31. August 2022

Der Umbau eines Berliner Wohnhauses aus den 1950er-Jahren zeigt die energetischen Potenziale von Altimmobilien auf

Berlins Städtische Wohnungsbaugesellschaft degewo AG hatte im Jahr 2017 ein bestehendes Mehrfamilienhaus so umgebaut, dass es sich zu nahezu 100% mit Wärme und Strom selbst versorgen kann. Unter wissenschaftlicher Begleitung der HTW Berlin schloss sich ein zweijähriges Anlagen- und Verbrauchsmonitoring zur Evaluation des umgesetzten Energiekonzeptes an. Die Ergebnisse können sich sehen lassen.

Das Monitoring wurde im Rahmen des Programms EnOB (Forschungsinitiative Energieoptimiertes Bauen) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert. Im Jahr 2020 erfolgten die letzten Auswertungen. Deren Ergebnisse wurden im Februar 2022 vorgestellt.

Das achtstöckige degewo-Zukunftshaus (ZKH) gilt nach dem Umbau der 64 Wohnungen aus den 1950er-Jahren aus technischer, wirtschaftlicher und wohnungswirtschaftlicher Sicht als ein Modellprojekt für ein Gesamtkonzept unter dem Gesichtspunkt „Eigen-Energie“. Ansporn für das Projekt war das Energie-Szenario der Bundesregierung, wonach der Energiebedarf aus Erneuerbaren Energien bis 2050 massiv gesteigert werden soll. Hierfür unerlässlich sind die Minimierung des Heizwärmebedarfs sowie die dezentrale Erzeugung und der Verbrauch von Strom und Wärme vor Ort. Mit dem ZKH soll eine 100%ige Abdeckung mit Erneuerbarer Energie durch die neuartige Verknüpfung innovativer Technologien zur Energieerzeugung, -speicherung, Steuerung und Energieverteilung erreicht werden.

Energie und Wärmekonzept

Die komplexen Monitoringziele umfassten über eine Gesamtdauer von 4,5 Jahre neben dem Funktionsnachweis des Energiekonzepts und der Energiebilanzen auch das Erkennen von Schwachstellen in der Technischen Gebäudeausrüstung. Im Rahmen des Gesamtkonzepts ließen sich diese Schwachstellen dann teilweise nachjustieren. Erfasst wurden u. a. Temperaturen, thermische Komfortparameter, Vergleich von Messwerten mit deren Prognosen, Untersuchung dynamischer Vorgänge, der frühzeitigen Fehlererkennung in der Haustechnik, der Analyse und Funktionsbeschreibung innovativer Elemente sowie der Aufbereitung der Ergebnisse für Projektpartner, Öffentlichkeit und Lehre.

Das Messkonzept erfolgte gemäß EnOB-Leitfaden in drei Phasen:

• in der ersten Phase der Konzeption/Umsetzung/Inbetriebnahme,
• gefolgt von einem Intensivmonitoring und
• in der dritten Phase war es ein Langzeitmonitoring (Verwertungsphase).

„Dazu gehörten auch Messungen zum Außenklima, Lasten, Detail-Charakterisierung von Regelzonen und Einzelmessungen. In den Regelzonen wurden auch Untersuchungen zum thermischen Verhalten des Gebäudes inkl. Bewertung der Behaglichkeit durchgeführt. Bei acht Wohnungen konnte durch ein zusätzliches Intensivmonitoring auch das Nutzerverhalten genauer erfasst werden“, fasst Prof. Friedrich Sick von der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin zusammen. Auffällig sei dabei, dass trotz der mechanischen Belüftung häufig die Fenster im Winter geöffnet wurden. Die Folge: Der Gesamtwärmeverbrauch wurde erhöht. Mithilfe der Lüftungsanlage konnte in allen Wohnungen und Räumen eine sehr gute Luftqualität (500 – 700 ppm CO₂) beobachtet werden.

In dem vom Beratungsunternehmen Drees & Sommer SE koordinierten Projekt wurde auf ein konsequentes Niedertemperaturkonzept geachtet. Dazu wurde die vorhandene Dämmung aus den 1990er-Jahren von 8 cm auf 20 cm erhöht. Fenster und Balkone wurden erneuert und eine kontrollierte mechanische Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung eingebaut.

Heizwärme und Trinkwarmwasser werden mit strombetriebenen Wärmepumpen erzeugt und von PVT-Kollektoren als Wärmequellen für die Wärmepumpen ergänzt. Anfallende Überschüsse werden im teilisolierten Niedertemperatur-Erdreichspeicher (saisonale Wärmespeicherung) gespeichert. Ein „Wärmemanager“ regelt nach dem Prinzip Verbrauch vor Speicherung.

In den Wohnungen und Räumen erfolgt die Wärmeübergabe im Winter über Deckenstrahlungsheizungen auf einem niedrigen Temperaturniveau. Im Sommer führt die Decke Wärme ab. Als nicht sichtbare Wärmequelle ist die Deckenheizung flächig mit Heizmatten belegt und ermöglicht so ein durchgehend behagliches Raumklima.

Im Vergleich der spezifischen Energieerträge von PV und PVT zeigte sich, dass der Anlagenteil mit klassischen PV Modulen eine deutlich höhere elektrische Flächeneffizienz aufgrund des höheren Modulwirkungsgrades erreicht. Trotz der niedrigeren Betriebstemperaturen erzielte die PVT keine spezifisch höheren elektrischen Erträge. Dennoch: Durch die hohen thermischen Erträge kann die PVT bei einer gesamtenergetischen Betrachtung einen um den Faktor 2,5 höheren flächenspezifischen Ertrag (Strom und Wärme) erzielen.

Umbau des Energiekonzeptes

Für den Betrieb des gesamten Gebäudes (inkl. Mieterstrom) wird nach der Sanierung ca. 70 % weniger Endenergie benötigt. Unter Berücksichtigung der lokalen Energieerzeugung hat sich die endenergetische Gesamtbilanz um 82 % verbessert. Im Vergleich zum Zustand vor der Sanierung wird eine Reduktion der CO₂-äquivalenten Emissionen um 80 % (69,5 kg/(m² · a) erreicht. Die gemessen, absolute Einsparung liegt bei 260 t/a. Damit werden schon heute die Anforderungen für einen klimaneutralen Gebäudebestand 2050 erreicht.

Etwa 70 % der Mieter beziehen den durch die PV-Anlagen auf dem Dach und an der Fassade lokal erzeugten Strom. Er wird über einen eigenen Hausstromtarif abgerechnet. Die Vanadium-Redox-Flow-Batterien sollten als elektrischer Energiespeicher die Autarkie des ZKH steigern. Im laufenden Betrieb hebt der Unterhaltungsaufwand (Eigenstrom und Konditionierung) der Batterien die Vorteile der Speichertechnik jedoch auf. „Die Betrachtung der Effizienz von Batteriespeichersystemen ist sowohl nach energetischen als auch wirtschaftlichen Kriterien wichtig. Daher ist bei dem aktuellen Entwicklungsstand von Redox-Flow-Batterien abzusehen“, gibt Prof. Friedrich Sick von der HTW Berlin zu bedenken.

Beim Wärmeverbrauch für Trinkwarmwasser konnte im Vergleich zum Stand vor der Sanierung keine Effizienzsteigerung erreicht werden. Der Heizenergieverbrauch sinkt hingegen um 84 %. Das Potenzial der Gebäudekühlung konnte von den Mietern nicht vollständig genutzt werden. Das Problem: Die Funktion des Raumthermostats ist für die Nutzer nicht verständlich genug gestaltet. Lange Ausfallzeiten aufgrund eines mehrfach defekten Ventils führten ebenfalls zur Beeinträchtigung der Kühlung.

Wärme und Wasser neu gedacht

Die mittlere Zapfmenge für Trinkwarmwasser (TWW) beträgt nach vollständiger Belegung 3,3 m³/Tag. Mit ca. 33 l/(Pers. · d) entspricht dies dem mittleren Verbrauch einschlägiger Literaturwerte. Dabei wurde eine leichte Zunahme aufgrund der Ausgangsbeschränkungen im Rahmen der COVID-19-Pandemie zum Ende des Messzeitraums um ca. 3 l/(Pers. · d) im Vergleich zum Vorjahreszeitraum festgestellt.

Mit einer dauerhaften Verlustleistung von 6 bis 6,5 kW und einem Anteil von ca. 40 % am gesamten Wärmeeintrag sind die Zirkulationsverluste sehr hoch. Eine Anpassung des Volumenstroms konnte diesen Anteil nur geringfügig verringern (- 1 %). Eine Anpassung der Systemtemperatur ist aus hygienischen Gründen nicht möglich. Gegenüber der Prognose (16,9 kWh/(m² · a)) ist der gemessene Verbrauch mit durchschnittlich 33,7 kWh/(m² · a) deutlich höher. Falsche Randbedingungen für die Prognose und eine doppelte Länge der Zirkulationsleitung im sanierten Zustand sind hierfür die Ursachen. Der Energieverbrauch für das TWW-System muss bei zukünftigen Sanierungen konzeptionell verringert werden.

Fazit

„Mit einem Langzeitmonitoring lassen sich gebäudetechnische Schwachstellen konkretisieren und Effizienzpotenziale ableiten“, ist Prof. Sick aber überzeugt. „Durch einige energetische Ausreißer in diesem Projekt konnte jedoch das Ziel einer Selbstversorgung von 100 % mit Wärme und Strom nicht komplett erreicht werden. Dennoch konnten wir den Anteil der Nahwärme im Monitoringzeitraum von 33 % auf 26 % senken.“

Autor: Uwe Manzke, freier Journalist