Nullemissionswohnquartier 'Am Müggenberg', Arnsberg-Neheim

MA-Thesis / Master von Eike Musall

Einleitung:

Prognostizierte Klimaveränderungen, das EU-Klimaschutzpaket 2020 und die Tatsache, dass ein Großteil deutscher Klimagase durch Haushalte ausgestoßen wird, beschreiben die Notwendigkeit städte- und hochbauliche Konzepte zu entwickeln, die es erlauben, Wohneinheiten ohne nennenswerte CO2-Emissionen zu betreiben.

Grundstein des uneingeschränkten Kohlenstoffdioxidausstoßes des Wohnsektors ist die primärenergetische Versorgung durch überwiegend fossile Energieträger sowie der ungemindert hohe Verbrauch im Bereich Wärme und Strom. Dabei ist bekannt, dass durch Neubau und Bestandssanierungen ausschlaggebende Energieeinsparungen gegenüber konventionellen Bauweisen realisierbar sind und die Bedarfsdeckung deutlich stärker über erneuerbare Energie erfolgen kann.

Eine unter Beachtung dieser Kenntnisse entwickelte Neukonzeption des Wohnquartiers ‘Am Müggenberg’ in Arnsberg-Neheim bildet die Grundlage des rechnerischen Nachweises einer jährlichen Nullemissionsbilanz. Die vorliegende Arbeit zeigt ein umfassendes Energiekonzept mit entwerferischen, verbrauchssenkenden und versorgungstechnischen Maßnahmen sowie eine rechnerische Bilanzierung mit dem Ziel der Nullemissionssiedlung. Einer energetischen Grobanalyse folgen hierzu Ideen zur Minderung des Energiebedarfs, eine Analyse solarer Potenziale und die Einbeziehung versorgungstechnischer Faktoren.

Nach der Erkenntnis, dass der Energiebedarf der Siedlung extrem stromdominiert ist, liegt ein Fokus innerhalb der Versorgungskonzeption auf der solaren Deckung. Darüber hinaus verhilft eine Gegenüberstellung unterschiedlicher Systeme zur Wärmebereitstellung den Primärenergiebedarf zu reduzieren und das Nullemissionsziel zu erreichen.

Anmerkungen:

Entscheidend bei dem Versuch die Siedlung auf die Nullbilanzlinie zu steuern ist die Energieeinsparung durch Bedarfssenkung. Schönrechnungen, wie zum Beispiel hoher Stromertrag über Kraftwärmekopplung begünstigt durch hohen Heizwärmebedarf energetisch schlechter Gebäude oder die Nutzung momentan in den Medien als klimaneutral bezeichneten Atomstroms, werden nicht berücksichtig. Dies gilt primär auch für eine mögliche Beteiligung an externen Windkraftanlagen oder der Einkauf ‘grünen’ Stroms, da der integrative Entwurfsansatz und das Erreichen der Nullbilanz auf dem Siedlungsgrund als vorrangiges Ziel gestellt ist.

Angestrebt wird lediglich ein neutrales Ergebnis der Emissionsbilanz über den Zeitraum eines Jahres. Im Sommer erzeugte Überdeckungen durch aktive solare Energiegewinne werden in das örtliche Netz eingespeist und gleichen winterliche Unterdeckungen aus. Der hierbei entstehende ‘Missmatch’ wird nicht betrachtet.

Auch ist die Untersuchung von Lebenszyklen nicht Thema dieser Arbeit. Die Ressource ‘Bestandsbau’ fließt ebenso wenig in die Emissionsbilanzierung ein, wie die ‘graue’ Energie der verwendeten Baumaterialien und Energieaufwendungen für das Entstehen bzw. Sanieren der Gebäude.

Der eigenen Überzeugung, dass Energieeinsparung am ehesten über Energiekosteneinsparung vermittelt und hervorgerufen werden kann, wird in dieser Arbeit ebenfalls nicht nachgegangen. Kosten für Versorgung und Einsparung bzw. Verringerung von Energiebedarf sind unberücksichtigt geblieben, da dies weder Thema der Arbeit ist, noch zeitlich möglich gewesen wäre. Dennoch soll darauf hingewiesen werden, dass gerade finanzielle Überlegungen ein großes Potenzial der Energieeinsparung darstellen und nicht nur die nach der breiten Meinung verschrienen ‘Ökos’ einem Siedlungsansatz mit Nullemissionsziel folgen werden.

Inhaltsverzeichnis:

1.	Abstract	1
2.	Prolog	1
3.	Inhalt	4
	Abbildungsverzeichnis	5
	Tabellenverzeichnis	5
4.	Der Entwurf und sein Umfeld	10
	Die Umgebung südliches Neheim	10
	Fokus Quartier ‘Am Müggenberg’	10
	Erkenntnisse SWOT-Analyse	12
5.	Zielsetzung Nullemission	19
6.	Der Entwurf ‘Flexibel wohnen, aktiv leben, ökologisch siedeln’	20
7.	Energetische Voranalyse und Erkenntnisse	35
	Vorläufiges Energiekonzept	35
	Gebäudetypologie	38
	Grobanalyse des Endenergiebedarfs	39
	Erkenntnis aus Grobanalyse	42
8.	Genauere energetische Betrachtung	44
	Maßnahmen Stromeinsparung	44
	Stromversorgung und -gewinnung	50
	Weitere energetische Parameter	53
	Erkenntnis: Stromsparen lohnt sich	56
	Neue Bilanzierung	57
9.	Versorgungskonzeption der Siedlung	57
	Konzept 1 PV-Anlage und BHKW	58
	Konzept 2 PV-Anlage und Holzpelletkessel	60
	Konzept 3 PV-Anlage und Holzpelletkessel mit zentraler solarer Unterstützung	62
	Konzept 4 PV-Anlage mit Holzpelletkessel und dezentraler Warmwassererwärmung	64
	Energiekonzept des Quartiers Am Müggenberg	66
10.	CO2-Bilanzierung	68
11.	Fazit	70
12.	Literaturverzeichnis	73
13.	Anhang	76
	Siedlungseingriff in Zahlen	76
	Die 5091m2 Photovoltaikanlagen aufgeteilt auf die Dachflächen	77
	Werkzeug- und Softwarebetrachtung (Ecotect, Bilanz/EnEV)	78
	Beispielhafte Simulation von Fassadenverschattungen	80
	Bauphysikalische Überlegungen für die Bilanzierung	83
	Beispielrechnungen zur Stromersparnis durch energieeffiziente Haushaltsgroßgeräte	86
	Tabellen zur energetischen Analyse	88

Die in der Studie erwähnte CD ist KEIN Bestandteil des ebooks!

Textprobe:

Kapitel 7, Gebäudetypologie:

Die Gebäudetypologie umfasst eine Aufstellung aller energetisch relevanter Faktoren wie Flächen, Volumina und Verhältnisse der zu bilanzierenden Gebäude. Die insgesamt 49 größtenteils unterschiedlichen Bauten werden hierzu in Gruppen tabellarisch aufgeführt und ihre Eigenschaften berechnet. Da die Berechnungen als überwiegend bekannt und mathematisch banal eingeschätzt werden, sind die einzelnen Rechenwege nicht näher beschrieben, auch wenn die Erfassung dieser Daten einen Großteil des zeitlichen Aufwands der Arbeit ausmacht. Sie sind der DIN 277, DIN 4108, DIN 18599, der EnEV (Energieeinsparverordnung) 2007 und der Deutschen Gebäudetypologie des IWU entnommen.

Bei der Einteilung der Typgruppen gründet das größte Problem und der meiste Aufwand in der städtebaulichen und hochbaulichen Varianz. Da in der Neuentwicklung der Siedlung nicht wie bei vergleichbaren Entwürfen und anderen bekannten Projekten ein einziger, ggf. leicht modifizierbarer Typus vervielfacht auf dem Grundstück platziert wurde, sondern mehrere voneinander unabhängige Gebäudetypen und -gruppen entwickelt wurden, die neben der Aufteilung in Bestand und Neubau weitere Unterschiede durch Topographie und Orientierung erfahren, fordert sie eine sehr umfangreiche, weil annähernd individualisierte, energetische Betrachtung.

Grobanalyse des Endenergiebedarfs:

Insgesamt wird das Quartier in sechs Typgruppen aufgeteilt und untersucht. Für das Erreichen und Darstellen der Nullemissionsbilanz muss festgestellt werden, wie viele Emissionen durch Energieverbrauch erzeugt und durch Einsatz von CO2-armer Energiegewinnung vermieden werden. Die Basis hierzu legt die Ermittlung des Endenergiebedarfs für Heizung, Warmwasserbereitstellung und elektrischer Haushaltsenergie aller typologisierten Gebäude.

Bedarfsermittlung Heizwärme:

Für die Bedarfsermittlung der Heizwärmeenergie dient das Analysetool Bilanz auf der Basis des Softwareprogramms Microsoft Excel. Es erstellt nach Berechnungsvorlage der DIN 277 und der Energieeinsparverordnung nach einem vereinfachten Verfahren die Jahresenergiebilanz einzelner Gebäude oder Gebäudegruppen. Dabei können jeweils EnEV-konforme Angaben verwendet oder aber eigene Werte eingegeben werden, um eine möglichst genaue Abbildung der Gebäude zu bekommen. So ist als wichtigste Angabe die Energiebezugsfläche zu nennen. Sie wird lt. EnEV nach einem festgelegten Faktor (0,32) aus der Angabe des Bruttovolumens Ve errechnet, was vor allem bei hochgedämmten Fassadenkonstruktionen mit erhöhtem Bauteilquerschnitt oder aber besonderen Grundrissaufteilungen zu erheblichen Abweichungen zur realen Energiebezugsfläche führt. Somit werden für die Berechnungen die Nettogeschossflächen aus der Gebäudetypologie genutzt. Ähnlich erfolgt die Angabe für das zu beheizende Luftvolumen.

Die Klimadaten im Bilanz-Tool folgen der DIN 4108 weswegen sie nicht weiter hinterfragt übernommen werden. Dies gilt ebenso für die Einstellungen im Bereich Wärmespeicherfähigkeit, Wärmebrückenverluste und Lüftung. Hierbei kann zwischen unterschiedliche Werten gewählt werden, wobei zum Beispiel als Wärmebrückenverlust lediglich 0,05W/m2 gesetzt werden, da die Außenhüllen der Bauten entweder modernisiert oder neuwertig und somit als sehr gut eingeschätzt werden dürfen. Im Bereich der Wärmespeicherfähigkeiten gelten die Neubauten auf Grund der Holzrahmenbauweise als leichte und die sanierten Bestandsbauten als mittelschwere Gebäude. Die entsprechenden Werte folgen wiederum der EnEV. Die Informationen über die Lüftungsart entspringen der Tatsache, dass in den Bestandbauten aufgrund der geringen Deckenhöhen keine Wärmerückgewinnung zu realisieren ist, sie eine reine Abluftanlage mit Frischluftzufuhr über Nachströmöffnungen bekommen und die Neubauten Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung erhalten, um Wärmeverluste über die Lüftung zu verringern.

Bei der Art der Nutzung, welche die internen Wärmegewinne beschreibt, gibt die Energieeinsparverordnung üppige 5,00W/m2 vor. Nach Passivhausstandard ergeben sich durch verringerte Wärmequellen 2,10W/m2. Dieser Wert wird gewählt, um bereits in der Grobanalyse abzubilden, dass die Haushalte nicht über eine interne und dezentrale Heizquelle bzw. ineffiziente Haushaltsgroßgeräte und Lampen verfügen, deren Wärmeverluste als interne Wärmequelle dienen.

Die für den Heizwärmebedarf bedeutsamsten Aussagen liefern die Bauteilqualitäten. Flächenanteile und -verhältnisse, Wärmeleitfähigkeit, Schichtdicke und bei transparenten Bauteilen Energiedurchlassgrad bestimmen neben Verschattung und Orientierung die für den Gebäudestandard maßgeblichen Transmissionsverluste und solare Energiegewinne. Die Bauteilaufbauten der opaken Elemente wie Dachfläche, Kellerdecke oder Bodenplatte, Außenwand gegen Außenluft oder unbeheizte Räume ergeben sich aus den konstruktiven sowie konzeptionellen Überlegungen und dem hierzu angepasst verwendeten Bauteilkatalog innerhalb der Software Bilanz. Die Fensterqualitäten werden durch das Programm Fenestra ermittelt. Ihre Orientierungen sind einzeln in acht Himmelsrichtungen aufgeführt, wodurch innerhalb einer Gebäudegruppe auch unterschiedlich orientierte Gebäude zusammengefasst werden können.

Besondere Aufmerksamkeit kommt der baulichen Verschattung der Fensterflächen zu. Die EnEV sieht einen pauschalen Wert von zehn Prozent Minderung auf alle Fensterflächen einer Orientierung vor, was jedoch die tatsächliche Situation nicht abbildet und eine Unterteilung in drei unterschiedliche Verbauungsarten unterschlägt. Diese sind die Verbauung durch die Umgebung, durch seitlichen und durch horizontalen Überhang. Die beiden Letzteren werden deshalb durch eigene, der DIN 4108 angepasste, ersetzt. Hierin wird für jede Fensterfläche die durch den Baukörper erzeugte Verschattung abgebildet. Besonders bei den tiefen Loggiaeinschnitten der Reihenhausneubautypologie führt dies zu einer erheblichen Beeinträchtigung der solaren Einstrahlung. Als Beispiel dient die Gebäudetypologie ‘Doppelhaus groß’. Hier würde bei vereinfachter und überschlägiger Verschattung ein Heizwärmebedarf von 16,30kWh/m2a entstehen, während die Abbildung der baulichen Verschattung nach DIN 4108 einen Heizwärmebedarf von 19,80kWh/m2a aufweist.

Insgesamt verdeutlicht sich nach Beachtung aller Fensterflächen des Quartiers, dass sich dieser Unterschied durch weniger starke Verschattung anderer Fenster beinahe aufhebt. Würde jedoch die Siedlung nur aus diesem einen Gebäudetypus bestehen, wie es bei vielen ähnlichen Projekten der Fall ist, könnte dies zu erheblichen Mehrverbräuchen führen und die Nullemissionsbilanz gefährden.

Zu diesem Zeitpunkt der Berechnung ist die Verschattung der Fenster durch umgebende Bebauung nicht beachtet und folgt erst in der genaueren Betrachtung der einzelnen Gebäude.

Im Gesamten ergibt sich bis hier her ein berechneter Heizwärmebedarf von 713.595kWh/a (32,36kWh/m2a) für die Siedlung. Bei einem pelletgespeisten Nahwärmenetz und einem entsprechenden Umrechnungsfaktors von 0,1 ergibt sich hieraus ein vorläufiger Primärenergiebedarf von 71.359,54kWh/a.