Energy-retrofitting of a residential building in Germany
Research Project
Master's Degree "Energy Efficient and Sustainable Building", Technical University of Munich - TUM
Chair of Building Physics
Authors: Maria Voukia, et.al.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erstellung verschiedener Planungsszenarien zur Modernisierung eines Mehrfamilienhauses, das im Jahr 1958 gebaut wurde. Im Rahmen der Modernisierung des untersuchten Objekts wurden unterschiedliche Sanierungsszenarien bearbeitet und miteinander verglichen.
Ausschlaggebend für die Entwicklung der Modernisierungsszenarien sowie für die Auswahl der geeignetsten Variante sind zunächst die Analyse des Ist-Zustands, die Untersuchung der Schwachstellen und die Ermittlung des Energiebedarfs des Wohngebäudes. Zu den ersten Schritten der Arbeit gehört die Entwicklung einer Basisvariante für die Modernisierung des Gebäudes. Basierend auf dieser Basisvariante werden anschließend zusätzliche Varianten, die sich mit unterschiedlichen Anlagentechniken befassen, erarbeitet und im Hinblick auf deren Energiebedarf und Wirtschaftlichkeit gegenübergestellt.
Das zu untersuchende Gebäude ist ein Mehrfamilienhaus mit 18 Wohneinheiten. Es befindet sich in München und wurde im Jahr 1958 gebaut. Es besteht aus einem Kellergeschoss, Erdgeschoss, zwei Obergeschossen und einem nicht ausgebauten Dachgeschoss. Die Nutzfläche des Gebäudes beträgt 1138 m² und sein Bruttovolumen 3556,2 m3.
Kellergeschoss
Erdgeschoss
1. Obergeschoss
Südfassade
Nordfassade
Ostfassade
Schnitt
Click
to
zoom
IST - ZUSTAND
Der Aufbau der Bauteile entspricht den typischen Aufbauten von Mehrfamilienhäuser der Baualtersklasse 1958-1968 nach der IWU Deutsche Gebäudetypologie Studie. In diesem Abschnitt wird der Ist-Zustand der Bauteile näher beschrieben. Die Außenwand besteht aus 30 cm starkem Mauerwerk aus Hohlblocksteinen. Auf der Außenseite befindet sich eine 1,5 cm dicke Außenputzschicht aus Kalkzement und auf der Innenseite ist eine 2 cm dicke Innenputzschicht aus Kalkgips zu finden. Dieser Aufbau verleiht den Außenwänden einen U-Wert von 1,486 W/m²K. Die Westfassade des Bestandgebäudes ist hinterlüftet und besteht aus Faserzement-Fassadenplatten mit einem Asbestanteil, sogenannte Heraklithplatten. Um diese Fassade zu dämmen, sind diese Platten zu entfernen und rechtmäßig zu entsorgen. Asbest gilt als Giftmüll und muss daher auf besondere Weise entsorgt werden (Richtlinie TRGS 519). Die oberste Geschossdecke mit einer Fläche von 360,85 m² besteht aus einer 14 cm dicken Stahlbetondecke. Auf der Oberseite ist diese mit einer 2 cm Estrichdämmbahn, einer 3 cm Zement-Estrichschicht und auf der Unterseite mit einer Schicht aus 1,5 cm starkem Gipsputz bedeckt. Somit beträgt der U-Wert der bestehenden obersten Geschossdecke 1,337 W/m²K. Bei den vorhandenen Fenstern handelt es sich um Kunststofffenster, mit einer 2-Scheiben-Isolierverglasung mit einem U-Wert von 3 W/m²K und einem g-Wert von 0,75. Eine Übersicht der Fensterflächen und Fensteranzahl liegt in der folgenden Tabelle vor. Die Kellerdecke von dem Bestandsgebäude besteht aus einer 14 cm starken Stahlbetondecke und besitzt eine Fläche von 360,85 m². Oberseitig befindet sich ein 2,2 cm dicker Bodenbelag, 6 cm starkes Konstruktionsholz mit einer Sandauffüllung dazwischen und einer 1cm dicken Kokosfasermatte. Die Unterseite der Kellerdecke ist mit einer 1,5 cm dicken Schicht aus Gipsputz versehen. Dieser Aufbau ergibt einen U-Wert von 1,092 W/m²K.
Übersicht der U-Werte - Ist Zustand
Click
to
zoom
Bei der Analyse der vorhandenen technischen Anlagen des Ist-Zustandes wurde festgestellt, dass Niedertemperaturkessel sowohl der Wärmeerzeugung, als auch der Warmwasserbereitstellung der Wohnungen dienen. Der Deckungsanteil beträgt 100% des Bedarfs (Grund- und Spitzenlast), da kein zweiter Erzeuger vorhanden ist. Es handelt sich um ein gasbetriebenes dezentrales Heizungssystem (Gas-Etagenheizung) mit 18 einzelnen Niedertemperaturkesseln, die über hohe Anforderungen an der Vor- und Rücklauftemperatur (70°C/55°C) verfügen. Jeder Kessel erreicht wegen der Strahlungs- und Abgasverluste einen Wirkungsgrad von ungefähr 89% [Diefenbach N., et al., 2002], wohingegen der Jahresnutzungsgrad zwischen 60 und 70% beträgt. Neben den hohen Abgasverlusten liegt dies vor allem an den hohen Bereitschaftsverlusten, die durch die Wärmeabstrahlung über die Kesseloberfläche entstehen [Viessmann (a), 2005].
Das Verteilungssystem dieser Variante besteht aus horizontalen Leitungen innerhalb des Gebäudes in Kombination mit Strangleitungen an den Außenwänden. Durch diese Rohrungen wird das Heizungswasser in die Heizkörper geleitet. Die Heizkörper befinden sich hauptsächlich innenseitig an den Außenwandbereichen, voraussichtlich in Heiznischen mit geringerer Außenwanddicke, die die Wärmeverluste erhöhen. Wegen des Alters des Systems ist davon auszugehen, dass die Heizkörper, bezüglich ihrer Regelung, ungeregelt mit zentraler Vorlauftemperaturregelung versorgt sind. Es ist auch nicht zu vernachlässigen, dass die Leitungen ungedämmt sind. Diese Tatsache hat einen starken Einfluss auf die Erhöhung der Verteilungsverluste.
Es ist wichtig zu erwähnen, dass keine technischen Anlagen weder zur Kühlung noch zur mechanischen Lüftung der Wohnungen vorhanden sind. In München ergibt sich kein Bedarf Wohngebäude durch aktive Kühlsysteme zu kühlen. Deshalb wird auch bei der Sanierung keine Kühlungsanlage vorgeschlagen.
Lokalisierung der Schwachstellen
Die Simulationen und Berechnungen erfolgen auf Grundlage der DIN 4108-6/ DIN V 4701 nach der neuesten EnEV 2014. Es handelt sich bei dem untersuchten Mehrfamilienhaus um ein Gebäude in schwerer Bauweise. Die Tragkonstruktion aus Hohlblocksteinen weist eine Rohdichte von 800 bis 1400 kg/m3 aus und entspricht somit der Definition der schweren Bauweise. Einem Gebäude mit massiven Innen- und Außenbauteile mit einer Dichte von über 1000 kg/m3 wird pauschal die wirksame Wärmespeicherfähigkeit c wirk nach DIN EN ISO 13786 zugewiesen. [ZUB Systems GmbH, 2014]. Zur Erfüllung des sommerlichen Wärmeschutzes wurde als Berechnungsgrundlage Klimaregion B (gemäßigt) ausgewählt. Die Volumina und Flächen wurden auf Grundlage der Planunterlagen auf Plausibilität überprüft und ausgebessert. Zum beheizten Raumvolumen zählt neben den 18 Wohneinheiten ebenfalls der Treppenraum. Somit ergibt sich ein Bruttovolumen von 3.556,2 m3 mit einer thermischen Hüllfläche von 1857 m². In Abb. 12 sind alle wärmeübertragenden Flächen aufgeführt.
Primärenergiebedarf in kWh/(m²K).
Spezifische Transmissionswärmeverluste in W/(m²K)
Wärmebilanz - Ist Zustand
SANIERUNG
Die Dämmung der Außenwände erfolgt unter Verwendung eines Wärmedämmverbundsystems, denn es handelt sich um einen kostengünstigen Aufbau und bei sorgfältiger Umsetzung um eine bauphysikalisch unbedenkliche Konstruktion. Die einzusetzende Dämmdicke erfüllt in erster Linie die Anforderungen der EnEV 2014 und hängt des Weiteren vom angestrebten erhöhten Energiestandard ab. Das Ziel dieser Hausarbeit ist es ein KfW-Effizienzhaus zu erreichen, weshalb ein höheres aber gleichzeitig sinnvolles Dämmniveau angewendet wurde. Die Wärmedämmung im Fußbodenaufbau oberhalb der Decke ist meist nur sinnvoll, wenn eine Renovierung der Wohnräume ansteht. Weil dies nicht der Fall ist, wird die Kellerdecke unterseitig gedämmt. Die Sturzhöhe der Kellerfenster von 28 cm sowie die lichte Raumhöhe von 2,10 m sind ausreichend hoch, um eine unterseitige Dämmung anzubringen. In Gebäuden der Gebäudeklasse 3 müssen Kellerdecken aus nichtbrennbaren Baustoffen (A1/Α2) bestehen. Aus diesem Grund werden mineralische Dämmstoffe, Steinwolle, verwendet.
Das Aufbringen von Dämmstoffen auf die Decke oberhalb des obersten Geschosses ist die einfachste Möglichkeit den Wärmeschutz zu erhöhen. Jedoch muss die Tatsache berücksichtigt werden, dass die Dachziegel aufgrund fehlender Tragfähigkeit für die Lasten von Photovoltaik- und Solaranlagen ohnehin ausgetauscht werden müssen. Aus Gründen der Unabwendbarkeit der Dacherneuerung (hohe Sowieso-Kosten) und des damit verbundenen Arbeitsaufwandes wurde die Dämmung des Daches ausgewählt. Der schräge Teil des Steildaches über dem Treppenhaus wird aufgrund der außenseitig fehlenden Bauteilhöhe auf der unteren Seite der Stahlbetonplatte gedämmt. Der horizontale Teil des Daches über dem Treppenhaus wird von außen und zur Vermeidung von Wärmebrücken ebenfalls innenseitig durch dünne Dämmstreifen überdämmt.
Außerdem wurde aus Sicht des Wärmeschutzes die Reduktion des Wärmebrückenkoeffizienten von 0,1 auf 0,05 W/m²K angestrebt. Um diesen Koeffizienten als 0,05 W/m2K in ZUB-Helena einsetzen zu dürfen, müssen alle Wärmebrücken nach DIN 4108 Beiblatt 2 nachgewiesen werden. Da das Dämmniveau der Sanierungsvarianten höher als nach den Details des Beiblatts ist, können die Wärmebrücken entsprechend dem Gleichwertigkeitsnachweis nicht überprüft werden. Der Nachweis ist über ein Simulationsprogramm zu führen [Feldmann R., Becker T., 2008]. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Wärmebrücke, der Anschluss Dach-Außenwand mit Hilfe der Berechnungssoftware Therm 7.3 simuliert.
Bei der Gebäudesanierung wird die nachträgliche Dämmung des Dachraumes mit einem Ziegelaustausch vorgeschlagen. In diesem Fall (gedämmter Dachraum) ist bei der Simulation der Wärmebrücke zum einen den Querschnitt durch die Sparren und zum anderen durch die Dämmung zu betrachten. Aus diesem Grund werden diese zwei Fälle simuliert und die Psi- Werte ermittelt. Die Rahmenbedingungen, die in der Simulation verwendet sind, werden nach dem Beiblatt 2 der DIN 4108 und für den Fall eines gedämmten Dachraumes festgelegt. Aus den Berechnungen geht hervor, dass die Psi- Werte niedriger als die Referenzwerte des Beiblatts 2 der DIN 4108 sind. Aus diesem Grund ist für die vorgeschlagene Ausführung der Sanierung des Daches der pauschale Wärmebrückenzuschlag von 0,05 W/(m²K) zulässig.
Graphische Darstellung der Wärmestrome im Detail des Dachanschlusses (Sparren)
Heizwärmebilanz
ZUB-Helena Ergebnisse
Endenergiebedarf an Strom - Variante 1
Einstufung in den Energiestandard
Durch die schrittweise Eingabe der Änderungen sind die daraus resultierenden Auswirkungen auf den Energiebedarf des Mehrfamilienhauses gut erkennbar. Die Bauteile mit den größten Flächen, wie Außenwände und Dach, ermöglichen hierbei das größte Energieeinsparpotential bei der Verbesserung der thermischen Gebäudehülle. Durch die Verbesserung der Bautechnik weit über den Anforderungen der EnEV bleibt der jährliche Primärenergiebedarf des Gebäudes dennoch zu hoch, um den EnEV Anforderungen und den KfW Förderungsvoraussetzungen gerecht zu werden.
Erst nach der Modernisierung der Anlagentechnik kann das Gebäude einen niedrigen Primärenergiebedarf der Effizienzklasse A und den Energiestandard Effizienzhaus 70 erreichen. Die Anlagentechnikvarianten unterscheiden sich bei Betrachtung des Endenergiebedarfs nicht so stark untereinander. Varianten 2 und 3 sind jedoch hinsichtlich des geringeren Primärenergiebedarfs aufgrund des Einsatzes von erneuerbaren Energien zu bevorzugen. Die Förderung der KfW ist ein ausschlaggebendes Kriterium für die Rentabilität der Sanierungsvarianten wie der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zu entnehmen ist. Die KfW-Förderungen stellen für den Bauherrn einen erhöhten Anreiz aufgrund des niedrigen Zinssatzes und des hohen Tilgungszuschusses dar.
Aus der Wirtschaftlichkeitsberechnung ergibt sich ein fast gleicher wirtschaftlicher Vorteil für alle drei Varianten, wenn die Förderungsmöglichkeiten berücksichtigt werden. Basierend auf den Ergebnissen sowohl des Primärenergiebedarfs als auch der Wirtschaftlichkeitsberechnung sticht keine Variante deutlich vor. In diesem Fall sollten zusätzliche Faktoren berücksichtigt werden, wie zum Beispiel die Nutzung erneuerbarer Energien oder die Anforderungen an Raum für die Anlagentechnik. Es handelt sich bei dieser Arbeit jedoch um eine theoretische Berechnung der voraussichtlichen Energiewerte nach der Sanierung. Eine Unterweisung und Information der Nutzer ist unumgänglich damit diese Werte so realistisch wie möglich bleiben.