen Strategien und Maßnahmen geprägt durch das Passivhauskonzept, umfängliche Maßnahmen zur Vermeidung der aktiven Kühlung und Ambitionen zum Einsparen nutzungsspezifischer Stromverbräuche. Die sehr häufige Nutzung von Wärmepumpen führt zu vielen Nur-Strom-Gebäuden. KWK-Anlagen als alternative Wärmeerzeuger ergänzen vor allem bei großen (Nichtwohn-)Gebäuden zusätzlich die Solarstromerträge und bieten die besten Optionen zu hohen Quoten bei der saisonalen Betrachtung von Eigenbedarfsdeckung und Eigenertragsnutzung. Windkraftanlagen auf Gebäuden sind hingegen eine Ausnahme. Während sich die Merkmale zur Gebäudeeffizienz typologieübergreifend ähneln und durchschnittliche Werte, die die normativen wie auch passivhaustauglichen Anforderungswerte unterbieten, durchweg angestrebt werden (z.B. mittlerer Primärenergieverbrauch meist deutlich unter 100 kWhP/m²NGF), driften die technischen Parameter oft auseinander (z.B. Ø Solarstromleistung bei kleinen Wohnhäusern 51, bei Verwaltungsbauten 36 Wp/m²NGF). Generell entwickeln Nullenergiegebäude wegen der vorangegangenen Aspekte formale Eigenheiten (Kompaktheit, asymmetrische Satteldächer, funktionale Einfachheit) und darüber eine eigene Identität. Eine gestalterische Dominanz des Konzepts der ausgeglichenen Energiebilanz kann hingegen auf Basis vergleichbarer Trends im Baugeschehen der letzten Dekade nicht allgemeingültig ausgemacht werden. Da Solarstromanlagen im Fokus des Konzepts stehen, gelingt ihre konzeptionelle Einbindung überwiegend. Aus Sicht der Planer müssen energetisch relevante Themen dazu unmittelbar in den Entwurfsprozess eingehen. Sofern die gestellten Anforderungen dies ermöglichen, steigt die Bereitschaft, Nullenergiegebäude zu entwickeln und darüber das Thema Energieerzeugung als eine weitere Grundfunktion von Gebäuden zu etablieren. Dabei bleibt es fraglich, ob sich eine Bauepoche der Energiewende ausprägen wird, da der Klimaneutrale Gebäudebestand trotz der beschriebenen Möglichkeiten ohne externes Zutun kaum zu realisieren sein wird und heutige Gebäude meist weder energetisch noch formal die Voraussetzungen bieten, ausgeglichene Energiebilanzen auf Gebäudeebene durchgehend zu erreichen. Externe Veränderungen und sich wandelnde Einflüsse werden dies im Sinne einer ausgeglichenen Energiebilanz auf Gebäudeebene zukünftig weiter erschweren.

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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultäten und Einrichtungen:
Fakultät für Architektur und Bauingenieurwesen » Architektur » Dissertationen
Dewey Dezimal-Klassifikation:
700 Künste und Unterhaltung » 720 Architektur » 720 Architektur
Stichwörter:
Nullenergiegebäude, Klimaneutrale Gebäude, Architektur, Energiebilanz, Klimaneutraler Gebäudebestand, Energieeinsparverordnung
Beitragende:
Prof. Dr.-Ing. Voss, Karsten [Betreuer(in), Doktorvater]
Prof. Dr.-Ing. Braun, Dirk Henning [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Sprache:
Deutsch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Promotionsantrag am:
26.01.2015
Dateien geändert am:
22.01.2018
Datum der Promotion:
15.09.2015
Medientyp:
Text
Rechtliche Vermerke:
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