Nachhaltige Gebäudekonzepte

Optimierung von Wirtschaftlichkeit und Klimaschutz mit Gebäudesimulation

Einleitung: Nachhaltige Gebäudekonzepte  

Das Thema „nachhaltiges Bauen“ ist heute in aller Munde. Aber was ist ein nachhaltiges Gebäude und wie kann man in der Praxis ein nachhaltiges Gebäudekonzept entwickeln? Die Antwort auf diese Frage ist vielfältig und reicht je nach Bauprojekt von der Nutzung klimaneutraler Baumaterialien bis zu einer vollständigen Zertifizierung nach DGNB. Die Bandbreite der Definition des Begriffs „Nachhaltigkeit“ führt daher zu einer Unschärfe bei der Bezeichnung „nachhaltiges Gebäude“ und zu einer Vielzahl von nachhaltigen Gebäudekonzepten. Es ist daher wichtig, dass alle Beteiligte (Bauherren, Planer und Nutzer) sich im Vorfeld darüber einigen müssen, welche „Nachhaltigkeit“ angestrebt wird und wie diese Ziele zu erreichen sind.

Nachhaltige Gebäudekonzepte haben alle eines gemeinsam: es müssen verschiedene Ziele gleichzeitig erreicht werden. Aus Erfahrung ergeben sich beim Thema Nachhaltigkeit meistens folgende Zielgrößen:

• Verwendung eines klimafreundlichen Energiesystems, welches die Minimierung von Treibhausgasen ermöglicht
• Verwendung von klimafreundlichen Baustoffen, die zur Minimierung der grauen Energie führen
• Berücksichtigung eines späteren Rückbaus, also die Recyclingfähigkeit der Baustoffe
• Minimierung von unerwünschten Umwelteinflüssen bei der Erstellung, Sanierung und Nutzung
• Maximierung der Begeisterung für das Gebäude, so dass es möglichst lange genutzt wird

Dennoch sollten dafür möglichst keine Abstriche bei den anderen Anforderungen gemacht werden:

• Sicherstellung der Funktionalität und der technischen Qualität des Gebäudes
• Maximierung des Komforts und der Sicherheit der Nutzer
• Optimierung der Wirtschaftlichkeit (Geringe Investitions- und Betriebskosten)
• Maximierung der Lebenszeit des Gebäudes
• Flexible Anpassung aufgrund verändernder Wetterbedingungen und Nutzungsprofile

Die Herausforderung ist, dass es kaum möglich ist, alle genannten Zielgrößen gleichermaßen maximal zu erreichen. Bei jedem Bauprojekt muss daher ein individuelles Optimum gefunden werden. Nachhaltige Gebäude zeichnen sich dadurch aus, dass dieses Optimum bereits in der Konzept- und Planungsphase ermittelt wird und den Betrieb des Gebäudes vorausschauend miteinschließt. Das wiederum erfordert eine Analyse von sehr vielen Randbedingungen und Varianten, weil jede Planungsentscheidung andere Entscheidungen und Maßnahmen beeinflussen kann. So hat z.B. die Auswahl eines Energiesystems Auswirkungen auf fast alle anderen Zielgrößen, wie die Auswahl der Baumaterialien, die Regelung der Anlagen, die Investitionskosten etc.

Hinzu kommt, dass ein Gebäude als ein dynamisches System erfasst werden muss, weil alle Betriebsbedingungen wie Außentemperatur, innere Lasten, Sonneneinstrahlung, usw. sich zeitlich verändern. Eine rein statische Bewertung auf Basis von Erfahrungswerten oder vereinfachten Berechnungsmethoden kann zu falschen Entscheidungen führen, die sich oft erst im Betrieb bemerkbar machen. Korrekturen sind dann in der Regel sehr kostspielig oder gar unmöglich. Die Umsetzung eines nachhaltigen Gebäudekonzeptes ist also eine schwierige Aufgabe, die besondere Analyse- und Bewertungsmethoden erfordert.        

Lösung: Einsatz der Gebäudesimulation und der Strömungssimulation

Die strukturierte Erfassung der Anforderungen und der gewünschten Zielgrößen ist der Ausgangspukt jeder Analyse eines nachhaltigen Gebäudekonzeptes. Liegen die Ziele fest, kann mit Hilfe von digitalen Simulationswerkzeugen die Wechselwirkung der Parameter systematisch untersucht und bewertet werden. Mit der dynamisch thermischen Gebäudesimulation kann z.B. überprüft werden, in welchen Räumen oder Zonen eines Gebäudes welche Temperatur und Komfortbedingungen herrschen, und zwar zu jeder Jahres- und Tageszeit. Zudem kann damit die Wirkung der Auswahl der Wandmaterialien z.B. in Bezug auf Wärmespeicherung und das Betriebsverhalten der ausgewählten Heizungsanlage vorhergesagt werden. Mit der CFD-Strömungssimulation können z.B. Kaltluftabfälle im Winter oder Zuglufterscheinungen ermittelt und Gegenmaßnahmen bewertet werden. Mit diesen Simulationswerkzeugen wird das gesuchte Nachhaltigkeits-Optimum bereits während der Konzept- und Planungsphase gefunden. Sämtliche Maßnahmen werden damit in Bezug auf die Nachhaltigkeitsziele bewertet und optimiert. In der Praxis handelt es sich dabei um einzelne Fragestellungen, die individuell gelöst werden. Im Folgenden sind ein paar Beispiele dargestellt.  

Abbildung 1: Kaltluftabfall Atrium simuliert mit thermischer Gebäudesimulation (oben) und 3D CFD Strömungssimulation (unten)

Klimafreundliche und wirtschaftliche Regelung der Heizungsanalage

Eine wichtige Maßnahme für ein nachhaltiges Gebäude ist die Wahl eines klimafreundlichen Energiesystems. Die heute bevorzugte Wahl für die Heizung ist eine Wärmepumpe. Eine Wärmepumpenheizung erfordert aber sehr oft eine Regelungsstrategie, die sich wesentlich von der einer Gasbrennwertheizung unterscheidet. Übermäßige Leistungsspitzen sollten vermieden werden, da Wärmepumpen ansonsten stark überdimensioniert werden müssen. Die richtige Heizungsregelung hängt auch vom Nutzerprofil und der Gebäudedynamik ab. Beides kann in der Gebäudesimulation für beliebige Gebäude berücksichtigt werden. Hier wurden am Beispiel eines Bürogebäudes verschiedene Varianten der Heizungsregelung untersucht (s.a. Gebäudesimulation CADFEM Bürogebäude).

Abbildung 2: Aufteilung Wärmeenergie der Wärmepumpe und der Gasheizung bei verschiedenen Regelungsstrategien

Bei der besten Variante lief die Heizung des Gebäudes kontinuierlich, ohne die Abschaltung in der Nacht und am Wochenende, und die Lüftung wurde morgens linear und kontinuierlich über einen Zeitraum von vier Stunden hochgefahren (zweiter Balken von links). Das hatte zur Folge, dass selbst an fast allen sehr kalten Wintertagen, die 50 kW Leistung der Wärmepumpe ausreichte, um den geforderten thermischen Komfort zu gewährleisten. Eine Kompromisslösung mag die durch leichte Nacht-Wochenendabsenkung auf niedrigeren Energieverbrauch getrimmte Variante sein, die aber bereits zu einem höheren Gasheizungs-Anteil führt (zweiter Balken von rechts). Der jährliche Gesamtenergieverbrauch ist dann in der Regel etwas höher, aber bei einem gut gedämmten Gebäude lediglich im einstelligen Prozentbereich.

 

Sommerlicher Wärmeschutz und aktive Innenraumkühlung

Ein zunehmend wichtiger Aspekt für die Nachhaltigkeit von Gebäuden ist der sommerliche Wärmeschutz bzw. die Innenraumkühlung von Gebäuden, weil aufgrund des Klimawandels die Außentemperaturen im Sommer zunehmen werden. Zudem besteht bei modernen, gut gedämmten Gebäuden das Risiko, dass die Wärme aufgrund von internen Lasten nicht ausreichend durch Lüften oder Wärmeverluste über die Wände abgeführt werden kann. Daher stellt sich in der Regel die Frage, ob für den Sommerfall eine aktive Kühlung in Form von Kühldecken oder Klimaanlagen notwendig ist, oder ob der thermische Komfort mit passiven Lösungen, wie Verschattungselemente und Nutzung der Gebäudespeichermasse inklusive einer natürlichen Lüftung, gewährleistet werden kann.

Die Norm erlaubt und empfiehlt die Verwendung der dynamisch thermischen Gebäudesimulation (DIN 4108-2:2013-02 Kapitel 8.4), mit der für jedes Gebäude in Abhängigkeit der individuellen Gebäudeeigenschaften und Randbedingungen geprüft werden kann, welche Räume kritisch sind und möglicherweise eine aktive Kühlung brauchen oder ohne auskommen. Diese Vorgehensweise ist wesentlich genauer als das vereinfachte Berechnungsverfahren und erlaubt eine zielgerichtete Vorgehensweise, um unnötige Gebäudetechnik zu vermeiden.   

Hier als Beispiel die Universität Lübeck, die bei einem fünf-stöckigen Neubau genau diese Fragestellung hatte. Mit der Gebäudesimulation konnte nachgewiesen werden, dass lediglich fünf Räume den zulässigen Grenzwert des sommerlichen Wärmeschutzes überschritten, und dass diese Räume mit verbesserten Verschattungsmaßnahmen im Rahmen des Zulässigen gehalten werden können. Der Einbau von kostspieligen Klimaanlagen konnte dadurch vermieden werden. Ein gutes Beispiel einer nachhaltigen Lösung, bei der Investitionskosten eingespart wurden.    

Abbildung 3: Universität Lübeck: Vermeidung von aktiven Kühlsystemen und Optimierung von passiver Kühlung

Ökobilanzierung von Baustoffen und Wechselwirkung auf den Energieverbrauch 

Ein wesentlicher Aspekt für ein nachhaltiges Gebäudekonzept ist die Wahl der Baumaterialien bzw. der Baustoffe. Jeder Baustoff hat aufgrund des Herstellungsprozesses und des damit verbundenen Energieverbrauchs eine Umweltwirkung, zu der auch der Ausstoß von klimaschädlichen Gasen gehört. D.h. jedem Baustoff kann ein GWP (Global Warming Potential) oder ein CO₂-Äquivalent zugeordnet werden.

Im Rahmen einer Life Cycle Analysis (LCA), auch Ökobilanz genannt, kann über den gesamten Lebenszyklus die Wirkung eines Gebäudes auf die Umwelt erfasst und quantifiziert werden. Hierbei greift man auf die oben genannten Baustoffdaten zurück und ermittelt damit die Kenngrößen für das gesamte Gebäude. Diese Informationen werden in der QNG-Bewertung (Qualitätssiegel Nachhaltiges Bauen) oder für Gebäudezertifikate nach DNGB, LEED oder BREEAM genutzt.  Ziel der Bewertung ist es, Maßnahmen zu finden und umzusetzen, die unerwünschte Umwelteinflüsse minimieren oder sogar vollständig vermeiden und auch den Klimaschutz maximieren. Somit wird z.B. für alle Bauteile ein GWP zugeordnet und der GWP-Anteil der einzelnen Baustoffe im Gesamtgebäude dargestellt.

 

Abbildung 4: Prozentualer GWP-Anteil der Baustoffe für ein Bürogebäude in Holzbauweise mit Betonwänden im Sanitär- und Treppenhausbereich und im UG

Die Wahl bestimmter Baustoffe hat eine unmittelbare Wirkung auf alle anderen Gebäudeparameter. Wird z.B. Holz als Baustoff verwendet, dann reduziert sich die Wärmespeicherfähigkeit des Gebäudes und dies wiederum hat eine Wirkung auf die Temperaturverteilung und den Komfort im Gebäude. Hier muss dann die Anlagentechnik anders dimensioniert und betrieben werden als in einem Massivbau. Mit Hilfe der Gebäudesimulation können alle Varianten im Vorfeld untersucht und verglichen werden. Somit kann die Nachhaltigkeit des Gebäudes bei Einhaltung aller anderen wichtigen Anforderungen sichergestellt und gesteigert werden.       

 

Reduzierung von Gebäudetechnik bei Einhaltung der Anforderungen 

Ein weiterer Aspekt für nachhaltige Gebäude ist die Vermeidung von überflüssiger Gebäudetechnik. Das reduziert die Kosten, weil deutlich weniger Anlagen installiert und gewartet werden müssen. Damit die Anforderungen trotzdem eingehalten werden, muss während der Planung die Wirkung von „weniger Technik“ untersucht und der Betrieb der Räume optimiert werden. Zum Beispiel: in Tiefgaragen, Lagerräumen, Einkaufspassagen, Büroräumen usw. muss die Luftqualität und die Lufttemperatur aus gesundheitlichen und funktionalen Gründen innerhalb von bestimmten Grenzwerten eingehalten werden. Das ist oft nur mit einer mechanischen Lüftung möglich. Die Erfahrung zeigt, dass aufgrund der gültigen Normen die ausgewählten Lüftungsschächte in der Regel stark überdimensioniert sind. Nachhaltige Gebäude sollten eine Überdimensionierung vermeiden, weil diese zu hohe Investitions- und Betriebskosten verursacht. Zudem wird überflüssig Technik verbaut.

Abbildung 5: Typische Lüftungsschachtanordnung in Tiefgaragen

Mit der CFD-Simulation werden die relevanten Räume als 3D-Geometriemodelle abgebildet und die Luftströmung mit der CFD-Simulation für verschiedene Varianten berechnet. Damit kann die Anlagentechnik deutlich reduziert werden, bevor Anlagentechnik verbaut wird. In Abbildung 6 sind für den Fall einer Tiefgarage die Zuluftschächte in Blau und die Abluftschächte in Gelb dargestellt.

Abbildung 6: Lüftungsschächte nach Normauslegung

Mit Hilfe der CFD-Strömungssimulation wird untersucht welche Luftqualität sich in Abhängigkeit des Luftaustausches mit der Umgebung an jeder Stelle des Raumes einstellt. Hierbei zeigt sich, dass in fast allen Fällen die normgerechte Auslegung der Lüftungsschächte deutlich überdimensioniert ist. Der Grund liegt daran, dass der Luftaustausch im Raum selbst unterschätzt oder nicht berücksichtigt wird. Abbildung 7 zeigt den Fall für dieselbe Garage nach der Optimierung mittels der CFD-Simulation. Hier ist nur noch eine leistungsstarke Abluftanlage mit entsprechenden Zuluftöffnungen notwendig. Mit der Simulation kann somit die Anzahl der Lüftungsschächte erheblich reduziert werden, um so mit einer deutlich einfacheren Lösung Investitions- und Betriebskosten zu senken.

Abbildung 7: Lüftungsschächte nach Optimierung mittels CFD-Simulation

 Zusammenfassung

Die Entwicklung eines nachhaltigen Gebäudekonzepts ist eine komplexe Aufgabenstellung. Verschiedene Zielgrößen müssen gleichzeitig erfüllt werden. Mit der Gebäudesimulation und der CFD-Simulation können Varianten in Bezug auf diese Nachhaltigkeitsziele während aller Bauphasen, insbesondere während der Konzept- und Planungsphase bewertet und optimiert werden. Damit werden die richtigen Entscheidungen getroffen, damit das Gebäude für den gesamten Lebenszyklus nachhaltig genutzt wird. Dazu gehört z.B. die Wahl und Regelung des richtigen Energiesystems, die sinnvollste ökologische Kombination von Baumstoffen, ein korrekter Wärmeschutz, der auch im Sommer einen optimierten Komfort ermöglicht und die Vermeidung von überdimensionierter oder überflüssiger Gebäudetechnik.