Konsequente Integration von Energieversorgungskomponenten und -systemen in Fassadenelemente für die Bestandssanierung: Chancen und Möglichkeiten integraler Gebäudetechnikelemente in hochwärmegedämmten Fassadenmodulen

Bettina Nocke, Christian Fink, Karl Höfler, Heinz Ferk, Daniel Rüdisser, David Venus, Jürgen Suschek-Berger

Research output: Other contributionResearch

Abstract

Um die Chancen und Möglichkeiten der Wohnbausanierung mittels integraler Gebäudetechnikelemente in hochwärmegedämmten vorgefertigten Fassadenmodulen aufzeigen zu können, wurden zunächst die technischen und rechtlichen Rahmenbedingungen dafür recherchiert. Dazu wurde zu Beginn nach der Bauepoche gesucht, deren Gebäude sich besonders für eine solche Sanierung eignen. Die Untersuchungen führten zu Gebäuden, die zwischen 1960 und 1980 erbaut wurden, da sie a) wichtige Voraussetzungen für den Einsatz vorgefertigter Fassadenelemente mit integrierten Haustechnikkomponenten erfüllen, nämlich möglichst homogene und schnörkellose Fassaden und Gleichmäßigkeit der Grundrisse der einzelnen Etagen, und b) weil sie heute die größte Wohnnutzfläche mit dem höchsten Bedarf an umfassender thermischer Sanierung repräsentieren. Davon waren 2014 ca. 42.000 Gebäude und über 22 Mio. m² Fassadenfläche sanierungsbedürftig. Da die Anwendung von aktiven Fassaden für die Sanierung sich bisher noch auf Einzelfälle beschränkt und deswegen dafür noch kein spezielles Regelwerk existiert, wurden Recherchen zu rechtlichen und normativen Randbedingungen in Österreich bezüglich Gebäudetechnikkomponenten und Vorhangfassaden im allgemeinen durchgeführt. Diese betreffen beispielsweise Brandschutz, Schallschutz, Baufluchtlinien, zulässige Oberflächentemperaturen etc.. Aus den einschlägigen Normen und Richtlinien war ersichtlich, dass ein umfangreiches Regelwerk für die einzelnen Komponenten aktiver Fassaden zu berücksichtigen ist, daraus aber keine direkten Einschränkungen für die Realisierung von Sanierungen mit vorgefertigten aktiven Fassadenmodulen resultieren. Mithilfe von Gesprächen sowohl mit Wohnbauträgern als auch mit Bewohnern kürzlich sanierter Gebäude wurde eine Analyse der Zielgruppen- und Kundenakzeptanz für den gegenständlichen innovativen Sanierungsansatz durchgeführt. Die Akzeptanz kann grundsätzlich als positiv eingestuft werden. Unter anderem werden kurze Sanierungszeiten und geringe Belastung während der Sanierung, Wegfall von Delogierungskosten und Aufwertung der Immobilie durch Innovation und Ästhetik als Motivation für den Einsatz vorgefertigter multifunktionaler Fassadenelemente gesehen. Anhand der vorgenannten Recherchen wurde ein repräsentatives Referenzobjekt (dreigeschoßiges Mehrfamilienhaus mit 12 Wohnungen) definiert, das die erarbeiteten Bedingungen erfüllt, und dafür zwei verschiedene energetische Sanierungsstandards festgelegt (HWB 30 kWh/m²BGF*a und HWB 45 kWh/m²BGF*a). Entsprechend wurden verschiedene Energieversorgungssysteme für Raumheizung und Warmwasserbereitung mit Nutzung der Fassade zur Energiegewinnung, -umwandlung und –verteilung konzipiert und auf ihr Bedarfsdeckungspotential hin untersucht. Die Konzeptentwürfe beinhalteten verschiedene Möglichkeiten der Energiebereitstellung durch Solarthermie, durch Photovoltaik sowie durch Umweltwärme (Wärmepumpe). Neben der quantitativen Leistungsabschätzung wurden qualitative Bewertungskriterien (sowohl aus der Sicht von Bauträgern und künftigen Bewohnern also Anwendern, als auch aus der Sicht der technischen Machbarkeit, Komplexität, des Aufwandes und der Wechselwirkung mit dem Gebäude) aufgestellt, und die Konzepte einem ausführlichen Bewertungsprozess unterzogen. Auf Grundlage dieser Bewertung, mit Berücksichtigung der Ergebnisse aus den Befragungen, wurden die zwei Konzepte: • PV-unterstützte Zentrale Luft-Wasser-Wärmepumpe für Raumheizung und Warmwasserbereitung • PV-unterstützte Direkt-Stromheizung und Warmwasserbereitung mit jeweils drei verschieden großen PV-Flächen für eine detaillierte Betrachtung ausgewählt, in der Simulationsumgebung TRNSYS im Zusammenhang mit dem Referenzgebäude modelliert und durch dynamische Jahressimulationen untersucht, optimiert und ausgewertet. Die Ergebnisse hinsichtlich solarer Bedarfsdeckung, Primärenergiebedarf und CO2- Ausstoß wurden denen für eine Referenzanlage (Gas-Brennwertkessel für Raumheizung, elektrische WWB) mithilfe ermittelter Kennzahlen gegenübergestellt und die Einsparpotentiale an nichterneuerbarer Primärenergie und CO2-Emissionen ermittelt. Mithilfe der PV-unterstützten Wärmepumpe lassen sich (je nach Größe und Ausrichtung der PV-Flächen) Primärenergie-Einsparungen von bis zu 74% bei HWB 30 und bis zu 67% bei HWB 45 erreichen, mit der PV-Direktheizung 55% bei HWB 30 und bis zu 42% bei HWB 45. Die Einbeziehung des Haushaltsstrombedarfs in die Bilanz wurde vor allem unter dem Aspekt der Verbesserung der Eigenverbrauchsquote vorgenommen, was bei sinkenden Einspeisevergütungen von Vorteil ist. Um diese Konzepte auch im Hinblick auf wirtschaftliche Konkurrenzfähigkeit gegenüber konventionellen Sanierungsmaßnahmen zu bewerten, wurden die Analysen durch Kostenbetrachtungen über den Lebenszyklus erweitert. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unter den betrachteten Rahmenbedingungen das Konzept mit Wärmepumpe und fassadenintegrierter PV-Anlage sich bereits unter den derzeit üblichen Berechnungsparametern wirtschaftlich vorteilhaft darstellt. Bei sinkendem Kapitalzinssatz bzw. schneller steigenden Energiekosten kann dieses Konzept weitaus kostengünstiger sein als eine konventionelle Sanierung mit gleichem thermischen Standard. Werden die zusätzlichen Vorteile der Sanierung mittels vorgefertigter aktiver Fassadenmodule (Einsparung von Aussiedlungskosten, geringere Wartungskosten durch mieter-unabhängige Zugänglichkeit und Ausschöpfung des Kostensenkungspotentials für die vorgefertigten Module) mit in die Berechnung einbezogen, sind für das Konzept PV+Wärmepumpe alle betrachteten Varianten günstiger als die Referenzsanierung, für das PV-Direkt-Konzept nur die Variante mit der kleinsten betrachteten PV-Fläche (bei 38% PE-Einsparungspotential für HWB 30 und 24% für HWB 45). Es hat sich gezeigt, dass es wichtig ist, zusätzlich zu den genannten monetär bewertbaren Parametern die Vorteile der Sanierung mit vorgefertigten aktiven Fassadenmodulen wie • Image-Gewinn durch Ästhetik & Innovation • Wohnkomfortsteigerung (Behaglichkeit, Komfort) • Nutzer-Bedienerfreundlichkeit (Betreiber bzw. Bewohner) • Eigene Energieerzeugung • Vorbildwirkung • Aufwertung des Wohnumfeldes etc. den Bauträgern, die Sanierungen beabsichtigen, darzulegen und bewusst zu machen, um den Anreiz und somit die Umsetzungschancen dafür zu erhöhen. Mit der Zunahme der technischen Komponenten in der Fassade und den entsprechend anwachsenden Möglichkeiten steigen analog auch die Anforderungen an die Fassaden, welche einerseits von der passiven Fassade, andererseits von den aktiven Komponenten – sowohl in aktivem, als auch in passivem Zustand - und zudem auch vom integrierten Gesamtsystem erreicht werden müssen. Diese Anforderungen betreffen beispielsweise den Brandschutz, die Luft- und Schlagregendichtheit, den Widerstand gegen Verformung, die Temperaturwechselbeständigkeit, den Schallschutz etc.. (Dass die einzelnen aktiven Komponenten im „normalen“ Einbauzustand vielen Reglementierungen unterliegen, die auch bei Anordnung in der Fassade berücksichtigt werden müssen, wurde schon für die Erstellung der Konzepte verifiziert). Da solche Fassaden bisher nur als Prototypen eingesetzt wurden, liegen dafür noch keine exakten Schnittstellendefinitionen und somit auch keine Testszenarien für die durch Wechselwirkung beeinflussten Leistungen und Eigenschaften vor. Im letzten Teil des Projekts wurden darum vorerst derzeitig übliche bzw. vorgeschriebene Prüfszenarien für die einzelnen Aspekte der bauphysikalischen Leistungsüberprüfung von Fassadenelementen zusammengestellt und mögliche Erweiterungen der Beurteilungs- und Prüfprozesse für die Integration aktiver Elemente im Einzelnen erarbeitet. Für die konkrete Weiterentwicklung von Energieversorgungskonzepten mit fassadenintegrierten Komponenten und ihrer konstruktiven Umsetzung, sowie für Testszenarien und Berechnungsmethoden für aktive Fassaden wird weiterer Forschungsbedarf gesehen.
Original languageGerman
Number of pages84
Publication statusPublished - Dec 2016

Keywords

    ASJC Scopus subject areas

    • Building and Construction

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