Bis 2050 will Deutschland einen klimaneutralen Gebäudesektor erreichen – Die größte Herausforderung für diese Aufgabe liegt im Bestand der Nachkriegszeit. Er stellt den größten Teil der Gebäude in Deutschland dar und hat einen verhältnismäßig hohen Energiebedarf. Entsprechend hoch sind die CO2-Emissionen. Daher ist es besonders wichtig, Konzepte zu finden, die in vielen Gebäuden zum Einsatz kommen können – wie in den Plattenbauten der ehemaligen DDR. Der folgende Text ist eine Zusammenfassung einer Masterarbeit, die an der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin entstand und verschiedene Maßnahmen auf ihre Effektivität und Umsetzbarkeit untersucht hat. Denn aufgrund ihres Alters und ihrer Zahl von 2 Millionen Gebäuden, sind sie ein interessantes Untersuchungsobjekt und ideal für die Entwicklung von seriellen Konzepten zur Einsparung von CO2 geeignet.

  1. Potenzial des Plattenbaus zur Reduzierung des Energieverbrauchs
  2. Planung der Photovoltaikanlage
  3. Sanierung auf KfW 55 Standard für mehr Einsparungen
  4. Vergleich unterschiedlicher Wärmepumpen-Systeme
  5. Energetische Sanierungen haben den höchsten Effekt auf CO2-Reduzierung

 

 

Potenzial des Plattenbaus zur Reduzierung des Energieverbrauchs

Als konkretes Untersuchungsobjekt wurde ein 5-geschossiges Gebäude, vom Typ WBS 70, mit 4 Hausaufgängen und 40 Wohnungen á 60 m² gewählt.

Bild1-GebaeudeGrafik 1: Beispielhaftes Gebäude in Plattenbauweise, Quelle: Simon Sprenger

Anhand von gesammelten Verbrauchsdaten und Literaturwerten konnte ein durchschnittlicher spezifischer Bedarf für Strom, Wärme und Warmwasser ermittelt werden.

Um den Energieverbrauch zu reduzieren, gibt es mehrere Möglichkeiten. Häufig setzt man auf die Reduzierung des Heizwärmebedarfs durch die Dämmung der Fassade. Weitere Einsparungen lassen sich durch den Austausch der Heizkörper, Dämmung der Rohrleitungen oder Absenken der Vorlauftemperatur erzielen.

Im Zuge solcher Umbaumaßnahmen bietet sich ebenfalls die Modernisierung der Heizungsanlage an. Hierbei gilt es, in einem zukünftig vollständig auf erneuerbaren Energien basierenden Versorgungssystem, möglichst effizient mit den zur Verfügung stehenden Energiequellen umzugehen. Dies spricht für einen Einsatz von elektrischen Wärmepumpen, welche in Verbindung mit vor Ort erzeugtem Solarstrom, besonders klimaschonend Nutzwärme erzeugen können.

 

Planung der Photovoltaikanlage

Für die Analyse des Solarpotenzials wurde angenommen, dass stets die gesamte verfügbare Dachfläche des WBS 70 für die PV-Anlage genutzt wird. Bei dem Dach eines solchen Gebäudes handelt es sich um ein nach innen geneigtes Schmetterlingsdach - eine Bauweise, die einige Herausforderungen birgt. Neben den typischen Entlüftungen für Bad und Küche, sowie den für den Druckausgleich nötigen Hauben der Abwasserschächte gilt es, den Entwässerungstrog zu berücksichtigen, der längs in der Mitte des Daches verläuft.

Als besonders vorteilhaft stellt sich hier ein Ost-West-System heraus. Dieses muss aufgrund seines aerodynamischen Verhaltens geringer ballastiert werden und die verfügbare Dachfläche wird optimal ausgenutzt. Insgesamt lassen sich so ca. 168 PV-Module auf der Dachfläche unterbringen. Bei einer Modulleistung von 400 Wp ergibt dies ein Solarpotenzial von 67,20 kWp. Ertragssimulationen zeigen, dass sich die Ausrichtung des Gebäudes bei sehr flach aufgeständerten Modulen (10°) nur sehr gering auf den PV-Ertrag und dAls en Eigenverbrauch auswirkt.

Bei einem durchschnittlichen Stromverbrauch von 1800 kWh pro Wohnung, lässt sich hierdurch bereits ein Eigenverbrauch von 47 Prozent und somit ein Autarkiegrad von 40 Prozent erreichen. Dies bedeutet, dass 47 Prozent des erzeugten Stroms im Haus verbraucht werden können, was 40 Prozent des Strombedarfs entspricht.

Dies ändert sich allerdings, wenn zusätzlich Durchlauferhitzer zur Warmwassererzeugung genutzt werden. Durch eine solche direkt-elektrische Trinkwarmwasser-Erzeugung lässt sich der Eigenverbrauch auf 62 % erhöhen, jedoch nur noch ein Autarkiegrad von 37 % erreichen, welcher in dieser Bilanz die Warmwassererzeugung schon mit beinhaltet.

Angesichts des hohen Energiebedarfs eines unsanierten Gebäudes, kann ein PV-System nur verhältnismäßig geringe Einsparungen erzielen, da der Wärmebedarf für Heizung und Warmwasser ca. 80 % des gesamten Energiebedarfs ausmacht.

 

Sanierung auf KfW 55 Standard für mehr Einsparungen

Um den Energiebedarf und somit die CO2-Emissionen effektiv abzusenken, müssen weitere Maßnahmen, wie eine gut gedämmte Gebäudehülle und eine Wärmeversorgung über Wärmepumpen hinzugezogen werden. Als anzustrebender Energiestandard wurde in dieser Untersuchung der KfW-55-Standard gewählt, welcher nach den Plänen der Bundesregierung als durchschnittlicher Richtwert für den deutschen Gebäudebestand etabliert werden soll. Hierdurch lässt sich der Wärmebedarf bereits um die Hälfte reduzieren.

In der Raumwärme- und Trinkwarmwasser-Erzeugung gibt es jedoch regional große Unterschiede was die Ausstattung der Gebäudetechnik anbelangt. Der überwiegende Teil der WBS 70 wird über Fernwärme versorgt. Hinzu kommen regionale Varianten mit einer zentralen Gasheizung, die auch zur Trinkwassererwärmung genutzt werden kann, oder auch in Kombination mit Strom- und Gas-Durchlauferhitzern vorkommt.

 

Vergleich unterschiedlicher Wärmepumpen-Systeme

Durch diese unterschiedlichen Voraussetzungen ergeben sich ebenfalls unterschiedliche Konzepte für die Umstellung auf ein Wärmepumpen-System, welche ihrerseits wiederum mit verschiedenen Wärmequellen kombiniert werden können.

Bild2-Varianten_BestandGrafik 2: Varianten der Heizungstechnik, Quelle: Simon Sprenger

Um hier die unterschiedlichen Lösungen miteinander zu vergleichen wurden die Energieverbräuche der unterschiedlichen betrachteten Wärmepumpen-Szenarien mittels einer Jahressimulation bestimmt und ausgewertet.

  • Systeme mit Erdsonden als Wärmequelle erreichen unter den gegebenen Bedingungen die höchsten Einsparungen. Gefolgt von Luft-Wärmepumpen im Kaskadenbetrieb, welche sich ihrerseits wiederum von den bivalenten Luft-Wärmepumpen-Systemen abheben können.
  • Bei näherer Betrachtung der Umsetzbarkeit und Wirtschaftlichkeit zeigt sich, dass die bivalenten Luft-Wärmepumpen-Systeme momentan die wirtschaftlichste Lösung zur Einsparung von CO2 darstellen.
  • Für Systeme mit Sole-Wärmepumpen ergeben sich durch die hohe Anzahl an Sole-Bohrungen, zum einen hohe Kosten, welche die Amortisation erschweren, und zum anderen ein hoher Flächenbedarf, welcher grundsätzliche Probleme mit der Umsetzbarkeit hervorruft.

Erfolgt die Trinkwasser-Erwärmung eines Systems zudem mit Hilfe einer Wärmepumpe, trägt dies im erheblichen Maße zur Energieeffizienz bei. Nichtsdestotrotz können alle betrachteten Systeme in Verbindung mit einer PV-Anlage und energetischer Sanierung unter den richtigen Rahmenbedingungen einen erheblichen Beitrag für die Emissionsreduktion von 50 bis 60 Prozent gegenüber dem Status Quo leisten (siehe Grafik 3, Mittelwert aus allen Szenarien).

Figure 2020-11-09 224325 (1)Grafik 3: Spezifischer CO2-Ausstoß am Beispiel WBS70, Quelle: Simon Sprenger

 

 

Energetische Sanierungen haben den höchsten Effekt auf CO2-Reduzierung

Durch eine energetische Sanierung werden insgesamt die größten Einsparungen erzielt. Im Verhältnis dazu lassen sich durch die betrachteten Wärmepumpen-Systeme ebenfalls hohe Einsparungen erreichen, auch wenn diese für sich untereinander betrachtet unterschiedlich effizient arbeiten. Die Einspareffekte des PV-Systems kommen aufgrund des begrenzten erneuerbaren Potenzials hingegen erst nach Absenken des Bedarfs und dem Einsatz einer Wärmepumpe zur Geltung.

Zu beachten ist, dass die Effizienz eines Wärmepumpen-Systems nicht unbedingt die Höhe der CO2-Einsparung widerspiegelt. Ihr Effizienzvorteil gegenüber Gasheizungen kommt erst mit einem weiteren Ausbau der erneuerbaren Energien zum Tragen. Nur so können die übrigen 40 Prozent der ursprünglichen Emissionen auch eingespart werden.

Angesichts der Tatsache, dass der Energieverbrauch an Raumwärme und Trinkwarmwasser in den deutschen Privathaushalten, trotz aller Bemühungen seit Jahren stagniert und sich gleichzeitig der Anteil fossiler Energieträger kaum reduzieren lässt (2018: 69 Prozent), besteht hier großer Handlungsbedarf.

 


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Veröffentlicht am:
Dezember 1, 2020

 

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