Keep Cool II EU-Projekt zeigt Wege zu nachhaltigem Sommerkomfort für Büro-Sanierungen

Die IZES gGmbH - ein Forschungsinstitut für Zunkunftsenergiesysteme, das an die Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes angegliedert ist, wurde mit der Projektkoordination des europäischen Projekts "Keep Cool II" betraut. Dieses wurde Ende 2007 als Folgeprojekt des ersten Keep Cool-Projekts (der IKZ-FACHPLANER berichtete ausführlich in Ausgabe 10/2008) unter dem Programm "Intelligent Energy for Europe (IEE)" der Europäischen Kommission bewilligt. Das Projekt soll dazu beitragen, den stetig wachsenden Klimatisierungsbedarf für Zweckgebäude in Europa zu begrenzen.
Hierzu haben sich 12 Partner aus neun europäischen Ländern zusammengefunden, um die im ersten Projekt zusammengetragenen Erkenntnisse zu aktualisieren und zu ergänzen. Bei den Partnern handelt es sich um Energieagenturen, Universitäten und Forschungseinrichtungen aus Slowenien, Deutschland, England, Frankreich, Portugal, Schweden, Italien, Belgien und Österreich.

Ansatz und Ergebnisse von "Keep Cool"
Die zentrale Idee des Projekts ist es, den althergebrachten "Klimatisierungsansatz" durch den "nachhaltigen Sommerkomfort-Ansatz" auch und vor allem bei Sanierungsmaßnahmen zu ersetzen. Unter nachhaltigem Sommerkomfort wird dabei verstanden, dass Gebäudenutzer in den Sommermonaten angenehme Arbeits- und Umgebungsbedingungen vorfinden, die mit minimalem Einsatz fossiler Energieträger erreicht werden. Dabei finden drei Grundvoraussetzungen Anwendung:

• Bester verfügbarer Wissensstand und Technik werden bei der Konzeption der Gebäudehülle und für Sanierungen berücksichtigt.
• Passive Kühltechniken stehen im Vordergrund.
• Komfort- und Anpassungsbedürfnisse von Gebäudenutzern in klimatisierten Gebäuden werden entsprechend der EN 15251-2007 berücksichtigt.

Die EU-Norm EN 15251:2007 "Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden" gibt auch Empfehlungen für Innentemperaturen in natürlich belüfteten und passiv gekühlten Gebäuden (Bild 2). Die Kategorien A, B und C definieren den Anforderungsgrad an das Gebäude bzw. den thermischen Komfort (A: höchste, C: niedrigste Anforderungen) [3].
Im ersten Keep Cool-Projekt wurde die Erreichung eines nachhaltigen Sommerkomforts in 10 Schritten definiert, die aufeinander aufbauen:

• Definition von Komfortzielen möglichst anhand adaptiver Komfortmodelle.
• Auswahl des Gebäudestandorts unter dem Aspekt des nachhaltigen Sommerkomforts z.B. in der Nähe von Wasserflächen, natürlicher Vegetation usw.
• Kontrolle und Reduktion externer Wärmegewinne über die Gebäudehülle.
• Aktivierung thermischer Massen.
• Reduktion interner Lasten.
• Gebäudenutzer können sich individuell an Hitzeperioden anpassen, Stichwort "Kleiderordnung".
• Einsatz passiver Kühltechniken.
• Einsatz aktiver, solar unterstützter Systeme.

Wenn nach diesen Maßnahmen die gesetzten Komfortanforderungen nicht erreicht werden, sollen hocheffiziente Klimaanlagen eingesetzt werden. Darüber hinaus sollen Facility Manager und Gebäudenutzer geschult werden, um die Anlagentechnik angemessen bedienen und für eine korrekte Wartung sorgen zu können.

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Die Ausgangslage
Der gesamte Kühlbedarf für Büro- und Verwaltungsgebäude in der EU betrug laut Coolsan-Studie im Jahr 2000 bereits 193 PJ oder 53610 GWh [4]. Nach Schätzungen wird sich dieser auf Basis der Zahlen von 2000 bis 2020 verdoppeln. Die erhöhte Nachfrage erklärt sich durch steigende interne Lasten aufgrund des Ausbaus elektrischer Büroanwendungen, aber auch durch höhere Komfortansprüche im Sommer. Großzügig verglaste Außenflächen tragen außerdem zur sommerlichen Überhitzung der Gebäude bei, auch und gerade in den nördlichen Regionen Europas. Manchmal benötigen klimatisierte Gebäude in Nordeuropa sogar mehr Kühl­energie als in Südeuropa, wo sich die Architektur den herrschenden klimatischen Gegebenheiten bereits seit Langem angepasst hat. Nach einer Analyse im Bürogebäudebereich beträgt die durchschnittliche Kühl­energie in südlichen Ländern rund 40 kWh/m² und Jahr, wohingegen der Durchschnitt in Nordeuropa bei rund 65 kWh/ m² und Jahr liegt [1]. In deutschen Bürogebäuden werden jährlich etwa 40.000 bis 50.000 GWh für Kühlung aufgewendet.

Modellierung von "Base Case"-Fällen
Im Keep Cool-Projekt wurden an sog. "base case"- Beispielfällen Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz (Energy Efficiency Improvement (EEI)-Maßnahmen) für bestehende Gebäude simuliert [7]. Anhand ausgewählter typischer Gebäude wurden in fünf Klimazonen in Europa Energieverbrauch, thermisches Verhalten im Sommer (Temperaturen, Überhitzungsstunden) und mögliche Energieeinsparungen für den sommerlichen Komfort mittels passiver und nachhaltiger Technologien simuliert. Aber auch der Winterfall wurde betrachtet, da er einen großen Einfluss auf die Gestaltung der Gebäude hat und in den Simulationen auch Heizenergieersparnisse berücksichtigt wurden.
Bei den Simulationen wurden darüber hinaus Gebäude aus den drei Nutzungsbereichen Wohnen, Handel und Büro betrachtet. Da der größte Klimatisierungsbedarf aufseiten der Bürogebäude entsteht, wurden diese nochmals nach Größe und Nutzungsart unterteilt.
Ein Ziel dieser Modellierungen war es, Bewertungsgrundlagen für einheitliche jährliche Energieeinsparungen durch nachhaltige Lösungen zum Sommerkomfort bereitzustellen. Sanierungsmaßnahmen zur Erhöhung des sommerlichen Komforts wurden dabei besondere Aufmerksamkeit gewidmet, da die größten Energieeinsparpotenziale bekanntermaßen im Gebäudebestand liegen. Gemäß der Idee des Keep Cool-Projekts soll bei Sanierungen die Nachrüstung aktiver Klimatisierungssysteme möglichst vermieden werden.
Derzeit wird der größte Teil der bestehenden Zweckgebäude in der EU nicht aktiv klimatisiert. In diesen Gebäuden kommt es mehr oder weniger regelmäßig zu sommerlichen Überhitzungserscheinungen. Dieses Problem wird bei Sanierungen i.d.R. dadurch gelöst, dass aktive Klimatisierungssysteme nachgerüstet werden, z.B. in Form von Splitgeräten. Andere Lösungsansätze wie die Installation von Sonnenschutzeinrichtungen, evtl. der teilweise Austausch von Verglasungen durch Sonnenschutzgläser und/oder Kombinationen mehrerer Maßnahmen, bleiben dabei oft unberücksichtigt.

Zubau von Klimasystemen vermeiden
Zielführende Maßnahmen zur Vermeidung von Überhitzung und zur Verbesserung des thermischen Komforts im Sommer wurden daher anhand zuvor definierter Standardgebäude simuliert. Dabei handelte es sich z.B. um die Simulation externer, beweglicher Verschattungssysteme mit und ohne automatischer Einstrahlungskontrolle, um nachträgliche Dämmmaßnahmen an der Gebäudehülle, um natürliche Lüftung oder die Nutzung vorhandener Lüftungsanlagen zur Erhöhung der Luftwechselraten bei der Tag- und Nachtlüftung. Diese Aufzählung ist nicht abschließend und berücksichtigt vor allem Sanierungsmaßnahmen.
Energieeinsparungen beziehen sich im Projekt Keep Cool sowohl auf Gebäude, die bereits aktiv gekühlt werden wie auch auf solche, die nicht über Klimaanlagen verfügen, wobei letztere einen großen Teil des europäischen Gebäudebestands ausmachen. Gerade dort bedeuten Energieeinsparungen nach Sanierungsmaßnahmen nicht nur die Reduktion des allgemeinen Energiebedarfs, sondern die Vermeidung der Nachrüstung aktiver Klimatisierungssysteme, die den Energieverbrauch noch zusätzlich erhöhen würden. Für aktiv gekühlte Gebäude gilt dies analog. Auch hier soll durch Sanierungen Energie vor allem durch die Vermeidung des nachträglichen Zubaus von mehr und leistungsstärkeren Anlagen eingespart werden.

Randbedingungen für die Simulationsberechnungen
Die Simulationen für nicht aktiv klimatisierte Gebäude mit der Möglichkeit öffenbarer Fenster gehen nicht von festen Innentemperatur- Sollwerten aus. So können Gebäudenutzer selbst Komfortkriterien bestimmen, die eine Reduzierung der Kühllast durch EEI-Maßnahmen erlauben, um den Einbau von aktiven Klimatisierungssystemen möglichst zu verhindern. Luftfeuchtigkeit und Luftqualität wurden im adaptiven Ansatz und mit natürlicher Belüftung nicht berücksichtigt, obgleich sie wichtige Parameter sind. Sie sollten im konkreten Einzelfall immer betrachtet werden.
Die Simulationen für klimatisierte Gebäude gehen von festen Temperatursollwerten aus, die für die Base-case-Fälle gelten sollen und für die Fälle, die unter Berücksichtigung der jeweiligen EEI-Maßnahmen simuliert wurden. Zur Bewertung des Komforts in diesen Gebäuden wurde die Kategorie II der EN 15251 angenommen. Dies bedeutet ein "normales" Erwartungsniveau der Gebäudenutzer, das sowohl für neue als auch renovierte Gebäude angesetzt werden kann. Die Temperatur im Sommer soll sich hier für Bürogebäude, Klassen-, Seminar- und Konferenzräume zwischen 23 °C und 26 °C bewegen.

Ergebnisse am Beispiel des Bürogebäudes 1
Das Bürogebäude verfügt über 12 identische Stockwerke und eine Fläche von 15.000 m². Die verglaste Fläche beträgt 45% der gesamten vertikalen Gebäudeoberfläche.
Der Kühlbedarf und die Bewertung des thermischen Komforts sind für die insgesamt 13 EEI-Maßnahmen und den Basisfall (Referenz) in Bild 5 und 6 für dieses Gebäude dargestellt. Dabei sind die Effekte der Maßnahmen nicht kumulativ.
Neben den Einzelmaßnahmen wurden auch vier sog. Paketlösungen simuliert.
Im Paket 1 wurden lediglich die internen Lasten reduziert, Paket 2 umfasst noch zusätzlich einen außen liegenden, automatisch gesteuerten Sonnenschutz. Dabei wurden die simulierten EEI-Maßnahmen kumulativ betrachtet.
Darüber hinaus wurden Basiswerte für Energieeinsparungen aufgrund der simulierten EEI-Maßnahmen berechnet. Bezüglich Komfortkriterien wurde hier die Kategorie 2 der EN 15251 angesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass in allen vier Städten und in den sehr unterschiedlichen Klimazonen die größten Primärenergieeinsparungen mit dem Paket 4 erreichbar sind. Dies gilt für den Fall nicht aktiv klimatisierter Gebäude.
Aber auch bereits mit der Nachrüstung von außen liegenden Verschattungssystemen mit automatischer Einstrahlungskontrolle können bedeutende Primärenergieeinsparungen erzielt werden (Maßnahme: venetian - radiation control).

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Strategien für Verwaltungen
Innerhalb des Keep Cool-Projekts wurden basierend auf den Simulationsergebnissen unterschiedliche Leitfäden vor allem für das öffentliche Beschaffungswesen erarbeitet [8]. Einer beschäftigt sich damit, wie man am besten geeignete Planer für Gebäude mit nachhaltigem Sommerkomfort findet, ein anderer untersucht Möglichkeiten energieeffizienter Beleuchtung und Büroaustattung und weitere behandeln mögliche Vereinbarungen zwischen Mieter und Gebäudeeigentümer zur Erreichung und Einhaltung angenehmer Komfortbedingungen und eines geringen Energieverbrauchs.
Nachfolgend soll etwas näher auf den Einfluss von Büroausstattung und Beleuchtung eingegangen werden. Jedes elektrische Gerät erzeugt Wärme, je ineffizienter der eingesetzte Strom dabei genutzt wird, umso mehr. Diese internen Lasten resultieren bei der Beleuchtung oft aus zu hohen Anschlussleistungen (>25W/m²) und bei der IT-Ausstattung z.B. durch überdimensionierte Leistungen oder veraltete Ausstattung.
Was die IT-Ausstattung in Büros betrifft, so werden hier die ersten Vorgaben aus der europäischen Energiedienstleistungsrichtlinie Ende 2009 erwartet. Generell sind Lap­tops mit zusätzlichem LCD- Bildschirm günstiger im Energieverbrauch als Tischrechner. Bei Servern kann der Energieverbrauch um bis zu 40% durch die Auswahl energieeffizienter und den jeweiligen Bedürfnissen angepasste Modelle erreicht werden. Server sollten immer in separaten Räumen aufgestellt werden, die dann bei Bedarf auch aktiv gekühlt werden können.
Ein wichtiger Aspekt ist die Aktivierung des Energiesparmodus der Geräte, wenn diese nicht gebraucht werden. Auch hierfür werden die Anforderungen nach und nach aufgrund der europäischen Energiedienstleistungsrichtlinie verschärft, sodass ab 2013 Bürogeräte im Standby-Modus nur noch 0,5 W Leistungsaufnahme haben dürfen. Laut EU-Kommission werden jährlich 47 TWh von Elektrogeräten im Bereitschaftsmodus verbraucht.

Cooling Bonus
Für die Bewertung des Austauschs von Beleuchtung und Bürogeräten wurde im Projekt ein sog. Cooling Bonus anhand der obigen Simulationsergebnisse entwickelt. Dieser basiert auf der Tatsache, dass mit der Einsparung von Energie durch energieeffiziente Beleuchtung und Bürogeräte der Klimatisierungsbedarf im Sommer sinkt, der Heizenergiebedarf im Winter aber eventuell ansteigen kann. Der Bonus wurde, wie die Simulationen auch, für unterschiedliche Klimazonen berechnet.
Er fällt immer dann positiv aus, wenn der Gesamtenergieverbrauch für Heizung und Kühlung durch die ergriffenen Maßnahmen sinkt. Er kann aber auch negativ sein, nämlich wenn der Energiebedarf für Heizen durch den Austausch von Geräten oder Beleuchtung um mehr als den auf der Kühlseite eingesparten Betrag ansteigt.
Damit drückt der Bonus aus, wie sich der Energieverbrauch für Heizung und Kühlung im Vergleich zu der ergriffenen EEI-Maßnahme ändert. Er berechnet sich folgendermaßen:
(Primärenergieeinsparung für Heizen + Primärenergieeinsparung für Kühlen) / Primärenergieeinsparung für Beleuchtung und Bürogeräte.
Bild 9 zeigt, dass der Cooling Bonus für das Bürogebäude 1 in Lissabon und Palermo immer positiv ist. Damit lohnt sich dort immer die Verwendung von energieeffizienter Beleuchtung und Bürogeräten. Denn die Energieeinsparungen für Kühlen sind größer als der erhöhte Heizbedarf im Winter durch geringere Wärmeentwicklung bei der Büroausstattung.
Die Tabelle zeigt aber auch, dass der Bonus in Stockholm in jedem Fall negativ ist. Das bedeutet in diesem Fall, dass die Menge an eingesparter Kühlenergie immer kleiner ist als der zusätzliche Heizbedarf im Winter. Für die Wirtschaftlichkeit von Maßnahmen kann dieser Bonus entscheidend sein, denn er kann dazu beitragen, zunächst unwirtschaftlich erscheinende Maßnahmen wirtschaftlich werden zu lassen.

Fazit
Aus den Simulationsergebnissen wird deutlich, dass Energieeinsparungen für Klimatisierung bei ohnehin anstehenden Sanierungen bereits durch relativ einfache Maßnahmen erreichbar sind.
Für das Bürogebäude 1 ist die beste Einzelmaßnahme eine außen liegende automatisch gesteuerte Jalousie. Diese kann den Kühlbedarf in Stockholm, Paris und Lissabon um 70% und in Mailand und Palermo um rund 60% senken. Die Zahl der Überhitzungsstunden konnte hierdurch in Paris um 80%, in Lissabon um 60%, in Mailand um 50%, in Stockholm um 40% und in Palermo um 35% reduziert werden. Der für Paris zugrunde gelegte Zielwert für den thermischen Komfort konnte durch diese Maßnahme eingehalten werden.
Was die Umsetzung von weiteren Einzelmaßnahmen angeht, so stellt bereits die Reduzierung der internen Lasten einen Beitrag zur Reduzierung des Pimärenergiebedarfs dar. Dies hängt jedoch stark von den betrachteten Klimazonen ab.
Am wirkungsvollsten ist es, einen festen Primärenergiekennwert nach der Sanierung vorzugeben, der möglichst bei 100 kWh/m² und Jahr für Heizung, Beleuchtung, Kühlung und Lüftung liegen sollte.

Literatur:
[1] Ursula Eicker, Low Energy Cooling for Sus­tainable Buildings, Chichester (UK) 2009
[2] Bayrisches Landesamt für Umweltschutz (Hg.), Effiziente Energienutzung in Bürogebäuden, Planungsleitfaden, 2008
[3] Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) (Hg.), Energieeisparung contra Behaglichkeit?, Forschungen Heft 121, Bonn 2007
[4] Blümel, Somann, Fink, Coolsan - Kältetechnische Sanierungskonzepte für Büro- und Verwaltungsgebäude, 2005
[5] EERAC Bericht: Energy Efficiency of Room Air-Conditioners, Jérôme Adnot et al., 1999
[6] Adnot et al., 2003. Energy Efficiency and Certification of Central Air Conditioners (EECCAC). A study for the D.G. Transportation-Energy (DGTREN) of the Commission of the E.U., Paris
[7] Base case Modellierung im Work Package (WP) 4 "Assessment of Energy Savings" des Keep Cool II-Projektes. Autoren: L. Pagliano, P. Zangheri, Polytechnikum Mailand und D. Marchio, L. Grignon-Massé, Ecole des Mines, Paris
[8] STEM

Autorin: Barbara Dröschel, M.A., IZES gGmbH, Institut für Zukunfts Energie Systemean der Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW),  Saarbrücken

Bilder: IZES gGmbH, Saarbrücken

www.izes.de
www.keep-cool.eu