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Wissenschaftliche Begleitung der Inbetriebnahme und des Betriebs eines Nullenergiehauses im Rahmen eines Modellvorhabens im Bundesbau (Haus 2019)

Projektbeschreibung

Projektbeteiligte

Eckdaten

Wissenschaftliche Begleitung der Inbetriebnahme und des Betriebs eines Nullenergiehauses im Rahmen eines Modellvorhabens im Bundesbau (Haus 2019)


Projektnummer
Projektbeginn
12.2012
Projektende
08.2015
Projektstatus
abgeschlossen mit Bericht

In Berlin wurde das erste klimaneutrale Nichtwohngebäude des Bundes errichtet. Das Bürogebäude des Umweltbundesamtes ("Haus 2019") ist als Nullenergiegebäude konzipiert. Im Rahmen des Projektes wurde parallel zur Entwicklung eines energetischen Konzepts für das Gebäude ein Monitoring ausgearbeitet und mit Inbetriebnahme des Gebäudes im September 2013 umgesetzt.

Ausgangslage

Das Nullenergiehaus wurde in vorgefertigter Holztafelbauweise mit Flachdach errichtet. Die Qualität der Gebäudehülle geht über die Anforderungen an ein Passivhaus hinaus. Die Holzfenster mit Dreischeibenverglasung sind auf der Süd-, Ost- und Westseite des Gebäudes mit einem außenliegenden Sonnenschutz ausgestattet.

Die Bereitstellung des Heizenergiebedarfs erfolgt über einen ganzheitlichen und nachhaltigen Systemansatz. Integriert ist eine Wärmepumpe, die als lokale Ressource das Grundwasser nutzt. Die Wärme- und Kälteverteilung erfolgt über Flächensysteme, welche auf der Innenseite der Außenwände für die Heizung und in den oberen Bereichen der Bürotrennwände für die Kühlung integriert ist. Zusätzlich dazu wird die Zuluft der Lüftungsanlage durch eine hocheffiziente Wärmerückgewinnung und ein Heizregister temperiert. Für die ganzjährige Trinkwarmwasserbereitstellung ist unterstützend eine solarthermische Anlage installiert.

Ziel

In einem integralen Planungsprozess sollte ein nachhaltiges und ökologisches Gesamtkonzept für den Neubau entwickelt werden. Neben der Erfüllung des Nullenergie-Standards unter Einbindung erneuerbarer Energien waren besonders ein hoher Nutzerkomfort und optimale Arbeitsbedingungen zu realisieren.

Der Strombedarf der hocheffizienten Anlagentechnik, der Beleuchtung und der Büroausstattung soll in der Jahresbilanz vollständig durch den Ertrag einer Photovoltaikanlage gedeckt werden. Über den Betrieb einer zentralen Lüftungsanlage soll der optimale lufthygienische Innenraumkomfort während der Nutzungszeit gewährleistet werden. Die Zuluft in den Raum ist präsenzabhängig gesteuert, um den Mindestluftwechsel sicherzustellen. Eine Fensterlüftung ist zusätzlich in jedem Raum möglich.

Auftragnehmer des Forschungsprojektes war das IGS – Institut für Gebäude- und Solartechnik der TU Braunschweig.

Konzept

Arbeitspaket 1: Energetisches

Im Arbeitspaket 1 "Energetisches Monitoring" wurden die Aufzeichnungen der ca. 250 Datenpunkte ausgewertet. Durch die detaillierte Analyse der vorhandenen Messwerte konnte die Betriebsweise der technischen Anlagen und die Nutzung des Gebäudes bewertet werden.

Durch einen Vergleich von den berechneten Werten aus der Planung und den tatsächlich gemessenen Werten konnte die Zielerreichung in Bezug auf die Effizienz der technischen Systeme ermittelt werden. Das energetische Monitoring verfolgte außerdem das Ziel, Optimierungspotenziale für einen energieeffizienten Gebäudebetrieb aufzuzeigen.

Im energetischen Monitoring wurden die Messdaten von einem Zeitraum von ca. 12 Monaten ausgewertet.

Das Monitoringkonzept war in vier Bilanzebenen gegliedert:

  • Bilanzebene 1: Gebäude
  • Bilanzebene 2: Energiearten
  • Bilanzebene 3: Technische Anlagen
  • Bilanzebene 4: Raumweise Betrachtung


Im zweiten Arbeitspaket wurden unter dem Aspekt der "Nachhaltigkeit" die folgenden Themen behandelt:

  • Raumluftqualitätsmessungen
  • Wasserqualitätsanalyse
  • Fotodokumentation
  • Analyse des Nutzungsverhaltens
  • Nutzerworkshop


Der Schwerpunkt im Arbeitspaket 3 lag auf der Bewertung des thermischen Komforts für die Nutzerinnen und Nutzer. Hierbei wurde der Arbeitsplatzkomfort im Gebäude unter dem Gesichtspunkt der thermischen Behaglichkeit untersucht. Zur detaillierten Analyse des thermischen Komforts wurden Langzeitmessungen zur Erfassung relevanter Parameter wie Raumlufttemperaturen und Raumluftfeuchten durchgeführt. Die Messdaten wurden über einen Zeitraum von ca. einem Jahr erfasst, sodass eine Evaluierung des Raumkomforts möglich ist.

Die Ergebnisse des Langzeitmonitorings wurden durch Kurzzeit-Messungen ergänzt, bei denen in drei Referenzräumen zu jeder Jahreszeit eine komplexere Erfassung relevanter Raumklimadaten in Kombination mit einer Kurz-Befragung der Nutzerinnen in den jeweiligen Räumen durchgeführt wurde.


Die exergetische Auswertung gliedert sich in vier Teile und basiert aufgrund fehlender Planungswerte für exergetische Kenngröße lediglich auf Messwerten.

Zunächst wurde der exergetische Gesamtwirkungsgrad des Gebäudes von der Erzeugung bis zur Übergabe bestimmt. Daraufhin wurden die Subsysteme Flächenheizung und Lüftung näher betrachtet. Die Auswertung betrachtet die Exergieströme, die aus dem Pufferspeicher entnommen werden und die Subsysteme an den Raum übergeben werden. Eine entsprechende Betrachtung erfolgte für die Kühlung. Eine zweite Auswertung wurde für die Erzeugungssysteme Solarthermie und Wärmepumpe vorgenommen.

Ergebnisse

Arbeitspaket 1: Energetisches

Die Ergebnisse des energetischen Monitorings zeigen, dass die geplanten Kennwerte weitestgehend eingehalten bzw. leicht überschritten werden. Jahresbilanziell speist das Gebäude mehr Strom in das öffentliche Netz ein als es bezieht. Der angestrebte Nullenergie-Standard wird somit für das Jahr 2014 übertroffen, das Gebäude kann somit in den Plusenergie-Standard eingeordnet werden.

Optimierungspotenzial wird insbesondere bei der Trinkwarmwasserbereitstellung durch die Solarthermie-Anlage und bei der Temperierung der Räume gesehen.


Die Ergebnisse der Raumluftqualitätsmessungen auf flüchtige organische Verbindungen und Formaldehyd in der Raumluft ergaben insgesamt einen "hygienisch (noch) unbedenklichen" Betriebszustand. Die Wasseranalysen des Trinkwassers und des Anlagenwassers ergaben in Details Optimierungsvorschläge für den Anlagenzustand, jedoch keinen dringenden Handlungsbedarf. Die Dokumentationen des Zustands der Oberflächen im Gebäude und der Holzfassade zeigen keine Auffälligkeiten. Die Pflanzen unter der Photovoltaikanlage auf dem Dach sind innerhalb eines Jahres ohne sichtbare Einschränkung gewachsen.


Zur Bestimmung des thermischen Komforts im Gebäude wurden mehrere Messungen durchgeführt. Zur detaillierten Analyse erfolgte eine Langzeitmessung über einen Zeitraum von einem Jahr (Sept. 2013 – Aug. 2014). Ergänzt wurden die Ergebnisse der Langzeitmessung durch Kurzzeitmessungen, bei denen in stichprobenartigen Messungen in drei der Referenzräume weitere Daten zum Raumklima erfasst wurden.

Die Auswertung der Messungen zeigt, dass die operative Raumtemperatur im Mittel zwischen 21,7 und 22,8 °C lag und über ein Jahr betrachtet weitgehend konstant blieb. Eine Abhängigkeit von der Raumlufttemperatur zur Außenlufttemperatur war nicht gegeben. Je nach Jahreszeit wurden unterschiedliche Grenzwerte für die operative Raumlufttemperatur angesetzt. Die gemessenen Werte sind überwiegend als "guter Komfort" zu bewerten. Durch die Nutzer wurde die operative Raumtemperatur im Mittel als "neutral" bis teilweise "leicht kühl" bewertet.

Die gemessene relative Luftfeuchte lag im Herbst, Frühling und Sommer im "guten" bis "akzeptablen" Bereich. Im Winter lag die rel. Luftfeuchte bei 21 % und somit im "leicht eingeschränkten" Bereich. Das Behaglichkeitsvotum der Nutzer bestätigte die Messwerte im Winter.

Das aus den gemessenen Werten berechnete, zu erwartende mittlere Votum zur thermischen Behaglichkeit (PMV) liegt im Herbst, Winter und Frühling im "guten" Bereich. Im Sommer wurde lediglich ein "leicht eingeschränkter" Komfort erreicht.

Mit einem berechneten Prozentsatz an Unzufriedenen (PPD) von 5,3 % im Herbst, Winter und Frühling kann die thermische Behaglichkeit in den untersuchten Räumen des Gebäudes als "gut" bewertet werden.


Mit der Exergieanalyse wurde die Qualität ausgewählter Energieumwandlungsprozesse vom Haus 2019 bewertet. Für das Gebäude erfolgte ein Vergleich der Heiz- und Kühlsysteme, da hier eine Umwandlung von Energie auftritt. So wurde bestimmt, welche Kombination aus Erzeuger und Übergabesystem von Wärme und Kälte an das Gebäude effizient ist und eine gute Ausnutzung von regenerativen Energien bietet.

Beim "Haus 2019" konnte insbesondere die exergetische Effizienz von dynamischen und statischen Übergabesystemen sowie die Ausnutzung der Quellen Brunnenwasser und Solarthermie bewertet werden.

Es zeigte sich – aufgrund der Datenqualität mit einem gewissen Maß an Unsicherheit –, dass erwartungsgemäß die exergetische Effizienz bei der statischen Heizung größer ist und somit aus diesem Blickwinkel zu bevorzugen ist.

Projektbeteiligte
Eckdaten
Projekt auf der Webseite des BBSR : https://www.bbsr.bund.de/BBSR/DE/forschung/programme/zb/Auftragsforschung/2NachhaltigesBauenBauqualitaet/2015/MonitoringNullenergiehaus/01_start